Die Erfindung betrifft eine Feuerungseinrichtung für Kessel, insbesondere mit Kohlenstaub befeuerte Kessel, umfassend einen Feuerraum, mindestens einen an einer der im wesentlichen vertikal gerichteten Wände des Feuerraums angeordneten Brenner und mindestens einen am Boden des Feuerraumes nahe einem Ende desselben ansetzenden Rauchgaszug.

Insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, befaßt sich die Erfindung mit der Befeuerung von hochbelasteten Kesseln.

Unter hochbelasteten Kesseln sollen solche mit einer Feuerraumbelastung in der Größenordnung von 10⁶ kcal/m³/h verstanden werden. Bei solchen Kesseln tritt ganz allgemein die Schwierigkeit auf, beim Verfeuern von Konlenstaub saubere Heizflächen sowie einen trockenen staubförmigen Ascheabzug zu erreichen, obwohl die Flammtemperatur oberhalb der Ascheschmelztemperatur liegt.

Dieses Ziel läßt sich bei Kesseln mit niedriger Feuerraumbelastung, beispielsweise bei mit Braunkonlenstaub befeuerten Kraftwerkskesseln, bei denen man die fühlbare Wärme der Achse in den Rauchgaszügen noch mit ausnützen will, häherungsweise dadurch erreichen, daß der Feuerraum derart überdimensioniert wird, daß die brennenden Kohlenstaubteilchen vor Erreichen der Wände des Feuerraumes nicht nur ausgebrannt, sondern auch soweit abgekühlt sind, daß ihre Temperatur hinreichend weit unter die des Ascheschmelzpunktes gesunken ist. Dem überdimensionierten Feuerraum entspricht eine geringere Feuerraumbelastung, deren Werte üblicherweise bei 200 000 bis 300 000 kcal/m³/h liegen. Bei solchen großen Kraftwerkskessein, bei denen die Kapitalkosten klein sind gegenüber den Brennstoffkosten, spielt die Überdimensionierung des Feuerraums keine Rolle. Dies ist jedoch anders bei Kleinkesseln wie Zentral-Heizungs- und Dreizugkesseln, bei denen der Investitionswert der Gesamtanlage von der Größenordnung der jährlichen Brennstoffkosten ist. Diese Kessel werden zu über 90% mit Öl oder Gas befeuert. Sie sind durch geringe Bauabmessungen und eine entsprechend hohe Feuerraumbelastung bis herauf zu 10⁶ kcal/m³/h gekennzeichnet.

Solche Kessel werden an ihrer unteren Leistungsgrenze üblicherweise durch Ein- und Ausschalten geregelt. Aus diesem Grunde kann hier eine Kohlenstaubfeuerung nur dann verwendet werden, wenn es unter keinen Umständen zur Bildung flüssiger oder klebriger Schlacke kommt, weil diese bei jedem Abstellen erstarren und die mit ihr in Berührung kommenden Flächen und Rohrquerschnitte sehr schnell zusetzen würde. Andererseits kann die bei Kraftwerkskesseln gewählte Lösung, nämlich eine Überdimensionierung des Feuerraumes und damit des gesamten Kessels, beispielsweise bei Zentralheizungskesseln gerade nicht angewendet werden, weil diese Kessel dann nicht mehr in die vorhandenen Heizungskeller eingebracht werden könnten.

Aus der DE-A 25 27 618 ist nun bereits eine Vorrichtung zur Verbrennung von Kohlenstaub bekannt, bei der trotz hoher Feuerraumbelastung von mehr als 2 . 10⁶ kcal/m³/h sich ein trockener Ascheabzug ergibt, so daß ihr Einsatz zur Befeuerung von Zentralheizungsanlagen mit »Ein/Aus-Betrieb« möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung weiter zu vereinfachen und zu verbessern, so daß Heizkessel mit geringen Bauabmessungen und entsprechend hoher Feuerraumbelastung mit Kohlenstaub befeuert werden können und dennoch saubere Heizflächen und ein vollständiger Abzug der Asche in trockener Form erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brenner oberhalb der horizontalen, im wesentlichen senkrecht zu der den Brenner tragenden Feuerraumwand gerichteten Mittelachse des Feuerraums angeordnet ist und daß an dem dem Rauchgaszug gegenüberliegenden Ende des Feuerraumes nahe dem Boden desselben eine Einblasöffnung mit auf die Eintrittsöffnung des Rauchabzuges gerichteter Blasrichtung angeordnet ist.

Durch die außermittige Anordnung des Brenners kann auf besonders wirksame Weise eine Rezirkulation der Verbrennungsgase und insbesondere der wandnahen kühlen Gasschichten erreicht werden. Die von den zirkulierenden Gasen mitgerissenen Aschestaubteilchen werden dabei in den gekrümmten Bereichen des Gasstromes, d. h. an den Enden des Feuerraumes ausgeschleudert. An dem Ende des Feuerraumes, an dem der Rauchgaszug ansetzt, ist dieser Effekt erwünscht, da der Staub auf diese Weise abgezogen werden kann. An dem gegenüberliegenden Ende dagegen würde sich der Staub anhäufen. Aus diesem Grunde ist hier eine Einblasöffnung zum Einblasen von Luft oder Verbrennungsgasen vorgesehen, so daß die ausgeschleuderten Staubteilchen zur Eintrittsöffnung des Rauchgaszuges hingeblasen werden können.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung des Rauchabzuges nahe dem brennerseitigen Ende des Feuerraumes angeordnet, wobei der Brenner mit seiner Achse im wesentlichen parallel zur Mittelachse des Feuerraumes ausgerichtet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung des Rauchgaszuges nahe dem brennerfernen Ende des Feuerraumes angeordnet, wobei der Brenner so ausgerichtet ist, daß seine Achse unter einem Winkel zur Mittelachse des Feuerraumes im wesentlichen in Richtung der Eintrittsöffnung des Rauchgasabzuges weist. Der Winkel zwischen der Brennerachse und der Mittelachse des Feuerraumes beträgt dabei vorzugsweise ca. 17°.

Es hat sich gezeigt, daß beim Verfeuern von Kohlenstaub in der erfindungsgemäßen Feuerungseinrichtung auch nach längerer Betriebszeit praktisch keine Asche im Feuerraum zurückblieb. Die trockene Asche wird vollständig mit den Rauchgasen abgeführt.

Um die Asche aus den Rauchgasen auf möglichst einfache und energiesparende Weise abzutrennen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Rauchgasabzug eine Mehrzahl von Rauchgasrohren umfaßt, die horizontal nebeneinander angeordnet, tangential in ein horiontal und quer zu ihnen gerichtetes Sammelrohr münden, das an seinem einen Ende geschlossen und an seinem anderen Ende mit einem Abgasrohr geringeren Durchmessers verbunden ist und das ein tangential ansetzendes Auslaßrohr aufweist, welches an seiner Eintrittsöffnung im wesentlichen in Strömungsrichtung der die Achse des Sammelrohres umströmenden Rauchgase weist. Bei dieser Anordnung hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Aschepartikel in den Rauchgasen sich nicht gleichmäßig in dem Sammelrohr verteilen, sondern sich auf einer wandnahen Spiralbahn sammeln, so daß der größte Teil der Ascheteilchen durch das Auslaßrohr abgezogen werden kann. Die feinen und feinsten Ascheteilchen verbleiben in einem achsnahen Bereich des Sammelrohres und können durch das Abgasrohr einem Feinfilter zugeführt werden. Um diese Trennung der gröberen Ascheteilchen von den feineren zu erreichen, soll der Durchmesser des Sammelrohres vorzugsweise ungefähr doppelt so groß wie, jedoch mindestens um 100 mm größer als der Durchmesser des Abgasrohres sein. Das Abgasrohr kann in das Sammelrohr um eine Strecke hineinragen, die höchstens gleich dem Durchmesser des Abgasrohres ist. In diesem Bereich setzt zweckmäßigereise das Auslaßrohr an dem Sammelrohr an.

Die erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung ist jedoch nicht nur für die Verbrennung von Kohlenstaub geeignet, sondern kann auch Öl oder Gas verfeuern. So kann der Brenner eine Kohlenstaubeinblaslanze und eine Gaszuführungseinrichtung für einen gleichzeitigen oder alternativen Betrieb des Brenners mit Kohlenstaub und/oder Gas aufweisen. Die Kohlenstaubeinblaslanze kann auch gegen eine Ölzerstäubungsdüse austauschbar sein. Auf diese Weise ist auch ein Mischbetrieb von Gas und Heizöl in einem beliebigen Verhältnis möglich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

• Fig. 1 einen die Mittelachse des Feuerraumes enthaltenden schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Feuerungseinrichtung,
• Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Feuerungseinrichtung und
• Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kessels unter Verwendung einer Feuerungseinrichtung gemäß Fig. 1 in einem dieser Fig. entsprechenden Schnitt.

In Fig. 1 erkennt man einen Feuerraum in Form eines Flammrohres 10 mit einem zylindrischen Mantel 12 und nach außen gewölbten Stirnwänden 14 und 16. Der Mantel 12 sowie die Stirnwände 14 und 16 sind wassergekühlt.

In der in Fig. 1 rechten Stirnwand 16 ist oberhalb der Flammrohrachse 18 die Mündung 20 eines in der Fig. 3 noch näher beschriebenen Brenners angeordnet. Durch die Mündung 20 wird Kohlenstaub in das Flammrohr 10 eingeblasen und unter Bildung einer Flamme 22 verbrannt. Wie man in der Fig. erkennt, ist die Brennermündung 20 so ausgerichtet, daß die Achse 24 der Brennermündung im wesentlichen diagonal durch das Flammrohr 10 zum unteren Ende der gegenüberliegenden Stirnwand 14 hingerichtet ist. Nahe dem unteren Ende der Stirnwand 14 liegen Eintrittsöffnungen 26 von Rauchgaszügen 28, die entsprechend dem Staubgehalt der Verbrennungsgase nicht, wie üblich im oberen Bereich des Feuerraumes sondern am Boden desselben ansetzen, um den Ascheabzug zu ermöglichen. Man erkennt, daß die Flamme 22 in Richtung auf die Eintrittsöffnungen 26 der Rauchgaszüge 28 gerichtet ist. Auf diese Weise wird der Hauptanteil der staubförmigen Asche in Richtung der Eintrittsöffnungen 26 der Rauchgaszüge 28 geblasen.

Durch den Impuls der Flamme 22 bildet sich eine obere und eine untere Gasrezirkulation, die durch Pfeile 30 bzw. 32 angedeutet sind. Die untere Gasrezirkulation 32 kann insofern gefährlich sein, als sich in dem mit A bezeichneten Bereich am unteren Ende der Stirnwand 16 durch Fliehkraftwirkung Asche ausschleudern kann, die dann in dem bezeichneten Bereich A liegen bleibt und auf die Dauer doch verkrusten würde. Um dem entgegenzuwirken, ist an dieser Stelle eine Blasdüse 34 angeordnet, durch die im wesentlichen parallel zum unteren Boden des Flammrohres 10 Luft oder auch Abgase eingeblasen werden, so daß eventuell im Bereich A ausfallender Aschestaub in Richtung auf die Eintrittsöffnungen 26 der Rauchgaszüge 28 geblasen wird.

Die durch die Blasdüse 34 eingeblasene Luft- bzw. Abgasmenge soll zwischen 10 und 50% der Brennerluftmenge liegen, bevorzugt bei 20 bis 30%. Die Einblasgeschwindigkeit sol bei einer Feuerraumlänge von ca. 1,5 m wenigstens 25 m/s bevorzugt 30 bis 40 m/s betragen. Bei diesen Gasmengen und -geschwindigkeiten reicht die Wirkung der Blasdüse 34 aus, um bei einer Feuerraumlänge von 1,5 m Ascheablagerungen am Boden des Feuerraumes, insbesondere im Bereich A zu vermeiden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dadurch, daß die Eintrittsöffnungen 26 der Rauchgaszüge 28 an dem brennerseitigen Ende des Flammrohres 10 angeordnet sind. Die Brennermündung ist so angeordnet, daß ihre Achse 24 und damit auch die entstehende Flamme 22 im wesentlichen parallel zur Flammrohrachse 18 gerichtet ist. Die Flamme 22 erzeugt in diesem Falle eine Rezirkulation, welche durch die Pfeile 36 angedeutet ist. Bei dieser Rezirkulation besteht die Gefahr einer Staubausschleuderung in dem mit B bezeichneten Bereich. Daher ist die Blasdüse in diesem Falle an der der Brennermündung 20 gegenüberliegenden Stirnwand 14 angeordnet, so daß das durch die Blasdüse 34 eintretende Gas den eventuell ausfallenden Staub in Richtung auf die Eintrittsöffnungen 26 der Rauchgaszüge 28 bläßt.

Fig. 3 zeigt einen kompletten Kessel mit einer Feuerungseinrichtung gemäß Fig. 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der allgemein mit 38 bezeichnete Kessel ist als Warmwasserkessel für Heizungszwecke dargestellt mit einem Wassereinlaß 40 und einem Wasserauslaß 42.

Die an dem Boden des Feuerraumes 10 (der einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt besitzen kann) ansetzenden Rauchgaszüge 30 umfassen jeweils Rauchgasrohre 44 und 46, die durch einen U-Krümmer 48 miteinander verbunden sind. Es besteht das Problem, die zahlreichen Rauchgasrohre 46 der verschiedenen Rauchgasabzüge 30 zu einem gemeinsamen Abgasrohr derart zusammenzufassen, daß es nirgendwo zu toten Ecken und Ablagerungen von Staub kommt.

Dies wird bei der hier beschriebenen besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, daß man die Rauchgasrohre 46 nebeneinander anordnet und sie tangential in ein senkrecht zu ihnen gerichtetes horizontales Sammelrohr 50 einmünden läßt. Das Sammelrohr 50 ist auf seiner einen Stirnseite geschlossen, während an seiner anderen Stirnseite ein Abgasrohr 52 ansetzt. Der Durchmesser des Sammelrohres 50 ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des Abgasrohres 52, bevorzugt mindestens jedoch 100 mm größer als der Durchmesser des Abgasrohres 52. Das Abgasrohr 52 ragt maximal um eine seinem Durchmesser entsprechende Länge in das Sammelrohr 50 hinein. Beim tangentialen Einströmen der ascheführenden Rauchgase in das Sammelrohr 50 entsteht eine Zyklonwirkung, die umso stärker ist als die Asche hier noch frisch ist und sehr stark zur Bildung großer Sekundärpartikel neigt. Überraschenderweise verteilen diese sich nicht über das ganze Sammelrohr 50, sondern sammeln sich nach einem oder mehreren Umläufen auf einer Spiralbahn und können durch die spezielle Anordnung des Sammelrohres 50 und des Abgasrohres 52 relativ zu den Rauchgasrohren 46 durch ein tangential am Umfang des Sammelrohres 50 nahe dem offenen Ende desselben angeordnetes Abzugsrohr 54 in hoher Konzentration abgezogen werden. Dadurch hat das Abgas in dem Abgasrohr 52 nur noch einen geringen Staubgehalt, so daß sich ein entsprechend verringerter Aufwand für die Feinentstaubung der Abgase ergibt. Der wesentliche Vorteil hieran ist, daß man keinen Zyklon benötigt, sondern die aufgrund der speziellen Anordnung des Sammelrohres 50, des Abgasrohres 52 und des Abzugsrohres 54 entstehende Rauchgasströmung ausnützt, um einen erheblichen Anteil der Asche sofort aus den Rauchgasen zu entfernen.

Während in den Fig. 1 und 2 jeweils nur die Brennermündung dargestellt war, zeigt Fig. 3 einen Brenner, der sich besonders zur Durchführung des weiter oben beschriebenen Verfahrens eignet. Der allgemein mit 56 bezeichnete Brenner ist in einem rohrförmigen Fortsatz 58 des Kessels 38 angeordnet und umfaßt eine schlanke Brennermuffel 60 der axialen Länge 12, die sich von einem Durchmesser d2 in Richtung auf den Feuerraum 10 auf einen Durchmesser d1 konisch erweitert. An das durchmessergrößere Ende der Brennermuffel 60 schließt sich eine Beschleunigungsdüse 62 der Länge 11 an, die zur Brennermündung 20 hin konvergiert und in der Brennermündung 20 mit dem Durchmesser d endet.

Die Verbrennungsluft wird über ein nicht näher bezeichnetes Gebläse durch einen Lufeintritt 64 einem radialen Schaufelgitter 66 zugeführt, dessen Schaufeln sich über eine axiale Breite b erstrecken und mit dem Umfang einen Winkeldbilden.

An dem durchmesserkleineren Ende der Brennermuffel 60 sind in bekannter Weise eine Brennstoffzufuhr 68 sowie Zünd- und Kontrolleinrichtungen 70 angeordnet. Die Brennstoffzufuhr kann dabei in Form einer Lanze ausgebildet sein, durch welche der Kohlenstaub eingeblasen wird.

Brennermuffel 60, Beschleunigungsdüse 62 und der Feuerungsraum 10 sind ebenso wie die Rauchgasrohre 44 und 46 sowie die Blasdüse 34 von dem zu erwärmenden Wasser umspült, wie dies bereits weiter oben angedeutet wurde.

Besonders günstige und stabile Betriebsverhältnisse ergeben sich bei einer Kesselleistung von 600 000 kcal/h wenn folgende Abmessungen eingehalten werden:

Dies ergibt in der Brennermündung eine Flammstrahlgeschwindigkeit von 50-60 m/s und erlaubt, die Kesselleistung auf weniger als 50% der Nennleistung, also 300 000 kcal/h herunterzuregeln, ohne daß es zu Staubablagerungen im Feuerraum kommt.

Für Kessel anderer Leistungen werden alle genannten Abmessungen proportional der Wurzel aus dem Leistungsverhältnis geändert mit Ausnahme der angegebenen Winkel. So ergibt eine Verdoppelung der Abmessungen eine Vervierfachung der Leisung usw.

Diese einfache Umrechnung ist zulässig, da das Strömungsbild in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung in hinreichender Näherung nicht von der Reynoldszahl, d. h. von der Geschwindigkeit und Abmessung abhängt. Dabei können die Abmessungen d2 und b ohne nennenswerten Einfluß auf das Flammverhalten so varriert werden, daß das Produkt b x d2 in etwa konstant bleibt.

Je nach Anordnung der Brennstoffzufuhr (Einblaselanze für Kohlenstaub, Einblasdüse für Öl, Gaszuführungsrohr) kann der Kessel mit gleicher Leistung mit Kohlenstaub, Heizöl oder Gas betrieben werden. Ebenso ist Mischbetrieb von Gas und Heizöl sowie Gas und Kohlenstaub in jedem Verhältnis möglich. Der erfindungsgemäße Kessel ist also ein ein Dreistoffkessel, der jederzeit von Kohlenstaub auf Gas und zurück geschaltet werden kann. Zur Umstellung von Kohlenstaub auf Öl ist der Austausch der Kohlenstaubeinblaselanze gegen eine Einblasedüse für Öl erforderlich. Zündung, Überwachung und Brennersteuerung bleiben dabei unverändert.

Beim Betrieb der vorstehend beschriebenen Vorrichtung mit allen drei Brennstoffen hat sich gezeigt, daß akustisch praktisch nicht feststellbar ist, ob die Flamme brennt oder nicht. Ein Laufgeräusch der Flamme ist nicht vorhanden. Ferner tritt auch das üblicherweise vorhandene bullernde Geräusch im Kamin nicht auf. Vielmehr höhrt man hier ein leises Rauschen. Dies stellt ein umwelttechnisch bedeutsames Ergebnis dar.