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OFEN ZUR THERMISCHEN VERARBEITUNG VON FESTEM BRENNSTOFF Die Erfindung
betrifft die Brennstoffindustrie, insbesondere Öfen zur thermischen Verarbeitung
von Brennstoff im Querstrom eines Wärmeträgers.
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Bekannt ist ein Ofen zur thermischen Verarbeitung von festem Brennstoff
im Querstrom eines Wärmeträgers, mit einem zylinderförmigen Gehäuse, in dessen oberen
Teil zwei Vertikalroste angeordnet sin&, die das Gehause in einen durch die
Seitenwand des Gehäuses und einem der Vertikalroste gebildeten Raum zur Wärmeträgerverteilung,
einen Schwelraum, der durch die Vertikalroste und Gehäusewände gebildet ist und
in einen unter ihm be findlichen Vergasungsraum übergeht, und einen Dampgasgemischraum,
der durch den zweiten Vertikairost und die Seitenwand des Gehäuses gebildet ist,
unterteilen, mit Einrichtungen zur Binführung von Wind und festem Brennstoff, und
mit einer Einrichtung zur Ableitung von Dampfgasgemisch und Festem verbrauchtem
Material (s. z.B. SU-Urheberschein Nr. 304 285).
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Der bekannte Ofen zur thermischen Verarbeitung von festem Brennstoff
im Querstrom des Wärme trägers ist aber mit dem Nachteil behaftet, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des zu verarbeitenden festen Brennstoffes über den Querschnitt des Schwelraumes
ungleichmäßig ist: im Axialbereich ist die Geschwindigkeit viel höher als neben
den Wänden des Gehäuses.
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Die Ungleichmäßigkeit der Brennstoffgeschwindigkeit über den Querschnitt
des Schwelraumes ist durch beengte Strömungsverhältnisse um die Wände des Ofengehäuses,
Materialreibung an den Gehäusewänden und die geometrischen Umrisse des Schwelraumes
und der Unterkanten der Vertikalroste bedingt.
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Die Filtergeschwindigkeit des Wärmeträgergases durch eine Schicht
festen Schüttgutes neben den Seitenwänden ist bekanntlich wegen des Wandeffekts
viel höher als im restlichen Teil.
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Diese Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten des zu verarbeitenden
Festbrennstoffes und des Wärmeträgergases führt zu einer unrationellen Wärmeverteilung.
Im mittleren Teil des Raumes wird der Brennstoff nicht vollständig verarbeitet,
wahrend der Brennstoff neben den Gehäusewänden überhitzt wird. Dadurch nehmen die
Ofenleistung und der thermische Wirkungsgrad des Vorganges ab.
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Nicht selten bildet sich wegen Überhitzung des Brennstoffes an den
Gehäusewänden ein Schlackenansatz aus, der das F1ngenbleiben des zu verarbeitenden
Brennstoffes mit sich bringt, wodurch der gesamte technologische Prozeß gestört
wird.
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Dieser Nachteil ist auch anderen bekannten Öfen mit gleichem Verwendungszweck
eigen.
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Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die obenerwähnten Nachteile
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zur thermischen
Verarbeitung von festem Brennstoff im Querstrom eines Wärmeträgers zu schaffen,
der eine gleichförmige Strömung des zu verarbeitenden festen Brennstoffes über den
Querschnitt des
Schwelraumes gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei
dem Ofen zur thermischen Verarbeitung von festem Brennstoff im Querstrom eines Wärmeträgergases,
mit einem Gehäuse, in dessen oberem Teil zumindest zwei Vertikalroste angeordnet
sind, die den Körper in einen durch die Seitenwand des Körpers und einen der Vertikalroste
gebildeten Raum zur Wärmeträgerverteilung, einen Schwelraum, der durch die Vextikalroste
und die Seitenwand des Gehäuses gebildet ist und in einen unter ihm befindlichen
Vergasungsraum übergeht, und einen Dampf-Gas-Gemischraum, der durch den zweiten
Vertikalrost und die Seitenwand des Gehäuses gebildet ist, mit einer Einrichtung
zur Gaszufuhr zum Vergasungsraum und einer Einrichtung zur Ableitung von Dampf-Gas-Gemisch,
und mit einer Einrichtung zum Vorschub des festen Brennstoffes zum oberen Teil des
Schwelraumes und zur Ableitung von festem verbrauchtem Material vom unteren Teil
des Vergasungsraumes, der untere Teil von zumindest einem Vertikalrost Schnittstellen
aufweist, die derart ausgebildet sind, daß der mittlere Teil der Kante des Vertikalrostes
tiefer liegt als die Kanten der Schnittstellen der Flanken des Vertikalrostes, die
sich an die Seitenwänden des Gehäuses anschließen.
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Beim vorliegenden Ofen zur Verarbeitung von festem Brennstoff im Querstrom
eines Wärmeträgers werden durch den Geschwindigkeitsausgleich der Brennstoffströmung
im Querschnitt des Schwelraumes bessere Wärme- und Stoffaustauschbedingungen zwischen
dem Wärmeträgergas und dem zu verarbeitenden Brennstoff geschaffen, was eine Leistungssteigerung
des Ofens, Verfeinerung der Brennstoffverarbeitung und Erhöhung des thermischen
Wirkungsgrades des Vorganges mit sich bringt.
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Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird
die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Schnitt eines
erfindungsgemäßen Ofens zur thermischen Verarbeitung von festem Brennstoff im Querstrom
eines Wärmetragers; Fig. 2 den Schnitt II-II der Fig. 1;
Fig. 3
den Schnitt III-III der Fig. 1; Fig. 4- den Schnitt IV-IVder Fig. 1; Fig. 5 die
schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante der Schnittstelle des
heißen Vertikalrostes des Ofens; Fig. 6 die schematische Darstellung einer möglichen
Ausführungsari-ante der Schnittstelle des kalten Vertikalrostes des Ofens; Fig.
7 eine beispielsweise Geschwindigkeitskennlinie des zu verarbeitenden Brennstoffes
im Schwelraum der bekannten Öfen; Fig. 8 einen beispielsweisen Geschwindigkeitsplan
eines Teilchens des festen Brennstoffes bei dessen Ausströmung in den erweiterten
Vergasungsraum des Ofens; Fig. 9 eine beispielsweise Ausströmungsgeschwindigkeitskennlinie
eines Teilchens des festen Brennstoff fes in den erweiterten Teil des Vergasungsraumes
der bekannten Öfen; und Fig* 10 eine beispielsweise Anordnung der Naterialböschungen
an der Oberfläche des Vertikalrostes des Ofens.
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Der Ofen zur thermischen Verarbeitung von Brennstoff im Querstrom
eines Wärmeträgergases besteht aus einem Körper oder Gehäuse 1 (Fig. 1), in dessen
oberem Teil zwei Vertikalroste angeordnet sind, von denen einer, der kalte Vertikalrost
3, aus hitzebeständigem Stahl besteht.
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Die Vertikalroste 2 und 3 teilen den oberen Teil des Gehäuses 1 in
drei Räume: Einen Raum zur Wärmeträgerverteilung der durch die Seitenwände des Gehäuses
1 und den heißen Vertikalrost 2 gebildet wird, einen Schwelraum 5, der durch den
heißen Vertikalrost 2, den kalten Vertikalrost 3 und die Seitenwände des Gehäuses
1 gebildet wird, und einen Dampf-Gas-Gemischraum 6, der durch den kalten Vertikalrost
3 und die Seitenwände des Gehäuses
1 gebildet wird. Im unteren
Teil des Gehäuses 1, unterhalb des Wärmeträgerverteilungs- des Schwel- und des Dampf-Gas-Gemischraumes
4, 5 bzw. 6 befindet sich ein Vergasungsraum 7.
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Der Dampf-Gas-Gemischraum 6 ist mit einer Einrichtung 8 zur Ableitung
von Dampfgasgemisch und der Vergasungsraum 7 mit einer Binrichtung 9 zur Zufuhr
von Wind versehen. Im oberen Teil des Gehäuses 1 ist eine Einrichtung 10 zum Vorschub
des festen Brennstoffs und im unteren Teil eine Einrichtung 11 zur Ableitung von
festem verbrauchtem Material v-orgesehen. Der heiße Vertikalrost 2 (Fig. 3) ist
an einem Gewölbe 12 befestigt und mit Schnittstellen 13 versehen, die sich an das
Gehäuse 1 anschlieren. Der kalte Vertikalrost 3 (Fig. 4) ist an den Wänden des Gehäuses
1 befestigt und mit Schnittstellen 14 versehen, die sich an das Gehäuse 1 anschließen.
Die erwünschte Konfiguration der Schnittstellen ist in der Zeichnung dargestellt.
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Sie kann aber, um eine fertigungsgerechte Konstruktion zu erreichen,
geändert erden.
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Die mittleren Teile der Kanten "a" (Fig. )7 und 4) des kalten und
heißen Vertikalrostes 2 bzw. 3 liegen viel tiefer als die Kanten "b" der Schnittstellen
der Flanken der Vertikalroste 2 und 3, die sich an die Seitenwände des Gehäuses
1 anschließen.
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Mögliche Ausführungsbeispiele der Schnitt stellen am heißen Ve>-tikälrost
2 und am kalten Vertikalrost 3 zeigen Fig. 5 bzw.
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Fig. 6. Die Schnittstellen 13 (Fig. 3) des heißen vertikalrostes 2
und die Schnittstellen 14 (Fig. 4) des kalten Vertikalrostes 3 dienen zumindest
zum Ausgleich der Materialgeschwindigkeit über den Querschnitt oder günstigenfalls
zu deren Steigerung neben den Seitenwänden des Körpers 1.
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Der Ofen arbeitet wie folgt. Die erforderliche Leistung wird durch
die Einrichtung 10 zum Vorschub des festen Brennstoffe und der Einrichtung 11 zur
Ableitung vor festem verbrauchtem Material (Fig. 1) vorgegeben, die in Übereinstimmung
untereinander arbeiten. Dabei strömt der zu verarbeitende feste Brennstoff im Schwelraum
5 und im Vergasungeraum 7 von oben nach unten.
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Die Einrichtung 9 zur Zufuhr von Wind in den Ofen führt den erforderlichen,
durch die Verarbeitungstechnologie des festen Brennstoffs bedingten Wind zu. Die
während der Vergasung des zu verarbeitenden festen Brennstoffes im Vorgasungsraum
entwickelte Warme wird mit dem Wärmeträgergas übertragen.
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Das Wärmeträgers strömt aus dem Vergasungsraum 7 in den Raum 4 zur
Wärmetrögerverteilung ein, passiert die Öffnungen im heißen Vertikalrost 2, wird
durch eine Schicht des zu verarbeitenden festen Brennstoffes im Sch-elraun 5 in
Que--richtung gefiltert und gelang-t über den kalten Vertikalrost 3 in den Dampfgasgemischraum
6. Cifl3 Filtern des Wä.rmeträgorgases in Querrichtung durch die zu verarbeitende
Festbrennstoffschicht findet zwischen ihnen ein Wärme- und Stoffaustausch statt,
wodurch sich der er ganische Teil des Brennstoffes zersetzt. Die thermischen Zersetzungsprodukte
des Brennstoffes gelangen als Dampf-Gas-Gemisch in den Dampf-Gas-Gemischraum 6 und
über die Einrichtung 8 zur Ableitung des Dampf-Gas-Gemisches zu einen (nicht dargestellten3
Kondensationssystem.
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Dabei wird durch die Schnittstellen 13 (Fig. 3) am heißen Vertikalrost
2 und die Schnittstellen 14 (Fig. 4) am kalten Vertikalrost 3 die erforderliche
Gleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des zu verarbeitenden festen Brennstoffes
über den Querschnitt des Schwelraumes 5 (Fig. 1) erreicht.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung seien die Gründe der ungleichmäßigen
Strömung des zu verarbeitenden festen Brennstoffes in Schwelraum der bekannten Öfen
zur thermischen Verarbeitung von festem Brennstoff im Querstrom des Wärmeträgers
genauer untersucht werden.
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Die Gehäuse der bekannten Öfen mit dem erwähnten Verwendungszeck sind
aus Gründen der Festigkeit, der Fertigung beim Bau und der Materialeinsparung zylinderförmig
ausgeführt, was den Hauptgrund für die ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit des
zu verarbeitenden festen Materials über den Querschnitt des Schwelraumes bildet
(eine angenäherte Geschwindigkeit skennlinie zeigt Fig. 7).
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Der Einfluß der geometrischen Umrisse des Vergasungsraumes und der
Unterkanten der Vertikalroste auf die Unggleichmäßigkeit der Strömung des zu verarbeitenden
festen Materials läßt sich annähernd folgendermaßen erklären.
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Nachstehend wird der Querschnitt im Schwelraum in der Ebene C-C (Fig.
8) und im Vergasungsraum in der Ebene D-D gemeinsam betrachtet. Unter der Voraussetzung
eines konstanten Verbrauchs und in der Annahme, daß die Geschwindigkeiten in den
erwähnten Querschnitten beständig sind, gilt: v1 . f1 = v2 . f2 (1) wobei v1 die
Strömungsgeschwindigkeit in Schwelraum, v2 die Strömungsgeschwindigkeit im Vergasungsraum,
f1 der Querschnitt des Schwelraumes, und f der Querschnitt des Vergasungsraum, f2
der Querschnitt des Vergasungsraume 5 sind.
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Aus Gl. (1) läßt sich errechnen:
Gleichung 2 ist abgesehen von geometrischen Faktoren gültig.
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Unterhalb des Querschnittes in der Ebene C-C bildet sich aber infolge
seiner Erweiterung eine neue Strömung aus.
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Nachstehend wird die Bewegung eines Teilchens des festen Brenn-Stoffs
an der Unterkante des Vertikalrostes (Gebiet A) behandelt.
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In diesem Gebiet wandern die Teilchen des festen Brennstoffs längs
der vertikalen Achse mit einer Geschwindigkeit v2 nach unten und strömen zugleich
unter der Kante des Vertikalrostes hervor mit einer gewissen Ausströmungsgeschwindigkeit
v3 aus, die unter dem natirlichen Böschungswinkel gerichtet ist. Die resultierende
Geschwindigkeit ist gleich: v4 = v2 + v3 Die vertikale Komponente der resultierenden
Geschwindigkeit ist gleich: v5 = v2 + v3 . cos α (3)
wobei
cy der natürliche Böschungswinkel ist.
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Geht man von der Voraussetzung eines gleichen Verbrauchs in den Querschnittselementen
aus, so ist leicht zu sehen, daß die Ausströmungsgeschwindigkeit v zu der Entfernung
in der Normalen zwischen dem Vertikalrost und der Gehäusewand proportional ist.
Der Umriß der Kennlinie der Ausströmungsgeschwindigkeiten v3 ist demnach dem Querumriß
des Gebiets ähnlich, von wo die Ausströmung stattfindet. Fig. 9 zeigt diese Kennlinie,
aus der zu ersehen ist, daß V3 im mittlerer Teil den Xöchstwert erreicht und in
dem Gebiet des Anschlusses des Rostes an das Ofengehäuse gleich ITull ist. Dann
wird gemäß Gl. (3) die senkrechte resultierende Geschwindigkeit v5 der Materialbewegung
im Querschnitt des Schwelraumes ungleichmäßig, und zwar im mittleren Teil maximal
und an den Winden des Ofengehäuses minimal sein.
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Das gleiche Bild läßt sich auch an der Unterkante des heißen Vertikairostes
(Gebiet ) beobachten.
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Bei rechteckigem Querschnitt des Ofengehäüses laßt sich keine Ungleichmäßigkeit
der Ausströmungsgeschwindigkeit v3 feststellen, durch erhöhte Intensität wird jedoch
die Strömungsgeschwindigkeit des zu verarbeitenden festen Brennstoffes an den Wänden
des Ofengehäuses etwas kleiner als im mittleren Teil sein.
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Erfindungsgemäß wird beim vorliegenden Offen zur thermischen Verarbeitung
von festem Brennstoff ilEl Querstrom des Wärmeträgers die Bewegungsgeschwindigkeit
des zu verarbeitenden festen Brennstoffes im Schwelraum 5 folgendermaßen erreicht.
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Da die mittleren Teile der Kanten a (Fig. 3 und 4) des heißen und
kalten Vertikalrostes 2 bzw. 3 viel tiefer als die Kanten b der Schnittstellen 13
und 14 an den Flanken der Vertikalroste 2 und 3 gelegen sind, die sich an die Seitenwände
des Gehäuses 1 anschließen, setzt die Ausströmung in den erweiterten Teil des Vergasungsraumes
7 vor allem an den Flanken der Vertikalroste 2 und 3 unter den Oberkanten b der
Schnittstellen 13 und 14 hervor ein. Dabei zerfließt der zu verarbeitende feste
Brennstoff nach allen möglichen Richtungen, darunter auch längs den Vertikalrosten
2
und 3, wodurch die Ausströmung des Brennstoffes unter den mittleren Teilen der Kanten
a der Vertikalroste 2 und 3 hervor in die Gebiete deren Überlagerung rit der nnt
Erlicher Brennstoffböschung abgebremst wird (Fig. 10 zeigt, daß der untere Teil
der Kante des Vertikalrostes durch natürliche Böschung vollkommen überdeckt ist).
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Ist in G1. (3) v2 = const., so nimmt der Ausdruck V3 . cos a i Bereich
der Schnittstellen seinen höchsten Wert an. . Infolgedessen wird auch der Wert der
Vertikalkomponente der Geschwindigkeit v5 im Bereich der Schnittstellen, d.h an
den Wänden des Gehäuses 1, maximal sein.
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Die Strömungsgeschwindigkeit des zu verarbeitenden festen Brennstoffes
kann also entweder in Querschnitt des Schwelraumes 5 ausgeglichen, oder im Vergleich
zu dem restlichen Teil in den Wandbereichen des Gehäuses 1 erhöht werden, was uch
an eie transparenten Modell erreicht wurde.
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Mit erhöhter Geschwindigkeit der Materialbewegung im Schwelraum 5
an den Seitenwänden des Ofengehäuses 1 wird die Wärmebilanz zwischen dem Wärmeträgergas
und dem zu verarbeitenden festen Brennstoff mit Rücksicht auf den Wandeffekt bei
der Strömung des Wärmeträgergases im Wandgebiet auf die Norm gebrecht, die die Verarbeitungsgüte
des festen Brennstoffes erhört und die Ofenleistung und den thermischen Wirkungsgrad
des Vorganges steigert.
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Der Vorgang der Bewegung und Ausströmung in den erweiterten Raum ist
viel komplizierter als beschrieben. Die angeführte mathematische 3eschreibung gibt
den wahren Vorgang sein angenähert wieder und wurde nur zur Vereinfachung der Erfindungsbeschreibung
angeführt.