FI89204C - Panna - Google Patents

Description

! 892C4

Kattila Tämä keksintö on tarkoitettu sovellettavaksi kiinteällä polttoaineella kuumennettavaan kattilaan, jolla on 5 suuri palamis- ja käyttöteho. Kiinteiden polttoaineiden käyttöön liittyvä korkea päästömäärä ja pieni teho ovat estäneet siirtymistä öljystä kiinteisiin polttoaineisiin. Tarvitaan siis selvästi sellaista sopivaa kiinteällä polttoaineella kuumennettavaa kattilaa, joka täyttää ankarat 10 ympäristöön ja kuumentamiseen liittyvät vaatimukset.

Kiinteä polttoaine, esimerkiksi puu eri muodoissaan kuten halkoina, hakkeena, palloiksi puristettuna, esimerkiksi briketteinä, tai turve, eroaa palamisominaisuuksil-taan oleellisesti öljystä. Esimerkiksi puu palaa kahtena 15 toisistaan huomattavasti poikkeavana vaiheena: kaasupala-misvaihe ja puuhiilivaihe. Sekä päästöjä että lämpöä muodostuu ja leviää kahdella eri tavalla. Ensin mainitussa vaiheessa noin 80 % polttoaineen massasta muuttuu kaasuiksi suhteellisen lyhyen ajan kuluessa. Näin ollen kaasun 20 määrä ja haihtuvan aineen päästömäärä riippuvat eräästä tärkeästä tekijästä, polttoaineen kosteuspitoisuudesta. Suuret kosteuspitoisuudet aiheuttavat pitkän kaasupalamis-vaiheen. Tavanomaisen kattilan ollessa kysymyksessä on todettu, että kaasupalamisvaihe on ratkaiseva ympäristön ‘ 25 ja lämmönsiirron kannalta. Kaasuvaiheen aikana esiintyy ____: monia sellaisia fysikaalisia ja kemiallisia tekijöitä, jotka vaikuttavat päästömalliin. Niitä ei käsitellä tässä. Tärkein tekijä tässä yhteydessä on ilmansyöttö, jota se-lostetaan seuraavassa.

30 Puuhiilivaihe käsittää yleensä noin 20 % polttoai neen koko massasta, vaikka palamisaika voikin olla itse asiassa pitempi kuin kaasuvaiheen palamisaika. Puuhiili-V vaihe on päästöjen kannalta edullinen pääasiassa tasaisen ja yksinkertaisen palamisen vuoksi. Myös tällöin arina .·’ 35 olisi suunniteltava ja muotoiltava oikein suuren palamis- tehon pitämiseksi yllä.

2 89204 Tämän kattilan tarkoituksena on ollut saada aikaan tehokas palaminen ympäristön ja kattilan tehon kannalta.

Keksinnön mukainen kattila halkojen tai muun polttoaineen, kuten hakkeen ja brikettien, polttamiseksi, joka 5 käsittää laitteen sekundääri-ilman syöttämiseksi, on tunnettu siitä, että mainittu laite on rakennemuodoltaan kaksivaippainen katkaistu kartio, joka on teräslevyä tai muuta tulenkestävää materiaalia, jolloin sisävaipassa on useita läpimeneviä reikiä ja sisävaippa ja ulkovaippa on yh-10 dlstetty kaasutiiviisti toisiinsa katkaistun kartion kärjestä ja pohjasta kärjen ja pohjan koko kehää pitkin, että sisävaipan ja ulkovaipan väliin muodostunut tila on varustettu useilla kanavaliittymillä sekundääri-ilman syöttämiseksi mikrotietokoneen ohjaaman puhaltimen avulla jossain 15 määrin ylistökiometrisen palamisilman aikaansaamiseksi, ja että katkaistun kartion kärjessä oleva aukko on peitetty levyllä, jossa on keskireikä, joka on pieni verrattuna mainittuun aukkoon.

Rakennetta selostetaan viittaamalla 20 polttoyksikköön, toisin sanoen polttokammioon ja ilmansyöttöjärjestelmään, jossa on ohjaus- ja säätöyksi-köt, ja lämmönsiirtoyksikköön, toisin sanoen lämmönvaihtimeen ja säiliöön, joissa on asianomaiset säätölaitteet, 25 Luettelo piirustuksista:

Kuvio 1. Polttoyksikön rakenne.

Kuvio 2. Yksityiskohta apuilman syötöstä.

Kuvio 3. Haihtuvan aineen vapautumismäärä 7 kg koivua kohden, jossa on 12 % - 30 % vettä.

30 Kuvio 4. Apuilman virtauksen säätö kuivaa polttoainetta poltettaessa.

Kuvio 5. Pääilman vaihtelu.

Kuvio 6. Apuilman vaihtelu kosteaa polttoainetta käytettäessä.

. 35 Kuvio 7. Pääilman säätö kosteaa polttoainetta varten.

3 89204

Kuvio 8. Nokimäärä polttoaineen määrän funktiona. Koe on suoritettu ilman vakiovirtauksella ja polttoai neen kosteuspitoisuuden ollessa noin 12 %.

Kuvio 9. Arinan ja pääilmakanavan rakenne.

5 Kuvio 10. Pääilmakanavan ja ohjauslevyjen sijainti ja ko ko.

Kuvio 11. Lämmönvaihtimen rakenne.

Kuvio 12. Lämmönvaihtimen sijainti polttokammioon nähden ja lämmönvaihtimen ja öljy- ja kaasupolttimien 10 väliset liitännät.

Palaminen perustuu niin sanottuun kaksivaiheperi-aatteeseen. Tämä tarkoittaa sitä, että palaminen tapahtuu kahdessa eri kammiossa, primääripolttokammiossa 1 ja se-kundääripolttokammiossa 2. Primääripolttokammio on eris-15 tetty keraamisesti tulenkestävillä tiilillä 4 lähinnä kammiota ja korkealaatuisella piipohjaisella eristysmateriaalilla 5. Molempien materiaalien alhainen lämmönjohtavuus kysymykseen tulevissa palamislämpötiloissa aiheuttaa erittäin pienet säteilyhäviöt polttokammion vaippapinnasta. 20 Pääilma syötetään polttoainepetiin 6 mikroprosessorilla ohjatulla puhaltimella.

Koko polttoainemassa (7-12 kiloa halkoja kosteuspitoisuudesta riippuen) sytytetään ja pääilman virtaus säädetään alistökiometristen olosuhteiden muodostamiseksi 25 pääpolttokammioon. Tätä voidaan näin ollen pitää pyrolyy- ____ sivaiheena, jossa pyrolyysikaasuille ovat tunnusomaisia voimakas happivajaus ja suuret polttokaasumäärät, pääasiassa hiilimonoksidia ja erilaisia hiilivetyjä.

1-3 minuutin kuluttua pääpolttokammiossa tapah-30 tuneen syttymisen jälkeen palamislämpötila tulee riittävän korkeaksi, niin että apupolttokammiossa olevat pyrolyysi-kaasut syttyvät itsestään, kun apuilmaan syötetään lisää happea. Apuilma siirtyy sekoitusvyöhykkeeseen 7 apuilma-puhaltimen 8 avulla kanavien 9 ja katkaistun kartion muo-35 toisen kaksoisvaippalaitteen kautta. Sisävaippa 11 ja ui- 4 89204 kovaippa 10 ovat samankeskisiä ja ne on liitetty kaasutii-viisti toisiinsa laitteen ylä- ja alaosan koko kehän osalla, toisin sanoen sekä pääpolttokammion suuressa aukossa että katkaistun kartion muodostamassa pienemmässä aukossa.

5 Jälkimmäisen aukon halkaisija määrätään kokeilla ja sen on todettu olevan tärkeä apupolttovaiheen toiminnalle. Suuret halkaisijat saavat aikaan viivästyneen tai epätyydyttävän syttymisen, kun taas pienet halkaisijat aiheuttavat suuria nopeuksia aukossa, mikä saa aikaan liekin sammumisen tai 10 voi aiheuttaa sykkivää palamista, toisin sanoen liekin ajoittaista syttymistä ja sammumista. Sisävaipassa on paljon symmetrisesti sijoitettuja reikiä, joiden halkaisija on 3-5 mm.

Apuilmapuhaltimen synnyttämiseksi suuresta painees-15 ta johtuen muodostuu suurinopeuksisia ilmasuihkuja. Tästä on seurauksena, että suurpaineinen apuilmavirtaus suuntautuu liekin yläosaan, mikä tasapainottaa pääilmapuhaltimen synnyttämän paineen. Tämä saa aikaan hapen ja polttokaasu-jen tehokkaan sekoittumisen ja myös kaasujen pitkän olo-20 ajan polttokammiossa. Laitteen suuosassa 12 palaa pieni kaasuliekki, jonka korkeus säädetään apu- ja pääilmapuhal-timien välisen paine-eron mukaan.

Sekundääri- eli apupolttokammion liekin korkeus vaihtelee normaalisti 10 - 30 cm välillä polttoaineen mää-25 rästä ja sen kosteuspitoisuudesta riippuen. Apupolttokammion tilavuus ja korkeus valitaan niin, ettei liekki pääse koskaan suoranaiseen kosketukseen konvektio-osan vesijäähdytteisten kattilaseinämien kanssa.

Kaksoisvaipan käsittävään kartio-osaan liittyy myös 30 toinen tärkeä etu. Suljetussa tilassa 13 olevasta suuresta paineesta huolimatta apuilmalla on suhteellisen pitkä oloaika. Tämä tarkoittaa sitä, että apuilma lämpenee huomattavasti, ennen kuin se tulee mukaan palamiseen. Polttokaa-sut saadaan tällä tavoin syttymään nopeammin ja helpommin, 35 ja myös päästöt ovat tällöin edullisempia. Apupolttokam- s 89204 miossa esiintyvistä korkeista palamislämpötiloista johtuen edellä mainittua osaa varten on valittu kuumuutta kestäviä materiaaleja.

Apuilmapuhallinta ohjataan myös elektronisesti.

5 Säädetyt arvot on määrätty kokeilla ja ne riippuvat polttoaineen määrästä (syötetystä tehosta) ja polttoaineen kosteuspitoisuudesta. Apuvirtauksen säädöllä pyritään pitämään yllä optimaaliset olosuhteet päästöihin ja tehoon nähden. Normaaleissa käyttöolosuhteissa suoritettujen ko-10 keiden perusteella on todettu, että optimipiste on hiilidioksidipitoisuuden ollessa noin 18 %. Tämä saa taas aikaan jonkin verran ylistökiometriset olosuhteet ilman ylimäärän ollessa keskimäärin noin 20 %.

Kuvio 3 esittää tyypillistä käyrää dm/dt (kg/s) 15 palamisajan t (min) funktiona. Haihtuvan aineen nopeus määrätään punnitsemalla polttoainemäärä eri ajankohtina. Koe on suoritettu samanlaisissa palamisolosuhteissa. Nämä parametrit on määrätty kaikkia kyseessä olevia käyttöolosuhteita varten ja ne ovat ratkaisevia optimivirtauksen 20 muodostamiseksi ja nimenomaan apuilmavirtaukseen nähden. Kuvion 3 käyrää käytetään laskettaessa täydellisen palamisen ylläpitämiseen tarvittava teoreettinen happimäärä. Liekkiin syötetty happi, toisin sanoen apuilmavirtaus, kasvaa kestoajaltaan haihtuvan aineen lisääntyessä. Tämä 25 esitetään kaaviona kuviossa 4 apuilmavirtauksen osalta ja kuviossa 5 pääilman osalta kuivaa polttoainetta poltettaessa. Kosteaa polttoainetta käytettäessä päästöjä on vähemmän, mikä merkitsee sitä, että tarvitaan vähemmän ilmaa ja vähemmän säätövaiheita. Kuviot 6 ja 7 esittävät ilman-30 säätöä kosteaa polttoainetta poltettaessa.

Kattilan toiminta ja jopa päästöt ovat melkein riippumattomia polttoaineen kosteuspitoisuudesta, mutta on osoitettu, että optimiteho ja -päästömäärä saadaan silloin, kun polttoaine sisältää noin 25 % vettä. Kattilan 35 synnyttämä teho määräytyy laitteen alaosaan, joka on mer- 6 89204 kitty viitekirjaimella D kuviossa 1, ja arinan 6 välisen etäisyyden perusteella. Jokaista kattilakokoa, toisin sanoen tietyn tehon omaavaa kattilaa varten, on tietty alaraja optimisuorituskyvyn edellyttämälle polttoainemääräl-5 le. Tämä tarkoittaa sitä, että jälkipoltinvaiheen on toimittava päästöjen pitämiseksi pieninä.

Kuvio 8 esittää noen muodostumisen vaihtelua erilaisilla polttoainemäärillä tiettyä kattilakokoa (20 -30 kW) varten. Tästä voidaan todeta, ettei alle 6 kg polt-10 toainetta pitäisi käyttää. Muut päästöt kuten hiilimonoksidi ja hiilivedyt käyttäytyvät samalla tavalla. Tästä on seurauksena, että pienillä polttoainemäärillä syttyminen hidastuu apupolttokammiossa tai on riittämätön. Poltto-ainemäärillä, jotka ovat 6-10 kg, palaminen on tyydyttä-15 vää, mikä merkitsee sitä, että teho voidaan säätää laajalla alueella.

Arinalla tapahtuvaa tehokasta palamista varten sekä pääilman määrän että paineen on jakauduttava tasaisesti koko pinnan osalle, ilman että se vaikuttaa tuhkanpois-20 toon. Lukuisia uria 14 on tehty pääilmakanavaan 15 kohtisuoraan sen pitkittäisakseliin nähden puolen halkaisijan syvyisinä. Ilman tasainen jakautuminen jokaisen uran kohdalla saadaan aikaan ohjauslevyillä 16, jotka lisäävät kokoonpuristumista etäisyyden lisääntyessä syöttöilman 25 puhaltimesta. Kokoonpuristumisaste määrätään osittain mittaamalla paineen aleneminen ohjauslevyjen kohdalla ja osittain testaamalla palamisilmaan tuleva savu.

Arina tehdään kolmena osana: lähellä ilmansyöttö-kanavaa oleva vaakasuora pohja-arina 17 ja kaksi sivuari-30 naa 18, joiden mitat ja nimenomaan kaltevuuskulma a on määrätty kokeilla.

Kuten aikaisemmin mainittiin, pääilmansyötöllä on vähäisempi merkitys kaasupalamisvaiheen aikana, mutta ei puuhiilen palamisvaiheen aikana. Puuhiilijäänne kootaan 35 kahden kaltevan sivuarinan avulla tehokkaasti vaakasuoral- 7 89204 le arinalle. Kun sivuarlnat varustetaan ohjaussiivillä 19, pääilma ohjautuu puuhiilen päälle. Koska puuhiilijäänne kerätään vaakasuoran arinan päälle, paineenaleneminen lisääntyy ja suurin osa pääilmasta menee sivujen kautta.

5 Näin ollen puuhiilen tehokas palaminen pysyy yllä lämpötilojen ja hiilidioksidimäärien ollessa korkeita, mikä on palamistehon kannalta edullista.

Lämmönvaihdin on suunniteltu niin, että lämmönsiirtoa voidaan käyttää täysin hyväksi sekä kaasun että hiilen 10 palamisvaiheen aikana. Apupolttokammiota käytettäessä läm mönsiirto tapahtuu sekä konvektion että säteilyn avulla lämmönsiirron ollessa loppuvaiheessa pääasiassa konvektii-vista. Lämmönvaihdin on suunniteltu niin, että sillä saadaan omakotitaloon kuuma vesi (sekä huonetilojen lämmit-15 tämiseen että kuumaksi käyttövedeksi). Kuuman veden pitäisi riittää päiväksi myös silloin, kun ulkoilman lämpötila vastaa suunniteltua lämpötilaa. Lämmönvaihdin on niin sanottua läpivirtaustyyppiä. Näin ollen vesi kiertää jatkuvasti palamisjakson aikana. Kuumennettu vesi varastoidaan 20 lämmönvaihtimeen yhdistettyyn säiliöön.

Lämmönvaihtimen 20 avonainen lieriöosa on sijoitettu apuilmalaitteen päälle, jolloin muodostuu yhdistetty apupolttokammio 2, 25, niin että liekki voidaan pitää yllä tehokkaasti. Pää- ja apuilmavirtauksen väliset virtausolo-25 suhteet säädetään niin, että voidaan välttää liekin ja lämmönvaihtimen pinnan välinen suora kosketus. Kuumat savukaasut menevät ensin tiettyjen putkien 21 läpi ja ne ohjataan sitten alas lisäputkilla 22. Lämmönvaihtimen pinta on suunniteltu matemaattista mallia soveltamalla. Apu-30 polttokammion palamislämpötila on korkea ja riippuu suuresti polttoaineen määrästä, ilmavirtauksesta ja polttoaineen kosteuspitoisuudesta. Polttoaineen ollessa suhteellisen kuivaa apupolttokammion lämpötila voi ylittää 1 200 °C. Tästä johtuen lämmönvaihtimen pinta on suhteel-35 lisen suuri. Tämä on kuitenkin välttämätöntä, jos järjestelmän tehon on oltava edullisella tasolla.

8 89204

Koska kattila on kuumennettava lämmitysarvoiltaan ja palamlsominaisuuksiltaan erilaisilla polttoaineilla, kattilavettä varten on kehitetty automaattisäätö. Tämä merkitsee sitä, että optimiteho pysyy yllä erilaisissa 5 käyttöolosuhteissa. Elektroninen ohjausyksikkö säätää ve-sivirtauksen ohjaamalla pumpun nopeutta ja lämpötilan ilmaisimen avulla, joka on sijoitettu syöttöjohtoon. Lämmönvaihtimen läpi menevä vesivirtaus määräytyy konvektio-osan jälkeisen lämpötilan mukaan. Tämä lämpötila on sopeutettu 10 polttoaineen laatuun ja on tarkoitettu nimenomaan estämään kondensaatio lämmönvaihtimen ja savukaasukanavan pinnassa. Kuumennettu kattilavesi varastoidaan säiliöön, jonka tilavuus vastaa rakennuksen lämmitystarpeita. Kuitenkin, kuten jo mainittiin, taloudellisuus- ja mukavuusnäkökohdista 15 johtuen on edullista lämmittää kerran tai kaksi kertaa päivässä. Säiliötä ei selosteta tässä, koska se on tavanomainen säiliö. Se voidaan tietysti varustaa sähkölämmityksellä, jota voidaan käyttää, kun lämmöntarve on pieni tai kun se on taloudellisesti edullista. Eräs etu kattilan 20 konstruoimisesta kahtena erillisenä yksikkönä, toisin sanoen lämmönvaihtimena ja polttokammiona, on, että lämmön-vaihdinta voidaan käyttää öljylämmitteisenä tai kaasuläm-mitteisenä kattilana. Öljypoltin 23 voidaan yhdistää lämmönvaihtimeen kuviossa 12 esitetyllä tavalla. Kuten tiede-25 tään, savukaasun lämpötila ei saisi öljylämmitystä käytettäessä alittaa 200 °C konvektio-osan jälkeen. Kattilaveden säätöjärjestelmästä johtuen tähän on kuitenkin helppoa päästä järjestelmällä sopiva vesivirtaus.

Jalostettuja kiinteitä polttoaineita kuten puris-30 tettuja polttoainepalloja (puuta tai turvetta), brikettejä ja lastuja on testattu käyttämällä tavanomaista syöttölaitetta. Tulokset osoittavat, että sekä päästöt että teho ovat parempia kuin halkoja poltettaessa, lähinnä yhtäjaksoisesta palamisesta johtuen.

35 g 89204 Päästöjen osalta on huomattava, että Ruotsin kansallinen ympäristönsuojeluvirasto on ehdottanut, etteivät tervapäästöt pienistä kiinteätä polttoainetta käyttävistä yksiköistä saisi ylittää raja-arvoa, joka on 10 mg/MJ.

5 Erilaisissa poltto- ja käyttöolosuhteissa suoritetut testit osoittavat, että tämä keksintö täyttää tämän määräyksen. Normaalikäytössä ja polttoaineen sisältäessä 10 -30 % vettä tervamääräksi mitattiin kymmenestä testistä viidessä alle 5 mg/MJ kondensaatin ollessa muissa tapauk-10 sissa kokonaan tervatonta.

Nokikonsentraatio on yleensä alle 50 mg/m3, kun kyseessä on kuiva savukaasu, mikä vastaa noin 0,5 g nokea polttoainekiloa kohden, katso taulukkoa 8. Tämä on huomattavasti alhaisempi kuin Ruotsin kansallisen ympäristösuo-15 jeluviraston suosittama rajataso. Hiilimonoksidi- ja hii- livetymäärät ovat myös alhaisia. Hiilimonoksidin pääkon-sentraatio täydellisestä palamisjaksosta on alle 500 ppm. Tällöin on huomattava, että hiilimonoksidin määrä on liekin palamisvaiheen aikana 100 - 150 ppm.

20

Claims (6)

10 89204

1. Kattila halkojen tai muun polttoaineen, kuten hakkeen ja brikettien, polttamiseksi, joka käsittää lait- 5 teen sekundääri-ilman syöttämiseksi, tunnettu siitä, että mainittu laite on rakennemuodoltaan kaksivaippainen katkaistu kartio, joka on teräslevyä tai muuta tulenkestävää materiaalia, jolloin sisävaipassa (11) on useita läpimeneviä reikiä ja sisävaippa (11) ja ulkovaippa (10) 10 on yhdistetty kaasutiiviisti toisiinsa katkaistun kartion kärjestä ja pohjasta kärjen ja pohjan koko kehää pitkin, että sisävaipan (11) ja ulkovaipan (10) väliin muodostunut tila (13) on varustettu useilla kanavaliittymillä (9) sekundääri- ilman syöttämiseksi mikrotietokoneen ohjaaman 15 puhaltimen (8) avulla jossain määrin ylistökiometrisen palamisilman aikaansaamiseksi, ja että katkaistun kartion kärjessä oleva aukko (12) on peitetty levyllä, jossa on keskireikä, joka on pieni verrattuna mainittuun aukkoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kattila, t u n -20 n e t t u siitä, että sisävaipan (11) reiät on jaettu symmetrisesti vaipan pintaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kattila, tunnettu siitä, että sisävaipan (11) reikien halkaisija on 3 - 5 mm.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen katti la, tunnettu siitä, että sekundääri-ilman syöttölaite on sijoitettu suoraan primääripoltto-osan (1) yläpuolelle tiivistyen kattilan sisäseinämiin siten, että kaikki primääripoltto-osasta tuleva kaasu kulkee katkais-30 tun kartion läpi suuntautuen sen pohjasta kärkeen.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kattila, tunnettu siitä, että sekundääripoltto-osa (2, 25) käsittää sekundääri-ilman syöttölaitteen, joka on sovitettu suoraan kattilassa sijaitsevaan lämmönvaihti-35 meen (20, 21, 22). il 89204

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kattila, tunnettu siitä, että sen seinämät sekun-däärisyöttölaitteeseen asti on muodostettu teräslevystä ja piipohjäisestä tulenkestävästä materiaalista (5), joka on 5 vuorattu tulenkestävillä tiilillä (4). i2 89204