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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Boil-off-Gas auf einem Flüssiggas-Transportschiff sowie die Verwendung einer Combustor-Einheit zum sicheren und vollständigen Verbrennen von Boil-off-Gas auf einem Flüssiggas-Transportschiff.
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Aufgrund der begrenzten Wärmeisolierung und der ebenfalls begrenzten Druckfestigkeit von Flüssiggas-Tanks auf Flüssiggas-Transportschiffen besteht die Notwendigkeit, das aus dem tiefkalten Flüssiggas (jede Art von Flüssiggas, bspw. Erdgas, Methan, Wasserstoff, Butan, ...) ständig in mehr oder weniger großen Mengen verdampfende Gas einer sicheren Behandlung zuzuführen, wobei sich hierfür aus naheliegenden Gründen in erster Linie der Verbrauch für Antriebs- und sonstige Leistungen unmittelbar an Bord des Transportschiffs anbietet. Bei bekannten Flüssiggastankern werden hierfür speziell entwickelte Gasmotoren zum Einsatz kommen. Aufgrund regelmäßiger Stillstandszeiten der Maschinen (Liegezeiten in Häfen usw.) genügt diese Verwendung jedoch nicht, so daß als weitere Behandlungs- bzw. Verarbeitungsmöglichkeiten eine Rückverflüssigung oder aber eine Verbrennung des Boil-off-Gases vorgeschlagen worden ist. Aufgrund der erforderlichen Redundanz zur Aufrechterhaltung der Sicherheit im Störungsfall ist eine ausschließliche Rückverflüssigung der anfallenden Gase sehr kostenaufwendig, so daß in der Regel zusätzlich, wenn nicht ausschließlich eine Entsorgung von nicht für Antriebszwecke verwendbaren Gasen durch Verbrennen gewählt wird.
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Bei Verbrennung der Boil-off-Gase muß selbstverständlich aus Sicherheitsgründen darauf geachtet werden, daß die erzeugten Abgase eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten, wobei zur Zeit eine Maximaltemperatur von 450°C vorgeschrieben ist. Dies ist technisch nicht leicht zu erreichen, da bei Stillstand der Antriebsmaschine erhebliche Mengen an Boil-off-Gas frei werden und aufgrund der relativ niedrigen Endtemperatur von 450°C große Mengen an Mischluft erforderlich sind, die bei bzw. im Anschluß an die Verbrennung zugemischt werden muß, wobei die Mischung so erfolgen muß, daß möglichst keine Heißgassträhnen aus dem Schornstein austreten.
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Aus der
DE 23 07 390 B2 ist ein Verfahren zur Behandlung bzw. Verwertung des in einem Transportschiff für Erdgas durch Verdunsten aus dem Flüssiggasbehälter anfallenden Gases und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bekannt, wobei das gesamte anfallende Gas komprimiert und ein erster Teilstrom einer Kraftanlage als Brennstoff und der verbleibende zweite Teilstrom weiter komprimiert, nach Abkühlung expandiert und rückverflüssigt wird.
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In der
DE 34 37 970 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines selbstbrennenden Tunnelofens beschrieben, wobei die entstehenden Rauchgase abgezogen, mit Kühl- und Frischluft gemischt und in einen Vorwärmer eingedüst werden.
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Aus der
US 4,417,878 A ist eine Maschinenanordnung für Flüssiggastanker bekannt geworden, die aus einem Dieselantrieb und einem kombinierten elektrischen System mit Gas- und Dampfturbine besteht, welches von der Ladung verdampfendes Gas verbrennt.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, das anfallende Boil-off-Gas in einer Fackel zu verbrennen, deren Austritt weit oberhalb des Schiffsdecks liegt, so daß nach Möglichkeit die frei austretende Flamme nicht in die Nähe von Teilen der Schiffsaufbauten geraten kann, was allerdings bei ungünstigen Windverhältnissen nie ganz auszuschließen ist, so daß auch diese Lösung unter Sicherheitsaspekten als unbefriedigend anzusehen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Alternative für das Verbrennen von Boil-off-Gas auf einem Flüssiggas-Transportschiff anzugeben, mit dem eine sichere und vollständige Verbrennung anfallender Boil-off-Gase gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbrennen von Boil-off-Gas auf einem Flüssiggas-Transportschiff nach Anspruch 1 gelöst.
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Die maximale Abgastemperatur kann 450°C betragen. Es kann vorgesehen sein, daß Boil-off-Gas und Verbrennungsluft mit einem Luftverhältnis von mehr als 1,5 und insbesondere als 2 zugeführt werden.
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Es kann vorgesehen sein, daß in der Brennkammer eine nicht oder schwach verdrallte Flamme erzeugt wird. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, daß in der Brennkammer eine stark verdrallte Flamme mit einer zentralen Rückströmzone erzeugt wird. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß die Verbrennungsluft mit einem Überdruck von 10 bis 50 mbar, bevorzugt 40 mbar, zugeführt wird.
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Die Mischluft kann ringförmig oder in mehreren radialen Strahlen zugeführt werden. Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Mischluft an mehreren axial aufeinanderfolgenden Stationen zugeführt wird.
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Eine besonders gute Mischwirkung wird erreicht, wenn die Mischluft mit einer Tangentialkomponente zugeführt wird.
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Eine besonders gute Mischung läßt sich erzielen, wenn die Einzelstrahlen schräg axial/radial gerichtet sind und mit einer Längsachse der Brennkammer einen Winkel von etwa 20° bis 70°, bevorzugt etwa 60° einschließen. Hierbei reicht es aus, wenn die Mischluft mit einem Überdruck von etwa 10 mbar zugeführt wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Boil-off-Gas in der Brennkammer bei etwa 1200°C verbrannt wird, wodurch der NOx-Gehalt minimal gehalten wird. Ferner ist die Verbrennung zweckmäßigerweise so eingestellt, daß das Boil-off-Gas im wesentlichen rußfrei verbrannt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird in einem zweiten Aspekt gelöst durch Verwendung einer Combustor-Einheit zum sicheren und vollständigen Verbrennen von Boil-off-Gas auf einem Flüssiggas-Transportschiff nach Anspruch 14.
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Die maximale Abgastemperatur kann 450°C betragen.
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Es kann vorgesehen sein, daß der Brenner so ausgelegt ist, daß er eine nicht oder schwach verdrallte Flamme erzeugt. Stromab der Brennkammer können in radialer Richtung mündende Mischluftöffnungen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können stromab der Brennkammer drallerzeugende Mischluftöffnungen vorgesehen sein, mit denen der Mischluft eine tangentiale Komponente erteilt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Brenner als Drallbrenner ausgebildet ist und eine stark verdrallte Flamme mit einer zentralen Rückströmzone erzeugt.
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Die Einrichtung zum Zuführen von Verbrennungsluft kann als Radialgebläse ausgebildet sein. Im Unterschied dazu kann die Einrichtung zum Zuführen von Mischluft als Axialgebläse ausgebildet sein, insbesondere als einstufig ausgebildetes Axialgebläse. Als Ausfallsicherheit kann jeweils ein zweites Gebläse vorhanden sein.
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Zweckmäßigerweise ist die Brennkammer innerhalb eines Außenmantels angeordnet, wobei zwischen Brennkammer und Außenmantel ein Ringraum für die Mischluft gebildet ist. Der Außenmantel kann mindestens eine tangential angeordnete Zuführungsöffnung für Mischluft aufweisen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Brennkammer eine feuerfest ausgebildete Vorbrennkammer und eine Nachbrennkammer aufweist. Die Vorbrennkammer kann eine Länge aufweisen, die etwa mit ihrem Durchmesser übereinstimmt.
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Die Vorbrennkammer kann innerhalb eines einen ringförmigen Zwischenraum bildenden Mantels angeordnet sein, durch den ein Teil der Verbrennungsluft zuführbar ist.
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Zweckmäßigerweise besteht die Nachbrennkammer aus Stahlblech.
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Die Mischeinrichtung kann an einem axialen Ende der Nachbrennkammer angeordnet sein, wobei sie bevorzugt durch eine Anzahl einzelner Öffnungen gebildet ist, die in der Nachbrennkammer ausgebildet sind. Die Öffnungen können unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, und sie können in einer kegelstumpfförmigen Abschlußwand der Nachbrennkammer ausgebildet sein. Die Abschlußwand kann unter einem Kegelhalbwinkel von 20°C bis 70°C, bevorzugt etwa 30°C zu einer Längsachse angeordnet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert, wobei
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1 eine schematische Schnittansicht einer Combustor-Einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
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2 eine schematische Darstellung der Strömungsvorgänge in einer Drallbrennkammer zeigt, wie sie in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann;
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3 eine Seitenansicht einer weiteren Combustor-Einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
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4 eine Schnittansicht der Combustor-Einheit nach 3 zeigt;
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5 eine Draufsicht von unten auf die Combustor-Einheit nach 3 zeigt;
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6 eine Schnittansicht durch den bei der Combustor-Einheit nach 3 bis 5 verwendeten Drallbrenner zeigt, und
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7 eine Anordnungsskizze einer Combustor-Einheit in einem Flüssiggas-Tanker zeigt.
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1 zeigt eine vom Grundsatz her bekannte Combustor-Einheit 1 mit einem Brenner 2, der in eine Brennkammer 4 arbeitet, deren Innenraum 6 von einer feuerfest ausgemauerten Brennkammerwand 8 umschlossen ist. Der Strömungsverlauf innerhalb der Brennkammer ist durch im wesentlichen axial gerichtete Pfeile 10 angedeutet. Verbrennungsluft 12 wird über eine Regelung 14 dem Brenner 2 bzw. der diesen benachbarten Zone der Brennkammer zugeführt. Verdünnungs- bzw. Mischluft 16 wird über eine Regelung 18 und durch Öffnungen 20 dem Rauchgas zugeführt, das die Brennkammer 4 verläßt, und mit diesem gemischt, so daß an einem Austritt 22 eines Schornsteins 24, dessen Länge unmaßstäblich verkürzt dargestellt ist, eine ausreichende Mischung und damit ein ausreichend ebenes Temperaturprofil über den Querschnitt besteht.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Combustor-Einheit 1 nach 1 an Bord eines Flüssiggas-Tankschiffs zur Verbrennung des anfallenden Boil-off-Gases eingesetzt, wobei der Brenner 2 mit dem aufgrund der Verdampfung unter einem Vordruck von unter 1 bar, meist etwa 200 mbar bis 400 mbar, stehenden Brenngas (Boil-off-Gas) und über ein Gebläse mit Verbrennungsluft versorgt wird, so daß sich innerhalb der Brennkammer 4 eine Luftzahl von bspw. 1,5 bis 2,5 einstellt. Mischluft 16 wird durch ein weiteres Gebläse in einer ausreichenden Menge zugeführt, so daß sich eine mittlere Temperatur am Austritt 22 von maximal 450°C ergibt, die aufgrund einschlägiger Sicherheitsvorschriften für derartige Schiffe festgelegt ist.
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Die Öffnungen 20 können im einfachsten Falle als in Umfangsrichtung durchgehender Schlitz oder aber als voneinander beabstandete, radial gerichtete Öffnungen ausgebildet sein. Um die Mischung zu verbessern, können die Öffnungen 20 tangential angestellt sein, so daß eine Verdrallung der Mischluft erzielt wird.
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Die Combustor-Einheit 1 nach 1 wird im Einsatz auf einem Tankschiff in vertikaler Ausrichtung betrieben, d. h. gegenüber 1 um 90° gedreht, wobei die Combustor-Einheit und der sich nach oben anschließende Schornstein 24, der als Mischungsstrecke erforderlich ist und in 1 zwischen den Öffnungen 20 und dem Austritt 22 lediglich angedeutet ist, innerhalb des vorhandenen Schornsteinaufbaus des Schiffs untergebracht sein können (vgl. 7).
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2 dient der grundsätzlichen Erläuterung der in 3 bis 6 dargestellten Combustor-Einheit und zeigt die Strömungsvorgänge in einer Drallbrennkammer. Verbrennungsluft wird über eine tangentiale Luftzuführung oder einen Drallgenerator 30 zugeführt und durchläuft, koaxial zu einer Brenngaszuführung 32, einen sich konisch verengenden Brennerkopf 34, um dann gemeinsam mit dem Brenngas in eine Vorbrennkammer 36 einzutreten (Pfeile 38). Aufgrund der starken Verdrallung weitet sich die Strömung innerhalb der Vorbrennkammer 36 auf (Pfeile 39) und erzeugt in der Nähe ihrer Längsachse 40 einen Bereich reduzierten Drucks, so daß eine zentrale Rückströmung (Pfeile 42) entsteht, die bis an den Anfang der Vorbrennkammer reicht. Beim Übergang in eine sich an die Vorbrennkammer 36 anschließende, in 2 nicht dargestellte Nachbrennkammer weitet sich die Strömung nochmals auf (Pfeile 44) und strömt im Außenbereich der Nachbrennkammer mit abnehmender Tangentialkomponente.
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3 bis 6 betreffen eine zweite Ausführungsform einer Combustor-Einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. für die erfindungsgemäße Verwendung, wobei 3 eine Seitenansicht der im ganzen mit 50 bezeichneten Combustor-Einheit zeigt. Unterhalb eines Montagerahmens 52 ist ein Drallbrenner 54 angebracht, der in eine Brennkammer arbeitet, die auf dem Montagerahmen 52 stehend angeordnet ist. 3 zeigt lediglich einen die Brennkammer umgebenden Außenmantel 56, der zwei tangential angeordnete, einander gegenüberliegende Lufteinlässe 58 aufweist, von denen in 3 nur einer sichtbar ist.
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Die Schnittansicht nach 4 zeigt den Aufbau der Combustor-Einheit 50 mehr im einzelnen. Der Drallbrenner 54 mündet in eine feuerfest ausgemauerte Vorbrennkammer 60, die mit radialem Abstand von einem Mantel 62 umgeben ist, so daß dazwischen ein ringförmiger Zwischenraum 64 zum Zuführen eines Teils der Mischluft gebildet ist. Die durch den Zwischenraum 64 zugeführte Mischluft kann durch Öffnungen 66 in der Wand der Vorbrennkammer 60 und/oder durch Öffnungen 68, die sich durch einen stirnseitigen Kragen 70 der Vorbrennkammer erstrecken, zugeführt werden.
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In der in 4 dargestellten Ausführung weist die Vorbrennkammer 60 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von etwa 2 auf, wobei sich allerdings ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von etwa 1 ebenfalls als sehr günstig herausgestellt hat.
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An die Vorbrennkammer 60 schließt sich eine Nachbrennkammer 72 an, die aus einem Mantel aus rostfreiem Stahlblech besteht und einen größeren Innendurchmesser als die Vorbrennkammer 60 aufweist. Die Nachbrennkammer 72 ist an ihrem axialen Ende mit einer dom- oder kegelstumpfförmigen Abschlußwand 74 verschlossen, deren kegelstumpfförmiger Bereich 76 mit einer Längsachse 78 der Combustor-Einheit einen Winkel von etwa 30° bildet und von zahlreichen Öffnungen 80 durchbrochen ist, während der im wesentlichen radial verlaufende Bereich 82 der Abschlußwand geschlossen ist.
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Der Außenmantel 56 bildet mit der Brennkammer bzw. dem Mantel 62 und der Nachbrennkammer 72 einen konzentrischen ringförmigen Zwischenraum 84, durch den die Mischluft, die durch die Lufteinlässe 58 zugeführt wird, stromab strömt, bis sie auf die aus den Öffnungen 80 austretenden Rauchgasstrahlen trifft und nach Mischung mit dem Rauchgas in Form von abgekühltem Abgas aus dem oberen, eingezogenen Ende 57 des Außenmantels 56 austritt.
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5 zeigt die Combustor-Einheit 50 einer Ansicht von unten, wobei neben dem Montagerahmen 52 der Außenmantel 56 mit Mischlufteinlässen 58 und der Drallbrenner 54 mit tangentialem Verbrennungslufteinlaß 86 und Brenngaseinlaß 91 zu erkennen sind.
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In der Schnittansicht des Drallbrenners 54 nach 6 ist der tangential angeordnete Verbrennungslufteinlaß 86 sowie eine ringförmige Drallkammer 88 dargestellt, in die der Einlaß 86 mündet. Nach einer radialen Einschnürung 90 tritt die stark verdrallte Verbrennungsluft nach oben in die in 6 nicht dargestellte Vorbrennkammer 60 ein. Boil-off-Gas wird als Brenngas über den Brenngaseinlaß 91 zugeführt. In der Vorbrennkammer wird das Gas von zwei redundanten Pilotbrennern gezündet.
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Bei einer Luftzahl von mehr als 2 wird das Gas in der Vorbrennkammer bei ca. 1200°C weitestgehend ausgebrannt. Der vollständig, rußfreie Ausbrand erfolgt in der Nachbrennkammer. Die Hauptflamme wird durch zwei Flammenüberwachungen überwacht.
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Beim Austritt aus der Nachbrennkammer durch die Öffnungen 80 tritt aufgrund der Aufteilung des Rauchgases in zahlreiche Einzelstrahlen eine sehr schnelle Mischung ein, so daß das Mischluft-Rauchgas-Gemisch (Abgas) nach kurzem Weg ein gleichmäßiges Temperaturprofil mit ca. 450°C erreicht, so daß die Schornsteinhöhe oberhalb der Öffnungen 80 gering gehalten werden kann.
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Für jeden Luftstrom (Verbrennungsluft und Mischluft) sind zur Redundanz jeweils zwei Ventilatoren vorgesehen, wobei aufgrund des relativ geringen erforderlichen Überdrucks der Mischluft (etwa 10 mbar) jeweils ein einstufiges Axialgebläse ausreicht. Aufgrund der starken Verdrallung der Verbrennungsluft ist ein Überdruck von etwa 40 mbar erforderlich, der mit Radialgebläsen erzeugt wird. Etwa 25% der gesamten Verbrennungsluft werden dem Zwischenraum 64 und der Vor- bzw. Nachbrennkammer zugeführt, während etwa 75% der Verbrennungsluft über den Verbrennungslufteinlaß 86 der Drallkammer 88 und dem entsprechenden Luftaustritt am Brennerkopf zugeführt werden.
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Bei Ausfall eines Ventilators kann die Anlage noch mit ca. 70% der Gasmenge betrieben werden.
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Die Verwendung von Axialgebläsen für den weitaus größeren Teil der zuzuführenden Luft (Mischluft) wird ermöglicht durch die vorteilhafte Einmischung des Rauchgases über Einzelstrahlen, die in die umgebende Mischluft eintreten, und hat eine erhebliche Einsparung von Gebläseleistung und damit von Stromkosten zur Folge. Außerdem sind Axialgebläse kompakter und sparen dadurch Bauraum. Zusammen mit der besonders leistungsfähigen Brennkammerbauart (Drallbrennkammer) ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Verwendung erhebliche Vorteile aufgrund der besonderen räumlichen und sicherheitstechnischen Gegebenheiten auf einem Flüssiggas-Transportschiff.
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7 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anordnung einer Combustor-Einheit 50 (gemäß 3 bis 6) innerhalb eines Schornsteinaufbaus 92 eines Flüssiggas-Tankschiffs 94, wobei innerhalb des Schornsteinaufbaus 92 auch die Abgasleitungen bzw. Schornsteine des Gasmotors 96 des Tankschiffs angeordnet sind, so daß sich die Unterbringung der Combustor-Einheit im wesentlichen in den vorhandenen bzw. ohnehin vorzusehenden Schornsteinaufbau 92 einfügt.
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Die Zuführung des Brenngases in Form von Boil-off-Gas zu der Combustor-Einheit 50 erfolgt über eine mit den Flüssiggas-Tanks des Schiffs in Verbindung stehende Zuführungsleitung 98 und eine Sicherheits- und Regeleinheit 100. Die Sicherheits- und Regeleinheit 100 enthält Sicherheits- und Absperrventile sowie ggf. Druckregler, um das Brenngas, das in der Zuführungsleitung 98 allein aufgrund der permanenten Verdampfung aus den Flüssiggas-Tanks unter einem gewissen Überdruck (in der Regel weniger als 800 mbar) steht, in geregelter Weise der Combustor-Einheit zuzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Combustor-Einheit
- 2
- Brenner
- 4
- Brennkammer
- 6
- Innenraum
- 8
- Brennkammerwand
- 10
- Pfeil
- 12
- Verbrennungsluft
- 14
- Regelung
- 16
- Mischluft
- 18
- Regelung
- 20
- Öffnung
- 22
- Austritt
- 24
- Schornstein
- 30
- Drallerzeuger
- 32
- Gaszuführung
- 34
- Brennerkopf
- 36
- Vorbrennkammer
- 38
- Pfeil (Verbrennungsluft)
- 39
- Pfeil
- 40
- Längsachse
- 42
- Pfeil (Rückströmung)
- 44
- Pfeil
- 50
- Combustor-Einheit
- 52
- Montagerahmen
- 54
- Drallbrenner
- 56
- Außenmantel
- 57
- oberes Ende (von 56)
- 58
- Lufteinlaß
- 60
- Vorbrennkammer
- 62
- Mantel
- 64
- Zwischenraum
- 66
- Öffnung (in 60)
- 68
- Öffnung (in 70)
- 70
- Kragen (von 60)
- 72
- Nachbrennkammer
- 74
- Abschlußwand
- 76
- kegelstumpfförmiger Bereich (von 74)
- 78
- Längsachse
- 80
- Öffnung (in 74/76)
- 82
- radial verlaufender Bereich (von 74)
- 84
- Zwischenraum (von 56 und 72)
- 86
- Verbrennungslufteinlaß (von 54)
- 88
- Drallkammer
- 90
- Einschnürung
- 91
- Brenngaseinlaß
- 92
- Schornsteinaufbau
- 94
- Flüssiggas-Trankschiff
- 96
- Gasmotor
- 98
- Zuführungsleitung
- 100
- Sicherheits- und Regeleinheit
