DE69306772T2

DE69306772T2 - Verbrennungsverfahren einer wässrig-ölhaltigen emulsion

Info

Publication number: DE69306772T2
Application number: DE69306772T
Authority: DE
Inventors: Fowler Douglas Monteiro; De Mello Lopes Homero Vieira
Original assignee: Homero Lopes and Associados Engenharia e Comercio Ltda
Current assignee: Homero Lopes and Associados Engenharia e Comercio Ltda
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2013-04-16
Also published as: DE69306772D1; EP0636230B1; WO1993021480A1; CA2118237A1; BR9201543A; EP0636230A1; ES2099430T3; US5511969A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung einer Emulsion aus Wasser und einem Heizöl mit hohem Wärmeerzeugungsgrad und schließt die Verfahren zum Erhalt und zur Stabilisierung dieser Emulsion unter für das vorgeschlagene Verbrennungsverfahren adäquaten Bedingungen ein. Ein derartiges Verfahren ist aus den Dokumenten US-A-3 876 363 und US-A-4 430 054 bekannt.
Die Optimierung der Verbrennung und die damit erzielte Ersparnis an Brennstoff war über die Jahre ein permanentes Anliegen derer, die für die Fertigstellung und/oder das Betreiben wärmeerzeugender Anlagen verantwortlich waren, ebenso wie der Brennstofflieferanten, d.h. den Verteilern der Ölprodukte. Ferner wurden von den beteiligten Parteien zahlreiche Veröffentlichungen ausgearbeitet, ebenso wie auf dem Gebiet der Emulgierung von Heizöl mit Wasser. Jedoch - ob aufgrund des Betriebsablaufs oder der gewählten Verfahrensbedingungen - wurde in den letzten zwei Jahrzehnten trotz des hohen Ausmaßes an technologischer Entwicklung, die bei Wärmeerzeugungsanlagen erzielt wurde, relativ geringer Fortschritt bei der Brennstoffersparnis gemacht, wobei die erreichten relevantesten Ergebnisse nicht mehr Änderungen des Brennstoffs selbst betreffen, sondern auf eine exaktere Verbrennungskontrolle mit Hilfe von Computertechnologie zurückzuführen sind.
- In bezug auf Techniken zur Emulgierung von Heizöl und Wasser wurden spontane Emulgierung, Emulsions-Additiv-Zusatz, ebenso wie eine endlose Zahl von mechanischen und/oder chemischen Modifizierungsverfahren entwickelt, die unter anderem auf die Möglichkeit des Zusatzes von größeren Mengen Wasser zu den Emulsionen unter stabilen Bedingungen zielen, um Wärmeausbeuten zu erhalten, die mindestens gleich denen von Heizöl unter Mischbedingungen mit Luft sind.
Jedoch lieferten die effektivsten bekannten Verfahren für das Hydro-Emulgieren von Heizöl eine Steigerung der Wärmeausbeute im Durchschnitt von etwa 3%, oder maximal zwischen etwa 5 bis 8%, verglichen mit der Ausbeute bei der Verbrennung einer optimal eingestellten Luft-/Öl-Mischung.
Sogar einem Nicht-Fachmann muß es intuitiv evident erscheinen, daß bei adäquater Benutzung Wasser aus Kostengründen der ideale Zuschlagsstoff für Heizöl ist.
Aus dem gleichen Grund, und den damals zugänglichen Technikkenntnisstand zugrunde legend, entschloß sich der Anmelder daher zum ersten Mal, ausdauernde Studien mit dem Ziel der Optimierung von Verfahrensbedingungen durchzuführen, die jeden Betriebsschritt der Hydro-Emulgierung betrafen. Die Berichte lieferten zum ersten Mal Hinweise auf verbesserte Stabilitätscharakteristiken und Heizwert von wäßrigölhaltigen Emulsionen zum Verbrennen in Brennerdüsen von Wärmeerzeugungsanlagen durch einfaches Anpassen von Zeit-, Druck- und Temperaturparametern.
Obwohl der jüngste Stand der Technik ein Verbrennungsverfahren einer wäßrig-ölhaltigen Lösung einschließlich der Schritte Emulgieren, Austreiben von Luft, Leiten und Zerstäuben der Emulsion beschreibt, schafft er es nicht, die grundlegenden Bedingungen für die einzelnen Schritte deutlich zu bestimmen, um die gewünschten Ergebnisse und die während der Zerstäubungsschritte unbedingt notwendigen Reaktionen zu erzielen, die das Erreichen von Einsparungen in verschiedenen Experimenten ermöglichen.
Deshalb ist das grundlegende erfindungsgemäße Ziel, ein Verbrennungsverfahren einer wäßrig-ölhaltigen Emulsion an der Brennerdüse einer Wärmeerzeugungsanlage mit einer hohen Wärmeausbeute und niedrigen Implementierungskosten bereitzustellen.
Es ist ebenfalls ein erfindungsgemäßes Ziel, ein wie oben beschriebenes Verbrennungsverfahren einer wäßrig-ölhaltigen Emulsion einschließlich eines Verfahrens zum Erhalt und zur Stabilisierung der erwähnten wäßrig-ölhaltigen Emulsion bereitzustellen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ziel ist es, ein wie oben beschriebenes Verbrennungsverfahren einer wäßrig-ölhaltigen Emulsion bereitzustellen, bei dem die erwähnte Emulsion eine Wasserkonzentration deutlich über den üblicherweise erhaltenen Wasserkonzentrationen einschließt, in Verbindung mit einem gleichermaßen höheren Heizwert.
Diese und andere Ziele und Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Verbrennungsverfahren einer an der Brennerdüse einer Wärmeerzeugungsanlage zu verbrennenden wäßrig-ölhaltigen Emulsion, zusammengesetzt aus Wasser und Heizöl, bereitgestellt wird, das die folgenden Schritte einschließt: Emulgieren und Luftbegasung von Wasser und Heizöl durch Bewegung in einem Mischbehälter, wobei das Wasser bei einer Minimaltemperatur von 20ºC ± 2ºC und das Heizöl bei einer Maximaltemperatur von weniger als dem Kochpunkt von Wasser und bei einem geeigneten Arbeitsdruck gehalten werden, um die gewünschte Emulgierung zu ermöglichen, wobei die Konzentration von Wasser in der Emulsion so berechnet wird, daß es während der Verbrennung stöchiometrisch unter Freisetzung von Wasserstoff und Kohlendioxid reagiert, wobei die Emulsion bei einer Temperatur, die eine Grenzflächenspannung zwischen Heizöl und Wasser und Luft in einer für die Stabilisierung der Emulsion geeigneten Höhe erlaubt, und bei einem Druck, der einer Temperatur von gesättigtem Dampf, die höher als die Temperatur der Emulsion liegt, entspricht, gehalten wird, so daß letztere alles Wasser in Form von einheitlich dispergierten Tröpfchen von etwa 1 bis 10 Mikrometer zusammen mit Mikroluftbläschen im Heizöl enthält, wobei Rührgeschwindigkeit und -zeit so festgelegt werden, daß die erhaltene, luftbegaste Emulsion ein etwa 20 ± 5% geringeres spezifisches Gewicht als die wäßrig-ölhaltige Emulsion aufweist, aus der die Luft ausgetrieben wurde; Stabilisieren der luftbegasten Emulsion in einem Verweilbehälter, der unter Temperatur- und Druckbedingungen gehalten wird, die das erforderliche Verhältnis der Grenzflächenspannung zwischen Wasser und Öl und das Aufrechterhalten der Wasserkonzentration sicherstellen, über einen Zeitraum, der erforderlich und ausreichend dafür ist, die Emulsion praktisch vollständig zu entlüften; Leiten der entlüfteten und stabilisierten Emulsion zu einer Verbrennungsdüse, wobei die Leittemperatur der Emulsion zwischen einem Maximalwert, der einem Druck von gesättigtem Dampf entspricht, der zwingend niedriger als der Emulsionsdruck ist und einem Minimalwert, der der minimalen fühlbaren Wärme, die in der Emulsion gespeichert ist, entspricht, gehalten wird und geeignet ist, bei einem abrupten Druckabfall der Emulsion beim Einspritzen in die Verbrennungskammer durch Zerstäuben an der Brennerdüse etwa 5% bis 20% des Wassers zu verdampfen, wobei der Druck der Emulsion im Bereich der Arbeitswerte gehalten wird, die der Brenner erfordert; Zerstäuben der Emulsion durch den Brenner in einheitliche Partikel von etwa 20 bis 150 Mikrometer, wobei jedes Partikel eine Vielzahl der Wassertröpfchen in der Emulsion enthält, die von einem Ölfilm umgeben sind, wobei die Zerstäubung so durchgeführt wird, daß eine ausreichende abrupte Entspannung der Emulsion hervorgerufen wird, um einen Teil des Wassers der Tröpfchen augenblicklich zu verdampfen (Flashing) und die Partikel der zerstäubten Emulsion nachfolgend zu entmischen, wobei die Zerstäubung in einer Umgebung herbeigeführt wird, die ausreichend arm an Luft ist, um die direkte Bildung von Kohlendioxid zu vermeiden und die folgenden Reaktionen zu fördern:
a - Teilverbrennung des Heizöls mit einem Teil des Sauerstoffs, der in der Zerstäubungsumgebung zugänglich ist, wobei Kohlenmonoxid gebildet und Wärme freigesetzt wird;
b - Reduktion des durch die abrupte Entspannung der Emulsion verdampften Wassers durch eine stöchiometrische Menge eines Teils des Kohlenmonoxids, wobei Kohlendioxid und Wasserstoff freigesetzt werden und Wärme entwickelt wird;
c - Oxidation von Wasserstoff aus Reaktion b mit dem restlichen, in der Zerstäubungsumgebung zugänglichen Sauerstoff, wobei überhitzter Wasserdampf bei Brennerflammentemperatur gebildet wird;
d - Verdampfen von in den Tröpfchen zugerückgebliebenem Wasser durch die Wärme, die in den Reaktionen a und b freigesetzt wird;
e - Reduktion von in Reaktion d verdampftem Wasser durch von Schritt a übriggebliebenem Kohlenmonoxid über mit Reaktionen b und c identische Kettenreaktionen, um vollständige Verbrennung (Burning) des Öls herbeizuführen.
Die erfindungsgemäße Neuerung läßt sich in ein Verbrennungsverfahren einer wäßrig-ölhaltigen Emulsion aus Heizöl und Wasser umsetzen, einschließlich der erforderlichen Verfahren zum Erhalt und zur Stabilisierung der angegebenen Emulsion, die im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Mengen eine große Menge Wasser enthält und die auch einen erhöhten Heizwert liefert. In der Praxis liefert das vorgeschlagene Verfahren unter anderem die folgenden Vorteile: es liefert dem Verwender eine Verbrauchserniedrigung in der Größenordnung von 25%; Emulsionen mit einem hohen Anteil an Wasser, das sich chemisch an den stark exothermen Reaktionen beteiligt und deshalb positiv zur Wärmebilanz aller Prozeßschritte beiträgt; aufgrund der Mikrozerstäubung des Brennstoffs und der hohen Temperatur dieses Verbrennungsprozesses werden praktisch die gesamten festen Schwebstoffteilchenreste eliminiert, d.h., daß die Verbrennung praktisch vollständig und perfekt ist, so daß Stillstandzeiten und Instandhaltungskosten, wie z.B. Düsenreinigung, Filter und andere, auf ein Minimum reduziert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Verweis auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Emulgierung, Stabilisierung und Verbrennung einer wäßrig-ölhaltigen Emulsion gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt;
Figur 2 eine schematische Darstellung des durch das erfindungsgemäße Verfahren produzierten Flammenprofils, das die beschriebenen Flammenbereiche und auch die chemischen Reaktionsarten, die in diesen Bereichen auftreten, zeigt;
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Flashing-Bereichs von Figur 2 zeigt, wobei die Teilchenemulsion, bevor sie das Flashing-Phänomen durchläuft, dargestellt ist; und
Figur 4 eine vergrößerte Ansicht eines Emulsionsteilchens gemäß Figur 3 zeigt.
Gemäß den beschriebenen Figuren umfaßt der Verbrennungsprozeß der wäßrig-ölhaltigen Emulsion der aus Heizöl und Wasser zusammengesetzten Art, die an einer Brennerdüse einer Wärmeerzeugungsanlage verbrannt werden soll, die Schritte: Vorbereiten von Öl und Wasser, Emulgieren und Luftbegasung von Öl und Wasser, Stabilisieren und Entlüften der gebildeten Emulsion und Zerstäuben der stabilisierten Emulsion einschließlich ihrer Verbrennung.
Der Schritt der Emulsionsbildung besteht darin, ein vorgeheiztes Heizöl bei einer Temperatur, die in Abhängigkeit von der Viskosität des verwendeten Öls zwischen etwa 50 und 200ºC variiert, mit Wasser bei einer Maximaltemperatur von weniger als der des Verdampfens beim Arbeitsdruck und mindestens 20ºC ± 2ºC, vorzugsweise entsalzt oder enthärtet, zu bewegen (rühren), vorzugsweise mechanisch und bei 700 U/min, während eines vorbestimmten Zeitraums, üblicherweise etwa 2 und 3 Minuten, in einem erwärmten und gegebenenfalls unter Druck gesetzten Mischbehälter 10, wobei dieses Wasser üblicherweise in den Mischbehälter 10 als Strahl tagential zur Wand des letzteren in dieselbe Richtung, in der das Öl gerührt wird, und in einer vorbestimmten Menge in Abhängigkeit von der Viskosität des verwendeten Öls und der für die nachstehend beschriebene Verbrennungsreaktion erforderlichen stöchiometrischen Bedingung zugegeben wird. Die gebildete Emulsion weist üblicherweise eine Zusammensetzung auf, die zwischen 55 und 70% Heizöl und zwischen 45 und 30% Wasser enthält, und nach dem Schlagen in einem nicht unter Druck gesetzten Behälter eine Temperatur zwischen 70 und 90ºC und oberhalb 90ºC in einem Druckmischbehälter.
Der oben beschriebene Schritt wird für Öle, deren Viskositäten unter 100 cst (130&sup0;c) liegen, üblicherweise bei Atmosphärendruck erzielt; oberhalb dieser Viskosität wird die Emulgierung unter Druck durchgeführt, üblicherweise zwischen 2 und 10 kgf/cm² variierend, um Verluste an Emulsionswasser durch Verdampfen aufgrund der hohen, für das Verflüssigen des Heizöls benötigten Temperatur zu vermeiden. Mit anderen Worten sollte der Druck im Mischbehälter einer Verdarnpfungstemperatur von Wasser entsprechen, die höher als die der Emulsion ist.
Da während des Rührprozesses einer Flüssigkeit die Luftbegasung in einer der Geschwindigkeit und Rührzeit proportionalen Rate auftritt, ist es wichtig, die oben erwähnte Geschwindigkeit, vorzugsweise etwa 700 U/min, während eines Zeitraums üblicherweise zwischen 2 bis 3 Minuten aufrechtzuerhalten, um das Volumen der absorbierten Luft auf etwa 20% des Gesamtvolumens von Wasser und Öl, d.h. ein solches Volumen, das die relative Dichte der Emulsion um etwa 20% ± 5% verringert, einzustellen, da dies experimentell als das ideale Luftvolumen bestimmt wurde (oder von Inertgas, wenn die hohe Temperatur des Heizöls seine Oxidation begünstigt). Unter den oben beschriebenen Bedingungen wird eine Emulsion produziert, wobei die Wassertröpfchen mit Durchmessern von etwa 1 bis 10 Mikrometer gleichmäßig in Öl dispergiert sind und die genannte Emulsion mit Mikroluftbläschen durchsetzt ist, die ebenfalls gleichmäßig verteilt sind.
Die Mikroluftbläschen sowie die Wassertröpfchen, wie verteilt, sind vollständig von Heizöl umgeben, sobald die Grenz flächenspannung des letzteren zu den ersteren kleiner als die Grenzflächenspannung zwischen den ersteren ist. Auf diese Weise entspricht die gesamte Grenzflächenoberfläche des Öls der Summe aus den äußeren Oberflächen der Wassertröpfchen und der Mikroluftbläschen, d.h., es gibt vollen Kontakt zwischen dem Heizöl und den beiden letzteren in der gebildeten Emulsion.
Die gebildete Emulsion wird vorschriftsmäßig luftbegast und durch Pumpe 11 über die entsprechende Rohrleitung 12 in einen Verweilbehälter 20 überführt, wo sie über einen Zeitraum von etwa 6 bis 12 Stunden unter geeigneten Bedingungen, eine solche Emulsion stabil zu halten, verbleiben sollte, wobei die Bedingungen auch auf ihrer Konzentration, Ölviskosität und der Temperatur basieren sollten, die notwendig dafür ist, das gewünschte Grenzflächenspannungsverhältnis in letzterer aufrechtzuerhalten.
In diesem Stadium wird Druckhaltung eingesetzt, wenn die Ölviskosität 225 cst (130ºC) übersteigt, da ein solches Öl, um hinreichend zu fließen, hohe Temperaturen benötigt, die unter Atmosphärendruckbedingungen das Verdampfen von Wasser aus der Emulsion begünstigen können.
Während des Verweiltankschritts findet, wie oben beschrieben, Entlüftung der Emulsion statt, und bei dem Verdrängen der Mikroluftbläschen wird deren Platz durch das Heizöl eingenommen, wodurch ein Beitrag zur optimalen und einheitlichen Einhüllung der Tröpfchen durch letzteres geleistet wird. Der Vorgang des Entlüftens der Emulsion im Stabilisierungsschritt ist außerdem aufgrund der Tatsache wichtig, daß Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, weshalb Mikroluftbläschen als thermische Barriere wirken. Die Eliminierung der Mikroluftbläschen führt deshalb zu einer perfekten Verteilung von Wärme in der gesamten Emulsion.
Für den Fall, daß der Verweilbehälter 20 nicht unter Druck steht, d.h., wenn das verwendete Heizöl Viskositäten bis zu 225 cst (130ºC) aufweist, kann das Entlüften durch Ventilation der Emulsionsoberfläche durchgeführt werden, was dadurch erreicht wird, daß Luft durch eine Einlaßlüftungsöffnung 21 zirkuliert, wobei die eingelassene Luft über einen Schlot 22 wieder ausgestoßen wird, dessen Höhe so dimensioniert ist, daß die Luft durch einen Thermosiphonmechanismus abgezogen wird, so daß das Entstehen eines Unterdrucks auf der Emulsionsoberfläche vermieden wird, der die Stabilität derselben beeinträchtigen würde.
Nach der Stabilsierung sollte die Emulsion durch einen entscheidenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen, d.h. das Leiten vom Verweiltank 20 zur Brennerdüse 30. Dieser Vorgang, der im allgemeinen durch die Pumpe 25 und das entsprechende Rohrleitungssystem 26 ausgeführt wird, sollte so ausgeführt werden, daß sichergestellt ist, daß die Stabilität der Emulsion aufrechterhalten wird und somit die Abtrennung von Wasser, sei es in Form von Dampf oder in Form von Flüssigkeit, vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Emulsion zu einer Heizvorrichtung 40 gepumpt wird, in der sie auf eine Temperatur geheizt wird, die einem Druck von gesättigtem Wasserdampf entspricht, der vorzugsweise etwa 15% niedriger ist als der Druck, dem die genannte Emulsion während des Leitens unterworfen ist. Höhere Temperaturen würden zum Abtrennen von Wasser durch Verdampfen führen; niedrigere Temperaturen würden den Transport der Emulsion aufgrund ihrer erhöhten Viskosität erschweren.
Die vorschriftsmäßig stabilisierte, unter Druck gesetzte und erwärmte wäßrig-ölhdltige Emulsion wird dann zur Brennerdüse 30 gepumpt, wo sie in eine hinreichend luftarme Umgebung zerstäubt wird, um die direkte Bildung von Kohlendioxid zu vermeiden, d.h., nur eine Teilverbrennung des zerstäubten Heizöls durchzuführen. Die Emulsion wird so zerstäubt, daß im wesentlichen sphärische Teilchen 50 gebildet werden, die einen Durchmesser von etwa 70 bis 100 Mikrometer zeigen, und wobei jedes durch eine Ansammlung von fein dispergierten und von einem Ölfilm 52 umgebenen Wassertröpfchen 51 definiert ist.
Die oben beschriebenen Teilchen 50 erleiden, wenn sie die Brennerdüse 30 bei einer vorbestimmten Temperatur, üblicherweise zwischen etwa 120 und 250ºC verlassen, eine abrupte Entspannung, die zu einer spontanen Verdampfung (Flashing) eines Teils des Wassers der Tröpfchen (z.B. etwa 5% bis 20% der Wassermasse) und daher zu einer Mikroexplosion jedes einzelnen Teilchens führt, wobei die Ölfilme zerfallen und die Bildung eines feinen Nebels durch Verstärken des Zerstäubungseffekts hervorgerufen wird. Als nächstes durchläuft die zerstäubte Emulsion, wie oben beschrieben, die Burning-Phase. Um das Phänomen besser zu verstehen, wird das Flammengebiet in drei klar erkennbare Bereiche unterteilt: einen Flashing- Bereich, einen Flammenbildungsbereich und den Flammenbereich selbst (siehe Figur 2).
Im Flashing-Bereich finden, wie oben beschrieben, Hyperzerstäubung des Heizöls und Verdampfen eines Teils der Wassertröpfchen der Emulsion statt. Bei der Flammenbildung finden im Grunde die Reaktionen der beim Flashing gebildeten Produkte statt, d.h. die Zersetzung des Heizöls, vervollständigt durch die Strahlungswärme der Flamme, die Teilverbrennung des zersetzten Ölnebels, gefolgt von der Teilreduktion des verdampften Wassers mit einem Teil des durch die vorherige Reaktion gebildeten CO.
Die Reaktion der Teilverbrennung von Heizöl aus dem Flash, die im wesentlichen exotherm ist, findet bei der Verbrennungstemperatur eines solchen Öls mit einem Anteil der unzureichenden Luft, die zusammen mit der Emulsion an die Brennerdüse zutritt, wie folgt statt:
C + 1/2 O&sub2; --T CO ΔH = -943 kcal/kg CO
Danach wird ein Teil des durch Flashing verdampften Wassers, der, wie bereits erwähnt, etwa 10% des gesamten die Emulsion bildenden Wassers entspricht, durch eine stöchiometrische Menge Kohlenmonoxid wie folgt reduziert, das in der vorhergehenden Reaktion gebildet wurde:
CO + H&sub2;O(v) --T CO&sub2; + H&sub2; ΔH = -546 kcal/kg H&sub2;O(v)
Eine Kettenreaktion von Verdampfung und Reduktion des Wassers, das von der Emulsion übriggeblieben ist, findet im Flammenbildungsbereich statt, während die Oxidation des bei der Kettenreaktion gebildeten Wasserstoffs, von seiner Entstehung bis zum Flammenbereich stattfindet.
Die Oxidation des Wasserstoffs, der aus dem während des Flashing zersetzten Heizöls stammt, beginnt im Flammenbildungsbereich.
Die Oxidation des restlichen Kohlenmonoxids, das nicht für die Reduktion des verdampften Wassers gebraucht wird, findet vermutlich unmittelbar nach dem Abschluß der Reduktionsreaktionen in der intermediären Zone statt.
Wasserstoff, der bei der Reduktion von beim Flashing gebildeten Dampf entstand, wird in Gegenwart des restlichen, nicht umgesetzten Anteils der Menge an unzureichender Luft (Sauerstoff) oxidiert, die in der Zerstäubungsumgebung vorhanden ist, wobei bei Flammentemperatur durch eine stark exotherme Reaktion Wasserdampf im Gaszustand entsteht.
H&sub2; + 1/2 O&sub2; --T H&sub2;O(v) ΔH = -3211 kcal/kg H&sub2;O(v)
Das durch Kohlenmonoxid zu reduzierende Wasser sollte sich im Dampfzustand befinden. So entspricht das flüssige Wasser, das von der zerstäubten Emulsion herrührt, d.h. dasjenige, das nicht während des Flashings verdampft wurde, z.B. etwa 90% des zu verdampfenden Wassers der Emulsion und zeigt folgende Wärmebilanz:
H&sub2;O(l) --T H&sub2;O(v) ΔH = +539 kcal/kg H&sub2;O
Die für diese Verdampfung erforderliche Wärme wird durch die exothermen Reaktionen der Teilverbrennung und Reduktionsreaktionen, die im Flammenbildungsbereich auftreten, bereitgestellt. Sobald das Wasser verdampft ist, wird es durch stöchiometrische Mengen CO reduziert, die bei der Teilverbrennung des Heizölnebels während des Flashings erhalten wurden, worauf die Bildung von Wasserstoff folgt, der nachfolgend durch Sauerstoff aus atmosphärischer Luft oxidiert wird, wobei neue Dampfmengen im Gaszustand bei Flammentemperatur gebildet werden. Diese Reduktions- und Oxidationsreaktionen finden in Ketten solange statt, bis alles Wasser, das in der Emulsion enthalten war, reagiert hat, und das Endprodukt des chemischen Prozesses ist auf gasförmiges Wasser und Kohlendioxid begrenzt.
Von diesem Punkt an wird der Gesamtprozeß physikalisch.
Die großen erhaltenen Wärmemengen werden durch strahlungsgetriebene Konvektion und Wärmeleitung zum Wärmeaufnahmesystem übertragen, wobei ein weiterer Wärmeaustausch zwischen Wasserdampfgas und Kohlendioxid auftritt. Unter Verwendung bekannter Meßmethoden wurde nachgewiesen, daß die Flammentemperatur bei Verbrennung einer wäßrigen Emulsion mit einem ersten Öl bei einer gegebenen Durchflußrate, die nur den in der Emulsion enthaltenen Ölanteil berücksichtigt, mindestens gleich der Flammentemperatur bei konventionellem Verbrennen eines höheren Durchflusses des ersten Öls ist, wobei das Leistungsvermögen der zwei Verbrennungsprozesse (Emulsion und erstes Öl) unter den gleichen Bedingungen und in der gleichen Anlage erfaßt wurde. Auf diese Weise wurde experimentell verifiziert, daß die Verbrennung einer bestimmten Emulsionsmenge mindestens die gleiche verwendbare Wärmeenergie liefert, die beim Verbrennen einer größeren Menge eines Öls, das mit dem in der Emulsion verwendeten identisch ist, erhalten wird.
Der oben erwähnte experimentelle Nachweis läßt uns die Schlußfolgerung ziehen, daß ein relativer Energiegewinn beim Verbrennen der angesprochenen Emulsion existiert, wobei der Energiegewinn aus einer erhöhten Zugänglichkeit des freien Wasserstoffs für die Verbrennungsreaktion (Oxidation) resultiert, die stark exotherm ist, wobei der freie Wasserstoff aus der Wassermenge der Emulsion stammt, durch die Reduktionsreaktion von sofort verdampftem Wasser und dem restlichen Wasser (verdampft) durch Kohlenmonoxid, das aus der anfänglichen Teilverbrennung des Heizöls der Emulsion stammt.
Die größere Zugänglichkeit von freiem H&sub2; während des Verbrennungsverfahrens kann, im Hinblick auf den relativen Wärmeenergiegewinn, mit der Tatsache in Verbindung gebracht werden, daß ein Heizöl einen Nettowärmewert (net heat value, NHV) zeigt, der um so höher ist, je gesättigter sein Molekül ist, d.h. je höher das Wasserstoff-/Kohlenstoff-Verhältnis in seinem Molekül ist.
Somit ist das Ergebnis beim Verbrennen der Emulsion in bezug auf die Energieausbeute vergleichbar mit dem, das durch isoliertes Verbrennen eines anderen hypothetischen Heizöls erhalten wird, das in seinem Molekül ein höheres Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis aufweist.
Aus dem Offenbarten geht hervor, daß das erfindungsgemäße Verfahren um so effektiver ist, je ungesättigter das in der Emulsion verwendete Heizöl ist, eine Situation, die bei dem von den brasilianischen Raffinerien bereitgestellten Heizölen auftritt.
Zusätzlich zu dem oben angesprochenen grundlegenden technischen Effekt, der den Erhalt einer bestimmten Wärmeausbeute durch einen geringeren Verbrauch eines ungesättigten Heizöls betrifft, kann gemäß der technischen Literatur weiter festgestellt werden, daß die NHV-Ausbeute der wäßrigen Emulsion mit dem erwähnten ersten ungesättigten Heizöl größer als der NHV eines anderen Heizöls ist, das die gleiche Kohlenstoffkette wie das erste zeigt, jedoch gesättigt ist.
Dies wird so verstanden, daß die oben kommentierte Tatsache aus dem zusätzlichen Energieverbrauch zur Dissoziation der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen der gesättigten Moleküle eines anderen Heizöls herrührt. Die gesättigten Moleküle von Heizöl zeigen einen höheren NHV als diejenigen von ungesättigten Molekülen. Während eines konventionellen Verbrennungsprozesses von gesättigtem Heizöl wird ein Teil der produzierten Energie dafür verbraucht, Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen der Ölmoleküle zu dissozueren.
Unter den Bedingungen und Reaktionen, denen die Emulsion unterworfen wird, läßt sich ein Energiegewinn erhalten, der mit der Verfügbarkeit einer Menge an Wasserstoff im Verbrennungsprozeß zusammenhängt, die der mit einem entsprechenden gesättigten Heizöl erhaltenen entspricht, ohne die Notwendigkeit, Energie für die Dissoziation der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen der gesättigten Ölmoleküle aufzuwenden, die zusätzlich zu denen, die im ersten ungesättigten Öl, das in der Emulsion des betrachteten Verfahrens verwendet wird, existieren.
Einem Fachmann sollte das Lesen dieses Verfahrens die Anwendung desselben bei der Verbrennung anderer ungesättigter Öle offenbaren, wobei nachwachsende, wie z.B. Nebenprodukte von Biofaulbehältern oder aus der Alkohol-Zucker-Industrie und andere, eingeschlossen sind, was jedoch keine Beeinträchtigung der durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Beweis gestellten erfinderischen Leistung darstellt.
Schließlich zeigt, wie beobachtet werden kann, das vorgeschlagene Verbrennungsverfahren für wäßrig-ölhaltige Emulsionen zusätzlich zu seiner hohen Wärmeausbeute eine extrem saubere Verbrennung im Hinblick auf Schwebstoffteilchen, da die Umwandlung von Heizöl in Kohlendioxid und gasförmiges Wasser praktisch vollständig ist, weshalb es als ein wichtiger Technologiebeitrag für den Erhalt der Umwelt betrachtet werden sollte.
Das Verfahren erlaubt aufgrund der Tatsache, daß es Wasser beinhaltet, weiterhin eine Assozuerung mit anderen Technologien zur Kontrolle von Umweltverschmutzung, die von NOx, SO&sub2; und SO&sub3; oder ähnlichem verursacht ist.
Das folgende Beispiel illustriert die verbesserte Leistung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich mit einem konventionellen Heizölverbrennungsverfahren: TABELLE

Spezifizierung und Anlage

- Röhrenfeuerkessel (Lieferant: Pontin)
- Nominale Dampfproduktion: 5.000 kg/h
- Meßgerätarbeitsdruck: p = 10 bar
- Brennstoff: Heizöl (Nettoheizwert 9.650 kcal/kg: Viskosität = 70 cst @ 100ºC)
- Brenner: mechanischer Druck (Lieferant: Coen)

Bemerkungen:

1) Heizöl- und Hidrol-Verbrennungstests wurden unter gleichen Bedingungen durchgeführt.
2) Die gezeigten Werte stellen einen Durchschnitt von Messungen dar, die während 36 aufeinanderfolgenden Stunden für beide Verbrennungstests durchgeführt wurden.
3) Charakteristika der Emulsion:
3.1 - Gewichtsprozent des Öls: 64%
3.2 - Emulsionsdruck am Brenner zur Zerstäbung: 10 bar
3.3 - Emulsionstemperatur am Brenner zur Zerstäubung: 120ºC
4) Charakteristika des Heizöls:
4.1 - Zerstäubungsdruck: 10 bar
4.2 - Zerstäubungstemperatur: 130 ºC
5) Teilchen gesammelt gemäß den EPA-Verfahren.

Claims

1. Verbrennungsverfahren einer wäßrig-ölhaltigen Emulsion, dadurch gekennzeichnet, daß es die Teilschritte aufweist:

- Emulgieren und Luf tbegasung von Wasser und Heizöl durch Bewegung in einem Mischbehälter, wobei das Wasser bei einer Minimaltemperatur von 20ºC ± 2ºC und das Heizöl bei einer Maximaltemperatur von weniger als dem Kochpunkt von Wasser und bei einem geeigneten Arbeitsdruck gehalten werden, um die gewdnschte Emulgierung zu ermöglichen, wobei die Konzentration von Wasser in der Emulsion so berechnet wird, daß es während der Verbrennung stöchioinetrisch unter Freisetzung von Wasserstoff und Kohlendioxid reagiert, wobei die Emulsion bei einer Temperatur, die eine Grenzflächenspannung zwischen Heizöl und Wasser und Luft in einer für die Stabilisierung der Emulsion geeigneten Höhe erlaubt, und bei einem Druck, der einer Temperatur von gesättigtem Wasserdampf, die erheblich höher als die Temperatur der Emulsion liegt, entspricht, gehalten wird, so daß letztere alles Wasser in Form von einheitlich dispergierten Tröpfchen von etwa 1 bis 10 Mikrometer zusammen mit Mikroluftbläschen im Heizöl enthält, wobei Rührgeschwindigkeit und -zeit so festgelegt werden, daß die erhaltene, luftbegaste Emulsion ein etwa 20% 1 5% geringeres spezifisches Gewicht als die wäßrig-ölhaltige Emulsion aufweist, aus der die Luft ausgetrieben wurde;

- Stabilisieren der luftbegasten Emulsion in einem Verweilbehälter, der unter Temperatur- und Druckbedingungen gehalten wird, die das erforderliche Verhältnis der Grenzflächenspannung zwischen Wasser und Öl und das Aufrechterhalten der Wasserkonzentration sicherstellen, über einen Zeitraum, der erforderlich und ausreichend dafür ist, die Emulsion praktisch vollständig zu entlüften;

- Leiten der entlüfteten und stabilisierten Emulsion zu einer Verbrennungsdüse, wobei die Emulsionstemperatur zwischen einem Maximalwert, der einem Druck von gesättigtem Dampf entspricht, der zwingend niedriger als der Emulsionsdruck ist, und einem Minimalwert, der der minimalen fühlbaren Wärme, die in der Emulsion gespeichert ist, entspricht, gehalten wird und geeignet ist, bei einem abrupten Druckabfall der Emulsion durch Einspritzen in die Verbrennungskammer etwa 5% bis 20% des Wassers zu verdampfen, wobei der Druck der Emulsion im Bereich der Arbeitswerte gehalten wird, die der Brenner erfordert;

- Zerstäuben der Emulsion durch den Brenner in einheitliche Partikel von etwa 20 bis 150 Mikrometer, wobei jedes Partikel eine Vielzahl der Wassertröpfchen in der Emulsion enthält, die von einem Ölfilm umgeben sind, wobei die Zerstäubung so durchgeführt wird, daß eine ausreichende abrupte Entspannung der Emulsion hervorgerufen wird, um einen Teil des Wassers der Tröpfchen augenblicklich zu verdampfen (Flashing) und die Partikel der zerstäubten Emulsion nachfolgend zu entmischen, wobei die Zerstäubung in einer Umgebung herbeigeführt wird, die ausreichend arm an Luft ist, um die direkte Bildung von Kohlendioxid zu vermeiden und die folgenden Reaktionen zu fördern:

a - Teilverbrennung des Heizöls mit einem Teil des Sauerstoffs, der in der Zerstäubungsumgebung zugänglich ist, wobei Kohlenmonoxid gebildet und Wärme freigesetzt wird;

b - Reduktion des durch die abrupte Entspannung der Emulsion verdampften Wassers durch eine stöchiometrische Menge eines Teils des Kohlenmonoxids, wobei Kohlendioxid und Wasserstoff freigesetzt werden und Wärme entwickelt wird;

c - Oxidation von Wasserstoff aus Reaktion b mit dem restlichen, in der Zerstäubungsumgebung zugänglichen Sauerstoff, wobei überhitzter Wasserdampf bei Brennerflammentemperatur gebildet wird;

d - Verdampfen von in den Tröpfchen zurückgebliebenem Wasser durch die Wärme, die in den Reaktionen a und b freigesetzt wird;

e Reduktion von in Reaktion d verdampftem Wasser durch von Schritt a übriggebliebenem Kohlenmonoxid über mit Reaktionen b und c identische Kettenreaktionen, um vollständige Verbrennung (Burning) des Öls herbeizuführen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizöl auf eine Temperatur von etwa 50ºC bis 200ºC vorgeheizt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulgierung durch mechanische Bewegung bei etwa 700 Umdrehungen/Minute in Zeiträumen von etwa 2 bis 3 Minuten durchgeführt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulsionstemperatur nach dem Schlagen in einem Mischbehälter, der nicht unter Druck steht, zwischen etwa 70 und 90ºC oder bei mehr als 90ºC in einem Druckbehälter gehalten wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrig-ölhaltige Emulsion etwa 55% bis 70% Heizöl darstellt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Stabilisierung und des Entlüftens der Emulsion bei einer Temperatur von etwa 70ºC bis 90ºC durchgeführt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe der Stabilisierung und des Entlüftens in einem Zeitraum durchgeführt wird, der zwischen etwa 6 und 12 Stunden variiert.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulsionstemperatur höchstens einem Druck von gestättigtem Wasserdampf entspricht, der etwa 15% niedriger als der Emulsionsdruck ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungstemperatur der Emulsion zur Brennerdüse im Bereich von etwa 120ºC bis 250ºC liegt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 10% des Wassers der zerstäubten Tröpfchen spontan durch Flashing verdampft werden.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilverbrennung des Heizöls und Reduktion von Wasserdampf durch Flashing bei der Verbrennungstemperatur von Heizöl stattfinden.

12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs, der von der Reduktionsreaktion von Wasserdampf durch Flashing herrührt, gebildete Wasserdampf bei der Brennerflammentemperatur anfällt.