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Verfahren zum Verbrennen von explosiven Gasgemischen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von explosiven Gasgemischen gasförmiger und
flüssiger Brennstoffe nach Art der flammenlosen Oberflächenverbrennung, bei dem
zunächst ein Teil des explosiven Gasgemisches in einer Brennkammer verbrannt und
anschließend der brennende Gasstrom durch eine poröse feuerfeste Masse gepreßt wird.
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Bei der Verbrennung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen besteht
im allgemeinen das Problem, die Brennstoffe möglichst vollkommen und mit möglichst
geringem Luftüberschuß zu verbrennen, um die Verluste möglichst gering zu halten.
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Nach der schweizerischen Patentschrift 60 465 ist ein Wärmeerzeuger
bekannt, bei dem die Verbrennung in zwei verschiedenen Verbrennungsräumen durchgeführt
wird. Nach einer Vorverbrennung in dem ersten Brennraum erfolgt in dem zweiten Brennraum
unter Zufuhr zusätzlicher kalterVerbrennungsluft und unter nochmaliger Zündung eine
Nachverbrennung. Der zweite der Verbrennung dienende Brennraum ist mit feuerbeständigem
Material, z. B. mit Porzellanstücken, angefüllt. Diese feuerfeste, poröse Masse
soll bewirken, daß die Verbrennungsgase beim Durchtritt durch dieselbe möglichst
voll-kommen verbrennen.
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Der Nachteil dieserVorrichtung ist darin zu sehen, daß eine
vollkommene Verbrennung nur angenähert erreicht und überdies Luftüberschuß benötigt
wird. Eine vollkommene Verbrennung von explosiven Gasgemischen nach Art der flammenlosen
Oberflächenverbrennung wird durch die nach der schweizerischen Patentschrift
60 465 bekannte Vorrichtung nicht erreicht.
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Nach der deutschen Patentschrift 355 918 ist eine Gasfeuerung
für Glühöfen, Härteöfen, Trockenöfen od. dgl. bekanntgeworden, der die Aufgabe zugrunde
liegt, minderwertige Gase möglichst vollkommen zu verbrennen. Zur Lösung
dieser Aufgabe wird dabei vorgeschlagen, daß zwischen die Brenner und unterhalb
der Wärmeaustauschflächen ein Stapel von wärmeschlechtleitenden Massen eingeschaltet
ist, durch den die Flammen hindurchzuschlagen gezwungen sind. Der Nachteil
auch dieser Vorrichtung liegt darin, daß einerseits ein hoher Luftüberschuß, vorhanden
ist und daß andererseits keine vollkommene Verbrennung erreicht wird. Durch das
Einschalten der porösen, feuerfesten Masse in den brennenden Gasstrom wird zwar
der Ausbrand erhöht, eine flammenlose Oberflächenverbrennung findet je-
doch
nicht statt, da die Flammen durch die poröse Masse hindurchschlagen.
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Während die beiden vorgenannten Vorrichtungen mit Luftüberschuß arbeiten,
wird durch die deutsche Patentschrift 559 620 eine Feuerung in Vorschlag
gebracht, bei der zum Verbrennen explosiver Gasgemische nach Art der flammenlosen
Oberflächenverbrennung über einer porösen, feuerfesten Masse eine Brennkammer angeordnet
wird, in der ein gewisser Teil des explosiven Gasgemisches zunächst vorverbrannt
wird. Der überwiegende Anteil der zu-
geführten Gase wird jedoch erst in der
feuerfesten, porösen Masse zur völligen Verbrennung gebracht.
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Die Nachteile dieser bekannten Vorrichtung liegen zum einen darin,
daß der feuerfesten Masse durch einen Tiegel oder durch eine Muffel Wärine entzogen
wird, was für den Verbrennungsablauf in der feuerfesten Masse nicht sehr günstig
ist, und zum anderen darin, daß der überwiegende Anteil der Verbrennungsgase in
der feuerfesten Masse zur Verbrennung gelangt, so daß dieselbe sich sehr schnell
zusetzt und nach kurzen Zeitabständen ausgewechselt werden muß. Eine wirtschaftliche
Arbeitsweise ist somit nicht möglich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik und der eingangs genannten
Problemstellung ist es nun Aufgabe der Erfindung, den Mängeln der bekannten Vorrichtungen
abzuhelfen und ein Verfahren und eine Vorrichtung in Vorschlag zu bringen, wodurch
eine vollkommene Verbrennung von explosiven Gasgemischen nach Art der flanunenlosen
Oberflächenverbrennung möglich ist. Dabei soll insbesondere die Wirtschaftlichkeit
verbessert und die feuerfeste Masse nahezu unbegrenzt betriebs- und funktionsfähig
bleiben.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das explosive Gasgemisch in
der Brennkammer weitgehendst vorverbrannt und daß in der porösen Masse nur der verbleibende,
geringe Rest an brennbaren
Bestandteilen des explosiven Gasgemisches
völlig ausgebrannt wird, wobei eine Wärmeabfuhr aus der Brennkammer und der porösen
Masse vermieden wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Gebläsebrenner, der mit stöchiometrischem
Gemisch arbeitet, einer Brennk2mmer kleinen Volumens sowieaus einer porösen, feuerfesten
Masse und einem Ofenraum.
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Bevorzugt weist die feuerfeste, poröse Masse eine gleichmäßige Porosität
und Dicke auf. Es hat sich gezeigt, daß sehr vorteilhafte, Ergebnisse erzielt werden,
wenn die feuerfeste Masse aus kugelförmigen »Brocken« besteht, die gegebenenfalls
eine rauhe Oberfläche aufweisen können.
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Ein sehr wirtschaftlicher Betrieb wird erreicht, wenn bei einer Verbrennung
von- flüssigen Brennstoffen ein Verdampfungsbrenner verwendet wird.
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.. Bei dem eründungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einem
an sich bekannten Gebläsebrenner ein gut vorgemischtes, explosives Gasgemisch erzeugt,
daß sodann in einer Brennkammer möglichst kleinen Volumens unter starker
Druckwirbelung soweit als möglich vorverbrannt wird, d. h., diese Vorverbrennung
wird in der Regel 90 bis 95 % betragen. Ein derartiger Prozentsatz
entspricht in etwa einem mit herkömmlichen Verbrennungsverfahren erreichbaren Ausbrand.
Eine möglichst starke Durchwirbelung der Gase in der Brennkammer erfolgt einmal
dadurch, daß dieselben durch ihre kinetische Energie beün Eintritt auf eine Wandung
der Brennkammer aufprallen und zum anderen dadurch, daß durch die weitgehende Vorverbrennung
eine orkanartige Verwirbelung und Durchmischung erreicht wird. Es wird somit eine
dreifache Verwirbelung und Durchmischung erzielt, zuerst im Gebläsebrenner, sodann
während der Vorverbrennung und schließlich nochmals durch denAufprall des brennenden
Gasstromes auf eine Wandung der Brennkammer. Diese möglichst innige Durchmischung
ist eine wesentliche Voraussetzung für die vollkommene Verbrennung in der porösen
Masse.
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Die Brennknmrner'#vird in ihrem Volumen möglichst klein gehalten,
um einerseits die vorgenannte gute Durchmischung zu fördern -und andererseits eine
Abkühlung der -Gase durch Expansion zu vermeiden. Es ist von Vorteil, wenn
durch eine Isolierung der Brennkamm er weitere Wärmeverluste, z. B. durch Strahlung,
vermieden werden. Für die Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
jedoch eine derartige Isolierung nicht unbedingt erforderlich.
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Das in der Brennkammer weitgehend, z. B. zu einem Prozentsatz von
etwa 95 '/o, vorverbrannte, explosive Gasgemisch, das durch die starke Verwirbelung
sehr gut durchgemischt ist, wird sodann durch eine feuerfeste, poröse Masse gepreßt,
die zweckmäßigerweise eine gleichmäßige Porosität aufweist. In der feuerfesten,
porösen Masse wird der verbleibende geringe Rest an brennbaren Bestandteilen des
explosiven Gasgemisches vollkommen und restlos verbrannt, wodurch die poröse Masse
weitgehend entlastet wird. Es wird somit mit Sicherheit vermieden, daß gewisse Teile
der porösen, feuerfesten Masse sich im Laufe der Zeit zusetzen und verschrauizen,
weshalb die Funktionsfähigkeit der feuerfesten, porösen - Masse nahezu unbegrenzt
erhalten bleibt und außerdem ein betriebssicherer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
gewährleistet ist. So werden insbesondere auch mit Sicherheit Wärmestauungen in
der porösen Masse vermieden, die z. B. darauf zurückz#uführen sind, daß gewisse
Teile der porösen Masse eine reduzierte Gasdurchlässigkeit aufweisen. Zur Erzielung
der für die flammenlose Oberflächenverbrennung in der porösen Masse benötigten hohen
Temperaturen wird jede Wärmeabfuhr sowohl in der Brenukammer als auch in der porösen
Masse vermieden, und allein der aus der porösen Masse austretende, hocherhitzte
neutrale Gasstrom wird zur Wärmeübertragung benutzt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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In der Wandung einer Brennkanimer b kleinen Volumens ist eine
öffnung a vorgesehen, in die ein an sich bekannter Gebläsebrenner, der mit stöchiometrischem
Gemisch arbeitet, eingeführt werden kann. Die Längsachse der öffnung ist hierbei
parallel zu einer Schicht c aus feuerfestem, porösem Material angeordnet. Das Volumen
der Brennkammer b ist möglichst klein gehalten, um die temperaturvermindernde
Ausdehnung der Verbrennungsgase zu beschränken und die Temperatur derselben möglichst
hoch zu halten.
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Besonders bevorzugt kommen Kugeln mit einem Kugeldurchmesser
von 4 cm in Anwendung, hierbei hat jeder Hohlraum ein Volumen von etwa
0,5 cm3 und jeder seiner vier Durchlässe zu den angrenzenden Hohlräumen eine
Querschnittsfläche von etwa 0,25 em2.
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Je nach Ofengröße kann es auch von Vorteil sein, kugelförmige »Brocken«
in einem größeren Durchmesser als 4 cm zu benutzen. Im allgemeinen wird die Größe
der »Brocken« um so größer sein, je größer der benutzte Ofen und dessen Leistung
ist. An Stelle von lose aufeinandergeschichteten Brocken kann auch eine zusammenhängende
poröse Masse verwendet werden.
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Die vollkommen verbrannten Gase treten aus der feuerfesten,
porösen Masse c durch Öffnungen d in einen Ofenraum e ein, in dem sie ein
Schmelzgut beaufschlagen. Der Schmelzvorgang kann durch eine Schauöffnung
f beobachtet werden. Auf Grund der Tatsache, daß der Ofenraum e unmittelbar
unterhalb der feuerfesten, porösen Masse c angeordnet ist, kann die kinetische Energie
des mit großer Geschwindigkeit ausströmenden, hocherhitzten Gasstromes voll ausgenutzt
werden.
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Auf Grund der Tatsache, daß der Verbrennungsraum und insbesondere
auch die feuerfeste, poröse Masse nur eine geringe Ausdehnung aufweisen, ist es
mit sehr einfachen Mitteln möglich, schon bestehende Feuerungsanlagen so umzugestalten,
daß eine flammenlose Oberflächenverbrennung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
durchgeführt werden kann. Es ist dabei möglich, die gesamte Brennvorrichtung schwenkbar,
abnehmbar oder ortsfest an einen Ofenraum anzuschließen.
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Eine besonders wirtschaftliche Arbeitsweise des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird dann erzielt, wenn als Brennstoff ein flüssiger Brennstoff, z. B.
Öl,
benutzt wird. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, daß keine zusätzliche
Vergasungsvorrichtung benötigt wird, da ein an sich bekannter Verdampfungsbrenner
zur
Anwendung kommen kann. So wurden z. B. Schmelzversuche mit Grauguß, Temperguß,
Kupfer, Bronze und Aluminium durchgeführt, wobei ein mit rohem Erdöl arbeitender,
sehr einfacher Niederdruckbrenner benutzt wurde.
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Es ist zweckmäßig, den Druck des der Brennkammer zugeführten explosiven
Gasgemisches so hoch zu halten, daß auch noch im Ofenraum überatmosphärischer Druck
herrscht, so daß ein Eindringen von atmosphärischer Luft in denselben vermieden
wird.