NO166203B - Anordning for tilfoersel av sekundaerluft og kjele med slikanordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse anvendes ved en kjele som fyres med fast brendsel med høy virkningsgrad når det gjelder forbrenningen og systemet forøvrig. Det høye nivå på utslipp og den lave virkningsgrad som er knyttet til bruk av fast brendsel, har vært en hindring for overgangen fra olje til fast brendsel. Det finnes derfor et klart behov for en egnet kjele som fyres med fast brendsel og som oppfyller de strenge miljøbestemmelser og kravene til varme.

Fast brendsel, for eksempel tre i forskjellige former så som ved, flis, kuler eller torv skiller seg grunnleggende fra olje når det gjelder forbrenningsegenskaper. Tre brenner for eksempel i to meget forskjellige faser: GASSFORBRENNINGSFASEN og TREKULLFASEN. Både utslipp og varme dannes og slippes ut på to forskjellige måter. I den første fase blir omtrent 80% av brendselmassen omdannet til gasser på en forholdsvis kort tid. Dermed vil gassvolumet og utslippshastigheten for de flyktige stoffer avhenge av en viktig faktor, nemlig brendselets fuktighetsinnhold. Høye fuktighetsinnhold fører til en lang gassforbrenningsfase. I en vanlig kjele har det vist seg at gassforbrenningsfasen er kritisk fra synspunkter som gjelder omgivelsene og varmeoverføringen. Under gassfasen har man mange fysiske og kjemiske faktorer som innvirker på utslippsmønsteret. De vil ikke bli omhandlet her, men den viktigste faktor i denne beskrivelse er lufttilførselen som vil bli omhandlet i det følgende.

Generelt sett omfatter trekullfasen omtrent 20% av den totale brendselmasse, selv om forbrenningstiden i virkeligheten kan være lenger enn for gassfasen. Trekullfasen er fordelaktig når det gjelder utslipp, hovedsaklig på grunn av den jevne og ukompliserte forbrenning. Allikevel må risten bygges opp og konstrueres riktig for å opprettholde en høy virkningsgrad ved forbrenningen.

Formålet med denne kjele har vært å komme frem til en effektiv forbrenning når det gjelder omgivelsene og virkningsgraden. Konstruksjonen vil i det følgende bli beskrevet under henvisning til: o forbrenningsenheten, d.v.s. forbrenningskammeret og lufttilførselsystemet med regulerings-og Justerings-enheter,

o varmeoverføringsenheten, d.v.s. varmeutveksleren og tank med deres tilhørende justeringsutstyr.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der:

Fig. 1 viser oppbygningen av forbrenningsenheten,

fig. 2 viser en detalj ved sekundærlufttilførselen,

fig. 3 viser utslippshastigheten for flyktige stoffer fra 7

kg bjerk inneholdende 1256 og 30% vann,

fig. 4 viser justering av strømmen av sekundærluft ved forbrenning av tørt brendsel,

fig. 5 viser variasjonen i primærluften,

fig. 6 viser variasjonen i sekundærluft når det anvendes

fuktig brendsel,

fig. 7 viser justering av primaerluft for fuktig brendsel, fig. 8 viser mengden av sot som en funksjon av brendselmengde. Forsøk utført med konstant luftstrøm og

fuktighetsinnhold i brendselet på omtrent 12%,

fig. 9 viser konstruksjonen av rist og primærluftkanal,

fig. 10 viser plassering og størrelse av primærluftkanal og

ledeplater,

fig. 11 viser konstruksjonen av varmeutveksleren og fig. 12 viser plassering av varmeutveksleren i forhold til forbrenningskammeret, pluss forbindelse mellom varme-utvekslere og olje-og gassbrennere.

Forbrenning er basert på det såkalte to-trinns prinsipp. Dette betyr at forbrenning finner sted i to adskilte kammere, nemlig primærforbrenningskammeret (1) og sekundærforbrenningskammeret (2). Primærforbrenningskammeret er kjeramisk isolert med varmefast sten (4) vendt mot kammeret og silisi-umbasert isolasjonsmateriale (5) av høy kvalitet. Den lave varmeledningsevne for begge materialer ved forbrenningstem-peraturene det her er tale om, fører til meget små stråletap fra overflaten av kappen rundt forbrenningskammeret. Primærluft føres til brendsellaget (6) ved hjelp av en mikroprosessorstyrt vifte.

Hele brendselmassen (7 - 12 kg av ved avhengig av fuktig-hetsinnholdet) antennes og primærluftstrømmen reguleres for å gi under-støkiometriske betingelser i primærforbrenningskammeret. Dermed kan dette betraktes som et pyrolysetrinn, der de pyrolyttiske gasser kjennetegnes ved en stor oksygenmangel og høye nivåer for brennbare gasser, hovedsaklig karbon-monoksyd og forskjellige hydrokarboner.

Et til tre minutter etter antennelsen i primærforbrenningskammeret, blir forbrenningstemperaturen tilstrekkelig høy til at de pyrolyttiske gasser i sekundærforbrenningskammeret tenner seg selv når ytterligere oksygen tilføres med sekundærluften. Sekundærluften drives til en blandesone (7) med en sekundærluftvifte (8) gjennom to kanaler (9) og en dobbelt kappeanordning i form av en avkortet kjegle. De indre og ytre kapper er konsentriske og forbundet gasstett med hverandre langs hele omkretsen ved toppen og bunnen av anordningen, det vil si både ved den store åpning mot primærforbrenningskammeret og den lille åpning som er dannet ved den avkortede kjegle. Diameteren på den sistnevnte åpning bestemmes eksperimentelt og har vist seg å være viktig for funksjonen av sekundærforbrenningstrinnet. Store diametere resulterer i forsinket eller utilfredsstillende tenning, mens små diametere fører til store hastigheter gjennom hullet, noe som fører til at flammen blåses ut og kan være årsak til pulserende forbrenning, det vil si gjentatt tenning og slukning av flammen. Den indre kappe er perforert med et stort antall symmetrisk fordelte hull med en diameter på 3 - 5 mm.

På grunn av det høye trykk som skapes av sekundærluftdriften, får man luftstråler med stor hastighet. Resultatet er en sekundærluftstrøm med høyt trykk rettet mot toppen av flammen, noe som balanserer det trykk som skyldes primærluftviften. Dette fører til effektiv blanding av oksygenet og de brennbare gasser, såvel som lenger oppholdstid for gassene i forbrenningskammeret. Ved munningen av anordningen (12) brenner en liten gassflamme hvis høyde reguleres i overensstemmelse med trykkforskjellen mellom sekundærluftviften og primærluftviften.

Høyden av flammen i sekundærforbrenningskammeret varierer normalt mellom 10 og 30 cm, avhengig av brendselmengde og brendselets fuktighetsinnhold. Volumet og høyden på sekundærforbrenningskammeret er valgt slik at flammen aldri kommer i direkte kontakt med de vannkjølte kjelevegger i konveksjonsdelen.

Man har en ytterligere viktig fordel ved oppbygningen av den koniske dobbeltkappe. På tross av det høye trykk som hersker i det omsluttede rom (13), har sekundærluften en forholdsvis lang oppholdstid. Dette betyr at sekundærluften blir betydelig oppvarmet før den tar del i forbrenningen. Hurtigere og lettere tenning av de brennbare gasser blir dermed oppnådd, sammen med mer fordelaktige utslipp. På grunn av de høye forbrenningstemperaturer i sekundærforbrenningskammeret , er varmebestandige materialer valgt for de ovennevnte deler.

Sekundærluftviften er også elektronisk styrt. De innstilte verdier er blitt bestemt eksperimentelt og er avhengig av tilført brendselmengde (tilført energi) og dens fuktighetsinnhold. Årsaken til justering av sekundærstrømmen er å opprettholde optimale betingelser for utslipp og virkningsgrad. Det har vist seg ved forsøk og under normale driftsbetingelser at det optimale punkt ligger på et karbondioksyd-innhold på rundt 18$. Resultatet av dette er betingelser som er noe overstøkiometriske, med et gjennomsnitlig luftover-skudd på 20%.

Figur 3 viser en typisk kurve for hastigheten på flyktige stoffer dm/dt (kg/s), som en funksjon av forbrenningstiden, t (min). Hastigheten på de flyktige stoffer bestemmes ved veining av brendselmassen på forskjellige tidspunkter. Forsøkene utføres under like forbrenningsbetingelser. Disse parametere er blitt bestemt for alle driftsbetingelser som kan komme på tale og er grunnleggende for etablering av optimal strøm og særlig når det gjelder strøm av sekundærluft. Kurven på figur 3 benyttes til beregning av det teoretiske oksygenbehov som kreves for å opprettholde fullstendig forbrenning. Oksygen som blir tilført flammen, det vil si sekundærluf tstrømmen, øker i tid med økende flyktige stoffer. Dette er vist skjematisk på figur 4 for sekundærluftstrømmen og på figur 5 for primærluftstrømmen ved forbrenning av tørt brendsel. Når det anvendes fuktig brendsel, har man færre utslipp, noe som betyr at mindre luft og færre justeringstrinn er nødvendige. Figurene 6 og 7 viser luftjustering ved forbrenning av fuktig brendsel.

Virkningen av kjelen og også utslippene blir omtrent uavhen-gige av brendselets fuktighetsinnhold, men det har vist seg at optimal virkningsgrad og utslipp oppnås når brendselet inneholder omtrent 2556 vann. Den innførte energi i kjelen bestemmes av avstanden mellom den nedre del av anordningen som angitt ved D på figur 1 og risten 6. For hver kjele-størrelse, det vil si en kjele med bestemt ytelse, finnes det en nedre grense for den brendselmengde man må ha for optimal drift. Dette betyr at etterbrennertrinnet må være i funksjon for at utslippene skal holdes nede.

Figur 8 viser hvorledes sotdannelsen varierer med varierende brendselmengder for en spesiell kjelestørrelse (20 - 30 kW). Man vil av dette se at det ikke bør benyttes mindre brendselmengde enn 6 kg. De øvrige utslipp så som karbon monoksyd og hydrokarboner oppfører seg på en lignende måte. Årsaken til dette er at med små mengder av brendsel, blir tenningen i sekundærforbrenningskammeret forsinket eller utilstrekkelig. For brendselmengder mellom 6 og 10 kg er forbrenningen tilfredsstillende, noe som forteller at ytelser kan Justeres innenfor et bredt område.

For effektiv forbrenning på risten må både mengden av og trykket på primærluften fordeles Jevnt over hele overflaten uten at dette går ut over fjernelse av aske. Et antall spor (14) er skåret i primærluftkanalen (15) perpendikulært på dens lengdeakse og i en dybde på halvparten av diameteren. En Jevn fordeling av luft over hvert spor oppnås ved hjelp av ledeplater (16) som fører til en økende innsnevring med økende avstand fra tilførselsluftviften. Graden av innsnevring bestemmes delvis ved måling av trykkfallet over lede-platene og delvis ved forsøk med røyk som innføres i for-brenningsluften. Risten er bygget opp med tre deler: en horisontal bunnrist (17) ved siden av lufttilførselskanalen og to siderister (18) hvis dimensjoner og særlig helnings-vinkelen, a, er bestemt ved eksperimenter.

Som påpekt tidligere er tilførselen av primærluft av mindre betydning under gassforbrenningsfasen, men ikke under trekullforbrenningsfasen. Ved hjelp av de to skrå siderister, blir trekullrester etterhvert samlet opp på den horisontale rist. Anbringelse av styrevinger (19) på sideristene, retter primærluft mot trekullene. Da trekullrestene blir samlet på den horisontale rist, vil trykkfallet øke og størstedelen av primærluften vil passere gjennom sideristene. Dermed blir den intense forbrenning av trekullene opprett-holdt ved høye temperaturer og med høye nivåer på karbondi-oksyd, noe som bidrar til forbrenningens virkningsgrad.

Varmeutveksleren er utført slik at varmeoverføringen kan utnyttes fullt, både under gassforbrenningsfasen og kullfor-brenningsfasen. Når sekundærforbrenningskammeret er i bruk, finner varmeoverførlng sted både ved konveksjon og stråling, mens overføringen hovedsaklig finner sted ved konvensjon i det avsluttende trinn. Varmeutveksleren er beregnet på å forsyne et hus for en familie med varmt vann (både for romoppvarming og som varmtvanntilførsel). Volumet av varmt vann skal være tilstrekkelig for en dag, også ved den utetemperatur konstruksjonen er bygget for. Varmeutveksleren er av den såkalte gjennomstrømningstype. Man har der en kontinuerlig sirkulasjon av vann under forbrenningen. Det oppvarmede vann lagres i en tank som er tilsluttet varmeutveksleren.

Den åpne sylindriske del av varmeutveksleren (20) er anbragt over sekundærluftanordningen og danner dermed et tilsluttet sekundærforbrenningskammer (2), (25) slik at oppblussing av flammer kan foregå effektivt. Strømningsbetingelsene mellom primærluftstrømmen og sekundærluftstrømmen justeres for å unngå direkte kontakt mellom flammen og flatene av varmeutveksleren. De varme avtrekksgasser passerer først gjennom et antall rør (21) og blir så ført ned gjennom ytterligere rør (22). Overflaten av varmeutveksleren er konstruert under anvendelse av en matematisk modell. Forbrenningstemperaturen i sekundærforbrenningskammeret er høy og meget avhengig av brendselmengde, luftstrøm og brendselets fuktighetsinnhold. Med forholdsvis tørt brendsel kan temperaturen i sekundærforbrenningskammeret komme opp i mer enn 1200°C. På grunn av dette er overflaten av varmeutveksleren forholdsvis stor. Dette er imidlertid en fast verdi hvis virkningsgraden for systemet skal ligge på et fordelaktig nivå.

Da kjelen skal fyres med brendsel med varierende varmeverdi og forbrenningsegenskaper, er det utviklet en automatisk reguleringsanordning for kjelevannet. Dette betyr at optimal virkningsgrad opprettholdes under forskjellige driftsbetingelser. Den elektroniske reguleringsenhet justerer vann-strømmen ved å regulere hastigheten på pumpen og ved hjelp av en temperaturføler som er anbragt i tilførselsledningen. Vannstrømmen gjennom varmeutveksleren er blitt bestemt ved hjelp av temperaturen etter konveksjonsdelen. Denne temperatur er tilpasset brendselkvaliteten og særlig for å hindre kondensering på overflaten av varmeutvekslerene og i kanalen for avtrekksgass. Det oppvarmede kjelevann blir lagret i en tank hvis volum er i overensstemmelse med bygningens varme-krav. Som påpekt tidligere er det imidlertid en fordel å fyre en eller kanskje to ganger om dagen når det gjelder økonomi og hensiktsmessighet. Tanken er ikke beskrevet her siden den vil være en vanlig tank. Den kan naturligvis utstyres med elektrisk oppvarming som kan benyttes når varmekravene er lave eller når man har økonomiske fordeler av dette. En fordel ved å bygge kjelen som to adskilte enheter, det vil si varmeutveksler og forbrenningskammer, er at varmeutveksleren kan benyttes som en oljefyrt eller gassfyrt kjele. En oljebrenner (23) kan tilsluttes varmeutveksleren som vist på figur 12. Som kjent bør avtrekksgassenes temperatur ved oljefyring ikke falle under omtrent 200°C etter konveksjonsdelen. Ved hjelp av reguleringssystemet for kjelevannet, kan imidlertid dette lett oppnås ved å sørge for en passende vannstrøm.

Raffinert fast brendsel som for eksempel pellets (av tre eller torv), briketter og flis er blitt undersøkt sammen med en vanlig mateanordning. Resultatene viser at både utslipp og virkningsgrad er bedre enn ved forbrenning av ved, hovedsaklig på grunn av kontinuerlig forbrenning.

Når det gjelder utslippene, skal man merke seg at Det Nasjonale Svenske Råd for Miljøvern har foreslått at tjæreutslipp fra små enheter som fyres med fast brendsel ikke skal overskride grenseverdien på 10 mg/MJ. Forsøk som ble utført under forskjellige forbrennings-og driftsbetingelser, viser at dette krav tilfredsstilles med foreliggende oppfinnelse. Under normal drift og med brendsel som innholder 10 - 30% vann, var tjærenivået i fem av ti forsøk målbare og mindre enn 5,0 mg/MJ, mens kondensatet i resten av tilfellene var fullstendig fri for tjære.

Sotkonsentrasjonen er 1 almindelighet mindre enn 50 mg/m<3> av tørr avtrekksgass, noe som svarer til en sotmengde på 0,5 g/kg brendsel, se figur 8. Dette er betydelig lavere enn de grenseverdier som anbefales av Det Nasjonale Svenske Råd for Miljøvern. Nivåene både for karbon monoksyd og hydrokarboner er også lave. Dette betyr at konsentrasjonen av karbon monoksyd fra en fullstendig forbrenningssyklus er mindre enn 500 ppm. Det skal her påpekes at karbon monoksyd nivået under flammeforbrenningsfasen er mellom 100 og 150 ppm.

Claims (6)

1. Kjele til to-trinns forbrenning av tre eller andre brensler så som flis og pellets forsynt med anordning for tilførsel av sekundærluft, karakterisert ved at anordningen for tilførsel av sekundærluft er utført i form av en dobbelt kappe i form av en avkortet kjegle av stålplate eller annet varmebestandig materiale anbrakt i kjelen der den Indre kappe (11) er forsynt med et antall gjennomgående hull mens dens indre (11) og ytre kappe (10) er forbundet gasstett med hverandre ved topp og bunn av den avkortede kjegle langs hele omkretsen av henholdsvis topp og bunn og ved at det rom (13) som derved fremkommer mellom den indre og ytre kappe er forsynt med kanaltilkoplinger (9) for tilførsel av sekundærluft via en mikrodatastyrt vifte (8) til frembringelse av en noe overstøkiometrisk forbrenning og der den munning (12) som dannes ved avkortingen av kjeglen dekkes av en plate med et sentrumshull som er lite sammenlignet med det opprinnelige hull.

2. Kjele som angitt i krav 1, karakterisert ved at hullene i den indre kappe (11) er symmetrisk fordelt over kappens overflate.

3. Kjele som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at hullene i den indre kappe (11) i anordningen for tilførsel av sekundærluft har en diameter på 35 mm.

4 . Kjele som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at anordningen for tilførsel av sekundærluft er plassert rett overfor en primærforbren-ningsdel (1) og tettende mot kjelens Indre vegger på en slik måte at all gass fra primærforbrenningen passerer gjennom den avkortede kjegle i retning fra dens bunn mot dens topp.

5. Kjele som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at sekundærforbrenningsdelen (2, 25) som innbefatter anordningen for tilførsel av sekundærluft er innbygget direkte i en varmeutveksler (20, 21, 22) som befinner seg i kjelen.

6. Kjele som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at dens vegger opp til anordningen for tilførsel av sekundærluft er utført av stålplate og sillsiumbasert varmebestandig materiale (5) med varmebestandig sten (4) innvendig.