EP1031000A1 - Verfahren und reaktor zur verbrennung von brennstoffen - Google Patents

Verfahren und reaktor zur verbrennung von brennstoffen

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EP1031000A1
EP1031000A1 EP98959868A EP98959868A EP1031000A1 EP 1031000 A1 EP1031000 A1 EP 1031000A1 EP 98959868 A EP98959868 A EP 98959868A EP 98959868 A EP98959868 A EP 98959868A EP 1031000 A1 EP1031000 A1 EP 1031000A1
Authority
EP
European Patent Office
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reaction chamber
reactor
combustion
water
fuels
Prior art date
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Application number
EP98959868A
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English (en)
French (fr)
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EP1031000B1 (de
Inventor
Franz Josef Staffler
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Bramble Trading Internacional Ltda
Original Assignee
Gourmeli International NV
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Publication date
Application filed by Gourmeli International NV filed Critical Gourmeli International NV
Publication of EP1031000A1 publication Critical patent/EP1031000A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1031000B1 publication Critical patent/EP1031000B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23G7/05—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste oils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F23L7/005—Evaporated water; Steam

Definitions

  • the invention relates to a method for the combustion of fuels, in which the fuels are burned together with air, possibly with the addition of water and / or an oxidizing agent, and to a reactor for such a combustion method with a reaction chamber with feed openings for the fuel, the air , possibly the water and / or an oxidizing agent and with an outlet opening for the combustion products.
  • a device and a method for the combustion of oil with the addition of water are known from WO95 / 23942, in which case oil is introduced into a combustion chamber until an oil bath has formed, which then has a temperature between 250 ° and 350 ° C is preheated. Then water is sprayed onto the surface of the hot oil bath, which results in a flame eruption when air is simultaneously fed into the combustion chamber.
  • the level of the oil bath should not be less than 3 to 4 mm high during combustion to prevent the combustion from stopping.
  • the device used for this purpose essentially comprises a combustion chamber in the form of a truncated pyramid or truncated cone with lateral supply openings for oil and water from corresponding storage containers.
  • the oil bath is heated electrically. Air enters the combustion chamber together with the water.
  • the 1200 ° to 2000 ° C hot flame is passed through a cylinder tube into an oven for heating purposes.
  • a device for burning liquid and liquefiable fuels which consists of a cylindrical combustion chamber with an adjoining open top combustion chamber.
  • the liquid fuel is introduced radially or tangentially into the interior of the combustion chamber, air is supplied separately tangentially, the fuel touching the inner surface of the burner chamber and evaporating and burning there.
  • the temperatures in the furnace are between 1500 ° and 1800 ° C.
  • US Pat. No. 4,069,005 proposes the combustion of a water / fuel / air mixture in the presence of a metal catalyst (nickel), wherein a plurality of plates arranged one above the other are arranged in the interior of the burner, which can also consist of the metal catalyst in order to achieve the To increase the effectiveness of the cracking caused thereby.
  • a metal catalyst nickel
  • liquid fuels and water are dripped from above onto the plates of the metal catalyst arranged one above the other, which have been heated to above 800 ° C in a preheating phase.
  • the rising vapors are guided along the metal catalytic converters, whereby easily combustible, gaseous hydrocarbons are generated by cracking, which burn in the further course, whereby combustion gases of 800 ° to 1000 ° C are generated.
  • US Pat. No. 3,804,579 burns oil and air together with water vapor generated by the flame itself in a heat exchanger coil.
  • the extended flame burns here at approx. 730 ° C.
  • the simple combustion boiler cannot support the combustion process.
  • the object of the present invention is to provide a method for the environmentally friendly combustion of fuels of any physical state, possibly with the addition of water and / or an oxidizing agent, in which the fuel is burned completely and without residues with a high energy yield.
  • the reactor which is suitable for this purpose should be as maintenance-free as possible and with little design effort self-cleaning, optimize the combustion process in continuous operation.
  • the solid and / or liquid and / or gaseous fuel is conducted in an axial direction into a reaction chamber by means of compressed air under high pressure, the amount of compressed air injected corresponding to that amount of air required for complete combustion, the introduced mixture is directed onto a deflection surface in the interior of the reaction chamber, whereby it is further atomized, liquid components evaporate, solid sublimate and the mixture burns explosively before it can reach the wall or the bottom of the reaction chamber.
  • the explosive combustion process can be explained by the high degree of surface enlargement of the mixture fed into the reaction chamber: (a) the fuel supplied by compressed air is torn and atomized when it is injected into the reaction chamber, whereby
  • the existing pressure is still sufficient to direct the fuel at high speed onto a deflection surface in the interior of the reaction chamber, where an impact and reflection with further distribution and atomization are brought about.
  • water injected with compressed air is atomized into droplets as they enter the reaction chamber, which converts to water vapor and is distributed in all directions in the interior of the reaction chamber from the deflection surface.
  • the expansion caused by the sudden evaporation supports a mixing of the fuels with the existing compressed air and the water vapor, which results in an effective combustion, in particular of difficultly combustible fuel components. With this, a zen of fuel on the inner wall and an accumulation of residues on the bottom can be prevented so that the reactor cleans itself.
  • the compressed air stream can be injected into the reaction chamber at 2 to 10 bar, preferably at 3 to 5 bar. At these pressures, the combination of the atomization at the outlet from the feed line with that due to the impact on the deflection surface in the interior of the reaction chamber is particularly effective.
  • the fuels, the water and / or the oxidizing agent are each introduced into the compressed air stream separately or as a mixture via one or more Venturi tubes. Gaseous fuel can be fed into the reaction chamber on its own. This type of feed allows good dosing with little design effort and at the same time increases the atomizing effect when entering the reaction chamber.
  • the injection into the reaction chamber is carried out through a normal tube of small diameter without a nozzle attachment, which prevents the nozzle from becoming blocked when non-flammable residues or viscous components are burned when used oils are burnt.
  • the use of uniform Venturi pipes for the supply of fuel and water also reduces the design effort.
  • the inflow velocities of the mixture to be burned into the reaction chamber can be set such that the resulting combustion flame leaves the reaction chamber at least at the speed of sound and transports the thermal energy generated to the outside for further use. As described below, this can be further improved by suitable geometry of the reactor.
  • the ignition of the mixture in the reaction chamber is suitably carried out with a pilot flame or by means of a spark generated. It may be advisable to preheat fuels, water or air before introducing them into the reaction chamber by means of the waste heat generated during the combustion. Heavy oil in particular is easier to transport due to the resulting reduction in viscosity.
  • the flow dynamics of the combustion process can be influenced by inserts which can be introduced into the interior of the reaction chamber.
  • the reactor according to the invention has a hyperboloid-like reactor head which adjoins the outlet opening of the reaction chamber and widens in cross-section from there.
  • the combustion flame burns at this reactor head.
  • the nozzle-like geometry of the reactor leads to an acceleration of the fuel gases with the formation of a corresponding negative pressure in the mouth area of the reaction chamber, which results in a further acceleration of the substances to be burned inside the reaction chamber in the direction of the outlet opening, which has a positive effect on the combustion as well as the self-cleaning of the reactor.
  • the nozzle effect can be improved in that the reaction chamber tapers at least in its upper part in the direction of the outlet opening, it being possible for the tapering part to be designed in particular as a truncated pyramid or truncated cone.
  • the entire reaction chamber can also be hyperboloid-shaped in such a way that it tapers in the direction of the outlet opening.
  • the feed openings for the fuels (and the water) into the bottom of the reaction chambers it is advantageous to let the feed openings for the fuels (and the water) into the bottom of the reaction chambers, so that these are directed parallel to the axis of the reaction chamber.
  • the axis of the reaction chamber is determined as the preferred flow direction, in which a deflection surface can then be arranged for better distribution of the mixture to be burned, through which the mixture is first directed away from the axis of the reaction chamber, and then again due to said nozzle effect on the reactor Axis to be fed.
  • the outflow from the feed openings is favored due to the pressure conditions.
  • a cone directed with the tip against the flow direction of the fuel or a pyramid made of a refractory material and arranged in the interior of the reaction chamber along its axis can be used as the deflection surface.
  • the combustion process can thus be optimized by symmetrical distribution in the cross section of the reaction chamber of the physical quantities such as pressure, flow velocity, turbulence and temperature.
  • a metal catalyst in particular containing nickel, for example in the inner walls of the reaction chambers, in refractory inserts inside the reaction chamber or else in the deflection surface.
  • a high efficiency of catalytic cracking can be achieved with a flaky or porous metal catalyst with a large surface area.
  • the reactor can be made uniformly from a material such as stainless steel, but also at least partially from a particularly heat-resistant and mechanically resilient alloy such as a Ni-Mo-Cr-Co alloy ("Nimonic"). Furthermore, the reactor can be surrounded by an external insulation made of ceramic fibers or fiberglass in order to reduce the radiated heat and to keep the temperature in the reactor chamber above about 1000 ° C.
  • FIG. 1 shows a reactor according to the invention in a side view from obliquely below
  • Figure 2 shows the reactor viewed obliquely from above
  • Figure 3 shows the reactor viewed from the side.
  • the figures show the reactor 1 according to the invention with a reaction chamber 2, at the outlet opening 4 of which the reactor head 3 is connected.
  • Feed lines 5 and 6 are inserted in the coaxial direction in the center of the bottom of the reactor 1.
  • a cone 7 with the tip pointing in the direction of the feed lines 5 and 6 is attached as a deflection surface in the interior of the reaction chamber 2 along the axis.
  • the upper part of the reaction chamber 2 tapers hyperboloid-like in the direction of the outlet opening 4, in order to continue hyperboloid-like in the reactor head 3 from there.
  • This geometry causes a nozzle effect through which flowing gases are sucked out of the interior of the reaction chamber 2 due to the negative pressure in the region of the outlet opening and the reactor head, as a result of which the supply pressure in the feed lines 5 and 6 can additionally be reduced.
  • this enables the reactor to self-clean, since non-flammable particles and residues are drawn from the inside of the reactor by the suction effect. Such residues can be separated by filtering the combustion gases.
  • the reactor has a volume of about 15 liters and is made of stainless steel.
  • the reactor can be made from this material with wall thicknesses of 3 to 4 mm, for stainless steel these are 5 to 7 mm. It is advantageous for the reactor 1 to be externally insulated from a material consisting of ceramic fibers or fiberglass, which reduces the heat radiation and thus increases the temperature in the interior of the reactor.
  • liquid fuel namely waste oils and heavy oils of various compositions, as well as solid fuel, such as dried olive bagasse and sewage sludge
  • compressed air Sucked (not shown) storage containers When leaving the supply lines 5, the fuel flow tears, the fuel impinges at high speed on the deflection surface 7, from which the fuel is distributed symmetrically into the cross section of the reaction chamber.
  • Water sprayed in through a supply line 5 is atomized and evaporated on leaving the reaction chamber 2, and the water vapor is also distributed symmetrically in the reaction chamber 2. If necessary, further compressed air can be fed in via the supply line 6, in which the supply lines 5 are arranged, in order to provide the air quantity required for complete combustion.
  • the combustion process is controlled by measuring the temperature, the quantity and the chemical composition. composition of the combustion gases. The quantities of water, air and fuel supplied are controlled accordingly.
  • the structure of the reactor shown results in a symmetrical distribution of the physical variables of the combustion process, rotationally symmetrical with respect to the axis points of the reaction chambers 2.
  • the values of temperature, pressure and flow rate of the gases are approximately constant.
  • the temperatures increase from the bottom of the reaction chamber 2 to the outlet opening 4, the temperature gradient flattening due to the heat-conducting reactor walls in continuous operation.
  • the flow dynamics of the combustion process can be adjusted by changing the reactor geometry and the position and geometry of the deflection surface.
  • the fuels are completely burned in the reactor. Any non-combustible residues are transported out of the reactor interior by the suction effect and can be collected using a filter.
  • the nozzle effect of the reactor 1 can be adjusted together with the feed rate in such a way that the combustion gases leave the reactor head 3 at the speed of sound at a temperature of approximately 1200 to approximately 1500 ° C.
  • the hot combustion gases can be used to operate a liquid bed in which hot gas flows through sand.
  • Such liquid beds are mostly used for cleaning objects (eg paint residues).
  • Such an application is also suitable for the disposal of hazardous waste.
  • Biomass can be subjected to a pyrolysis process due to a targeted lack of air on the liquid bed, as a result of which solid and gaseous fuels, which can be fed directly to the process according to the invention, are obtained.
  • the fuel gases generated can also be used directly in an internal combustion engine to generate electricity.
  • Closing The combustion process according to the invention can be used for the combined generation of heat and electrical current, ie for the operation of both steam and gas turbines.
  • the invention enables environmentally friendly combustion of waste products which are difficult to dispose of, such as waste oils of various compositions, sewage sludge, olive bagasse, mineral coal and other combustible waste products.

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Description

Verfahren und Reaktor zur Verbrennung von Brennstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen, bei dem die Brennstoffe zusammen mit Luft even- tuell unter Zugabe von Wasser und/oder einem Oxidationsmittel verbrannt werden, sowie einen Reaktor für ein solches Verbrennungsverfahren mit einer Reaktionskammer mit Zufuhröffnungen für den Brennstoff, die Luft, eventuell das Wasser und/oder ein Oxidationsmittel und mit einer Auslaßöffnung für die Verbrennungsprodukte.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung von Öl unter Zugabe von Wasser sind aus der W095/23942 bekannt, wobei hier Öl in eine Brennkammer eingebracht wird, bis sich ein Ölbad ausgebildet hat, das dann auf eine Temperatur zwi- sehen 250° und 350°C vorgeheizt wird. Dann wird Wasser auf die Oberfläche des heißen Ölbads gesprüht, woraus bei gleichzeitiger Zufuhr von Luft in die Brennkammer eine Flammeneruption resultiert. Das Niveau des Ölbades sollte während der Verbrennung eine Höhe von 3 bis 4 mm nicht unterschreiten, um einen Abbruch der Verbrennung zu verhindern. Die zu diesem Zweck eingesetzte Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Brennkammer in Gestalt eines Pyramiden- oder Kegelstumpfs mit seitlichen Zufuhröffnungen für Öl und Wasser aus entsprechenden Vorratsbehältern. Das Ölbad wird elektrisch aufgeheizt. Luft gelangt zusammen mit dem Wasser in das Innere der Brennkammer. Die 1200° bis 2000°C heiße Flamme wird zu Heizzwecken über ein Zylinderrohr in einen Ofen geführt.
Bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren insbesondere von Altölen hat sich das im Ölbad entstehende Temperaturge- fälle zum Boden hin als nachteilig erwiesen, da die Bodentemperaturen unterhalb der Verdampfungstemperaturen schwerer Fraktionen im Altöl liegen können, mit der Folge, daß letztere eine nicht vollständig verbrennende Ölmasse auf dem Boden der Brennkammer bilden. Ein Eindüsen des Öls erweist sich als nicht praktikabel, da Rückstände und hochviskose Bestandteile im Altöl zu einer Verstopfung der Düsen führen. Weiterhin ge- staltet sich die gesamte Vorrichtung mit ihren Zuleitungsund Vorheizeinrichtungen konstruktiv aufwendig. Die Prozeßsteuerung ist insbesondere beim Abschalten wegen der verbleibenden Rückstände nur schwer kontrollierbar. Für den Dauerbe- trieb erweist sich die Anlage deshalb als nicht geeignet.
Aus der GB 765 197 ist eine Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger und verflüssigbarer Brennstoffe bekannt, die aus einer zylindrischen Verbrennungskammer mit einem sich daran anschließenden nach oben offenen Feuerraum besteht. Der flüs- sige Brennstoff wird radial oder tangential in das Innere der Brennkammer eingebracht, Luft wird gesondert tangential zugeführt, wobei der Brennstoff die Innenfläche der Brennerkammer berührt und dort verdampft und verbrennt . Die im Feuerraum entstehenden Temperaturen betragen zwischen 1500° und 1800°C. Der Brennstoff wird bei unvollständiger Verbrennung durch verringerte Luftzufuhr mit Hilfe von zugeführtem Dampf gecrackt, wodurch Schweröle in niedrigere Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Kohlenmonoxid zerlegt werden.
Auch bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren stellt sich die Art der Zuleitung als technisch aufwendig dar, außerdem besteht die Gefahr, daß in bestimmten Wandbereichen die Temperatur zur Verdampfung schwerer Altölfraktionen nicht ausreichend ist, die sich dann am Boden der Verbrennungskam- mer sammeln und dort einen nicht verbrennenden Rückstand bil- den. Wasserdampf ist hier für die eigentliche Verbrennung nicht vorgesehen, sondern ausschließlich zum Cracken von Schwerölen.
In der US 4,069,005 wird die Verbrennung eines Was- ser/Brennstoff/Luft-Gemischs bei Anwesenheit eines Metallka- talysators (Nickel) vorgeschlagen, wobei im Inneren des Brenners mehrere übereinander angeordnete Platten angeordnet sind, die auch aus dem Metallkatalysator bestehen können, um die Effektivität des dadurch verursachten Crackens zu erhöhen. In der hierzu dienenden Vorrichtung werden flüssige Brennstoffe und Wasser von oben jeweils auf die übereinander angeordneten Platten aus dem Metallkatalysator aufgetropft, die in einer Vorheizphase auf oberhalb 800°C erhitzt worden sind. Die aufsteigenden Dämpfe werden an den Metallkatalysatoren entlanggeführt, wodurch leicht brennbare, gasförmige Kohlenwasserstoffe durch Cracken erzeugt werden, die im wei- teren Verlauf verbrennen, wodurch Verbrennungsgase von 800° bis 1000°C entstehen.
Zur Erzeugung einer langen Flamme zur Erhitzung eines industriellen Boilers wird in der US 3,804,579 Öl und Luft zusammen mit von der Flamme selbst in einer Wärmetauscherwen- del erzeugten Wasserdampf verbrannt. Die ausgedehnte Flamme brennt hier bei ca. 730°C.
Schließlich ist aus der DE 39 29 759 C2 eine Anlage zur Verbrennung von Altölprodukten bekannt, bei der die Altöle mit einem üblichen Heizöl bekannter, geringerer Viskosität derart gemischt werden, daß ein Durchschnittsprodukt mit gleichbleibender Viskosität gebildet wird, das dann vorgeheizt und in einen Kessel eingedüst wird. Auf der gegenüberliegenden Seite des Kessels sind Eingabevorrichtungen für Luft, für Wasser und für übliche Neutralisationsmittel vorge- sehen. Zum Eindüsen des Olgemischs wird Luft oder Wasserdampf verwendet. Die Steuerungsanlage für das Mischverhältnis der öle sowie die Eindüsvorrichtung für das Ölgemisch mit den weiteren Zufuhrleitungen für Luft und Neutralisationsmittel bedingen eine konstruktiv aufwendige, schwer steuerbare Anla- ge, die nicht effizient arbeiten kann, da neben dem eigentlichen Verbrennungsprodukt Altöl zusätzlich erhebliche Mengen normalen Heizöls mitverbrannt werden müssen, was die Entsorgungskapazität stark begrenzt. Der einfache Verbrennungskessel kann den Verbrennungsprozeß nicht unterstützen. Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zur umweltfreundlichen Verbrennung von Brennstoffen beliebigen Aggregatzustands, eventuell unter Zugabe von Wasser und/oder eines Oxidationsmittels, anzugeben, bei dem der Brennstoff vollständig und ohne Rückstände mit hoher Energieausbeute verbrannt wird. Der hierzu geeignete Reaktor soll bei geringem konstruktiven Aufwand, möglichst wartungsfrei und selbstreinigend, im Dauerbetrieb den Verbrennungsprozeß optimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen erge- ben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird der feste und/oder flüssige und/oder gasförmige Brennstoff, eventuell das Wasser und/oder ein Oxidationsmittel, mittels Druckluft unter hohem Druck in axialer Richtung in eine Reaktionskammer geleitet, wobei die Menge der eingedüsten Druckluft derjenigen zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luftmenge entspricht, das eingeleitete Gemisch wird auf eine Ablenkfläche im Innenraum der Reaktionskammer geleitet, wodurch es weiter zerstäubt wird, flüssige Bestandteile verdampfen, feste sublimieren und das Gemisch explosionsartig verbrennt, bevor es die Wand oder den Boden der Reaktionskammer erreichen kann. Der explosionsartige Verbrennungsprozeß läßt sich durch den hohen Grad an Oberflächenvergrößerung des in die Reaktionskammer geleiteten Ge- mischs erklären: (a) der mittels Druckluft zugeführte Brennstoff wird beim Eindüsen in die Reaktionskammer zerrissen und zerstäubt, wobei
(b) der bestehende Druck noch ausreicht, um den Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit auf eine Ablenkfläche im Innenraum der Reaktionskammer zu leiten, wo ein Aufprall und eine Reflexion mit weiterer Verteilung und Zerstäubung bewirkt werden.
Zusätzlich mit Druckluft eingedüstes Wasser wird beim Eintritt in die Reakionskammer in Tröpfchen zerstäubt, die sich in Wasserdampf wandeln und von der Ablenkfläche in alle Richtungen im Innenraum der Reaktionskammer verteilt werden. Die durch die schlagartige Verdampfung hervorgerufene Expansion unterstützt eine Vermischung der Brennstoffe mit der vorhandenen Druckluft sowie dem Wasserdampf, was eine effektive Verbrennung, insbesondere schwer brennbarer Brennstoffanteile, zur Folge hat. Damit können noch effektiver ein Abset- zen von Brennstoff an der Innenwand sowie eine Ansammlung von Rückständen am Boden verhindert werden, so daß der Reaktor sich selbst reinigt.
Der Druckluftstrom kann mit 2 bis 10 bar, vorzugsweise mit 3 bis 5 bar, in die Reaktionskammer eingedüst werden. Bei diesen Drücken ist die Kombination der Zerstäubung beim Austritt aus der Zuleitung mit derjenigen durch das Aufprallen auf die Ablenkfläche im Innenraum der Reaktionskammer besonders wirkungsvoll. Die Brennstoffe, das Wasser und/oder das Oxidationsmittel werden jeweils getrennt oder als Gemisch über ein oder mehrere Venturi-Rohre in den Druckluftstrom eingebracht. Gasförmiger Brennstoff kann hierbei für sich alleine in die Re- aktionskammer geleitet werden. Diese Art der Zuführung er- laubt eine gute Dosiermöglichkeit bei geringem konstruktiven Aufwand und erhöht gleichzeitig die Zerstäubungswirkung beim Eintritt in die Reaktionskammer. Die Eindüsung in die Reaktionskammer erfolgt durch ein normales Rohr geringen Durchmessers ohne Düsenaufsatz, wodurch ein Verstopfen der Düse beim Verbrennen von Altölen durch nicht brennbare Rückstände oder zähflüssige Bestandteile verhindert wird. Die Verwendung einheitlicher Venturi-Rohre für die Zuführung der Brennstoffe und des Wassers verringert zudem den konstruktiven Aufwand.
Vorteilhaft ist, die Temperatur im Inneren der Reakti- onskammer mittels wärmeleitender Reaktorwände homogen zur Achse der Reaktionskammer zu halten. Wenn durch die Ablenkfläche eine symmetrische Verteilung des Gemisches im Inneren der Reaktionskammer erfolgt, kann bei symmetrischer Temperaturverteilung eine gleichmäßigere Verbrennung erzielt werden. Bei vorgegebener Geometrie der Reaktionskammer können die Einströmgeschwindigkeiten des zu verbrennenden Gemisches in die Reaktionskammer derart eingestellt werden, daß die entstehende Verbrennungsflamme zumindest mit Schallgeschwindigkeit die Reaktionskammer verläßt und die entstandene Wär- meenergie zur weiteren Ausnutzung nach außen transportiert. Dies läßt sich - wie unten beschrieben - durch geeignete Geometrie des Reaktors weiter verbessern.
Die Zündung des Gemisches in der Reaktionskammer wird geeigneterweise mit einer Pilotflamme oder mittels eines er- zeugten Funkens vorgenommen. Es kann sich anbieten, Brennstoffe, Wasser oder Luft vor Einbringen in die Reaktionskammer durch die bei der Verbrennung entstehende Abwärme vorzuheizen. Insbesondere schweres Öl wird durch die hierdurch erfolgte Herabsetzung der Viskosität leichter transportabel. Durch in den Innenraum der Reaktionskammer einbringbare Einsätze läßt sich die Strömungsdynamik des Verbrennungsprozesses beeinflussen.
Es ist von Vorteil, den Brennstoff bei der Verbrennung zusätzlich katalytisch zu cracken, wobei als Katalysator z.B. ein nickelhaltiges Material verwendet werden kann.
Der erfindungsgemäße Reaktor weist einen hyperboloidartigen Reaktorkopf auf, der sich an die Auslaßöffnung der Reaktionskammer anschließt und sich von dort aus im Querschnitt erweitert. An diesem Reaktorkopf brennt die Verbrennungsflam- e. Die düsenähnliche Geometrie des Reaktors führt dabei zu einer Beschleunigung der Brenngase mit Ausbildung eines entsprechenden Unterdrucks im Mündungsbereich der Reaktionskammer, was eine weitere Beschleunigung der zu verbrennenden Stoffe im Innern der Reaktionskammer in Richtung zur Aus- laßöffnung zur Folge hat, die sich positiv auf die Verbrennung sowie die Selbstreinigung des Reaktors auswirkt.
Der Düseneffekt läßt sich dadurch verbessern, daß sich die Reaktionskammer zumindest in ihrem oberen Teil in Richtung der Auslaßöffnung verjüngt, wobei der sich verjüngende Teil insbesondere als Pyramiden- oder Kegelstumpf ausgeführt sein kann. Andererseits kann auch die gesamte Reaktionskammer hyperboloidartig geformt sein, derart, daß sie sich in Richtung der Auslaßöffnung verjüngt.
Bei der düsenförmigen Reaktorgeometrie ist es vorteil- haft, die Zufuhröffnungen für die Brennstoffe (und das Wasser) im Boden der Reaktionskämmer einzulassen, so daß diese parallel zur Achse der Reaktionskammer gerichtet sind. Hierdurch wird die Achse der Reaktionskammer als bevorzugte Strömungsrichtung bestimmt, in die dann zur besseren Verteilung des zu verbrennenden Gemischs eine Ablenkfläche angeordnet sein kann, durch die das Gemisch zunächst von der Achse der Reaktionskammer weggeleitet wird, um anschließend wieder aufgrund besagten Düseneffekts des Reaktors auf diese Achse zugeleitet zu werden. Zudem wird aufgrund der Druckverhältnisse das Ausströmen aus den Zufuhröffnungen begünstigt. Als Ablenkfläche kann zum Erzielen einer homogenen Verteilung ein mit der Spitze entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffs gerichteter Kegel oder eine ebenso angeordnete Pyramide aus einem feuerfesten Material, der bzw. die im Inneren der Reaktionskammer entlang deren Achse angeordnet ist, verwendet werden. Der Verbrennungsprozeß kann somit durch symmetrische Verteilung im Reaktionskammerquerschnitt der physikalischen Größen, wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz und Temperatur, optimiert werden.
Soll der Brennstoff zusätzlich gecrackt werden, bietet sich an, einen Metall-Katalysator, insbesondere nickelhaltig, beispielsweise in den Innenwänden der Reaktionskämmer, in feuerfesten Einsätzen im Innern der Reaktionskammer oder aber auch in der Ablenkfläche vorzusehen. Eine hohe Effizienz des katalytischen Cracking läßt sich durch einen schuppigen oder porösen Metall-Katalysator von großer Oberfläche erzielen.
Der Reaktor kann einheitlich aus einem Material wie Edelstahl hergestellt sein, aber auch zumindest teilweise aus einer besonders hitzebeständigen und mechanisch belastbaren Legierung wie einer Ni-Mo-Cr-Co-Legierung ("Nimonic") . Wei- terhin kann der Reaktor von einer Außenisolierung aus Keramikfasern oder Fiberglas umgeben sein, um die abgestrahlte Wärmemenge zu reduzieren und die Temperatur in der Reaktorkammer auf über etwa 1000°C zu halten.
Anhand der Figuren soll die Erfindung in einem Ausfüh- rungsbeispiel im folgenden näher erläutert werden. Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Reaktor in Seitenansicht von schräg unten,
Figur 2 zeigt den Reaktor in Durchsicht von schräg oben, und
Figur 3 zeigt den Reaktor in Durchsicht von der Seite.
Die Figuren zeigen den erfindungsgemäßen Reaktor 1 mit einer Reaktionskammer 2, an deren Auslaßöffnung 4 sich der Reaktorkopf 3 anschließt. Zufuhrleitungen 5 und 6 sind in koaxialer Richtung im Zentrum des Bodens des Reaktors 1 eingelassen. Als Ablenkfläche ist in diesem Beispiel ein mit der Spitze in Richtung der Zufuhrleitungen 5 und 6 weisender Kegel 7 im Inneren der Reaktionskammer 2 entlang der Achse angebracht . Der obere Teil der Reaktionskammer 2 verjüngt sich in diesem Ausführungsbeispiel hyperboloidartig in Richtung der Auslaßöffnung 4, um von dort aus hyperboloidartig sich im Reaktorkopf 3 fortzusetzen. Diese Geometrie bewirkt einen Düseneffekt, durch den strömende Gase aufgrund des Unterdrucks im Bereich der Auslaßöffnung und des Reaktorkopfs aus dem Inneren der Reaktionskammer 2 gesaugt werden, wodurch zusätzlich der Zufuhrdruck in den Zuleitungen 5 und 6 herabgesetzt werden kann. Gleichzeitig wird hierdurch eine Selbstreinigung des Reaktors ermöglicht, da nicht brennbare Partikel und Rückstände durch die Sogwirkung aus dem Reaktorinneren gezogen werden. Derartige Rückstände lassen sich durch Filterung der Verbrennungsgase abscheiden.
In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Reaktor ein Volumen von etwa 15 Litern und ist aus Edelstahl gefertigt. Vorteilhaft ist eine teilweise Fertigung aus einem temperaturbeständigeren und mechanisch belastbareren Material wie einer Nimonic-Legierung, die die folgende Zusammensetzung besitzt: C = 0,057; Si = 0,18; Mn = 0,36; S = 0,002; AI = 0,47; Co = 19,3; Cr = 19,7; Cu = 0,03; Fe = 0,55; Mo = 5,74; Ti = 2,1; Ti + AI = 2,59 (in Gew.-%); ppm-Anteile von Ag, B, Bi und Pb; Rest Nickel. Die darin enthaltenen Elemente bewirken gleichzeitig ein katalytisches Cracken von Kohlenwasserstof- fen. Der Reaktor kann aus diesem Material mit Wandstärken von 3 bis 4 mm gefertigt werden, bei Edelstahl betragen diese 5 bis 7 mm. Vorteilhaft ist eine Außenisolierung des Reaktors 1 aus einem aus Keramikfasern oder Fiberglas bestehenden Mate- rial, das die Wärmeabstrahlung vermindert und somit die Temperatur im Reaktorinneren erhöht.
Durch die Zufuhrleitungen 5, die als Venturi-Rohre mit einem Durchmesser von 3 bis 7 mm ausgeführt sind, wird flüssiger Brennstoff, nämlich Altöle und schwere Öle verschiede- ner Zusammensetzung, sowie fester Brennstoff, wie insbesondere getrocknete Olivenbagasse und Klärschlämme, von Druckluft aus entsprechenden (nicht dargestellten) Vorratsbehältern gesaugt und mit Drücken von 3 bis 5 bar in das Innere der Reaktionskammer 2 transportiert. Beim Austreten aus den Zufuhrleitungen 5 zerreißt der Brennstoffstrom, der Brennstoff prallt mit hoher Geschwindigkeit auf die Ablenkfläche 7, von der aus der Brennstoff symmetrisch in den Querschnitt der Reaktionskammer verteilt wird. Durch eine Zufuhrleitung 5 eingedüstes Wasser zerstäubt und verdampft beim Austritt in die Reaktionskammer 2, der Wasserdampf wird ebenfalls symmetrisch in der Reaktionskammer 2 verteilt. Über die Zufuhrleitung 6, in der die Zufuhrleitungen 5 angeordnet sind, kann bei Bedarf weitere Druckluft eingespeist werden, um die zur vollständigen Verbrennung notwendige Luftmenge bereitzustel- len.
Es werden etwa 30 bis 40 1/h Wasser und 70 bis 80 1/h Altöl in die Reaktionskammer 2 eingebracht. Feste Brennstoffe wie getrocknete Biomasse werden mit 110 bis 130 1/h zugeführt. Sollen flüssige und feste Brennstoffe zusammen einge- bracht werden, so sind die Zufuhrmengen entsprechend herabzusetzen. Die Brennerleistung beträgt knapp 1 MWt_ Die Schadstoffemissionen erweisen sich als geringfügig bis vernachlässigbar.
Die Regelung des Verbrennungsprozesses erfolgt unter Messung der Temperatur, der Menge und der chemischen Zusam- mensetzung der Verbrennungsgase. Dementsprechend werden die zugeführten Wasser-, Luft- und Brennstoffmengen gesteuert.
Der dargestellte Aufbau des Reaktors bewirkt eine symmetrische Verteilung der physikalischen Größen des Verbren- nungsprozesses, rotationssymmetrisch bezogen auf Achsenpunkte der Reaktionskämmer 2. In einem Querschnitt der Reaktionskammer 2 sind die Werte von Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit der Gase annähernd konstant. Die Temperaturen nehmen vom Boden der Reaktionskammer 2 zur Auslaßöffnung 4 hin zu, wobei aufgrund der wärmeleitenden Reaktorwände im Dauerbetrieb eine Abflachung des Temperaturgradienten stattfindet.
Die Strömungsdynamik des Verbrennungsprozesses ist bei Änderung der Reaktorgeometrie sowie der Position und Geome- trie der Ablenkfläche einstellbar.
Die Brennstoffe werden im Reaktor vollständig verbrannt. Eventuell nicht brennbare Rückstände werden durch die Sogwirkung aus dem Reaktorinneren transportiert und können mittels Filter gesammelt werden. Der Düseneffekt des Reaktors 1 kann zusammen mit der Zufuhrgeschwindigkeit derart abgestimmt werden, daß die Verbrennungsgase mit Schallgeschwindigkeit bei einer Temperatur von ca. 1.200 bis ca. 1500°C den Reaktorkopf 3 verlassen.
Es bieten sich verschiedene industrielle Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors und Verbrennungsverfahrens an. Beispielsweise kann mit den heißen Verbrennungsgasen ein Flüssigbett betrieben werden, in dem Sand von Heißgas durchströmt wird. Derartige Flüssigbette werden meist zur Reinigung von Gegenständen (z.B. von Lackrückständen) verwendet. Auch für die Sondermüllbeseitigung bietet sich ein solcher Einsatz an. Biomasse kann durch gezielten Luftmangel auf dem Flüssigbett einem Pyrolyse-Prozeß unterzogen werden, wodurch feste und gasförmige Brennstoffe, die direkt dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt werden können, gewonnen werden. Die erzeugten Brenngase können außerdem direkt in einem Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung verwendet werden. Schließ- lieh kann das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren zur kombinierten Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom, d.h. zum Betrieb sowohl von Dampf- als auch von Gasturbinen verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht eine umweltfreundliche Verbrennung von schwer entsorgbaren Abfallprodukten, wie Altöle verschiedener Zusammensetzung, Klärschlämme, Olivenbagasse, Mineralkohle und sonstige brennbare Abfallprodukte.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen, bei dem die Brennstoffe zusammen mit Luft eventuell unter Zugabe von Wasser verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) fester und/oder flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff, eventuell Wasser und/oder ein Oxidationsmittel, mittels Druckluft in eine Reaktionskämmer (2) in deren axiale Richtung eingeleitet werden, daß
(b) die Menge eingedüster Druckluft derjenigen zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luftmenge entspricht, und daß
(c) das eingeleitete Gemisch auf eine Ablenkfläche im Innenraum der Reaktionskammer (2) geleitet wird, wodurch es zerstäubt, sublimiert und/oder verdampft und explosionsartig verbrennt, bevor es die Wand oder den Boden der Reaktionskammer (2) erreichen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Druckluftströme mit einem Druck von etwa 2 bis 10 bar, vorzugsweise 3 bis 5 bar, in die Reaktionskammer (2) eingedüst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe, das Wasser und/oder das Oxidations¬ mittel über ein oder mehrere Venturi-Rohre in den Druckluft¬ strom eingebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiger Brennstoff ohne Druckluft in die Reaktionskammer (2) geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Inneren der Reaktionskam- mer (2) mittels wärmeleitender Reaktorwände homogen zur Achse der Reaktionskammer (2) gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmgeschwindigkeiten in die Reaktionskammer (2) derart eingestellt werden, daß bei vorgegebener Geometrie der Reaktionskammer die Verbrennungsflamme die Reaktionskammer zumindest mit Schallgeschwindigkeit verläßt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung des Gemisches in der Reaktions- kam er (2) mittels einer Pilotflamme oder eines erzeugten Funkens vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe und/oder das Wasser und/oder die Luft vor Einbringen in die Reaktionskammer (2) durch die bei der Verbrennung entstehende Abwärme vorgeheizt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Reaktionskammer (2) mittels in die Reaktionskammer einbringbarer Einsätze strömungsdynamisch gestaltet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff bei der Verbrennung katalytisch gecrackt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator ein nickelhaltiges Material verwendet wird.
12. Reaktor für ein Verbrennungsverfahren, bei dem Brennstoffe zusammen mit Luft, eventuell unter Zugabe von Wasser und/oder einem Oxidationsmittel verbrannt werden, mit einer Reaktionskammer mit Zufuhröffnungen für den Brennstoff, die Luft, das Oxidationsmittel und/oder das Wasser und mit einer Auslaßöffnung für die Verbrennungsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) einen hyperboloidartigen Reaktorkopf (3) aufweist, der sich an die Auslaßöffnung (4) der Reaktionskammer (2) anschließt und sich von dort ausgehend im Querschnitt erweitert.
13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (2) sich zumindest im oberen Teil in Richtung der Auslaßöffnung (4) verjüngt.
14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil der Reaktionskammer (2) als Pyramiden- oder Kegelstumpf ausgeführt ist.
15. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (2) hyperboloidartig geformt ist.
16. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Zufuhrleitungen (5, 6) im Boden der Reaktionskammer (2) eingelassen und parallel zur Achse der Reaktionskammer (2) gerichtet sind.
17. Reaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Zufuhrleitungen (5, 6) im Flächenzentrum des Bodens der Reaktionskammer (2) zentriert angeordnet sind.
18. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitungen (5, 6) aus einfachen Rohren bestehen, die zum Ansaugen der Brennstoffe und/oder des Wassers als Venturi-Rohr ausgebildet sind.
19. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Reaktionskammer (2) in Richtung der durch die Zufuhröffnungen gegebenen Einströmrichtungen eine Ablenkfläche (7) angeordnet ist.
20. Reaktor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfläche (7) durch eine (n) mit der Spitze in Richtung der Zufuhröffnungen zeigenden Kegel oder Pyramide gebildet wird.
21. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (2) eine Zündquelle vorgesehen ist.
22. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall-Katalysator im Inneren der Reaktionskammer (2) , beispielsweise in den Reaktionskammerwänden, in feuerfesten Einsätzen im Inneren der Reaktionskammer (2) oder in der Ablenkfläche (7), vorgesehen ist.
23. Reaktor nach 7Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Katalysator sich in einem feuerfesten, schuppigen oder porösen Material befindet.
24. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) teilweise, insbesondere im Bereich der höchsten Materialbelastung, aus einer Ni-Mo-Co- Cr-Legierung (Nimonic-Legierung) besteht.
25. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) eine Außenisolierung beispielsweise aus Keramik oder Fiberglas aufweist.
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