VORRICHTUNG ZUR REDUZIERUNG VON SCHADSTOFFEN IN RAUCHGASEN

Abstract

 Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Rauchgasen, bei der die aus der Brennkammer (3) austretenden Rauchgase bei Durchtritt durch ein mit Plättchen (8) bestücktes, nach der Brennkammer (3) angeordnetes Rohr (7) gestaut und verwirbelt werden, wodurch im Rauchgase befindliches CO und Feinstaub unter Luftüberschuss zu CO₂ weiter oxidieren.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Rauchgasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Öfen für die Verbrennung von Holz sowie gepresster biologischer Verbrennungsprodukte, nachfolgend allgemein als "Pellets" bezeichnet, erfreuen sich aufgrund der zumeist aus regenerativen Rohstoffquellen stammender Energieträger und der häufig gegenüber anderen Formen der Wärmegewinnung geringeren Betriebskosten wachsender Beliebtheit. Während die Emission von Kohlendioxid (CO₂) in diesem Zusammenhang als Produkt der vollständigen Verbrennung erwünscht ist, da das freigesetzte Kohlendioxid im optimalen Fall wieder in nachwachsenden Rohstoffen gebunden wird, stellt die Emission von Kohlenmonoxid (CO) und Feinstaub eine unerwünschte Begleiterscheinung dar. Diese werden gemeinsam mit dem Kohlendioxid und weiteren Verbindungen als Rauchgas aus der Brennkammer ausgeleitet und in weiterer Folge an die Umwelt abgegeben. Aufgrund der gesundheitsschädlichen Wirkung von Kohlenmonoxid und Feinstaub besteht der Wunsch, diese Emissionen möglichst stark zu reduzieren.

[0003] Es ist Ziel und Aufgabe dieser Erfindung eine Reduktion der Emission von Kohlenmonoxid und Feinstaub zu erreichen.

[0004] Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch eine Vorrichtung zur Stauung und Verwirbelung von Rauchgasen erreicht, die die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale aufweist. Mit anderen Worten, die aus der Brennkammer austretenden Rauchgase werden bei Durchtritt durch ein mit Plättchen bestücktes, nach der Brennkammer angeordnetes Rohr gestaut und verwirbelt, wodurch im Rauchgase befindliches CO und Feinstaub unter Luftüberschuss zu CO₂ weiter oxidieren.

[0005] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

die Fig. 1 die Position der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Verbrennungsofen,

die Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivischer Ansicht von Seite der Brennkammer,

die Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivischer Ansicht in Richtung zur Brennkammer und

die Fig. 4 eine geschnittene Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 3.

[0006] Die Fig. 1 zeigt einen Ofen 1 mit einem Pelletbrenner 2 und einer Brennkammer 3, die oben von der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 abgeschlossen wird und deren obere Öffnung in einen Wärmetauscher 5 führt.

[0007] Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 4, aufweisend ein Abdeckblech 6, das die Brennkammer 3 im oberen Bereich abdeckt, ein Rohr 7 zur Ableitung des Rauchgases, Plättchen 8, eine Befestigungsschraube 9, einen Steg 10 zur sicheren Zentrierung der Befestigungsschraube 9 und Arretierungen 11 zur Verdrehsicherung der Plättchen 8, in perspektivischer Darstellung aus der Sicht der Brennkammer 3. Das Abdeckblech 6 sitzt dabei als oberer Abschluss auf der Brennkammer 3 auf. In der Mitte des Abdeckblechs 6 sind zwei Öffnungen, die zu dem auf dem Abdeckblech 6 angebrachten Rohr 7 führen. Die beiden Öffnungen sind durch den Steg 10 voneinander getrennt, wobei sich in der Mitte des Stegs 10 ein Loch für eine Zentrierhilfe der Plättchen 8 befindet.

[0008] Die Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 in perspektivischer Ansicht von oberhalb der Brennkammer 3. Das Rohr 7 ist auf dem Abdeckblech 6 angebracht. Die Plättchen 8 sind rund um die Befestigungsschraube 9 angeordnet. Diese Anordnung ist als Gesamtes im Rohr 7 untergebracht und durch Arretierungen 11 gegen Verdrehen gesichert. Ein Befestigungsbügel 12 ist das Gegenstück zu Steg 10 und garantiert wie dieser, dass die Befestigungsschraube 9 mittig bleibt.

[0009] Die Fig. 4 zeigt einen perspektivischen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 analog zur Fig. 2. Es sind Distanzhülsen 13 zu sehen, die um die Befestigungsschraube 9 herum zur axialen Distanzierung und Fixierung der Plättchen 8 dienen sowie eine Befestigungsmutter 14, die die Plättchen 8 und Distanzhülsen 13 auf der Befestigungsschraube 9 axial fixieren. In der Mitte des Rohrs 7 verläuft die zentrale Rohrachse 15 durch die Befestigungsschraube 9.

[0010] Die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 sitzt unmittelbar auf der Brennkammer 3 auf. Um den Abzug des Rauchgases aus der Brennkammer 3 und das Passieren des Rohrs 7 sicherzustellen, erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Absaugung des Rauchgases aus der Brennkammer 3 mittels eines Saugzuggebläses. Während der Passage des Rauchgases durch das Rohr 7 wird das Rauchgas durch die Plättchen 8 gestaut und verwirbelt.

[0011] Die Stärke der Plättchen 8 ist dabei von der Heizleistung des Ofens abhängig. So besitzen die Plättchen 8 bei der Verwendung von Stahlblech und einer Heizleistung von bis zu 8 kW bevorzugt eine Stärke von höchstens 2 mm, noch bevorzugter liegt die Stärke bei 1 mm oder weniger. Bei höherer Heizleistung sind entsprechend dickere Plättchen 8 zu verwenden. Die Steigung der Plättchen 8 liegt bezüglich einer auf die zentralen Rohrachse 15 normal stehenden Ebene zwischen 0° und 50°, bevorzugt zwischen 25° und 35°. Versuche, die zu den für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Ergebnissen führen, sind für die Fachperson schnell und einfach durchführbar.

[0012] Bei der Umströmung der Plättchen 8 setzt eine Erwärmung ein. Die Temperatur des Rauchgases bei Austritt aus der Brennkammer 3, unmittelbar vor Eintritt in das Rohr 7, liegt zwischen 470°C bei einer Heizleistung von 4 kW und 730°C bei einer Heizleistung von 8 kW. Durch diese Temperaturen wird in Verbindung mit den Verwirbelungen der Gase überraschenderweise eine messbare Reduktion von Kohlenmonoxid und Feinstaub erzielt. Die untenstehende Tabelle zeigt beispielhaft die gemessenen Schadstoffe bei 8 kW jeweils mit und ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung 4.

mittlerer CO-Gehalt bezogen auf 13% O2 - mit herkömmlicher Zugumlenkung	mittlerer CO-Gehalt bezogen auf 13% O2 - mit neuer Zugumlenkung	mittlerer Staub-Gehalt bezogen auf 13% O2 - mit herkömmlicher Zugumlenkung	mittlerer Staub-Gehalt bezogen auf 13% O2 - mit neuer Zugumlenkung
95 mg/Nm3 bis 110 mg/Nm3	16 mg/Nm2 bis 36 mg/Nm3	20 mg/Nm3 bis 45 mg/Nm3	4 mg/Nm3 bis 10 mg/Nm3

[0013] Es ist nicht klar worin genau die Ursache für diese Reduktion liegt. Auf Basis von Versuchen lässt sich aber annehmen, dass es sich um einen Effekt handelt der teils an der lokalen Strömung an den Kanten der Plättchen 8, teils an deren gleichmäßigen Erwärmung und teils an der höheren Verweildauer bei gleichzeitigem Luftüberschuss liegt. In diesem Fall würde eine durchgehende schraubenförmige Steigung den gewünschten Effekt nicht, oder zumindest nicht in der gleichen Qualität hervorrufen. Möglich ist auch, dass das Auftreffen von Feinstaub und die damit verbundenen lokalen Temperaturerhöhungen zu dem Effekt beitragen. In diesem Fall wären unter gleichen Betriebsbedingungen für Plättchen 8, die aus Keramiken gefertigt werden dünnere Stärken zu wählen als für entsprechende Plättchen 8 aus Metall. Versuche, die zu den für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Ergebnissen führen, sind für die Fachperson schnell und einfach durchführbar.

[0014] Die Arretierungen 11 finden bei Ausführungen Anwendung, bei denen die Plättchen 8 nicht fest, wie es etwa bei Verschweißen oder einem Guss aus einem Stück der Fall wäre, mit dem Rohr 7 verbunden sind. Sie können mit allen der Fachperson bekannten Mitteln mit dem Rohr 7 verbunden sein, also beispielsweise durch Verschweißen, Guss oder 3D-Druck von Arretierung 11 und Rohr 7 als ein Teil, formschlüssigem Verbinden durch Stecken einer Nase oder Ausnehmung der Arretierung 11 in eine dafür vorgesehene Ausnehmung im Rohr 7, durch Verschrauben, oder durch Vernieten. Die Arretierung 11 selbst besteht aus einem Stab oder weist zumindest stabförmige Abschnitte auf, die in komplementäre Ausnehmungen der Plättchen 8 eingreifen und sie so in Umfangsrichtung fixieren. Die Plättchen können auch durch axialen Druck über die Fixierschraube 9 fixiert werden, doch ist eine formschlüssige Halterung einer kraftschlüssigen schon wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen im Allgemeinen vorzuziehen. Die Formschlüssigkeit lässt sich neben der Arretierung 11 auch durch gegengleiche, in einander greifende Ausnehmungen und Nasen in den Plättchen 8 und Distanzhülsen 13 in Umfangsrichtung verwirklichen.

[0015] Für die einzelnen Bauteile kommen grundsätzlich alle Materialen in Betracht, die aus dem Stand der Technik für den Ofenbaus bekannt sind und die technischen Anforderungen erfüllen. Für die Plättchen 8 kommen speziell alle Materialien in Frage, deren Hitzebeständigkeit eine Verwendung zulässt, so beispielsweise alle Arten von Stählen und hitzebeständigen Metallen (Gusseisen, Stahlguss, Titan, Wolfram,...) in gewalzter, geschmiedeter, 3D-gedruckter, gegossener oder gesinterter Form sowie jeder anderen aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsform, je nach Möglichkeiten zur Verarbeitung der Materialien. Die Plättchen haben dabei in einem Rohr mit Kreisquerschnitt Fächerform. Als fächerförmig wird im Rahmen dieser Erfindung ein Kreissegment mit einem Winkel verstanden, der kleiner als 180° ist. Befindet sich das Plättchen 8 in einem Rohr, dessen Querschnitt nicht kreisförmig ist, so geht die Fächerform von einem Kreissegment in ein analoges geometrisches, an den Rohrquerschnitt angepasstes, Muster über, das in der Lage ist, das Rohr über den gewünschten Abschnitt bis zur Wand des Rohres hin abzudecken. Für ein Rohr mit polygenem, insbesondere viereckigem Querschnitt würde das Umlenkblech von einem Kreissegment also beispielsweise in ein Deltoid, auch Drachenviereck genannt, übergehen. Analoges gilt sinngemäß auch für alle anderen möglichen Querschnittsformen.

[0016] Bei der dargestellten Fassung handelt es sich um eine beispielhafte Ausführung, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführung beschränkt ist. Speziell ist es möglich mehrere Stege, anstatt des einen Stegs 10 vorzusehen. Weiters ist es möglich, anstatt eines Aufbaus mit den Plättchen 8 und den Distanzhülsen 13 ein Einzelteil zu verwenden, das mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Methode, z.B. durch 3D-Druck, Gießen, oder Sintern, hergestellt wurde.

[0017] Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die unmittelbare Fixierung der fächerförmigen Plättchen 8 am Rohr 7 durch Schweißen, oder durch einen Guss oder 3D-Druck aus einem Stück. Die Erfindung setzt jedoch keine Abdichtung zwischen den Plättchen 8 und dem Rohr 7 voraus, wie sie sich etwa durch verschweißen erreichen lässt. Ein Spalt, der klein ist im Vergleich zum Durchmesser des Rohrs 7, in den durchgeführten Versuchen traten Spalten bis zu 1 mm Breite auf, hatte in den durchgeführten Versuchen keine negativen Einflüsse. Dadurch lässt sich beispielsweise auch ein Zusammenbau der Plättchen 8, Distanzhülsen 13 und Fixierschraube 9 an einer Aufhängung von Oben in das Rohr 7 einhängen. Im Bedarfsfall lässt sich die maximal zulässige Breite dieses Spaltes durch eine Fachperson schnell und einfach durch Versuche ermitteln. Auch eine Ausführung der Plättchen mit Löchern unterschiedlicher Größe ist möglich. Diese Aufzählungen sind beispielhaft und nicht abschließend zu sehen. Die Erfindung ist daher nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann vielfach abgewandelt werden. So ist es insbesondere möglich, Teilaspekte beliebig zu kombinieren und/oder zu vervielfachen.

[0018] Als Rauchgas wird in diesem Zusammenhang die Gesamtheit aller Stoffe angesehen, die durch die Verbrennung entstehen und als Gasförmige Phase (z.B. CO, CO₂, Wasserdampf,...), oder in dieser schwebend (z.B. Feinstaubpartikel, schwebende Glutpartikel,...), in die Umgebung übergehen. Ähnliche Ausdrücke für Rauchgas sind Verbrennungsgas, Verbrennungsluft, Abgas oder umgangssprachlich auch "Rauch".

[0019] Als Pelletbrenner 2 wird der Behälter bezeichnet, in dem unter Zufuhr von Luft die eigentliche Verbrennung von Holz bzw. der Pellets stattfindet. Es müssen daher nicht tatsächlich Pellets verbrannt werden sondern es kommen grundsätzlich alle Formen von bei Ofen üblichen Feststoffen in Betracht. Die Bezeichnung "Pelletbrenner" wird aus Gründen der Lesbarkeit verwendet.

[0020] Die Brennkammer 3 befindet sich oberhalb des Pelletbrenners 2. Es handelt sich dabei um den Raum, in dem die Flammen visuell sichtbar sind. Die Brennkammer 3 dient einerseits der Erwärmung des Rauchgases, andererseits ist die Brennkammer 3 oft durch eine transparente Scheibe von der Umgebung getrennt, wodurch der visuelle Effekt einer offenen Feuerstelle entsteht, jedoch ohne den damit verbundenen Risiken.

[0021] In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet "im Wesentlichen" eine Abweichung von bis zu 10 % des angegebenen Wertes, wenn es physikalisch möglich ist, sowohl nach unten als auch nach oben, ansonsten nur in die sinnvolle Richtung, bei Gradangaben (Winkel und Temperatur) sind damit ±10° gemeint.

[0022] Der Begriff: "Kombination" bzw. "Kombinationen" steht, sofern nichts anderes angegeben, für alle Arten von Kombinationen, ausgehend von zwei der betreffenden Bestandteile bis zu einer Vielzahl oder aller derartiger Bestandteile, der Begriff: "enthaltend" steht auch für "bestehend aus".

[0023] Die in den einzelnen Ausgestaltungen und Beispielen angegebenen Merkmale und Varianten können mit denen der anderen Beispiele und Ausgestaltungen frei kombiniert und insbesondere zur Kennzeichnung der Neuerung in den Ansprüchen ohne zwangläufige Mitnahme der anderen Details der jeweiligen Ausgestaltung bzw. des jeweiligen Beispiels verwendet werden.

Liste der Bezugszeichen:

1	Ofen	9	Befestigungsschraube
2	Pelletbrenner	10	Steg
3	Brennkammer	11	Arretierungen
4	Erfindungsgemäße Vorrichtung	12	Befestigungsbügel
5	Wärmetauscher	13	Distanzhülsen
6	Abdeckblech	14	Befestigungsmutter
7	Rohr	15	zentrale Rohrachse
8	Plättchen

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Rauchgasen, die aus einer Brennkammer (3) in ein Rohr (7) mit einer zentralen Rohrachse (15) geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Rohrs (7), Plättchen (8) schräg zur zentralen Rohrachse (15) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (8) bei kreisförmigem Rohrquerschnitt Fächerform und bei polygener Form des Rohrquerschnitts eine an den Querschnitt angepasste Form aufweisen, die ein Berühren der Plättchen (8) und der Wand des Rohrs (7) ermöglicht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (8) einen Rohrabschnitt mit einem Winkel von weniger als 180° abdecken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägstellung der Plättchen (8) bezüglich einer, auf eine zentrale Rohrachse (15) normal stehenden Ebene zwischen 0° und 50°, bevorzugt zwischen 25° und 35° beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (8) eben sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (8) gelocht sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (8) aus hitzebeständigem Material, bevorzugt einem Metall bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (8) eine Stärke von höchstens 2 mm, bevorzugt eine Stärke von 1 mm oder weniger aufweisen.

Zeichnung