EP0698418A2 - Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Dispergierung und Zerstäubung von mindestens zwei Flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Dispergierung und Zerstäubung von mindestens zwei Flüssigkeiten Download PDF

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EP0698418A2
EP0698418A2 EP95112765A EP95112765A EP0698418A2 EP 0698418 A2 EP0698418 A2 EP 0698418A2 EP 95112765 A EP95112765 A EP 95112765A EP 95112765 A EP95112765 A EP 95112765A EP 0698418 A2 EP0698418 A2 EP 0698418A2
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nozzle
liquid
gas
liquids
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Uwe Listner
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    • F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
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    • F23G2900/00—Special features of, or arrangements for incinerators
    • F23G2900/54402—Injecting fluid waste into incinerator

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the simultaneous atomization and dispersion of at least two liquids using propellant gas, in which the resulting gas-liquid mixture is passed through an atomizing chamber consisting of series-connected expansion spaces and attached in the form of a spray cone from a downstream of the atomizing chamber Nozzle gap flows out.
  • a method in which a liquid is mixed with a propellant gas in an internal atomizing chamber and then emerges through a nozzle gap at the end of the atomizing chamber is described in DE 32 16 420. It is characterized by an internal mixing of liquid and propellant in fluidically connected chambers, in which the propellant is expanded and compressed several times on the way until it leaves the nozzle. In this way, very good premixing takes place in the atomizer chamber before the mixture emerges from the nozzle with the conical annular gap and is dispersed even further during this expansion. Due to this pressure jump, the liquid is atomized very finely and introduced into the surrounding space as a hollow cone.
  • DE 26 45 142 describes a method for generating a stream of at least two mixed and atomized fluids, in which the liquids and a propellant gas are first combined, mixed and pre-atomized in a first injector-like flow passage. The resulting gas-liquid mixture is then accelerated and, after leaving the nozzle body, strikes a baffle or reflection device. In this reflection and impact zone, the second mixing stage can be seen, another mixing and atomization takes place before the atomized mixed fluid leaves the nozzle in the form of an open parachute.
  • the invention has for its object to develop a method and a device for the simultaneous dispersion and atomization of several liquids using propellant gas, in which the liquids are mixed homogeneously and reliably with high mixing quality and then atomized as a swarm of drops in the form of a closed hollow cone.
  • immiscible liquids should be used.
  • liquids F1 and F2 mixed with propellant gas are fed as individual streams T1 and T2 alternately in the circumferential direction into the atomizing chamber; i.e. the individual streams T1 and T2 seen in the circumferential direction alternately on the gutter.
  • the spray cone emerging at the nozzle gap can advantageously be stabilized in that a rotationally symmetrical gas curtain with a radial flow component is generated within the nozzle gap.
  • a gas with an axial flow component can also be blown in rotationally symmetrically outside the spray cone.
  • a preferred application of this multi-phase mixing and dispersing process is that the multi-phase mixture consisting of several liquids and propellant gas is sprayed in a hollow cone shape through the nozzle gap into the combustion chamber of an incineration plant and is burned there together with solid dusty fuels or liquid or gaseous fuels.
  • One of the liquids can consist of a liquid waste material with a fluctuating calorific value, to which a liquid of high calorific value is admixed in the atomizing chamber as a second liquid to regulate the flame temperature in the combustion chamber.
  • Such incineration has been successfully used in the thermal disposal of waste containing chlorinated hydrocarbons.
  • one of the liquids fed into the multi-phase mixing nozzle consists of the chlorinated hydrocarbon-containing waste material and the other liquid consists of a liquid fuel.
  • the distributor elements preferably consist of y-shaped pairs of bores with leg lines and common foot lines, the leg lines being connected to the gas and liquid collection channels and the foot lines opening into the atomizing chamber.
  • the gutter is advantageously provided with a sharp tear-off edge on the inside.
  • annular gap or radial gas bores for generating a gas curtain are arranged in the nozzle head within the spray cone emerging from the nozzle gap.
  • a further stabilization of the spray cone can be achieved by a cylindrical gas curtain enveloping the spray cone.
  • axially parallel gas holes are provided in the nozzle flange.
  • the shape of the spray cone can advantageously be varied in that the nozzle gap can be adjusted with regard to its gap width.
  • Fig. 3 it is indicated that the liquid collection channel for the liquid F1 with liquid supply lines 13 and the liquid collection channel for the liquid F2 is provided with a liquid supply line 14.
  • the propellant gas compressed air
  • the propellant gas is fed to the gas collection duct 6 through the gas feed line 15 (see FIG. 3).
  • the foot lines 9 and 12 belonging to the distributor elements are oriented in the nozzle flange 1 in such a way that the liquids flowing through and accelerated by the propellant gas first strike an annular gutter 16 arranged in the upper part of the atomizing chamber 2.
  • the gutter 16 has on its inside (towards the nozzle axis) a sharp tear-off edge 17.
  • the individual streams T 1... N dispersed with the propellant gas are distributed in the trough-shaped depression of the gutter 16.
  • the two liquid flows F 1 and F 2 each divided into the liquid collection channels are mixed intensively for the first time by the impact and the equalization in the gutter 16.
  • At the tear-off edge 17 of the gutter 16 there is a first atomization of the premixed liquids F1 and F2.
  • the relaxation spaces 19 are connected in series in terms of flow technology in the atomizer chamber 2, so that the multiphase gas / liquid mixture in the atomizer chamber 2 is alternately compressed and decompressed. Due to this alternating compression and expansion, a high mixing quality is achieved.
  • the multi-phase mixture consisting of the propellant gas and the liquids F 1 and F 2 is formed by an annular outlet gap 20 that tapers conically in the direction of flow accelerates.
  • the annular outlet gap 20 on the nozzle head 3 is arranged at an obtuse angle against the nozzle axis. Since the pressure losses in compression and expansion in the expansion spaces 19 connected in series decrease the pressure in the flow direction, the volume flow increases with the mass flow remaining the same.
  • the pressurized multiphase mixture is atomized for the last time to form a hollow cone 22 (see FIG. 3). The swarm of droplets consisting of the multiphase mixture thus leaves the nozzle head 3 through the opening 21 along a conical surface.
  • the outlet gap 20 is delimited on the one hand by a conical web 23 at the end of the atomizing chamber 2 and on the other hand by a cone plate 24 belonging to the nozzle head.
  • the conical plate 24 is arranged on a central inner tube 25 extending from the nozzle head 1 and is adjustable in height. In this way, the slot width of the exit gap 20 can be adjusted. By adjusting the gap width, the throughput and also the shape of the hollow cone can be influenced within certain limits.
  • a conical cap 26 is screwed onto the height-adjustable conical plate 24 such that an annular gap 27 remains between the conical plate 24 and the conical cap 26, the opening of which directly adjoins the outlet gap 21.
  • Tapered plate 24 and tapered cap 26 together form the nozzle head 3.
  • the annular gap 27 is connected to a central distributor space 28 in the tapered cap 26, which in turn is connected to the inner tube 25.
  • the distributor space 28 additionally has gas bores 29 which extend radially outwards.
  • An inert gas air or nitrogen
  • an axial gas bores 30 in the extension of the gas collection channel 6 in the nozzle flange 1 also rotationally symmetrically a gas, e.g. outside the spray cone. Air blown in with an axial flow component. The spray cone is further stabilized by this cylindrical gas curtain.
  • other distribution elements e.g. an annular gap interrupted at regular intervals.
  • annular gas collection channel 6 which shows a cross section through the nozzle head 1, in particular the annular liquid collection channels 4 and 5 for the liquids F1 and F2 and the externally arranged, also annular gas collection channel 6 can be seen.
  • the leg lines 10 and 7 for the liquids F1 and F2 and the leg lines 11 and 8 for the propellant gas obliquely downwards, the gas leg lines 11 with the liquid leg lines 10 (for the liquid F1) and unite the gas leg lines 8 with the liquid leg lines 7 (for the liquid F2) (y-shaped distributor bores).
  • the axial gas bores 30 are arranged.
  • FIG. 3 schematically shows the swarm of drops 22 emerging from the outlet gap 21 on the nozzle head 3 in the form of a hollow cone.
  • the homogeneous distribution of the liquids F 1 and F 2 could be demonstrated by means of small sample trays 32 set up on the bottom 31 inside the spray cone 22 by subsequent analysis of the samples.
  • the multi-phase mixing nozzle With the aid of the multi-phase mixing nozzle described, it is possible to intensively mix and atomize two or more liquids with very different physical properties. Due to the extremely short average residence time in the entire multi-phase mixing nozzle in the range from 5 to 100 ms, chemical reactions that slowly occur between the liquids do not impair the atomization quality. It has also been found that, due to the extremely short residence time in the multiphase mixing nozzle, even polymerizing liquids can be mixed with one another and the mixture can be atomized without problems.
  • the multi-phase mixing nozzle practically enables in-situ mixing and atomization. Polymerizing liquids could e.g. not premixed in a tank and then atomized.
  • the flow guidance described in the vicinity of the outlet gap 21 also effectively and permanently prevents caking on the nozzle head in the form of salts or polymers. It has also been found that the multi-phase mixing nozzle requires only relatively low admission pressures for the propellant gas and the liquids in the range from 1 to 4 bar. This also enables the atomization of highly viscous liquid mixtures.
  • a preferred application of the method according to the invention is that the multi-phase mixing nozzle is inserted into the combustion chamber of an incineration plant and a swarm of hollow cones is generated there.
  • the combustion of liquid waste with a strongly fluctuating calorific value can be carried out successfully.
  • the multi-phase mixing nozzle is supplied with the liquid waste material as liquid F 1 and a high-calorific liquid fuel as liquid F 2.
  • the flow rate of the liquid fuel F2 can then be controlled so that the temperature in the combustion chamber remains constant.
  • the combustion chamber temperature is the reference variable for the fuel flow. It is also possible for a reaction liquid which increases or decreases the flame temperature to be metered in in a controlled manner in the multiphase mixing nozzle in order to keep the flame temperature constant.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the disposal of liquid problematic waste materials in the chemical industry.
  • different, immiscible wastewater or wastewater concentrate together with a liquid fuel are fed into the multiphase mixing nozzle, atomized and burned.
  • the combustion process can be improved by the radial and rotationally symmetrical gas curtains (from the annular gap 27 and the axial gas bores 30) are used when oxygen-rich air is used as the gas, so that the gas curtains support and stabilize the combustion as an additional oxygen supplier.
  • the process according to the invention can be used for the thermal disposal (combustion) of chlorinated hydrocarbon-containing waste materials with low and, above all, constant residual pollutant concentrations, one of the liquids fed into the multiphase mixing nozzle consisting of the chlorinated hydrocarbon-containing waste liquid, which as a second liquid is a liquid fuel is mixed into the atomizing chamber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Zerstäubung und Dispergierung von mindestens zwei Flüssigkeiten unter Verwendung von Treibgas, bei dem das resultierende Gas-Flüssigkeitsgemisch durch eine aus hintereinandergeschalteten Entspannungsräumen bestehende Zerstäuberkammer geführt wird und in Form eines Sprühkegels aus einem stromabwärts an der Zerstäuberkammer angebrachten Düsenspalt ausströmt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Zerstäubung und Dispergierung von mindestens zwei Flüssigkeiten unter Verwendung von Treibgas, bei dem das resultierende Gas-Flüssigkeitsgemisch durch eine aus hintereinandergeschalteten Entspannungsräumen bestehende Zerstäuberkammer geführt wird und in Form eines Sprühkegels aus einem stromabwärts an der Zerstäuberkammer angebrachten Düsenspalt ausströmt.
  • Ein Verfahren, bei dem eine Flüssigkeit mit einem Treibgas in einer internen Zerstäuberkammer gemischt wird und anschließend durch einen Düsenspalt am Ende der Zerstäuberkammer austritt, wird in DE 32 16 420 beschrieben. Charakteristisch ist dabei eine interne Vermischung von Flüssigkeit und Treibgas in strömungstechnisch hintereinandergeschalteten Kammern, in denen das Treibgas mehrmals auf dem Weg bis zum Verlassen der Düse entspannt und wieder verdichtet wird. Auf diese Weise erfolgt in der Zerstäuberkammer eine sehr gute Vorvermischung, bevor das Gemisch aus der Düse mit dem kegelförmigen Ringspalt austritt, und bei dieser Expansion noch weiter dispergiert wird. Aufgrund dieses Drucksprungs wird die Flüssigkeit sehr fein zerstäubt und als Hohlkegel in den umgebenden Raum eingetragen.
  • Weiterhin wird in DE 26 45 142 ein Verfahren zur Erzeugung eines Stroms von mindestens zwei gemischten und zerstäubten Fluiden beschrieben, bei dem zunächst die Flüssigkeiten und ein Treibgas in einem ersten injektorähnlichen Strömungsdurchlaß zusammengeführt, gemischt und vorzerstäubt werden. Das resultierende Gas-Flüssigkeitsgemisch wird dann anschließend beschleunigt und trifft nach dem Verlassen des Düsenkörpers auf eine Prallfläche bzw. Reflexionsvorrichtung. In dieser Reflexions- und Aufprallzone, die als zweite Mischstufe anzusehen ist, findet eine weitere Mischung und Zerstäubung statt, bevor das zerstäubte Mischfluid die Düse in Form eines offenen Fallschirms verläßt.
  • Mit den bisher bekannten Mischdüsen ist es unmöglich, zwei oder mehr Flüssigkeiten gleichzeitig und mit hoher Mischgüte in Form eines geschlossenen Hohlkegels zu zerstäuben. Besonders problematisch ist insbesondere die Dispergierung und Zerstäubung mehrerer Flüssigkeiten, wenn sich diese Flüssigkeiten nicht ineinander lösen, oder nicht emulgieren lassen, oder chemisch miteinander reagieren. Derartig "miteinander unverträgliche" Flüssigkeiten werden im folgenden als "nicht mischbare Flüssigkeiten" bezeichnet. Eine wichtige Anwendung der Erfindung besteht ferner darin, daß zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig verbrannt werden sollen. Die beiden Flüssigkeiten können z.B. stark unterschiedliche Heizwerte aufweisen. Um eine zeitstabile gleichmäßige Verbrennung zu gewährleisten, müssen die beiden Flüssigkeiten sehr gut miteinander vermischt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Dispergierung und Zerstäubung von mehreren Flüssigkeiten unter Verwendung von Treibgas zu entwickeln, bei dem die Flüssigkeiten homogen und betriebssicher mit hoher Mischgüte gemischt und anschließend als Tropfenschwarm in Form eines geschlossenen Hohlkegels zerstäubt werden. Insbesondere sollen dabei nicht mischbare Flüssigkeiten zum Einsatz kommen.
  • Diese Aufgabe wird unter Verwendung einer aus hintereinandergeschalteten Entspannungsräumen bestehenden Zerstäuberkammer mit einem stromabwärts angebrachten Düsenspalt erfindungsgemäß dadurch gelöst,
    • a) daß vor dem Eintritt in die Zerstäuberkammer mit dem Treibgas dispergierte Einzelströme T1...n der verschiedenen Flüssigkeiten erzeugt werden,
    • b) daß diese Einzelströme durch Verteilelemente rotationssymmetrisch in die Zerstäuberkammer eingespeist und derart auf eine ringförmige Fangrinne in der Zerstäuberkammer gerichtet werden, daß die Einzelströme T1...n in Umfangsrichtung gesehen in zyklischer Reihenfolge auf der Fangrinne auftreffen,
    • c) und daß das resultierende Mehrphasengemisch aus den Flüssigkeiten F1...n und dem Treibgas in der Zerstäuberkammer in Strömungsrichtung abwechselnd komprimiert und entspannt und anschließend durch den Düsenspalt in Form eines Hohlkegels versprüht wird.
  • Im einfachsten Fall, wenn nur zwei Flüssigkeiten F₁ und F₂ gemischt und zerstäubt werden sollen, werden die mit Treibgas vermischten Flüssigkeiten F₁ und F₂ als Einzelströme T₁ und T₂ in Umfangsrichtung abwechselnd in die Zerstäuberkammer eingespeist; d.h. die Einzelströme T₁ und T₂ treffen in Umfangsrichtung gesehen abwechselnd auf der Fangrinne auf.
  • Vorteilhaft kann der am Düsenspalt austretende Sprühkegel dadurch stabilisiert werden, daß innerhalb des Düsenspalts ein rotationssymmetrischer Gasvorhang mit einer radialen Strömungskomponente erzeugt wird. Zur weiteren Stabilisierung kann auch außerhalb des Sprühkegels rotationssymmetrisch ein Gas mit einer axialen Strömungskomponente eingeblasen werden.
  • Eine bevorzugte Anwendung dieses Mehrphasen-Misch- und Dispergierverfahrens besteht darin, daß das aus mehreren Flüssigkeiten und Treibgas bestehende Mehrphasengemisch durch den Düsenspalt hohlkegelförmig in die Brennkammer einer Verbrennungsanlage gesprüht wird und dort zusammen mit festen staubförmigen Brennstoffen oder flüssigen bzw. gasförmigen Brennstoffen verbrannt wird. Dabei kann eine der Flüssigkeiten aus einem flüssigen Abfallstoff mit schwankendem Heizwert bestehen, dem in der Zerstäuberkammer als zweite Flüssigkeit eine heizwertreiche Flüssigkeit zur Regelung der Flammentemperatur in der Brennkammer beigemischt wird. Eine derartige Verbrennung konnte mit Erfolg bei der thermischen Entsorgung von chlorkohlenwasserstoffhaltigen Abfallstoffen eingesetzt werden. In diesem Fall besteht also die eine der in die Mehrphasenmischdüse eingespeiste Flüssigkeit aus dem chlorkohlenwasserstoffhaltigen Abfallstoff und die andere Flüssigkeit aus einem flüssigen Brennstoff.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe einer speziellen Mehrphasenmischdüse realisiert, die im wesentlichen aus einem Düsenflansch mit Flüssigkeits- und Treibgaszuführungen und einem Düsenkopf mit einem kreisförmigen Düsenspalt für die Zerstäubung des Gas/Flüssigkeitsgemischs, sowie einer zwischen Düsenflansch und Düsenkopf angeordneten Zerstäuberkammer mit mehreren, hintereinander geschalteten Entspannungsräumen besteht. Diese Mehrphasenmischdüse ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
    • a) daß der Düsenflansch rotationssymmetrisch angeordnete Verteilerelemente aufweist, die jeweils aus einer miteinander verbundenen Flüssigkeits- und Treibgaszuleitung bestehen und in die Zerstäuberkammer münden,
    • b) daß die Treibgaszuleitung mit einem Gassammelkanal und die Flüssigkeitszuleitungen gruppenweise mit Flüssigkeitssammelkanälen verbunden sind, die jeweils mit einem Anschluß für die Zuführung einer Flüssigkeit versehen sind,
    • c) und daß, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Einmündung der Verteilerelemente an der Innenwand der Zerstäuberkammer eine ringförmige Fangrinne zur Vermischung und Verteilung der mit dem Treibgas dispergierten Einzelflüssigkeitsströme T1...n angebracht ist.
  • Vorzugsweise bestehen die Verteilerelemente aus y-förmigen Bohrungspaaren mit Schenkelleitungen und gemeinsamen Fußleitungen, wobei die Schenkelleitungen mit den Gas- und Flüssigkeitssammelkanälen verbunden sind und die Fußleitungen in die Zerstäuberkammer münden.
  • Die Fangrinne ist vorteilhaft an ihrer Innenseite mit einer scharfen Abreißkante versehen.
  • Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß im Düsenkopf ein Ringspalt oder radiale Gasbohrungen zur Erzeugung eines Gasvorhangs innerhalb des aus dem Düsenspalt austretenden Sprühkegels angeordnet sind. Eine weitere Stabilisierung des Sprühkegels kann durch einen zylindrischen, den Sprühkegel einhüllenden Gasvorhang erreicht werden. Zu diesem Zweck sind im Düsenflansch achsenparallele Gasbohrungen vorgesehen. Durch diese strömungstechnischen Maßnahmen wird verhindert, daß zerstaubte Flüssigkeitspartikel an die Düsenoberfläche gelangen und dort ein die Bedüsung behindernder Produktaufbau stattfindet.
  • Vorteilhaft kann die Form des Sprühkegels dadurch variiert werden, daß der Düsenspalt bezüglich seiner Spaltweite einstellbar ist.
  • Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
    • Die Mischung und Zerstäubung von zwei oder mehr Flüssigkeiten kann innerhalb einer sehr kurzen Zeit erfolgen (0,005 s bis 0,5 s)
    • Vor allem können auch nicht mischbare, insbesondere reaktive Flüssigkeiten, die nicht zusammen in einem Behälter homogenisiert werden können, problemlos gemischt werden.
    • Ebenso können hinsichtlich ihrer Viskosität unterschiedliche Flüssigkeiten gleichmäßig gemischt und zerstäubt werden.
    • Es hat sich gezeigt, daß aufgrund schnell wechselnder instabiler Strömungen in der Zerstäuberkammer und innerhalb der Düse ein Selbstreinigungseffekt eintritt.
    • Aufgrund des intensiven Kontakts der gemischten Flüssigkeiten mit der Zerstäuberkammerinnenwand wird ein guter Wärmeübergang gewährleistet, so daß die Wärme durch die Flüssigkeit schnell abtransportiert wird. Aus diesem Grund braucht bei der Anfertigung der Mehrphasenmischdüse kein hochtemperaturbeständiger Werkstoff eingesetzt werden.
      Die erfindungsgemäße Mehrphasendüse ist sowohl für kleine (5 l / h) als auch für große Durchsätze (10 000 l / h und mehr) geeignet.
    • Die erfindungsgemäße Mehrphasenmischdüse arbeitet mit einem sehr hohen Wirkungsgrad; d.h. die auf das Flüssigkeitsvolumen bezogene erforderliche Treibgasmenge ist vergleichsweise gering.
    • Bei Verwendung der Mehrphasenmischdüse als Brennerdüse kann problemlos ein im Heizwert stabiles Brennstoffgemisch bereitgestellt werden, wenn ein oder mehrere Flüssigbrennstoffe schwankende Heizwerte aufweisen. Diese Einstellung und Regelung ist vor allem bei der Verbrennung von flüssigen Abfallbrennstoffen mit variierender Zusammensetzung von großer Bedeutung, weil damit eine stabile Verbrennung mit niedrigem Schadstoffausstoß erreicht werden kann.
      Über den radialen und axialen Luftvorhang kann sauerstoffreiche Luft zu beiden Seiten des Sprühkegels zugeführt werden, so daß auch bei minderwertigem Brennstoff eine hohe Stabilität der Flamme gewährleistet ist.
    • Aufgrund der hohen Hohlkegelsprühfläche mit relativ geringer Tropfendichte erfolgt eine großflächige Verteilung des Brennstoffs im Brennraum. Dadurch ist eine wesentliche Voraussetzung für einen guten Ausbrand erfüllt.
    Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 einen Längsquerschnitt durch die Mehrphasenmischdüse,
    • Fig. 2 einen Querschnitt AA' durch den Düsenflansch der Mehrphasenmischdüse und
    • Fig. 3 das Sprühbild der Mehrphasenmischdüse
    Die Mehrphasenmischdüse gemäß Fig. 1 dient zur Dispergierung und Zerstäubung von zwei Flüssigkeiten F₁ und F₂ unter Verwendung eines Treibgases. Die wesentlichen Bestandteile der Mehrphasenmischdüse sind der Düsenflansch 1, die Zerstäuberkammer 2 und der Düsenkopf 3. Die beiden Flüssigkeiten F₁ und F₂ gelangen über Verteilelemente, die auf einem Kreis im Düsenkopf 1 angeordnet sind, in die Zerstäuberkammer 2. Die Verteilelemente bestehen ihrerseits aus y-förmigen Bohrungsverzweigungen, mit 2 Schenkelleitungen und jeweils einer gemeinsamen Fußleitung. Im Düsenflansch 1 sind Sammelkanäle 4 und 5 für die beiden Flüssigkeiten F₁ und F₂ und ein Gassammelkanal 6 für die Zuführung des Treibgases angeordnet. Ein Schenkel 7 eines Verteilerelements für die Flüssigkeit F₂ ist mit dem Sammelkanal 5 und der andere Schenkel 8 mit dem Gassammelkanal 6 verbunden. Die beiden Schenkelleitungen 7 und 8 laufen spitzwinklig aufeinander zu und gehen in die gemeinsame Fußleitung 9 über, die in die Zerstäuberkammer 2 einmündet. Die Verteilerelemente für die Flüssigkeit F₁ sind analog aufgebaut. Eine Schenkelleitung 10 mündet jeweils in den Flüssigkeitssammelkanal 4, die andere Schenkelleitung 11 ist wieder mit dem Gassammelkanal 6 verbunden. Die beiden Schenkelleitungen 10 und 11 sind wiederum zu einer Fußleitung 12 zusammengeführt, die in das Innere der Zerstäuberkammer 2 einmündet. Das Treibgas trifft also über die Schenkelleitung 11 auf die Flüssigkeit F₂ und über die Schenkelleitung 8 auf die Flüssigkeit F1. Die Schenkelleitungen sind so dimensioniert, daß der Druckverlust möglichst niedrig gehalten wird und die zur Verfügung stehende Zerstäubungsenergie effektiv der nachfolgenden Zerstäuberkammer 2 ausgenutzt werden kann. Die Verteilerelemente für die beiden Flüssigkeiten F₁ und F₂ sind abwechselnd nacheinander auf einem Kreis im Düsenflansch 1 angeordnet (s. Fig. 2). Bei mehr als zwei Flüssigkeiten ist eine zyklische Reihenfolge, z.B. F₁, F₂, F₃, F₄; F₁, F₂, F₃, F₄ vorgesehen.
  • In Fig. 3 ist angedeutet, daß der Flüssigkeitssammelkanal für die Flüssigkeit F₁ mit Flüssigkeitszuleitungen 13 und der Flüssigkeitssammelkanal für die Flüssigkeit F₂ mit einer Flüssigkeitszuleitung 14 versehen ist. Das Treibgas (Preßluft) wird dem Gassammelkanal 6 durch die Gaszuleitung 15 zugeführt (s. Fig. 3).
  • Die zu den Verteilerelementen gehörenden Fußleitungen 9 und 12 sind im Düsenflansch 1 so orientiert, daß die hindurchströmenden, vom Treibgas beschleunigten Flüssigkeiten zunächst auf eine ringförmige, im oberen Teil der Zerstäuberkammer 2 angeordnete Fangrinne 16 auftreffen. Die Fangrinne 16 weist an ihrer Innenseite (zur Düsenachse hin) eine scharfe Abreißkante 17 auf. In der rinnenförmigen Vertiefung der Fangrinne 16 verteilen sich die mit dem Treibgas dispergierten Einzelströme T1...n. Die beiden jeweils in den Flüssigkeitssammelkanälen aufgeteilten Flüssigkeitsströme F₁ und F₂ werden durch den Aufprall und die Vergleichmäßigung in der Fangrinne 16 ein erstes Mal intensiv gemischt. An der Abreißkante 17 der Fangrinne 16 erfolgt eine erste Zerstäubung der vorgemischten Flüssigkeiten F₁ und F₂. Eine weitere Zerstäubung und Vermischung findet dann in den durch Stege 18 gebildeten Entspannungsräumen 19 in der Zerstäuberkammer 2 statt. Die Entspannungsräume 19 sind in der Zerstäuberkammer 2 strömungstechnisch hintereinander geschaltet, so daß das mehrphasige Gas/Flüssigkeitsgemisch in der Zerstäuberkammer 2 abwechselnd komprimiert und dekomprimiert wird. Durch diese abwechselnde Verdichtung und Entspannung wird eine hohe Mischgüte erreicht.
  • Am Austritt der Zerstäuberkammer 2 wird das aus dem Treibgas und den Flüssigkeiten F₁ und F₂ bestehende Mehrphasengemisch durch einen sich in Strömungsrichtung konisch verjüngenden ringförmigen Austrittsspalt 20 beschleunigt. Der ringförmige Austrittsspalt 20 am Düsenkopf 3 ist unter einem stumpfen Winkel gegen die Düsenachse angeordnet. Da durch die Druckverluste bei der Komprimierung und Entspannung in den hintereinander geschalteten Entspannungsräumen 19 der Druck in Strömungsrichtung gesehen abnimmt, nimmt bei gleichbleibendem Massenstrom der Volumenstrom zu. An der Öffnung 21 des Austrittsspalts 20 findet letztmalig eine Zerstäubung des unter Druck stehenden Mehrphasengemisches unter Ausbildung eines Hohlkegels 22 statt (s. Fig. 3). Der aus dem Mehrphasengemisch bestehende Tropfenschwarm verläßt also den Düsenkopf 3 durch die Öffnung 21 längs einer Kegelfläche.
  • Der Austrittsspalt 20 wird einerseits von einem konischen Steg 23 am Ende der Zerstäuberkammer 2 und andererseits durch eine zum Düsenkopf gehörende Kegelplatte 24 begrenzt. Die Kegelplatte 24 ist an einem zentralen, vom Düsenkopf 1 ausgehenden Innenrohr 25 höhenverstellbar angeordnet. Auf diese Weise kann die Schlitzbreite des Austrittsspalts 20 eingestellt werden. Durch Verstellung der Spaltweite kann der Durchsatz und auch die Form des Hohlkegels in gewissen Grenzen beeinflußt werden.
  • Auf die höhenverstellbare Kegelplatte 24 ist eine Kegelkappe 26 derart aufgeschraubt, daß zwischen der Kegelplatte 24 und der Kegelkappe 26 ein Ringspalt 27 verbleibt, dessen Öffnung unmittelbar an den Austrittsspalt 21 angrenzt. Kegelplatte 24 und Kegelkappe 26 bilden zusammen den Düsenkopf 3. Der Ringspalt 27 ist mit einem zentralen Verteilerraum 28 in der Kegelkappe 26 verbunden, der seinerseits mit dem Innenrohr 25 in Verbindung steht. Der Verteilerraum 28 weist zusätzlich radial nach außen geführte Gasbohrungen 29 auf. Dem zentralen Innenrohr 25 kann über den Düsenflansch 1 ein Inertgas zugeführt werden (Luft oder Stickstoff), das über den Verteilerraum 28 durch den Ringspalt 27 und die Gasbohrungen 29 ausströmt. Auf diese Weise wird innerhalb des Sprühkegels ein rotationssymmetrischer Gasvorhang mit einer radialen Strömungskomponente erzeugt. Dieser Gasvorhang hat die Aufgabe, das sich im Bereich der Kegelkappe 26 bildende Unterdruckgebiet aufzufüllen. Ohne diese Auffüllung besteht die Tendenz, daß der Tropfenschwarm in Hohlkegelform unterhalb des Austrittsspaltes 21 kollabiert. Die Zerstäubung würde dann die Form eines Vollkegels annehmen, wobei in der Nähe des Austrittsspaltes eine bauchförmige Aufweitung auftritt.
  • Ferner wurde beobachtet, daß auch oberhalb des Sprühkegels in Wandnähe der Zerstäuberkammer 2 Unterdruck entsteht, der ebenfalls zu Instabilitäten führen kann. Um dies zu verhindern, wird mittels der axialen Gasbohrungen 30 in Verlängerung des Gassammelkanals 6 im Düsenflansch 1 auch außerhalb des Sprühkegels rotationssymmetrisch ein Gas, z.B. Luft, mit einer axialen Strömungskomponente eingeblasen. Durch diesen zylindrischen Gasvorhang wird der Sprühkegel noch weiter stabilisiert. Anstelle der rotationssymmetrisch angeordneten axialen Gasbohrungen 30 können natürlich auch andere Verteilelemente, z.B. ein in regelmäßigen Abständen unterbrochener Ringspalt, vorgesehen werden.
  • Aus der Fig. 2, die einen Querschnitt durch den Düsenkopf 1 zeigt, sind insbesondere die ringförmigen Flüssigkeitssammelkanäle 4 und 5 für die Flüssigkeiten F₁ und F₂ und der außen angeordnete, ebenfalls ringförmige Gassammelkanal 6 ersichtlich. Von den Sammelkanälen führen, in regelmäßigem Abstand über den Umfang verteilt, die Schenkelleitungen 10 und 7 für die Flüssigkeiten F₁ und F₂ und die Schenkelleitungen 11 und 8 für das Treibgas schräg nach unten, wobei sich die Gasschenkelleitungen 11 mit den Flüssigkeitsschenkelleitungen 10 (für die Flüssigkeit F₁) und die Gasschenkelleitungen 8 mit den Flüssigkeitsschenkelleitungen 7 (für die Flüssigkeit F₂) vereinigen (y-förmige Verteilerbohrungen). Neben den vom Boden des Gassammelkanals 6 ausgehenden Gasschenkelleitungen 8 und 11 sind die axialen Gasbohrungen 30 angeordnet.
  • Fig. 3 zeigt schematisch den vom Austrittsspalt 21 am Düsenkopf 3 ausgehenden Tropfenschwarm 22 in Form eines Hohlkegels. Die homogene Verteilung der Flüssigkeiten F₁ und F₂ konnte mit Hilfe kleiner am Boden 31 innerhalb des Sprühkegels 22 aufgestellter Probenwannen 32 durch nachfolgende Analyse der Proben nachgewiesen werden.
  • Bei einem Versuch wurden jeweils 1 000 l / h der Flüssigkeiten F₁ und F₂ sowie 130 m³ / h Preßluft (auf den Normzustand bezogen) der Mehrphasenmischdüse zugeführt. Der Druckabfall in der Mehrphasenmischdüse betrug 2,6 bar, der erzeugte Sprühwinkel des Hohlkegels 95°. Das Volumen der Zerstäuberkammer 2 betrug dabei 120 000 mm³. Mit dem an der Mehrphasenmischdüse anliegenden Systemdruck von 2,6 bar ergab sich eine mit der Mischzeit gleichzusetzende Verweilzeit von 13 ms in der Zerstäubungskammer 2.
  • Mit Hilfe der beschriebenen Mehrphasenmischdüse ist es möglich, zwei oder mehrere Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften intensiv zu vermischen und zu verdüsen. Aufgrund der äußerst geringen mittleren Verweilzeit in der gesamten Mehrphasenmischdüse im Bereich von 5 bis 100 ms führen auch zwischen den Flüssigkeiten langsam ablaufende chemische Reaktionen zu keiner Beeinträchtigung der Zerstäubungsqualität. Es wurde auch gefunden, daß selbst polymerisierende Flüssigkeiten aufgrund der äußerst kurzen Verweilzeit in der Mehrphasenmischdüse miteinander gemischt und die Mischung problemlos zerstäubt werden kann. Die Mehrphasenmischdüse ermöglicht praktisch eine in-situ Mischung und Zerstäubung. Polymerisierende Flüssigkeiten könnten z.B. nicht in einem Tank vorgemischt und anschließend zerstäubt werden. Durch die beschriebene Strömungsführung in der Nähe des Austrittsspalts 21 (axialer und radialer Gasvorhang) werden ferner Anbackungen am Düsenkopf in Form von Salzen oder Polymerisaten wirksam und auf Dauer verhindert. Ferner hat sich herausgestellt, daß die Mehrphasenmischdüse nur relativ geringe Vordrücke für das Treibgas und die Flüssigkeiten im Bereich von 1 bis 4 bar benötigt. Dadurch wird auch die Zerstäubung von höherviskosen Flüssigkeitsmischungen ermöglicht.
  • Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Mehrphasenmischdüse in die Brennkammer einer Verbrennungsanlage eingesetzt wird und dort ein hohlkegelförmiger Tropfenschwarm erzeugt wird. Damit kann insbesondere die Verbrennung flüssiger Abfallstoffe mit stark schwankendem Heizwert erfolgreich durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wird der Mehrphasenmischdüse der flüssige Abfallstoff als Flüssigkeit F₁ und ein heizwertreicher flüssiger Brennstoff als Flüssigkeit F₂ zugeführt. Der Mengenstrom des flüssigen Brennstoffs F₂ kann dann so geregelt werden, daß die Temperatur im Brennraum konstant bleibt. Die Brennkammertemperatur ist dabei die Führungsgröße für den Brennstoffmengenstrom. Es ist auch möglich, daß in der Mehrphasenmischdüse eine die Flammentemperatur erhöhende oder erniedrigende Reaktionsflüssigkeit geregelt zudosiert wird, um die Flammentemperatur konstant zu halten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber vor allem für die Entsorgung von flüssigen Problemabfallstoffen in der chemischen Industrie geeignet. Zu diesem Zweck werden z.B. unterschiedliche, nicht mischbare Abwässer bzw. Abwasserkonzentrate zusammen mit einem flüssigen Brennstoff in die Mehrphasenmischdüse eingespeist, zerstäubt und verbrannt. Der Verbrennungsvorgang kann dabei durch die radialen und rotationssymmetrischen Gasvorhänge (aus dem Ringspalt 27 und den axialen Gasbohrungen 30) verbessert werden, wenn als Gas sauerstoffreiche Luft verwendet wird, so daß die Gasvorhänge als zusätzlicher Sauerstofflieferant die Verbrennung unterstützen und stabilisieren. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren zur thermischen Entsorgung (Verbrennung) von Chlorkohlenwasserstoff-haltigen Abfallstoffen mit geringen und vor allem konstanten Restschadstoffkonzentrationen eingesetzt werden, wobei eine der in die Mehrphasenmischdüse eingespeisten Flüssigkeiten aus der Chlorkohlenwasserstoff-haltigen Abfallflüssigkeit besteht, dem als zweite Flüssigkeit ein flüssiger Brennstoff in der Zerstäuberkammer beigemischt wird.

Claims (13)

  1. Verfahren zur gleichzeitigen Zerstäubung und Dispergierung von mindestens zwei Flüssigkeiten F1...n unter Verwendung von Treibgas, bei dem das resultierende Gas-Flüssigkeitsgemisch durch eine aus hintereinandergeschalteten Entspannungsräumen (19) bestehende Zerstäuberkammer (2) geführt wird und in Form eines Sprühkegels (22) aus einem stromabwärts an der Zerstäuberkammer (2) angebrachten Düsenspalt (20) ausströmt, dadurch gekennzeichnet,
    a) daß vor dem Eintritt in die Zerstäuberkammer (2) mit dem Treibgas dispergierte Einzelströme T1...n der verschiedenen Flüssigkeiten erzeugt werden,
    b) daß diese Einzelströme durch Verteilelemente rotationssymmetrisch in die Zerstäuberkammer (2) eingespeist und derart auf eine ringförmige Fangrinne (16) in der Zerstäuberkammer (2) gerichtet werden, daß die Einzelströme in Umfangsrichtung gesehen in zyklischer Reihenfolge auf der Fangrinne (16) auftreffen und
    c) daß das resultierende Mehrphasengemisch aus den Flüssigkeiten F1...n und dem Treibgas in der Zerstäuberkammer (2) in Strömungsrichtung abwechselnd komprimiert und entspannt und anschließend durch den Düsenspalt (20) in Form eines Hohlkegels (22) versprüht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Flüssigkeiten F₁ und F₂ die zugehörigen Einzelströme T₁ und T₂ in Umfangsrichtung abwechselnd auf die Fangrinne (16) auftreffen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Sprühkegels (22) in der Nähe des Düsenspalts (20) ein rotationssymmetrischer Gasvorhang mit einer radialen Strömungskomponente erzeugt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Stabilisierung auch außerhalb des Sprühkegels (22) rotationssymmetrisch ein Gas mit einer axialen Strömungskomponente eingeblasen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrphasengemisch durch den Düsenspalt (20) hohlkegelförmig in die Brennkammer einer Verbrennungsanlage gesprüht wird und dort zusammen mit festen staubförmigen oder flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen verbrannt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Flüssigkeiten F₁ aus einem flüssigen Abfallstoff mit schwankendem Heizwert besteht, dem in der Zerstäuberkammer (2) als zweite Flüssigkeiten F₂ eine heizwertreiche Flüssigkeit zur Regelung der Flammentemperatur in der Brennkammer beigemischt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Flüssigkeiten F₁ aus einem chlorkohlenwasserstoffhaltigen Abfallstoff besteht, dem in der Zerstäuberkammer (2) ein flüssiger Brennstoff als zweite Flüssigkeit F₂ beigemischt wird.
  8. Mehrphasenmischdüse zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, bestehend aus einem Düsenflansch (1) mit Flüssigkeits- (13,14) und Treibgaszuführungen (15) und einem Düsenkopf (3) mit einem kreisförmigen Düsenspalt (20) für die Zerstäubung des Gas-Flüssigkeitsgemischs sowie einer zwischen Düsenflansch (1) und Düsenkopf (3) angeordneten Zerstäuberkammer (2) mit mehreren hintereinander geschalteten Entspannungsräumen (19), dadurch gekennzeichnet,
    a) daß der Düsenflansch (1) rotationssymmetrisch angeordnete Verteilerelemente aufweist, die jeweils aus einer miteinander verbundenen Flüssigkeits- (10, 7) und Treibgaszuleitung (11, 8) bestehen und in die Zerstäuberkammer (2) münden,
    b) daß die Treibgaszuleitung (15) mit einem Gassammelkanal (6) und die Flüssigkeitszuleitungen (13, 14) gruppenweise mit Flüssigkeitssammelkanälen (4,5) verbunden sind,
    c) und daß in Strömungsrichtung gesehen hinter der Einmündung der Verteilerelemente an der Innenwand der Zerstäuberkammer (2) eine ringförmige Fangrinne (16) zur Vermischung und Verteilung der mit dem Treibgas dispergierten Einzel-Flüssigkeitsströme T₁ ...Tn angebracht ist.
  9. Mehrphasenmischdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerelemente aus y-förmigen Bohrungspaaren mit Schenkelleitungen (10, 11 und 7, 8) und gemeinsamen Fußleitungen (12, 9) bestehen, wobei die Schenkelleitungen (10, 11, 7, 8) mit den Gas- und Flüssigkeitssammelkanälen (4, 5, 6) verbunden sind und die Fußleitungen (9, 12) auf die Fangrinne (16) gerichtet sind.
  10. Mehrphasenmischdüse nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangrinne (16) an ihrer Innenseite mit einer Abreißkante (17) versehen ist.
  11. Mehrphasenmischdüse nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Düsenkopf (3) ein Ringspalt (27) oder radiale Gasbohrungen (29) zur Erzeugung eines Gasvorhangs innerhalb des aus dem Düsenspalt (20) austretenden Sprühkegels (22) angeordnet sind.
  12. Mehrphasenmischdüse nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenflansch (1) Gasbohrungen (30) aufweist, die auf die Außenfläche des Sprühkegels (22) gerichtet sind.
  13. Mehrphasenmischdüse nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenspalt (20) bezüglich der Spaltweite einstellbar ist.
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