-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennung und insbesondere
der Selbstverbrennung von organischen, vorzugsweise fettigen Abfällen.
-
Eine
Selbstverbrennungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 ist aus dem Patent
US
2,707,444 A bekannt.
-
Eine
besonders interessante Anwendung der Erfindung betrifft die Verwendung
der Verbrennungsenergie in einem Wärmetauscher, wie beispielsweise
einem Gerät
zur Warmwassererzeugung.
-
Aus
der französischen
Patentanmeldung
FR 274454 ist
eine Vorrichtung zur Wassererhitzung bekannt, umfassend eine Zündkammer
mit einem Eintritt von Primärluft,
der unter einer Verbrennungskammer angeordnet ist. Die Zündkammer
ist mit einem Mittel versehen, das dazu bestimmt ist, die Selbstverbrennung
der heterogenen, vorzugsweise fettigen Abfälle einzuleiten. Aber ein solcher
Heizkessel, der spezifisch an heterogene Abfälle angepasst ist, hat insbesondere
die Nachteile einer heiklen Behandlung der Abfälle und einer zufälligen Regelung
der Verbrennung.
-
Die
organischen Abfälle,
wie beispielsweise Fleischmehl oder Eingeweide von Schwimmvögeln, verursachen
enorme Verbrennungsprobleme, da, wenn sie einmal getrocknet sind,
der Gehalt an flüchtigen
Stoffen dieser Produkte zu hoch ist, um direkt in einem herkömmlichen
Verbrennungsofen verbrannt zu werden (Zerstörung des Rostes auf Grund von
lokal hohen Temperaturen). In einem Standardofen könnten die
heißen
Zonen beseitigt werden, wenn feuchte Abfälle (50% Wasser oder mehr)
verwendet werden, aber die Geometrie dieser Öfen eignet sich nicht dazu,
die gesamte Ausstrahlung der Flammen, die in der Verbrennungskammer
vorhanden sind, richtig zu nutzen, um die Abfälle zu erhitzen und das Wasser,
das sie enthalten, wirksam zu entfernen. Die Selbstverbrennung ist
nun nicht mehr sichergestellt, und daraus ergibt sich eine Einstellung
der Verbrennung nach einem mehr oder weniger kurzen Zeitraum.
-
Die
vorliegende Erfindung bietet hingegen den Vorteil, dass feuchte
Produkte verbrannt werden können,
wobei eine selbst erhaltende Flamme aufrechterhalten wird. Das Problem
der heißen
Punkte wird durch das Vorhandensein von Wasser gelöst, das
den starken Gehalt des Brennstoffes an flüchtigen Stoffen ausgleicht.
-
Ferner
kann die Erfindung eine völlige
Automatisierung einer Industrieabfallverbrennungsanlage ermöglichen.
-
Wie
aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, liegt die erfindungsgemäße Verbesserung
insbesondere in der spezifischen Ausführung des Erhitzungsofens,
im Niveau der Automatisierung des Betriebs, in den Schadstoffemissionen
und der Energiewiedergewinnung.
-
So
betrifft die vorliegende Erfindung eine Selbstverbrennungsvorrichtung
eines Brennstoffes, umfassend organische, pflanzliche oder mineralische Stoffe,
wobei die Vorrichtung eine Brennkammer, mindestens ein Einspritzmittel
für den
Brennstoff, mindestens einen Lufteinlass und Mittel zur Ableitung der
heißen
Rauchgase umfasst. Die Kammer umfasst einen zylindrischen Mantel,
die Ableitungsmittel umfassen eine Leitung, die die gleiche Achse
wie jene der Brennkammer hat und im Inneren der Brennkammer angeordnet
ist, und das Brennstoffeinspritzmittel ist im Wesentlichen tangential
zum zylindrischen Mantel angeordnet, so dass der Brennstoff in der
Kammer eine kreisförmige
Bewegung um die Leitung ausführt.
-
Die
Brennstoffeinspritzung ist in der Kammer in einer Entfernung zur
Endöffnung
der Ableitung angeordnet, und die Länge der Leitung im Inneren
der Brennkammer kann derart bestimmt sein, dass eine ausreichende
Durchgangszeit der Verbrennungsprodukte erzielt wird, bevor sie
durch die Leitung abgleitet werden.
-
Die
Vorrichtung kann zwei einander diametral gegenüber liegende Einspritzmittel
für Brennstoff aufweisen.
-
Das
Einspritzmittel kann drei konzentrische Rohre zum Einspritzen des
Brennstoffes, der Zerstäubungsluft
des Brennstoffes und der Luft für
die Verbrennung aufweisen.
-
Das
Brennstoffeinspritzmittel kann eine Sprühdüse aufweisen, die aus einer
Scheibe besteht, die mit einer Öffnung
für den
Durchgang des zerstäubten
Brennstoffstrahls versehen ist, wobei die Form der Scheibe derart
ist, dass sie Turbulenzen schaffen kann, um das Mischen Luft/Brennstoff
in der Brennkammer zu begünstigen.
-
Die
Brennkammer umfasst mindestens einen Sekundärlufteinlass, der in der Nähe und über der
Endöffnung
der Ableitung mündet.
-
Der
Sekundärlufteintritt
kann im Wesentlichen tangential zum Mantel und derart ausgerichtet sein,
dass die Bewegung der Sekundärluft
in der Brennkammer in die zum Brennstoff entgegen gesetzt Richtung
läuft.
-
Es
können
zwei einander diametral gegenüber
liegende Sekundärlufteintritte
vorhanden sein.
-
Mittel
zur Vorerhitzung der Brennkammer sind in der Nähe des Brennstoffeinspritzmittels
angeordnet.
-
Die
Vorerhitzungsmittel können
Einlässe
für warme
Luft, die von Brennern kommt, umfassen.
-
Die
Brennkammer kann in ihrem unteren Teil Mittel zur Aufnahme und Ableitung
der letzten Reste der Verbrennung umfassen.
-
Die
Ableitung kann mit einem Wärmetauscher
zusammenwirken, um beispielsweise Warmwasser oder Dampf zu liefern.
-
In
der Vorrichtung kann ein Gebläse
Verbrennungsluft liefern, ein Kompressor Zerstäubungsluft liefern und eine
Pumpe die Brennstoffeinspritzmittel versorgen.
-
Der
Brennstoff kann ein Gemisch aus Wasser und organischen, pflanzlichen
oder mineralischen Stoffen sein, die in Stücke mit einer mittleren Größe kleiner
als 10 mm und vorzugsweise kleiner als 5 mm zerkleinert sind.
-
Dem
Brennstoff kann mindestens ein Zusatzstoff hinzugefügt werden,
um das Gemisch zu stabilisieren.
-
Es
kann auch eine Menge von Kohlenwasserstoffen hinzugefügt werden,
um den mittleren unteren Heizwert des Gemisches zu steigern.
-
Der
organische Stoff des Brennstoffes kann von fettigen Abfällen, beispielsweise
von Schwimmvögeln,
stammen.
-
Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verwalten von Wärmeenergie,
das die oben beschriebene Vorrichtung einsetzt und bei dem das Ringvolumen
der Brennkammer bestimmt wird, um die Verbrennung zu optimieren,
wobei die Durchgangszeit der heißen Gase geregelt wird.
-
Gemäß diesem
Verfahren kann die Zusammensetzung und/oder das Zerstäuben des
Brennstoffes derart angepasst werden, dass eine ausreichende Menge
feiner Tröpfchen
und/oder Partikel vorhanden ist, um das Selbstentzünden des
Brennstoffs zu optimieren.
-
Ohne über den
Rahmen der vorliegenden Erfindung hinauszugehen kann jedes andere
Wärme- und/oder
Dampfaustauschmittel mit der Selbstverbrennungsvorrichtung zusammenwirken.
Die erfindungsgemäß erzeugte
Wärme kann
verwendet werden, um Wasser, Dampf, ein beliebiges Fluid zu erhitzen.
Jeder Wärmetauschertyp
(röhrenförmig, mit Platten
oder dergleichen) kann verwendet werden. Ganz allgemein kann die
von der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzeugte Wärme
in allen Industrieverfahren eingesetzt werden, beispielsweise in
der Thermolyse, Trocknung von Industrieschlämmen oder Reinigung.
-
Weitere
Merkmale, Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
ferner aus der Studie der nachfolgenden Beschreibung hervor, die
darstellenden und nicht einschränkenden
Charakter hat und sich auf die beiliegenden Figuren bezieht, wobei:
-
1 eine
Längsschnittansicht
einer Ausführungsart
der Erfindung ist;
-
2 eine
Längsschnittansicht
eines Einspritzsystems des Brennstoffes ist;
-
3 ein
Schnitt des Ofens im Bereich der Brennstoffeinspritzung ist;
-
4 ein
Schnitt des Erhitzungsofens im Bereich der Sekundärlufteintritte
ist;
-
5 eine
Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Anlage ist.
-
In 1 sind
schematisch die Hauptelemente der Erfindung dargestellt. Die Selbstverbrennungsvorrichtung
umfasst eine Brennkammer 1, die vorzugsweise vertikal angeordnet
ist. Die Kammer ist zylindrisch und umfasst einen Boden oder eine
Basis von konkaver Form, versehen mit einem Trichtersystem 3,
um die verbrannten Feststoffe zu sammeln und sie durch eine Schleuse 4 zu
beseitigen. Die zylindrische Kammer ist an ihrem oberen Ende mit
einer Platte 5 verschlossen, die im Wesentlichen in ihrer
Achse eine Leitung 6 umfasst, die als Abzug dient.
-
Der
Brennstoff wird in die Kammer 1 durch mindestens ein Einspritzmittel 7 eingespritzt,
das sich im Wesentlichen tangential zur Kammer befindet, so dass
der Brennstoff einer kreisförmigen
Bewegung in dem ringförmigen
Raum, der von der Außenseite
des Abzugs 6 und der Innenseite der Kammer 1 ausgespart
ist, unterzogen wird. Die Details des Einspritzsystems 7 sind
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
-
Die
Brennkammer umfasst weitere Lufteinspritzmittel 8, die
sich beispielsweise unter den Brennstoffeinspritzungen befinden.
Diese Sekundärlusteinspritzmittel
sind im Wesentlichen tangential zur Kammer angeordnet, aber derart
ausgerichtet, dass die Luft eine Drehbewegung in zu jener des von den
Mitteln 7 eingespritzten Brennstoffes entgegen gesetzte
Richtung ausführt.
-
Weitere
Eintritte 9, die im Allgemeinen über und in der Nähe der Brennstoffeinspritzungen
angeordnet sind, ermöglichen
die Vorerhitzung der Brennkammer entweder durch eine direkte Einleitung
der heißen
Gase, die von einem äußeren Generator kommen,
oder durch einen oder mehrere Brenner zur Vorerhitzung, die an den
Eintritten 9 angeordnet sind. Diese Eintritte können zur
Kammer tangential sein oder nicht. Die Hauptfunktion dieser Vorerhitzungsmittel
besteht darin, die Selbstverbrennung des eingespritzten Brennstoffes
einzuleiten.
-
Die
Höhe der
Kammer ist H, die Länge
des Abzugs im Inneren der Kammer ist h.
-
2 zeigt
im Detail die Brennstoffeinspritzmittel 7.
-
Der
Brennstoff kann gasförmig,
flüssig
oder fest sein und Asche enthalten oder nicht, oder ein Gemisch
der drei Phasen sein. Der Brennstoff kann von dem Typ des in der
Patentanmeldung FR-98/12751, die hier als Referenz angeführt ist,
beschriebenen sein. Der Brennstoff ist in Form einer Emulsion, die
leicht transportiert und mit Druckluft zerstäubt werden kann, um Tröpfchen und/oder
feste Partikel mit einem maximalen Durchmesser kleiner als 10 mm
und vorzugsweise kleiner als 5 mm zu und ein gleichzeitiges Vorhandensein
einer ausreichenden menge von feinen Partikeln oder Tröpfchen zu erzielen,
die beispielsweise einen Durchmesser kleiner oder gleich 25 μm aufweisen.
Eine Menge von mehr als etwa 2% reicht im Allgemeinen aus, um die Selbstverbrennung
zu erzeugen.
-
2 zeigt
die Einspritzmittel 7, umfassend ein Rohr 10,
das an der Wand 11 der Brennkammer 1 befestigt
ist. Im Inneren dieses Rohrs 10 sind zwei weitere Rohre 12 und 13 im
Wesentlichen entlang einer selben Achse angeordnet. Das Rohr 12 endet
auf der Seite der Brennkammer mit einer Scheibe oder Platte 14 mit
einer Öffnung 15,
durch die der zerstäubte
Brennstoffstrahl austritt. Das innere Rohr 13 münden in
der Nähe
der Öffnung 15 in
einem optimalen Abstand, dass es zu einer Zerstäubung und optimalen Mischung
zwischen der Brennstoffemulsion, die über den ringförmigen Raum
zwischen den Rohren 13 und 12 eingespritzt wird,
und dem Druckfluid (Luft), das durch das Rohr 13 eingespritzt
wird, kommt. Die Leitung 17 ist mit einem Druckluftkompressor
verbunden, die Leitung 16 ist mit den Pumpmitteln des Brennstoffes
verbunden. Zwischen dem Rohr 12 und 10 zirkuliert
Primärluft,
die getrennt vom Brennstoff eingespritzt wird, um die Verbrennung
des Gemisches in der Brennkammer 1 zu regulieren.
-
Die
Scheibe 14 ermöglicht
es, ausreichend Turbulenzen im Bereich des Einspritzens des Brennstoffes
zu erzeugen, um eine ausgezeichnete Mischung Luft/Brennstoff zu
begünstigen.
-
3 zeigt
eine Querschnittansicht der Brennkammer im Bereich eines Paars von
Einspritzmitteln 7. Die Pfeile stellen schematisch die
Bahn der Gase und/oder Partikel, die in der Brennkammer 1 entzündet wurden,
dar.
-
Die
spiralförmige
Bewegung verleiht dem Brennstoff ein Phänomen des Zentrifugierens,
das es den schwersten Partikeln (fest oder flüssig) ermöglicht, sich zu den Wänden der
Brennkammer zu richten. Die Durchgangszeit dieser Partikel wird
somit durch diese Phänomen
des Zentrifugierens erhöht und
kann auch etwas durch eine Einspritzung von Sekundärluft im
Gegenstrom erhöht
werden. Die Durchgangszeit der schwersten Partikel kann einige Minuten
erreichen, was eine völlige
Verbrennung und wirksame Entnahme der späten flüchtigen Stoffe ermöglicht.
-
4 zeigt
die Anordnung der Sekundärlufteintritte
in Bezug zu den Primärlufteintritten
und den Einspritzmitteln 7. Die Drehrichtung der Luft ist
hier gegen den Uhrzeigersinn, während
die Gase und/oder entzündeten
Partikel in einer im Wesentlichen spiralförmigen Bewegung in die Kammer
im Uhrzeigersinn hinabsteigen. Eine solche Position ermöglicht es
insbesondere, teilweise die Spiralbewegung mit starker Erzeugung
von Turbulenzen zu blockieren, die zu einem raschen Mischen zwischen
der Sekundärluft
und den heißen
Rauchgasen führt
und die Masse- und Wärmedurchgänge durch
Fluidisierung der Asche erzeugt.
-
Die
Verbrennungsabgänge
treten durch den axialen Abzug 6, der im Allgemeinen aus
feuerfestem Material besteht, aus. Die Rolle des Abzugs ist beim Betrieb
der Ausrüstung
fundamental. Er erzeugt den radiativen Fluss, der für die Zündung des
Brennstoffes notwendig ist, er verringert das Volumen der Brennkammer 1,
wobei er einen ringförmigen
Raum erzeugt, in dem die Verbrennung stattfindet, wobei eine hohe
und gleichsam konstante Geschwindigkeit der heißen Gase um den Abzug beibehalten
wird. Folglich ist der konvektive Fluss stark zur Wand der Kammer
hin. Die Länge
h des Abzugs in der Kammer 1 wird in Bezug auf die Höhe H der
Kammer bestimmt, um die heißen
Gase zu zwingen, in den unteren Teil des Brennofens zu strömen. Diese
Retentionszone spielt eine grundlegende Rolle. Sie muss sehr heiß sein,
richtig mit Sauerstoff versorgt werden und in der Lage sein, die
Feststoffe über
mehrere Minuten zurückzuhalten,
um die Entnahme der späten flüchtigen
Produkte und die völlige
Beseitigung des in der Asche enthaltenen Kohlenstoffes zu ermöglichen.
Der Abzug ermöglicht
es schließlich,
die Rauchgase nach oben zum Brennofen abzuleiten. Da der verwendete
Brennstoff Asche erzeugt, ist der Trichter 3 vorgesehen,
um die einfache Ableitung dieser mineralischen Stoffe zu ermöglichen.
-
Da
der radiative Sendekoeffizient einer Wand von Natur aus höher als
jener der Gase ist, ermöglicht
es der Abzug, an den Brennstoff einen erheblichen Teil der in den
Rauchgasen enthaltenen Energie zu übertragen. Der starke Gehalt
des Brennstoffes an Wasser (30% bis 40%) erfordert eine hohe Energiezufuhr
in der Nähe
des Einspritzpunktes des Brennstoffes. Die kombinierten Effekte
der Abstrahlung der Wände
und des Zirkulierens von heißen
Gasen, das von der Scheibe 14 hervorgerufen wird, die am
Ende des Einspritzrohrs 12 angeordnet ist, ermögliche es,
eine Flamme am Austritt des Einspritzmittels 7 gut aufrechtzuerhalten.
-
Wie
in 5 dargestellt, kann der Abzug 6 mit einer
wärmeisolierten
Wanne zur Speicherung und Erzeugung von Warmwasser 20 zusammenwirken,
durch die entlang ihrer Achse der Abzug 6 verläuft. Es
erfolgt somit eine Wärmeübertragung
von den Verbrennungsgasen zu dem in der Wanne enthaltenen Wasser.
Ein Luftgebläse 22 versorgt
die Primär-
und Sekundärlufteintritte.
Ein weiterer Kompressor, der nicht dargestellt ist, liefert Luft
unter höheren
Druck für
die Zerstäubung
der Brennstoffemulsion. Ein Behälter 25 enthält die Brennstoffemulsion, die
durch Zerkleinern, Mischen von fettigen Abfällen im Beisein von Wasser
und eventuell Zusatzstoffen zur Stabilisierung der Emulsion hergestellt
wurde. Falls die Wärmeisolierkraft
der Abfälle
für einen
optimalen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht ausreicht,
kann die Emulsion mit den Kohlenwasserstoffen oder andern Stoffen,
die den mittleren unteren Heizwert der Emulsion erhöhen können, dotiert
werden.
-
Wenn
die erfindungsgemäße Selbstverbrennungsvorrichtung
somit mit einer Einheit zur Warmwasserzeugung gekoppelt ist, sind
nun Temperaturfühler
(ohne Bezugszeichen) vorgesehen, und diese wirken mit einer automatischen
Steuerung zusammen, die auf das Gebläse 22, die Brennstoffpumpe 21 oder
die Brenner 23 und 24 einwirken kann, um die Verbrennung
in Abhängigkeit
von der Temperatur des Wassers in der Wann anzuhalten oder wieder
zu starrten.
-
Die
Automatisierung einer Einheit zur Warmwassererzeugung kann auch
ein Element, wie einen Gasbrenner vom Typ Industriebrenner mit Vormischung,
umfassen, der unten in der Wanne 20 unabhängig von
der Brennkammer 1 angeordnet ist. Dieses Element kann die
Rolle einer Sicherung im Falle eines Betriebsausfalls der Selbstverbrennungsvorrichtung
selbst spielen, wenn beispielsweise Brennstoff fehlt oder die Wärmeleistung
der Abfälle
geringer als die geforderte Energieleistung ist. Es handelt sich
somit um eine zusätzliche
Wärmezufuhr.
-
Es
versteht sich, dass die Vorrichtung nicht auf die Erzeugung von
Warmwasser beschränkt
ist, dass aber ihre Anwendungen als Wärmegenerator unterschiedlich
und zahlreich sein können.
-
Die
zahlreichen Testreihen, die durchgeführt wurden, ermöglichten
es, die für
den Erhalt einer guten Verbrennung mit fettigen Abfällen notwenigen Elemente
zu bestimmen, die folgende sind:
- – Verwendung
eines leicht zwischen der Speicherung und dem Brenner transportierbaren
Brennstoffes und Möglichkeit,
diesen in einem Gasstrom in Form von Tröpfchen oder festen Partikeln (max.
Durchmesser unter 5 mm) zu zerstreuen.
- – Verbrennungssystem,
das sowohl flüssige,
als auch feste und gasförmige
Produkte akzeptiert.
- – Verbrennungssystem,
das feste oder flüssige Partikel
(oder Tröpfchen)
akzeptiert, die fünfzehn (15)-mal
größer als
die üblicherweise
bei der Verbrennung von schwerem Heizöl oder zerstäubter Kohle
anzutreffenden Partikel sind.
- – Verbrennungssystem,
das eine Druckluftunterstützung
verwendet, um eine ausreichende Fraktion von feinen Tröpfchen (–5 bis 25 μm), die für eine gute
Haftung der Flamme erforderlich ist, zu erzeugen.
- – Verbrennungssystem,
das es ermöglicht,
eine gute Mischung zwischen dem verdampften Brennstoff und der Luft
herzustellen, um die Bildung von Koks zu vermeiden.
- – Verbrennungssystem
mit kontinuierlicher Produktzufuhr.
- – Verbrennungssystem
mit großer
thermischer Trägheit,
um starke Änderungen
der Größe der eingespritzten
Tropfen (oder Feststoffe) zu akzeptieren.
- – Verbrennungssystem,
das gleichzeitig einen ausreichenden Halt (über mehrere Minuten) der am
schwierigsten zu verbrennenden Produkte (feste Produkte und späte flüchtige Produkte)
und eine gute Versorgung dieser Haltezone mit einem Strom von heißen Gasen,
die ausreichend mit Sauerstoff angereichert sind (typischerweise 1000°C und 9%
O2) gewährleistet.
- – Verbrennungssystem,
das eine gute Beseitigung der Asche ermöglicht und eine gute Beständigkeit
gegen die Korrosion der Rauchgase aufweist.
- – Verbrennungssystem,
das eine Aufenthaltszeit der Rauchgase von länger oder gleich zwei (2) Sekunden
gewährleistet.