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Vorrichtung zur tllermischen Umwandlunq reaktionsfähiger Stoffe Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Umwandlung reaktionsfcihiyer
Stoffe, bestehend aus einer -im Querschnitt kreisförmigen, an einer Stirnseite geschlossenen
und dieser entgegengesetzt mit einer Ileißgas-Ableitung verbundenen Brennkammer.
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Die in Behandlungsanlagen, wie z. B. in-Trockeneinrichtungen anfallende
mit reaktionsfähigen Bestandteilen unterschedlicher Konzentration angereicherte
Abluft, muß vor ihrer Ableitung in die Atmosphäre einer Nachreaktion unterzogen
werden.
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Dadurch lassen sich diese Bestandteile auf ein Maß reduzieren, welches
unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenze liegt.
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Es ist bekannt die Abluft zu diesem Zweck einer als Misch- und Reakticnsraum
dienenden Brennkammer zuzuführen, in welcher diese mit den Abgasen eines Brenners
vermischt wird und Abluft und Abgase als Gemisch auf ihre Reaktionstemperatur gebracht
werden. Versuche haben ergeben, daß der Wirkungsgrad der Vorrichtung in Bezug auf
die Güte des Ausbrandes dabei im wesentlichen
abhängig ist von
der Mischwirkung der Brennkammer, der Verweilzeit der Gasc, der Lösungsmittelkonzentration
und der Verbrennungstemperatur. Um die llöhc der Verbrennungstemperatur in einer
für die I.'irtschaftlichj-cit des Reaktionsprozesses erträglichen Grenze zu halten,
und dennoch die GU-te des Ausbrandes zu sichern, ist man gezwungen die Verweilzeit
der Gase in der Brennkammer zu erhöhen. Die3 erfordert jedoch ein relativ großes
Brennkammervolumen mit entsprechend hoher Wärmeabstrahlung und hohem Energieaufwand.
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Schon frühzeitig wurdc erkannt, daß eine gute Durchmischung durch
starke Turbulenz der Reaktionsstoffe im Verbrennungsraum den Wirkungsgrad der Verbrennung
wesentlich steigert.
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Nach einer bekannten Anordnung zum Mischen und fUr die Durchführung
von Verbrennungsreaktionen gemaß der DAS 1 o35 306 wird einer der zu mischenden
bzw. zur Reaktion zu bringenden Stoffe in eine Misch- und Reaktionskammer derart
eingeleitet, daß sich in dieser Kammer eine strömungsführung mit teilweiser Strömungsumkehr
in der Längsachse der Reaktionskammcr ausbildet. Diese bekannte Vorrichtung besteht
zu diesem Zweck aus einem zylindrischen oder sich in Hauptströmungsrichtung erweiternden
Rohrstück, in das der eine Stoff tangential, der andere einzuführende Stoff dagegen
im Bereich der sich ausbildenden Rückströmung zugeführt wird. Damit ist eine StrömungsfUhrung
erzielbar, die zwar bereits eine relativ gute Durchmischung
der
eingeführten Stoffe ermöglicht, jedoch nicht verhindern kann, daß ein Teil der Hauptströmung
und dam-it ein Teil der Reaktionsstoffe auf kürzestem Wege aus der Reaktionskammer
ausgetragen ird. Um jedoch einen hohen Verbrennungsgrad der eingeführten Stoffe
in der Reaktionskammer zu erreichen, muß neben einer optimalen Durchmischung der
Reaktionsteilnehmer auch ihre Verweilzeit gleich sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile
zu beseitigen und die Durchführung einer Reaktion in einer Brennkammer innerhalb
eines unteren, nahe der Zündtemperatur der Reaktionsteilnehmer liegenden Temperaturbereiches,
untcr hoher Turbulenz und gleicher Verweilzeit zu ermöglichen.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der Brennkammer
eine kombinierte Zuführung für Brenngase und reaktionsfähig Stoffe in bekannter
Weise tangential zugeordnet ist, derart, daß sie an dem der geschlossenen Stirn
seite entgegengesetzten Ende der srennkamner in t!öhe einer innerhalb dieser rohrförmig
ausgebildeten und in deren Achsrichtung sich erstreckenden, sowie mit der Heißgas-Ableitung
verbundenen Leiteinrichtun'erfolgt.
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Es hat sich überraschend gezeigt, daß durch diese Maßnahmen eine sehr
gute und schnelle Durchmischung aller Reaktionsteilnchmer
erfolgt.
Für die eingeführte Verbrennungsluft ist in nerhalb kurzer Zeit die vorgeschene
Reaktionstemperatur erreicht. Dic sich spezifiscl auf Grund, dieser Anordnung bildende
Strömung ermöglicht die Ausbildung starker Turbulenzen in der Brennkammer unter
Vermeidung hoher Druckverluste. Die in der Form cines Zyklons wirksame Hauptströmung,
die von einer in Strömungsrichtung parallel an der Brennkammerwandung entlang fließenden
Grenzschicht umgeben ist, kehrt sich zusam men mit dieser in Bodennähe der Brennkammer
vollständig um und fließt in deren Längsachse auf Grund des sich im Zyklon ausbildenden
Unterdruckes als Kernströmung vollständig durch die Brennkammer zurück. Die sich
peripher um die Leitcinrichtung ausbildende Hauptströmung gelangt in der Endphase
in die Leiteinrichtung, erweitert sich, strömt zum Teil abermals in diese zurück
und löst sich anschließend auf. Dic Turbulenzentwicklung in der Brennkammer wird
noch vorteilhaft unterstützt durch einen auf Grund der kombinierten Zuführung sich
aushildenden Pulsationseffekt, dessen Frequenz in der Folge sich mit steigender
Strömungsgeschwindigkeit erhöht.
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zur Eutzung dieses ermittelten Effektes wird in einer weiteren Ausbildung
der Erfindung vorgeschlagen, daß der Brennkammer im Anschluß an die Leiteinrichtung
ein weiterer Reaktionsraum mit einer an dessen Fnc'e vorgesehenen Heißgas-Ableitung
nachccordnet ist.
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Damit ist in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Drallenergie der
aus der elnc Primtirzone bildenden Brennkammer ausströmenden Kernströmung im Bedarfsfalle
in einem zusätzlichen, eine Sckundärzone bildenden Reaktionsrum zur weiteren Turbulenzentwicklung
verwendet. wird. Das ist vor allem dann erforderlich, wenn unterschiedliche Reaktionsteilnehmer
ungleich lange Verweilzeiten benötigen, oder wenn durch extrem schwankende Volumendurchsätze
die Strömungsverhälthisse in der Brennkammer von der optimalen Strömungsführung
abweichen.
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Unterstützt durch eine nochmals im Bereich der Lciteinrichtung auftretende
Rückströmung können eventuell noch vorhandene Restgase voll ausreagieren, so daß
ein über den ganzen Querschnitt der Heißgas-Ableitung vollkommen homogencs Gasgemisch
entsteht. Dics ist vor allem dam zwingend Voraussetzung, wenn die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Herstellung von Schutzgasen eingesetzt wird.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die vorzugsweise
kegelförmig ausgebildete Leiteinrichtung sich in Strömungsrichtung der abgeführten
Brenngase diffusorartig crweitert. Diese Maßnahme ermöglicht eine strömungstechnisch
vorteilhafte Überleitung der Kernströmung aus der Brennkammer in den dieser nachgeschalteten
Reaktionsraum bzw. in die Heißgas-Ableitung. Weitere Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich nachfolgend aus der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele.
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Hierbei zeigen: Fig. 1 Die Ausführung einer geschlossenen Brennkammer
im Schnitt, mit nach@cordneter Heiß@as-Ableitung.
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Fig. 2 Die Ausbildung einer Brennkammer in Sehnitt, mit nach@eord@eten
und mit einer Heißdas-Ableitung verbundenem Reaktions@aum.
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Gemäß Fig. 1 ist eine zylinderförmig ausgebildete Prennkammer 1, die
an ihrer den Brennkammer Roden bildenden Stirnseite 2 luftdicht verschlossen ist,
an ihrem zweiten stirnseitigen Ende mit einer Heißgas-Ableitung 3 verbunden. Im
Anschluß an diese Heißgas-Ableitung erstrcckt sich in die Brennkammer eine gleichfalls
zylinderförmig auseebildete Leiteinrichtung 4. Diese Leiteinrichtung kann in Begünstigung
einer erwänsehten Strörungsführung konisch ausgebildet sein. Ihre Längenausdehnung
in die Erennkammer ist abhängig von der Lage der Eintrittsöffnung 5 zur Brennkammer.
Die Leiteinrichtung 4 soll jedoch die Eintrittsöffnung in ihrer Längenausdehnung
überschreiten.
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Der Brennkammer 1 ist der Brennerblock 6 seitlich derart zugeordnet,
daß eine tangentiale Zuführung der Reaktionsteilnchmer zur Brennkammer ermöglicht
ist. Der Brennerblock besteht aus dem eigentlichen Brenner 7 und mit diesem kombiniert
aus der Abluftzuleitung 8. Die Brennkammer ist aus zwei miteinander verbundenen
Abschnitten
9, 10 gestaltet, so daß im Bedarfsfalle unterschiedliche Prennkammerlängen zusammgengestellt
werden könken.
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ln der Brennkammer bildet sich im Betrieb eine Strömungsführung aus,
die besonders durch eine schrarbenförmig nach unten gerichtete und im Verlauf der
Brennka@merachse als Kernströmung zurückgefülnte Hauptströmung gekennzeichnet ist.
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Zur Unterstützung dieser Strömungsführung trägt der Brennkammerboden
in seiner Hitte einen Kegel und kann hach außen gewölbt sein. Die schnell rotierende
Kernströmung gelangt durch den entstehenden Unterdruck des Dralls in die Leiteinrichtung
und wird anschließend durch die Heißgas-Ableitung ausgetragen. Die innerhalb dieser
Strömung sich ausbildende Turbulenz und die an der Zuführung entstchende Pulsation
unterstützen in vorteilhafter Weise den Mischeffekt. Die gesante Strönungsführung
gewährleistet außerden für alle Reaktionsteilnehzer eine gleich lange Verweildauer
in der Brennkammer.
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Da die Leiteinrichtung den sofortigen Übertritt unreagierter Gase
in die Heißgas-Ableitung verhindert, erfolgt eine intensive Durchmischung sämtlicher
Beaktionsteilnehmer und damit ein nahezu vollkommener Ausbrand derselben.
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In Fig. 2 der Zeichnung ist der eigentlichen Brennkammer 1 ein Reaktionsraum
14 nachgeordnet. Dieser Reaktionsraum kann in seinem Außendurchmesser dem Durchmesser
der Brennkammer
entsprechen. Er ist durch die Leiteinrichtung 4
mit der Brennkammer verbunden und bildet mit dieser zusammen eine Einheit. Bei dieser
Ausführung ist die Heißgas-Ableitung 3, entsprechend der verlängerten Strömungsführung
aus der Brennkammer, am Ende des Reaktionsraumes 14 angeordnet.
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Dcr Reai:tionsraum 14 dient der Nachreaktion von lleißgas vor allem
dann, wenn häufig eine unterschiedliche Konzentration der Reaktionsteilnehmer, oder
stark schwankende Voluinendurchstitze gegeben sind. Da die aus der Leiteinrichtung
in den Reaktionsraum frei austretenden Heißgase in diesem Raum noch einmal starke
Turbulenz hervorrufen, können auch eventuell auftretende Kurzschlußströmungen aus
der Grenzschicht noch zur Reaktion kommen. Dies erklärt sich vor allem dadurch,
daß die ain EndL der Leiteinrichtung austretende in Form eines Kreisring-Querschnittes
rotierende Kernsttrömung in ihrem Zen trum infolge ihrer schnellen Rotation wiederum
cinen Unterdruck erzeugt, der einen Teil der Heißgase aus dem Reationsraum bis in
die Brennkammer 1 zurückzuführen vermag.
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Versuche haben gezeigt, daß die Kammerlänge des Reaktionsraumes zu
der Länge der Brennkammer vorteilhaft in einem Verhältnis zwischen 1 : 2 und 1 :
3 stehen solltc, um die Strömungsverhälthisse insgesamt für die Reaktion optimal
zu nutzen.
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Des weiteren wurde ermittelt, daß die Länge der nrennkammer in
Abhängigkeit
von ihrem Durchmesser Im Verhältnis zum Durchmesser der Leiteinrichtung zweckmäßigerweise
1 : 3 bis 1 : 6 betragen sollte, um auch bei stark schwankenden Volumendurchsätzen
ohne nachgeschaltete Reaktionskammer bereits befriedigende Ergebnisse zu erlangen.
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Zur Nachverbrennung können in die beschriebene Vorrichtung neben gasförmicjen
Stoffen, auch flüssige oder staubförmige Produkte, wie Altöl, gebrauchte Lösungsmittel,
Lackschleifstaub u. ä. eingebracht werden. Für alle Medien ist Voraussetzung, daß
sie strömungsfähig sind.
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Die Vorrichtung ist mit gleichen Vorteilen jedoch auch für solche
Reaktionsvorgänge einsetzbar, die der Herstellung von Schutzgasen dicnen.
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- Patentansprüche -