Verfahren zur Erzielung einer Hochtemperaturwirbelverbrennung mit
verminderter Rezirkulation und Hochtemperaturwirbelbrennkammer. Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Erzielung einer Hochterzperaturwirbelverbrennung sowie eine dafür
geeignete fiochtemperaturwirbelbrennkammer. . Beil den bekannten Wirbelbrennkammern
wird die Flammenstabilität durch Rückströmung heißer Verbrennungsgase im Wirbelkern
(Rezirkulat-on) erreicht. Diese Rückströmung hat jedoch zur Folge, daB der wirksame
Brennkammerquerschnitt vermindert wird. Bei konstantem Feuerraumvolumen sinkt
der zulässige Wärmeanfall im
Feuerraum und somit die Leistung. Außerdem
vereinigt eich das rückströmende Gas wieder mit dem frischen' Arbeitsgag -und"-"äthöht
als Ballastmenge die im wirksamen@Quereehnitt'atrömende Gasmenge. Deshalb treten
bei den bekannten Wirbelbrenxücammern hohe Gasger schwindigkeit und somit hohe Kühlverhtlste
auf. Wird andererseits die Gasgeschwindigkeit verringert, wird lediglich
ein niedrigerer Wärmeanfall erreicht. Man war deshalb bemüht,die Rückströmung durch
geeignete Gestaltung der Brennkammer und der Düsen soweit zu vermindern, bis die
Flamme gerade noch stabil gehalten wird.*Es ist jedochsehr schwierig, die Rückstromverhältnisse
in einer Wirbelbrennkammer exakt einzustellen. Andererseits ist die Verminderung
der Rückströmung eine Voraussetzung, um kleine Brennkammern mit hoher thermischer
t Leistung in Kompaktbauweise herstellen zu können sowie bei ausreichender Verweilzeit
einen hohen Wärmeanfall zu erzielen. An der Entwicklung von besseren Wirbelbrennkammern
sind deshalb weite Bereiche der Technik interessiert. So können Hochtemperaturwirbelbrennkammern.für
magnetohydrodynamische Generatoren sowie für ihre als Beschleuniger arbeitende Umkehrung
(gewöhnlich unter YHD-Technik zusamnengefaßt), im Hüttenwesen, bei Wärmekraftwerken,
für Gasturbinen sowie in der Chemie und bei der Glasherstellung eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturwirbelverbrennung zu
entwickeln, bei der die Rückströmung ohne'die@-zuvor geschilderten Nachteile vermindert
ist. Der Erfindung liegt
dabei die.Erkenntnis.zugrunde, daß durch
eine Erhöhung des Kerndruckes in der Wirbelverbrennungszone die ungünstige axiale
Rückströmung weitgehend unterdrückt werden kann, ohne die erstrebenswerte
Rückströmung im Querschnitt senkrecht zur Achse der Wirbelströmung
zu verringern. Die Erfindung besteht darin, daß in einer Nirbelbrennkammer
außer einer verdrallten Ringströmung zur Verminderung der Rückströmung eine zur
Ringströmung zentrische Axialströmung aus Stoffen, die zumindest mit der
Ringströmung einen Verbrennungsprozeß unterhalten, bei solchen Strömungsmengen
erzeugt wird, daß maximale Brennkammertemperaturen auftreten. Es ist möglich,
Axialströmung wie Ringströmung durch einen Verbrennungsproseß zu erzeugen, bzw.
einen Verbrennungsprozeß in diesen Strömungen ablaufen zu lassen. idan kann auch
als Axialströmung oder als Ringströmung nur eine Komponente für einen Verbrennungsprozeß
zuführen und den zweiten Partner in der anderen Strömung zuleiten. Es ist jedoch
vorteil-haft, mindestens in einer Strömung einen Verb^ennungsprozeß
ab-
laufen zu lassen. Diese Verbrennung kann man dann nicht stoechiometrisch
einstellen und in der zweiten Strömung den Partner für eine etwa stoechiometrische
Verbrennung zugeben. Besonders ge-drungene Wirbelbrennkammern lassen
siel: bauen, wenn man die Axial-
strömung als Verbrennungsprozeß ablaufen
läßt. Die axiale Strömung wirkt dann als Pilotflamme. Die Strömungsverhältnisse
in der Brennkammer können weitgehend durch die Drallintensität der Ringströmung
beeinflußt werden,
beispielsweise also durch die Eintrittsgeschwindigkeit
eines tangential einströmenden Mediums.. Der Impuls-, Konzentrations-und Wärmeausgleich
zwischen Ringströmung und Axialströmung hat , eine hohe thermische Flammenstabilität,
wie sie bei üblichen Wir-. belbrennkammern nur durch rückströmende Verbrennungsgase
erreicht werden Kann, zur Folge. Bei der erfindungsgemäßen Wirbelbrennkammer treten
an den Grenzflächen zwischen der Axialströmung und der Ringströmung Scherkräfte
auf, die eine gute Durchmischung beider Strömungen bewirken. Bei der Wirbelbrennkammer
mit Pilotflamme kann -ran durch Verändern des Mengenstromverhältnisses von axialer
zu verdrallter Strömung die Druck- und Strömungsverhältnisse und damit die Verbrennungsintensität
auf kleinem Raum besonders wirksam steuern. Strömungen, in denen Verbrennungsprozesse
ablaufen sollen, kann man Brenn^1 und als Verbrennungsmittel Sauerstoff zuleiten.
Bei Wirbelbrennkammern mit Pilotflammt kann für die Ringströmung auch einfach heiße
Luft verwendet werden. Es ist dann zweckmäßig, die Pilotflamme mit Brennstoffüberschuß
zu betreiben. Der Verbrennungsprozeß in der axialen Strömung kann in einer
Primärbrennkammer undIdie Verbrennung in der verdrallten Ringströmung in einer Sekundärbrennkammer
ablaufen. Die Wirbelbrennkammer nach der Erfindung ist besonders geeignet, dem Verbrennungsprozeß
einen dritten Stoff in fester Porml,_.beispielsweise als Pulver, zuzuführen. Solche
Substanzen können Brennstoffe wid Kohle oder Substanzen für chemische Aufbereitung
sein.
Diese Feststoffe, die vor oder mit der Ringströmung in einem
Trägergas eingeleitet werden können, sind nach Verdampfen oder chemischer Reaktion
über den gesamten Querschnitt der aus der Wirbelbrennkammer austretenden Strömung
der Flammenabgase gut verteilt. Es ist dazu vorteilhaft, die Feststoffe radial einzuleiten.
Verwendet man als feste Substanzen Brennstoffe, arbeite die 'itirbelbrennkammer
als Dreistoffbrenner. Brennstoffe und Feststoffe werden besonders gut aufgeschlossen,
wenn die Brennkammer zumindest ab der verdrallten Strömung eine Innenwand aus Keramik
aufweist. it:an kann dann stärkere Korngrößen oberhalb 70 /u verarbeiten, da die
Feststoffe an der Brennkammerwand aufgeschlossen werden. Bei Brennkammern mit gekühlten
Metallwänden ist der Betrieb dagegen so einzustellen, daß kein Fest-Stoff zur Wand
gelangt. Man ist dann in der Drallstärke oder in der Korngröße beschränkt. Die Erfindung
soll nun anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt
sind, näher erläutert werden. In den Figuren 1 bis 6 sind neuartige Wirbelbrennkammern
zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Längsschnitt dargestellt. In
Figur 1 ist die Achse der dargestellten Wirbelbrennkammer mit 1 bezeichnet. Eine
an sich bekannte Zweistoffzerstäuberdüse mit Flammenhalter -ist mit 2 bezeichnet
wiedergegeben. Sie dient der Erzeugung einer als Pilotflamme brennende Axialströmung.
An die Zweistoffzerstäuberdüse 2 schließt eich eine konische Primärbrennkammer,
3
an. Es ist günstig,-das Verhältnis ihrer Länge 1 zu ihebth weitesten Durchmesser
d etwa Eins zu wählen. An die Primärbrennkammer 3 schließt sich eine zylindrische
Sekundärbrennkammer 4 an.fIn die Sekundärbrennkammer 4 münden tangential Zuführungen
5 sowie über den Umfang-verteilt, radial angeordnete Zerstäuberdüsen 6. Das Ausströmungsende
der Wirbelbrennkammer karr. als Düse 7 ausgebildet sein. Der 'firbelbr,gnnkammer
nach Figur 1 kann über die Zweistoffzerstäuberdüse 2 Brennöl und Sauerstoff für
etwa stcechiometrische Verbreinung zugeleitet werden. Über die Zuführungen 5 kann
dann Luft oder Sauerstoff und über die Düsen 6 Brennöl für die Ringströmung zugegeben
werden. Die Strömungsmenge der zugeführten Stoffe für die Axialströmung im VerhältnJ_3
zu dene,-i der Ringströmung ist dann so abzustimmen, daß die aus der Düse 7 ausströmenden
Flammenabgase die höchste Temperatur erreichen. In der Wirbelbrennkammer hat sidh
denn einstabiler 3etrieb bei vernachläßigbarer Rückströmung eingestellt. In Figur
1 ist der Verlauf des Randbereiches der Axialströmung mit 8 und der der Ringströmung
mit 9 wiedergegeben. Der punktierte Bereich 10 zeigt den Verlauf der Mischströmung.
Die Sekundärbrennkammer 4 wird deshalb zweckmäßigerweise so lang ausgebildet, daß
vor dem Ausströmungsende die Jischung und die Verbrennung vollendet ist. Die Sekundärbrennkammer
4 der Wirbelbrennkammer nach Figur 2 weit
gegenüber der Primärbrennkammer
3 einen erweitereten Querschnitt
auf. Dadurch wird der Querschnitt
am Strömungsende der Primärbrennkammer besonders gut ausgenutzt. An der Stirnseite
der Primärbrennkammer 3 ist wieder eine Zweintoffzerstäuberdüse 2 angeordnet. In
die Sekundärbrennkammer 4 münden am Strömungseinlaß tangential eine oder mehrere
Zuführungen 5 und radial mindestens eine Zuführung 11. Wird die Verbrennung in der
Primärbrennkammer 3 mit Brennstoffübersdhuß gefahren, kann über die Zuführung 5
lediglich ein Verbrennungsmittel wie Sauerstoff oder Luft zugeführt werden. Wird
Luft zugeführt, ist es zweckmäßig, diese möglichst hoch aufzubeizen, um hohe Betriebstemperaturen
der Wirbelbrennkamme r zu erreichen. Über die radial mündende Zuführung 11 kann
in einem Teilstrom des Verbrennungsmittels oder in einem anderen Trägergas ein pulverförmiger
Feststoff eingeleitet werden. Bei nicht brennbaren Feststoffen und annähernd stoechiometrischer
Verbrennung in der Primärbrennkammer 3 kann über die Zuführung 5 auch i7 einem Luftstrom
ein ölnebel zugeführt werden. Die Wirbelbrennkammer nach Figur 3 weist einen zylindrischen
Ringspalt mit Drallelementen wie lreitschaufeln 14 auf. Dieser Ringspalt bildet
einen Kanal 12, durch den man ein Medium zur Ausbildung der Ringströmung
leiten kann. Der Kanal 12 kann insbesondere mit hochtemperaturbeständigen Materialien,
wie Keramik, ausgemauert sein und eignet sich dann zur Zuleitung von 800 bis 1300
°C heißer Luft als Verbrennungsmittel für die Sekundärbrennkammer 4. Über
die Zweiatoffzerstäuberdüse 2 kann auch lediglich e in gasförmiger Brennstoff
zugeleitet werden. An die Stelle der Zweistoffzerstäuberdüse kann dann eine einfache
Zuführung treten. Wird die Wirbelbrennkammer nach Figur 3 mittels einer Zweistoffzerstäuberdüse
mit
brennbarem Gemisch in etwa stoechiometrischem Verhältnis versorgt, kann über am
Umfang verteilt angeordnete radial mündende Druckzerstäuberdüsen 13 zusätzlich Brennöl
zugeführt werden. Über radial mündende Zuführungen 11 kann in einem Trägergasstrom
wieder ein Feststoff .zugeführt werden. In Figur 4 ist eine Hochtemperaturwirbelbrennkammer
nach der Erfindung im Längsschnitt abgebrochen dargestellt, bei der die Primärbrennkammer
3 die Form eines Diffusors aufweist. In der Sekundärbrennkammer 4 können wieder
tangential mündende Kanäle 5 zur Ausbildung der Ringströmung vorgesehen sein. Ein
Treibmittel für die Axialströmung kann über den Zentrakörper 15 und zu zerstäubender
Brennstoff über den Düsenringspalt 16 der Primärbrennkammer 3 zugeleitet werden.
Zentralkörper 15 und Düsenringspalt 16 mit ihren Zuleitungen 17 und 18 bilden einen
Zweistoffzerstäuber. Die in Figur 5 abgebrochen wiedergegebene Wirbelbrenakammer
weist eine Primärbrennkammer 3 in Form eines Venturirohres auf. Der Zweistoffzerstäuber
2 beseht aus einer zentralen Druckzerstäuberdüse mit der Zuführung 17 und aus einem
trichterförmigen Ringspalt 16, mit der Zuführung 18. Lye Hochtemperaturwirbelbrennkammer
nach Figur 6 unterscheidet sich -von den bisher geschilderten Brennkammern im wesentlichen
dadurch, dafa die Sekundärbrennkammer 4 strömungsab der Zuführung 5 für die Ringströmung
mit einer keramischen Innenwand 20 versehen ist. Die übrigen wesentlichen Bauteile
des Brenners weisen die Bezugszeichen nach den Figuren 1 bis 5 auf. Mit 21
ist außerdem
ein Ringspalt für Kühlmittel bezeichnet.Process for achieving high temperature vortex combustion with reduced recirculation and high temperature vortex combustion chamber. The invention relates to a method for achieving high-temperature vortex combustion and a high-temperature vortex combustion chamber suitable for this purpose. . With the known vortex combustion chambers, flame stability is achieved by the backflow of hot combustion gases in the vortex core (recirculation). However, this backflow has the consequence that the effective cross-section of the combustion chamber is reduced . With a constant combustion chamber volume, the permissible heat accumulation in the combustion chamber and thus the output decreases. In addition, the returning gas is reunited with the fresh work gag and "-" as the amount of ballast that increases the amount of gas flowing in the effective cross-cut. Therefore, in the known vortex burner chambers, high gas speeds and thus high cooling rates occur. On the other hand, if the gas velocity is reduced, only a lower heat build-up is achieved. Efforts have therefore been made to reduce the backflow by appropriately designing the combustion chamber and the nozzles until the flame is just kept stable. * However, it is very difficult to set the backflow conditions in a vortex combustion chamber exactly. On the other hand, the reduction of the backflow is a prerequisite in order to be able to produce small combustion chambers with high thermal output in a compact design and to achieve a high level of heat with a sufficient residence time. Large areas of technology are therefore interested in the development of better vortex combustion chambers. For example, high-temperature vortex combustion chambers can be used for magnetohydrodynamic generators and for their reversal working as accelerators (usually summarized under YHD technology), in metallurgy, in thermal power stations, for gas turbines as well as in chemistry and in glass production. The invention is based on the object of developing a high-temperature vortex combustion in which the backflow is reduced without the disadvantages described above. The invention is based die.Erkenntnis.zugrunde that the unfavorable axial return flow can be substantially suppressed by increasing the core pressure in the fluidized combustion zone without the desirable back flow in the cross section perpendicular to the axis of the vortex flow to reduce. The invention consists in that, in addition to a swirled annular flow to reduce the backflow, an axial flow which is central to the annular flow and consists of substances that maintain a combustion process at least with the annular flow is generated in a Nirbel combustion chamber at such flow rates that maximum combustion chamber temperatures occur. It is possible to generate axial flow such as annular flow through a combustion process or to allow a combustion process to take place in these flows. idan can also supply only one component for a combustion process as an axial flow or as an annular flow and supply the second partner in the other flow. It is, however, advantageous to have a verb conjugation process run off at least in one flow. This combustion cannot then be set stoechiometrically and the partner can be added in the second flow for an approximately stoechiometric combustion. Particularly compact vortex combustion chambers can be built if the axial flow is allowed to take place as a combustion process. The axial flow then acts as a pilot flame. The flow conditions in the combustion chamber can largely be influenced by the swirl intensity of the annular flow, for example by the entry speed of a tangentially flowing medium -. Can only be reached by backflowing combustion gases, as a result. In the vortex combustion chamber according to the invention, shear forces occur at the interfaces between the axial flow and the annular flow, which cause good mixing of the two flows. In the vortex combustion chamber with a pilot flame, ran can control the pressure and flow conditions and thus the combustion intensity in a small space particularly effectively by changing the flow ratio of the axial to the swirled flow. Currents in which combustion processes are supposed to take place can be fed with fuel and, as a combustion medium, oxygen. In the case of vortex combustion chambers with a pilot flame, hot air can also simply be used for the annular flow. It is expedient drive the pilot flame with surplus fuel to be. The combustion process in the axial flow can take place in a primary combustion chamber and the combustion in the swirled annular flow in a secondary combustion chamber. The vortex combustion chamber according to the invention is particularly suitable for adding a third substance in solid form to the combustion process, for example as a powder. Such substances can be fuels such as coal or substances for chemical processing. These solids, which can be introduced into a carrier gas before or with the annular flow, are well distributed over the entire cross section of the flow of the flame exhaust gases emerging from the vortex combustion chamber after evaporation or chemical reaction. To this end, it is advantageous to introduce the solids radially. If fuels are used as solid substances, the vortex combustion chamber works as a three-fuel burner. Fuels and solids are broken down particularly well if the combustion chamber has an inner wall made of ceramic, at least from the swirled flow. it: an can then process larger grain sizes above 70 / u, as the solids are digested on the combustion chamber wall. In the case of combustion chambers with cooled metal walls, on the other hand, the operation must be set so that no solid matter reaches the wall. One is then limited in the twist strength or in the grain size. The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, in which exemplary embodiments are shown schematically. In FIGS. 1 to 6, novel vortex combustion chambers for carrying out the method according to the invention are shown in longitudinal section. In FIG. 1, the axis of the vortex combustion chamber shown is denoted by 1. A known two-substance atomizer nozzle with a flame holder is shown, denoted by 2. It is used to generate an axial flow that burns as a pilot flame. A conical primary combustion chamber 3 adjoins the two-substance atomizer nozzle 2. It is favorable to choose the ratio of their length 1 to their widest diameter d to be approximately one. A cylindrical secondary combustion chamber 4 adjoins the primary combustion chamber 3. Tangential inlets 5 and radially arranged atomizer nozzles 6 which are distributed over the circumference open into the secondary combustion chamber 4. be designed as a nozzle 7. The 'firbelbr, gnnkammer according to Figure 1 can be fed via the two-substance atomizer nozzle 2 fuel oil and oxygen for approximately stoichiometric combustion. Air or oxygen can then be added via the feed lines 5 and fuel oil for the annular flow can be added via the nozzles 6. The flow rate of the substances fed in for the axial flow in relation to that of the annular flow is then to be coordinated so that the flame exhaust gases flowing out of the nozzle 7 reach the highest temperature. In the vortex combustion chamber, stable operation has ceased with negligible backflow. In FIG. 1, the course of the edge area of the axial flow is shown with 8 and that of the annular flow with 9. The dotted area 10 shows the course of the mixed flow. The secondary combustion chamber 4 is therefore expediently made so long that the mixing and combustion are completed before the end of the outflow. The secondary combustion chamber 4 of the vortex combustion chamber according to FIG. 2 has an enlarged cross section compared to the primary combustion chamber 3. This makes particularly good use of the cross section at the flow end of the primary combustion chamber. At the end of the primary combustion chamber 3, a twin-cloth atomizer nozzle 2 is again arranged. One or more feeds 5 and radially at least one feed 11 open tangentially into the secondary combustion chamber 4 at the flow inlet. If air is supplied, it is advisable to heat it up as high as possible in order to achieve high operating temperatures of the vortex combustion chamber. A pulverulent solid can be introduced into a partial flow of the combustion agent or into another carrier gas via the radially opening feed 11. In the case of non-combustible solids and approximately stoechiometric combustion in the primary combustion chamber 3, an oil mist can also be fed to an air stream via the feed 5. The vortex combustion chamber according to FIG. 3 has a cylindrical annular gap with swirl elements such as blades 14. This annular gap forms a channel 12 through which a medium for forming the annular flow can be passed. The channel 12 can in particular be lined with high-temperature-resistant materials such as ceramics and is then suitable for supplying hot air from 800 to 1300 ° C as a combustion medium for the secondary combustion chamber 4. Via the two atom atomizer nozzle 2, only gaseous fuel can also be supplied. A simple feed can then take the place of the two-substance atomizer nozzle. If the vortex combustion chamber according to FIG. 3 is supplied with a combustible mixture in an approximately stoechiometric ratio by means of a two-substance atomizer nozzle, fuel oil can also be supplied via radially opening pressure atomizer nozzles 13 distributed around the circumference. A solid can be fed in again in a carrier gas stream via feed lines 11 which open radially. In Figure 4, a high-temperature vortex combustion chamber according to the invention is shown broken away in longitudinal section, in which the primary combustion chamber 3 has the shape of a diffuser. In the secondary combustion chamber 4, tangentially opening channels 5 can again be provided to form the annular flow. A propellant for the axial flow can be fed to the primary combustion chamber 3 via the central body 15 and fuel to be atomized via the nozzle ring gap 16. Central body 15 and nozzle ring gap 16 with their supply lines 17 and 18 form a two-substance atomizer. The vortex burner chamber shown broken off in FIG. 5 has a primary combustion chamber 3 in the form of a Venturi tube. The two-substance atomizer 2 consists of a central pressure atomizer nozzle with the feed 17 and a funnel-shaped annular gap 16 with the feed 18. The high-temperature vortex combustion chamber according to FIG the annular flow is provided with a ceramic inner wall 20. The other essential components of the burner have the reference numerals according to FIGS. 1 to 5. 21 also with an annular gap for coolant is indicated.
In einem BreXiner nach Figur 6 werden Feststoffe und Brennöl besonders
gut aufgeschlossen, da die Keramikwand im Betrieb hohe Oberflächentemperaturen erreicht.
Wird ein Hochtemperaturbrenner nach der Erfindung mit einer Axialströmung aus in
Kaltluft versprühten Brenncl und mit einer Ringströmung aus Heißluft betrieben,
kann man die ablaufenden Verbrennungsreaktionen modellmäßig folgendermaßen erläutern:
Sobald ein Öl oder Kaltgasteilchen der Axialströmung-von der verdrallten Ringströmung
einen Impuls erhalten hat, beginnt es eine Zirkulationsbewegung. Da das spezifische
Gewicht des Ö1- bzw.In a BreXiner according to Figure 6, solids and fuel oil become special
well open, as the ceramic wall reaches high surface temperatures during operation.
If a high-temperature burner according to the invention with an axial flow from in
Cold air sprayed fuel and operated with an annular flow of hot air,
the combustion reactions that take place can be explained using a model as follows:
As soon as an oil or cold gas particle of the axial flow - from the swirled annular flow
has received an impulse, it begins a circulation movement. Since the specific
Weight of the Ö1 or
Kaltöasteilchens größer als das der Heißluft ist, triftet es mit einer
Geschwindigkeit zur Wand, die von der Stärke der Zirkulation nahezu unabhängig ist.
Auf seinem Weg zur Wand durchquert das Öltröpfchen dabei die heiße Frischlußtschicht
der Ringströmung l in der es erwärmt, teilweise verdampft und verbrannt wird. Gleichzeitig
steigen die spezifisch leichteren Teilchen der heißen Luft und der Verbrennungsgase
in einer Gegenströmung zum Flammenkern. Radiale Triftströmung und Gegenströmung
bewirken eine thermische Mischung. Wesentlich ist weiter, daß Ölteilchen und Frischluftteilchen
gegeneinander eine Relativgeschwindigkeit aufweisen, wodurch der Verdampfungs- und
Verbrennunßsprozess intensiviert wird, da die Randatmosphäre der Öltröpfchen ständig
weggerissen wird. Bei Wirbelbrennern mit einer gekühlten Metallinnenwand in der
Sekundärbrennkammer
kann es vorteilhaft sein, nach Einstellen der maximalen Flammentemperatur die Ringströmung
noch etwas zu verstärken, um die Wirbelschicht so mächtig zu machen, daß der überwiegende
Teil des Öles verbrannt ist, bevor es an die kalte Wand gelangt. Anwendungsmöglichkeiten
Als Dreistoffbrenner für einen Betrieb mit festem Bre»nstoff wird die erfindungsgemäße
Wirbelbrennkammer dann eingesetzt, wenn aus wirtqr.naftlichen oder technischen Erwägungen
die Verfeuerung von Kohle gewünscht wird. Bei den technischen Erwägungen kommt zum
Tragen, daß durch eine überstoechiomet'rische ZL!;#abe von Kohlenstaub - sogenanntes
Fremdkarburieren - eine gut stra"lende Ölflamme erzielt werden kann. In vielen Anwendungsfällen
ist ein direkter wärmeleitender Kontakt mit den Flammenabgasen nicht erwünscht.
In solchen Fällen kann man mit Flammen aus annähernd stoechiometrisch verbrännten
Ölen bei optimalen Betriebstemperaturen guten Wärmeübergang durch Strahlung erzielen.
Das ist beispielsweise für Heizkraftwerke bedeutungsvoll. Aus den geschilderten
Gründen eignet sich die Wirbelbrennkammer nach der Erfindung als Brenner im Hüttenwesen
und insbesondere zur Stahlerzeugung eingesetzt zu werden. Die technische Entwicklung
1
bei der stahlerzeugenden und verarbeitenden Industrie zielt nämlich darauf
ab, die Wärmebelastung der verwendeten Öfen zu steigern. So kann durch den Einsatz
von Sauerstoff bei der Herstellung von Stahl und Gußeisen eine beträchtliche Verminderung
des Energieaufwandes
erzielt werden. Man kann nun zunächst einen
Wirbelbrenner zumiAufschmelzen und Erwärmen des Gußeisens und des eventuell zugesetzten
Schrotts einsetzen und somit den Schrottanteil höher wählen als das möglich wäre,
wenn man nur die _Eigenwärme des Aufblasprozesses ausnutzte. Anschliebend an den
Einschmelzvorgang kann der Wirbelbrenner bei geschlossener Brennstoffzufuhr als
Sauerstoffdi,»e zum Aufblasen und Frischen dienen. Bei der Wirbelbrennkam:ner nach
der Erfindung ist es außerdem möglich - über den gesamten Brennkanal gesehen - eine
stoechiometrische Verbrennung durchzuführen, so daß kein überschüssiger_Sauerstoff
verbleibt, der durch Oxidation von Eisen den gefürchteten braunen Rauch verursacht.
Die Wirbelbrennkammer nach der Erfindun e kann in der Chemie zum Kracken von Kohlenwasserstoffen
für Syntheseprozesse eingesetzt werden. Zur Zierstellung von Azetijylen und nthylen
aus Leichtbenzir: benötiet man bei hohen Temperaturen gro2e Energiemengen. Die notwendigen
Reaktionstemceraturen liegen bei 1500 o C. Die zu krackenden Stuffe dürfen dabei
in diesen Temperaturzonen nur kurze Verweilzei ter. aufweise:. Die ::oci^,temperaturwirbelbrennkammer
kann man für diese Reaktionen so einsetzen, daß in der Primärbrenrinamver
A:ethan oder höhere Kci::.enwasserstoffe, wie Brennöl, möglichst stoeciiiometrisch
mit Sauerstoff verbrannt werden. Die Brennstoffzufuhr ist dann so zu dosieren, daß
die Flamme Temperaturen von 250C bis 300: o. annimmt. Über die Feststoffleitung
kann dann das zur Reaktion nötige Wasser in flüssiger oder dampfförmiger Form zugemischt
werden. Am Ausgang der Trennkammer kann man zum Abschrecken auf 600 0 C Wasserdampf
zumischen.
Für nicht brennbare Feststoffe ergeben sich für die
Wirbelbrennkammer nach der Erfindung weitere Einsatzmöglichkeiten: Für magnetohydrodynamische
Generatoren sowie ihre als Beschleuniger 1
arbeitenden Umkehrungen eingesetzt,
gewinnt man den Vorteil, daß das-als Feststoff zugegebene Saatmaterial in den Flammenabgasen
gleichmäßig gut verteilt und ionisiert wird. Randschichten aus flüssigem Saatmaterial
werden dabei vermieden. , Ferner wird die Hochtemperaturwirbelbrennkammer vorteilhaft
dort eingesetzt, wo die Flammenabgase durch Zusatz von Stoffen aufbereitet werden
sollen. Die Flammenabgase aufzubereiten, ist beispielsweise in folgenden Fällen
interessant: ei schwefelhaltigen Brennöl kommt es neben einer Verunreinigung der
Atmosphäre durch Schwefeltriorid leicht zur Bildung von Schwefelsäure, die Brennkammern
und nachgeschaltete Aggregate gefährdet. Bei der erfindungsgemäßen Wirbelbrennkammer
kann man dem Brennraum über die Feststoffleitung bekannte neutralisierende Zusätze
wie Dolomit, :dagnesiumoxid, Kalkstein, Soda Ammoniak und organische Amine zuführen,
die in der Sekundärbrennkammer gut vermischt werden. Da diese Zusätze im allgemeinen
in Brennöl unlöslich sind, hat bei konventionellen Brennkammern der :'ersatz
bisher viele ungelöste Probleme aufgeworfen. 'Ton weiteren Zusätzen, wie Dolomitstaub,
ist auch bekannt, daß sie aschebedingtes Verstopfen in Kesseln und Gasturbinen vermeiden,
da sie die Niederschläge lockern.
Die Hochtemperaturwirbelbrennkammer
ermöglicht auch Rückstandsöle zur Versorgung von Gasturbinen zu verfeuern und dennoch
eine Korrosion durch Vanadiumpentoxid durch Zusätze von Kaolin, Aluminiumhydrgsilikat,
Kieselgur und andere siliziumhaltige Verbin-41 dungen zu vermeiden. Für die Schlackenarbeit
der Hüttenindustrie kann man der erfindungsgerräßen Wirbelbrennkammer über die Feststoffleitung
Kalk in Sauerstoff als Trägergas in Pulverform zuführen und auf das Metallbad zur
Verschlackung größerer Phosphormengen aufblasen. In der Glashüttung ist es nachteilig,
daß Kalzium- und Natriumoxid in.der Glasschmelze nach unten wandern und eine Anreicherung
von Silikaten an der Badoberfläche entsteht. Die an sich bekannte Zugabe von Natriumslulfat
zur Schmelze wird durch ein gleichmäßiges Aufbringen in den Flammenabgasen des erfindungsgemäßen
Wirbelbrenners besonders wirksam und verhindert eine Silikatanreicherung an der
Badoberf läche.If the cold oa particle is larger than that of the hot air, it hits the wall at a speed that is almost independent of the strength of the circulation. On its way to the wall, the oil droplet crosses the hot fresh fluid layer of the annular flow 1 in which it is heated, partially evaporated and burned. At the same time, the specifically lighter particles in the hot air and the combustion gases rise in a countercurrent to the flame core. Radial drift flow and counter flow cause a thermal mixture. It is also essential that oil particles and fresh air particles have a relative speed with respect to one another, whereby the evaporation and combustion process is intensified, since the peripheral atmosphere of the oil droplets is constantly torn away. In the case of vortex burners with a cooled metal inner wall in the secondary combustion chamber, after setting the maximum flame temperature, it can be advantageous to intensify the annular flow a little in order to make the fluidized bed so powerful that most of the oil is burned before it reaches the cold wall . Possible applications As a three-fuel burner for operation with solid fuel, the vortex combustion chamber according to the invention is used when the combustion of coal is desired for economic or technical reasons. In terms of technical considerations, it is important to note that an overflow of coal dust - so-called foreign carburization - can achieve a radiant oil flame. In many applications, direct heat-conducting contact with the flame exhaust gases is not desirable Such cases can be achieved with flames from approximately stoechiometrically burned oils at optimal operating temperatures good heat transfer by radiation. This is important, for example, for thermal power stations. For the reasons described, the vortex combustion chamber according to the invention is suitable for use as a burner in metallurgy and in particular for steel production. The technical development 1 in the steel production and processing industry aims to increase the heat load on the furnaces used, so that the use of oxygen in the production of steel and cast iron can achieve a considerable reduction in energy consumption become T. You can now first use a vortex burner to melt and heat the cast iron and any scrap that may have been added, and thus select a higher scrap proportion than would be possible if only the natural heat of the inflation process was used. Following the melting process, the vortex burner can serve as an oxygen diaphragm for inflating and freshening with the fuel supply closed. In the vortex combustion chamber according to the invention, it is also possible - viewed over the entire combustion channel - to carry out a stoechiometric combustion so that no excess oxygen remains, which causes the dreaded brown smoke through oxidation of iron. The vortex combustion chamber according to the invention can be used in chemistry for cracking hydrocarbons for synthesis processes. For the decoration of acetylene and ethylene from light benzir: one needs large amounts of energy at high temperatures. The necessary reaction temperatures are 1500 o C. The stages to be cracked may only dwell briefly in these temperature zones. features :. The temperature vortex combustion chamber can be used for these reactions in such a way that in the primary combustion chamber A: ethane or higher hydrogen, such as fuel oil, are burned with oxygen as stoeciometrically as possible. The fuel supply is then to be dosed in such a way that the flame assumes temperatures of 250C to 300: o. The water required for the reaction can then be mixed in in liquid or vapor form via the solids line. On leaving the separation chamber can be admixed steam for quenching to 600 0 C. For non-combustible solids, the vortex combustion chamber according to the invention can be used further: Used for magnetohydrodynamic generators and their reversals working as accelerators 1 , one gains the advantage that the seed material added as solid is evenly distributed and ionized in the flame exhaust gases. Edge layers made of liquid seed material are avoided. Furthermore, the high-temperature vortex combustion chamber is advantageously used where the flame exhaust gases are to be processed by adding substances. The preparation of the flame exhaust is of interest, for example, in the following cases: with sulfur-containing fuel oil, in addition to contamination of the atmosphere by sulfur trihydrate, sulfuric acid can easily be formed, which endangers the combustion chambers and downstream units. In the vortex combustion chamber according to the invention, known neutralizing additives such as dolomite, calcium oxide, limestone, soda, ammonia and organic amines can be added to the combustion chamber via the solids line, which are mixed well in the secondary combustion chamber. Since these additives are generally insoluble in fuel oil, has in conventional combustion chambers of: previously raised many unsolved problems' replacement. Other additives, such as dolomite dust, are also known to prevent ash-related clogging in boilers and gas turbines as they loosen the precipitates. The high-temperature vortex combustion chamber also makes it possible to burn residual oils for supplying gas turbines and still avoid corrosion caused by vanadium pentoxide due to the addition of kaolin, aluminum hydrosilicate, kieselguhr and other silicon-containing compounds. For slag work in the metallurgical industry, lime in oxygen as a carrier gas in powder form can be fed into the vortex combustion chamber according to the invention via the solids line and blown onto the metal bath for slagging larger quantities of phosphorus. In the glass bulk it is disadvantageous that calcium and sodium oxide migrate downward in the glass melt and an accumulation of silicates occurs on the bath surface. The addition of sodium sulphate to the melt, which is known per se, is particularly effective due to a uniform application in the flame exhaust gases of the vortex burner according to the invention and prevents an accumulation of silicate on the bath surface.
Die Wirbelbrennkammer nach der Erfindung eignet sich auch, um für
chemische Hochtemperaturreaktionen einen Reaktionsstoff der Flamme kontinuierlich
zuzumischen. Beim bekannten kontinuierlichen Verfahren zur c'@irekten Umwandlung
von Uranylnitrat-Lösungen in Urandioxid durch Flammendinitrierung ist es besonders
wesentlich, daß der umzuwandelnde Stoff den Flammenabgasen gleichmäßig und gut verteilt
zugeführt wird.
Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren
und die neuartige Wirbelbrennkammer in weiteren Anwendungsgebieten eingesetzt werden,
wo auf die geschilderten Eigenschaften Wert gelegtThe vortex combustion chamber according to the invention is also suitable for
high-temperature chemical reactions a reaction substance of the flame continuously
to mix in. In the known continuous process for c '@ direct conversion
It is special from uranyl nitrate solutions in uranium dioxide by flame dinitration
It is essential that the substance to be converted distributes the flame exhaust gases evenly and well
is fed.
In addition, the method according to the invention
and the new vortex combustion chamber can be used in other areas of application,
where emphasis is placed on the properties described