DE19729506A1

DE19729506A1 - Heizkessel zur Feuerung von festen Brennstoffen

Info

Publication number: DE19729506A1
Application number: DE1997129506
Authority: DE
Inventors: Rolf Schnekenburger
Original assignee: Individual
Current assignee: Lopper Kesselbau 93352 Rohr De GmbH
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: DE19729506C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel zur Feuerung von festen Brennstoffen, bei dem ein Brennstoffschacht, ein Glutrost, ein neben dem Glutrost angeordneter Gasausbrandein satz mit einer Brenngas-Einlaßöffnung und ein dem Gasaus brandeinsatz nachgeordneter Wärmetauscher vorgesehen ist. Der Gasausbrandeinsatz, der seitlich oberhalb des Glutrostes die Brenngas-Einlaßöffnung aufweist, dient dazu, im Betrieb des Heizkessels Brenngase, die aus einer auf dem Glutrost befind lichen Brennstoffglut ausgelöst werden, in diesem so voll ständig wie möglich auszubrennen.

Ein derartiger Heizkessel ist beispielsweise aus der deut schen Patentschrift DE 35 00 974 bekannt. Hierin ist ein Spe zialheizkessel für feste Brennstoffe beschrieben, bei dem ein mit einem Bodenrost versehener Brennstoffschacht neben einem Wärmetauscher angeordnet ist. Unterhalb des Wärmetauschers und neben dem Bodenrost befindet sich ein Gasausbrandeinsatz, der dort als Brenneinsatz bezeichnet ist.

Der Brenneinsatz dieses bekannten Heizkessels besteht im We sentlichen aus einer Brennkammer, die als ein sich in Hori zontalrichtung erstreckender Kanal ausgebildet ist, durch den die aus der Brennstoffglut ausgelösten Brenngase unter Wir belbildung horizontal hindurchgeführt werden. Während der Verweildauer der Brenngase in dieser "horizontalen" Brennkam mer erfolgt der Ausbrand der Brenngase.

Bei dem oben beschriebenen Aufbauprinzip des Gasausbrandein satzes ist es besonders schwierig einen ausreichenden, den heute geltenden Schadstoffnormen für Heizkessel-Abgase genü genden Gasausbrand zu erreichen und sicherzustellen. Darüber hinaus hängt der Grad des Gasausbrandes und damit der Schad stoffgehalt in den Abgasen sehr stark von den jeweils vorlie genden Bedingungen in der Peripherie wie Kamin oder Ventila tor des Heizkessels ab.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Heizkessel der eingangs genannten Art zu entwic keln, der insbesondere einen verbesserten Ausbrand der von der Brennstoffglut ausgelösten Brenngase aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Heizkessel mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Heizkessels sind Gegenstand der Un teransprüche 2 bis 13.

Erfindungsgemäß ist bei dem Heizkessel der eingangs genann ten Art vorgesehen, daß der Gasausbrandeinsatz aufweist:

- mindestens eine Gasberuhigungskammer, die im Wesentlichen zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit der Brenngase vorgesehen ist, und
- mindestens eine der Gasberuhigungskammer in Strömungsrich tung der Brenngase nachgeordnete Gasausbrennkammer, in der im Betrieb des Heizkessels der Ausbrand der Brenngase erfolgt.

Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Heizkessels besteht insbesondere darin, daß die Verweildauer der Brenn gase in der Gasausbrennkammer aufgrund der zunächst in der Gasberuhigungskammer stattfindenden Reduzierung der Strö mungsgeschwindigkeit der Brenngase gegenüber den bislang be kannten Heizkesseln deutlich erhöht ist.

Folglich findet in der Gasausbrennkammer ein nahezu vollstän diger Ausbrand der Brenngase statt. Mit dem erfindungsgemä ßen Heizkessel lassen sich im Vergleich zu den bislang be kannten Heizkesseln deutlich verbesserte Schadstoffwerte in den Abgasen des Heizkessels erzielen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Heizkessels ist eine der Gasausbrennkammer in Strömungsrichtung der Brenngase nachgeordnete Gasbeschleunigungskammer vorgesehen, die im We sentlichen zur Steigerung der Gasgeschwindigkeit der aus der Gasausbrennkammer austretenden Abgase dient.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Heizkessels ist die Gasberuhigungskammer als ein sich im Wesentlichen in horizontaler Richtung erstreckender Kanal und die Gasaus brennkammer als ein sich im Wesentlichen in vertikaler Rich tung erstreckender Kanal ausgebildet.

Durch die vertikale Anordnung der Gasausbrennkammer wird vor teilhafterweise gewährleistet, daß sie zumindest in einem Teilbereich über ihren gesamten Querschnitt sehr homogen auf die für den vollständigen Gasausbrand optimalen Temperaturen gebracht werden kann. Das gesamte Brenngas muß demzufolge notwendigerweise durch diesen Teilbereich hindurchtreten, wo durch ein sehr voll ständiges Ausbrennen des Brenngases ge währleistet ist.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des Heizkes sels und dessen o. g. Weiterbildungen sind die Gasberuhi gungskammer und die Gasbeschleunigungskammer als sich im We sentlichen in horizontaler Richtung erstreckende Kanäle aus gebildet, die senkrecht übereinander angeordnet sind.

Diese Ausbildung und Anordnung der beiden Kammern stellt hin sichtlich Temperaturverteilung und Platzbedarf im Gasaus brandeinsatz die optimale Lösung dar.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gasausbrandein satzes wird der gegenüber den herkömmlichen Heizkesseln deut lich verbesserte Gasausbrand auch dann erreicht, wenn die Zugbedingungen in einem an den Heizkessel angeschlossenen Ka min oder die Ventilatorleistung nicht ideal ist, was bei den bekannten Heizkesseln zu einer sehr unvollständigen Verbren nung und folglich zu Rauch- und Rußbildung führt.

Weitere Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des erfin dungsgemäßen Heizkessels ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläuterten Aus führungsbeispiel. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Ausführungs beispiels und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Gasausbrand einsatzes des Ausführungsbeispieles entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Linie A-A mit Sicht in Richtung der auf die Linie A-A gerichteten Pfeile.

Bei dem Heizkessel von Fig. 1 ist unterhalb eines Brenn stoffschachtes 1 ein Glutrost 2 angeordnet. Unter dem Glutrost befindet sich ein Ascheauffangbehälter 15. Der Brennstoffschacht 1 weist eine Einfüllöffnung auf, die mit einer Abdeckung 18 verschließbar ist.

Auf einer Seite neben dem Glutrost ist ein Gasausbrandeinsatz 3 angeordnet, der sich nach oben in Richtung eines neben dem Brennstoffschacht 1 angeordneten Wärmetauschers 11 erstreckt.

Der Gasausbrandeinsatz 3 - man vgl. dazu auch die Fig. 2 - weist eine Gasberuhigungskammer 4 auf, die über eine seitlich angeordnete, langgestreckte, düsenähnlich geformte Brenngas-Ein laßöffnung 9 mit einer über dem Glutrost 2 befindlichen Glutzone verbunden ist.

Mit Glutzone ist derjenige Bereich über dem Glutrost gemeint, in dem sich im Betrieb des Heizkessels der glühende Brenn stoff befindet. Sie wird im Betrieb des Heizkessels über Öff nungen im Glutrost 2 von unten mit Primärluft versorgt.

Der Glutrost 2 ist bevorzugt als sogenannter Wabenrost ausge bildet. Der Wabenrost weist ein wabenartiges Metallgerüst aus Stahl oder Metallguß auf und in jeder Wabe befindet sich ein beispielsweise aus Keramik oder Feuerbeton gefertigter Einle gestein 21, von denen eine Mehrzahl oder alle jeweils ein Primärluft-Loch 22 aufweisen. Über diese Primärluft-Löcher 22 erfolgt im Betrieb des Heizkessels die Primärluftzufuhr zur Brennstoffglut auf dem Glutrost 2.

Durch Auswechseln von Einlegesteinen 21 mit Primärluft-Löchern 22 gegen solche ohne Primärluft-Löcher 22 oder mit kleineren oder größeren Primärluft-Löchern ist die Einlaß menge und sind die Einlaßorte für die Primärluft regelbar und der Heizkessel kann somit auf einfache Weise auf ver schiedene Formen und Arten von Brennstoffen eingestellt wer den.

In die Brenngas-Einlaßöffnung 9 mündet eine Mehrzahl von Se kundärluft-Einlaßöffnungen 10, durch die im Betrieb des Heizkessels das vom Brennstoff ausgelöste Brenngas vor Ein tritt in die Gasberuhigungskammer 4 mit Sekundärluft versorgt wird. Diese Sekundärluft-Einlaßöffnungen 10 befinden sich in einer die Gasberuhigungskammer 4 von der Glutzone trennenden Seitenwandung des Gasausbrandeinsatzes 3, sind im Querschnitt bevorzugt ellipsenförmig ausgebildet und stellen eine Verbin dung zwischen einer unterhalb des Gasausbrandeinsatzes 3 an geordneten Sekundärluftkammer 20 und der Brenngas-Ein laßöffnung 9 her.

Die Sekundärluft-Einlaßöffnungen 10 stehen vorzugsweise senkrecht zur Brenngasströmungsrichtung in der Brenngas-Ein laßöffnung 9. Dadurch wird im Betrieb des Heizkessels die Sekundärluft mittels Unterdruck angesaugt, wodurch ein Selbstregeleffekt erzielt wird. Je stärker das Feuer brennt, um so höher ist die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases und damit auch der Unterdruck, so daß um so mehr Sekundär luft angesaugt wird.

Die Regelung der Primär- und Sekundärluftzufuhr im Betrieb des Heizkessels erfolgt in an sich bekannter Weise mittels manuell oder elektronisch gesteuerter Luftklappen und wird von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.

Die Gasberuhigungskammer 4 ist als ein sich in Horizontal richtung erstreckender Kanal ausgebildet, der in eine Gasaus brennkammer 5 mündet. Diese ist als ein sich in Vertikalrich tung erstreckender Kanal ausgebildete.

Die Gasausbrennkammer 5 mündet in eine Gasbeschleunigungskam mer 6, die wiederum als ein sich in Horizontalrichtung er streckender Kanal ausgebildet und senkrecht über der Gasberu higungskammer 4 angeordnet ist.

Die Gasbeschleunigungskammer 6 weist vorzugsweise einen sich in Abgasströmungsrichtung 8 verringernden Querschnitt auf, um eine verbesserte Gasbeschleunigung zu erzielen.

Der Ausgang der Gasbeschleunigungskammer 6 mündet in den Wär metauscher 11, in dem zur Umlenkung der heißen Abgase Turbu latoren 12 vorgesehen sind, die bevorzugt aus horizontal an geordneten, spiralförmig gebogenen Blechen bestehen. Diese dienen zur Umlenkung der Abgase entlang der Heizflächen 19, um einen gute Wärmeaustausch zwischen den Abgasen und den Heizflächen 19 zu gewährleisten. Der Widerstand des Abgaswe ges im Wärmetauscher 11 kann durch die Länge der Turbulatoren 12 gezielt verändert werden. Lange Turbulatoren 12 vergrö ßern den Widerstand, kurze verringern ihn.

Im oberen Bereich des Wärmetauschers 11 ist ein Abgasausgang 17 vorgesehen, durch den die im Wärmetauscher 11 abgekühlten Abgase in ein Abgasrohr oder in einen Rauchgassammelkasten abgeführt werden. Auf dem Heizkessel ist über dem Wärmetau scher 11 eine Steuereinheit 16 für den Heizkessel angeordnet.

Die Glutzone über dem Glutrost 2 ist vorzugsweise auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten jeweils von einem Waben rost 14 als wärmeisolierende Wand begrenzt und der Brenn stoffschacht 1 ist über der Glutzone mittels einer Kühlein richtung 13, z. B. mit einer Wasserkühlung, gekühlt.

Um eine stabile Flammentemperatur zu erreichen, müssen näm lich die Wärmeverluste der Glut konstant bleiben. Durch die Kühlung des Brennstoffschachtes 1 wird ein unerwünschtes Hochbrennen des Brennstoffes im Füllschacht und folglich auch das Brennen des gesamten Brennstoff-Vorrates im Brennstoff schacht 1 verhindert, ohne gleichzeitig die Vortrocknung des Brennstoffes zu verhindern.

Die höchste Temperatur befindet sich direkt über der Glut. Dort ist der Brennstoff völlig trocken und bereits teilweise entgast. Die Glut ist also durch eine wärmeisolierende Schicht vom Brennstoffvorrat im Brennstoffschacht 1 getrennt. Die Temperatur im Brennstoffschacht 1 ist konstant und liegt nur wenig über der Temperatur der Kühleinrichtung 13. Die Gluttemperatur ist stabil. Die starren Randbedingungen beid seitig der stabilen, isolierenden Schicht oberhalb der Glut bewirken eine gleichmäßige Wärmeabgabe der Glut während des ganzen Abbrandes.

Die beiden seitlichen Wabenroste 14 bewirken, daß an die Glutzone nur wenige gekühlte Teilen grenzen. Das verhindert die Auskühlung der Glutzone und bewirkt einen stabilen Erhalt der Glut. Ein Teil der einströmenden Primärluft streicht seitlich durch die Löcher 22 der Einlegesteine 21 über das Glutbett und fördert die Vergasung des Brennstoffes. Durch den Einsatz der seitlichen Wabenroste 14 nimmt der Brenn stoffschacht 1 weniger Wärme aus der Glut auf und die Ab brandzeit des Heizkessels wird länger.

Im Betrieb des Heizkessels wird den Brenngasen, die aus der auf dem Glutrost 2 liegenden Brennstoffglut ausgelöst werden, unmittelbar vor dem Eintritt in die Gasberuhigungskammer 4 über die Sekundärluft-Einlaßöffnungen 10 vorgewärmte Sekun därluft beigemischt. Die Vorwärmung der Sekundärluft erfolgt in der Sekundärluftkammer 20.

Die derart angereicherten und in der düsenähnlich geformten Brenngas-Einlaßöffnung 9 beschleunigten Brenngase strömen in die horizontale Gasberuhigungskammer 4 ein und werden dort beruhigt, damit die Gasgeschwindigkeit stark reduziert wird und so anschließend eine möglichst lange Verweilzeit der Brenngase in der vertikal angeordneten Gasausbrennkammer 5, dem vertikalen Gaszyklon, gewährleistet ist. Diese lange Ver weilzeit in der Gasausbrennkammer 5 ist notwendig, damit die Brenngase so vollständig wie möglich ausbrennen können.

Das ausgebrannte Abgas strömt in die sich an die Gasausbrenn kammer 5 anschließende als Injektor ausgebildete Gasbe schleunigungskammer 6 ein und wird dort, bevor es in den Wär metauscher 11 entlassen wird, erneut beschleunigt.

Mit dieser Ausgestaltung des Gasausbrandeinsatzes 3 wird ein gegenüber den herkömmlichen Heizkesseln deutlich verbesserter Gasausbrand auch dann erreicht, wenn die Zugbedingungen im an den Heizkessel angeschlossenen Kamin oder die Ventilatorlei stung nicht ideal ist, was, wie weiter oben bereits erwähnt, bei den bekannten Heizkesseln zu einer sehr unvollständigen Verbrennung und folglich zu Rauch- und Rußbildung führt.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffschacht

2

Glutrost

3

Gasausbrandeinsatz

4

Gasberuhigungskammer

5

Gasausbrennkammer

6

Gasbeschleunigungskammer

7

Strömungsrichtung der Brenngase

8

Abgasströmungsrichtung

9

Brenngas-Einlaßöffnung

10

Sekundärluft-Einlaßöffnung

11

Wärmetauscher

12

Turbulatoren

13

Kühleinrichtung

14

wärmeisolierende Wand

15

Ascheauffangbehälter

16

Steureinheit

17

Abgasausgang

18

Abdeckung

19

Heizflächen

20

Sekundärluftkammer

21

Einlegestein

22

Primärluft-Loch.

Claims

1. Heizkessel zur Feuerung von festen Brennstoffen mit

- einem Brennstoffschacht (1),
- einem Glutrost (2),
- einen neben dem Glutrost (2) angeordneten eine Brenngas-Ein laßöffnung (9) aufweisenden Gasausbrandeinsatz (3), der zum Ausbrennen von im Betrieb des Heizkessels aus einer auf dem Glutrost (2) befindlichen Brennstoffglut ausgelösten Brenngasen vorgesehen ist und
- einem dem Gasausbrandeinsatz (3) nachgeordneten Wärmetau scher (11),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasausbrandeinsatz (3) aufweist:
- eine Gasberuhigungskammer (4) im Wesentlichen zum Reduzie ren der Strömungsgeschwindigkeit der Brenngase und
- eine der Gasberuhigungskammer (4) in Strömungsrichtung (7) der Brenngase nachgeordnete Gasausbrennkammer (5) im Wesent lichen zum möglichst vollständigen Ausbrennen der Brenngase.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gasausbrennkammer (5) in Abgasströmungsrichtung (8) nachgeordnete Gasbeschleunigungskammer (6) vorgesehen ist, die im Wesentlichen zur Steigerung der Gasgeschwindig keit der aus der Gasausbrennkammer (5) austretenden Abgase dient.

3. Heizkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasberuhigungskammer (4), die Gasausbrennkammer (5) und die Gasbeschleunigungskammer (6) derart zueinander ange ordnet sind, daß sie einen U-förmigen Kanal bilden.

4. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasberuhigungskammer (4) als ein sich im Wesentli chen in horizontaler Richtung erstreckender Kanal ausgebildet ist und
daß die Gasausbrennkammer (5) als ein sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckender Kanal ausgebildet ist.

5. Heizkessel nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbeschleunigungskammer (6) als ein sich im Wesent lichen in horizontaler Richtung erstreckender Kanal ausgebil det ist.

6. Heizkessel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbeschleunigungskammer (6) senkrecht über der Gas beruhigungskammer (4) angeordnet ist.

7. Heizkessel nach Anspruch 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbeschleunigungskammer (6) einen sich in Ab gasströmungsrichtung (8) verringernden Querschnitt aufweist.

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Brenngas-Einlaßöffnung (9) der Gasberuhigungs kammer (4) mindestens eine im Querschnitt im Wesentlichen el lipsenförmige Sekundärluft-Einlaßöffnung (10) für Sekundär luft vorgesehen ist.

9. Heizkessel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft-Einlaßöffnungen (10) derart ausgebil det sind, daß sie die Sekundärluft im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Brenngases diesem zuführen.

10. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasausbrandeinsatz (3) aus keramischem Material, aus Feuerfestbeton, aus Schamott oder aus Quarzglas besteht.

11. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (11) spiralförmige Turbulatoren (12) zum Umlenken der Abgase entlang den Heizflächen des Wärmetau schers (11) aufweist.

12. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung (13) für den Brennstoffschacht (1) vorgesehen ist und daß eine über dem Glutrost (2) befindli che Glutzone mindestens auf einer Seite von einer wärmeiso lierenden Wand (14) begrenzt ist.

13. Heizkessel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Wand (14) als Wabenrost ausgebildet ist, über den im Betrieb des Heizkessels der Brennstoffglut Primärluft zuführbar ist.