DE2842032A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen kohlenstoffhaltiger brennstoffe - Google Patents

Description

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Anmelder:

TRW, Inc.

One Space Park,

Redondo Beach, Calif. 90278, USA

Titel:

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe.

§09814/0984

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Verfahren und Vorriohtung zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe

BESCHREIBUNG

Bei den bis jetzt bekannten Verschlackungsöfen zum Erzeugen von Dampf und dgl. werden feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe, z.B. pulverisierte Schlammkohle oder halbfette Kohle, einer Reaktionszone zugeführt. Hierbei wird die Verbrennungstemperatur auf oder über der Schmelztemperatur der Asche gehalten, um den größten Teil der in dem Brennstoff enthaltenen, nicht verbrennbaren Aschebestandteile in geschmolzene Schlacke zu verwandeln. Diese bekannten Öfen werden bei einem Druck betrieben, welcher dem Druck der Atmosphäre genau oder nahezu entspricht, und daher haben diese öfen notwendigerweise gewöhnlich sehr große Abmessungen, sie erfordern die Verwendung von Konstruktionen aus keramischem Material, um eine Erosion der Brennkammer infolge der hohen Temperatur der Verbrennungsprodukte zu verhindern, sie geben große Mengen von Verunreinigungen an die Atmosphäre ab, und es ergeben sich Beschränkungen bezüglich ihrer Verwendbarkeit,, Die relativ großen Abmessungen solcher Öfen führen zu relativ hohen WärmeVerlusten, zu einem niedrigen thermischen Gesamtwirkungsgrad und zu einer unerwünscht niedrigen Leistungsdichte, d.h. einer geringen thermischen Leistung je Volumeneinheit des Ofens.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen bzw. Öfen zu schaffen, bei denen die Nachteile der bis jetzt bekannten Verfahren und Vorrichtungen möglichst weitgehend ausgeschaltet sind. Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist die genannte Aufgabe durch die Schaffung von Verfahren und Vorrichtungen zum Verbrennen fester und flüssiger kohlenstoffhaltiger Brennstoffe gelöst, die es ermöglichen, einen höheren Wirkungsgrad, eine optimale Gewinnung von Energie aus dem Brennstoff sowie eine höhere Leistungsdichte bzw. eine höhere spezifische Leistung zu erzielen. Bessere thermische und volumetrische Wirkungsgrade werden dadurch erreicht, daß ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsgas bereitgestellt wird, das sich längs einer schraubenlinienförmigen Bahn durch ein radförmiges Strömungsfeld hindurch bewegt, so daß unter dem Einfluß von Fliehkräften der größte Teil der Asche und der Schlacke von den gasförmigen Verbrennungsprodukten getrennt wird, ohne daß zusammen mit der Schlacke ein unerwünscht großer Anteil des noch nicht verbrannten Brennstoffs verloren geht. Im Vergleich zu bekannten Verbrennungsvorrichtungen von gleicher thermischer Leistung nehmen die erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtungen einen erheblich kleineren Raum ein. Die Temperatur in der Reaktionszone wird so geregelt, daß der größte Teil der in dem Brennstoff vorhandenen nicht verbrennbaren Stoffe zum Schmelzen gebracht, im flüssigen Zustand auf den Wänden der Reaktionskammer abgelagert und gesondert aus der Reaktionszone entfernt wird; in die Reaktionszone können Chemikalien eingeleitet werden, die dazu dienen, die Menge der in den Abgasen enthaltenen Verunreinigungsstoffe zu verringern. Eine Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit magnetohydrodynamischen Stromerzeugern. Ferner eignen sich die Vorrichtungen nach der Erfindung zur nach-

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träglichen Umrüstung von Anlagen zum Erzeugen von Wärmeenergie, die ursprünglich dazu bestimmt waren, mit Erdgas oder Heizöl betrieben zu werden; weiterhin ermöglichen es die Vorrichtungen, metallurgische oder andere chemische Prozesse durchzuführen, z.B. Krackprozesse, die Pyrolyse von Kohle oder die Erzeugung von Synthesegas.

Zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört eine Kammer mit Wänden zum Abgrenzen einer Reaktionszone. Diese Kammer weist einen Brennstoffeinlaß auf, mittels dessen feste oder flüssige Brennstoffteilchen zugeführt werden. In den meisten Fällen haben die Brennstoffteilchen einen Durchmesser von weniger als etwa 0,75 mm. Zur Verwendung als Brennstoff eignen sich pulverisierte Kohle, zerkleinerter ölhaltiger Schiefer, Erdölrückstände und dgl. Ferner ist die Reaktionskammer mit einem Oxidationsmitteleinlaß versehen, der es ermöglicht, in die Verbrennungszone ein sich wirbeiförmig bewegendes Oxidationsgas, z.B. Luft oder reinen Sauerstoff, einzuleiten. Ein in der Strömungsrichtung jenseits des Einlasses angeordneter Auslaß ermöglicht es, aus der Kammer gasförmige Reaktionsprodukte und alle feinen Schlacketeilchen abzuführen, die sich nicht auf den Innenwänden der Kammer sammeln.

Ein besonderes Merkmal einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Brennstoffteilchen im wesentlichen einer vollständigen Reaktion unterzogen werden, bevor sie auf die Innenwände der Reaktionskammer auftreffen. Dies wird dadurch erreicht, daß die in der Reaktionszone herrschenden aeroballistischen Bedingungen so geregelt werden, daß die Verbrennungszeit der Teilchen im allgemeinen kürzer ist als die Flugzeit der Teilchen bis zum Erreichen der Wand der Reaktionskammer. Ein wichtiges Merkmal der Verbrennung unter solchen aeroballistischen Verhältnissen besteht darin, daß es möglich ist, den Mischvorgang zu optimieren und den Ver-

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brennungsablauf bei unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen zu modifizieren, um eine Anpassung an bestimmte Bedingungen zu erreichen, z.B. an das Mitreißen von Kohlenstoff durch die Schlacke, den gewünschten Regelbereich, die Art oder Zusammensetzung des Brennstoffs, die prozentuale Menge der abgeführten Schlacke, den Wirkungsgrad der Verbrennung des Kohlenstoffs sowie die der Verbrennungszone zugeführten Zusatzstoffe. Wegen des Vorhandenseins dieser Merkmale läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung erheblich kleiner ausbilden als Brenner mit einer vergleichbaren thermischen Leistung. Da die Flugzeit der verbrennenden Teilchen geregelt wird, eignet sich eine solche Vorrichtung insbesondere zur Erzeugung von Generatorgas oder Synthesegas sowie zur Durchführung metallurgischer Prozesse, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Oxidationsgas in Form mehrerer getrennter Ströme in eine zylindrische Kammer eingeleitet. Ein Gasstrom wird der Reaktionszone im wesentlichen parallel zur Längsachse der Reaktionskammer zugeführt, während ein zweiter Gasstrom tangential zur Wand der Kammer eingeleitet wird. Durch die Regelung des Mengenflusses und der Geschwindigkeiten der beiden Gasströme und des der Kammer zugeführten Brennstoffs ist es möglich, dafür zu sorgen, daß die Brennstoffteilchen ständig während ihrer Flugzeit verbrannt werden. Insbesondere wird zu diesem Zweck eine radförmige Strömung des Gemisches aus Oxidationsgas und Brennstoff in der Reaktionszone aufrechterhalten. Der Ausdruck "radförmige Strömung" bezeichnet im folgenden entweder eine im wesentlichen ausschließlich radförmig verlaufende Strömung oder eine Kombination einer solchen Strömung mit einer wirbeiförmigen Strömung. Beide Strömungsarten werden im folgenden näher behandelt; in beiden Fällen ergeben sich aeroballistische Bedingungen, bei denen sich für die verbrennenden Teilchen eine Verweilzeit in der Reaktionszone

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ergibt, die erheblich länger ist, als es bei der wirbeiförmigen Strömung der Fall ist, mit der bei manchen bekannten Brennern gearbeitet wird.

Die Vorrichtung ist so ausgebildet und wird so betrieben, daß es möglich ist, den größten Teil des Schlackegehalts des Brennstoffs aus den gasförmigen Reaktionsprodukten zu entfernen, bevor letztere aus der Reaktionskammer entweichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reaktionskammer am Austrittsende der Verbrennungszone mit einer Einrichtung zum Umlenken der Schlacke versehen. Die radförmige Strömung bewirkt, daß die Schlacketeilchen in radialer Richtung auf die Wände der Reaktionskammer zu bewegt werden, und zwar nahe dem in die Strömungsrichtung weisenden Ende der Reaktionskammer; die Reaktionstemperatüren in der Reaktionszone werden auf einer solchen Höhe gehalten, daß nur ein minimaler Teil der Schlacke zum Verdampfen gebracht wird. Ein etwa 95% entsprechender Teil der Schlacke wird auf den Wänden der Reaktionskammer abgelagert und in flüssiger Form aus der Reaktionszone abgeführt. Die Trennung der flüssigen Schlacke von den gasförmigen Reaktionsprodukten wird mindestens teilweise dadurch geregelt, daß die zugeführten Mengen an Brennstoff und Luft entsprechend geregelt werden, so daß sich die gewünschte Temperatur in der Reaktionszone ergibt. Dies führt dazu, daß Tröpfchen aus flüssiger Schlacke, die sich auf den Innenflächen der Kammer ablagern, im flüssigen Zustand verbleiben und zum unteren Teil der Reaktionskammer ablaufen können, um über eine Schlackenfalle oder eine andere Einrichtung abgeführt zu werden. Die Verwendung einer wassergekühlten Reaktionskammer aus Metall fördert außerdem das Entstehen einer Schicht aus erstarrter Schlacke auf den Innenflächen der Reaktionskammer. Da die aus erstarrter Schlacke bestehende Schicht auf den Innenwänden eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, bildet sie gleichzeitig eine Auskleidung, durch welche die Innenwände der

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Kammer geschützt werden, und die zu einer Verringerung der Wärmeverluste führt. Die Einrichtungen zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsgas bilden in Verbindung mit dem Schlackeabweiser und der wassergekühlten Reaktionskammer eine Anordnung, die es ermöglicht, die Konzentration verdampfter Schlacke in dem Abgasstrom auf ein Minimum zu verringern und den größten Teil der Schlacke in flüssiger Form abzuführen.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen wird der Brennstoff der ersten Reaktionszone in Form eines fein verteilten kohlenstoffhaltigen Materials zugeführt, das mit einem Trägergas gemischt ist und durch das Trägergas transportiert wird. Zu der Einrichtung zum Zuführen des Brennstoffs gehört vorzugsweise eine Nadel- oder Zapfenventilanordnung, mittels welcher die Brennstoffzufuhr geregelt werden kann; wie weiter unten erläutert, kann der Brennstoff in der Reaktionszone verteilt werden. Bei unterschiedlichen Betriebsverfahren ist es zweckmäßig, den Brennstoff auf unterschiedliche Weise in der Reaktionszone zu verteilen. Zu diesem Zweck wird das Nadelventil jeweils anders angeordnet, oder man verändert den Sprühwinkel, unter dem der Brennstoff gegenüber der Längsachse der Reaktionskammer eingeleitet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Nadelventilanordnung eine gleichachsig mit ihr angeordnete, in der Längsrichtung verstellbare Dosiernadel bzw. einen Zapfen mit einem verdickten Endabschnitt auf. Eine im wesentlichen konische Fläche an dem verdickten Endabschnitt kommt hierbei als Abweiser zur Wirkung, um den zugeführten Brennstoff von der Ventilanordnung aus radial nach außen so umzulenken, daß er einen allgemein kegelförmigen Strahl bildet. Zur Regelung des Mengenflusses des Brennstoffs stehen zwei Verfahren bzw. Einrichtungen zur Verfügung. Bei der ersten Einrichtung wird das Verhältnis zwischen der Menge des Brennstoffs und der Menge des Trägergases dadurch variiert, daß der Träger-

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gasstrom vergrößert oder gedrosselt wird. Eine Regelung des Verhältnisses zwischen den Feststoffen und dem Gas im Verhältnis von bis zu 100:1 bis herab zu dem Punkt, an dem nur noch Trägergas zugeführt wird, ermöglicht eine Drosselungsregelung über einen weiten Bereich, wobei das Zapfenventil keine beweglichen Teile aufweist. Bei dem zweiten Verfahren zum Regeln der Brennstoffzufuhr wird der Dosierzapfen in der Längsrichtung verstellt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere geeignet, bei der Erzeugung elektrischer Energie auf magnetohydrodynamischem Wege verwendet zu werden. Bei dieser Vorrichtung ist eine zweite Reaktionskammer vorhanden, die dem Schlackeabweiser der ersten Reaktionskammer unmittelbar nachgeschaltet ist. Zu dieser Ausführungsform gehört eine Einrichtung, die es ermöglicht, zusätzliches Oxidationsgas zuzuführen und es mit den von der ersten Reaktionszone abgegebenen gasförmigen Reaktionsprodukten zu mischen. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die erste Reaktionszone mit einem brennstoffreichen Gemisch zu betreiben, so daß die Abgase erhebliche Mengen an unvollständig verbrannten Produkten, z.B. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, enthalten. In der zweiten Kammer werden diese Produkte einer weiteren Reaktion unterzogen, um zusätzliche Wärmeenergie zu erzeugen. Da in der ersten Reaktionszone etwa 9090 oder mehr Schlacke beseitigt worden sind, kann man zulassen, daß die Temperatur in der zweiten Reaktionskammer einen Wert erreicht, der erheblich über der Verdampfungstemperatur der Schlacke liegt, so daß sich bei der Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad erzielen läßt.

Bei dieser Aus führungsform ist nahe dem Eintrittsende der zweiten Reaktionskammer eine Reaktionsmittel-Zuführungseinrichtung angeordnet, die es ermöglicht, zusätzliche reaktions-

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fähige Stoffe in den auf hoher Temperatur befindlichen Gasstrom einzuleiten, der in die zweite Reaktionskammer eintritt. Ferner kann die zweite Reaktionskammer Einrichtungen aufweisen, die dazu dienen, die hohe Winkelgeschwindigkeit der gasförmigen Reaktionsprodukte zu verringern oder zu beseitigen. Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform wird diese Winkelgeschwindigkeit dadurch verändert, daß Zusatzluft in einer solchen Richtung und mit einer solchen Geschwindigkeit zugeführt wird, daß der Drehimpuls dieses zusätzlichen Oxidationsgases den Drehimpuls der die erste Reaktionszone verlassenden Reaktionsprodukte im wesentlichen ausgleicht. Diese Zufuhr von zusätzlichem Oxidationsgas zu der zweiten Reaktionskammer ermöglicht es, die Wirbelbewegung durch einen Impulsaustausch innerhalb der gasförmigen Reaktionsprodukte zu beseitigen.

Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung auf vorteilhafte Weise anzuwenden, um bestimmte Metallerze zu schmelzen, zu denen z.B. Oxide und Sulfide von Kupfer, Zink, Eisen, Blei, Nickel und Silber gehören. Bei einem metallurgischen Prozeß wird der Mengenstrom des zugeführten Brennstoffs zunächst so eingestellt, daß in der Verbrennungszone die gewünschte Temperatur aufrechterhalten wird. Danach wird die Zufuhr von Luft nach Bedarf so eingestellt, daß ein Betrieb der Reaktionszone mit einem brennstoffreichen oder brennstoffarmen Gemisch möglich ist. Bei vielen metallurgischen Prozessen wird die Reaktionszone vorzugsweise auf der brennstoffreichen Seite der stöchiometrischen Bedingungen gehalten, so daß eine reduzierende Atmosphäre erzeugt wird, in welche Erzkonzentrate eingeführt werden können. Die Metallerze werden der Reaktionszone vorzugsweise in Form eines feinen Pulvers zugeführt und entweder mit dem pulverisierten festen Brennstoff oder mit einem Trägergas gemischt und in die Reaktionszone über ein gesondertes

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Zapfenventil oder dgl. eingeleitet. Die in den brennstoffreichen Strom der gasförmigen Reaktionsprodukte eingeleiteten Erzkonzentrate werden durch die damit gemischten brennstoff reichen Gase reduziert, und geschmolzene Tröpfchen aus Metall entstehen in dem dem Auslaß benachbarten Teil der rotierenden Masse aus gasförmigen Reaktionsprodukten. Ist die Anlage richtig eingestellt, v/erden die Tröpfchen aus geschmolzenem Metall Fliehkräften ausgesetzt, während sie sich in Richtung auf das Austrittsende der Reaktionszona bewegen, und hierdurch werden sie in Richtung auf die radial weiter außen liegenden Teile der Reaktionskammer beschleunigt. Die radförmige Strömung in der Verbrennungszone bewirkt hierbei, daß sich das geschmolzene Metall von den gasförmigen Verbrennungsprodukten trennt und sich auf den Wänden der Reaktionskammer ablagert, von denen es zusammen mit der Schlacke abgeführt werden kann.

Zwar wird bei den meisten metallurgischen Prozessen mit einem brennstoffreichen Gemisch gearbeitet, und in der Verbrennungszone wird eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten, doch sei bemerkt, daß sich die Anwendbarkeit der Erfindung nicht auf diese Fälle beschränkt. Insbesondere wurde festgestellt, daß sich metallisches Kupfer aus Kupfersulfiden gewinnen läßt, z.B. aus Chalcopyrit und Chalcocit, wenn in der Verbrennungszone mit ausgeglichenen stöchiometrischen Bedingungen oder einer in geringem Maße oxidationsmittelreichen Atmosphäre gearbeitet wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann man der Reaktionszone auch andere reaktionsfähige Stoffe zuführen, und zwar entweder zusammen mit dem Erzkonzentrat oder gesondert, um chemische Reaktionen herbeizuführen, die im Hinblick auf die chemischen Verhältnisse der betreffenden Reaktion erwünscht sind. Beispielsweise kann man Zusatzstoffe verwenden, um das spätere Trennen der Schlacke von

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dem metallischen Erzeugnis zu unterstützen, oder um die Luft verunreinigende Stoffe zurückzuhalten, die anderenfalls bei dem Verbrennungsprozeß entstehen könnten. Durch Zuführen bestimmter reaktionsfähiger Stoffe in Verbindung mit einer entsprechenden Temperaturregelung kann man Schwefeloxide (SOl aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten entfernen, ohne daß Rauchgaswäscher bekannter Art benutzt zu werden brauchen. Um die Abgabe von Schwefeloxiden einzuschränken, kann man zur Behandlung dienende Chemikalien, z.B. Carbonate, dem zugeführten Brennstoff zusetzen oder sie gesondert in die Reaktionskammer einleiten. Um die Bildung von Stickoxiden (NC- ) einzuschränken, kann man die Vorrichtung mit einem BrennstoffÜberschuß betreiben, so daß die Temperatur hinreichend niedrig gehalten wird, um die schnelle Bildung von Stickoxiden zu verhindern.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, Generator- oder Synthesegas zu erzeugen. Hierbei wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, um kohlenstoffhaltige Brennstoffe zu verbrennen, so daß eine Art von Generatorgas erzeugt wird, das Öl- oder Gasbrennern bekannter Art zugeführt wird. Hierbei ist es erwünscht, daß das Generatorgas einen möglichst hohen Gehalt an Kohlenmonoxid aufweist. Hierdurch wird der Heizwert erhöht, so daß das Gas einen maximalen wirtschaftlichen Wert erhält. Zwar wird zusammen mit der Kohle und der Luft eine gewisse Wassermenge in die Reaktionszone eingeführt, doch kann es unerwünscht sein, zusätzlich Wasser oder Dampf in die Reaktionszone einzuleiten, denn hierbei würde sich die Menge des entstehenden Kohlenmonoxids verringern.-'Jedoch würde es zweckmäßig sein, in die Reaktionszone geeignete Chemikalien einzuleiten, um Schwefeloxide zu beseitigen. Wenn eine Verknappung von Öl und Gas eintritt, kann somit eine erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt werden, um eine saubere Verbrennung eines Ersatzbrennstoffs für Öl oder Erdgas durchzuführen.

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Ein Synthesegas läßt sich erzeugen, wenn man während des Verbrennungsvorgangs anstelle von Luft reinen Sauerstoff verwendet und eine solche Dampfmenge zuführt, daß sich bei dem Synthesegas das gewünschte Verhältnis zwischen Kohlenmonoxid und Wasserstoff ergibt. Die Verwendung von Sauerstoff anstelle von Luft dient zur Ausschaltung des Stickstoffs, der eine Verdünnung bewirken und in vielen Fällen einen schädlichen Bestandteil des Synthesegases bilden würde. Da es mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist, Kohle sauber zu verbrennen, so daß Schwefeloxide und Schlacke aus den Abgasen entfernt werden, ermöglicht die Erfindung im Vergleich zu bekannten Verfahren die Herstellung von Synthesegas bei einem geringeren Kostenaufwand.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann man die Vorrichtung benutzen, um auf einer hohen Temperatur befindliche Abgase zu erzeugen, die verwendet werden, um kohlenstoffhaltige Materialien wie Kohle, Schiefer oder Öl zu verarbeiten. Bei einer geeigneten Anordnung zum Verarbeiten solcher kohlenstoffhaltigen Materialien würde eine erste Stufe vorhanden sein, zu der eine erfindungsgemäße Vorrichtung gehört, an welche eine oder mehrere Stufen angeschlossen sind. Die kohlenstoffhaltigen Materialien werden der bzw. jeder dieser nachgeschalteten Stufen zugeführt, und die Abgase, die aus der ersten Stufe oder der zweiten Stufe entweichen und zu der bzw. jeder nachgeschalteten Stufe gelangen, liefern Wärme zur Behandlung der kohlenstoffhaltigen Materialien. Feste Stoffe werden von den gasförmigen Bestandteilen getrennt, die aus den letzten Stufen der Anlage entweichen, und flüchtige Kohlenwasserstoffe werden gewonnen. Bei der Verarbeitung von Kohle bewirken die heißen Gase, daß Wasser und Kohlenwasserstoffe, die in der Kohle enthalten sind, verdampft werden. Die wertvollen Kohlenwasserstoffe können gewonnen werden, und die

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verbleibenden Rückstände, die ein geringeres Gewicht haben, lassen sich mit geringerem Kostenaufwand transportieren als die unverarbeitete Kohle. Kohle hat z.B. einen Wassergehalt von bis zu 20 Gew.-%. Die Kosten des Transports von Kohle, die einen so hohen Wassergehalt hat, würden höher sein als die Kosten der Behandlung der Kohle mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Vfird Schiefer in einer Retorte mit Wärme behandelt, zersetzt sich in dem Schiefer enthaltenes Kerogen zu Öl, und dieses Öl wird dann verdampft, um es von den festen Bestandteilen des Schiefers zu trennen. Das Öl wird einem Schnellkrackprozeß unterzogen, bei dem ein Ölstrom in die nachgeschalteten Stufen der Anlage eingeleitet und schnell erhitzt wird. Hierbei zersetzt sich das Öl in leichtere Kohlenwasserstoffe, die dann von den inerten gasförmigen Verbrennungsprodukten getrennt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2a bis 2d jeweils eine Schrägansicht des schraubenlinienförmigen und radförmigen StrömungsVerlaufs, v/ie er sich in der Vorrichtung nach Fig. 1 einstellt;

Fig. 3 bis 6 jeweils eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Kennwerte verschiedener Arten von sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Fluidströmen sowie der Bewegung von Teilchen in einer rotierenden Fluidmasse;

Fig. 7 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Schrägansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung;

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Fig. 8 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9 bis 12 jeweils einen der Schnitte 9-9, 10-10, 11-11 und 12-12 in Fig. 8;

Fig. 13 eine erfindungsgemäße Reaktionsmittel-Transporteinrichtung, bei der das Transportgut eine dichte Phase bildet;

Fig. 14 einen Axialschnitt eines Teils der Einrichtung nach Fig. 13;

Fig. 15 und 16 jeweils einen Axialschnitt einer anderen Ausführungsform eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 7 und 8;

Fig. 17 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausfühnngsform der Brennerkammer;

Fig. 18 den Schnitt 18-18 in Fig. 17;

Fig. 19 einen Teilschnitt, der Einzelheiten der Konstruktion nach Fig. 17 erkennen läßt;

Fig. 20 ein Fließbild, das den Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von Generatoroder Synthesegas veranschaulicht; und

Fig. 21 ein Fließbild zur Veranschaulichung des Betriebs einer erfindungsgeraäßen Vorrichtung zum Pyrolysieren von Kohle, zum Verarbeiten von Schiefer in einer Retorte oder zum Flammenkracken von Öl.

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Zur Veransc-haulichung der Grundgedanken der Erfindung ist es zweckmäßig, zunächst die vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung 10 in Fig. 1 zu betrachten. Zu der Vorrichtung 10 gehört eine Reaktionskammer 21, die als Hohlzylinder aus Metall ausgebildet und zu ihrer Längsachse Z symmetrisch ist. Diese Kammer dient zum Abgrenzen einer zylindrischen Reaktionszone 22. Über das Einlaßende 23 wird Primärluft parallel zu der Längsachse Z in die Reaktionszone 22 eingeleitet. Gegenüber dem Eintrittsende 23 in der Strömungsrichtung versetzt ist ein Einlaßstufczen 24 angeordnet, der dazu dient, Sekundärluft in tangentialer Richtung in die Reaktionszone 22 einzuleiten. Ferner ist gemäß Fig. 1 ein als Zapfen- oder Tellerventil ausgebildetes Ventil 25 zum Zuführen von Brennstoff vorhanden, das gleichachsig mit der Kammer 21 am Eintrittsende 23 angeordnet ist und einen Ventilkörper 27 aufweist, der sich in der Längsrichtung gegenüber einem Brennstoffzuführungsrohr 29 verstellen läßt, mittels dessen der Brennstoff in die Reaktionskammer eingeleitet wird. Das Tellerventil 27 weist einen konischen Endabschnitt 31 auf, durch den der Brennstoff radial nach außen gegenüber der Längsachse Z so umgelenkt wird, daß er einen glockenförmigen Strahl 41 bildet. Wird das Tellerventil gemäß Fig. 1 nach links bewegt, nähert sich die konische Fläche des Endabschnitts 31 einem Ventilsitz 33 am inneren Ende des Rohrs 29, so daß sich die Geschwindigkeit der Zufuhr von Brennstoff zu der Reaktionszone 22 allmählich verringert. Diese Anordnung ermöglicht es, mit Hilfe des Tellerventils 25 den Mengenstrom des zugeführten Brennstoffs zu regeln. An ihrem rechten Ende weist die Reaktionskammer 21 eine Umlenkeinrichtung 35 auf, die mit einer zentralen Öffnung 37 versehen ist, durch welche die in der Reaktionszone 22 gebildeten gasförmigen Reaktionsprodukte aus der Kammer entweichen können. Die Umlenkeinrichtung 35 dient dazu, teilchenförmige Stoffe und Schlackentröpfchen von den gasförmigen Reaktionsprodukten zu trennen,

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so daß der über die Öffnung 37 entweichende Strom relativ frei von flüssiger Schlacke und festen Teilchen ist.

Gemäß Fig. 2a bis 2c trifft die Primärluft, die in die Reaktionszone 22 an dem Tellerventil 25 vorbei in Gestalt eines ringförmigen Stroms eintritt, auf die der Reaktionszone durch das Rohr 24 zugeführte Sekundärluft. Ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff, z.B. pulverisierte Kohle, wird der Reaktionskammer 21 in Form eines eine dichte Phase bildenden Gemisches zusammen mit einem Trägergas, z.B. Stickstoff (N₂), verdichteter Luft oder einem gasförmigen Brennstoff zugeführt. Der tangential zugeführte Sekundärluftstrom 47 vermischt sich innig mit dem Brennstoff und der Primärluft und bewirkt eine Beschleunigung der festen Brennstoffteilchen aus strömungstechnischen Gründen, auf die im folgenden näher eingegangen wird. Gemäß Fig. 2d bewegt sich das Gemisch aus verbrennenden Brennstoffteilchen und auf einer hohen Temperatur befindlichen gasförmigen Reaktionsprodukten längs einer schraubenlinienförmigen Bahn 49 zum Austrittsende der Reaktionszone 22, wo die gasförmigen Reaktionsprodukte durch die Umlenkeinrichtung 35 gezwungen werden, nach innen zu strömen und schließlich über die zentrale Öffnung 37 aus der Kammer 21 zu entweichen. Während die Reaktionsprodukte durch die Umlenkeinrichtung 35 gezwungen werden, nach innen zu strömen, nimmt ihre Winkelgeschwindigkeit in unmittelbarer Nähe der Umlenkeinrichtung erheblich zu, so daß Schlacketröpfchen unter der Wirkung von Fliehkräften aus dem Gasstrom entfernt und zum größten Teil auf den Wänden der Kammer und der Innenfläche der Umlenkeinrichtung 35 niedergeschlagen werden.

Teilchen, die von dem glockenförmigen Strom 41 mitgerissen werden, bewegen sich in der Längsrichtung durch die Kammer mit einer mittleren Geschwindigkeit, die durch den gesamten Mengenstrom aus Luft und Brennstoff bestimmt wird. Kleine

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Teilchen werden vorzugsweise von dem Gemischstrom mitgerissen, während größere Teilchen dazu neigen, sich längs Bahnen zu bewegen, die zum Teil durch die ursprünglichen Geschwindigkeitsvektoren bestimmt werden. Zwar werden große Teilchen durch die eine schnelle Drehbewegung ausführenden Gase beschleunigt, doch ist diese Beschleunigung geringer als bei kleineren Teilchen. Daher bezeichnet gemäß Fig. 1 die Linie 43 die äußere Begrenzung der schraubenlinienförmigen Bahnen relativ großer Brennstoffteilchen, z.B. solcher, die einen Durchmesser von etwa 0,1 mm haben. Diese großen Teilchen bewegen sich in der Praxis nicht längs der Linie 43, sondern sie führen eine schraubenlinienförmige Bewegung um die Längsachse Z innerhalb der Hüllfläche 41 aus, deren äußere Begrenzung in Fig. 1 durch die Linie 43 bezeichnet ist. Entsprechend bewegen sich relativ kleine Teilchen, z.B. Kohleteilchen mit einem Durchmesser von etwa 0,01 mm, längs schraubenlinienförmiger Bahnen innerhalb der Hüllfläche 41, deren innere Begrenzung gemäß Fig. 1 der Linie 45 entspricht. Somit bewegen sich im wesentlichen alle Teilchen mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,1 mm längs schraubenlinienförmiger Bahnen innerhalb der Hüllfläche 41 zwischen den Linien 43 und 45. Das Vermischen des Brennstoffs mit den beiden Luftströmen ist von einem Impulsaustausch und der Entstehung eines Gemischstroms begleitet, der sich in Form einer im wesentlichen zylindrischen Schraube längs der Kammer erstreckt. Aus noch zu erläuternden Gründen ist es erwünscht, ein radförmiges Strömungsfeld oder ein solches Strömungsfeld in Kombination mit einer radförmigen Wirbelströmung im größeren Teil der Reaktionszone 22 aufrechtzuerhalten.

Die in Fig. 1 gezeigte glockenförmige Hüllfläche 41 der Strömung beruht auf der Annahme einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 50 m/s für die Sekundärluft, von etwa 15 m/s für die in der Längsrichtung strömende Primärluft und von etwa 3-15 m/s für das zugeführte Gemisch aus dem Trägergas und dem Brennstoff. Es sei jedoch bemerkt, daß sich

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die Erfindung nicht auf die genannten Werte sowie auch nicht auf das Verhältnis zwischen diesen Werten beschränkt. Durch geeignetes Wählen der optimalen Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der Sekundärluft, der Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft, der Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Brennstoffs und der Bewegungsrichtung des Brennstoffs ist es möglich, die Form der Hüllfläche 41 innerhalb weiter Grenzen zu verändern. Die jeweils zu treffende Wahl richtet sich nach dem verwendeten Brennstoff und anderen Merkmalen des durchzuführenden Prozesses.

In manchen Fällen ist es erwünscht, mit einer brennstoffreichen Atmosphäre zu arbeiten, die eine Reduktionswirkung hervorruft, Eine solche Betriebsweise ist z.B. zweckmäßig, wenn die Reaktionstemperaturen verringert und die Verdampfung der Schlacke begrenzt werden soll. Hierauf wird weiter unten näher eingegangen.

Soll eine relativ kompakte Reaktionsvorrichtung geschaffen werden, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß die Brennstoffteilchen relativ klein sind. Im allgemeinen sollen die Brennstoffteilchen einen Durchmesser von weniger als etwa 0,75 mm und vorzugsweise von weniger als etwa 0,075 mm haben. Solche kleinen Teilchen verbrennen jeweils innerhalb weniger Millisekunden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, daß die sich wirbeiförmig bewegenden Gase ausreichende Fliehkräfte erzeugen, damit sich die Teilchen, in Richtung auf die Innenwand der Kammer bewegen, jedoch im wesentlichen vollständig verbrannt werden, bevor sie auf die Wand der Kammer auftreffen. Beispielsweise verbrennt ein Teilchen mit einem Durchmesser von 0,075 mm innerhalb von etwa 60 ms. Die aeroballistischen Bedingungen, denen die Teilchen ausgesetzt werden, werden vorzugsweise so geregelt, daß die auf die Teilchen wirkenden Kräfte die Teilchen nicht bis zu der Wand der Kammer bewegen, bevor sie vollständig verbrannt sind.

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Es wird gewöhnlich angenommen, daß kleine Teilchen durch aerodynamische Widerstandskräfte stärker beeinflußt werden als große Teilchen. Wenn z.B. ein kleines Teilchen in die sich wirbeiförmig bewegenden Gase in der Reaktionszone eintritt, erzeugt das an dem Teilchen vorbeiströmende Oxidationsgas eine Kraft, die nahezu augenblicklich bewirkt, daß die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des kleinen Teilchens verändert werden, so daß sich das Teilchen mit der gleichen Geschwindigkeit und der gleichen Richtung bewegt wie die den Wirbel bildenden Gase. Im Gegensatz hierzu führt die Trägheit eines sehr großen Teilchens dazu, daß sich ein solches Teilchen weiterhin mit der gleichen

und
Geschwindigkeit/der gleichen Richtung bewegt, mit der es in den Gaswirbel eingetreten ist„ Bei den kleinen Teilchen, die gemäß der Erfindung verwendet werden, erreichen nahezu sämtliche Teilchen die gleiche Geschwindigkeit wie der Gaswirbel, und zwar innerhalb weniger Millisekunden nach dem Eintreten in die Reaktionszone.

Wenn diese Teilchen in den Gasen eine Wirbelbewegung ausführen, entsteht eine Fliehkraft, welche direkt proportional zur Masse des Teilchens und zu seiner Winkelgeschwindigkeit ist. Auf größere Teilchen wirkt eine größere Fliehkraft als auf die kleineren Teilchen, und die Wirkung der Mitnahmekraft verringert sich. Daher neigen große Teilchen dazu, sich schneller in Richtung auf die Wand der Kammer zu bewegen als die kleineren Teilchen. Durch eine entsprechende Regelung der Tangentialgeschwindigkeit der sich wirbeiförmig bewegenden Gase ist es möglich, die Fliehkraft und die Mi"bnahmekraft zu regeln, die auf die Teilchen wirken. Somit kann man die Tangentialgeschwindigkeit des Gaswirbelsso wählen, daß die großen Teilchen verbrannt werden, bevor sie auf die Wand der Reaktionskammer auftreffen. Der Einfluß der zugeführten Gase ermöglicht es, die auf die Teilchen wirkenden Flieh- und Mitnahmekräfte zu variieren. Durch eine ent-

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sprechende Regelung des Verhältnisses zwischen den sich tangential und in Längsrichtung bewegenden Gasströme ist es möglich, zu gewährleisten, daß im wesentlichen alle Teilchen verbrennen, bevor sie auf die Wand der Kammer auftreffen. Je stärker die radähnliche Strömung der Gase ausgeprägt ist, desto länger wird die Flugzeit der Teilchen in der Reaktionskammer.

Beim Konstruieren der Reaktionskammer ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß eine möglichst große Schlackenmenge in der Reaktionskammer zurückgehalten wird. Da sich kleine Teilchen nicht so schnell zur Wand der Reaktionskammer bewegen wie große Teilchen, entweichen sehr kleine Teilchen durch die Austrittsöffnung der Kammer, so daß stets ein gewisser Verlust an sehr kleinen Schlacketröpfchen eintritt. Jedoch kann man die Länge der Kammer und die Größe der Austrittsöffnung so wählen, daß in der Kammer mindestens 90 -95% der Schlacke zurückgehalten werden.

Ferner wird dafür gesorgt, daß die Brennstoffteilchen nicht mit einer Geschwindigkeit zugeführt werden, die so hoch ist, daß die Bewegungsenergie der Teilchen dazu führen würde, daß die Teilchen zur Wand der Reaktionskammer gelangen, bevor sie verbrannt sind. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeit der Brennstoffteilchen muß hinreichend niedriger sein als die Geschwindigkeit des Gaswirbels, so daß die Gase auf die eintretenden Teilchen wirken und sie hinreichend lange in dem Wirbel festhalten, damit eine vollständige Verbrennung sichergestellt ist.

Zum vollen Verständnis der Eigenschaften der radförmigen Strömung, mit der gemäß der Erfindung gearbeitet wird, ist es erforderlich, den Verlauf des Gasstroms und die durch die Gase erzeugten, auf die Teilchen wirkenden Kräfte näher zu betrachten.

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In den sich wirbelnd bewegenden Gasen in der Reaktionszone treten zwei Arten von Gasströmungen auf, und zwar eine wirbeiförmige Strömung und eine radförmige Strömung. Bei einer theoretischen reinen Wirbelströmung nimmt die Tangentialgeschwindigkeit als Funktion der radialen Lage ab. Hit anderen Worten, die maximale Tangentialgeschwindigkeit tritt nahe der Mittelachse des rotierenden Strömungsfeldes auf. Eine solche Wirbelströmung läßt sich mathematisch durch den folgenden Ausdruck darstellen:

Hierin bezeichnet

V.J. die Tangentialgeschwindigkeit R₀ den Radius der Reaktionskammer R einen Bezugspunkt auf einem Radius und

die Tan

Radius.

V die Tangentialgeschwindigkeit am äußeren

Ein reiner theoretischer Wirbelstrom ist in Fig. 3 graphisch dargestellt, wo die Kurve 51 die Tangentialgeschwindigkeit als Funktion des radialen Abstandes von der Rotationsachse eines Wirbelströmungsfeldes darstellt. Gemäß der Kurve 51 nimmt die Tangentialgeschwindigkeit bei abnehmendem radialen Abstand exponentiell zu, und wenn eine reine Wirbelströmung aufrechterhalten würde, wäre die Tangentialgeschwindigkeit nahe der Achse extrem hoch.

Bei einer radförmigen Strömung rotiert die gesamte Fluidmasse nach Art eines festen Körpers. Eine solche Strömung wird im folgenden als "reine radförmige Strömung" bezeichnet. Eine solche reine radförmige Strömung läßt sich mathematisch wie folgt darstellen:

V_t"v R ω
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Hierin bezeichnet

V.J. die Tangentialgeschwindigkeit,

R einen in radialer Richtung bestimmten

Bezugspunkt und
u> die Winkelgeschwindigkeit an dem Punkt R.

Somit ist bei einer radförmigen otrömung die Tangentialgeschwindigkeit des Gases an jedem durch den radialen Abstand R bestimmten Punkt direkt proportional zum radialen Abstand von der Drehachse. Hierin besteht natürlich das Unterscheidungsmerkmal eines rotierenden festen Körpers, dessen Teile relativ zueinander eine feste Lage einnehmen. Bei allen radialen Abständen ist die Winkelgeschwindigkeit die gleiche. Somit ist bei einer reinen radförmigen Strömung die Winkelgeschwindigkeit bei allen im gleichen Querschnitt liegenden Punkten konstant, und die maximale Tangentialgeschwindigkeit tritt am äußeren Ende des Radius auf, und zwar im Gegensatz zu einer reinen Wirbelströmung, bei der die maximale Tangentialgeschwindigkeit nahe der Achse auftritt. Die reine radförmige Strömung ist in Fig. dargestellt, wo die Linie 53 die Tangentialgeschwindigkeit darstellt, welche als Funktiondes radialen Abstandes von der Drehachse Z aufgetragen ist.

Durch Mischen von axial strömender Luft mit tangential strömender Luft ist es möglich, den Gasstrom in der Reaktionszone 22 so zu regeln, daß er im wesentlichen dem Geschwindigkeitsprofil entspricht, das in Fig. 5 als Kurve 55 dargestellt ist. Diese Kurve ist ein typisches Beispiel für die Ströraungsverhältnisse in der Reaktionszone 22. Der Kurvenabschnitt 56 gilt für den Bereich, in dem sich die Geschwindigkeit im wesentlichen in linearer Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Drehachse erhöht, wie es einer reinen radförmigen Strömung entspricht. Der Kurvenabschnitt bezeichnet denjenigen Teil des Strömungsfeldes, welcher in

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stärkerem Maße einer reinen Wirbelströmung entspricht. Bei dieser Kombination einer radförmigen und einer wirbeiförmigen Strömung nimmt die Tangentialgeschwindigkeit nahe der Drehachse im wesentlichen linear mit dem Abstand von der Drehachse bis auf eine maximale Geschwindigkeit in einem Achsabstand zu, der annähernd gleich dem Radius der Öffnung 37 der Umlenkeinrichtung 35 ist. Außerhalb dieses Punktes ändert sich die Geschwindigkeit annähernd im umgekehrten Verhältnis zum Abstand von der Drehachse, und sie entspricht stärker der vorstehend anhand von Fig. 3 beschriebenen Wirbelströmung. Somit weist das Strömungsfeld, das in der Verbrennungszone in einem Kernbereich nahezu eine reine radförmige Strömung bildet, gemäß Fig. 3 und 4 einen Übergangsabschnitt a auf, und es ähnelt weitgehend der wirbeiförmigen in einem äußeren Mantelabschnitt des Strömungsfeldes.

Man kann die Flugzeit der größeren Teilchen erheblich verlängern, indem man die Tangentialgeschwindigkeit der Gase möglichst klein hält, auf welche die Teilchen in einem frühen Stadium ihrer Flugbewegung in der Kammer auftreffen. Somit ist es erwünscht, daß der Kernbereich zwischen R=O und R = a einen möglichst großen Durchmesser erhält. Der tatsächliche Durchmesser des Kerns der radförraigen Strömung variiert längs der Achse der Kammer, und nahe dem Austrittsende neigt er dazu, sich annähernd dem Radius der Öffnung der Umlenkeinrichtung 35 anzugleichen. In dem Sintrittsende näher benachbarten Teilen der Verbrennungszone kann man den Radius a des Kerns der radförmigen Strömung dadurch auf einen maximalen Wert bringen, daß man eine entsprechende Regelung der Strömungsgeschwindigkeiten, der Massenströme und der Art der Brennstoffzufuhr bewirkt, um den Kernbereich so weit zu vergrößern, wie es im Hinblick auf das Zurückhalten der Schlacke möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird durch eine Regelung der Strömungsgeschwindigkeiten und der Massenströme des Brennstoffs und

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der beiden Luftströme der Impulsaustausch zwischen dem axialen und dem tangentialen Luftstrom und dem Brennstoff so geregelt, daß das Strömungsfeld in der Reaktionszone 22 der in Fig. 5 dargestellten Rad- und Wirbelströmung ähnelt, so daß sich lange Flugzeiten für die Teilchen ergeben. Daher ist es möglich, in einer Kammer, deren Durchmesser nur etwa 460 mm beträgt, Flugzeiten für große Teilchen in der Größenordnung von 30 - 70 ms zu erreichen. Diese aeroballistische Regelung der chemischen Reaktion während des freien Fluges der Teilchen wird dazu benutzt, die Menge des unverbrannten Brennstoffs, die zusammen mit der 3chlacke entweicht, auf ein Minimum zu reduzieren und die Menge der Schlacke zu begrenzen, welche aus der Reaktionskammer durch die Öffnung 37 entweicht. Diese Wirkung läßt sich ferner dadurch verstärken, daß man den Brennstoff mit einer Geschwindigkeit zuführt, die niedriger ist als die .Strömungsgeschwindigkeit des eintretenden tangentialen Oxidationsgasstroms, wobei der Brennstoff veranlaßt wird, auf diejenigen Teile des Oxidationsgasstroms aufzutreffen, bei denen sich eine höhere Winkelgeschwindigkeit ergibt.

Die beiden Ströme unterscheiden sich insbesondere bezüglich der Verweilzeiten der Teilchen in der Reaktionszone 22. Bei ähnlichen Teilchen, die auf dem gleichen Radius in die beiden Ströme eingeleitet werden, ist die Verweilzeit in der Radströmung erheblich länger als in der Wirbelströmung. Um eine längere Flugzeit der Teilchen zu erreichen, wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung vorzugsweise unter solchen Bedingungen betrieben, daß in der Reaktionszone 22 die Entstehung einer Radströmung begünstigt wird. Hierbei handelt es sich um ein außerordentlich wichtiges Merkmal der Erfindung, das es ermöglicht, eine höhere Leistungsdichte zu erzielen. Beispielsweise arbeitet ein bekannter Vergaser der Bauart Lurgi, der mit einem Druck von 20 bar betrieben wird, mit einer spezifischen Leistung von etwa 160 kg Kohle

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je Stunde und Kubikmeter der Reaktionskammer. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die bei dem gleichen Druck betrieben wird, arbeitet im Vergleich hierzu mit einer spezifischen Leistung von etwa 12 200 kg Kohle je Stunde und Kubikmeter der Reaktionskammer.

Der Vorteil der Aufrechterhaltung einer vorwiegend radförmigen Strömung in der Vorrichtung wird am besten ersichtlich, wenn man die aerodynamischen Bedingungen betrachtet, denen die Teilchen in dem GasWirbel ausgesetzt sind. Wie erwähnt, wird in erster Linie angestrebt, die großen Teilchen während einer Flugzeit in der Schwebe zu halten, die ausreicht, um zu gewährleisten, daß eine im wesentlichen vollständige Reaktion stattfindet und die Teilchen zu Schlacketröpfchen reduziert werden, bevor sie auf die Wände der Reaktionskammer auftreffen. Die Vorrichtung ist so ausgebildet und wird, so betrieben, daß nur eine minimale radiale Beschleunigung unverbrannter und teilweiser verbrannter Teilchen auftritt, und daß Gewähr dafür besteht, daß die meisten Schlacketröpfchen zu den Wänden der Reaktionskammer gelangen. Auf welche Weise dies erreicht wird, v/ird am besten ersichtlich, wenn man das Verhalten der Teilchen in der Reaktionszone betrachtet.

Im folgenden wird ein einziges Teilchen betrachtet, das in die Reaktionszone eintritt. Anfänglich wirken auf dieses Teilchen nur aerodynamische Kräfte. Nimmt man an, daß es sich um ein kugelförmiges Teilchen handelt, ist die aerodynamische Kraft Fj durch die nachstehende Gleichung gegeben:

^Cd f>z \² fr« - V²

2g

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Hierin bezeichnet

G_d den Widerstandskoeffizienten

ρ die Gasdichte

D den Teilchendurchmesser

V die Strömungsgeschwindigkeit des Gases

V die Geschwindigkeit des Teilchens und g die Erdbeschleunigung.

Jedoch werden kleine Teilchen, die ein geringes Gewicht bzw. eine geringe Masse haben, durch die auf sie wirkende aerodynamische Kraft der sich wirbelnd bewegenden Gase stärker beeinflußt als die schwereren Teilchen. Da sämtliche verwendeten Teilchen relativ klein sind, erreichen nahezu alle Teilchen, die aerodynamischen Kräften ausgesetzt sind, nahezu augenblicklich die gleiche Geschwindigkeit wie der Gaswirbel.

Wenn die Teilchen eine Drehbewegung ausführen, wirkt auf jedes Teilchen eine F.
Gleichung entspricht:

jedes Teilchen eine Fliehkraft F , die der nachstehenden

F„ = MR cc²

Hierin bezeichnet

M die Masse des Teilchens R die radiale Lage des Teilchens und Oq die Winkelgeschwindigkeit des Teilchens.

Diese Gleichung zeigt, daß die Fliehkraft, die bestrebt ist, das Teilchen in Richtung auf die Innenwand der Reaktionskammer zu bewegen, um so größer wird, je größer die Masse des Teilchens ist. Gemäß der Erfindung wird die Winkelgeschwindigkeit so geregelt, daß die Fliehkraft nicht so groß

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wird, daß die Teilchen eine Geschwindigkeit erhalten, bei der sie vor dem Abschluß der Verbrennung zur Wand der Reaktionskammer gelangen. Bei einer Wirbelströmung mit hohen Geschv/indigkeiten nahe der Mittelachse der Reaktionskammer werden alle Brennstoffteilchen, die in den rotierenden Strom eingeleitet werden, anfänglich einer großen Fliehkraft ausgesetzt, so daß sie schnell radial nach außen beschleunigt werden. Bei der radförmigen Strömung werden dagegen unter den gleichen Zuführungsbedingungeη die gleichen Teilchen einer relativ kleinen Fliehkraft ausgesetzt, so daß sie anfänglich nur einer geringen Beschleunigung in radialer Richtung unterliegen. Da die aerodynamische Kraft in erster Linie die Bewegung von sehr kleinen Teilchen bestimmt, neigen diese Teilchen dazu, in dem Gasstrom ihre Lage beizubehalten, nachdem sie in Drehung versetzt worden sind, und sich nur langsam in Richtung auf die Kammerwand zu bewegen.

Es läßt sich zeigen, daß die Tangentialbeschleunigung dVg/dt, der ein Teilchen ausgesetzt ist, durch die nachstehende Gleichung gegeben ist:

- V

⁼7V^{Z dt} P P

Es ist somit ersichtlich, daß die Beschleunigung eines Teilchens umgekehrt proportional zum Quadrat des Teilchendurchmessers ist. Daher erreichen kleine Teilchen die Geschwindigkeit des Gaswirbels schneller als größere Teilchen, und sie neigen dazu, sich nicht gegenüber den sie umgebenden Gasen im gleichen Ausmaß zu bewegen wie große Teilchen, die bestrebt sind, sich in andere Teile der Gasmasse hinein zu bewegen, so daß sie ständig von frischem Oxidationsgas umspült werden. Hierdurch wird verhindert, daß die großen Teilchen von einer Hülle aus Reaktionsprodukten umschlossen werden, und daher

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wird die Verbrennung der großen Teilchen erheblich gefördert. Das Ausmaß, in dem sich diese Vorteile in der Praxis verwirklichen lassen, richtet sich zum Teil nach dem Ausmaß, in dem sich das otrömungsfeld einer reinen radförmigen Strömung annähert.

Fig. 6 veranschaulicht das Verhalten eines Teilchens einer bestimmten Größe in drei verschiedenen οtrömungsfeldern. Die radiale Lage eines Teilchens mit einem Durchmesser von 0,075 mm in einer Kammer mit einem Nenndurchmesser von etwa 455 mm wird unter drei verschiedenen Bedingungen untersucht. Die Kurve A zeigt, daß in einem reinen Wirbelstrom die Teilchen die Kammerwand innerhalb von etwa 10 ms erreichen würden. Die Kurve B läßt erkennen, daß dieses Teilchen bei einer kombinierten Rad- und Wirbelströmung die Kammerwand innerhalb von etwa 30 ms erreichen würde. Gemäß der Kurve C würde das Teilchen in einem reinen Radströmungsfeld die Kammerwand erst nach mehr als 70 ms erreichen. Da die Brennzeit dieses Teilchens 10 ms überschreitet, läßt sich bei einer reinen Wirbe!strömung die gewünschte Wirkung nicht erreichen. Wenn sich das Strömungsfeld stärker einer reinen Radströmung annähert, können größere Teilchen in einer Kammer der genannten Größe verbrannt werden. Man könnte die Abmessungen der Kammer vergrößern, um zu erreichen, daß die Teilchen in einer Wirbelströmung während ihrer Flugzeit verbrennen, doch würden sich hierbei wirtschaftliche Nachteile ergeben, und die Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad würden sich verringern.

Wird in der beschriebenen ΐ/eise erreicht, daß die Teilchen während ihrer Flugzeit verbrennen, läßt sich ein vergleichsweise sehr hoher thermischer Wirkungsgrad erzielen, denn eine Verbrennung auf der Kammerwand wird vermieden, es geht kein Kohlenstoff zusammen mit der Schlacke verloren, und ein übermäßiger Wärmeverlust durch Abgabe

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von "Värsie an die Kammerwände wird verhindert. Außerdem würde es eine Verbrennung auf der Kammerwand erforderlich machen, das Oxidationsmittel an die Kammerwand heranzuführen, so daß die Vorrichtung mit einem Luftüberschuß betrieben werden müßte, wodurch die Aufreunterhaltung einer reduzierenden Atmosphäre in den äußeren Bereichen der Reaktionszone 22 unmöglich gemacht würde. Ferner ist es durch die Bereitstellung einer längeren Verweilzeit bei einem bestimmten Kammerdurchmesser und durch ein stärkeres Umspulen der Teilchen während ihrer Flugzeit möglich, sehr hohe Werte der Leistungsdichte zu erzielen. Da bei der erf indungs gemäßen Vorrichtung die Relativgeschwindigkeit zwischen den rotierenden Gasen und den größeren Teilchen auf einen maximalen Wert gebracht wird, wird die Verbrennung großer Teilchen gefördert, so daß man die Reaktionszone 22 mit einem brennstoffreichen Gemisch betreiben kann, ohne daß sich eine übermäßige Ablagerung unverbrannter Teilchen auf den Kammerwänden ergibt. Da es möglich ist, mit einem brennstoffreichen Gemisch zu arbeiten, kann man die Betriebstemperatur der Reaktionszone auf einem Wert halten, bei dem eine übermäßige Verdampfung von Schlacke vermieden wird. Daher ist es bei der Vorrichtung möglich, 90% oder mehr des Schlackegehalts des zugeführten Brennstoffs in flüssiger Form abzuführen, bevor die gasförmigen Reaktionsprodukte die Kammer verlassen.

Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die es ermöglicht, pulverisierte Kohle zu verbrennen, um einen auf einer hohen Temperatur befindlichen Plasmastrom zu erzeugen, mittels dessen sich magnetohydrodynamische Stromerzeuger betreiben lassen. Zusätzlich zu den schon anhand von Fig. 1 beschriebenen Teilen weist die Vorrichtung eine Oxidationsmittelleitung 61 auf, mittels welcher einer Quelle 65 entnommene Sekundärluft über eine Leitung 24 der Öffnung 59 zugeführt wird, um tangential in

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die Reaktionszone 22 einzutreten.

Gemäß Fig. 8 wird dem Tellerventil 25 Brennstoff von einer Quelle 63 aus zugeführt, so daß der Brennstoff durch das Einlaßrohr 29 strömt und durch den Ventilteller 31 radial nach außen umgelenkt wird. Damit sich das Tellerventil in der Längsrichtung verstellen läßt, ist ein mit Außengewinde versehenes Buchsenteil 28 vorhanden, das durch das Tellerventil unterstützt wird und in einer Gewindebohrung drehbar gelagert ist.

Bei der Brennstoffquelle 63 handelt es sich vorzugsweise um eine gesonderte, in Fig. 13 und 14 dargestellte Brennstoff mischeinrichtung zum Transportieren des Brennstoffs in Form einer dichten Phase, welche im folgenden näher beschrieben ist. Die Hauptaufgabe der Quelle 63 besteht darin, pulverisierte Kohle zuzuführen, die von einem Trägerfluidstrom mitgeführt wird, wobei sich das Massenverhältnis zwischen der Kohle und dem Fluid innerhalb eines Bereichs von 0:1 bis 100:1 regeln läßt. Die mit dem Trägerfluid gemischte pulverisierte Kohle hat Strömungseigenschaften, die denjenigen eines zähflüssigen Fluides ähneln, und wenn das Gemisch von dem Tellerventil 25 abgegeben wird, wird die pulverisierte Kohle gemäß Fig. 1 innerhalb einer glockenförmigen Hüllfläche 41 abgegeben.

Gemäß Fig. 7 und 8 wird auf einer hohen Temperatur befindliche verdichtete Luft, die der Oxidationsmittelquelle 65 entnommen wird, über die Leitung 61 zugeführt, um in der Vorrichtung einen ersten, einen zweiten und einen dritten Luftstrom zu erzeugen. Zu der Leitung 61 gehört eine Hauptleitung 66, die sich von der Quelle 65 aus im wesentlichen parallel zur Längsachse der Brennkammer 21 erstreckt. Ferner ist eine erste Abzweigleitung 67 vorhanden, die sich rechtwinkelig zu der Kammer 21 erstreckt und dazu dient, unter

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hohem Druck stehende Primärluft einer Kammer 69 zuzuführen, von der aus die Luft durch eine mit zahlreichen Öffnungen versehene Einrichtung 70 zum Erzeugen einer geradlinigen Strömung strömt. Diese Primärluft tritt in die Reaktionszone 22 im wesentlichen parallel zur Längsachse der Kammer 21 ein und strömt durch den durch das Tellerventil 25 abgegrenzten Ringspalt. In der Kammer 69 bewirkt eine volumetrische Expansion der Luft, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft verringert; durch die Wände der Kammer 69 wird die Luft gezwungen, durch die beschriebene Einrichtung 70 zu strömen. Gemäß Fig. 8 und 9 bildet die Einrichtung 70 eine freistehende Konstruktion aus Leitelementen, die aus Siliziumcarbid hergestellt und so zusammengebaut sind, daß sie mehrere Öffnungen abgrenzen, welche von dem Primärluftstrom durchströmt werden. Alternativ können die Leitelemente aus der Legierung Inconel 800 oder einer anderen korrosionsfesten und hohen Temperaturen standhaltenden Legierung hergestellt sein und eine Ganzmetallkonstruktion bilden. Im letzteren Fall können die Leitelemente auf bekannte Weise mit Wasser gekühlt werden.

Die Sekundärluft wird von der Quelle 65 aus über die Hauptluftleitung 66 und die Zweigleitung 24 der tangential angeordneten Luftzuführungsöffnung 59 mit einer solchen Geschwindigkeit zugeführt, daß in der Reaktionszone 22 ein rotierendes Gemisch besteht, das sich aus Brennstoffteilchen, Primärluft und Sekundärluft zusammensetzt, Um in der Reaktionszone eine radförmige Strömung aufrechtzuerhalten, und um die Reaktionstemperatüren zu regeln, ist es zweckmäßig, die relativen Strömungswerte der Primärluft und der Sekundärluft sowie das Verhältnis zwischen dem Mengenstrom der Luft und dem Mengenstrom des zugeführten Brennstoffs zu regeln. Um die genannten Parameter auf diese Weise zu regeln, kann man nicht dargestellte Ventile bekannter Art in den Luftleitungen 67 und 24 verwenden, so daß es möglich

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ist, die betreffenden Mengenströme vorzuwählen oder kontinuierlich zu regeln. Bei einer Ausfuhrungsform werden in die Leitungen 24 und 67 eingebaute Venturieinrichtungen aus keramischem Material, z.B. Zirkonerde, verwendet, um die Mengenströme so zu begrenzen, daß sowohl die Summe der beiden Mengenströme als auch das zwischen ihnen bestehende Verhältnis vorher bestimmt sind.

Die Regelung der Schlackenführung derart, daß im wesentlichen die gesamte in dem Brennstoff enthaltene Schlacke auf den Wänden der Brennkammer abgelagert wird, stellt ein Merkmal von erheblicher Bedeutung dar. Eine optimale Trennung der Schlacke von den gasförmigen Reaktionsprodukten wird erstens dadurch erreicht,daß in der Reaktionszone 22 eine Radströmung aufrechterhalten wird, und zweitens dadurch, daß die Reaktionstemperatur so geregelt wird, daß die Schlacke nur in einem minimalen Ausmaß verdampft wird. Um die Temperatur zu regeln, wird die Temperatur der zugeführten Luftströme geregelt, und das Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff wird nach Bedarf so variiert, daß in der Reaktionszone ein brennstoffreiches Gemisch vorhanden ist. Die Verbrennung mit einem BrennstoffÜberschuß führt dazu, daß ein erheblicher Teil des in der Kohle enthaltenen Kohlenstoffs die Reaktionszone 22 in Form von Kohlenmonoxid verläßt; gleichzeitig wird die Erzeugung von thermischer Energie in der Reaktionszone begrenzt, und hierdurch wird die Betriebstemperatur in der Reaktionskammer 21 geregelt. Die Regelung der Temperatur ermöglicht es in Verbindung mit der durch Fliehkräfte bewirkten Beschleunigung der Schlacketeilchen in Richtung auf die Wände der Kammer 21, mehr als 90% der Schlacke aus dem Strom der gasförmigen Reaktionsprodukte zu entfernen, bevor letztere über die zentrale Öffnung 37 der Umlenkeinrichtung 35 aus der Reaktionszone entweichen.

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.■•are die Innenfläche 71 der Brennkammer mit einem hitzebeständigen keramischen Material überzogen, würden die Erosionswirkung der Schlacke, die hohe Strömungsgeschwindigkeit und die Verbrennung von Brennstoffteilchen innerhalb der Reaktionszone bewirken, daß das feuerfeste Materiaü von den -fänden der Kammer 21 abgelöst wird; sobald dies geschehen wäre, würde die metallische Innenfläche 71 der Hammer angegriffen. Gemäß d.er Erfindung wird diese Gefahr dadurch vermieden, daß eine Schutzschicht aus erötarrber Schlacke auf der Innenfläche 71 abgelagert wird, um eine weitere Erosion möglichst zu verhindern. Zu diesem Zweck sind aus Metall hergestellte Kühlmittelleitungen 73 auf der Innenfläche 71 der Kammer 21 angeordnet. Die Leitungen 73 bilden eine wassergekühlte Auskleidung für die Reaktion"kammer 21, durch welche ochlacke in einer solchen Menge zum Erstarren gebracht wird, daß ein schützender

chlockeüberzug entsteht, der eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Um das Kühlmittel den Leitungen 73 zuzuführen, werden bekannte Einrichtungen, z.B. gemäß Fig. c die Leitungen 74 und 75 verwendet.

Gem^;iß Fig. 7, ^p. und 10 ist die Umlenkeinrichtung 35 als ringförmige Platte ausgebildet, die mit einer doppelt gewendelten Kühlmittelleitung 77 versehen ist, welche auf der Innenfläche der Platte in einer Ebene angeordnet ist, die sich im wesentlichen im rechten ¥inkel zur Längsachse den Austrittsendes der Kammer 21 erstreckt. Eine Aufgabe der Umlenkeinrichtung 35 besteht darin, Schlacketröpfchen zurückzuhalten, welche die 'fände der Kammer 21 noch nicht erreicht haben, um den Gehalt der aus der Kammer entweichenden gasformigen Reaktionsprodukte an Schlacke und Asche möglichst niedrig zu halten. Außerdem wird der rotierende Strom der gasförmigen Reaktionsprodukte beim Erreichen des Austrittsendes der Kammer durch die Umlenkeinrichtung 35 gezwungen, sich radial nach innen in Richtung auf die Öff-

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nung 37 zu "bewegen. Wird der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende rotierende Gasstrom gezwungen, nach innen zu strömen, erhöht sich die Winkelgeschwindigkeit un den Faktor 3 oder 4 oder um einen noch höheren Faktor. Diese plötzliche Vergrößerung der Fliehkräfte führt dazu, daß im wesentlichen die gesamte Schlacke des Brennstoffs aus den gasförmigen Reaktionsprodukten auszentrifugiert wird, so daß die Schlacke in Form einer flüssigen Schlackeschicat auf der Innenfläche 71 der Brennkammer und der Umlenkeinrichtung 35 niedergeschlagen wird.

Die flüssige Schlacke strömt unter der Wirkung der Schwerkraft zum unteren Teil der Reaktionskammer durch eine ichlacke ab führungs öffnung 7-3 zu einer auf der Unterseite der Kammer angeordneten Schlackefalle 79. Gemäß Fig. 3 und 10 wird der kurze zylindrische Rohrabschnitt, der die Schlackeabführungsöffnung 78 bildet, durch Kühlwasser gekühlt, das durch einen Wassermantel bekannter Art strömt, der einen Einlaß 80 und einen Auslaß 81 aufweist. Im Bereich der Schlackeabführöffnung 78 sind die Kühlmittelleitungen 73 so gestaltet, daß sie einen Innenflächenabschnitt 82 bilden, der eine Öffnung von erheblicher Größe zwischen den benachbarten Leitungen 73 im Bereich der Öffnung 78 abgrenzt. Zu dieser Einrichtung zum Abführen der Schlacke gehört vorzugsweise ein nicht dargestellter, unter Druck stehender Schlackebehälter, der das Entweichen gasförmiger Reaktionsprodukte über den Schlackeauslaß verhindert.

Wird die Vorrichtung in Verbindung mit einer magnetohydrodynamischen Einrichtung benutzt, ist zusätzlich eine zweite Reaktionskammer 85 vorhanden, die in Verbindung mit dem Austrittsende der Kammer 21 steht und eine zweite Reaktionszone 88 abgrenzt. Der zweiten Kammer 85 werden die gasförmigen Reaktionsprodukte von der Kammer 21 aus zugeführt, und

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in der zweiten Kammer werden die auf einer hohen Temperatur befindlichen gasförmigen Reaktionsprodukte so modifiziert, daß an ihrem Auslaß 87 ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes Plasma zur Verfügung steht, das dem Plasmakanal einer magnetohydrodynamischen Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie zugeführt v/erden kann. Die magnetohydrodynamische Einrichtung bildet nicht einen Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung; solche Einrichtungen sind bekannt, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigen dürfte.

Die über die Öffnung 37 aus der Reaktionszone 22 entweichenden gasförmigen Reaktionsprodukte treten in die zweite Reaktionszone 88 über. Unmittelbar jenseits der Umlenkeinrichtung 35 ist eine Einrichtung 90 angeordnet, die es ermöglicht, in den auf einer hohen Temperatur befindlichen Gasstrom bestimmte chemische Reaktionsmittel einzuleiten, z.D. Kaliumcarbonat. Zu der Einrichtung 90 gehört ein Reaktionsmittel-Zuführungsrohr 91, das sich quer zur Achse der Kammer 85 erstreckt und gleichachsig mit einer Kühlmittelleitung 92 unterstützt ist. Auf dem Rohr 91 ist gemäß Fig. 11 etwa auf der Achse der Kammer 85 eine Zuführungseinrichtung für das Reaktionsmittel angeordnet, zu der eine Buchse 54 gehört, in der ein gleichachsig damit angeordnetes Tellerventil 95 gelagert ist. Bei diesem Ventil handelt es sich vorzugsweise um eine verkleinerte Ausführung des beschriebenen Tellerventils 25, das gemäß Fig. 1 und 8 gleichachsig mit der Kammer 22 angeordnet ist. Für einen wirtschaftlichen Betrieb eines magnetohydrodynami schen Generators ist es erforderlich, daß die den magnetohydrodynamischen Kanal durchströmenden Gase elektrische Eigenschaften haben, die denjenigen eines in hohem Maße leitfähigen Fluides entsprechen. Daher ist es im vorliegenden Fall erwünscht, daß der aus der Reaktionskammer 88 austretende Gasstrom 87 im wesentlichen vollständig und

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gleichmäßig ionisiert ist. Das Zuführen von Kaliumcarbonat gewährleistet eine solche vollständige und gleichmäßige Ionisierung der Reaktionsprodukte während des Durchströmens der Reaktionszone 88. In anderen Anwendungsfällen kann die Einrichtung 90 dazu verwendet werden, dem wirbeiförmigen Gasstrom unmittelbar nach dem Passieren der Öffnung 37 zu der Reaktionszone 88 praktisch Jeden beliebigen Zusatzstoff bzw. ein chemisches Reaktionsmittel zuzuführen.

Unmittelbar jenseits der Reaktionsmittel-Zuführungseinrichtung 93 ist die zweite Kammer 85 mit einer Einrichtung versehen, die es ermöglicht, vorgewärmte Luft in einer solchen Menge zuzuführen, wie es für die Durchführung einer stöchiometrischen Reaktion erforderlich ist. Diese tertiäre Luft mit einer ausreichenden tangentialen Geschwindigkeitskomponente zugeführt, um durch einen Impuls austausch die Winkelgeschwindigkeit der über die Öffnung 37 zugeführten gasförmigen Reaktionsprodukte auszugleichen. Diese zweite Stufe zum Aufheben der Wirbelbewegung weist eine tangentiale Luftleitung 96 auf, der auf einer hohen Temperatur befindliche Luft von der Leitung 61 aus zugeführt wird, um die Luft einem torusförmigen Luftverteiler 97 zuzuführen, der sich gemäß Fig. 8 und 12 längs des Umfangs der zweiten Kammer 85 erstreckt und an seinen inneren Umfang 12 Öffnungen 98 aufweist, mittels welcher sich schnell bewegende tangentiale Luftströme von dem Verteiler 97 aus in die Reaktionszone 88 eingeleitet werden können. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Plasmaquelle für eine magnetohydrodynamische . tromerzeugungseinrichtung ist es erwünscht, daß der abgegebene Plasmastrom im wesentlichen keine Winkelgeschwindigkeit aufweist. Zu diesem Zweck kann man den über die Leitung 96 und den Verteiler 97 zugeführten Luftstrom so regeln, daß die Winkelgeschwindigkeit des Gasstroms in der Kammer 85 auf Null verringert wird. In anderen Anwen-

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dungsfällen, in denen der Winkelgeschwindigkeit keine Bedeutung zukommt, kann man eine volumetrische Regelung der über die Leitung 96 zugeführten Luft durchführen, um die stöchiometrischen Verhältnisse in der Reaktionszone 83 nach Bedarf vorzuwählen oder kontinuierlich zu variieren. Hierbei werden nach Bedarf die Luftleitung 61 und die verschiedenen daran angeschlossenen Leitungen mit äußeren wassergekühlten Hanteln versehen. Diesen Mänteln wird das Kühlmittel mit Hilfe von Leitungen bekannter Art zugeführt .

Der pulverisierte Brennstoff, z.B. Kohle, wird von einer Kugelmühle oder einem Vorratsbehälter aus der Reaktionskarnmer 21 als dichte Phase in Form eines Genisches mit einem Trägergas über eine Rohrleitung zugeführt. Da die Reaktionskammer 21 mit einem Überdruck im Bereich von 2 bis ο bar oder darüber betrieben wird, wird die Brennstofftransporteinrichtung vorzugsweise dem gleichen Innendruck ausgesetzt. Fig. 13 und 14 zeigen die Einrichtung, mittels welcher der Brennstoff bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form einer unter Druck stehenden dichten Phase gefördert wird. Gemäß Fig. 13 wird der Kohlebehälter 145 mit pulverisierter Kohle gefüllt, die normalerweise eine Korngröße entsprechend etwa 7-3 Maschen/cm hat; das Kohlepulver wird einer nicht dargestellten opeichereinrichtung über eine Füllklappe 146 am oberen Ende des gewölbten Teils 147 des Behälters 145 entnommen. Zum Füllen des unter Druck stehenden Kohlebehälters 145 kann man einen nicht dargestellten, unter Druck setzbaren Überführungsbehälter benutzen; alternativ kann man z.B. eine Schneckenpumpe bekannter Art zur Förderung der pulverisierten Kohle einsetzen. Zusätzlich zu dem gewölbten Teil 147 weist der Kohlebehälter 145 einen zylindrischen Zwischenabschnitt sowie einen konischen unteren Abschnitt 143 mit einem öffnungswinkel von 30° auf. Mit dem unteren

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Ende des konischen Abschnitts 148 ist eine Einrichtung zum Fluidisieren und Zuführen von Kohlepulver verbunden, von der aus die pulverisierte Kohle durch ein Drosselventil 150 zu einer Abgabeeinrichtung 156 strömt, mittels welcher die Kohleteilchen auf eine Geschwindigkeit von etwa 5 m/s beschleunigt werden, um die Hohle in Form einer dichten Phase als Gemisch mit Luft oder einem anderen Trägergas durch eine KohlezufUhrungsleitung 153 zu fördern und das Gemisch gemäß Fig. 7 und 3 kontinuierlich der Reaktions kammer 21 zuzuführen. Die ICohle zuführungsleitung 158 ist an die Abgabeeinrichtung 156 angeschlossen und mit dem Einlaßrohr 29 des Tellerventils 25 verbunden. Das Trägergas zum Beaufschlagen des Kohlebehälters 145 mit Druck wird einer Gasquelle 152 über eine Leitung 153 und ein Regelventil 154 entnommen und einem Einlaß im oberen Teil des Kohlebehälters zugeführt. Das Trägergas wird ferner von der Quelle 152 aus über eine Leitung 155 und ein Regelventil 157 der Fluidisier- und Abgabeeinrichtung 149 zugeführt. Verdichtetes Gas für den Betrieb der Abgabeeinrichtung 156 wird einer Gasquelle 159 über ein Regelventil 160 entnommen. Die Fluidisiereinrichtung 149 und die Abgäbeeinrichtung 156 sind in Fig. 14 mit weiteren Einzelheiten in einem Schnitt längs der Achse der Fluidisereinrichtung dargestellt.

Gemäß Fig. 14 gehört zu der Fluidisiereinrichtung 149 ein im wesentlichen zylindrisches Bauteil 166 aus Metall, das an seinem oberen Ende einen konischen Abschnitt I67 mit einem waagerechten Flansch 170 aufweist. Der Flansch 170 ist mit abdichtender Wirkung am unteren Ende des konischen Abschnitts 148 des Kohlebehälters 145 befestigt. Das Bauteil 166 hat eine zentrale Bohrung 172 mit einem Durchmesser von etwa 12,5 mm, die senkrecht nach oben verläuft und in eine konische Öffnung 174 mit einem Öffnungswinkel von mündet, welche am oberen Ende' einen Durchmesser von etwa

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150 mm hat. Zwischen den Enden der konischen Öffnung 174 und der Außenfläche des Bauteils 166 ist eine sich in der Umfangsrichtung erstreckende GasVerteilerleitung 176 angeordnet, die mit der Außenfläche des Bauteils 166 so verbunden ist, daß sie eine in der Umfangsrichtung verlaufende Wut 17S verdeckt, an die das durch die Leitung 176 verteilte Gas abgegeben wird. Von der Ringnut 178 aus führen mehrere in gleichmäßigen Ifinkelabständen verteilte Öffnungen 179 radial nach innen durch die Viand des Bauteils 166 zu der konischen Öffnung 174. Das der Quelle 152 entnommene, unter Druck stehende Trägergas wird über das Regelventil 157 der Verteilerleitung I76 zugeführt, von der aus es verteilt wird, um durch sechzehn radiale Öffnungen 179 in die konische Öffnung 174 einzutreten. Durch das Zuführen des Trägergases wird die pulverisierte Kohle in der Öffnung 174 fluidisiert und in Form eines Gemisches aus dem Trägergas und dem Kohlepulver nach unten durch die zentrale Bohrung 172 gefördert. Von der Basis des Bauteils 166 aus gelangt das strömende Gemisch über das Drosselventil I50 zu einer senkrechten Bohrung 181 der Abgabeeinrichtung 156. Bei dem Brennstoffdrosselventil 150 kann es sich um einen Kugelschieber bekannter Art handeln, dessen Betätigungswelle mit einem Getriebemotor 183 gekuppelt ist. Eine Schaltung bekannter Art dient dazu, die jeweilige Stellung der Welle des Getriebemotors zu überwachen und zu bestimmen, um die Zufuhr von Brennstoff über das Drosselventil I50 so zu regeln, daß sich das gewünschte volumetrische oder massenmäßige Verhältnis zwischen Brennstoff und Trägergas ergibt.

Zu der Abgabeeinrichtung 156 gehört ein Gehäuse 185 mit einer durchgehenden waagerechten zylindrischen Bohrung 186 und einer senkrechten Bohrung 181, welche die waagerechte Bohrung 186 mit dem Drosselventil I50 zum Zuführen des unter Druck stehenden Kohlepulvers verbindet. In die

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waagerechte Bohrung 186 ist eine konvergierende Düse 187 eingebaut, die durch ein Gewinde 183 in ihrer Lage gehalten wird und dazu dient, das unter hohem Druck stehende Trägergas in das Gehäuse 185 einzuleiten, wo der Trägergasstrom auf den sich nach unten bewegenden Strom pulverisierter Kohle auftrifft, um das Kohlepulver so zu beschleunigen, daß es durch ein Anschlußstück 189 zu der Kohlezuführungsleitung 158 strömt. Das innere Ende des Anschlußstücks 189 weist eine konische Bohrung 190 auf, die als Trichter wirkt und das Gemisch aus pulverisiertem Brennstoff und dem Trägergas der Leitung 158 zuführt. Die konvergierende Düse 187 ist gemäß Fig. 13 über ein Regelventil 160 an eine Quelle 159 für das unter Druck stehende Trägergas angeschlossen.

Während des Betriebs ist in der Fluidisiereinrichtung 149 in der konischen Öffnung 174 ein Bereich vorhanden, in dem eine starke Turbulenz herrscht, und in dem die pulverisierte Kohle auf mechanischem ^T,.^rege in Bewegung versetzt und "geschmiert" wird, so daß Gewähr dafür besteht, daß ein gleichmäßiger Strom aus Kohle und Trägergas nach unten durch die zentrale Bohrung 172 geleitet wird. Das zugeführte Trägergas gleicht außerdem den durch den unter Druck stehenden Kohlebehälter 145 aufgebrachten Druck aus, so daß der Druck in dem Behälter aufrechterhalten wird, obwohl sich das Volumen der in dem Behälter vorhandenen Kohle allmählich verhindert. Bei der bevorzugten Betriebsweise liefert die Fluidisiereinrichtung einen fluidisierten Volumenstrom, welcher dem volumetrischeη Kohlepulverstrom zuzüglich des Trägergases entspricht, welches unter stetigen Betriebsbedingungen verloren geht.

Wenn sich ein stetiger Kohlepulverstrom eingestellt hat, der sich nach unten durch das Drosselventil 150 bewegt, wird das fließende Kohlepulver durch das verdichtete Trägergas

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verdünnt und beschleunigt, das der Abgabeeinrichtung über die konvergierende Düse 187 zugeführt wird. Die konvergierende Bohrung der Düse 187 erzeugt einen fokussierten Gasstrahl derart, daß bei richtiger Einstellung der Gasgeschwindigkeit und des Mengenstroms des Kohlepulvers die Kohleteilchen auf eine Geschwindigkeit von etwa 6 m/s beschleunigt werden und mit dieser Geschwindigkeit kontinuierlich durch die Zuführungsleitung 158 zu der Reaktionskammer 21 strömen.

Der feste Brennstoff wird gewöhnlich bis auf eine Korngröße entsprechend etwa 78 Maschen/cm zerkleinert, doch können auch me'irere Korngrößen vorhanden sein. Es hat sich gezeigt, daß es möglich ist, mit einem Verhältnis bis zu etwa 100:1 zwischen den Feststoffen und dem Gas zu arbeiten. V/enn der Druck des Fluidis ie rungs gas es (Np) im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 5,5 bar liegt, lassen sich Verhältniswerte im Bereich von 50:1 erreichen, wobei relativ gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeiten aufrechterhalten werden können. Nachdem der Kohlestaub durch die Fluidisierung in der Fluidisierungseinrichtung 149 mehrere Minuten lang aufgelockert worden ist, kann man die Zufuhr von Trägergas zu der Fluidisierungseinrichtung beenden und danach die Förderung von Hohle als dichte Phase einfach dadurch fortsetzen, daß man den Druck in dem Kohlebehälter 145 aufrechterhält und der Abgabeeinrichtung 156 ein verdichtetes Gas zuführt. Man kann das Verhältnis zwischen den Feststoffen und dem Gas sowie die Fördergeschwindigkeit in der Zuführungsleitung 15S kontinuierlich regeln oder jeweils auf einen beliebigen vorgewählten Wert innerhalb der genannten Bereiche einstellen, indem man das Drosselventil 150 für das Kohlepulver und das Gaszuführungsventil I60 entsprechend verstellt. Es wird eine Schaltung bekannter Art mit Mengenstromgebern verwendet, ur.i diese Betriebsparameter zu überwachen und Rückkopplungssignale zu gewinnen, mittels welcher der Steueraotor 183 be-

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tätigt wird, so daß das Ventil 150 gesteuert wird und eine Regelung der Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Luft und des Drucks möglich ist.

Zwar kann man als Fluidisierungs- und Trägergas Stickstoff verwenden, doch ist es auch möglich, im wesentlichen jede beliebige Flüssigkeit bzw. ein beliebiges Gas zu verwenden, und zwar unter Einschlu3 von aus Erdöl gewonnenen Flüssigkeiten und gasförmigen Kohlenwasserstoffen.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Energiequelle für magnetohydrodynamische Generatoren wird pulverisierte Kohle mit einer Korngröße entsprechend etwa 40 - 7^;'3 Maschen/ca von einem Luftstrom mitgeführt, der sich nahezu auf der Umgebungstemperatur befindet. In Anwendung^fällen, in denen es erforderlich ist, den Enthalpe-Verlust auf ein ninimum zu verringern, z.B. bei der Erzeugung eines Plasmas, liegt das Mengenverhältnis zwischen den festen ßrennstoffteilchen und der als Trägergas verwendeten Umgebungsluft im Bereich von 30:1 bis 100:1. Durch diese Förderung des Brennstoffs in Form einer dichten Phase wird die Menge der relativ kalten Luft begrenzt, die der Verbrennungszone 22 zugeführt wird, und hierdurch ist es möglich, eine maximale Temperatur des abgegebenen Plasmas zu erreichen. Die mitgerissenen Kohleteilchen werden über das Tellerventil 25 zugeführt und in der Verbrennungszone radial nach außen umgelenkt, so daß sich die in Fig. 1 bei 41 dargestellte glockenförmige Verteilung ergibt.

Bei der Erzeugung eines Plasmas wird die als Oxidationsmittel verwendete Luft gewöhnlich auf etwa 159O°C vorgewärmt. Dieser vorgewärmten Luft kann zusätzlicher Sauerstoff beigemischt werden, bevor die Luft der Verbrennungszone zugeführt wird, wenn dies im Hinblick auf die Eigenschaften der verwendeten Kohle erforderlich ist. In der Verbrennungszone

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22 wird eine Schraubenlinien- und radförmige Strömung der vorgewärmten Luft herbeigeführt, und der Strom der Kohleteilciien wird zusammen mit dem Trägergas in die radförmige strömung eingeleitet. Um die Verbrennungstemperaturen unter der Verdampfungstemperatur der Schlacke zu halten, wird die Verbrennungszone 22 vorzugsweise mit einem brennstoffreichen Gemisch im Bereich von etwa 0,4 - 0,9 der stöchiometrischen Menge des Oxidationsmittels betrieben. Hierbei ergeben sich in der Zone 22 je nach der Zusammensetzung der Schlacke Temperaturen im Bereich von etwa I65O bis etwa 2100⁰C. Die auf der hohen Temperatur befindlichen gasförmigen Verbrennungs· produkte entweichen aus der Verbrennungszone 22 über die zentrale öffnung 37 der Umlenkeinrichtung 35 mit einer Temperatur von etwa 1370 C. Diese Gase, die aus der brennstoffreichen Atmosphäre in der Verbrennungszone 22 stammen, enthalten Schlacketröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als etwa 0,01 mm sowie eine geringe Menge an verdampfter Schlacke.

Wie erwähnt, wird eine zusätzliche Menge des Oxidationsmittels, die benötigt wird, um bei den gasförmigen Verbrennungsprodukten stöchiometrische Verhältnisse herzustellen und eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten, der zweiten Kammer 85 über die Rohrleitung 96 und den Verteiler 97 zugeführt. Durch die Beendigung der Verbrennung von CO und IL, in der Reaktionszone 38 wird die Temperatur des Gasstroms von etwa 1870⁰C auf etwa 2800⁰C an dem Auslaß 87 gebracht. Der Auslaß 87 kann direkt mit einem magnetohydrodynamischen Generator oder einer anderen Einrichtung zum Ausnützen der thermischen und/oder kinetischen Energie des Gases verbunden sein. Die Schlacketröpfchen, die Ascheteilchen und die Brennstoffteilchen, welche nicht verbrannt bzw. auf den Wänden der Kammer 21 zurückgehalten werden, sind vergleichsweise sehr klein. Daher werden sie zum größten Teil vergast, sobald sie der höheren Temperatur in der Reaktionszone 88 ausgesetzt werden.

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Bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Tellerventil 25 im wesentlichen auf der Längsachse der Brennkammer 21 angeordnet. Zwar bietet diese gleichachsige bzw. symmetrische Anordnung bestimmte Vorteile, doch beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Anordnung. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Tellerventil 25 in einem Abstand von der Längsachse der Kammer und/oder so angeordnet sein, daß sich das Einlaßrohr 29 praktisch unter einem beliebigen Winkel zur Längsachse der Kammer 21 erstreckt.

Bei verschiedenen Fällen, in denen die Erfindung angewendet wird, und zwar insbesondere dann, wenn es erwünscht ist, dafür zu sorgen, daß der rotierende Strom in der Reaktionszone 22 sich einer reinen radförmigen Strömung annähert, kann es zweckmäßig sein, die glockenförmige Hüllkurve 41 der Brennstoffverteilung nach Fig. 1 dadurch zu modifizieren, daß pulverisierter Brennstoff nur innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs der Hüllfläche zugeführt wird. Fig. 15 und 16 zeigen ein abgeändertes Tellerventil, das es ermöglicht, den Brennstoff innerhalb eines Winkelsegments der glockenförmigen Hüllfläche 41 zu verteilen. Zu dem abgeänderten Tellerventil 225 gehört ein Brennstoffeinlaßrohr 229, das im wesentlichen ebenso ausgebildet ist wie das Einlaßrohr 29 des Ventils nach Fig. 8. Am Eintrittsende 230 wird ein Strom des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, der mit einem Trägergas gemischt ist, dem Tellerventil 225 über den Raum zwischen dem Rohr 229 und dem gleichachsig damit angeordneten Ventil 227 zugeführt. Gemäß Fig. 15 weist das Ventil an seinem rechten Ende einen runden Endabschnitt

231 von größerem Durchmesser auf, der eine konische Fläche

232 besitzt, welche mit einem Ventilsitz 233 zusammenarbeitet, wenn das Ventil 227 in der Längsrichtung nach links bewegt wird. In diesem Fall ist das Tellerventil 225 insofern anders ausgebildet, als der runde Endabschnitt 231 mit einem dünnwandigen zylindrischen Hantel 234 versehen ist, der mit

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dem Ventilteller 231 zusammenhängt und sich nahe der Innenwand des Einlaßrohrs in Richtung auf das Eintrittsende des Rohrs 229 erstreckt. Wie in Fig. 15 bei 235 dargestellt, weist der Hantel 234 nahe dem Ventilteller 231 einen Ausschnitt auf, der eine Öffnung 236 bildet, welche sich in der Umfangsrichtung des Mantels über einen Winkelbereich erstreckt, der dem Winkelbereich der gewünschten fächerförmigen Brennstoffverteilung entspricht. Beispielsweise kann sich die Öffnung 236 über einen Winkelbereich von etwa 60° erstrecken. Bei dieser Ausführungsform kann der Ventilschaft 227 gleitend geführt sein, um eine Bewegung des Tellerventils längs des Einlaßrohrs 229 zu ermöglichen, ohne daß das Ventil gedreht wird. Wird der Ventilschaft 227 gemäß Fig. 15 in die Schließstellung gebracht, bewirkt die konische Fläche 232 eine Abdichtung gegenüber dem Ventilsitz 233 längs des gesamten Umfangs, so daß die Menge des zugeführten Brennstoffs und des Trägergases praktisch auf Null verringert wird. Bringt man das Tellerventil in seine voll geöffnete Stellung nach Fig. 16, arbeitet der Mantel 234 gleitend und mit abdichtender Wirkung mit der Innenwand des Einlaßrohrs 229 zusammen, um das Austreten von Brennstoff und Trägergas mit Ausnahme des Bereichs der Öffnung 236 zu verhindern. Gemäß Fig. 16 strömt somit der unter Druck stehende Strom aus Brennstoff und Trägergas über das Einlaßrohr 229 zu der Öffnung 236, so daß er in der Verbrennungszone innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs verteilt wird, welcher einem Winkelsegment der glockenförmigen Ilüllf lache 41 nach Fig. 1 entspricht. Wird das Tellerventil 227 aus seiner Öffnungsstellung nach Fig.16 in Richtung auf seine Schließstellung nach Fig. 15 bewegt, wird die Öffnung 236 durch den Ventilsitz 233 zunehmend verschlossen, so daß der Mengenstrom des der Reaktionskammer zugeführten Brennstoffs und Trägergases allmählich verringert wird. Zwar wurde vorstehend ein Tellerventil mit einer segmentförmigen Öffnung 236 beschrieben, doch könnte man auch andere gleichwertige Konstruktionen vorsehen, z„B. mehrere in

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¥inkelabständen verteilte zylindrische Öffnungen.

Fig. 17, 18 und 19 zeigen eine abgeänderte äugführungsform einer Reaktionskammer, die für den Betrieb mit höheren Drücken geeignet ist. Gemäß Fig. 17 ist die Kammer 240 als doppelwandige Konstruktion ausgebildet, und sie v/eist eine äußere Iiand 242 und eine innere Wand 243 auf. Gemäß Fig. ist die innere Wand 243 auf chemischem Wege mit eingeätzten Kühlmittelkanälen 244 versehen, die an der Außenfläche dieser Wand ausgebildet sind. Um die Kühlmittelkanäle zu verschließen, ist die äußere Wand 242 durch Schweißnähte mit den Rippenabschnitten 246 zwischen benachbarten Kanälen 244 verbunden. Der durch diese Anordnung gebildeten Warneaustauseheinrichtung wird das Kühlmittel über einen Einlaß

243 einer Wasserleitung 249 zugeführt, so daß das Kühlmittel auf die Kanäle 244 verteilt wird, um über eine Austrittsbzv/. Sammelleitung 250 abgeführt zu werden. Die Ablagerung einer Schlackeschicht auf der metallischen Innenfläche 243 der Kammer führt zu einer Verringerung der Abgabe von Wärme an das Kühlmittel, und hierdurch wird der Enthalpe-Verlust des Stroms der gasförmigen Verbrennungsprodukte auf ein Minimum verringert.

Bei einer bestimmten Verbrennungstemperatur, die sich nach der Regelung der zugeführten Mengen an Brennstoff und Oxidationsmittel richtet, sammelt sich die während der Verbrennung entstehende Schlacke in Form eines Überzugs aus erstarrter Schlacke auf der metallischen Innenfläche 243 der Kammer 240 an, bis die isolierende Schicht aus der erstarrten Schlacke eine solche Dicke angenommen hat, daß sämtliche Schlacke, die danach abgelagert wird, gegenüber der Kühlwirkung des Wassers in den Wärmeaustauschkanälen

244 im wesentlichen isoliert ist. An diesem Punkt v/ird ein Gleichgewicht zwischen der festen Phase und der flüssigen Phase der Schlacke erreicht-, und eine strömende Schicht aus

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flüssiger Schlacke bedeckt die isolierend wirkende Schicht aus erstarrter Schlacke. Diese Schicht aus flüssiger Schlacke strömt unter der wirkung der Schwerkraft zu einem tiefer liegenden Teil der Brennkammer, wo die Schlacke über eine Falle 252 abgeführt wird. Bei der aus Fig. 17 ersichtlichen Öffnung 254 handelt es sich um den tangentialen Oxidationsmitte leinlaß, v/elcher der öffnung 59 in Fig. 7 und 8 ent- ' spricht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 läßt sich so ausbilden, daß sie es ermöglicht, Generatorgas in Luft unter solchen Bedingungen zu erzeugen, daß die Entstehung von Kohlenmonoxid begünstigt wird. Das von der Vorrichtung abgegebene Generatorgas wird einem Gas- oder Ölbrenner bekannter Art als Brennstoff zugeführt. Somit ermöglicht es die Vorrichtung, Kohle zu verbrennen, um einen gasförmigen Brennstoff zu erzeugen, der zur Verwendung als Ersatz für Erdgas oder Öl geeignet ist.

Fig. 21 zeigt in einem Fließbild, auf v/elche Weise sich die erfindungsgemäße Vorrichtung betreiben läßt, um Generatorgas zu erzeugen. Die Kohleverbrennungsvorrichtung 10 ist in der beschriebenen ¥eise ausgebildet, so daß die Brennstoff teilchen verbrannt werden, bevor sie auf die Innenwand der Brennkammer auftreffen. Vorzugsweise vorgewärmte verdichtete Luft wird über eine mit einem Ventil versehene Leitung 300 der Reaktionskammer der Vorrichtung 10 in der beschriebenen Weise unter wirbelnder Bewegung zugeführt. Pulverisierte Kohle wird mit Hilfe des nicht dargestellten Tellerventils in die Reaktionskammer eingeleitet. Um aus den Reaktionsprodukten Schwefeloxide zu entfernen, kann man der Reaktionszone Carbonate zuführen. Die Mengenströme der Kohle und der Luft können so geregelt werden, daß eine möglichst große Menge an Kohlenmonoxid erzeugt wird. Die brennbaren Produkte werden von den Abgasen mitgeführt und ggf.

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über ein Heißgasfilter einem Gas- oder Ölbrenner zugeleitet. Alle Schlacketeilchen, die zusammen mit den Abgasen entweichen, werden durch das Filter, zurückgehalten und als Rückstand beseitigt. Die Schlacke wird aus der Vorrichtung 10 abgezogen und einer geeigneten Deponie zugeführt.

Soll ein Synthesegas erzeugt werden, wird anstelle von Luft Sauerstoff verwendet, und in die Reaktionszone der Vorrichtung 10 wird Dampf eingeleitet. Daher ist nur eine geringe Menge an Stickstoff in den Abgasen der Vorrichtung vorhanden. In diesem Fall wird das Ventil 310 in der Leitung 300 geschlossen, während das Ventil 320 zum Regeln der Zufuhr von Sauerstoff von einer Quelle 322 aus geöffnet wird. Die Mengenströme der Kohle, des Sauerstoffs und des Dampfes werden so geregelt, daß die Vorrichtung Kohlenmonoxid und Wasserstoff in den gewünschten Mengen erzeugt. Das Synthesegas wird dann über das Heißgasfilter einer chemischen Anlage zugeführt, bei der das Synthesegas zur Herstellung der gewünschten Chemikalien verwendet wird. Bei der Erzeugung von Synthesegas würde es ebenfalls zweckmäßig sein, Carbonate zuzuführen, um die Schwefeloxide aus den Abgasen zu entfernen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann auch zur Verarbeitung von Kohle, Schiefer oder Öl benutzt werden. Gemäß Fig. 20 würde die hierbei verwendete Anlage mindestens drei Stufen umfassen. Die erste Stufe der Anlage wird durch die Vorrichtung 10 gebildet. Bei der zweiten Stufe handelt es sich um einen Nachbrenner, mittels dessen die Verbrennung der von der Vorrichtu-ng 10 abgegebenen Reaktionsprodukte zu Ende geführt wird. Man könnte der zweiten Stufe vorgewärmte Luft oder Sauerstoff zuführen, um die Temperatur der von der zweiten Stufe abgegebenen Abgase auf einen möglichst hohen Wert zu bringen. Bei der dritten Stufe könnte es sich

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um eine Reaktionskammer handeln, welcher der Schiefer, die Kohle oder das Öl zugeführt wird. Die heißen Abgase der Vorrichtung 10 werden in Berührung mit dem der dritten Stufe zugeführten Schiefer bzw. der Kohle bzw. dem Öl gebracht. Bei der Verwendung von Kohle würde man Wasser entfernen, um die Kohle zu entwässern, Kohlenwasserstoffe würden zur Verdampfung gebracht, und die Rückstände würden sich leichter transportieren lassen. Bei der Verarbeitung von Schiefer könnte man eine Zersetzung des in dem Schiefer enthaltenen kohlenstoffhaltigen Materials herbeiführen, so daß ein Öl entsteht, das dann in der dritten Stufe verdampft und abgeführt wird. Führt man der dritten Stufe Öl zu, wird das öl einer Schnellkrackung unterzogen, so daß leichtere Kohlenwasserstoffe entstehen.

Wie erwähnt, könnte man die der Verbrennungsvorrichtung 10 zugeführte pulverisierte Kohle mit Carbonaten mischen, um die Menge der entstehenden Schwefeloxide zu verringern. Die Schlacke würde abgeführt und beseitigt. Die Abgase der dritten Stufe könnten durch Abschrecken abgekühlt werden, und alle flüchtigen Stoffe, welche die dritte Stufe zusammen mit diesen Abgasen verlassen, könnten gewonnen und einer chemischen Verarbeitung zugeführt werden.

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Claims (28)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ^riJ Verfahren zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, bei dam ein Strcm kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und ein Strom eines Oxidationsgases in eine Verbrennungszone eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ströme so gerichtet werden, daß in der Verbrennungszone ein rad- oder wirbeiförmiges Strömungsfeld entsteht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsgas in einer im wesentlichen tangentialen Richtung in die Verbrennungszone eingeleitet wird, und daß der Brennstoff der Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, die erheblich niedriger ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein erster Strom des Oxidationsgases in die Verbrennungszone im wesentlichen in Richtung ihrer Längsachse eingeleitet wird, und daß ein zweiter Strom des Oxidationsgases der Verbrennungszone tangential zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner die relativen Mengenströme des ersten und des zweiten Oxidationsgasstroms nach Bedarf so variiert werden, daß eine Regelung der aeroballistischen Bedingungen in dem radförmigen StrÖmungsfeld erzielt wird.

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5. 5. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ferner die relativen Geschwindigkeiten der Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und des Oxidationsgases geregelt werden, um eine Regelung der Verbrennungstemperatur und damit auch eine Regelung der Verdampfung der entstehenden Schlacke zu erzielen, daß die während der Verbrennung entstehende Schlacke auf der inneren Umfangsfläche der Verbrennungszone niedergeschlagen wird, um eine die Verbrennungszone umschließende Schicht aus erstarrter Schlacke zu erzeugen, daß es der Schlacke ermöglicht wird, ein Phasengleichgewicht zwischen ihrer erstarrten Phase und ihrer flüssigen Phase zu erreichen, daß aus der Verbrennungszone auf einer hohen Temperatur befindliche gasförmige Verbrennungsprodukte abgeführt werden, und daß flüssige Schlacke aus der Verbrennungszone abgeleitet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner der kohlenstoffhaltige Brennstoff in die Verbrennungszone in Form eines divergierenden und allgemein kegelförmigen Verteilungsstrahls und mit einer Winkelgeschwindigkeit, die niedriger ist als diejenige des Oxidationsgasstroms, eingeleitet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester kohlenstoffhaltiger Brennstoff pulverisiert wird, daß dafür gesorgt wird, daß der pulverisierte Brennstoff von einem Strom eines Trägerfluides mitgeführt wird, und daß der so erzeugte Strom in die Verbrennungszone mit einer Winkelgeschwindigkeit eingeleitet wird, die erheblich niedriger ist als diejenige des zugeführten Oxidationsmittels .
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenströme des Brennstoffs und des Oxidationsgases so geregelt werden, daß ein brennstoffreiches Gemisch

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   entsteht, welches im Bereich vom 0,2- bis 0,6-fachen der Gasmenge liegt, die stöchiometrisch für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist.
9. 9. Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs, dadurch gekennzeichnet , daß dafür gesorgt wird, daß ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff von einem Strom eines Trägerfluides mitgeführt wird, um einen Strom zu erzeugen, bei dem das Massenverhältnis zwischen dem Brennstoff und dem Trägerfluid im Bereich von 1:1 bis 100:1 liegt, daß der genannte Strom in eine Reaktionskammer aus Metall eingeleitet wird, daß der Reaktionskammer ein Strom eines Oxidationsgases zugeführt wird, um in der Reaktionskammer eine radförrnige Strömung der beschriebenen Art zu erzeugen, daß die Verbrennung eingeleitet wird, daß die relativen Zuführungsgeschwindigkeiten des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und des Oxidationsgases so geregelt werden, daß ein brennstoffreiches Verbrennungsgemisch entsteht, um hierdurch die Reaktionstemperaturen und die Verdampfung der entstehenden Schlacke zu begrenzen, daß während der Verbrennung entstehende Schlacke auf einer Innenfläche der Reaktionskammer niedergeschlagen wird, daß es der Schlacke ermöglicht wird, ein Gleichgewicht zwischen ihrer festen Phase und ihrer flüssigen Phase zu erreichen, daß flüssige Schlacke aus der Reaktionskammer abgeführt wird, und daß aus der Reaktionskammer auf einer hohen Temperatur befindliche gasförmige Verbrennungsprodukte abgeleitet werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionskammer bestimmte chemische Reaktionsmittel zugeführt werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Reaktionsmittel aus der Gruppe gewählt

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    wird, zu der Erze von Kupfer, Eisen, Zink, Blei und Silber gehören.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbrennungszone ein Erzkonzentrat eingeleitet wird, das mindestens eine Verbindung eines Metalls enthält, daß das Massenverhältnis zwischen dem zugeführten Brennstoff und dem zugeführten Oxidationsgas so geregelt wird, daß die stöchiometrischen Verhältnisse in der Verbrennungszone im Bereich von 0,4 - 1,0 gehalten werden, daß Teilchen des Erzkonzentrats reduziert werden, während sich die Teilchen in dem radförmigen Strömungsfeld im Fluge befinden, und daß die reduzierten Teilchen in der Verbrennungszone niedergeschlagen werden, um diese Teilchen von den gasförmigen Verbrennungsprodukten zu trennen.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Erzkonzentrat eine Verbindung von Kupfer, Eisen, Blei, Silber oder Zink verwendet wird.

    Verbrennen von Kohle und
14. 14. Verfahren zum!Behandeln von Erzkonzentraten, dadurch

    gekennzeichnet , daß mit einem Trägerfluid gemischte zerkleinerte Kohle einer ersten Verbrennungskammer zugeführt wird, daß in die erste Verbrennungskammer ein Oxidationsgas so eingeleitet wird, daß es sich mit der zerkleinerten Kohle mischt, und daß das Gemisch in der Verbrennungskammer eine radförmige Strömung der beschriebenen Art bildet, daß auf den Wänden der Verbrennungskammer im wesentlichen sämtliche nicht gasförmigen Verbrennungsprodukte unter der Wirkung von Fliehkräften niedergeschlagen werden, daß die gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der ersten Verbrennungskammer abgeführt und in eine zweite Verbrennungskammer eingeleitet werden, daß einer der genannten Kammern ein zerkleinertes Metallerzkonzentrat zugeführt wird, daß das Verhältnis zwischen den Masseströmen

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    des zugeführten Brennstoffs und des zugeführten Oxidationsmittels so geregelt wird, daß in der genannten einen Kammer eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird, daß Teilchen des Erzkonzentrats reduziert werden, während sich diese Teilchen in der genannten einen Kammer im Fluge befinden, und daß ein metallisches Erzeugnis gewonnen wird.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzkonzentrat hauptsächlich aus Verbindungen von Kupfer, Eisen, Blei, Silber oder Zink besteht«
16. 16. Verfahren, dadurch gekennzeichnet , daß einer Reaktionskammer ein Oxidationsgas und ein teilchenförmiger kohlenstoffhaltiger Brennstoff unter Erzeugung einer Wirbelbewegung zugeführt werden, so daß die Flugzeit der Brennstoffteilchen ausreicht, um zu ermöglichen, daß im wesentlichen alle Teilchen einer vollständigen Reaktion unterzogen werden, bevor sie auf die Innenwand der Reaktionskammer auftreffen.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugzeit der Brennstoffteziehen dadurch geregelt wird, daß das Oxidationsgas in Form zweier getrennter Ströme zugeführt wird.
18. 18. Vorrichtung zum Verbrennen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, gekennzeichnet durch eine Kammer (21) mit Wänden zum Abgrenzen einer Reaktionszone (22), einen Brennstoffeinleß (29), einen Oxidationsgaseinlaß (67), einen gegenüber den Einlassen in der Strömungsrichtung versetzten Auslaß (37), über den gasförmige Verbrennungsprodukte aus der Kammer entweichen, sowie Einrichtungen zum Zuführen von Brennstoff und Oxidationsgas über die Einlasse und zum Erzeugen einer Wirbelbewegung des Gemisches aus dem Brennstoff und dem Oxidations-

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    1842032

    be gas zum Zweck der Erzeugung von Fliehkräften, die7wirken, daß sich der Brennstoff in Richtung auf die Wände der Kammer bewegt, wobei die Zufuhr des Gemisches aus dem Brennstoff und dem Oxidationsgas sowie die Erzeugung der Wirbelbewegung so geregelt werden, daß im wesentlichen der gesamte Brennstoff einer Reaktion unterzogen wird, bevor der Brennstoff zu den Wänden der Kammer gelangt oder die Reaktionszone über den Auslaß verläßt.
19. 19. Vorrichtung zum Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, gekennze ichnet durch eine Verbrennungskammer (21), eine Einrichtung (29) zum Einleiten von Brennstoff in die Kammer sowie eine Einrichtung (23) zum Einleiten eines Oxidationsgases in die Kammer in einer zu der flammer im wesentlichen tangentialen Richtung und derart, daß in der Verbrennungskammer ein radförmiges Strömungsfeld der beschriebenen Art erzeugt wird.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß zu den Einrichtungen zum Zuführen des Oxidationsgases eine Einrichtung (23) gehört, die dazu dient, einen ersten Teil des Oxidationsgases in die Verbrennungskammer (22) im wesentlichen parallel zu ihrer Längsachse einzuleiten, sowie eine Einrichtung (24), die dazu dient, einen zweiten Teil des Oxidationsgases in die Verbrennungszone tangential zu der Verbrennungskammer (21) einzuführen.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Hinrichtung, die es nach Bedarf ermöglicht, die Zufuhr des Oxidationsmittels zu regeln, um die relativen Mengenströme des ersten und des zweiten Teils des Oxidationsgases zu variieren, sowie durch eine Einrichtung (25), mittels deren sich der Mengenstrom des Brennstoffs nach Bedarf variieren läßt.

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22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine zweite Verbrennungskammer (85) zum Abgrenzen einer der ersten Verbrennungskammer in der Strömungsrichtung nachgeschalteten zweiten Reaktionszone (88), welche dazu dient, von der ersten Verbrennungskammer aus zugeführte, auf einer hohen Temperatur befindliche gasförmige Verbrennungsprodukte einer weiteren Reaktion zu unterziehen, wobei zu der zweiten Kammer eine zweite Einrichtung (96) zum Zuführen eines Oxidationsmittels gehört, die unabhängig von der zuerst genannten Einrichtung zum Zuführen eines Oxidationsmittels regelbar ist.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (90) zum Einleiten chemischer Reaktionsmittel in den Strom gasförmiger Verbrennungsprodukte, wobei diese Einrichtung unabhängig von den Einrichtungen zum Zuführen von Reaktionsgas regelbar ist.
24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (25) zum Zuführen von Brennstoff so ausgebildet ist, daß sie es ermöglicht, einen Strom eines festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in Form feiner Teilchen, der von einem strömungsfähigen Medium mitgeführt wird, zu verteilen, wobei das Massenverhältnis zwischen dem festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff und dem strömungsfähigen Medium bei dem Strom im Bereich zwischen 1:1 und 100:1 liegt.
25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die geeignet ist, der Einrichtung (25) zum Zuführen von Brennstoff einen Strom zerkleinerter Kohle zuzuführen, welche von einem strömungsfähigen Medium mitgeführt wird, wobei das Massenverhältnis zwischen der Kohle und dem strömungsfähigen Medium bei dem Strom im Bereich von 1:1 bis 100:1 liegt.

    §OÖ8U/O§§4

    -S-

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26. 26. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Schlacke-Umlenkeinrichtung (35) mit einer gleichachsig mit der Verbrennungskammer (21) angeordneten zentralen Öffnung (37) nahe dem Austrittsende der Verbrennungskammer, wobei sich die Umlenkeinrichtung allgemein im rechten Winkel zur Längsachse der Verbrennungskammer bis zur Innenfläche ihrer Wand erstreckt.
27. 27. Verbrennungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Verbrennungskammer (21) zum Abgrenzen einer Verbrennungszone (22) mit einer aus Metall bestehenden Innenfläche, eine Einrichtung, die es ermöglicht, einen kohlenstoffhaltigen Brennstoff von einem Strom eines Trägerfluides mitreißen zu lassen, so daß der kohlenstoffhaltige Brennstoff und das Trägerfluid einen gemeinsamen Strom bilden, eine Einrichtung (25) zum Einleiten des gemeinsamen Stroms in die Verbrennungskammer, Einrichtungen zum Zuführen eines Oxidationsgases, die geeignet sind, nach Bedarf die Verbrennungsreaktionsgeschwindigkeiten und die Verbrennungstemperaturen in der Verbrennungszone dadurch zu regeln, daß der der Verbrennungszone zugeführte Mengenstrom des Oxidationsgases im Verhältnis zum Mengenstrom des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs geregelt wird, wobei zu der Einrichtung zum Zuführen des Oxidationsgases Einrichtungen (23, 24) gehören, die geeignet sind, einen ersten Teil des Oxidationsgases in die Verbrennungszone in Richtung ihrer Längsachse einzuleiten und einen zweiten Teil des Oxidationsgases der Verbrennungszone tangential zu dem ersten Teil zuzuführen, eine der Einrichtung zum Zuführen des Oxidationsgases zugeordnete Einrichtung zum Regeln der relativen Mengenströme des ersten und des zweiten Teils des Oxidationsgases, eine Einrichtung zum Entfernen vorbestimmter Mengen von Schlacke aus der Verbrennungskammer, wobei zu dieser Einrichtung eine der Einrichtung zum Zuführen des Oxidationsgases und der Einrichtung zum Zuführen des

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    Brennstoffs zugeordnete Einrichtung gehört, die geeignet ist, die relativen Mengenströme des Brennstoffs und des Oxidationsgases zu regeln, um hierdurch die Geschwindigkeit der Verbrennungsreaktion und die Verdampfung der Schlacke zu regeln, eine der aus Metall bestehenden Innenfläche der Verbrennungskammer zugeordnete Einrichtung (243) zum Erzeugen einer Schutzschicht aus Schlacke zur thermischen Isolierung der aus Metall bestehenden Innenfläche sowie eine dem Austrittsende der Verbrennungskammer zugeordnete Schlacke-Umlenkeinrichtung (35), die geeignet ist, das Entweichen geschmolzener Schlacke aus dem Austrittsende der Verbrennungszone zu verhindern.
28. 28. Vorrichtung zum Verbrennen von Kohle, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen zylindrische Verbrennungskammer (21) aus Metall zum Abgrenzen einer Verbrennungszone (22) mit einer Längsachse (Z), ein gleichachsig mit der Verbrennungskammer an einem Ende derselben angeordnetes Ventil (25), z.B. ein Tellerventil, das sich im wesentlichen parallel zu der Längsachse erstreckt und geeignet ist, in die Verbrennungszone einen in radialer Richtung verteilten Strom pulverisierter Kohle einzuleiten, Einrichtungen (23, 24) zum Zuführen eines ersten und eines zweiten Stroms eines Oxidationsgases in die Verbrennungszone derart, daß der eine Teil in der Längsrichtung und der andere Teil tangential dazu zugeführt wird, um in der Verbrennungszone einen rotierenden Strom zu erzeugen, bei dem es sich um ein Gemisch handelt, das Oxidationsgas, Kohleteilchen, Schlacketröpfchen und gasförmige Verbrennungsprodukte enthält, der Einrichtung zum Zuführen des Oxidationsgases zugeordnete Einrichtungen zum Regeln der Mengenströme des ersten und des zweiten Teils des zugeführten Oxidationsmittels derart, daß die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Raktionstemperaturen in der Verbrennungszone geregelt werden, eine im wesentlichen ringförmige Schlacke-

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    Umlenkeinrichtung (35) mit einer zentralen Öffnung (37), die am entgegengesetzten Ende der Kammer angeordnet ist und dazu dient, die Winkelgeschwindigkeit von gasförmigen Verbrennungsprodukten zu erhöhen und hierdurch zu bewirken, daß Schlacketröpfchen und feste Teilchen durch Fliehkräfte von den gasförmigen Verbrennungsprodukten getrennt werden, sowie eine mit dem genannten Ventil verbundene Einrichtung, die es ermöglicht, pulverisierte Kohle von einem Strom eines Trägerfluides mitreißen zu lassen und den Strom in Form eines Gemisches aus Kohle und dem Trägerfluid dem Ventil zuzuführen, wobei zu dieser Einrichtung ein unter Druck stehender Behälter (145) gehört, der eine erhebliche Menge an pulverisierter Kohle enthält und ein Austrittsende aufweist, ferner eine Fluidisiereinrichtung (149)» der Kohle von dem Behälter aus zugeführt wird, und die eine Kammer (174) in Form eines mit seiner Spitze nach unten weisenden Kegels aufweist, Einrichtungen (176, 179) zum Zuführen eines Trägergases zu der Kammer über mehrere in Winkelabständeη verteilte Öffnungen derart, daß die pulverisierte Kohle in der Kammer fluidisiert und in eine turbulente Bewegung versetzt wird, einen von der Kammer aus zur Außenseite der Fluidisiereinrichtung führenden Kanal (172) zum Abgeben von fluidisierter Kohle, eine an die Fluidisiereinrichtung angeschlossene Abgabeeinrichtung (156) zum Aufnehmen eines Stroms aus pulverisierter Kohle aus der Fluidisiereinrichtung, wobei zu der Abgabeeinrichtung eine Trägergasdüse (187) gehört, wobei ferner ein Abgaberohr (158) vorhanden ist, das im wesentlichen gleichachsig mit der Düse angeordnet ist und sich unter einem erheblichen Winkel zu der Richtung erstreckt, in welcher der Kohlestrom der Abgäbeeinrichtung zugeführt wird, sowie Einrichtungen (159, 160), die geeignet sind, einen sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Trägergasstrom in die Abgabeeinrichtung über die Düse einzuleiten, um die Teilchen der pulverisierten Kohle zu beschleunigen und sie mit dem Trägergas zu mischen, so daß über das Abgaberohr ein

    §09814/0964

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    Strom in Form eines Gemisches aus Brennstoff und Trägergas abgegeben wird.

    §09814/0864