DE68909851T2

DE68909851T2 - Verbrennungsvorrichtung.

Info

Publication number: DE68909851T2
Application number: DE1989609851
Authority: DE
Inventors: Saburo Maruko
Original assignee: Nippon Chemical Plant Consultant Co Ltd
Current assignee: Nippon Chemical Plant Consultant Co Ltd
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2009-07-07
Also published as: EP0493376A3; DE68924539D1; EP0350032A3; DE68909851D1; EP0493376A2; EP0493376B1; EP0350032A2; EP0350032B1; DE68924539T2

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das in dieser Art von Verbrennungsvorrichtung produzierte Gas wird vorzugsweise erzeugt durch vollständige Verbrennung dergestalt, dass es frei von Verunreinigern wie Stickoxyden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd ist und einen ausreichend niedrigen Gehalt an Restsauerstoff aufweist.
Bisher wurden für diese Art von Verbrennungsvorrichtungen drei verschiedene Einrichtungen wie folgt vorgeschlagen:
(1) Eine Verbrennungsvorrichtung, in welcher Brennstoff mit Luft zur Herstellung eines Luft-Brennstoff-Mischgases vermischt wird, dessen Mischungsverhaltnis im zündfähigen Grenzbereich liegt; ein elektrischer Funke von einer Zündkerze der Vorrichtung leitet die Verbrennung des Mischgases ein, wobei das Luft-Brennstoff-Mischgas anschliessend kontinierlich verbrannt wird;
(2) eine Verbrennungsvorrichtung gemäss der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung eingereichten Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-33213, in welcher Brennstoff mit vorgewärmter Luft zu einem vorgewärmten Luft-Brennstoff- Mischgas vermischt wird, das in Reaktion mit Katalysatoren eine katalytische Verbrennung erfährt; und
(3) eine Verbrennungsvorrichtung gemäss der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung eingereichten Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-226808, in welcher eine äussere Umfangsfläche eines Heizrohrs eines Hauptverbrennungsaggregats mittels einer Hilfsverbrennungseinheit kontinuierlich auf die Zündpunkttemperaturen der Brennstoffe erhitzt wird und die Brennstoffe für eine kontinuierliche Verbrennung in Kontakt mit dem so erwärmten Heizrohr gebracht werden.
Diese vorstehend unter (1) bis (3) beschriebenen Verbrennungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik sind mit den folgenden Nachteilen behaftet:
Bei der Verbrennungsvorrichtung gemäss Punkt (1) besteht der Nachteil in der Tatsache, dass das Verbrennungsgas zum Teil auf einer hohen Temperatur gehalten wird, um die Flamme am Brennen zu halten: diese hohe Temperatur macht es unmöglich, das Auftreten von Stickoxyden (NOx) im Verbrennungsgas zu verhindern. Da ausserdem die Zeit für das Vermischen von Brennstoff und Luft sowie auch für die Verbrennung des so hergestellten Luft-Brennstoff-Mischgases sehr kurz ist, ist diese unter (1) beschriebene Verbrennungsvorrichtung durch Verunreiniger wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und dergleichen belastet und verbleibt eine beträchtliche Menge an Restsauerstoff.
(2) Bei der unter (2) beschriebenen Verbrennungsvorrichtung kann das Luft-Brennstoff-Mischgas bei relativ niedriger Temperatur entflainmen. Wenn jedoch das Mischgas bei höheren Temperaturen als 1300 ºC verbrannt wird, verringert diese Hochtemperaturverbrennung des Mischgases die Nutzungsdauer der in der Verbrennungsvorrichtung eingesetzten Katalysatoren, wodurch es unmöglich ist, die Vorrichtung über längere Zeiten zu betreiben. Darüberhinaus lassen sich in dieser Verbrennungsvorrichtung keine schwefelhaltigen Brennstoffe einsetzen, weil der Schwefel sich vergiftend auf die Katalysatoren auswirkt.
Die Verbrennungsvorrichtung gemäss Punkt (3) hat den Nachteil, dass die Hilfsverbrennungseinheit mit dem Hauptverbrennungsaggregat zusammen ständig in Betrieb ist, so dass der Bedienungsperson für die Vorrichtung durch die doppelte Kontrolle die Bedienung erschwert wird. Darüberhinaus ist es bei dieser Verbrennungsvorrichtung nicht möglich, das Auftreten von Stickoxyden (NOx) im Verbrennungsgas weitgehendst vollständig auszuschliessen.
In der in dieser Art von Verbrennungsvorrichtung eingesetzten Mischeinheit wird ein sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft in einem vorgegebenen Verhältnis mit Brennstoff zu einem Luft-Brennstoff-Mischgas vermischt, das mit einem vorgegebenen Druck in die Verbrennungseinheit der Vorrichtung eingeleitet wird. Die Luft-Brennstoff-Mischeinheit umfasst ein Venturi-Rohr mit einer Venturi-Engstelle, in der eine Brennstoffaustrittsdüse angeordnet ist. Beim Durchgang vorgewärmter Luft durch die Engstelle des Venturi-Rohrs der Luft-Brennstoff-Mischeinheit entsteht im Engstellenbereich ein Teilvakuum, durch das anschliessend die Brennstoffaustrittsdüse Brennstoff in die den Venturi-Engstellenbereich durchströmende vorgewärmte Luft einsprüht.
Bei Ablauf des Verbrennungsvorgangs mit einer Temperatur zwischen 1200 bis 1400 ºC in der vorbeschriebenen Verbrennungsvorrichtung wird Brennstoff mit sauerstoffhaltigen Gas bzw. Luft, das bzw. die auf eine Temperatur zwischen 500 und 900 ºC vorgewärmt wurde, in der Mischeinheit vermischt. In diesem Falle wird auch die in der Engstelle des Venturi- Rohrs befindliche Brennstoffaustrittsdüse und das mit dieser verbundene Brennstoffzufuhrrohr auf diese Temperatur von 500 bis 900 ºC erhitzt. Dies hat zur Folge, dass der Brennstoff oft thermisch zersetzt wird und dass Kohlenstoffteilchen in der Brennstoffaustrittsdüse und im Brennstoffzufuhrrohr ausgefällt werden. Die so abgeschiedenen Kohlenstoffteilchen führen häufig zu einer Verstopfung von Düse und Rohr.
Besonders in dem Falle, da die Verbrennungsvorrichtung für die Zufuhr eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases (dessen Temperatur ca. 1400 ºC beträgt) zu einer Anzahl in Reihe geschalteter Kessel im vorderen Bereich eines jeden der Kesselaggregate angeordnet ist, gilt Folgendes: das von der ersten Verbrennungsvorrichtung gelieferte Verbrennungsgas wird dem ersten Kessel zugeführt; nach dem Passieren des ersten Kessels geht das Gas zur zweiten Verbrennungsvorrichtung und nach Durchströmen derselben zum zweiten Kesselaggregat, wobei in dieser Reihenfolge die übrigen Kessel und Verbrennungsvorrichtungen durchströmt werden, bis schliesslich das Verbrennungsgas den letzten Kesel passiert hat. Es wird hier also eine Mehrstufennutzung des Verbrennungsgases erreicht. In diesem Falle wird das Verbrennungsgas in jeden der Kessel mit einer Temperatur von 1400 ºC eingeleitet, um nach Durchströmen eines jeden Kesselaggregats mit einer Temperatur von 700 ºC aus diesem auszutreten. Das so abgegebene Verbrennungsgas wird jeweils in die Luft-Brennstoff-Mischeinheit der jeweils nächsten Verbrennungsvorrichtung eingeleitet, mit Brennstoff vermischt und zur erneuten Erhitzung auf eine Temperatur von 1400 ºC zur Verbrennung gebracht. Da das Venturi-Rohr der Luft-Brennstoff-Mischeinheit in einem Bereich nahe der Brennstoffaustrittsdüse auf eine beträchtlich hohe Temperatur erhitzt wurde, erfährt der Brennstoff in der Düse eine wiederholte thermische Zersetzung unter Ausfällung von Kohlenstoffteilchen mit dem Nachteil, dass die Brennstoffdüse im Venturi-Rohr der Luft-Brennstoff- Mischeinheit zugesetzt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegen die vorgeschilderten Umstände zugrunde.
Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung, die in der Lage ist, ein Verbrennungsgas herzustellen, das praktisch frei ist von allen Verunreinigern wie Stickoxyden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxyd und dergleichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung, in welcher eine vollständige Verbrennung eines aus sauerstoffhaltigem Gas bzw. Luft und Brennstoff bestehenden Mischgases möglich ist, indem das Mischgas in Kontakt gebracht wird mit einer grossen Anzahl von hohe Temperatur führenden Oberflächen, und die in mehrstufigen mit Verbrennungsgas betriebenen Systemen eingesetzt werden können, welche in Reihe geschaltet sind und eine wirksame Ausnutzung des Verbrennungsgases und damit eine beträchtliche Energieeinsparung gewährleisten.
Schliesslich sieht eine weitere Aufgabe der Erfindung vor die Schaffung einer Luft-Brennstoff-Mischeinheit für die Verbrennungsvorrichtung, bei der praktisch keinerlei Gefahr besteht, dass die Brennstoffaustrittsdüse und das mit dieser verbundene Brennstoffzufuhrrohr der Mischeinheit mit Kohlenstoffteilchen, die durch thermische Zersetzung des Düse und Rohr zugeführten Brennstoffs entstehen, zugesetzt werden.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend beschriebenen Aufgaben gelöst durch Schaffung einer:
Verbrennungsvorrichtung mit:
(a) einem Eintrittskanal zum Einlassen eines Verbrennungsgases in einer vorgegebenen Richtung, welcher Eintrittskanal begrenzt wird durch wärmeisolierendes Material, das im wesentlichen im mittleren Bereich eines äusseren Gehäuses angeordnet und an seinem stromaufwärtigen Ende geschlossen ist;
(b) einem Austrittskanal zum Auslassen des Verbrennungsgases in Richtung entgegengesetzt zu der vorgegebenen Richtung, nachdem das Verbrennungsgas durch den Eintrittskanal geströmt ist, welcher Austrittskanal an seinen gegenüberliegenden Endbereichen offen und in dem Eintrittskanal so angeordnet ist, dass er mit dem Eintrittskanal an dessen stromabwärtigen Ende über einen am stromabwärtigen Endbereich des Eintrittskanals gebildeten Raum verbunden istin Verbindung steht;
(c) einer Mischgas-Haupteintrittsleitung zum Einleiten eines Mischgases aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff, welche Mischgas-Haupteintrittsleitung direkt verbunden ist mit dem stromaufwärtigen Ende des Eintrittskanals durch dessen Umfangswand hindurch;
(d) einer Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff zum Mischen eines vorerwärmten sauerstoffhaltigen Gases mit Brennstoff in einem vorgegebenen Verhältnis und zum Herstellen des Mischgases, welche Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff mit der Mischgas-Haupteintrittsleitung verbunden ist und Mischgas in die Mischgas- Haupteintrittsleitung mit einem vorgegebenen Druck einleitet;
(e) einer Verbrennungsgas-Hilfseintrittsleitung zum Einleiten eines anderen Verbrennungsgases in den Eintrittskanal, welches andere Verbrennungsgas hergestellt wird durch Verbrennen von ein sauerstoffhaltiges Gas enthaltenden Brennstoff mit Hilfe eines Steuerbrenners, welche Verbrennungsgas-Hilfseintrittsleitung mit einem Endbereich des Eintrittskanals diametral gegenüber der Mischgas-Haupteintrittsleitung verbunden ist; und
(f) einer Verbrennungsgas-Auslassleitung in einem Seitenbereich des äusseren Gehäuses und des wärmeisolierenden Materials, welche Verbrennungsgas-Auslassleitung mit einem stromabwärtigen Auslassbereich des Austrittskanals verbunden ist.
In einer zweiten Ausführungsform werden die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung, welche die gleiche Konstruktion wie die vorbeschriebene erste Ausführungsform aufweist und versehen ist mit einem bienenwabenförmigen Durchlassglied in jedem der Auslassbereiche des Eintritts- und des Austrittskanals.
Weiter werden nach einer dritten Ausführungsform die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst durch Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung, welche die gleiche Konstruktion wie die vorbeschriebene erste Ausführungsform aufweist und in welcher der Eintritts- und der Austrittskanal aus Hülsenelementen gebildet sind dergestalt, dass das den Austrittskanal bildende Hülsenelement einen unterschiedlichen Durchmesser gegenüber dem Hülsenelement aufweist, das den Eintrittskanal bildet.
Die Lösung der Aufgaben der Erfindung erfolgt nach einer vierten Ausführungsform durch Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung, welche die gleichen konstruktiven Merkmale aufweist wie die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und in welcher der Eintritts- und der Austrittskanal aus Hülsenelementen gebildet sind derart, dass eine Anzahl der Hülsenelenente, die den Austrittskanal bilden, einen kleineren Durchmesser als das Hülsenelement aufweist, das den Eintrittskanal bildet, und in dem Eintrittskanal angeordnet ist.
In einer fünften Ausführungsform werden die Aufgaben der Erfindung gelöst durch Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung mit den konstruktiven Merkmalen der vierten Ausführungsform, in welcher wenigstens eine Ablenkplatte derart in dem Eintrittskanal angeordnet ist, dass sie senkrecht zu einer Längsrichtung des Eintrittskanals verläuft.
Mit einer sechsten Ausführungsform wird die Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben erreicht durch Schaffung einer Verbrennungsvorrichtung mit den konstruktiven Merkmalen der ersten Ausführungsform, in der die Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff umfasst ein Venturi-Rohr, das mit einer Venturi-Engstelle versehen und von wärmeisolierendem Material umgeben ist; ein Brennstoffzufuhrrohr mit seiner Brennstoffaustrittsdüse in der Venturi-Engstelle des Venturi-Rohres, welche Brennstoffaustrittsdüse im vorderen Endbereich des Brennstoffzufuhrrohres angeordnet ist; und eine Kühleinheit zum Kühlen geeigneter Teile der Brennstoffaustrittsdüse und des Brennstoffszufuhrrohres, das mit der Brennstoffaustrittsdüse in Verbindung steht.
Weitere Aufgaben, Aus führungs formen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Einzelbeschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen:
Es bedeutet:
Figur 1 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung;
Figur 2 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung in ihrer ersten Ausführungsform auf der Linie 11-11 in Figur 2;
Figur 3 eine Längsschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung;
Figur 4 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung in ihrer zweiten Ausführungsform auf der Linie IV-IV in Figur 3;
Figur 5 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung in ihrer zweiten Ausführungsform auf der Linie V-V in Figur 3;
Figur 6 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform der in der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung eingesetzten Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff; und
Figur 7 eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der in der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung eingesetzten Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es folgt nunmehr die detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung sowie der in der Verbrennungsvorrichtung eingesetzten Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Zunächst zeigen die Figuren1 und 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung, in welcher die Bezugsziffer 1 eine äussere Hülse und die Bezugsziffer 2 eine konzentrisch in der äusseren Hülse angeordnete innere Hülse bezeichnen. Beide Hülsen 1, 2 sind aus Keramikmaterial hergestellt. Wie aus Figur 1 ersichtlich, befindet sich ein ringförmiger Eintrittskanal für aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff bestehendes Mischgas zwischen einer inneren Umfangsfläche der äusseren Hülse 1 und einer äusseren Umfangsfläche der inneren Hülse 2, wobei der innere Bereich der inneren Hülse 2 einen Austrittskanal 4 für ein Verbrennungsgas bildet. Der Eintrittskanal 3 ist an seinem stromaufwärtigen Ende geschlossen und mündet mit seinem anderen Endbereich in einen am stromabwärtigen Ende der Mischgasbahn gebildeten kaum in einem Endbereich der äusseren Hülse 1, der mit einer Eintrittsöffnung des Austrittskanals 4 in Verbindung steht. Somit ist der Eintrittskanal 3 über diesen Raum mit dem Austrittskanal 4 verbunden. Eine Haupteintrittsleitung 5 mündet nahe ihrem Endbereich auf der stromaufwärtigen Seite des Mischgasstroms in die Umfangswand des Eintrittskanals 3. Andererseits mündet eine Hilfseintrittsleitung 6 ebenfalls in die Umfangswand des Ein 3trittskanals, und zwar an einem von der Haupteintrittsleitung 5 umfangsmässig abgesetzten Punkt. Eine Austrittsöffnung des Austrittskanals 4 ist mit einer Verbrennungsgas- Auslassleitung 7 verbunden. Im stromabwärtigen Endbereich des Eintritsskanals 3 ist ein ringförmiges bienenwabenartiges Durchlassglied 8 aus Keramikmaterial fest montiert. Andererseits befindet sich in der Auslassöffnung des Austrittskanals 4 ein festmontiertes stopfenförmiges, bienenwabenartiges Durchlassglied 9 aus Keramik. Diese bienenwabenförmigen Durchlassglieder 8, 9 vergrössern die Zahl der mit dem Verbrennungsgas in Kontakt gelangenden Strömungsflächen.
Wie die Figur 1 zeigt, ist die äussere Hülse 1 über wärmeisolierendes Material 10 fest in einem äusseren Gehäuse 10a montiert.
Eine Mischeinheit 11 für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff ist mit dem Haupteintrittskanal 5 auf der stromaufwärtigen Seite der Eintrittsleitung 3 verbunden. Andererseits steht ein Steuerbrenner 12 mit der Hilfseintrittsleitung 6 auf der stromaufwärtigen Seite der Eintrittsleitung 3 in Verbindung. Mit der Mischeinheit 11 verbunden sind ein Zufuhrrohr 13 für vorgewärmtes sauerstoffhaltiges Gas bzw. vorgewärmte Luft sowie ein Brennstoffzufuhrrohr 14. Der über das Brennstoffzufuhrrohr 14 zugeführte Brennstoff wird mit einem über das Zufuhrrohr 13 für vorgewärmte Luft gelieferten vorgewärmten sauerstoffhaltigen Gas (nachstehend der Einfachheit halber als vorgewärmte Luft bezeichnet) in einem vorgegebenen Verhältnis im Luft-Brennstoff-Mischerteil 15 der Mischeinheit vermischt zu einem Luft-Brennstoff-Mischgas, das zur stromaufwärtigen Seite des Eintrittskanals 3 strömt. Mit dem Steuerbrenner 12 sind ein Lufteinlassrohr 16 sowie ein Brennstoffzufuhrrohr 17 verbunden. Das aus dem Steuerbrenner 12 austretende Verbrennungsgas geht über die Hilfseintrittsleitung 6 zur stromaufwärtigen Seite des Eintrittskanals 3.
Beim Betrieb der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung in ihrer ersten Ausführungsform mit den vorbeschriebenen Merkmalen liefert zunächst der Steuerbrenner 12 das Verbrennungsgas zur stromaufwärtigen Seite des Eintrittskanals 3 derart, dass dieses Verbrennungsgas sowohl die äussere Hülse 1 als auch die innere Hülse 2 auf der stomaufwärtigen Seite des Eintrittskanals 3 erhitzt. Nachdem die Innere Hülse 1 und die äussere Hülse 2 die jeweils vorgegebene Temperatur von über 900 ºC erreicht haben, tritt die Mischeinheit 11 in Funktion und gibt ein Mischgas aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff, d.h. ein Luft-Brennstoff-Mischgas, über die Haupeintrittsleitung 5 zur stromaufwärtigen Seite des Eintrittskanals. Zu diesem Zeitpunkt wird der Steuerbrenner 12 sofort stillgesetzt bzw. allmählich heruntergefahren, um noch eine gewisse Zeit lang mit der Mischeinheit 12 zusammenzuwirken.
Unter diesen Bedingungen tritt das so abgegebene Luft-Brennstoff-Mischgas über die Haupteintrittsleitung 5 in den Eintrittskanal 3 ein und wird mit sowohl der inneren Umfangsfläche der äusseren Hülse 1 als auch der äusseren Umfangsfläche der inneren Hülse 2 in Kontakt gebracht, nachdem diese Umfangsflächen auf eine so hohe Temperatur erhitzt worden sind, dass das Mischgas entflammt und ein Verbrennungsgas erzeugt. Dieses Verbrennungsgas strömt durch den Eintrittskanal 3 in den Austrittskanal 4 und wird über die Verbrennungsgas-Auslassleitung 7 ausgestossen. Somit erhitzt das Verbrennungsgas nacheinander die äusseren und inneren Umfangsflächen des Eintrittskanals 3 sowie die innere Umfangsfläche des Austrittskanals 4, so dass eine vollständige Verbrennung des aus der Mischeinheit 11 in den Eintrittskanal 3 gelangten Mischgases erreicht wird. Wie an anderer Stelle bereits beschrieben, wird der in die Mischeinheit 11 eingeleitete Brennstoff in dieser Mischeinheit 11 so mit der vorgewärmten Luft vermischt, dass das Verbrennungsgas konstant auf einer vorgegebenen Temperatur zwischen 1200 und 1400 ºC gehalten wird.
Im Rahmen des vorbeschriebenen Verfahrensablaufs geht der auf der stromaufwärtigen Seite des Eintrittskanals 3 eingeleitete Verbrennungsvorgang weiter zur stromabwärtigen Seite des Eintrittskanals 3 und schliesslich zur Auslassöffnung des Austrittskanals 4. Infolgedessen werden die inneren und äusseren Umfangsflächen der zwischen dem Eintrittskanal 3 und dem Austrittskanal 4 angeordneten Inneren Hülse 2 von dem Verbrennungsgas erhitzt. Die bienenwabenförmnigen Durchlassglieder 8 und 9 im stromabwärtigen Endbereich des Eintrittskanals 3 bzw. im Bereich der Auslassöffnung der Auslassleitung 9 tragen weiter dazu bei, dass eine vollständige Verbrennung sichergestellt wird. Ist die innere Umfangsfläche der äusseren Hülse 1 mit einem Material mit hervorragenden Infrarotabsorptionseigenschaften beschichtet, so besteht darüberhinaus die Möglichkeit einer weiteren Temperaturerhöhung für die innere Umfangsfläche der äusseren Hülse 1, weil von der äusseren Umfangsfläche der inneren Hülse 2 abgegebene Infrarotstrahlung von der inneren Umfangsfläche der äusseren Hülse 1 wirksam aufgenommen und so die Temperatur der inneren Umfangsfläche dieser äusseren Hülse 1 erhöht wird. Die so beschichtete Innenfläche der äusseren Hülse 1 dient als wirksame Heizfläche, welche die Verbrennung des Mischgases fördert und verstärkt.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung, deren einzelne Komponenten denen der ersten erfindungsgemässen Ausführungsform nach Figur 1 und 2 mit den jeweils gleichen Bezugsziffern entsprechen, so dass in der nachfolgenden Beschreibung auf eine erneute Erläuterung verzichtet wird.
Wie aus Figur 3 ersichtlich sind in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung eine Anzahl innerer Hülsen 22 aus Keramikmaterial fest in der ebenfalls aus Keramikmaterial bestehenden äusseren Hülse 21 angeordnet derart, dass zwischen der Inneren Umfangsfläche der äusseren Hülse 21 und den äusseren Umfangsflächen der inneren Hülsen 22 der Eintrittskanal 23 gebildet wird. Andererseits bildet der Innenbereich jeder inneren Hülse 22 den Austrittskanal 24. Ein stromaufwärtiges Ende des Eintrittskanals 23 ist durch ein die Auslassbereiche der inneren Hülsen 22 tragendes Stützwandelement 25 verschlossen. Bienenwabenförmige Durchlassglieder 26 und 27 sind fest im stromabwärtigen Bereich des Eintrittskanals 23 bzw. den Auslassöffnungsbereichen der Austrittskanäle 24 angeordnet. Darüberhinaus ist wenigstens eine Anlenkplatte 28 im Eintrittskanal fest montiert, wobei für diese zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung wie aus Figur 3 ersichtlich drei dieser Ablenkplatten vorgesehen sind.
Hinsichtlich des Betriebsablaufs entspricht die in Figur 3 bis 5 dargestellte zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung im wesentlichen der ersten Ausführungsform nach Figur 1 und 2, wobei die erfindungsgemässe Verbrennungsvorrichtung in ihrer zweiten Ausführungsform besonders vorteilhaft ist für die Verbrennungsgasproduktion in grossen Mengen.
Im Rahmen des Verfahrensablaufs bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung nach Figur 3 bis 5 werden zunächst mittels des auf der stromaufwärtigen Seite des Eintrittskanals 23 angeordneten Steuerbrenners 12 die Wandungen dieses Eintrittskanals 23 auf die jeweils vorgegebene Temperatur von ca. 900 ºC erhitzt. Danach wird das in der Mischeinheit 11 hergestellte Luft-Brennstoff-Mischgas in das Innere des Eintrittskanals 23 eingeleitet, wo es unter Herstellung von Verbrennungsgas entflammt. Das so hergestellte Verbrennungsgas durchströmt ein Labyrinth aus Ablenkplatten 28 im Eintrittskanal 23 und geht anschliessend zur stromabwärtigen Seite des Eintrittskanals 23. Beim Durchströmen des Eintrittskanals 23 wird infolgedessen das Verbrennungsgas so ausreichend verwirbelt, dass eine vollständige Verbrennung desselben erreicht wird. Nach Erreichen des stromabwärtigen Endes des Eintrittskanals 23 tritt das Verbrennungsgas in die bienenwabenförmigen Durchlasglieder 26 und nach Passieren derselben in die Austrittskanaäle 24 ein, in denen es zur weiteren Erhitzung zwecks vollständiger Verbrennung des Mischgases mit den Inneren Umfangswandungen der inneren Hülsen 22 in Kontakt gebracht wird. Schliesslich strömt das Verbrennungsgas durch die bienenwabenförmigen Durchlassglieder 27 und in die Verbrennungsgas-Auslassleitung 7, von der es austritt.
In jeder der vorbeschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung besteht das zur Herstellung der äusseren Hülsen 1, der inneren Hülsen 2, 22, des hülsenartigen Gehäuses 31 und der bienenwabenförmigen Durchlassglieder 8, 9, 26, 27, 32 aus Siliziumkarbid, das hervorragende Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Hitzeschockfestigkeit besitzt. Es ist aber auch möglich, diese Komponenten aus anderen geeigneten Keramikmaterialien, beispielsweise solchen auf Zirkonoxyd- und Kordieritbasis, herzustellen.
Weiterhin können die äusseren Hülsen 1, 21 und das hülsenartige Gehäuse 31 aus Aluminiumoxydfaserkeramik gefertigt sein. In diesem Falle wird vorzugsweise im Wege eines geeigneten Auftragsverfahrens wie beispielsweise durch Aufsprühen eine feste Farbbeschichtung, deren Hauptbestandteil ein entsprechendes Oxyd wie SiZrO&sub4;, MnO&sub2;, MnO&sub2;.Cr&sub2;O&sub3; oder dergleichen mit ausgezeichneten Infrarotabsorptionseigenschaften ist, auf die Innenflächen dieser Teile aufgebracht.
Es folgt nunmehr mit Bezug auf Figur 6 und 7 eine detaillierte Beschreibung zweier unterschiedlicher Ausführungsformen der in der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung mit den vorbeschriebenen Merkmalen einzusetzten Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff (nachfolgend bezeichnet als Luft-Brennstoff-Mischeinheit).
In der ersten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemässe Luft-Brennstoff-Mischeinheit gemäss Figur 6 ein Venturi-Rohr 50 mit einem Einlassreduzierbereich 51, einem Auslassdiffusorbereich 52 und einer zwischen diesen Bereichen 51 und 52 befindlichen Venturi-Engstelle 53. Ein Leistungsregelgestänge 54 mit kegeliger Spitze ist mit einem Lagerelement 55 so verschraubt, dass es in Bezug auf das fest im Venturi-Rohr 50 sitzende Lagerelement 55 axial verschiebbar ist. Ein Einlassrohr 13 für vorgewärmte Luft ist verbunden mit einer Lufteinlassöffnung des Venturi-Rohrs 50, das seinerseits über eine Gasauslassöffnung mit der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung in Verbindung steht.
Auf einer inneren Umfangsfläche der Engstelle 53 des Venturi-Rohrs 50 sind eine Anzahl von in Umfangsrichtung der inneren Umfangsfläche der Engstelle 53 im Abstand voneinander angeordneter Brennstoffaustrittsöffnungen 56 vorgesehen, mit denen ein Brennstoffzufuhrrohr 14 verbunden ist. Wie klar aus Figur 6 ersichtlich, ist die Venturi-Engstelle 53 von einem umlaufenden Wassermantel 57 umgeben, der diesen Engstellenbereich 53 kühl halten soll. Mit diesem Wassermantel 57 verbunden sind ein Kühlwassereinlassrohr 58 und ein Kühlwasserauslassrohr 59.
Bei dieser ersten Ausführungsform der in der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung einzusetzenden Luft-Brennstoff-Mischeinheit gemäss Figur 6 wird ein aus vorgewärmter Luft und dem sauerstoffhaltigen Gas wie dem Verbrennungsgas bestehender eintretender Gasstrom aus dem Einlassrohr 13 für vorgewärmte Luft zur Venturi-Engstelle 53 geleitet, wo der eintretende Gasstrom beschleunigt und über die Brennstoffaustrittsöffnungen 56 zur Herstellung des Luft-Brennstoff -Mischgases Brennstoff eingesprüht wird. Das so anfallende Mischgas geht sodann unter Verwirbelung im anschliessenden Auslassdiffusorbereich 52 des Venturi-Rohrs 50 zu der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung.
Wird im Falle der vorbeschriebenen Luft-Brennstoff-Mischeinheit zur Herstellung des Luft-Brennstoff-Mischgases der Brennstoff in den eintretenden Strom vorgewärmten Gases eingesprüht, so erreicht ein Teil dieses Mischgases einen Entflammbarkeitsgrenzbereich. Um zu verhindern, dass das Luft- Brennstoff-Gemisch innerhalb des Venturi-Rohrs 50 verbrennt, muss das so hergestellte Luft-Brennstoff-Mischgas im Venturi-Rohr 50 mit grosser Geschwindigkeit umgewirbelt werden. Somit besteht bei der erfindungsgemässen Luft-Brennstoff- Mischeinheit die Notwendigkeit, das einströmende Gas in der Venturi-Engstelle auf mindestens 100 m/s zu beschleunigen, damit das anfallende Luft-Brennstoff-Mischgas entsprechend schnell verwirbelt werden kann.
Da das LeistungsRegelgestänge 54 im axialen Mittelbereich der Venturi-Engstelle 53 angeordnet ist, wird ein axialer mittlerer Kanal für einströmendes Gas in der Venturi-Engstelle 53 in seinem Querschnitt so verringert, dass die Dicke des eintretenden Gasstroms innerhalb der Engstelle 53 gering gehalten wird. Infolgedessen ist es selbst bei einer Venturi-Engstelle 53 verhältnismässig grossen Querschnitts möglich, eine ausreichende Beschleunigung des eintretenden Gases und damit eine schnelle Durchwirbelung des resultierenden Luft-Brennstoff-Mischgases im angrenzenden Auslassdiffusorbereich 52 des Venturi-Rohrs 50 zu bewirken.
Der Querschnitt der Venturi-Engstelle 53 wird durch axiale Verschiebung des Leistungsregelgestänges 54 so gesteuert, dass die Durchflussrate des eintretenden Gases in der Venturi-Engstelle 53 selbst dann konstant gehalten wird, wenn die eintretende Gasmenge schwankt, so dass also der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung ein Luft-Brennstoff- Mischgas in einem allzeit konstanten Mischungsverhältnis zugeführt werden kann.
Bei der ersten Ausführungsform der Luft-Brennstoff-Mischeinheit gemäss Figur 6 wird zur Kühlung der Venturi-Engstelle 53 Kühlwasser in den Wassermantel 57 geleitet. Da die Engstelle 53 auf diese Weise ausreichend gekühlt wird, erfahren auch die Brennstoffaustrittsöffnungen 56 und der hiermit verbundene vordere Endbereich des Brennstoffzufuhrrohrs 14 eine so ausreichende Kühlung, dass der Brennstoff in den Austrittsöffnungen 56 nicht thermisch zersetzt wird. Bei einer thermischen Zersetzung des Brennstoffs unter Bildung von Kohlenstoffteilchen würden diese die Brennstoffaustrittsöffnungen 56 verstopfen. Somit wird also das Zusetzen der Brennstoffaustrittsöffnungen 56 durch Kohlenstoffteilchen im Wege einer ausreichenden Kühlung der Venturi-Engstelle 53 verhindert.
Figur 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der in der erfindungsgemässen Verbrennungsvorrichtung einzusetzenden Luft- Brennstoff-Mischeinheit, die mit konstanter Leistung arbeitet. Wie aus dieser Zeichnung ersichtlich, ist die Brennstoffaustrittsdüse 56 so in der Engstelle 53 des Venturi- Rohrs 50a angeordnet, dass sie gegen die stromabwärtige Seite des Venturi-Rohrs 50a gerichtet ist. Die Brennstoffaustrittsdüse 56 ist in einem vorderen Endbereich des Brennstoffzufuhrrohrs 14 ausgebildet, das vom Wassermantel 57 mit daran geschlossenem Kühlwassereinlassrohr 58 und Kühlwasserauslassrohr 59 umgeben ist.
Bei dieser in Figur 7 dargestellten zweiten Ausführungsform der Luft-Brennstoff-Mischeinheit wird Kühlwasser zum Wassermantel 57 für eine ausreichende Kühlung sowohl der Austrittsdüse 56 als auch des Brennstoffzufuhrrohrs 14 geleitet, so dass keine thermische Zersetzung des Brennstoffs und keine Bildung von Kohlenstoffteilchen in der Brennstoffaustrittsdüse 56 und dem Brennstoffzufuhrrohr 14 stattfinden können und Verstopfungen dieser Bauteile 56, 14 durch die sonst anfallenden Kohlenstoffpartikel wirksam verhindert werden.
Nebenbei besteht bei der ersten Ausführungsform der Luft- Brennstoff-Mischeinheit gemäss Figur 6 auch die Möglichkeit einer automatischen Steuerung des Leistungsregelgestänges 54 in Abhängigkeit von der eintretenden Menge vorgewärmten Gases bzw. vorgewärmter Luft.
In den Figuren 6 und 7 bezeichnet die Bezugsziffer 61 ein wärmeisolierendes Material.
Bei den vorbeschriebenen Luft-Brennstoff-Mischeinheiten nach Figur 6 und 7 besteht die Venturi-Engstelle 53 vorzugsweise aus einer geeigneten hitzebeständigen Legierung wie Inconel und Hastelloy, während jeweils der Einlassreduzierbereich 51, der Auslassdiffusorbereich 52 sowie sonstige Innenteile des Venturi-Rohrs aus geeignetem Keramikmaterial wie Siliziumkarbid, Zirkonoxyd, Kordierit usw. hergestellt sind.

Claims

1. Verbrennungsvorrichtung, gekennzeichnet durch

a) einen Eintrittskanal (3,23) zum Einlassen eines Verbrennungsgases in einer vorgegebene Richtung, welcher Eintrittskanal begrenzt wird durch wärmeisolierendes Material (10), das im wesentlichen im mittleren Bereich eines äußeren Gehäuses (10a) angeordnet ist, und an seinem stromaufwärtigen Ende geschlossen ist;

b) einen Austrittskanal (4,24) zum Auslassen des Verbrennungsgases in Richtung entgegengesetzt zu der vorgegebenen Richtung, nachdem das Verbrennungsgas durch den Eintrittskanal (3,23) geströmt ist, welcher Austrittskanal (4,24) an seinen gegenüberliegenden Endbereichen offen ist und in dem Eintrittskanal so angeordnet ist, daß er mit dem Eintrittskanal an dessen Stromabwärtigen Ende über einen am stromabwärtigen Endbereich des Eintrittskanals (3,23) gebildeten Raum verbunden ist;

c) eine Mischgas-Haupteintrittsleitung (5) zum Einleiten eines Mischgases aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff, welche Mischgas-Haupteintrittsleitung (5) direkt verbunden ist mit dem stromaufwärtigen Ende des Eintrittskanals (3,23) durch dessen Umfangswand hindurch;

d) eine Mischeinheit (14) für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff zum Mischen eines vorerwärmten sauerstoffhaltigen Gases mit Brennstoff in einem vorgegebenen Verhältnis und zum Herstellen des Mischgases, welche Mischeinheit für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff mit der Mischgas-Hauptelntrittsleitung (5) verbunden ist und Mischgas in die Mischgas-Haupteintrittsleitung mit einem vorgegebenen Druck einleitet; e) eine Verbrennungsgas-Hilfseintrittsleitung (6) zum Einleiten eines anderen Verbrennungsgases in den Eintrittskanal (3,23), welches andere Verbrennungsgas hergestellt wird durch Verbrennen von Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas mit Hilfe eines Steuerbrenners, welche Verbrennungsgas-Hilfseintrittsleitung (6) mit einem Endbereich des Eintrittskanals (3,23) diametral gegenüber der Mischgas-Haupteintrittsleitung (5) verbunden ist, und

f) eine Verbrennungsgas-Auslaßleitung (7) in einem Seitenbereich des äußeren Gehäuses (10a) und des wärmeisolierenden Materials (10), welche Verbrennungsgas-Auslaßleitung (7) mit einem stromabwärtigen Auslaßbereich des Austrittskanals (4,24) verbunden ist.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bienenwabenförmiges Durchlaßglied (8,9,26,27) in jedem der Auslaßbereiche des Eintrittskanals (3,23) und des Austrittskanals (4,24) vorgesehen ist.

3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittskanal und der Austrittskanal aus Hülsenelementen (1,2,21,22) gebildet sind, derart, daß das Hülsenelement, das den Austrittskanal bildet, einen unterschiedlichen Durchmesser gegenüber dem Hülsenelement aufweist, das den Eintrittskanal bildet.

4. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittskanal (3) und der Austrittskanal (4) aus Hülsenelementen (1,2) gebildet sind, derart, daß das Hülsenelement, das den Austrittskanal bildet, einen kleineren Durchmesser aufweist als das Hülsenelement, das den Eintrittskanal bildet, und konzentrisch in dem Eintrittskanal liegt.

5. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittskanal und der Austrittskanal aus Hülsenelementen (21,22) gebildet sind, derart, daß eine Anzahl der Hülsenelemente den Austrittskanal bildet, wobei jedes der Hülsenelemente, die den Austrittskanal bilden, einen kleineren Durchmesser als das Hülsenelement aufweist, das den Eintrittskanal bildet, und in dem Eintrittskanal angeordnet ist.

6. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ablenkplatte (28) derart in dem Eintrittskanal (23) angeordnet ist, daß sie senkrecht zu einer Längsrichtung des Eintrittskanals verläuft.

7. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinheit (15) für sauerstoffhaltiges Gas und Brennstoff ein Venturi-Rohr (50), daß mit einer Venturi-Engstelle (53) versehen und durch wärmeisolierendes Material (61) umgeben ist, ein Brennstoffzufuhrrohr mit seiner Brennstoffaustrittsdüse (56) in der Venturi-Engstelle des Venturi-Rohres, welche Brennstoffaustrittsdüse im vorderen Endbereich des Brennstoffzufuhrrohres angeordnet ist, und eine Kühleinheit (57,58,59) zum Kühlen geeigneter Teile der Brennstoffaustrittsdüse und des Brennstoffzufuhrrohres, das mit der Brennstoffaustrittsdüse in Verbindung steht, umfaßt.