EP0256451B1

EP0256451B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aus flüssigem Brennstoff, Wasserdampf und Verbrennungsluft

Info

Publication number: EP0256451B1
Application number: EP87111466A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Dr. Förster
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1987-08-07
Publication date: 1989-12-06
Also published as: DE3626933A1; DE3626933C2; JPS6396410A; DE3761108D1; EP0256451A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoffdampf und Wasserdampf enthaltenden, nach Zumischen von Verbrennungsluft brennbaren Gasgemisches. Die Vorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, ist im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben.
Es ist bekannt, Heizöl durch Zufuhr von Verdampfungsenergie zu verdampfen und anschließend mit Verbrennungsluft zu vermischen. Zur vollständigen Verdampfung des Heizöls sind jedoch verhältnismäßig hohe Siedetemperaturen erforderlich, die das Entstehen von Crackprodukten verursachen. Die Crackprodukte bestehen im wesentlichen aus Koks, der sich im Verdampfungsraum absetzt und nicht ohne weiteres wieder entfernt werden kann.
Bekannt ist es auch, flüssigen Brennstoff in einen erwärmten Verbrennungsluftstrom zu verdampfen, vgl. DE-PS 3 122 770. Bei diesem Verfahren ist die Überführung des Brennstoffs in die Verbrennungsluft bei wesentlich niedrigeren Temperaturen möglich. Die Temperaturen betragen bei Heizöl etwa nur den halben Wert der maximalen Siedetemperatur des flüssigen Brennstoffs. Es bilden sich aber durch Reaktionen des Heizöls mit dem in der Verbrennungsluft enthaltenen Sauerstoff im Heizöl langkettige Kohlenwasserstoffe, die sich auf dem vorgenannten niedrigen Temperaturniveau in die Verbrennungsluft nicht mehr verdampfen lassen. Es verbleibt somit ein nach dem gleichen Verfahren nicht mehr weiterverarbeitbarer Ölrest.
Aus US-A 1 006 534 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der in einem Wasserdampferzeuger gebildeter Wasserdampf zur Aufheizung und Verdampfung von Brennstoff genutzt wird. Der erzeugte Brennstoffdampf wird mit Wasserdampf gemischt und unter Zuführung von Verbrennungsluft gezündet und verbrannt. Nachteilig ist, daß - trotz der Aufheizung des Brennstoffs in regenerativem Wärmeaustausch mit dem Wasserdampf - unerwünschte Crackprodukte in der nur Brennstoff führenden Brennstoff-Verdampfungsleitung entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein brennbares Gasgemisch durch Verdampfen flüssigen Brennstoffes zu erzeugen ist, ohne dabei Rückstände im Verdampfungsraum durch sich absetzende Crackprodukte oder langkettige Kohlenwasserstoffe zu erhalten. Auch soll der Brennstoff vollständig unter Vermeidung von Veränderungen seiner chemischen Konsistenz verdampfbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zur Erzeugung des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches wird zunächst Wasserdampf erzeugt und überhitzt und danach Brennstoff in den heißen Wasserdampf eingegeben, wobei die Verdampfungswärme für den Brennstoff überwiegend vom Wasserdampf geliefert wird. Es hat sich gezeigt, daß dabei in gleicher Weise wie bei der Verdampfung von Heizöl in Verbrennungsluft verhältnismäßig niedrige Verdampfungstemperaturen anwendbar sind. Durch Verwendung von Wasserdampf statt Verbrennungsluft als Wärmeträger werden jedoch Oxidationsreaktionen im noch nicht verdampften Brennstoff unterbunden. Der zu verarbeitende Brennstoff bleibt chemisch konsistent. Zur Verdampfung des Brennstoffs in überhitzten Wasserdampf weist der Verdampfer einen ersten, ausschließlich der Wasserverdampfung dienenden Verdampferbereich und einen nachgeschalteten zweiten Verdampferbereich auf, der vom erzeugten Wasserdampf durchströmt ist, in den der Brennstoff verdampft. Die für die Brennstoffverdampfung dienende Oberfläche ist dabei so zu bemessen, daß ihre Temperatur nur wenig über der angestrebten Temperatur für das Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch liegt, damit im Brennstoff keine Temperatur auftritt, die zur Ausbildung von Crackprodukten im Brennstoff führt.
Eine rückstandsfreie Verdampfung wird bevorzugt dadurch erreicht, daß die beiden Verdampferbereiche derart angeordnet sind, daß die Medien bei abwärts gerichteter Strömungsführung verdampfen, Patentanspruch 2.
Zweckmäßig wird der Verdampfer von Heizgas erhitzt. Als Heizgas dient, wie bereits erwähnt, bevorzugt Verbrennungs- oder Abgas, das beim Verbrennen des in der Vorrichtung erzeugten brennbaren Gasgemisches aus Brennstoffdampf, Wasserdampf und Verbrennungsluft entsteht. Es kann sich dabei auch um Abgase handeln, die bei Verbrennung des erzeugten Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor entstehen, denn auch die Motorabgase lassen sich als Heizgase einsetzen. Die zur Aufheizung von Wasser und Brennstoff benötigte Wärmeenergie wird über einen Bypass für das Heizgas und einen im Bypass angeordneten Durchflußregler eingestellt, mit dem die jeweils den Bypass durchströmende und die zum Verdampfer geleitete Heizgasmenge reguliert wird. Es kann somit durch Öffnen des Bypasses eine Überhitzung des zu verdampfenden Brennstoffs im Verdampfer vermieden werden. Um auch für den Startvorgang eine Erwärmung von Wasser, Brennstoff und Verbrennungsluft zu ermöglichen, ist der Verdampfer elektrisch beheizbar ausgebildet.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es vorgesehen, die Verbrennungsluft in einer Vorwärmkammer vorzuwärmen, die innerhalb der Rohrschlangen der beiden Verdampferbereiche angeordnet ist, Patentanspruch 3. Die Vorwärmkammer ist so in gleicher Weise wie der Verdampfer vom Abgas erhitzbar. Diese Anordnung der Vorwärmkammer innerhalb des Verdampfers führt zugleich zu einer sehr kompakten Ausbildung der Vorrichtung mit einer optimalen Ausnutzung der vom Heizgas mitgeführten Energie.
Für den Fall, daß kein Heizgas zur Verfügung steht - oder noch nicht zur Verfügung steht -, ist der Verdampfer und mit ihm zugleich die innerhalb des Verdampfers angeordnete Vorwärmkammer für die Verbrennungsluft elektrisch beheizbar.
Die Erfindung und weitere Ausbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Als Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung eine zylindrische Vorrichtung mit einer rohrförmigen Kammerwand 1 dargestellt. Im oberen Teil der Vorrichtung befindet sich eine Brennkammer 2, in die das in einer Mischkammer 3 erzeugte brennbare Gasgemisch aus Brennstoffdampf, Wasserdampf und Verbrennungsluft aus einem Gemischraum 4 über einen Flammenhalter 5 in die Brennkammer 2 eintritt. Das in der Brennkammer entstehende Verbrennungsgas wird einem Verdampfer 6 zugeleitet, der zur Erzeugung des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches dient. Der Verdampfer wird im Ausführungsbeispiel durch eine Rohrschlange gebildet, deren erster Verdampferbereich 7 im Bereich der Kammerwand 1 verlegt ist. In diesem Verdampferbereich wird Wasser verdampft und überhitzt. Dem ersten Verdampferbereich 7 ist ein zweiter Verdampferbereich 8 nachgeschaltet, dessen Verdampferrohre im Ausführungsbeispiel einen kleineren Krümmungsradius aufweisen als die Verdampferrohre des ersten Verdampferbereiches und der deshalb von der Kammerwand 1 her gesehen innerhalb des Verdampfers weiter nach innen verlegt ist als der Verdampferbereich 7. Der erste Verdampferbereich 7 weist einen Wasserzulauf 9 auf, in den das zu verdampfende Wasser in den Verdampfer einströmt. Der Brennstoff wird in den zweiten Verdampferbereich 8 über eine Brennstoffzuführung 10 eingeführt, die bei 11 im Verdampferbereich 8 mündet. Im Ausführungsbeispiel wird der flüssige Brennstoff in der Brennstoffzuführung 10 leicht vorgewärmt. Im Verdampferbereich 8 verdampft der Brennstoff in den im ersten Verdampferbereich 7 erzeugten Wasserdampf. In beiden Verdampferbereichen 6, 7 findet die Verdampfung bei abwärts gerichteter Strömungsrichtung der zu verdampfenden Medien statt.
Das auf diese Weise im Verdampfer 6 ausgebildete Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch strömt aus dem zweiten Verdampferbereich 8 über eine Brennstoffdampf/Wasserdampf-Leitung 12 ab, die im Gemischraum 4 mündet.
Die benötigte Verbrennungsluft wird im Ausführungsbeispiel von einem Gebläse 13 angesaugt und strömt über eine Verbrennungsluftleitung 14 in eine Vorwärmkammer 15 ein, die im Ausführungsbeispiel zentral im Verdampfer 6 innerhalb der den zweiten Verdampferbereich 8 bildenden Rohrschlange angeordnet ist. Die Vorwärmkammer 15 ist allseitig geschlossen und weist zum Abführen der vorgewärmten Verbrennungsluft eine zum Gemischraum 4 führende Verbrennungsluftzuführung 16 auf. Im Ausführungsbeispiel bilden die Brennstoffdampf/Wasserdampf-Leitung 12 und die Verbrennungsluftzuführung 16 ein Doppelrohr, in dessen Innenrohr das Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch geführt wird. An der Mündung des Doppelrohres befindet sich ein Mischer 17 für das an dieser Stelle in den Gemischraum 4 austretende Gasgemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch. Im Ausführungsbeispiel wird der Mischer 17 in einfachster Weise dadurch gebildet, daß die Brennstoffdampf/Wasserdampf-Leitung 12 an ihrer Stirnseite 18 verschlossen ist und zum Austritt des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches seitliche Austrittsöffnungen 19 aufweist, durch die das Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch in die in der Verbrennungsluftzuführung 16 des Doppelrohres geführte Verbrennungsluft einströmt.
Zur Regelung der am Verdampfer 6 benötigten Heizgasmenge zur Verdampfung von Wasser und Brennstoff führt von der Brennkammer 2 ein Bypass 20 zum Heizgasaustritt 21 des Verdampfers 6. Als Durchflußregler 22 befindet sich im Bypass 20 eine Drosselklappe, mittels der die im Bypass strömende Teilmenge des Heizgases und damit auch die den Verdampfer 6 umströmende Heizgasmenge einstellbar ist.
Falls zur Erzeugung des Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches kein heißes Verbrennungsgas aus dem Brennraum zur Verfügung steht, wie dies beispielsweise beim Start der Vorrichtung der Fall ist, kann der Verdampfer mit an anderer Stelle erzeugtem Heizgas erhitzt werden, das über eine Zuleitung 23 zum Verdampfer 6 strömt. Der Verdampfer ist aber auch elektrisch beheizbar. Hierzu dient eine in wärmeleitender Verbindung zur Rohrschlange des Verdampfers verlegte elektrische Heizung 24. Die Heizung 24 ist so angeordnet, daß neben dem Verdampfer 6 auch die Vorwärmkammer 15 für die Verbrennungsluft aufgeheizt wird.
Zur Zündung des in die Brennkammer 2 eintretenden Gasgemisches befindet sich im Brennraum eine Zündeinrichtung 25.
Im Ausführungsbeispiel wurde in der Vorrichtung ein brennbares Gasgemisch mit handelsüblichem Heizöl erzeugt. Das Heizöl wurde im Verdampferbereich 8 in auf 400_°C überhitzten Wasserdampf eingeführt. Der Wasserdampf wurde im Verdampferbereich 7 aus entsalztem Wasser erzeugt, das mit Raumtemperatur in den Verdampfer einströmte. Die im Verdampferbereich 8 verdampfte Wassermenge entsprach dem drei- bis vierfachen der eingeführten Heizölmenge. Dem erzeugten Heiz- öldampf/Wasserdampf-Gemisch wurde Verbrennungsluft in leicht überstöchiometrischem Verhältnis zum Heizöl zugeführt. Das erzeugte brennbare Gasgemisch strömte aus der Mischkammer durch den Flammenhalter 5 hindurch in die Brennkammer 2 ein und wurde hier gezündet. Im stationären Zustand betrug die Temperatur im Brennraum ca. 1300_°C. Mit dieser Temperatur wurde das Verbrennungsgas in den Verdampfer eingeführt.
Infolge des im brennbaren Gasgemisch enthaltenen Wasserdampfes werden bei der Verbrennung niedrigere Verbrennungsgastemperaturen erreicht als es ohne diesen Wasserdampf der Fall wäre. Es wird somit bei der Verbrennung des erzeugten Gasgemisches weniger Stickoxyd gebildet.
Das Verbrennungsgas wird vom Heizgasaustritt 21 zur Abgabe seiner thermischen Energie in einen Wärmeübertrager geleitet. Es kann dort bis unter den Taupunkt des mitgeführten Wasserdampfes abgekühlt werden.
Anstelle von Heizöl lassen sich auch andere flüssige Brennstoffe, beispielsweise Benzin oder andere brennbare Rohölprodukte oder beispielsweise auch Destillate aus Stein- oder Braunkohlenteeren einsetzen.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Brennstoffdampf und Wasserdampf enthaltenden, nach Zumischen von Verbrennungsluft brennbaren Gasgemisches, mit einem Verdampfer (6) für den flüssigen Brennstoff, einer nachgeschalteten Mischkammer (3) zur Erzeugung des brennbaren Gasgemisches und einer Brennkammer (2), wobei der Verdampfer (6) aus einem ersten Bereich (7) mit einem eine Rohrschlange bildenden Wasserdampferzeuger und einem zweiten Bereich (8) mit zum Wasserdampferzeuger gleichachsigem, als Rohrschlange ausgebildetem und eine Brennstoffzufuhr aufweisendem Brennstoffverdampfer besteht, und einer Vorwärmkammer (15) für Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmkammer (15) eine Verbrennungsluftzuführung (16) zur Mischkammer (3) aufweist, daß der Verdampfer (6) im Abgaskanal der Brennkammer (2) angeordnet ist, daß der zweite Bereich (8) des Verdampfers (6) dem ersten Bereich (7) nachgeschaltet und innerhalb des ersten Bereichs (7) angeordnet ist, und daß vom zweiten Bereich (8) eine Brennstoffdampf/Wasserdampf-Leitung (12) zur Mischkammer (3) geführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bereiche (7, 8) des Verdampfers (6) im Abgaskanal derart angeordnet sind, daß die Verdampfung bei abwärts gerichteter Strömungsrichtung der zu verdampfenden Medien erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmkammer (15) für die Verbrennungsluft innerhalb der Rohrschlangen des Verdampfers (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (12), die das vom Verdampferbereich (8) abströmende Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisch führt, und die Zuführung (16) für die Verbrennungsluft ein durch den Brennraum (2) geführtes Doppelrohr bilden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass (20) für das Abgas vorgesehen ist, der den Verdampfer (6) umgeht, und daß im Bypass (20) ein Durchflußregler (22) zur Regelung der Abgasmenge angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer (6) eine elektrische Heizung (24) zugeordnet ist.