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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren und ein Vorrichtung zum Ausbrand von Gut, insbesondere von festen, pastösen und flüssigen Stoffen mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Drehrohrofen.
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Die Verbrennung solcher Stoffe erfolgt bekanntermaßen meistens zweistufig in einem Drehrohrofen mit einer nachgeschalteten Nachbrennkammer, wo die Verbrennungsgase gemäß gesetzlicher Vorgaben eine bestimmte Verweilzeit auf einem bestimmten Temperaturniveau sitzen müssen. Idealerweise sieht der Prozess so aus, dass der Ausbrand der festen oder flüssigen Stoffe bereits vollständig innerhalb des Drehrohres stattfindet. Dazu werden die Stoffe über eine Schurre in das Drehrohr aufgegeben. Flüssige oder pastöse Brennstoffe können auch mit Luft zerstäubt werden und über Flüssig- oder Dickstoffbrenner in das Drehrohr eingeblasen werden, wo sie in Form einer Sprayflamme verbrennen. Die über die Schurre aufgegebenen Stoffe werden aufgrund der Temperaturen im Drehrohr getrocknet und/oder pyrolysieren und/oder verdampfen und/oder verbrennen direkt. Die dabei freigesetzten Brennstoffgase werden mit Verbrennungsluft gemischt und können dann ausbrennen. Die Verbrennungsluft wird dem Drehrohr gezielt über die Brenner und/oder über die Schurre und ungesteuert über die Dichtungen des Drehrohrs an seinen Enden zugeführt. Um das Entweichen von Verbrennungsgasen zu verhindern, werden die Drehrohre mit einem geringen Unterdruck gegenüber der Umgebung betrieben. Dadurch gelangt Umgebungsluft durch die Dichtung in das Drehrohr.
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Die Menge, die an Verbrennungsluft dem System Drehrohr-Nachbrennkammer zugeführt wird, orientiert sich an der aufgegebenen Brennstoffmenge bzw. dem aufgegebenen auszubrennenden Guts. Üblicherweise wird ein leicht überstöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff angestrebt, um den vollständigen Ausbrand des Brennstoffes zu garantieren.
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Aufgrund einer schlechten Vermischung der Brennstoffgase und der Verbrennungsluft kann es jedoch zu einem unzureichenden gasseitigen Ausbrand im Drehrohr kommen, der eine intensive Nachverbrennung in der Nachbrennkammer erforderlich macht. Die schlechte Vermischung führt dabei zu einem lokalen Sauerstoffmangel für die Verbrennung. Dadurch können Strähnen im Abgas des Drehrohres entstehen, die Kohlenmonoxid, Ruß oder nur partiell oxidierte Rückstände enthalten.
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Eine bisher gängige Maßnahme, lokalen Luftmangel zu beseitigen, ist die Erhöhung der Gesamtmenge an zugeführter Verbrennungsluft.
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Wenn aber zu viel Luft als Sauerstoffträger in das Drehrohr eingebracht wird, ergibt sich global ein zu hoher Luftüberschuss, der sich in einer zu geringen adiabatischen Verbrennungstemperatur bemerkbar macht. Die Nachbrennkammer würde dann für einen effektiven Ausbrand bei zu geringen Temperaturen betrieben werden. Zur Kompensation dieses Effektes müssten dann aber wertvolle Rohstoffe wie z. B. Heizöl oder Erdgas in einer Stützfeuerung zugesetzt werden, um die den vollständigen Ausbrand erforderlichen Temperaturen in der Nachbrennkammer zu erreichen.
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Eine andere bekannte Möglichkeit ist eine Reduzierung der Aufgabemenge des Brennstoffes unter Beibehaltung der Luftmenge. Auch hier gelten die im vorausgegangenen Abschnitt angeführten Argumente. Zusätzlich würden durch die geringere Aufgabenmenge bei gleichbleibenden Fixkosten jedoch auch die spezifischen Verbrennungskosten steigen.
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Alternativ werden in weiter unten näher spezifizierten Patentschriften Ansätze beschrieben, über bestimmte Verfahren die Vermischung von Brennstoffen und Luft zu intensivieren und dadurch nicht nur einen globalen, sondern auch überall einen lokalen Überschuß an Verbrennungsluft zu gewährleisten.
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Die Anordnung von Brennern, Primärluftdüsen und Schurre an der Drehrohrstirnwand erfolgt bisher nach praktischen Gesichtspunkten. Lediglich in einem der nachfolgend beschriebenen Patente wird versucht, über die Anordnung von Primärluftdüsen die Vermischung zu verbessern. Üblicherweise wird für Drehrohre mit Fassaufgabe die Schurre möglichst hoch an der Stirnwand zu liegen kommen, da man den Abbrand direkt an der Stirnwand vermeiden möchte. Die Brenner und Luftdüsen werden üblicherweise dort an der Stirnwand angebracht, wo nach der Positionierung der Schurre noch Platz ist. Beispielsweise wird üblicherweise oberhalb der Schurre kein Brenner positioniert, da dort zu wenig Platz für die technische Peripherie des Brenners ist. Zu dieser zählen z. B. die Zuleitungen.
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Eine gezielte Luftzuführung über einem im Drehrohr oberhalb des Verbrennungsgutes angebrachten Luftverteiler wird in der
DE 34 47 079 C2 beschrieben. Dadurch wird die Verbrennungsluft dort freigesetzt, wo sie für die Verbrennung gebraucht wird. Nachteilig ist jedoch der hohe apparative Aufwand. Außerdem ist der Einsatz in einem Drehrohr extrem hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Anwendung beschränkt sich sinnvollerweise auf Anwendungen, bei denen das Verbrennungsgut im Drehrohr gleichmäßig verteilt und bei niederen Temperaturen vorliegt.
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In der
DE 42 24 571 C2 wird beschrieben, wie durch die gezielte Anordnung mindestens zweier Primärluftdüsen an der Drehrohrstirnwand gegenläufig rotierende Wirbel im Drehrohr erzeugt werden. Die durch die Wirbel erzeugte Turbulenz beschleunigt den Vermischungsvorgang. Nachteilig bei dieser Konfiguration ist neben dem apparativen Aufwand auch noch, dass das Einblasen von Primärluft, die üblicherweise nur gering oder gar nicht vorgewärmt ist, zu Kaltluftsträhnen führen kann, die aufgrund der Abhängigkeit der Verbrennungsreaktion von der Temperatur zur lokalen Verlangsamung des Ausbrandvorganges führen kann.
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Bei dem in der
DE 27 09 671 B2 dargestellten Drehrohrofen wird die Verbrennungsluft einfach parallel zur Drehachse des Drehrohres über die Stirnwand eingeblasen. Hier ergibt sich das Problem, dass bei lokal begrenzter Freisetzung der Brennstoffdämpfe aufgrund fehlender Maßnahmen zur Zusammenführung von Verbrennungsluft und Brennstoffdämpfen ein unzureichender Ausbrand innerhalb des Drehrohres vorliegen kann.
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Des Weiteren wird bei dem in der
DE-OS 15 26 057 dargestellten Drehrohrofen die Verbrennungsluft zwar direkt auf das Brennstoffbett gerichtet, die Anordnung der Brenner an der Längsseite des Drehrohres und nicht an der Stirnwand setzt voraus, daß die Brenner und Luftdüsen mitdrehend angeordnet sind. Dies ist aber mit einem sehr hohen apparativen Aufwand verbunden.
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Die
DE 665 777 A beschreibt eine drehbare Trommelfeuerung für minderwertige Brennstoffe, bei der Verbrennungsluft über einen entsprechend gestalteten Umfangsbereich der Trommel zugeführt wird. Der Brenner ist innerhalb der Trommel derart angeordnet, dass die Schamotteauskleidung der Trommel von der Brennerflamme hocherhitzt wird, bevor dieser Bereich durch Drehung unter das zu verbrennende Gut gelangt. Das Dokument enthält jedoch keinen Hinweis auf die Ausrichtung des Brenners zur Erzeugung eines versperrten Raumes direkt oberhalb des auszubrennenden Gutes und die damit erzielten Vorteile.
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Die
EP 0 353 491 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zur Verbrennung von Sondermüll, wobei erwähnt wird, dass an einer Stirnseite des Drehrohrofens eine Einfüllvorrichtung für feste Abfälle und Fässer vorgesehen ist. Die Anlage umfasst einen Drehrohrofen und eine Nachbrennkammer, wobei die Nachbrennkammer derart ausgebildet ist, dass in ihr der restliche Teil des zu verbrennenden Abfalls verbrannt wird. Auch dieses Dokument enthält jedoch keinen Hinweis auf die Ausrichtung des Brenners zur Erzeugung eines versperrten Raumes direkt oberhalb des auszubrennenden Gutes und die damit erzielten Vorteile.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbrand von Gut bereitzustellen, mittels derer ein geringerer Überschuss an Verbrennungsluft benötigt wird, gleichzeitig aber ein höherer Durchsatz und ein besserer Ausbrandgrad der Gas- und Feststoffphase innerhalb des Drehrohres im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren gewährleistet wird. Der apparative Aufwand soll dabei nicht größer sein als bisher bekannt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ausbrand von Gut mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Drehrohrofen, aufweisend mindestens eine Schurre zur Zuführung des auszubrennenden Gutes in den Drehrohrofen und mindestens einen Brenner zur Erzeugung einer Freistrahlflamme bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Sauerstoff enthaltende Gas über die Schurre und über den Brenner dem Drehrohrofen zugeführt wird, wobei die Freistrahlflamme des Brenners eine Strömung des über die Schurre zugeführten Sauerstoff enthaltenden Gases und des verdampfenden auszubrennenden Gutes entlang der Drehrohrinnenwand nach oben erzeugt. Unter dem Begriff „auszubrennendes Gut” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl flüssiges oder pastöses oder festes brennbares Gut, als auch Fässer gefüllt mit flüssigem, pastösem oder festem brennbaren Gut verstanden.
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Erfindungsgemäß wird gezielt eine doppelseitige Grenzfläche von Sauerstoff enthaltendem Gas und den verdampfenden Anteilen des auszubrennenden Gutes erzeugt. Bei dem Sauerstoff enthaltenden Gas handelt es sich vorzugsweise um Luft. Diese wird einerseits durch die Schurre und/oder durch den Brenner zugeführt. Andererseits wird dem Drehrohrofen auch aufgrund der nicht idealen Abdichtung des Drehrohrofens am Übergang von Drehrohr zur Stirnwand Luft zugeführt. Durch die so entstehende Grenzfläche wird erreicht, dass das Sauerstoff enthaltende Gas, vorzugsweise Luft, und die verdampfenden Anteile des auszubrennenden Gutes auf einer verhältnismäßig großen Fläche direkt nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kommt es zu einer schnelleren Vermischung des verdampften auszubrennenden Gutes und des Sauerstoff enthaltenden Gases. Die Zeit für einen Ausbrand des auszubrennenden Gutes schon innerhalb des Drehrohres wird somit wesentlich größer. Das aus dem Drehrohr austretende Abgas besitzt dadurch einen wesentlich geringeren Kohlenmonoxid- und Rußgehalt.
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Die Grenzfläche wurde erfindungsgemäß dadurch erzeugt, dass die Freistrahlflamme des Brenners aufgrund ihres großen Impulses den Raum direkt oberhalb und direkt hinter dem auszubrennenden Gut, das über die Schurre dem Drehrohrofen zugeführt wurde, versperrt. Das vorzugsweise über die Schurre zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gas, vorzugsweise Luft, überstreicht das verdampfende auszubrennende Gut. Durch die Sperrwirkung der Freistrahlflamme werden das über die Schurre zugeführte Sauerstoff enthaltende Gas und das verdampfende auszubrennende Gut dazu gezwungen an der Drehrohrinnenwand zu beiden Seiten hin nach oben aufzusteigen. Dadurch wird großräumig eine Konzentrationsgrenzschicht zwischen dem verdampfenden auszubrennenden Gut und dem Sauerstoff enthaltenden Gas erzeugt. Gleichzeitig wird dem Drehrohr über die Abdichtung zur Stirnwand hin immer sogenannte Falschluft zugeführt, die in der Nähe der Drehrohrwand verbleibend in Richtung der Nachbrennkammer strömt. Diese wandnahe Luftströmung wird ebenfalls gezielt mit den seitlich aufsteigenden Dämpfen des auszubrennenden Gutes in optimaler Weise in Kontakt gebracht. Dadurch wird die äußere Wand der doppelwandigen Grenzfläche von Luft und verdampfenden Anteilen des auszubrennenden Gutes erzeugt.
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Insbesondere wird über eine Dichtung des Drehrohrofens am Übergang von Drehrohr zu Stirnwand Luft zugeführt, die eine wandnahe Luftströmung erzeugt.
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Vorteilhaft verdrängt die wandnahe Luftströmung das Sauerstoff enthaltende Gas und das verdampfende auszubrennende Gut aus der Nähe der Drehrohrinnenwand.
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Das Sauerstoffenthaltende Gas wird bevorzugt über Düsen zugeführt.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausbrand von Gut mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas gemäß dem vorstehend beschriebenen, wobei die Vorrichtung mindestens folgende Bauelemente aufweist:
- a) mindestens einen Drehrohrofen;
- b) mindestens eine Schurre zur Zuführung des auszubrennenden Gutes und
- c) mindestens einen Brenner,
und wobei an einer feststehenden Stirnwand des Drehrohrofens die mindestens eine Schurre und der mindestens eine Brenner derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Strömung der Freistrahlflamme des Brenners den Raum direkt oberhalb und direkt hinter dem über die Schurre zugeführten auszubrennenden Gutes versperrt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das auszubrennende Gut dem Drehrohrofen in einem Fass zugeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Personal der Anlage nicht direkt mit dem auszubrennenden Gut, bei dem es sich insbesondere um feste, pastöse und flüssige Stoffe, zu denen u. A. auch Produktionsrückstände der chemischen Industrie gehören, in Kontakt kommt. Der Vorgang der Fassaufgabe und des Ausbrandes erfolgt diskontinuierlich, d. h. es wird jeweils ein Fass mit brennbarem Gut, beispielsweise, über die Schurre aufgegeben. Dieses fällt in das Drehrohr, heizt sich auf, der Kunststoffmantel des Fasses schmilzt oder fängt an zu brennen. Das auszubrennende Gut tritt aus. Der Abbrand beginnt.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Gegensatz dazu das auszubrennende Gut kontinuierlich dem Drehrohrofen zugeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Schurre nahe oberhalb der Drehrohrsohle mittig angeordnet und der Brenner mittig und oberhalb der Schurre an der feststehenden Stirnwand des Drehrohrofens. Die Ausrichtung des Brenners ist dabei erfindungsgemäß so, dass die Verlängerung der Brennerachse die Sohle des Drehrohres von der Drehrohrstirnwand aus gesehen hinter dem auszubrennenden Gut, vorzugsweise hinter dem das auszubrennende Gut enthaltenden Fass, trifft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung trifft die Brennerachse die Sohle in einem Bereich von etwa 0,1 bis 0,9 L, insbesondere von 0,4 bis 0,5 L, wobei L die Drehrohrlänge bezeichnet. Das auszubrennende Gut, vorzugsweise das das auszubrennende Gut enthaltende Fass, liegt bei etwa 0,1 bis 0,8 L, vorzugsweise bei etwa 0,3 L.
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Vorzugsweise wird der Brenner der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem hohen Eintrittsimpuls betrieben. Die Gasgeschwindigkeit liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis 200 m/s, besonders bevorzugt bei etwa 50 m/s. Bei den für den Brenner verwendeten Brennstoffen handelt es sich dabei vorzugsweise um pastöse und/oder flüssige Brennstoffe. Zu diesen gehören z. B. schwersiedende Produktionsrückstände aus der chemischen Industrie, die bei destillativen Reinigungsstufen anfallen.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mehrere Brenner an der Drehrohrstirnwand angeordnet. Bevorzugt werden alle Brenner oberhalb der Schurre und so dicht wie möglich beieinander angeordnet. Die Brenner können dann alternierend betrieben werden. Dadurch werden eventuell auftretende Stillstandzeiten der Vorrichtung minimiert, wenn der Brennstoff gewechselt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen vorrichtung werden die Brenner so angeordnet, dass sie sich in ihrer Wirkung so ergänzen, dass die sich ausbildenden Freistrahlflammen im Hinblick auf die Sperrwirkung der oben beschriebenen einzelnen Freistrahlflamme äquivalent sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zusätzlich zu dem mindestens einen Brenner mindestens eine Primärluftdüse, vorzugsweise mehrere, an der feststehenden Stirnwand vorgesehen. Vorzugsweise werden drei Primärluftdüsen links, rechts und oberhalb der Schurre angeordnet, so dass die über sie erfolgende Luftzufuhr den gleichen Effekt hat wie eine Zufuhr von Luft über die Schurre. Der Vorteil in der Verwendung von Primärluftdüsen liegt im höheren Impulseintrag über eine Düse als über eine Schurre bei gleicher Luftmenge.
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Bevorzugt werden mehrere Brenner an der feststehenden Stirnwand dicht beieinander angeordnet.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung sollen im Folgenden anhand des folgenden Beispiels und den Figuren aufgezeigt werden.
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Beispiel:
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Gegenüber einem Verbrennungsvorgang unter Verwendung der Standardstirnwandanordnung, die dem Stand der Technik entspricht, konnte mit einer erfindungsgemäßen Stirnwand der Restbrennstoffgehalt auf 48% seines alten Wertes reduziert werden.
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1 Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbrand von Gut;
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2 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbrand von Gut;
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3 Stirnwand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausbrand von Gut.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbrand eines Gutes. Der Brenner 1 ist an der Stirnwand 2 des Drehrohrofens 3 mittig oberhalb der Schurre 4 angeordnet. Die Schurre 4 selbst ist mittig, nahe oberhalb der Sohle 5 des Drehrohrofens 3 angeordnet. Über die Schurre 5 wird das auszubrennende Gut und das Sauerstoff enthaltende Gas zugeführt. Über den Brenner 1 werden Sauerstoff enthaltendes Gas und flüssige oder pastöse Brennstoffe zugeführt. Zudem ist stets Falschluft innerhalb des Drehrohrofens 3, die aufgrund der nicht idealen unvermeidlichen Abdichtung des Drehrohofens 3 am Übergang von Drehrohr zur Stirnwand 2 immer vorhanden ist. Diese Falschluft wird mittels der erfindungsgemäßen Anordnung von Schurre 4 und Brenner 1 optimal genutzt. Die sich ausbildende Freistrahlflamme 6 des Brenners 1 versperrt aufgrund ihres hohen Impulses den Raum direkt oberhalb und direkt hinter dem auszubrennenden Gutes, vorzugsweise hinter dem das auszubrennende Gut enthaltenden Fass 7. Das über die Schurre 4 eintretende Sauerstoff enthaltende Gas 8 überstreicht die verdampfenden Anteile 9 des auszubrennenden Gutes. Durch die Sperrwirkung der Freistrahlflamme 6 werden das über die Schurre 4 eintretende Sauerstoff enthaltende Gas 8 und die verdampfenden Anteile 9 des auszubrennenden Gutes dazu gezwungen an der Drehrohrinnenwand zu beiden Seiten hin nach oben aufzusteigen.
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Dieser Sachverhalt ist in 2 dargestellt. 2 zeigt den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbrand von Gut. Durch das Aufsteigen des Sauerstoff enthaltenden Gases 8 und der verdampfenden Anteile 9 des auszubrennenden Gutes an der Drehrohrinnenwand wird großräumig eine Konzentrationsgrenzschicht zwischen dem über die Schurre 4 eingetretenen Sauerstoff enthaltenden Gas 8 und den verdampfenden Anteilen 9 des auszubrennenden Gutes erzeugt. Es wird so die innere Seite 11 der doppelwandigen Grenzfläche erzeugt. Gleichzeitig strömt sogenannte Falschluft 10 in Wandnähe in Richtung der Nachbrennkammer. Diese wandnahe Falschluftströmung 10 wird dabei ebenfalls gezielt mit den seitlich aufsteigenden verdampfenden Anteilen 9 des auszubrennenden Gutes in Kontakt gebracht. Dadurch wird die äußere Seite 12 der doppelwandigen Grenzfläche erzeugt.
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3 zeigt die Stirnwand 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausbrand von Gut. Der Brenner 1 ist hier mittig oberhalb der Schurre 4 angeordnet. Der Brenner 1 muß nicht mittig angeordnet sein, doch muss erfindungsgemäß seine Anordnung in Bezug auf die Schurre 4 so sein, dass die Verlängerung seiner Achse die Sohle 5 des Drehrohres von der Stirnwand aus gesehen hinter dem auszubrennenden Gut trifft.
