DE1033835B - Verfahren zur Erzeugung von brennbaren Gasen aus fluessigen Brennstoffen, wie OEl, oder aus staubfoermigen festen Brennstoffen und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zur Erzeugung von brennbaren Gasen aus flüssigen Brennstoffen, wie Öl, o -er aus staubförmigen festen Brennstoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Wenn man bei der Erzeugung von brennbaren Gasen aus flüssigen Brennstoffen, wie C51, oder aus staubförmigen Brennstoffen mit verhältnismäßig kleinen Reaktionsräumen auskommen und eine Ruß-bzw. Teerbildung hierbei vermeiden will, muß angestrebt werden, daß der Brennstoff möglichst gleichmäßig zerstäubt, mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, wie Luft, möglichst gleichmäßig gemischt und ohne örtliche Überhitzungen, die zu Zersetzungsreaktionen führen, auf eineTemperatur gebracht wird, bei welcher Verdampfung und Spaltreaktionen vor sich gehen.
• Diese Erfordernisse sind bei den bekannten Vergasern und Brennern nicht erfüllt. Die Verdampfung und Spaltung des Brennstoffes erfolgen bei diesen hauptsächlich erst nach Zündung des Gemisches in der heißen Flamme, wodurch der Reaktionsablauf nicht in der gewünschten Reihenfolge vor sich geht, Ruß- und Teerabscheidungen auftreten und der Brennstoff nur mangelhaft ausgenutzt wird.
• Es wurde schon vorgeschlagen, feste und flüssige Brennstoffe mittels mehrstufiger Verfahren unter Verwendung von Strahlapparaten in brennbare Gase umzuwandeln, wobei erhitzte Gase oder Dämpfe, mit Brennstoffen gemischt, durch einen Strahlapparat gefördert oder Brennstoff in die Verdichtungszone eines Strahlapparates eingespritzt wurde. Auch nach diesen Vorschlägen konnte keine befriedigende Ausnutzung des Brennstoffes erzielt werden, da infolge ungleichmäßiger Verteilung und örtlicher Überhitzungen ebenfalls Koks- und Teerausscheidungen auftraten.
• Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schwierigkeiten zu vermeiden und unter Ausnutzung der bei Entspannungen bzw. Verdichtungen von Gasen und Dämpfen auftretenden, mit großen Temperaturveränderungen verbundenen Energieumwandlungen, von Wärme in Geschwindigkeitsenergie und umgekehrt, ein Verfahren zu schaffen, das eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes und eine verbesserte Gasqualität gewährleistet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß erhitzte und gegebenenfalls komprimierte Gase oder Dämpfe vor ihrer Mischung mit den Brennstoffen _n einer Entspannungszone entspannt, die bei der Entspannung abgekühlten Gase oder Dämpfe hierauf in einer Mischungszone mit den Brennstoffen gemischt werden und das Gemisch sodann verdichtet wird, bis die erzielte Verdichtungstemperatur zu Spalt- und Vergasungsprozessen ausreicht. Man wendet bei der Entspannung ein genügend großes Entspannungsverhältnis an, damit die Temperatur der sich bei der Entspannung abkühlenden Gase auf einen Wert absinkt, bei dem die Mischung mit den Brennstoffen ohne Zersetzung derselben möglich ist. In dieser Entspannungsphase wird die thermische Energie der Gase bzw. Dämpfe weitgehend in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt. Diese Maßnahme ermöglicht eine viel gleichmäßigere und schonendere Mischung mit den Brennstoffen, als es nach den bekannten früheren Vorschlägen der Fall war, denn infolge der großen Geschwindigkeit der sich entspannenden Gase bzw. Dämpfe wird der Brennstoff, z. B. das Öl, feinst zerstäubt und über den ganzen Strömungsquerschnitt sehr gleichmäßig, nahezu molekular, verteilt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein- oder mehrstufig durchgeführt werden, wobei jede Stufe mindestens eine Entspannungs- und Mischzone umfaßt.
• Geeignete Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens enthalten einen als Injektordüse (Treibdüse) ausgebildeten Entspannungsraum, ein Mischrohr und einen Diffusor. Der Diffusor kann für sehr große Verdichtungsverhältnisse gebaut sein, so daß sich am Diffusoreintritt ein großer Unterdruck einstellt, wenn der Diffusoraustritt in einen Raum ohne oder nur mit geringem Überdruck gegenüber der äußeren Atmosphäre mündet. Der Vorrichtung werden die Gase und Dämpfe vorzugsweise mit hohem Druck und hoher Temperatur zugeführt; sie entspannen sich in der Treibdüse unter gleichzeitiger Geschwindigkeitszunahme und Temperaturabnahme. Wird den Gasen und Dämpfen in diesem Zustande der Brennstoff, z. B. das Öl, zugemischt, so erfolgt im anschließenden Mischrohr infolge der großen Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen dem Gas- oder Dampfstrahl und dem Öl eine sehr wirksame Zerstäubung des letzteren. Bei entsprechender Auslegung der Apparatur sinkt die Temperatur der Gase bzw. Dämpfe in der Treibdüse so weit; daß die Zerstäubung des Brennstoffes ohne bzw. ohne wesentliche Verdampfung eintritt. Die- Verdampfung und Spaltung bzw. Krakkung erfolgt hauptsächlich erst im anschließenden Diffusor, wo eine sehr stante Verdichtung und Te°nperaturerhöhung des Gemisches auf Verdampfungs-(Spaltungs-) Temperatur stattfindet und das feinzerstäubte Öl, das eine große spezifische Oberfläche hat, rasch erwärmt und verdampft bzw. gespalten wird. Wenn die Zerstäubung im Mischrohr nicht vollständig abgeschlossen sein sollte, wird sie sich im Diffusor fortsetzen, da dort, soweit noch größere Ölteilchen vorhanden sind, die Geschwindigkeit derselben nur langsamer -abnimmt als die des übrigen Gemisches, so daß in diesem Falle auch im Diffusor größere Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen Gasstrom und Ölteilchen bestehen und ein weiteres Aufreiben der letzteren stattfindet. Man kann die Vorrichtung so ausbilden, daß die Zündung des brennstoffhältigen Gemisches entweder allein infolge der durch die Verdichtung eintretenden Temperaturerhöhung erfolgt, ähnlich wie beim Dieselmotor, oder, falls die Verdichtungstemperatur noch zu niedrig ist, durch katalytische Einwirkung von im Diffusor selbst oder in einem diesem nachgeschalteten Raum eingebauten Gittersteinen oder durch elektrische Vorrichtungen.
• In der Zeichnung sind das Verfahren und eine geeigneteVorrichtung zu seiner Durchführung beispielsweise erläutert: Bei dieser Ausführungsart erfolgt die Zerstäubung durch Wasserdampf, der in einen zweistufigen Injektor mit beispielsweise 40 ata und 600° C eintritt und sich in der Injektortreibdüse 1 der ersten Stufe auf 0,25 ata - 66° C - entspannt und das auf etwa 120° C vorgewärmte Öl durch die Leitung 2 ansaugt. Dieses wird dann im Mischrohr 3 des Injektors unter inniger Vermischung mit dem Treibdampf feinst zerstäubt, wobei die Dampfgeschwindigkeit etwa 1400 m/Sek. beträgt. Bei entsprechender Dimensionierung des Mischrohres wird der Druck am Ende desselben beispielsweise 0,65 ata und die Gemischtemperatur etwa 140° C betragen. Die Geschwindigkeit des Gemisches wird dann etwa 700 m/Sek. sein. Die beschriebenen Teile-Treibdüse für den Dampf, Ansaugstutzen für das Öl und das Mischrohr für das Dampf-Öl-Gemisch - bilden zusammen die Teile zur Durchführung der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Mischrohr dieser ersten Stufe ist konzentrisch bzw. gleichachsig in die Treibdüse 4 der zweiten Stufe eingebaut. In der Treibdüse der zweit°n Stufe wird nun die aus dem Stutzen 5 zugeführte Luft von 6 ata und 600° C auf etwa 0,65 ata - 235 ° C-entspannt und tritt aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 in/Sek. Beide Strahlen vermischen sich nun im darauffolgenden Mischrohr 6 der zweiten Stufe. In diesem und insbesondere im darauffolgenden Diffusor 7 wird das Gemisch auf Atmosphärendruck oder etwas darüber verdichtet. Dabei steigt die Gemischtemperatur an, und- es tritt eine Erwärmung bis zur Verdampfungs- bzw. Spaltungstemperatur ein. Schließlich kann das Gemisch entweder allein infolge der hohen Verdichtungstemperatur oder unter Mitwirkung von Katalysatoren, elektrischer Zündvorrichtungen oder aber durch Rückzündung der vor der Vergaser- bzw. Brennermündung befindlichen Flamme entzündet werden.
• Wenn im beschriebenen Beispiel auf 1 kg Öl (120° C, i = 60 kcal/kg) 1 kg Zerstäubungsdampf (40 ata, 600° C, i = 876 kcal/kg) und 1,5 Nms/h = 1,93 kg/h Luft (600° C, 6 ata, i = 195 hcal/Nmy) entfallen, so wird bei guter Isolierung der Vorrichtung und bei mäßigen Austrittsgeschwindigkeiten aus dem Diffusor der Wärmeinhalt des Gemisches am Diffusoraustritt 60 -I- 876 -I- 195 - 1,5 = 1128,5 kcal/ 3,93 kg = 288 kcal/kg betragen. Wenn man die Verdampfungswärme des Öles (Ausgangstemperatur 120° C) mit etwa 250 kcal/kg annimmt, errechnet sich die Mischtemperatur zu etwa 350° C. Diese Temperatur wird sich am Diffusoraustritt einstellen, falls nicht schon etwas früher eine Entzündung infolge dieser Temperatur allein oder aber durch andere Mittel eintritt. Am Diffusoraustritt wird aber die Mischung aus Luft, Öl und Dampf so innig sein, daß sich neben jedem Ölmolekül auch der zur Vergasung bzw. zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff befindet. Die Verwendung von Dampf hat den Vorteil, daß die Verbrennungstemperatur nicht zu hoch ansteigt, wein man die für die Vergasung erforderliche Luft bzw. den erforderlichen Sauerstoff der Apparatur mit sehr hoher Temperatur zuführt.
• Man kann auch mit komprimierter Heißluft allein ohne- Dampf oder mit einem Dampf-Luft- bzw. -Sauerstoff-Gemisch die Vergasung in ähnlicher Weise, wie im Beispiel beschrieben, durchführen.
• Die Bildung eines großen Unterdruckes kann auch ganz oder zum Teil durch maschinelle Verdichter bewirkt werden, die gegen Atmosphärendruck oder einen etwas höheren Druck fördern. Dies ist aber nur möglich, solange die Verdichtungstemperaturen in Grenzen bleiben, die für maschinelle Verdichter zulässig sind. In vielen Fällen erscheint es zweckmäßig, der Vorrichtung einen Reaktionsraum nachzuschalten, in dem sich gegebenenfalls zur Schaffung großer Oberflächen Gittersteine befinden, an denen gegebenenfalls unter katalytischer Mitwirkung von Einbaukörpern eine weitere Spaltung bzw. Vergasung und Beruhigung des Gemisches erfolgt. Man kann die Vorrichtung auch so ausbilden, daß in der beschriebenen injektorartigen Apparatur nur eine teilweise Verdampfung erfolgt und in dem nachgeschalteten Reaktionsraum, gegebenenfalls unter Mitwirkung von Katalysatoren oder auch unter Zufuhr von zusätzlicher Wärmeenergie, z. B. Flammengasen von im Reaktionsraum verbrannten Brennstoffen, oder aber durch elektrische Heizeinrichtungen die weitere Spaltung bzw. Vergasung stattfindet. In diesem Falle brauchen die dem injektorartigen Mischapparat zugeführten Gase oder Dämpfe nicht so hoch erwärmt zu werden wie ohne diese zusätzliche Wärmezufuhr.
• Die große überlegenheit . des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden V orrichtung(m gegenüber allen anderen bekannten Vergasern oder Brennern ergibt sich daraus, daß die zu vergasenden bzw: zu verbrennenden Brennstoffteilchen noch vor Eintritt der Verdampfung oder Verbrennung bereits innig mit Luft bzw. Sauerstoff vermischt sind, so daß die darauffolgenden plötzlichen Temperatursteigerungen nicht mehr schaden können, da die innige Mischung nicht mehr aufgehoben werden kann. Selbst wenn bei Erreichung höherer Temperaturen Krackung und Ausscheidung von reinem Kohlenstoff eintritt, wird auch dieser gut vergast, da die Mischung mit dem erforderlichen Sauerstoff eine so innige ist, daß der notwendige Sauerstoff auf jeden Fall in kürzester Zeit mit den Kohlenstoffteilchen reagieren kann. Auch bei Luftmangel wird der Kohlenstoff weitgehend zu C O verbrannt und setzt sich nicht als Ruß oder Koks ab. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können flüssige Brennstoffe und Brennstäube mit sehr hohem Wirkungsgrad in wesentlich einfacherer Weise und auf wirtschaftlichere Art vergast bzw. verbrannt werden, als dies mit bekannten Verfahren und Einrichtungen möglich war.

Claims (15)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Erzeugung von brennbaren Gasen aus flüssigen Brennstoffen, wie Öl, oder atxs staubförmigen festen Brennstoffen, wobei diese mit Gasen bzw. Dämpfen gemischt und unter Hitze- und Druckeinwirkung verdampft bzw. gespalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß erhitzte und gegebenenfalls komprimierte Gase odc#.r Dämpfe vor ihrer Mischung mit den Brennstoffen in einer Entspannungszone entspannt, die bei der Entspannung abgekühlten Gase oder Dämpfe hierauf in einer Mischungszone mit den Brennstoffen gemischt werden und das Gemisch sodann verdichtet wird, bis die erzielte Verdichtungstemperatur zu Spalt- und Vergasungsprozessen ausreicht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase oder Dämpfe in der Entspannungszone auf einen Druck unter Atm;->-sphärendruck entspannt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erhitzte Gase oder Dämpfe Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf bzw. Mischungen davon verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Gase oder Dämpfe und die Mischung in zwei oder mehreren Stufen durchgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe ein an Sauerstoff ärmeres Gas oder Dampf als in den folgenden Stufen, vorzugsweise in der ersten Stufe Wasserdampf oder Gichtgas, . und in der zweiten Stufe Luft verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Brennstoff-Gas-Gemisches durch mechanische Hilfsmittel unterstützt wird oder allein durch solche erfolgt.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Gemisch durch eine Reaktionszone geführt wird, in welcher, gegebenenfalls unter Wärmezufuhr, weitere Vergasungsprozesse bzw. eine Beruhigung des Reaktionsgemisches erfolgen. B.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe mit einem Gas oder Dampf vorgemischt in die Mischungszone eingeführt werden.
9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen als Injektordüse (Treibdüse) ausgebildeten Entspannungsraum, durch einen als Mischrohr ausgebildeten Mischungsraum, durch einen zweckmäßig als Diffusor ausgebildeten Verdichtungsraum und gegebenenfalls durch eine nachgeschaltete Reaktionskammer.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere mindestens einen Entspannungsraum mit einer Gaszuführungsleitung und einen Mischungsraum enthaltende Einheiten, parallel oder hintereinander geschaltet, miteinander verbunden sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr der ersten Einheit (Stufe) konzentrisch in oder neben der Treibdüse der folgenden Einheit (Stufe) angeordnet ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer Körper mit oberflächenvergrößernder und gegebenenfalls katalytischer Wirkung eingebaut sind.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer Einrichtungen zur weiteren Wärmezufuhr, wie elektrische Heizeinrichtungen, vorgesehen sind.
14. 14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Hilfseinrichtungen zur Mischung des Brennstoffes mit dem Gas oder Dampf vor oder hinter den Brennstoffzuführungsleitungen vorgesehen sind.
15. 15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfseinrichtungen zur Zündung des verdichteten Brennstoff-Gas-Gemisches im Verdichtungsraum, insbesondere im Diffusor, oder in der Reaktionskammer vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldungen M 11589 IVc/231> (bekanntgemacht am 18. 2. 1954), M 11611 IV c/23 b (bekanntgemacht am 18. 2. 1954), M 11612 IV c/23 b (bekanntgemacht am 18.2.1954).