DE4114171A1 - Spiralstromfeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien mit materialspezifischer Korngröße in einer Spiralstromfeuerung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Spiralstromfeuerungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 16.

In etwa mit der vorgenannten Spiralstromfeuerung vergleich­ bare Feuerungsverfahren und -vorrichtungen werden in der Literatur mit Drehströmungs- oder Rotationsbrenner-Feuerun­ gen bezeichnet.

Drehströmungs-Feuerungen sind beispielsweise aus der EP 0 80 429 B1 oder aus der DE 32 22 408 A1 bekannt. So wird in der vorgenannten EP 0 80 429 B1 eine Drehströmungs-Feuerung zur Verbrennung von staubförmigen, kohlenstoffhaltigen Parti­ keln, insbesondere von Steinkohle, beschrieben, bei der das Brennstoff-Förderluftgemisch tangential in den Brennraum eingeblasen wird. Zur Erzeugung einer stabilen Drehströmung werden verschiedene Hilfsströmungen von Verbrennungsluft genutzt, wobei der wesentliche Teil an Verbrennungsluft über in Umfangsrichtung und in Längsrichtung der Brennkam­ mer verteilte Düsen zugeführt wird. Zur Erhöhung der Ver­ weilzeit der kohlenstoffhaltigen Partikel in der Brennkam­ mer setzt man bei dieser bekannten Drehströmungs-Feuerung kegelstumpfförmige Bereiche an den Stirnseiten der Brenn­ kammer ein, die zu einer Umlenkung der Drehströmung führen, so daß die zu verbrennenden Partikel hierdurch über ein Mehrfaches der axialen Länge der Brennkammer im Verbren­ nungsprozeß gehalten werden können. Dieses bekannte Prin­ zip der Drehströmungs-Feuerung mit mehrfacher Umlenkung macht jedoch auch hohe Einströmgeschwindigkeiten von etwa 50 bis 70 m/s erforderlich. Diese vorbekannten Drehströ­ mungs-Feuerungen kommen zwar ohne eine Stützfeuerung aus. Im Gesamtkontext ist diese Verbrennung jedoch auf staub­ förmige, kohlenstoffhaltige Partikeln, wie Steinkohle­ staub, beschränkt.

Eine andere Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Partikeln, nämlich Koksstaub, ist in der Zeitschrift "Brennstoff, Wärme, Kraft", Bd. 42, 1990, Nr. 5, S. 244 ff. beschrieben. Auch bei dieser Verbrennung mittels Rotationsbrenner kommt man ohne eine Stützfeuerung aus. Das Brennstaub-Förderluft­ gemisch wird hierbei tangential über mehrere Düsen zu­ geführt, während die Verbrennungsluft radial in den Brenn­ raum eintritt. Entsprechend diesem letztgenannten Verfahren zur Verbrennung von Koksstaub wird empfohlen, zur Vermei­ dung von Schlackenbildung unterhalb der Temperatur des ent­ sprechenden Asche-Schmelzpunktes die Verbrennung bei etwa 950°C durchzuführen. Zwar erreicht man auch hier einen guten Ausbrand der Koksstaubpartikel, der in einer Korn­ größe zwischen etwa 0,06 mm bis etwa 1 mm vorlag. Aber auch diese Verbrennung mittels Rotationsbrenner läßt die Frage nach einer Verbrennung und Entsorgung von kohlen­ stoffhaltigen Partikeln mit nicht brennbaren Bestandteilen offen.

Ausgehend von den vorgenannten Verbrennungsverfahren und Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Spiralstromfeuerung verfahrensmäßig wie vor­ richtungsmäßig so zu konzipieren, daß damit die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien auch mit höheren Antei­ len an nicht brennbaren Bestandteilen, die gegebenenfalls mit organischen Schadstoffen beladen sein können, möglich ist, wobei Anbackungsprobleme von Asche vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und bei einer Spiralstromfeuerungs-Vorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 16 gelöst.

Ein essentieller Kerngedanke der Erfindung kann daher darin gesehen werden, von dem möglicherweise bestehenden Vorur­ teil, die Verbrennungstemperatur nicht über den entspre­ chenden Asche-Schmelzpunkt anzuheben, abzugehen und gerade die Verbrennung mit einer Temperatur größer 1200°C durchzuführen. Hierbei erreicht man ebenfalls - abhängig vom Durchsatz des zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Ma­ terials - eine stabile, exotherme Verbrennung, die ohne eine Stützflamme auskommt. Es hat sich hierbei in Versuchen her­ ausgestellt, daß ein hoher Ausbranntgrad (z. B. kleiner 0,1% Kohlenstoff in der Asche) erreicht wird. Zudem kann der Gehalt an nicht brennbaren Bestandteilen in dem zu verbren­ nenden Material abhängig vom jeweiligen Material zwischen 0,1% und etwa 80% liegen. Außerdem hat sich gezeigt, daß auch materialspezifische Korngrößen im Bereich von etwa 10^-4 mm bis 5 mm der Verbrennung zugeführt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt daher zunächst auf eine materialspezifische Korngröße bzw. Korngrößenbereich des zur Verbrennung vorgesehenen kohlenstoffhaltigen Mate­ rials ab, wobei dieser Korngrößenbereich vom Anteil an fe­ sten Kohlenstoffen (c_fix) und den im Material vorhande­ nen flüchtigen brennbaren Bestandteilen a_flüchtig ab­ hängt. So kann beispielsweise Klärschlamm mit einem rela­ tiv hohen Anteil an flüchtigen Kohlenwasserstoffen mit ei­ ner Korngröße im Bereich von 4 mm verbrannt werden, während ein Gemisch aus Calciumhydroxid und z. B. Aktivkohle, auch Sorbalith genannt, je nach Anteil an Kohlenstoff bzw. dem Anteil an flüchtigen Bestandteilen in der Aktivkohle auf Korngrößen kleiner 0,04 mm vor der Verbrennung zerkleinert werden muß.

Wie durchgeführte Versuche gezeigt haben, tritt besonders bei solchen Materialien z. B. Klärschlamm, ein Sekundär­ zerkleinerungseffekt ein, wenn ein gewisser Anteil Wasser im Material gebunden ist sowie höhere Anteile an flüchtigen brennbaren Bestandteilen vorhanden sind. Dieser überra­ schend beobachtete Effekt ist darauf zurückzuführen, daß die in dem Brennstoff beinhalteten flüchtigen Bestandteile beim Eintritt in den heißen Brennraum explosionsartig im Brennstoffkorn freigesetzt werden. Das Gas nimmt der Tempe­ ratur entsprechend ein größeres Volumen ein und es kommt folglich zu einem Druckanstieg, solange sich das Gas in Po­ ren und Kavernen des festen Brennstoffs befindet. Beim Überschreiten des kritischen Druckes wird das Gefüge des Brennstoffkorns zerstört und das Brennstoffkorn damit zer­ kleinert. Hieraus resultiert eine Vergrößerung der Brenn­ stoffoberfläche, womit die im Brennstoff enthaltenen festen brennbaren Bestandteile einer effektiveren Sauerstoffzufuhr zugänglich gemacht werden. Damit wird insgesamt gesehen die Verbrennung beschleunigt und ein hoher Ausbranntgrad ermög­ licht.

Obwohl das Verbrennungsverfahren mittels Spiralstromfeue­ rung ohne eine Stützfeuerung auskommt, wird zunächst wäh­ rend eines relativ kurzen Zeitintervalls der Verbrennungs­ raum allotherm z. B. mittels einer Zündfeuerung soweit auf­ geheizt, bis die exotherme, selbständige Verbrennung des zugeführten kohlenstoffhaltigen Materials in Gang kommt. Danach wird die Zündfeuerung abgeschaltet.

Sowohl das Material-Förderluftgemisch als auch die Verbren­ nungsluft werden dem Verbrennungsraum tangential zugeführt, wobei in Wandnähe des Verbrennungsraums eine Kühlzone durch den Verbrennungsluftschleier gebildet wird. Hierdurch wird einerseits zu verbrennendes körniges Material weitestgehend von der Brennkammerwandung ferngehalten und eine Abrasion vermieden. Darüber hinaus wird jedoch durch den kühlenden Effekt der eintretenden Verbrennungsluft im Bereich der Wandung ein Anbacken von Aschepartikeln vermieden, da die Temperatur im Kühlzonenbereich unterhalb des jeweiligen Asche-Schmelzpunktes liegt.

Die Auswirkungen dieses vorgenannten Effekts hat man bisher offensichtlich fehlinterpretiert, da es bisher vermieden wurde, die stabile Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Ma­ terialien über dem Asche-Schmelzpunkt und speziell über eine Temperatur von größer 1200°C durchzuführen.

Hierbei tritt hinzu, daß es sich überraschenderweise ge­ zeigt hat, daß das derart verbrannte kohlenstoffhaltige Ma­ terial unterschiedliche Anteile und sogar sehr hohe Anteile bis in den Bereich von 80% an nicht brennbaren Bestandtei­ len aufweisen konnte.

Um eine stabile, exotherme Verbrennung in einem Temperatur­ bereich größer 1200°C zu erreichen, war der Material­ durchsatz (kg/h) als Funktion des jeweils zu verbrennenden Materials und seiner nicht brennbaren Bestandteile sowie seines Heizwertes, seiner materialspezifischen Korngröße und des Verhältnisses von festen zu flüchtigen brennbaren Bestandteilen durchzuführen.

So hat sich beispielsweise bei Versuchen zur Verbrennung von Aktivkohle, die mit hohen Anteilen von nicht-brennbaren Zusätzen behaftet war, gezeigt, daß man mit einer Steige­ rung des Brennstoffdurchsatzes eine genauso gute und stabi­ le Flammenausbildung erreicht, wie es mit reiner Aktivkoh­ le, aber schon geringeren Brennstoffdurchsätzen erzielt werden konnte. Hierbei konnten sowohl in radialer als in axialer Richtung Temperaturen über die Brennkammer im Be­ reich von 1300°C erreicht werden.

Diese Erkenntnisse und die dabei erreichten Verweilzeiten der zu verbrennenden Partikel im Bereich von 2 sec und mehr zeigen daher, daß das Verbrennungsverfahren mittels Spiral­ stromfeuerung in der vorgenannten Art geeignet ist, auch schadstoffbelastetes, kohlenstoffhaltiges Material zu ver­ brennen, so daß damit auch z. B. mit Dioxine, Furane, bela­ dene Materialien im Sinne einer Entsorgung verbrennbar sind bzw. Schwermetalle, Schwefelsäure etc. aus dem Material verflüchtigbar und in nachgeschalteten Filtern aus dem Sy­ stem ausschleusbar sind.

Aufgrund von Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der eingesetzten Spiralstromfeuerung, bei der die Par­ tikel im Verbrennungsraum einen spiralförmigen Weg und da­ mit eine hohe Verweilzeit aufweisen, hat sich gezeigt, daß die brennbaren Materialien als Kohlenstoff aller bekannten Modifikationen oder in Form von Kohlenstoffverbindungen in dem zu verbrennenden Material vorliegen können, wobei der Anteil an nicht brennbaren Bestandteilen 70% bis 80% betra­ gen kann. Unter Berücksichtigung der materialspezifischen Kennwerte des zu verbrennenden Materials, wie Heizwert, Be­ standteilen an festen Kohlenstoffen und flüchtigen, brenn­ baren Bestandteilen, der Korngröße und dergleichen läßt sich daher mittels des Materialdurchsatzes im Verbrennungs­ raum eine stabile exotherme Verbrennung über eine Tempera­ tur von 1200°C erreichen. Hierbei werden jedoch durch das tangentiale Einblasen der Verbrennungsluft und des Ma­ terial-Förderluftgemisches die problematischen Anbackungen sowie Abrasion von Asche an den Wandungen des Verbrennungs­ raums vermieden.

Vorteilhafterweise wird dabei die Einblasung des Materi­ al-Förderluftgemisches gekoppelt mit der Verbrennungsluft in Art einer Doppelleitung durchgeführt. Bei dieser tangential in den Verbrennungsraum mündenden Doppelleitung wird die Verbrennungsluft am Innenumfang der Verbrennungskammer ein­ geblasen, so daß sich eine verstärkte Luftzone zwischen Brennstoff und Wandung ausbildet. Hierdurch wird besonders im Bereich der Zuführung der festen Brennstoffe infolge der bekannten Schleifwirkung derartiger Brennstoffe die zu er­ wartende Abrasion des Feuerfestmaterials weitestgehend ver­ mieden.

Im Vergleich zu Rotationsbrennern bekannter Art hat sich auch gezeigt, daß man bei dieser Spiralstromfeuerung mit Einströmgeschwindigkeiten im Bereich von 12 m/s bis ca. 30 m/s und vorzugsweise mit etwa 20 m/s auskommt, um einer­ seits eine stabile Verbrennung und andererseits eine rela­ tiv hohe Verweilzeit mit etwa 2 sec oder mehr der zu ver­ brennenden Partikel im Verbrennungsraum zu erreichen.

Auch zeigte es sich, daß das Verbrennungsverfahren und die entsprechende Spiralstromfeuerungs-Vorrichtung sowohl in horizontaler Anordnung als auch in vertikaler Anordnung betrieben werden kann. Zweckmäßigerweise können Materia­ lien mit Aschenanteilen kleiner 10% und einer Korngröße kleiner 1 mm bei horizontaler Anordnung der Brennkammer verbrannt werden. Bei kohlenstoffhaltigen Materialien mit Ascheanteilen größer 10% ist eine senkrechte Anordnung mit nicht geschmolzenem Ascheaustrag nach unten zu bevorzugen.

Vorteilhafterweise wird die Wandung der Brennkammer als Doppelwandung ausgelegt, um den inneren Mantel als Vorwärm­ mantel für die zugeführte Verbrennungsluft nutzen zu kön­ nen, wobei vorteilhafterweise gleichzeitig eine Kühlung des feuerfesten Materials erreicht wird. Dies ermöglicht es, den Verbrennungsvorgang zu beschleunigen und damit die axiale Länge der Brennkammer zu verkürzen, wobei keine Ver­ minderung des Ausbranntgrades eintritt. Das Einblasen des Material-Förderluftgemisches in den Verbrennungsraum ge­ schieht mindestens in einer Verbrennungsraumebene, bevor­ zugterweise jedoch in zwei axial geringfügig beabstandeten Ebenen. In einer Ebene können hierfür vier tangential ange­ ordnete, gleichmäßig über den Umfang verteilte Einblasdüsen vorgesehen sein. Bevorzugterweise werden in einer Ebene je­ doch nur zwei mit einem Zuführkanal für Verbrennungsluft gekoppelte Einblasdüsen für das Material-Förderluftgemisch genutzt, wobei diese Einblasdüsen dann um 180° gegen­ einander versetzt sind.

Die tangentialen Zuführkanäle für Verbrennungsluft sind in mehreren axialen Ebenen über die Länge der Brennkammer ver­ teilt angeordnet, wobei pro Ebene insbesondere vier oder mehr, je nach Brennergröße, gegeneinander versetzte Zuführ­ kanäle vorgesehen sind. Über entsprechende Regeleinrichtun­ gen kann daher die zugeführte Brennluft sowohl innerhalb einer Ebene als auch über die gesamte axiale Länge der Brennkammer volumen- und geschwindigkeitsmäßig in Abhängig­ keit von der Brennstoffart, der Korngröße und der Brenner­ leistung gut gesteuert werden. Diese Regelungsmöglichkeit erlaubt es, den Verbrennungsvorgang insgesamt gesehen so zu steuern, daß das gewünschte axiale wie radiale Temperatur­ profil im Verbrennungsraum erreicht wird.

Zudem läßt sich über diese Regeleinrichtung, die beispiels­ weise als Regelklappen oder Regelventile auch elektronisch angesteuert werden kann, auch im Kleinstlastbetrieb die er­ forderliche Spiralstrombewegung für eine stabile Verbren­ nung im Verbrennungsraum einstellen, so daß auch insgesamt gesehen die Verweilzeit der Feststoffpartikel im Verbren­ nungsraum hierdurch mitbestimmbar ist, wodurch auch der Ausbranntgrad bis in einen Bereich größer 99% steuerbar wird.

Im Hinblick auf eine Reduzierung der Stickoxidanteile (NO_x) eignet es sich, der Verbrennungsluft Rückbrüden zuzumischen, wodurch der absolute Sauerstoffgehalt relativ klein gehalten wird.

Da auch im Hinblick auf eine Verbrennung organischer Schad­ stoffe wie Dioxine, Furane etc. eine Verbrennungstemperatur größer 1200°C eingestellt wird, müssen die Probleme der Anbackung geschmolzener Ascheteilchen an den Wandungen sowohl in der Brennkammer als auch in nachgeschalteten Aggregaten vermieden werden.

An den Wandungen der Brennkammer kann dies in hervorragen­ der Weise durch das tangentiale Einblasen der Verbrennungs­ luft herbeigeführt werden, womit nicht nur eine Kühlzone im Wandungsbereich realisiert wird, in der die Ascheteilchen und das feuerfeste Material unterhalb ihres Ascheschmelz­ punktes abgekühlt werden. Vielmehr werden dadurch auch ab­ rasive Beeinträchtigungen der Wandung durch die zu verbren­ nenden Materialpartikel vermieden.

Die aus dem Verbrennungsraum austretenden Heißgase werden deshalb durch Zuführung oder Beimischung von Rückbrüden oder Frischluft auf eine Temperatur herabgekühlt, die ein Anbacken der Aschepartikel in den nachgeschalteten Aggrega­ ten und an den Wänden der nachgeschalteten Leitungen ver­ hindert. Hierzu wird vorrichtungsmäßig an die zylindrische Brennkammer der Spiralströmfeuerung eine Abkühl- oder Mischkammer angeschlossen, in der z. B. zur raschen Abküh­ lung der Heißgase Frischluft tangential, jedoch entgegen­ gesetzt zur Richtung der Spiralströmfeuerung eingeblasen wird.

Um bei der Verbrennung von schadstoffbeladenen, kohlen­ stoffhaltigen Materialien, deren Energieinhalt bei der Ver­ brennung nicht voll ausgenutzt werden soll, eine Rückbil­ dung im Sinne einer Denovo-Synthese, z. B. von Dioxinen zu verhindern, kann in kürzester Zeit eine Quetschung auf ei­ ne Temperatur kleiner 200°C durch Eindüsen von Wasser erfolgen. Für diesen Fall würde auch im Sinne der BIMSch (Bundesimmissionsschutzgesetz) das Nachschalten eines nor­ malen Filters und einer Rauchgasreinigungsanlage ausrei­ chen.

In Versuchsreihen hat sich das breite Einsatzgebiet der Er­ findung für die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Mate­ rialien, die auch mit toxischen Stoffen beladen sein kön­ nen, weitestgehend bestätigt. So können getrocknete Klär­ schlämme mit Korngrößen bis zu 5 mm und einer Restfeuchte kleiner 10% unter Nutzung der entsprechenden Energieinhal­ te für z. B. Trocknungszwecke, Wasseraufbereitung oder der­ gleichen zumindest teilentsorgt werden.

Auch ist die Verbrennung von gemahlenem Ölschiefer möglich, wobei der anfallende Ascheanteil zur Herstellung hochwerti­ ger Zemente genutzt werden kann. Auch die Verbrennung von Braunkohlenkoksen, die adsorptiv oder absorptiv gebundene organische toxische Stoffe, z. B. Furane oder Dioxine, ent­ halten, ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Ebenfalls konnten Steinkohlen-Koksabfälle mit niedrigem Gehalt an flüchtigen Kohlenwasserstoffen zur Ent­ sorgung dieses Abriebs verbrannt werden.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung könnte die Ver­ brennung von Filterstäuben sein, die aus der Verschwelung von Aluminiumabfällen entstehen und die im wesentlichen aus amorphen Kohlenstoff und feinkörnigem elementarem Aluminium zusammengesetzt sind und stark mit Dioxin und Furan beladen sind, unter Nutzung der Wärmeinhalte verbrannt werden.

Ein anderes Beispiel für den Einsatzbereich der Erfindung wäre die Verbrennung von Mischungen aus feinstkörnigen Kal­ ziumverbindungen und aufgemahlenen Kohlen oder Koksen, die aus Filtereinrichtungen von z. B. Müllverbrennungsanlagen stammen und dort zur Abscheidung von Schwermetallen, Dioxi­ nen und Furanen Verwendung fanden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung für eine Spiralstromfeuerung und einer tabellarischen Übersicht zu Beispielen verbrenn­ barer kohlenstoffhaltiger Materialien noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine tabellarische Übersicht über fünf in ihrer Ma­ terialstruktur sehr unterschiedliche verbrennbare Materialien;

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch die Brennkammer einer Spiralstromfeuerung mit nachgeschalteter Abkühlkam­ mer und

Fig. 3 einen radialen Schnitt längs der Linie A-B der Dar­ stellung nach Fig. 2.

Exemplarisch für dieses breite Einsatzgebiet der Erfindung sind in der Fig. 1 tabellarisch fünf kohlenstoffhaltige Ma­ terialien aufgeführt, die gemäß der Erfindung im Tempera­ turbereich größer 1200°C verbrannt werden können. Hierbei kennzeichnet C_fix den Bestandteil an festen Kohlenstoffen, a_flüchtig den Anteil an flüchtigen brennbaren Bestandteilen, "a" den Anteil anderer, nicht brennbarer Stoffe, d_K die durchschnittliche Korngröße in Millimeter, Hu den thermischen Heizwert in kJ/kg.

In der axialen Schnittdarstellung nach Fig. 2 ist eine Spi­ ralstromfeuerungs-Vorrichtung 1, die nachstehend kurz Bren­ ner genannt wird, exemplarisch dargestellt. Die gesamte Vorrichtung weist dabei eine Brennkammer 2 auf, an deren rechter Stirnseite 18 eine durchmessergrößere Abkühlkammer 3 angeschlossen ist. Der zylinderförmige Brenner 1 weist an seiner linken Stirnseite 17 einen Anfahrbrenner 4 auf, der z. B. eine Gas- oder Ölzuleitung 5 und eine Zuleitung 6 für Verbrennungsluft hat.

Die eigentliche Brennkammer 2 ist von einem Doppelmantel mit innerem feuerfestem Mauerwerk 11, an das sich nach außen eine Ummantelung für Strömungskanäle 12 der Verbren­ nungsluft anschließt, umgeben. Über diesen Strömungskanal 12 wird die erforderliche Verbrennungsluft unter Zwischen­ schaltung entsprechender Regeleinrichtungen 13 in den Zuführkanälen 8 tangential in die Brennkammer 2 eingelei­ tet. Die Zuführkanäle 8 sind hierbei über die gesamte axiale Länge der Brennkammer 2 verteilt vorgesehen.

Im stirnseitigen Bereich (bei 17) sind in zwei axial von­ einander beabstandeten Ebenen Zuführkanäle 7 zur Einlei­ tung des kohlenstoffhaltigen, zu verbrennenden Materials als Material-Förderluftgemisch vorhanden.

Wie Fig. 3 zeigt, sind diese Zuführkanäle 7 im Sinne eines Doppelkanals direkt gekoppelt mit Zuführkanälen 8 der Ver­ brennungsluft. In der Darstellung nach dem Schnitt A-B sind in einer Ebene zwei um 180° versetzt und gegenüberlie­ gende Zuführkanäle 7 zum Einblasen der Materialförderluft vorhanden. In der Schnittebene A-B sind insgesamt vier um jeweils 90° gegeneinander versetzte Zuführkanäle 8 zur Einleitung der Verbrennungsluft dargestellt, die tangential übergehend an der Innenwandung der Wandung 11 in die Brenn­ kammer 2 münden.

Nach Aufheizen der Brennkammer mittels des Zündbrenners 4 wird unter Beibehaltung der Zündflamme über ein größeres Zeitintervall das Material-Förderluftgemisch über die Ka­ näle 7 und die erforderliche Verbrennungsluft über die Ka­ näle 8 eingeblasen. Unter Berücksichtigung der material­ spezifischen Parameter, wie Heizwert, Korngröße, Bestand­ teilen an festen Kohlenstoffen und flüchtigen Kohlenwas­ serstoffen sowie dem Anteil an nicht brennbaren Bestand­ teilen kann in dieser Spiralstromfeuerung eine stabile exotherme Verbrennung in einem Temperaturbereich größer 1200°C realisiert werden. Die Temperatur und die Ver­ weilzeit aufgrund der strömungstechnischen Gegebenheiten gestatten hierbei auch die Verbrennung schadstoffbeladener kohlenstoffhaltiger Materialien.

Insbesondere im Hinblick auf die sich an der Innenwand 9 der Wandung 11 aufbauende Kühlzone 14 wird das Anbacken ge­ schmolzener Aschepartikel in der Brennkammer 2 verhindert.

Um diese Anbackungsprobleme auch in nachgeschalteten Aggre­ gaten zu eliminieren, ist am Ausgang der Brennkammer 2 stirnseitig eine Kühlkammer 3 bzw. Mischkammer mit größerem lichtem Durchmesser als die Brennkammer vorgesehen. In die­ se Kühlkammer 3 werden über Zuführkanäle 16 und Einström­ öffnungen 19 Rückbrüden aus dem Prozeß bzw. Frischluft ein­ geströmt und die aus der Brennkammer austretende Heißgase auf eine Temperatur unterhalb des entsprechenden Asche- Schmelzpunktes herabgekühlt. Geeigneterweise folgt hierbei eine entgegengesetzte Einströmungsrichtung der Frischluft in die Abkühlkammer 3, wodurch eine innigere und raschere Vermischung und damit Abkühlung der Heißgase auf die ge­ wünschte Temperatur erreicht wird.

Claims (22)

1. Verfahren zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Mate­ rialien mit materialspezifischer Korngröße in einer Spiralstromfeuerung,
bei dem die Verbrennung zunächst während eines relativ kurzen Zeitintervalls allotherm, insbesondere mittels ei­ ner Zündfeuerung, die nach dem Anfahr-Zeitintervall ab­ geschaltet wird, angefahren wird,
bei dem das zu verbrennende als Material-Förderluftge­ misch eingeleitete Material und die Verbrennungsluft tangential in den Verbrennungsraum zugeführt werden, und nach dem Anfahr-Zeitintervall die weitere Verbrennung selbständig bei der gewünschten Verbrennungstemperatur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens die selbständige Verbrennung bei einer Verbrennungstemperatur größer 1200°C in Abhängig­ keit vom Durchsatz (kg/h) des zu verbrennenden kohlen­ stoffhaltigen Materials durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Materialien über ein Zeit­ intervall von etwa 2 sec, insbesondere länger als 2 sec, der Verbrennung ausgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Materialien mit nicht brennbaren Bestandteilen bis zu etwa 80% - Gewichtsan­ teilen, z. B. als Sorbalith, Ölschiefer, Klärschlamm, der Verbrennung zugeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien mit materialspezifischer Korngröße im Bereich von 10^-4 mm bis 5 mm der Verbrennung zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material-Förderluftgemisch mindestens in einer Verbrennungsraum-Ebene an mehreren, insbesondere gleichmäßig beabstandeten Stellen, und die Verbren­ nungsluft in mehreren Verbrennungsebenen über den Um­ fang des Verbrennungsraumes gleichmäßig verteilt, einge­ blasen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material-Förderluftgemisch mit einer Geschwin­ digkeit im Bereich von 12 m/s bis 30 m/s, insbesondere mit etwa 20 m/s, eingeblasen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise eine gekoppelte, tangentiale Zuführung des Material-Förderluftgemisches und der Ver­ brennungsluft in mindestens einer Verbrennungsraum-Ebe­ ne durchgeführt wird, bei der die Verbrennungsluft ra­ dial außen gekoppelt zum radial inneren Material- Förderluftgemisch eingeblasen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft vorgewärmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Material-Förderluftgemisches und der Verbrennungsluft innerhalb und/oder auf den ver­ schiedenen Verbrennungsraum-Ebenen geregelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel der zu verbrennenden kohlen­ stoffhaltigen Materialien bis zu einem maximalen Pro­ zentsatz größer 99% ausgebrannt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels tangentialer Zuführung von Verbrennungsluft im radialen Außenbereich des Verbrennungsraumes eine kühlere Verbrennungszone als im Innenbereich des Ver­ brennungsraumes realisiert wird, und daß in der kühle­ ren Verbrennungszone eine Temperatur unterhalb des Asche-Schmelzpunktes der Aschepartikel des verbrannten Materials aufrechterhalten wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Ascheanteil und der Korngröße eine im wesentlichen waagerechte oder senkrechte Verbrennung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des NO_x-Anteils in den Verbren­ nungs-Heißgasen der Verbrennungsluft Rückbrüden zugeführt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verbrennungsraum verlassenden Heißgase, insbesondere durch Zuführung oder Beimischung von Rückbrüden und/oder Frischluft, auf eine Temperatur unterhalb des jeweiligen Ascheschmelzpunktes abgekühlt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verbrennungsraum verlassenden Heißgase einer abrupten Quetschung auf eine Temperatur von kleiner 200°C, insbesondere mittels eingedüstem Wasser, unterzogen werden.

16. Spiralstromfeuerungs-Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
mit einer zylindrischen Brennkammer, der auf einer axialen Stirnseite ein Anfahrbrenner und auf der anderen axialen Stirnseite eine Abkühlkammer für die die Brennkammer ver­ lassenden Heißgase zugeordnet ist,
mit einer Strömungskanäle für die Verbrennungsluft aufwei­ senden Ummantelung der Brennkammer, in die die zu verbren­ nenden kohlenstoffhaltigen Materialien als Material-Förder­ luftgemisch in mindestens einer Brennkammer-Ebene und die Verbrennungsluft in mehreren axial beabstandeten Brennkam­ mer-Ebenen im wesentlichen tangential über Zuführkanäle einleitbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Zuführkanäle (7) für das Material- Förderluftgemisch jeweils mit einem Zuführkanal (8) für Verbrennungsluft derart gekoppelt sind, daß die Verbren­ nungsluft radial außen im Verbrennungsraum der Brennkammer (2) eine Kühlzone (14) bildet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Brennkammer-Ebene die Zuführkanäle (7; 8) mit gleichem peripheren Abstand voneinander vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer-Ebene des einströmenden Material- Förderluftgemisches gekoppelte Zuführkanäle (7; 8) mit ein­ zelnen Zuführkanälen (8) für Verbrennungsluft abwechseln.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Regeleinrichtungen (13) zur Steuerung der Zuführung des Material-Förderluftgemisches und der Verbrennungsluft in der jeweiligen Brennkammer-Ebene und/oder zwischen axial unterschiedlichen Brennkammer-Ebenen vorgesehen sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführkanäle (7) für das Material-Förderluftgemisch im Bereich einer Stirnseite (17) der Brennkammer (2) in mehreren Brennkammer-Ebenen angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abkühlkammer (3), insbesondere tangential ge­ genläufig zu den Zuführkanälen der Brennkammer, Strömungs­ kanäle (19) zur Zuführung von Rückbrüden, Frischluft und/ oder Wasser münden.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlkammer (3) einen größeren lichten Durchmesser als die Brennkammer (2) aufweist.