EP0256451B1 - Process and device for the production of an inflammable gaseous mixture of liquid fuel, water vapour and combustion air - Google Patents
Process and device for the production of an inflammable gaseous mixture of liquid fuel, water vapour and combustion air Download PDFInfo
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- EP0256451B1 EP0256451B1 EP87111466A EP87111466A EP0256451B1 EP 0256451 B1 EP0256451 B1 EP 0256451B1 EP 87111466 A EP87111466 A EP 87111466A EP 87111466 A EP87111466 A EP 87111466A EP 0256451 B1 EP0256451 B1 EP 0256451B1
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Definitions
- the evaporator To evaporate the fuel in superheated steam, the evaporator has a first evaporator area, which serves exclusively for water evaporation, and a downstream second evaporator area, through which the generated water vapor flows, into which the fuel evaporates.
- the surface serving for fuel evaporation is to be dimensioned such that its temperature is only slightly above the desired temperature for the fuel vapor / water vapor mixture, so that no temperature occurs in the fuel which leads to the formation of cracked products in the fuel.
- Residue-free evaporation is preferably achieved in that the two evaporator areas are arranged in such a way that the media evaporate when the flow is directed downward.
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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.The invention relates to a device for producing a gas mixture containing fuel vapor and water vapor, which is combustible after admixing combustion air. The device from which the invention is based is specified in the preamble of
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.It is known to evaporate heating oil by supplying vaporization energy and then to mix it with combustion air. To completely evaporate the heating oil, however, relatively high boiling temperatures are required, which cause the formation of cracked products. The cracked products consist essentially of coke, which settles in the evaporation chamber and cannot be easily removed again.
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.It is also known to vaporize liquid fuel in a heated combustion air stream, cf. DE-PS 3 122 770. With this method, the transfer of the fuel into the combustion air is possible at much lower temperatures. The temperatures for heating oil are only half of the maximum boiling point of the liquid fuel. However, reactions of the heating oil with the oxygen contained in the combustion air form long-chain hydrocarbons in the heating oil, which can no longer be evaporated into the combustion air at the aforementioned low temperature level. This leaves an oil residue that can no longer be processed by the same method.
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.From US-A 1 006 534 a device is known in which water vapor formed in a water vapor generator is used for heating and evaporating fuel. The fuel vapor generated is mixed with water vapor and ignited and burned with the supply of combustion air. It is disadvantageous that - despite the heating of the fuel in regenerative heat exchange with the water vapor - undesirable cracking products occur in the fuel evaporation line which only carries fuel.
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.The object of the invention is to provide a device with which a combustible gas mixture can be generated by vaporizing liquid fuel, without obtaining residues in the evaporation space due to settling cracked products or long-chain hydrocarbons. The fuel should also be completely vaporizable while avoiding changes in its chemical consistency.
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.This object is achieved in a device of the type mentioned according to the invention by the features specified in
Eine rückstandsfreie Verdampfung wird bevorzugt dadurch erreicht, daß die beiden Verdampferbereiche derart angeordnet sind, daß die Medien bei abwärts gerichteter Strömungsführung verdampfen, Patentanspruch 2.Residue-free evaporation is preferably achieved in that the two evaporator areas are arranged in such a way that the media evaporate when the flow is directed downward.
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.The evaporator is expediently heated by heating gas. As already mentioned, the heating gas used is preferably combustion or exhaust gas which arises from the combustion of the combustible gas mixture generated in the device from fuel vapor, water vapor and combustion air. It can also be exhaust gases that occur when the gas mixture generated is burned in an internal combustion engine, because the engine exhaust gases can also be used as heating gases. The heat energy required for heating water and fuel is set via a bypass for the heating gas and a flow controller arranged in the bypass, with which the amount of heating gas flowing through the bypass and the amount of heating gas directed to the evaporator is regulated. Overheating of the fuel to be evaporated in the evaporator can thus be avoided by opening the bypass. In order to allow water, fuel and combustion air to be heated even for the starting process, the evaporator is designed to be electrically heatable.
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.In a further embodiment of the invention it is provided to preheat the combustion air in a preheating chamber which is arranged within the coils of the two evaporator areas,
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.In the event that no heating gas is available - or is not yet available - the evaporator and with it at the same time the preheating chamber arranged inside the evaporator for the combustion air can be heated electrically.
Die Erfindung und weitere Ausbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention and further developments of the invention are described below with reference to an embodiment shown schematically in the drawing Example explained approximately.
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.As an exemplary embodiment, a cylindrical device with a
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.The fuel vapor / water vapor mixture formed in this way in the
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.In the exemplary embodiment, the required combustion air is drawn in by a
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.To control the amount of heating gas required on the
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.If no hot combustion gas is available from the combustion chamber for generating the fuel vapor / water vapor mixture, as is the case, for example, when the device is started, the evaporator can be heated with heating gas generated elsewhere, which is supplied to the
Zur Zündung des in die Brennkammer 2 eintretenden Gasgemisches befindet sich im Brennraum eine Zündeinrichtung 25.An
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.In the exemplary embodiment, a combustible gas mixture was generated in the device with commercially available heating oil. The heating oil was introduced into the
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.As a result of the water vapor contained in the combustible gas mixture, lower combustion gas temperatures are reached during combustion than would be the case without this water vapor. Less nitrogen oxide is thus formed during the combustion of the gas mixture generated.
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.The combustion gas is passed from the
Anstelle von Heizöl lassen sich auch andere flüssige Brennstoffe, beispielsweise Benzin oder andere brennbare Rohölprodukte oder beispielsweise auch Destillate aus Stein- oder Braunkohlenteeren einsetzen.Instead of heating oil, other liquid fuels, for example gasoline or other combustible crude oil products, or for example, can also be used also use distillates from hard coal or brown coal tars.
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