DE10244676B4

DE10244676B4 - Vorrichtung für Altfett- und Altöl-Verwertung

Info

Publication number: DE10244676B4
Application number: DE10244676A
Authority: DE
Inventors: Detlef Wüsthoff
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: WO2004029513A3; AU2003291979A8; AU2003291979A1; WO2004029513A2; DE10244676A1

Abstract

Arbeitsmaschine mit externer Verbrennung enthaltend eine Brenneranordnung (20, 24), in der ein Kalte-Flamme-Reaktor (20) vor dem Brenner (24) vorgesehen ist, zur Erzeugung eines Heißgases (26), einen von dem Heißgas beaufschlagten Wärmeübertrager (28) zur Erwärmung eines Arbeitsmittels und eine Expansionsmaschine (30) zur Expansion des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit externer Verbrennung und bezieht sich auf die Erzeugung von Wärme aus pflanzlichen Fetten oder pflanzlichen Ölen durch Verbrennung und deren Nutzung. In einem Brenner sind planzliche Fette oder Öle in einer exothermen Reaktion verbrennbar.

Pflanzliche Fette und Öle fallen vor allem in der Gastronomie bei der Speisezubereitung in großen Mengen an. Dabei gibt es unterschiedliche Fette und Öle. Eine erste Gruppe umfasst die Fette und Öle, die zum Beispiel in Friteusen anfallen und als solche direkt gesammelt werden. Eine weitere Gruppe umfasst die Fette die zum Beispiel vom Geschirr aus in das Abwasser gelangen. Sie werden mittels eines Fettabscheiders aus dem Abwasser abgeschieden. Das aus dem Fettabscheider abgeschiedene Fett hat immer noch einen hohen Wasseranteil. Alle Fette und Öle werden gesammelt und entsorgt. Hierzu werden je nach Beschaffenheit unterschiedliche Entsorgungsmöglichkeiten angeboten. Es sind aber auch Verwertungsmöglichkeiten bekannt.

Aus der DE 199 04 194 A1 ist es bekannt, konventionelle Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge mit einem Emulgator/Wasser/Pflanzenöl-Gemisch zu betreiben. Aus der DE 196 35 220 A1 und DE 44 33 500 C2 ist ein Dieselmotor bekannt, welchem mit Kühlwasser erhitztes Pflanzenfett zugeführt wird. Diese Anordnungen haben den Nachteil, dass sehr sauberes und homogenes Pflanzenöl bzw. erhitztes Pflanzenfett verwendet werden muss und die Lebensdauer der Brennkraftmaschine stark begrenzt ist. Insbesondere die stark wasserhaltigen Fette aus einem Fettabscheider lassen sich so nicht ohne erhebliche Schwierigkeiten verbrennen.

Es ist weiterhin bekannt, durch chemische Verestherung von Pflanzenölen Biodiesel (RME Rapsmethylesther) oder durch Biogasanlagen Biogas (Methan, evtl. CO₂) herzustellen, mit welchem Brennkraftmaschinen betrieben werden können. Die Pflanzenöle müssen also zunächst aufbereitet werden, bevor sie genutzt werden können. Ein weiteres Problem ist es, dass frei aufgestellte Sammeltonnen einen besonders hohen Anteil an mineralischem Altöl haben, was die Nutzung des Pflanzenöls erschwert.

Aus der DE 37 20 931 A1 ist ein Verbrennungsverfahren für Altöl bekannt, bei dem Altöl erwärmt und unter Druck in einen Verbrennungsraum gespritzt wird. Dort erfolgt die Verbrennung bei einer Temperatur oberhalb von 1000 °C. Auf diese Weise können auch Partikel mitverbrannt werden. Die Verbrennungsenergie wird einem Heizkreislauf zugeführt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Arbeitsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in der Lage ist, Altfette und Altöle unabhängig von ihrer Qualität ohne weitere chemische oder biologische Aufbereitung und ohne überhöhte Schadstoffemissionen zu verbrennen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Arbeitsmaschine der eingangs genannten Art gelöst, enthaltend eine Brenneranordnung, in der ein Kalte-Flamme-Reaktor vor dem Brenner vorgesehen ist, zur Erzeugung eines Heißgases, einen von dem Heißgas beaufschlagten Wärmeüberträger zur Erwärmung eines Arbeitsmittels und eine Expansionsmaschine zur Expansion des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung. Die kalte Flamme führt zu einer Teiloxidation des Fettes oder Öls in einem z. B. unterstöchiometrischen Verbrennungsprozess ohne Selbstzündung. Dabei heizt sich das Kalte-Flamme-Produkt auf und erlangt einen sehr hohen Grad an Homogenität, bevor es dem Brenner zugeführt wird. Dieses Kalte-Flamme-Produkt ist hochreaktiv. Die Zugabe kann dosiert werden und damit kann die Brennerleistung eingestellt werden. Außerdem ist der Schadstoffausstoß reduziert.

Der unter dem Begriff "Kalte Flamme" verstandene Prozess ist in der WO 00/06948 A1 ausführlich beschrieben. Insbesondere wird unter einem Kalte-Flamme-Reaktor ein Reaktor verstanden, der es ermöglicht, den Brennstoff, d. h. das Pflanzenfett oder Pflanzenöl bei einem Druck p ≥ 1 bar mit mindestens einem auf 520 K bis 880 K oder niedrigerem Druck mit einer Absenkung des Temperaturbereichs vorgewärmten Oxidator und einem molaren C/O-Verhältnis zwischen 1:0,14 bis 1:25 in einem Reaktionsraum so in Kontakt gebracht wird, dass exotherme Vorreaktionen in Form einer kalten Flamme initiiert werden, die auch bei homogener Mischung von Kraftstoff und Oxidator nur einen Teilumsatz des Kraftstoffs und des Oxidators bewirken. Weiterhin ermöglicht der Reaktor, dass durch Einstellen einer technisch relevanten Verweilzeit t_v des so hergestellten Gemischs in den Reaktionsraum, von t_v>25 ms bei p≤1 bar und Verweilzeiten, die bei Erhöhung des Druckes unter sonst gleichen Bedingungen kleiner werden, und einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Reaktionszone über einen Inertgasstrom mit einem Verhältnis des Wärmekapazitätsstroms des Oxidators zum Produkt aus Kraftstoffmassenstrom M_b und Heizwert H_u, das im adiabaten Reaktionsraum ist, und/oder über die Reaktorwand mit einer Wärmestromdichte von < 85 kW/m² eine kinetische Reaktionshemmung der Weiterreaktion des bei der kalten Flamme entstandenen, oxidierbaren Gemisches eintritt, wodurch eine Selbstzündung desselben insbesondere für eine voraussagbare Zeit verhindert wird.

Vorzugsweise ist der Kalte-Flamme-Reaktor zwischen Filtermitteln und dem Brenner angeordnet. Dann kann das Fett oder Öl ohne weitere Vorbehandlung direkt aus einem Sammelreservoir verwendet werden.

Das so in dem Reaktor vorbehandelte Pflanzenfett- oder Pflanzenöl-Luft-Gemisch kann regelbar in den Brenner eingelassen werden. Es ist bereits homogen auf einer erhöhten Temperatur und verbrennt daher sehr gleichmäßig. Erhöhte Schadstoffemissionen treten dadurch nicht auf und zusätzliche Vorbehandlungssprozesse müssen nicht durchgeführt werden. Insbesondere ist auch das abgeschiedene, stark wasserhaltige Fett aus Fettabscheidern und mit mineralischem Altöl verunreinigtes Pflanzenöl nach der mechanischen Filterung noch für diesen Verbrennungsprozess geeignet. Im Gegensatz zu Biodiesel kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Rapsöl oder dergleichen ohne vorherige Veresterung verbrannt werden.

Der Brenner ist vorzugsweise ein Porenbrenner, wie er in der WO 95/01532 A1 (Durst) beschrieben ist. Ein solcher Brenner besteht aus porösem Material, welches auf zwei Zonen unterschiedlicher Porosität verteilt ist. Darin lässt sich eine besonders gleichmäßige Verbrennung erzeugen, wodurch die Schadstoffemissionen quasi unabhängig vom verwendeten Brennstoff besonders niedrig gehalten werden.

Alternativ kann der Brenner ein anders gearteter Strahlungsbrenner sein, in welchem sich die Verbrennung ausbildet. Auch ein Strahlungsbrenner sorgt für eine gleichmäßige Verbrennung.

Vorzugsweise sind vor den Filtermitteln angeordnete Mittel zur Erwärmung der pflanzlichen Fette oder Öle vorgesehen. Dann können auch Fette verwendet werden, die bei Raumtemperatur aushärten, indem sie durch Erhitzen verflüssigt werden. Weiterhin kann die Viskosität von Fetten und Ölen zur Erhöhung der Pumpfähigkeit gesenkt werden.

An einer solchen Arbeitsmaschine kann ein Generator zur Stromerzeugung vorgesehen ist. Dann kann aus dem Altfett und Altöl nicht nur Wärme, sondern auch mechanische Arbeit, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge oder andere Maschinen und elektrischer Strom erzeugt werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Anordnung zur Nutzung von Altfett in einer Arbeitsmaschine
In 1 ist mit 10 ein Brennstoffreservoir bezeichnet. Das Brennstoffreservoir enthält pflanzliche Altöle und Altfette, die bereits grob gefiltert sind. Eine Heizung 12 heizt das Reservoir 10 auf eine entsprechende Temperatur auf (von wenigstens 50°C oder auch deutlich höheren Temperaturen, um Fette mit einem Schmelzpunkt oberhalb oder in der Nähe der Raumtemperatur zu verflüssigen. Durch die Heizung wird zusätzlich die Viskosität der Öle gesenkt, wodurch sich der Brennstoff leichter fördern lässt. Die bei Bedarf geheizten, flüssigen Öle oder Fette werden mittels einer Pumpe 14 zu einem Kalte-Flamme-Reaktor 20 gepumpt. Dabei wird eine weitere Filterung mittels Feinfiltern 16 und 18 durchgeführt. Wenn die Öle oder Fette bereits gefiltert sind und im Reservoir ohne Feststoffe vorliegen, so kann auf diesen Filterschritt verzichtet werden. Umgekehrt kann die Filterung intensiver werden, wenn ungefilterte Fette im Reservoir vorliegen.
Dem Kalte-Flamme-Reaktor wird weiterhin Luft 22 zugeführ. Es erfolgt der in der WO 00/06948 A1 ausführlich beschriebene Kalte-Flamme-Prozess, bei dem sich ein heißes, sehr homogenes Reaktionsprodukt ausbildet. Dieses Kalte-Flamme-Reaktionsprodukt wird einem Porenbrenner 24 zugeführt, in welchem es mit Luft in einer exothermen Reaktion unter Wärmebildung verbrennt. Dabei entsteht heißes Rauchgas 26, welches extrem schadstoffarm ist.
Das Rauchgas 26 beaufschlagt einen Wärmeübertrager 28. Der Wärmeübertrager 28 ist ein vom Arbeitsmittel Wasser durchflossenes Rohrbündel in dem die Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmittels erfolgt. Der Wasserdampf wird stark überhitzt und einer Expansionsmaschine 30 zugeführ, wo er unter Arbeitsleistung expandiert. Die Arbeit wird an eine Welle abgegeben, mit welcher ein Stromgenerator 32 angetrieben wird. Das expandierte Arbeitsmittel wird in einem Kondensator 34 kondensiert und einem Reservoir 36 zugeführt. Von dem Reservoir 36 kann es mittels einer Speisewasserpumpe 38 erneut zum Wärmeübertrager 28 gepumpt werden. Dabei wird in dem Kondensator 34 Kühlwasser verwendet, welches auch zur Heizung des Fettreservoirs 10 dient. Das Kühlwasser wird mittels einer Pumpe 40 in einem Kühlkreislauf gepumpt.
Der Vorteil dieses Prozesses ist es, dass der Brennstoff kontinuierlich extern und nicht in einer Verbrennungskraftmaschine verbrannt wird. Dadurch kann der Brenner immer auf seiner optimalen Temperatur gehalten werden, bei welcher Schadstoffe wie Stickoxide nur in geringem Maß und Kohlenmonoxid bzw. unverbrannte Kohlenwasserstoffe fast nicht entstehen. Durch die Vorbehandlung im Kalte-Flamme-Reaktor wird auch der Brenner unabhängig vom Ausgangsstoff, so dass auch stark wasserhaltige oder verunreinigte Brennstoffe ohne weitere chemische oder biologische Aufbereitung verwendet werden können.

Claims

Arbeitsmaschine mit externer Verbrennung enthaltend eine Brenneranordnung (20, 24), in der ein Kalte-Flamme-Reaktor (20) vor dem Brenner (24) vorgesehen ist, zur Erzeugung eines Heißgases (26), einen von dem Heißgas beaufschlagten Wärmeübertrager (28) zur Erwärmung eines Arbeitsmittels und eine Expansionsmaschine (30) zur Expansion des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Filtermittel (16; 18) zur Entfernung von Verunreinigungen in Form von Feststoffen, wobei der Kalte-Flamme-Reaktor zwischen den Filtermitteln (16, 18) und dem Brenner angeordnet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ein Porenbrenner (24) ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (24) ein Strahlungsbrenner ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vor den Filtermitteln (16, 18) angeordnete Mittel (12) zur Erwärmung der pflanzlichen Fette oder Öle.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Expansionsmaschine (30) ein Generator (32) zur Stromerzeugung vorgesehen ist.