NO116389B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat for utførelse av en reaksjon ved høy temperatur.

Foreliggende oppfinnelse angår en

fremgangsmåte og et apparat for utførelse av en reaksjon ved høy temperatur. Spesielt angår oppfinnelsen delvis forbrenning av gassdannende brennstoff, for

fremstilling av brennbar gass. Videre angår oppfinnelsen visse metallurgiske frem-gangsmåter og ovner, en forbrenningspro-sess og et kammer for å brenne brennstoff for fremstilling av varme gassformete forbrenningsprodukter for bruk, f. eks. som arbeidsfluidum i gassturbiner, og muligens også dampkjelfyrsteder.

For å spare tid, ved å påskynne reak-sjonene, for å spare anleggsomkostninger, for å forbedre gjennomføringen av fremgangsmåten og for andre formål er det ofte ønskelig å arbeide ved temperaturer over 1200° C endog over 2000° C. For effektiv forbrenning av visse brennstoffer og spesielt for å fremme de svake eksotermiske forgassingsrekasjoner mellom faste og flytende brennstoffer og damp og gass som inneholder oxygen er det meget viktig å holde temperaturen over 1200° C, og det er vanligvis en stadig økning i reaksjons-grad med øking i temperaturen opp til minst 1800° C.

Oppfinnelsen går ut på å gjøre det

mulig å bruke disse høye temperaturer, samtidig som det unngås særlig stor var-meoverføring til veggen i forbrenningskammeret. Jo mindre forbrenningskammeret er desto værre blir tapet på grunn av denne overføring. For å nedsette over-føringen kan en vegg fores med et varme-

isolerende ildfast material, men hvis det ved reaksjonen frembringes varm slagg vil dette angripes og fortære det ildfaste material. Det er hittil ikke kjent noe ildfast material som lenge kan tåle meget høye temperaturer samtidig med angrep av f. eks. varme flytende slagg fra kull. Ikke isolerte vegger av metall må kjøles utenfra, f. eks. ved hjelp av vann, for å unngå overheting, og varmetapet utgjør da en betraktelig del av den samlete varme som utvikles. Et hvilket som helst slagg som dannes av brennstoffet vil på en slik metallvegg bygge opp et lag som er fast nær ved veggen men smeltet på den indre overflate. Dette slagglag er en god varmeisolator, men hvis temperaturen er meget høy vil det smeltete slagg trekke bort og lagtykkelsen blir derved i alminnelighet holdt nede på mindre enn ca. 8 mm. Til tross for den lave lednings-evne for slagg, vil et slikt meget tynt isolerende lag stadig tillate en meget høy overføringsgrad for varme til veggene.

Fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse utføres i et roterende reaksjonskammer med varmeisolerende material som holdes på plass på kamme-rets vegger ved hjelp av sentrifugalkraf-ten, og det særegne består i det vesentlige i at det brukes et varmeisolerende material som er smeltbart ved reaksjonstemperaturen og at overskudd av varmeisolerende material enten i form av slagger eller reaksjonsprodukter, som likeledes er smeltbare ved reaksjonstemperaturen, trekkes kontinuerlig ut av reaksjonskammeret. Videre angår oppfinnelsen et forbrenningskammer som omslutter det rom hvor en reaksjon foregår ved høy temperatur, og som er dreibart idet dets vegger er formet slik at de holder tilbake et lag av smeltet varmeisolerende material med tilstrekkelig tykkelse til å skaffe varmeisolasjon for et midtre reaksjonsrom, et stativ for kammeret med anordninger for dreining av dette med tilstrekkelig hastighet til å skaffe den centrifugalkraft som er nødvendig for å bygge opp og holde et lag med den ønskete tykkelse, og anordninger for innføring av forbrenningsreaksjons-material i kammeret og for uttagning fra kammeret av smeltet varmeisolerende material som overskrider den mengde som trenges for å danne det tykke lag under dreiningen av kammeret. Hittil har tykkelsen av slagglaget bare vært noen få millimeter, mens det i apparater i henhold til oppfinnelsen vil dannes lag med en tykkelse på mange centimeter, i alminnelighet ca. 30—35 cm. Det er således mulig å arbeide ved temperaturer over 1200 eller 1500° C i et kammer som er foret med smeltet kull-aske med en tykkelse av stør-relsesordenen 30—35 cm som, på sin indre overflate vil være smeltet og ha en temperatur som ikke er meget lavere enn reaksjonstemperaturen, men som på den ytre overflate vil være fast og ha en forholdsvis lav temperatur.

Oppfinnelsen går videre ut på å gjen-nomføre en høy temper atur-reaks jon i et rom som er omsluttet av et tykt lag av varmeisolerende material som vedlikeholdes ved hjelp av centrifugalkraft og som er smeltet i det minste på sin indre overflate.

Uttrykket «forbrenningskammer» som er brukt her skal bety et kar hvori det foregår en varmeutviklende kjemisk reaksjon, f. eks. forbrenning eller delvis forbrenning. Slagget kan være smeltet aske utviklet ved forbrenning av brennstoff, men der hvor reaksjonen ikke frembringer noe som kan danne et isolerende lag på veggene kan det føres aske eller småsten inn i kammeret hvor de smeltes på grunn av varmen. Visse prosesser, spesielt metallurgiske prosesser som ikke frembringer aske kan allikevel danne et lag som vil bygge seg opp på veggen og delvis bli fast og tjene som varmeisolasjon.

I mangel av et mere dekkende navn brukes her «slagg» og dette skal omfatte et hvilket som helst stoff som utvikles ved reaksjonen slik at det danner et varmeisolerende lag på veggene, samt slagg eller lignende som er særskilt ført inn i kammeret.

På vedføyete tegninger er det vist en spesiell utførelse i henhold til oppfinnelsen av et roterende syklon-forbrenningskammer for forbrenning eller forgassing av pulverformet kull. Fig. 1 viser et vertikalt halv-snitt. Fig. 2 viser et halvt grunnriss etter

linjen II—II i fig. 1.

Fig. 3 viser en detalj, sett i retningen

for pilen III i fig. 1.

På tegningen omfatter forbrenningskammeret en vertikal metallsylinder 1 som er åpen sentralt øverst, med en innbøyet øverste kant la som er bred nok til å holde på slagg opp til den tykkelse som ønskes øverst, som kan gå opp i mange cm, en flens lb som strekker seg i aksial retning rundt innsiden av kanten la og en nedre og centralt gjennomhullet del lc, som kan være parabelformet men som er vist ko-nisk, og som skråner innover mot sin nedre ende. Dette delvis sylindriske og delvis av-skrånete kammer kan dreie seg om sin akse. Sylinderen er derfor understøttet ved hjelp av et radialt støttelager rundt sin ytre vegg, slik som det skal beskrives nedenfor. Rundt sylinderen 1 er det et ytre hus som bærer lagrene. Huset 2 er lukket øverst, bortsett fra de nødvendige innløpsåpninger for luft og brennstoff og utløpsåpninger for gass, ved hjelp av et rundt faststående lokk 3 og den runde faststående topplate 4 med hull på midten. Rundt omkretsen av sylinderen 1 er det sveiset fast lagerknekter 5 som raker utover og som er bygget opp av flattjern. Disse knekter bærer den ytre ring 6 som danner en lagerflate. Lagerkuler 7 mellom ringen 6 og den indre bærering 8 centrerer og bærer vekten av forbrenningskammeret. Bæreringen 8 er anbrakt på knekter 10 på huset 2. For å dreie kammeret dri-ver en elektromotor 11, over en kobling 12, akselen 13 som raker inn i huset 2 gjennom en pakkboks 14 og bærer et tann-hjul 15 som står i inngrep med tann-ringen 6a som er festet rundt sylinderen 1. Tannringen 6a er vist utført i ett stykke med den ytre lagerring 6.

Utløpsrøret 16 for utføring av de gassformete produkter er anbrakt på og båret av topplaten 4 og det raker innover midt gjennom denne plate i forbrenningskammeret. Rommet rundt røret 16 tjener som ringformet innløpskanal for forbrennings-luft som kommer inn gjennom innløpet 4b, fig. 2. Vinger 22 er festet til og anordnet i en ring rundt røret 16. De er stillet på skrå slik at de bringer den innkommende luft til å utføre en hvirvel-bevegelse, slik som vist i fig. 3. Minst en og fortrinnsvis to rørledninger 23 for innkommende brennstoff med bære-luft er også festet til og anordnet rundt røret 16. Hver rør-ledning 23 er også stillet på skrå slik som vist i fig. 3 slik at det dannes en skrå kanal for innføring av brennstoffet med en hvirvelbevegelse. En labyrinttetning dannes av en sylindrisk skjerm 4a på platen 4 og en lignende skjerm ld øverst i kammeret 1. Gjennom et innløp 3a kan kjøleluft føres inn slik at den strømmer gjennom det ytre hus 2 til luftutløpet 2c. Lufttryk-ket i huset kan være så høyt at det mot-virker særlig stor lekkasje inn i huset gjennom labyrinttetningen.

Den nedre del av 2a av huset 2 er av-skrånet innover rundt den tilsvarende del lc av kammeret 1. Et rør 17 for utføring av slagg raker nedover fra bunnen av delen lc og et tilsvarende omhyllingsrør 18 som raker nedover fra bunnen av delen

2 a danner en tetning ved å stikke ned i vann i den faststående slagg-oppsamler 19 på stativet 20. Det skal forutsettes at tryk-ket i forbrenningskammeret er så lavt at oppsamleren 19 kan være åpen mot atmos-færetrykk og at det ikke trenges noen lukket oppsamler og anordninger for å pumpe bort det slagg som er samlet opp. Huset 2 og motoren 11 bæres ved hjelp av de vertikale søyler i et stativ 21 som står opp fra stativet 20. Et rør 24 som raker nedover ved siden av utløpsrøret 1 gjør det mulig ved behov å føre inn innretninger for å an-tenne brennstoffet i kammeret 1. Under drift kommer pulverformet eller knust kull eller annet brennstoff som bæres ved hjelp av luft under trykk inn i kammeret 1 gjennom rørledningene 23 og vil hvirvle rundt den vertikale akse for kammeret. Hovedtilførselen av forbren-ningsluft kommer inn i kammeret, med en lignende hvirvelbevegelse i samme retning, fra innløpet 4b og blander seg med brennstoffet. Blandingen antennes i kammeret. Luften og brennende brennstoff i kammeret beveger seg innover i en skrue-formet bane mot det midtre utløp som dannes av røret 16. De smeltete askepar-tikler som utvikles blir ved centrifugalkraft kastet utover slik at de bygger opp et lag S på veggen i sylinderen 1. Dette lag kan være fast der det berører veggen, men den indre overflate Si av laget vil holde seg smeltet. Hvis sylinderen 1 stod stille, slik som det tidligere var vanlig, ville alt det smeltete slagg renne ned til bunnen og dryppe ned i oppsamleren 19. Når sylinderen 1 dreies ved hjelp av mo toren lii henhold til oppfinnelsen vil det flytende slagg spre seg ut ved hjelp av centrifugalkraft på den måten som er kjent for væske i et kar som dreier seg om en vertikal akse, slik at det dannes et lag med en indre overflate Si som er parabelformet. Det nedre parti lc holder slagg tilbake og gjør det mulig for et tykt lag å bygge seg opp. Den øvre innbrettete kant la er bred nok til å holde tilbake slagg til den tykkelse som. ønskes der, en tykkelse som kan være mange cm. Hvis den øvre indre diameter eksempelvis er ca. 90 cm og høyden av paraboloiden skal være ca. 90 cm, dreies cylinderen med ikke meget

mere enn en omdreining pr. sekund. Disse dimensjoner, og sylinderdimensj onene velges for å få den ønskete lagtykkelse, alt etter den varmeisolasjon som ønskes. For å hjelpe til raskt å danne den nødven-dige indre diameter for forbrenningsrom-met kan det heldes inn smeltet slagg. Kammeret blir fortrinnsvis forsynt med en første foring av sement eller annet var-mebestandig material med en tykkelse som er mindre enn den samlete tykkelse som ønskes. Det slagglag som dannes kan an-gripe dette material og gradvis erstatte det inntil hele tykkelsen av laget utgjøres av slagg. Når den ønskete lagtykkelse er oppnådd vil overskudd av slagg i flytende form renne ned i vannet i beholderen 19. Den damp som derved frembringes kommer inn i kammeret 1. Hvis det ikke dannes særlig meget slagg ved forbrenningen i kammeret, kan ett eller annet slaggdannende material, f. eks. aske eller småsten føres inn enten gjennom innløpet 4b eller sammen med brennstoffet, og smeltes ved brenne noe av brennstoffet. De slaggpar-tikler som dannes og som samler seg byg-ges opp ved centrifugalkraft for å fullføre det tykke lag S ved å dreie kammeret. Alternativt kan kammeret fores med sement eller annet material, slik som nevnt foran, som smelter ved forbrenningstemperatu-ren. Den kjøleluft som kommer inn i det ytre hus gjennom innløpet 3a og som hvirvler rundt forbrenningskammeret kjøler den ytre overflate og kammerveggen og holder derved lagrene kolde. Luften passerer mellom kammerveggen og hylsterveggen 2a og derfra til utløpet 2c. Noe slagg vil sannsynligvis samle seg inne i utløpsrøret 16, i forholdsvis liten tykkelse, men dette rør vil i alle tilfeller bli meget varmt innvendig og tjene til å over-føre varme til den forholdsvis kolde innkommende luft rundt utsiden av røret.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til den utførelse som er vist. Således kan anord-ningen utføres slik at overskudd av slagg kan kastes ut med centrifugalkraft øverst i forbrenningskammeret, i stedet for å

tømmes ut fra bunnen. Slagget kan spre seg ut over den øvre kant enten kontinuer-

lig eller intermittent under kortvarige perioder med raskere omdreining av sylin-

deren, og fortrinnsvis slik at slagget som spres ut størkner i små klumper. Dette slagg faller ned i en oppsamler på toppen av det ytre hus 2. Med slaggspredning fra toppen, kan bunnen av forbrenningskam-

meret være fullstendig lukket. Det blir da et tykt varmeisolerende lag mellom for-brenningsrommet og bunnen av kammeret.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til et

syklon- eller hvirvelkammer, men kan til-

passes et kammer med strøm rett gjen-

nom. I en slik utførelse er den roterende vertikale sylinder åpen i begge ender, men har i den ene ende en innbrettet kant, i likhet med kanten la, som er tilstrekkelig bred til å holde tilbake et slagglag med den tykkelse som ønskes. Sylinderen understøttes ved hjelp av lagre slik som beskrevet. Luft og brennstoff føres inn i kammeret gjennom innløp i en faststående bunnplate rundt hvilken den nedre ende av sylinderen dreier seg. Gass tømmes ut gjennom den åpne øvre ende av sylinde-

ren. Slagg slår seg ned på den indre vegg av sylinderen, slik som allerede beskrevet. Overskudd av slagg fra det tykke lag kan

falle fra bunnen av sylinderen eller kastes ved centrifugalkraft over toppen av sylin-

deren inn i det ytre hus for oppsamling og bortføring slik som allerede beskrevet. Forbrenningsluften kan hvirvles rundt og

derved vil asken lettere kastes utover mot veggen i kammeret. Alternativt kan inn-

løpene for luft og brennstoff være øverst og gassutløpet nederst.

Det er klart at denne siste utførelse

kan endres slik at forbrenningskammeret er horisontalt og dreier seg om en horison-

tal akse. For et slagglag med en indre dia-

meter på ca. 60 cm trenger hastigheten bare å være 60 omdreininger pr', min. og den trenger bare å være 35 o/min. for en indre diameter på ca. 183 cm.

I hvilken som helst av de utførelser

som er beskrevet ovenfor kan motoren 11

og tannhjulet 15 sløyfes og forbrenningskammeret dreies ved virkningen av den innkommende luft, eller eventuelt av den utgående gass, på vinger, turbinskovler e. 1. festet til det dreibare kammer.

Det fremgår av ovenstående hvorledes

de utførelser som er beskrevet kan tilpas-

ses for bruk som kammer for hvilke som helst av forskjellige reaksjoner med var-

meutvikling og høy temperatur. Således kan oppfinnelsen tilpasses en høytempera-turprosess hvor en kjemisk prosess gir minst ett produkt, som kan være det pro-

dukt som tilsiktes ved prosessen, som er varmeisolerende og smeltet ved reaksjonstemperaturen, idet da det omsluttende lag er av dette produkt og overskudd ut over den ønskete lagtykkelse tas ut av kammeret for å brukes annensteds. En slik typisk prosess er fremstillingen av kal-siumkarbid.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for utførelse av en

reaksjon ved høy temperatur i et roterende reaksjonskammer med varmeisolerende material som holdes på plass på kamme-rets vegger ved hjelp av sentrifugalkraf-ten, karakterisert ved at det brukes et varmeisolerende material som er smeltbart ved reaksjonstemperaturen og at overskudd av varmeisolerende material enten i form av slagger eller reaksjonsprodukter, som likeledes er smeltbare ved reaksjonstemperaturen, trekkes kontinuerlig ut av reaksjonskammeret.

2. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, hvor det kjemisk produkt som dannes ved fremgangsmåten er i smeltet tilstand ved reaksjonstemperaturen, karakterisert ved at det tykke isolerende lag som er bygget opp og holdes ved centrifugalvirkning inneholder et lag av det nevnte kje-miske produkt.

3. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, karakterisert ved at det i reaksjonsrom-met innføres oksydert slaggdannende material som er smeltet ved reaksjonstemperaturen for å danne et lag som holdes ved centrifugalvirkning og at kammeret kontinuerlig tilføres brennstoff og oxy-genholdig gass som reagenser.

4. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1 eller 3 for forgassing eller brenning av brennstoff for frembringelse av brennbar gass eller varme forbrenningsprodukter for senere bruk, idet brennstoffet er av den art at reaksjonen ikke gir noe vesent-lig slagg, karakterisert ved at reaksjonen utføres ved temperatur som ikke er lavere enn 1200° C og ved at det i forbrennings-rommet føres inn ett eller annet varmeisolerende eller slaggdannende material, f. eks. aske, som er i smeltet tilstand ved reaksjonstemperaturen og at dette material dreies slik at den tykke roterende masse vedlikeholdes rundt forbrennings-rommet.

5. Forbrenningsapparat for utførelse av den fremgangsmåte som er angitt i på-standene 1, 2, 3 eller 4, omfatter et dreibart forbrenningskammer med omkrets-vegg, karakterisert ved at veggen er ut-formet slik at den kan holde på et lag av smeltet varmeisolerende material med tilstrekkelig tykkelse til å skaffe varmeisolasjon for et midtre reaksjonsrom, et stativ for kammeret med anordninger for dreining av dette med tilstrekkelig hastighet til å skaffe den centrifugalkraft som er nødvendig for å bygge opp og holde et lag med den ønskete tykkelse og anordninger for innføring av forbrenningsmaterial i kammeret og for uttagning fra kammeret av smeltet varmeisolerende material som overskrider den mengde som trenges for å danne det tykke lag under dreiningen av kammeret.