DE1542485A1

DE1542485A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von inaktiven Gasgemischen

Info

Publication number: DE1542485A1
Application number: DE19651542485
Authority: DE
Inventors: Harry Kay
Original assignee: Stein Atkinson Stordy Ltd
Current assignee: Stein Atkinson Stordy Ltd
Priority date: 1964-12-23
Filing date: 1965-12-21
Publication date: 1970-04-02
Also published as: FR1469084A; GB1121602A

Description

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von inaktiven Gasgemischen und gibt zugleich auch eine zur Durchführung dieses Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung an.

Inaktive Gasgemische werden in der Technik an zahlreichen Stellen benötigt. Besonders gilt dies auch für die Wärmebehandlung von z. B. Stählen und Kupferlegierungen. Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung solcher Gasgemische, die vorzugsweise, wenn auch nicht ausschließlich, für die Wärmebehandlung der genannten Metalle geeignet sind.

Bei der Wärmebehandlung von Stählen oder Kupferlegierungen od. dgl. kann, wenn eine sauerstoffhaltige Atmosphäre (z. B. Luft) vorhanden ist, sehr leicht eine äußerst schädliche Bildung von Metalloxyden auftreten. Es ist deshalb üblich, diese Metalle in

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einer sauerstoffreien Atmosphäre zu behandeln, wobei natürlich auf der anderen Seite wichtig ist, daß die Erzeugung der sauerstoffreien Atmosphäre nicht allzu teuer sein darf.

Im allgemeinen wird zur Herstellung eines für die Wärmebehandlung von Metallen geeigneten inaktiven Gasgemisches ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit luft unter solchen Bedingungen verbrannt, daß der gesamte atmosphärische Sauerstoff verschwindet. Alle bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verbrennung sind jedoch einstufig aufgebaut, was zu dem

* Nachteil führt, daß die Verbrennung nicht sehr gleichförmig abläuft und daß sich demzufolge ein Gasgemisch ergibt, dessen Zusammensetzung innerhalb weiter Grenzen schwankt. Außerdem hat es sich bislang als außerordentlich schwierig erwiesen, den Verbrennungsvorgang befriedigend zu steuern.

Mit der Erfindung soll demgegenüber die Herstellung der inaktiven Gasgemische auf der Basis der Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen sowohl in Hinsicht auf den Ablauf des Verbrennungsvorganges als auch in Hinsicht auf die Steuermöglichkeit verbessert werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, das sich durch eine zweistufige Verbrennung kennzeichnet, bei der der gasförmige Brennstoff zunächst mit einem Luftanteil partiell verbrannt, danach mit weiterer Verbrennungsluft gemischt und dann endgültig verbrannt wird. Vorzugsweise wird dabei die Zufuhr der luft in der ersten Verbrennungs-

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stufe nach Maßgabe der Temperatur in dieser ersten Verbrennungsstufe gesteuert, während die Zufuhr der Luft in der zweiten Verbrennungsstufe nach Maßgabe der Zusammensetzung des aus dieser zweiten Stufe abgegebenen Endproduktes gesteuert wird.

Im weiteren Verfolg des Erfindungsgedankens wird eine Verbrennungsvorrichtung vorgeschlagen, die sich dadurch kennzeichnet, daß zur partiellen Yerbrennung eine Hauptbrennkammer dient, in die an einem Ende eine Brennerdüse mündet und die am anderen Ende über eine drosselartige Verengung in eine Nachbrennkammer übergeht, wobei regelbare lufteinlaßöffnungen sowohl im Bereich der Brennerdüse als auch im Bereich der Verengung vorgesehen sind.

Vorzugsweise ist dabei in der Hauptbrennkammer ein Temperaturfühler angeordnet, der mit einer Temperatur-Steuereinrichtung verbunden ist, die ihrerseits ein Steuerventil zur Regelung der Luftzufuhr zur Hauptbrennkammer betätigt. Mr die Regelung der Luftzufuhr zur Nachbrennkammer dient ein weiteres Steuerventil, dessen Betätigung durch ein Gasanalyse-Gerät erfolgt, das auf die Zusammensetzung des am Auslaß der Bachbrennkammer abgegebenen Gasgemisches anspricht.

,Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert.

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Dabei stellen dar:

Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Modifikation eines Details der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab und

Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene M-III der Fig. 2.

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Bei der in Pig. 1 dargestellten Einrichtung ist eine längliche Hauptbrennkammer 1 vorgesehen, die an ihrem einen .Ende mit einem Ölbrenner 2 versehen ist und die an ihrem anderen Ende in eine Nachbrennkammer 3 übergeht. Die Auslaßöffnung der Nachbrennkammer 3 ist mit einem Kühlturm 4 verbunden sowie mit einem Gasanalyse-Gerät 6. Dem Kühlturm 4 ist ein Reinigungsturm 5 nachgeschaltet, aus dem das gereinigte Gas über eine Leitung 30 abgenommen werden kann.

Der Brenner 2 enthält eine Brennerdüse 7, der über leitungen 8 und 9 Öl bzw. luft zugeführt wird. Diese beiden Stof- ä fe werden Ln der Brennerdüse gemischt und dann über ein Düsen-Mundstück 10 in die Hauptbrennkammer 1 eingeführt . Um den Brenner 2 herum ist ein Luftmantel 11 angeordnet, der über eine Leitung 12 mit Luft versorgt wird. Die Leitung 12 enthält dabei ein z.B. motorisch angetriebenes Steuerventil 13.

Die Hauptbrennkammer 1 ist zum Zwecke der Kühlung von einem Luftmantel 14 umgeben, dem die Kühlluft über eine Leitung 15 zugeführt wird. Die Leitung 15 enthält dabei ebenfalls ein motorisch angetriebenes Steuerventil 16. Im übrigen ist in der Hauptbrennkammer 1 ein Temperaturfühler 18 ( in Form eines Thermoelements) angeordnet, der sich durch die Kammerwandung 19 hindurcherstreckt. Dieser Temperaturfühler wirkt auf eine Temperatur-Steuereinrichtung 17, die ihrerseits das Steuerventil 13 betätigt.

Die Auslaßöffnung der Hauotbrennkammer 1 besitzt die Form einer zylindrischen Verengung 20, di9 sich auf ihrer Rück-

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seite zur Nachbrennkammer 3 hin wieder erweitert. Im Bereich dieser Verengung münden einige Zufuhrleitungen 21, die sich durch die Kammerwandung 19 hindurcherstrecken und der Zufuhr von Luft aus dem Luftmantel H zur Verengung 20 dienen.

Zur Kühlung der Nachbrennkammer 3 ist ein Y/assermantel 22 vorgesehen, der eine Einlaßleitung 24 und eine Auslaßleitung 23 besitzt. Innerhalb der Nachbrennkammer 3 befindet sich ein Leitblech 25, das sich quer durch die Kammer 3 hindurcherstreckt.

Der Auslaß 26 der Nachbrennkammer 3 steht über eine Leitung 27 mit dem unteren Ende des Kühlturms 4 in Verbindung. An die Leitung 27 ist zugleich das Gasfc.na lyse-Gerät 6 angeschlossen, das seinerseits den Antrieb für das Steuerventil 16 liefert. Die Auslaßöffnung des Kühlturms 4 steht über eine Leitung 28 (an die über eine Leitung 29 eine nicht weiter dargestellte Vfasserfalle angeschlossen ist) mit dem Reinigungsturm 5 in Verbindung. Aus dem Reinigungsturm 5 wird schließlich, wie bereits erwähnt, über die Leitung 30 das gereinigte Gas abgezogen und der nicht weiter dargestellten Verwendung zugeführt, beispielsweise einem Ofen zur Wärmebehandlung von Stahl oder anderen Metallen» In der modifizierten Ausfuhrungsform gemäß Fig. 2 und '3 erstrecken sich acht zylindrische Bohrungen 21 vom Luftmantel 14 aus in die Verengung 20 hinein, und zwar derart, daß sie in der Verengung 20 tangential münden. Diese acht Bohrungen sind in zwei koplanaren Sätzen von je vier Bohrungen, die in Richtung der Verengung 20 einen geringen axialen Abstand voneinander besitzen, angeordnet. Innerhalb eines jeden Satzes verlaufen die Bohrungen 21 jeweils senkrecht zu den ihnen benachbarten Boh-

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rungen, und außerdem sind die beiden Bohrungs-Sätze im V/inkel von etwa 45° gegeneinander versetzt.

Die vorangehend beschriebene Einrichtung dient zur Erzeugung eines inaktiven Gasgemisches, dessen Hauptbestand-, teil Stickstoff darstellt, und zwar auf folgende Y/eise:

In die Brennerdüse 7 wird über die Leitungen 8 und Kerosin-Öl bzw. Luft eingespeist. Das Gemisch dieser beiden Stoffe wird über d::S Mui.d^tück 10 in die Haupt brennkammer 1 gegeben. Das Mundstück erteilt dabei dem Gasgemisch eine gute Durchwirbelung.

In der Hauptbrennkammer 1 findet eine partielle Verbrennung des Öles statt. Entsprechend der dabei entwickelten Temperatur gibt der Temperaturfühler 18 ein elektrisches Signal an die Steuereinrichtung 17 ab. Im Ansprechen auf dieses Signal betätigt die Steuereinrichtung 17 das Steuerventil 13» das die Zufuhr von Luft in die Kammer 1 über den Mantel 11 und das Mundstück 10 regelt. Dabei läßt sich das gewünschte Ausmaß der Verbrennung des Öls in der Hauptbrennkammer 1 einstellen.

Die aus der Hauptbrennkammer 1 abströmenden Verbrennungsprodukte passieren die Verengung 20, in der ihnen erneut Verbrennungsluft zugeführt wird, und zwar über die Leitungen 21. Danach treten sie in die Nachbrennkammer 3 ein. Zweckmäßig ist die Anordnung so getroffen, daß bei der Mischung der aus der Kammer 1 abströmenden Verbrennungsprodukte mit neuer Luft eine starke Turbulenz auftritt, da sich dadurch der Mischeffekt beträchtlich verbessert. Die Bildung einer solchen Turbulenz wird durch das Leitblech 25 begünstigt sowie insbesondere auch

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durch die modifizierte Anordnung der Leitungen 21, die in Pig. 2 und 3 gezeigt ist.

In der Nachbrennkammer 3 findet eine Fachverbrennung der aus der Hauptbrennkammer 1 gegebenen Produkte statt. Nach Beendigung dieser Nachverbrennung verlassen die heißen Verbrennungsprodukte die Kammer 3 über die Leitung 27 zum Kühlturm 4.

Aus der Leitung 27 werden ständig gewisse Gasmengen abgezogen und im Gasanalyse-Gerät 6 analysiert. Das Analyse-Gerät 6 steuert nach Maßgabe der Analysenergebnisse das Steuerventil 16 und damit die Luftzufuhr über die Leitung 15» den Mantel 14 und die Leitungen 21 zur Verengung 20. Auf diese Weise läßt sich das Ausmaß der Nachverbrennung in der Nachbrennkammer 3 genau einstellen.

Der während der Verbrennung gebildete Wasserdampf wird in dem Kühlturm 4 aus den Verbrennungsprodukten auskondensiert. Danach werden die Verbrennungsprodukte dem Reinigungsturm 5 zugeführt, der dafür sorgt, daß sämtliche unerwünschten Verbindungen von denjenigen Elementen, die im Kerosin-Öl als Verunreinigungen enthalten sind (z.B. Schwefel) abgeschieden werden·

Die partielle Verbrennung in der Hauptbrennkammer vtrd so gesteuert, daß ein im wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Methan bestehendes Gasgemisch entsteht. Die Nachverbrennung dieses Gasgemisches erzeugt ein Gemisch, das Stickstoff, Kohlendioxyd, Wasserdampf und einen prozentual nur noch sehr geringen Anteil an Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthält. Durch das Abscheiden des Wasserdampfes und der sonstigen Verunreinigungen ergibt sich schließlich ein Gas mit einer Zu-

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sammensetzung von ungefähr

85 °/o Stickstoff
13 1° Kohlendioxyd

1 io Wasserstoff und

1 <fa Kohlenmonoxyd.

Ein solches Gasgemisch ist chemisch relativ inaktiv, d.h. es besitzt nur eine recht geringe Reduktionswirkung. Aus diesem Grunde und außerdem auch wegen seiner einfachen und billigen Herstellung ist es besonders geeignet zur Verwendung bei der Wärmebehandlung von Stählen und Kupferlegierungen.

Durch die Verwendung der zylindrischen, drosselartigen λ Verengung 20 zwischen der Hauptbrennkammer 1 und der Nachbrennkammer 3 ergibt sich ein kompakter Aufbau der Einrichtung.Ausserdem werden die Gase beim Übertritt von der Hauptbrennkammer in die Nachbrennkammer stark beschleunigt, so daß sie sich äusserst intensiv mit der über die Leitungen 21 zugeführten Sexundärluft mischen. Eine unzureichende Mischung der die Hauptbrennkammer 1 verlassenden Gase mit der Sekundärluft würde nämlich schließlich zu einem Gasgemisch führen, das keine reproduzierbare Zusammensetzung besitzt und das auch noch freien Sauerstoff enthalten kann. "

Demgegenüber wurde gefunden, daß sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung über sehr lange Zeitperioden hinweg ein Gasgemisch erzeugen läßt, das eine konstante Zusammensetzung besitzt und praktisch vollständig sauerstofffrei ist. Dies liegt in erster linie an der zweistufigen Verbrennung der eingesetzten Kohlenwasserstoffe und an der automatischen Steuerung der Zufuhrgeschwindigkeit von luft zu der Hauptbrennkammer bzw· der Hachbrennkammer. Unterstützt wird die gute Wirksamkeit der er-

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findungsgemäßen Einrichtung noch durch die übrigen, vorangehend hervorgehobenen Merkmale.

KRE/hr - Ansprüche -

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Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines inaktiven Gasgemisches durch Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes mit Luft, gekennzeichnet durch eine zweistufige Verbrennung, bei der der gasförmig "Breniisteff zunächst mit einem zugemischten Luftanteil partiell ν rbraimt, danach mit -veitorer Verbrennungsluft gemischt und rann endgültig verbrannt wird.

2. Verfahren nach AnsorueL 1, 1 aJuroh ..^ekennzelehnet, daß die % Zufuhr der Verbrennungsluft in der ersten Verbrennungsstufe nach maßgabe der Verbrennungstemperatur in dieser Stufe geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Zufuhr der Verbrennungsluft In der zweiten Verbrennungsstufe nach Maßgabe der Zusammensetzung des Endproduktes dieser Gtufe geregelt *7ird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch .gekennzeichnet, da3 zur partiellen Verbrennung des Brennstoffes eine Hauptbrennkammer dient, in die am einen Ende eine Brennerdüse für die Zufuhr des Brennstoffes mündet, und die am anderen Ende über eine drosselartige Verengung in die Nachbrennkaininer übergeht, wobei regelbare Lufteinlaßöffnungen sowohl im Bereich der Brennerdüse als auch in Bereich der Verengung vorgesehen sind*

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

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in der Hauptbrennkarruripr ein Temperaturfühler angeordnet ist, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die ihrerseits ein Steuerventil zur Regelung der Luftzufuhr zur Hauptbrennkammer betätigt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auslaßleitun_ö* der Hachbrennkamrner ein Gasanalyse-aerät angeschlossen ist, das seinerseits ein Steuerventil zur Regelung der Luftzufuhr zur Nachbrennkainmer (also zur Verengung zwischen den beiden Kammern)betätigt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Nachbrennkammer zugeordneten Lufteinlaßöffnungen aus einer Anzahl von Bohrungen bestehen, die einerseits mit einem Luftvorrat in Verbindung stehen und die andererseits -tangential in der Verengung münden.

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