DE2323181C2 - Dampfgenerator - Google Patents

Description

und/oder Wasserdampf beaufschlagt ist, g e k e π η - ίο chen Verfahren und Vorrichtungen bringen jedoch bezeichnet durch eine geschlossene Einspei- stenfalls lediglich einen Teilerfolg. Sie führen zu einer

wesentlichen Verteuerung und zu einer Verringerung

des Wirkungsgrades.
Es sind ferner bereits Antriebseinrichtungen für Un-

sungseinrichtung (8 bis 4θ) zur Einspeisung eines schwefel- und stickstofffreien Brennstoffs und eines stickstofffreien Sauerstoffs unter einem Druck von

mehr als 10 Atmosphären in die Verbrennungskam- 15 terseeboote oder dgi. bekannt geworden, bei denen ein

mer und durch ein Verhältnis der Länge des Gasströmungskanals (50) des Wärmetauschers (6) zum hydraulischen Durchmesser des Gasströmungskanals (50) des Wärmetauschers (6) von mehr als 100 und weniger als 1000.

2. Dampfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Einspeisungseinrichtung (8 bis 46) mit einem Vorratstank (8) für flüssigen Sauerstoff verbunden ist Kohlenwasserstoffbrennstoff in einer Sauerstoffatmosphäre verbrannt wird und wobei die Verbrennungsprodukte direkt zum Betrieb einer Turbine verwendet werden. Die Verbrennungsprodukte umfassen Kohlensäure und andere nicht kondensierbare Gase wie Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd. Diese Stoffe sind im gasförmigen Zustand zum Antrieb von Turbinen nicht so gut geeignet wie Wasserdampf. Darüber hinaus führen sie zu einer Korrosion der Turbinenschaufeln

3. Dampfgenerator nach einem der Ansprüche 1 25 und eine Rückführung des Antriebsmediums, wie es bei oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlos- Verwendung von reinem Wasserdampf geschieht, ist sene Einspeisungseinrichtung (8 bis 46) mit einem nicht möglich.

Vorratstank (10) für flüssigen Brennstoff verbunden Es ist ferner besannt, daß bei der Verbrennung eines

hochwertigen Brennstoffs wie Erdgas weniger schädliche Abgase entstehen. Andererseits ist aber bekannt, daß die Wärmestrahlung einer Erdgasflamme im Vergleich mit anderen Brennstoffen eher gering ist, so daß Erdgas als Brennstoff für Dampfgeneratoren vom Flammrohrkessel-Typ weniger geeignet erscheint (vgl. z. B. »Gas Wärme International«, Oktober 1968, S. 378). Da ferner generell bei bekannten Flammrohrkesseln wegen der begrenzten Rostfläche die Dampfleistung auf Werte bis maximal 1.5 t/h begrenzt ist, schien e.« unmöglich, mit einem Flammrohrkessel einerseits sehr große

ist

4. Dampfgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff ein Kohlenwasserstoff und insbesondere verflüssigtes Naturgas ist

Die Erfindung betrifft einen Dampfgenerator mit einer Verbrennungskammer, mit Einrichtungen zur

Druckeinspeisung von Brennstoff und Oxidierstoff in 40 Dampfmengen zu erzeugen, u -.d andererseits "auch die Verbrennungskammer und mit einem Wärmetau- noch die Vorteile zu nutzen, die sich hinsichtlich einer

Verminderung der Luftverschmutzung aus der Verwendung von Erdgas ergeben.

Es war ferner zwar auch bekannt, daß der Ersatz der 45 Luft durch reinen Sauerstoff die Flammtemperatur steigern kann. Die erhöhte Flammtemperatur führt aber zu neuen Problemen, z. B. hinsichtlich der Materialien für die Brennräume, so daß nicht davon ausgegangen werden konnte, daß sich durch die Verwendung von Sauer-Herkömmliche Dampfgeneratoren umfassen Feuerun- 50 stoff die Leistungen von Flammrohrkesseln gegenüber gen, worin der Brennstoff in Luft bei relativ niedren den bekannten Kesseln wesentlich steigern lassen könn-Drucken in der Größenordnung von 0,7 bis 1,4 kg/,m²
(absolut) verbrannt wird. Diese herkömmlichen Dampfgeneratoren umfassen umfangreiche, groß dimensionierte Wärmeaustauschereinheiten oder Kessel in einer 55 daß ein außerordentlich gesteigerter thermischer Wir Länge von 12 bis 18 m und mit einem Durchmesser von kungsgrad und eine hohe Dampfleistung erhalten wird, 6 bis 18 m. Die Verbrennung des Brennstoffluftgemi- - - -

sches in derartigen Dampfgeneratoren ist unvollständig

scher, welcher auf einer Seite von Verbrennungsgasen und/oder brennenden Gasen und auf der anderen Seite von Wasser und/oder Wasserdampf beaufschlagt ist

Es ist bereits eine Vielzahl verschiedener Dampfgeneratoren bekannt geworden. Der mit den Dampfgeneratoren erzeugte Dampf dient zum Heizen, zum Antreiben von Turbinen und Generatoren sowie von Lokomotiven und anderen Fahrzeugen und für andere Zwecke.

ten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampfgenerator vom Flammrohrtyp so auszubilden,

und die Verbrennungsprodukte einer derartigen unvollitändigen Verbrennung werden in die Atmosphäre entlassen und führen zur Luftverschmutzung. Darüber hinaus werden herkömmlicherweise schwefel· und stick' s.toffhaltige Brennstoffe verbrannt Als Oxydationsmittel dient Luft, welche ebenfalls Stickstoff enthält Hier und daß trotzdem der Aufbau des Dampfgenerators sehr einfach und kompakt gehalten werden kann und weitgehend von schädlichen Bestandteilen freie Abgase erhalten werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Dampfgenerator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß er eine geschlossene Einspeisungseinrichtung zur Einspeisung eines schwefel- und stickstofffreien

durch gelangen schädliche Stoffe in die Verbrennurtgs- 65 Brennstoffs und eines stickstofffreien Sauerstoffs unter

gase Und in die Atmosphäre, einem Druck von mehr als 10 Atmosphären in die Ver-

Es wurden viele Verfahren vorgeschlagen, Um das brennungskammer und ein Verhältnis der Länge des

Problem der Umweltverschmutzung durch schädliche Gasströmungskanals des Wärmetauschers zum hy-

draulischen Durchmesser des Gasströmungskanals des Wärmetauschers von mehr als 100 und weniger als 1000 aufweist

Vorzugsweise Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße Dampfgenerator führt zu keinerlei Luftverschmutzung. Der Wirkungsgrad ist sehr groß und die Dampfleistung kann etwa 60 t/h betragen. Eine Korrosion der Turbine oder des Kondensators wird nicht beobachtet Der erfindungsgemäße Dampfgenerator ist äußerst kompakt, die Wartungs- und Reparaturkosten sind gering und die Totzeit oder Ausfallzeit ist minimal. Der erfindungsgemäße Dampfgenerator kann in herkömmliche elektrische Kraftwerke eingebaut werden, wenn die herkömmlichen Dampfgeneratoren ersetzt werden müssen. Vorzugsweise sind die Wärmeerzeugungsanlagen und die Dampferzeugungsanlage getrennt Als Oxidierstoff dient vorzugsweise flüssiger oder gasförmiger Sauerstoff, und Luft wird ausgeschlossea Als Brennstoff dient vorzugsweise flüssiges Erdgas. Der Brennstoff und der Oxidierstoff haben vorzugsweise einen hohen Druck von bis zu mehreren hundert Atmosphären, vorzugsweise bis zu 5OC und speziell bis zu 200 Atmosphären. Die Verbrennung ist vollständig. Die Verbrennungsprodukte umfassen lediglich Wasser, Kohlendioxyd und Kohlensäure, welche rasch in Wasser und Kohlendioxyd zerfällt. Das zu erhitzende Wasser ist von dem Abgas getrennt Durch den hohen Druck geht die Verbrennung rasch vonstatten, wodurch die Abmessungen des Wärmeaustauschers verringert werden können. Vorzugsweise ist der Druck größer als 10 und speziell größer als 25 Atm.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert

Der Dampfgenerator 2 umfaßt eine Verbrennungskammer 4 sowie einen Wärmeaustauscher 6. Es sind Vorratstanks 8 und 10 vorgesehen. Der Tank 8 ist mit einem flüssigen Oxidierstoff gefüllt, wie z. B. mit Sauerstoff (O, O²,0³) oder Wasserstoffperoxyd, und der Tank 10 ist mit Brennstoff gefüllt Man kann jeden schwefelfreien und stirkstofffreien Brennstoff verwenden. Flüssiges Methan (Erdgas) ist ein bevorzugter Brennstoff. Man kann jedoch auch Wasserstoff, Äthan, Propan, Alkohol oder dgl. einsetzen. Aus den Vorratstanks 8 und 10 werden der Oxidierstoff und der Brennstoff durch eine Fördereinrichtung 12 in die Verbrennungskammer 4 geführt D^;e Förde-einrichtung ist g 'schlossen, so daß der Brennstoff oder der Oxidierstoff nicht durch Luft verunreinigt werden können. Der flüssige Oxidierstoff (z. B. flüssiger Sauerstoff) fließt aus dem Vorratstank 8 durch eine Strömungsrc-jeleinrichtung 14 und eine Pumpe 15 und gelangt in einen Verdampfer 18, wo er aus dem flürsigen in den gasförmigen expandierten Zustand überführt wird. Sodann wird der gasförmige Oxidierstoff (Sauerstoff) durch eine Rohrleitung 20 und eine Strömungsregeieinrichtung 22 zu einer Druckregeleinrichtung 24 geführt und danach durch eine zusätzliche Strömungsregeleinrichtung 26 zu der Verbrennungskammer 4. Als zusätzliche Strömungsregeleinrichtung 26 kann eine Schall- oder KavitatioiiS-Strömungs-Venturi-Düse verwendet werden. Der flüssige Brennstoff gelängt vom Vorratstank 10 über eine Strömungsregeieinrichtung 28 und eine Pumpe 30 zu einem Verdampfer 32, wo der flüssige Brennstoff in den expandierten gasförmigen Zustand überführt wird. Sodann strömt der gasförmige Brennstoff durch eine Rohrleitung 34 und eine Strömungssteuereinrichtung 36 zu einer Temperatursteuereiiirichtung 38 und von dort durch eine zusätzliche Strömungsregeleinrichtung 40 und in die Verbrennungskammer 4. Vorzugsweise werden auch zur Druckmessung Wandler 42 und 44 Ln den zugehörige.i Rohrleitungen vorgesehen. Die Ausgangssignale dieser Wandler entsprechen den jeweiligen Drucken. Sie gelangen in ein Differential-Druck-Kontrollgerät ·46, wo die Signale verglichen werden. Dieses Druck-Kontrollgerät 46 steuert die Druckregeleinrichtung 24, so daß stets ein erwünschtes Verhältnis des

ίο Brennstofidrucks zum Sauerstoffdruck automatisch aufrechterhalten wird.

Die Verbrennungskammer 4 ist in eine Verbrennungsvorkammer und eine Verbrennungshauptkammer 58 unterteilt In der Verbrennungsvorkammer und/oder in der Verbrennungshauptkammer 58 werden der Sauerstoff und der Brennstoff mit einer Zündeinrichtung 48 gezündet und die Verbrennungsgase und/oder brennenden Gase strömen innerhalb eines Gasströmungskanals 50 mit kreisförmigem Querschnitt oder von anderer geometrischer Form durch den Wärmeaustauscher 6. Falls erforderlich, kann zusätzlicher Sauerstoff durch eine Rohrleitung 52, eine Strö.^angsregeleinrichtung 54 und einen Rohrverteiler 56 bei £3 in der Nähe des Einlasses des Rohrs 50 des Wärmeaustauschers 6 den brennenden Gasen zugeführt werden, um die Temperatur der Verbrennungsgase zu erhöhen. Alternativ kann auch der Verbrennungsbeginn des Sauerstoff-Brennstoff-Gemisches bei 58 liegen. Zur Dampferzeugung wird ein Sekundärströmungsmedium, wie Wasser.

aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter durch eine Rohrleitung 60 und einen Rohrverteiler 62 zu einem Mantel 64 des Wärmeaustauschers 6 geführt so daß zwischen diesem Sekundärströmungsmedium und den heißen Gasen in dem zentralen Strömungskanal 50 ein Wärmeaustausch stattfindet Beim Erreichen der Ausgangssammelleitung 66 liegt das Wasser in Form von Wasserdampf yor. Sodann strömt der Dampf durch eine Rohrleitung 68 zu einer nicht dargestellten Arbeitsmaschine (ζ. Β. Turbine). Vorzugsweise strömt das Wasser vor Eintritt in die Rohrleitung 60 über einen Einlaß 61 in ein Vorwärmgerät 70, wo ein Wärmeaustausch zwischen den heißen Verbrennungsgasen des zentralen Rohrs 50 des Wärmeaustauschers 6 und dem kalten Wasser stattfindet Hierbei werden die Verbrennungsgase des Wärmeaustauschers 6 abgeküh't und das der Rohrleitung 60 zugeführte Wasser w^;rd vorgeheizt Mit einer solchen Anordnung gelingt eine Gesamtnutzung der Enthalpie des Verbrennungsgases von 91 760 cm³ AtmVg oder mehr.

so Die Verbrennungskammer 4 und der Wärmeaustauscher 6 können aus herkömmlichen Hochtemperaturmetallen bestehen, wie z. B. aus mit Nickel, Chrom, Kobalt legiertem Stahl oder aus Nickellegierungen odc." Kupferlegierungen wie BeCu, Cu, Ag-Cu oder aus einer Kcmb.nation dieser Metalle. Ferner kann eine Auskleidung mit herkömmlichen feuerfesten Materialien, wie z. B. mit Molybdän, Wolfram, Tantal oder dgi. im Falle von hohen Dampftemperaturen vorgesehen sein. Die Gestalt und die Abmessungen der Verbrennungskammer 4 und des Wärmeaustauschers 6 können im wesentlichen frei gewählt werden, vorausgesetzt, daß das Verhältnis Von Verbrennungsgäs-Strömungskänaliänge zu hydraulischem Durchmesser (das Vierfache des Verhältnisses von Gasströmung-Querschnittsfläche zu benetztem Umfang) für die Gasströmung größer als 100 und kleiner als 1000 ist Aych die Strömungsrichtung des sekundären Strömungsmediurtls kann im wesentlichen frei gewählt werden, je nach der speziellen Verwen-

dung.

Beim Betrieb stehen der flüssige Brennstoff und der Oxidierstoff (Sauerstoff) unter hohem Druck. Sie werden von den Vorratstanks 8 und 10 zur Verbrennungskammer 4 geführt und bei 48 von den Vorratstanks 8 und 10 zur Verbrennungskammer 4 geführt Und bei 48 oder bei 58 gezündet. Vorzugsweise werden das Brennstoffgas und der Sauerstoff unter Druck der Verbrennungskammer zugeführt, da dies beim Zünden der Gase zu einer schnelleren Verbrennung führt. Hierdurch wird die Umwandlung von Wasser in Dampf verbessert, so daß die Abmessungen des Wärmeaustauschers verringert werden können. Je größer der Druck der Gase bei der Zündung ist, umso besser ist das Ergebnis. Nach der Zündung strömen die Verbrennungsgase durch den Wärmeaustauscher 6. Zur weiteren Erhöhung der Flammentemperatur kann zusätzlicher Sauerstoff eingeführt werden.

Wenn man z. B. gasförmigen Brennstoff (0,89 kg/sec) und Sauerstoff (3,58 kg/sec) der Verbrennungskammer 4 mit einem Druck von etwa 32,5 kg/cm² zuführt, so bilden die gezündeten Gase eine Flamme mit einer Flammentemperatur in der Größenordnung von 650⁰Q Die Drucke innerhalb der Verbrennungskammer liegen im Bereich von 10,5 bis 38 kg/cm² (absolut). Wenn an der Stelle 58, an welcher die Flamme in den Wärmeaustauscher 6 eintritt, zusätzlicher Sauerstoff zugeführt wird, so wird die Temperatur der Flamme im zentralen Rohr 50 des Wärmeaustauschers 6 auf etwa 3300⁰C erhöht Das mit einer Geschwindigkeit von 16,6 kg/sec durch den Mantel 64 des Wärmeaustauschers 6 strömende Wasser wird bei dieser Temperatur rasch in Dampf von 26,5 kg/cm² bei 320⁰C mit 70⁰C Überhitzung umgewandelt (16,6 kg/sec), so daß die Abmessungen des Wärmeaustauschers wesentlich verringert werden können. Bei den genannten Drucken und Temperaturen reicht ein Wärmeaustauscher mit einer Verbrennungsgaslänge von etwa 250 cm und mit einem hydraulischen Durchmesser (für das Strömungsmedium) von etwa 1,25 cm vollständig zur Dampferzeugung aus. Ein Wärmeaus-

tauscher dieser Länge kann zur Wartung mit einem Gabelstapler oder auch manuell bewegt werden. Zur Bewegung herkömmlicher Wärmeaustauscher waren bisher Hochleistungskräne oder andere Spezialeinrichtungen erforderlich. Der kompakte Aufbau und der verschmutzungsffeie Betrieb des effifidungsgemäßen Dafnpfgenerators ermöglichen seine Verwendung für Flugzeügtriebwerksanlagen, Waffen, Schiffe, Busse und Bergwerke und selbst in beweglichen Kraftwerken.

Wie bereits erwähntj darf der Brennstoff keinen Schwefel und keinen Stickstoff enthalten, da diese Elemente in Verbindung mit den anderen Elementen die umweltverschmutzenden Stoffe im Abgas bilden. Bei Verwendung von reinem Sauerstoff zum Verbrennen dieses Brennstoffs im abgeschlossenen System wird ein Eindringen von Stickstoff aus der atmosphärischen Luft ausgeschlossen. Demzufolge bestehen die Abgase des erfindungsgemäßen Dampfgenerators lediglich aus Wasser, Kohlendioxyd und Kohlensäure, welch letztere

L. I- \T7 3 Χ/" -1.1 l: 1 fall* Γ> , i 1

iaai»iim rraaaci unu nuineiiuiuAyu £ci lauu rci lici wiiu erfindungsgemäß das Wasser für die Dampferzeugung von den Verbrennungsprodukten ferngehalten. Hierdurch wird verhindert, daß Kohlensäure und nicht kondensierbares Kohlendioxyd in den Dampf gelangen und dennoch wird ein hoher Wirkungsgrad der Dampferzeugung erzielt Mit einem derartigen Dampfgenerator kann ein korrodierender Angriff von Turbinenschaufeln oder dergleichen vermieden werden. Es ist natürlich riiöglich, den Brennstoff und den Sauerstoff im gasförmigen Zustand und nicht in flüssigem Zustand zu lagern. Ferner können feste Brennstoffe verwendet werden, insofern sie keinen Schwefel und keinen Stickstoff enthalten und sofern sie unter Ausschluß von Luft der Verbrennungskammer zugeführt werden. Ferner können andere sekundäre Wärmeaustauschströmungsmedien eingesetzt werden, wie z. B. flüssiges Metall, organische Strömungsmedien, Kohlendioxyd, Quecksilber oder dgl. Diese können als Zwischen-Wärmeaustauschmedien zwischen den heißen Verbrennungsgasen und dem Wasser eingesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Dampfgenerator mit einer Verbrennungskammer, mit Einrichtungen zur Druckeinspeisung von Brennstoff und Oxidierstoff in die Verbrennungskammer und mit einem Wärmetauscher, welcher auf einer Seite von Verbrennungsgasen und/oder brennenden Gasen und auf der anderen Seite von Wasser Stoffe in Verbrennungsabgasen zu verringern oder zu eliminieren. Keins der bisher bekannt gewordenen Verfahren ist jedoch völlig befriedigend. Die bisherigen Vorschläge betreffen vor aliem die Entfernung oder Neutralisierung von schädlichen Stoffen und von unvollständigen Verbrennungsprodukten. Hierzu wurden verschiedene Filter und Wäscher verwendet Darüber hinaus wurden viele Vorschläge zur Verbesserung des Verbrennungsvorgangs gemacht Diese herkömmli-