Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse

Abstract

 Bei einer Brennkammer (1) einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse, wird vorgeschlagen, daß sie durch wechselweises Aufeinanderschichten von hitzebeständigen Formteilen aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, wobei die eine Materialschicht eine Führungsplatte (2) und die andere Materialschicht eine Isolierplatte (3) ist, und die Führungsplatte im eingebauten Zustand einer Brennkammer (1) in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt und die Isolierplatte von der Kesselwand zurückversetzt bzw. beabstandet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse.

[0002] Bekanntermaßen durchströmt im Betrieb eines Festbrennstoff-Heizkessels das heiße Verbrennungsgas in Durchströmungskanälen den Heizkessel, welches zuvor in der Brennkammer des Heizkessels durch Verfeuerung beispielsweise von fester Biomasse aufbereitet wird. Die im Heizkessel integrierte Brennkammer ist kritisches Bauteil und wesentlich für eine effektive umweltfreundliche Verbrennung. Gerade bei kritischen Festbrennstoffen wie fester Biomasse kommt es dabei auf einen gleichmäßigen Ausbrand bei hoher Temperaturbelastung in der Brennkammer an, die vielfach zu einer Beschädigung der Brennkammer, insbesondere zu Rissen in der Brennkammerwand führt, die nur schwer behoben werden können. Vielfach muß die gesamte Brennkammer neu gestaltet werden.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung der eingangs genannten Art, die einfach aufgebaut ist und effektiv bei guter Umweltverträglichkeit selbst bei Verfeuerung fester Biomasse betrieben und bei Beschädigung leicht repariert werden kann.

[0004] Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Brennkammer der im Anspruch 1 angegebenen Art.

[0005] Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.

[0006] Wesen der Erfindung ist, daß die Brennkammer durch wechselweises Aufeinanderschichten von hitzebeständigen Formteilen aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, wobei die eine Materialschicht eine Führungsplatte und die andere Materialschicht eine Isolierplatte ist, und die Führungsplatte im eingebauten Zustand einer Brennkammer in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt und die Isolierplatte von der Kesselwand zurückversetzt bzw. beabstandet ist.

[0007] Die Führungsplatte besteht vorzugsweise aus einem abriebfesten, erosionsfesten Material, vorzugsweise aus Metall oder Schamott, während die Isolierplatte aus einem hitzebeständigen Isoliermaterial gebildet ist, welches eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und vorzugsweise porös und kondenswasseraufnahmefähig ist.

[0008] Die Isolierplatte kann in einer Formvertiefung der Führungsplatte formschlüssig aufgenommen sein und satt auf der Führungsplatte aufliegen, sowie eine plane Oberseite aufweisen, welche als satte Auflage für eine weitere Führungsplatte dient oder zumindest dienen kann.

[0009] Eine gute Wandturbulenz ergibt sich, wenn die Führungsplatte bei einer satten Auflage auf einer Isolierplatte an der Innenseite der Brennkammer übersteht und einen Absatz ausbildet.

[0010] Von Vorteil bei der Erfindung ist, daß die Lebensdauer der Brennkammer durch die Sandwichbauweise um ein Vielfaches erhöht wird. Übliche Brennkammern müssen meistens nach dem Auftreten von Rissen ausgewechselt werden, da sie in sich zusammenbrechen. Die Sandwichbrennkammer ist hier weniger anfällig, da Risse in einem oder mehreren Elementen nur über kurze Distanzen auftreten. Die restlichen Schichten halten die Brennkammer in ihrer vorgesehenen Form. Sie bricht nicht zusammen und erfüllt weiterhin ihren Zweck.

[0011] Die Isolierplatten lassen sich aus sehr hochwertige Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gestalten. In der Regel sind diese Materialien porös ausgestaltet wie ein Schwamm und können größere Mengen an Kondenswasser aufnehmen.

[0012] Die Führungsplatten können aus Metal, aber auch aus Schamott oder einem Schamott-ähnlichen Material sein. Die Führungsplatten sind sehr widerstandsfähig gegen Erosion und dürfen eine geringe Isolierungswirkung aufweisen. Die Führungsplatten sind aus einem Material gewählt, daß möglichst wenig Kondenswasser speichert.

[0013] Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik zeichnet sich also durch einen starken Widerstand gegen Erosion aus. Durch die Kombination von harten zu weichen Materialien können auf der harten Materialseite sehr Erosions-widerstandsfähige Materialien eingesetzt werden.

[0014] Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik zeichnet sich ferner dadurch aus, daß durch das Gestalten der Wandflächen eine hohe Wandturbulenz erzeugt werden kann. Eine hohe Wandturbulenz mischt die kälteren Gase der Wandzone mit dem heißeren Gasstrom der Kernzone. Ein gleichmäßiger Ausbrand ist die Folge.

[0015] Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, daß die weichen Isolierschichten zu den harten Steinschichten zurückgesetzt sind. Durch diese Anordnung entsteht ein Strömungsschatten, der die weichen Isolierplatten vor Erosionsabtrag schützt.

[0016] Die erfindungsgemäße Brennkammertechnik sieht ferner eine hohe Temperatur- bzw. Wärmespeicherfähigkeit vor. Temperaturschwankungen können somit in einem gewissen Maß ausgeglichen werden.

[0017] Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkammertechnik durch ein hohes Maß an eigenständiger Steifigkeit aus. Die Brennkammer muß nicht an Kesselwänden anliegen und behält trotzdem ihre Formstabilität. Von Vorteil dabei ist, daß Wärmeströme durch die Kontaktfreiheit des Brennkammerwerkstoffs zu den Kesselwänden unterbrochen werden können, wodurch höhere Brennkammertemperaturen erzielt werden können.

[0018] Insbesondere kann vorgesehen sein, daß an Stellen mit hoher thermischer Belastung und hoher Erosionsbelastung verstärkt widerstandsfähige Materialien eingeschichtet werden.

[0019] Die erfindungsgemäße Brennkammer zeichnet sich durch eine hohe Servicefreundlichkeit aus. Treten an Stellen mit Spitzenbeaufschlagung Schädigungen auf, so ist es möglich, nur die beschädigten Kammernteile auszutauschen.

[0020] Schließlich sei erwähnt, daß die erfindungsgemäße Brennkammertechnik ein hohes Maß an Formflexibilität besitzt. Brennkammerformen wie Strömungskernaufspaltungen können leicht eingebaut werden. Durch das Einschichten von Formbauteilen kann dieser Anspruch erfüllt werden.

[0021] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Figur 1

eine Brennkammer einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung mit Führungsplatten und Isolierplatten schematisch in einer perspektivischen Ansicht,

Figur 2

die Brennkammer nach Figur 1 in einem vertikalen Längsschnitt,

Figur 3

die Brennkammer nach Figur 1 in einer schematischen Stirnansicht,

Figur 4

die Einzelheit X in Figur 2,

Figuren 5 bis 7

die Führungsplatte nach Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht, in einem Längsschnitt sowie in einem Querschnitt,

Figur 8

die Einzelheit X1 nach Figur 7,

Figur 9

die Isolierplatte nach Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht ähnlich der Führungsplatte nach Figur 5, und

Figuren 10 und 11

andere Brennkammern in einer perspektivischen Ansicht ähnlich Figur 1.

[0022] Gemäß Zeichnung umfaßt eine Brennkammer 1 einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung in Form eines Heizkessels zur Verfeuerung fester Biomasse aufeinander gesetzte, formstabile, hitzebeständige Einzelschichten in einer Sandwichbauweise.

[0023] Die Einzelschichten sind einstückige Formteile und bestehen aus zwei unterschiedlichen Materialien.

[0024] Die eine Materialschicht besteht aus einem abriebfesten, erosionsfesten, hitzebeständigen Material, hier aus Metall und ist ein aus einer Blechplatte gestanztes Formteil.

[0025] Die andere Materialschicht besteht aus einem hochwertigen hitzebeständigen Isoliermaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit, welches porös und kondenswasseraufnahmefähig ist, d.h. schwammähnlich aufgebaut ist. Sie ist ein gegossenes oder gesintertes Formteil.

[0026] Wie in Figur 3 am besten illustriert, sind beide Materialschichten abwechselnd aufeinander folgend angeordnet, um gemeinsam eine formstabile Brennkammer 1 aus losen Einzelteilen auszubilden.

[0027] Insbesondere ist die eine Materialschicht eine Führungsplatte 2 gemäß den Figuren 5 bis 8 und die andere Materialschicht eine Isolierplatte 3 gemäß Figur 9, wobei die Führungsplatte 2 im eingebauten Zustand einer Brennkammer 1 in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt, während die Isolierplatte 3 von der Kesselwand zurückversetzt bzw. beabstandet ist.

[0028] Hierbei ist die Isolierplatte 3, wie dies insbesondere der Einzelheit nach Figur 4 zu entnehmen ist, in einer Formvertiefung 4 der Führungsplatte 2 formschlüssig aufgenommen und liegt satt auf der Führungsplatte auf. Die Isolierplatte besitzt eine plane Oberseite, welche als satte Auflage für eine weitere Führungsplatte 2 dient.

[0029] Die Anordnung der Brennkammer 1 ist so getroffen, daß die Führungsplatte 2 bei einer satten Auflage auf einer Isolierplatte 3 an der Innenseite der Brennkammer übersteht und einen Absatz 5 ausbildet, wie dies insbesondere der Figur 4 zu entnehmen ist.

[0030] Die in Draufsicht rechteckige Führungsplatte 2 gemäß Figur 5 weist in Längserstreckung beidseits mittige Sollbruchstellen 6 auf und besitzt in Längserstreckung in Draufsicht gleiche Breite, welche der Dicke der Längswand der Brennkammer 1 entspricht. Die kürzeren Querwände der Brennkammer 1 sind in der Mitte verjüngt. Der innere Brennraum der vertikalen Brennkammer 1 weist also in Draufsicht Sechseckform auf.

[0031] Um vorgenannter rechteckiger Brennkammerkonfiguration Rechnung zu tragen, sind auch sämtliche Isolierplatten 3 im wesentlichen wie die Führungsplatten 2 formgestaltet, nur etwas kleiner und ohne Sollbruchstellen und ohne Vertiefungen.

[0032] Die Führungsplatten 2 und die Isolierplatten 3 können nicht nur rechteckige Brennkammerkonfiguration in Draufsicht aufweisen, sondern beispielsweise auch Quadratform, oder Kreisform gemäß Figur 10 oder gemäß Figur 11, sowie Ovalform.

[0033] Der Umfang der Führungsplatte 2 besitzt, wie dies am besten aus den Figuren 6 und 7 zu entnehmen ist, einen konischen nach oben hin verjüngten Querschnitt Q1, während der Umfang der Isolierplatte 3 einen Rechteckquerschnitt Q2 aufweist, wie dies insbesondere in Figur 4 veranschaulicht ist.

[0034] Aufeinander gesetzte Führungs- und Isolierplatten können also eine vertikale Brennkammerwand nach Figur 1 oder eine schräge Brennkammerwand ausbilden, insbesondere eine nach oben hin konisch erweiterte Brennkammer 1 gemäß Figur 11.

[0035] An Stellen mit hoher thermischer und hoher Erosionsbelastung einer Brennkammer 1 können verstärkt widerstandsfähige Materialschichten vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sein.

[0036] Spezielle Formbauteile für eine Raumtrennung und/oder eine Strömungskernspaltung der Brennkammer 1 können ebenfalls vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sein.

[0037] Die erfindungsgemäße Sandwichbrennkammer ist also eine spezielle Art einer Brennkammer, die besonders zur Verfeuerung fester Biomasse geeignet ist. Das auffälligste Kennzeichen dieser Brennkammer ist ihr sandwichartiger Aufbau. Es werden abwechselnd Platten aus unterschiedlichen Materialien übereinandergelegt, was eine optimale Zusammensetzung der Brennkammer hinsichtlich Standzeit und Isolierwirkung gewährleistet.

[0038] Die Führungsplatten bieten in der Regel eine hohe Standzeit bei geringer Isolierwirkung. Sie dienen zur exakten Positionierung der Isolierplatten und verhindern einen direkten Kontakt des Isoliermaterials zum Kesselkörper. Sie können mit Sollbruchstellen ausgestattet sein. Die Dicke und Form der Führungs- und Isolierplatten kann variieren, um unterschiedliche Brennkammergeometrien zu realisieren, zum Beispiel zylindrische, ovale oder quadratische Brennkammer, auch konische Anordnungen.

[0039] Die wesentlichsten Funktionsmerkmale sind:

• Hohe Abriebfestigkeit
• Starke Wandturbulenz
• Hohe Formanspruchsfähigkeit
• Hohe Formflexibilität
• Hohe Isolierwirkung im Verhältnis zur Standzeit
• Eigenständige Steifigkeit im Verhältnis zum Einbauraum
• Raumtrennungs- und Strömungskernspaltende Einbauten sind leicht einbringbar
• Isolierwirkung im Verhältnis zu Abriebfestigkeit schichtbar
• Einzelne Elemente austauschbar bei örtlich starken Schäden

Ansprüche

1. Brennkammer (1) einer Festbrennstoff-Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Verfeuerung fester Biomasse,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie durch wechselweises Aufeinanderschichten von hitzebeständigen Formteilen aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, wobei die eine Materialschicht eine Führungsplatte (2) und die andere Materialschicht eine Isolierplatte (3) ist, und die Führungsplatte im eingebauten Zustand einer Brennkammer (1) in einem Heizkessel an eine Kesselwand angrenzt und die Isolierplatte von der Kesselwand zurückversetzt bzw. beabstandet ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsplatte (2) aus einem abriebfesten, erosionsfesten Material, vorzugsweise aus Metall oder Schamott, und die Isolierplatte (3) aus einem porösen und kondenswasseraufnahmefähigen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolierplatte (3) in einer Formvertiefung (4) der Führungsplatte (2) formschlüssig aufgenommen ist und satt auf der Führungsplatte aufliegt, sowie eine plane Oberseite aufweist, welche als satte Auflage für eine weitere Führungsplatte dient.

4. Brennkammer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsplatte (2) bei einer satten Auflage auf einer Isolierplatte (3) an der Innenseite der Brennkammer übersteht und einen Absatz (5) ausbildet.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsplatte (2) Sollbruchstellen (6) aufweist.

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsplatten (2) und die Isolierplatten (3) je nach Brennkammerkonfiguration in Draufsicht Rechteck-, Quadrat-, Kreis- oder Ovalform besitzen.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Umfang der Führungsplatte (2) einen konischen nach oben hin verjüngten Querschnitt (Q1) besitzt, während der Umfang der Isolierplatte (3) einen Rechteckquerschnitt (Q2) aufweist.

8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß aufeinander gesetzte Führungs- und Isolierplatten eine vertikale Brennkammerwand ausbilden.

9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß aufeinander gesetzte Führungs- und Isolierplatten eine schräge Brennkammerwand, insbesondere eine nach oben hin konisch erweiterte Brennkammer (1), ausbilden.

10. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß an Stellen mit hoher thermischer und hoher Erosionsbelastung einer Brennkammer (1) verstärkt widerstandsfähige Materialschichten vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sind.

11. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß spezielle Formbauteile insbesondere für eine Raumtrennung und/oder eine Strömungskernspaltung der Brennkammer (1) vorgesehen, insbesondere eingeschichtet sind.

Zeichnung