DE102016002899B4

DE102016002899B4 - Feuerraum mit verbessertem Ausbrand

Info

Publication number: DE102016002899B4
Application number: DE102016002899.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: DE102016002899A1

Abstract

Luftzufuhr für einen Verbrennungsofen für stückigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft oberhalb des Glutbetts (Sekundärluft) überwiegend tangential in den Brennraum eingebracht wird (4), während im Bereich Glutzone (Primärluft) die Lufteinlässe (1) kombiniert tangential/radial (2 + 3) angeordnet sind, wobei der Begriff „tangential“ ebenfalls eine spiralförmig und/oder schraubenförmige Anordnung der Luftzufuhr beinhaltet.

Description

Feststoffverbrennungsöfen - seien es Kamin-, Kachel, Pelletöfen oder ähnliches - haben durch die Diskussion um nachwachsende Rohstoffe eine Renaissance erfahren. Der Gesetzgeber reagiert darauf mit Einführung neuer, deutlich strengerer Grenzwerte insbesondere für Staub und Kohlenstoffmonoxid, was die Entwickler von Holzöfen mit Naturzug vor große Herausforderungen stellt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Ausbrand von Anlagen, die mit Naturzug, d.h. ohne Gebläse arbeiten, deutlich zu verbessern und damit Emissionen von Kohlenstoffmonoxid (CO), Ruß und Staub zu minimieren.
Bei industriellen Feuerungsanlagen wie Kohlekraftwerke entsprechen Rostfeuerungen seit Jahrzehnten nicht mehr dem Stand der Technik, sondern wurden durch Staub- oder Wirbelschichtfeuerungen abgelöst. In WO99/05451 wird ein Tangential-Eckenbrenner beschrieben, bei dem Kohlenstaub mit Primärluft auf einen imaginären Kreis in der Brennkammermitte geblasen und ein weiterer Teilluftstrahl außen konzentrisch umhüllend geführt wird, ohne dass mechanische Schwenkeinrichtungen benötigt werden. Dies als Weiterentwicklung von EP22454B1 , in der für Primär- und Sekundärluft jeweils 2 (bei Rezirkulation von Rauchgas gegebenenfalls 3) separate Düsen an den Ecken der Brennkammer angeordnet sind, so dass im Innern die Bildung von NO_x durch reduzierende Verhältnisse verringert wird und die Brennkammerwand durch eine oxidierende Atmosphäre gleichzeitig vor Schlackenbildung und Korrosion geschützt werden soll.
Drallbrenner werden in Form von Gas- oder Ölbrenner für Haushaltsfeuerungen ebenfalls seit Jahrezehnten eingesetzt. Meist wird dort die Verbrennungsluft direkt an der Mündung der Brennstoffdüse in Rotation versetzt und durch die entstehende Wirbelströmung eine Rückströmung der Rauchgase induziert. Dieser rückwärts gerichtete Wärmetransport stabilisiert die Flamme; gleichzeitig werden Luft und Brennstoff turbulent vermischt, so dass Emissionen aus unvollständiger Verbrennung (CO und Kohlenwasserstoffe) minimiert werden. Durch den Rücktransport von Rauchgasen und optimaler Vermischung von Luft und Brennstoff werden aber auch Stickoxide beispielsweise bei Gasturbinen wirksam vermindert. Für größere gebläsegestützte Holzfeuerungen werden oft Zyklonbrennkammern eingesetzt, bei denen Holzpartikel < 10 mm meist mit der Primärluft pneumatisch in eine zylinderförmige Brennkammer tangential eingeblasen werden. Die schraubenförmige Bewegung entlang der Brennkammerwand erzeugt ebenfalls eine Rückströmung im Bereich der Mittellinie des Zylinders. Als Vorteile ergeben sich: Geringe CO-Emissionen durch gute Durchmischung, niedrige NO_x-Werte durch gleitende Luftstufung, stufenlose Modulation im Teillastbereich möglich, geringer Luftüberschuss und damit höherer Wirkungsgrad. Als Nachteile sind zu nennen: Erosion in der Brennkammer, Verschmutzung des Wärmetauschers durch erhöhte Flugasche-Emissionen, Zusatzbrenner für Anfahrvorgang notwendig, Ascheaustrag aus der Rotations-Brennkammer erschwert, hohe Wandtemperaturen (Wandkühlung nötig). Diese teils mit Überdruck und hohen Zentrifugalkräfte (> 3 bar, > 140 g [ WO001987001432A1 ]) betriebenen industriellen Brennkammern sind jedoch nicht mit Einzelraumfeuerungen zu vergleichen. Bemühungen bei Holzöfen (Einzelraumfeuerungen) in den letzten Jahren zielten darauf ab, durch Aufteilung der Verbrennungsluft in Primär- (Glutbett) und Sekundärluft (Ausbrandzone), durch Ausschamottierung des Feuerraums sowie durch Gestaltung des Brenn- und Rauchgasraums - meist durch Ausbildung von Engstellen und Ausnutzen des dadurch verursachten Düseneffekts - den Ausbrand zu verbessern und die Partikelemissionen zu reduzieren.
Beispiel hierfür sind u.a.

• Trennung Primär-, Sekundärbrennkammer mit Sekundärluftzufuhr in konisch verlaufender Engstelle, zur Einmischung von Sekundärluft in die Feuerungsgase [ EP0401205B1 ],
• Leitplatten zur Führung der Feuerungsgase aus der Glutzone zu den Primärluftöffnungen, die den Leitplatten entgegengerichtet sind, und Feuerschirm unterhalb der Abgasaustritts mit Einbringen der Sekundärluft in der Engestelle [ AT505770B1 ],
• Tellerartiges metallenes Brenngestell unter der Glutzone zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und Zuführung derselben über einen Ringschlitz am oberen Tellerrand, so dass die Luft über den Umfang verteilt in die Glut strömt; z.T. mit Zwangsführung im Bereich des Schlitzes [ EP0249601B1 ].
• Zuluftleitvorrichtung aus Gusseisen im Bereich des Brennkammerbodens teils als Rost ausgeführt und Sekundärluftführung im Bereich der Tür, um eine gleichmäßige Verteilung der Zuluft und eine Scheibenspülung zu erreichen [ AT404873B }.
• Festbrennstofffeuerstätte mit spiralförmiger Strömungsführungseinrichtung oberhalb des Brennraums zur Erzeugung einer Drallströmung, um die Verweilzeit und Vermischung zu erhöhen [ DE102008038763B4 ].
• Verbrennungsluftzufuhr in den Brennraum erfolgt über mehrere in unterschiedlicher Höhe angeordnete Schlitze in den Kachelofenseitenwänden und der Rückwand [UMWELT PLUS KACHELOFEN, 2011]
• Verwirbelung der Schwelgase, die in der Brennstoffschicht über dem Rost gebildet werden, mit von den Seitenwänden konvergent eintretenden Sekundär-Luftstrahlen [ FI 116985 B ].

Da die Ursachen für erhöhte CO-Werte eine unzureichende Vermischung von Brennstoff und Luft eine zu geringe Verweilzeit in der Reaktionszone sowie zu niedrige Temperaturen im Brennraum sind, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch geeignete Maßnahmen hinsichtlich der Luftzufuhr und Strömung der Feuerungsgase die Mischung zwischen Brennstoff (Glut und Flüchtigenbestandteile) und Luft zu optimieren, die Wärmeübertragung von Rauchgas an den Brennstoff und die Verbrennungsluft zu verbessern, die Aufenthaltszeit der Feuerungsgas im Brennraum zu erhöhen sowie hohe Feuerungstemperaturen auch über die gesamte Abbrandperiode zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird das durch die Ansprüche 1 bis 7 gelöst, die ihr Vorbild in Rotationsströmungen, wie sie in Drall-, Zyklon- und Tangentialfeuerungen zum Einsatz kommen, haben. Im Unterschied zu den bekannten technischen Verfahren wird der Impuls zur Ausbildung einer Rotationsströmung jedoch ohne technische Hilfsmittel wie Gebläse u.ä. erzeugt.
Erreicht wird die Ausbildung einer Rotationsströmung, dadurch dass die Verbrennungsluft sowohl über den Umfang (Anspruch 3) der - nicht notwendigerweise zylinderförmigen - Brennkammer als auch über die Höhe (Anspruch 4) verteilt tangential (Anspruch 1) zugeführt wird. Dadurch wird die Flamme in Rotation versetzt, was die Gasverweilzeit erhöht, die Mischung von Brennstoff und Luft fördert und durch Rückström- und Rückstrahleffekte den Wärmeaustausch fördert. Außerdem wird durch die über den Umfang verteilt angeordneten Lufteinlässe die Bildung kalter Zonen vermieden, wie sie bei einseitiger Zufuhr zu beobachten sind. Das tangentiale Einbringen entlang eines Kreisumfangs kleiner als die Abmessungen des Ofens (Anspruch 2) verhindert, dass die Flammen an die Wand schlagen, was bei herkömmlichen Feuerungen zu Ruß- und CO-Bildung führt. Gleichzeitig wird die Luft hierdurch sowie durch Führung vor der Brennkammer entlang der Wand (Anspruch 5) vorgewärmt, was Wirkungsgrad und Ausbrand steigert. Die Kombination von radialer und tangentialer Einbringung von (Primär)Luft ins Glutbett (Anspruch 1) stellt gleichzeitig sicher, dass im Zentrum des Feuerraums oxidierende Verhältnisse herrschen, ohne dass die Rotationsströmung wesentlich beeinträchtigt wird. Der Verzicht auf zusätzliche Einbauten zur Luftführung führt dabei zu einer robusten einfachen Ofengeometrie.
Im folgenden wird das Verhalten einer Feuerung im Chargenbetrieb vorgestellt, wie es charakteristisch für handbeschickte Holzöfen ist. Anhand von CO-Messwerten wird dann die Verbesserung an einem einfachen Metallofen aufgezeigt, wie sie sich durch die erfindungsgemäße Anwendung der genannten Ansprüche 1-7 ergibt. 1 (Kohlenstoffmonoxidverlauf eines Chargenabbrandes, [LAUNHARDT ET AL.; 1998]) zeigt den typischen Verlauf der CO-Konzentration einer handbeschickten Feuerungsanlage. Die Holzauflage erfolgte im kalten Zustand eines Kachelofeneinsatzes. In der Anbrandphase (I) sind - bedingt durch den hohen Luftüberschuss sowie die Vorwärmung und Trocknung des Holzes - hohe CO-Werte zu beobachten. Erst nach etwa 30 min sinken die Werte stark: Der Brennstoff hat Feuer gefangen und brennt ab (stationärer Abbrand II). Zu Ende dieser Phase (Flammen erloschen) ist eine erneute Zunahme der CO-Emissionen zu verzeichnen: Bei hohem Zug nimmt die Gastemperatur in Folge der ungedrosselten Luftzufuhr deutlich ab, was die Umwandlung des CO, welches in der Ausbrandphase (Glut III) aus der Holzkohle primär gebildet wird, zu CO₂ stark behindert.
2 (CO-Konzentrationen (nur Abbrandperiode), normiert auf die Abbrandzeit t_A ) veranschaulicht diese CO-Messwerte normiert über die Abbrandphase (A) im Vergleich zur vorliegenden Erfindung (untere, durchgezogene Linie, (Erfindung E)). Deutlich zu erkennen sind bei der erfindungsgemäßen Konfiguration erheblich niedrigere CO-Gehalte während der gesamten Abbrandperiode.
Der in 3 (Variation der Luftzufuhr (gesamter Verbrennungsprozess)) dargestellte Vergleich unterschiedlicher Variationen der Luftzufuhr unterstreicht die Eignung der Erfindung zur CO-Minderung: Wird die Luft über die gesamten Höhe des Ofens radial zugeführt (Konfiguration R), so dass keinerlei Rotation - weder der Luft noch der Verbrennungsgase - entsteht, sind merklich höhere CO-Emissionen zu messen. Die im Vergleich zu den Literaturdaten des Kachelofens (1) am Ende deutlich steigenden Werte sind typisch für Kaminöfen und auf die fehlende Ausmauerung resp. Speichermasse zurückzuführen, so dass die Rauchgase schneller abkühlen, nachdem die Flammen erloschen sind (Die vorliegenden Messdaten wurden an einem einfachen 3 mm starken Stahlofen ermittelt, der mit flexiblen Luftdüsen ausgestattet war). Wird die Primärluft erfindungsgemäß nach Anspruch 1 (Kombination radial/tangential) - Konfiguration RT - ins Glutbett gebracht, erfolgt der Anbrand wesentlich effizienter, wie die dargestellten CO-Werte zeigen. Darüber hinaus verläuft auch der Abbrand auf deutlich tieferem Niveau. Dadurch dass die Sekundärluft nach Anspruch 1 komplett tangential zugeführt wird, erwärmt sie sich durch die Rückstrahlung der Wände bzw. durch Vorbeistreichen an denselbigen, so dass im Ausbrand kein derart ausgeprägter Peak wie bei Konfiguration A (radial) zu beobachten ist. Die Vorwärmung durch Luftführung nach Anspruch 5 verhindert ebenfalls die Abkühlung der Verbrennungsgase noch bevor sie vollständig oxidiert sind.
Die Luftzufuhr nach Anspruch 2 stellt sicher, dass die rotierende Flamme nicht umlaufend gegen die deutlich kältere Wand gedrückt und durch den Kontakt abgequencht wird; Ruß- und CO-Bildung werden hierdurch wirkungsvoll vermindert. Ebenso führt die Anordnung nach Anspruch 3 zur Zentrierung der Flamme im Feuerraum. Wandkontakt und Verrußung von Wand bzw. Scheibe (Anspruch 7) werden dadurch weitestgehend unterbunden.
4 zeigt ein Beispiel für die Ausgestaltung des Ofenlängsschnitts: Die Luftzufuhr (1) erfolgt in der Ofenwandung (5) und wird auf mehrere Ebenen (2 / 3 und 4) verteilt.
5 und 6 zeigt ein Beispiel für die Ausgestaltung des Ofenquerschnitts: Im Bereich der Glutzone wird die Primärluft in einen tangentialen (2) und radialen (3) Anteil aufgeteilt. Darüber (Sekundärluft) erfolgt die Luftzufuhr tangential (4) entlang eines imaginären Kreises, der kleiner als die Abmessungen der Brennkammer ist.
Insgesamt ergeben sich durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer kombinierten radialtangentialen Luftzufuhr folgende Vorteile:

1. Vorwärmen der Verbrennungsluft durch Entlangstreichen an der Brennkammerwand (Ansprüche 1 und 5)
2. Verbesserung der Wärmeübertragung durch Wirbelbewegung (Ansprüche 1 und 3)
3. Scheibenspülung (Anspruch 7)
4. Zentrierung der Flamme in der Brennkammermitte, Vermeidung Wandkontakt (Ansprüche 1, 2, 3, 4 und 6)
5. Vermeidung von Luftmangel im Flammenzentrum durch anteilig radiale Luftzufuhr in das Glutbett (Anspruch 1)
6. Erhöhung der Verweilzeit durch rotierende Rauchgas- und Luftströmung (Ansprüche 1, 3, 4 und 2)

References

LAUNHARDT, T.; HURM, R.; SCHMID, V.; LINK, H. (10/1998): „Dioxin- und PAK-Konzentrationen in Abgas und Aschen von Stückholzfeuerungen“; Materialien Nr. 142, Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen.
UMfMELTPLUS KACHELOFEN (2011): „Merkblatt 10 - Umwelt Plus Brennraum“; Technischer Ausschuss, Österreichischer Kachelofenverband.

Claims

Luftzufuhr für einen Verbrennungsofen für stückigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft oberhalb des Glutbetts (Sekundärluft) überwiegend tangential in den Brennraum eingebracht wird (4), während im Bereich Glutzone (Primärluft) die Lufteinlässe (1) kombiniert tangential/radial (2 + 3) angeordnet sind, wobei der Begriff „tangential“ ebenfalls eine spiralförmig und/oder schraubenförmige Anordnung der Luftzufuhr beinhaltet.
Luftzufuhr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Luft tangential zu einem Kreis in den Brennraum eingebracht wird, der kleiner als die lichte Weite des Brennraumquerschnitts ist.
Luftzufuhr nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lufteinlässe über den Umfang einer Ebene des Brennraums verteilt angeordnet sind.
Luftzufuhr nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlässe über mehrere Ebenen des Brennraums - d.h. Primärluft im Bereich des Brennstoff- und Glutbetts sowie Sekundärluft in der Ausbrandzone - verteilt angeordnet sind.
Luftzufuhr nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Verbrennungsluft im Bereich der Ofenausmauerung bzw. des Ofengehäuses durch Führung entlang der heißen Ofenwandung (5) vorgewärmt wird.
Luftzufuhr nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlässe einen zylinder- und/oder kegelschnittartigen und/oder schlitzförmigen Querschnitt aufweisen.
Luftzufuhr nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Ofentür ein oder mehrere Lufteinlässe unmittelbar vor und/oder im Türrahmen, so angeordnet sind, dass die zugeführte Verbrennungsluft einen tangentialen Luftschleier vor der Tür bildet und der Scheibenspülung dient.