[0001] Die Erfindung betrifft eine Schwingfeuerung für eine Materialbehandlung oder Materialsynthese
(pulse dryer, pulse combustor, Pulsationsreaktor), die mindestens einen Brenner, mindestens
eine pulsierende Flamme, eine Brennkammer sowie mindestens eine resonanzfähige Gassäule
(z.B. in der Brennkammer oder in einem Resonanzrohr) aufweist, in die ein zu behandelnder
Rohstoff einbringbar und aus dieser wieder abscheidbar ist, sowie eine entsprechendes
Verfahren zu deren Betrieb.
[0002] Die weitaus größte Zahl aller technischen oder industriellen Feuerungsanlagen und
Verbrennungssysteme werden so ausgelegt und auch so betrieben, dass der Verbrennungsprozess
bis auf geringe turbulente Schwankungen, derer Größe mindestens eine Größenordnung
kleiner ist als die mittleren Größen des Verbrennungsprozesses (wie z.B. mittlere
Strömungsgeschwindigkeit, mittlere Temperatur der Flamme oder der Abgasströmung, mittlerer
statischer Druck in der Brennkammer, etc.), im Mittel zeitlich-konstant abläuft. Dies
bedeutet, dass der Umsatz des eingesetzten Brennstoffes zeitlich kontinuierlich erfolgt
und - als Folge hiervon - auch die Wärmefreisetzung aus dem Verbrennungsprozess sowie
der Massenstrom an anfallendem Abgas (Verbrennungsprodukte) für eine feste Brennereinstellung
zeitlich konstante Werte aufweisen.
[0003] Abweichend hiervon treten mitunter Phänomene bzw. "Abnormitäten" auf, die in der
Literatur als Brennkammerschwingungen, selbsterregte Verbrennungsinstabilitäten oder
thermo-akustische Schwingungen bezeichnet werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet,
dass der zunächst stationäre (d.h. zeitlich-konstante) Verbrennungsprozess beim Erreichen
einer Stabilitätsgrenze plötzlich selbsttätig umschlägt in einen zeitlich-periodischen,
schwingenden Verbrennungsprozess, der selbsterregt ist und dessen Zeitfunktion in
guter Näherung als sinusförmig bezeichnet werden kann. Einhergehend mit dieser Änderung
werden auch die Wärmefreisetzungsrate(n) der Flamme(n) und somit die thermische Feuerungsleistung
der Verbrennungsanlage sowie die Abgasströmung in und aus der Brennkammer sowie der
statische Druck in der Brennkammer selbst periodisch-instationär, d.h. schwingend.
[0004] Das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem
stationären Betrieb der Feuerung verändertes Schadstoff-Emissionsverhalten und verursacht
neben einer erhöhten Lärmbelastung der Anlagenumgebung auch eine deutlich erhöhte
mechanische und/oder thermische Belastung der Anlagenstruktur (z.B. Brennkammerwände,
Brennkammerauskleidung, etc.), die bis zur Zerstörung der Feuerung bzw. einzelner
Komponenten führen kann.
[0005] Es ist daher leicht einzusehen, dass das unerwünschte Auftreten der oben beschriebenen
Phänomene in Feuerungen, die für einen zeitlichkonstanten Verbrennungsprozess ausgelegt
sind, bei dem auch der statische Druck in der Brennkammer oder in vor- bzw. nachgeschalteten
Anlagenkomponenten ebenfalls konstante Werte besitzen soll (Gleichdruck-Verbrennung),
zwingend vermieden werden muss.
[0006] Ganz anders jedoch stellt sich die Situation bei einer kleinen Anzahl von sehr speziellen
feuerungstechnischen Anlagen dar, bei denen das oben dargestellte Phänomen selbsterregter,
periodischer Verbrennungsinstabilitäten absichtlich herbeigeführt und dazu genutzt
wird, einen periodischen Verbrennungsprozess mit periodischer Wärmefreisetzungs-rate
der Flamme und periodischer, schwingender Abgasströmung (pulsierende Heißgasströmung)
in der Brennkammer und in nachgeschalteten Anlagenkomponenten (z.B. Wärmetauscher,
chemische Reaktoren, etc.) zu erzeugen.
[0007] Man kann diese Schwingfeueranlagen einteilen in solche, bei denen die Wärme aus dem
schwingenden Verbrennungsprozess übertragen wird z.B. zur Erzeugung von Heizwärme
oder Brauchwasser oder zur Dampferzeugung (rein wärmetechnische Nutzung) oder in schwingende
Reaktoren, bei denen eine physikalische und/oder chemische Materialbehandlung eines
Rohstoffes im Vordergrund steht (z.B. Trocknung, Kalzinierung, thermisch gesteuerte
Stoffsynthese, etc.) und die häufig als pulse dryer oder pulse combustor oder Pulsationsreaktor
bezeichnet werden.
[0008] Bei dem Rohstoff kann es sich auch um ein Rohstoffgemisch handeln. Der Rohstoff oder
das Rohstoffgemisch können sowohl in fester als auch in flüssiger oder in gas- oder
dampfförmiger Form vorliegen.
[0009] Der Vorteil dieser Anlagen gegenüber konventionellen, stationär arbeitenden Verbrennungssystemen
besteht in der im zeitlichen Mittel periodisch-instationären und turbulenten Abgasströmung
in der Brennkammer oder in nachgeschalteten Komponenten (z.B. Wärmetauscher, Reaktionsräume,
Resonanzrohr, etc.).
[0010] Sowohl gegenüber festen Wänden (Brennkammerwand, Wand eines Wärmetauschers, Dampferzeuger,
etc.) als auch gegenüber Material, das zur Behandlung in die Heißgasströmung mit definierter
Behandlungstemperatur eingebracht wird, steigt der Wärmeübergang vom Heißgas auf Wände
oder Material deutlich um das 2- bis 5-fache gegenüber einer im Mittel stationären,
turbulenten Strömung gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und gleicher Temperatur.
[0011] Aufgrund der Analogie zwischen konvektivem Wärmeübergang und dem Stoffübergang gilt
obige Aussage auch für den Stoffübergang: Im Falle der periodisch-instationären, schwingenden
Strömung steigt die Übergangsrate gas-/dampfförmiger Stoffe aus dem Heißgas an das
zu behandelnde Material oder vom Material in die Heißgasströmung um ähnliche Werte
an aufgrund des nahezu vollständigen Fehlens von Grenzschichten, die bei stationären
Strömungen bekannter Weise entstehen und Diffusions- bzw. Übergangswiderstände darstellen.
[0012] Aufgrund dieser Zusammenhänge erfährt zu behandelndes Material in pulsierenden Heißgasströmungen
hohe Aufheizgradienten ("Thermoschockbehandlung").
[0013] Um jetzt einen sicheren Anlagenbetrieb von Schwingfeueranlagen oder Pulsationsreaktoren
zu gewährleisten, ist es wichtig, die beiden Hauptparameter der Verbrennungsschwingung
- Schwingungsfrequenz und Schwingungsamplitude - innerhalb der Möglichkeiten eines
großtechnischen Prozesses konstant zu halten. Ändern sich diese deutlich während des
Prozesses, so ist damit zu rechnen, dass die Vorteile z.B. bei der Wärmeübertragung
oder bei der Materialbehandlung gegenüber dem konventionellen, stationären Prozess
verloren gehen und/oder die Homogenität des entstehenden Produktes darunter leidet.
[0014] Hinsichtlich der Schwingungsfrequenz, die bei der Entstehung selbsterregter Verbrennungs-Instabilitäten
durch phasenrichtige Rückkopplungen im Wirkungskreis Brenner - Flamme - Brennkammer
- Resonator auftritt, besteht in der Literatur Einigkeit darüber, dass diese im Wesentlichen
von der Geometrie akustisch-aktiver bzw. resonanzfähiger Volumina (wie z.B. die Brennkammer,
das Resonanzrohr, etc.) sowie von der Gastemperatur abhängen.
[0015] Wenn diese beiden Haupt-Einflussgrößen auf die Schwingungsfrequenz also während des
Prozesses z.B. der Wärmeübertragung oder der Materialbehandlung bzw. Materialsynthese
nicht verändert werden, so bleiben auch die Frequenz der Verbrennungs-/Druck-/Strömungsschwingungen
in guter Näherung konstant.
[0016] Bei der Amplitude der Schwingung sind aber auch andere Einflussgrößen zu berücksichtigen.
[0017] Dies wird an folgendem Beispiel klar: Wenn in einem pulsierenden Reaktor mit fest
vorgegebener Frequenz und sich damit (im Leerlaufbetrieb ohne Materialaufgabe selbsttätig)
einstellender Amplitude der Verbrennungsschwingung dem schwingenden Heißgas Rohmaterial
in unterschiedlichen Massenströmen (z.B. 50 kg/h und 100 kg/h) zur thermischen Behandlung
zugegeben wird, dann bewirken unterschiedliche Aufgaberaten an Rohmaterial eine unterschiedlich
starke Dämpfung der Schwingungsamplitude, da sich die Schwingungsenergie, die ursprünglich
nur die Gasschwingung des Heißgases bewirken musste, dann auf Heißgas mit unterschiedlich
hoher Partikel- oder Tropfenbeladungen aufteilen muss.
[0018] Im Grenzfall ist es durch eine hinreichend große Zugabe pro Zeiteinheit von zu behandelndem
Material sogar möglich, die Schwingung im Reaktor so völlig zum Erliegen zu bringen,
wodurch die Vorteile des periodisch-instationären Prozesses für die Erzeugung spezifischer
Materialeigenschaften (z.B. Partikelgrößen, spezifische Oberflächen, Reaktivität,
etc.) im Produkt natürlich verschwinden. Hierbei soll noch einmal in Erinnerung gerufen
werden, dass eine Verringerung der Schwingungsamplitude (charakterisiert z.B. als
Amplitude der Schwingung des statischen Druckes in der Brennkammer oder der Schwingung
der Geschwindigkeit der Heißgasströmung in der Brennkammer oder im Resonanzrohr) zu
einem Rückgang des konvektiven Wärme-und Stoffüberganges zwischen Heißgas und Wänden
bzw. thermisch zu behandelndem Material führt, so dass damit die Vorteile des instationären
Prozesses in Hinblick z.B. auf erreichbare, spezifische Materialeigenschaften verschwinden.
[0019] Mit anderen Worten: Jede Änderung sowohl der Massenströme der aufgegebenen Rohmaterialien
als auch die spezifischen Materialeigenschaften unterschiedlicher Edukte (Rohstoffdichte,
Feuchtegehalt, Partikelgrößenverteilung, Feststoffgehalte bei Suspensionen, etc.)
verändern die Amplitude der Schwingung der pulsierenden Heißgasströmung bei Materialaufgabe
und damit das Ergebnis der Materialbehandlung.
[0020] Im Hinblick auf einen bei Bedarf möglichst großen möglichen Materialdurchsatz ist
man grundsätzlich daran interessiert, eine Anlage mit einer im Leerlauf möglichst
großen Schwingungsamplitude zu betreiben.
[0021] Beim Betrieb einer Schwingfeuerung muss dabei einerseits aber auch berücksichtigt
werden, dass die im Verbrennungsprozess auftretenden Druck- oder Geschwindigkeitsamplituden
nach oben sicher begrenzt werden, um eine mechanische/thermische Überlastung der Anlagenstruktur
sicher zu vermeiden.
[0022] Andererseits müssen aber auch Flammenrückschläge oder ein Abheben bzw. Verlöschen
der Flamme sicher vermieden werden, um einen stabilschwingenden Dauerbetrieb zu gewährleisten.
[0023] Unter dem Begriff des Flammenrückschlages ist dabei Folgendes zu verstehen: In einer
Schwingfeuerung, die durch den oben beschriebenen Prozess insbesondere selbsterregter
Verbrennungsinstabilitäten (Flammenschwingungen) angetrieben wird, kommt es zu einer
zeitlich-periodischen Änderung des aus dem Brenner austretenden Massenstromes an Brenngas/Luft-Gemisch
(z.B. im Falle von Vormischverbrennung) und somit auch zu einer zeitlich-periodischen
Änderung der Brenneraustrittsgeschwindigkeit (Axialgeschwindigkeits-komponente), wohingegen
die Flammengeschwindigkeit (Brenn-geschwindigkeit) des aus dem Brenner ausströmenden
Gemisches bei einer konstanter Zusammensetzung (und somit konstanter Luftzahl der
Vormischung) einen konstanten Wert besitzt.
[0024] Fällt die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches für einen Zeitraum
während der Schwingungsperiode betragsmäßig unter den Wert der Flammengeschwindigkeit,
so bewegt sich die Flamme entgegen der Ausströmrichtung stromaufwärts quasi in den
Brenner hinein. Die Phase, in der die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches
bedarfsmäßig unter dem Wert der Flammengeschwindigkeit liegt, vergrößert sich bei
zunehmender Amplitude der Druck-/Verbrennungsschwingungen.
[0025] Nun ist es möglich, dass die Flamme in der Phase der Schwingungsperiode, in der die
Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gemisches wieder bis zu ihrem Maximalwert
ansteigt, wieder aus dem Brenner herausgetrieben wird und somit zumindest während
eines weiteren Zeitraumes wieder in der gewünschten axialen Position außerhalb des
Brenners also stromab des Brenneraustritts brennt.
[0026] Besonders problematisch ist es jedoch, wenn die Flamme, wenn sie sich in den Brenner
hineinbewegt, dann innerhalb des Brenners eine so stabile Verankerungsposition findet,
dass sie auch bei den höchsten, innerhalb der Schwingungsperiode der Schwingung der
Brenneraustrittsgeschwindigkeit auftretenden Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden
Gemisches nicht mehr aus dem Brenner herausgetrieben werden kann und somit dauerhaft
innerhalb des Brenners bzw. des Brennergehäuses brennt und dabei den Brenner thermisch
schädigt bzw. zerstört.
[0027] Zusammengefasst versteht man unter dem Begriff des Flammenrückschlages also ein momentanes
oder auch ein dauerhaftes Brennen der Flamme innerhalb des Brenners und nicht wie
eigentlich gewünscht in einer angehobenen, stabilen Position axial nach dem Brenneraustritt
außerhalb des Brenners.
[0028] Der Konstrukteur und der Betreiber von Schwingfeueranlagen zur thermischen Materialbehandlung
oder Materialsynthese haben nach den obigen Ausführungen das nachfolgende Problem
zu lösen:
Zum einen ist die Stärke also die Amplitude der Schwingung der Heißgasströmung in
einer Schwingfeueranlage eine sehr wichtige, sowohl die Eigenschaften des behandelten
oder synthetisierten Materials als auch die Homogenität des thermisch behandelten
Materials bestimmende Größe. Die Amplitude ist somit ein wesentlicher Einstellparameter
bei der thermischen Materialbehandlung/Materialsynthese in Pulsationsreaktoren.
[0029] Dabei können zu hohe Werte der Schwingungsamplitude der materialführenden Heißgasschwingung
zu einem Flammenrückschlag führen und somit zu einer Schädigung/Zerstörung des Reaktors,
der dann umgehend durch Abschalten der Flamme bzw. des Brenners entgegengewirkt werden
muss.
[0030] Es ist nachzuvollziehen, dass das Abschalten der Anlage aufgrund eines ungewollten
Flammenrückschlages auch dazu führt, dass das Material (Produkt), das zuletzt unter
undefinierten thermischen Bedingungen thermisch behandelt und/oder synthetisiert wurde,
als Ausschuss betrachtet werden muss.
[0031] Hinzu kommt, dass vor einem erneuten Anfahren des Reaktors und der Wiederaufnahme
der thermischen Materialbehandlung oder -synthese ein mehr oder weniger aufwändiger
Reinigungsprozess der materialführenden Reaktorabschnitte erforderlich ist, um thermisch
undefiniert behandeltes oder synthetisiertes Material sicher aus dem Reaktor zu entfernen.
[0032] Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
mit der im Betrieb eines Pulsationsreaktors die Amplituden der Schwingung der Heißgasströmung
in der Brennkammer hohe Werte annehmen können, um somit auch beispielsweise die erzielbaren
Produkt-Durchsatzraten und damit den Reaktordurchsatz steigern zu können, und bei
der gleichzeitig die Gefahr eines ungewollten Rückschlages der pulsierenden Flamme
in den Brenner hinein wirkungsvoll vermieden wird. Außerdem soll ein Verfahren zu
deren Betrieb vorgeschlagen werden.
[0033] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brenner zur Erzeugung
einer pulsierenden Flamme zur Erzeugung einer pulsierenden Heißgasströmung als Drallbrenner
ausgebildet ist und als Element an seinem Austritt einen Diffusor aufweist.
[0034] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich somit dadurch aus, dass das der pulsierenden
Flamme zuströmende, pulsierende Brennstoff/LuftGemisch durch einen Drallbrenner und
einen sich an diesen anschließenden Diffusor geleitet wird.
[0035] Bei dem Diffusor handelt es sich insbesondere um einen konisch ausgebildeten, vorzugsweise
aus Metall geformten Diffusor, dessen freie Querschnittsfläche in axialer Strömungsrichtung
zunimmt.
[0036] Ein Öffnungs-Halbwinkel des als Diffusor bezeichneten, erfindungsgemäßen Elements
kann im Bereich zwischen 3 Grad und 45 Grad gewählt werden.
[0037] Eine axiale Erstreckung des Diffusors (Diffusorlänge) kann je nach Ausführung das
0,5-Fache bis zum 10-Fachen des freien Durchmessers des Brenneraustritts betragen.
[0038] Der Diffusor kann direkt nach einem Drallerzeuger am Brenner positioniert werden.
Es ist aber auch möglich, zunächst am Austritt des Drallerzeugers noch ein zylindrisches
Rohrelement vorzusehen, an das sich dann in axialer Strömungsrichtung der Diffusor
anschließt.
[0039] Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass bei der Verwendung
einer pulsierenden Vormisch-Drallflamme oder einer pulsierenden, schnellmischenden
Diffusions-Drallflamme als "Antrieb" eines Schwingfeuer- oder Pulsationsreaktors zur
Erzeugung des in diesem für die Materialbehandlung oder -synthese erforderlichen,
pulsierenden Heißgasstromes ein als Diffusor ausgeführter Brennerauslaß bei richtiger
Auswahl von Diffusorlänge und Diffusor-Öffnungswinkel selbsttätig ein Rückschlagen
der pulsierenden Flamme in den Brenner hinein also einen Flammenrückschlag zu verhindern
ist - und dies selbst bei sehr hohen Amplituden der Verbrennungsschwingung in der
Brennkammer.
[0040] Ein mögliches Erklärungsmodell der Wirkung der Erfindung als autoadaptive Flammenrückschlag-Sicherung
basiert darauf, dass bei dem Stromaufwärts-Wandern der pulsierenden Flamme in den
Momenten der Schwingungsperiode mit niedriger Brennerausströmgeschwindigkeit die Flamme
selbst einen Teil der freien Strömungs-Querschnittsfläche des Diffusors blockiert
bzw. versperrt. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Drallbrenner
die von der Flamme bzw. der inneren Rückströmzone der Drallströmung, welche der Flamme
unterliegt, eingenommene Fläche (senkrecht zur Axialrichtung) dabei im Wesentlichen
unabhängig von der in Axialrichtung des Brenners vorhandenen Ausströmgeschwindigkeit
des Brenngas/Luft-Gemisches ist.
[0041] Damit ist dann ein Ausströmen des Frischgemisches aus dem Brenner nur durch den zwischen
Flamme bzw. innerer Rückströmzone der Drallströmung, welche die Flamme bildet, und
Diffusorwand verbleibenden freien Ringspalt möglich. Da die Fläche dieses Ringspaltes
senkrecht zur Brennerachse innerhalb des Diffusors aufgrund dessen konischer Geometrie
bei gleichbleibender von der Flamme eingenommener Fläche stromaufwärts abnimmt, also
immer kleiner wird, steigt aus Kontinuitätsgründen der Wert der axialen Strömungsgeschwindigkeit
der aus dem Brenner ausströmenden Frischgemischströmung monoton an, bis ein Wert erreicht
ist, bei dem die Flamme aufgrund ihrer begrenzten Flammengeschwindigkeit nicht mehr
weiter stromaufwärts wandern kann, sondern in ihrer Bewegung zum Stehen kommt und
verharrt.
[0042] Umgekehrt verhindert derselbe Mechanismus auch ein zu starkes Abheben (mit anschließendem
Verlöschen) einer pulsierenden Flamme vom Brenneraustritt zu jenen Zeitpunkten der
Schwingungsperiode, in denen besonders hohe, momentane Axialgeschwindigkeiten der
pulsierenden Frischgemischströmung vorliegen:
Zunächst wird die Flamme in der Phase der Schwingungsperiode, in der die Strömungsgeschwindigkeit
des ausströmenden Gemisches bis zu ihrem Maximalwert aufsteigt, zwar aufgrund der
ansteigenden Strömungsgeschwindigkeiten der Frischgemischströmung innerhalb des Diffusors
stromabwärts verschoben. Dadurch erhöht sich aber gleichzeitig die Größe der freien
Ringspaltfläche, die zwischen der zentralen Flamme, die bei einem Drallbrenner ihre
Fläche unabhängig von ihrer axialen Position beibeibehält, und der Diffusorwand liegt.
Hierdurch sinkt aus Kontinuitätsgründen der Wert der axialen Strömungsgeschwindigkeit
wieder ab und dadurch wird letztlich auch einem zu starken Abheben der Flamme vom
Brenneraustritt (mit der Konsequenz, dass die Flamme dann sogar ganz erlöschen kann)
wirksam entgegengewirkt.
[0043] Es wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Brennen der pulsierenden
Flamme innerhalb des Diffusors nicht als unzulässiger Flammenrückschlag angesehen
wird.
[0044] Insbesondere ist es durch eine hochtemperaturbeständige Auslegung des Diffusors zum
Beispiel mittels einer keramische Innenauskleidung oder durch Zwangskühlung mittels
einer doppelschaligen Ausführung des Diffusors mit Luft oder Wasser als Kühlmedium
einem Fachmann leicht möglich, einen dauerhaft sicheren Betrieb der pulsierenden Flamme
am/im Diffusor zu gewährleisten.
[0045] Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass das Problem des ungewollten Flammenrückschlages
durch die pulsierende Strömung in einem Schwingfeuer- oder Pulsationsreaktor nur dann
von Bedeutung ist, wenn die Flamme voll-vorgemischt ist (Brennstoff und Verbrennungsluft
werden räumlich vor dem Brenner miteinander molekular vermischt) oder wenn sie als
schnellmischende Diffusionsflamme brennt. In letzterem Fall liegt z.B. eine Düsenmischflamme
vor, bei der Brennstoff und Verbrennungsluft erst innerhalb des Brenners - bevorzugt
am Brenneraustritt - zusammengeführt werden.
[0046] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- Prinzipskizze eines Drallbrenners mit Diffusor;
- Fig. 2
- die Prinzipskizze eines Diffusors gemäß Fig. 1 mit einer pulsierenden Flamme an zwei
unterschiedlichen Positionen.
[0047] In der Fig. 1 erkennt man einen Drallbrenner 1, dem Brennstoff und Verbrennungsluft
getrennt 2 oder bereits vorgemischtes Brennstoff/LuftGemisch 2 über mindestens eine
hier nicht näher dargestellte Leitung zugeführt wird.
[0048] Unter Brennstoff versteht man z.B. Brenngase wie Erdgas, Methan, Wasserstoff oder
Flüssigbrennstoffe wie Alkohol, etc. Unter Verbrennungsluft wird im Rahmen der vorliegenden
Erfindung allgemein ein Oxidationsmittel verstanden, das den für die Verbrennung benötigten
Sauerstoff bereitstellt. Außer Luft gehören hierzu beispielsweise auch reiner Sauerstoff
oder mit Sauerstoff angereicherte Luft etc.
[0049] Dieser Verbrennungsluftstrom oder dieses Brennstoff/Luft-Gemisch wird über einen
Drallerzeuger 3 innerhalb des Drallbrenners 1 geleitet, so dass der aus dem Brenneraustritt
4 ausströmende Massenstrom 5 außer einer Bewegung in Axialrichtung eine Rotationsbewegung
6 in Umfangsrichtung (Tangentialgeschwindigkeitskomponente oder "Drall") aufweist.
[0050] Mit dieser Rotationsbewegung 6 strömt der Massenstrom 5 in einen Diffusor 7. Die
Wände des Diffusors haben einen im Wesentlichen konischen Verlauf mit einem Öffnungshalbwinkel
8. Dieser Öffnungshalbwinkel 8 liegt dabei in einem Bereich zwischen 3° und 45° und
wird gegenüber der Axialrichtung gemessen.
[0051] Der Brenneraustritt 4 hat einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und kann
eine axiale Erstreckung 9 haben, die vorzugsweise in etwa in dem Bereich zwischen
0 und 0,5 m liegt.
[0052] Die axiale Länge 10 des konischen bzw. kegelstumpfförmigen Diffusors 7 kann etwa
einen Betrag von 0,1 bis 1 m haben. Er liegt damit bezogen auf die Abmessungen des
Brenneraustritts 4 zwischen etwa dem 0,5-fachen und dem 10-Fachen des freien Durchmessers
des Brenneraustritts. Zu dem Ende 11 des Diffusors 7 hin bildet sich in dem Massenstrom
5 aus dem ausströmenden Brennstoff/Luft-Gemisch eine Drallflamme 12.
[0053] Diese Drallflamme 12 zeichnet sich insbesondere auch durch ein zentrales Rückströmgebiet
13 aus, das ein wichtiges Charakteristikum einer drallstabilisierten Flamme darstellt.
[0054] Die Flamme 12 brennt in einer pulsierenden Weise in eine hier nicht näher dargestellte,
sich strömungstechnisch an den Diffusor 7 anschließende Brennkammer hinein und erzeugt
dort eine schwingende Heißgasströmung. Dieser Heißgasströmung ist bedarfsweise eine
Menge an Material zur Materialbehandlung oder Materialsynthese aufzugeben. Dieses
Material wird, nachdem es in der Heißgasströmung behandelt oder synthetisiert wurde,
abschließend beispielsweise in einem Zyklon oder einem Heißgasfilter wieder abgesondert,
die ebenfalls nicht dargestellt sind.
[0055] Die Pulsation der Flamme 12 ist selbsterregt und wirkt dabei im Verbund Brenner -
Flamme - Brennkammer - Reaktionsraum - Abscheidevorrichtung auf den zuströmenden Massenstrom
5 zurück.
[0056] Aufgrund der erwähnten Pulsation bzw. Schwingung der Heißgasströmung schwingt also
auch die Flamme 12 und dadurch auch der in sie hineinströmende rotierende Massenstrom
5, was wiederum die Pulsation aufrecht erhält, u.s.w. d.h. der aus dem Brenner austretende
Massenstrom hat einen zeitabhängigen - zumeist näherungsweise sinusförmigen - zeitlichen
Verlauf).
[0057] Aufgrund des schwingenden Massenstromes 5 ändert sich die in Axialrichtung liegende
Geschwindigkeit der Brennerausgangsströmung (Axialgeschwindigkeitskomponente der Brennerausströmung),
während gleichzeitig die Flammengeschwindigkeit 14 der sich bildenden Flamme 12 konstant
bleibt. Die Flammengeschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit, mit der sich die
Flamme 12 entgegen der Ausströmrichtung des ihr zuströmenden Brennstoff/Luft-Gemisches
in diesem ausbreitet.
[0058] Damit verlagert sich die axiale Position der sich bildenden Flamme: Bei absinkender
Ausströmgeschwindigkeit des Massenstromes 5 wandert die Flamme 12 in den Diffusor
7 hinein, beispielsweise bis in die in der Fig. 2 dargestellte "Position 1". Bei der
sich anschließend im Zuge der Pulsation sich wieder erhöhenden Geschwindigkeit des
Massenstromes 5 wird die Flamme wieder in Axialrichtung aus dem Diffusor 7 zurückgedrängt,
beispielsweise bis in die in der Fig. 2 dargestellte "Position 2"
[0059] Jetzt ist aber die Flamme 12 in ihren geometrischen Ausdehnungen quer zur Ausströmrichtung
unabhängig von ihrer axialen Position im Wesentlichen konstant. Dies hängt zusammen
mit den speziellen Eigenschaften einer drallstabilisierten Flamme, wie sie oben bereits
angesprochen wurden.
[0060] Da in den axialen Positionen 1 bzw. 2 die dort für die Strömung zur Verfügung stehenden
Querschnittsflächen A
1 bzw. A
2 aufgrund der konischen Ausgestaltung des Diffusors 7 unterschiedlich groß sind, ergibt
sich so, dass sich zwischen den Positionen 1 und 2 die Ringflächen 15 bzw. 17 in ihren
Größen entsprechend ändern, die sich an diesen Positionen zwischen der (in ihrer geometrischen
Ausdehnung konstant bleibenden) Flamme 12 und der Wandung 16 des Diffusors bilden:
Da sich der Querschnitt des Diffusors in Flammenausbreitungsrichtung von der Fläche
A1 zu der Fläche A2 konisch erweitert, vergrößert sich die freie Ringfläche des Ringspaltes entsprechend,
der die Flamme 12 umgibt und der zwischen der Flamme 12 und der Wandung 16 des Diffusors
7 liegt. Dabei wirkt die drallstabilisierte Flamme 12 u.a. wegen der in ihr vorhandenen
zentralen inneren Rückströmzone 13 wie ein fester Körper, der von dem Massenstrom
5 von ausströmendem Brennstoff/LuftGemisch nicht durchströmt werden kann.
[0061] In Position 2 stellt sich aufgrund der freien Ringfläche 15 eine axiale Geschwindigkeit
U
2 mit einem Axialimpulsstrom İ
2 ein. Wandert die pulsierende Flamme 12 nun wie beschrieben innerhalb der Pulsations-
bzw. Schwingungsperiode aufgrund des sich mit der Zeit ändernden, zunächst abnehmenden
Brenneraustrittsmassenstromes M
zu(t) und somit abnehmender Austrittsgeschwindigkeit U stromaufwärts Richtung Brenner
1, erreicht sie die in Fig. 2 dargestellte Position 1.
[0062] In der Position 1 ist die freie Ringfläche 17 wie erläutert aufgrund der Form des
Diffusors 7 kleiner als die freie Ringfläche 15 in der Position 2. Somit steigt bei
gleicher, von der durch die zentrale Rückströmzone gekennzeichneten drallstabilisierten
Flamme 12 eingenommenen, nicht durchströmbaren Fläche in der Position 1 die axiale
Strömungsgeschwindigkeit U
1 an und damit steigt dort auch der Axialimpulsstrom İ
1. Der Axialimpulsstrom İ
1 ist somit größer als der Axialimpulsstrom İ
2.
[0063] Aufgrund der wie erläutert ansteigenden axialen Strömungsgeschwindigkeit U
1 wird die Flamme 12 so an einem weiteren Stromauf-Wandern in den Diffusor 7 und damit
in den Brenner 4 hinein gehindert. Vielmehr hält die Flamme 12 in etwa diese Position
1, bis der innerhalb der Pulsations- bzw. Schwingungsperiode wieder ansteigende Brenneraustrittsmassenstrom
5 mit demgemäß auch wieder ansteigender Brenneraustrittsgeschwindigkeit die Flamme
12 wieder stromab in die ursprüngliche, als sicher anzusehende Position 2 hinausdrängt.
[0064] Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Flamme 12 nicht bis zum Brenner 1 bzw.
bis zum Drallerzeuger 3 wandern und sich in diesem bei einem Feuerrückschlag festsetzen
kann.
[0065] Es sei hier noch erwähnt, dass die Wandung 16 des Diffusors 7 und die Wandung 18
des Brenneraustritts 4 entweder ungekühlt oder aber wie in der Fig. 2 auf der linken
Seite zu erkennen ist, mit einer Kühlung 19 versehen sein kann, die beispielsweise
durch einen Strom 20 aus Luft oder Wasser zu bewirken ist, der durch die Kühlung 19
geleitet wird.
[0066] Weiterhin ist es möglich, die Wandung 16 und 18 mit einer keramischen Auskleidung
zu schützen.
[0067] Die hier beschriebene Vorrichtung und deren Betrieb ermöglichen es, die Schwingungsamplitude
eines Schwingfeuerreaktors insbesondere auch im Leerlauf der Anlage (d.h. ohne Materialaufgabe)
auf hohe Werte einzustellen, ohne dadurch das Risiko eines Flammenrückschlages in
den Brenner tragen zu müssen, da ein derartiger Flammenrückschlag durch den erfindungsgemäß
an dem verwendeten Drallbrenner vorgesehenen Diffusor sicher verhindert wird.
Bezugszeichenliste
[0068]
- 1
- Drallbrenner
- 2
- Verbrennungsluft- oder Brennstoff/Luft-Gemisch-Massenstrom
- 3
- Drallerzeuger
- 4
- Brenneraustritt
- 5
- Massenstrom
- 6
- Rotation
- 7
- Diffusor
- 8
- Öffnungshalbwinkel
- 9
- axiale Erstreckung des Brenneraustritts
- 10
- axiale Erstreckung des Diffusors
- 11
- Ende des Diffusors
- 12
- Drallflamme
- 13
- Rückströmbereich
- 14
- Flammengeschwindigkeit
- 15
- Ringfläche
- 16
- Wandung
- 17
- Ringfläche
- 18
- Wandung
- 19
- Kühlung
- 20
- Luft- oder Wasserstrom