Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündverfahren in einem Heizkessel entsprechend Anspruch 1. In diesem Verfahren wird lose gestapelter Brennstoff durch eine Ladeöffnung in den Feuerraum eines Heizkessels auf eine erste Unterstützung eingeführt, woraufhin der Brennstoff auf einen Rost geführt wird, der auf einer tieferen Ebene angeordnet ist, auf welcher die endgültige Verbrennung des Brennstoffes stattfindet, wobei Zündungsluftdüsen oberhalb der ersten Unterstützung angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem einen Heizkessel zur Verwendung dieses Verfahrens.

In Heizkesseln aus dem Stand der Technik wird der Bereich des Feuerraums um die Ladeöffnung so ausgebildet, dass er relativ geschlossen ist, wobei er nach oben durch einen leicht ansteigenden Wandabschnitt oberhalb der Ladeöffnung begrenzt wird, mit eingefügten Zündungsluftdüsen, und nach unten durch einen festen Boden, der um einen Winkel von weniger als 5º bis 20º angeschrägt ist. Diese Struktur aus dem Stand der Technik ist so aufgebaut, dass sie die Steuerung der Zufuhr des Sauerstoffs erlaubt und damit die mögliche Energiefreigabe für das Ausstoßen von Gasen aus dem lose gestapelten Brennstoff auf dem festen Boden. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass es schwierig ist, eine stabile Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhalten, da die Verbrennung durch relativ kleine Veränderungen der Luftdurchlässigkeit und des Feuchtigkeitsgehalts des lose gestapelten Brennstoffs und der Ladegeschwindigkeit des Brennstoffs in den Feuerraum stark schwanken kann.

Es ist ein weiterer Nachteil der Heizkessel aus dem Stand der Technik mit einem festen Boden, dass Ablagerungen von geschmolzenen oder gesinterten Aschepartikeln sich teilweise auf der Heizkesselwand in dem Bereich um die Zündungsluftdüsen anhäufen, teilweise auf der ersten Unterstützung. Um den freien Durchgang des Brennstoffes sicherzustellen ist es erforderlich, derartige Ablagerungen in regelmäßigen Intervallen zu entfernen, was unerwünschte Unterbrechungen verursachen kann. Der Stand der Technik leidet außerdem an dem Fehler, dass die Verbrennung eine nicht unerhebliche Menge an Stickoxiden (NO) entwickelt, welche in die Umgebung abgegeben wird und die Umwelt über den Schornstein der Heizkesselanlage vergiftet.

Die US-Patentveröffentlichung 4,213,405 beschreibt einen Verbrennungsheizkessel für feste Brennstoffe, wie beispielsweise Holzabfälle, in welcher der Feuerraum des Heizkessels eine erste Unterstützung in der Form eines angeschrägten Rostes hat, dessen Hauptzweck es ist, den Brennstoff zu trocknen, die Rauchgase aus den Verbrennungsbereichen oberhalb eines zweiten Rostes, der in einer tieferen Ebene angeordnet ist, werden hier einer oberen Zone des ersten Rostes zugeführt und durch sie hindurchgeleitet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, dass die vorstehenden Probleme reduziert oder eliminiert. Dies wird entsprechend der Erfindung durch ein Verfahren des in der Einführung genannten Typs erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zündungsluftdüsen Strahlen von Zündungsluft, welche heiße Rauchgase aus dem Feuerraum mitreißen, auf die Oberfläche des lose gestapelten Brennstoffes auf der Unterstützung richten, so dass die Oberflächenschicht des lose gestapelten Brennstoffes gezündet wird und der Brennstoff teilweise vergast wird, dass die Luft aus den Zündungsluftstrahlen zusammen mit dem mitgerissenen Rauchgas durch den lose gestapelten Brennstoff und die erste Unterstützung nach unten passieren und dann durch den Feuerraum abströmen kann, und dass das von den Zündungsluftstrahlen mitgerissene Rauchgas im Wesentlichen aus einem Abschnitt des Feuerraums abgezogen wird, durch welchen eine Mischung aus Verbrennungsprodukten von der ersten Unterstützung und dem Rost strömt.

Mittels dieses Verfahrens kann die Luft von den Zündungsluftdüsen zusammen mit den mitgerissenen Rauchgasen durch den Brennstoff zur ersten Unterstützung strömen, die im Folgenden der erste Rost genannt wird, und dann durch den Rost zu dessen unterer Seite. Das Ergebnis besteht darin, dass die durch die Zündung der Oberflächenschicht des Brennstoffes und die Vergasung der darunter liegenden Teile des Brennstoffes entstehenden Gase nach unten durch den Brennstoff zu der Unterseite des ersten Rostes strömen. Die Verbrennungsgase fließen von dort in den Feuerraum und strömen auf diese Weise oberhalb des auf dem zweiten unteren Rost angeordneten verbrennenden Brennstoffs, wodurch die Verbrennungsgase von den beiden Rosten gemischt werden, während sie mit primärer und sekundärer zum Feuerraum in konventioneller Weise zugeführter Luft vermischt werden. Teile dieser Mischung von Rauchgasen werden dann durch die Zündungsluftstrahlen aus dem Feuerraum in Richtung zur Oberfläche des Brennstoffes auf der ersten Unterstützung gezogen.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass dieses Verfahren eine außerordentlich stabile Verbrennung bewirkt, und die Verbrennungsgeschwindigkeit leicht unabhängig von verschiedenen Variationen der Luftdurchlässigkeit oder des Feuchtigkeitsgehalts des lose gestapelten Brennstoffes oder seiner Zuführgeschwindigkeit gesteuert werden kann.

Es hat sich außerdem erwiesen, dass das erfindungsgemäßeverfahren wesentlich kleinere Mengen von geschmolzenen oder gesinterten Aschepartikeln ergibt, und eine nicht unerhebliche Reduzierung der Menge von der Verbrennung erzeugter Stickoxide festgestellt werden kann.

Schließlich sollte erwähnt werden, dass in einem erfindungsgemäßen Heizkessel keine Flammenrückschläge der Verbrennung durch die Ladekanäle auftreten, wie dies in Heizkesseln nach dem Stand der Technik der Fall sein kann.

Es wird angenommen, dass diese guten Resultate im Wesentlichen auf den Umstand zurückzuführen sind, dass die Mischung an Luft und Rauchgasen, die die Oberfläche des lose gestapelten Brennstoffes zusammen mit den Vergasungsprodukten aus dem lose gestapelten Brennstoff treffen, nach unten unter den ersten Rost geführt werden. Dieses stellt sicher, dass die heißen Rauchgase aus dem Feuerraum in den Bereich rund um die Zündungsluftdüsen strömen können, dass ein großer Anteil dieses Rauchgases durch den lose gestapelten Brennstoff rezirkuliert wird, und dass die Gase um die Oberflächen des ersten Rostes eine relativ homogene und niedrige Temperatur besitzen. Dies muss in Bezug auf die Heizkessel aus dem Stand der Technik gesehen werden, in denen die Zündungsluftstrahlen nicht in der Lage sind, dass Brennstoffbett zu durchdringen, da der Boden unter dem Brennstoffbett einer Durchdringung nicht offen steht. Dies bedeutet, dass die durch die Vergasung entwickelten Produkte, die verglichen mit den Rauchgasen in der Mitte des Feuerraums verhältnismäßig kalt sind, aus der oberen Oberfläche des lose gestapelten Brennstoffes im Wesentlichen in den Bereich um die Zündungsluftdüsen entkommen und auf diese Weise den Strom an heißem Rauchgas in diesen Bereich begrenzen. Dieser Umstand wird in dem Heizkessel aus dem Stand der Technik zusätzlich dadurch unterstützt, dass die Wand oberhalb der Ladeöffnung mit einer nahezu horizontalen Steigung ausgebildet ist und auf diese Weise einen Strom von Rauchgas aus der Mitte des Feuerraums verhindert.

Die Heizkessel aus dem Stand der Technik mit einem festen Boden besitzen keine wohl definierten Strömungsmuster auf der Oberfläche des festen Bodens. Dies erlaubt es dem heißen Gasstrom aus den Zündungsluftdüsen, zufällig auftretenden Löchern in dem Brennstoffbett zu folgen und den festen Boden zu treffen, wodurch sie teilweise geschmolzene Partikel von in dem heißen Rauchgas suspendierter Asche auf dem Boden ablagern können. Dies wird zu einem Wesentlichen Umfang in dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden, teilweise weil derartige Ströme nach Öffnungen in dem darunter liegenden ersten Rost suchen und auf diese Weise keine Partikel auf der Rostoberfläche ablagern, teilweise weil der verbleibende Teil der Rostoberfläche den darüber liegenden Brennstoff unterstützt und in einem höheren Grad durch den Brennstoff geschützt ist.

Der Heizkessel aus dem Stand der Technik mit einem festen Boden weist einen hohen Überschuss an brennbaren Gasen und damit ein Defizit an Sauerstoff in dem Bereich um die Zündungsluftdüsen auf. Entsprechend hat die Luftmenge und damit der dem Bereich rund um die Zündungsluftdüsen zugeführte Sauerstoff einen ausschlaggebenden Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der die Vergasungsprodukte aus dem Brennstoff auf dem festen Boden ausgestoßen werden, da die Luftzufuhr zu dem Bereich um die Zündungsluftdüsen eine erhebliche Temperaturzunahme in diesem Bereich unter diesen Umständen verursacht. Da ein wesentlicher Teil der Vergasung des Brennstoffes auf dem festen Boden typischerweise bei Temperaturen unter 500ºC erfolgt, während die Oxidierung dieser Vergasungsprodukte Temperaturen oberhalb von 800 bis 1.000ºC benötigt, wird eine sorgfältige Balancierung der Verhältnisse zwischen der dem Rauchgas in dem Bereich um die Zündungsluftdüsen zugeführten Luftmenge und dem Grad an Wärmeübertragung zwischen dem Rauchgas und dem Brennstoff auf dem festen Boden benötigt. Im Fall eines Überschusses an Wärmeübertragung wird die Temperatur des Rauchgases an den Zündungsluftdüsen fallen, wodurch die Reaktion zwischen den brennbaren Komponenten des Rauchgases und des durch die Luft zugeführten Sauerstoffes abnimmt. Im Falle einer unzureichenden Wärmeübertragung wird die Temperatur des in den Zündungsluftstrahlen mitgerissenen Rauchgases auf ein Niveau ansteigen, in welchem in dem Rauchgas suspendierte Aschepartikel schmelzen werden und in welchem auf der Oberfläche des Brennstoffbettes gebildete Asche schmelzen wird und so die Wärmeübertragung zwischen dem Rauchgas und dem Brennstoff weiter unterbindet. Um diese Zustände zu steuern, sind die Zündungsluftdüsen in dem Heizkessel nach dem Stand der Technik in einem relativ geschlossenem Bereich des Feuerraums angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Probleme, weil das Rauchgas, in dem der größte Teil der brennbaren Produkte oxidiert wird, zu den Zündungsluftdüsen gezogen wird. Da ein wesentlicher Teil der chemisch gebundenen Energie bereits in Wärme im Rauchgas transformiert worden ist, bevor das letztere mit der Zündungsluft gemischt wird, wird die Temperatur stets ausreichen, um eine fortgesetzte Oxidierung im Rauchgas während des Mischens selbst sicherzustellen. Die reduzierte Menge an brennbaren Gasen im Rauchgas um die Zündungsluftdüsen bedeutet auch, dass dort mehr Sauerstoff in der Mischung aus der Zündungsluft und dem Rauchgas vorhanden ist, so dass die zu den und rund um die Zündungsluftstrahlen zugeführte Luftmenge nicht den gleichen entscheidenden Einfluss auf die Temperatur der letzteren wie im beschriebenen Stand der Technik hat. Dies macht es möglich, dass die Menge an den Zündungsluftstrahlen zugeführter Zündungsluft erheblich freier variiert werden kann, ausschließlich zum Zweck des Erhaltens einer gewünschten Verbrennungsgeschwindigkeit auf dem ersten Rost.

Ein weiterer Effekt des oben erwähnten Sauerstoffüberschusses in und um die Zündungsluftstrahlen in Verbindung mit dem Fluss durch das Brennstoffbett gemäß der Erfindung besteht darin, dass die in dem Rauchgas vorhandenen und von dem Brennstoff stammenden Stickstoffverbindungen an den Zündungsluftdüsen, in den Zündungsluftstrahlen oxidiert werden und in der Lage sind, mit nicht oxidierten Stickstoffverbindungen in den Vergasungsprodukten unter Bildung von freiem Stickstoff zu reagieren, der zu keinem wesentlichen Grad in dem Feuerraum in Stickoxide oxidiert wird. Dies führt zu einer wesentlichen Reduzierung der Gesamtproduktion von Stickoxiden in der Verbrennung. Es wird angenommen, dass die Bildung von freiem Stickstoff durch die vermehrte Anwesenheit von freien Radikalen gefördert wird, wie noch unten beschrieben wird.

Um wirksam das Schmelzen von in dem Rauchgas suspendierten Aschepartikeln, und ihre Verfestigung auf den Wänden des Heizkessels um die Zündungsluftdüsen zu vermeiden, ist es erforderlich, die Temperatur in diesem Bereich auf 900 bis 1.100ºC zu begrenzen. Allerdings erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Temperatur in den Zündungsluftstrahlen selbst, die höher als dieses genannte Niveau ist, weil gemäß dem Verfahren die Zündungsluftstrahlen durch die erste Unterstützung entgegen der Zündungsluft durchströmt, die in den Heizkesseln nach dem Stand der Technik "zurückgeworfen" wird und daher den Bereich rund um die Zündungsluftdüsen trifft.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Zündungsluft und das mitgerissene Rauchgas während des Durchganges durch das Brennstoffbett als Folge der Mischung mit den Vergasungsprodukten gekühlt.

Die oben genannte, in den Zündungsluftstrahlen erlaubte höhere Temperatur gemäß der Erfindung trägt dazu bei, wirksam Teerkomponenten in den Vergasungsprodukten zu zersetzen. Es wird angenommen, dass die Zersetzung von Teersubstanzen zusätzlich gefördert wird, wenn CO und H&sub2; unmittelbar verbrannt werden, bevor die mit den Zündungsluftstrahlen mitgerissenen Rauchgase das Brennstoffbett treffen, wenn die folgenden raschen Kettenreaktionen auftreten:

H&sub2; + OH → H&sub2;O + H

CO + OH → CO&sub2; + H

O&sub2; + H → O + OH

O + H&sub2;O → 2OH

was folgende Nettoreaktionen ergibt:

H&sub2; + O&sub2; → 2OH

CO + O&sub2; + H&sub2;O → CO&sub2; + 2OH

Die so gebildeten freien OH-Radikale können mit den Teersubstanzen reagieren und zu deren Zersetzung beitragen. Alternativ können sie beispielsweise durch folgende Reaktionen zerfallen;

CO + OH → CO&sub2; + H

OH + H → H&sub2;O

was folgende Nettoreaktion ergibt:

CO + 2HO → CO&sub2; + H&sub2;O

Es muss daher angenommen werden, dass die Zersetzung von Teersubstanzen gefördert wird, wenn das in Richtung auf die Zündungsluftdüsen gezogene Rauchgas aus dem Feuerraum erhebliche Mengen an CO und H&sub2; enthält. Unter Normalbedingungen im Feuerraum, unter denen das Rauchgas erheblich inhomogen sein kann, wird dies der Fall sein, wenn das Rauchgas, bevor es mit der Zündungsluft mitgerissen ist, mit 60 bis 110%, vorzugsweise 70 bis 100%, insbesondere 80 bis 90% der für die Verbrennung des Brennstoffes stöchiometrisch benötigten Luftmenge versorgt wird. Diese Mischungsverhältnisse wer den entsprechend als nahezu optimal angenommen, um die oben beschriebene Reduzierung der Bildung von Stickoxiden zu erhalten.

In einem erfindungsgemäßen Heizkessel können diese Mischungsverhältnisse durch Tertiärluftdüsen erhalten werden, die in wenigstens in einer der Wände des Heizkessels in einer Ebene in oder oberhalb einer Verengung des Strömungsquerschnittes des Feuerraums angeordnet sind, die durch eine geneigte Wand oberhalb der Ladeöffnung gebildet wird. Die Tertiärluft wird benötigt, um sicherzustellen, dass das aus dem Feuerraum unterhalb der Verengung kommende Rauchgas mit soviel Sauerstoff versorgt wird, dass das Rauchgas vollständig verbrannt werden kann, bevor es weiter in den Konvektionstell des Heizkessels strömt. Der erwähnte Ort stellt sicher, dass die zugeführte Tertiärlüft nicht mit dem Rauchgas gemischt wird, dass in die Zündungsluftdüsen strömt, und dadurch die vorteilhaften oben erwähnten Mischungsverhältnisse verändert.

Der Umstand, dass die Vergasungsprodukte von dem ersten Rost über die Verbrennungsprodukte von dem zweiten Rost geführt und mit diesen vermischt werden, bedeutet zum Teil, dass die Vergasungsprodukte nicht die Zündungsluftstrahlen in reiner Form erreichen können und daher als Folge ihres Anteils an Teersubstanzen die Oxidierung der Strahlen beeinträchtigen, zum Teil, dass die Teersubstanzen weiter zersetzt werden, weil die Verbrennungsprodukte von dem zweiten Rost zu einem größeren Anteil aus CO bestehen, welches die Teersubstanzen in einer Zweitverbrennung mit diesen zersetzt, wie bereits beschrieben.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Verbrennung durch Steigerung der Zündungsluftmenge eingestellt werden, wenn der Sauerstoffgehalt des Rauchgases hoch oder zunehmend ist, und durch Reduzierung der Zündungsluftmenge, wenn der Sauerstoffgehalt des Rauchgases niedrig oder abnehmend ist. Diese Form der Einstellung, die an sich bekannt ist, hat sich als sehr stabil herausgestellt, wenn sie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, da ein unerwünschter Einfluss der direkt von der Oberfläche des Brennstoffbettes zu den Zündungsluftdüsen zurückkehrenden Vergasungsprodukte nunmehr eliminiert ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Heizkessel zur Verwendung des vorbeschriebenen Verfahrens, wobei der Heizkessel einen Feuerraum mit einer Ladeöffnung, eine erste Unterstützung gebildet als erster Rost mit Rostöffnungen, einen in einer unteren Ebene angeordneten Rost, und oberhalb der ersten Unterstützung angeordnete Zündungsluftdüsen aufweist, wobei der Heizkessel dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rostöffnungen mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 50%, insbesondere mehr als 70% des Bereiches des ersten Rostes bilden, dass die Zündungsluftdüsen in einer Wand des Heizkessels oberhalb der Ladeöffnung angeordnet und auf den ersten Rost gerichtet sind, und dass die Wand oberhalb der Ladeöffnung aufwärts in Richtung zur Mitte des Feuerraums um einen Winkel zur Horizontalen von 20 bis 70º, vorzugsweise 30 bis 60º, insbesondere 45º geneigt ist.

In der beschriebenen Ausführungsform stellt die Ausbildung der nach oben gerichteten Vorderwand sicher, dass die Rauchgase aus einem bestimmten Abschnitt des Feuerraumes angeordnet um die Ladeöffnung gezogen werden, durch welche die gewünschte Mischung der Rauchgase aus den zwei Rosten strömen wird.

Weitere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 7 bis 8 angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Feuerraum 1 in einem erfindungsgemäßen Heizkessel. Der Feuerraum 1 wird durch eine Vorderwand 2 begrenzt, durch welche Brennstoff 6 durch einen Ladekanal 4 und eine Ladeöffnung 5 auf einen ersten, nach unten um einen Neigungswinkel von ungefähr 10º geneigten Rost geladen wird. In dem Feuerraum befindet sich ein weiter unten angeordneter zweiter Rost 9, der in diesem Fall als ein Schüttelrost ausgebildet ist, der von einer mit dem Rost über eine Stange 11 verbundenen Vibrationsvorrichtung 10 gerüttelt wird.

Der Rost 7 ist als eine Anzahl isolierter Röhren ausgebildet, durch welche freier Durchgang besteht. Die Röhren können typischerweise einen Außendurchmesser von 30 bis 50 mm und einen gegenseitigen Abstand von 100 bis 300 mm besitzen. Der zweite Rost 9 wird unter den ersten Rost 7 zum Auffangen von Asche und sämtlichem hindurchfallenden Brennstoff eingefügt, und seine Wasserleitungen werden als Wasserleitungen des ersten Rosts 7 fortgesetzt, wodurch eine flexible Verbindung zwischen dem festen Rost 7 und dem beweglichen Rost 9 geschaffen wird.

Der Abschnitt der Vorderwand 2 oberhalb der Ladeöffnung 5 ist um einen Winkel von ungefähr 45º aufwärts geneigt, und in der Vorderwand sind Zündungsluftdüsen 15 eingefügt, um Luftstrahlen nach unten auf den lose gestapelten Brennstoff 6 auf dem Rost zu richten, wie dies durch Pfeile 25 angedeutet ist. Der resultierende Luftstrom und die Gase durch den Brennstoff sind durch Pfeile 26 und 27 angedeutet. Die Zündungsluft wird durch einen Zündungsluftkanal 16 zugeführt. Der Brennstoff wird mit Primärluft 30 durch Öffnungen in dem Schüttelrost 9 und mit Sekundärluft durch Sekundärluftdüsen 17 versorgt, wobei die Richtung des Luftstroms durch einen Pfeil 28 angedeutet ist. Die Sekundärluft wird über einen Sekundärluftkanal 18 zugeführt.

Der Feuerraum des Heizkessels besitzt einen Querschnitt, der sich nach oben verengt und dann wiederum erweitert. An der Engstelle sind Tertiärluftdüsen 19 in der Rückwand 3 des Heizkessels angeordnet und sie werden mit Luft aus einem Tertiärluftkanal 20 versorgt. Wie durch Pfeile 29 angedeutet, wird der Luftstrom von den Tertiärluftdüsen auf die Vorderwand 2 oberhalb des verengten Bereiches gerichtet, so dass die Tertiärluft nicht mit den in die Zündungsluftdüsen gezogenen Rauchgasen gemischt wird.