DE2455103A1 - Verfahren sowie vorrichtung zum zerstaeuben eines brennbaren stoffes - Google Patents

Description

Verfahren sowie Vorrichtung zum Zerstäuben eines brennbaren Stoffes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung ,zum Zerstäuben eines brennbaren Stoffes, der bis zu einer Temperatur von 300⁰C als Gas, als Flüssigkeit, als körniger Feststoff oder als Flüssigkeit mit festen Bestandteilen vorliegt und der mindestens bei 300⁰C pumpbar oder ströxr.ungsf äK Lg ist.

Solche Stoffe, beispielsweise gasförmige oder flüssige Brennstoffe, verbrennen nur dann vollständig, wenn sie mit Sauerstoff enthaltendem Gas vermischt sind. Flüssigbrennstoffbrennei enthalten notwendigerweise einen Zerstäuber. Dieser Zerstäuber sitzt im allgemeinen im Brennerkopf, der am äußersten Enie des Brennerkörpers oder des Brennerrohres angebracht ist. Der Brenner ist ein Teil einer mehr oder weniger komplizierten Vorrichtung, die geeignete Einrichtungen zum Vermischen des zerstäubten Brennstoffes mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas und zum Erzeugen der gewünschten Flamme aufweist,.

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Bekannte Brenner wenden drei Zerstäubungsverfahren an, nämlich das Zerstäuben durch eine Hilfsflüssigkeit/ das mechanische Zerstäuben durch den Brennstoffdruck oder das Zerstäuben mittels einer Drehschale. Manche Brenner verwenden eine Kombination dieser drei Verfahren.

Das Zerstäuben mittels Hilfsgas nutzt die bei der Expansion von unter Druck stehender Luft oder Dampf freiwerdende Energie zum Dispergieren des Brennstoffes aus. Die Dispersion wird durch das Aufeinandertreffen eines FlüssJ.gbrennstoffstrahles und eines HilfsgaSi3trahl.es erzeugt. Die nach diesem Verfahren erhaltene Zerstäubung ist sehr grob, was vor allem für höher viskose Brennstoffe zutrifft. Darüber hinaus ist der Hilfsfluidverbrruch beträchtlich, im allgemeinen beträgt er mehr als 10 kg Dampf für 100 kg schweres Brennöl. Üblich ist ein Verbrauch von 15 bis 20 kg Dampf je 100 kg schweres Brennöl.

In einem Brenner mit unter Druck erfolgender mechanischer Zerstäubung wird der Brennstoff tangential in einen Hohlraum eingespritzt, wo er während der Bewegung gegen die Brenneröffnung eine schnelle Drehbewegung ausführt. Die Öffnung ist im Zentrum einer Kappe angeordnet, die den Hohlraum abdeckt und die Brennerdüse bildet. Am Ausgang der Brennerdüse hat der Flüssigkeitsstrahl die Form einer konischen Scheibe. Solche Zerstäuber erlauben nur eine Zufuhrschwankung zwischen -20 %.

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Verschiedene Verbesserungen, insbesondere der Schwerölrückbrenner und der Doppelzufuhrbrenner ermöglichen größere Flexibilität im Betriebszustand; trotz der Komplexheit dieser Brenner und ihrer Zufuhreinrichtungen weisen die extremsten Abgabeprodukte höchstens ein Verhältnis von 10:1 auf. Alle mechanischen Zerstäubungsbrenner bilden Tropfen, die um so größer sind, je viskoser der Brennstoff is!;. Die Größe der Tropfen nimmt auch mit der Abgabemenge zu. Die der Flamme und dem Ofen ausgesetzte Brennerdüse wird oft durch Rußbildung verstopfe.

Drehschalenbrenner finden weit weniger Verwendung, als die zuvor erwähnten Brenner. Die durch Druckluft oder einen Elektromotor angetriebene Schale zerstäubt den Brennstoff durch Zentr if ugenw.irkung.

Wenn die beim Verbrennen flüssiger Brennstoffe, beispielsweise schwerer Brennöle, auftretenden Schwierigkeiten auch vom technischen Standpunkt aus zufriedenstellende Lösungen erfahren haben, was vom wirtschaftlichen Standpunkt aus nicht in jeder Beziehung behauptet werden kann, so gilt dies nicht für die durch die Verbrennung von Nebenprodukten auftretenden Schwierigkeiten, nämlich daß die Nebenprodukte, die eine viel höhere Viskosität als die üblichen Brennöle haben, feste Bestandteile enthalten. Beispielsweise ist es mit keinem bekannten Brenner

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möglich, bestimmte Teere zu zerstäuben und sie gut brennen zu lassen. Entweder wird der Brenner zu schnell verstopft oder das Zerstaubungsprodukt ist viel zu grob.

Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu überwinden und das Verbrennen von Brennstoffen der verschiedensten Art zu ermöglichen, wobei nur eine geringe Menge Hilfsfluid benötigt wird und ein weites Anwendungsgebiet sowohl in Bezug auf die Brennstoffabgabe als auch auf seinen physikalischen Zustand vorliegt.

Bei bekannten Serstäubungsverfahren mit HiIf^ eines Hilfsgases wird die durch Expansion des Hilfsgases freiwerdende Energie vor allem ;'.ur Ausbildung eines Gasstromes verwendet, in dem diese Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Ferner wird durch das Aufeinandertreffen des Gasstrahls und des FlüssigbrennstoffStrahls ein Teil der kinetischen Energie der beiden Strahlen dazu benutzt, die Kohäsionskräfte der Flüssigkeit zu überwinden. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens ist gering, da das bloße Aufeinandertreffen der Strahlen es nur ermöglicht, einen kleinen Teil ihrer kinetischen Energie auszunutzen, um eine Dispersion der Flüssigkeit zu erzielen. In einem anderen bekannten Verfahren wird der anfängliche Strahl des Hilfsgases durch eine nur teilweise Expansion dieses Gases erzeugt und die durch das Aufeinandertreffen

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der beiden Strahlen gebildete Mischung unterliegt noch einer oder mehreren weiteren Expansionen, indem sie durch eine enge öffnung oder mehrere aufeinanderfolgende enge Öffnungen tritt, in denen eine "neuerliche Aufteilung der Flüssigkeitstropfen aufgrund von Scherwirkungen erfolgt. Der größere Teil der hierbei freigewordenen Energie wird in Wärme umgesetzt, so daß solcherart verbesserte Brenner weiterhin einen beträchtlichen Hilfsgasverbrauch haben. Darüber hinaus verstopfen hoch viskose Brenn°tcffe einen Brenner dieser Art sehr schnell.

Zur Lösung dar dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens ein Strom des brennbaren Stoffes und mindestens ein Strom eines Hilfsgases unter Druck durch eine längliche Zone geführt werden, in der eine Zerstäubung des brennbaren Stoffes durch Expandieren des Hilfsgases erreicht wird, während die Ströme veranlaßt werden, sich häufig in Teilströme aufzuspalten, sich wieder zu vereinen und vorzugsweise ihre Strömungsrichtung entlang der ganzen Zone zu verändern, und daß die Zufuhr des Hilfsgases und des brennbaren Gases zur Zerstäubungszone so eingestellt wird, daß in dem zerstäubten Produkt das Hilfsgas einen wesentlich größeren Volumenanteil einnimmt als der brennbare Stoff.

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Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, beispielsweise eine sehr feine Dispersion des flüssigen Brennstoffes zu erhalten. In dieser Form kann der Strom des brennbaren Stoffes sehr gut mit einem Sauerstoffstrom oder einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom vermischt werden. Die Bildung von unverbrannter Materie kann hierbei sehr stark reduziert oder sogar vermieden werden.

Es gibt keine kritische Grenze bei der Festlegung des kleinsten Wertes dieses Verhältnisses. Die zum Dispexgieren und Treiben einer bestiiiaaten Brennstoffmenge benötigte Energie wird durch die Expansion de". Hilfsgases innerhalb der Zerstäubungsvorrichtung zur Vorfügung gestellt; die Verwendung einer ^relativ kleinen Menge von Hilfsgas bei der Zufuhr ist in gleicher Weise niögl.ich, wenn das Hilfsgas unter hohem Druck in eine Zerstäubungsvorrichtung eingespritzt wird, wodurch es für den Fluidstrom einen höheren Widerstand darstellt, als es andererseits bei der Verwendung größerer eingespritzter Hilfsgasmengen bei geringerem Druck der Fall ist, die einen geringeren Widerstand für die Fluidströme bilden.

Für eine bestimmte Brennstoffmenge führt jedoch eine zu kleine Menge des zugeführten Hilfsgases selbst bei proportional steigendem Anfangsdruck entweder zur Ausbildung einer Emulsion ■ mit dem Gas als der dispergierten Phase, oder zu einer Misch-

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it.

emulsion; dies kann in jedem Fall zur Bildung einer Emulsion führen/ die sich nicht ausreichend mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas vermischt. Als allgemeine Regel gilt, daß die von dem erfindungsgemäßen Verfahren erwünschten Resultate unter Verwendung von Hilfsgas- und Brennstoffmengen erhalten werden können, die ein solches Verhältnis aufweisen, daß das an der Auslaßöffnung der Mischvorrichtung von dem Gas eingenommene Volumen mindestens 20 bis 30 mal größer als das Volumen der Flüssigkeit i«;t, vorausgesetzt, daß der Gasdruck an der Einlaßöffnunq uum Zerstäuber ausreicht.

Die Zufubrinenge des flüssigen Brennstoffes kann bezüglich der Menge der- Hilf,sgases unbegrenzt klein gemacht werden. Tatsächlich liegt einer der Vorteile des erfindungagemäßen Verfahrens "darin, daß die Brennstoffzufuhrmenge reduziert und etwa 0 angenähert werden kann, während der richtige Djruck auf konstantem Wert gehalten und da?nit die. Gas.zufuhr zur Zerstäubereinlaßöffnung aufrechterhalten werden kann. Das Zerstäuben sehr kleiner Brennstoffmengen erfolgt hervorragend, und im Falle der Verwendung von Druckluft als Hilfsgas ergibt sich eine äußerst zufriedenstellende nachfolgende Verbrennung des zerstäubten Brennstoffs.

Im Prinzip gibt es keine Ober- oder Untergrenze bezüglich der verwendeten Drücke an der Einlaßöffnung des Zerstäubers. Tat-

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sächlich ist aber der benötigte Druck wie oben beschrieben mit der Gaszufuhr und den Eigenschaften der Mischvorrichtung verbunden. Um einen bestimmten Brennstoff zu zerstäuben, kann an der Einlaßöffnung des Zerstäubers ein Druck von etwa 2 bar oder sogar weniger Anwendung finden, Bedingung dafür ist die Verwendung einer ziemlich großen Hilfsgasmenge und ein Zerstäuber, der den Fluidströmen nur geringen Widerstand entgegensetzt. In der Praxis können höhere Drücke als 3 bar, vorzugsweise höher als 5 bar den Brennstoff unter Verwendung von vernünftigen Hilfsgaszufuhrmengen zerstäuben. Bezüglich des aufgewendeten Druckes gibt es keine obere Grenze. Da jedoch die Gaszufuhr in Bezug auf den Brennstoff groß genug bleiben muß, gibt es keinen Grund für die Anwendung extrem hoher Drücke. Ein vernünftiger Druckbereich liegt daher zwischen 3 und 20 bar. Vorzugsweise wird das Hilfsgas der Einlaßöffnung dos Zerstäubers bei einem Druck von 5 bis 10 bar zugeführt.

Soll beispielsweise ein so viskoser Brennstoff wie schweres Brennöl, oder ein noch viskoserer Brennstoff verbrannt werden, so kann dieser durch Verwendung eines Hilfsgases zerstäubt werden, dessen Volumen an der Auslaßöffnung der Mischvorrichtung 60 mal so groß wie das Volumen der Flüssigkeit ist. Hierbei werden, der Brennstoff und das Hilfsgas der Einlaßöffnung des geeigneten Zerstäubers bei einem Druck von 6 bar zugeführt, und das Zerstäubungsprodukt wird bei Atmosphärendruck in einen Brennofen geblasen.

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Das Hilfsfluid ist bei dem angewendeten Druck und der Tempera~tur gasförmig. Vorzugsweise ist das Hilfsgas Druckluft oder ein unter Druck stehender Dampf, es können aber auch zahlreiche andere Gase Verwendung finden. Beispielsweise kann als Brenngas Methan verwendet werden. Hierbei genügen sehr kleine Mengen. Beispielsweise reichen nur 2 bis 3 kg Dampf aus, um 100 kg schweres Brennöl zu zerstäuben.

Vorzugsweise .ist der Druck des Hilfsgases an der Einlaßöffnung des Zerstäubers und damit die Hilfsgaszufuhr in weitem Bereiche konstant. Eierdurch ist es möglich, die Brennstoffzufuhr zu ändern, indem lediglich der Druck an der Einlaßöffnung beeinflußt wird. Dieses Verfahren gestattet die Veränderung der Zufuhr von zerstäubtem Gas in bislang unerreichten Verhältnissen.

Mj.t dem erfindungsger.iäßen Verfahren können mehrere brennbare Stoffe gleichzeitig oder zeitlich getrennt voneinander mit derselben Vorrichtung verbrannt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Brennstoff heterogen sein und unlösliche feste Teilchen suspendiert enthalten kann. Ein Beispiel für einen Brennstoff mit festen Teilchen ist zermahlene Kohle. Es kann auch zermahlener Kohlenschlamm verwendet werden. Eine besondere Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Möglichkeit, heterogene oder sehr viskose Stoffe verbrennen zu

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können, beispielsweise hochviskose Teere, wie sie als Nebenprodukte in Erdölraffinerien anfallen.

Darüber hinaus gestattet das erfindungsgemäße Verfahren das Verbrennen von organische Stoffe enthaltendem Schlamm. Die Reinigung städtischer Abwässer und gewisser Industrieabwässer umfaßt im allgemeinen die Trennung von mit organischen Stoffen versetztem Schlamm. Der Schlamm wird durch Versprühen oder Verbrennen entfernt. Die Verbrennung wird in besonderen öfen durchgeführt.

Drehrohrofen haben im allgemeinen eine gestaffelte Verbrennung, wobei in den oberen Stufen das Trocknen des Schlammes erfolgt. Eixie gewisse Pyrolyse der organischen Stoffe ist unvermeidbar und die Entzündung tritt sehr unterschiedlich auf. Solche Drehrohrofen geben schädlichen Rauch ab, dessen Reinigung eine Nachverbrennung notwendig macht.

Die Verwendung von sogenannten Wirbelbettöfen setzt sich immer mehr durch, besonders zur Behandlung von Abwasser aus Erdölraffinerien. Die Wirbelbettöfen weisen eine Anzahl von vorteilhaften Eigenschaften auf. Sie haben im Inneren keine mechanischen Einrichtungen. Sie stoßen keine gasförmigen organischen Verbindungen aus, und sie führen eine vollständige Verbrennung durch. Der Betrieb eines solchen Ofens ist jedoch

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schwierig, die Betriebskosten sind recht hoch und die kalorische Ausbeute ist gering.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, Schlamm und die darin enthaltenen organischen Stoffe im wesentlichen vollständig zu verbrennen. Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren pumpbare Schlaiome aus industriellen Abwässern, beispielsweise aus dem Abwasser von Papiermühlen, Zuckerraffinerien., Erdölraffinerien und ähnlichen Anlagen verbrannt werden. Der Brennstoff kann auch aus städtischen Abwässern erhalten werden. Es kann somit auch der Schlamm aus Klärstcttjonen verbrannt werden. Dieser Schlamm kann sehr feuchtigkeit.3hc<ltig sein. Verschmutztes Viatjser könnte sogar direkt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbrannt werden. Eine Zufuhr von aufbereitetem Brennstoff in Verbindung mit dem Schlamm reicht dabei aus. Als aufbereiteter Brennstoff kann ein Gas oder irgendeine pumpbare Flüssigkeit verwendet werden. Geeignet hierzu sind beispielsweise Erdgas, bei der Erdölverarbextung gewonnenes und gegebenenfalls verflüssigtes Gas oder schweres Brennöl usw.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrene, welche gekennzeichnet ist durch eine Zerstäübungszone, durch eine mit der Zerstäubungszone verbundene Vorkammer, durch mindestens zwei Einlaßöffnun-

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gen zur Vorkammer, wobei mindestens eine Einlaßöffnung für den brennbaren Stoff und mindestens eine andere für das Hilfsgas bestimmt ist, und durch eine Einrichtung zum Verändern des Querschnittes des aus der Zerstäubungszone austretenden Strahles in oder in unmittelbarer Nähe der Ausströmöffnung; wobei'die Zerstäubungszone im allgemeinen zylindrische Form hat und im Inneren Einrichtungen aufweist, die im Betriebszustand auf die Fluidströme eine vielfache Scherwirkung ausüben und Änderungen der Drehrichtung bewirken.

Eine bevorzugte Ausbildungsform der Zerstäubungszone oder -kammer ist die einer bekannten statischen Mischvorrichtung, also einer Mischvorrichtung, die aus einem zylindrischen Rohr besteht, ii; das geeignet ausgebildete, starre Vorrichtungen eingesetzt sind, die auf die durchtretenden Fluidströme eine vielfache Scherwirkung ausüben und ihre Richtung verändern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere aus einem Rohr mit einem Einsatz bestehen. Dieser Einsatz kann aus einer Anzahl von Elementen geeigneter Form gebildet sein. Die Vorrichtung kann andererseits aus einem Zylinderrohr gebildet werden, in dem eine Anzahl von Spiralen oder feststehenden spiralförmigen Elementen eingesetzt sind. Eine Ausführungsform der Zerstäubungszone weist eine Folge von gebogenen Elementen oder Rippen auf, deren Form und Anordnung folgendermaßen gekennzeichnet sind:

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(a) Die Breite jeder Rippe entspricht ziemlich genau dem Innendurchmesser der Zone und die Länge jeder Rippe ist mindestens das 1,25-fache des Innendurchmessers der Zone.

(b) Jede Rippe ist gebogen ausgebildet, um den im Betriebsfall durchtretenden Fluiden bezüglich der Zonenachse eine Drehbewegung zu geben.

(c) Die Form einer solchen Rippe entspricht der einer rechteckigen Platte, deren Breite c/leich dem Innendurchmesser des Rohres ist, und die durch Verbiegen der Platte erhalten wird, wobei die kürzeren Seiten der Platte gegeneinander um einen Längsmeridian einen bestimmten Winkel verdreht wurden.

(d) Die Längskänten jeder Rippe sind an der Innenfläche des Rohres gehalten und jede Rippe teilt den Querschnitt des Rohres in zwei Hälften.

(e) Die Rippen sind so angeordnet, daß die Vorderkante jeder Rippe, mit Ausnahme der ersten Rippe über der Vorrichtung, mit der Hinterkante einer davorliegenden Rippe einen Winkel einschließt.

(f) Die Rippen sind in der Zone mittels irgendeiner geeigneten Einrichtung befestigt.

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Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Länge jeder Rippe zwischen dem 1,3 und 3-fachen des Innendurchmessers der Zone beträgt,

(b) daß der von der Vorderkante und der Hinterkante gebildete Winkel zwischen zwei Rippen zwischen 120° und 240° liegt,

(c) daß sich in einer Richtung gebogene Rippen mit in der anderen Richtung gebogener. Rippen abwechseln, die jeweils im wesentlichen in gleicher Zahl vorhanden sind und insgescnrc etwa 5 bin 30 Rippen ausmachen,

(d) daß die Vorderkante jeder Rippe, mit Ausnahme der ersten, um aufwärts liegenden Rippe, die Hinterkante der vorhergehenden Rippe berührt und mit ihr einen Winkel von 90 einschließt.

Die Zerstäubungszone kann zwischen 5 und 30 Rippen aufweisen. Vorzugsweise liegt ihre Zahl zwischen 10 und 20.

Die Rippen können in bestimmtem Abstand zueinander angebracht sein. Vorzugsweise berührt die Vorderkante jeder Rippe, unter Ausnahme der oberhalb der Vorrichtung liegenden ersten Rippe,

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die Hinterkante einer davor liegenden Rippe und bildet mit ihr einen von O verschiedenen Winkel. Dieser Winkel kann beispielsv7eise 30° bis 150° betragen und ist vorzugsweise etwa 90°.

Vorzugsweise wird eine statische Mischvorrichtung mit im wesentlichen gleicher Anzahl von in beiden Richtungen gebogenen Rippen benutzt. Die Rippen beider Krümmungsarten können nach einer Zufalls-: er teilung angeordnet sein. Vorzugsweise sind sie in gleichen Gruppen angeordnet, wobej sich Rippen mit einer Krümmung in einer Richtung, init Gruppen von in anderer Richtung gekrümmten Rippen abwechseln.

Insbesondere findet die folgende Anordnung Anwendung: Der Verdrillungswinkel jeder Rippe beträgt etwa 180 ; aufeinanderfolgende Rippen sind in entgegengesetzten Richtungen verdrillt; sie berühren einander und die Berührungskanten bilden einen Winkel von etwa 90 .

Vorzugsweise sind die Rippen an ihren Berührungspunkten miteinander fest verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Hartlöten hergestellt sein. Die so zusammengesetzten Rippen können durch irgendeine geeignete Einrichtung in dem Rohr festgehalten werden. Vorzugsweise sind die Seitenkanten der ersten Rippe oberhalb des Rohres

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in einen Ring eingeschweißt/gelötet oder hartgelötet, die einen gleichen Innendurchmesser wie das Rohr aufweist und in einem Fortsatz des Rohres getragen wird. Eine solche Ausbildung gestattet das Auseinandernehmen der Vorrichtung und das Austauschen der Rippen.

Jeder Fachmann ist in der Lage, die Kenngrößen der zu verwendenden Vorrichtung für jede Art der Vorrichtung zu berechnen, insbesondere i.en Innendurchmesser des Rohres, die Länge des von der starren Einsetzvorrichtung eingenommenen Raumes sowie das Verhältnis des Zufuhr- und Abgabedruckes des Hilfsgases, so daß die Vorrichtung dem Gasstrom einen für den Betrieb wirksamen Widerstand entgegenstellt.

Manche statische Mischvorrichtungen bewirken eine Drehbewegung des durch das Rohr strömenden Fluidstromes. Wenn die Drehkomponente nach dem letzten Element der Mischvorrichtung beträchtlich ist, kann die Geschwindigkeit 3er Tropfen an der Auslaßöffnung des Rohres eine Querkomponente aufweisen, die die öffnung der Düse für den Ofen als schlecht angepaßt erweist. In solchen Fällen ist es wünschenswert, unmittelbar hinter dem letzten Element der Vorrichtung eine geeignete Einrichtung einzusetzen, die die Drehkomponente des Stromes reduzieren oder auslöschen soll. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise ein gebogenes Element oder eine Rippe sein, deren

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Krümmung und Länge ausreicht, um auf die Fluide den notwendigen Impuls zum Reduzieren oder Auslöschen der Drehkomponente auszuüben. Weist die Vorrichtung beispielsweise eine Anzahl aufeinanderfolgender und aneinanderliegender Rippen auf, bei denen zwei aufeinanderfolgende Rippen in entgegengesetzter Richtung verdrillt sind, dann kann diese Mischvorrichtung, dadurch, verändert werden, daß die letzte Rippe um etwa 1/4 ihrer Länge verkürzt wird; die Drehkomponente des Stromes nach der letzten Rippe wird dadurch -praktisch auf O herabgesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gebogenen Elemente oder P Lppen unter Krafta\ifWendung in das Rohr gesetzt und die letzte stromabwärts liegende Rippe stößt gegen eine Düse und bildet mit ihr ein Teil.

Ein solcher Aufbau weist mehrere Verteile auf. Beispielsweise werden die Rippen beim Lösen einer Schweißverbindung nicht '■ aus dem Rohr gedrückt. Die Rippen, und insbesondere die letzte stromabwärts liegende Rippe, sind vollständig starr angeordnet und ein Verschweißen mit dem Rohr ist nicht notwendig. Darüber hinaus können die Rippen im Falle einer Beschädigung leicht ausgetauscht werden.

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Die Düse ist an der Auslaßöffnung der Mischvorrichtung befestigt und gibt dem Strahl des zerstäubten Brennstoffes die gewünschte Form, und damit auch der Flamme beim Verbrennen des zerstäubten Brennstoffes.

Die Düse kann ein oder mehrere zylindrische oder konische Bohrungen aufweisen. Der Durchmesser der Bohrungen ist groß genug, um für die Fluidströme beim Durchtreten einen geringen Druckverlust wx bewirken.

Hat die Düse eine einzige zylindrische Düsenöffnung, dann beträgt ihr Durchmesser günstigerweise 0,5 bis 0,9, vorzugsweise 0,6 bin 0,8 des Innendurchmessers der Zerstäubungszone. Weist die Düse mehrexe Bohrungen auf, dann sind sie günstigerweise so angeordnet, daß sie einen Strahl von konischem Aufbau ergeben.

Die Düse bewirkt die Formgebung des zerstäubten Brennstoffstrahls und des Hilfsgasstrahles. Darüber hinaus verbessert sie in starkem Maße die Homogenität der Brennstoffverteilung im Hilfsgas. Dies war in keiner Weise voraussehbar. Schließlich dient die Düse vorteilhafterweise dazu, die Rippen in dem Zerstäubungsrohr festzuhalten.

Die Fluidströme erleiden beim Durchqueren des Zerstäubers und auch beim Durchströmen der Düse einen Druckverlxist. Gemäß

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einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wirken der Zerstäuber und die Düse in der Weise zusammen, daß der Druckverlust durch die Düse relativ gering ist. Vorzugsweise sind die Vorrichtung und die Düse so berechnet, daß der Druckverlust durch die Düse weniger als 80 %, oder noch besser weniger als 50 % des gesamten Druckverlustes beträgt.

Die Strömungsrate der Fluide in dem Zerstäuber beeinflußt die Zerstäubung dss Brennstoffes sehr. Der Zerstäuber ist so berechnet, daß die Fluidströme für die gewünschten Abgabemengen sehr turbulent 'sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kenngrößen des Zerstäubers, insbesondere der Innendurch-•messer de3 Rohres und die von den Einsätzen beanspruchte Länge so berechnet, daß das Hilfsgas einen Druckverlust von mehr als 3 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 20 bar zwischen dem Einlaß und der Auslaßöffnung des Zerstäubers erfährt, wobei die Hilfsgaszufuhr so bemessen ist, daß das Hilfsgasvolumen an der Auslaßöffnung der Düse mindestens 30, vorzugsweise 50 bis.150 mal größer als das dem Brenner bei maximalem Ausstoß zugeführte Flüssigkeitsvoluirten ist. Vorzugsweise sind die Kenngrößen des Zerstäubers auch»so berechnet, daß die Flußrate der Fluide unter den beschriebenen Druck- und Zufuhrbedingungen am Einlaß höher als 10 m/s oder noch besser höher als 25 m/s ist.

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Für alle Fälle gilt die Notwendigkeit, so wenig wie möglich toten Raum stromabwärts von der letzten Rippe in der Zerstäubungszone zu haben, um ein Zusammenballen der zerstäubten Tropfen zu verhindern. Daher liegt die verkürzte letzte Rippe am Auslaß zur Kammer; oder die letzte volle Rippe berührt die Düse.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen und Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eiiieu Ausnührungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,"

Fig. 3 und 4 verschiedene Ausfunrungsbeispiele der Düse gemäß Fig. 2,

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Einspritzöffnung der Vorrichtung aus Fig. 2,

Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung und

Fig. 7 ein Diagramm der Teerzufuhr, in Abhängigkeit von dem Brennerdruck.

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Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist ein inneres Zuführrohr 1 auf, das über eine Einspritzöffnung 9 zu einer Vorkammer 3 führt. Ein mit einer Einlaßöffnung 20 versehenes konzentrisches Rohr 2 führt ebenfalls zur Vorkammer 3. Die Vorkammer 3 geht in eine Zerstäubungszone mit einem Rohr 6 über, in dem 15 verdrillte Rippen 4 und eine gekürzte Rippe 5 angebracht sind. Das Rohr 6 hat einen Innendurchmesser von 14 mm. Die Rippen sind jeweils 20 mm lang und um einen Winkel von 180 verdrillt, wobei sich in der Anordnung im Rohr 6 rechtsgängig und linksgängiq- verdrillte Rippen abwechseln. Die Rippen passen knapp in das Rohr 6 und stellen mit: der Wand des Rohres eine dichte Verbindung her. Sie sind aneinander hartgelötet oder auf andere Weise miteinander an ihren Berührungspunkten verbunden, wobei an diesen Berührungspunkten die Berührungskanten aneinander stoßender Rippen einen Winkel von etwa 90° zueinander einschließen.

Die erste der Rippen 4 ist in einem Ring 8 befestigt, der an dem Rohr 6 befestigt ist. Die letzte verkürzte Rippe 5, die nur etwa 3/4 der Länge der anderen Rippen 4 aufweist, hat einen Verdrxllungswinkel von etwa 135 .

Das Ende des Rohres 6 ist konisch geformt, um einen kegelförmigen Strahl zu erhalten.

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Der Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform entspricht weitgehend dem aus Fig. 1, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Auslaßteil der Zerstäubungszone 6 ist jedoch anders ausgebildet als in Fig. Die Anordnung der Rippen 4 endet in dieser Ausführungsform mit einer ungekürzten Rippe 5. Das Ende des Rohres 6 ist zu einer Düse 10 geformt, die die Form des au? der Zerstäubungszone austretenden Strahles bestimmt und die Rippen 4 im Rohr festhält. Die Düsenauslaßöffnung 10 liegt aus diesen Gründen in unmittelbarer Nachbarschaft zur letzten Rippe 4.

Fig. 3 zeigt die an dem Ends des Rohres befestigte Düse 10. Ihre Auslaßöffnung ist kegelstumpfförmig nu.t einem Winkel 06 zwischen 60 und 120 ausgebildet.

In Fig. 4 weist die Düse 10 mehrere zylindrische Bohrungen 21 auf, die zur Erzeugung eines Strahles von kegelförmigem Querschnitt kegelförmig angeordnet sind und die einen Winkel ß einschließen. Zur Vermeidung eines toten Raumes hat die Düse vorzugsweise einen sich nach innen erstreckenden Fortsatz 22.

Fig. 5 zeigt die Ausbildung deB Brenners mit einer Einrichtung zur Veränderung der Einspritzöffnung 9. Diese Einrichtung enthält eine Ventilnadel 13, 14, die bewegbar in einem zugehörigen Ventilsitz in der öffnung 9 angeordnet ist.

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Fig. 6 zeigt schließlich Abwandlungen in Bezug auf weitere
Einlaßöffnungen, wie beispielsweise die Einlaßöffnung 24.
Zum Zerstäuben bestimmter brennbarer Stoffe ist darüber hinaus die Rippe 4 durch einen Satz erster Rippen 26a ersetzt/ von denen jede einzelne die 1,0-fache Länge der anschließend folgenden Rippen 26b hat.

Die folgenden Beispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren, ohne es dabei jedoch einzuschränken.

Beispiel 1

Es wurde ein Brenner gemäß Fig. 1 verwendet. Der Brennstoff war Kohlenwasserstoffteer mit folgenden Eigenschaften:

Dichte bei 1b°C 1,131 unlösliches Heptan 17,5 %

Viskosität bei 5O°C 975 cst unlösliches Hexan 43,2 %

Viskosität bei 10O⁰C 31 cFt\ Kohlenstoff 87,8 %

Rest Kohlenstoff 20,5 % Wasserstoff 7,1 %

(Conradson Verfahren) _{Sohwefel 5fV%}

Der Teer wurde auf 140⁰C vorgewärmt und bei einem Druck von 8 bis 15 bar mit einer Rate von 400 bis 900 kg/h zugeführt. Als Hilfsgas wurde Dampf unter konstantem Druck von 6 bar
und einer Zufuhrrate von 30 kg/h verwendet.

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Nach dem Austreten aus der Zerstäubungszone wurde das zerstäubte Produkt in einem Industrieofen verbrannt. Es entstand dabei eine weiße Flamme, die keinen belästigenden Rauch entwickelte.

Dies stellt einen Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, da es bislang nicht möglich war, Kohlenwasserstoffteer dieser Art unter Vermeidung von schwarzem Rauch zu verbrennen.

In dem in Fig. 7 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse dar stromaufwärts vom Rohr 1 gemessene Teerdruck in bar aufgetragen. Die Ordinate zeigt die zugehörige Teerzufuhr in kg/h.

Der stromaufwärts vom Rohr 2 gemessene Dampfdruck ist konstant und beträgt 6 bar.

In Fig. 7 bedeutet die Kurve a) die Teerzufuhr, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Einspritzöffnung 9 mit einem Durchmesser von 2,5 mm erzielt wird. Die Kurve b) stellt die Teerzufuhr fr eine Einspritzöffnung mit einem Durchmesser von 3,5 mm dar.

Versuchsweise wurde derselbe Teer unter denselben Bedingungen, jedoch mit einem bekannten Brenner unter Zerstäubung mit einer Hilfsflüssigkeit verbrannt. Dieser bekannte Brenner entsprach

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der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung? es war jedoch keine Einrichtung in das Rohr 6 gesetzt; die Einspritzöffnung 9 hatte einen Durchmesser von 2,5 mm. Das Zerstäuben war schlecht und die hierbei erhaltene Flamme entwickelte schwarzen Rauch/ unabhängig davon, welcher Druck oder welche Teerzufuhr und Dampfzufuhr zu dem Brenner gewählt wurde.

Beispiel 2

Es fand ein Brenner gemäß der Fig. 6 Verwendung, der Schlamm einer Erdölraffinerie in einem Ofen verbrannte.

Das Rohr 6 hatte eine Länge von 3,90 m und einen Innendurchmesser von 14 nun. Eingesetzt in dieses Rohr waren 18 Rippen 2Ca mit eir.er Länge von 200 mm und 15 Rippen 2Gb mit einer Länge von 20 mm. Die Vorder- und Hinterkanten jeder Rippe waren um einen Winkel von 180 verdrillt. Es wechselten sich Rippen einer Verdrillungsrichtung mit Rippen der entgegengesetzten Verdrillungsrichtung ab.

Mit Hilfe dieser Vorrichtung wurde ein Schlamm zerstäubt und nachfolgend verbrannt, der aus dem Laugenrückstand einer Erdölraffinerie stammte. Dieser Schlamm enthielt 65 % Wasser, 28 % organische Bestandteile und 7 % Feststoffe. Er wurde durch" Rohr 1 zugeführt. Weiter wurde ein aufbereiteter Brennstoff verwendet, und zwar ein schweres Brennöl mit einer

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Viskosität von 200 cst bei 50°C. Das Brennöl wurde auf 140°C vorgewärmt und in das Rohr 2 zugeführt.

Zur Sicherstellung des Zerstäubens und des Schlamm- und Brennöltransportes wurde als Hilfsgas ein unter 6 bar stehender Dampf verwendet, der durch das Rohr 24 eingebracht wurde. Die Zufuhr betrug:

700 kg/h Schlamm 200 kg/h Brennöl 50 kg/h Dampf

Die' Verbrennung des Brennöles und der in dem Schlamm enthaltenen organischen Stoffe war vollständig.

Beispiel 3

Es wurde das gleiche Verfahren zum Verbrennen eines Schlammes mit 20 % Wasser, 70 % flüssigen organischen Stoffen und 10 % Feststoffen angewendet. Dieser Schlamm stammte wie im Beispiel 2 aus dem Laugenrückstand einer Ölraffinerie, Als Hilfsgas fand Dampf mit einem Druck von 6 bar Verwendung. Die Zufuhrmengen betrugen:

700 kg/h Schlamm 50 kg/h Dampf

Es wurde kein Aufbereitungsbrennstoff benötigt. Der Schlamm verbrannte vollständig.

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Claims (14)

1. Ansprüche

   Verfahren zum Zerstäuben eines brennbaren Stoffes, der bis zu einer Temperatur von 30O⁰C als Gas, als Flüssigkeit, als körniger Feststoff oder als Flüssigkeit mit festen Bestandteilen vorliegt und der mindestens bei 300 C pumpbar oder strömungsfähig ist _f dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strom des brennbaren Stoffes und mindestens ein Strom eines Hilfsgases unter Druck durch eine längliche Zone geführt werden, in der eine Zerstäubung der. brennbaren Stoffes durch Expandieren des Hilfsyanes erreicht wird, während die Ströme veranlaßt werden, sich häufig in Teilstrome aufzuspalten, siel: nieder zu vereinen und vorzugsweise ihre Strömungsdrehrichtung entlang der Gesamtlänge der Zone zu verändern, und aaß die Zufuhr des Hilfsgases und des brennbaren Gases zur Setstäubungszone so eingestellt wird, daß in dem zerstäubten Produkt das Hilfsgas einen wesentlich größeren Volumenanteil einnimmt, als der brennbare Stoff.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Brennstoff und ein Hilfsgas verwendet werden, bei welchen das zerstäubte Produkt eine Emulsion ist, deren dispergierte Phase der flüssige Brennstoff bildet.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Hilfsgases und des flüssigen Brennstoffes in einem solchen Verhältnis erfolgen, daß das von dem Gas an der Auslaßöffnung des Brenners eingenommene Volumen mindestens 20 mal größer als das von dem flüssigen Brennstoff eingenommene Volumen ist und daß vorzugsweise der Druck des Hilfsgases an dem Einlaß zum Brenner zwischen 2 und 20 bar liegt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Jjis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als brennbarer Stoff ein organische Stoffe enthaltender Schlamm verwendet wird, und daß vorzugsweise zusätzlich zu einem Hilfsgas ein Brennstoff wie Erdgas, flüssiges bei der Erdölverarbeitung gewonnenes Gas oder Heizöl verwendet werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgaszufuhrmenge so groß gewählt wird, daß sie nach dem Expandieren am Auslaß der Zerstäubungszone das 50 bis 150-fache Volumen der in die Zerstäubungszone eingebrachten Flüssigkeiten einnimmt, daß das Hilfsgas bei einem um 5 bis 20 bar höheren Druck als dem in der Brennzone des zerstäubten Materials erhaltenen Druck dem Einlaß zur Zerstäubungszone zugeführt wird, und daß die Strömungsraten am Einlaß über 25 m/s liegen.

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6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas entweder Druckluft oder unter Druck stehender Dampf verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zerstäubte Stoff gegebenenfalls unter Zufuhr von Sauerstoff oder von Sauerstoff enthaltendem Gas verbrannt wird.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet duarch eine Zerstäubungszone (6), durch eine mit der Zarstäubungszone (δ) verbundene Vorkammer (3) _t durch mindestens zwei Einlaßöffnungen (1, 20) zur Vorkammer, wobei mindestens eine. Einlaßöffnung für den brennbaren Stoff und mindestens eine andere für das Hilfsgas bestimmt ist, und durch eine Einrichtung (5, 10) zum Verändern des Querschnittes des aus der Zerstäubungszone austretenden Strahles in oder in unmittelbarer Nähe der Ausströmöffnung, wobei die Zerstäubungzone (6) im allgemeinen zylindrisch ausgebildet ist und im Inneren Einx'ichtungen aufweist (4, 26a, 26b), die im Betriebszustand auf die Fluidströme eine vielfache Scherwirkung ausüben und Änderungen der Drehrichtung bewirken.

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9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Inneren der Zerstäubungszone (6) angeordnete Einrichtung eine Folge von gebogenen oder verdrillten Rippen (4, 26a, 26b) mit folgender Form und Anordnung aufv/eist:

   (α) Die Breite jeder Rippe entsprich!: weitgehend dem Innendurchmesser der Zone (6) und die Länge jeder Rippe ist mindestens das 1,25-fache des Innendiirchraessers der Zone (6) .

   (o) Jede Rippe ist gebogen, um im Betriebszustand auf die durchtretenden Fluide eine Drehbewegung in Bezug auf die Achse der Zone (6) auszuüben.

   (c) Die Form der Rippen ist durch die Verdrillung einer rechteckigen Platte gegeben, deren Breite dem Innendurchmesser des Rohres (6) entspricht, und wobei die Platte bezüglich ihrer Schmalseiten um einen bestimmten Winkel um die längere Mittelachse verdrillt ist.

   . . (d) Die Längskanten jeder Rippe sind an der Innenwand des Rohres (6) gehalten und jede Rippe teilt dieses im Querschnitt in zwei Hälften.

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   (e) Die Rippen sind so angeordnet, daß die Vorderkante jeder Rippe mit Ausnahme der ersten Rippe mit den Hinterkanten der vorhergehenden Rippe einen Winkel einschließen und daß

   (f) die Rippen in der Zone (6) durch irgendeine geeignete Einrichtung befestigt sind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

    (a) die Lenge jeder Rippe (4, 26a, 26b) das 1,3 bis 3-fache des Innendurchmessers der Zone (6) beträgt,

    (b) clei Winkel zwischen der Vorderkante und der.Hinterkante jeder Rippe 120 bis 240° ausmacht,

    (c) daß einige Rippen in.einer Richtung verdrillt und andare in gleicher Zahl in anderer Richtung verdrillt sind und daß insgesamt zwischen 5 und 30 Rippen vorgesehen sind und daß

    (d) die Vorderkante jeder Rippe mit Ausnahme der ersten stromaufwärts liegenden Rippe mit der Hinterkante der vorhergehenden Rippe in Berührung steht und einen Winkel von 90° einschließt.

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11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern des Querschnittes des aus der Zerstäubungszone austretenden Strahles, eine Düse (10) ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) eine einzige Bohrung mit einem Durchmesser von 0,5 bis 0,9 des Innendurchmessers der Zerstäubung-"·, zone (6) aufv/eist.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) mit zwei oder mehreren Bohrungen (21) vergehen ist, deren Achsen kegelförmig nach außen gerichtet sind.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet_r daß Einrichtungen für die Zufuhr von Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltenden Gas zu dem von der Zerstäubungszone erhaltenen Produkt vorgesehen sind.

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