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Die
Erfindung betrifft einen Heizkessel für die Verbrennung
von festem Brennstoff, insbesondere Biomasse, mit einer Kesselwand
und einem Kesseldeckel, mit einer Brennstelle als erste Verbrennungsstufe,
mit einer Primär-Luftzufuhreinrichtung, mit einer Zündeinrichtung,
mit einer Zuführeinrichtung zur Förderung des
Brennstoffs zur Brennstelle, mit einem Ausbrand- bzw. Ausglühraum
als zweite Verbrennungsstufe, mit einer nach oben offenen Brennkammer
und mit einem Flammenrohr, wobei der Ausbrand- bzw. Ausglühraum
derart unterhalb der Brennstelle angeordnet ist, daß Brennstoff
von der Brennstelle in den Ausbrand- bzw. Ausglühraum verbringbar
ist und dort weiter ausbrennt bzw. ausglüht, wobei die
Brennstelle und der Ausbrand- bzw. Ausglühraum gemeinsamen
in der Brennkammer angeordnet sind, und wobei sich das Flammenrohr
nach oben an die Brennkammer anschließt, so daß die
im Ausbrand- bzw. Ausglühraum entstehenden Rauchgase zusammen
mit den über der Brennstelle entstehenden Rauchgasen im
Flammenrohr ausbrennen.
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Daneben
betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie
durch Verbrennen eines Brennstoffes, insbesondere Biomasse, in einem
Heizkessel, wobei der Brennstoff in einer ersten Verbrennungsstufe
verbrannt wird und wobei der in der ersten Verbrennungsstufe ausgebrannte bzw.
teilweise ausgebrannte Brennstoff, der noch einen Kohlenstoffanteil
aufweist, in einer zweiten Verbrennungs- bzw. Ausglühstufe
weiter ausbrennt bzw. ausglüht.
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Zur
Erzeugung von Wärmeenergie werden regelmäßig
brennbare Stoffe verbrannt, um die dabei gewonnene thermische Energie
zur Erwärmung von Medien zu nutzen. Die Erwärmung
erfolgt dabei mit Hilfe eines Wärmetauschers, beispielsweise
eines Luft-Wasser-Wärmetauschers, bei dem das Wasser durch
die beim Verbrennen der Brennstoffe entstehende heiße Luft
erwärmt wird. Neben klassischen Heizkesseln, bei denen
fossile Brennstoffe wie beispielsweise Erdöl, Erdgas oder
Kohle verbrannt werden, gibt es auch Heizkessel, bei denen nachwachsende
Rohrstoffe, insbesondere Holz in Form von Hackgut und Pellets, als
Brennstoffe verwendet werden. Derartige Pellets- Heizkessel, die
auch als Stückholzkessel bezeichnet werden, sind mittlerweile in
einem sehr großen Leistungsbereich von ca. 5 bis 100 kW
erhältlich.
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Im
Rahmen dieser Erfindung sollen unter dem Begriff "Biomasse" nachwachsende
Rohstoffe verstanden werden. Hierzu gehören neben Holz,
insbesondere in der Form von Holzspänen, Holzhackschnitzeln
oder Holzpellets, und Getreide auch getreideähnliche Stoffe
wie Raps oder Stroh, diese dann vorzugsweise in Form von Rapspreßkuchen oder
Strohpellets.
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Beim
Betrieb der für Holzpellets vorgesehenen Heizkessel mit
Getreide ist eine Reihe von Problemen aufgetreten, so daß bisher
ein Betrieb mit der gleichen Qualität wie mit dem bestimmungsgemäßen Brennstoff
kaum erzielt werden konnte. Die wesentlichen Probleme liegen dabei
in einem schlechteren Wirkungsgrad aufgrund eines schlechteren Ausbrandes
des Getreides, einer erhöhten Emission von Staub, Kohlenmonoxid,
Kohlenwasserstoff und Stickoxiden, wodurch die zulässigen
Grenzwerte der Heizkessel häufig überschritten
werden, und einem erhöhten Aschegehalt, der zu Problemen
bei der Ascheaustragung und zu Problemen durch Verschlackung führt.
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Ein
eingangsbeschriebener Heizkessel, von dem die Erfindung ausgeht,
ist aus der
EP 1 288
570 A2 bekannt. Bei dem bekannten Heizkessel ist zusätzlich
zur eigentlichen Brennstelle – der ersten Verbrennungsstufe – ein
Ausbrand- bzw. Ausglühraum als zweite Verbrennungsstufe
vorgesehen, in der die in der ersten Verbrennungsstufe nur teilweise
ausgebrannten Brennstoffe, die noch einen Kohlenstoffanteil und
damit auch noch einen Energiewert aufweisen, weiter ausbrennen können.
Da der Ausbrand- bzw. Ausglühraum unterhalb der Brennstelle
angeordnet ist, kann der Brennstoff einfach dadurch von der ersten
Verbrennungsstufe zur zweiten Verbrennungsstufe gelangen, daß der
Brennstoff von der Brennstelle in den Ausbrand- bzw. Ausglühraum
fällt.
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Durch
die Kapselung der ersten und der zweiten Verbrennungsstufe innerhalb
der gemeinsamen Brennkammer wird erreicht, daß die beim
Ausbrennen bzw. Ausglühen der Brennstoffe in dem Ausbrand-
bzw. Ausglühraum entstehenden Rauchgase, die aufgrund der
dort vorherrschenden etwas geringeren Temperaturen schlechtere Abgaswerte
aufweisen, den bei der Verbrennung des Brennstoffes in der ersten
Verbrennungsstufe entstehenden Rauch- bzw. Brenngasen zugeführt
werden und gemeinsam mit diesen innerhalb des Flammrohres in der
dort herrsehenden großen Hitze ausbrennen, so daß die Abgaswerte
des Heizkessels durch die "schlechten" Abgaswerte aus der zweiten
Verbrennungsstufe kaum negativ beeinflußt werden.
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Bei
dem bekannten Heizkessel wird somit nicht nur der Wirkungsgrad dadurch
erhöht, daß der Energiewert der Brennstoffe nahezu
vollständig ausgenutzt wird, sondern es werden zusätzlich
die eigentlichen damit verbundenen "schlechteren" Rauchgase dadurch
zum großen Teil unschädlich gemacht, daß diese
Rauchgase durch die extrem heiße erste Verbrennungsstufe
geleitet werden und dort weiter ausbrennen.
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Trotz
aller Vorteile, die der bekannte Heizkessel bereits aufweist, so
bestehen Probleme bei der Einhaltung auch zukünftiger strengerer
Emissionswerte, insbesondere wenn biogene Brennstoffe verwendet
werden sollen, die sehr eiweißreich sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgrabe zugrunde, einen
Heizkessel für die Verbrennung von festen Brennstoffen,
insbesondere von Biomasse, sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie
durch Verbrennung von Biomasse zur Verfügung zu stellen,
bei dem auf möglichst einfache Art und Weise die Emissionswerte,
insbesondere von Stickoxiden weiter verringert werden.
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Diese
Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Heizkessel zunächst
dadurch gelöst, daß die Primär-Luftzufuhreinrichtung
derart ausgebildet und innerhalb der Brennkammer sowie oberhalb der
Brennstelle angeordnet ist, daß zum einen Luft in die erste
Verbrennungszone eingeblasen werden kann, zum anderen die beim Ausbrennen
bzw. Ausglühen der Brennstoffe im Ausbrand- bzw. Ausglühraum
entstehenden Rauchgase im wesentlichen an der Primär-Luftzufuhreinrichtung
sowie an der Brennstelle vorbei geleitet werden, so daß die
Rauchgase der zweiten Verbrennungsstufe die Verbrennung des Brennstoffes
auf der Brennstelle nicht negativ beeinflußen.
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Bei
dem bekannten Heizkessel weist die Primär-Luftzufuhreinrichtung
einen Luftzufuhrkanal und Luftdüsen auf, die in einem als
Luftkanal dienenden doppelwandigen Teil der Brennkammer ausgebildet sind.
Dadurch strömen die "schlechteren" Rauchgase aus dem Ausbrand-
bzw. Ausglühraum zwar an der Brennstelle nicht jedoch an
den Luftdüsen der Primär-Luftzufuhreinrichtung
vorbei, so daß sich die "schlechteren" Rauchgase mit der
als Verbrennungsluft dienenden Luft aus den Luftdüsen vermischen, was
unter Umständen dazu führen kann, daß die Flammen
auf der Brennstelle "erstickt" werden.
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Erfindungsgemäß ist
zunächst erkannt worden, daß es zwar von Vorteil
ist, wenn die aufgrund der geringeren Temperatur im Ausbrand- bzw.
Ausglühraum beim Verbrennen bzw. Ausglühen der Brennstoffreste
entstehenden Rauchgase, die schlechtere Schadstoffwerte aufweisen,
zusammen mit den Rauchgasen, die bei der Verbrennung des Brennstoffes
auf der Brennstelle entstehen, innerhalb des Flammenrohres in der
dort herrschenden großen Hitze ausbrennen. Gleichzeitig
kann jedoch das Zusammenführen der Rauchgase aus der ersten Verbrennungsstufe
und der zweiten Verbrennungsstufe unmittelbar über der
Brennstelle die Verbrennung des Brennstoffes auf der Brennstelle
negativ beeinflussen.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung
der Primär-Luftzufuhreinrichtung wird dagegen gewährleistet,
daß sich die schlechteren Rauchgase aus der zweiten Verbrennungsstufe erst
oberhalb der Primär-Luftzufuhreinrichtung mit den bei der
Verbrennung des Brennstoffes auf der Brennstelle entstehenden Rauchgasen
vermischen. Dadurch ist sichergestellt, daß die von der
Primär-Luftzufuhreinrichtung in die erste Verbrennungszone
eingeblasene Verbrennungsluft nicht durch die "schlechteren" Rauchgase
aus der zweiten Verbrennungszone beeinträchtigt wird, so
daß auch die Flammen auf der Brennstelle durch die Rauchgase nicht
"erstickt" werden können.
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Durch
die gemeinsame Anordnung der Brennstelle und des Ausbrand- bzw.
Ausglühraumes innerhalb der Brennkammer sowie die Anordnung des
Flammenrohres oberhalb der Brennkammer ist dabei weiterhin sichergestellt,
daß die "schlechteren" Raugase aus der zweiten Verbrennstufe
gemeinsam mit den Rauchgasen aus der ersten Verbrennungsstufe innerhalb
des Flammenrohres in der dort herrschenden großen Hitze
ausbrennen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Primär-Luftzufuhreinrichtung
ein Luftzufuhrrohr und einen Hohlkörper, insbesondere einen
Rohrring, mit mehreren Luftdüsen auf, die oberhalb der
Brennstelle angeordnet sind und durch die Verbrennungsluft in die
erste Verbrennungszone eingeblasen wird. Durch eine kreisringförmige
Anordnung der Luftdüsen ist dabei eine optimale Zuführung der
als Verbrennungsluft dienenden Primär-Luft zur Brennstelle
möglich. Vorzugsweise sind dabei die Luftdüsen
im Hohlkörper so angeordnet, daß Luft unter einem
Winkel von ca. 5° bis 45° zur Senkrechten zur
Brennstelle geblasen wird, was zu einem gleichmäßigen
Ausbrennen des Brennstoffes auf der vorzugsweise als Brennteller
ausgebildeten Brennstelle führt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist unterhalb
der Brennstelle eine zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung
angeordnet, durch die der in dem Ausbrand- bzw. Ausglühraum
enthaltenen kohlenstoffhaltigen Asche Verbrennungsluft zugeführt
wird. Die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung weist dabei
vorzugsweise ebenfalls ein Luftzufuhrrohr und einen Hohlkörper
mit mehreren Luftdüsen auf, durch die Luft auf den ausgebrannten
bzw. teilweise ausgebrannten glühenden Brennstoff im Ausbrand-
bzw. Ausglühraum geblasen wird.
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Grundsätzlich
besteht zwar die Möglichkeit, daß das Luftzufuhrrohr
der ersten Primär-Luftzufuhreinrichtung und das Luftzufuhrrohr
der zweiten Primär-Luftzufuhreinrichtung an ein gemeinsames
Gebläse angeschlossen sind, vorzugsweise ist jedoch vorgesehen,
daß die erste Primär-Luftzufuhreinrichtung und
die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung jeweils an ein
eigenes Gebläse angeschlossen sind. Dadurch besteht die
Möglichkeit, daß die Menge und/oder der Druck
der Luft, die durch die erste bzw. zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung
auf den Brennstoff auf der Brennstelle bzw. auf die ausgebrannten bzw.
teilweise ausgebrannten Brennstoffe im Ausbrand- bzw. Ausglühraum
geblasen wird, unabhängig voneinander eingestellt werden
kann.
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Hierbei
ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Heizkessel ein Meßfühler
zugeordnet ist, der mindestens einen Abgaswert des Heizkessels,
insbesondere den Restsauerstoffgehalt der Rauchgase im Abgaskanal
des Heizkessels mißt, wobei dann in Abhängigkeit
vom gemessenen Abgaswert die Menge und/oder der Druck der Luft durch
die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung eingestellt wird.
Dadurch besteht die Möglichkeit, während der Verbrennung des
Brennstoffes auf der Brennstelle durch eine entsprechend eingestellte
Luftzufuhr über die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung
in der zweiten Verbrennungsstufe stark CO-haltiges Rauchgas zu produzieren,
welches, ohne die Verbrennung in der ersten Verbrennungsstufe zu
beeinflussen, zusammen mit dem Rauchgas aus der ersten Verbrennungsstufe
in der großen Hitze innerhalb des Flammenrohres ausbrennt.
Dabei bewirkt ein erhöhter CO-Gehalt des Rauchgases eine
gewünschte Verringerung des Anteils an Stickoxiden im Rauchgas.
Messungen haben gezeigt, daß dadurch der Anteil an Stickoxiden
(NOx) auf unter 500 mg/m3 bezogen bei 13%
Restsauerstoff (Bezugssauerstoff) reduziert werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizkessels,
die für sich bereits bei dem Heizkessel gemäß der
EP 1 288 570 A2 realisiert
ist, ist ein Bewegungselement in der Brennkammer angeordnet, das
den Brennstoff auf der Brennstelle durchrührt und ausgebrannten
bzw. teilweise ausgebrannten Brennstoff über den Rand der Brennstelle
schiebt, so daß diese Brennstoffreste in den darunterliegenden
Ausbrand- bzw. Ausglühraum fallen. Durch das Bewegungselement
wird dabei gleichzeitig die Bildung von Schlackeklumpen auf der Brennstelle
verhindert oder zumindest verringert, da der Brennstoff ständig
in Bewegung ist. Außerdem wird neuer, über die
Zuführeinrichtung zur Brennstelle beförderter
Brennstoff unter den bereits brennenden Brennstoff untergemischt,
was eine gleichmäßige Verbrennung des Brennstoffes
fördert.
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Zur
weiteren Optimierung der Verbrennung kann oberhalb der ersten Primär-Luftzufuhreinrichtung
eine Sekundär-Luftzufuhreinrichtung vorgesehen sein, die
ein Sekundär-Luftzufuhrrohr und mehrere Luftdüsen
und/oder mehrere Luftschlitze aufweist. Die Verbindung des Sekundär-Luftzufuhrrohres
mit den Luftdüsen oder den Luftschlitzen kann dadurch realisiert
sein, daß der untere, an die Brennkammer anschließende
Bereich des Flammenrohres doppelwandig ausgeführt ist.
Dieser doppelwandige Bereich des Flammenrohres dient dann als Luftkanal,
durch den die Sekundär-Luft vom Sekundär-Luftzufuhrrohr
zu den Luftdüsen bzw. Luftschlitzen strömt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Heizkessel ist die Ausbildung
der zuvor beschriebenen Sekundär-Luftzufuhreinrichtung
jedoch nicht unbedingt erforderlich, da über eine entsprechende
Einstellung der Luftmenge über die erste Primär-Luftzufuhreinrichtung
nicht nur ausreichend Verbrennungsluft für die Verbrennung
des auf der Brennstelle angeordneten Brennstoffes zur Verfügung
gestellt werden kann, sondern zugleich auch eine ausreichende sekundäre Luftversorgung
bei der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile oberhalb
der Brennstelle, insbesondere im unteren Bereich des Flammenrohres,
gewährleistet werden kann.
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Bei
dem eingangs beschriebenen Verfahren ist die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe dadurch gelöst, daß die in der zweiten
Verbrennungs- bzw. Ausglühstufe entstehenden Rauchgase
derart geführt werden, daß sie zunächst
im wesentlichen an der ersten Verbrennungsstufe vorbeigeleitet werden, so
daß die Rauchgase der zweiten Verbrennungs- bzw. Ausglühstufe
die Verbrennung des Brennstoffes in der ersten Verbrennungsstufe
nicht negativ beeinflussen, und dann den in der ersten Verbrennungsstufe
entstehenden Rauchgasen zugeführt werden und gemeinsam
mit diesen bei großer Hitze ausbrennen. Es erfolgt dadurch
eine weitestgehende Trennung der Vergasung in der zweiten Verbrennungsstufe
von der Vergasung bzw. Verbrennung in der ersten Verbrennungsstufe.
Bezüglich der weiteren Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird auf die zuvor beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Heizkessels
verwiesen.
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Vorteilhafterweise
ist das Verfahren dadurch weiter ausgebildet, daß durch
eine erste Primär-Luftzufuhreinrichtung, die oberhalb der
Brennstelle, auf der der Brennstoff verbrennt, angeordnet ist, Luft
in die erste Verbrennungszone eingeblasen wird. Darüber
hinaus ist vorteilhafter Weise vorgesehen, daß durch eine
zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung, die unterhalb der
Brennstelle angeordnet ist, Luft auf den ausgebrannten bzw. teilweise
ausgebrannten Brennstoff im Ausbrand- bzw. Ausglühraum
geblasen wird. Wie zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Heizkessel beschrieben, können auch bei dem Verfahren vorteilhafterweise
die erste Primär-Luftzufuhreinrichtung und die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung
unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird mindestens ein Abgaswert des Heizkessels, insbesondere
der Restsauerstoffgehalt der Rauchgase im Abgaskanal des Heizkessels
gemessen, und in Abhängigkeit vom gemessenen Abgaswert
die Menge und/oder der Druck der Luft, die durch die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung
auf den ausgebrannten bzw. teilweise ausgebrannten Brennstoff im
Ausbrand- bzw. Ausglühraum geblasen wird, eingestellt.
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Außerdem
kann die in der ersten Verbrennungsstufe und/oder in der zweiten
Verbrennungs- bzw. Ausglühstufe entstehende Wärme
zur Erwärmung von Luft verwendet werden, die der ersten
Verbrennungsstufe bzw. der zweiten Verbrennungs- bzw. Ausglühstufe
zugeführt wird.
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Beim
Betrieb des erfindungsgemäßen Heizkessels wird
die über die Zuführeinrichtung zugeführte
Brennstoffmenge so eingestellt, daß nur der feste, endgaste
Restkohlenstoff, der vom Brennstoff überbleibt, über
den Rand der Brennstelle in den darunterliegenden Ausbrand- bzw.
Ausglühraum fällt. Dabei wird auch die Menge der
Verbrennungsluft, die durch die erste Primär-Luftzufuhreinrichtung
in die erste Verbrennungsstufe eingeblasen wird, sowie die Größe
und Geschwindigkeit eines eventuelle vorhandenen Bewegungselements
auf der Brennstelle berücksichtigt bzw. ebenfalls entsprechend
eingestellt.
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Während
der fortlaufende Verbrennung des Brennstoffes auf der Brennstelle,
d. h. in der ersten Verbrennungsstufe, wird im darunter angeordneten Ausbrand-
bzw. Ausglühraum durch eine entsprechend geregelte Luftzugabe über
die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung beim Verglühen
des heruntergefallenen Restkohlenstoffs in der zweiten Verbrennungsstufe
stark CO-haltiges Gas produziert, welches an der ersten Verbrennungsstufe
vorbeigeleitet wird und dann zusammen mit den in der ersten Verbrennungsstufe
entstehenden Rauchgasen im Bereich des Flammenrohres bei großer
Hitze ausbrennt. Das von der zweiten Verbrennungsstufe stammende
stark CO-haltige Gas bewirkt dabei eine Reduzierung des Anteils
an Stickoxiden im Abgas des Heizkessels, ohne das es die Verbrennung
des Brennstoffes auf der Brennstelle negativ beieinflußt.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten,
den erfindungsgemäßen Heizkessel bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen
sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten
Patentansprüche, als auch auf die Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In
der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Heizkessels gemäß dem
Stand der Technik, im Schnitt,
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2 eine
Skizze des inneren Aufbaus des Heizkessels gemäß 1,
und
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3 eine
Skizze des inneren Aufbaus eines erfindungsgemäßen
Heizkessels.
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Die
Figuren zeigen einen Heizkessel 1 für die Verbrennung
von festem Brennstoff, insbesondere von – in 3 schematisch
dargestellten Getreide 2, wie Gerste, Roggen, Weizen oder
Mais, sowie von getreideähnlichen Stoffen wie Stroh und
Raps. Nachfolgend wird – ohne daß die Erfindung
darauf beschränkt sein soll – stets von Getreide
die Rede sein.
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Die
1 und
2 zeigen
dabei einen aus der
EP
1 288 570 A2 bekannten Heizkessel
1, während
in
3 der innere Aufbau des erfindungsgemäßen
Heizkessels
1 dargestellt ist. Neben den nachfolgend noch
genauer beschriebenen Unterschieden zwischen dem erfindungsgemäßen
Heizkessel
1 gemäß
3 und
dem Heizkessel
1 gemäß den
1 und
2,
können bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel
1 jedoch
auch eine Vielzahl von Merkmalen realisiert sein, die in den
1 und
2 dargestellt
sind.
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Der
Heizkessel 1 – sowohl gemäß 1 und 2 als
auch gemäß 3 – besteht
aus einer zylinderförmigen Kesselwand 3, die von
einem runden, hitze- und feuerbeständigem Kesseldeckel 4 nach oben
abgeschlossen ist. Im Inneren befindet sich die eigentliche, als
Brennteller 5 ausgebildete Brennstelle, auf der das Getreide 2 verbrannt
wird. Hierzu wird das Getreide 2 über eine Zuführeinrichtung 6 in
Form einer Förderschnecke durch eine in der Mitte des Brenntellers 5 ausgebildete Öffnung 7 aus
einem außerhalb des Heizkessel 1 angeordneten
Vorratsbehälter 8 zur Brennstelle 5 gebracht.
Das Getreide 2, das sich in der Brennstelle 5 befindet,
wird mit Hilfe einer beispielsweise als Zündelektrode 9 ausgebildeten
Zündeinrichtung gezündet, wobei dem Getreide 2 die
zur Verbrennung notwendige Verbrennungsluft über eine – nachfolgend
noch näher beschriebene – Primär-Luftzufuhreinrichtung
zugeführt wird.
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Unterhalb
der durch die Brennstelle 5 gebildeten ersten Verbrennungsstufe
ist ein Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 als zweite
Verbrennungsstufe angeordnet, in dem über den Rand des
Brenntellers 5 fallendes ausgebranntes oder teilweise ausgebranntes
Getreide 2 gesammelt wird. Da in der ersten Verbrennungsstufe
von dem Getreide 2 nur die leicht und gut brennbaren Stoffe
verbrennen, ist in den von dem Brennteller 5 fallenden
Getreiderückständen 2' (schematisch in 3 dargestellt)
noch Kohlenstoff und damit auch noch ein nutzbarer Energieanteil
enthalten, der nun dadurch ausgenutzt wird, daß die Getreiderückstände 2' in
dem Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 weiter ausbrennen
bzw. ausglühen und die dabei entstehende Wärme
zusätzlich zu der in der ersten Verbrennungsstufe entstehenden
Wärme genutzt wird.
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Aufgrund
der geringeren Temperatur in dem Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 entstehen
dort beim Verbrennen bzw. Ausglühen der Getreiderückstände 2' Rauchgase
mit schlechteren Schadstoffwerten, wodurch die Abgaswerte des Heizkessels 1 insgesamt
verschlechtert würden. Um diesen Nachteil, der mit der
besseren Ausnutzung der in dem Getreide gespeicherten Energie gekoppelt
ist, zu kompensieren, sind die Brennstelle 5 und der Ausbrand-
bzw. Ausglühraum 10 in einer gemeinsamen, nach
oben offenen Brennkammer 11 angeordnet.
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Sowohl
bei dem bekannten Heizkessel gemäß 1 und 2 als
auch bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel gemäß 3 schließt
sich an die Brennkammer 11 nach oben ein Flammrohr 12 an,
so daß die im Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 entstehenden
"schlechteren" Rauchgase 13 zusammen mit den über
der Brennstelle 5 entstehenden Rauchgasen 14 bei
sehr hoher Temperatur innerhalb des vorzugsweise aus Keramik bestehenden
oder mit Keramik ausgekleideten Flammrohres 12 ausbrennen.
Dadurch wird erreicht, daß die "schlechteren" Rauchgase,
die beim Verbrennen bzw. Ausglühen der Getrei derückstände 2' in
dem Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 entstehen, optimal
ausgebrannt werden. Durch die Brennkammer 11 wird somit
eine Kapselung der beiden Verbrennungsstufen gewährleistet,
so daß die "schlechteren" Rauchgase 13 der zweiten
Verbrennungsstufe die Abgaswerte des Heizkessels 1 nicht
beeinträchtigen.
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Bei
dem in 3 dargestellten erfindungsgemäßen
Heizkessel 1 weist die Primär-Luftzufuhreinrichtung
ein Luftzufuhrrohr 15 und einen als Rohrring 16 ausgebildeten
Hohlkörper auf, in dem mehrere Luftdüsen 17 derart
ausgebildet sind, daß die von der Primär-Luftzuführeinrichtung
eingeblasene Verbrennungsluft unter einem Winkel von ca. 5° bis
45° zur Senkrechten zum auf dem Brennteller 5 liegenden
Getreide 2 geblasen wird. Wie aus 3 erkennbar
ist, ist dabei die Primär-Luftzufuhreinrichtung, insbesondere
der Rohrring 16 derart oberhalb des Brenntellers 5 und
beabstandet vom unteren Rand des Flammenrohres 12 angeordnet,
daß die beim Ausbrennen bzw. Ausglühen der Getreiderückstände 2' im
Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 entstehenden Rauchgase 13 außen
am Rohrring 16 sowie am Brennteller 5, und damit
an der ersten Verbrennungsstufe, vorbeigeleitet werden.
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Im
Unterschied dazu grenzt die Primär-Luftzufuhreinrichtung
bei dem in den 1 und 2 dargestellten
bekannten Heizkessel 1 unmittelbar an den unteren Rand
des Flammenrohres 12 an, so daß die schlechteren
Rauchgase 13 aus dem Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 innerhalb
der Primär-Luftzufuhreinrichtung geführt werden.
Bei dem bekannten Heizkessel 1 ist der obere, den Brennteller 5 teilweise umschließende
Bereich 18 der Brennkammer 11 doppelwandig ausgeführt.
Dadurch, daß somit die Primär-Luftzufuhreinrichtung
bei dem bekannten Heizkessel 1 nicht innerhalb der Brennkammer 11 angeordnet
sondern Teil der Brennkammer 11 ist, strömen die
"schlechteren" Rauchgase 13 aus dem Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 unmittelbar
unterhalb der Luftdüsen 17 entlang, so daß sich
die Rauchgase 13 mit der als Verbrennungsluft dienenden
Luft der Primär-Luftzufuhreinrichtung vermischen. Dies
kann unter Umständen dazu führen, daß die
Flammen des auf dem Brennteller 5 brennenden Getreides 2 erstickt
werden, so daß es auch in der ersten Verbrennungsstufe – ungewollt – zu
einer starken Rauchentwicklung kommen kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und Anordnung
der Primär-Luftzufuhreinrichtung gemäß 3 werden
dagegen die Rauchgase 13 mit ausreichendem Abstand um die
erste Verbrennungszone geführt, so daß es nicht
zu einer Vermischung der Rauchgase 13 mit der durch die
Luftdüsen 17 eingeblasenen Verbrennungsluft in
der ersten Verbrennungsstufe kommt.
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Wie
bei dem bekannten Heizkessel 1 gemäß den 1 und 2,
so ist auch beim erfindungsgemäßen Heizkessel 1 gemäß 3 eine
zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung vorgesehen, um das
Ausglühen bzw. Ausbrennen der sich im Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 befindenden
Getreiderückstände 2' zu verbessern.
Die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung weist dabei ebenfalls
ein Luftzufuhrrohr 19 und einen Rohrring 20 auf,
in dem mehrere Luftdüsen 21 ausgebildet sind,
durch die Verbrennungsluft auf die Getreiderückstände 2' geblasen
wird.
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Während
bei dem bekannten Heizkessel 1 das Luftzufuhrrohr 15 der
ersten Primär-Luftzufuhreinrichtung und das Luftzufuhrrohr 19 der
zweiten Primär-Luftzufuhreinrichtung gemeinsam an einem Gebläse 22 angeschlossen
sind, ist bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel 1 das
Luftzufuhrrohr 19 der zweiten Primär-Luftzufuhreinrichtung
an einem zweiten, separaten Gebläse 23 angeschlossen.
Dadurch besteht die Möglichkeit, die Menge und den Druck
der Luft, die durch die erste Primär-Luftzufuhreinrichtung
bzw. die zweite Primär-Luftzufuhreinrichtung auf das Getreide 2 bzw.
die Getreiderückstände 2' geblasen wird,
unabhängig voneinander einzustellen.
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Nachfolgend
werden noch weitere vorteilhafte Details des Heizkessels 1 insbesondere
anhand der 1 und 2 erläutert,
wobei diese Details – unabhängig davon ob sie
in der 3 dargestellt sind oder nicht – auch
bei dem erfindungsgemäßen Heizkessel 1 realisiert
sein können.
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Etwas
oberhalb des Brenntellers 5 ist ein Bewegungselement 24 angeordnet,
daß das Getreide 2, das sich auf dem Brennteller 5 befindet,
durchrührt und ausgebrannte bzw. teilweise ausgebrannte
Getreiderückstände 2' über den
Rand des Brenntellers 5 schiebt, so daß diese
in den darunterliegenden Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 fallen.
Das Bewegungselement 24 ist dabei der Form des Brenntellers 5 angepaßt
und weist an seinem Ende dreiecksförmige Schaufeln 25 auf.
Im Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 ist ein zweites
Bewegungselement 26 angeordnet, das die Getreiderückstände 2',
die sich im Ausbrand- bzw. Ausglühraum 10 befinden
durchrührt und neue glühende, vom Brennteller 5 fallende
Getreiderückstände 2' unterrührt.
Dadurch wird zum einen eine Verschlackung der Getreiderückstände 2' bzw.
der entstehenden Asche verhindert, erfolgt zum anderen auch eine
Zerkleinerung und damit eine Verdichtung der ausgebrannten Asche.
Die beiden Bewegungselemente 24 und 26 sind dabei
an einer gemeinsamen Welle 27 befestigt, die über
einen Motor 28 angetrieben wird.
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In
den Boden des Ausbrand- bzw. Ausglühraums 10 führt
das Ende einer Ascheaustragungsschnecke 29, mit deren Hilfe
die ausgebrannte Asche automatisch aus dem Heizkessel 1 herausgeführt werden
kann. Anders als in 1 dargestellt, kann dabei die
Ascheaustragungsschnecke 29 auch waagerecht oder schräg
nach unten gerichtet sein.
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Zur
weiteren Optimierung der Verbrennung ist gemäß den 1 und 2 oberhalb
der Primär-Luftzufuhreinrichtung eine Sekundär-Luftzufuhreinrichtung
vorgesehen, mittels der zusätzlich Verbrennungsluft in
eine Verbrennungszone im Bereich des Flammrohres 12 eingeblasen
werden kann. Die Sekundär-Luftzufuhreinrichtung weist ein
Sekundär-Luftzufuhrrohr 30 und mehrere Luftdüsen 31 und Luftschlitze 32 auf,
durch die die Luft in die Flammen im Flammenrohr 12 eingeblasen
wird. Zur Realisierung der Sekundär-Zufuhreinrichtung ist
der untere, an die Brennkammer 11 anschließende
Bereich 33 des Flammrohres 12 doppelwandig ausgeführt,
wodurch sich der Vorteil ergibt, daß die Sekundärluft durch
die in der Brennkammer 11 bzw. in dem Flammrohr 12 herrschende
Hitze erwärmt wird, bevor sie ins Innere des Flammrohres 12 geblasen
wird.
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Aus
1 ist
darüber hinaus erkennbar, daß der Heizkessel
1 bzw.
die Kesselwand
3 und der Kesseldeckel
4 von einem
Luft-Wasser-Wärmetauscher
34 umgeben ist, der
die eigentliche Außenwand des Heizkessels
1 darstellt.
Der Wärmetauscher
34 weist mehrere Züge
35a,
35b auf,
wobei das Rauchgas zumindest in einem Zug
35b nach unten
strömt, so daß sich Staubpartikel, die beim Verbrennen
im Flammenrohr
12 mit aufsteigen, beim nachfolgenden Abwärtsströmen
beruhigen und in außerhalb der Brennkammer
11 vorgesehe nen
Abscheideräumen
36,
37 absinken können.
Bezüglich weiterer Einzelheiten hinsichtlich der Ausbildung
des Wärmetauschers wird auf die diesbezüglichen
Ausführungen in der
EP 1 288 570 A2 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1288570
A2 [0006, 0020, 0034, 0048]