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Verfahren zur Verbrennung organische Bestandteile enthaltender
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Abwässer Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung organische
Bestandteile enthaltender Abwässer in einem Zerstäuberbrenner, wobei die Abwässer
unter Druck in die Brennerflamme eingedüst werden.
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Verfahren der genannten Art werden gewöhnlich in Verbrennungsanlagen
durchgeführt, in denen nicht nur Abwässer, sondern auch schädliche Abgase und andere
unerwünschte, z.B. aus petrochemischen Prozessen stammende Nebenprodukte verbrannt
werden. Obwohl solche Verbrennungsanlagen zur Wiedergewinnung und Nutzbarçachung
der in ihnen erzeugten Wärme mit einem Dampfkessel ausgerüstet sind, sind sie doch
mit erheblichen
Energieverlusten verbunden, da zur völligen Zerstörung
der unerwünschten, zum Teil giftigen Abgase und der in Wasser gelösten oder suspendierten
Feststoffe hohe Verbrennungstemperaturen erforderlich sind. Die Flammentemperatur
der Verbrennungsanlage ist nicht nur vom Heizwert des 3remrstsSfns abhängig, sondern
auch von der Menge der in dem der Verbrennung zugefLihrten Material enthaltenen
brennbaren Bestandteile, der Wärmemenge, die erforderlich ist, um den Brennstoff
und die Ballaststoffe, wie z.B. das Wasser, in dem die organischen Verbindungen
gelöst oder suspendiert sind, in den raktionsfähigen Zustand zu bringen, sowie von
den Wärmeverlusten, die durch Wärmeabgabe an die Umgebung auftreten. Hohe Flammentemperaturen
erfordern daher große Brennstoffmengen.
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Bei den bekannten Verfahren werden Zerstäubungsbrenner, z.B. Ölzerstäubungsbrenner
üblicher Bauart mit Dampf als Zerstäubungsmittel verwendet. Bei diesen bekannten
Brennern ist die Zuleitung, durch die die zu verbrennenden Abwässer unter Druck
der Verbrennung zugeführt werden, konzentrisch bzw. mittig zur Brennstoffzerstäuberdüse
angeordnet und endet im Bereich der Zerstäuberdüse unmittelbar am Brennermund, von
wo die Abwässer in das Zentrum der Flamme eingedüst werden. Der als Brennstoffzerstäubungsmittel
verwendete Dampf liefert durch Expansion beim Verlassen der Düse zusätzliche Turbulenz
und begünstigt so den endothermen Vergasungsvorgang der Brennstofftröpfchen. Andererseits
wird die Flamme durch die eingedüsten Abwässer soweit abgekühlt, daß die in den
Abwässern enthaltenen organischen Feststoffe, z.B. Polymere, unverbrannt durch die
Flammenfront zu Boden fallen und sich in der Vorbrennkammer als zahflüssiger Teer
ablagern und dort verkoken. Auf diese Weise kann die Vorbrennkammer
innerhalb
von wenigen Stunden "zuwachsen". Um eine Betriebsunterbrechung zu vermeiden, muß
die Vorbrennkammer bei den bekannten Verfahren deshalb ständig auf einer Temperatur
von mindestens 10500C gehalten werden, und die Abwassermenge darf einen bestimmten
Grezwert,der einem Volumenyvraltnis von Heizöl zu T.yaSsAr von 1 : 1,5 bis 1 : 2,5
entspricht, nicht überschreiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem ein optimaler
Wirkungsgrad hinsichtlich der Vernichtung der unerwünschten Abfall stoffe erreicht
und gleichzeitig der Brennstoffbedarf im Vergleich zu den bekannten Verfahren verringert
wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens zu schaffen, die bei einem Minimum an Investitionskosten
geeignet ist, bestehende, nach den bekannten Verfahren arbeitende Verbrennungsanlagen
auf das erfindungsgemäße Verfahren umzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abwässer
vor Eintritt in den Brenner in einer Mischdüse mit Druckluf-t vermischt werden,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Luft so eingestellt wird, daß das Abwasser-Luft-Gemisch
den Brennermund in Form einer Tröpfchenwirbelschicht verläßt.
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Dadurch wird erreicht, daß die Abwassermenge gegenüber bekannten Verfahren
bei gleichbleibender Brennstoffmenge um etwa 100 % erhöht werden kann, ohne daß
Abscheidungen unverbrannter Stoffe in der Vorbrennkammer auftreten; das Volumenverhältnis
von Brennstoff zu Abwasser kann auf etwa
1 : 5 eingestellt werden.
Uberraschenderweise wird weiter erreicht, daß die Betriebstemperatur der Brennkammer
von etwa 1100 auf etwa 9000C gesenkt werden kann, ohne den Wirkungsgrad hinsichtlich
der Vernichtung der Abfallstoffe zu beeinträchtigen. Die Senkung der Brennkammertemperatur
wirkt sich günstig auf die Hal-6bar}cait der 3rennkanmerausmauerung aus. lurch das
erfindungsgemäB erzielte Brennstoff-Abwasser-Verhältnis wird nicht nur eine wesentliche
Steigerung der Verbrennungskapazität einer bestehenden Verbrennungsanlage erreicht,
sondern auch eine Stabilisierung des Verbrennungsvorganges selbst, derart, daß im
Gegensatz zu den bekannten Verfahren kein Abreißen der Flamme mehr eintritt, wodurch
die mechanische Belastung von Brenner und Brennkammer verringert wird. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird, bezogen auf die verbrannte Abwassermenge im Vergleich zu den bekannten
Verfahren eine Brennstoffersparnis (Heizöl S) von 10 - 20 , erreicht.
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Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens, bestehend aus einem Zerstäuberbrenner mit Brennstoffzerstäuberdüse,
Zuleitungen für Brennstoff, Zerstäubungsmittel und Verbrennungsluft und mit einer
in der Brennstoffdüse endenden, mittig angeordneten Abwasserzuleitung gelöst, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Abwasserzuleitung vor dem Brenner ein an
sich bekannter Luftstrahl-Ejektor mit seitlich angeordneter Abwasser-und mittig
angeordneter Luftzuführungsöffnung so angeordnet ist, daß im Betrieb ein zentrischer
Luftstrahl mit einem Abwasserringstrahl in einer Mischdüse vermischt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs-gemäßen Verfahrens bestehen
darin, daß die Tröpfchenwirbelschicht durch Vermischen von mindestens 7 Volumteilen
Luft mit je einem Volumteil Abwasser pro Zeiteinheit gebildet wird,
daß
dem Brenner je Zeiteinheit bis zu 5 Volumteile Abwässer pro Volumteil Brennstoff
zugeführt werden,und daß als Zerstäuberbrenner ein an sich bekannter Ölbrenner und
als Zerstäubungsmittel Dampf verwendet werden.
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V-r .lha aus rungsbeispiere der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen
darin, daß an der Luftzuführungsöffnung des Ejektors eine verstellbare Lochblende
angeordnet ist und darin, daß das Verhältnis der Durchmesser von Abwasser- zur Luftzuftlhrung
im Ejektor etwa 3 : 1 beträgt.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der Beispielsbeschreibung
weiter erläutert.
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Die Zeichnung ist ein Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
die im wesentlichen aus einem Ölzerstäuberbrenner 1 und einem Luftstrahleäektor
2 besteht. Der Brenner 1 besteht aus zwei durch ineinandergeschobene Rohre 3 und
4 gebildeten, konzentrisch angeordneten hohlzylindrischen Räumen 5 und 6, die sich
an ihren vorderen, den in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkammern zugewandten
Enden kegelstumpfförmig verengen und so eine Zerstäuberdüse 7 bilden. Das äußere,
den hohlzylindrischen Raum 5 umschließende Rohr 3 ist mit einer Dampfzuleitung 8,
das innere, den hohlzylindrischen Raum 6 umschließende Rohr 4 mit einer Ölzuleitung
9 verbunden. Konzentrisch in dem inneren, den Raum 6 umschließenden Rohr 4 ist ein
Seelenrohr 10 angeordnet, dessen offenes Ende sich in der Mitte der Zerstäuberdüse
7 befindet. An seinem, den nicht dargestellten Brennkammern abgewandten Ende, ist
das Seelenrohr 10 mit dem Ejektor 2. verbunden, welcher eine seitlich angeordnete
AbwasserzufUiirungsöffnung 11 und eine mittig angeordnete Luftzuführungsöffnung
12 besitzt. An die Abwasserzuführungsöffnung
11 ist eine Abwasserzuleitung
13, an die Luftzuführungsöffnung 12 eine Luftzuleitung 14 angeschlossen. Sämtliche
Zuleitungen 8, 9, 13 und 14 weisen Regelventile 15, 16, 17 und 18 auf. Ein durch
die Luftzuführungs öffnung 12 konzentrisch zum Seelenrohr 10 in den Ejektor 2 ei?itrot3fldr
LutstraiiL' wird mit einet durch die Abwasserzuführungsöffnung 11 in den Ejektor
eintretenden, einen Ringstrahl bildenden Abwasserstrahl in einer Mischdüse 19 derart
vermischt, daß sich im Seelenrohr 10 eine stabile Tröpfchenwirbelschicht bildet.
Vor der Luftzuführungsöffnung 12 ist eine verstellbare Lochblende 20 angeordnet.
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Der Durchmesser der Luftzuführungsöffnung des Ejektors 2 beträgt etwa
1/3 des Durchmessers der AbwasserzufUhrungsöffnung 11. Die Mischdüse 19 verjüngt
sich konisch vom Durchmesser der Abwasserzuführungsöffnung 11 auf den Durchmesser
des Seelenrohrs 10. Die aus dem offenen Ende des Seelenrohrs 10 austretende Tröpfchenwirbelschicht
wird im Betrieb in das Zentrun der an der Zerstäuberdüse 7 gebildeten Flamme 21
geblasen.
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Beispiel In eine mit 12 Ölzerstäuberbrennern üblicher Bauart mit erfindungsgemäß
verwendeten Drucklüftejektoren ausgerdstets Verbrennungsanlage werden pro Stunde
und Brenner Q42 kg (0,44 m3) Heizöl S und 150 bis 250 kg Dampf eingedüst. Ein aus
der Acrylnitrilproduktion kommender Abwasserstrom mit einem Gehalt von ca. 30% an
organischen Polymeren wird der Verbrennungsanlage über den Ejektor in einer Menge
von 1,25 bis 2,25 m3 pro Stunde und Brenner unter einem Druck von 1 - 4 atü mit
Hilfe von Pumpen und unter Verwendung von Mengenmessern zugeführt. Jedem Ejektor
werden außerdem 16 m3/h Druckluft
von 5,5 atü zugeführt. Die Temperatur
in der Brennkammer beträgt 900 - 9500C.
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Die Luftzuführungsöffnung am Ejektor besitzt einen Durchmesser von
9 mm, der Rohrquerschnitt beträgt also 63,58 mm2; der Durchmesser der bwasserzufu-ungsöffnung
am Ejektor beträgt 27,3 mm, der Rohrquerschnitt also 585 mm2. Das Selenrohr des
Brenners besitzt einen Durchmesser von 13,6 mm, also einen Rohrquerschnitt von 145,1
mm2. Die Strömungsge schwindigkeit der Druckluft beträgt beim Eintritt in den Ejektor
70 m/s, während sie in der Mischdüse des Ejektors an der Stelle ihres größten Durchmessers
nur noch 0,7 m/s beträgt. Die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Luft-Abwasser-Gemisch
das Seelenrohr an der Brennerzerstäuberdüse verläßt, beträgt 35 m/s.
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Unter diesen Bedingungen beträgt das Verhältnis von Brennstoff zu
Abwassermenge 1 : 2,97 bis 1 : 5,35 (kg) oder 1 : 2,84 bis 1 : 5,11 (m3). Die Verbrennungsleistung
der gesamten Anlage beträgt 15 - 27 m3 Abwasser pro Stunde.
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In den Vorbrennkammern setzen sich keine unverbrannten, dem Abwasser
entstammenden Rückstände ab; die Verbrennung ist vollständig.
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VerMleichsversuch Eine Verbrennungsanlage mit 12 Ölzerstäuberbrennern
derselben Art wie im vorhergehenden Beispiel beschrieben, jedoch ohne Druckluftejektoren,
wird ebenfalls mit 0,42 kg (0,44 m) Heizöl S und 150 bis 250 kg Dampf pro Stunde
und Brenner beschickt. Ein aus der Acrylnitrilsynthese kommender Abwasserstrom mit
einem Gehalt von ebenfalls ca. 30 96 an organischen Polymeren wird den Brennern
je nach Heizwert in einer Menge von 0,66 - 0,88 m3 pro Stunde
und
Brenner unter einem Druck von 2 &tü zugekehrt. Der Durchmesser des Seelenrohrs,
durch das das Abwasser der Zerstäuberdüse des Brenners zugeführt wird, beträgt ebenfalls
13,6 mm, der Rohrquerschnitt also 145,1 mm2. Die Austrittsströmungsgeschwindigkeit,
mit der das Abwasser den Brennermund verläßt, beträgt 1,25 bis 1,65 m/s.
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Das Verhältnis von Brennstof zu Abwassermenge beträgt i : 1,5 bis
1 : 2 m. Die Gesamtanlage (12 Brenner) leistet 8 bis 10,6 m3/h Abwasser. Die Temperatur
in der Brennkammer beträgt ca. 11OO0C.
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Ein Vergleich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit dem
bekannten Verfahren erzielten Ergebnisse zeigt, daß die Verbrennungsleistung einer
Anlage bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu 3,4 mal größer ist
als diejenige derselben Anlage bei Anwendung des bekannten Verfahrens, wobei gleichzeitig
ein bis zu 100 96 günstigeres Verhältnis von Brennstoff zu Abwassermenge erzielt
wird und außerdem die Temperatur in der Brennkammer auf 900 - 9500C gesenkt werden
kann.
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Der Grund für die erfindungsgemäß erzielten günstigen Ergebnisse liegt
in der Bildung einer Tröpfchenwirbel schicht aus Luft und Abwasser vor dem Brenner.
Die Ausbildung dieser Tröpfchenwirbelschicht erfolgt an der Grenzschicht einer Druckluftströmung
einer Strömungsgeschwindigkeit von 70 mls. Der Luftstrom expandiert von einem Rohr
eines Durchmessers von 9 mm in einen Raum mit einem Durchmesser von 27,3 mm, wobei
die Strömungsgeschwindigkeit zunächst auf 0,7 m/s reduziert, durch allmähliche Rohrverengung
jedoch wieder auf 35 m/s erhöht wird.
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Die Arbeit, die notwendig ist, um die Flüssigkeitsteilchen zur Erzeugung
der Tröpfchenwirbelschicht voneinander zu trennen, wird der kinetischen Energie
des Luftstromes entnommen. Diese Trennarbeit kann ilberschlagsmäßig der Differenzjelctor
- EBrenner gleichgesetzt werden Die Berecnnung dieser Differenz ergibt mit den im
Beispiel genannten Nassen und Strömungsgeschwindigkeiten einen Wert von etwa 1 kcal/h
(0,9 kcal/h bei 18,25 m3 Luft-Abwasser-Gemisch und 1,51 kcal/h bei 16 m3 Luft).
Berücksichtigt man nun, daß die molare Verdampfungsenthalpie, also die Trennarbeit
für 6.1023 Molekule, von Wasser 9,7 koal/M beträgt, so kann man die "GröBe" der
Tröpfchen, d.h. die Anzahl der in ihnen enthaltenen Moleküle, abschätzen, die durch
die Energiedifferenz des Luftstromes von ca. 1 kcal/h (ohne Berücksichtigung der
Reibungsveluste!) möglich ist.
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Auf diese Weise ergibt sich eine Teilchengröße von etwa 106 H20-Molekülen.
Tatsächlich werden aber durch Rekombination und wegen der enthaltenen organischen
Bestandteile sicher größere Tröpfchen entstehen. Die Überschlagsrechnung vermag
aber dennoch zu zeigen, daß die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile
eine unmittelbare Folge davon sind, daß die zu verbrennenden Abwässer in Form von
Nebel oder Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm in die Flamme
eingedüst werden.
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Dadurch wird verhindert, daß die versprühten Wassertröpfchen bereits
in der Vorbrennkammer aus der Ölflamme zu Boden fallen und aufgrund der darin enthaltenen
organischen Bestandteile zu einem Zuwachsen der Vorbrennkammer führen. Die Tröpfchen
werden vielmehr durch den Luftstrom durch die ganze Länge der Ölflamme bis ins Ofenzentrum
geführt, und die darin enthaltenen organischen Bestandteile werden aufgrund der
sich aus den winzigen Tröpfchendurchmessern ergebenden riesigen Gesamtoberfläche
aller Tröpfchen vom tragenden Luftsauerstoff quantitatis verbrannt.