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Verbrennungsvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung, welche aus einer Rotationskammer mit an der Peripherie befindlichen Zufuhröffnungen für Sauerstoff (Luft) oder gasförmige Brennstoffe und aus einer Verbrennungskammer besteht. Beide Kammern sind als Drehkörper um eine gemeinsame Achse ausgebildet und miteinander durch eine im Mittelpunkt liegende Öffnung in Form eines Schlundes verbunden. In den Wandungen des Schlundes sind Kühlkanäle vorgesehen und der Durchmesser des Schlundes ist geringer als der Durchmesser jeder der beiden Kammern.
Ferner ist eine durch die Rotationskammer geführte Zufuhrleitung für Brennstoff oder Sauerstoff (Luft) vorgesehen, die in einen Feinzerstäuber ausläuft, welcher koaxial in die Verbrennungskammer ragt, so dass der Brennstoff gemeinsam mit den die Verbrennung unterhaltenden Gasen durch den Schlund in die Verbrennungskammer eintreten kann.
Wenn eine derartige Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen, beispielsweise zur Herstellung eines aus Wasserstoff und Kohlenmonoxyd bestehenden Gemisches aus flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen verwendet werden soll, kann eine sehr grosse Wärmekonzentration und eine sehr hohe Temperatur, z. B. von 1500 C, an der Stelle der Primärreaktion z. B. zwischen den Kohlenwasserstoffen und dem Sauerstoff auftreten. An dieser Stelle, d. h. in Nachbarschaft der Öffnung oder des Schlundes, welcher die Rotationskammer mit der Verbrennungskammer verbindet, wird das Material hinsichtlich seiner Hitze- und Korrosionsbeständigkeit so stark beansprucht, dass dieser Beanspruchung schwer zu begegnen ist.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, deren Hitze- und Korrosionsbeständigkeit insbesondere im Schlundteil genügend gross ist, und bei der in dem sich verengenden Teil der Rotationskammer ein unerwünschter Wärmeaustausch vermieden wird.
Erfindungsgemäss ist die Verbrennungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Wandung, der den engsten Teil des Schlundes bildet, mit einem ersten Kühlkanal mit einem Zufuhr- und einem Ableitungskanal für ein Kühlmittel versehen ist, und dass der angrenzende Wandungsteil, der den sich verengenden Teil des Schlundes ausmacht, mit einem zweiten Kühlkanal versehen ist, der vom ersten Kühlkanal durch Trennwände getrennt ist, die Schlitze od. dgl. aufweisen, wobei jedoch trotz Zirkulation eines Kühlmittels im ersten Kühlkanal das Kühlmittel im zweiten Kühlkanal nicht oder nur in geringem Ausmass zirkuliert.
Der oben erwähnte Aufbau stellt eine wirksame Kühlung der heissesten Stelle sicher, nämlich des engsten Schlundteiles, während in dem angrenzenden Teil, nämlich in dem sich verengenden Teil der Rotationskammer, die Kühlung viel geringer ist und ihr sogar entgegengewirkt werden kann.
Es ist in der Tat möglich, in schneller und wirksamer Weise die Wärme von dem Teil der Wandung, der den engsten Teil des Schlundes ausmacht, abzuleiten, weil die Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmittels weitgehend gesteuert werden kann, während die Zirkulationgeschwindigkeit in dem angrenzenden Teil so niedrig gehalten wird, dass praktisch kein weiterer Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet.
Unter gewissen Bedingungen kann das Kühlmittel in dem zweiten Kühlkanal verdampfen, was bekanntlich eine schlechte Wärmeleitung zur Folge hat.
Dies ist genau das, was man beispielsweise in Fällen erreichen will, in denen das durch die Rotationskammer strömende Gas (Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe) bereits vorerhitzt wurde, zuweilen sogar auf eine Temperatur von 300 bis
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tionen, für die bereits ein Beispiel angeführt worden ist. In solchen Fällen ist es zur Vermeidung von Wärmeverlusten sogar äusserst wichtig, so weit wie möglich eine Abkühlung des Gases zu verhindern, bevor es an die Stelle gelangt, an der die Reaktion stattfindet.
Erfindungsgemäss ist die Kühlungsvorrichtung vorzugsweise so aufgebaut, dass die gemeinsame Wandung der beiden Kühlkanäle durch eine radiale Trennwand mit einer schlitzförmigen Öffnung od. dgl. gebildet ist.
Der Teil des an die Rotationskammer angrenzenden Kühlraumes wird tatsächlich auf
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diese Weise mit Kühlmittel gefüllt, jedoch fliesst das Kühlmittel nicht hindurch. Das in diesem Raum befindliche Kühlmittel bewirkt nur eine verhältnismässig geringe Kühlung. Unter gewissen Bedingungen kann die hier vorliegende Flüssigkeit verdampfen, wodurch die Kühlwirkung noch weiter abnimmt.
Um sicherzustellen, dass das Kühlmittel vollständig durch den ersten Kühlkanal fliesst, können erfindungsgemäss der Zufuhr- und der Ableitungskanal für das Kühlmittel in den ersten Kühlkanal in Nachbarschaft zueinander münden und können in diesem Kühlkanal voneinander durch eine axiale Trennwand od. dgl. getrennt sein.
Ferner ist es zweckmässig, die beiden Kühlkanäle. in einem getrennten Einsatz anzuordnen, der eine Fortsetzung der Rotationskammer bildet und mittels eines Flansches zwischen dem äusseren Mantel der Verbrennungskammer und dem der Rotationskammer befestigt ist, wobei der Zufuhrund der Ableitungskanal für das Kühlmittel ebenfalls in diesem Einsatz angeordnet sind.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Herstellung von Gasgemischen, die Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthalten, durch teilweise Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff, wobei gegebenenfalls Dampf zugeführt wird. Die Reaktion verläuft in einer Reaktionskammer, in der die Verbrennung bei Überdruck stattfindet, insbesondere zwischen 5 und 35 atm. In einer derartigen Apparatur kann man eine Verbrennungsvorrichtung der im ersten Absatz erwähnten Art verwenden, und es ist offensichtlich von besonderem Vorteil, wenn eine derartige Apparatur erfindungsgemäss mit einer Verbrennungvorrichtung mit den oben beschriebenen Kennzeichen versehen ist.
Bei einer Reaktion der oben beschriebenen Art ist es tatsächlich möglich, dass stellenweise Temperaturen von 1500 C und darüber auftreten, u. zw. genau an dem Schlund, so dass eine Kühlung, z. B. zum Schutz des Baumaterials, an dieser Stelle praktisch nicht umgangen werden kann. Da die Gase, die Luft oder der Dampf auf einige hundert Grad Celsius vorerhitzt werden, sollten sie vor Erreichen der Reaktionszone nicht unnötig abgekühlt werden. Insbesondere ist zur Verhinderung einer Kondensation darauf zu achten, dass die Temperatur der Wandung nicht unter den Taupunkt des Dampfes bei dem herrschenden Druck'abfällt. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann diesen Ansprüchen in vollem Masse gerecht werden.
Die Erfindung kann auch mit Vorteil zum Abkühlen einer Apparatur für die Herstellung von Gasgemischen angewendet werden, die Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthalten. Bei diesem Verfahren wird die Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmittels so gesteuert, dass seine Temperatur beim Austreten aus dem Kühlkanal mindestens gleich der Temperatur des gesättigten Dampfes unter dem Dampfpartialdruck in der Rotationskammer ist. So wird der über die Rotationskammer zugeführte Dampf daran verhindert, sich ganz oder teilweise an einer zu kühlen Wandung der Rotationskammer zu kondensieren.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in der Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Verbrennungsvorrichtung nach der Erfindung und Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil des Kühlkanals darstellt.
In Fig. 1 ist die Rotationskammer mit 1 und die Verbrennungskammer mit 2 bezeichnet. Die beiden Kammern sind miteinander durch eine Verbindungsöffnung in Form eines Schlundes 3 verbunden, dessen Durchmesser geringer ist als der jeder der beiden Kammern. Die Rotationskammer ist mit einer tangentialen Öffnung 4 für die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf versehen. Ferner ist diese Kammer mit einer Reihe von Schaufeln 5 od. dgl. ausgestattet, welche die Rotation der durch die Öffnung 4 zugeführten Medien fördert. Ein Feinzerstäuber 6 mit einem Mundstück zur Feinzerstäubung ist zentral in der Rotationskammer 1 angeordnet und ermöglicht die Zufuhr und Feinzerstäubung von Brennstoff.
Es ist auch möglich, Sauerstoff zentral über den Feinzerstäuber zuzuführen und dann ein Gemisch von gasförmigem Brennstoff gegebenenfalls mit Dampf über die Zufuhrleitung 4 einzuführen.
Die Wandung der Verbrennungskammer 2 besteht aus einer oder mehreren Schichten einer feuerfesten Ausldeidung 7, und ist mit einem Kühlmantel 8 versehen, durch den z. B. Wasser zirkuliert.
In einem Einsatz 9 sind zwei Kühlkanäle 10 a, 10 b angeordnet. Sie sind durch eine radial sich erstreckende Trennwand 11 voneinander getrennt (Fig. 2). Das Kühlmittel wird durch den Kanal 12 im Flansch des Einsatzes 9 zugeführt. Die radiale Trennwand 11, welche die beiden Kühlkanäle 10 a, 10 b voneinander trennt, schliesst diese nicht vollständig voneinander ab, weil das radiale Ausmass der Trennwand 11 geringer als der Abstand zwischen der Innen- und der Aussenwandung der Kühlkanäle ist, so dass an einer der beiden Wandungen eine Verbindungsöffnung in Form eines ringförmigen Schlitzes zwischen den beiden Kanälen besteht.
Die Fig. 2 veranschaulicht eine Teilansicht des Einsatzes 9, wobei ein Teil der äusseren Wandung der Kühlkanäle aufgeschnitten gezeigt ist. Um sicherzustellen, dass das Kühlmittel beinahe ausschliesslich im engsten Teil des Schlundes, nämlich in dem der Verbrennungskammer nächstgelegenen Teil, zirkuliert, sind Axialtrennwände 15 so angeordnet, dass sich ein Kanal bildet, der eine Verbindung zwischen dem Zufuhrkanal 12 und dem Ableitungskanal 13 im Flansch des Einsatzes einerseits und dem sogenannten ersten Kühlkanal ssa anderseits, d. h. dem Kanal, der dem Schlund am nächsten liegt, darstellt.
Die Zwischenwände 15 erstrecken sich demnach nur über die Länge des zweiten Kühlkanals 10 b, in dem sich ein Kühlmittel be-
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findet, das praktisch an der Zirkulation nicht teilnimmt, und sie enden deshalb bei der Zwischenwand 11. Eine weitere Zwischenwand 14 ist ebenfalls in axialer Richtung angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Länge der Kühlkanäle. Diese Zwischenwand 14 verhindert einen Kurzschluss des Kühlmittels zwischen dem Zufuhrkanal 12 und dem Ableitungskanal 13. Im Gegensatz zu der Zwischenwand 11 sind die Zwischenwände 14 und 15 nicht so angeordnet, dass sich ein Abstand zwischen der inneren und der äusseren Wandung bildet, obwohl ein vollständiger Verschluss nicht erforderlich ist, da aus Konstruktionsgründen die Zwischenwände, beispielsweise durch Verschweissen, nur an einer Wandung befestigt sind.
Eine eventuell vorhandene Undichtigkeit an den Zwischenwänden 14 und 15 ist ohne Belang, wenigstens nicht soweit nicht die Zirkulation durch den ersten Kühlkanal in beträchtlichem Masse beeinflusst wird.
Wie erwähnt, kann man Luft oder Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf in vorerhitztem Zustand über die Zufuhrleitung 4 zuführen. Wünschenswerterweise findet in dem zweiten Kühlkanal 10 b vorzugsweise so gut wie kein Wärme- übergang zwischen den Gasen in der Rotationskammer und dem Kühlmittel oder dem daraus gebildeten Gas im Kühlkanal statt. Dies kann man erreichen, indem man die Temperatur und den Druck des Kühlmittels so steuert, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel in dem zweiten Kühlkanal 10 b und den vorerhitzten Gasen, Sauerstoff und/oder Dampf, in der Rotationskammer an der dem Kühlkanal angrenzenden Fläche so gering wie möglich ist.
In dem ersten Kühlkanal 10 a soll dagegen eine optimale Kühlung stattfinden. Durch Steuerung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Kühlmittels kann die Kühlung auf ein Optimum eingestellt werden.
Es hat sich ergeben, dass man bei einer Verwendung der Vorrichtung zur unvollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gemäss der Erfindung die besten Ergebnisse erzielt, wenn man zur Verhinderung einer Kondensation das Kühlmittel'in den Kühlkanal mit einer Temperatur einführt, die über dem Taupunkt des in der Rotationskammer anwesenden Dampfes liegt.
Unter den gegebenen Bedingungen betrug diese
Temperatur bei etwa 22 atm etwa 200 C.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verbrennungsvorrichtung, vorzugsweise zur
Erzeugung von Gasgemischen, enthaltend Wasser- stoff und Kohlenmonoxyd, durch partielle Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff, gegebenenfalls unter Dampfzufuhr, bestehend aus einer Rotationskammer mit an der Peripherie befindlichen Zufuhröffnungen für Sauerstoff (Luft) oder gasförmige Brennstoffe und einer Verbrennungskammer, die beide als Drehkörper um eine gemeinsame Achse ausgebildet und durch eine etwa im Mittelpunkt gelegene Öffnung (Schlund) verbunden sind, in deren Wandungen Kühlkanäle vorgesehen sind, und deren Durchmesser geringer als der Durchmesser jeder der beiden Kammern ist und in die eine durch die Rotationskammer koaxial geführte Zufuhrleitung für Brennstoff oder Sauerstoff (Luft), die in einem Feinzerstäuber ausläuft, ragt,
so dass Brennstoff gemeinsam mit den eine Verbrennung unterhaltenden Gasen in die Verbrennungskammer durch den Schlund eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (3) der Wandung, der den engsten Teil des Schlundes bildet, mit einem ersten Kühlkanal (loua) mit einem Zufuhr- (12) und einem Ableitungskanal (13) für ein Kühlmittel versehen ist, und dass der angrenzende Wandungsteil, der den sich verengenden Teil des Schlundes ausmacht, mit einem zweiten Kühlkanal (10 b) versehen ist, der vom ersten Kühlkanal durch Trennwände (11, 15) getrennt ist, die Schlitze od. dgl. aufweisen, wobei jedoch trotz Zirkulation eines Kühlmittels im ersten Kühlkanal das Kühlmittel im zweiten Kühlkanal nicht oder nur in geringem Ausmass zirkuliert.