EP0710799B1 - Verfahren zur thermischen Oxidation von flüssigen Abfallstoffen - Google Patents

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EP0710799B1
EP0710799B1 EP95116792A EP95116792A EP0710799B1 EP 0710799 B1 EP0710799 B1 EP 0710799B1 EP 95116792 A EP95116792 A EP 95116792A EP 95116792 A EP95116792 A EP 95116792A EP 0710799 B1 EP0710799 B1 EP 0710799B1
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EP
European Patent Office
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liquid
flue gas
fan
stream
liquid waste
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EP95116792A
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EP0710799A2 (de
EP0710799A3 (de
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Uwe Listner
Martin Schweitzer
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Original Assignee
Bayer AG
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/008—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals for liquid waste
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
    • F23G5/12—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating using gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/44—Details; Accessories
    • F23G5/442—Waste feed arrangements
    • F23G5/446—Waste feed arrangements for liquid waste
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/12—Sludge, slurries or mixtures of liquids

Definitions

  • the invention relates to a method for the complete thermal oxidation of liquid waste.
  • the waste material is then transferred to a hot flue gas stream introduced, evaporated and thermally oxidized.
  • the flue gas flow must be closed for this purpose contain the oxygen necessary for the oxidation.
  • An essential step is the utilization of the thermal Energy from a flue gas stream coming from an incinerator for thermal oxidation and thus disposal of liquid waste.
  • the oxygen required for this oxidation process is called hot Flue gas stream delivered; i.e. the flue gas flow must be sufficient Contain oxygen.
  • the hot flue gas e.g. through a waste incineration plant generated, must be burned with an excess of oxygen be worked so that part of the unused oxygen with the hot flue gas is discharged.
  • this is an incineration plant with a Afterburning chamber, which is supplied with the liquid waste to be disposed of become.
  • a Afterburning chamber which is supplied with the liquid waste to be disposed of become.
  • one or installed several special burners which applied the liquid waste fuel become.
  • the liquid waste fuel is in the burner flame atomized finely.
  • the swarm of drops generated forms a full cone.
  • Each Burner is also used in sufficient quantities of combustion air Atomization of the liquid waste material required compressed air.
  • the atomized liquid is initially available as a droplet collective that mixes with the Initial velocity of the atomization is moved into the combustion chamber. Between the single drop flows out of the nozzle at the speed of sound Atomizing air. This two-phase mixture is initially relatively cold Combustion air enveloped.
  • the invention has for its object also poorly combustible liquid waste fuels to be introduced into the afterburning chamber in such a way that even with unfavorable ones Burning conditions a complete burnout is guaranteed.
  • this object is achieved according to the invention in that the liquid waste fuel is injected into the hot flue gas stream with a flow component perpendicular to the main flow direction as a fan-shaped flat jet using one or more two-substance nozzles, which pulsate at a frequency of 5 s -1 to 70 s -1 , preferably 10 s -1 to 20 s -1 are operated, a fan-shaped spray carpet with relatively coarse drops of long range and a flat spray carpet with relatively fine drops of short range being generated in alternation at each two-component nozzle, so that the flue gas stream alternating with finely sprayed drops of short range and coarse that flue gas with a relatively large throw penetrating drops.
  • the liquid waste material is preferably injected into a flue gas stream whose temperature is at least 800 ° C and its oxygen content at least is so high that complete oxidation of the combustible materials is guaranteed is.
  • the geometry of the two-component nozzles and the flow conditions (throughput and Operating pressures) are chosen so that the opening angle of the fan-shaped Spray carpets is 60 ° to 160 °.
  • the atomizing gas throughput and the liquid throughput at the two-fluid nozzles is adjusted so that the time average flow ratio of air and liquid flows at each Two-component nozzle is in the range of 0.01 to 0.2, while the instantaneous value of the Flow ratio fluctuates according to the pulsation frequency.
  • the pulsating mode of operation can be caused by periodic exposure to the Two-substance nozzle with compressed gas or liquid. Alternatively, the pulsating operation even when compressed air and Fluid generated in the two-fluid nozzle itself.
  • Fig. 1 is a main combustion chamber 1 with a burner 2 and a main flame 3 shown.
  • the main flame 3 becomes so much combustion air or oxygen that the flowing out of the main combustion chamber 1
  • Flue gas 4 still has a considerable residual oxygen content (more than 6%).
  • the Oxygen content of the flue gas can be varied by the main flame 3 more or less in excess oxygen or combustion air supplied becomes
  • the oxygen-containing flue gas 4 leaves the main combustion chamber 1 with a Temperature from 1000 ° C to 1400 ° C and then flows into the afterburner 5. Liquid is injected into the afterburning chamber 5 Waste fuels, which are then in the hot flue gas stream with the residual oxygen are thermally oxidized and thus disposed of Technology), one or more burners are installed in the afterburning chamber are equipped with their own burner air supply. The ones to be treated liquid waste is injected directly into the flames of these burners.
  • the new process eliminates the need for burners in the afterburner.
  • the liquids to be oxidized are made with the help of special Two-substance nozzle lances 6 are injected into the flue gas stream in a fan shape.
  • the fan-shaped Spray carpet 7 is shown in Fig. 2. Its transverse extent is b much larger than its thickness a (see Fig. 1).
  • the main difference compared to conventional nozzle lances is that the used here Two-fluid nozzle lances 6 alternate with a fan-shaped spray carpet relatively coarse drops with a long range and a fan-shaped spray carpet generate with relatively fine drops of small range, so that the flue gas flow 4 alternating with finely sprayed drops of short range and rough that Flue gas with a relatively large throw penetrating drops becomes.
  • This pulsating operation is hereinafter referred to as "bimodal operation" designated.
  • bimodal two-substance nozzle lances 6 are arranged in the afterburning chamber 5 in a rotationally symmetrical manner.
  • the fan-shaped spray carpets 7 of the two-substance nozzle lances 6 partially overlap.
  • the atomizing gas for example air and the liquid to be disposed of, is fed to a bimodal two-substance nozzle lance 6.
  • the opening angle of the fan-shaped spray carpets is approx. 120 °.
  • the spray level is perpendicular to the main direction of flow of the hot flue gases. However, this condition need not be strictly observed. In the bimodal mode of operation, coarse and fine drops of different speeds and thus throwing distances replace each other.
  • Bimodal spraying is also characterized by a very wide range of drops. At a throughput of 1.5 m 3 / h, coarse drops with a diameter of approx. 2 mm and a range of approx. 6 m were observed on the one hand and small drops of approx. 30 ⁇ m with a range of approx. 0.4 m on the other.
  • An essential characteristic of this mode of operation is the rapid change in time between fine drops and coarse drops. The fine drops are generated when the two-substance nozzle lance works in the two-substance atomization mode. The coarse drops, on the other hand, arise in the subsequent mode of the pressure nozzle operation.
  • the fine drops evaporate quickly and ignite quickly in the hot atmosphere. This results in a flame that stabilizes itself near the nozzle.
  • the turbulence bales 8 formed on contact with the flue gas and formed from steam and flue gas are considerably smaller than in the usual post-combustion because neither significant drop collectives nor cold combustion air hinder the evaporation of the liquid and also do not delay the mixing with the hot flue gas.
  • a steam trail with spatially different flue gas / steam mixture ratios is generated along their trajectory, the quantity ratio of steam to oxygen-containing flue gas becoming smaller over time. If there is a combustible mixture locally, a stable combustion takes place after an ignition delay time in the ms range.
  • the pulsation nozzle forms the front part of the one shown in FIGS. 1 to 3 4 and consists of a in a welding sleeve 9th screwed-in commercially available flat jet nozzle 10, one with the welding sleeve 9 firmly connected cladding tube 11, one axially displaceable in the cladding tube Inner tube 12, and a liquid distributor 13 attached to the inner tube.
  • the inner tube 12 with the liquid distributor 13 attached is via centering webs 14 axially displaceably mounted in the cladding tube 11.
  • the required seal of the slidable inner tube 12 relative to the cladding tube 9 is not shown here.
  • the liquid to be oxidized flows through the inner tube 12 and through the Annular gap 15 between the inner tube 12 and the cladding tube 11 as compressed air gaseous atomizing medium
  • the liquid distributor 13 consists of a frontally sealed, placed on the inner tube 12 pipe piece with Exit bores 16 oriented perpendicular to the axis and offset from one another.
  • the liquid to be oxidized exits the inner tube 12 through the outlet bores 16 into a first resonance chamber adjoining the distributor 13 17 a while the compressed air through the annular gap between the inner tube 12th and cladding tube 11 is supplied.
  • the compressed air flows through the groove-like Open spaces 18 between the centering webs 14.
  • the outlet bores 16 are in the Distributor 13 attached so that they are each in the axial extension of the annular gap cross section partially closing centering webs 14; i.e. the exit holes 16 are in the dead space or in the flow shadow behind the Centering webs 14. In this way, a mixing of the liquid phase and the gaseous phase (compressed air) in the resonance chamber 17 largely excluded.
  • the resonance chamber 17 is on the long side through the cladding tube 11, on the front side Entry through the liquid distributor 13 and at the outlet through a throttle or Aperture 19 with an inner diameter of the resonance chamber 17 greatly reduced cross-section limited. If the inner tube moves 12 in the cladding tube 11 changes the effective length a and thus also the volume the resonance chamber 17.
  • Another resonance chamber 20 connects to the throttle 19. Through the actual nozzle opening on the nozzle head, which here as a narrow rectangular Slit 21 is formed, occurs in the second resonance chamber 20 a two-phase mixture of compressed air / waste liquid into the flue gas duct.
  • the second resonance chamber 20 can therefore also be regarded as a spray chamber become.
  • more than two resonance chambers could also be used can be connected in series, each with orifices or chokes are separated from each other.
  • the mass flow ratio tends K from an upper limit - this corresponds to a high proportion of gaseous atomizing medium all through the nozzle slot 21 flowing mass - to a lower limit value, in order to then return to the To increase the maximum value.
  • the upper limit corresponds to the state of the Fine atomization with a short range and the lower limit of education of coarse drops with a long range. This process is repeated periodically.
  • the repetition frequency or pulsation frequency can be increased or reducing the volume of the resonance chamber 17 to be changed. If the volume is e.g. by increasing the distance a increases, the frequency decreases (lower field in Fig. 5), while as the volume decreases, the pulsation frequency increases (upper Partial image in FIG.
  • the pulsation mode arises with the resonance chamber two-substance nozzle described above by itself (autopulsation). Instead of the auto pulsation mode Forced pulsation can also be induced if one Compressed air or liquid is periodically applied to the two-substance nozzle. This can e.g. done by so-called flutter valves, which are in the supply lines for the Compressed air or the liquid are installed.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollständigen thermischen Oxidation von flüssigen Abfallstoffen. Dabei wird der Abfallstoff in einen heißen Rauchgasstrom eingebracht, verdampft und thermisch aufoxidiert. Der Rauchgasstrom muß zu diesem Zweck den zur Oxidation nötigen Sauerstoff enthalten.
Derartige Verfahren sind bekannt und z.B. in Chem. Ing. Tech. 63 (1991) S. 621-622 beschrieben. Ein wesentlicher Schritt ist dabei die Ausnutzung der thermischen Energie eines von einer Verbrennungsanlage kommenden Rauchgasstromes zur thermischen Oxidation und damit Entsorgung von flüssigen Abfallstoffen. Der für diesen Oxidationsprozeß nötige Sauerstoff wird mit dem heißen Rauchgasstrom angeliefert; d.h. der Rauchgasstrom muß hinreichende Mengen an Sauerstoff enthalten. Wird das heiße Rauchgas z.B. durch eine Abfallverbrennungsanlage erzeugt, so muß bei der Verbrennung mit einem Sauerstoffüberschuß gearbeitet werden, so daß ein Teil des nicht verbrauchten Sauerstoffs mit dem heißen Rauchgas abgeführt wird.
Anlagentechnisch handelt es sich dabei um eine Verbrennungsanlage mit einer Nachbrennkammer, der die zu entsorgenden flüssigen Abfallstoffe zugeführt werden. In der Nachbrennkammer sind nach dem Stand der Technik einer oder mehrere Spezialbrenner installiert, die mit dem flüssigen Abfallbrennstoff beaufschlagt werden. Der flüssige Abfallbrennstoff wird dabei in der Brennerflamme fein zerstäubt. Der erzeugte Tropfenschwarm bildet einen Vollkegel. Jedem Brenner wird außerdem in ausreichender Menge Verbrennungsluft und die zur Verdüsung des flüssigen Abfallstoffs erforderliche Druckluft zugeführt. Die zerstäubte Flüssigkeit liegt zunächst als Tropfenkollektiv vor, das sich mit der Anfangsgeschwindigkeit der Verdüsung in den Brennraum hineinbewegt. Zwischen den Einzeltropfen strömt die mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse ausgetretene Verdüsungsluft. Dieses Zweiphasengemisch wird von der zunächst relativ kalten Verbrennungsluft eingehüllt. Dadurch wird zunächst die Verbrennung verhindert, da weder ein zwischen unterer und oberer Explosionsgrenze liegendes Brenngas-Luft-Gemisch vorliegt noch die erforderliche Zündtemperatur vorhanden ist. Durch Quervermischung in den Außenbereich der Verbrennungsluft vordringende kleinste Brennstofftropfen verdampfen schnell, da dort eine Mischung von Brennluft und heißem Rauchgas vorliegt. Damit setzt die Verbrennung ein. Aufgrund der nun freigesetzten Wärme und weiter fortschreitender Mischung des im Kern vorhandenen Zweiphasengemisches aus Flüssigkeitstropfen und Verdüsungsluft mit heißen Rauchgasen wird in einem sich selbstbeschleunigenden Prozeß immer mehr Brennstoff verbrannt. Der Verbrennungsprozeß wird durch dieses Mischverhalten in der Flamme stark beeinflußt. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, konstruktive Maßnahmen zur besseren Einmischung des heißen Rauchgases in den Sprühnebel des Brenners zu treffen. Angestrebt wird in jedem Fall eine möglichst vollständige Verbrennung der eingedüsten Abfallstoffe; d.h. ein möglichst vollständiger Ausbrand.
Die Verbrennung von brennbaren Flüssigabfallstoffen in einer Nachbrennkammer ist immer dann problematisch, wenn aufgrund der geometrisch bedingten Anordnung des Brenners im Brennraum und der im Brennraum herrschenden Strömungsverhältnisse die mit dem Abfallbrennstoff gebildete Flamme nicht konstant brennt, sondern flackert. Solche Instabilitäten können auftreten, wenn die Stoffzusammensetzung zeitlich schwankt und/oder wenn ein Wandkontakt mit unverbrannten Tropfen sich nicht vermeiden läßt. Sind mehrere Brenner auf einer Ebene vorhanden, so stellt sich in besonderer Weise das Problem der gegenseitigen Beeinflussung der Flammen und der Einmischung der von den einzelnen Brennern erzeugten Rauchgasströme in den Gesamtrauchgasstrom.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde auch schlecht brennbare flüssige Abfallbrennstoffe so in die Nachbrennkammer einzubringen, daß auch bei ungünstigen Verbrennungsbedingungen ein vollständiger Ausbrand gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der flüssige Abfallbrennstoff in den heißen Rauchgasstrom mit einer zur Hauptströmungsrichtung senkrechten Strömungskomponente als fächerförmiger Flachstrahl mit Hilfe einer oder mehrerer Zweistoffdüsen eingedüst wird, die pulsierend mit einer Frequenz von 5 s-1 bis 70 s-1, vorzugsweise 10 s-1 bis 20 s-1 betrieben werden, wobei an jeder Zweistoffdüse im Wechseltakt ein fächerförmiger Sprühteppich mit relativ groben Tropfen großer Reichweite und ein flächerförmiger Sprühteppich mit relativ feinen Tropfen kleiner Reichweite erzeugt wird, so daß der Rauchgasstrom alternierend mit feinversprühten Tropfen kurzer Reichweite und groben, daß Rauchgas mit relativ großer Wurfweite durchdringenden Tropfen beaufschlagt wird.
Vorzugsweise wird der flüssige Abfallstoff in einen Rauchgasstrom eingedüst dessen Temperatur mindestens 800°C beträgt und dessen Sauerstoffgehalt mindestens so hoch ist, daß eine vollständige Oxidation der brennbaren Stoffe gewährleistet ist.
Die Geometrie der Zweistoffdüsen und die Strömungsbedingungen (Durchsatz und Betriebsdrücke) werden so gewählt, daß der Offnungswinkel der fächerförmigen Sprühteppiche 60° bis 160° beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung werden der Zerstäubungsgasdurchsatz und der Flüssigkeitsdurchsatz an den Zweistoffdüsen so eingestellt, daß das zeitlich gemittelte Mengenstromverhältnis der Luft- und Flüssigkeitsströme an jeder Zweistoffdüse im Bereich von 0,01 bis 0,2 liegt, während der Momentanwert des Mengenstromverhältnisses entsprechend der Pulsationsfrequenz schwankt.
Die pulsierende Betriebsweise kann durch eine periodische Beaufschlagung der Zweistoffdüse mit Druckgas oder Flüssigkeit erfolgen. Alternativ kann der pulsierende Betrieb auch bei zeitlich konstanter Beaufschlagung mit Druckluft und Flüssigkeit strömungstechnisch in der Zweistoffdüse selbst erzeugt werden.
Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
  • Es wird eine schnelle vollständige Oxidation aller oxidierbaren Flüssigabfall-Inhaltsstoffe erreicht
  • Auch bei niederkalorischen Flüssigabfällen, Abwässern und Schlämmen und auch bei stark schwankenden Heizwerten ist eine betriebssichere Oxidation gewährleistet.
  • Im Gegensatz zu den herkömmlichen Brennern in der Nachbrennkammer sind keine zusätzliche Verbrennungsluft-Versorgungen und auch keine Zünd- oder Pilotbrenner erforderlich.
  • Die Tropfenfeinheit, die Reichweite und der Sprühwinkel des verdüsten Tropfenschwarms können in weiten Grenzen variiert und damit an vorhandene Brennraumgeometrien angepaßt werden. Dadurch ist auch ein nachträglicher Einbau bzw. eine Nachrüstung bereits vorhandener Anlagen möglich
  • Selbst bei höchstem Flüssigabfalldurchsatz konnte keine Erhöhung des CO-Gehaltes in dem die Nachbrennkammer verlassenden Gasstrom festgestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch einen Querschnitt durch eine Haupt- und Nachbrennkammer zur Verdüsung und Verbrennung eines flüssigen Abfallstoffes
Fig. 2
den fächerförmigen Sprühteppich der verdüsten Flüssigkeit
Fig. 3
einen Querschnitt durch die Nachbrennkammer aus dem die Anordnung der Zweistoffdüsen und die räumliche Konfiguration der Sprühteppiche in der Nachbrennkammer hervorgehen
Fig. 4
den Aufbau einer für den bimodalen Betrieb geeigneten Zweistoffdüse und
Fig. 5
den Momentanwert des Mengenstromverhältnisses von Luft- und Flüssigkeitsstrom beim bimodalen Betrieb der Zweistoffdüse
Fig. 6
Die Abhängigkeit der Pulsationsfrequenz von der Länge der ersten Resonanzkammer in der Zweistoffdüse.
In Fig. 1 ist schematisch eine Hauptbrennkammer 1 mit einem Brenner 2 und einer Hauptflamme 3 dargestellt. Der Hauptflamme 3 wird soviel Verbrennungsluft bzw. Sauerstoff zugeführt, daß das aus der Hauptbrennkammer 1 abströmende Rauchgas 4 noch einen erheblichen Restsauerstoffgehalt hat (mehr als 6 %). Der Sauerstoffgehalt des Rauchgases kann dadurch variiert werden, daß der Hauptflamme 3 mehr oder weniger im Überschuß Sauerstoff bzw. Verbrennungsluft zugeführt wird
Das sauerstoffhaltige Rauchgas 4 verläßt die Hauptbrennkammer 1 mit einer Temperatur von 1000°C bis 1400°C und strömt anschließend in die Nachbrennkammer 5. In der Nachbrennkammer 5 erfolgt die Eindüsung von flüssigen Abfallbrennstoffen, die dann im heißen Rauchgasstrom mit dem Restsauerstoff thermisch aufoxidiert und damit entsorgt werden Üblicherweise (Stand der Technik) sind in der Nachbrennkammer ein oder mehrere Brenner installiert, die mit einer eigenen Brennerluftzufuhr ausgerüstet sind. Die zu behandelnden flüssigen Abfallstoffe werden direkt in die Flammen dieser Brenner eingedüst.
Bei dem neuen Verfahren wird auf Brenner in der Nachbrennkammer verzichtet. Die zu oxidierenden Flüssigkeiten werden mit Hilfe von speziellen Zweistoffdüsenlanzen 6 fächerförmig in den Rauchgasstrom eingedüst. Der fächerförmige Sprühteppich 7 ist in Fig. 2 dargestellt. Seine Querausdehnung b ist wesentlich größer als seine Dicke a (siehe Fig. 1). Der wesentliche Unterschied gegenüber konventionellen Düsenlanzen besteht darin, daß die hier verwendeten Zweistoffdüsenlanzen 6 im Wechseltakt einen fächerförmigen Sprühteppich mit relativ groben Tropfen großer Reichweite und einen fächerförmigen Sprühteppich mit relativ feinen Tropfen kleiner Reichweite erzeugen, so daß der Rauchgasstrom 4 alternierend mit fein versprühten Tropfen kurzer Reichweite und groben, daß Rauchgas mit relativ großer Wurfweite durchdringenden Tropfen beaufschlagt wird. Dieser pulsierende Betrieb wird im folgenden als "bimodale Betriebsweise" bezeichnet.
Gemäß Fig. 3 sind vier bimodale Zweistoffdüsenlanzen 6 rotationssymmetrisch in der Nachbrennkammer 5 angeordnet. Die fächerförmigen Sprühteppiche 7 der Zweistoffdüsenlanzen 6 überlappen sich zum Teil. Einer bimodalen Zweistoffdüsenlanze 6 wird jeweils das Zerstäubungsgas, z.B. Luft und die zu entsorgende Flüssigkeit zugeführt. Der Öffnungswinkel der fächerförmigen Sprühteppiche beträgt ca. 120°. Die Sprühebene liegt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der heißen Rauchgase. Diese Bedingung braucht aber nicht genau eingehalten zu werden. Bei der bimodalen Betriebsweise lösen grobe und feine Tropfen verschiedener Geschwindigkeiten und damit Wurfweiten einander ab. Dadurch wird die Bildung einer geschlossenen Dampfwolke verhindert, die von den heißen umgebenden Rauchgasen nur schwer zu durchdringen wäre. Die bimodale Verdüsung ist auch durch ein sehr breites Tropfenspektrum gekennzeichnet. Beim Durchsatz von 1,5 m3/h wurden grobe Tropfen von ca. 2 mm Durchmesser und einer Reichweite von ca. 6 m einerseits und andererseits kleine Tropfen von ca. 30 µm mit einer Reichweite von ca. 0,4 m beobachtet. Ein wesentliches Charakteristikum dieser Betriebsweise ist der schnell zeitliche Wechsel von feinen Tropfen und groben Tropfen. Die feinen Tropfen werden erzeugt, wenn die Zweistoffdüsenlanze im Modus der Zweistoffzerstäubung arbeitet. Die groben Tropfen entstehen dagegen in dem darauffolgenden Modus des Druckdüsenbetriebs. Die feinen Tropfen verdampfen schnell und zünden in der heißen Atmosphäre auch schnell Daraus resultiert eine in der Nähe der Düse sich selbst stabilisierende Flamme. Die beim Kontakt mit dem Rauchgas entstehenden, aus Dampf und Rauchgas gebildeten Turbulenzballen 8 sind erheblich kleiner als bei der üblichen Nachverbrennung, weil weder nennenswerte Tropfenkollektive, noch kalte Verbrennungsluft die Verdampfung der Flüssigkeit behindern und auch nicht die Vermischung mit dem heißen Rauchgas verzögern. Insbesondere bei den groben Tropfen wird entlang ihrer Flugbahn eine Dampfschleppe mit räumlich unterschiedlichen Rauchgas-Dampfmischungsverhältnissen erzeugt, wobei das Mengenverhältnis von dampf- zu sauerstoffhaltigem Rauchgas mit der Zeit immer kleiner wird. Liegt lokal ein brennfähiges Gemisch vor, so erfolgt nach einer im ms-Bereich liegenden Zündverzugszeit eine stabile Verbrennung. Wird aber durch die Mischvorgänge während der Zündverzugszeit die untere Zündgrenze unterschritten, kann keine Verbrennung mehr erfolgen. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß stattdessen nach einer weiteren Vermischung mit dem Rauchgas eine flammenlose Oxidation stattfindet. Damit ist sichergestellt, daß unabhängig von dem Brennstoff, seiner Verdampfung und der Einmischung von Rauchgas eine Oxidation mit oder ohne Flamme erfolgt. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Verbesserungen kann eine vollständige Oxidation aller oxidierbaren Flüssigabfall-Inhaltsstoffe erreicht werden.
Nachfolgend wird die Konstruktion der hier verwendeten Zweistoffdüsenlanzen 6 für bimodalen Betrieb beschrieben. Diese Zweistoffdüsenlanzen machen von einer speziellen Pulsationsdüse Gebrauch.
Die Pulsationsdüse bildet den Vorderteil der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Düsenlanze 6 und besteht gemäß Fig 4 aus einer in einer Anschweißmuffe 9 eingeschraubten handelsüblichen Flachstrahldüse 10, einem mit der Anschweißmuffe 9 fest verbundenem Hüllrohr 11, einem im Hüllrohr axial verschiebbaren Innenrohr 12, sowie einem am Innenrohr angebrachten Flüssigkeitsverteiler 13. Das Innenrohr 12 mit dem aufgesetzten Flüssigkeitsverteiler 13 ist über Zentrierstege 14 axial verschiebbar im Hüllrohr 11 gelagert. Die erforderliche Abdichtung des verschiebaren Innenrohres 12 gegenüber dem Hüllrohr 9 ist hier nicht dargestellt.
Durch das Innenrohr 12 strömt die zu oxidierende Flüssigkeit und durch den Ringspalt 15 zwischen dem Innenrohr 12 und dem Hüllrohr 11 Preßluft als gasförmiges Zerstäubermedium Der Flüssigkeitsverteiler 13 besteht aus einem stirnseitig abgeschlossenen, auf das Innenrohr 12 aufgesetzten Rohrstück mit senkrecht zur Achse orientierten, gegeneinander versetzten Austrittbohrungen 16. Die zu oxidierende Flüssigkeit tritt aus dem Innenrohr 12 durch die Austrittsbohrungen 16 in eine an den Verteiler 13 anschließende erste Resonanzkammer 17 ein, während die Preßluft über den Ringspalt zwischen Innenrohr 12 und Hüllrohr 11 zugeführt wird. Die Preßluft strömt dabei durch die nutartigen Freiflächen 18 zwischen den Zentrierstegen 14. Die Austrittsbohrungen 16 sind im Verteiler 13 so angebracht, daß sie jeweils in axialer Verlängerung der den Ringspaltquerschnitt partiell verschließenden Zentrierstege 14 liegen; d.h. die Austrittsbohrungen 16 liegen im Totraum bzw. im Strömungsschatten hinter den Zentrierstegen 14. Auf diese Weise wird eine Vermischung der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase (Preßluft) in der Resonanzkammer 17 weitgehend ausgeschlossen.
Die Resonanzkammer 17 wird längsseitig durch das Hüllrohr 11, stirnseitig am Eintritt durch den Flüssigkeitsverteiler 13 und am Austritt durch eine Drossel oder Blende 19 mit einem gegenüber dem Innendurchmesser der Resonanzkammer 17 stark verminderten Querschnitt begrenzt. Bei einer Verschiebung des Innenrohrs 12 im Hüllrohr 11 ändert sich die effektive Länge a und damit auch das Volumen der Resonanzkammer 17.
An die Drossel 19 schließt sich eine weitere Resonanzkammer 20 an. Durch die eigentliche Düsenöffnung am Düsenkopf, die hier als schmaler rechteckigförmiger Schlitz 21 ausgebildet ist, tritt das in der zweiten Resonanzkammer 20 befindliche zweiphasige Gemisch Preßluft/Abfall-Flüssigkeit in den Rauchgaskanal ein. Die zweite Resonanzkammer 20 kann daher auch als Verdüsungskammer angesehen werden. Grundsätzlich könnten auch mehr als zwei Resonanzkammern hintereinander geschaltet werden, die jeweils durch Blenden bzw. Drosseln voneinander getrennt sind.
Es hat sich gezeigt, daß beim Betrieb dieser Zweistrahldüse mit konstantem Preßluft- und Flüssigkeitsvordruck ein pulsierender Ausstoß der Flüssigkeit erfolgt, wobei die Pulsationsfrequenz über das Volumen der Resonanzkammer 17 eingestellt werden kann und in einem typischen Frequenzbereich von 5 s-1 bis 70 s-1 liegt. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einem solchen pulsierenden Betrieb an jeder Zweistoffdüse im Wechseltakt ein Sprühfächer mit relativ groben Tropfen großer Reichweite und ein Sprühfächer mit relativ feinen Tropfen kleiner Reichweite erzeugt wird. Die Pulsationsfrequenzen der Düsenlanzen 6 können dabei unterschiedlich sein. Die relativ groben Tropfen kommen dadurch zustande, daß in dieser Phase praktisch ein reiner Flüssigkeitsausstoß erfolgt, während die in der darauffolgenden Feinsprühphase erzeugten wesentlich kleineren Tropfen auf die Zerstäubung durch die expandierende Preßluft zurückzuführen sind. Bei dieser bimolaren Zerstäubung wird ein sehr breites Tropfenspektrum erzeugt, wobei sich die groben Tropfen durch eine besonders große Wurfweite auszeichnen. Dabei wird ein besonders gleichmäßiger und guter Wärme- und Stoffaustausch zwischen wenig Flüssigkeit und einer relativ großen Gasmenge erreicht. Die Verdüsung findet bei einem Vordruck von 0,8 bis 2,5bar und bei einem Mengenstromverhältnis Druckluft/Flüssigkeit zwischen 0,01 und 0,2 statt.
In dem Diagramm nach Fig. 5 ist der Momentanwert K des Mengenstromverhältnisses bei einem pulsierenden Betrieb der Zweistoffdüse gemäß Fig. 4 als Funktion der Zeit aufgetragen. Durch die Drossel 19 strömen in einem Extremfall abwechselnd Flüssigkeit und Druckluft, während sich im anderen Extremfall das Mengenstromverhältnis K der gleichzeitig durch die Drosselstelle strömenden gasförmigen und flüssigen Phase praktisch nicht ändert. Aus dem Verdüsungsraum 20 (letzte Resonanzkammer) tritt das Flüssigkeits-Gasgemisch in periodisch veränderliche Zusammensetzung durch die Flachstrahldüsenaustrittsfläche 21 in den Rauchgaskanal ein. Wie in Fig. 5 dargestellt, strebt das Mengenstromverhältnis K von einem oberen Grenzwert - das entspricht einem hohen Anteil von gasförmigen Zerstäubungsmedium an der gesamten durch den Düsenschlitz 21 strömenden Masse - einem unteren Grenzwert zu, um danach wieder auf den Höchstwert anzusteigen. Der obere Grenzwert entspricht dem Zustand der Feinzerstäubung mit geringer Reichweite und der untere Grenzwert der Bildung von groben Tropfen mit großer Reichweite. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Die Wiederholfrequenz oder Pulsationsfrequenz kann durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Volumens der Resonanzkammer 17 gezielt verändert werden. Wird das Volumen z.B. durch Vergrößerung des Abstandes a vergrößert, so erniedrigt sich die Frequenz (unteres Teilbild in Fig. 5), während sich bei Verkleinerung des Volumens die Pulsationsfrequenz erhöht (oberes Teilbild in Fig. 5) Die an einer Zweistoffdüse gemäß Fig. 3 und Fig. 4 gemessene Abhängigkeit der Pulsationsfrequenz von der Länge a der Resonanzkammer 17 ist in Fig. 6 dargestellt. Das Volumen der Resonanzkammer 17 könnte auch dadurch verändert werden, daß Nebenkammern vorgesehen sind, die bei Bedarf zugeschaltet werden.
Der Pulsationsbetrieb stellt sich bei der oben beschriebenen Resonanzkammer-Zweistoffdüse von selbst ein (Autopulsation). Anstelle des Autopulsations-Betriebes kann auch eine erzwungene Pulsation herbei geführt werden, wenn eine Zweistoffdüse periodisch mit Druckluft oder Flüssigkeit beaufschlagt wird. Dies kann z.B. durch sogenannte Flatterventile geschehen, die in die Zuleitungen für die Preßluft oder die Flüssigkeit eingebaut sind.
Beispiele
Die nachfolgenden Versuche wurden mit einem Kresol-Rückstand als flüssiger Abfallstoff durchgeführt.
  • 1. Versuch
    Flüssigrückstand Kresol
    Druck flüssigkeitsseitig mit Luft und Produkt 2,5 bar
    Durchsatz Produkt 1500 l/h
    Verdüsungsluftstrom 115 m3/h
    Verbrennungsluftstrom 4200 m3/h
    Brennkammertemperatur 1100°C
    O2-Gehalt im Rauchgas 10,2 %
    CO-Gehalt im Rauchgas 5 mg/m3
    Flamme: Teppichförmig, Zündung ca. 500 mm von Düse entfernt, hell.
  • 2. Versuch
    Flüssigrückstand Kresol
    Druck flüssigkeitsseitig mit Luft und Produkt 2,5 bar
    Durchsatz Produkt 2000 l/h
    Verdüsungsluftstrom 100 m3/h
    Verbrennungsluftstrom 4200 m3/h
    Brennkammertemperatur 1120°C
    O2-Gehalt im Rauchgas 8,5 %
    CO-Gehalt im Rauchgas 5 mg/m3
    Flamme: wie vor.
  • 3. Versuch
    Flüssigrückstand Kresol
    Druck flüssigkeitsseitig mit Luft und Produkt 2,0 bar
    Durchsatz Produkt 700 l/h
    Verdüsungsluftstrom 80 m3/h
    Verbrennungsluftstrom 4500 m3/h
    Brennkammertemperatur 1120°C
    O2-Gehalt im Rauchgas 7,2 %
    CO-Gehalt im Rauchgas 5 mg/m3
    Flamme: Beginn ca. 400 mm von Düse, sehr hell, fast weißer Teppich
  • 4. Versuch
    Flüssigrückstand Kresol
    Druck flüssigkeitsseitig mit Luft und Produkt 2,5 bar
    Durchsatz Produkt 1200 l/h
    Verdüsungsluftstrom 115 m3/h
    Verbrennungsluftstrom 4400 m3/h
    Brennkammertemperatur 1100°C
    O2-Gehalt im Rauchgas 9,5 %
    CO-Gehalt im Rauchgas 5 mg/m3
    Flamme: Etwas voluminöser als zuvor.

    • Claims (6)

    1. Verfahren zur vollständigen thermischen Oxidation von flüssigen Abfallstoffen, bei dem der Abfallstoff in einem heißen Rauchgasstrom (4) verdampft und oxidiert wird, der auch den zur Oxidation nötigen Sauerstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Abfallbrennstoff in den heißen Rauchgassstrom (4) mit einer zur Hauptströmungsrichtung senkrechten Komponente als fächerförmiger Flachstrahl mit Hilfe einer oder mehrer Zweistoffdüsen (6) eingedüst wird, die pulsierend mit einer Frequenz von 5 s-1 bis 70 s-1, vorzugsweise 10 s-1 bis 20 s-1 betrieben werden, wobei an jeder Zweistoffdüse (6) im Wechseltakt ein fächerförmiger Sprühteppich mit relativ groben Tropfen großer Reichweite und ein fächerförmiger Sprühteppich (7) mit relativ feinen Tropfen kleiner Reichweite erzeugt wird, sodaß der Rauchgasstrom (4) alternierend mit fein versprühten Tropfen kurzer Reichweite und groben, das Rauchgas mit relativ großer Wurfweite durchdringenden Tropfen beaufschlagt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Abfallstoff in einen Rauchgasstrom (4) eingedüst wird, dessen Temperatur mindestens 800 °C beträgt und dessen Sauerstoffgehalt mindestens so hoch ist, daß eine vollständige Oxidation der brennbaren Stoffe gewährleistet ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des fächerförmigen Sprühteppichs (7) 60° bis 160° beträgt.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungsgas- und Flüssigkeitsdurchsatz so eingestellt werden, daß das zeitlich gemittelte Mengenstromverhältnis der Luft und Flüssigkeitsströme an jeder Zweistoffdüse (6) im Bereich von 0,01 - 0,2 liegt, während der Momentanwert des Mengenstrom-verhältnisses entsprechend der Pulsationsfrequenz schwankt.
    5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Betrieb durch eine periodische Beaufschlagung der Zweistoffdüse (6) mit Druckgas oder Flüssigkeit erfolgt.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Betrieb bei zeitlich konstanter Beaufschlagung mit Druckgas und Flüssigkeit in der Zweistoffdüse (6) strömungstechnisch selbst erzeugt wird.
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