Kurzes Handbuch der Brennstoff- und Feuerungstechnik

594 Pages·1953·29.541 MB·German

by  Dr.-Ing. Wilhelm Gumz VDI (auth.)

Kurzes Handbuch
der
Brennstoff- und F euerungstechnik
Von
Dr.-Ing. Wilhelm Gumz VDI
Zweite verbesserte Auflage
Mit 168 Abblldungen
Springer-VeI rGlatg> tBtienrgline nH I eHideeilbdeerlgb eGrmg bH
1953
ISBN 978-3-642-52786-9 ISBN 978-3-642-52785-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-52785-2
Alle Remte, insbesondere das der Dbersetzung
in fremde Spramen, vorbehalten.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1953
Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag OHG.
in Berlin/Göttigen/Heidelberg 1942 and 1953
Softcover reprint ofthe hardcover 2nd edition 1953
Vorwort zur zweiten Auflage.
Die zweite Auflage dieses Buches hat ein langes und kriegsbedingtes
Schicksal hinter sich. Zweimal fiel der Satz einer berichtigten Neuauf
lage, und schlieBlich auch der Satz der ersten Auflage Fliegerangriffen
zum Opfer. Damit war die Gelegenheit gegeben, an Stelle einer berich
tigten und erganzten Neuauflage, ein in weiten Teilen vi:illig neu ge
schriebenes Buch herauszubringen und wesentliche Verbesserungen
hineinzuarbeiten. Der Verfasser war in der gliicklichen Lage, in der
Kriegs- und Nachkriegszeit auf feuerungstechnischem Gebiet intensiv
weiterarbeiten zu konnen und ungehemmten Zugang zur auslandischen
Literatur zu haben, so daB manche Lucken der ersten, unter Kriegs
verhaltnissen geschriebenen Auflage ausgefiillt werden konnten.
Mehr und mehr ist es dem Verfasser zur GewiBheit geworden, daB
erfolgreiche Ingenieurarbeit auf feuerungstecl:mischem Gebiet-und das
gilt selbstverstandlich auch fiir andere Gebiete- nur auf einer Beherr
schung der chemisch-physikalischen Grundlagen beruht. Aus diesein
Grunde wurden die einleitenden Kapitel vollig neu geschrieben, zweck
maBiger umgruppiert und erweitert. Der Leser wird manche Ableitungen,
Berechnungsverfahren, Theorien oder Darlegungen neuer Ideen finden,
die unter normaleren Verhaltnissen in der Zeitschriftenliteratur er
schienen waren, ein Weg, der dem Verfasser eine Zeitlang verschlossen
oder erschwert war. Als solche bisher unveri:iffentlichte Darstellungen
seien erwahnt: Stri:imungsverhiiltnisse im Schwebebett (fluidisierter
Brennstoff), Widerstand von Brennstoffschiittungen, unvollkommene
Verbrennung, Dissoziation, Vergasungsrechnung, Generator-Feuerung
u.a.m.
Das Ziel des Buches ist unverandert eine Vermittlung der Grund
lagen zum Verstandnis und zur rechnerischen Erfassung der Vorgange
in Feuerungen und Gaserzeugern, in gebotener Kfuze und doch aus
reichender Vollstandigkeit, ein Werkzeug des planenden, rechnenden
und iiberwachenden Ingenieurs. Dem Springer-Verlag danke ich fiir sein
Entgegenkommen in der manchmal etwas schwierigen Synthese von
Kiirze und Vollstandigkeit.
Columbus (Ohio), im August 1952.
W. Gumz.
Vorwort zur ersten Auflage.
Eine Darstellung der llrennstoff- und Feuerungstechnik verlangt,
daB dem im Laufe der Entwicklung eingetretenen Wandel in der Auf
fassnng der Probleme Hechnung getragen und die physikalische Seite
der Vorgange starker in den Vordergrund geruckt wird. In diesem Sinne
weicht das vorliegende Handbuch von der bisher ublichen Behandlung
des Themas ab. Unter starkerer Berucksichtigung sowohl der physikali
schen Eigenschaften der Brennstoffe als auch der physikalischen Vor
gange bei der Verbrennung und der Vergasung wird versucht, das Gebiet
unter Ausrichtung nach diesen neuen Gesichtspunkten geschlossen dar
zustelhm. Dabei liiBt sich nicht Von der Hand weisen, daB heute noch
mancherlei Lucken bestehen, die zu fUllen spaterer Forschungsarbeit
U.berlassen werden muB. Immerhin gewinnt man so einen Uberblick U.ber
ein heute U.beraus zeitgemaBes Arbeitsgebiet und erkennt die Moglich
keiten und die Grenzen der Leistung und der Brennstoffausniitzung.
Die lebhafte Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat das Schrift
tum dieses Gebietes immerhin so anschwellen lassen und dabei so Viele
Grenzgebiete beruhrt, daB es geboten erschien, durch eine lmappe, aber
doch moglichst umfassende Darstellung dem Praktiker die vorhandenen
Quellen zu erschlieBen.
Mit Absicht wurde dabei auf eine reine Beschreibung von Feuerungen,
Gaserzeugern usw. verzichtet, weil wohl angenommen werden kann, daB
diese dem Leser durch das schon vorhandene Schrifttum oder ttus eigener
Anschauung hinreichend bekannt sind. Meine Monographie ,Feuerungs
technisches Hechnen" >nude, vollig neu bearbeitet, als Kapitel in dieses
Buch mit aufgenommen.
Essen, im Januar 1942.
W. Gumz.
Inhaltsverzeichnis.
tleitc
Einleitung· . . . . . . 1
I. Physikalische Grundgesetze a
l. Kennzeichnung von Festkiirpern, Schiittungen und
Staub en 3
KorngriiBe und KorngriiBenanalyse . . 3
Kornform ............ . 9
Packungsart, Packungsdicht'e und Lilckenvolumen 10
Bewegung fester Teilchen . . . . . . . . 12
2. }lechanik gasfiirmiger Kiirper .... . . . . . . . . . 14
Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . 14
Gas-Dampf-Mischungen . . . . . . . . 16
Statik gasfiirmiger Kiirper. Zugerzeugung 18
Gasbewegung . . . . . . . 24
Begriff der Zahigkeit . . . . . . . . 25
Grundgesetze der Striimung . . . . . 28
Ahnlichkeitsgesetze, laminare und turbulente Stri:imung . 30
Druckabfall in glatten und rauhen Rohren und Kanalen 32
Striimungswiderstand von Schiittungen . . . . . . . . 37
Widerstand umstriimter Kiirper. Fallgeschwindigkeit. . . 43
Striimungswiderstand und Liickenvolumen aufgewirbelter Schiit-
tungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Bewegung fester Teilchen in striimenden :Fliissigkeiten und Gasen 53
Ausstriimung aus Diisen . . . . . 58
:3. Warmctheorie . . . . . . . . . 61
Die kinetische Theorie der Warme 61
Die spezifische Warme. 64
Reaktionskinetik . . . . . . . . 69
Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante. 69
Der Reaktionsmechanismus. 70
4. Die Warmeiibertragung 72
Vorbemerkung . . . . . 72
Warmeiibergang durch Strahlung . 73
Strahlung des absolut schwarzen Kiirpers 7:3
Strahlung grauer Kiirper. 7 4
Das Winkelverhaltnis 75
Gasstrahlung . . . . 77
Strahlung leuchtender Flammen 80
Gesamtstrahlung . . . . . 83
\Yarmeiibergang durch Kon>ektion, \\'iirmeleitung und \Yiirme-
durchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
\Varmeiibergang bei erzwungener Striimung im Bohr . 84
\Varmeiibergang an ebenen und gekriimmten Flachen 87
VI Inhaltsvcrzeichnis.
:.:;cite
Rohre (aul3en) und Rohrbiindel. H8
Rippenrohre . . . . . . 92
Warmeiibergang an Schiittstoffe 93
Warmeiibergang an Schwebeteilchen 94
\Varmeiibergang von feste Schwebeteilchen enthaltenden Gasen 95
Warmeiibergang bei freier Konvekticn . . . . . . . . . . 96
Warmeiibergang an \Vasser, 01 und Heil3dampf . . . . . . 97
\Varmeiibergang von siedendem \Vasser und kondensierendem
Dampf . . . . . . . . . . . . . . . 97
Warmeleitung und Warmedurchgang . . 98
Warmeleitung und Diffusion von Gasen. 102
Die mittlere Temperaturdifferenz 105
Der Stoffaustausch 106
II. Die Brennstoffe 107
5. Zusammensetzung und Eigenschaften der festen Brenn-
stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Kennzeichnung und Analyse . . . . . . . . . . . . . . 107
Die brennbare Substanz und ihr petrographischer Aufbau. 114
Verhalten der brennbaren Substanz bei der Erwarmung 116
Der Schwefelgehalt 126
Die Feuchtigkeit . . . . . . . . . . 128
Der Aschegehalt . . . . . 129
Verhalten der mineralischen Bestandteile bei der Erhitzung 131
Das Aschenschmelzverhalten (Sintern und Schmelzen) 136
Viskositat der Schlacke . . . . . 146
Brennstoff-Tabellen . . . . . . . . 154
Bewertung der festen Brennstoffe. . 156
Verbrennungswarme und Heizwerte . 158
Reaktionsfahigkeit. . . . . . . . . 164
Ziindvorgang und Ziindtemperatur . 167
Oxydation bei niedrigen Tempemturen. Lagerung. Alterung. 171
Physikalische Eigenschaften der Kohlen . 173
Kornung von Kohle und Koks . . . . . 173
Schiittungskenngrol3en . . . . . . . . . 173
Raumgewicht (spez. Gew.) und Porigkeit 176
Spezifische Warme 181
Warmeleitfahigkeit 184
Festigkeit 185
6. Die Veredlung fester Brennstoffe auf mechanischem,
thermisc hem und c l:lemisc hem W ege 191
Aufbereitung . . 191
Nachbehandlung 193
Brikettierung . . 194
Kohlenstaub und Fliel3kohle 196
Entwasserung und Trocknung 197
Thermische Brennstoffveredlung 200
Karburitverfahren oder Bertinisierung . 200
Schwelung .. 201
Verkokung ..... 203
Holzverkohlung . . 207
Olschieferdestillati on . 207
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
Stadtgaserzeugung. 209
Vergasung .... 210
Extraktion . . . . 214
Chemische Kohlenveredlung 214
V erfahrenskom binationen. . 217
7. Zusammensetzung und Eigenschaftenderfliissigen Brenn-
stoffe . . . . . . . . . . . . 218
Siedeverhalten . . . . . . . . . . . . 218
Zusammensetzung und Heizwert . . . . 219
Aschegehalt und Aschenzusammensetzung 221
Spezifisches Gewicht und Dichte . . . . 222
Thermische Eigenschaften . . . . 222
Ziindungs- und Verbrennungseigenschaften. 223
8. Gewinnung und Veredlung der fliissigcn Brenn- und
Trei bstoffe . . . . 224
Erdiilverarbeitung . . . . . . 224
Die Kohle-Hydrierung . . . . 227
Treibstoff. und Paraffin-Synthese. 229
9. Zusammensetzung und Eigenschaften t\asformiger
Brennstoffe 231
Gasarten . . . . . 231
Heizwert . . . . . 234
Ziindgeschwindigkeit und Ziindgrenzen 235
Brenntechnische Eigenschaften . . . . 238
10. Veredlung gasformiger Brennstoffe 241
Gasreinigung . . . 241
Gastrocknung . . . 242
Gaszerlegung durch Tiefkiihlung 243
Schwefelreinigung . . . . . . . 244
Konvertierung und Gasentgiftung. 248
Methanisierung und Methanspaltung 249
III. Verbrennung . . . . . . . . . . . 253
ll. Verbrennungsrechnung fiir festeund fliissige Brennstoffe 25:~
Verbrennung mit LuftiiberschuB . . . . . . . . . . . . . . 256
Das Rauchgasgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261
Vereinfachte Verbrennungsrechnung fiir feste und fliissige Brenn-
stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Die Genauigkeitsanspriicbe an die Verbrennungsrechnung 264
V er brennungsrechnung fiir gasfiirmige Brennstoffe 265
U nvollkommene V er brennung. . . . . . . . . . . 268
002-Gehalt und V er brennungsdreiecke. . . . . . . 272
12. Taupunkt und Schwefelsaurebildung im Rauchgas. 281
13. Sonderfalle der Verbrennung. . . 286
Verbrennung aschenreicher Brennstoffe 286
Verbrennung in Kalk- und Zementiifen 286
Verbrennung in Glasofen. . . . . . . 292
Verbrennung mit Sauerstoff und sauerstoffangereicherter Luft 293
Verbrennung mit Rauchgasriickfiihrung 294
EinfluB des Eisenabbrandes . . . . . . . . . . . . . . . 296
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
14. Ermittlung der Luft- und Rauchgasmengen aus dem
Heizwertundder Luit tiberschu13zahl odcr dem C0 -Gehalt 297
2
Feste Brennstoffe . . . 297
Fl tissige Brennstoffe . . . . . . 299
Gasformige Brennstoffe . . . . 300
15. Die Verbrennungstemperatur 302
Verbrennungstemperaturen in der Kohlenstaubfeuerung . 305
Verbrennungstemperaturen in Gas- und Olfeuerungen. 312
Verbrennungstemperaturen in Rostfeuerungen 312
Vereinfachte Bereehnung nach Orrok 316
16. Das /t-Diagramm ............ . 317
Einflu13 der Dissoziation . . . . . . 320
\Varmetechnisches Rechnen mit dem /t-Diagramm 332
17. Die \Varmeverluste. 338
Die Abwarmeverluste . . . . 338
Ableitung ......... . 340
Verluste durch Unverbranntes 346
Leitungs- und Strahlungsverluste . 348
Ausflammverluste . . . . . . . . . 349
Speicherverluste (Unbeharrungsverluste) 350
Abhangigkeit des Wirkungsgrades von der Belastung . 351
IV. V ergasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
18. Vergasungsrechnung fiir feste Brennstoffe 354
Zahlenbeispiel zur Newton-Tr austel-Methode . 364
Die Warmebilanz . . . . . . . . . . . . . . . 367
Hilfsmittel zur Beurteilung des Vergasungsvorganges 370
19. Schachtofenberechnung .... . 373
V. Verbrennungs- und Vergasungsvorgange 375
20. Statik und Dynamik der Verbrennung und Vergasung 375
Der Chemismus der Verbrennung ....... . 376
Der Chemismus der V ergasung . . . . . . . . . 387
21. Der physikalische Vorgang der Verbrennung 388
Verbrennung in der Schwebe . . . . . . . . . . . 389
Mittel zur Erhiihung der Reaktionsgeschwindigkeit . 397
Verbrennung in der Schicht 399
22. Der Ziindvorgang ..... 410
23. Der Verbrennungsvorgang in der Feuerung 415
Planrostfeuerung . . . . . . 417
Wurffeuerung . . . . . . . . 419
Halbmechanische Kleinfeuerungen. 420
Der W anderrost. . . . . . . 422
Ziindung und Verbrennung. . . 424
Leistung und Wirkungsgrad .. 425
Luftbedarf und Zoneneinteilung 432
Feuerraumgestaltung. 434
Der Rostbelag 436
U nterschu bfeuerungen . 441
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
Schurroste . . . 44:~
Bra unkohlenrostfeuerungen . . 445
Feuerungen fUr andere feuchte Brennstoffe 446
Z wei tl uftzufuhrung 448
Oberwind-Feuerung . . . . 458
Gaserzeuger-Feuerung . . . 459
Die Kohlenstaub-Feuerung . 461
Feuerungen mit flussigem Schlackenabzug . 471
MaBnahmen zur Senkung der Staubaufbereitungskosten. 475
Die ::\Ii.ihlenf euerung . . . . . . 476
Schwebefeuerungen . . . . . . . . . . 479
Die Kohlenstaubzusatzfeuerung. . . . . 482
Verschlackung, Heizflachenverschmutzung und -reinigung 483
Beobachtungen . . . . . . . . . 484
Die Rolle des Schwefeltrioxyds . . . . . 486
Theorie der Siliziumverfluchtigung 487
MaBnahmen zur Verschlackungsbckampfung 489
Sonderfalle . . . . . . . . . . . . . . 491
Verschlackung und Korrosion iilgdcuertcr Kessel . 491
Flugasche, Abgas- und Rauchschiiden . 492
Die Olfeuerung . . . . . 500
Die Druckfeuerung . . . 504
Turbinen-Brennkammern . 50()
Die Gasfeuerung 509
24. Der Vergasungsvorgang im Gaserzeuger. 518
Ortsfeste Schwachgaserzeuger . 518
Drehrostgaserzeuger 518
Abstichgaserzeugcr. . . . . 52[;
Fahrzeuggaserzeuger . . . . . 526
Wassergas- und Synthesegascrzeuger 530
DruckYergasung . . . . . . . 53:l
Feinkorn- und Staubgaserzet'gcr 536
Anhang· 541
N amenverzeichnis 564
S:.tchverzeicbnis. . 576
Berichtigung·.
S. 25 Zeile 6/7 von unten
statt 0,01 Poise --10-3 kg. s. ril-2 lies 0,01 Poise --I0-4 kgs. m-"
S. 191 FuBnote I
statt .Miinzinger. Friedrich; Dampfkraft. S. 203. Berlin 1933
lies Stimmel, H.: Z VDI Beih. VerfahrenstPchn. 1938. Heft 1, S. 26-29.