DE102016002566A1 - Apparatus and method for thermal material treatment - Google Patents
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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.The invention relates to a method and a device for the thermal treatment of a raw material (10), with a combustion chamber (5) in which a periodically unsteady, oscillating flame (1) burns, for generating a pulsating exhaust gas stream (9) by a the combustion chamber (5) adjoining the reaction space (7) flows. In order to achieve that the raw material is treated effectively, it is proposed that in the reaction space (7) a through-flow of the exhaust stream, in the cross-sectional area (14) relative to the reaction space (7) reduced insert (13) is provided, which has a length (15) which is shorter than a total length of the reaction space (7). In particular, the length (15) of the insert (13) and the geometry of the combustion chamber (5) are variable, so that one has two tunable resonators.
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.The invention relates to a device for the thermal treatment of a raw material, with a combustion chamber in which burns at least one burner at least one periodic-unsteady, oscillating flame to produce a pulsating oscillating exhaust gas stream which flows through a subsequent reaction chamber to the combustion chamber, and a corresponding Method.
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.Under a thermal treatment is understood in particular a thermal material treatment or a thermal material synthesis, wherein it may also be a raw material mixture in the raw material. The raw material or the raw material mixture can be present both in solid and in liquid or in gaseous or vaporous form.
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.By far the largest number of all technical or industrial furnaces and combustion systems are designed and operated in such a way that the combustion process is constant on average with the exception of minor turbulent fluctuations whose magnitude is at least an order of magnitude smaller than the average sizes of the combustion process (eg average flow velocity, mean flame or exhaust gas flow, average static pressure in the combustion chamber, etc.). This means that the conversion of the fuel used is continuous over time and, as a consequence, also the heat release from the combustion process and the mass flow of exhaust gas arising (combustion products) have constant values for a fixed burner setting.
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/.Deviating from this, phenomena or "abnormalities" sometimes occur which are referred to in the literature as combustion chamber vibrations, self-excited combustion instabilities or thermoacoustic oscillations. These are characterized by the fact that the initially steady (ie time-constant) combustion process, when a stability limit is reached, suddenly switches over into a time-periodic, oscillating combustion process, the time function of which can be described in a good approximation as sinusoidal. Along with this change, the heat release rate (s) of the flame (s) and thus the thermal firing performance of the incinerator as well as the exhaust flow into and out of the combustion chamber and the static pressure in the combustion chamber itself become periodically unsteady, i. H. swinging / 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.The occurrence of these combustion instabilities often causes a relation to the stationary operation of the furnace changed pollutant emission behavior and causes not only increased noise pollution of the plant environment but also a significantly increased mechanical and / or thermal stress on the plant structure, eg. As the combustion chamber walls, the combustion chamber lining etc. These loads can lead to destruction of the furnace or individual components. It is therefore easy to see that the undesired occurrence of the phenomena described above in furnaces which are designed for a time-constant combustion process in which the static pressure in the combustion chamber or in upstream or downstream plant components should also have constant values (constant pressure). Combustion), must be avoided.
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.Quite different, however, is the situation in a small number of very specialized combustion systems, as envisaged in the present invention, where the phenomenon of self-excited, periodic combustion instabilities, as illustrated above, is deliberately induced and utilized, a periodic combustion process with periodic heat release rate the flame and periodic, oscillating exhaust gas flow (pulsating hot gas flow) in the combustion chamber and in downstream plant components (eg heat exchangers, chemical reactors, etc.) to produce.
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/.For more than forty years, the relevant literature has reported chemical reactors in which thermal treatment of a raw material feedstock or thermally controlled material synthesis is from one or more raw materials, typically as vibrating-fire reactors, pulse dryer, pulse combustor or pulsation reactors be designated / 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.All of these reactors have in common that the thermal material treatment in a pulsating, oscillating hot gas flow - ie temporally-instationary - takes place, both the heat required for the thermal material treatment or material synthesis heat and the mechanical vibration energy of the pulsating hot gas flow of a transient, oscillatory Combustion process of a fuel originate. Natural gas, hydrogen, liquid fuels, etc. can be used as fuels.
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.The advantage of these systems compared to conventional, stationary combustion systems consists in the periodic average-transient and turbulent exhaust gas flow in the combustion chamber and in downstream components, eg. B. heat exchangers, reaction chambers, resonance tubes, 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/). This causes the heat transfer from the hot gas increases, both on the solid walls (combustion chamber wall, wall of a heat exchanger, steam generator, etc.) and on the material which is introduced for treatment in the hot gas flow with a defined treatment temperature. This increase is very clear and is two to five times higher than a steady-state, turbulent flow with the same average flow velocity and the same temperature. Due to these relationships, material to be treated undergoes high heating gradients in pulsating hot gas flows ("thermal shock treatment" / 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.Due to the analogy between convective heat transfer and mass transfer, the above statement also applies to the mass transfer: In the case of periodic-transient, oscillating flow, the transition rate of gaseous or vaporous substances from the hot gas to the material to be treated or from the material to the hot gas flow increases similar values. This is due to the almost complete absence of boundary layers, which are known to arise in stationary flows and represent diffusion or contact resistance.
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.The reactors / 6, 7, 8, 9 / described in the prior art typically consist of a combustion chamber, in which the reaction conversion of the fuel used to release the chemically bound therein heat in a flame or flames, and then in the flow direction thereafter a reaction space which is often referred to as a "resonance tube". It is known to add the raw material to be treated to this reaction space so that thermal material treatment takes place in the reaction space. In some special versions, the raw material is already given up in the combustion chamber.
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.However, the prior art vibrating fire reactors have significant disadvantages and technical problems:
Since the oscillation comprises the entire flowing hot gas column in the reactor, ie the exhaust gas in the combustion chamber as well as the hot gas in the reaction space up to the final filter, the mass of hot gases to be displaced by the periodic-transient combustion process, ie in periodic motion, is very high large. However, since only a very small part of the thermal energy from the combustion process is converted into mechanical vibration energy of the (total) hot gas flow, the amplitudes of the hot gas oscillation occurring in the large volumes of the combustion chamber and the reaction space are extremely low and by the addition of the (vibrational energy ) Commodity flow further subdued.
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.Thus, in the limiting case, it is even possible to completely dampen the usually self-excited oscillations of the hot gas flow by sufficiently high raw material application rates, with the consequence that the thermal material treatment then takes place in a now no longer oscillating but instead stationary hot gas flow. This no longer has the advantages of increased heat and mass transfer rates.
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.For this reason in particular, today's vibrating-fire reactors are severely limited in several respects: the possible raw material application rates and thus also the producible product quantities per time are very severely limited by the described decrease in the oscillation amplitudes of the hot gas flow, so that also the plant capacities are relatively small.
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.In principle, a significant increase in the educt feed rates would first of all make it necessary to increase the firing rate required for their treatment, which would, however, be accompanied by a corresponding increase in the resulting exhaust gas volume flow. This would also require a large increase in the volume of the reaction space in which the material treatment takes place so as to ensure a consistent material treatment time. As a result, the gas mass to be vibrated would increase again and the recoverable amplitudes of the oscillation of the hot gas flow for material treatment would decrease again with the consequence of a decreasing product quality.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Beschränkungen zu überwinden.The object of the present invention is to overcome these limitations.
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.This object is achieved in that in the reaction space a flowed through by the exhaust gas flow, in the cross-sectional area opposite the reaction space reduced use is provided, which has a length in the flow or axial direction, which is shorter than a total length of the reaction space.
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.A device according to the invention thus has a periodically unsteady, oscillating flame in the combustion chamber in front in the flow direction, which generates a pulsating, likewise oscillating, hot gas or exhaust gas flow. The used in the reaction space, reduced in cross-section can now with appropriate tuning of its length, the volume and the temperature of the introduced into the reaction chamber hot gas and the raw material to be treated in this by the vibration of the static pressure and the exhaust gas flow and by radiated sound waves of the periodic - transient combustion process in the combustion chamber at the hot gas flowing therethrough stimulate a resonance-enhanced vibration, so that the discontinued raw material (educt) is here subjected to the desired thermal material treatment.
Damit wird das Heißgas, das den Abgasstrom enthält und schwingt, lediglich im Abschnitt des Einsatzes resonant angeregt.Thus, the hot gas, which contains the exhaust gas flow and oscillates, only resonantly excited in the section of the insert.
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/.The invention is based on the following finding:
In reality, there is no resonance phenomenon whatsoever in the vibrating resonators described in the prior art, since there is no periodic excitation source which sets the gas in periodic oscillations or stimulates resonance, in particular in the reaction space, which is often referred to as resonance tube. Rather, this is a system instability, which affects the entire reactor and for their vibration frequency, the coupled vibration behavior of all system components, (ie burner, combustion chamber, reaction chamber ("resonance tube"), separating devices (filters, cyclone), etc.) is responsible / 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.However, it can be seen from the use of the term "resonance" for the occurring physical effects that there is a substantial, persistent error in connection with the causative phenomena underlying the generation of the oscillating hot gas flow:
The phenomenon of self-excited combustion instabilities described above is in fact a system instability in which, when a system-specific stability limit is reached, the system abruptly changes from a stationary, vibration-free operating state (stationary combustion process) into a periodically transient, oscillatory operating state (periodic-transient combustion process). turns over without any external excitation of the system.
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.The term "resonance", on the other hand, comes precisely from this, physically completely different phenomenon of a strange or forced excitation oscillation:
An oscillatory system is stimulated by an external, periodic excitation (eg periodic force due to periodic imbalance, etc.) for "resonating", ie for resonating.
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.The adjusting oscillation frequency of the prior art reactor with self-excited combustion instability thus does not correspond to such a resonant frequency of a component such. B. of the "resonance tube". Thus, in this procedure also not a resonance-induced amplitude gain can be exploited, as is possible with the device according to the invention.
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.In other words, in the vibrating-fire reactors for thermal material treatment according to the prior art, the entire, located in the reactor hot gas column (hot gas flow) must be set in vibration, even in places where no material treatment takes place at all or taking place at this point process step of material treatment not benefited at all from a present vibration of the hot gas flow. This goes hand in hand with a low treatment amplitude. It can be seen that, with an embodiment according to the invention, the provision of an insert with a reduced cross-sectional area and suitable length can purposefully excite a resonance of the hot gas flow flowing through the insert, so that the portions of the reaction space upstream and downstream of the insert in the flow direction whose dimensions are of minor importance.
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.Another strong limitation in the applicability of prior art thermal material handling vibrating fire reactors is that for a successful thermal treatment of raw materials, a material-specific material treatment time, i. H. a dependent on the product to be produced and the desired product properties minimum residence time of the raw materials in the hot gas zone of the reactor, is absolutely necessary. If this minimum residence time is exceeded, the reaction sequence / reaction conversion is not completed and the desired product is not yet "finished" thermally treated.
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.In the case of vibrating-fire reactors described in the patent literature, the material treatment is typically carried out in the reaction space, which, as mentioned above, is frequently referred to as a "resonance tube". The achievable material treatment time in these prior art reactors thus depends on the flow rate of the hot gas flow, which is determined by the firing capacity and the combustion air number, and optionally additional addition of cooling air and the raw material feed rate, and at a given pipe cross-sectional area of the reaction space directly from the length from. An increase in the material treatment time by an extension of the reaction chamber would simultaneously lower the oscillation frequency of the oscillation of the hot gas flow and also reduce the recoverable amplitudes of the hot gas oscillation by the increased total mass of the now to be vibrated gas column in the reaction chamber.
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.One recognizes here easily the technical disadvantages of the reactors according to the current state of the art: vibration frequency and amplitude and the material treatment time depend on each other coupled from the reactor geometry, in particular from the length of the reaction space in the flow direction. An extension of the residence time is thus in the prior art only at the expense of reduced frequencies and amplitudes of the hot gas oscillation and thus at the expense of reduced heat and mass transfer rates of the hot gas to the raw material to be treated and thus at the expense of the advantages of a thermal material treatment in the oscillating hot gas flow.
Diese Probleme werden mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Schwingungsreaktors ebenfalls überwunden.These problems are also overcome with the inventive design of a vibration reactor.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann der im Reaktionsraum vorgesehene Einsatz in seiner durchströmten Länge veränderbar sein.In a development of the invention, the insert provided in the reaction space can be variable in its flow-through length.
Es ist außerdem möglich, dass alternativ oder zusätzlich auch die Brennkammer in ihrer Geometrie veränderbar ist.It is also possible that alternatively or additionally, the combustion chamber is variable in its geometry.
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.While a reactor according to the invention as described so far shows the desired resonance in use only at a specific operating point of the reactor with very specific boundary conditions, such a further developed reactor thus has at least one, possibly also two frequency tunable resonators. This has the consequence that the reactor can be set to a large number of different operating states or operating points.
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.In this regard, it should be noted that z. B. the resonance within the insert depends on the speed of sound, which in turn is temperature dependent. The temperature is u. a. influenced by the combustion temperature, the possible admixture of cooling air, the amount and the temperature of the raw material / educt, etc.
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.In the case of a reactor which has been developed as described above, it is thus possible to tune the boundary conditions at the first resonator in the direction of flow - namely the combustion chamber - and at the second resonator in the flow direction, namely the insert reduced in cross section.
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.The first resonator thus has a burner with the associated supply connections for fuel and combustion air, a flame and a combustion chamber, which acts as a resonator, which in terms of their geometry and the resulting vibration behavior of the gas column contained in it (the exhaust gas of the combustion process the flame) in the frequency range between 50 and 1000 Hz frequency tunable. The device is suitable for the targeted generation of self-excited combustion instabilities in the reactor part burner-flame combustion chamber, ie in the first 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.Connected by a preferably insulated pipe into which cooling air can be added if necessary to set a desired material treatment temperature, the oscillating, d. H. periodically-instationarily flowing hot gas from the oscillating combustion process of the flame in the combustion chamber, that is supplied from the first resonator, the reaction space. In this then takes place the Eduktzugabe and thus also the thermal material treatment, the latter in particular in the integrated into the reaction chamber second 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.By tuning the oscillation frequency of the periodic-transient combustion process in the first resonator (self-excited combustion instability with oscillating flame) at the combustion temperature there to the resonance behavior of the second resonator with the present material treatment temperature, which is typically lower than the combustion temperature in the first due to cooling air and Eduktzugabe Resonator is a tuned resonant excitation of the second resonator takes place by the periodic excitation transmitted to it, which results from the combustion oscillation in the first resonator and which is characterized by periodic oscillations of the static pressure and the hot gas flow.
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.It should be pointed out here that both alternatively and cumulatively, the second resonator can also be adapted to the frequency of the first resonator by altering its length throughflow - or rather to the frequency of the resonator emerging from the first resonator and exciting the second resonator as a sound wave Vibration. The open at its two ends insert, so the second resonator has as a 12-wave resonator its fundamental frequency resonance at a given speed of sound (and thus at a given material treatment temperature) if and only half a wavelength of the sound wave or vibration in the use, ie fits the second resonator. This forms a standing half-wave in this ½-wave resonator, which is used for material treatment.
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.In contrast to the vibrating fire reactors described in the literature, there is a genuine external or forced excitation with resonance in relation to the generation of vibrations in the second resonator, ie in the actual reaction space of the material treatment. Depending on the frequency tuning of the excitation frequency and vibration damping can in the second resonator Resonance-related peaks (amplification) of the excitation can be adjusted up to a factor of ten. So here is actually an active ability to influence the vibration amplitudes in the reaction chamber in the thermal material treatment.
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.Independently of the choice of the excitation frequency from the first resonator, the duration of the material treatment in the reaction space or in the second resonator is independent of the existing there oscillation frequency of the hot gas flow, as long as the middle Throughput or the average flow rate is kept constant, since the length of the second resonator (ie, the length of the "resonance tube") does not have to change so that there are different material treatment frequencies.
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.Thus, the frequency of the material treatment in the pulsating hot gas flow is physically decoupled from the duration of the material treatment in the reaction space or in the second resonator. Thus, both variables now represent independent process parameters of the thermal material treatment.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, mit diesem Verfahren auch direkt Oberwellen, d. h. höhere harmonische Resonanzfrequenzen des zweiten Resonators im Reaktionsraum gezielt anzuregen.In addition, it is possible to use this method directly harmonic waves, d. H. to specifically excite higher harmonic resonance frequencies of the second resonator in the reaction space.
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.If this resonator is, for example, a ½-wave resonator with, for example, a fundamental frequency of 100 Hz for a given hot gas or material treatment temperature, then frequencies of 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, etc. would be targeted for the thermal Material treatment excitable.
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.Surprisingly, it has been shown that the material properties achieved of the treated products at the same material treatment temperature depend on the product of treatment frequency and treatment time. Ie. at a treatment frequency of 100 Hz and a material treatment time of 400 milliseconds, the same result is achieved in terms of product properties and product quality as at 400 Hz and 100 milliseconds.
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.One reason for this is presumed to be that the particles of a raw material to be treated experience the same number of oscillation cycles in the reaction space during their treatment in both cases.
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.So if you are in a device according to the invention in a position to increase the frequencies of the thermal material treatment by a targeted excitation of the second resonator in the reaction chamber significantly, for example, by a targeted resonant excitation of the harmonics of the second resonator, you can simultaneously for complete thermal treatment of the raw material necessary residence times and thus the size or the volume of the reaction space (or the length of the required resonance tube with a fixed cross-sectional area) significantly reduced.
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.At the same time, however, the necessary gas mass, which must be vibrated, is reduced in comparison with the devices and methods described in the patent literature, in which the hot gas column of the entire vibrating fire reactor must be vibrated with a significantly greater mass of gas. Thus, and with the above-described resonance-induced elevation (amplification) of the oscillation amplitude in the second resonator, significantly larger raw material mass flows can thus be treated at the same average firing capacity of the reactor than are enforced in state-of-the-art reactors. Accordingly, the achievable reactor throughput increases significantly and improves the profitability of the thermal process.
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.Finally, for the sake of good order, it should be pointed out that the type of resonator (Helmholtz resonator, ½-wave resonator, ½-wave resonator) used as the first resonator and / or
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der im Reaktionsraum vorgeschlagene Einsatz in seiner axialen Position innerhalb des Reaktionsraumes veränderbar.In a further preferred embodiment of the invention, the insert proposed in the reaction space can be changed in its axial position within the reaction space.
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.
Typically, a thermal material treatment in a vibrating fire reactor, for example when using a liquid raw material (eg raw material solution or aqueous suspension with solids content) consists of the following individual steps:
- - Atomization of the liquid raw material z. B. with the aid of a spray nozzle
- - Heating and evaporation of the raw material solution / drying of the solid
- - Heating the raw material to material treatment temperature
- - Thermal treatment z. B. calcination, expiration of solid state reactions, degassing
- - crystal growth / crystal transformations,
- - etc.
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.It is very unlikely that all of these physically very different single cuts of thermal material treatment in a vibrating fire reactor will equally benefit from oscillation of the hot gas flow around the droplets / particles to be treated versus thermal treatment in a stationary flowing non-oscillating hot gas flow.
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.In the reactors described in the prior art, however, the entire flowing hot gas column in the entire reactor space is vibrated with the consequence of a large and inert gas mass with significant vibration damping and resulting small vibration amplitudes and low vibration frequencies of the oscillating hot gas flow.
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.With the described here, particularly preferred embodiment of the invention, however, it is possible, in the outwardly gas and heat sealed reactor housing the actual reaction space of the material treatment, d. H. to position the second resonator or the insert at exactly the point at which, according to the individual step or physical sub-process of the thermal material treatment taking place there, the product undergoes the greatest change in its material properties that can be achieved compared to a thermal treatment in a stationary hot gas flow without oscillations.
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.Such an optimizing position of the insert can easily be determined in preliminary tests by repeating the material treatment in differently positioned use within the reactor space on the basis of the measured material properties of product samples manufactured in this way.
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.As a particular advantage, it should also be mentioned that the material after passing through the thermal treatment in the second resonator at high treatment frequencies and short residence time (typically below 200 milliseconds, preferably below 100 milliseconds) in the downstream reactor part with again increased reactor diameter and therefore significantly reduced flow rates a thermal Aftertreatment learns that can be used for the complete removal of unwanted residual components of the raw material mixture / raw material solution.
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.For example, when processing a nitrate-containing raw material of the residual nitrate content in the product or organic components in the raw material, the residual carbon content in the product significantly reduced or completely avoided. To ensure this safely, after-treatment periods in the reaction space downstream of the second resonator are greater than 2 seconds, preferably greater than 3 seconds.
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.Finally, it should also be pointed out that the insert or resonator which can be displaced in its axial position in the reaction space can also be configured such that it is adjustable in terms of its resonant frequency, in particular by changing or adjusting its length, that is to say tunable in terms of frequency.
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.Typically, finely divided particles having an average particle size in the range from 5 nm to 100 μm can be produced with the device according to the invention and the associated method. By means of this process according to the invention, finely divided particles, for example in the form of carbides, nitrides, simple oxides, complex mixed oxides, doped oxides, mixtures of oxides or coated particles can be produced in a targeted manner.
Dazu wird aus Edukten eine sogenannte Präkursorenmischung hergestellt, die zumindest alle Bestandteile der zu bildenden festen Partikel beinhaltet.For this purpose, a so-called precursor mixture is produced from educts, which contains at least all constituents of the solid particles to be formed.
Für den Spezialfall, dass nur ein Edukt benötigt wird, findet im Folgenden dennoch der Begriff Präkursorenmischung Anwendung.For the special case that only one reactant is needed, the term precursor mixture will nevertheless be used below.
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.The precursor mixture formed from the raw material components can be present both as a solid, for example in the form of a finely divided powder or powder mixture, in the form of a solution, a suspension, a dispersion or emulsion, a gel, as a gas or vapor.
Bei Verwendung von flüssigen Rohstoffmischungen, wie Lösungen, Dispersionen oder Emulsionen resultieren besonders sphärische Partikel.When using liquid mixtures of raw materials, such as solutions, dispersions or emulsions result in particularly spherical particles.
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.By means of a single-stage or multi-stage wet-chemical intermediate step, the precursor mixture can be conditioned so that a specific particle shape or size is established in the thermal process, for example a particularly narrow particle size distribution. Known methods such as co-precipitation or hydroxide precipitation can be used for the wet-chemical intermediate step.
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. The mentioned forms of the precursor mixture are introduced into the hot gas stream of the device according to the invention, for example by spraying, introduction or injection. The nature of the precursor task, such as the type, diameter and spray pattern of a multicomponent nozzle used for this purpose, the feed direction (eg injection direction) and the feed location, influence the process control and the resulting thermal treatment regime and are thus important control variables for the resulting particle properties.
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.The forming particles are transported with the hot gas stream through the reactor and thermally treated in this hot gas stream. The properties of the hot gas stream thus significantly influence the thermal treatment and thus the properties of the forming particles. The device according to the invention offers a multitude of possibilities for the targeted setting of process parameters for the inventive thermal production and / or treatment of these finely divided particles. For example, the temperature profile, the maximum process temperature, the residence time of the gas flow and the residence time of the particles in the gas flow can be adjusted in a manner known to the person skilled in the art.
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.A special feature of the device according to the invention is that the hot gas stream can be set in vibration. In oscillating or pulsating hot gas flows results in a significantly increased heat transfer due to the high flow turbulence. The heat transfer significantly influences the reaction and phase-forming mechanisms during the transformation or phase formation. By choosing the frequency and amplitude of the pulsating gas flow, the reaction conditions can be adapted exactly to the requirements of the material to be produced.
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.In the device according to the invention, it is possible, the gas space of the thermal material treatment, d. H. to excite the second resonator by an external, periodic excitation for resonating. In the case of resonance, this results in an 8-10 times higher amplitude of the gas column oscillation in the thermal material treatment within the second resonator than in an excitation with frequencies outside this resonance band. The resulting higher amplitudes significantly increase the heat and mass transfer.
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.Even higher frequencies increase the heat and mass transfer significantly. Since the device according to the invention also high harmonic frequencies, ie very high frequencies, for example, in the range greater than 300 Hz can be generated, this results in a further adjustment parameters for a particularly high heat transfer.
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.The rate of heat transfer significantly defines the heating rate of the precursors or particles and thus the actual temperature profile. Higher amplitudes and higher frequencies of the pulsating gas flow accelerate the reaction and phase-forming mechanisms. Thus, for example, a higher degree of reaction conversion of the precursor mixture can be achieved with a comparable residence time, or the activity can be increased in, for example, catalytic materials. The possibility according to the invention for significantly higher amplitudes and higher frequencies than in conventional systems thus expands the possibilities for process control, expands the possible substance spectrum of the materials to be treated, disseminates the adjustable particle properties and simplifies the process control.
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.Depending on the material system, the frequency and amplitudes of the oscillating hot gas flow have different effects on partial reaction steps such as drying, heating, (time) different phase reactions, cooling, etc. and thus on the particle formation and / or the thermal particle treatment.
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.With the device according to the invention and the method according to the invention, the reaction section or the reaction sections in which, for example, the desired influencing by high amplitudes and frequencies is particularly strong, can be selected specifically by positioning the second resonator within the reactor and the task location of Precursor mixture is selected accordingly.
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.In a particularly preferred embodiment, at least partial coating of particles takes place by means of a suitable precursor combination of a prepared precursor mixture in the form of a dispersion. In this case, for example, the solid phase in the case of suspensions or the inner phase in the emulsion at least includes all components which are necessary for the formation of the particles to be coated. The liquid phase in the suspension or the outer phase in the emulsion contain at least all coating components. By choosing a suitable thermal treatment regime, it is thus possible to form the solid particles and at least partially coat these particles.
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.The finely divided particles produced in the pulsating hot gas stream according to the invention are finally separated from the hot gas stream with a suitable separator. The hot gas is optionally before entering the Abscheideinrichtung cooled to a temperature required depending on the type of separator. In a preferred embodiment, the separation of the particles formed from the hot gas stream at temperatures above 300 ° C, preferably above 500 ° C, more preferably above 600 ° C, for example by a cyclone or a hot gas reactor. This can be prevented, for example, that highly reactive particles hot gas components, such as water record. The hot gas can be cooled in this embodiment, if necessary after the filter.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments. Showing:
In
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.By fuel is meant fuel gases such as natural gas, methane, hydrogen or liquid fuels such as alcohol, etc. For the purposes of this application, combustion air is generally understood to mean an oxidizing agent which provides the oxygen required for the combustion. In addition to air, this includes, for example, pure oxygen or oxygen-enriched air, 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.In principle, it is possible to operate the flame in a foreign-controlled manner by means of a corresponding oscillating supply of the flame with a periodically modulated fuel / air mixture or with a temporally periodically modulated flow of combustion air. The variability of the mass flow of fuel / air mixture is particularly preferred in the case of premix combustion or a change in the mass flow of the combustion air, in particular in the case of a diffusion combustion.
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.Incidentally, the combustion is operated so that it has a periodic-transient, oscillatory operating state. Here, the frequency of the pulsating combustion z. B. influenced by the geometry of the combustion chamber as well as by the process temperature.
Die mit der pulsierenden Flamme letztlich erzeugte pulsierende Heißgasströmung strömt durch ein Koppelrohr
In den aus dem Koppelrohr
Wesentlich ist jetzt, dass in dem Reaktionsraum
Im hier dargestellten Beispiel ist dieser Einsatz
Der Einsatz
Die Resonanzfrequenz innerhalb des Einsatzes
Der Einsatz
In dem hier dargestellten Beispiel ist auch die Brennkammer
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
The first resonator with the
Im Einsatz
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.In the case of a selected through-
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.If, however, a material treatment temperature in the second resonator of 200 ° C. is desired, then the resonant frequency of the second resonator would be approximately 105 Hz at this temperature and a through-
In diesem gewünschten Fall müsste die Länge 15 des Einsatzes
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.It is easy to see from the illustrated example the advantages that arise when both resonators can be tuned in frequency to one another and to the desired temperatures via individual geometry settings.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist, dass der Einsatz
Im Heißgasstrom
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
In der
Literaturliterature
-
/1/
A. A. Putnam and W. R. Dennis: „Organ Pipe Oscillations in Flamefilled tubes”; Proc. Comb. Inst. 4, S. 556 ff., 1952 AA Putnam and WR Dennis: "Organ Pipe Oscillations in Flamefilled Tubes"; Proc. Comb. Inst. 4, p. 556 ff., 1952 -
/2/
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/3/
DD 114 454 B1 DD 114 454 B1 -
/4/
DD 155 161 B1 DD 155 161 B1 -
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DD 245 648 A1 DD 245 648 A1 -
/6/
DE 10 2006 046 803 A1 DE 10 2006 046 803 A1 -
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DE 101 09 892 B4 DE 101 09 892 B4 -
/8/
DE 10 2006 046 880 B4 DE 10 2006 046 880 B4 -
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DE 10 2006 032 452 B4 DE 10 2006 032 452 B4 -
/10/
Chr. Bender: „Messung und Berechnung des Resonanzverhaltensgekoppelter Helmholtz-Resonatoren in technischen Verbrennungssystemen”; Dissertation Universität Karlsruhe KIT, 2010 Chr. Bender: "Measurement and calculation of the resonance behavior coupled Helmholtz resonators in technical combustion systems"; Dissertation Universität Karlsruhe KIT, 2010
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Flammeflame
- 22
- Brennerburner
- 33
- Brennstofffuel
- 44
- Verbrennungsluftcombustion air
- 55
- Brennkammercombustion chamber
- 66
- Koppelrohrpipe coupling
- 77
- Reaktionsraumreaction chamber
- 88th
- Wandungwall
- 99
- Abgasstromexhaust gas flow
- 1010
- Rohstoffraw material
- 1111
- Kühlluftcooling air
- 1212
- HeißgasstromHot gas stream
- 1313
- Einsatzcommitment
- 1414
- QuerschnittsflächeCross sectional area
- 1515
- Axiale LängeAxial length
- 1616
- Verstellbarer BodenAdjustable bottom
- 1717
- Pfeilearrows
- 1818
- Rohreinsatztube insert
- 1919
- Axialrichtungaxially
Claims (6)
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Legal Events
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