DE977651C

DE977651C - Verfahren zur Erzeugung von ueberhitzem Wasserdampf

Info

Publication number: DE977651C
Application number: DEA21834A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Rummert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-12-31
Filing date: 1955-01-01
Publication date: 1967-12-28

Description

Verfahren zur Erzeugung von überhitzem Wasserdampf Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf durch Einführen von Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff in einen Reaktionsraum, in dem eine exotherme Reaktion der Reaktionsteilnehmer erfolgt.
Das Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß einerseits Niederdruckdampf tangential an der Basis und andererseits Wasserstoff und Sauerstoff getrennt an der Spitze eines Zyklons zugeführt und daß ein auf diese Weise gebildetes Knallgas-Dampfgemisch in der Nähe des Umkehrpunktes mittels einer elektrisch beheizten Glühkerze od. dgl. gezündet wird, wobei die Temperatur des aus dem zentralen Ableitungsrohr an der Zyklonbasis austretenden überhitzten Wasserdampfes durch Variation des Mengenverhältnisses von Niederdruckdampf und Knallgas nach Bedarf eingestellt wird.
Es ist an sich bereits eine Einrichtung bekannt, bei der gasförmige Brennstoffe und Luft an den Enden einer birnenförmig gestalteten Turbinenbrennkammer zugeführt werden, um dann in exothermer homogener Reaktion Brenngase zu erhalten. Dabei wurde angestrebt, die gasförmigen Brennstoffe an der Kammerwandung entlang zu führen, um die Brennraumwandung verhältnismäßig kühl zu halten. Außerdem erfolgt von außen noch eine Kühlungs durch den Fahrtwind. Abgesehen davon, daß die angestrebte wandnahe Führung der gasförmigen Brennstoffe mit der dort beschriebenen Einrichtung nur schwer zu verwirklichen ist, bedeutet die zusätzlich vorgesehene Außenkühlung durch den Fahrtwind einen beachtlichen Verlust an in der Brennkammer erzeugter Wärmeenergie und damit eine nur schlechte Wärmeausbeute. Dieses bekannte Verfahren enthält darüber hinaus aber auch keinerlei Hinweis auf die spezielle Aufgabe der Erzeugung von überhitztem Wasserdampf durch Erhitzung mit einem Knallgasgemisch. Außerdem wird kein Zyklon verwendet, dessen wesentliches Merkmal es ist, daß keiner seiner Querschnittsebenen größer als die Basisebene sein darf, d. h., Zyklone können nur einen kegelförmigen oder zylindrischen Längsschnitt aufweisen. Im Gegensatz hierzu weist die bekannte Brennkammer durch ihre birnenförmige Gestalt in ihrer Mitte einen Querschnitt auf, der wesentlich größer als der Querschnitt an der Zuleitungsbasis ist.
Es sind ferner Druckinnenfenerungen bekanntgeworden, bei denen die Brennstoffe aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, die jedoch erst sekundär aus thermischer oder elektrolytischer Zersetzung von Wasser gewonnen wurden und nicht selbst zur Erzeugung von Wasserdampf dienen.
Außerdem erfolgt diese bekannte Innenraumfeuerung nicht in einem Brennraum nach Art eines Zyklons, sondern meist als Tauchflammenbrenner, wobei die Brennstoffe unter erhöhtem Druck zugeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich aber auch nicht um die Herstellung von Wasserdampf aus der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff als solcher, sondern vielmehr um die Erzeugung von überhitztem Wasserdampf aus Niederdruckdampf und Knallgas in einem Zyklon derart, daß die Wandung des Reaktionsraumes durch die einströmenden Gase gekühlt und die Verbrennung im axialen Bereich des Reaktionsraumes stattfindet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine der Reaktionskomponenten - nämlich der Niederdruckdampf in in Form einer Schraubentangente aus der in der Nähe der Grundfläche des in der bekannten Zyklonform gestalteten Reaktionsraumes mit einer Strömungsgeschwindigkeit zugeleitet, so daß sich an der Wand des Reaktionsraumes ein von der Zyklonbasis herabgleitender Wirbel ausbildet. Indem man gleichzeitig am entgegengesetzten Ende des Reaktionsraumes, also in der Nähe der Zyklonspitze, axial oder tangential die beiden Reaktionsteilnehmer Sauerstoff und Wasserstoff einzeln oder vermischt eintreten läßt, wird erreicht, daß die exotherme Reaktion in der Mischungszone im Axialraum des Reaktionsgefäßes abläuft und die sich bildenden Reaktionsprodukte axial nach oben austreten und laufend abgeführt werden.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele nach der Erfindung schematisch dargestellt.
Nach Abb. I besteht das Reaktionsgefäß, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung beispielsweise durchgeführt werden kann, im wesentlichen aus einem auf die Spitze gestellten Kegel, der axial an seiner Spitze eine ZuführungsleitungB für einen Reaktionsteilnehmer und an der Basis eine Ableitung C für die Reaktionsprodukte besitzt und außerdem mit einer oder mehreren tangential und in einem gewünschten Winkel in das Innere des Gefäßes führende Zuleitungen,4 und D ausgestattet ist.
Die eingezeichnete Schraubenlinie zeigt den Weg der bei A eingewirbelten Reaktionskomponente.
Der Umkehrpunkt des Wirbels ist mit U bezeichnet, oberhalb dessen sich die Misch- und Reaktionszone befindet.
Bei dem in Abb. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Reaktionsraum an der Basis eine weitere Zuführungsleitung auf, die jedoch innerhalb eines koaxialen Zylinders E mündet, so daß die beiden durch A und F zugeführten Reaktionsteilnehmer parallel auf Schraubenlinien zur Spitze des Zyklons strömen und sich erst dort am Umkehrpunkt vereinigen.
Nach dem Ausführungsbeispiel in Abb. I wird bei 24 Niederdruckdampf in den Reaktionsraum eingewirbelt, während gleichzeitig über B und D Wasserstoff und Sauerstoff getrennt zugeführt werden. Bringt man das Knallgas-Dampf-Gemisch in der Nähe des Umkehrpunktes U beispielsweise mit einer elektrisch beheizten Glühkerze zur Entzündung, so bildet sich H20, und aus dem Ableitungsrohr C tritt ein überhitzter Wasserdampf aus, dessen Temperatur durch das jeweils gewählteVerhältnis von Niederdruckdampf zu Knallgas nach Wunsch eingestellt werden kann.
Es ist auch möglich, den einen Reaktionspartner, z. B. den Wasserstoff, vorher mit dem Niederdruckdampf zu mischen und bei B den anderen Reaktionspartner, z. B. Sauerstoff, durch eine Filterkerze, z. B. aus Carborundum, einströmen zu lassen. Der nach dem Verfahren erzeugte Wasserdampf kann als Wärmeträgergas für vielerlei endotherme Reaktionen, z. B. Crackreaktionen, dienen.
Diese Art der Zuführung der Reaktionsteilnehmer ergibt eine recht wirksame Abschirmung des Hauptteils der Innenwandung des Reaktionsraumes gegen die bei der Reaktion entstehenden Wärmemengen. Die Eigenart der erfindungsgemäß hergestellten Strömung bringt es ferner mit sich, daß beim Umkehrpunkt U der tangential eingewirbelten Reaktionskomponente,4 ein nur geringer Druck herrscht. Der von unten her bei B eingeführte Wasserstoff braucht daher entweder keinen oder nur wenig Vordruck, um eine intensive Durchmischung der beiden Reaktionspartner in der Mischungszone oberhalb des Umkehrpunktes U zu gewährleisten. Die Reaktion spielt sich dann im wirbelnden Zentralstrom im wesentlichen auf der Strecke B-C ab, wobei eine ständige weitere Durchmischung der Komponenten stattfindet. Die durch die Reaktion freigesetzte strahlende Wärme wird nicht unmittelbar an die Wand des Reaktionsraumes, sondern zunächst an den Strom der bei A tangential eingewirbelten Reaktionskomponente abgegeben, wodurch diese im Verlauf ihres Weges von X nach U aufgeheizt wird, und zwar derart, daß sie ihre höchste Temperatur dort erreicht, wo oberhalb des Umkehrpunktes U in der Mischungszone ihre wirbelnde Vermischung mit der von B her zugeführten und gegebenenfalls kalten Reaktionskomponente erfolgt. Dadurch wird erreicht, daß stets und sicher die Zündung des Gemisches erfolgt und daß außerdem die bei der Reaktion entstehende Wärme der Adiabatik des exothermen Vorgangs insgesamt zugute kommt. Die so erzeugte Wärme ist dann im Strom des an der Oberseite des Reaktionsraumes C abgeführten überhitzten Wasserdampf enthalten und kann demzufolge später beispielsweise in einem Abhitzekessel nahezu vollständig wiedergewonnen werden.
Falls eine bestimmte Reaktion eine Reaktionstemperatur erfordert, die unterhalb der Temperatur liegt, die sich durch den adiabatischen Prozeß erreichen läßt, so läßt sich die erforderliche Temperatur dadurch einstellen, daß man eine der Reaktionskomponenten entweder in starkem Überschuß oder aber in Verdünnung mit einem inerten Gas oder Dampf zuführt, das bzw. der an der Reaktion nicht teilnimmt, aber geeignet ist, durch Aufnahme eines Teiles der Reaktionswärme die Reaktionstemperatur auf die gewünschte Höhe einzustellen.
Bei beiden Ausführungsformen ist die gesamte durch die Reaktion freigesetzte Wärme im Strom der abgeführten Reaktionsprodukte enthalten und läßt sich in wirtschaftlicher Weise wiedergewinnen.
Bei den in der Abbildung dargestellten Vorrichtungen braucht nur das Ableitungsrohr bei C aus temperaturbeständigem und korrosionsfestem Material hergestellt zu werden, während der gesamte übrige Körper des Reaktionsraumes aus gewöhnlichem Eisenblech hergestellt werden kann. Allenfalls empfiehlt es sich noch, zusätzlich auch die Umgebung der Misch- und Reaktionszone in der Nähe des Punktes(7 aus widerstandsfähigerem Material zu bauen.
Auch die Isolierung der Apparatur gestaltet sich überaus einfach, weil durch den gewählten Strömungsverlauf der eingewirbelten Komponenten die Seitenwandung des Reaktionsraumes verhältnismäßig kalt bleibt und infolgedessen auch nur ein verhältnismäßig geringes Temperaturgefälle von der Innenwand des Reaktionsgefäßes zum umgec benden Raum besteht.
Die beschriebene Gewinnung von überhitztem Dampf hat somit zunächst den Vorteil des Fortfalls teueren temperaturbeständigen Materials für die Konstruktion des Brennerraumes. Außerdem gestattet die Variation des Dampf-Knallgas-Verhältnisses eine nahezu trägheitslose Regelung der Dampftemperatur. Die Wärmeausbeute liegt infolge der durch die gewählte Konstruktion erzielten Verringerung der Wärmeverluste nach außen, bei zogen auf eingesetzten Wasserstoff, bei go bis 95 O/o der Theorie. Dieser Wert wird bei außenbeheizten Systemen auch nicht annähernd erreicht.

Claims

PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf durch Einführen von Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff in einen Reaktionsraum, in dem eine exotherme Reaktion der Reaktionsteilnehmer erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits Niederdruckdampf tangential an der Basis und andererseits Wasserstoff und Sauerstoff getrennt an der Spitze eines Zyklons zugeführt und daß ein auf diese Weise gebildetes Knallgas-Dampfgemisch in der Nähe des Umkehrpunktes mittels einer elektrisch beheizten Glühkerze od. dgl. gezündet wird, wobei die Temperatur des aus dem zentralen Ableitungsrohr an der Zyklonbasis austretenden überhitzten Wasserdampfes durch Variation des Mengenverhältnisses von Niederdruckdampf und Knallgas nach Bedarf eingestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 489II5, 412 320, 879 09I; schweizerische Patentschrift Nr. 274 5I4; belgische Patentschrift Nr. 506 697; USA.-Patentschriften Nr. 2 400 459, 2 536402.