DE3132866C2 - Brenner zur Verbrennung eines Schadstoffe enthaltenden flüssigen brennbaren Mediums - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Brenner zur Beseitigung von Schadstoffen zu schaffen, welche es ermöglichen, die Schadstoffe bereits am Ort ihrer Entstehung zu vernichten, ohne daß diese über weite Entfernungen transportiert werden müssen, mit der Gefahr der Freisetzung der Schadstoffe durch Unfall. Verfahrensgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Schadstoffe unter hohem Druck versprüht werden und die so gebildeten Teilchen mit eine Geschwindigkeit größer als Schallgeschwindigkeit besitzenden Luft- oder Sauerstoffstrahlen weiter zerteilt bzw. verdampft werden und das entstehende gasförmige Gemisch mit Verbrennungsluft vermischt und verbrannt wird. Der Brenner ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (10) mit ihrer äußeren Umfläche an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes (12) des Mantelrohres (7) linienförmig anliegt, unter Bildung eines sich von dem Bereich vor den einen Enden der Nuten (16) bis in deren engsten Querschnitt sich verjüngenden Raumes (7) und eines sich von dem Querschnitt der Nuten (16) bis in den Bereich hinter den anderen Enden der Nuten (16) erweiternden Raumes (17).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Verbrennung eines Schadstoffe enthaltenden flüssigen brennbaren Mediums, welcher eine Zufuhr für Verbrennungsluft und ein mit einer Austrittsöffnung versehenes, sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngendes Mantelrohr für ein sauerstoffhaltiges Druckgas als Zerstäubungsmedium aufweist, vor dessen Austrittsöffnung stromauf eine Zerstäuberdüse für das flüssige brennbare Medium angeordnet ist, welche mit dem sich konisch verjüngenden Ende des Mantelrohres einen sich zunächst verjüngenden Ringraum und zur Mündung der Zerstäuberdüse hin einen sich wieder erweiternden Ringraum bildet.

Durch die US-PS 32 13 918 ist ein Brenner der gailungsgemäßen Art in Ausbildung als Kombinationsbrenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe bekannt, bei welchem unter Druck stehender flüssiger Brennstoff zerstäubt und durch ein Gas mit niedrigem Druck (nicht größer als 2,034 bar) weiter zerstäubt wird. Die öldüse des Brenners ist an ihrem vorderen Ende zunächst konisch erweitert und dann konisch verjüngt und in ein Mantelrohr axial verschiebbar so eingesetzt, daß zwischen konischer Innenwand des Mantelrohrendes und dem doppelten Düscnaußenkonus ein ringförmiger Spalt verbleibt, dessen Weite zum Zwecke der Durchflußregulicrung variabel ist, innerhalb der durch eine Wegbegrenzung festgelegten Strecke.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß eine feinste Zerstäubung des flüssigen Mediums bei geringer Verweilzcit erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Zerstäuberdüse an ihrer vorderen äußeren Umfläche im wesentlichen längsgerichtete Nuten aufweist, daß die zwischen den Nuten liegenden Wandbereiche der Zerstäuberdüse an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden Endes des Mantelrohres linienförmig anliegen und daß die beiden Ringräume beiderseits der Berührungslinie liegen und im Bereich der Nuten mit diesen Düsen nach Art jeweils einer Laval-Düse bilden.

Die Geometrie der Anordnung im Bereich der Andruckstelle der Zerstäuberdüse gegen das sich konisch verjüngende vordere Ende des Mantelrohres stellt sich dar als längs der radialen Zentralebene geschnittene und somit halbierte Laval-Düsen. Durch dkse Ausgestaltung werden Schadstoffe organischer Natur, insbesondere Abfallprodukte aus pharmazeutischer und chemischer Produktion, unter Zusatz eines flüssigen Brennstoffes von der Zerstäuberdüse versprüht und die hierdurch gebildeten Tröpfchen mit Luft- oder Sauerstoffstrahlcn mit einem statischen Druck, der geringer ist als der Dampfdruck des zu zerstäubenden Gemisches, und mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die Schall-

ji geschwindigkeit, weiter zerteilt und verdampft. Die Schadstoffe und die zugesetzten Brennstoffe werden beispielsweise mit einem Druck zwischen 5—20 bar von der Zerstäuberdüse versprüht, wobei die Luft- bzw. Sauerstoffstrahlen einen gegenüber diesem Druck verminderten Druck von beispielsweise anfänglich 2,5 bar besitzen, der in eine Überschallgeschwindigkeit gewandelt wird, wodurch die Brennstoffteilchen weiter zerteilt werden. Das Schadstoff-Brennstoffdampf-Luft- bzw. -Sauerstoff-Gemisch wird mit Verbrennungsluft niedrigen Vordrucks vermischt und in einem Brennerrohr vollständig verbrannt. Durch den Brenner wird die Feinstzerstäubung des die Schadstoffe enthaltenden flüssigen brennbaren Mediums durch Luft- bzw. Sauerstoffstrahlcn vergleichsweise geringer Masse bewirkt,

w die Geschwindigkeiten von größer als Schallgeschwindigkeit aufweisen. Die der Zerstäubung dienende Luft bzw. der diesem Zweck dienende Sauerstoff wird in den Strom der vorzerstäubten Schadstoffe und zugesetzten Brennstoffe über Nuten eingeleitet, die die Charaktcri-

v, stik von Laval-Düsen haben, bei denen die zuströmende Druckluft bzw. der zuströmende Sauerstoff durch einen Raum mit sich stetig verjüngendem Querschnitt geleitet werden und nach Durchströmen des engsten Querschnittes in einen sich stetig erweiternden Raum gclan-

M) gen und aus diesem dem Mund der Zerstäuberdüse zufließen, wobei der dem Strahl noch innewohnende Druck durch Expansion in eine Geschwindigkeit, größer als .Schallgeschwindigkeit, umgewandelt wird. Die mit Überschallgeschwindigkeit austretenden Luft- bzw.

M Sauerstoffstrahlen rufen Marke Verdichtungsstößc hervor, die von starken Unterdruckimpulsen periodisch abgelöst werden. Diese Wechselwirkung von Druck und Unterdruck führt zu einer weiteren Zerteilung der be-

reits feinstzerstäubten Teilchen auf eine Größenordnung von unter 1 um und infolge der dadurch erzielten starken Vergrößerung der Oberfläche in Verbindung mit dem vor der Düse sich bildenden Unterdiuck ergibt sich eine vollständige Verdampfung, weil der Dampfdruck der Tröpfchen größer ist als der Druck der Umgebung während der Unterdruckimpulsphasen.

Durch die AT-PS 1 41 223 ist ein ölbrenner mit zentraler ölzuführung und ringförmigem Luftkanal bekannt, bei weichem in der Austrittsöffnung ein Düsen- »körper mit gekrümmten Luftzuführungsrippen vorgesehen ist, welche zu Zerstäubung des Öls im Austrittsbereich des Brenners dem Luftstrom einen Drall verleihen. Der Düsenkörper liegt mit seiner äußeren Umfläche an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes des Luftkanalmantelrohres an.

Gegenstand des DE-GM 16 86 032 ist ein ölbrenner mit Vorzerstäubung. Für die Vorzerstäubung ist ein Strahlapparat vorgesehen, der mit einer konisch erweiterten Austrittsdüse in Verbindung steht. Zur Unterstützung bzw. Verbesserung der Zerstäubung kann bei der konisch erweiterten Austrittsdüse ein zusätzlicher Preßluftstrahl Verwendung finden. Zu diesem Zwecke ist außen um die Austrittsdüse für das vorzerstäubte Gemisch noch eine Ringdüse mit konischer Erweiterung nach Art einer Laval-Düse angebracht.

Vorteilhaft weist die Zerstäuberdüse an ihrem vorderen Ende eine kugelförmige äußere Umfläche auf. Es ist jedoch auch möglich, daß die Zerstäuberdüse an ihrem vorderen Ende mit einer Umfläche versehen ist, die den Mantelflächen zweier Kegelstümpfe entspricht, deren vordere einen Scheitelwinkel größer und deren hintere einen Scheitelwinkel kleiner als der Konuswinkel des Mantelrohres besitzen. Auch durch diese Ausführung ergeben sich die angestrebten vorteilhaften Wirkungen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Mantelrohr des Brenners von einem weiteren Mantelrohr unter Bildung eines Ringraumes umgeben, welcher an seinem vorderen, sich konisch verjüngenden Ende mit Austrittsöffnungen versehen ist und an seinem hinteren Ende an eine Zuführungsleitung für gasförmigen Brennstoff angeschlossen ist. Auf diese Weise ist es möglich, in einem Brenner gleichzeitig flüssige und gasförmige Brennstoffe, die den zu vernichtenden Schadstoffen zugemischt sind, zu verbrennen. -Ci

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Brenners,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Brenners,

F i g. 3 eine geschnittene Seitenansicht eines Verbrennungsofens und

Fig.4 eine geschnittene Vorderansicht des Ofens nach F i g. 3 gemäß der Linie IV-IV der F i g. 3.

Bei der Ausführung nach F i g. 1 ist das Brennerrohr mit 1, der Befestigungsflansch des Brenners mit 2, das Anschlußgehäuse mit 2a und der Deckelflansch mit 3 bezeichnet. Die Zuführungsleitung 4 für Verbrennungsluft mündet radial in das Brennerrohr 1 ein, während die bo Zuführungsleitung S für die Emulsion aus Schadstoffen und Heizöl bzw. Heizöl/Wasser und die Zuführungsleitung 6 für Druckluft oder Sauerstoff an den nachfolgend noch näher beschriebenen Brenner angeschlossen sind.

Der Brenner weist ein mit einer Austrittsöffnung 18 h? versehenes, sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngendes Mantelrohr 7 auf, vor dessen Austritisöffnune 18 sich die Zerstäuberdüse 10 befindet. Die Zerstäuberdüse 10 besitzt an ihrem vorderen finde eine kugelförmige äußere Umfläche und liegt mit dieser an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes des Mantelrohres 7 linienförmig an. In diesem Bereich der Zerstäuberdüse 10 sind in deren äußerer Umfläche Nuten 16 eingeschnitten, deren eine Enden von einem von der Zerstäuberdüse 10 und dem Mantelrohr 7 gebildeten Ringraum 9, der als Druckluftverteilerraum dient, ausgehen und deren andere Enden mit dem Austrittsraum der Zerstäuberdüse 10 in Verbindung stehen.

Durch die Anlage der kugelförmigen äußeren Umfläche der Zerstäuberdüse 10 an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes des Mantelrohres 7 ergibt sich je ein Ringraum 17 im Bereich vor der Berührungslinie und im Bereich hinter der Berührungslinie, wobei beide Räume 17 geometrisch gleich gestallet sind. Die Nuten 16 verlaufen parallel zur Mantelfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes 12 des Mantelrohres 7, sind aber gegen die Hauptsache des Systems in Umfangsrichtung versetzt, so daß sich eine Verwirbelung ergibt. Die Räume 17 mit sich stetig veränderndem Querschnitt gehen in die Nuten 16 über bis zu der Stelle ihrer geringsten Querschnitte. Die Geometrie der Anordnung im Bereich der Andruckstelle der Zerstäuberdüse 10 gegen das sich konisch verjüngende vordere Ende 12 des Mantelrohres 7 stellt sich dar als eine längs der Zentralebene geschnittene und somit halbierte Laval-Düse.

Die Zerstäuberdüse kann an ihrem vorderen Ende auch mit einer äußeren Umfläche versehen sein, die den Mantelflächen zweier Kegelstümpfe entspricht, deren vordere einen Scheitelwinkel größer und deren hintere einen Scheitelwinkel kleiner als der Konuswinkel des Mantelrohres besitzen.

Mit 8 ist der Düsenhalter des Brenners bezeichnet, in den die Zuführungsleitung 5 für das Schadstoff-Öl- bzw. -Öl/Wasser-Gemisch einmündet. Der Verteilerraum U für dieses Gemisch befindet sich im Inneren des Düsenhalters 8.

Vor der Austrittsöffnung 18 des Mantelrohres 7 ist in einem bestimmten Abstand eine mit einer zentralen Durchtrittsöffnung 14 versehene Stauscheibe 13 vorgesehen, welche durch die Träger 15 gehalten ist, die gleichzeitig als Abstandhalter dienen.

Die Wirkungsweise des Brenners ist derart, daß das über die Zuführungsleitung 5 zugeführte, flüssige Gemisch in den Verteilerraum U gelangt und aus diesem unter hohem Druck der Zerstäuberdüse 10 zugeführt wird. Die dabei sich bildenden Teilchen werden durch die über die Zuführungsleitung 6 in den Ringraum 9 eintretende Druckluft bzw. den eingeleiteten Sauerstoff weiter zerstäubt, und zwar wird diese bzw. dieser durch die Nuten 16 in Strahlen von hoher Geschwindigkeit aufgeteilt, wobei die Geschwindigkeit größer ist als die Schallgeschwindigkeit. Die auf diese Weise weiter zerteilten Teilchen werden durch die gasdynamische Ausbildung von Unterdruckimpulsen weiter verdampft, wobei das gasförmige Gemisch mit Verbrennungsluft niedrigen Vordrucks vermischt in das Brennerrohr eintritt. Die Verbrennungsluft wird über die Zuführungsleitung 4 in das Brennerrohr 1, und zwar in den den Brenner umgebenden Ringraum, eingeleitet.

Durch die in mehreren Stufen erfolgende Zerstäubung sowie intensive Vermischung mit der Verbrennungsluft ergibt sich eine sehr heiße, stöchiometrische, nichtleuchtende Flamme im Brennerrohr 1, wobei die Schadstoffe und Brennstoffe völlie rußfrei verbrannt

werden.

Die für die Feinstzerstäubung über die Zuführungsleitung zugeführte Druckluft bzw. der zugeführte Sauerstoff kühlt die Zerstäuberdüse 10, so daß diese vor der Auswirkung einer Temperaturrückstrahlung aus dem ■> Brennerrohr 1 geschützt ist.

Bei der Ausführung nach F i g. 2 ist das Mantelrohr 7 des Brenners von einem weiteren Mantelrohr 21 umgeben, und zwar unter Bildung eines Ringraumes 23. Am vorderen Ende des sich konisch verjüngenden Mantelrohres 21 sind Austrittsöffnungen 22 vorhanden. Der Ringraum 23 ist an die Zuführungsleitung 20 für gasförmigen Brennstoff angeschlossen. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich die Möglichkeit, in einem Brenner gleichzeitig flüssige und gasförmige Brennstoffe zu vcr- i^r> feuern.

In F i g. 3 und 4 ist ein Verbrennungsofen 35 dargestellt, der mit dem Brenner nach Fig. I oder 2 einseitig bestückt ist. Der Brenner erstreckt sich in einen Reaktionsraum 29. in dessen Mantelrohr 29a das aus dem Brenner austretende gasförmige Gemisch bei Temperaturen zwischen 1700—2000^cC verbrannt wird. Am Ende dieses Reaktionsraumes 29 wird über die Verteilerdüse 30 Kaltluft in das System eingeblasen, um die Abgase auf ca. 1000°C abzukühlen. Das Rauchgas wird weiter im Ringraum 31 abgekühlt, der von einem Rohrstutzen 33 umfaßt ist und durch den luftdurchflossenen Wärmetauscherrohre 32 geführt sind, woraufhin die Abgase ggf. nach weiterer Zumischung von Luft in die freie Atmosphäre über den Abgasstutzen 34 entweichen können. Die den Wärmetauscher 32 durchsetzende Luft wird auf mehrere 100⁰C vorgewärmt und dem Brenner als Verbrennungsluft zugeführt.

Es ist möglich, den Wärmetauscher 32 in keramischem Material auszuführen. Mit einer solchen Ausge- v, staltung sind wesentlich höhere Verbrennungslufttemperaturen möglich, beispielsweise bis 1000° C. Dabei kann eine Kaltiufteinblasung über die Verteilerdose 30 entfallen.

40

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

50

60

65

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brenner zur Verbrennung eines Schadstoffe enthaltenden flüssigen brennbaren Mediums, welcher eine Zufuhr für Verbrennungsluft und ein mit einer Austrittsöffnung versehenes, sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngendes Mantelrohr für «in sauerstoffhaltiges Druckgas als Zerstäubungsmedium aufweist, vor dessen Austrittsöffnung stromauf eine Zerstäuberdüse für das flüssige brennbare Medium angeordnet ist, welche mit dem sich konisch verjüngenden Ende des Mantelrohres einen sich zunächst verjüngenden Ringraum und zur Mündung der Zerstäuberdüse hin einen sich wieder erweiternden Ringraum bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (10) an ihrer vorderen äußeren Umfläche im wesentlichen längsgerichtete Nuten (16) aufweist, daß die zwischen den Nuten (16) liegenden Wandbereiche der Zerstäuberdüse (10) an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden Endes (12) des Mantelrohres (7) linienförmig anliegen und daß die beiden Ringräume (17) beiderseits der Berührungslinie liegen und im Bereich der Nuten (16) mit diesen Düsen nach Art jeweils einer Laval-Düse bilden.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere äußere Umfläche der Zerstäuberdüse (10) kugelförmig ist.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere äußere Umfläche der Zerstäuberdüse (10) den Mantelflächen zweier Kcgclstümpfe entspricht, deren vordere, einen Scheitelwinkel größer und deren hintere einen Scheitelwinkel kleiner als der Konuswinkel des Mantelrohres (7) besitzen.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (7j von einem weiteren Mantelrohr (21) unter Bildung eines Ringraumes (23) umgeben ist, welcher an seinem vorderen, sich konisch verjüngenden Ende mit Austrittsöffnungen (22) versehen ist und an seinem hinteren Ende an eine Zuführungsleitung (20) für gasförmigen Brennstoff angeschlossen ist.