DE3908296A1 - Heizkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Öl- oder gasbefeuer­ ten Heizkessel - insbesondere in vertikaler Betriebs­ stellung mit stirnseitig oben angeordnetem Sturzbrenner - mit einem Feuerraum, der an seiner dem Brenner gegen­ überliegenden Stirnseite offen in einen Umlenkraum mündet, mit einem ein- oder mehrzügigen Rauchgaskanal, der von dem Umlenkraum ausgehend außenseitig des von einem Feuerraumeinsatz ummantelten Feuerraumes in einen im brennerseitigen Kesselstirnbereich ausgebildeten Rauchgas-Sammelraum geführt ist, und mit einem Wasser­ raum, der den Feuerraum unter Einschluß des Rauchgaska­ nals außenseitig des Feuerraumeinsatzes umfaßt. Ein solcher Kessel ist beispielsweise in der EP-Patentanmel­ dung 2 92 580 beschrieben.

Zur Erzielung einer guten Verbrennung unter geringerem Ausstoß an Schadstoffen, wie Stickoxiden, Kohlenmonoxi­ den, Kohlenwasserstoffen und Ruß ist dort davon ausge­ gangen worden, den Feuerraum in einer ersten, an den Brenner anschließenden Zone zu kühlen.

Bei der Verfeuerung von fossilen Brennstoffen entstehen neben anderen Verbrennungsprodukten auch Stickoxide NO _x . Die Stickoxide im Abgas bestehen zu etwa 95% aus Stickstoffmonoxid NO und etwa 5% aus Stickstoff­ dioxyd NO₂.

Die Entstehungsmechanismen für NO sind allgemein bekannt und können durch die folgenden Vorgänge

• - thermische NO-Bildung
• - prompte NO-Bildung und
• - NO-Bildung durch die Oxidation des atomar im Brennstoff enthaltenen Stickstoffes, des sogenannten Brennstoff NO, beschrieben werden.

Der Hauptanteil der Stickoxide bei Feuerungen ist insbesondere bei Verwendung von stickstofffreien bzw. -armen Brennstoffen, wie gasförmigen Brennstoffen und Heizöl EL, auf thermisches NO, das bei Temperaturen oberhalb von 1200°C in der Flamme durch Oxidation des von der Luft mitgeführten molekularen Stickstoffes N₂ mit dem Sauerstoff entsteht, zurückzuführen. Es ist grundsätzlich bekannt, durch Zurückführen eines Teilabgasstromes in den Verbrennungsprozeß insbesondere die Entstehung von thermischem NO zu reduzieren.

Durch das Zurückführen von Abgasteilmengen in den Verbrennungsvorgang wird einerseits eine Reduktion der Flammentemperatur und andererseits eine Minderung des relativen Anteils des Sauerstoffes erzielt. Das Abgas weist aufgrund seines Gehaltes an Kohlendioxid und Wasserdampf eine verhältnismäßig große spezifische Wärmekapazität auf.

Eine Abgasrückführung kann man sich grundsätzlich auf zwei Arten vorstellen, nämlich die externe Abgasrück­ führung, d.h. das Abgas wird irgendwo außerhalb des Kessels auf dem Wege zum Kamin oder dergleichen entnommen und dem Verbrennungsprozeß zugeführt, beispielsweise durch Einführen in die Verbrennungsluft eines Brenner­ gebläses, zum anderen kann man sich vorstellen, einen Teil des Abgases in der Brennerkammer selbst so zu rezirkulieren, daß das Abgas in die Flammenwurzel zurückgeführt wird.

Ausgehend von einem Kessel der eingangs beschriebenen Art wird im Rahmen der Erfindung die Abgasrückführung innerhalb des Kessels vorgenommen, also "kesselintern".

Dabei wird von der Grundvorstellung ausgegangen, daß das dem Brennrohr entströmende Brennstoffgemisch, welches zur Flamme entzündet wird, mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die Brennkammer übertritt und daher im Bereich vor der Mündung des Brennrohres einen Unter­ druck erzeugt (man spricht auch vom Flammenimpuls, d.h. die gerichtete Größe aus dem Produkt von Masse und Geschwindigkeit des Gases in Richtung von der Düsenmündung fort). Das aus der Brennkammer in den außerhalb dieser gelegenen Wärmetauscherbereich übertre­ tende Abgas gibt Wärme ab und erleidet Strömungswider­ standsverluste, so daß sich ein Druckgefälle einstellt. An einem Ort dieses Druckgefälles, bei dem der Druck stabil höher ist als der Unterdruck im Flammenbildungs­ bereich, wird ein Teil des Abgases entnommen und dem Flammenbildungsbereich aufgrund dieses Druckgefälles zugeführt, wodurch sich ein stabiler Strömungszustand einstellt. Die Abgasteilmenge, die zurückgeführt wird, kann nach der grundsätzlichen Vorstellung der Erfindung irgendwo im Bereich des Wärmetauscherweges außerhalb des Brennraumes bis einschließlich zum Sammelraum erfolgen, der an den Kamin angeschlossen ist. Wichtig ist in jedem Falle, daß ein zuverlässiges Druckgefälle vom Ort der Entnahme der Teilabgasmenge zum Unterdruck­ bereich im Entstehungsgebiet der Flamme sichergestellt ist. Es darf mit anderen Worten also keine Gefahr gegeben sein, daß die heißen Gase aus dem Verbrennungs­ raum über die Abgasrückführleitung in den Wärmetauscher­ raum des Abgases gelangen, dies würde - abgesehen von den umweltschädlichen Einflüssen, die damit verbunden sein könnten, einen "thermischen Kurzschluß" bedeuten.

Die Erfindung wird bevorzugt bei einem Kessel angewandt, der besonders dafür ausgelegt ist, am Abgasausgangsraum eine niedrige Abgastemperatur aufzuweisen, bei dem also im letzten Bereich der Wärmeabgabe eine große Fläche zum angrenzenden aufzuheizenden Wassermantel gegeben ist. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß das Abgas vor dieser letzten flächenintensiven Wärmeüber­ gangsstrecke abgegriffen, das Abgas hat dort beispiels­ weise noch eine Temperatur von etwa 400°C, ist also deutlich kühler als die heißen Gase im Verbrennungsbe­ reich, die für die NO _x -Bildung verantwortlich sind.

Geht man von einem Heizkessel aus, wie er aus der EP-Patentanmeldung 2 92 580 bekannt ist, so wird in besonders einfacher Ausführung der vorzugsweise rohrför­ mig ausgebildete Feuerraumeinsatz, der den Brennraum umgreift, nach oben hin zur Brennerdüse verlängert ausgebildet, und zwar derart, daß die Mündung des Brennerrohres in den von dem Feuerraumeinsatz umschlos­ senen Innenraum (Brennkammer) eingreift. Dabei muß natürlich die zuzuführende Abgasteilmenge in das innere des die Brennkammer bildenden Feuerraumeinsatzes einströ­ men können, d.h. der Feuerraumeinsatz wird nicht bis zum Deckel an diesen anschließend hochgezogen, sondern mehr oder weniger davon beabstandet endend gehalten. Die Mündung des Brennerrohres kann allenfalls in der Öffnungsebene der damit definierten Brennkammer angeord­ net sein, vorzugsweise greift sie aber in den von dem Feuerraumeinsatz umgriffenen Brennkammerraum ein.

Bei der besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung im Rahmen eines Kessels mit besonders niedriger Abgas­ temperatur wird im Übergangsbereich von der ersten Wärmetauscherstrecke zu derjenigen mit der großen Wärmetauscherfläche der Schlußströmungsstrecke der Abgase ein gezielter Spalt zwischen dem Feuerraumeinsatz und der diese haltenden Innenwandung des Wassermantels geschaffen. Im Ausführungsbeispiel geschieht dies durch eine vorstehende, ringsum durchgehend oder unter­ brochen ausgebildete Rippe, an der über mehr oder weniger stabförmige oder bereichsweise kleine Abstüt­ zungen der rohrförmige Feuerraumeinsatz an der inneren Heizkesselwandung abgestützt ist.

Über die Größe der Spaltbildung in diesem Abstützbereich ist eine Einstellmöglichkeit für die Größenordnung der Teilstrommenge des abgegriffenen Abgases gegeben; der Abstand zwischen der oberen Kante des rohrförmigen Feuerraumeinsatzes und dem Deckel, der von dem Brenner­ kopf durchgriffen wird, bietet eine weitere Einstellmög­ lichkeit des Strömungswiderstandes und damit der zurück­ geführten Abgasteilmenge.

Es ist des weiteren möglich, die nach innen hin gerich­ tete Wandung des Wassermantels im oberen Bereich von dem Deckel beabstandet zu halten, so daß eine Abgasteil­ menge aufgrund der Sogwirkung der Flamme aus dem Ring­ kanal entnommen werden kann, der zu Ende der Wärmetau­ scherstrecke angeordnet ist und mit dem Kamin in Verbin­ dung steht. Anstelle eines ringförmigen Spaltes können hier auch Bohrungen oder dergleichen vorgesehen werden, die den Abgasringkanal mit dem Unterdruckbereich zu Beginn der Flammenbildung verbinden.

Das Abgas gelangt im Unterdruckbereich in die Brennkam­ mer, durchmischt sich mit der Flamme und setzt dadurch die Temperatur in diesem Flammenbereich aufgrund des zurückgeführten kühlen Abgases entsprechend herab. Diese "Abkühlung" liegt an der erhöhten relativen Wärmekapazität der Abgasteilmenge. Ein weiterer Effekt ist, daß die Temperaturspitzen im Verbrennungsbereich dadurch abgebaut werden, d.h. die Temperatur innerhalb der Flamme, die ohne eine solche Maßnahme hinsichtlich ihrer Verteilung sehr unterschiedlich sein kann, ver­ gleichmäßigt wird. ln solchen Temperaturspitzenbereichen würde die NO _x -Bildung entsprechend begünstigt. Durch den Abbau dieser Spitzen aufgrund der hohen Temeratur­ differenzen zur Abgastemperatur werden diese Bildungs­ zonen entsprechend eingeschränkt.

In besonders bevorzugter Ausführung ist die "zweistufige" Ausgestaltung der Wasserkammer als einteiliges Gußstück ausgebildet, beispielsweise Grauguß, so daß die insbeson­ dere bei weit herabgekühlten Abgasen auftretenden Kondensatbildungen problemlos beherrscht werden. Das Gußstück bildet durch Aufnahme von Silikat eine sehr korrisionsbeständige Gußhaut, die wesentlich widerstands­ fähiger gegen Kondensat ist als Stahl. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Gußhaut unverletzt bleibt. Gußhautverletzungen treten durch Bearbeitung und auch durch Reibbelastung auf. Aus diesem Grunde ist in bevorzugter Ausführung die Wandung der Wasserkammer einstückig durchgehend und zumindest im Begrenzungsbereich des Heizgaskanales unbearbeitet ausgebildet. Vorzugsweise besteht die Wasserkammer insgesamt aus einem einstückigen Gußteil.

Der untere stirnseitige Abschluß des Kessels wird durch einen Bodenisolierkörper gebildet, der den Umlenk­ raum nach unten hin begrenzt. Die Wärmetauscherflächen des Wassermantels verlaufen im Bereich des bzw. der Rauchgaskanäle vorzugsweise zumindest im wesentlichen vertikal, so daß sich im oben gelegenen Niedertemperatur­ bereich bildendes Kondensat nach unten hin in Richtung höherer Rauchgastemperatur abfließen und damit verdampfen kann. Eingehende Ausführungen dazu finden sich in der DE-OS 35 46 368.6-16.

Nach der EP-OS 2 92 580 kann im oberen Bereich des Rauchgaskanals die Wasserkammer derart ausgebildet sein, daß sie von dem Rauchgaskanal radial außen umgrif­ fen oder von diesem durchgriffen wird. In diesen Fällen liegt demnach eine aufzuheizende Innenwandung der Wasserkammer nahe dem vorzugsweise rohrförmig ausgebilde­ ten Feuerraumeinsatz. Das bedeutet, daß hier eine zum oberen Bereich (Flammenbildungsbereich) der Brennkam­ mer gerichtete Kühlung stattfindet, die insbesondere dann auf das rezirkulierte Abgas Einfluß hat, wenn dieses in diesem Bereich zwischen der Innenwandung der Wasserkammer und dem Feuerraumeinsatz nach oben hin abgezweigt gelenkt wird.

Die hier bevorzugt vorgesehene Abgasrückführung bei einem Kessel mit im oberen Bereich innengelegener Wasserkammer ist ganz grundsätzlich auf eine solche Kesselausbildung nicht beschränkt. Es ist nur erforder­ lich, eine Möglichkeit der Teilmengenabspaltung des der Flamme zugeführten Abgases vorzusehen. Im primitiv­ sten Falle könnten das auch Schlitze oder Bohrungen sein, die im oberen Ringraumbereich zwischen der Abgas­ sammelkammer mit Anschluß zum Kamin und dem Brennerkopf­ bereich vorgesehen werden. Anstelle einer Bohrung kann auch ein durchgehender Spalt zwischen der oberen Berandung der inneren Kesselwandung und dem Deckel vorgesehen sein. Die bevorzugte Abzweigung des rückge­ führten Teilstrombereiches des Abgases aus dem Übergangs­ bereich zwischen dem unteren und dem oberen Rauchgaska­ nalabschnitt kann jedoch den Vorteil haben, daß diese rückgeführte Abgasmenge nicht zu weit abgekühlt ist.

Die beiliegende Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kessels, dessen erstes Ausführungsbeispiel - Fig. 1 - die Abzweigung einer rückzuführenden Abgasteilmenge aus dem vertikalen Mittelbereich des Rauchgaskanales zeigt, während das andere Ausführungsbeispiel - Fig. 2 - die Möglichkeit der Abzweigung einer Teilmenge des Abgases aus dem Abgassammelraum unterhalb des Kesseldeckels wiedergibt. Die Schnittdarstellung ergibt sich jeweils schematisch aus der Schnittführung, die aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Die Ausführungsbeispiele orientieren sich an denen der EP-OS 2 92 580, von der Kopie beigelegt ist und die insoweit Bestandteil der Beschreibung der vorliegen­ den Erfindung ist. Im Gegensatz zu den dortigen Ausfüh­ rungsbeispielen ist der Wassermantel nach den Ausführungs­ beispielen der Erfindung als einstückiges Gußteil ausgebildet, wodurch die insbesondere aus der DE-OS 35 46 368 in diesem Zusammenhang dargelegten Vorteile erreicht werden.

Fig. 1 zeigt durch einen Pfeil angedeutet die Teilabgas­ menge, die aus dem Rauchgaszwischenraum 18 durch den zwischen der Innenwandung des oberen Bereiches der Wasserkammer und der Außenwandung des obere Abschnittes des Feuerraumeinsatzes gebildeten ringförmigen Kanal 40 abgezogen wird, während Fig. 2 die Entnahme einer Teilabgasmenge aus dem Rauchgassammelraum 19 zeigt, und zwar durch einen Spalt, der zwischen dem Deckel und der oberen Berandung der Innenwandung des oberen Bereiches der Wasserkammer freigelassen ist.

Claims (8)

1. Heizkessel mit integrierter Abgasrezirkulation für die Verbrennung von flüssigem oder gasförmigem Brenn­ stoff mit einem in Strömungsrichtung offenen Brennkam­ mereinsatz und einem stirnseitig angeordneten Brenner mit vorzugsweise von oben nach unten gerichteter Flamme, in die ein Teil des Abgases zur Kühlung der Flammentemperatur zurückgeführt wird, wobei der Abgas­ teilstrom über einen zwischen dem Brennkammereinsatz und dem Kesseldeckel gebildeten Öffnungsquerschnitt aufgrund der Austrittsgeschwindigkeit der Flamme aus dem Brennerrohr der Flamme zugeführt wird.

2. Heizkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der beidseitig offene Brennkammereinsatz flammenein­ trittsseitig in einem Abstand 20 bis 50 mm, vorzugs­ weise 30 mm, von der lnnenwandung des Kesseldeckels angeordnet eine Fläche zwischen dem Deckel und dem Feuerraum bildet, über die ein Abgasteilstrom in die Flamme zurückgeführt wird.

3. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammereinsatz in einem Abstand von 10 bis 30 mm, vorzugsweise 15 mm, zur lnnenwandung des Kesseloberteils angeordnet einen freien Ringquerschnitt zwischen dem Abgaszwischensammelraum und dem Kesselober­ teil bildet.

4. Heizkessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammereinsatz im Bereich des Abgassam­ melraumes mit einem Abstand zur Wassermantelwandung ausgebildet wird.

5. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuerrauminnenwand im Bereich des Abgassammel­ raumes mit einem Abstand zum Kesseldeckel ausgebildet ist.

6. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammereinsatz im Bereich des Flammenaus­ tritts mit vergrößertem Durchmesser kegelig ausgebil­ det ist.

7. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennrohr des Brenners in die Mündung des Brennkammereinsatzes hineinragt.

8. Heizkessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Flamme zugeführte Abgasteilstrom aus einem Mittelbereich des Abgaszuges abgezweigt wird.