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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines
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fließfähigen, aus Teilchen unterschiedlicher Masse bestehenden Brennstoffes,
insbesondere Kohlenstaub, in einer Brennzone unter Zuführung eines sauerstoffhaltigen
Gases.
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Bei der Verbrennung von Kohlenstaub, aber auch bei der Verbrennung
von schwerem Heizöl besteht das Problem, daß eine vollständige Verbrennung aufgrund
des Umstandes, daß diese Brennstoffe aus Teilchen von erheblich unterschiedlicher
Masse bestehen, nur schwer zu erreichen ist. Teilchen größerer Masse brauchen eine
längere Zeit zum Verbrennen, sollten also die Möglichkeit einer längeren Verweilzeit
in der Brennzone haben, und sie benötigen außerdem mehr Sauerstoff als Teilchen
kleiner Masse, um vollständig zu verbrennen. Diese Voraussetzungen erfüllen die
bekannten Brenner nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit dem eine weitgehend vollständige Verbrennung des Brennstoffes
unabhängig von der Masse der einzelnen Brennstoffteilchen erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird bei richtiger Wahl der Relativgeschwindigkeit
zwischen Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas erreicht, daß jedes Brennstoffteilchen
entsprechend seiner Masse bis zu einer Stelle vordringen kann, in welcher der Sauerstoff-Partialdruck
in einer gewissen Relation zu seiner Masse steht, so daß ausreichend Sauerstoff
zur vollständigen Verbrennung des betreffenden Teilchens zur Verfügung steht. Außerdem
ist die Verweilzeit
in der Brennzone für Teilchen größerer Masse
länger als für Teilchen kleinerer Masse, wodurch jedes Teilchen entsprechend seiner
Masse eine ausreichende Zeit zum Verbrennen hat.
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Insbesondere beim Verbrennen von Kohlenstaub ist es zweckmäßig, diesen
mit einem fließfähigen Fördermedium gemischt im Gegenstrom zu dem sauerstoffhaltigen
Gas zuzufUhren.
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Dieses Förderniedium kann ein Gas, es kann jedoch auch Wasser oder
ein anderer Brennstoff, z.B. Erdgas, Methanol.
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Äthanol oder dgl. sein. Bei der Verbrennung von schwerem Heiöl hat
sich der Zusatz von etwa 5% Wasser als vorteilhaft erwiesen.
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Zweckmäßigerweise wird der Brennstoff von oben und das sauerstoffhaltige
Gas von unten der Brennzone zugeführt.
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Dadurch wird vermieden, daß der Brennstoff durch die Schwerkraft aus
seiner auf den Gasstrom gerichteten Richtung abgelenkt wird. Die Geschwindigkeit
des sauerstoffhaltigen Gases kann auf seinem Weg zur Brennzone zwischen Hoch- und
Tiefwerten verändert werden, um zu erreichen, daß Brennstofftellchen größerer Masse
die Bereiche, in denen die Geschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Gases einen geringen
Wert hat, durchfliegen, in der nächsten Zone, in der die Geschwindigkeit des sauerstoffhaltigen
Gases hoch ist, abgebremst und in die Brennzone zurückgeführt wird.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise in einem Kessel-
oder einem anderen Feuerraum verwirklichen zu können, ist es zweckmäßig, daß der
Brennstoff zunächst in der Strömungsrichtung des sauerstoffhaltigen Gases geführt
und dann in oder hinter der Flamme umgelenkt wird, so daß er nun im Gegenstrom zu
dem sauerstoffhaltigen Gas strömt.
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Dadurch läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Brenner
verwirklichen, der in eine Öffnung in der Wand eines Feuerraumes eingesetzt werden
kann und sowohl den Anschluß für das sauerstoffhaltige Gas als auch den Anschluß
für den Brennstoff enthält. Die Brennstoffleitung kann dabei durch die Mischzone
und die Brennzone gelegt werden oder auch parallel dazu außerhalb der Misch- und
Brennzone angeordnet werden.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 ein Diagramm, das den Verbrennungsablauf bei
den üblichen Brennern darstellt, bei denen der Brennstoff und die Verbrennungsluft
in der gleichen Richtung strömen, Fig. 2 ein Diagramm des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Feuerraumes mit einem Brenner zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer
zweiten Ausführungsform eines Brenners.
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In dem Diagramm gemäß Fig. 1 ist auf der Abszisse die Verweilzeit
sowie der Sauerstoffgehalt in der Brennzonetto bis 0 t1)und auf der Ordinate die
Masse der Brennstoffteilchen aufgezeichnet. Der Sauerstoffgehalt verringert sich
von links nach rechts von z.B. 21% bis auf z.B. 2%. Der Verbrennungsvorgang verläuft
in dem Diagramm von links nach rechts und beginnt bei to. Brennstoff und Verbrennungsluft
werden beide von links zugeführt. Teilchen kleiner Masse, deren Weg durch die Brennzone
durch die Linien a,
b, und c dargestellt ist, verbrennen in einem
Bereich hohen Sauerstoff-Partialdruckes sehr schnell und vollständig, während Teilchen
größerer Masse, wie die Teilchen, deren Weg durch die Linien d, e, und f dargestellt
ist, eine wesentlich längere Zeit zum vollständigen Verbrennen brauchen und mit
fortschreitendem Durchfliegen der Brennzone in Gebiete mit immer geringer werdendem
Sauerstoff-Partialdruck gelangen, so daß ein vollständiges Ausbrennen nicht mehr
gewährleistet ist. Dies ist z.B. bei den Teilchen e und f zu sehen, die am Ende
tl der Verweilzeit noch immer eine wenn auch verringerte Masse haben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dessen Brennverlauf in Fig. 2
dargestellt ist, wird die Luft von links und der Brennstoff von rechts zugeführt.
Die Linien zeigen wiederum den Weg der Brennstoffteilchen in der Brennzone (to bis
t1) in Abhängigkeit von der Masse der Teilchen. Wie ersichtlich, verbrennen Teilchen
mit kleiner Masse in der Flamme bei verringertem Sauerstoff-Partialdruck, während
Teilchen größerer Masse durch die Flamme hindurchfliegen, dabei gezündet werden
und in Konen hohen Sauerstoff-Partlaldrucks eindringen, dadurch beschleunigt abbrennen,
durch die entgegenströmende Luft abgebremst und mit abnehmender Masse in die Flamme
zurückgeführt werden, bis sie schlielizh vollständig verbrannt sind. Der Beginn
der Flamme ist in Fig. 2 durch die senkrechte Linie B angedeutet.
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In Fig. 3 ist schematisch eine Anlage zur Durcnführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Dabei ist mit 1 ein Feuerraum bezeichnet, in den ein Rohr
2 hinelnragt, das eine zentrale Verbrennungsluftzufuhr 3 aufweist. Der Brennstoff
wird durch eine Leitung 4 zugeführt, die eine Austrittsdüse 5 aufweist, welche in
Richtung auf die Luftzufuhr
3 gerichtet ist. Im Betrieb bildet
sich eine Flamme 6 aus. Entsprechend dem Diagramm von Fig. 2 verbrennen Teilchen
kleiner Masse in der Flamme 6, da sie aufgrund ihrer geringen Masse bereits dort
durch den entgegenstehenden Luftstrom angehalten werden, während Teilchen größerer
Maste durch die Flamme 6 hindurchfliegen, dort gezündet werden und in die Verbrennungsluft
eindringen, von dieser abgebremst und umgelenkt werden, so daß sie in die Flamme
6 zurückfliegen und dort vollständig verbrannt werden. Die Rauchgase der Verbrennung
werden durch einen Abgasstutzen 7 abgeführt.
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Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung eines Brenners, der ebenfalls
in die Wand 8 eines Feuerraumes oder dgl. eingesetzt werden kann. Dieser Brenner
weist einen rohrförmigen Körper 9 auf, der in seinem unteren Bereich eine Luftzuführung
10 besitzt und sich nach unten zu konisch verjüngt, um einen Sammelraum 11 für Fest
stoffe zu bilden, der mit einer durch ein Ventil 12 beherrschten Entleerungsleitung
13 für die Feststoffe in Verbindung steht. Nach oben zu hat der rohrförmige Körper
9 eine erste Verengung 14, erweitert sich dann bei 15 etwa kugelförmig, um sich
nach einer zweiten Einschnürung 16 in einem trichterförmigen Abschnitt 17 fort zusetzen.
Die Brennstoffleitung 18 erstreckt sich hierbei durch den rohrförmigen Körper 9
hindurch nach oben und weist an seinem oberen Ende 19 einen Ulekkörper 20 für den
Brennstoff auf. In der kugelförmigen Erweiterung 15 ist ein Lochblech 16 quer zur
Strömungsrichtung der Luft und des Kraftstoffes angerdnet.
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Die Verbrennungsluft strömt aus den anschluß 10 in dem Rohr 9 entsprechend
der Pfeile 21 nac oben, während der aus der
Leitung 18 austretende
Brennstoff, durch den Körper 20 umgelenkt,in Richtung der Pfeile 22 nach unten strömt.
Es bildet sich wiederum eine Flamme 6' aus. Brennstoffteilchen kleiner Masse werden
bereits innerhalb der Flamme 6' von dem entgegenstehenden Luftstrom abgebremst und
verbrennen dort, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, während Brennstoffteilchen
größerer Masse die Flamme 6' durcnfliegen, dabei gezündet, im Bereich der Verengung
16 aufgrund der dadurch bedingten höheren Luft geschwindigkeit stark abgebremst
werden und zum Teil bereits hier umgelenkt und in die Flamme 6' zurückgeführt werden.
Brennstoffteilchen, die noch nicht umgelenkt wurden, gelangen in den Bereich der
icugelförmigen Erweiterung i5, in der eine geringere Luftströmungsgeschwlndigkeit
herrscht und werden durch das Lochblech 16 angehalten, brennen dort ab und werden
dann durch die Luftströmung in die Flamme 6' zurückbefördert.
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Die Funktion des Lochblechs 16 kann auch durch die Einschnürung 14
wahrgenommen werden, da dort die Teilchen auf einen Luftstrom hoher Strömungsgeschwindigkeit
stoßen und an einem weiteren Eindringen in die Verbrennungsluft gehindert werden.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird der Brennstoff von
oben und die Luft von unten zugeführt. Dies erfolgt zu dem Zweck, den Einfluß der
Schwerkraft auf die Strömungsrichtung des Brennstoffes auszuschalten.
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Insbesondere bei Verwendung von Kohlenstaub als Brennstoff ist es
empfehlenswert, diesen Brennstoff zusammen mit einem fließfähigen Fördermedium zuzuführen.