DE3012688A1

DE3012688A1 - Tauchverdampfer

Info

Publication number: DE3012688A1
Application number: DE19803012688
Authority: DE
Inventors: Timo Tapio Dipl Ing Koivunen; Launo Leo Lilja; Valto Johannes Maekitalo
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1980-04-01
Publication date: 1980-10-09
Also published as: US4278494A; BE882438A; DE3012688C2; FI58440B; FI58440C; GB2049155B; IT1143125B; CA1124638A; FR2452946B1; GB2049155A; FR2452946A1; IT8048301A0

Description

DIPL.-ING. HAJVS W. GROENING

PATENTANWALT

0 3-60

OUTOKUMPU OY
Outokumpu, Finnland

Tauchverdampfer

Die Erfindung betrifft einen Tauchverdampfer, an dessen Verdampfungsbehälter ein Rohr zum Einspeisen der zu behandelnden Lösung, ein Saugrohr zum Abführen der eingeengten Lösung und eventuell vorhandener Kristalle, ein
Rohr zum Abführen der Verbrennungsgase und Dämpfe und
ein sich im wesentlichen vertikal ins Innere des Verdampfungsbehälters erstreckendes Tauchrohr zum Einleiten heißer
Verbrennungsgase unter die Oberfläche der im Verdampfungsbehälter befindlichen Lösung angeschlossen sind. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Tauchverdampfer,
dessen Tauchrohr an seinem oberen Ende über ein Winkelstück an die Brennkammer-Abzugsöffnung angeschlossen ist, so daß Brennkammer und Tauchrohr miteinander einen Winkel von vorzugsweise 90° bilden, wobei am entgegengesetzten Ende der Brennkammer ein Brenner für flüssigen oder gas-

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SIEDEBISTIt.* · 8000 MÜNCHEN 86 · POB 860 340 · KABEL·: ΗΗΕΙΛ'ΡΑΤΕΝΤ TEL. 1080) 471078 · TELEX 3-22839

förmigen Brennstoff angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Tauchverdampfer eignet sich besonders zum Verdampfen und Kristallisieren von Metallsulfatlösungen und dergleichen.

Unter dem Begriff Tauchverdampfer ist hier eine Vorrichtung zu verstehen, in der heiße Verbrennungsgase unter die Oberfläche des zu verdampfenden Stoffes geführt werden.

Bei der direkten Tauchverdampfung läßt man die aus dem Tauchrohr austretenden Verbrennungsgase durch die Flüssigkeit perlen. Auf diese Weise läßt sich ein hochwirksamer Stoff- und Wärmeübergang von den Verbrennungsgasen in die zu behandelnde Flüssigkeit erzielen. Da sich Wärmetauscher erübrigen, bietet auch die Werkstoffrage keine Schwierigkeiten. Aus diesem Grunde arbeitet man mit Direkttauchverdampfern vor allem bei solchen metallurgischen und chemischen Prozessen, deren ätzendes Medium zu Werkstoffproblemen führt, wie beim Aufheizen und Verdampfen stark saurer Lösungen.

Das Tauchrohr wird bei Tauchverdampfern gewöhnlich vertikal geführt, da dann eine möglichst geringe Werkstoffmenge in direkten Kontakt mit der zu behandelnden Flüssigkeit kommt.

Man kennt bereits zahlreiche verschiedene Tauchverdampfer, bei denen im allgemeinen versucht wurde, zur Verringerung der Investitionskosten möglichst kompakte Vorrichtungen zu schaffen. Ihre Verkleinerung führt allerdings auch zur Verminderung des Raumes vor dem Ausgang der Verbrennungsgase, wobei dann schon geringfügige Schwankungen der Brennstoff- oder Sauerstoffzufuhr im Tauchrohr große Druckschwankungen verursachen. Aus diesem Grunde ist man in gewissen Fällen zu ziemlich komplizierten Tauchrohrkonstruk-

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tionen mit allen daraus resultierenden Schwierigkeiten gelangt.

Die größere Kompaktheit der Vorrichtung ist auch insofern von Nachteil, als die auf die Flächeneinheit bezogene, aus dem Verbrennungsvorgang resultierende Wärmebelastung zunimmt und der Werkstoff starken Beanspruchungen ausgesetzt wird.

Im allgemeinen wird die Brennkammer direkt oberhalb des Tauchrohres als dessen Fortsetzung angeordnet und an den Behälterkonstruktionen abgestützt. Diese Konzeption hat Nachteile. Bei hohen Kapazitäten muß man entweder die Brennkammer unter Inkaufnahme aller sich daraus ergebenden Belastungsprobleme verkleinern oder den Verdampfungsbehälter unnötig vergrößern, um die Brennkammer oberhalb davon unterbringen zu können. Auch beanspruchen die in der Brennkammer und im Tauchrohr auftretenden Vibrationen und eventuelle Flüssigkeitsspritzer (vgl. US-PS 3 276 443) das Feuerraumfutter, so daß besonders ein waagrechtes Brennkammergewölbe leicht beschädigt wird und einstürzen kann. Zur Wartung des Tauchrohres muß auch die gesamte Brennkammer ausgebaut werden.

Aus der Veröffentlichung "Gas Värme International", Bd. 19, Nr. 6 (Juni 1970), Seite 229, ist ein Tauchverdampfer bekannt, bei dem sich die Brennkammer in waagerechter Stellung befindet und über ein rechtwinkliges Verbindungsstück mit dem vertikalen Tauchrohr verbunden ist. Bei dieser Konstruktion ist die Brennkammergröße unabhängig von der Größe des Verdampfungsbehälters, und auch die im Tauchrohr auftretenden Flüssigkeitsspritzer können das Brennkammerfutter nicht beeinträchtigen.

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Beim erfindungsgemäßen Tauchverdampfer ist die Brennkammer mit einem Brenner für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff ausgerüstet, wobei dieser Brenner eine zylindrische Wirbelkammer für das sauerstoffhaltige Gas aufweist, an deren einem Ende sich ein im wesentlichen tangentialer Gas-Zuführungskanal und ein sich koaxial in die Wirbelkammer erstreckendes Brennstoff-Sprührohr befinden. Das entgegengesetzte Ende der Wirbelkammer verjüngt sich zur Steigerung der Winkelgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Gases vor seinem Vermischen mit dem aus dem Sprührohr austretenden Brennstoff.

Beim erfindungsgemäßen Tauchverdampfer kommt ein Brenner zum Einsatz, mit dem sich Brennstoff und sauerstoffhaltiges Gas entweder im Brenner oder in der Brennkammer intensiv miteinander vermischen lassen. Bezweckt wird die Schaffung eines Tauchverdampfers, bei dem sich vor dem Brenner ein Strömungsfeld bildet, in dem sich Brennstoff und sauerstoffhaltiges Gas rasch und in gleichmäßigem Geschwindigkeitsbereich miteinander vermischen, so daß die Verbrennung bis zu einem bestimmten Geschwindigkeitsfeld des Strahles vordringt und sich in diesem Geschwindigkeitsfeld stabilisiert. Das Geschwindigkeitsfeld läßt sich auch, wie in der DE-OS 24 34 459 dargelegt, in der Form passend einstellen, daß man in den Strahl einen festen Gegenstand einfügt, hinter dem sich ein geeigneter langsamer Strömungsbereich bildet, in den sich die Flamme stabilisiert.

Die US-PS 3 185 448 beschreibt einen Brenner, bei dem man den Brennstoff in einen aus Verbrennungsluft gebildeten toroidförmigen Wirbel spritzt, den man entweder durch Einleiten der Verbrennungsluft in die Brennkammer an deren entgegengesetztem Ende oder mit Hilfe sich bis in die Brennkammer erstreckender Leitelemente erzeugt.

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Bereits bekannt ist aucheine Brennkammer, bei der man die Verbrennungsluft um die Achse seiner Strömungsrichtung in Rotation versetzt, wobei die Fliehkraft den Strahl verbreitert, so daß dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit verhältnismäßig schnell sinkt und so ein passender Geschwindigkeitsbereich für den Verbrennungsvorgang geschaffen wird. In einem solchen Strahl treten in reichlichem Maße mischende Wirbel auf.

Beim Brenner gemäß der DE-OS 21 33 126 ist die Verbrennungsluft-Austrittsöffnung zur Brennkammer hin als erweiterter Kegel mit rundkantiger Drosselstellc ausgebildet. Damit soll der Gasstrahl so gelenkt werden, daß er sich verhältnismäßig weich ausbreitet und in der kegelförmigen Erweiterung der Austrittsöffnung ein Zündfeld bildet. Die Brenner erfordern in der Regel Sicherheits- und Hilfseinrichtungen, wie Flammenwächter und Zündvorrichtungen. Das Anordnen dieser Hilfseinrichtungen gestaltet sich oft sehr schwierig. Oft müssen die Hilfseinrichtungen an einer Stelle eingebaut werden, wo sie infolge Hitzeeinwirkung nur eine kurze Lebensdauer haben.

Bei vielen bereits bekannten Brennern arbeitet man außerdem mit Flammenleitelementen, die sich in den Brennraum erstrecken und dort der Flamme ausgesetzt sind, oder mit Konstruktionen, die eine große öffnung haben, über die Strahlung aus der Brennkammer und der Flamme ins Innere des Brenners gelangt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Tauchverdampfer vorzuschlagen, der mit einem Brenner des vorgenannten Typs ausgerüstet ist, mit dem sich unter Verwendung einer sehr kleinen, einen gleichmäßigen, hochturbulenten Strahl liefernden Aus-

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trittsöffnung ein hochwirksames Mischungsfeld erzeugen läßt.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Tauchverdampfer so zu gestalten, daß die gewünschten Wirbel im sauerstoffhaltigen Gas, z.B. in der Verbrennungsluft, durch eine tangentiale Zuführung dieses Gases in die Wirbelkammer gebildet werden. Auf diese Weise sollen die Nachteile vermieden werden, die beim Einsatz von Leitelementen oder anderen Hilfseinrichtungen zur Wirbelbildung auftreten; bei bekannten Brennern dieser Art wurden nämlich die optische überwachung und eine wirksame Regelung des Brenners verhindert.

Insbesondere soll mit der vorliegenden Erfindung ein Tauchverdampfer geschaffen werden, der das sich als schwierig erwiesene Verfeuern von schwerem Heizöl erlaubt. Die an den Brenner zu stellenden Anforderungen wachsen nämlich in dem Maße, wie die Verdampfbarkeit des Brennstoffes abnimmt, das heißt etwa mit dem Flammpunkt des betreffenden Brennstoffes. Zur Erzielung einer ausreichenden Verdampfung muß der Brennstoff in der Regel in sehr kleine, weniger als 100 Mikrometer große Tröpfchen zerstäubt werden. Hierzu war es erforderlich, das Heizöl auf wenigstens 370⁰K vorzuwärmen.

Beim erfindungsgemäßen Tauchverdampfer ist ein zum Brenner führender tangentialer Gas-Zuführungskanal an einen den Brenner und die Brennkammer zumindest teilweise umschließenden Mantel angeschlossen. An dessen einem Ende, das dem Brenner gegenüberliegt, ist ein Zuführungskanal für Verbrennungsluft zu deren Vorwärmung vor dem Einleiten in den Brenner angeschlossen. Das sich verjüngende Ende der Wirbelkammer setzt sich koaxial zu dieser als zylinder-

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förmiger Ausgleichskanal bis in die Brennkammer fort. Das Brennstoff-Sprührohr hat dabei mindestens eine solche Länge, daß es sich bis auf den durch die Formel

^D " sin 2 α ^{2D 2 tai}~

definierten Abstand vom Ausgleichskanal-Innenende erstreckt, wobei in dieser Formel H den Abstand zwischen dem vorderen Ausgleichskanal-Ende und dem Sprührohr, OC den Verjüngungswinkel des Wirbelkammerendes, d den Außendurchmesser des Sprtihrohres und D die lichte Weite des Ausgleichskanals bedeutet.

Bei dem erfindungsgemäßen Tauchverdampfer, dessen vertikales Tauchrohr an seinem oberen Ende über ein Winkelstück mit einer waagrechten Brennkammer verbunden ist, die an ihrem dem Winkelstück gegenüberliegenden Ende einen Brenner aufweist, ist zwischen Tauchrohr und Winkelstück vorzugsweise ein elastisches Bauglied eingeschaltet, wobei dann nur das Tauchrohr direkt am Verdampfungsbehälter befestigt ist. Auf diese Weise wird die Brennkammer nicht durch die aus der Funktion des Tauchrohres resultierenden Vibrationserscheinungen beansprucht und kann in einer vom Verdampfungsbehälter unabhängigen Weise abgestützt werden.

Der Zuführungskanal für das vorzuwärmende Gas wird ausserdem im Hinblick auf eine bessere Wärmeübertragung vorzugsweise tangential an den die Brennkammer umgebenden Mantel angeschlossen.

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Das Sprührohr des beim erfindungsgemäßen Tauchverdampfer eingesetzten Brenners kann sich durch den Ausgleichskanal hindurch bis in den Brennraum erstrecken, endet aber vorzugsweise in einem der halben lichten Weite des Ausgleichskanals entsprechenden Abstand vom äußeren Ausgleichskanalende. Es lohnt nicht, das Sprührohr tiefer in den Brennraum hineinzuführen, da dann die austretenden Tröpfchen nicht mehr auf den aus dem Ausgleichskanal austretenden Gasstrom treffen. Andererseits muß sich das Sprührohr wenigstens bis auf den durch obige Formel definierten Abstand H vom inneren Ausgleichskanalende erstrecken. Ist das Sprührohr kürzer, treffen die aus ihm austretenden Öltröpfchen an einer Stelle auf den Gasstrom, wo dieser die Tröpfchen noch nicht mitzureißen vermag, so daß diese rotierend in der Wirbelkammer verbleiben und deren Wandungen nach und nach verschleißen.

Wie von E. Giffen und A. Muraszew in "The Atomisation of Liquid Fuels", Chapman & Hall Ltd., (1953), dargelegt ist, verdichtet sich ein strömendes Medium bei Steigerung seiner Winkelgeschwindigkeit infolge der Fliehkraftwirkung zu einer dünnen Schicht an der Strömungskanalwandung. Beim Brenner gemäß vorliegender Erfindung wird diese dünne Strömungsschicht in einen besonderen Ausgleichskanal geleitet, der von einem zylindrischen, zur Wirbelkammer koaxialen und parallelen Kanal gebildet wird.

Das Ausgleichselement dient mehreren Zwecken. Zunächst gleicht es, Untersuchungen zufolge, in der Gasmasse eventuell auftretende Stöße sowie die aus dem Vorhandensein nur einer Zufuhröffnung an der Wirbelkammer bedingte ungleichmäßige Verteilung des Gases auf den Umfang der Austrittsöffnung aus und lenkt die rotierende Gasmasse parallel zur Wirbelkammerachse. Zu diesem Zweck beträgt

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die Länge des Ausgleichskanals vorzugsweise das 0,5- bis 4-fache seiner lichten Weite D. Aus Reibungsgründen hat der Ausgleichskanal eine bestimmte Optimallänge/ die nach durchgeführten Untersuchungen ungefähr in der Größenordnung des Durchmessers D des Ausgleichselementes liegt. Der Außendurchmesser des Brennstoff-Sprührohres beträgt vorzugsweise höchstens das 0,75-fache der lichten Weite D des Ausgleichskanals, wobei zwischen Ausgleichskanal-Innenwand und Sprührohr ein im Querschnitt ringförmiger Strömungskanal mit außerordentlich hoher Strömungsgeschwindigkeit entsteht. Der Ausgleichskanal ist vorzugsweise für eine Geschwindigkeit von 20 - 60 m/s ausgelegt.

Der erfindungsgemäße Tauchverdampfer läßt sich vorteilhaft ' zum Einengen von Metallsulfatlösungen und dergleichen einsetzen.

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben werden, in der

Fig. 1 das Fließbild einer mit dem erfindungsgemäßen Tauchverdampfer ausgerüsteten Verdampfungskristallisier-Anlage,

Fig. 2a die für den erfindungsgemäßen Tauchverdampfer zu verwendende Brennkammer einschließlich Brenner im Längsschnitt,

Fig. 2b den Brenner einschließlich Brennkammer aus Fig. 2a im Querschnitt, und

Fig. 3 den gleichen Brenner im Längsschnitt zeigen.

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Gemäß Fig. 1 wird vom Aufgabebehälter 1 die einzudampfende Lösung in den eigentlichen Verdampfungskristallisator 2 geleitet, dessen Deckel von dem im wesentlichen vertikalen Tauchrohr 26 durchbrochen wird.

Das Tauchrohr 26 ist an seinem oberen Ende über das Winkelstück 27 mit der im wesentlichen waagrechten Brennkammer verbunden, an deren anderem Ende sich der Brenner 29 befindet. Die aus der Brennkammer 3 abgehenden heißen Verbrennungsgase werden über das Tauchrohr 26 unter die Oberfläche der im Verdampfungskristallisator 2 befindlichen zu behandelnden Flüssigkeit geleitet, so daß sie durch die zu behandelnde Lösung hindurchperlen.

Der Deckel des Verdampfungskristallisators 2 wird außerdem von dem Saugrohr 4 durchbrochen, über welches die gebildeten Kristalle zusammen mit eingeengter Lösung aus dem Behälter 2 abgeführt und dem Eindicker 5 zugeführt werden, wo eine Trennung der Kristalle von der Lösung erfolgt. Das Filter 6 zum Filtrieren der Kristalle liegt vor dem angelegten Vakuum und dem Filtratbehälter 7. An den Deckel des Verdampfungskristallisators 2 ist das Rohr 25 zum Ableiten der Verbrennungsgase und des Dampfes (Brüden) und Weiterleiten zum direkt-wirkenden Verbrennungsgaskühler 8 und von dort zum Tröpfchenabscheider 9, wo Schwefelsäurenebel· von den Verbrennungsgasen getrennt wird, angeschiossen. Der Wärmeaustauscher 10 dient der Rückgewinnung der bei dem Prozeß anfäsenden Abwärme.

Die zu behandelnde Lösung wird aus dem Aufgabebehälter 1 über die Rohrleitung 24 in den Verdampfungskristallisator 2 geleitet, wo sie mit heißen Verbrennungsgasen aufgeheizt wird. Letztere erhält man durch Verbrennen von Öl bzw. Heizgas mit dem Brenner 29 in der Brennkammer 3. Aus der

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Brennkammer werden die heißen Verbrennungsgase über das Tauchrohr 26 unter die Oberfläche der zu behandelnden Flüssigkeit geblasen, perlen im Verdampfungskristallisator 2 durch die Flüssigkeit hindurch und geben ihren Wärmegehalt an die Flüssigkeit ab. Dabei kommt es zur Abkühlung der Verbrennungsgase, so daß sie beim Austritt aus der Flüssigkeit nahezu die gleiche Temperatur wie diese haben.

Beim Auskristallisieren von Metallsulfaten aus schwefelsaurer Lösung betragen die Schwefelsäurekonzentration am Arbeitspunkt gewöhnlich etwa 70 % und die Flüssigkeitstemperatur etwa 140 bis 150⁰C. An diesem Arbeitspunkt ist der Partialdruck der Schwefelsäure noch gering, und gewisse Metallsulfate haben bei dieser Säurekonzentration ein Löslichkeitsminimum. Die Einsatzgrenze gewisser Konstruktionswerkstoffe, wie Eisen und Blei, liegt ebenfalls bei dieser Konzentration. Das aus einem solchen Verdampfungskristallisator 2 abgehende Verbrennungsgas hat Arbeitspunkt-Temperatur und enthält Verbrennungsluft, Wasserdampf und verdampfte Schwefelsäure. Bei unvollständiger Verbrennung enthalten die abgehenden Verbrennungsgase außerdem Feststoffteilchen.

Die abgehenden Verbrennungsgase werden zur Wärmerückgewinnung und Erleichterung der im Tröpfchenabscheider 9 erfolgenden Abtrennung des Säurenebels im Verbrennungsgaskühler 8 gekühlt. Beim Kühler 8 und dem Tropfchenabscheider 9 sind die Anforderungen an die Werkstoffe geringer.

Die Schwefelsäuretröpfchen treten in den Abgasen in Größen von unter 1 Mikron auf und sind deshalb äußerst schwer abzuscheiden. Technisch kann diese Abtrennung entweder mit Elektrofiltern oder mit Faserscheidern erfolgen (vgl. Perry; "Chemical Engineers Handbook, 5. Auf-

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lage, S. 18-82, Fig. 18-33). Mit Elektrofiltern ließe sich eine gute Trennung erzielen, jedoch stehen ihrem Einsatz hohe Kosten im Wege, so daß in der Praxis, wenn strenge Luftreinhaltungsnormen zu erfüllen sind, als einzige Alternative die Paserscheider geblieben sind.

Die Faserfilter eignen sich infolge ihrer guten chemischen Widerstandsfähigkeit und ihrer geringen Leistungsaufnahme ausgezeichnet zum Trennen von Verbrennungsgasen und Schwefelsäurenebel in Tauchverdampfungsanlagen. Ihre einzige Schwäche besteht in ihrer geringen Feststoff-Verträglichkeit.

Beim Verfeuern von Erdgas ist es ziemlich leicht, die durch Feststoffe auftretenden Probleme zu bewältigen. Dagegen haben sich beim Verfeuern insbesondere von schwerem Heizöl große Schwierigkeiten durch Filterverstopfungen ergeben. Das Heizen mit öl ist aber oft infolge mangelnden Erdgasangebots oder aus Kostengründen unumgänglich.

Falls unverbranntes öl oder bei mangelhafter Verbrennung entstandener Ruß oder Asche in die zu verdampfende Lösung gelangt, sind Betriebsstörungen und Qualitätsminderung die Folge, denn die Feinkörnigkeit der Kristalle erfordert beim Abfiltrieren ein sehr engmaschiges Siebtuch, das leicht verstopft wird. Außerdem wird die Reinigung des Siebtuches mit Wasser erschwert. Es ist klar, daß der in das kristallisierte Produkt gelangte Fremdstoff die Qualität beeinträchtigt. Aber auch die Reinheit der anfallenden Säure ist ein wichtiger Faktor, denn diese wird in der Regel erneut verwendet, zum Beispiel als Badsäure für Elektrolysen; in der Säure eventuell enthaltene Feststoffpartikel verseuchen die hochwertigen Kathoden und beeinträchtigen außerdem das Absetzen des Anodenschlämmes.

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Der im Zusammenhang mit dem Tauchverdampfer verwendete Brenner muß mit hoher Luftzahl arbeiten können, da ein Erhöhen der Luftzahl den Siedepunkt der Lösung senkt. Auch der Werkstoff des Tauchrohres 26 wirkt sich oft auf die Luftzahl aus. Andererseits nehmen mit stigender Luftzahl auch die Verbrennungsgaslinien und Gasbehandlungsvorrichtungen an Umfang zu, so daß für die Ermittlung des Optimums die Regelbarkeit des Verbrennungssystems Voraussetzung ist. Gute Regelbarkeit erlaubt auch KapaζitätsSchwankungen, wie sie sich beispielsweise aus Schwankungen der zu verdampfenden Lösungsmenge ergeben.

Wie aus Fig. 1 und 2a hervorgeht, ist die Brennkammer 3 beim erfindungsgemäßen Tauchverdampfer in einem Winkel von etwa 90° zum Tauchrohr 26 angeordnet. Die Brennkammer 3 sowie das Tauchrohr 26 sind über ein Winkelstück 27 verbunden, das, wie Fig. 2a zeigt, ein elastisches Element 19 aufweist.

Beim erfindungsgemäßen Tauchverdampfer kann die Brennkammer 3 unabhängig vom Verdampfungskristallisator 2 abgestützt werden, so daß die aus der Arbeitsweise des Tauchrohres 26 der Verdampfungsvorrichtung resultierende Vibration die Brennkammer 3 in keiner Weise beansprucht. Außerdem bleibt im Oberteil des Verdampfungskristallisators 2 mehr freier Raum für andere Vorrichtungen oder für Wartungsmaßnahmen, und die Brennkammer 3 braucht bei der Wartung nicht verlagert zu werden. Das Tauchrohr 26 kann ohne Verlagerung der Brennkammer gewartet oder ausgewechselt werden; es braucht hierzu lediglich das leichte Winkelstück 27 abgenommen zu werden. Weiter haben das Futter und vor allem das stirnseitige Mauerwerk der Brennkammer 3 eine besser Beständigkeit, da keine hängende Konstruktion vorliegt und deshalb keine Flüssigkeitsspritzer in die Brennkammer 3 eindringen

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können sondern bereits im Oberteil des Winkelstücks 27 gestoppt werden. Beim Zünden eventuell unverbrannt gebliebenen oder bei einem Brennerschaden in die Brennkammer 3 geflossenen Brennstoffs kann das Produkt im Verdampfungskristallisator 2 nicht verschmutzen. Auch kann keine Asche in den Verdampfungskristallisator 2 fallen. Desgleichen stellt die Größe des Verdampfungskristallisators 2 keine Beschränkung der Größe der Brennkammer 3 dar, so daß diese vergrößert werden kann. Der Zündvorgang oder Unregelmäßigkeiten in der Brennstoffzufuhr bewirken dann geringer DruckSchwankungen in der Brennkammer 3, deren Futter erhält eine längere Lebensdauer, die Funktion des Tauchrohres 26 wird ausgeglichener, die geringere Wärmebelastung pro Flächeneinheit erlaubt den Einsatz billigerer Werkstoffe bzw. erhöht die Lebensdauer des Futters und es können Brennstoffe minderer Qualität verfeuert werden.

In Fig. 2a sind die zylinderförmige Brennkammer 3 und der sie umgebende Mantel 30 dargestellt. An dem einen Ende des Mantels 30 mündet ein Zuführungskanal 11 für sauerstoffhaltiges Gas zu dessen Einführung in den Raum zwischen Mantel 30 und Brennkammer 3, wo es vorgewärmt wird. Am anderen Ende des Mantels 30 befindet sich ein Kanal zum Einleiten des vorgewärmten Gases in den Brenner 29. Der Zuführungskanal 12 mündet tangential in die zylindrische Wirbelkammer 13 des Brenners 29. Das. andere Ende der Wirbelkammer verjüngt sich kegelförmig und geht in den zur Wirbelkammer koaxialen, zylindrischen Aüsgleichskanal 14 über, der in die Brennkammer 3 mündet. Am erstgenannten Ende der Wirbelkammer 13 befindet sich eine abnehmbare Stirnplatte 15, an welcher das Sprührohr 16, der Zündbrenner 17 und die Flammenüberwachungseinrichtungen 18 so befestigt sind, daß sich das Sprührohr 16 koaxial durch die Wirbelkammer 13 hindurch bis in den Ausgleichskanal 14 erstreckt.

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Die tangentiale Anordnung des Zuführungskanals 12 an der Wirbelkammer 13 ist konstruktions- und wartungsmäßig die einfachste Lösung und ermöglicht ein ungehindertes Beobachten des Verbrennungsvorganges über die an der vorderen Stirnwand der Wirbelkammer 13 in die abnehmbare Stirnplatte 15 eingebauten Flammenüberwachungseinrichtungen. Als Brennstoff-Sprührohr 16 kommt jeder an sich bekannte Typ in Frage. Geeignete Sprührohre sind in "Large Boiler Furnaces", R. Dolezal, Elsevier Publishing Company (1967), S. 156 bis 159, beschrieben. Die Länge des Sprührohres 16 im Brenner 29 ist vorzugsweise regulierbar, zum Beispiel durch irehr oder weniger tiefes Einführen des Rohres 16 in den Brenner 29. Allerdings muß das Sprührohr 16 so tief in den Brenner 29 hineinreichen, daß sich sein Ende am konisch verjüngten Ende 23 der Wirbelkammer 13 in dem durch obige Formel definierten Abstand H vom vorderen Ende des Ausgleichskanals 14 befindet. Das Sprührohr 16 kann sich jedoch auch tiefer in den Brenner 29 hinein erstrecken, zum Beispiel bis in den Ausgleichskanal 14, wie in Fig. 2a dargestellt, oder bis in den Brennraum, wie in Fig. 3 gezeigt. Im letztgenannten Fall reicht das Sprührohr jedoch höchstens bis zu einem Abstand von der Austrittsöffnung des Ausgleichskanals 14, der der halben lichten Weite D dieses Kanals 14 entspricht.

Der Ausgleichskanal 14 dient dem Zweck, in der Gasmasse eventuell auftretende Stöße sowie die aus dem Vorhandensein nur eines Zufuhrkanals 12 bedingte ungleichmäßige Verteilung des Gases auf den Umfang der Austrittsöffnung auszugleichen und die rotierende Gasmasse parallel zur Achse der Wirbelkammer 13 zu richten, wie in Fig. 3 durch Pfeile dargestellt ist. Die Länge des Ausgleichskanals 14 beträgt hierbei vorzugsweise das 0,5- bis 4fache seiner lichten Weite D.

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Der Gasstrahl 21 ergießt sich aus dem Ausgleichskanal 14 in die Brennkammer 3 oder in den sonstigen Brennraum unter Bildung eines Hohlkegels, dessen Öffnungswinkel u.a. von der Geschwindigkeit des tangentialen Zustromes in die Wirbelkammer 13, von den Abmessungen der Wirbelkammer 13 und des Ausgleichskanals 14 und der Länge des Ausgleichskanals 14 abhängt.

Die lichte Weite der Wirbelkammer 13 beträgt vorzugsweise das 2- bis 6fache der lichten Weite D des Ausgleichskanals 14. Der Scheitelwinkel d>L des sich konisch verjüngenden Endes 23 der Wirbelkammer 13 beträgt vorzugsweise etwa 60 bis 120°. Die Länge der Wirbelkammer 13 beträgt vorzugsweise wenigstens das Doppelte des Durchmessers des Zuführungskanals 12. Der Außendurchmesser d des Brennstoff-Sprührohres 16 liegt vorzugsweise bei höchstens dem 0,75-Fachen der lichten Weite D des Ausgleichskanals 14.

Die lichte Weite des Ausgleichskanals 14 ist somit verhältnismäßig klein, wodurch wirksam verhindert wird, daß Wärmestrahlung von der Flamme und der Wandung der Brennkammer bzw. des Brennraumes in den Brenner 29 gelangt. Außerdem bewirkt das im Mantel 30 der Brennkammer 3 und des Brenners 29 strömende Gas eine wirksame Kühlung der Brennkammer 3 sowie des Brenners 29 einschließlich der Hilfseinrichtungen.

Im Hinblick auf die Verbrennung ist es von Vorteil, den Brennstoff wirksam zu vergasen und dann mit dem zur Verbrennung erforderlichen Gas zu vermischen. Die zum Vergasen erforderliche Energie wird entweder in Form von Strahlungswärme und/oder durch Kontakt mit heißen Verbrennungsgasen zugeführt.

Der sich in die Brennkammer 3 ergießende Gasstrahl 21 hat in der Nähe der Austrittsöffnung des Ausgleichskanals

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14 außerordentlich hohe Geschwindigkeit und saugt deshalb mit hoher Effizient Gase 22 aus der Brennkammer 3 in sich. Dabei kommt es zu einer raschen Erwärmung des Gasstrahls unter Bildung mischender Wirbel in der Brennkammer 3. Da der austretende Strahl 21 rotiert und Hohlkegelform hat, entsteht auf seiner Mittelachse ein intensiver Rückstrom 22, der sich bis in unmittelbare Nähe der Ausströmungsöffnung des Ausgleichskanals 14 erstreckt. Dieser Rückstrom 22 bewirkt ein effektives Verdampfen der aus dem Sprührohr 16 austretenden Brennstofftröpfchen 20 und zwingt sie in den aus dem Ausgleichskanal 14 austretenden schnellen Gasstrom, wobei sich dieses Gas wit dem Brennstoff kräfcig vermxscht. Dank der hohen Strömungsgeschwindigkeit erfolgt das Zünden erst nach völligem Vermischen, woraus sich u.a. folgende Vorteile ergeben: Die Verbrennung erfolgt nicht in unmittelbarer Nähe des Stirnseitenfutters der Brennkammer 3, und der Brennstoff kann vollständig vergasen und sich mit dem zur Verbrennung erforderlichen Gas vermischen, so daß auch die Verbrennung in einem weiten Luftzahlen- und Regelbereich vollständig ist. Mit dem erfindungsgemäßen Brenner ist es gelungsn, schweres Heizöl mit blauer Flamme zu verbrennen.

Als Brennstoff kann natürlich auch ein brennbares Gas verwendet werden. Da dieses keine Verdampfungswärme benötigt, kann es bereits im Ausgleichskanal 14 unter das sauerstoff haltige Gas gemischt werden. Die hohe Geschwindigkeit der im Ausgleichskanal 14 strömenden dünnen Gasschicht verhindert eine Verbrennung vor Erreichen der Brennkammer 3. Mit dem erfindungsgemäßen Brenner erzielt man somit ein für die Verbrennung außerordentlich günstiges Strömungsfeld. Er ist von einfacher Konstruktion, bei der sich die Brennstoffzufuhr- und Flammenüberwachungseinrichtungen auf betriebs- und wartungsmäßig bestmögliche Weise anordnen lassen.

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Beispiel

Schweres Heizöl mit 0,05 % unverbrennbaren Bestandteilen wurde mit dem Brenner 29 der in Fig. 1 gezeigten Tauchverdampf ungsvorrichtung verbrannt. Als Sprührohr 16 diente ein Wirbelkammerversprüher mit pneumatischer Hilfsversprühung. Die Brennkammer 3 hatte eine lichte Weite von 1,29 m und eine Länge von 2,3 m. Die lichte Weite der Wirbelkammer 13 betrug 500 mm, die Länge ihres zylindrischen Teils 300 mm, und der Scheitelwinkel OC ihrer sich konisch verjüngenden Stirnwand 90°. Der Ausgleichskanal 14 hatte eine lichte Weite von D = 170 mm und eine Länge von 220 mm.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle

öl kg/h	⁰C	Sekundärluft m³/h Λ.	1,	5	1	⁰C	0.	N	Verbrennungsgase μ CO₀,%	10,7	O₂,%
228	102	3000	1,	5	1	492	0.	..1	21	10,2	6,3
227	96	3000	1,	3	1	410	0.	..1	15	12,0	7,2
223	89	2700	1,	9	1	554	0.	..1	48	8,1	4,4
179	99	2700	2,	4	1	229	0.	..1	10	2,4	10,2
151	96	3000	2,	1		129	0.	..1	10	9,9	6,5
133	62	2400	2,	4		-	0.	. .1	11	6,6	7,6
90	96	1900			..1	8	12,6

Λ = Luftzahl (durch Rauchgasanalyse bestimmt) N = Rußbild nach Bachar

μ = Staubgehalt mg/m³ hinter der Brennkammer (101 ,3 kPa; 273°K)

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Die obige Tagelle zeigt, daß eine hochwirksame Verbrennung erzielt wurde und der Staubgehalt der Verbrennungsgase geringer war als die Brennstoffqualität erwarten ließ. Die Verbrennung war auch bei niedriger ölzuflußtemperatur vollständig. Die Verbrennungskapazität war in einem weiten Bereich regelbar.

Es wurde eine Kapazität von 250 kg Öl/h erreicht, was einem Lösungsdurchsatz von 3,75 m³/h entsprach. Die Kapazität wurde nicht durch Brennkammer oder Verbrennung sondern durch die Weiterverarbeitung der angefallenen Kristalle beschränkt. Nach unten erstreckte sich die kontrollierte Regelbarkeit bis auf einen Wert von 25 kg öl/h.

Infolge der vorteilhaften Plazierung und der leichten Kontrollierbarkeit des Sprührohres 16 brauchte dieses nur bei Bedarf gereinigt zu werden, was in der Praxis in Zeitabständen von 1 bis 4 Wochen der Fall war. Und auch dann konnte das Reinigen ohne Unterbrechung der Zufuhr des zur Verbrennung erforderlichen Gases erfolgen, so daß nach erfolgter Wartung des Sprührohres keine weiteren Vorrichtungen neu eingestellt werden mußten.

Der erfindungsgemäße Tauchverdampfer wird mit Vorteil zum Einengen von Metallsufatlosungen und dergleichen und insbesondere in den Brennkammern der Tauchbrenner von Metallsulfat-Kristallisiervorrichtungen eingesetzt. Hierbei wird die Brennkammer 3 einschließlich Brenner 29 vorzugsweise rechtwinklig zu dem im wesentlichen vertikalen Tauchrohr 26 angeordnet.

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Claims

DIPL.-ING. HANS W. GROENIXG

PATENTANWALT 3U I

O 3-60

Patentansprüche

( 1 .J Tauchverdampfer, dessen Verdampfungsbehälter (2) mit einem Rohr (24) zum Einleiten der zu behandelnden Lösung, einem Saugrohr (4) zum Abführen der eingeengten Lösung und der eventuell vorhandenen Kristalle, einem Rohr (25) zum Ableiten der Verbrennungsgase und Dämpfe und einem sich im wesentlichen vertikal in den Verdampfungsbehälter erstreckenden Tauchrohr (26) zum Einblasen heißer Verbrennungsgase unter die Oberfläche der im Verdampfungsbehälter (2) befindlichen Lösung verbunden ist, wobei das Tauchrohr (26) an seinem oberen Ende über ein Winkelstück (27) so an die Abzugsöffnung (28) einer Brennkammer (3) angeschlossen ist, daß sich Brennkammer (3) und Tauchrohr (26) in einer Winkelstellung, vorzugsweise in einem Winkel von 90°, zueinander befinden, und am entgegengesetzten Ende der Brennkammer (3) ein für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff vorgesehener Brenner (29) angeordnet ist, der eine zylindrische Wirbelkammer

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SIEBEHTSTH.4 · 8000 itttXCIIEJT 86 · POB 880340 · KABEL: EI[EINPiTEST · TEL. (089) 471079 · TElEX 3-33639

(13) für sauerstoffhaltiges Gas aufweist, an deren einem Ende (15) sich ein im wesentlichen tangentialer GasZuführungskanal (12) und ein sich koaxial in die Wirbelkammer erstreckendes Brennstoff-Sprührohr (16) befinden und das entgegengesetzte Ende (23) der Wirbelkammer sich zwecks Steigerns der Winkelgeschwindigkeit des Verbrennungsgases vor dessen Vermischen mit dem aus dem Sprührohr (16) austretenden Brennstoff verjüngt, dadurch gekennzeichnet , daß der tangentiale Gaszuführungskanal (12) an den die Brennkammer (3) und den Brenner (29) zumindest teilweise umgebenden Mantel (30) angeschlossen ist, an dessen entgegengesetztem Ende sich ein Zuführungskanal (11) für ein Gas zu dessen Vorwärmung befindet, und das verjüngte Ende (23) der Wirbelkammer (13) sich konzentrisch zur Wirbelkammer als zylindrischer Ausgleichskanal (14) bis zur Brennkammer (3) fortsetzt, und das Brennstoff-Sprührohr (16) mindestens eine solche Länge hat, daß es sich bis auf den durch die Formel

_v ^f:) + COS06
§ = 5 _ _£_ _tan0C

sin 2 OC

definierten Abstand vom inneren Ende des Ausgleichskanals (14) erstreckt, wobei in dieser Formel H den Abstand zwischen dem vorderen Ende des Ausgleichskanals (14) und dem Sprührohr (16), OC/ den Verjüngungswinkel des entgegengesetzten Endes (23) der Wirbelkammer, d den Außendurchmesser des Sprührohres (16) und D die lichte Weite des Ausgleichskanals (14) bedeutet.

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2. Tauchverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge des Ausgleichskanals (14) das 0,5- bis 4-fache seiner lichten Weite D beträgt.
3. Tauchverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Außendurchmesser d des Brennstoff-Sprührohres (16) höchstens das 0,75fache der lichten Weite D des Ausgleichskanals (14) beträgt.
4. Tauchverdampfer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß sich das Brennstoff-Sprührohr (15) durch den Ausgleichskanal (14) hindurch und höchstens um den halben Betrag der lichten Weite D über den Ausgleichskanal (14) hinaus in die Brennkammer (3) erstreckt.
5. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die lichte Weite der Wirbelkammer (13) das 2- bis 6-fache der lichten Weite D des Ausgleichskanals (14) beträgt.
6. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das sich verjüngende Ende (23) der Wirbelkammer (13) konisch geformt ist und sein Scheitelwinkel Οι etwa 60 bis 120° beträgt.
7. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der Wirbelkammer (13) wenigstens das Doppelte des Durchmessers des Verbrennungsgas-Zuführungskanals (12) beträgt.
8. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgleichskanal (14) an der Innenwand der Brennkammer (3) endet.

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9. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das eine Ende der Wirbelkammer (13) durch eine abnehmbare Scheibe (15) abgedeckt ist, an welcher das Brennstoff-Sprührohr (16), der Zündbrenner (17) und die Flammenüberwachungseinrichtungen (18) befestigt sind.
10. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sich zwischen Tauchrohr (26) und Winkelstück (27) ein elastisches Element (19) befindet und lediglich das Tauchrohr (26) direkt am Verdampfungsbehälter (2) befestigt ist.

. Tauchverdampfer nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Zuführungskanal (11) für Verbrennungsgas tangential an den Mantel (30) angeschlossen ist.

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