EP1031000B1 - Verfahren und reaktor zur verbrennung von brennstoffen - Google Patents

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EP1031000B1
EP1031000B1 EP98959868A EP98959868A EP1031000B1 EP 1031000 B1 EP1031000 B1 EP 1031000B1 EP 98959868 A EP98959868 A EP 98959868A EP 98959868 A EP98959868 A EP 98959868A EP 1031000 B1 EP1031000 B1 EP 1031000B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction chamber
reactor
combustion
interior
water
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98959868A
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English (en)
French (fr)
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EP1031000A1 (de
Inventor
Franz Josef Staffler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bramble Trading Internacional Ltda
Original Assignee
Gourmeli International NV
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Filing date
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, according to the preamble of claim 1.
  • a combustion process and a combustion reactor 6 are from the German published application DE 2 118 073 known. There will for the removal of contaminated liquids and sludge proposed two immiscible phases of the to be burned Fuel together via an atomizing device with atmospheric oxygen into a reaction chamber where a pseudo-homogeneous mixture is formed, which gasifies and burns. A recirculation movement should continue in the chamber to homogenize the mixture. Here part of the fuel is supposed to run along the chamber walls and absorb heat from them. With this procedure the fuel is placed in a cylindrical reaction chamber directed in the axial direction. The reaction chamber can a relaxation chamber downstream to cool down of the exhaust gases and for the separation of unburned dust particles serves.
  • a device and a method for the combustion of Oil with the addition of water are known from WO95 / 23942, where oil is introduced into a combustion chamber until has formed an oil bath, which is then heated to a temperature between 250 ° and 350 ° C is preheated. Then water will come on sprayed the surface of the hot oil bath, resulting in simultaneous Supply of air to the combustion chamber caused a flame eruption results.
  • the level of the oil bath should be during the Combustion should not be less than 3 to 4 mm high to prevent the combustion from stopping.
  • the one about this Purpose device essentially comprises one Combustion chamber in the shape of a truncated pyramid or cone lateral supply openings for oil and water from corresponding Storage containers.
  • the oil bath is heated electrically. Air. reaches the interior of the combustion chamber together with the water.
  • the 1200 ° to 2000 ° C hot flame is used for heating purposes passed into a furnace via a cylinder tube.
  • GB 765 197 describes a device for burning liquid and liquefiable fuels known from a cylindrical combustion chamber with one attached to it subsequent open fire chamber exists.
  • the liquid Fuel is injected radially or tangentially into the interior of the Combustion chamber introduced, air is supplied separately tangentially, the fuel being the inner surface of the burner chamber touched and evaporated and burned there.
  • the one in the firebox The resulting temperatures are between 1500 ° and 1800 ° C.
  • the fuel is burned through incomplete reduced air supply with the help of supplied steam cracked, causing heavy oils into lower hydrocarbons, Hydrogen and carbon monoxide are broken down.
  • the object of the present invention is to provide a method for environmentally friendly combustion of any fuel Physical state, possibly with the addition of water and / or an oxidizing agent, in which the fuel completely and without residues with high energy yield is burned.
  • the reactor suitable for this should be small constructive effort, as maintenance-free as possible and self-cleaning, optimize the combustion process in continuous operation.
  • the compressed air flow can be 2 to 10 bar, preferably with 3 to 5 bar, are injected into the reaction chamber. At these pressures is the combination of atomization on exit from the supply line with that caused by the impact particularly on the deflection surface in the interior of the reaction chamber effective.
  • the fuels, the water and / or the oxidizing agent are separated or as a mixture over a or several venturi tubes are introduced into the compressed air flow. More gaseous Fuel can enter the reaction chamber on its own be directed. This type of feeding allows a good dosing option with little constructive Effort and at the same time increases the atomizing effect when Entry into the reaction chamber.
  • the injection into the reaction chamber takes place through a normal tube of small diameter without nozzle attachment, which clogs the nozzle when Burning used oils due to non-combustible residues or viscous components is prevented.
  • the use of uniform Venturi tubes for the fuel supply and the water also reduces the design effort.
  • the temperature inside the reaction chamber is advantageous by means of thermally conductive reactor walls Keep axis of the reaction chamber. If through the baffle a symmetrical distribution of the mixture inside the reaction chamber takes place with symmetrical temperature distribution smoother combustion can be achieved.
  • the inflow speeds of the mixture to be burned be set in the reaction chamber such that the resulting combustion flame at least at the speed of sound leaves the reaction chamber and the resulting thermal energy transported to the outside for further use. This can be done - as described below - by suitable geometry of the reactor further improve.
  • the ignition of the mixture in the reaction chamber will suitably with a pilot flame or by means of a generated Spark made. It can offer fuels, Water or air before introduction into the reaction chamber by preheating the waste heat generated during combustion. Heavy oil in particular is caused by this Reduced viscosity easier to transport. Through inserts that can be inserted into the interior of the reaction chamber the flow dynamics of the combustion process influence.
  • the catalyst being e.g. a nickel-containing material can be used.
  • the reactor according to the invention has a deflection surface and a hyperboloid-like one Reactor head on, which is located at the outlet opening of the reaction chamber connects and from there in cross section expanded.
  • 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 one Negative pressure in the mouth area of the reaction chamber, what a further acceleration of the burned Substances inside the reaction chamber towards the outlet opening has a positive impact on combustion as well as the self-cleaning of the reactor.
  • the nozzle effect can be improved in that the reaction chamber at least in its upper part in the direction the outlet opening tapers, the tapering Part especially designed as a truncated pyramid or cone can be.
  • the entire reaction chamber be hyperboloid-shaped, such that it faces towards the outlet opening tapers.
  • the supply openings for the fuels (and water) in the bottom of the reaction chamber so that this are directed parallel to the axis of the reaction chamber.
  • the axis of the reaction chamber becomes the preferred flow direction determined in the then for better distribution of the mixture to be burned arranged the deflecting surface is through which the mixture initially from the axis of the Reaction chamber is diverted to due again subsequently said nozzle effect of the reactor on this axis to become.
  • the outflow from the feed openings favors.
  • the deflection surface can be used to achieve a homogeneous distribution one with the tip against the flow direction of the Fuel-oriented cone or one arranged in the same way Pyramid made of a refractory material, the one or the inside the reaction chamber is arranged along its axis, be used.
  • the combustion process can thus symmetrical distribution in the cross section of the reaction chamber physical quantities such as pressure, flow velocity, Turbulence and temperature can be optimized.
  • a metal catalyst in particular containing nickel, for example in the inner walls of the reaction chamber, in refractory inserts inside the reaction chamber or also to be provided in the deflection surface.
  • a high efficiency of the Catalytic cracking can be done by a scaly or achieve porous metal catalyst with a large surface area.
  • the reactor can be made of one material like Be made of stainless steel, but also at least partially a particularly heat-resistant and mechanically resilient Alloy such as a Ni-Mo-Cr-Co alloy ("Nimonic").
  • the reactor can be made of ceramic fiber outer insulation or be surrounded by fiberglass to the emitted Reduce the amount of heat and the temperature in the reactor chamber to keep above about 1000 ° C.
  • the figures show the reactor 1 according to the invention a reaction chamber 2, at the outlet opening 4 of which Reactor head 3 connects.
  • Feed lines 5 and 6 are in coaxial direction in the center of the bottom of the reactor 1.
  • the deflection surface is one with the Cone pointing towards supply lines 5 and 6 7 attached inside the reaction chamber 2 along the axis.
  • the upper part of the reaction chamber 2 tapers in this embodiment hyperboloid-like in the direction of Outlet opening 4, from there hyperboloid-like in the reactor head 3 to continue.
  • This geometry creates a nozzle effect, through the flowing gases due to the negative pressure in the area of the outlet opening and the reactor head from the inside the reaction chamber 2 are sucked, which additionally the supply pressure in the supply lines 5 and 6 is reduced can be.
  • this makes self-cleaning of the reactor, since non-combustible particles and Residues drawn from the inside of the reactor by the suction effect become. Such residues can be filtered separate the combustion gases.
  • the reactor can be made of this material with wall thicknesses of 3 to 4 mm, this is 5 for stainless steel up to 7 mm.
  • External insulation of the reactor 1 is advantageous made of a material consisting of ceramic fibers or fiberglass, that reduces heat radiation and thus the temperature increased inside the reactor.
  • the Venturi tubes with 3 to 7 mm in diameter becomes more fluid Fuel, namely waste oils and heavy oils of various types Composition, as well as solid fuel, such as in particular dried olive bagasse and sewage sludge, from compressed air from corresponding (not shown) storage containers sucked and with pressures of 3 to 5 bar inside the reaction chamber 2 transported.
  • the Fuel hits the deflection surface at high speed 7, from which the fuel is symmetrical in cross section is distributed to the reaction chamber.
  • atomized water atomizes and evaporates as it exits the reaction chamber 2, the water vapor is also symmetrical distributed in the reaction chamber 2.
  • Via the supply line 6, in which the feed lines 5 are arranged if necessary more compressed air can be fed in to the to provide the necessary amount of air for complete combustion.
  • the combustion process is regulated under Measurement of temperature, quantity and chemical composition the combustion gases. Accordingly, the supplied water, air and fuel quantities controlled.
  • the structure of the reactor shown results in a symmetrical one Distribution of the physical quantities of the combustion process, rotationally symmetrical in relation to axis points the reaction chamber 2.
  • the reaction chamber 2 In a cross section of the reaction chamber 2 are the values of temperature, pressure, flow rate the gases are almost constant.
  • the temperatures take from the bottom of the reaction chamber 2 to the outlet opening 4 towards, due to the heat-conducting reactor walls in A continuous flattening of the temperature gradient takes place.
  • the flow dynamics of the combustion process is at Change of the reactor geometry as well as the position and geometry the deflection surface adjustable.
  • the fuels are completely burned in the reactor. Any non-combustible residues are caused by the suction effect transported from the inside of the reactor and can by means of Filters are collected.
  • the nozzle effect of the reactor 1 can be coordinated together with the feed speed in such a way that the combustion gases at the speed of sound the reactor head at a temperature of approx. 1,200 to approx. 1,500 ° C 3 leave.
  • the invention enables environmentally friendly combustion of waste products that are difficult to dispose of, such as waste oils of various types Composition, sewage sludge, olive bagasse, mineral coal and other combustible waste products.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen, gemäßdem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Verbrennungsverfahren sowie ein Verbrennungsreaktor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 6 sind aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 2 118 073 bekannt. Dort wird zur Beseitung von verunreinigten Flüssigkeiten und Schlamm vorgeschlagen, zwei nicht vermischbare Phasen des zu verbrennenden Brennstoffs über eine Zerstäubungsvorrichtung zusammen mit Luftsauerstoff in eine Reaktionskammer zu leiten, wo ein pseudo-homogenes Gemisch gebildet wird, das vergast und verbrennt. In der Kammer soll weiterhin eine Rezirkulationsbewegung zur Homogenisierung des Gemisches bewirkt werden. Hierbei soll ein Teil des Brennstoffs an den Kammerwänden entlangstreichen und von diesen Wärme aufnehmen. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff in eine zylindrische Reaktionskammer in axialer Richtung geleitet. Der Reaktionskammer kann eine Entspannungskammer nachgeschaltet sein, die zur Abkühlung der Abgase und zur Abscheidung von unverbrannten Staubpartikeln dient.
Bei einer Verbrennung gemäß DE 2 118 073 ist es wesentlich, die Innenwand der Reaktionskammer auf einer Temperatur zu halten, die derjenigen in der gasförmigen Reaktionsmasse entspricht. Dies hat insbesondere beim Hochfahren des Brenners Nachteile, da schwer brennbare Stoffe Rückstände auf dem. Boden der Reaktionskammer bilden können. Gleiches gilt für nicht brennbare Bestandteile wie Staub, der aufgrund der Zirkulationsbewegung in der Reaktionskammer nur schwer aus der Reaktionskammer hinaus transportiert wird. Die Geometrie des Reaktors läßt zudem keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung von Öl unter Zugabe von Wasser sind aus der WO95/23942 bekannt, wobei hier Öl in eine Brennkammer eingebracht wird, bis sich ein Ölbad ausgebildet hat, das dann auf eine Temperatur zwischen 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 Temperaturgefälle 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 gestaltet sich die gesamte Vorrichtung mit ihren Zuleitungs- und Vorheizeinrichtungen konstruktiv aufwendig. Die Prozeßsteuerung ist insbesondere beim Abschalten wegen der verbleibenden Rückstände nur schwer kontrollierbar. Für den Dauerbetrieb 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 flüssige 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 Verbrennungskammer sammeln und dort einen nicht verbrennenden Rückstand bilden. 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 Wasser/Brennstoff/Luft-Gemischs bei Anwesenheit eines Metallkatalysators (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 weiteren 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 Wärmetauscherwendel 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 vorgesehen. Zum Eindüsen des Ölgemischs 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 Anlage, 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 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Der explosionsartige Verbrennungsprozeß läßt sich durch den hohen Grad an Oberflächenvergrößerung des in die Reaktionskammer geleiteten Gemischs 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 Absetzen 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 Reaktionskammer geleitet werden. Diese Art der Zuführung erlaubt 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 Reaktionskammer 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 Wärmeenergie 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 erzeugten 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 eine Ablenkfläche und 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 Verbrennungsflamme. 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 Auslaßöffnung 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 vorteilhaft, die Zufuhröffnungen für die Brennstoffe (und das Wasser) im Boden der Reaktionskammer 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 die Ablenkfläche angeordnet ist, 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 Reaktionskammer, 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"). Weiterhin 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 Ausführungsbeispiel 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; Al = 0,47; Co = 19,3; Cr = 19,7; Cu = 0,03; Fe = 0,55; Mo = 5,74; Ti = 2,1; Ti + Al = 2,59 (in Gew.-%); ppm-Anteile von Ag, B, Bi und Pb; Rest Nickel. Die darin enthaltenen Elemente bewirken gleichzeitig ein katalytisches Cracken von Kohlenwasserstoffen. 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 Material, 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 verschiedener 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 bereitzustellen.
    Es werden etwa 30 bis 40 l/h Wasser und 70 bis 80 l/h Altöl in die Reaktionskammer 2 eingebracht. Feste Brennstoffe wie getrocknete Biomasse werden mit 110 bis 130 l/h zugeführt. Sollen flüssige und feste Brennstoffe zusammen eingebracht 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 Zusammensetzung der Verbrennungsgase. Dementsprechend werden die zugeführten Wasser-, Luft- und Brennstoffmengen gesteuert.
    Der dargestellte Aufbau des Reaktors bewirkt eine symmetrische Verteilung der physikalischen Größen des Verbrennungsprozesses, rotationssymmetrisch bezogen auf Achsenpunkte der Reaktionskammer 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 Geometrie 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. Schließlich 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 (12)

    1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen, bei dem die Brennstoffe mittels Druckluft in eine Reaktionskammer (2) in deren axiale Richtung eingeleitet und eventuell unter Zugabe von Wasser verbrannt werden,
         dadurch gekennzeichnet, daß
      (a) fester und/oder flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff, eventuell unter Zusatz eines Oxidationsmittels, verwendet wird, 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 verteilt wird, flüssige und/oder feste Bestandteile weiter zerstäuben, flüssige Bestandteile verdampfen, feste sublimieren und das Gemisch 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 Einströmgeschwindigkeiten in die Reaktionskammer (2) derart eingestellt werden, daß bei vorgegebener Geometrie der Reaktionskammer die Verbrennungsflamme die Reaktionskammer zumindest mit Schallgeschwindigkeit verläßt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Reaktionskammer (2) mittels in die Reaktionskammer einbringbarer Einsätze strömungsdynamisch gestaltet wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff bei der Verbrennung katalytisch gecrackt wird.
    6. 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, und daß im Inneren der Reaktionskammer (2) in Richtung der durch die Zufuhröffnungen gegebenen Einströmrichtungen eine Ablenkfläche (7) angeordnet ist.
    7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (2) sich zumindest im oberen Teil in Richtung der Auslaßöffnung (4) verjüngt.
    8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil der Reaktionskammer (2) als Pyramiden- oder Kegelstumpf ausgeführt ist.
    9. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (2) hyperboloidartig geformt ist.
    10. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Zufuhrleitungen (5, 6) im Boden der Reaktionskammer (2) eingelassen und parallel zur Achse der Reaktionskammer (2) gerichtet sind.
    11. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfläche (7) durch eine(n) mit der Spitze in Richtung der Zufuhröffnungen zeigenden Kegel oder Pyramide gebildet wird.
    12. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, 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.
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