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Treibgaserzeuger für die Verbrennung von staubförmigem Brennstoff
Die Erfindung betrifft einen. Treibgaserzeuger für die Verbrennung von, staubförmigem
Rrennsboff mit schraubenförmiger Flammenbann in einem Schmelzkammerteil hoher Wärmebelastung,
insbesondere für die Versorgung von Gasturbinen.
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Manche Vorteile der Gasturbine für die Energieerzeugung im Vergleich
zur Dampfkraftanlage gelangen erst mit der unmittelbaren Verwertung fesiter Brennstoffe
zur Geltung. Se;lbst in kohlereichen Ländern wird, dabei dieAu,snutzung ballastreicher
Vorkommen immer wichtiger. Da der Aufwand für die Vergasungseinrichtung beachtlich
ist und sich auch erst bei schwelwürdiger Kohle, lohnte, ist die unmittelbare Umsetizung
des. Heizwertes be l.iebiger Kohlensorten zur Bildung heißer Treibgase für Turbokraftrnaschinen
in einer Brennkammer sehr erwünscht.
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Bai Kohlenstaubkeseeln sind Bauarten bekannt, die einen Brennraumtei1
so heiß hasten, daß die Asche flüssig ausgeschieden werden kann.. Besonders wiirksam
sind Schmelzkammern sehr hoher Wärmebelastung, in denen die Flamme wie bei einem
Zyklon einen Drall hat. Bekannt sind die Feu erraumschächte mit Strahlungsheizflächen,
und oben anschließenden Berührungsheizflächen bei. Dampferzeugern, ebenso die Anordnung
besonderer
hochbelasteter Einsätze aus wasserdurchflossenen Kühlschlangen;
diese sind meistens schwach geneigt angeordnet, so daß an dem eingezogenen Austrittsende
das Heißgas zusammen mit; der entstandenen flüssigen Schlacke, die ausläuft, aus:
treten kann. Die Merkmale der bemannten Kesselfeuerung lassen sich aber nicht ohne
weiteres auf Treibgaserzeuger für Gasturbinen übertragen, da, bei letzteren Heizflächen
mit einem anderen Wärmeträger als. der verdichteten Verbrennungs-Luft bzw. der zur
Erreichung tragbarer Arbeiiits.-teimperaturen an der Turbine erforderlichen Zumischluft
gänzlich fehlen.
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Für solche Kohlen@s.taubbrennkammern ohne Kühlkörper, bestehend aus
einer in einem Druckgehäuse angeoirdn.eten, staubbefeuerten Schmelzkammer mixt Querschnitt,
schraubenförmiger Flammenbahn, ringförmiger Schlackenabflußrinne, axialem Austritt
der Treibgase und Vorwärmung der Zumischluft in: zyl.i.ndrisch-en oder kegelförmigen
Mantelräumen, wurde bereits vorgeschlagen, die Hauptverbrennung in einer Vorkammer
durchzuführen; und. dem ent:-stand-enen Brenngas, am Übergang .ih eine anschließende:
Schla.ckeinabschei.dekammer durch Schaufeln die nötige Drallbewegung aufzuprägen,
mittels welcher eine ausreichende Aussch:leudeirung von Staubteilchen erreicht werden
kann. Die Einschaltung umlenkender Einbauten in den Brennraum, welche zur Erhöhung
ihrer Haltbarkeit gekühlt werden müssen und auf jeden Fall einte Einengung der Strömungswege
bedeuten, kann aber je nach dem verfeuerten. Kohlenstaub und dein Eigenschaften
der Schlacke betriebliche Schwierigkei"tie@n durch Verlegung der Durchtrnttsquarschnitte
bringen. Deshalb erscheint eine Gestaltung vorteilhaft, bei der die sichraubenförmige
Flammenbahn ohne eine solche nachträgliche Beeinflussung schon von. vornherein durch
entsprechende Staubeinblaseeinrichtunge.n erzeugt wird.
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Der Zyklonbrennraum des Treibgaserzeugers nach der Erfindung ist achsmittig
in einem senkrecht stehenden Druckgehäuse angeordnet; die Brennraumwände des Schmelzkammerteils
verengen sich konisch von dien Ebene der Eckenbrenner rin Richtung zum Gasaustritt,
wobei weitgehend auf eine besondere Kühlung der Brenn raumoberflächen verzichtet
wird. Die senkrechte Anordnung des, so. entstehenden Schmelzkammerraumes mit Abflußrichtung,der
erzeugten Heißgase nach unten kommt der Abfuhr der abzu,scheiidenden unverbrennlichen
Brennsto@ffbestand:teiile sehr entgegen. Es, ist dabei gleichgültig, ob, dito Querschnittsform
des. Brennraumes einen Kegelstumpf oder einen Py ramidienstumpf, ausgebend von irgendeinem
Vieleck, bildet. Der Vorteil des allmähliichen Überganges, zum Austriittsende im
Zusammenhang mit, der allgemeinen Durchsatzrichtung der drallartigen Strömung von
Gas, und Schlacke in, der Richtung von oben nach unten besteht darin, d.aß durch
die immler, enger werdenden Flugbahnen der urverbrannt gebliebenen Teilchen bei
dem eingele;i'tet@en Drall immer wirksamere Fliehkräfte, auf das, flüssige Ascheteilcheni
ausgeübt werden und auch für kleine Teilchen eine zuverlässige Ausscheidung gewährleistet
wird. Die einzelnen Schlacketeilchen ergeben an der sich immer mehr nähernden Wand
eine flüssige Schlackenhaut, diie unter dem Einfluß der Schwerkraft und der Blaswirkung
des; Verbrennungswirbels dem Schmelzkammerausgang zustrebt. Die Wände müssen wegen,
der hohen. Feuerraumtemperatur und der beachtlichen Eigentemperatur, als. Folge
der Strahlung und Wärmeleitung feuerfest sein und können, daher in Weiterausbildung
des Erfindungsgegenstandes miti keramischenMassen, oder anderen feuerfesten Werkstoffen,
z. B. Oxyden, Carbiden od. d'gl., ausgekleidet sein, die geeignete Eigenschaften
für eine solches Verwendung haben. Die Auskleidung der Brennraumwände ist, aufgelöst
in einzelne Plattenreihen, die einander dachziegelartig überd!ecken:. Jede, Platte
erhält eine Oberflächengliederung, derart, daß nach abwärts gerichtete Rinnen entstehen,
deren eine Flankei wesentlich steiler zur Umfan:gsers,treckung der Wand steht als
die andere. Die stetere Seite soll, bezogen auf die Umfangsströmung des Verbrennungsgases,
an; der Brennraumwand als Auffangprallfläehe dienen und die Sammlung der flüssigen;
Ascheteilchen begünstigen. Die Auskleidüngselemente werden von einem Traggerüst
gehalten, das: von, kühlender, v erdichteter Luft durchspült wird, so, d-aß die
Stahlteile trotz der Nähe der heißen Wand genügend lange Lebensdauer haben. Durch
die unvermeidiliichen Platitenlücken strömt ein Teil dieser Luft auch zum Schmelzkammerinnenraum
ab und bildet einen Luftschleier, der für die Dauerhaltbarkeit der Platten erwünsicht
isst.
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Der Nachbrennraum, in welchem zur Herabsetzung der Temperatur weitere
verdichtete Luft zugemischt werden, muß, steigt nach der Erfindung ringförmig um
den Schmalzkammertrichter herum auf. Auf diese Weise Erfährt dies: Heißgas nach
dem Austritt aus dem ersten Brennkammerteil eine Umlenkung und bestreicht dabei
mit dem gegebenenfalls, noch nicht vollständig genug entstaubten. Flammenkern die
Schlackenpfanne an der unteren Stirnseite des B,rennkammerd;ruickgefäßes. Die in
der Trichterwand der Schmelzkammer ausgeschie,-d'ene flüssige Schlacke gelangt am
Kammeraustritt in: eine Umfangsrinne, von deren Scharten sie in kompakten Strähnen
zur Schlackensammelwanne, abläuft. Der aufsteigende Ringraum für die Luftzumischung
kann auf der Innern. und Außenseite in ei'nfache'r Weise mit öffnungen für den,
Zutritfi dieser Luft ausgebildet werden. Innen hat man die Kühlluft des Traggerüstesi
für die, Abdeckplatten zur Verfügung, die sich inzwischen noch weher vorgewärmt
hat, auf der Außenseite wirkt der Luftmantel als, einfache und wilrksame äußere
Isolierschicht für den. heißen Kern. Die Außenschale: des Brennkammerdruckkörpers:
kann auf diese Weise, festigkeitsmäßig gut beherrscht, werden, da die hohen Temperaturen
bis auf diie Austrittsstutzen des fertigen Arbeitsgases, abgeschirmt sind. Durch
geeignete Abstimmung der Luftöffnungen
kann unter Einhaltung eiirres
genügend. kleinen Druckverlustes die Tragkonstruktion der feuerfesten Schmelzka.mmerwänd
und die metallische Ummantelung der übrigen Brennräume ausreichend gekühlt und gleichzeitig
erreicht werden, daß das entstandene Arbeitsgas eine einheitliche; Temperatur aufweist
und bei. gutem Ausb@rand. des Verbrennlichen der Gehalt an feinen unve@rbrennlichen
Staubteilchen äußerst klein ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Treibgaserzeugers
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Axialschnitt durch einen
Treibgaserzeuger, Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Brennkammerauskleidung nach
der Linie II-II in Fig. 3, Fig.3 eine Teilansicht der Brennkammeira.us kleiidung
in Richtung des Pfeiles x in Fig. 2 und Fig. q. eine Teilansicht der Brennkammerauskletidung
in Richtung des Pfeiles y in Fig. 2.
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Das druckfeste Gehäuse besteht aus den Schalen ia, ib, ic. In der
Mitte des Gehäuses ist der heißeste Teil der Brennkammer, die Schmelzkammer, angeordnet.
Ihr oberer Teil 211 enthält die, auf dem Umfang verteilten Einblasedüsen 3a, 3b,
3c, 3d, 3e für den Kohlenstaub, die über Leitungen q. an die Kohlenstaubaufberehungsanlage
angeschlossen sind. Außer der als Träger für den, Kohlenstaub dienenden Primärluft
wird weitere verdiichtete Verbrennungsluft durch den Stutzen i6a in den Zwischenraum
zwiischen der Gefäßschale ia und dem Brennraumoberteil 2a eingeführt, die von darb
in den Brennraumteil 2a edhströmt. Diese Verbrennungsluft kann neben der veribrennungstechnischen,
Aufbereitung des Brennstaubes eine wirksame! Drallströmung einleiten, wenn sie auf
den Berührungskreis D, der B.rennerachsstrahlen: ausgerichtet ist. Die Drallströmung
wird oberhalb der eigentlichen: Schmelzkammer 2b durch weitere Zweitluftdüsen 5
mit tan.gentialer Bdasriehtung unterstützt. Durch diese Maßnahme wird erreicht,
daß gemügend Verweilzeit für die Kohlenstaubteilchen zur verbrennungstechnischen
Aufbereitung auch bei gedrängter Bauweise und großen: durchgesetzten Mengen, innerhalb
des eigentlichen Brennraumies 2a, 2b vorhanden ist und namentlich an allen Stellen
genug Sauerstoff zur Verfügung steht, um Schwefelanteile zu verbrennen, die unangenehme
hochschmelzende Schlacke zur Folge haben;. Der Schmelzkammerteil 2b ist nach umeben
stetig verjüngt. Dies bewirkt, daß infolge der entstehenden hohen Brennraumtemperatur
die flüssig gewordenen Aschebeiilchen des Brennstoffes auf dem Weg zum unteren Ausitritbsende
einer stetig wachsenden Fliehkraftwirkung durch die eingeleitete Drallströmung unterworfen
sind und auch bei kleiner Masse zuverlässig ausgeschleudert werden. Die Längserstreckung
der Schmelzkammer muß natürlich der Eigenart des verfeuerten Brennstoffes angepaßt
werden. Die Ascheteil.chen landen an der möglichst wenig gekühlten kegels.tumpfförmigen
Begrenzungswand 6, die deshalb aus feuerfesten keramischen Platten aufgebaut ist.
Die Gestaltungsmöglichkeit derselben zur bestmöglichen Zusammenballung der Schlaeketeilchen
wird später an einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bis q. erläutert werden. Die
flüssige Schlacke fließt die Plattenwand entlang nach unten, sammelt sich in der
Rinne 7 am SchmelzIkammerausgang und. gelangt an den Überlaufscharten 8 in Strähnen
zur Schlackenwanne 9 an der Sehale ic des Gehäuses mit Abflußmögiichkeit zur druckdicht
gesteuerten Abstichei:nrichtung io.
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Die Verbrennungsgase, werden am unterem 13rc,nukammerendie nach außen
umgelenkt (vgl. die Pfeiile in der Fig. i). Dabei besteht eine weitere Möglichkeit,
noch enthaltene Ascheteilchen an das Schlackenbad in der Wanne 9 abzugeben, und
zwar gerade für den Kernstrom, der unter Umständen in dien Brennkammer noch nicht
genügend emtischlackt werden konnte. Der lange Spiralemweg mit langsamer werdender
Geschwindigkeit an der Wanne begünstigt diese Reinigung des Brenngases. sehr. Der
weitere VVeg führt nun die Heißgase in die ringförmige, um die Schmelzkammer @2b
angeordnete Zumischbrennraumzone i i, die zum Treibgasstutzen i2 führt. Von dies.enAustrittss.tutzen
12 können. natürlich mehrere am Umfang angeordnet sein, um eine ratations,symmetrische
Strömung zu fördern:. Der Ringraum i i erhält durch Bohrungen in seinen) Mantelwänden.
13 und 1q. die entsprechende Dri'bt.luft zugeteilt, so da,ß das; Treibgas
am Ende eime seinem Verwendungszweck angepaßte Temperatur besitzt. Die Mantelwände
13, 14 erhalten so viele Bohrungen oder Schlitze (evtl. sind sie, auch in sich unterteilt),
daß auch metallische Werkstoffe für diesen Brennkammerteil ausreichen. Speichen
15 können außerdem durch Einführung der Luft in die Mitte des Gasstromes die Gleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung begünstigen. Eine dehnungsfreie Aufhängung der Begrenzungsmäntel
innerhalb der von Verbrennungsluft gekühlten druckfesten i Außenschale des: Gehäuses!
ist ohne Schwierigkeiten durchführbar. Entsprechend dem Anteil der am Ringbrennraum
i i zuzuführenden Drittluft ist auch an dem dargestellten Beispiel der Zuführstutze@n
i6b der Gesamtluft- am Gehäuseunterteil vorgesehen. Für die Verteilung der Zutrittsäffnungen
an den Wänden 13 und 1q. des Zumischringraumes i i wird vor allem der Zwischenraum
zwischen der Wand 13 und der Schmelzkammerbegrenzungswand 6 bevorzugt, um
für die Tragkonstruktion, der Wandauskleildung 6 der Schmelzkammer ausreichende
Dauierfestiigkeit zu erreichen.
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In Fig. 2 bis ,I ist im Schnitt und in verschiedenen. Ansichten an,
einem Ausschnitt aus der Schmelzkammerwand eiirre, Gestaltungsmöglichkeit für eiirre
Keramikplattenabdeckung dargestellt; der Einfachheit halber soll eine vierseitige
Pyramidenform für die Abnahme dtr SchmelzkammeTquerschnitte angenommen werden. Bei
kegel'iger Ausbildung oder einem Vieleckumriß der Brennkammer 2b kommen entsprechende
Verkürzungen durch Unterschiiede in der Teilung dazu, die in. der Darstellung jedoch
das Verständnis erschweren. wiirden.
Die, Abdeckung erfolgt durch
einzelne Platten, von denen je ein Paar einer Abdeckungszeile 17a, 17b und
i8a, i8b der darunter angeordneten Ab,
deckzeile in F.i:g. 3 und 4. dargestellt
sind. Die Oberfläche ist derart gestaltet, daß Eine flache Rinne in der Fallrichtung
entstEht, deren Flanken ig, 2o verschieden steil zur Plattenebene, d. h. zur Umfangsrichtung
der damit belegten Schmelzkammerwände sind. Die steile Rinnenflanke i9 dient als
Drall- oder Auffangwand der Schlackentröpfchen, ihre @,\'i,rkung wird deutlich bei
Beachtung der eingezeichnetem allgemeinen Drallrichtung D. Der Abfluß der Schlacke
nach untten wird durch die, Zungen 21 erleichtert, die sich auf entsprechende Platten
i8a, i8b der nächst unteren Abdeckungszeile auflegen:. Zur Aufhängung besitzt jedes
Plattenelement einen Lappen; 2:2, mit- dem sich die Platten einer Zeile auf Ring-
oder VieleckstÜtzleiste 23 aufstützen, die in mehreren Reihen übereinander an den
rundherum angeordneten Tragstreben 2.4 befestigt sind, wodurch auch eifne gute Durchlüftung
der Plattenwandrückseite möglich wird. Von den Befestigungsmöglichkeiten der Platten
auf den Stützleisten ist hier die von Temperatureinflüssen unabhängige Schraubenverbindung
mit Kegelsitzflächen für Schraubenkopf 25 lind Mutter 26 dargestellt" wobei der
Fluchtpunkt o der Kegelspiitzen bekanntlich auf der Berührfiäche der beiden verbundenen
Teile 22 und 2:3 liegt. Selbstverständlich kann man die Auskleidung der Brennkammerwände
6 auch in anderer Weise mit feuerfestem Material vornehmen. Das. dargestellte Ausführungsbeispiel
ist jedoch für dine gute Schlackenabführung besonders geeignet.