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Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen eines heizwertarmen Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines heizwertarnien Gases,
das bei Verbrennung mit Luft bei atmosphärischem Druck nicht genügend Verbrennungswärme
erzeugt, um die Zündung aufrechtzuerhalten und welchem daher ein heizwertreicher
Brennstoff zugesetzt wird.
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Um solche Gase, wie sie beim Crackverfahren in g crro ßen Mengen anfallen,
nutzbar zu verbrennen, müssen große Mengen von hochwertigen Brennstoffen zugesetzt
werden, wodurch der Gesamtwärmeanfall größer wird, als für die wirtschaftliche Nutzung
erwünscht ist. Urn die Menge des Zusatzbrennstoffes zu begrenzen, wird gemäß der
Erfindung die Verbrennung in einer Brennkammer vorgenommen, in welcher ein Druck
von mehreren Atmosphären herrscht.
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Durch diese Maßnahme wird zwar die Wärmemenge, die je Gewichtseinheit
des Brennstoffes frei wird, nicht wesentlich verändert, sie wird jedoch auf einem
Raume frei, dessen Größe umgekehrt proportional ist dem absoluten Druck. Daher kann
in einer solchen Brennkammer eine entsprechend größere Menge von Luft und Gas verbrannt
werden, wobei das kleinere spezifischeVolurnen dieFeuergasmischung und die Zündung
verbessert. Die auffallendste Wirkung dieser Maßnahme ist eine entsprechende Erhöhung
der Brennkammertemperatur, welche dadurch unterstützt wird, daß die Brennkammer
im Flammenbereich wärmerückstrahlende Wandungen aufweist. Wichtig für die Zündung
ist dabei, daß nicht das heizwertarme Gas, sondern der heizwertreiche Hilfsbrennstoff
mit einem entsprechenden Strome von Überschußluft in die Brennkammer eingeführt
wird, damit die Zündung und Verbrennung eingeleitet wird und das heizwertarme Gas
der bereits brennenden Flamme beigemischt wird.
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Zu diesem Zwecke wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in an sich bekannter
Weise in mehreren Strömen, vorzugsweise tangential an einen gedachten Kreiszylinder
und gegebenenfalls in mehreren zur Brennkammerachse senkrechten Ebenen der Düsenachsen,
in die Brennkammer eingeführt und das Arm-,aas neben diesem Flammenzylinder in gleicher
Weise in die Brennkammer eingeführt.
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Für die Ausführung des Verfahrens eignet sich besonders gut die bekannte,
kreiszylindrische Brennkammerform, weil sie bei kleinem Rauminhalt eine gut beherrschbare
Drehflamme zuläßt und außerdem leicht druckfest zu ummanteln ist. Dabei können die
Räume zwischen Brennkammerwand und druckfestem Mantel als Wärmeschutz ausgebildet,
gegebenenfalls in parallele Luft- und Gasräume unterteilt sein.
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An die kreiszylindrische Brennkammer kann sich in an sich bekannter
Weise gleichachsig eine kreiszylindrische Strahlungskammer anschließen.
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Die Wände dieser beiden Kammern können in bekannter Weise aus Rohren
des befeuerten Dampferzeugers gebildet sein, wobei in der Brennkammer diese Rohre
feuerseitig mit feuerfester Masse in bekannter Weise verkleidet sein, wodurch die
Wärmeabgabe der Brennkammer an die Wände verringert wird.
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Die Kühlrohre der kreiszylindrischen Kammern können bei lotrechter
Zylinderachse nach oben durchgeführt und an dem Traggerüst aufgehängt werden, so
daß Brennkammer und Strahlungsraum in im Dampferzeugerbau bekannter Weise in dem
Traggerüst hängen und sich frei nach unten ausdehnen können.
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Die Verbrennung bei Überdruck ist bekannt, besonders dort, wo die
thermische Kompression der Feuergase unmittelbar in Expansionsarbeit umgesetzt wird,
wie etwa bei den Verbrennungsmotoren. Bei der Verbrennung von Brennstoffen mit anschließender
Wärmeübertragung in Wärmeaustauschern wird dagegen höherer Druck nur so weit angewandt,
als damit die Strömungswiderstände in den Heizflächen überwunden werden. Die Verbrennung
bei einem Druck von mehreren Atmosphären wäre in diesen Fällen unwirtschaftlich.
Sie erscheint jedoch wirtschaftlich ' wenn dadurch an Zusatzbrennstoff gespart
werden kann, und ist dann besonders wirtschaftlich, wenn der minderwertige Brennstoff
als Abfallprodukt
eines vorgeschalteten Fabrikationsganges bereits
mit dem gewünschten oder einem höheren Überdruck zur Verfügung steht, so daß für
ihn die Kom'Pressionsarbeit gespart wird, wie es bei Crackanlagen der Fall ist.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Gasfeuerung nach der Erfindung
dienen die Zeichnungen mit den Abb. 1 bis 8.
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Abb. 1 zeigt einen Vertikalschnitt einer Anlage mit Gasfeuerung
nach der Erfindung zur Erzeugung von Wasserdampf; Abb. 2, 3 und 4 stellen
Horizontalschnitte hierzu, und zwar entlang der Linien A-A, B-B und C-C der
Abb. 1, dar; Abb. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Abb. 4,
an der Stelle D, und Abb. 6 zeigt einen Vertikalschnitt entlang der
Linie.D-D der Abb. 5;
Abb. 7 zeigt einen Längsschnitt der ähnlichen
Anlage für Dampferzeugung, jedoch gegenüber Abb. 1
einfacher konstruiert,
und Abb. 9 zeigt den Horizontalschnitt entlang der Linie E-E.
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Bei der Anlage zur Dampferzeugung nach Abb. 1
bis
6 ist an der Stützkonstruktion, die aus den Vertikalstützen 1 und
den Doppel-T-Trägern 2, 3 und 4 besteht, mittels Stangen oder Bolzen
5 bis 7 die ganze Anlage zur Dampferzeugung frei aufgehängt. Das ergibt
den Vorteil, daß Wärmedehnungen ungehindert stattfinden können, ohne Anlaß zur Entstehung
von ungewollten Spannungen zu geben. Die zu verbrennenden Armgase treten durch drei
Rohrleitungen 8 in den Ringraum 9 ein und können von hier aus
je nach Stellung der von außen betätigbaren Klappen 10 in den segmentförmig
unterteilten Ringraum 11, der die Brennkanimer 12 mantelartig umgibt, eintreten.
Das Heizöl gelangt durch die Rohre 69 zu den Brennern 13, mischt sich
hier mit Frischluft, die in das Rohr 14 zur Anlage dazu getreten ist und die, den
Boden 15 der Brennkammer 12 bespülend und sich dabei anwärmend, zu den Brennern
13 gelangen kann. Das Heizöl oder ein hochwertiges Gas mischt sich in den
Brennern 13 mit der Frischluft und tritt von hier in einem kegelförmig sich
nach der Brennkammer 12 erweiternden Strahl in die Brennkammer 12 horizontal, jedoch
außermittig so ein, daß die Längsachse der Verbrennungskegel einen zentrischen Kreis
16 tangiert, wie in Abb. 4 ersichtlich. Hierbei verbrennt das Heizöl vollständig
und erzeugt eine hohe Temperatur. Die-Brenner 13 sind in mehreren, z. B.
in zwei Ringen, deren jeder z. B. vier Brenner enthält, in der Brennkammer 12 übereinander
angeordnet. Zwischen und unter diesen Ringen mit den Brennern 13 befinden
sich mehrere, Z. B. zwei, Ringe mit z. B. je acht Eintrittsschlitzen
17 für den Zutritt der armen Gase. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die
Eintrittsschlitze 17 gegenüber den Öff-
nungen für den Brenner
13 treppenförmig versetzt anzuordnen, da hierdurch die innige Mischung noch
verstärkt wird.
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Die Eintrittsschlitze 17 sind ebenfalls horizontal angeordnet,
und das arme Gas strömt in die Brennkammer 12 so ein, daß es einen Kreis
18 (in Abb. 4 ersichtlich) tangiert. Dadurch wird erreicht, daß das Heizöl
oder das reiche Gas mit der zugehörigen Frischluft vollständig verbrennt, daß aber
deren Verbrennungsprodukte mit dem armen Gas und der zugeführten weiteren Frischluft
höchst innig vermengt werden, so daß nun das arme Gas infolge der direkten Strahlung
und der Wärmeübertragung durch Konvektion von Molekül zu Molekül seinerseits so
hoch erhitzt wird, daß dessen Oxydation ungestört vor sich gehen kann.
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Durch diese tangentiale Einspritzung mit verschiedener Neigung gegenüber
der Längsachse der Brennkammer wird erreicht, daß das innige Gemisch von verbrennenden
und noch unverbrannten Gasen die Brennkammer 12 nach oben schneckenartig durchwirbelnd
durchströmt, durch die Einschnürung 19
schließlich in die Strahlungskammer
20 zu gelangen. Hier findet nur noch eine geringe Nachverbrennting statt, und die
heißen Abgase werden infolge der Feuerbrücke 21 nach links gedrängt und gelangen
somit in den Berührungszug 22. Hier geben sie durch Konvektion ihre Wärme erst an
das Bündel 23 mit den Überhitzungsrohren, dann an das Bündel 24 mit den Dampferzeugungsrohren
und schließlich an das Bündel 25 mit weiteren Dampferzeugungsrohren ab, um
verhältnismäßig kalt durch das Abzugsrohr 26 in das Freie oder an eine Stelle
zu gelangen, wo ihnen noch die Restwärme entzogen wird.
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Die Wände 27 der Brennkammer 12 und die Wand 28 der
Einschnürung 19 ist, wie bei Kesselbauten üblicherArt, aus senkrechtenWasserrohren29
und 29'
gebildet, die entweder sich seitlich berühren oder auch einen gewissen
Abstand haben, wobei aber dann ihr Zwischenraum mit einer feuerfesten Masse
30 ausgefüllt ist, die möglichst hohe Wärmerückstrahlfähigkeit besitzt. Ebenso
wird die äußere Wand 31
des segmentförmig unterteilten Ringraumes
11 durch die Wasserrohre 29' gebildet (Abb. 5 und
6), jedoch ist diese außerdem durch druckfeste Bleche 32 umschlossen.
Die gleichen druckfesten Bleche umschließen auch die Wand 33 der Strahlungskammer
20 und 34 des Berührungszuges 22. Durch diese druckfesten Bleche 32, die
aber durch die davor gelagerten Wasserrohre 29 und 29' vor zu hoher
Temperatur geschützt werden, wird die Feuerung und Verbrennung unter Überdruck ermöglicht.
Die druckfesten Bleche 32 sind miteinander durch U-förnlige Verbindungsbleche
35 durch Verschweißung, wie in Abb. 6 dargestellt, so verbunden, daß
sie die Wärmedehnung ungehindert durch die anders verlaufende Wärmedehnung der Rohre
29 und 29' ausführen können. Die Rohre 29 und 29' werden
durch Bunde 36 zusammengehalten, die sich innerhalb der U-förmigen Bleche
35
befinden. Auf diese Art wird eine feste Aufhängung erzielt, die durch Schwankungen
der Längen infolge Wärmedehnung nicht gestört wird.
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Die senkrechten Wasserrohre 29 und 29** erhalten ihre Wasserfüllung
durch die außerhalb der Anlage befindlichen senkrechten Fallrohre 37 mittels
der an diese angeschlossenen Ringrohre 38 und 39.
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Das Wasser gelangt in die Fallrohre 37 aus der oberen Trommel
40, die auch zur Dampfabscheidung dient und von wo der Sattdampf durch die Rohre
41 in das Sammelrohr 42 für den überhitzer mit dem Rohrbündel 23 gelangt.
Die senkrechten Rohre 29
und 29' sind ebenfalls mit der oberen Trommel
40 verbunden, nur diejenigen von ihnen, die an der Feuerbrücke 21 entlang laufen,
münden in die untere Trommel 43.
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Im Berührungszug fällt das kalte Wasser durch die äußeren Rohrbündel
25 aus der oberen Trommel 40 in die untere Trommel 43 und gelangt dann durch
die heißeren inneren Rohre der Rohrbündel 24 und 25,
in denen sich auch der
Dampf bildet, in die obere Trommel 40 zurück.
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Die Rohrbündel 24 und 25 sowie die Bündel 23 der Überhitzungsrohre
bestehen aus senkrechten Rohrreihen
mit einem gewissen Abstand
quer zur Richtung der Abgasströmung, wie in Abb. 2 dargestellt.
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Der segmentförmig unterteilte Ringraum 11 ist durch Bleche
44 in konzentrische, senkrechte Segmente eingeteilt, in denen sich abwechselnd die
Frischluft für das Heizöl, nämlich in den Segmenten 45, und das Armgas, nämlich
in den größeren Segmenten 46, wie in Abb. 3 dargestellt, befindet.
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Zwecks Wärmeisolation nach außen sind die druckfesten Bleche
32 durch die Isolationsschicht 47 (Abb. 5 und 6) nach außen
geschützt. Diese Isolationsschicht 47 wird in üblicher Art durch Drahtnetze 48 nach
innen gedrückt und gehalten. Die Drahtnetze 48 werden durch die Schraubenbolzen
49 gehalten. Die ganze Anlage wird schließlich nach außen durch die Mantelbleche
50 abgedeckt.
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Die Anlage nach Abb. 7 und 8 unterscheidet sich von
der beschriebenen Anlage vor allem dadurch, daß der segmentförmig unterteilte Ringraum
11 fortfällt und die Armgase statt dessen durch Rohrleitungen 51
der
Brennkammer direkt zugeführt werden. Auch hier tritt die Frischluft von unten durch
eine Leitung 52
zu, umspült den Boden 53 der Brennkammer 54 und tritt
dann zu den Brennern 13. Auch hier sind die Brenner in Ringen angeordnet,
die den Ringen mit den ovalen Gasschlitzen 55 zwischengelagert sind. Bei
dieser einfacheren Ausführung ist jedoch die Brennkammer 54 nicht durch Wasserrohre
gekühlt, sondern besteht aus einer feuerfesten, Wärme rückstrahlenden Wand
56, die auch möglichst druckfest nach irgendeiner an sich bekannten Art ausgeführt
ist. Auch bei dieser Anlage schließt sich an die Brennkammer 54 nach oben ein verengter
Raum 70 an, der in eine größere Strahlungskammer 57 übergeht, dessen
Wände durch senkrechte Rohre 58 und durch erst horizontale und dann senkrechte
Rohrbündel 59 gebildet werden, in denen die hauptsächliche Dampferzeugung
vor sich geht. Auch hier liegen zwischen einer oberen Trommel 3
60
und einer unteren Trommel 61 die Rohrbündel 62, 63 und 64, zwischen
denen durch den Berührungszug 65 die Gase aus der Strahlungskammer
57 in das Abzugsrohr 66 austreten.
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Auch bei dieser Anlage gelangen die Armgase, wie Abb. 8 zeigt,
in tangentialer Eintrittsrichtung vermischt mit dem Heizöl, dessen Strahlrichtung
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einen kleineren Kreis 68 als die Armgase tangiert, wirbelnd nach
oben, und auch bei dieser einfacheren Anlage können in gleicher Weise darum Armgase
verbrannt werden, deren eigener Heizwert sie für sich allein zur Verbrennung noch
nicht befähigt.
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Durch die beschriebene Anlage ist die gestellte Aufgabe gelöst, da
es dadurch ermöglicht wird, extrem arme Gase zu verbrennen und zur Dampferzeugung
oder einer ähnlich gebauten Flüssigkeitserhitzung heranzuziehen und nutzbar zu machen.
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Die beschriebenen Anlagen stellen somit nicht nur einen wesentlichen
technischen und wirtschaftlichen Fortschritt dar, sondern sind auch kleinräumig
und darum verhältnismäßig billig, weil ja die unter Druck angelieferten Gase auch
unter Druck verbrannt werden.