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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren für das kontinuierliche Befeuern
oder Verbrennen von Kohlepulver. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren
zum fortlaufende Befeuern von Kohlepulver durch das Aufbringen von
Mikrowellen.
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Stand der
Technik
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Um
herkömmlich
Kohlepulver durch Befeuern zu graphitisieren wurde ein in 6 gezeigter Ofen 20 verwendet,
der Acheson-Ofen genannt wird. Zu aller erst wird eine große Anzahl
von Graphitbehältern 21 mit
einem Rohmaterial, welches Kohlepulver enthält, gefüllt, in einen Ofen 20 angeordnet
und vollständig
mit einer großen
Menge Packkoks bzw. Schüttbettkoks
bedeckt. Nachdem eine Wärmeschutzauskleidung 23 um
den Packkoks 22 herum angeordnet ist, werden die Behälter 21 in
dem Ofen zusammen dadurch erwärmt,
daß einige
Tage lang ein elektrischer Strom durch diese hindurchgeht, so daß die Temperatur
des Kohlepulvers steigt und das Kohlepulver dadurch gezündet wird.
Danach werden die Behälter 21 dadurch
gekühlt,
daß man
ihnen die Möglichkeit
gibt, Wärme
spontan über
einen Zeitraum von einigen Wochen abzustrahlen. In dieser Figur
bezeichnet die Bezugszahl 24 Ofenwände, die aus Schamottstein
hergestellt sind, 25 bezeichnet Anschlußelektroden aus Graphit; und 26 bezeichnet Sammelschienen.
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Der
in der vorstehend beschriebenen, herkömmlichen Befeuerungsvorrichtung
eingeschlossene Ofen 20 ist ein Wärmeofen der sogenannten schubweisen
Beschickung, bei welchem ein Befeuerungsbetrieb erst gestattet werden
kann, nachdem der vorhergehende abgeschlossen ist.
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Die
Folge ist, daß dieser
Befeuerungsprozeß die
folgenden Probleme in sich schließt.
- (1)
Im Verlauf des Befeuerns werden andere Komponenten als das befeuerte
bzw. gebrannte Produkt, d.h. der Packkoks 22 und die Wärmeschutzauskleidung 23,
welche die Behälter 21 in dem
Ofen 20 umgibt, gleichzeitig zusammen mit dem gebrannten
Produkt erwärmt
und danach zusammen mit dem gebrannten Produkt gekühlt. Die
Folge ist eine niedrige thermische Leistung und folglich erhöhte Einheitskosten
der für
die Produktion verwendeten elektrischen Leistung.
- (2) Es dauert einige Wochen, das Erwärmen und den Befeuerungsschritt
sowie den Kühlschritt auszuführen. Wenn
die Betriebszeit, die zum Füllen
der Behälter
mit Kohlepulver und Einbetten dieser Behälter erforderlich ist, und
die Betriebszeit, die für
das Herausnehmen der Behälter
erforderlich ist, addiert werden, vergeht etwa ein Monat, um jeden
Befeuerungsbetrieb für
das Graphitisieren zu beenden. Dies macht es schwierig, einen Bedarf
für eine
erhöhte
Produktion von Kohlepulver zu decken.
- (3) Dieses Befeuerungsverfahren schließt umweltmäßig schwer staubhaltige Tätigkeiten
ein, wie zum Beispiel die Tätigkeit
für das
Befüllen
mit Packkoks. Selbst wenn also ein oder mehrere zusätzliche
Acheson-Öfen
installiert werden, um den Bedarf für die erhöhte Produktion von Kohlepulver
zu decken, ist es schwierig, ausreichend Personal für den Befeuerungsbetrieb
zu beschaffen.
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Infolgedessen
war das herkömmliche
Befeuerungs- bzw. Verbrennungsverfahren unter Verwendung eines Acheson-Ofens
nicht in der Lage, zufriedenstellend den Bedarf des Batteriemarktes
für eine erhöhte Produktion
von Kohlepulver zu decken, was später zum Beispiel wegen der
erhöhten
Verwendung von Lithiumbatterien erwartet wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen
derzeitigen Stand der Technik, und es ist eine Aufgabe derselben,
ein Verfahren zu schaffen für
das ständige
Befeuern von Kohlepulver, dem eine hohe Wärmeleistung eigen ist und das
in zufriedenstellender Weise einen Bedarf für eine erhöhte Produktion von Kohlepulver
deckt und mit weniger Betriebspersonal durchgeführt werden kann.
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D.h.,
die vorliegende Erfindung sieht nach einem Aspekt ein Verfahren
vor für
das ständige
Befeuern von Kohlepulver, welches das kontinuierliche Befeuern von
Kohlepulver dadurch aufweist, daß Kohlepulver in ein Feuerungsrohr
zugeführt
wird und Mikrowellen auf die Oberfläche einer Auftrags- bzw. Ablagerungsschicht
des Kohlepulvers aufgebracht werden, um eine bei hoher Temperatur
gebrannte Schicht in der Auftragsschicht zu bilden.
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Eine
Vorrichtung für
das kontinuierliche Befeuern von Kohlepulver gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein Feuerungsrohr auf, welches in einem Ofen angeordnet ist,
eine Kohlepulverzuführvorrichtung
für das
ständige
Zuführen
von Kohlepulver in das Feuerungsrohr durch sein eines Ende, weist
eine Entnahmevorrichtung für
gebranntes Produkt auf für das
ständige
Entnehmen eines gebrannten Produktes von Kohlepulver aus dem anderen
Ende des Feuerungsrohres und weist einen oder mehrere Mikrowellen-Wellenleiter
auf, die sich in den Ofen erstrecken und dazu dienen, Mikrowellen
auf die obere Fläche
einer Auftragsschicht von Kohlepulver aufzubringen, welches in das Feuerungsrohr
zugeführt
und in diesem aufgetragen bzw. abgelagert wird, wodurch das Aufbringen
von Mikrowellen eine bei hoher Temperatur gebrannte Schicht verursacht,
die innerhalb der Auftragsschicht von Kohlepulver gebildet werden soll.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Schnittansicht unter Darstellung einer Ausführungsform
einer Vorrichtung für
das ständige
Befeuern von Kohlepulver gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine schematische Ansicht unter Darstellung einer bei hoher Temperatur
gebrannten Schicht, die innerhalb einer aufgetragenen bzw. abgelagerten
Masse von Kohlepulver in einer Vorrichtung für das ständige Befeuern von Kohlepulver
gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet ist;
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3 ist
eine Schnittansicht unter Darstellung eines analytischen Modells,
welches für
die Analyse verwendet wird, die auf der Grundlage des Finite-Elemente-Verfahrens
durchgeführt
wurde, um das Vorhandensein der bei hoher Temperatur gebrannten Schicht
in der aufgetragenen Masse von Kohlepulver zu bestätigen, wie
in 2 gezeigt ist;
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4 ist
ein Diagramm unter Darstellung der Ergebnisse einer Analyse, die
unter Verwendung des in 3 gezeigten analytischen Modells
durchgeführt
wurde;
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5 ist
ein Diagramm unter Darstellung desjenigen Teils in einem vergrößerten Maßstab, der in
dem Kreis, welcher in 4 durch den Pfeil A bezeichnet
ist, eingeschlossen ist; und
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6 ist
eine perspektivische Ansicht unter Darstellung einer herkömmlichen
Vorrichtung für
das Befeuern von Kohlepulver.
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Beste Betriebsart
für die
Ausführung
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
des Verfahrens für das
ständige
Befeuern von Kohlepulver gemäß der vorliegenden
Erfindung und die Vorrichtung für
dieses werden spezieller nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
einer Vorrichtung für
das ständige
Befeuern von Kohlepulver gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in dieser Figur gezeigt ist, weist die Vorrichtung 1 für das ständige Befeuern
von Kohlepulver einen mittig positionierten Ofen 2, ein
Feuerungsrohr 3, welches unter dem Ofen angeordnet ist,
eine Zuführvorrichtung 4 für Kohlepulver,
die über
dem Ofen 2 vorgesehen ist für das fortlaufende Zuführen von Kohlepulver
in den Ofen 2 hinein, eine Entnahmevorrichtung 5 für gebranntes
Produkt, die unter dem Ofen 2 vorgesehen ist für das kontinuierliche
Entnehmen des gebrannten Produkts an Kohlepulver aus dem unteren
Ende des Feuerungsrohres 3 und Mikrowellen-Wellenleiter 7 auf,
die so angeordnet sind, daß sie
sich in den Ofen 2 erstrecken und für das Aufbringen von Mikrowellen
schräg
von oben auf die obere Fläche
einer Auftragsschicht 6 von in dem Feuerungsrohr 3 abgelagerten
Kohlepulver dienen.
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Es
gibt keine besondere Begrenzung für die Partikelgröße des Kohlepulvers,
welches in der Befeuerungsvorrichtung dieser Ausführungsform
benutzt wird, und man kann jedes beliebige Kohlepulver gewöhnlicher
Partikelgröße benutzen.
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Der
Ofen 2 ist so aufgebaut, daß sein innerer Raum sich durch
seine Innenwand 8, wenn sie nach unten verläuft, enger
wird, und sein unterer Teil 2a hat eine zylindrische Gestalt.
Der Ofen 2 ist von wärmeisolierenden
Materialien 9, die gegen Feuer widerstandsfähig sind,
umgeben.
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Der
obere Teil 3a des Feuerungsrohres 3 liegt in dem
unteren Teil 2a des Ofens 2. Der Raum zwischen
dem oberen Teil 3a des Feuerungsrohres 3 und dem
unteren Teil 2a des Ofens 2 ist mit einem Abschnitt
des Kohlepulvers gefüllt,
welches mittels der Zuführvorrichtung 4 für Kohlepulver
eingeführt ist,
um eine wärmeisolierende
Kohlepulverschicht 10 zu bilden. Der untere Teil des Feuerungsrohres 3 hat verringerte
Wärmeisolierfähigkeit,
so daß eine
Region gebildet wird, in welcher die Temperatur des Kohlepulvers
auf eine befeuerungsfreie Temperatur reduziert werden kann (d.h.
die sogenannte Temperaturabfallregion). Das Zuführen von Rohmaterial (d.h. Kohlepulver)
durch die Kohlepulver-Zuführvorrichtung 4 und
das Entnehmen des gebrannten Produktes (d.h. gebrannte Kohle) durch
die Entnahmevorrichtung 5 für gebranntes Produkt werden
in einem gut ausgeglichenen Zustand ausgeführt, so daß die abgelagerte bzw. aufgetragene
Form an Kohlepulver in dem Feuerungsrohr 3 unverändert gehalten
wird.
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Die
Mikrowellenleiter 7 dienen dazu, Mikrowellen auf einen
Bereich in der Nachbarschaft des oberen Teils 3a des Feuerungsrohres 3 aufzubringen,
und sind in solcher Weise vorgesehen, daß sie nach unten geneigt und
an der inneren Wand 8 des Ofens 2 angebracht sind.
Es versteht sich, daß trotz des
Vorsehens eines Paares von (rechte und linke) Mikrowellenleiter 7 bei
dieser Ausführungsform
die Vorrichtung nicht hierauf beschränkt ist und die Anzahl von
Mikrowellenleitern 7 eins oder mehr als zwei sein kann.
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Bei
der Befeuerungsvorrichtung 1 dieser Ausführungsform
wird zunächst
einmal Kohlepulver kontinuierlich durch den Ofen 2 dem
oberen Teil 3a des Feuerungsrohres 3 mittels der
Kohlepulver-Zuführvorrichtung 4 zugeführt. Deshalb
wird eine abgelagerte bzw. aufgetragene Schicht 6 von Kohlepulver in
dem oberen Teil 3a des Feuerungsrohres 3 gebildet.
Zur gleichen Zeit werden Mikrowellen durch die Mikrowellenleiter 7 auf
die obere Fläche
der Auftragsschicht 6 von Kohlepulver in dem Feuerungsrohr 3 aufgebracht.
Also wird in der Auftragsschicht 6 von Kohlepulver eine
bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11 (siehe 2)
gebildet. Kohlepulver wird befeuert und beim Hin durchgehen durch
diese bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11 graphitisiert. Der
Ofen 2 ist durch die umgebenden wärmeisolierenden Materialien 9 ganz
wärmeisoliert.
Ferner ist die bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11,
die in der Auftragsschicht 6 des Kohlepulvers gebildet
ist, durch die wärmeisolierende
Kohlepulverschicht 10, welche das Feuerungsrohr 3 umgibt,
vollständig
wärmeisoliert,
so daß Wärmeverluste
während
der Mikrowellenerwärmung
minimal gemacht sind.
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In
diesem Zustand werden die Menge an in den Ofen 2 eingeführtem Kohlepulver
und der Beträge
an aufgebrachten Mikrowellen konstant gehalten, und die bei hoher
Temperatur gebrannte Schicht 11 hat die Möglichkeit,
sich zusammen mit der Auftragsschicht 6 nach unten zu bewegen.
Hierdurch wird es möglich,
einen gut erstellten Wärmeausgleich
in dem Ofen 2 zu halten und dadurch das Kohlepulver ständig zu
befeuern. Das auf diese Weise befeuerte Kohlepulver gelangt dann
durch die Temperaturabfallregion in dem unteren Teil des Feuerungsrohres 3,
so daß seine
Temperatur schnell auf eine befeuerungsfreie Temperatur reduziert
wird. Dieses gebrannte Kohlepulver mit einer reduzierten Temperatur
kann aus dem unteren Ende des Feuerungsrohres 3 mittels
der Entnahmevorrichtung 5 für gebranntes Produkt entnommen
werden, ohne daß irgendeine
Tätigkeit
für das
Abtrennen des Pulvers erforderlich ist.
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Die
für das
Graphitisieren von Kohlepulver erforderliche Befeuerungstemperatur
beträgt
etwa 3200°C.
Wenn man versucht, die Oberfläche
von Kohlepulver zu erwärmen
und dadurch die Temperatur seiner Oberflächenschicht auf diese Befeuerungstemperatur
anzuheben, ist im allgemeinen die sich ergebende Wärmeleistung
sehr niedrig, denn Wärmeverluste,
welche durch die Abstrahlung von der Oberflächenschicht an ihre Umgebung
verursacht werden, sind sehr groß. Im Gegensatz dazu ermöglicht diese
Ausführungsform
die Befeuerung von Kohlepulver mit hoher Wärmeleistung, denn wie in 2 gezeigt
ist, wird der innere Teil der Auftragsschicht 6 von Kohlepulver
direkt mittels Mikrowellen erwärmt,
um eine bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11 in einer
inneren Zone zu bilden, die im Abstand von der Oberflächenschicht
angeordnet und von Strahlungswärmeverlusten
frei ist.
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Weiterhin
wird bei dieser Ausführungsform rohes
Kohlepulver mit einer gewöhnlichen
Temperatur fortlaufend auf die Oberflächenschicht der Auftragsschicht 6 von
Kohlepulver zugeführt,
so daß die Temperatur
der Oberflächenschicht
nicht merklich angehoben wird. Einer der Gründe, warum die Temperatur der
Oberflächenschicht
nicht merklich angehoben wird, besteht darin, daß die Kohlepulverschicht, die
sich von der bei hoher Temperatur gebrannten Schicht 11 zu
der Oberflächenschicht
erstreckt, einen hohen Porengehalt und niedrige thermische Leitfähigkeit
hat. Deshalb sind nicht nur Wärmeverluste
von der Oberflächenschicht
minimal, sondern auch Wärmeverluste
aus der bei hoher Temperatur gebrannten Schicht 11 zum
Feuerungsrohr 3 sind verringert, um zu verhindern, daß das Feuerungsrohr 3 übermäßig erwärmt wird.
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Bei
dem Befeuerungsverfahren nach dieser Ausführungsform ist die Dicke der
Oberflächenschicht,
welche nicht die Befeuerungstemperatur erreicht, in der Größenordnung
von einigen Millimetern. Im allgemeinen ist dort, wo das gebrannte
Produkt an Kohlepulver, welches in den Ofen eingeführt ist,
von oben herausgenommen wird, notwendig, die Oberflächenschicht
mit hoher Genauigkeit zu entfernen, nachdem die Temperatur des gebrannten
Produktes voll reduziert ist. Weil ein solches Entfernen der Oberflächenschicht
nicht leicht ist, ist die Tätigkeit zum
Herausnehmen des gebrannten Produktes sehr schwierig.
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Im
Gegensatz dazu verwendet diese Ausführungsform das sogenannte Ablagerungs-
bzw. Auftrags- und
Verminderungsverfahren, bei welchem, nachdem das Kohlepulver fortlaufend
zugeführt
wird und durch die bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11 hindurchgeht,
das gebrannte Produkt kontinuierlich gekühlt und vom Boden des Ofens 2 entnommen
wird. Deshalb kann die Entnahme des gebrannten Produktes leicht
und schnell durchgeführt werden,
ohne daß man,
wie oben erwähnt,
die Oberflächenschicht
entfernen muß.
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Bei
dem Verfahren nach dieser Ausführungsform
hat die bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11 die Möglichkeit,
sich nach unten zu der unteren Seite des Feuerungsrohres zu bewegen,
in welchem die Erwärmungsintensität schwächer wird,
so daß die richtige
Befeuerungstemperatur gehalten werden kann und eine ausreichende
Befeuerungszeit sichergestellt werden kann.
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3 veranschaulicht
ein analytisches Modell, welches für eine FEM-Analyse verwendet
wird, welche durchgeführt
wird, um die Wirkungen zu bestätigen,
welche durch die oben beschriebene Befeuerungsvorrichtung dieser
Ausführungsform
erzeugt werden. Bei diesem Modell werden die Wärmestrahlung von der Oberfläche der
aufgetragenen Masse 6 von Kohlepulver, die Wärmeleitung
durch die den Ofen 2 umgebenden wärmeisolierenden Materialien 9 und
die Auftragsgeschwindigkeit und Abwärtsbewegung des Kohlepulvers
(d.h. Massentransfer) in Betracht gezogen, so daß die Wärmeeigenschaften in zufriedenstellender
Weise simuliert werden können.
Die 4 und 5, welche die Ergebnisse der oben
beschriebenen Analyse zeigen, zeigen die Temperaturverteilungen
im Ofen 2. Durch diese Figuren kann bestätigt werden,
daß eine
bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11, welche die Graphitisierungstemperatur
für Kohlepulver
erreicht hat, in einer inneren Zone im Abstand von der Oberflächenschicht innerhalb
des Feuerungsrohres 3 gebildet ist und sich ferner diese
bei hoher Temperatur gebrannte Schicht nach unten erstreckt, um
diese Befeuerungstemperatur für
eine längere
Zeitperiode zu erhalten. In 4 ist die
Randbedingung bzw. Beschränkung der äußeren Oberflächentemperatur
des Modells 100°C,
und die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung
von Kohlepulver (d.h. der Massentransfer) in dem unteren Mittelteil
beträgt
1 mm/11 Sek. In 5 zeigen die Skalenteilungen
die Maße
des in 4 veranschaulichten Modells. Enger beabstandete Skalenteilungen
haben eine Breite von 1 mm, während
breite beabstandete Skalenteilungen eine Breite von 5 mm haben.
Weiter zeigt diese Figur, daß die mittlere
Region die bei hoher Temperatur gebrannte Schicht 11 zeigt
und sich ihre Temperatur in dem Bereich von 3006 bis 3369°C befindet,
die Temperatur einer zweiten benachbarten Region sich in dem Bereich
von 2642 bis 3006°C
befindet, die Temperatur einer dritten benachbarten Region sich
in dem Bereich von 2279 bis 2642°C
befindet, die Temperatur einer vierten benachbarten Region sich
in dem Bereich von 1916 bis 2279°C
befindet und die Temperatur der äußersten
Region unter 1916°C
liegt.
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Es
versteht sich, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern beabsichtigt ist, daß sie alle solche Modifikationen,
Veränderungen
und Ergänzungen
abdeckt, die in den Umfang ihres technischen Konzeptes fallen.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben, wird bei dem Verfahren für das ständige Befeuern von Kohlepulver
gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer Vorrichtung, die für die Verwendung in einem solchen
Prozeß geeignet
ist, ständig
Kohlepulver durch Zuführen von
Kohlepulver in ein Feuerungsrohr und Aufbringen von Mikrowellen
auf die obere Fläche
einer Auftragsschicht des Kohlepulvers befeuert, um eine bei hoher
Temperatur gebrannte Schicht in der Auftragsschicht des Kohlepulvers
zu bilden. Infolgedessen können
die folgenden Effekte erzeugt werden.
- (1) Da
der innere Teil der Auftragsschicht des Kohlepulvers direkt mittels
Mikrowellen erwärmt wird,
um eine bei hoher Temperatur gebrannte Schicht in der Auftragsschicht
zu bilden, können Wärmeverluste
während
des Befeuerns reduziert werden, um eine Verbesserung der thermischen Leistung
zu verursachen.
- (2) Da Kohlepulver, welches ständig von oben zugeführt und
in dem Feuerungsrohr abgelegt wird, dadurch befeuert wird, daß man ihm
die Möglichkeit
gibt, sich nach unten durch die vorgenannte bei hoher Temperatur
gebrannte Schicht zu bewegen, und das sich ergebende gebrannte Produkt vom
unteren Ende des Feuerungsrohres entnommen wird, kann das Kohlepulver
kontinuierlich befeuert werden, ohne daß das herkömmliche Entfernen der ungebrannten
Oberflächenschicht
zu erfordern. Da sich außerdem
die bei hoher Temperatur gebrannte Schicht nach unten zu der unteren
Seite des Feuerrohres bewegen kann, in welchem die Erwärmungsintensität schwächer wird,
wird die Temperatur der bei hoher Temperatur gebrannten Schicht
daran gehindert, übermäßig zu steigen.
Somit kann eine geeignete Befeuerungstemperatur aufrechterhalten
werden, und deshalb kann eine ausreichende Befeuerungszeit sichergestellt
werden.
- (3) Auf der erwärmten
Seiten kann die Oberflächentemperatur
des aufgetragenen bzw. abgelagerten Kohlepulvers dadurch niedriger
gehalten werden, daß man
Rohkohlepulver kontinuierlich zu dem oberen Ende des Feuerungsrohres
zuführt.
Somit können
Strahlungswärmeverluste von
der Oberfläche
des Kohlepulvers verringert werden.
- (4) Durch Auftragen bzw. Ablagern einer wärmeisolierenden Kohlepulverschicht
rund um die bei hoher Temperatur gebrannte Schicht können nicht nur
Wärmeverluste
von der bei hoher Temperatur gebrannten Schicht zu ihrer Umgebung
reduziert werden, sondern es kann auch die Temperatur des Feuerungsrohres
unter derjenigen Temperatur gehalten werden, bei welcher die gewünschte Lebensdauer
des Feuerungsrohres erreicht wird. Da außerdem die wärmeisolierende
Kohlepulverschicht durch Verwendung von Kohlepulver äquivalent
dem gebrannten Produkt gebildet wird, ist kein anderes spezielles
wärmeisolierendes
Material zu wirtschaftlichem Vorteil erforderlich.