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Verfahren zur Verhinderung des Entstehens eines explosiven Brennstoff-Luft-Gemisches
in der Brennkammer eines Hochdruckdampferzeugers Die Erfindung betrifft ein Verfahren,
das die Bildung eines entflammbaren Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer
nach Erlöschen der Flamme verhindern soll.
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Es ist in der Feuerungstechnik üblich, die Flamme
in der Brennkammer
mitHilfe einesFlammenwäch ers zu überwachen und beim Erlöschen der Flamme die Brennstoffzufuhr
zur Brennkammer zu unterbrechen. Auch ist es üblich, anschließend Luft einzublasen,
um die Brennkammer zu reinigen und die Bildung eines explosiven Brennstoff-Luft-Gemisches
in der Brennkammer zu verhindern. Solch eine Betriebsweise kann das Entstehen eines
explosiven Gemisches in der Brennkammer nicht mitSicherheit ausschließen. Das Abschalten
der Brennstoffzufuhr bei fortdauernder Luftzufuhr ist dann geeignet, wenn die
Flamme
durch einen Luftüberschuß erloschen ist. Wenn aber die Ursache des
Erlöschens der Flamme ein überschuß an Brennstoff ist oder wenn in der Brennkammer
beim Erlöschen der Flamme ein reiches Gemisch von Brennstoff und Luft vorhanden
ist, dann ist dieses Verfahren gefährlich, weil sich dann in der Brennkammer ein
explosives Gemisch bilden kann.
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Aus der Zeitschrift »Energie und Technik«, 1956,
S. 15,
ist eine Sicherheitsvorrichtung für Gichtgasfeuerungen bekannt, bei der die Gaszufuhrleitungen
mit Dampf ausgeblasen werden. Bei der Anwendung auf Dampferzeuger kann zwar die
Brennstoffzufuhr unterbrochen und in die Brennkammer Dampf eingeblasen werden, jedoch
nicht so schnell, daß sich bei großen Brennkammern mit fortdauernder Luftzufuhr
keine explosive Atmosphäre bilden könnte. Dieser Nachteil ergibt sich einerseits
aus dem großen Brennkammervolumen und andererseits daraus, daß die Luftzufuhr bei
Dampferzeugern nicht schnell genug unterbrochen werden kann, und zwar wegen der
Größe der Regelklappen in der Luftleitung und der Trägheit des Gebläses.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß der Dampf unmittelbar
in die Luftleitung, insbesondere in den Bereich, der zwischen einem zur Unterbrechung
der Luftzufuhr vorgesehenen Absperrorgan und den Brennem liegt, eingeblasen wird.
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Es ist wesentlich, daß die Zufuhr von Brennstoff und Luft sehr schnell
nach dem Erlöschen der Flamme beendet wird, vorzugsweise innerhalb einer Sekunde
nach dem Erlöschen der Flamme. Da es aus den oben beschriebenen Gründen schwierig
ist, die Luftzufuhr zur Brennkammer innerhalb einer so kurzen Zeit zu unterbrechen,
wird es gemäß der Erfindung vorgezogen, den Dampf mit verhältnismäßig hohem Druck
in die Luftzufuhrwege einzuführen. Dies hat den Vorteil, daß die Luftzufuhr vollständig
blockiert wird, da der von dem auslaufenden Gebläse erzeugte Druck wesentlich kleiner
als der des Hochdruckdampfes ist. Führt man den Dampf auf diese Weise ein, so ergibt
sich der weitere Vorteil, daß der Dampf den gleichen Wegen folgt wie die Luft, die
vorher der Brennkammer zugeführt wurde, so daß sich eine ähnliche Mischwirkung mit
dem Gasinhalt der Brennkammer ergibt. Da auch die Führung in der Brennkammer die
gleiche ist wird die Bildung isolierter Brennstoff- und Luftgebiete, die sich nicht
mit dem Dampf mischen, vermieden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt F
i g. 1 schematisch einen lotrechten Längsschnitt durch einen Dampferzeuger,
der die Erfindung anwendet, F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2
der Fig. 1, F i g. 3 Einzelheiten der Anordnung der Brenner und der Luftführung
in einer Ecke der Brennkammer,
F i g. 4 eine graphische Darstellung
der Brennstoff-Luft-Gemische, die sich in der Breinikammer nach Erlöschen der
Flamme bilden können.
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In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erlmdung
dargestellt. Der Dampferzeuger hat eine Brennkammer 10 mit Brennem 12 in
jeder Ecke. Die Verbrennungsgase strömen durch die Führimg 14, den Luftvorwärmer
16 und über das Sauggebläse 52 zum Schornstein. -
Die Speisepumpe
20 führt das Speisewasser durch den Vorwärmer 18 und die Leitung 24 zur Trommel
22. Von dort gelangt es über die Leitung 26 zu den Brennkammerwandrohren
27 und von dort über die Leitung 28 zur Trommel 22. Der Dampf
gelangt über die Leitung 30 zum überhitzerabschnitt 32 und von dort
zum weiteren -überhitzerabscbnitt 34. Anschließend wird er über die Leitung
36 einem Verbraucher, z. B. einer Turbine, zugeführt.
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Obwohl die Erfindung für eine Vielzahl von Feuerungssystemen, z. B.
mit Vorderwandfeuerung, Zyklonfeuerung und anderen, Bedeutung hat, wird ihre Anwendung
auf eine Eckenfeuerung beschrieben. Bei diesem System ist eine Vielzahl von Brennem
12 an symmetrischen Stellen in der Brennkammer angeordnet, z. B. in den Ecken. Die
Brenner sind tangential an einen imaginären, zentral angeordneten vertikalen Zylinder
37 in der Brennkammer gerichtet.
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Bei der dargestellten Eckenfeuerung wird die Brennereinheit 12 von
zwölf Brennstoffdüsen 38 gebildet. Diesen Düsen -wird Kohlenstaub von einer
Pulvermühle 40 über einen Verteiler 42 zugeführt.
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In den Brennereinheiten sind auch die Luftdüsen 44 angeordnet, denen
die Luft durch eine Leitung oder einen Windkasten 46 zugeführt wird. Diese Leitung
erhält Warmluft vom Lufterhitzer 16 über die Verbindungsleitung
50. An- Stelle des dargestellten Druckluftsystems kann auch ein Saugluftfeuerungssystem
verwendet werden.
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Zur Regelung der Luftzufuhr sind motorgetriebene Klappen
58 in der Leitung 50 angeordnet. Man kann auch zusätzlich den Motor
des Gebläses 48 steuern.
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Die Flamme in der Brennkammer 10 wird vom Flammenwächter
60 überwacht. Dieser Flammen
wächter gibt bei Erlöschen der
Flamme ein Signal an die Steuerglieder 62 ab. Diese unterbrechen dann
sofort die Brennstoffzufahr. Die Luftzufuhr wird entweder auch beendet oder erheblich
herabgesetzt, und es wird gleichzeitig Dampf über die Düsen in die Brenukammer eingeleitet,
die vorher zur Einleitung von Luft benutzt wurden. Zu diesem Zweck ist die Leitung
64 mit der Dampfleitung 30 und den Verteilem 66 verbunden. Diese Verteiler
sind als langgestreckte Zylinder ausgebildet, die nach unten in den Windkasten 46
hineinragen. über ihre ganze Länge sind öffnungen für den Austritt des Dampfes angeordnet.
Wenn Dampf von 3,5 Atm oder höheren Druckes diesen Verteilem zugeleitet wird,
wird der Luftstrom völlig abgesperrt, selbst wenn das Gebläse 48 nicht abgeschaltet
und die Klappe 58 nicht geschlossen ist. Es ergibt_ sich also eine sehr schnelle
Beendigung der Luftzufuhr zur Brennkammer. Dies ist auf andere Weise sehr schwer
zu erreichen, weil das Gebläse 48 eine gewisse Trägheit hat und für die Betätigung
der großen Klappe 48 eine längere Zeit benötigt wird und sie außerdem nicht völlig
dicht schließt. Der Dampf füllt dann den Windkasten aus und strömt in die Brennkammer
durch die Düsen 44 ein. Die Dampfzufuhr zu den Verteilern 66 wird mit Hilfe
des Ventils 68 in der Leitung 64 gesteuert. Erlischt die Flamme, veranlaßt
das Signal des Flammenwächters 60 über das Steuerglied 62 und
das SteRglied 70 ein schnelles öffnen des Ventils 68.
Dieses Ventil
ist normalerweise geschlossen, kann jedoch schnell geöffnet werden. Außerdem veranlaßt
das Steuerglied 62 auch die Unterbrechung der Brennstoffzufuhr. Dies geschieht
durch Abschalten der Speisevorrichtung 53 und, falls notwendig, durch Schließen
der Klappe 54 mit Hilfe des Motors 72.
Zusätzlich oder statt dessen
kann der Antriebsmotor 56 der Pulvermühle abgeschaltet werden. Zusätzlich
wird auch noch die Klappe 58 mit Hilfe des Motors 74 geschlossen und/oder
der Antriebsmotor 76 des Gebläses 48 abgeschaltet. Das Sauggebläse
52 bleibt auch nach Erlöschen der Flamme in Betrieb.
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Mit diesem Verfahren wird die Brennstoffzufuhr sofort unterbrochen
und ein inertes Gas durch die Luftzuführdüsen in die Brennk-ammer, eingeführt, und
zwar unabhängig davon, ob das Erlöschen wegen eines Brennstoff- oder eines Luftüberschusses
oder aus anderen Gründen erfolgt. Selbst wenn der Brennkammer zugleich mit dem inerten
Gas etwas Luft zugeführt wird, ist die Sauerstoffkonzentration in der Mischung sehr
viel niedriger, als für die Entflammbarkeit nötig wäre. Die Zufuhr des inerten Gases,
d. h. des Dampfes durch die Luftdüsen, hat den Vorteil, daß sich in der Brennkammer
keine isolierten Brennstoff-Luft-Gebiete bilden, da der Dampf denselben Weg nimmt
wie der Brennstoff und die Luft, die in die Brennkammer eingeführt wurden. Der Dampf
unterliegt denselben Mischungsvorgängen wie Brennstoff und Luft. Die Dampfzufuhr
in die Brennkammer wird so lange fortgesetzt, bis mit Sicherheit kein explosives
Gemisch in der Brennkammer mehr entstehen kann. Um sicher zu gehen, werden nach
Unterbrechung der- Brennstoff- und Luftzufuhr 12 bis 15 Erneuerungen des
Brennkammerinhaltes vorgesehen.
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Das Verfahren ist besonders für Dampferzeuger geeignet da billiges
inertes Gas als Dampf entspre-7 chenden Drucks zur Verfügung steht. Es ist auch
verhältnismäßig einfach, einen Dampferzeuger für das Verfahren nach der Erfindung
um il auen.
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Die graphische Darstellung der F i g. 4 zeigt, wie bei Anwendung
bestimmter Verfahren hochexplosive Verhältnisse in einer Brennk2mrner nach Erlöschen
der Flamme - eintreten können. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
kann eine explosive Atmosphäre nicht entstehen, unabhängig davon, aus welchem Grund
die Flamme erloschen ist. Auf der Ab-
szisse der F i g. 4 sind sowohl
die richtige Luftinenge als auch die überschußluft aufgetragen. Der Prozentsatz
der richtigen Luftmenge ändert sich von Null am äußersten linken Ende der Abszisse
(wo das Verhältnis der Brennstoff-Luft-Mischung unendlich ist) bis zu unendlich
am rechten äußeren Ende der Ab-
szisse (wo der Prozentsatz des Brennstoff-Luft-Gemisches
Null ist). Der Prozentsatz der überschußluft geht von Null an der Stelle mit
100 Prozent richtiger Luft bis zu 100 an der Stelle mit 200 Prozent
richtiger Luft. Die Ordinate der Darstellung ist in Prozentsätzen inerter Gase in
der Brennkammeratmosphäre geteilt. Die dargestellte Kurve bezieht sich auf eine
Mischung von Methan und Luft.
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Es sei nun angenommen, daß das Erlöschen der Flamme beim Punkt
78 auf einem Brennstoffüberschuß beruht. Dann wird innerhalb 1 Sekunde
die
Charakteristik der Brennkammeratmosphäre entlang der Linie
78 a bis zu dem Punkt 78' absteigen. Wenn der Flammenwächter
innerhalb dieser Zeit das Erlöschen der Flamme erfaßt, die Brennstoff- und Luftzufuhr
abgeschaltet und das System der Inertgaszufuhr in Betrieb gesetzt hat, so wird die
Charakteristik der Atmosphäre in der Brennkammer durch die Linie 78 b dargestellt.
Dabei ist jeder der Punkte auf dieser Kurve 78 b (wie bei allen Kurven) zeitlich
1 Sekunde verschoben. Diese Kurve 78 b verläuft vom Punkt
78" aufwärts in die immer mehr inert werdende Zone, so daß keine entflammbare
Methan-Luft-Mischung in der Brennkammeratmosphäre gebildet wird. Falls das Verfahren
nach der Erfindung nicht angewendet, sondern nur die Brennstoffzufuhr abgeschaltet
wird, die Luftzufuhr aber eingeschaltet bleibt und kein inertes Gas zugeführt wird,
dann folgt die Charakteristik der Brennkammeratmosphäre der Kurve 78 c, die
durch die Entflammbarkeitszone hindurch verläuft und dementsprechend eine explosive
Atmosphäre in der Brennkammer erzeugt. Wenn die Luft abgeschaltet wird, jedoch
die Brennstoffzufuhr eingeschaltet bleibt und kein inertes Gas zugeführt wird, verläuft
die Kurve der Charakteristik der Brennkamm eratmosphäre nach 78 d.
Werden sowohl Brennstoff- als auch Luftzufuhr eingeschaltet gelassen und kein inertes
Gas zugeführt, verläuft die Charakteristik der Brennkammeratmosphäre entsprechend
der Kurve 78 e. Wenn die Brennstoffzufuhr abgeschaltet, die Luft aber eingeschaltet
gelassen und ein inertes Gas zugeführt wird, so ergibt sich als Charakteristik für
die Brennkammeratmosphäre die Kurve 78f. Wenn die Luft abgeschaltet, aber die Brennstoffzufuhr
eingeschaltet gelassen und ein inertes Gas zugeführt wird, so ergibt sich als Charakteristik
für die Brennkammeratmosphäre die Kurve 78 g.
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Wenn man nun annimmt, daß am Punkt 80 die Flamme erlischt,
d. h. an einer Stelle mit überschußluft, so wird die Charakteristik durch
die Kurve 80 a
dargestellt, und die Brennkammeratmosphäre wird in
1 Sekunde beim Punkt 80' sein. Von diesem Punkt aus hat die Brennkammeratmosphäre
eine Charakteristik nach der Kurve 80 b, wenn Brennstoff und Luft abgeschaltet
werden und inertes Gas zugeführt wird. Die Kurve 80 c stellt die Charakteristik
der Brennkammeratmosphäre dar, wenn die Brennstoffzufahr abgeschaltet, die Luftzufuhr
aber eingeschaltet gelassen und kein inertes Gas zugeführt wird; die Kurve
80d stellt den Zustand dar, wenn die Luftzufuhr abgeschaltet wird, die Brennstoffzufuhr
aber eingeschaltet bleibt und kein inertes Gas zugeführt wird. Hier ergibt sich
also eine explosive Atmosphäre. Die Kurve 80 e stellt die Brennkammeratmosphäre
dar, wenn sowohl Brennstoff- als auch Luftzufuhr eingeschaltet bleiben und kein
inertes Gas zugeführt wird; die Kurve 80f ist die Charakteristik der Brennkammeratmosphäre,
wenn zwar die Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird, die Luftzufuhr aber eingeschaltet
bleibt und das inerte Gas zugeführt wird; schließlich zeigt die Kurve
80g die Charakteristik der Atmosphäre, wenn die Luftzufuhr abgeschaltet wird,
die Brennstoffzufuhr aber eingeschaltet bleibt und inertes Gas zugeführt wird.
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Wenn man annimmt, daß die Flamme beim Punkt 82 erlischt, und
zwar weil -überschüssige Luft vorhanden ist, so ist die Charakteristik der Brennkammeratmosphäre
nach 1 Sekunde durcli den Punkt 82'
dargestellt. Wenn man nach den
verschiedenen obenerwähnten Verfahren vorgeht (wie dies an Hand der beiden Kurvenscharen
oben beschrieben wurde), so fallen die Charakteristiken der Brennkammeratmosphäre
entlang den verschiedenen Kurven, die von dem Punkt 82' ausgehen (s. Zeichenerklärung
zu F i g. 4).
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Obwohl in der F i g. 4 nur drei Punkte dargestellt sind, bei
denen ein Erlöschen der Flammen eintritt, so kann das erste Erlöschen
der Flamme in einem ganzen Bereich von Konzentrationen inerter Gase der Brennkammeratmosphäre
eintreten, so daß die Lage des ersten Erlöschens der Flamme entlang der Ordinate
der F i g. 4 veränderlich ist.
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Es ist so anschaulich dargestellt, daß mit Ililfe der Erfindung mit
Sicherheit keine explosive Atmosphäre in der Brennkammer im Anschluß an das Erlöschen
der Flamme auftreten kann.