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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von
Schadstoffe enthaltenden Prozessabgasen, wie sie vielfältig und
insbesondere bei verschiedensten Oberflächenmodifizierunsgverfahren
im Vakuum eingesetzt oder dabei gebildet werden. Solche Prozessabgase
enthalten toxische Verbindungen oder Elemente, die nicht ohne weiteres
an die Umwelt abgegeben werden können. Neben
Prozessabgasen solcher CVD- oder PVD-Prozesse können auch Abgase aus anderen Prozessen,
die Schadstoffe enthalten mit der Erfindung behandelt werden.
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Dabei
sind insbesondere Chlor, Fluor, Silizium, Arsen und Gallium sowie
diese Elemente enthaltende Verbindungen kritisch.
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Bei
steigendem Bedarf an so modifizierten Substraten ergibt sich dementsprechend
auch ein steigender Anteil an Prozessabgasen, die einer Behandlung
unterzogen werden müssen,
um die Umwelt- und Gesundheitsverträglichkeit zu gewährleisten.
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So
ist es seit längerem
bekannt Prozessabgase thermisch so zu behandeln, dass die gefährlichen
Elemente und chemischen Verbindungen ggf. aufgebrochen und durch
chemische Reaktion in unschädliche
chemische Verbindungen umgewandelt werden. Dabei werden überwiegend
Oxide gebildet.
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In
US 5,132,836 sind hierfür Möglichkeiten aufgezeigt
und es ist auf ein weiteres Problem hingewiesen worden. Dies besteht
darin, dass bei solchen thermischen Prozessen Partikel gebildet
werden, die zu Ablagerungen an Kammerwänden und auch zu Beeinträchtigungen
der Funktion von Brennern führen,
die üblicherweise
hierfür
eingesetzt werden.
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Durch
die in jüngster
Vergangenheit und zukünftig
eingesetzten größeren Anlagen
für solche Oberflächenmodifizierungen
fallen entsprechend größere Volumenströme an Prozessabgasen
mit entsprechend größeren Mengen
an Partikeln an.
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Dementsprechend
wird in diesem Stand der Technik auch vorgeschlagen einen Brenner
am Deckel einer Kammer anzuordnen, von dem eine Flamme zur Behandlung/Verbrennung
in die Kammer gerichtet wird.
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Um
ein Absetzen bzw. Anhaften von Partikeln an der Kammerinnenwand
zu vermeiden soll dort ein Wasserfilm erzeugt werden. Hierzu wird
das Wasser von der Seite in die Kammer eingesprüht, wobei in einer dort als
bevorzugt bezeichneten Ausführung
das Wasser auch nach oben gegen den Deckel bis an den Brenner gesprüht werden
soll.
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In
dieser Form ist es aber nicht ohne weiteres möglich einen immer geschlossenen
Wasserfilm an der gesamten Innenwand auszubilden. Des Weiteren wird
ein Teil des Wassers verdampft, so dass er nicht vollständig für den Austrag
von Partikeln genutzt werden kann. Außerdem reduziert sich in Folge der
Verdampfung die Temperatur und der Verbrennungsprozess wird zusätzlich behindert.
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An
einem befeuchteten Deckel können
auch leichter Anhaftungen entstehen, die zur Beeinträchtigung
der Verbrennung bzw. zu Verstopfungen an Gaszuführungen führen können.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zu schaffen, um Schadstoffe
enthaltende Prozessabgase thermisch zu behandeln, wobei die Anhaftung
von Partikeln an der Innenwand einer Brennkammer sowie eine unerwünschte Beeinträchtigung
der thermischen Umwandlung mit geringem Aufwand vermieden werden
sollen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit
den in den untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Brennkammer auf, an der mindestens ein Brenner an einem
oben angeordneten Deckel vorhanden ist, so dass eine Fackel von
oben nach unten in das Innere der Brennkammer gerichtet ist. Außerdem ist eine
Zuführung
für eine
Waschflüssigkeit
vorhanden, mit der ein ge schlossener Film auf der gesamten inneren
Mantelfläche
der Brennkammer ausgebildet werden kann. Dabei soll erfindungsgemäß aber keine
Benetzung des in das Innere weisenden Teils des Deckels mit Brenner(n)
erreicht werden.
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Die
Waschflüssigkeit
kann reines Wasser sein. Es können
aber auch Zusätze
enthalten sein, die bevorzugt eine Neutralisation bewirken. Eine Waschflüssigkeit
kann dementsprechend eine Base enthalten.
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Am
Boden der Brennkammer ist eine Abführung für Abgas aus der thermischen
Behandlung und in kolloidaler Form Partikel enthaltende Waschflüssigkeit
angeordnet.
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Die
Zuführung
für die
Waschflüssigkeit
ist dabei unmittelbar unterhalb des Deckels angeordnet. Sie ist
so ausgebildet, dass die Waschflüssigkeit
auf der inneren Mantelfläche
der Brennkammer den geschlossenen Film ausschließlich unter Ausnutzung der
Gravitationskraft ausbildet, die Waschflüssigkeit also einfach an der
Mantelfläche
radial umlaufend gleichmäßig abläuft und
keine Druckwirkung auf die Waschflüssigkeit in die Brennkammer
hinein ausgeübt
wird.
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Günstig ist
es außerdem
die innere Mantelfläche
der Brennkammer in einer radial konvex nach außen gerichteten Form und rotationssymmetrisch um
die Längsachse
der Brennkammer auszubilden, so dass ausgehend vom Deckel eine möglichst
kontinuierliche Vergrößerung der
lichten Weite innerhalb der Brennkammer bis zum Erreichen einer
maximalen lichten Weite und nachfolgend eine kontinuierliche Reduzierung
der Weite erreicht werden kann.
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Die
Form soll jedoch unter Berücksichtigung der
Grenzflächenverhältnisse
von Waschflüssigkeit und
Oberfläche
der inneren Mantelfläche
sichern, dass der geschlossene Film auf der gesamten Fläche aufrechterhalten
bleibt.
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Die
Grenzflächenverhältnisse
zwischen innerer Mantelfläche
der Brennkammer und Waschflüssigkeitsfilm
können
auch durch die Oberfläche der
inneren Mantelfläche
beeinflusst werden. Dabei sollte diese Oberfläche eine Oberflächenrauhtiefe
im Bereich 100 bis 300 μm
aufweisen.
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Die
Gestalt der inneren Mantelfläche
kann durch die Formgebung der Kammerwand der Brennkammer vorgegeben
sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit
die äußere Gestalt
der Brennkammer unabhängig
von der Form der inneren Mantelfläche zu wählen. So kann beispielsweise
außen
an der Brennerkammer eine Isolation vorhanden sein, die dann auch
eine abweichende Form, z.B. die Form eines Zylinders aufweisen kann.
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Es
ist auch nicht zwingend erforderlich, dass eine konvexe Wölbung ausgehend
vom Deckel bis zum Boden der Brennkammer einen konstanten Radius
aufweist, es sollen lediglich abrupte Absätze vermieden werden. So kann
beispielsweise die innere Mantelfläche einer Parabel folgend gewölbt sein.
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In
einer bevorzugten Ausführung
kann die Zuführung
für die
Waschflüssigkeit
einen radial um die Brennkammer umlaufenden Ringkanal aufweisen,
dem von außen
Waschflüssigkeit
mit einem ausreichend großen
vorgebbaren Volumenstrom zugeführt
wird. Am Ringkanal ist eine in Richtung auf das Innere der Brennkammer
weisende Überlaufkante vorhanden, über die
die Wasch flüssigkeit
ablaufen kann. Die Überlaufkante
bildet dabei die Oberkante der inneren Mantelfläche.
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Die Überlaufkante
sollte horizontal über
den gesamten Umfang ausgerichtet sein, so dass über den gesamten Umfang ein
zumindest annähernd konstanter
Volumenstrom ablaufen und den Film auf der inneren Mantelfläche ausbilden
kann. Es liegt auf der Hand, dass der zugeführte Volumenstrom an Waschflüssigkeit
dem über
der Überlaufkante
ablaufenden Volumenstrom entsprechen soll.
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Die
Waschflüssigkeit
sollte über
mindestens eine tangential ausgerichtete Zuleitung in den Ringkanal
eingeführt
wird, so dass im Ringkanal eine Strömung der Waschflüssigkeit
mit geringer Strömungsgeschwindigkeit
erzeugt wird. Günstiger
ist es jedoch zwei sich diametral gegenüberliegender tangential ausgerichteter
Zuleitungen an einem Ringkanal vorzusehen. Es können aber auch mehr als zwei solcher
Zuleitungen vorhanden sein, die dann möglichst gleiche Winkelabstände zueinander
haben sollten.
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Mehrere
Zuleitungen sollten aber auch so ausgerichtet sein, dass die Waschflüssigkeit
mit gleicher Strömungsrichtung
in den Ringkanal eingeführt wird.
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Die
tangentiale Strömung
der Waschflüssigkeit
im Ringkanal erfüllt
im Wesentlichen die Aufgabe einen ausreichend hohen Füllstand
im Ringkanal zu sichern, so dass über die gesamte innere Mantelfläche der
Brennkammer ein geschlossener Film ausgebildet wird.
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Durch
eine solche Strömung
kann aber auch der Bildung von Anhaftungen und Ablagerungen an der Überlaufkante
bzw. im Ringkanal entgegen gewirkt werden.
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Der
Ringkanal kann oben offen sein bzw. die Überlaufkante kann auch durch
einen radial umlaufenden Ringspalt gebildet sein.
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Außerdem sollte
eine weitere Zuführung
für ein
Spülgas
vorhanden sein, so dass mit einer Spülgasströmung der Deckel und Brenner
sowie auch Prozessabgaszuführungen
in der Brennkammer vor Waschflüssigkeit
geschützt
werden und keine Benetzung erfolgen kann.
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Mit
der Spülgasströmung kann
auch eine Kondensatbildung in diesem Bereich verhindert zumindest
jedoch behindert werden.
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Weiterhin
werden unerwünschte
chemische Reaktionen vermieden, die zu festen Ablagerungen führen. Trotzdem
gebildete Feststoffe bleiben trocken und können mit der Spülgasströmung abgeblasen
werden, so dass der in das innere der Brennkammer weisende Teil
des Deckels frei gehalten werden kann.
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Dadurch
ist auch ein reduzierter Deckeldurchmesser möglich.
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Als
Spülgas
können
bevorzugt innrte Gase, wie z.B. Stickstoff eingesetzt werden.
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Die
Zuführung
für Spülgas in
die Brennkammer kann als Ringanordnung von diskret angeordneten
Düsen oder
Düsenspalte
bzw. als umlaufender Ringspalt ausgebildet sein. Die Austrittsöffnung(en) für Spülgas sollten
nah bei der Zuführung
für die Waschflüssigkeit
angeordnet sein. Der Spülgasdruck sollte
ausreichen, um eine Benetzung der zu schützenden Teile und Bereiche
zu verhindern.
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Der
mindestens eine Brenner kann mit einem Brenngas versorgt werden.
Die Brenngaszusammensetzung kann dabei so gewählt werden, dass in der Flamme
eine ausreichend hohe Temperatur und für die thermische Behandlung
günstige
stöchiometrische
Verhältnisse
erreichbar sind, die die jeweilige Zusammensetzung von zu behandelnden
Prozessabgasen berücksichtigen.
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An
Brennern können
auch Zündvorrichtungen
vorhanden sein, mit denen beispielsweise eine Funkenzündung der
Flamme erreichbar ist.
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Neben
mit Brenngasen betriebenen Brennern können aber auch Plasmabrenner
eingesetzt werden. Dies können
Lichtbogen- oder auch Mikrowellenplasmaquellen sein. Die Auswahl
kann unter Berücksichtigung
der jeweiligen Volumenströme
von zu behandelndem Prozessabgas erfolgen. So sind Lichtbogenplasmaquellen
bei größeren Volumenströmen zu bevorzugen.
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Das
zu behandelnde Prozessabgas kann dabei zumindest teilweise direkt
in einen Plasmabrenner eingeführt
und zur Plasmabildung genutzt werden, so kann ggf. auf die Zuführung zusätzlicher Brenngase
verzichtet oder eine reduzierte Zuführung von Gasen erreicht werden.
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Mit
der Erfindung können
günstige
Verhältnisse
für den
vollständigen
Austrag von bei der Behandlung gebildeten Partikeln, ohne dass Anhaftungen
an der inneren Wandung der Brennkammer auftreten sowie für die thermische
Behandlung erreicht werden. In letzt genanntem Fall wirken sich
die geometrische Gestaltung der inneren Mantelfläche auch thermisch (Verbrennungstemperatur,
Kühlung)
und bzgl. der Strömungsver hältnisse
in der Brennkammer vorteilhaft aus.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann über
lange Zeiträume
Störungs-
und Wartungsfrei betrieben werden. Eine Anpassung an unterschiedliche
zu behandelnde Prozessabgase ist in einfacher Form möglich. So
besteht die Möglichkeit
unterschiedlich konfigurierte Deckel mit entsprechend angepassten
Brenner- und Prozessabgaszuführungsanordnungen
einzusetzen oder auszutauschen.
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Nachfolgend
soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt
mit einer Zuführung
für eine
Waschflüssigkeit;
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3 einen Teil einer Vorrichtung
mit einer zentralen Anordnung eines Brenners;
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4 einen Teil einer Vorrichtung
mit mehreren radial außen
angeordneten Brennern;
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5 ein schematische Darstellung
für eine Anordnung
mehrerer Brenner mit Zuführungen
für Prozessabgas
und
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6 eine Vorrichtung mit einem
Plasmabrenner.
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In 1 ist in schematischer Form
ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gezeigt.
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Dabei
ist die Kammerwand der Brennkammer 1 ausgehend vom oben
angeordneten Deckel 3 bis hin zum Boden radial nach außen konvex
gewölbt,
so dass sich eine entsprechende Form auch für die innere Mantelfläche ergibt.
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Die
Gestalt ist auch rotationssymmetrisch um die Längsachse (Strich-Punkt-Linie)
der Brennkammer 1 ausgebildet.
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Unmittelbar
unterhalb des Deckels 3 ist eine Zuführung 2 für Waschflüssigkeit
angeordnet über die
die Waschflüssigkeit
im Überlauf
zur Ausbildung eines geschlossenen Filmes 11 auf der gesamten
inneren Mantelfläche
geführt
ist. Dadurch wird erreicht, dass der in das innere weisende Teil
des Deckels 3 trocken bleibt und von der Waschflüssigkeit
nicht benetzt wird.
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Dies
wird durch eine Spülgasströmung noch unterstützt. Dabei
wird ein Spülgas über Zuführungen 7 in
die Brennkammer 1 eingeführt. Die Zuführungen
für Spülgas sind
dabei zwischen Zuführung 2 für Waschflüssigkeit
und Deckel 3 mit Brenner 4 und Prozessabgaszuführungen 8 angeordnet,
so dass auch diese Elemente vor Waschflüssigkeit geschützt sind
und trocken gehalten werden können.
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Das
hier gezeigte Beispiel verwendet mehrere Brenner 4, die
radial außen
in einem Abstand zur Längsachse
der Brennkammer 1 angeordnet sind. Zwischen den Brennern 4 also
näher an
der Längsachse
ist mindestens eine, hier aber mehrere Prozessabgaszuführungen 8 angeordnet.
Durch die Prozessabgaszuführungen 8 werden
zu behandelnde Prozessabgase in die Brennkammer 1 eingeführt, wobei in
nicht dargestellter Form bereits eine Vormischung mit einem zusätzlichen
für die
thermische Behandlung erforderlichen oder diese fördernden
Gas oder Gasgemisch erfolgen kann.
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Eine
Vormischung kann auch zu den Brennern 4 vorgesehen werden,
in dem zum Beispiel einem Brenngas Prozessabgas zugemischt wird.
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Wie
in 1 deutlich wird sind
die Brenner 4 in einem schräg geneigten Winkel jeweils
in Richtung auf die zentral angeordnete Längsachse der Brennkammer 1 ausgerichtet,
so dass die zu behandelnden Prozessabgase unmittelbar zwischen Flammen
der Brenner 4 einströmen
und zwingend in deren Einflussbereich gelangen.
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Aus
der Gestalt der inneren Mantelfläche
der Brennkammer 1 ergibt sich ausgehend vom Deckel eine
kontinuierliche Vergrößerung der
lichten Weite, bis diese ein Maximum erreicht. Dieses Maximum kann
beispielsweise in der Mitte zwischen Deckel 3 und Boden
der Brennkammer 1 angeordnet sein. Von da aus reduziert
sich die lichte Weite in Richtung Boden wieder.
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Am
Boden ist eine Abführung 5 für Partikel enthaltende
Waschflüssigkeit
und die thermisch behandelten Abgase vorhanden.
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Beim
hier gezeigten Beispiel ist an der Abführung 5 zusätzlich eine
Sprühdüse 10 vorhanden, deren
Sprühstrahl
orthogonal zur Längsachse
der Brennkammer 1 ausgerichtet ist. Der Sprühstrahl kann
aber auch vertikal oder schräg
nach oben geneigt gerichtet sein.
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Die
Sprühdüse 10 ist
bevorzugt als Zweistoffdüse
für ein
Flüssigkeits-Gas-Gemisch
ausgebildet.
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Mit
Hilfe des Sprühstrahles
können
bis dahin noch nicht von der ablaufenden Waschflüssigkeit aufgenommene Partikel
aus dem Abgas entfernt und, wie gezeigt einem Nassabscheider zugeführt werden.
Außerdem
kann bei der Behandlung gebildeter Dampf kondensiert und mit der
Waschflüssigkeit
abgeführt
werden.
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Die
mit Partikeln kontaminierte Waschflüssigkeit kann in nicht dargestellter
Form einem Feststoffabscheider zu und anschließend frei von Partikeln im
Kreislauf rückgeführt werden.
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Bei
den nachfolgend beschriebenen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen
für gleiche
Elemente, wie bei 1 verwendet
worden.
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In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt
am äußeren oberen
Rand einer Vorrichtung mit Zuführung 2 für Waschflüssigkeit
gezeigt.
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Dabei
ist unmittelbar unterhalb des Deckels 3 ein umlaufender
Ringkanal 2' vorhanden
in den Waschflüssigkeit
zugeführt
wird, so dass er beim Betrieb der Vorrichtung immer ausreichend
gefüllt
ist, um zu gewährleisten,
dass über
den gesamten Umfang Waschflüssigkeit über eine
ebenfalls umlaufende Überlauf
kante 2'' , die am Ringkanal 2' vorhanden ist,
ablaufen und den geschlossenen Film 11 auf der gesamten
inneren Mantelfläche
der Brennkammer 1 ausbilden kann, ohne dass dabei auf die
Waschflüssigkeit
außer
der Gravitationskraft weitere Kräfte ausgeübt werden.
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In 2 ist außerdem eine Zuführung 7 für ein Spülgas dargestellt.
Die Zuführung 7 ist
ebenfalls radial außen
angeordnet, so dass zwischen Zuführung 2 für Waschflüssigkeit
und Deckel 3 eine Spülgasströmung ausgebildet
ist, die den Deckel 3 mit den weiteren an ihm angeordneten
Elementen vor einer Benetzung durch Waschflüssigkeit schützt.
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Das
Spülgas
gelangt hier durch einen umlaufenden Ringspalt in die Brennkammer 1,
der unmittelbar unterhalb des Deckels 3 angeordnet ist,
so dass ein Spülgasfilm
entlang des nach innen weisenden Teil des Deckels 3 ausgebildet
wird, der das Anhaften von Partikeln oder anderen Feststoffen verhindert, zumindest
jedoch behindert und ggf. anhaftende Feststoffe auch abgeblasen
werden können.
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Als
Spülgas
kann bevorzugt Stickstoff oder auch Druckluft eingesetzt werden.
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3 zeigt eine andere mögliche Anordnung
von Brenner 4 und Prozessabgaszuführungen 8. Hier ist
ein Brenner 4 zentral auf der Längsachse der Brennkammer 1 angeordnet.
In einem Abstand zum Brenner 4 sind radial weiter außen zwei
oder auch mehr als zwei Prozessabgaszuführungen 8 angeordnet.
Die Anordnung sollte symmetrisch sein.
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Dabei
sind die Prozessabgaszuführungen 8 und
demzufolge auch die Strömungsrichtung
der in die Brennkammer 1 eingeführten Prozessabgase schräg in Richtung
auf die Längsachse
der Brennkammer 1 und dementsprechend in die Flamme des Brenners 4 gerichtet.
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Mit
den 4 und 5 sollen mögliche Anordnungen
mehrerer Brenner 4 und Prozessabgaszuführungen 8 aufgezeigt
werden.
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Dabei
bilden insgesamt vier Brenner 4 eine quasi Ringanordnung
um ebenfalls vier in Sternform diskret zueinander angeordnete Prozessabgaszuführungen 8.
Die Brenner 4 und dementsprechend auch ihre jeweiligen
Flammen sind schräg
nach innen und unten gerichtet, so dass die Flammen einen „Kranz" bilden, in den die
zu behandelnden Prozessabgase und ggf. zusätzliche für die thermische Behandlung erforderliche
bzw. diese fördernde
Gase zwischen den Flammenkranz in die Brennkammer 1 eingeführt werden
und dann zwangsweise in den Einflussbereich der Flammen gelangen.
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Die
Brenner 4 und auch die Prozessgaszuführungen 8 sind jeweils
zueinander äquidistant
und in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet.
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Mit 5 wird ferner deutlich,
wie zwei Zuleitungen 6 für Waschflüssigkeit angeordnet und ausgerichtet
sein können, über die
Waschflüssigkeit
in den Ringkanal 2' einströmen kann,
um eine nahezu konstante Befüllung
des Ringkanals 2' über seinen
gesamten Umfang zu erreichen.
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In 6 ist ein Beispiel gezeigt,
bei dem ein Plasmabrenner 4 und analog zum in 3 gezeigten Beispiel mehrere
Prozessabgaszuführungen 8 angeordnet
und ausgerichtet sind.