DE102020204199A1

DE102020204199A1 - Reaktorsystem

Info

Publication number: DE102020204199A1
Application number: DE102020204199.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Ohlendorf; Arne Teiwes; Louis Friedrich; Michael Jacob
Original assignee: Glatt Ingenieurtechnik GmbH
Current assignee: Glatt Ingenieurtechnik GmbH
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20230294067A1; WO2021198006A1; EP4126327A1; CN115551629A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem (1) zur Herstellung und/oder Behandlung von Partikeln (P) in einem schwingenden Prozessgasstrom.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem zur Herstellung und/oder Behandlung von Partikeln in einem schwingenden Prozessgasstrom, mit einer eine vorgeschaltete Zuführungseinheit und eine nachgeschaltete Abführungseinheit aufweisenden Reaktoreinheit, wobei die Reaktoreinheit über einen eine Brennkammer, ein stromab an die Brennkammer anschließendes Abgasrohr und ein eine Vielzahl an Brennern aufweisendes Mehrfachbrennersystem umfassenden Reaktor verfügt, wobei ein Teil der Brenner des Mehrfachbrennersystems zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeignet sind, und wobei die Brenner des Mehrfachbrennersystems in der Brennkammer der Reaktoreinheit angeordnet sind, und wobei die Zuführungseinheit ein Kanalstränge aufweisendes Kanalsystem aufweist, und wobei jeder Brenner einen als Zuführungsleitung ausgebildeten Kanalstrang für das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch und/oder jeweils einen als Zuführungsleitung ausgebildeten Kanalstrang für Brennstoff und einen als Zuführungsleitung ausgebildeten Kanalstrang für Verbrennungsgas, insbesondere Verbrennungsluft, aufweist.
Reaktorsysteme und Verfahren zur Herstellung und/oder Behandlung von Partikeln, bevorzugt von feinteiligen Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von 1 nm bis 5 mm, insbesondere nanoskalige oder nanokristalline Partikel, in einem schwingenden Prozessgasstrom sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Bekannt sind als akustische Resonatoren ausgebildete Reaktorsysteme, in denen eine Schwingung respektive Pulsation des Prozessgases Anwendung findet mit dem Zweck eine Resonanzschwingung zu erzeugen, wobei diese insbesondere Einfluss auf akustische, stoffliche (u.a. bei Mehrphasensystemen) und wärmetechnische Eigenschaften (u.a. Beeinflussung der Wärmeübertragung) dadurch hat, dass sich die Resonanzschwingung des Prozessgases in Form mechanischer Kräfte und/oder in Form einer Verweilzeitänderung auf die im Prozessgas herzustellenden und/oder zu behandelnden festen und/oder flüssigen Partikel auswirkt und zu verschiedenen Zwecken nutzbringend anwenden lässt. Solche akustischen Resonatoren sind bspw. Hohlraumresonatoren, insbesondere Helmholtz-Resonatoren, die über jeweils einen Resonanzzustand definierende Resonanzeigenfrequenzen verfügen. Dabei kann die Resonanzschwingung auf verschiedene Art und Weise erzeugt und hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenz und der Resonanzdruckamplitude beeinflusst werden.
Für die Qualität der Resonanzschwingung in einem Reaktorsystem spielen im Wesentlichen die Art der Erzeugung der Resonanzschwingung, die Geometrie des Reaktorsystems in dem die Resonanzschwingung nutzbar gemacht werden soll, die Regelbarkeit der Resonanzfrequenz und/oder der Resonanzdruckamplitude in dem Reaktorsystem, die stofflichen Eigenschaften des Prozessgases, die u.a. durch die Temperatur und den statische Druck des Prozessgases bestimmt werden sowie die Rückwirkungen auf das Reaktorsystem selbst eine entscheidende Rolle.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 005 224 A1 offenbart ein Verfahren zur zielgenauen Einstellung bzw. Nachregelung der Amplituden der Schwingungen des statischen Druckes und/oder der Heißgasgeschwindigkeit in einer Schwingfeueranlage mit oder ohne thermischer Materialbehandlung/Materialsynthese, die mindestens einen Brenner aufweist, mit dem eine schwingende (pulsierende) Flamme erzeugt wird, und mindestens einen Brennraum (Resonator), in den die Flamme gerichtet ist. Üblicherweise ist eine gezielte, unabhängige Einstellung der Amplitude (Schwingungsstärke) der aus einer selbsterregten, rückgekoppelten Verbrennungsinstabilität resultierenden, pulsierenden Heißgasströmung in einer Schwingfeuerung oder einem Pulsationsreaktor und damit auch eine Anpassung des periodisch-instationären Verbrennungsprozesses an den gewählten Durchsatz des Reaktors (bei Materialbehandlung/Materialsynthese: z. B. die Eduktaufgaberate oder die Produktrate) ohne eine gleichzeitige, aber ungewünschte Änderung anderer Prozessparameter (Behandlungstemperatur, Verweilzeit bzw. Behandlungsdauer) und damit der erzeugten Materialeigenschaften nicht möglich. Um dies dennoch zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, ein mit Luft, Brennstoff oder Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmtes Schwingungsvolumen stromauf des Brenneraustritts in die zum Brenner laufenden Versorgungsleitungen des Brenners einzufügen. Vorzugsweise kann dessen Größe stufenlos einstellbar sein. Damit ist es möglich, die Amplitude der Schwingung zu verändern.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 006 238 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Materialbehandlung bzw. Materialumwandlung insbesondere von grobstückigen, körnigen Rohstoffen in einer pulsierenden Heißgasströmung mit unabhängig voneinander einstellbarer Frequenz und Amplitude der Geschwindigkeitsschwingung oder der statischen Druckschwingung der Heißgasströmung in einem vertikal angeordneten Reaktionsraum. Am oberen Ende des vertikal angeordneten Reaktionsraumes eingebrachte Rohstoffpartikel können aufgrund ihrer Form, Masse und Dichte bei eingestellter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit der Heißgasströmung nicht von dieser pneumatisch transportiert werden, sondern sinken entgegen der Strömungsrichtung nach unten. Während dieser Sinkzeit von ca. 1 s bis 10 s erfolgt die thermische Behandlung des Materials zu dem gewünschten Produkt, das am unteren Ende des Reaktionsrohres mit Hilfe eines Schleusensystems aus dem Reaktor entnommen wird.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes, mit einer Brennkammer, in der eine periodisch instationäre, schwingende Flamme brennt, zur Erzeugung eines pulsierenden Abgasstromes, der durch eine an die Brennkammer anschließenden Reaktionsraum strömt wird in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 002 566 A1 offenbart. Um zu erreichen, dass der Rohstoff effektiv behandelt wird, wird vorgeschlagen, dass in dem Reaktionsraum ein von dem Abgasstrom durchströmter, in der Querschnittsfläche gegenüber dem Reaktionsraum reduzierter Einsatz vorgesehen ist, der eine Länge aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes. Insbesondere ist die Länge des Einsatzes und die Geometrie der Brennkammer veränderbar, sodass die Vorrichtung zwei aufeinander abstimmbare Resonatoren hat.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 211 650 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, insbesondere nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, aus mindestens einem Rohstoffmaterial. Die Vorrichtung umfasst hierbei mindestens einen Brenner und eine sich an den Brenner anschließende Brennkammer zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms, einem der Brennkammer nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt und zumindest einer Druckanordnung zur Einstellung eines Resonanzverhaltens und somit des Schalldrucks innerhalb der Brennkammer und/oder innerhalb des Reaktionsraumabschnitts.
Die aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen haben allesamt den Nachteil, dass die Reaktorsysteme nur einen Brenner aufweisen und der im Reaktorsystem erzeugte schwingende Prozessgasstrom aufgrund von durch Armaturen oder dergleichen auftretenden Rückkopplungen auf das als schwingendes System ausgebildete Reaktorsystem nicht optimal regelbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Reaktorsystem bereitzustellen, das mehrere Brenner aufweist und gleichzeitig den im Reaktorsystem erzeugten schwingenden Prozessgasstrom aufgrund von durch Armaturen oder dergleichen auftretenden Rückkopplungen optimal regeln kann.
Die Aufgabe wird bei einem Reaktorsystem eingangs genannter Art dadurch gelöst, dass zumindest für den Teil der zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeigneten Brenner des Mehrfachbrennersystems jeder als Zuführungsleitung ausgebildete Kanalstrang eine Volumenstromregelungseinrichtung aufweist. Als Volumenstromregelungseinrichtung sind Regelarmaturen geeignet, die eine hohe Regelgenauigkeit aufweisen. Zweckmäßigerweise weist die Volumenstromregelungseinrichtung eine Regelgenauigkeit von kleiner gleich 3 %, bevorzugt von kleiner gleich 2 %, besonders bevorzugt von kleiner gleich 1 % und am meisten bevorzugt von kleiner gleich 0,5 % auf. Bevorzugt ist die Volumenstromregelungseinrichtung als Gleitschieberventil, Regelventil, Regelhahn oder regelbare Irisblende ausgebildet.
Eine eine hohe Regelgenauigkeit aufweisende Volumenstromregelung ist notwendig, um durch die Resonanzschwingung verursachte Rückkopplungen auf den Prozessgas-Volumenstrom zu minimieren bzw. zu vermeiden. Insbesondere sind hohe Regelgenauigkeiten des Volumenstroms beim Einsatz einer Teilereinrichtung notwendig, sodass ein schwingfähiges bzw. im Betriebszustand schwingendes System stabil betreibar ist.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Weiterbildung des Reaktorsystems ist die Vielzahl an Brennern insbesondere aus der Gruppe von Zündbrenner, Pilotbrenner, Ringbrenner, Diffusionsbrenner und/oder Drallbrenner auswählbar.
Zur sicheren Zündung von Hochgeschwindigkeitsströmungen bzw. -flammen, wie sie in dem Mehrfachbrennersystem vorliegen, wird ein externer, sich selbst überwachender Zündbrenner eingesetzt. Der Zündbrenner wird mit eigener Brennstoff- und Verbrennungsgasversorgung, insbesondere Brenngas und Verbrennungsluft, betrieben. Nach erfolgreicher Zündung von Pilot- und als Hauptbrenner ausgebildeten Drallbrenner wird der Zündbrenner über eine Ausziehvorrichtung aus dem Nahfeld der Brennerausströmung bzw. der Hauptflamme des Drallbrenners entfernt.
Der als Drallbrenner ausgebildete Pilotbrenner bewirkt eine sichere und brennernahe Zündung der mager-vorgemischten Hauptflamme des Drallbrenners. Der thermische Leistungsbereich des Pilotbrenners liegt bevorzugt zwischen 20 kW und 50 kW, der dazugehörige Luftzahl-Regelbereich liegt bevorzugt zwischen 1,05 und 1,25. Die Drallerzeugung des Pilotbrenners wird durch einen Axialschaufel-Drallerzeuger mit fester, von einer von einem Schaufelneigungswinkel abhängigen Drallstärke, umgesetzt.
Der als Hauptbrenner ausgebildete Drallbrenner hat zwei unterschiedliche, aber gekoppelte Funktionen. Zum einen liefert die Hauptflamme des Drallbrenners die für die thermische Materialbehandlung, beispielsweise eine Trocknung, Kalzinierung und/oder Phasenumwandlung im Prozess- bzw. Reaktionsraum erforderliche Wärmeleistung einschließlich der Anlagenwärmeverluste bei einstellbarer Herstellungs- und/oder Behandlungstemperatur aus der mager-vorgemischten Verbrennung. Zum anderen wandelt die Hauptflamme des Drallbrenners einen Anteil der thermischen Energie aus dem Verbrennungsprozesses in mechanische Energie zur Erzeugung und Erhaltung einer periodisch-oszillierenden Prozessgasströmung um, in welcher die Materialbehandlung stattfindet. Der Leistungsbereich des als Hauptbrenner ausgebildeten Drallbrenners liegt bevorzugt bei 75 kW bis 450 kW. Die Luftzahl der Vormischung der Hauptflamme des Drallbrenners variiert insbesondere zwischen 1,3 und 1,8. Die Drallerzeugung des Drallbrenners wird durch stufenlos einstellbare Tangential-Lufteinlässe mit einem Winkel-Verstellbereich von bevorzugt 0° bis 45° realisiert.
Alternativ zum als Hauptbrenner ausgeführten Drallbrenner besteht die Möglichkeit den Hauptenergieeintrag zur thermischen Materialbehandlung von bevorzugt bis zu 450 kW über einen Diffusionsbrenner bereitzustellen. Wird der Diffusionsbrenner verwendet, ist der Drallbrenner nicht in Verwendung.
Der Ringbrenner dient der Anpassung der thermischen Gesamtleistung sowie der Herstellungs- und/oder Behandlungstemperaturen der Ausgangsstoffe an den jeweiligen Prozess. Der Ringbrenner ermöglicht die teilweise Entkopplung von der mittleren Hauptbrennerleistung und der Brennereinstellung für einen pulsierenden, schwingenden Brennerbetrieb. Der Leistungsbereich des Ringbrenners reicht bevorzugt von 0 kW bei reiner Luftströmung bis ca. 50 kW bei reiner Luftzahl von 1,5.
Entsprechend einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des Reaktorsystems ist der Teil der zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeigneten Brenner des Mehrfachbrennersystems insbesondere als ein Diffusionsbrenner oder als ein Drallbrenner ausgebildet. Bei einem Diffusionsbrenner wird das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch vorteilhafterweise erst in der Brennkammer gebildet. Im Gegensatz dazu wird beim Drallbrenner insbesondere ein vorgemischtes Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch genutzt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Reaktorsystems sind die Brenner des Mehrfachbrennersystems geeignet flüssigen, festen und gasförmigen Brennstoff zu verbrennen. Hierdurch können in dem jeweiligen Brenner sehr flexibel Brennstoffe in unterschiedlichen Aggregatszuständen zur Verbrennung genutzt werden.
Bevorzugt sind die Brenner des Mehrfachbrennersystems konzentrisch zueinander angeordnet. Hierdurch wird ein sehr kompakter Aufbau der Brenner des Mehrfachbrennersystems gewährleistet.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des Reaktorsystems weisen die Zuführungseinheit und die Abführungseinheit eine Druckregeleinrichtung auf, sodass der statische Druck im Reaktorsystem regelbar ist. Durch die Anpassung des statischen Prozessgasdruck kann Einfluss auf die akustischen Eigenschaften des Reaktorsystems genommen werden, sodass das Reaktorsystem bspw. an die Aufgabe unterschiedlicher Ausgangsstoffe, die die Resonanzdruckamplitude der Resonanzschwingung dämpfen, anpassbar ist.
Entsprechend einer bevorzugten Fortbildung des Reaktorsystems verfügt die Reaktoreinheit über mehrere ein Mehrfachbrennersystem aufweisende Reaktoren. Durch mehrere Reaktoren sind die Herstellungs- und Behandlungsprozesse skalierbar, sodass in einem Reaktorsystem deutlich größere Mengen der Partikel herstell- bzw. behandelbar sind.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Weiterbildung des Reaktorsystems umfassen die Zuführungseinheit und die Abführungseinheit jeweils eine einen Druckverlust erzeugende Druckverlust-Erzeugungseinrichtung. Diesbezüglich sind die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen so ausgebildet, dass wahlweise ein im Reaktorsystem erzeugbarer Resonanzzustand einstellbar ist. Der von der Druckverlust-Erzeugungseinrichtung in Abhängigkeit der akustischen Eigenschaften des Resonators im schwingenden System hervorgerufene zusätzliche Druckverlust entspricht dann der Resonanzdruckamplitude der Resonanzschwingung des Prozessgases. Die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen begrenzen das schwingende System des Reaktorsystems im Betriebszustand geometrisch und hinsichtlich des Prozessgasvolumens der ausgebildeten, resonanzfähigen Gassäule. Dadurch ist es möglich dem Prozessgas bei einem in den geometrischen Abmessungen gleichbleibenden schwingenden System des Reaktorsystems und damit auch einem im Reaktorsystem gleichbleibenden Prozessgasvolumen der ausgebildeten, resonanzfähigen Gassäule eine Pulsation aufzuprägen, wodurch das schwingende System im Reaktorsystem angeregt wird und die Pulsation zu einer eine Resonanzfrequenz und eine Resonanzdruckamplitude aufweisenden Resonanzschwingung des Prozessgases zu verstärken.
Das Wesen der Druckverlust-Erzeugungseinrichtung besteht somit darin, das Reaktorsystem in den geometrischen Abmessungen zu begrenzen, einen Prozessgasstrom durch das Reaktorsystem zuzulassen und gleichzeitig die Ausbreitung der Resonanzschwingung über die Druckverlust-Erzeugungseinrichtung hinaus zu verhindern und dadurch ein definiertes, schwingfähiges System im Reaktorsystem auszubilden. Je begrenzter das schwingende System ist, desto effektiver ist eine Erzeugung und eine Ausbreitung der Resonanzschwingung im schwingenden System. Durch das definierte, schwingfähige System wird ermöglicht, dass eine Anregung und Ausbreitung der Resonanzschwingung hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenz und/oder Resonanzdruckamplitude mit vertretbarem technischen und energetischen Aufwand kontinuierlich, insbesondere periodisch, erzeugbar und einstellbar ist.
Weiter bevorzugt ist stromauf der Brennkammer der Reaktoreinheit eine Teilereinrichtung angeordnet ist, wobei die Teilereinrichtung einen als Zuführungsleitung ausgebildeten Kanalstrang aufteilt, sodass durch die Zuführungsleitung mehrere Brenner versorgbar sind. Bevorzugt weisen die als Zuführungsleitung ausgebildeten Kanalstränge nach der Teilereinrichtung zweckmäßigerweise eine gleiche Zuführungsleitungslänge und/oder eine gleiche Zuführungsleitungsinnendurchmesser und/oder sonstige gleiche Armaturen auf. Durch die vorgenannten Maßnahmen wird eine Gleichverteilung der Teilströme der Zuführungsleitungen eingestellt. Weiter bevorzugt weist jeder Kanalstrang eine Volumenstromregelungseinrichtung auf.
Nach einer zusätzlichen bevorzugten Ausgestaltung des Reaktorsystem weist die Zuführungseinheit eine Pulsationseinrichtung auf. Diesbezüglich vorteilhaft ist die Pulsationseinrichtung in einem als Zuführungsleitung ausgebildeten Kanalstrang für den als Hauptbrenner ausgebildeten Diffusionsbrenner oder Drallbrenner angeordnet. Durch die zusätzlich einem Hauptbrenner vorgeschaltete Pulsationseinrichtung ist eine durch den Verbrennungsprozess erzeugte Resonanzfrequenz und/oder eine Resonanzdruckamplitude von einer durch die Pulsationseinrichtung erzeugten Resonanzfrequenz und/oder eine Resonanzdruckamplitude überlagerbar. Hierdurch ist es möglich im gleichen Reaktorsystem unterschiedliche Resonanzzustände des schwingfähigen bzw. im Betrieb schwingenden Systems anzufahren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert dieser zeigen

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Reaktorsystems,
2 eine Schnittdarstellung eines konzentrisch zueinander angeordnete Brenner aufweisenden ersten Mehrfachbrennersystems des in 1 gezeigten Reaktorsystems,
3 eine Draufsicht auf das in 2 dargestellte erste Mehrfachbrennersystem,
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Reaktorsystems,
5 eine Schnittdarstellung eines konzentrisch zueinander angeordnete Brenner aufweisenden zweiten Mehrfachbrennersystems,
6 eine Draufsicht auf das zweite Mehrfachbrennersystem und
7 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Reaktorsystems.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines bevorzugten Reaktorsystems 1 zur Herstellung und/oder Behandlung von Partikeln in einem schwingenden Prozessgasstrom.
Das ein schwingfähiges bzw. im Betrieb schwingendes System 2 ausbildende Reaktorsystem 1 verfügt über eine eine vorgeschaltete Zuführungseinheit 3 und eine nachgeschaltete Abführungseinheit 4 aufweisenden Reaktoreinheit 5. Die Reaktoreinheit 5 weist einen eine Brennkammer 6, ein stromab an die Brennkammer 6 anschließendes auch als Resonanzrohr bezeichnetes Abgasrohr 7 und ein eine Vielzahl an Brennern 8 aufweisendes Mehrfachbrennersystem 9 umfassenden Reaktor 34 auf.
Die Brenner 8 des Mehrfachbrennersystems 9 sind in der Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 angeordnet. Im in der 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Mehrfachbrennersystem 9 einen Zündbrenner 10, einen Ringbrenner 11, einen Pilotbrenner 12 und einen als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenner 14. Die Brenner 8 des Mehrfachbrennersystems 9 sind konzentrisch zueinander angeordnet und geeignet flüssigen, festen und gasförmigen Brennstoff zu verbrennen. Ein Teil der Brenner 8 des Mehrfachbrennersystems 9 sind hierbei zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeignet. In der ersten Ausführungsform wird der schwingende bzw. pulsierende Prozessgasstrom durch den als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenner 14 erzeugt.
Nach der Verbrennung strömt das heiße, schwingende bzw. pulsierende Prozessgas aus der Brennkammer 5 in Richtung des als Reaktionsraum 15 ausgebildeten Abgasrohrs 7. Der Verbrennungsprozess ist hierbei ein selbstregelnder periodischinstationärer Verbrennungsprozess. Im Reaktionsraum 15 erfolgt die Aufgabe des Ausgangsmaterials mittels Aufgabeeinrichtung 16.
Die Aufgabeeinrichtung 16 ist bevorzugt zur Einbringung von Flüssigkeiten oder Feststoffen in den Reaktionsraum 15 der Reaktoreinheit 5 ausgebildet.
Flüssigkeiten oder flüssige Rohrstoffe (Precursoren) können in den Reaktionsraum 15 vorzugsweise als Lösung, Suspension, Schmelze, Emulsion oder als reine Flüssigkeit eingebracht werden. Das Einbringen der flüssigen Rohstoffe oder Flüssigkeiten erfolgt bevorzugt kontinuierlich. Für das Einbringen von Flüssigkeiten in den Reaktionsraum 15 der Reaktoreinheit 5 wird vorzugsweise eine Aufgabeeinrichtung 16 wie beispielsweise Sprühdüsen, Zuführungsrohre oder Vertropfer verwendet, die beispielsweise als Ein- oder Mehrstoffdüsen, Druckdüsen, Vernebler (Aerosol) oder Ultraschalldüse ausgebildet sind.
Im Gegensatz hierzu wird für das Einbringen von Feststoffen, beispielsweise Pulver, Granulate oder dergleichen, in die Reaktoreinheit 5, bevorzugt den Reaktionsraum 15, vorzugsweise eine Aufgabeeinrichtung 16 wie beispielsweise eine Doppelklappe, eine Zellenradschleuse, eine Taktschleuse oder einen Injektor, verwendet.
Das Einbringen des Ausgangsstoffes in Form einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes kann in oder entgegen der Strömungsrichtung des durch das Reaktorsystem 1 strömenden Prozessgases PG erfolgen.
Bevorzugt wird der Ausgangsstoff unter Verwendung eines Trägergases in das Reaktorsystem 1, bevorzugt in den Reaktionsraum 15 eingebracht. In einer nicht illustrierten Ausführungsform erfolgt die Aufgabe in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5. Die Entscheidung, ob der Ausgangsstoff in oder entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases in das Reaktorsystem 1 eingebracht wird, hängt maßgeblich von der Form, Masse und Dichte des Ausgangsstoffes bei einer eingestellten mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases PG ab. Hierdurch besteht die Möglichkeit auch Ausgangsstoffe thermisch zu behandeln, die nicht durch das Prozessgas PG im Reaktorsystem 1 transportiert werden können.
Der Ausgangsstoff wird in einer Behandlungszone der Reaktoreinheit 5, bevorzugt im Reaktionsraum 15, thermisch behandelt, sodass sich die herzustellenden Partikel P, vorzugsweise die anorganischen oder organischen Nanopartikel, besonders bevorzugt die nanokristallinen Metalloxidpartikel, ausbilden. Als Behandlungszone ist der Bereich definiert, in dem die Ausgangsstoffe thermisch behandelt werden.
Die Zuführungseinheit 3 umfasst ein Kanalstränge 17 aufweisendes Kanalsystem 18, und wobei jeder Brenner 8 einen als Zuführungsleitung 19 ausgebildeten Kanalstrang 17 für das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG oder jeweils einen als Zuführungsleitung 19 ausgebildeten Kanalstrang 17 für Brennstoff BS und einen als Zuführungsleitung 19 ausgebildeten Kanalstrang 17 für Verbrennungsgas VG, insbesondere Verbrennungsluft, aufweist.
Zumindest für den Teil der zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeigneten Brenner 8 des Mehrfachbrennersystems 9, hier den als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenner 14, weist jeder als Zuführungsleitung 19 ausgebildete Kanalstrang 17 eine Volumenstromregelungseinrichtung 20 auf. In der in der 1 dargestellten Ausführungsform des Reaktorsystems 1 umfasst jeder als Zuführungsleitung 19 ausgebildete Kanalstrang 17 eine Volumenstromregelungseinrichtung 20.
Bevorzugt ist die Volumenstromregelungseinrichtung 20 als Gleitschieberventil, Regelventil, Regelhahn und/oder regelbare Irisblende ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform sind Regelventile 21 im Reaktorsystem 1 verbaut. Die Regelgenauigkeit der als Regelventile 21 ausgebildeten Volumenstromregelungseinrichtungen 20 ist kleiner gleich 3 %, bevorzugt von kleiner gleich 2 %, besonders bevorzugt von kleiner gleich 1 % und am meisten bevorzugt von kleiner gleich 0,5 %.
Darüber hinaus verfügt jeder als Zuführungsleitung 19 ausgebildete Kanalstrang 17 der Zuführungseinheit 3 über eine einen Druckverlust erzeugende Druckverlust-Erzeugungseinrichtung 22. Auch jeder als Abführungsleitung 23 ausgebildete Kanalstrang 24 eines Kanalsystems 25 der Abführungseinheit 4 umfasst eine Druckverlust-Erzeugungseinrichtung 22. Die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 sind so ausgebildet, dass wahlweise ein im Reaktorsystem 1 erzeugbarer Resonanzzustand einstellbar ist.
Zur sicheren Zündung des schwingenden bzw. pulsierenden Prozessgases wird ein externer, sich selbst überwachender Zündbrenner 10 eingesetzt. Der Zündbrenner 10 wird mit einem eigenen als Zuführungsleitung 19 ausgebildeten Kanalstrang 17 für das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG betrieben. Nach erfolgreicher Zündung von Pilotbrenner 12 und als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenner 14 ist der Zündbrenner 10 über eine Verschiebeeinrichtung 26 aus dem Bereich 27 der Brennerausströmung bzw. der Hauptflamme des Drallbrenners 14 entfernbar. Bei einer erneuten Zündung ist der Zündbrenner 10 in den Bereich 27 der Brennerausströmung verschiebbar.
In der 2 wird eine Schnittdarstellung eines konzentrisch zueinander angeordnete Brenner 8 aufweisenden ersten Mehrfachbrennersystems 9 des in 1 gezeigten Reaktorsystems 1 dargestellt. Die konzentrisch angeordneten Brenner 8 sind von außen nach innen als Ringbrenner 11, als als Hauptbrenner 13 ausgebildeter Drallbrenner 14 und als Pilotbrenner 12 ausgebildet.
Der ebenfalls als Drallbrenner ausgebildete Pilotbrenner 12 bewirkt eine sichere und brennernahe Zündung der mager-vorgemischten Hauptflamme des Drallbrenners 14. Das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG tritt verdrallt als Pilotbrenner-Prozessgas PPG in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 ein. Der thermische Leistungsbereich des Pilotbrenners 12 liegt bevorzugt zwischen 20 kW und 50 kW, der dazugehörige Luftzahl-Regelbereich liegt bevorzugt zwischen 1,05 und 1,25. Die Drallerzeugung des Pilotbrenners 12 wird durch einen Axialschaufel-Drallerzeuger 28 mit fester, von einer von einem Schaufelneigungswinkel abhängigen Drallstärke, umgesetzt.
Der als Hauptbrenner 13 ausgebildete Drallbrenner 14 hat zwei unterschiedliche Funktionen. Zum einen liefert die Hauptflamme des Drallbrenners 14 die für die thermische Materialbehandlung erforderliche Wärmeleistung, bspw. eine Trocknung, eine Kalzinierung und/oder eine Phasenumwandlung. Die einstellbare Herstellungs- und/oder Behandlungstemperatur der Ausgangsstoffe liegt hierbei zwischen 100 °C bis 3.000 °C, bevorzugt auf 240 °C bis 2200 °C, besonders bevorzugt auf 240 °C bis 1800 °C, ganz besonders bevorzugt auf 650 °C bis 1800 °C, am meisten bevorzugt auf 700 °C bis 1500 °C aus der mager-vorgemischten Verbrennung. Zum anderen wandelt die Hauptflamme des Drallbrenners 14 einen Anteil der thermischen Energie aus dem Verbrennungsprozess in mechanische Energie zur Erzeugung und Erhaltung einer periodisch-oszillierenden Prozessgasströmung um, in welcher die Materialbehandlung stattfindet. Der Leistungsbereich des als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenners 14 liegt bevorzugt bei 75 kW bis 450 kW. Die Luftzahl der Vormischung der Hauptflamme des Drallbrenners 14 variiert insbesondere zwischen 1,3 und 1,8. Die Drallerzeugung des Drallbrenners 14 wird durch stufenlos einstellbare, nicht illustrierte Tangential-Lufteinlässe mit einem Winkel-Verstellbereich von bevorzugt 0° bis 45° realisiert.
Der Brennstoff BS strömt über Brennstoff-Austrittsöffnungen 29 in den mit Verbrennungsgas VG durchströmten VG-Drallbrennerkanal 30 und wird dort vorgemischt. Das vorgemischte Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch tritt über eine Drallbrenner-Austrittsöffnung 31 in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 ein und zündet.
Alternativ zum als Hauptbrenner 13 ausgeführten Drallbrenner 14 besteht die Möglichkeit den Hauptenergieeintrag zur thermischen Materialbehandlung von bevorzugt bis zu 450 kW über einen hier in 7 illustrierten Diffusionsbrenner 32 bereitzustellen.
Der Ringbrenner 11 dient der Anpassung der thermischen Gesamtleistung sowie der Herstellungs- und/oder Behandlungstemperaturen an den jeweiligen Prozess. Der Ringbrenner 11 ermöglicht eine teilweise Entkopplung von der mittleren Hauptbrennerleistung und der Brennereinstellung für einen pulsierenden, schwingenden Hauptbrennerbetrieb. Der Leistungsbereich des Ringbrenners reicht bevorzugt von 0 kW bei einer Luftströmung bis ca. 50 kW bei reiner Luftzahl von 1,5. Das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG tritt als Ringbrenner-Prozessgas RPG über Ringbrenner-Austrittsöffnungen 33 in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 ein.
3 zeigt eine Draufsicht auf das in 2 dargestellte und näher erläuterte erste Mehrfachbrennersystem 9 mit von außen nach innen angeordneten Ringbrenner 11, Drallbrenner 14 und Pilotbrenner 12.
In der 4 wird eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Reaktorsystems 1 dargestellt.
Das Reaktorsystem 1 weist eine zwei Reaktoren 34 aufweisende Reaktoreinheit 5 auf, der eine Zuführungseinheit 3 vorgeschaltet und eine Abführungseinheit 4 nachgeschaltet ist.
Das durch das Reaktorsystem 1 strömende Prozessgas PG tritt über die Zuführungseinheit 3 in die Reaktoreinheit 5 des Reaktorsystems 1 ein und von dort über die Abführungseinheit 4 aus. Die Zuführungseinheit 3 umfasst ein Kanalstränge 17 aufweisendes Kanalsystem 18, und wobei jeder Brenner 8 einen als Zuführungsleitung 19 ausgebildeten Kanalstrang 17 für das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG aufweist. Auch die Abführungseinheit 4 umfasst ein als Abführungsleitungen 23 ausgebildete Kanalstränge 24 aufweisendes Kanalsystems 25.
Der Reaktor 34 der Reaktoreinheit 5 verfügt über eine Brennkammer 6, ein als Reaktionsraum 15 ausgebildetes Abgasrohr 7, wobei das Abgasrohr 7 stromab an die Brennkammer 6 anschließt. Die Brennkammer 6 des Reaktors 34 weist ein Mehrfachbrennersystem 9 mit einer Vielzahl an Brennern 8 auf, hier zwei Brenner 8, nämlich einen Ringbrenner 11 und einen Drallbrenner 14. Sowohl die Ringbrenner 11 als auch die Drallbrenner 14 verbrennen ein vorgemischtes Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG.
Das durch das Reaktorsystem 1 strömende Prozessgas PG wird durch den einen als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenner 14 auf eine Herstellungs- und/oder Behandlungstemperatur erwärmt bzw. erhitzt. Die Temperatur zur Herstellung bzw. thermischen Behandlung des mindestens einen Ausgangsstoffes beträgt vorzugsweise zwischen 100 °C und 3000 °C, bevorzugt auf 240 °C bis 2200 °C, besonders bevorzugt auf 240 °C bis 1800 °C, ganz besonders bevorzugt auf 650 °C bis 1800 °C, am meisten bevorzugt auf 700 °C bis 1500 °C.
Durch den Verbrennungsprozess wird dem durch das Reaktorsystem 1 strömenden Prozessgas PG eine eine Pulsationsfrequenz und eine Pulsationsdruckamplitude aufweisende Pulsation aufgeprägt. Die Pulsation weist bevorzugt eine Pulsationsdruckamplitude von 0,1 mbar bis 350 mbar, besonders bevorzugt von 1 mbar bis 200 mbar, ganz besonders bevorzugt von 3 mbar bis 50 mbar, am meisten bevorzugt von 10 mbar bis 40 mbar auf.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit die Pulsationsfrequenz des Prozessgases PG durch eine Pulsationseinrichtung 42 unabhängig von der Pulsationsdruckamplitude einzustellen. Die Pulsationsfrequenz des durch das Reaktorsystem 1 pulsierend strömenden Prozessgases PG ist durch die Pulsationseinrichtung 42 überlager- und somit auch einstellbar, bevorzugt im Frequenzbereich von 1 Hz bis 2000 Hz, bevorzugt zwischen 1 Hz bis 500 Hz, besonders bevorzugt zwischen 40 Hz und 160 Hz.
Dem durch das Reaktorsystem 1 strömenden Prozessgas PG ist dementsprechend auch mittels der Pulsationseinrichtung 42 eine eine Pulsationsfrequenz und eine Pulsationsdruckamplitude aufweisende Pulsation aufprägbar. Die Pulsation weist bevorzugt eine Pulsationsdruckamplitude von 0,1 mbar bis 350 mbar, besonders bevorzugt von 1 mbar bis 200 mbar, ganz besonders bevorzugt von 3 mbar bis 50 mbar, am meisten bevorzugt von 10 mbar bis 40 mbar auf.
Die Pulsationseinrichtung 42 ist bevorzugt als flammenlos arbeitende Pulsationseinrichtung 42 ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Pulsationseinrichtung 42 als Kompressionsmodul, insbesondere als Kolben, oder als Drehschieber oder als modifizierte Drehschleuse ausgebildet.
Stromab der Zuführungseinheit 3 ist das dem Reaktor 34 der Reaktoreinheit 5 zugeordnete, einen Reaktionsraum 15 ausbildende Abgasrohr 7 angeordnet. Im Reaktionsraum 15 wird der Ausgangsstoff mittels einer Aufgabeeinrichtung 16 in das durch das Reaktorsystem 1 und den Reaktor 34 der entsprechenden Reaktoreinheit 5 strömende, pulsierende Prozessgas PG eingebracht. Die Aufgabe erfolgt wie bereits unter 1 näher dargelegt.
Zumindest für den Teil der zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeigneten Brenner 8 des Mehrfachbrennersystems 9, hier den als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenner 14 und den Ringbrenner 11, weist jeder als Zuführungsleitung 19 ausgebildete Kanalstrang 17 eine Volumenstromregelungseinrichtung 20 auf. Bevorzugt ist die Volumenstromregelungseinrichtung 20 als Gleitschieberventil, Regelventil, Regelhahn und/oder regelbare Irisblende ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform sind regelbare Irisblenden 35 im Reaktorsystem 1 verbaut. Die Regelgenauigkeit der als Irisblenden 35 ausgebildeten Volumenstromregelungseinrichtungen 20 ist kleiner gleich 3 %, bevorzugt von kleiner gleich 2 %, besonders bevorzugt von kleiner gleich 1 % und am meisten bevorzugt von kleiner gleich 0,5 %. Die eine hohe Regelgenauigkeit aufweisende Volumenstromregelungseinrichtung 20 ist notwendig, um durch die Resonanzschwingung verursachte Rückkopplungen auf den Prozessgas-Volumenstrom zu minimieren bzw. zu vermeiden. Insbesondere sind hohe Regelgenauigkeiten des Prozessgas-Volumenstroms beim Einsatz einer Teilereinrichtung 36 notwendig, sodass das schwingfähige bzw. im Betriebszustand schwingende System 2 stabil betreibar ist.
Stromauf der Brennkammern 6 der Reaktoren 34 der Reaktoreinheit 5 ist in der Zuführungsleitung 19 für das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG für den Drallbrenner 14 eine Teilereinrichtung 36 angeordnet. Die Zuführungsleitung 19 ist derart ausgebildet, dass jede Zuführungsleitung 19 zwischen der Teilereinrichtung 36 und der jeweiligen Brennerkammer 6 der Reaktoren 34 der Reaktoreinheit 5 einen Druckverlust aufweist, wobei der Druckverlust in jeder Zuführungsleitung 19 im Wesentlichen gleich groß ist. Dies wird dadurch erreicht, dass insbesondere die Zuführungsleitung 19 eine gleiche Zuführungsleitungslänge und/oder einen gleichen Zuführungsleitungsinnendurchmesser und/oder sonstige gleiche Armaturen aufweisen.
Die der Reaktoreinheit 5 nachgeschaltete Abführungseinheit 4 umfasst eine Abscheidevorrichtung 37. Die Abscheidevorrichtung 37, insbesondere ein Filter, bevorzugt ein Heißgasfilter, ganz besonders bevorzugt ein Schlauch-, Metall- oder Glasfaserfilter, ein Zyklon oder ein Wäscher, trennt die thermisch behandelten Partikel P aus dem pulsierend durch das Reaktorsystem 1 strömenden, heißen Prozessgasstrom ab. Die aus dem Prozessgasstrom abgeschiedenen Partikel P werden aus der Abscheidevorrichtung 37 abgeführt und weiterverarbeitet. Falls notwendig werden die im Reaktorsystem 1 thermisch behandelten Partikel P weiteren Nachbehandlungsschritten, wie bspw. einer Suspendierung, Mahlung oder einer Kalzination unterzogen. Das nicht beladene Prozessgas PG wird in die Umgebung abgeführt.
Die Verweilzeit des einen in das Reaktorsystem 1 eingebrachten Ausgangsstoffes beträgt zwischen 0,1 s und 25 s. Eine Kreislauffahrweise des Prozessgases PG ist möglich. Gegebenenfalls ist auch eine Teilauskreisung des Prozessgases PG möglich.
Zudem ist das einen statischen Prozessgasdruck aufweisende Reaktorsystem 1 als akustischer Resonator 38 ausgebildet, der über jeweils einen Resonanzzustand definierende Resonanzeigenfrequenzen verfügt. Das Prozessgas PG kann im Reaktorsystem 1 eine resonanzfähige Gassäule ausbilden, sodass der Resonator 38 durch die Pulsationsfrequenz und/oder die Pulsationsdruckamplitude der durch den Verbrennungsprozess oder eine nicht illustrierte Pulsationseinrichtung erzeugten Pulsation anregbar ist und im Resonanzzustand die Pulsation zu einer eine Resonanzfrequenz und eine Resonanzdruckamplitude aufweisenden Resonanzschwingung des Prozessgases PG verstärkbar ist.
Die Zuführungseinheit 3 und die Abführungseinheit 4 umfassen jeweils eine einen Druckverlust erzeugende Druckverlust-Erzeugungseinrichtung 22, wobei die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 so ausgebildet sind, dass wahlweise einer der Resonanzzustände des Resonators 38 einstellbar ist. Die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 begrenzen ein schwingfähiges bzw. ein im Betriebszustand schwingendes System 2 des Reaktorsystems 1 geometrisch und hinsichtlich des Prozessgasvolumens der ausgebildeten, resonanzfähigen Gassäule. Die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 verhindern somit eine Ausbreitung der Resonanzschwingung über die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 hinaus. Je begrenzter das schwingfähige bzw. das im Betriebszustand schwingende System 2 ist, desto effektiver ist eine Erzeugung und eine Ausbreitung der Resonanzschwingung in dem System 2.
Die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 sind im Reaktorsystem 1, insbesondere in der Zuführungseinheit 3 und der Abführungseinheit 4, in ihrer jeweiligen Position veränderbar angeordnet, wobei im Betriebszustand die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 in ihrer vorab eingestellten Position nicht veränderbar sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich das im Betriebszustand schwingende System 2 nicht ändert.
Bei bestimmten Prozessen ist es vorteilhaft den statischen Druck im Reaktorsystem 1 einstellen bzw. regeln zu können. Hierfür verfügt jeder als Zuführungsleitung 19 ausgebildete Kanalstrang 17 der Zuführungseinheit 3 über eine Druckregeleinrichtung 37. Auch jeder als Abführungsleitung 23 ausgebildete Kanalstrang 24 eines Kanalsystems 25 der Abführungseinheit 4 umfasst eine Druckregeleinrichtung 39. Zuführungseinheit 3 und Abführungseinheit 4 weisen die Druckregeleinrichtungen 39 auf, sodass der statische Druck im Reaktorsystem 1 regelbar ist.
Die das schwingfähige bzw. im Betriebszustand schwingende System 2 begrenzenden Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 innerhalb der Druckregeleinrichtung 39 angeordnet. Stromauf der Reaktoreinheit 5 ist somit die Druckregeleinrichtung 39 stromauf der Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 und stromab der Reaktoreinheit 5 stromab der Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen 22 angeordnet. Ohne eine solche Druckregeleinrichtung 39 entspricht der statische Prozessgasdruck im Reaktorsystem 1 dem Atmosphärendruck.
Durch die Anpassung des statischen Prozessgasdrucks im Reaktorsystem 1 kann Einfluss auf die Eigenschaften des akustischen Resonators 38 genommen werden. Strömungswiderstände, akustische Phänomene und Änderungen der stofflichen Eigenschaften des Prozessgases sowie des darin aufgegebenen Ausgangsstoffes können die Resonanzschwingung dämpfen. Der Energieaufwand zur Resonanzschwingungserzeugung wird dementsprechend erhöht und/oder die Regelbarkeit der Resonanzschwingung beeinflusst. Insbesondere kann das Reaktorsystem 1 so an die die Resonanzdruckamplitude der Resonanzschwingung dämpfende Faktoren angepasst werden.
Ein höherer statischer Prozessgasdruck verändert die akustischen Eigenschaften des Resonators 38 bspw. dahingehend, dass sich dessen Resonanzeigenfrequenzen verschieben. Aus diesem Grund ist eine Anregung des Reaktorsystems 1 nur durch die Aufprägung anderer Pulsationsfrequenzen auf das Prozessgas möglich.
Zusätzlich kann das Reaktorsystem 1 eine Prozessgaskühlstrecke 40, insbesondere eine Quenchvorrichtung 41, umfassen, die verwendet wird, um die im Reaktorsystem 1 ablaufende Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt zu stoppen und/oder den Prozessgasstrom einer maximal zulässigen Temperatur einer nachfolgenden Abscheideeinrichtung 37, insbesondere einem Filter anzupassen. Die Prozessgaskühlstrecke 40, vorzugsweise die Quenchvorrichtung 41, ist hier in der Abführungseinheit 4 stromauf der als Filter ausgebildeten Abscheideeinrichtung 37 angeordnet.
Zum Stoppen der Reaktion und/oder zum Begrenzen der Temperatur des Prozessgasstromes auf eine maximal zulässige Temperatur einer nachfolgenden Abscheideeinrichtung 37 wird dem durch das Reaktorsystem 1 pulsierend strömenden, heißen Prozessgasstrom über die Prozessgaskühlstrecke 40 ein Kühlgas zugemischt, bevorzugt Luft, besonders bevorzugt Kalt- oder Druckluft. Die über die Prozessgaskühlstrecke 40 zugemischte Luft kann gegebenenfalls je nach Anforderung vorab gefiltert oder konditioniert werden. Darüber hinaus ist es möglich alternativ zur Luft-/ Gas- Zumischung eine Eindüsung einer verdampfenden Flüssigkeit, z.B. von Lösungsmitteln oder verflüssigten Gasen, vorzugsweise jedoch von Wasser vorzunehmen.
Die im Reaktorsystem 1 angeordnete als Quenchvorrichtung 41 ausgebildete Prozessgaskühlstrecke 40 kann Einbauten aufweisen oder wird ohne Einbauten im Reaktorsystem 1 verbaut. Andere Gase, wie z. B. Stickstoff (N₂), Argon (Ar), andere Inert- oder Edelgase oder dergleichen sind ebenso als Kühlgas einsetzbar.
Darüber hinaus weist die Abführungseinrichtung 4 zumindest eine der Vielzahl der Reaktoren 34 der Reaktoreinheit 5 entsprechende Vielzahl an Abführungsleitungen 23 auf, wobei jede Abführungsleitung 23 eine Druckverlust-Erzeugungseinrichtung 22 aufweist.
Die Abführungsleitungen 23 werden zusammengeführt und die Partikel P werden über die Abscheidevorrichtung 37 aus dem Prozessgasstrom, vorzugsweise aus dem heißen Prozessgasstrom, abgetrennt.
In der 5 wird eine Schnittdarstellung eines konzentrisch zueinander angeordnete Brenner 8 aufweisenden zweiten Mehrfachbrennersystems 9 für ein Reaktorsystem 1 gezeigt. Die konzentrisch angeordneten Brenner 8 sind von außen nach innen als Ringbrenner 11, als als Hauptbrenner 13 ausgebildeter Drallbrenner 14, als Pilotbrenner 12 und als als Hauptbrenner 13 ausgebildeter Diffusionsbrenner 32 ausgebildet. Drallbrenner 14 und Diffusionsbrenner 32 sind alternativ oder zusammen einsatz- und betreibbar.
Der als Drallbrenner ausgebildete Pilotbrenner 12 bewirkt, wie bereits in 2 beschrieben, eine sichere und brennernahe Zündung der mager-vorgemischten Hauptflamme des Drallbrenners 14 oder aber des Diffusionsbrenners 32. Das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG tritt verdrallt als Pilotbrenner-Prozessgas PPG in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 ein. Der thermische Leistungsbereich des Pilotbrenners 12 liegt bevorzugt zwischen 20 kW und 50 kW, der dazugehörige Luftzahl-Regelbereich liegt bevorzugt zwischen 1,05 und 1,25. Die Drallerzeugung des Pilotbrenners 12 wird durch einen Axialschaufel-Drallerzeuger 26 mit fester, von einer von einem Schaufelneigungswinkel abhängigen Drallstärke, umgesetzt.
Der als Hauptbrenner 13 ausgebildete Drallbrenner 14 hat zwei unterschiedliche Funktionen. Zum einen liefert die Hauptflamme des Drallbrenners 14 die für die thermische Materialbehandlung erforderliche Wärmeleistung, bspw. eine Trocknung, eine Kalzinierung und/oder eine Phasenumwandlung. Die einstellbare Herstellungs- und/oder Behandlungstemperatur der Ausgangsstoffe liegt hierbei zwischen 100 °C bis 3.000 °C, bevorzugt auf 240 °C bis 2200 °C, besonders bevorzugt auf 240 °C bis 1800 °C, ganz besonders bevorzugt auf 650 °C bis 1800 °C, am meisten bevorzugt auf 700 °C bis 1500 °C aus der mager-vorgemischten Verbrennung. Zum anderen wandelt die Hauptflamme des Drallbrenners 14 einen Anteil der thermischen Energie aus dem Verbrennungsprozess in mechanische Energie zur Erzeugung und Erhaltung einer periodisch-oszillierenden Prozessgasströmung um, in welcher die Materialbehandlung stattfindet. Der Leistungsbereich des als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Drallbrenners 14 liegt bevorzugt bei 75 kW bis 450 kW. Die Luftzahl der Vormischung der Hauptflamme des Drallbrenners 14 variiert insbesondere zwischen 1,3 und 1,8. Die Drallerzeugung des Drallbrenners 14 wird durch stufenlos einstellbare, nicht illustrierte Tangential-Lufteinlässe mit einem Winkel-Verstellbereich von bevorzugt 0° bis 45° realisiert.
Der Brennstoff BS strömt über Brennstoff-Austrittsöffnungen 29 in den mit Verbrennungsgas VG durchströmten VG-Drallbrennerkanal 30 und wird durch vorgemischt. Das vorgemischte Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch tritt über eine Drallbrenner-Austrittsöffnung 31 in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 ein.
Alternativ zum als Hauptbrenner 13 ausgeführten Drallbrenner 14 besteht die Möglichkeit den Hauptenergieeintrag zur thermischen Materialbehandlung von bevorzugt bis zu 450 kW über einen Diffusionsbrenner 32 bereitzustellen. Wird der Diffusionsbrenner 32 als Hauptbrenner eingesetzt, ist der Drallbrenner 14 bevorzugterweise nicht in Verwendung.
Der als Hauptbrenner 13 ausgebildete Diffusionsbrenner 32 hat die gleichen Funktionen wie der zuvor beschriebene Drallbrenner 14. Zum einen liefert die Hauptflamme des Diffusionsbrenners 32 die für die thermische Materialbehandlung erforderliche Wärmeleistung, bspw. eine Trocknung, eine Kalzinierung und/oder eine Phasenumwandlung. Die einstellbare Herstellungs- und/oder Behandlungstemperatur der Ausgangsstoffe liegt hierbei zwischen 100 °C bis 3.000 °C, bevorzugt auf 240 °C bis 2200 °C, besonders bevorzugt auf 240 °C bis 1800 °C, ganz besonders bevorzugt auf 650 °C bis 1800 °C, am meisten bevorzugt auf 700 °C bis 1500 °C aus der mager-vorgemischten Verbrennung. Zum anderen wandelt die Hauptflamme des Diffusionsbrenners 32 einen Anteil der thermischen Energie aus dem Verbrennungsprozess in mechanische Energie zur Erzeugung und Erhaltung einer periodisch-oszillierenden Prozessgasströmung um, in welcher die Materialbehandlung stattfindet. Der Leistungsbereich des als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Diffusionsbrenners 14 liegt bevorzugt bei 75 kW bis 450 kW. Der Brennstoff BS strömt über einen Brennstoff-Kanal 43 und über Brennstoff-Austrittsöffnungen 44 in die Brennkammer 6 ein während das Verbrennungsgas VG durch den VG-Drallbrennerkanal 30 in die Brennkammer 6 einströmt. Brennstoff BS und Verbrennungsgas VG, insbesondere Verbrennungsluft, vermischen sich in der Brennkammer 6 und zünden dort.
Der Ringbrenner 11 dient der Anpassung der thermischen Gesamtleistung sowie der Herstellungs- und/oder Behandlungstemperaturen an den jeweiligen Prozess. Der Ringbrenner 11 ermöglicht eine teilweise Entkopplung von der mittleren Hauptbrennerleistung und der Brennereinstellung für einen pulsierenden, schwingenden Hauptbrennerbetrieb. Der Leistungsbereich des Ringbrenners reicht bevorzugt von 0 kW bei reiner Luftströmung bis ca. 50 kW bei reiner Luftzahl von 1,5. Das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch BVG tritt als Ringbrenner-Prozessgas RPG über Ringbrenner-Austrittsöffnungen 33 in die Brennkammer 6 der Reaktoreinheit 5 ein.
6 zeigt eine Draufsicht auf das in 5 dargestellte und näher erläuterte erste Mehrfachbrennersystem 9 mit von außen nach innen angeordneten Ringbrenner 11, Drallbrenner 14, Pilotbrenner 12 und Diffusionsbrenner 32.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines bevorzugten Reaktorsystems 1 zur Herstellung und/oder Behandlung von Partikeln in einem schwingenden Prozessgasstrom.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform entspricht dem in 1 beschriebenen Reaktorsystem 1, wobei der Drallbrenner 14 durch einen als Hauptbrenner 13 ausgebildeten Diffusionsbrenner 32 ausgetauscht worden ist, der nunmehr den schwingenden bzw. pulsierenden Prozessgasstrom erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015005224 A1 [0005]
DE 102015006238 A1 [0006]
DE 102016002566 A1 [0007]
DE 102018211650 A1 [0008]

Claims

Reaktorsystem (1) zur Herstellung und/oder Behandlung von Partikeln (P) in einem schwingenden Prozessgasstrom, mit einer eine vorgeschaltete Zuführungseinheit (3) und eine nachgeschaltete Abführungseinheit (4) aufweisenden Reaktoreinheit (5), wobei die Reaktoreinheit (5) über einen eine Brennkammer (6), ein stromab an die Brennkammer (6) anschließendes Abgasrohr (7) und ein eine Vielzahl an Brennern (8) aufweisendes Mehrfachbrennersystem (9) umfassenden Reaktor verfügt, wobei ein Teil der Brenner (8) des Mehrfachbrennersystems (9) zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeignet sind, und wobei die Brenner (8) des Mehrfachbrennersystems (9) in der Brennkammer (6) der Reaktoreinheit (5) angeordnet sind, und wobei die Zuführungseinheit (3) ein Kanalstränge (17) aufweisendes Kanalsystem (18) aufweist, und wobei jeder Brenner (8) einen als Zuführungsleitung (19) ausgebildeten Kanalstrang (17) für das Brennstoff-Verbrennungsgas-Gemisch (BVG) und/oder jeweils einen als Zuführungsleitung (19) ausgebildeten Kanalstrang (17) für Brennstoff (BS) und einen als Zuführungsleitung (19) ausgebildeten Kanalstrang (17) für Verbrennungsgas (VG), insbesondere Verbrennungsluft, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für den Teil der zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeigneten Brenner (8) des Mehrfachbrennersystems (9) jeder als Zuführungsleitung (19) ausgebildete Kanalstrang (17) eine Volumenstromregelungseinrichtung (20) aufweist.
Reaktorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Brennern (8) insbesondere aus der Gruppe von Zündbrenner (10), Pilotbrenner (12), Ringbrenner (11), Diffusionsbrenner (32) und Drallbrenner (14) auswählbar ist.
Reaktorsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der zur Erzeugung des schwingenden Prozessgasstroms geeigneten Brenner (8) des Mehrfachbrennersystems (9) insbesondere als ein Diffusionsbrenner (32) oder als ein Drallbrenner (14) ausgebildet ist.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (8) des Mehrfachbrennersystems (9) geeignet sind flüssigen, festen und gasförmigen Brennstoff (BS) zu verbrennen.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (8) des Mehrfachbrennersystems (9) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstromregelungseinrichtung (20) als Gleitschieberventil, Regelventil, Regelhahn oder regelbare Irisblende ausgebildet ist.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstromregelungseinrichtung (20) eine Regelgenauigkeit von kleiner gleich 3 %, bevorzugt von kleiner gleich 2 %, besonders bevorzugt von kleiner gleich 1 % und am meisten bevorzugt von kleiner gleich 0,5 % aufweist.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinheit (3) und die Abführungseinheit (4) eine Druckregeleinrichtung (39) aufweisen, sodass der statische Druck im Reaktorsystem (1) regelbar ist.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoreinheit (5) über mehrere ein Mehrfachbrennersystem (9) aufweisende Reaktoren (34) verfügt.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinheit (3) und die Abführungseinheit (4) jeweils eine einen Druckverlust erzeugende Druckverlust-Erzeugungseinrichtung (22) umfassen.
Reaktorsystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverlust-Erzeugungseinrichtungen (22) so ausgebildet sind, dass wahlweise ein im Reaktorsystem (1) erzeugbarer Resonanzzustand einstellbar ist.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Brennkammer (6) der Reaktoreinheit (5) eine Teilereinrichtung (36) angeordnet ist, wobei die Teilereinrichtung (36) einen als Zuführungsleitung (19) ausgebildeten Kanalstrang (17) aufteilt, sodass durch die Zuführungsleitung (19) mehrere Brenner (8) versorgbar sind.
Reaktorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinheit (3) eine Pulsationseinrichtung (42) aufweist.
Reaktorsystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationseinrichtung (42) in einem als Zuführungsleitung (19) ausgebildeten Kanalstrang (17) für den als Hauptbrenner (13) ausgebildeten Diffusionsbrenner (32) oder Drallbrenner (14) angeordnet ist.