DE102016002566A1

DE102016002566A1 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Materialbehandlung

Info

Publication number: DE102016002566A1
Application number: DE102016002566.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Ibu Tec Advanced Materials AG
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-05
Also published as: WO2017148562A1; DE102016002566B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes (10), mit einer Brennkammer (5), in der eine periodisch instationäre, schwingende Flamme (1) brennt, zur Erzeugung eines pulsierenden Abgasstromes (9), der durch eine an die Brennkammer (5) anschließenden Reaktionsraum (7) strömt. Um zu erreichen, dass der Rohstoff effektiv behandelt wird, wird vorgeschlagen, dass in dem Reaktionsraum (7) ein von dem Abgasstrom durchströmter, in der Querschnittsfläche (14) gegenüber dem Reaktionsraum (7) reduzierter Einsatz (13) vorgesehen ist, der eine Länge (15) aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes (7). Insbesondere sind die Länge (15) des Einsatzes (13) und die Geometrie der Brennkammer (5) veränderbar, so dass man zwei aufeinander abstimmbare Resonatoren hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes, mit einer Brennkammer, in der an wenigstens einem Brenner wenigstens eine periodisch-instationäre, schwingende Flamme brennt zur Erzeugung eines pulsierenden schwingenden Abgasstromes, der durch einen an die Brennkammer anschließenden Reaktionsraum strömt, sowie ein entsprechendes Verfahren.
Unter einer thermischen Behandlung wird dabei insbesondere eine thermische Materialbehandlung oder auch eine thermische Materialsynthese verstanden, wobei es sich bei dem Rohstoff auch um ein Rohstoffgemisch handeln kann. Der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch können dabei sowohl in fester als auch in flüssiger oder in gas- oder dampfförmiger Form vorliegen.
Die weitaus größte Zahl aller technischen oder industriellen Feuerungsanlagen und Verbrennungssysteme werden so ausgelegt und auch so betrieben, dass der Verbrennungsprozess im Mittel zeitlichkonstant abläuft bis auf geringe turbulente Schwankungen, deren 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.). 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.
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 umschlägt in einen zeitlichperiodischen, schwingenden Verbrennungsprozess, 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 /1, 2/.
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. der Brennkammerwände, der Brennkammerauskleidung etc. Diese Belastungen können bis zu einer Zerstörung der Feuerung bzw. einzelner Komponenten führen. 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.
Ganz anders jedoch stellt sich die Situation bei einer kleinen Anzahl von sehr speziellen feuerungstechnischen Anlagen dar, von denen bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen wird und bei denen das oben dargestellte Phänomen selbsterregter, periodischer Verbrennungsinstabilitäten absichtlich herbeigeführt und dazu genutzt wird, einen periodischen Verbrennungsprozess mit periodischer Wärmefreisetzungsrate der Flamme und periodischer, schwingender Abgasströmung (pulsierende Heißgasströmung) in der Brennkammer und in nachgeschalteten Anlagenkomponenten (z. B. Wärmetauscher, chemische Reaktoren etc.) zu erzeugen.
Seit mehr als vierzig Jahren wird in der einschlägigen Literatur von chemischen Reaktoren berichtet, in denen eine thermische Behandlung eines aufgegebenen Rohstoffes (Eduktes) oder eine thermisch gesteuerte Materialsynthese aus einem oder mehreren Rohstoffen erfolgt und die typischerweise als Schwingfeuerreaktoren, pulse dryer, pulse combustor oder Pulsationsreaktoren bezeichnet werden /3, 4, 5, 6/.
All diesen Reaktoren ist gemeinsam, dass die thermische Materialbehandlung in einem pulsierenden, schwingenden Heißgasstrom – also zeitlich periodisch-instationär – erfolgt, wobei sowohl die für die thermische Materialbehandlung bzw. Materialsynthese erforderliche Wärme als auch die mechanische Schwingungsenergie der pulsierenden Heißgasströmung aus einem instationären, schwingenden Verbrennungsprozess eines Brennstoffes herrühren. Als Brennstoffe können dabei Erdgas, Wasserstoff, Flüssigbrennstoffe etc. eingesetzt werden.
Der Vorteil dieser Anlagen gegenüber konventionellen, stationär arbeitenden Verbrennungssystemen besteht in der im zeitlichen Mittel periodisch-instationären und turbulenten Abgasströmung in der Brennkammer und in nachgeschalteten Komponenten, z. B. Wärmetauschern, Reaktionsräumen, Resonanzrohren etc.
Diese bewirkt, dass der Wärmeübergang vom Heißgas zunimmt, sowohl auf die festen Wände (Brennkammerwand, Wand eines Wärmetauschers, Dampferzeuger etc.) als auch auf das Material, das zur Behandlung in die Heißgasströmung mit definierter Behandlungstemperatur eingebracht wird. Diese Zunahme ist sehr deutlich und beträgt das Zwei- bis Fünffache gegenüber einer im Mittel stationären, turbulenten Strömung gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und gleicher Temperatur. Aufgrund dieser Zusammenhänge erfährt zu behandelndes Material in pulsierenden Heißgasströmungen hohe Aufheizgradienten („Thermoschockbehandlung” /6/).
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 von gas- oder dampfförmigen Stoffen aus dem Heißgas an das zu behandelnde Material oder vom Material in die Heißgasströmung um ähnliche Werte an. Dies ist begründet durch das nahezu vollständige Fehlen von Grenzschichten, die bei stationären Strömungen bekannterweise entstehen und Diffusions- bzw. Übergangswiderstände darstellen.
Die im Stand der Technik beschriebenen Reaktoren /6, 7, 8, 9/ bestehen typischerweise aus einer Brennkammer, in welcher der Reaktionsumsatz des eingesetzten Brennstoffes unter Freisetzung der chemisch darin gebundenen Wärme in einer Flamme oder flammlos erfolgt, sowie in Strömungsrichtung daran anschließend einem Reaktionsraum, der häufig als „Resonanzrohr” bezeichnet wird. Es ist bekannt, in diesen Reaktionsraum den zu behandelnden Rohstoff zu zugegeben, so dass in dem Reaktionsraum die thermische Materialbehandlung erfolgt. In einigen, besonderen Ausführungen wird der Rohstoff bereits in der Brennkammer aufgegeben.
Die Schwingfeuerreaktoren nach dem Stand der Technik haben aber wesentliche Nachteile und technische Probleme:
Da die Schwingung die gesamte strömende Heißgassäule im Reaktor umfasst, d. h. das Abgas in der Brennkammer als auch das Heißgas im Reaktionsraum bis hin zum abschließenden Filter, ist die durch den periodisch-instationären Verbrennungsprozess in Schwingung, d. h. in periodische Bewegung zu versetzende Masse heißer Gase sehr groß. Da gleichzeitig jedoch nur ein sehr geringer Teil der thermischen Energie aus dem Verbrennungsprozess in mechanische Schwingungsenergie der (gesamten) Heißgasströmung umgewandelt wird, sind die auftretenden Amplituden der Heißgasschwingung in den großen Volumina der Brennkammer und des Reaktionsraumes außerordentlich gering und werden durch die Zugabe des (schwingungsenergiefreien) Rohstoffstromes weiter gedämpft.
So ist es im Grenzfall sogar möglich, die üblicherweise selbsterregten Schwingungen der Heißgasströmung durch hinreichend hohe Rohstoff-Aufgaberaten vollständig zu dämpfen, mit der Konsequenz, dass dann die thermische Materialbehandlung in einem nun nicht mehr schwingenden, sondern statt dessen stationären Heißgasstrom erfolgt. Dieser hat nicht mehr die Vorteile der erhöhten Wärme- und Stoffübertragungsraten.
Insbesondere aus diesem Grund sind die heutigen Schwingfeuerreaktoren nach dem Stand der Technik in mehrerer Hinsicht stark limitiert: Die möglichen Rohstoff-Aufgaberaten und damit auch die erzeugbaren Produktmengen pro Zeit sind durch die beschriebene Abnahme der Schwingungsamplituden der Heißgasströmung sehr stark begrenzt, so dass auch die Anlagenkapazitäten relativ gering sind.
Grundsätzlich würde eine deutliche Erhöhung der Edukt-Aufgaberaten zunächst einmal auch die Erhöhung der zu deren Behandlung erforderlichen Feuerungsleistung erforderlich machen, was aber mit einer entsprechenden Vergrößerung des entstehenden Abgasvolumenstromes einherginge. Dies würde auch eine starke Vergrößerung des Volumens des Reaktionsraumes erfordern, in dem die Materialbehandlung stattfindet, um so eine gleichbleibende Materialbehandlungsdauer zu gewährleisten. Hierdurch würde die in Schwingung zu versetzende Gasmasse erneut ansteigen und die erzielbaren Amplituden der Schwingung der Heißgasströmung zur Materialbehandlung würden wieder abnehmen mit der Konsequenz einer abnehmenden Produktqualität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Beschränkungen zu überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Reaktionsraum ein von dem Abgasstrom durchströmter, in der Querschnittsfläche gegenüber dem Reaktionsraum reduzierter Einsatz vorgesehen ist, der in Strömungs- bzw. axialer Richtung eine Länge aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit eine in der Brennkammer in Strömungsrichtung vorne liegende periodisch-instationäre, schwingende Flamme auf, die einen pulsierenden, ebenfalls schwingenden Heißgas- bzw. Abgasstrom erzeugt. Der im Reaktionsraum eingesetzte, im Querschnitt reduzierte Einsatz kann nun bei entsprechender Abstimmung seiner Länge, des Volumens und der Temperatur des in den Reaktionsraum eingebrachten Heißgases und des in diesem zu behandelnden Rohstoffes durch die Schwingung des statischen Druckes und der Abgasströmung sowie durch abgestrahlte Schallwellen des periodisch-instationären Verbrennungsprozess in der Brennkammer an dem durch ihn hindurchströmenden Heißgas eine resonanzverstärkte Schwingung anregen, so dass der aufgegebene Rohstoff (Edukt) hier der gewünschten thermischen Materialbehandlung unterzogen wird.
Damit wird das Heißgas, das den Abgasstrom enthält und schwingt, lediglich im Abschnitt des Einsatzes resonant angeregt.
Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zugrunde:
Bei den im Stand der Technik beschriebenen schwingenden Resonatoren liegt in Wirklichkeit überhaupt kein Resonanzphänomen vor, da es keine periodische Anregungsquelle gibt, die das Gas insbesondere im Reaktionsraum, der häufig als Resonanzrohr bezeichnet wird, in periodische Schwingungen versetzt bzw. zur Resonanz anregt. Vielmehr handelt es sich hier um eine Systeminstabilität, die den gesamten Reaktor betrifft und für deren Schwingungsfrequenz das gekoppelte Schwingungsverhalten aller Anlagenkomponenten, (d. h. Brenner, Brennkammer, Reaktionsraum („Resonanzrohr”), Abscheideeinrichtungen (Filter, Zyklon) etc.) verantwortlich ist /10/.
Man erkennt aber an der Verwendung des Begriffs „Resonanz” für die auftretenden physikalischen Effekte, dass es hier einen wesentlichen, hartnäckigen Irrtum gibt in Zusammenhang mit den ursächlichen Phänomenen, die der Erzeugung der schwingenden Heißgasströmung zugrunde liegen:
Bei dem oben beschriebenen Phänomen der selbsterregten Verbrennungsinstabilitäten handelt es sich nämlich um eine Systeminstabilität, bei der das System beim Erreichen einer anlagenspezifischen Stabilitätsgrenze von einem stationären, schwingungsfreien Betriebszustand (stationärer Verbrennungsprozess) schlagartig in einen periodisch-instationären, schwingenden Betriebszustand (periodisch-instationärer Verbrennungsprozess) umschlägt, ohne dass eine Fremderregung des Systems vorliegt.
Der Begriff „Resonanz” entstammt dagegen genau diesem, physikalisch völlig anderen Phänomen einer fremd- oder zwangserregten Schwingung:
Ein schwingungsfähiges System wird durch eine äußere, periodische Anregung (z. B. periodische Krafteinwirkung durch periodische Unwucht etc.) zum „Mitschwingen” also zum Resonieren angeregt.
Die sich einstellende Schwingungsfrequenz des Reaktors nach dem Stand der Technik bei selbsterregter Verbrennungsinstabilität entspricht also nicht einer solchen Resonanzfrequenz eines Bauteils wie z. B. des „Resonanzrohres”. Somit kann bei dieser Verfahrensweise auch nicht eine resonanzbedingte Amplitudenverstärkung ausgenutzt werden, wie dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist.
Mit anderen Worten: Bei den Schwingfeuerreaktoren zur thermischen Materialbehandlung nach dem Stand der Technik muss die gesamte, im Reaktor befindliche Heißgassäule (Heißgasströmung) in Schwingung versetzt werden, auch an Stellen, an denen überhaupt keine Materialbehandlung erfolgt oder der an dieser Stelle stattfindende Prozessschritt der Materialbehandlung überhaupt nicht von einer vorliegenden Schwingungen der Heißgasströmung profitiert. Dies geht einher mit einer niedrigen Behandlungsamplitude. Man erkennt, dass mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung durch das Vorsehen eines Einsatzes mit reduzierter Querschnittsfläche und passender Länge in diesem gezielt eine Resonanz der durch den Einsatz hindurchströmenden Heißgasströmung angeregt werden kann, so dass die in Strömungsrichtung vor bzw. hinter dem Einsatz befindlichen Abschnitte des Reaktionsraumes und deren Abmessungen von untergeordneter Bedeutung sind.
Eine weitere starke Beschränkung in der Einsetzbarkeit von Schwingfeuerreaktoren zur thermischen Materialbehandlung nach dem Stand der Technik besteht darin, dass für eine erfolgreiche thermische Behandlung von Rohstoffen eine stoffspezifische Materialbehandlungsdauer, d. h. eine von dem zu erzeugenden Produkt und den gewünschten Produkteigenschaften abhängige Mindestverweilzeit der Rohstoffe in der Heißgaszone des Reaktors, zwingend erforderlich ist. Wird diese Mindestverweilzeit unterschritten, so ist der Reaktionsablauf/Reaktionsumsatz nicht abgeschlossen und das gewünschte Produkt noch nicht „fertig” thermisch behandelt.
Bei in der Patentliteratur beschriebenen Schwingfeuerreaktoren erfolgt die Materialbehandlung typischerweise im Reaktionsraum, der dort wie erwähnt häufig als „Resonanzrohr” bezeichnet wird. Die erreichbare Materialbehandlungsdauer bei diesen vorbekannten Reaktoren hängt somit bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit der Heißgasströmung, die festgelegt ist durch die Feuerungsleistung und die Luftzahl der Verbrennung, sowie ggf. zusätzlicher Zugabe von Kühlluft und der Rohstoff-Aufgaberate, und bei gegebener Rohrquerschnittsfläche des Reaktionsraumes direkt von dessen Länge ab. Eine Erhöhung der Materialbehandlungsdauer durch eine Verlängerung des Reaktionsraumes würde gleichzeitig die Schwingungsfrequenz der Schwingung der Heißgasströmung erniedrigen und auch die erzielbaren Amplituden der Heißgasschwingung durch die erhöhte Gesamtmasse der nun in Schwingung zu versetzenden Gassäule im Reaktionsraum weiter reduzieren.
Man erkennt hier leicht die technischen Nachteile der Reaktoren nach dem heutigen Stand der Technik: Schwingungsfrequenz und -amplitude und die Materialbehandlungsdauer hängen miteinander gekoppelt von der Reaktorgeometrie ab, insbesondere von der Länge des Reaktionsraumes in Strömungsrichtung. Eine Verlängerung der Verweilzeit geht somit im Stand der Technik nur auf Kosten erniedrigter Frequenzen und Amplituden der Heißgasschwingung und somit auf Kosten reduzierter Wärme- und Stoffübertragungsraten vom Heißgas auf den zu behandelnden Rohstoff und somit auch auf Kosten der Vorteile einer thermischen Materialbehandlung im schwingenden Heißgasstrom.
Diese Probleme werden mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Schwingungsreaktors ebenfalls überwunden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann der im Reaktionsraum vorgesehene Einsatz in seiner durchströmten Länge veränderbar sein.
Es ist außerdem möglich, dass alternativ oder zusätzlich auch die Brennkammer in ihrer Geometrie veränderbar ist.
Während ein erfindungsgemäßer Reaktor wie bisher beschrieben die gewünschte Resonanz im Einsatz lediglich an einem speziellen Betriebspunkt des Reaktors mit ganz spezifischen Randbedingungen zeigt, hat ein derart weitergebildeter Reaktor damit zumindest einen, ggf. auch zwei frequenzmäßig abstimmbare Resonatoren. Dies hat zur Folge, dass der Reaktor auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebszuständen bzw. Betriebspunkten einstellbar ist.
Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass z. B. die Resonanz innerhalb des Einsatzes von der Schallgeschwindigkeit abhängig ist, die wiederum temperaturabhängig ist. Die Temperatur ist dabei u. a. durch die Verbrennungstemperatur, die evtl. Zumischung von Kühlluft, der Menge und der Temperatur des Rohstoffes/Eduktes usw. beeinflusst.
Bei einem wie erläutert weitergebildeten Reaktor kann also am in Strömungsrichtung ersten Resonator – nämlich der Brennkammer – eine Abstimmung bzgl. der Randbedingungen vorgenommen werden als auch am in Strömungsrichtung zweiten Resonator, nämlich dem im Querschnitt reduzierten Einsatz.
Der erste Resonator weist somit einen Brenner auf mit den zugehörigen Versorgungsanschlüssen für Brennstoff und Verbrennungsluft, eine Flamme sowie eine Brennkammer, die als Resonator fungiert, welche in Hinblick auf ihre Geometrie und die das daraus resultierende Schwingungsverhalten der in ihr enthaltenen Gassäule (Abgas des Verbrennungsprozesses aus der Flamme) im Frequenzbereich zwischen 50 und 1.000 Hz frequenzmäßig abstimmbar ist. Die Vorrichtung ist geeignet zur gezielten Erzeugung selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten im Reaktorteil Brenner-Flamme-Brennkammer, also im ersten Resonator.
Verbunden durch eine bevorzugt isolierte Rohrleitung, in die bei Bedarf Kühlluft zur Einstellung einer gewünschten Materialbehandlungstemperatur zugegeben werden kann, wird das schwingende, d. h. periodisch-instationär strömende Heißgas aus dem schwingenden Verbrennungsprozess der Flamme in der Brennkammer, also aus dem ersten Resonator, dem Reaktionsraum zugeführt. In diesem findet dann die Eduktzugabe und somit auch die thermische Materialbehandlung statt, letztere insbesondere in dem in den Reaktionsraum integrierten zweiten Resonator.
Durch Abstimmung der Schwingungsfrequenz des periodisch-instationären Verbrennungsprozesses im ersten Resonator (selbsterregte Verbrennungsinstabilität mit schwingender Flamme) bei der dort vorliegenden Verbrennungstemperatur auf das Resonanzverhalten des zweiten Resonators mit der dort vorliegenden Materialbehandlungstemperatur, die typischerweise aufgrund von Kühlluft- und Eduktzugabe niedriger als die Verbrennungstemperatur im ersten Resonator ist, erfolgt eine abgestimmte resonante Anregung des zweiten Resonators durch die ihm übertragene periodische Anregung, die aus der Verbrennungsschwingung im ersten Resonator resultiert und die durch periodische Schwingungen des statischen Druckes und der Heißgasströmung charakterisiert ist.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass sowohl alternativ als auch kumulativ der zweite Resonator durch Veränderung seiner durchströmten Länge auch an die Frequenz des ersten Resonators anpassbar ist – oder besser gesagt: an die Frequenz der aus dem ersten Resonator austretenden, den zweiten Resonator als Schallwelle anregenden Schwingung. Der an seinen beiden Enden offene Einsatz, also der zweite Resonator besitzt als 12-Wellen-Resonator seine Grundfrequenz-Resonanz bei gegebener Schallgeschwindigkeit (und somit bei gegebener Materialbehandlungstemperatur) genau dann, wenn eine halbe Wellenlänge der Schallwelle bzw. Schwingung in den Einsatz, also den zweiten Resonator passt. Es bildet sich so eine stehende Halbwelle in diesem ½-Wellen-Resonator, die zur Materialbehandlung genutzt wird.
Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Schwingfeuerreaktoren liegt hier bezogen auf die Schwingungserzeugung im zweiten Resonator, also im eigentlichen Reaktionsraum der Materialbehandlung, eine echte Fremd- oder Zwangserregung mit Resonanz vor. Je nach frequenzmäßiger Abstimmung der Anregungsfrequenz und Schwingungsdämpfung können im zweiten Resonator resonanzbedingte Überhöhungen (Verstärkung) der Anregung bis zu einem Faktor Zehn eingestellt werden. Hier liegt also tatsächlich eine aktive Beeinflussungsmöglichkeit der Schwingungsamplituden im Reaktionsraum bei der thermischen Materialbehandlung vor.
Unabhängig hiervon wird erfindungsgemäß ein weiteres Problem der Schwingfeuerreaktoren nach dem Stand der Technik gelöst: Unabhängig von der Wahl der Anregungsfrequenz aus dem ersten Resonator ist die Dauer der Materialbehandlung im Reaktionsraum bzw. im zweiten Resonator unabhängig von der dort vorliegenden Schwingungsfrequenz der Heißgasströmung, solange der mittlere Durchsatz bzw. die mittlere Strömungsgeschwindigkeit konstant gehalten wird, da sich die Länge des zweiten Resonators (d. h. die Länge des „Resonanzrohres”) nicht ändern muss, damit dort unterschiedliche Materialbehandlungsfrequenzen vorliegen.
Somit ist die Frequenz der Materialbehandlung in der pulsierenden Heißgasströmung physikalisch entkoppelt von der Dauer der Materialbehandlung im Reaktionsraum bzw. im zweiten Resonator. Somit stellen beide Größen nun unabhängige Verfahrensparameter der thermischen Materialbehandlung dar.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, mit diesem Verfahren auch direkt Oberwellen, d. h. höhere harmonische Resonanzfrequenzen des zweiten Resonators im Reaktionsraum gezielt anzuregen.
Handelt es sich bei diesem Resonator beispielsweise um einen ½-Wellen-Resonator mit beispielsweise einer Grundschwingungsfrequenz von 100 Hz bei gegebener Heißgas- bzw. Materialbehandlungstemperatur, so wären somit Frequenzen von 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz ... etc. gezielt zur thermischen Materialbehandlung anregbar.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erzielten Materialeigenschaften der behandelten Produkte bei gleicher Materialbehandlungstemperatur von dem Produkt aus Behandlungsfrequenz und Behandlungsdauer abhängen. D. h. bei einer Behandlungsfrequenz von 100 Hz und einer Materialbehandlungsdauer von 400 Millisekunden wird dasselbe Ergebnis in Hinsicht auf Produkteigenschaften und Produktqualität erreicht wie bei 400 Hz und 100 Millisekunden.
Ein Grund hierfür wird darin vermutet, dass die zu behandelnden Partikel eines Rohstoffes während ihrer Behandlung in beiden Fällen dieselbe Anzahl von Schwingungszyklen im Reaktionsraum erleben.
Ist man also bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Lage, die Frequenzen der thermischen Materialbehandlung durch eine gezielte Anregung des zweiten Resonators im Reaktionsraum deutlich zu erhöhen, beispielsweise durch eine gezielte Resonanzanregung der Oberwellen des zweiten Resonators, kann man gleichzeitig die zur vollständigen thermischen Behandlung des Rohstoffes notwendigen Verweilzeiten und somit die Größe bzw. das Volumen des Reaktionsraumes (oder die Länge des erforderlichen Resonanzrohres bei fester Querschnittsfläche) deutlich reduzieren.
Damit sinkt aber gleichzeitig die notwendige Gasmasse, die in Schwingung versetzt werden muss im Vergleich zu den in der Patentliteratur beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Heißgassäule des gesamten Schwingfeuerreaktors mit deutlich größerer Gasmasse in Schwingung versetzt werden muss. Damit und mit der zuvor beschriebenen, resonanzbedingten Überhöhung (Verstärkung) der Schwingungsamplitude im zweiten Resonator können dort somit erheblich größere Rohstoff-Massenströme bei gleicher mittlerer Feuerungsleistung des Reaktors behandelt werden als bei Reaktoren nach dem Stand der Technik durchgesetzt werden. – Der erzielbare Reaktordurchsatz steigt dementsprechend deutlich an und verbessert die Rentabilität des thermischen Prozesses.
Abschließend sei der guten Ordnung halber darauf hingewiesen, dass der Typ des Resonators (Helmholtz-Resonator, ½-Wellen-Resonator, ½-Wellen-Resonator), der als erster Resonator und/oder als zweiter Resonator 2 eingesetzt wird, grundsätzlich nicht von Bedeutung ist, solange sichergestellt ist, dass die mit der Erzeugung selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten im ersten Resonator (Brennkammer) einhergehenden Schwingungsfrequenzen des statischen Druckes und der Strömungsgeschwindigkeit der aus dem instationären Verbrennungsprozess resultierenden, schwingenden Heißgasströmung geeignet sind, um den zweiten Resonator im Reaktionsraum für die thermische Materialbehandlung resonant anzuregen.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der im Reaktionsraum vorgeschlagene Einsatz in seiner axialen Position innerhalb des Reaktionsraumes veränderbar.
Der Vorteil dieser Weiterentwicklung wird bei nachfolgender Betrachtung ersichtlich:
Typischerweise besteht eine thermische Materialbehandlung in einem Schwingfeuerreaktor beispielsweise beim Einsatz eines flüssigen Rohstoffes (z. B. Rohstoff-Lösung oder wässrige Suspension mit Feststoffanteil) aus folgenden Einzelschritten:

– Zerstäubung des flüssigen Rohstoffes z. B. mit Hilfe einer Zerstäuberdüse
– Aufheizung und Verdampfung der Rohstoff-Lösung/Trocknung des Feststoffes
– Aufheizen des Rohstoffes auf Materialbehandlungstemperatur
– Thermische Behandlung z. B. Kalzination, Ablauf von Festkörperreaktionen, Entgasung
– Kristallwachstum/Kristallumwandlungen,
– usw.

Es ist sehr unwahrscheinlich, dass alle diese physikalisch sehr unterschiedlichen Einzelschnitte der thermischen Materialbehandlung in einem Schwingfeuerreaktor im gleichen Maße von einer Schwingung der Heißgasströmung um die zu behandelnden Tropfen/Partikel herum profitieren gegenüber einer thermischen Behandlung in einer stationär strömenden, nicht schwingenden Heißgasströmung.
Bei den im Stand der Technik beschriebenen Reaktoren wird jedoch die gesamte strömende Heißgassäule im gesamten Reaktorraum in Schwingung versetzt mit der Konsequenz einer großen und trägen Gasmasse mit erheblicher Schwingungsdämpfung und daraus resultierend kleinen Schwingungsamplituden und niedrigen Schwingungsfrequenzen der oszillierenden Heißgasströmung.
Mit der hier beschriebenen, besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht hingegen die Möglichkeit, in dem nach außen gas- und wärmedicht abgeschlossenen Reaktorgehäuse den eigentlichen Reaktionsraum der Materialbehandlung, d. h. den zweiten Resonator bzw. der Einsatz an genau jener Stelle zu positionieren, an der entsprechend des dort ablaufenden Einzelschrittes bzw. physikalischen Teilprozesses der thermischen Materialbehandlung das Produkt die stärkste Veränderung seiner erzielbaren Materialeigenschaften erfährt im Vergleich zu einer thermischen Behandlung in einer stationären Heißgasströmung ohne Schwingungen.
Eine derartige optimierende Position des Einsatzes kann in Vorversuchen durch Wiederholung der Materialbehandlung bei unterschiedlich positioniertem Einsatz innerhalb des Reaktorraumes anhand der gemessenen Materialeigenschaften so gefertigter Produktmuster einfach festgestellt werden.
Als besonderer Vorteil ist noch zu erwähnen, dass das Material nach Durchlaufen der thermischen Behandlung im zweiten Resonator bei hohen Behandlungsfrequenzen und kurzer Verweilzeit (typischerweise unter 200 Millisekunden, bevorzugt unter 100 Millisekunden) im nachgeschalteten Reaktorteil mit wieder erhöhtem Reaktordurchmesser und daher deutlich abgesenkten Strömungsgeschwindigkeiten eine thermische Nachbehandlung erfährt, die zum vollständigen Abbau unerwünschter Restkomponenten der Rohstoffmischung/Rohstofflösung genutzt werden kann.
So kann beispielsweise bei Verarbeitung eines nitrathaltigen Rohstoffes der Rest-Nitratgehalt im Produkt oder bei organischen Komponenten im Rohstoff der Rest-Kohlenstoffgehalt im Produkt deutlich gesenkt oder völlig vermieden werden. Um dies sicher zu gewährleisten, sind Nachbehandlungsdauern im Reaktionsraum stromab des zweiten Resonators größer 2 Sekunden, bevorzugt größer 3 Sekunden einzuhalten.
Als Letztes sei noch darauf hingewiesen, dass auch der in seiner axialen Position im Reaktionsraum verschiebbare Einsatz bzw. Resonator so ausgeführt werden kann, dass er hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz insbesondere durch die Veränderung bzw. Einstellung seiner Länge einstellbar, also frequenzmäßig abstimmbar ausgestaltet ist.
Typischerweise können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren feinteilige Partikel mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 5 nm bis 100 μm erzeugt werden. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren lassen sich gezielt feinteilige Partikel beispielsweise in Form von Karbiden, Nitriden, einfache Oxiden, komplexen Mischoxiden, Oxiden mit Dotierungen, Mischungen aus Oxiden oder beschichtete Partikel erzeugen.
Dazu wird aus Edukten eine sogenannte Präkursorenmischung hergestellt, die zumindest alle Bestandteile der zu bildenden festen Partikel beinhaltet.
Für den Spezialfall, dass nur ein Edukt benötigt wird, findet im Folgenden dennoch der Begriff Präkursorenmischung Anwendung.
Die aus den Rohstoffkomponenten gebildete Präkursorenmischung kann dabei sowohl als Feststoff, beispielsweise in Form eines feinteiligen Pulvers oder Pulvermischung, in Form einer Lösung, einer Suspension, einer Dispersion bzw. Emulsion, eines Gels, als Gas oder Dampf vorliegen.
Bei Verwendung von flüssigen Rohstoffmischungen, wie Lösungen, Dispersionen oder Emulsionen resultieren besonders sphärische Partikel.
Durch einen ein- oder mehrstufigen nasschemischen Zwischenschritt kann die Präkursorenmischung so konditioniert werden, dass sich eine spezifische Partikelform oder Größe im thermischen Prozess einstellt, zum Beispiel eine besonders enge Kornverteilung der Partikel. Für den nasschemischen Zwischenschritt können bekannte Methoden wie beispielsweise Cofällung oder Hydroxidfällung angewandt werden.
Die genannten Formen der Präkursorenmischung werden in den Heißgasstrom der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgegeben, beispielsweise durch Einsprühen, Einleiten oder Einblasen. Die Art der Präkursorenaufgabe, wie beispielsweise Art, Durchmesser und Sprühbild einer hierfür benutzten Mehrstoffdüse, die Zuführungsrichtung (z. B. Einsprührichtung) und der Zuführungsort beeinflussen die Prozessführung und das resultierende thermische Behandlungsregime und sind damit bedeutende Steuergrößen für die resultierenden Partikeleigenschaften.
Die sich bildenden Partikel werden mit dem Heißgasstrom durch den Reaktor transportiert und in diesem Heißgasstrom thermisch behandelt. Die Eigenschaften des Heißgasstroms beeinflussen damit maßgeblich die thermische Behandlung und somit die Eigenschaften der sich bildenden Partikel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Prozessparametern für die erfindungsgemäße thermische Erzeugung und/oder Behandlung dieser feinteiligen Partikeln. Einstellbar sind auf für den Fachmann bekannte Art und Weise beispielsweise das Temperaturprofil, die maximale Prozesstemperatur, die Verweilzeit der Gasströmung sowie die Verweilzeit der Partikel in der Gasströmung.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der Heißgasstrom in Schwingungen versetzt werden kann. In schwingenden bzw. pulsierenden Heißgasströmungen resultiert ein deutlich erhöhter Wärmeübergang aufgrund der hohen Strömungsturbulenzen. Der Wärmeübergang beeinflusst maßgeblich die Reaktions- und Phasenbildungsmechanismen bei der Stoffumwandlung bzw. bei der Phasenbildung. Mit der Wahl der Frequenz und Amplitude der pulsierenden Gasströmung kann die Reaktionsbedingungen an die Erfordernisse des herzustellenden Materials exakt angepasst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Möglichkeit, den Gasraum der thermischen Materialbehandlung, d. h. den zweiten Resonator durch eine äußere, periodische Erregung zum Resonieren anzuregen. Im Resonanzfall resultiert dann daraus eine 8–10 mal höhere Amplitude der Gassäulen-Schwingung bei der thermischen Materialbehandlung innerhalb des zweiten Resonators als bei einer Erregung mit Frequenzen außerhalb dieses Resonanzbandes. Die sich daraus ergebenden höheren Amplituden erhöhen den Wärme- und Stoffübergang signifikant.
Auch höhere Frequenzen steigern den Wärme- und Stoffübergang erheblich. Da durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch hohe Oberfrequenzen, also sehr hohe Frequenzen zum Beispiel im Bereich größer 300 Hz erzeugt werden können, ergibt sich hier ein weiterer Einstellparameter für einen besonders hohen Wärmeübergang.
Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung definiert dabei maßgeblich die Aufheizgeschwindigkeit der Präkursoren bzw. Partikel und damit das tatsächlich wirkende Temperaturprofil. Höhere Amplituden und höhere Frequenzen des pulsierenden Gasstroms beschleunigen die Reaktions- und Phasenbildungsmechanismen. Damit kann beispielsweise ein höherer Reaktionsumsetzungsgrad der Präkursorenmischung bei vergleichbarer Verweilzeit erreicht oder die Aktivität bei beispielsweise katalytischen Materialien erhöht werden. Die erfindungsgemäße Möglichkeit für deutlich höhere Amplituden und höhere Frequenzen als bei konventionellen Systemen erweitert damit die Möglichkeiten zur Prozessführung, erweitert das mögliche Stoffspektrum der zu behandelnden Materialien, verbreitet die einstellbaren Partikeleigenschaften und vereinfacht die Prozessführung.
In Abhängigkeit vom Stoffsystem haben die Frequenz und Amplituden der schwingenden Heißgasströmung unterschiedlich starken Einfluss auf Teilreaktionsschritte wie Trocknung, Aufheizung, (zeitlich) unterschiedliche Phasenreaktionen, Abkühlung usw. und somit auf die Partikelbildung und/oder die thermische Partikelbehandlung.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Reaktionsabschnitt bzw. die Reaktionsabschnitte, bei dem/denen beispielsweise die gewünschte Beeinflussung durch hohe Amplituden und Frequenzen besonders stark ist, gezielt gewählt werden, indem die Positionierung des zweiten Resonators innerhalb des Reaktors und der Aufgabeort der Präkursorenmischung entsprechend ausgewählt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine zumindest teilweise Beschichtung von Partikeln durch eine geeignete Präkursorenkombination einer hergestellten Präkursorenmischung in Ausbildungsform einer Dispersion. Dabei beinhaltet beispielsweise die feste Phase bei Suspensionen bzw. die innere Phase bei der Emulsion zumindest alle Komponenten, die zur Bildung der zu beschichtenden Partikel erforderlich sind. Die flüssige Phase bei der Suspension bzw. die äußere Phase bei der Emulsion beinhalten zumindest alle Beschichtungskomponenten. Durch die Wahl eines geeigneten thermischen Behandlungsregimes gelingt so die Bildung der festen Partikel und eine zumindest teilweise Beschichtung dieser Partikel.
Die im erfindungsgemäßen pulsierenden Heißgasstrom erzeugten feinteiligen Partikel werden abschließend mit einer geeigneten Abscheideinrichtung von dem Heißgasstrom abgetrennt. Das Heißgas wird gegebenenfalls vor seinem Eintritt in die Abscheideinrichtung auf eine je nach dem Typ der Abscheideeinrichtung erforderliche Temperatur abgekühlt. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abtrennung der gebildeten Partikel vom Heißgasstrom bei Temperaturen oberhalb 300°C, bevorzugt oberhalb 500°C, besonders bevorzugt oberhalb 600°C, beispielsweise durch einen Zyklon oder einen Heißgasreaktor. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass stark reaktive Partikel Heißgaskomponenten, wie beispielsweise Wasser, aufnehmen. Das Heißgas kann in dieser Ausführungsform bei Bedarf nach dem Filter abgekühlt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:
1 die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes mit einer Brennkammer, einem Reaktionsraum und einem in dem Reaktionsraum integrierten Einsatz, bei der die Brennkammer in ihrer Geometrie veränderbar ist;
2 die Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß 1 mit einer anderen Veränderbarkeit der Brennkammer-Geometrie.
In 1 erkennt man die Prinzipskizze eines Reaktors zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes innerhalb eines periodisch-instationär schwingenden Heißgasstromes. Dieser Heißgasstrom wird durch eine Flamme 1 an einem Brenner 2 erzeugt, wozu diesem Brennstoff 3 und Verbrennungsluft 4 zugeführt werden. Die Flamme 1 brennt dabei in einer Brennkammer 5.
Unter Brennstoff versteht man Brenngase wie Erdgas, Methan, Wasserstoff oder Flüssigbrennstoffe wie Alkohol etc. Unter Verbrennungsluft wird im Rahmen dieser Anmeldung allgemein ein Oxidationsmittel verstanden, das den für die Verbrennung benötigten Sauerstoff bereitstellt. Außer Luft gehört hierzu beispielsweise auch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichte Luft etc.
Grundsätzlich ist es möglich, durch eine entsprechende schwingende Versorgung der Flamme mit einem zeitlich periodisch modulierten Brennstoff/Luft-Gemisch oder mit einer zeitlich periodisch modulierten Strömung von Verbrennungsluft die Flamme fremderregt zu betreiben. Die Veränderbarkeit des Massenstroms an Brennstoff/Luft-Gemisch wird dabei insbesondere im Fall einer Vormisch-Verbrennung bevorzugt bzw. eine Veränderung im Massenstrom der Verbrennungsluft insbesondere im Fall einer Diffusionsverbrennung.
Im Übrigen wird die Verbrennung so betrieben, dass sie einen periodisch-instationären, schwingenden Betriebszustand hat. Hierbei wird die Frequenz der pulsierenden Verbrennung z. B. durch die Geometrie der Brennkammer als auch durch die Prozesstemperatur beeinflusst.
Die mit der pulsierenden Flamme letztlich erzeugte pulsierende Heißgasströmung strömt durch ein Koppelrohr 6 in einen Reaktionsraum 7, dessen Wandung 8 gas- und wärmedicht ist. Die Wärmedichtigkeit kann dabei insbesondere durch eine separate Isolierung gewährleistet werden.
In den aus dem Koppelrohr 6 ausströmenden Abgasstrom 9 wird zum einen ein zu behandelnder Rohstoff 10 aufgegeben als auch Kühlluft 11. Damit bildet sich ein Heißgasstrom 12, der durch den Reaktionsraum 7 hindurchströmt und an dessen Ende durch einen hier nicht mehr dargestellten Heißgasfilter oder Zyklon geleitet wird, in dem der im Reaktionsraum 7 thermisch behandelte Rohstoff 10 aus dem Heißgasstrom abgeschieden wird.
Wesentlich ist jetzt, dass in dem Reaktionsraum 7 ein Einsatz 13 vorgesehen ist, der eine gegenüber dem Reaktionsraum 7 reduzierte Querschnittsfläche 14 aufweist.
Im hier dargestellten Beispiel ist dieser Einsatz 13 als ein Einzelrohr ausgebildet und hat eine durchströmte axiale Länge 15, die lediglich einen Bruchteil der Gesamtlänge des Reaktionsraumes 7 hat. Außerdem ist der Einsatz 13 im Wesentlichen gasdicht an die Wandung 8 des Reaktionsraumes angeschlossen, so dass der Heißgasstrom 12 vollständig durch den in Radialrichtung innenliegenden freien Querschnitt des Einsatzes 13 strömt, nicht aber seitlich an diesem vorbei.
Der Einsatz 13 ist dabei in seiner axialen Länge 15 verstellbar, so dass die Möglichkeit besteht, ihn in seiner Länge derart einzustellen, dass er auf die Schwingungsfrequenz des periodisch instationären Verbrennungsprozesses in der Brennkammer 5 so abgestimmt ist, dass die von diesem angeregte periodisch instationäre Heißgasströmung 12 bei ihrem Hindurchtreten durch den Einsatz 13 resonant angeregt wird und so im Bereich dieses Einsatzes 13 in eine fremd- bzw. zwangserregte Schwingung übergeht. Die sich hier resonanzbedingt einstellenden Überhöhungen der Anregungen können bis zum Faktor 10 gehen.
Die Resonanzfrequenz innerhalb des Einsatzes 13 ist dabei insbesondere abhängig von der Temperatur des Heißgasstromes 12, da diese Temperatur die für die Resonanzerzeugung relevante Schallgeschwindigkeit beeinflusst.
Der Einsatz 13 wird im Folgenden auch als zweiter Resonator bezeichnet.
In dem hier dargestellten Beispiel ist auch die Brennkammer 5 durch das Vorhandensein eines verschiebbaren Bodens 16 verstellbar. Im Folgenden wird die insoweit beschriebene Baugruppe auch als erster Resonator bezeichnet. Mit der Verstellbarkeit des ersten Resonators hat man eine weitere Stellgröße über die eine echte Resonanz innerhalb des zweiten Resonators also des Einsatzes 13 im Reaktionsraum 7 justiert werden kann.
Um die Bedeutung und die Funktionsweise von zwei frequenzmäßig abstimmbaren Resonatoren in dem hier beschriebenen Reaktor zu erläutern und zu veranschaulichen, wird nachfolgend eine beispielhafte Berechnung vorgestellt, ohne jedoch die Allgemeingültigkeit durch diese konkrete Beispielrechnung einschränken zu wollen:
Der erste Resonator mit der Brennkammer 5 soll als ¼-Wellen-Resonator ausgeführt sein mit einer veränderbaren Länge zwischen 0,5 m und 1,0 m. Aufgrund der einstellbaren Brenner-/Flammenparameter (Brenngasmassenstrom, Luftmassenstrom, Luftzahl, Vorwärmtemperatur der Luft, etc.) soll die Flamme 1 stabil schwingend brennen in einem Temperaturbereich der Flamme 1 bzw. des Abgasstromes 9, welcher von der Flamme 1 erzeugt wird, zwischen 800°C und 1.800°C. Entsprechend der gewählten Verbrennungstemperatur stellen sich im ersten Resonator Schallgeschwindigkeiten zwischen ca. 630 m/s und 830 m/s ein. (Zur Vereinfachung wird hier nur mit Luft als Medium gerechnet und nicht mit der vollständigen Abgaszusammensetzung.) Gemäß der eingestellten Länge des ersten Resonators entstehen Schwingungsfrequenzen bei Entstehung selbsterregter Verbrennungsschwingungen im ersten Resonator zwischen ca. 160 Hz bis ca. 420 Hz. Die niedrigste Temperatur von ca. 800°C und die größte Länge des ersten Resonators von 1.0 m ergeben z. B. die niedrigste Frequenz des schwingenden ¼-Wellen-Resonators von ca. 160 Hz. Mit dieser kann der nachfolgende zweite Resonator im Reaktionsraum zu Resonanz angeregt werden.
Im Einsatz 13 als zweiten Resonator, der als ½-Wellen-Resonator ausgeführt ist, soll eine thermische Materialbehandlung im Temperaturbereich zwischen 200°C und 800°C ermöglicht werden unter resonanter Anregung des zweiten Resonators mittels der einstellbaren Verbrennungsschwingung im ersten Resonator. Die Schallgeschwindigkeiten im zweiten Resonator betragen im für die Materialbehandlung gewünschten Temperaturbereich 430 m/s bis 630 m/s.
Im Falle einer gewählten durchströmten Länge 15 des zweiten Resonators von 2,0 m wäre bei der höchsten Materialbehandlungstemperatur von 800°C die Resonanz-Grundfrequenz ca. 160 Hz und wäre somit gerade noch mit der niedrigsten, einstellbaren Schwingungsfrequenz im ersten Resonator bei 800°C Flammen-/Abgastemperatur resonant anregbar.
Würde jedoch eine Materialbehandlungstemperatur im zweiten Resonator von 200°C gewünscht, so betrüge die Resonanzfrequenz des zweiten Resonators bei dieser Temperatur und einer durchströmten Länge 15 des zweiten Resonators ca. 105 Hz. Der zweite Resonator wäre somit nicht mehr durch den ersten Resonator mit dessen minimaler Schwingungsfrequenz bei 800°C von 160 Hz resonant zur Grundschwingung anregbar.
In diesem gewünschten Fall müsste die Länge 15 des Einsatzes 13 als zweiter Resonator auf ca. 1,34 m reduziert werden, um bei 200°C Materialbehandlungstemperatur gerade eine Resonanzfrequenz als Grundschwingung von ca. 160 Hz im zweiten Resonator zu erreichen, welche dann durch den ersten Resonator bei dessen Minimalfrequenz von 160 Hz resonant angeregt werden könnte.
Man kann an dem erläuterten Beispiel leicht die Vorteile erkennen, die entstehen, wenn beide Resonatoren frequenzmäßig über individuelle Geometrieeinstellungen aufeinander und auf die gewünschten Temperaturen abgestimmt werden können.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist, dass der Einsatz 13 in seiner axialen Position innerhalb des Reaktionsraumes 7 entsprechend den Pfeilen 17 bedarfsgerecht positioniert werden kann.
Im Heißgasstrom 12 beförderter Rohstoffpartikel werden somit zunächst in dem Bereich vor dem Einsatz 13 mit der Heißgasströmung 12 mit der im Reaktionsraum 7 vorhandenen Frequenz und Amplitude beaufschlagt, dann innerhalb des freien Querschnitts 14 des Einsatzes 13 von der dort zumindest mit erhöhter Geschwindigkeit strömenden Heißgasströmung und anschließend wieder in der mit geringerer Geschwindigkeit strömenden Heißgasströmung im nicht mehr im Querschnitt eingeschränkten Bereich des Reaktionsraumes. Dabei kann mit einer entsprechenden Abstimmung von der in der Brennkammer 1 erzeugten Schwingung und der Länge 15 des Einsatzes 13 die Strömung durch den Einsatz 13 nicht nur mit einer Grund- sondern ggf. auch mit einer Oberschwingung in eine Resonanz gebracht werden, was die Intensität der im Bereich des Einsatzes 13 bewirkten thermischen Behandlung entsprechend erhöht.
Sollte der Rohstoff aus einer Rohstoffmischung bestehen, bei der es sinnvoll ist, verschiedene Intensitäten der thermischen Behandlung zeitlich nacheinander zu haben, kann dies somit entsprechend eingestellt werden, indem die jeweils passende axiale Position des Einsatzes 13 innerhalb des Reaktionsraumes 7 bedarfsweise gewählt wird.
In der 2 ist eine im Wesentlichen gleiche Vorrichtung wie in 1 dargestellt. Bei dieser unterscheidet sich der Brennraum 5 durch die Art, wie er als Resonator auf die in ihm brennende Flamme 1 abgestimmt wird. Statt das Volumen der Brennkammer 5 Ober einen verschiebbaren Boden zu verändern, wie dies in der 1 dargestellt ist, ist bei dieser Ausführungsform ein die Flamme 1 am Brenner 2 in Radialrichtung umgebender Rohreinsatz 18 vorgesehen, der in Axialrichtung 19 der Brennkammer 5 verschiebbar ist, um so die in der Brennkammer 5 erzeugte Schwingung entsprechend auf den Einsatz 13 abstimmen zu können, damit so bei diesem eine Resonanz bezüglich der durch ihn hindurchströmenden Heißgasströmung 12 erzeugt wird.
Literatur

/1/ A. A. Putnam and W. R. Dennis: „Organ Pipe Oscillations in Flamefilled tubes"; Proc. Comb. Inst. 4, S. 556 ff., 1952
/2/ H. Büchner: „Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Entstehungsmechanismen selbsterregter Druckschwingungen in technischen Vormisch-Verbrennungssystemen"; Dissertation Universität Karlsruhe, Shaker-Verlag Aachen, 1992
/3/ DD 114 454 B1
/4/ DD 155 161 B1
/5/ DD 245 648 A1
/6/ DE 10 2006 046 803 A1
/7/ DE 101 09 892 B4
/8/ DE 10 2006 046 880 B4
/9/ DE 10 2006 032 452 B4
/10/ Chr. Bender: „Messung und Berechnung des Resonanzverhaltensgekoppelter Helmholtz-Resonatoren in technischen Verbrennungssystemen"; Dissertation Universität Karlsruhe KIT, 2010

Bezugszeichenliste

1: Flamme
2: Brenner
3: Brennstoff
4: Verbrennungsluft
5: Brennkammer
6: Koppelrohr
7: Reaktionsraum
8: Wandung
9: Abgasstrom
10: Rohstoff
11: Kühlluft
12: Heißgasstrom
13: Einsatz
14: Querschnittsfläche
15: Axiale Länge
16: Verstellbarer Boden
17: Pfeile
18: Rohreinsatz
19: Axialrichtung

Claims

Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes (10), mit einer Brennkammer (5), in der eine periodisch instationäre, schwingende Flamme (1) brennt zur Erzeugung eines pulsierenden Abgasstromes (9), der durch eine an die Brennkammer (5) anschließenden Reaktionsraum (7) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktionsraum (7) ein von dem Abgasstrom durchströmter, in seiner Querschnittsfläche (14) gegenüber dem Reaktionsraum (7) reduzierter Einsatz (13) vorgesehen ist, der eine Länge (15) aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes (7).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (15) des Einsatzes (13) veränderlich ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) in ihrer Geometrie veränderbar ist.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme (1) zu Schwingungen fremderregbar ist.
Verfahren zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes in einem periodisch instationär schwingenden Abgasstrom (9), der durch eine periodisch instationär schwingende Flamme (1) erzeugt wird, wobei der Abgasstrom durch einen Reaktionsraum (7) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom in einem im Reaktionsraum (7) vorgesehenen Einsatz (13) mit einer gegenüber dem Reaktionsraum (7) verringerten Querschnittsfläche und einer gegenüber der Gesamtlänge des Reaktionsraumes (7) kürzeren Länge (15) zu einer resonanten Schwingung angeregt wird.
Verfahren zur Herstellung von feinteiligen Partikeln, bei dem sich aus einer Präkursorenmischung, die zumindest alle Komponenten zur Bildung der feinteiligen Partikel umfasst, die feinteiligen Partikel bilden, wobei die Partikelbildung und/oder eine thermische Partikelbehandlung in einem schwingenden Abgasstrom erfolgt und die gebildeten Partikel anschließend vom Abgasstrom abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Abgasstrom in einem Abschnitt resonant angeregt wird.