DE4324077A1 - Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Overfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage und Verbrennungsofen für das Verfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simula­ tion des Verbrennungsablaufes von Brenngut auf dem Feuerungs­ rost einer Verbrennungsanlage gem. dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1, sowie einen Verbrennungsofen zur Durchführung des Ver­ fahrens gem. dem Oberbegriff des Anspruches 4.

Die heterogene Feststoffverbrennung von kommunalem Hausmüll auf Rostfeuerungssystemen ist derzeit das gebräuchlichste Ver­ fahren für die thermische Verwertung des Abfalles. Nach dem derzeitigen Wissenstand laufen bei der Müllverbrennung auf Rostsystemen in einem Verfahrensraum mindestens vier verschie­ dene verfahrenstechnische Prozesse gleichzeitig ab: Brenn­ stofftrocknung, Brennstoffentgasung, Brennstoffvergasung und heterogene Verbrennung.

Für ein systematisches Studium dieser Prozesse mit dem Ziel der Optimierung des gesamten Verfahrens müssen die einzelnen Teilschritte genau untersucht werden können. In größeren Ver­ brennungsanlagen ist es nicht möglich, Teilschritte der Ver­ brennung isoliert zu untersuchen. Der gesamte Verbrennungsvor­ gang ist örtlich und zeitlich veränderlich und entzieht sich so der exakten meßtechnischen Erfassung.

Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich die Verbrennung von Brenngut auf einem Rost simulieren läßt. Mit dem Verfahren soll ein mög­ lichst genau definierbarer Verbrennungsablauf erzielbar sein, d. h. der Zeitpunkt des Beginnes der Verbrennung oder die Zün­ dung des Brenngutes soll möglichst ohne Vorwärmung desselben, die eine Trocknung und damit eine Verfälschung bedeuten würde, erfolgen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ver­ brennungsofen anzugeben, in welchem sich das im Vorstehenden genannnte Verfahren ausführen läßt. In diesem Ofen soll wei­ terhin die Messung der Gewichtsabnahme der Brenngutprobe wäh­ rend des Experimentes als Maß für die in die Gasphase überge­ hende feste Brennstoffmenge exakt bestimmt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin­ dung ein Verfahren vor, das aus den Verfahrensschritten im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches besteht. Weitere vor­ teilhafte Merkmale sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche zu sehen. Ein für das neue Verfahren vorge­ schlagener Verbrennungsofen weist erfindungsgemäß die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 4 bis 9 auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun durch die exakte Simulierung, ein Modell für die Rostverbrennung einer Großanlage aufzustellen, bei dem einerseits die Einflußgrößen konstant gehalten, und andererseits einzelne gezielt und iso­ liert verändert werden können. Dabei hat man die Möglichkeit, eine lückenlose meßtechnische Erfassung aller interessierenden Parameter während eines Experimentes durchzuführen. Der von der Erfindung vorgeschlagene Verbrennungsofen ermöglicht nun die ganz genaue Einhaltung des Zündzeitpunktes der unbeein­ flußten Probe, sowie eine exakte Steuerung des Verbrennungsab­ laufes. Dies wird durch die gleichmäßige Temperaturverteilung der Innenfläche der Brennraumwand, sowie durch die Steuerungs­ möglichkeit derselben während des Experimentes erzielt. Der Ofen ist dabei so konzipiert, daß der Brennraum im getrennten Zustand aufgeheizt werden kann und erst unmittelbar vor Ver­ suchsbeginn das aufgeheizte Unterteil und das mit dem Brenngut befüllte kalte Oberteil gekoppelt werden. Damit kann ausge­ schlossen werden, daß der Brennstoff vor Versuchsbeginn trock­ net. Letzlich ermöglicht es der Ofen, daß die Gewichtsabnahme des Brenngutes ohne fehlerverursachende Krafteinwirkungen von außen während des Verbrennungsvorganges kontinuierlich und sehr genau erfaßt werden kann.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol­ genden sowie anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Verbrennungsofens für das Verfahren im Betriebszustand mit angesetztem Unterteil und

die Fig. 2 denselben mit entferntem Unterteil und den Isolier­ deckel für dieses.

Gemäß der Fig. 1 besteht der Ofen im wesentlichen aus dem Ofenoberteil 1 und dem Ofenunterteil 2. Beide Teile sind an der Trennlinie 5 voneinander trennbar, wobei das auf dem Rah­ men 14 liegende Unterteil 1 mittels des auf einer Quertraverse 11 angebrachten und den Rahmen 14 von unten stützenden Hubwer­ kes 10 abgesenkt bzw. angehoben und an das Oberteil 1 ange­ drückt werden kann. Die Quertraverse 11 sitzt in dem vorzugs­ weise dreibeinig ausgebildeten Ofengestell 12 und ist Bestand­ teil desselben. Das Ofenoberteil ist ebenfalls mit einer wei­ teren Traverse 11 starr in dem Gestell 12 aufgehängt, so daß beide Ofenteile 1 und 2 mit den Traversen 11 und 15 sowie der Hubeinrichtung eine Gewichtseinheit bilden. Der Rahmen 14 sitzt dabei auf einem Wagen 28, der im abgesenkten Zustand mitsamt dem Ofenunterteil 2 auf einer Schiene 29 (siehe Fig. 2) horizontal verschoben werden kann. Auf derselben Schiene 29 läuft noch ein zweiter verfahrbarer Wagen 32, auf welchem über einem weiteren Rahmen 31 ein Isolierdeckel 9 liegt, der über die Vorheizkammer 6 gelegt werden kann und diese beim Aufhei­ zen nach oben dicht verschließt.

Der Ofen wird von oben bis unten von einem Kanal 7 durchsetzt, dessen Teilstück im Ofenoberteil 1 den Probenraum 8, der gem. der Fig. 1 das Brenngut 3 enthält, bildet. Das untere Teil­ stück des Kanales 7 im Ofenunterteil 2 bildet die Vorheizkam­ mer 6 und ist mit einem Isolierstück 17 verschlossen. In dem Isolierstück 17 befindet sich der Primärluftanschluß 16. Der untere Teil des Kanales 7 im Ofenunterteil 2, wird von dem Zylinder 32 gebildet, um welchen eine Zusatzheizung 30 angeord­ net ist. Das Brenngut 3 liegt auf dem, den Probenraum 8 nach unten abschließenden Feuerungsrost 4, der aus einem für die Wärmestrahlung durch lässigen Stahlnetz besteht. Als Strö­ mungsgleichrichter dient eine gasdurchkässige, nicht darge­ stellte Stahlfritte in der Vorheizkammer 6 unmittelbar über dem Lufteinlaß 16. Unterhalb des Rostes 4 im Probenraum 8 ist die Vorheizkammer 6 im Unterteil 2 angeordnet, an welcher Rohre 23 sitzen. Eine Isolierung 24 umgibt den Vorheizraum 6 und bildet den äußeren Teil des Ofenunterteils 2. An der Ober­ seite des Ofenunterteiles 2 ist über der Vorheizkammer 6 in einer Ausnehmung noch ein Schieber 12 vorgesehen, der den Pro­ benraum 8 nach unten abschirmt und der zum Öffnen desselben seitlich weggeschwenkt werden kann.

Der Kanal 7 wird aus den zwei Halbschalen 18 gebildet, die aus feuerfestem Beton bestehen und von einer Fasermaterialisolie­ rung 19 umgeben sind. Am oberen Ende des Kanales 7 schließt sich eine nicht mehr dargestellte Kaminanlage 20 an, an die der Ofen momenten- bzw. kräftefrei z. B. über einen Zwischen­ spalt angeschlossen ist. Um den Probenraum 8 herum ist in der Wandung bzw. hinter den Halbschalen 18 eine ringförmige elek­ trische Heizung 21 vorgesehen. Im Bereich dieser Heizung sind durch die Isolierung 19 bzw. die Halbschalen 18 Durchführungs­ rohre 23 aus Keramik durchgeführt, sie führen nach außen durch die Isolierung 19 und können zur zusätzlichen Beheizung des Brenngutes 3 im Probenraum 8 und /oder zur Zufuhr von Zusatz­ luft dienen. Weiterhin dienen diese Rohre 23 für die Entnahme von Gasen aus dem verbrennenden Brenngut 3 zur Rauchgasana­ lyse.

Ähnliche Durchführungsrohre 23 befinden sich auch im Ofenun­ terteil 2, mittels welcher zusätzlich Brennerlanzen zu einer Stützheizung in den Brennraum 6 eingebracht werden können. Die Rohre 22 dienen weiterhin auch zu Analysezwecken. Die Leitun­ gen, die an die Rohre 22 und 23 von außen angeschlossen sind, sind in den Figuren nicht mehr dargestellt, sie gehören zu der Peripherie des Ofens und sind mit den Rohren 22 und 23 momen­ ten- und kräftefrei z. B. durch weiche, flexible Schläuche ver­ bunden.

Der gesamte Ofen mit Unter- und Oberteil 1 und 2 liegt mit den Stahlfüßen 25 des Gestelles 12 auf Druckmeßdosen 26 als Wäge­ zellen, die sich gegenüber dem Boden 27 abstützen und somit das gesamte Gewicht des Ofens erfassen. Da dieser an seine Pe­ ripherie kräfte- und momentenfrei angeschlossen ist, läßt sich mit ihnen jede Gewichtsveränderung durch den Verbrennungsvor­ gang im Ofen und damit des Brenngutes 3 erfassen.

Der Ofen dient, wie bereits eingangs erwähnt, zur Ausführung eines Verfahrens zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage. Dazu wird in dem Ofen eine Probe 3 des Brenngutes von unten her mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strahlungsübertragung der Wärme aus der unter der Probe 3 gelegenen Vorheizkammer 6 verbrannt. Dieses Verfahren bezeichnet man als "Overfeed-Com­ bustion Mode", bei dem die Verbrennungsluft das Brennstoffgut­ bett von unten durchströmt und die Verbrennungsrichtung paral­ lel zum Verbrennungsluftstrom läuft. Dieser Zustand wird in Öfen dadurch erzeugt, daß einem brennenden Gutbett frischer Brennstoff von oben her zugeführt wird (overfeed). Er ist ge­ kennzeichnet dadurch, daß gasförmige Verbrennungsprodukte bei hoher Temperatur und Sauerstoffmangel mit dem frischen Brenn­ stoff in Kontakt kommen und eine Reaktion einleiten. Während der Verbrennung werden bei dem neuen Verfahren gleichzeitig die Gewichtsveränderung des Brennstoffes sowie weitere Ver­ brennungsparameter erfaßt.

Bei dem Verfahren wird die Probe des Brenngutes 3 zunächst in den wärmeisolierten Probenraum 8 über dem Rost 4 des vom Un­ terteil 2 getrennten Oberteiles 1 des Ofens gebracht und dort auf Raumtemperatur gehalten. Gleichzeitig erfolgt ein sepa­ rates und gleichmäßiges Aufheizen der wärmeisolierten und von dem Probenraum 8 getrennten und durch den aufgelegten Isolier­ deckel 9 solange nach außen abgeschlossenen Vorheizkammer 6 im Ofenunterteil 2 auf die vorgegebene Zündtemperatur. Dabei wird der Rauchgasweg zum Kamin 20 auf nicht dargestellte Weise ver­ schlossen.

Danach wird die Vorheizkammer 6 nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes im Unterteil 2 durch Wegnehmen des Isolier­ deckels 9 geöffnet und der Probenraum 8 durch Andrücken des Ofenunterteiles 2 an das Oberteil 1 von unten an den Proben­ raum 8 angeschlossen. Zu Versuchsbeginn muß noch der Schieber 13 geöffnet werden. Das Ofenoberteil 1 wird somit in getrenn­ tem Zustand mit dem Brennstoff 3 gefüllt. Zeitgleich wird die indirekte Aufheizung des Ofenunterteiles 2 auf Zündtemperatur mittels der Heizung 30 durchgeführt. Nach Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes des Unterteiles 2 werden Ober-und Unterteil 1 und 2 auf die beschriebene Weise mitein­ ander gasdicht gekoppelt. Während dieses Koppelvorganges wird die Unterfläche des Brennstoffgutbettes 3 nach unten durch den die Strahlung abschirmenden Stahlschieber 13 verdeckt, damit die Strahlungshitze den Brennstoff nicht entzündet, bevor die Verbindung zwischen Ober- und Unterteil komplett hergestellt ist. Die Verbrennung beginnt, wenn Ober- und Unterteil 1 und 2 fest miteinander verbunden sind und der Schieber 13 wegge­ schwenkt wird. Der Koppelvorgang kann dadurch sehr kurz gehal­ ten werden und dauert wenige Sekunden, so daß das Temperatur­ feld in der Vorheizkammer 6 dabei nur wenig gestört wird.

Das Brenngut 3 wird nun durch die Strahlungsübertragung aus dem Unterteil 2 gezündet, der Rauchgasweg zum Kamin 20 ist wieder geöffnet. Die Primärluft für die Verbrennung des Brenn­ gutes 3 wird durch den Rost 4 zugeführt. Durch die Porosität des nicht dargestellten gesinterten Gleichrichters oberhalb des Lufteinlasses 16 wird eine Gleichrichtung der Strömung er­ reicht. Das Brenngut brennt unter diesen Bedingungen von unten nach oben ab. Durch die Rohre 22 im Oberteil 1 kann während des Brennvorganges zusätzlich Sekundär- und Tertiärluft einge­ blasen werden. Weiterhin kann die Vorheizkammer 6 zu Beginn oder während der ablaufenden Verbrennung zusätzlich beheizt werden, ebenso der Probenraum 8 mittels der Heizung 21.

Für die meßtechnische Erfassung der Versuche wird die Ge­ wichtsabnahme des Brenngutes 3 kontinuierlich mit Hilfe der Druckmeßdosen bzw. Wägezellen 26 ermittelt. Mittels der Rohre 22 und 23 können dabei Gasproben aus und vor der abbrennenden Brennstoffschicht gezogen, sowie der Temperaturverlauf über die Höhe des Gutbettes 3 gemessen werden. Nicht benutzte Öff­ nungen werden dabei verschlossen.

Bezugszeichenliste

1 Ofenoberteil
2 Ofenunterteil
3 Brenngut, Gutbett
4 Feuerungsrost
5 Trennlinie
6 Vorheizkammer
7 Kanal
8 Probenraum
9 Isolierdeckel
10 Hubwerk
11 Quertraverse
12 Gestell
13 Schieber
14 Rahmen
15 Traverse
16 Lufteinlaß
17 Isolierung
18 Halbschalen
19 Isolierung
20 Kaminanlage
21 Heizung
22 Durchführungsrohre
23 Durchführungsrohre
24 Isolierung
25 Fußstücke
26 Druckmeßdosen
27 Boden
28 Wagen
29 Schiene
30 Heizung
31 Rahmen
32 Wagen
33 Zylinder

Claims (9)

1. Verfahren zur Simulation des Verbrennungsablaufes von Brenngut im "Overfeed"-Prinzip auf dem Feuerungsrost einer Verbrennungsanlage durch Verbrennen einer Probe des Brenn­ gutes mit Zündung des Verbrennungsvorganges durch Strah­ lungsübertragung der Wärme und gleichzeitige Erfassung ih­ rer Gewichtsveränderung und anderer Verbrennungsparameter, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) Einbringen der Probe in einen über dem Brennraum gelege­ nen, wärmeisolierten Proberaum und Halten der Probe auf Raumtemperatur,
• b) separates und gleichmäßiges Aufheizen einer wärmeiso­ lierten und von dem Probenraum getrennten, unter ihm ge­ legenen und nach außen abgeschlossenen Vorheizkammer in einem Ofen auf die vorgegebene Zündtemperatur,
• c) Öffnen des Vorheizkammer nach Erreichen Zündtemperatur mit Temperaturgleichgewicht und Anschließen des unten geöffneten Probenraumes von oben an die geöffnete Vor­ heizkammer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizkammer zu Beginn oder während der ablaufenden Ver­ brennung zusätzlich beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenraum zu Beginn oder während der ablaufenden Verbrennung zusätzlich beheizt wird.

4. Verbrennungsofen zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 1, 2 oder 3 mit zwei übereinander angeordneten Tei­ len, von denen das Unterteil gegenüber dem Oberteil an ei­ ner Trennlinie wegbewegbar und ein Kaminabzug für die Brenngase über der Verbrennungszone vorhanden ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• d) der Rost mit dem Probenraum zur Aufnahme des Brenngutes ist im Oberteil (1) des Ofens angeordnet, die zur Zün­ dung des Verbrennungsvorganges beheizbare Vorheizkammer (6) im Unterteil (2) desselben,
• e) der Ofen enthält in seinem Inneren einen durch Ober- und Unterteil (1, 2) gehenden, senkrechten Kanal (7), der von der Wärmeisolierung (19) umgeben ist und dessen Teil­ stück im Unterteil (2) mit der Vorheizkammer (6) nach Wegbewegen des Unterteiles (2) mittels eines Isolier­ deckels (9) an der Trennungslinie (5) von oben abdeckbar ist,
• f) der gesamte Ofen ist mit seinen beiden Teilen (1, 2) in einem Gestell (12) montiert, welches sich auf Wägezellen (26) gegenüber dem Boden (27) abstützt und ist momenten- und kräftefrei an den Kaminabzug (20) und die weiteren Verbindungen angeschlossen.

5. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• g) durch die Isolierwand (24) neben dem Kanal des Untertei­ les (2) sind im Bereich der Vorheizkammer (6) zusätzlich verschließbare Durchführungsrohre (23) zur Zu- und Ab­ fuhr von Gasen oder für Meßleitungen vorhanden.

6. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• h) die Vorheizkammer (6) im Unterteil (2) ist von einer elektrischen Heizung (30) umgeben.

7. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerungsrost (4) aus einem strahlungsdurchlässigen Stahlnetz besteht.

8. Verbrennungsofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost (4) in der Höhe verstellbar ist.

9. Verbrennungsofen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

• i) oberhalb der Vorheizkammer (6) im Unterteil (2) ist ein seitlich wegschwenkbarer thermisch abschirmender Schutz­ deckel (13) vorhanden.