Miljøvenlig laveffektbrændeovn med høj nyttevirkning

Hovedrapport

1. Indledning
2. Baggrund for projektet
3. Formålet med projektet
4. Gennemførelse
5. Foreløbig konklusion

1. Indledning

I trediverne blev der gennemført betydelige forbedringer af forbrændingen på ristefyrede kul-kedler i England ved at tilføre en væsentlig del af forbrændingsluften som overluft lodret ned mod de brændende kul i modstøm med de brændende gasser, der forlader kullene.

Bl.a. inspireret heraf udførte Dansk Teknologisk Institut i slutningen af firserne og i begyndelsen af halvfemserne forsøg med forbedring af forbrændingen på halmkedler efter samme princip, idet de brændende gasser forlader halmen gennem en åbning for neden i brændkammeret samtidig med, at forbrændingsluften bliver tilført i modstrøm med de brændende gasser.

De vellykkede resultater af forsøgene blev fulgt op af et projekt med det formål at forbedre forbrændingen i brændeovne efter samme princip og samtidig udvikle en ovn til så lav effekt som muligt. Et sideformål med projektet er at opnå længere brændetid mellem brændepåfyringerne.

Projektet er gennemført i et samarbejde mellem Miljøstyrelsen, Energistyrelsen, Teknologisk Institut, syv medlemmer af DAPO og firmaet Scanwood.

Det har fra DAPO-medlemmernes side været en forudsætning, at der ikke måtte indgå elektromekaniske komponenter i ovnen, og det har været et krav, at der skulle være en rude i konstruktionen, således at ilden kan iagttages. Det har endvidere været et krav, at ovnen skulle være beregnet for fyring med almindeligt skovbrænde.

Energistyrelsen har ønsket, at der sideløbende med udviklingen af brændeovnen også blev udviklet en pillebrænder.

Det er lykkedes at udvikle en forsøgsovn, der opfylder kravene i DS, med en afgivet effekt på ca. 3 kW og et påfyringsinterval på 8-12 timer. Tilbage står at fastholde de forskellige detaljer, der er nødvendige for forbrændingen ved konstruktion af en ovn, der ikke ligner en forsøgsovn, men en ovn der kan sælges på almindelige markedsvilkår.

Lange påfyringsintervaller vanskeliggøres af det forhold, at der er tale om underforbrænding, hvor forbrændingen foregår i det underste lag af brændslet. Termikken bevirker, at alt brændet i brændemagasinet i løbet af nogle timer bliver varmet op til 270°C, hvor en exoterm forgasningsproces går i gang. At processen er exoterm bevirker, at den fortsætter uden yderligere tilførsel af varme eller luft. De gasser, der udvikles, skal brændes i takt med, at de udvikles, og forgasningsprocessen sætter dermed den nedre grænse for ovnens effekt. Jo mere brænde, man har fyret ind ad gangen, jo større bliver denne effekt.

Det er dog lykkedes at opnå brændetider på 8-12 timer mellem to påfyringer ved en afgivet effekt på 2,9 kW. Røggastabet var 15,9% svarende til en virkningsgrad på ca. 85%. Emissionen af CO var 0,28% ved 13% O₂.

Forsøg med pillebrænder

Ved fyring med piller fra bunden af et magasin er der ikke samme uheldige virkning af termikken som ved brændefyring. Pillerne pakker bedre sammen og forhindrer de varme gasser i at stige op. Ved de indledende forsøg med en pillebrænder er der brændt 9 kg piller på ca. 18 timer svarende til en indfyret effekt på 2,4 kW. Da røggastabet er beregnet til 13,8%, er den afgivne effekt 2,1 kW, hvilket svarer til en virkningsgrad på ca. 86%. Når der ses bort fra de første 25 minutter, er emissionen af CO 0,25% ved 13% O₂. Der skal påfyldes ca. 6 kg piller hver tolvte time.

2. Baggrund for projektet

Effektbehovet i moderne boliger er en stor del af året i størrelsesordenen 1,5-6 kW. Der findes ikke på markedet biobrændselsovne, der med tilfredsstillende forbrændingskvalitet kan dække behov lavere end 4-5 kW.

Den praktiske baggrund er erfaringerne indhøstet i projektet BRÆNDEOVNE OG -KEDLER, Udvikling af nye forbrændingssystemer, hvis første fase blev bevilget af Miljøstyrelsen i 1991 og gennemført i perioden fra oktober 1991 til november 1992, hvor projektet blev rapporteret.

Modstrømsforbrænding er baseret på tre grundregler for opnåelse af god forbrænding:

• Forbrændingsluften skal ramme brændslet og returnere til aftrækket uden at passere forbi eller igennem brændslet.

• De brændende gasser, der forlader brændslet, og den luft, der iblandes, skal tvinges sammen på en måde, der sikrer optimal opblanding af uforbrændt gas og luft, inden blandingens temperatur er faldet under blandingens antændelsestemperatur.
• De brændende gasser, der forlader brændslet, skal gives mulighed for opblanding i primærluftstrømmen, således at der opnås en vis intern recirkulation i flammen i lighed med moderne olie- og gasbrænderes flammer. Brændslet i forbrændingszonen modtager således varme, ikke blot ved stråling fra flammerne, men også ved konvektion, idet "luften", der rammer brændslet, ikke er ren luft, men en blanding af luft og varme røggasser.

3. Formålet med projektet

Formålet med projektet er at udvikle brændeovne med så lave mindsteydelser som muligt og med et rimeligt reguleringsområde, forhåbentligt 1,5 til 6 kW, og en forbrændingskvalitet, som mindst opfylder kravene i DS 887, som er den danske standard for brændeovne. DS 887 kræver, at virkningsgraden er over 70%, og at CO-emissionen er mindre end 0,3% ved 7,5% CO₂. Forbrændingskvaliteten bedømmes i denne forbindelse alene på grundlag af CO-koncentrationen i røgen.

Effektområdet svarer til typiske varmebehov i nyere boliger samt boliger, der er efterisoleret. Ud over en tilpasning af nominel ydelse til behovet er målet at udvikle ovne, hvor forbrændingskvaliteten er tilfredsstillende i hele reguleringsområdet.

Anvendelse af sådanne ovne i stedet for traditionelle ovne vil give en bedre energiudnyttelse af brændslet og en reduktion af røgulemperne i beboelsesområder med brændeovne.

Ovnenes effektreguleringsområde og kvaliteten af forbrændingen i reguleringsområdet skal bestemmes, dokumenteres og beskrives.

Muligheden for manuel, henholdsvis automatisk, regulering skal klarlægges, ligesom det udviklede princip skal udmøntes i konkrete brændkamre, der kan indpasses i salgbare brændeovne.

Energistyrelsen har udtrykt ønske om, at forbrændingssystemet også skal udvikles til piller.

4. Gennemførelse

1. fase

På basis af oplæg af 28. juni 1994 (kammer01) afleverede Lotus Pejse ApS 1.udgave af forsøgsbrændkammer nr. 1 i november 1994. Efter få indledende forsøg viste det sig nødvendigt at afbryde den termiske kontakt mellem brændemagasin og gasforbrændingskammer. Efter en mindre ombygning af brændkammeret forelå anden udgave af brændkammeret herefter i april 1995.

1. fase er rapporteret i Rapport for fase 1, 19. juni 1995. Hovedkonklusionen for fase 1 var

• at der ikke må være termisk kontakt mellem brændemagasin og gasforbrændingskammer
• at der er behov for styring

2. fase

Anden udgave af forbrændingskammer nr. 1 blev udstyret med motorstyret primærluftspjæld med henblik på at kunne fastholde en ønsket røgtemperatur. Der blev også udført et forsøg med afbrænding af piller efter indbygning af en skråplade i brændemagasinet. Konstruktionskravene til et forsøgsbrændkammer nr. 2 til brænde blev opstillet. 2. fase er rapporteret i Delrapport for fase 2, marts 1996, som også omfatter nævnte konstruktionskrav.

Hovedkonklusionen for fase 2 var:

• at fastholdt primærluft og styret sekundærluft gav det bedste resultat
• at tilfredsstillende forbrænding af piller forudsætter minimal termisk kontakt mellem forbrændingskammer og pillemagasin.

3. fase

På grundlag af konstruktionskravene opstillet i Delrapport for fase 2, marts 1996 tegnede Krog Iversen & Co. A/S forsøgsbrændkammer nr. 2 i juni 1996. Forsøgsbrændkammeret blev udført af Heta A/S i august 1996. Med kammer nr. 2 var der mulighed for at variere primærluften, at styre sekundærluften efter træk og at variere luftkølingen af konvektordelen. Konvektoren viste sig allerede i de indledende forsøg at være voldsomt overdimensioneret, og det blev ikke i forsøgsfasen afklaret, hvorvidt en variabel konvektionsdel er egnet til styring af trækket. Derimod viste det trækregulerede sekundærluftspjæld sig at være anvendeligt til at sikre den nødvendige tilførsel af sekundærluft.

På basis af erfaringerne fra fase 2 og de indledende erfaringer fra fase 3 blev kravene til en pillebrænder opstillet. Kravene fremgår af delrapporten for 3. fase.

Pillebrænderen blev tegnet af Jydepejsen A/S og fremstillet af Meteor i december 1997. Pillebrænderen var udstyret med en konvektor og et udmuret bypass.

Fase 3 er rapporteret i Rapport for fase 3, juni 1998.

5. Foreløbig konklusion

8-timers brændeovn

Resultaterne fra fase 3 viser, at det teknisk kan lade sig gøre at fremstille en brændeovn, som kan brænde i 8 timer. I forsøgsbrændkammer nr. 2 lykkedes at opnå et tilfredsstillende forbrændingsresultat ved afgivne effekter i intervallet 2,9-3,9 kW i 8 timer efter én påfyring:

12-timers brændeovn

Det er i forsøgsbrændkammeret til piller lykkedes at opnå et tilfredsstillende forbrændingsresultat ved en afgivet effekt på 2,1 kW i 13 timer uden manuel indgriben. Brænderen har brændt med for højt luftoverskud og for høj CO-emission i intervallet 1,2-2,1 kW afgivet effekt. Forsøgsresultaterne indikerer, at det vil være muligt med ganske få ændringer af brænderen at opnå tilfredsstillende forbrændingsresultater i intervallet 1-3 kW.

Tabel 2: Resultaterne af forsøgene udført i pillebrænderen

Iltprocenten har gennemgående ligget for højt som tegn på, at dysen har været for stor i forhold til pillefrontens areal. CO-emissionen har derfor været relativ høj, fra 0,25% til 0,70% ved 13% O₂. Den indfyrede effekt har været mellem 1,7 og 2,4 kW. Til sammenligning kan oplyses, at undersøgelse gennemført af Dansk Teknologisk Institut i en anden sammenhæng viser, at en traditionel brændeovn med en nominel ydelse på 6 kW har en CO-emission på ca. 0,6-1,0% ved en ydelse på 4 kW og en brændetid på ca. 2 timer - altså markant ringere.

Konstruktive krav til endelige udgave af 8-timers brændeovn

På basis af forsøgsresultaterne kan designkriterierne for en 8-timers brændeovn for effektintervallet 3-6 kW opstilles. De 8 timer gælder dog kun, hvis effekten holdes i bund.

• Brændemagasinet skal være isoleret, f.eks. med 2 lag 25 mm Skamol, og det måler indvendigt 350 mm i bredden, 200 mm i dybden og 600 mm i højden for at kunne rumme op til ca. 9 kg brænde med 18% vand.
  
• I bunden af magasinet skal være en rist (rysterist), som skal beskyttes af ildfast materiale med udskæringer. Under risten skal være en askeskuffe med luftroset for tilførsel af underluft.
  
• Nederst i magasinets frontvæg skal være en ca. 100 mm høj åbning, næsten i magasinets fulde bredde, eventuelt udstyret med et par lodrette ristestænger for at forhindre brænde i at falde ind i åbningen. 40-50 mm inde i åbningen anbringes en let udskiftelig blænde-plade af ildfast materiale med 2 cirkulære huller symmetrisk i pladen med samme centerafstand som primærdyserne. De 40-50 mm, som pladen er trukket tilbage fra magasinvæggens plan, skal forhindre brænde i at spærre for blænde-åbningerne. Blændernes lysning skal sandsynligvis være ca 65 mm, men skal afpasses efter det ønskede effektinterval.
  
• 70 mm foran blænde-pladen anbringes i en ildfast, isoleret plade to let udskiftelige primærdyser med klokkeformet indløb med dyselysninger på ca. 15-18 mm, afpasset efter det ønskede effektinterval. Dysernes centerlinier skal gå gennem blændeåbningernes centrer, og dysernes mundinger skal sidde 20-40 mm foran dysepladen.
  
• Mellem de to primærdyser anbringes en 40 mm sekundærdyse, således at sekundærluften rammer ind på blændepladen mellem de to blændeåbninger. Sekundærdysen skal også have klokkeformet indløb og skal være forsynet med et vippespjæld, der åbner ved stigende træk. Alternativt udføres sekundærspjældet med en bimetalstyring efter røgtemperaturen. Dyserne kan tage luften fra et kammer med rude og en luftroset.
  
• Fra rummet mellem blændeplade og dyseplade skal de brændende gasser kunne føre op gennem en skakt med et tværsnitsareal på ca. 4.000 mm², eller ca. 65 x 65 mm op til et gasforbrændingskammer med en højde på ca. 150 mm og et tværsnitsareal på ca. 10.000 mm². Gasforbrændingskammeret kan være forsynet med en rude.
  
• Fra gasforbrændingskammeret skal røgen kunne fordeles til en konvektionspart og et bypass. Hvor røgen mødes ved røgrørstilslutningen, anbringes et spjæld, der fordeler røgen mellem konvektor og bypass, enten manuelt eller med bimetalstyring eller lignende. Bypasset kan være en ineffektiv konvektor eller en indvendigt isoleret kanal. Såvel konvektoren som bypasset skal have opadgående eller vandret røgføring, ikke nedadgående.

Færdig 12-timers pillebrænder

Ligeledes kan design-kriterierne for en 12-timers pillebrænder til effektintervallet 1-3 kW opstilles.

• Pillemagasinet skal være en 600 mm høj skakt med tværsnit 200 x 200 mm, foret med 25 mm Skamol, således at det indvendige mål er 150 x 150 mm forneden. Magasinet udføres eventuelt med smig, således at indvendigt tværsnit foroven bliver 130 x 130 mm.
  
• Skaktens bund står i en vinkel på 60° i forhold til vandret, således at pillerne kan skride ud gennem en åbning forneden i siden af skakten.
  
• Åbningens skal være i skaktens fulde bredde. Målet fra åbningens overkant vinkelret ind på skråplanet skal være 70 mm. Skråplanet skal fortsætte ned til skæring med en vandret bund 100 mm under åbningens overkant.
  
• Bunden skal være af isolerende ildfast materiale. Under bunden anbringes en askeskuffe med en sluse, således at man kan tømme noget, men ikke nødvendigvis al asken ned i skuffen.
  
• Området over skråplanet dækkes med en blændeplade i en vinkel på 45° med vandret, i et plan, der skærer den vandrette bund 180 mm fra "60°-skråplanets" skæring med bunden. Pladen laves let udskiftelig (under drift), og i første omgang med en cirkulær blændeåbning i midten af pladen med en lysning på 50 mm.
  
• En let udskiftelig, ca. 17 mm dyse med klokkeformet indløb anbringes med centerlinie gennem blændeåbningens centrum vinkelret på blændepladen og mundingen 10-20 mm over pladen.
  
• Over den skrå blændeplade fortsætter de brændende gasser op gennem en 150 mm høj gas-forbrændingsskakt 110 x 200 mm i tværsnit isolerende foret med f.eks. 25 mm Keranab, således at det frie tværsnit er 60 x 150 mm.
  
• Over gasforbrændingsskakten skal røgen kunne fordeles til en konvektionspart og et bypass. Hvor røgen mødes ved røgrørstilslutningen, anbringes et spjæld, der fordeler røgen mellem konvektor og bypass, enten manuelt eller med bimetalstyring eller lignende. Bypasset kan være en ineffektiv konvektor eller en indvendigt isoleret kanal. Såvel konvektoren som bypasset skal have opadgående eller vandret røgføring, ikke nedadgående.

Den endelige konklusion færdiggøres, når Morsø Jernstøberi A/S og RAIS A/S har designet og fremstillet en prototype af den endelige udgave af 8-timers-brændeovnen.