EP1784253A1 - Verfahren und vorrichtung zur verdampfung von flüssigbrennstoffen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verdampfung von flüssigbrennstoffen

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EP1784253A1
EP1784253A1 EP05772809A EP05772809A EP1784253A1 EP 1784253 A1 EP1784253 A1 EP 1784253A1 EP 05772809 A EP05772809 A EP 05772809A EP 05772809 A EP05772809 A EP 05772809A EP 1784253 A1 EP1784253 A1 EP 1784253A1
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EP
European Patent Office
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reactor
liquid fuel
oxygen
containing gas
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05772809A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Volkert
Ernst Keim
Conchita Encinas Bermudez
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.)
GVP Gesellschaft zur Vermarktung der Porenbrennertechnik mbH
Original Assignee
GVP Gesellschaft zur Vermarktung der Porenbrennertechnik mbH
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Publication date
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    • C01B2203/1604—Starting up the process

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the evaporation of liquid fuel.
  • WO 00/06948 discloses a method for evaporating liquid fuel according to the "cold flame principle".
  • the “principle of the cold flame” is meant a partially exothermic oxidation of hydrocarbons at atmospheric pressure at a temperature in the range of 300 to 500 ° C. In this exothermic reaction about 10 to 15% of the stored chemical energy is released. The reaction according to the "principle of the cold flame” does not lead to the formation of a visible flame.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a method and a device are to be specified with which a vaporization and exothermic reaction according to the principle of the cold flame can be carried out in as simple, safe and cost-effective manner as possible.
  • the device should also make it possible to carry out the "partial oxidation" process.
  • a method for the evaporation of liquid fuel is provided with the following steps:
  • a “reactor” is understood to mean a container which encloses a free volume. It may be, for example, a cylindrical tube.
  • a means for increasing the internal surface is included in the reactor.
  • the inventively provided means for increasing the inner surface contributes to an increase in the effective heat conductivity and / or the volumetric heat exchange coefficient in the reactor. As a result, a reactor surrounded and heated to a predetermined temperature
  • the exothermic reaction of the present invention is a reaction that proceeds without ignition and formation of a visible, open flame.
  • the liquid fuel is only partially oxidized. It may be that a pre-reacted mixture is already fed to the reactor or a partially reacted mixture is removed from the reactor.
  • suitable means for producing a prereacted mixture or for continuing the reaction of a partially reacted mixture may be upstream or downstream of the reactor.
  • the heat generated in the exothermic reaction is z. T. transferred to the reactor. This is u.a. as a heat storage. In a suitable process procedure, it is only necessary to start the exothermic reaction.
  • the exothermic reaction may be an exothermic reaction according to the "principle of the cold flame".
  • the temperature in the reactor is so regulated that a lower temperature limit of 22O 0 C is not undershot and an upper temperature limit of 600 0 C is not exceeded.
  • the air ratio ⁇ of a mixture formed from the liquid fuel and the oxygen-containing gas can assume any desired values.
  • the air ratio ⁇ is the ratio between the actual amount of air and the amount of air theoretically required for complete combustion.
  • an exothermic reaction according to the "cold flame principle" can be carried out continuously.
  • the temperature is suitably regulated in the reactor, that a lower temperature limit of 600 0 C range and an upper temperature limit of 1500 0 C is not exceeded.
  • the air ratio ⁇ of a mixture formed from the liquid fuel and the oxygen-containing gas is ⁇ 1.
  • the two aforementioned alternative variants of the method can advantageously be carried out in one and the same device.
  • the aforementioned temperature ranges apply to atmospheric pressure.
  • the indicated temperature window is to be adapted accordingly.
  • the liquid fuel is at most to
  • the liquid fuel is atomized on entering the reactor.
  • the reactor may have a mixing section upstream, in which one from the. atomized liquid fuel and the oxygen-containing gas formed mixture is produced.
  • means for fluid mechanical stabilization can be included in the mixing section. These may be flow baffles and the like. This ensures that a homogeneous Gemischbil ⁇ tion is guaranteed in the mixing section in a large modulation range. The mixture is always generated and homogenized by the proposed means for stabilizing the flow in the mixing section.
  • the means taken in the reactor to increase the inner surface also serves to keep the reaction zones in the reactor over a wide modulation range away relative to the axial extent of the reactor in a predetermined area. Thus, an evaporation product with given properties can always be produced across the entire modulation range.
  • an air nozzle for introducing the air into the mixing section can be provided with a swirl generator as a means for stabilizing the flow. It can thus be generated with a twisted or untwisted free jet. Further, an exit diameter of the air nozzle and a distance of the air nozzle to the means for increasing the inner surface can be varied.
  • the free jet causes recirculation of the energy and the chemical radicals within the mixing section.
  • the means for increasing the inner surface thus causes a determination of certain reaction zones within the reactor. The boundaries of the reaction zones depend on the power with which the device is operated. Depending on the modulation range, they vary within a given axial range. However, the means for increasing the internal surface ensures that the reactor Onszonen as such over the entire modulation range er ⁇ hold and thus always the given Verdampfungs ⁇ product is generated.
  • Preheating the reactor serves to start and / or maintain the exothermic reaction.
  • the reactor can be preheated, for example, by combustion of a mixture formed from the liquid fuel and the oxygen-containing oxidant. In this case, the mixture is adjusted so that combustion can take place.
  • combustion is stopped.
  • a mixture of liquid fuel and oxygen-containing gas without the formation of a visible flame in the reactor exo ⁇ therm partially oxidized and thus evaporated.
  • the heat released in the exothermic reaction expediently heats the means for increasing the inner surface.
  • the reactor is heated with an electric heating element.
  • a heating element is used in particular for starting the reactor to start the exothermic reaction. If, during operation of the reactor, excessive cooling of the reactor occurs, then heat can be supplied again by means of the electrical heating element.
  • hot exhaust gases can also be recirculated, which are formed, for example, by combustion of the product.
  • a chamber can be provided downstream of the reactor, from which a recirculation line branches off to recirculate the product.
  • the reactor can also be a burner with a
  • Downstream combustion chamber from which a recirculation line for recirculation of hot exhaust gases branches off.
  • Recirculation lines can be connected, for example, to the above-mentioned mixing section.
  • the oxygen-containing gas can also be heated indirectly via a heat exchanger, which is heated with the hot exhaust gases or the hot product.
  • the means for increasing the inner surface is used as the heating element.
  • the means for increasing the inner surface is expediently designed as a resistance heating element.
  • it may be made of metal, silicon carbide or the like.
  • Such gas can be a waste product of another process.
  • the temperature of the reactor can be conveniently controlled by increasing or decreasing the temperature of the oxygen-containing gas supplied. It is also possible to control the temperature of the reactor by increasing or decreasing the mass flow of the oxygen-containing gas through the reactor. In these cases u. U. be dispensed with a heating element for heating the reactor.
  • Air can be used as the oxygen-containing gas and hydrocarbons as the liquid fuel, preferably light heating oil or diesel.
  • any oxygen-containing gas in conjunction with all oxidizable hydrocarbon-containing fuels is suitable for carrying out the exothermic reaction according to the "cold flame” principle and / or the "partial oxidation".
  • the means for increasing the inner surface is expediently a permeable, porous medium and can be selected from the following group: Porous bodies, eg. For example, with a foam structure made of ceramic or metal, static shear, wire or Fasergewirk, tube assembly, bed, arrangement of perforated plates.
  • Porous bodies eg.
  • a foam structure made of ceramic or metal, static shear, wire or Fasergewirk, tube assembly, bed, arrangement of perforated plates.
  • the means for increasing the inner surface of a ceramic, a glass, a binder or made of metal is an agent which is temperature resistant. It may be that the means for increasing the inner surface is provided with a catalytic coating.
  • the means for increasing the inner surface is expediently received in a cylindrical reactor housing. It is in any case designed such that a flow through the reactor from an inlet to an outlet is possible and at the same time the heat released during the exothermic reaction is stored in an effective manner by the means for increasing the internal surface for its further maintenance.
  • a device for the evaporation of liquid fuel with a Reak ⁇ tor, in which a means for increasing the inner surface is added, a means for supplying wellssigbrenn ⁇ material and oxygen-containing gas in the reactor, and a Means for controlling the temperature of the reactor such that an exothermic reaction between the oxygen-containing gas and the evaporating liquid fuel is feasible such that the liquid fuel is only partially oxidized.
  • the proposed device is simple and inexpensive to produce.
  • By carrying out the reaction in a reactor in which a means for increasing the internal surface area is provided it is possible to more safely and reliably avoid undesired ignition of the mixture while forming a free, visible flame in the reactor.
  • the temperature in the reactor can be regulated with the means for controlling so that a lower temperature limit of 220 ° C. is not undershot and an upper temperature limit of 1500 ° C. is not exceeded.
  • the temperature in the reactor on the one hand, can be kept constant, for example in a temperature range from 22O 0 C to 600 0 C, so that in this temperature range an exothermic reaction according to the principle of the "cold flame" can be carried out.
  • the performance of the device can be modulated in a wide range.
  • the control it is possible to operate the device either in accordance with the principle of the "cold flame” in a first temperature range or according to the principle of "partial oxidation” in a second temperature range.
  • only a single structural design of the device is necessary. It is suitable for carrying out both of the above-mentioned process variants.
  • a means for atomizing the remplissig ⁇ fuel is provided.
  • a particularly homogeneous mixture can be produced.
  • the vaporized product made therefrom is also particularly homogeneous.
  • the sputtering means may comprise at least one nozzle.
  • the nozzle in turn may be surrounded by an annular nozzle for supplying oxygen-containing gas.
  • the annular nozzle is provided with a swirling element.
  • the oxygen-containing gas can be added, for example, in a rotating about the axis of the annular nozzle flow.
  • the annular nozzle and possibly the swirling element can open in a mixing section of the reactor, which upstream the means for increasing the inner surface is arranged.
  • a homogeneous mixture of the oxygen-containing gas and the finely atomized liquid fuel is formed.
  • an ignition device for igniting the mixture can be provided. By Ver ⁇ combustion of the mixture, a preheating of the device can be achieved in a simple manner.
  • a means for supplying hot gases to the reactor is provided. This may be the product discharged from the reactor or also exhaust gases from a downstream combustion process or other hot exhaust gases.
  • a device for injecting the liquid fuel may be provided under a pressure in the range of 3 to 100 bar.
  • a variation of the pressure allows operation of the device with a predetermined power.
  • a means for injecting the liquid fuel is provided at a predetermined clock frequency.
  • the agent may be fast closing valves. Such valves can be operated with a frequency in the range of 5 to 70 Hz. The amount of liquid fuel to be injected can be controlled by the closing time of such valves.
  • an electrical heating element is provided for heating the reactor. It may be a heating coil or the like surrounding the reactor. Furthermore, a means for heating the supplied oxygen-containing gas can be provided. The means for supplying may further comprise a fan for supplying the oxygen-containing gas into the reactor. The means for heating the supplied oxygen-containing gas can spielmik be integrated into the blower and also from Heating coils exist, through which the oxygen-containing gas is passed.
  • the heating element is expediently accommodated in the annular nozzle or in a space upstream of the ring nozzle, preferably an annular space.
  • the annular nozzle at least partially pass through the room.
  • the nozzle can be surrounded at least in sections by a thermal shielding device in a section which passes through the space. It may be, for example, one or more protective tubes.
  • a reactor housing is part of a heat exchanger, through which the oxygen-containing gas is fed to the reactor zu ⁇ .
  • This makes it possible in a simple and cost-effective manner to preheat the supplied oxygen-containing gas through the heat released in the reactor during combustion according to the "cold flame" principle.
  • This allows an autothermal operation of the device, in particular, no energy must be supplied to heat the reactor.
  • the reactor can be operated in a wide power dynamic range.
  • the oxygen-containing gas can be preheated with the heat exchanger to a temperature of up to 300 ° C. The preheating advantageously causes avoidance of condensation.
  • the heat exchanger expediently has a first annular channel formed between a first inner housing and the reactor housing, through which the oxygen-containing gas is passed.
  • the circulation of the reactor with the oxygen-containing gas avoids unwanted cooling of the reactor by the emission of heat.
  • the first ring channel may be connected to the ring nozzle.
  • a second annular gap for discharging a thilde formed in the reactor the partially vaporized liquid fuel containing Product be provided.
  • At least one sensor is provided for measuring the temperature prevailing in the reactor. It may be a conventional thermocouple. Of course, it is also possible to provide several sensors for measuring the temperature along the flow path. This makes possible a refined control of the temperature prevailing in the reactor and / or the setting of a given temperature profile along the flow path in the reactor.
  • the means for regulating the temperature as a function of the temperature measured by the sensor on the basis of a predetermined algorithm controls the power of the electric heating element and / or the means for heating the supplied oxygen-containing gas and / or of the blower.
  • the means for regulating the temperature may include a conventional control with a microprocessor which effects the regulation of the temperature according to a predetermined control algorithm.
  • the means for increasing the inner surface is expediently produced from one of the following materials: ceramic, glass, binder, metal.
  • the agent for increasing the inner surface may be selected from the following group: Porous bodies, eg. B. foam or
  • FIG. 1 is a schematic view of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows the pore body according to FIG. 1 and the temperature profile prevailing in the pore body during the exothermic reaction
  • FIG. 5 is a cross-sectional view according to the section line A- A 'in Fig. 4,
  • FIG. 9 is a side view of the heating element of FIG. 8,
  • FIG. 12 is an enlarged partial sectional view of FIG. 11,
  • FIG. 13 is a sectional view of a first heater
  • FIG. 14 is a plan view of FIG. 13,
  • 15 is a sectional view of a sixth reactor, 16 is an enlarged partial sectional view of FIG. 15,
  • 17 is a sectional view of a second heater
  • FIG. 17 is a side view of FIG. 17,
  • FIG. 19 is a plan view of FIG. 17,
  • 21 is a schematic view of another device according to the invention.
  • Fig. 22 is a partial sectional view of the seventh reactor with a first ignition device received therein and
  • Fig. 23 is a partial sectional view of the seventh reactor with a second igniter received therein.
  • a porous body 1 is shown, which is made of, for example, a porous ceramic, a porous metal, a Draht ⁇ braid or the like.
  • the porous body 1 has a communicating pore space, so that a mixture consisting of air L and vaporized or partially vaporized liquid fuel 0 can flow through.
  • the porous body 1 can be made cylindrical and accommodated in a correspondingly designed housing or reactor (not shown here).
  • the reactor can conventionally have in each case an inlet for the air L and the liquid fuel O or else a common inlet for a premixture formed from the air L and the liquid fuel O.
  • the reactor For discharging the product formed in the porous body 1, the reactor has an outlet in a conventional manner (not shown here).
  • a blower 2 is provided, which is provided with a heater 3. 4 designates a pump with which liquid fuel O can be sprayed in an atomized form through the nozzle provided thereon (not shown here) into the free volume in front of the pore body 1.
  • the air L can by a suitably designed feeder, z. B. by means of an air nozzle, are guided in the free volume such that forms a free jet.
  • a suitably designed feeder z. B. by means of an air nozzle
  • the fuel is supplied in the vicinity of the axis of the free jet by atomizing the flüssi ⁇ gen fuel by means of a centrally disposed nozzle, whereby a very large surface area of the fuel is generated and intensive mixing of the fuel with the air L takes place.
  • the upstream free volume were ⁇ caused by the free jet recirculation flows whose size u. a.
  • a heating element 5, shown schematically here, can surround the pore body 1.
  • the heating element 5 can also surround the reactor. It may also be that the means for increasing the inner surface itself is designed as a resistance heating element.
  • the porous body 1 is further provided with a thermocouple 6 for measuring the temperature prevailing therein.
  • the thermoelement 6 is connected to a control unit 7.
  • the control unit 7 serves to control the temperature of the pore body 1.
  • the control unit 7 can do this with the blower 2, the Heating device 3, the pump 4 and the heating element 5 ver ⁇ be connected.
  • one or more of the aforementioned components for controlling the temperature can be controlled ge according to a predetermined algorithm, so that the temperature of the pore body 1, for example, in a range from 360 to 400 ° C is kept constant.
  • the temperature of the porous body 1 can be influenced by the temperature of the supplied air L, which is adjustable by means of the heating device 3.
  • FIG. 2 again shows the pore body 1 shown in FIG. 1 and an example of a temperature profile formed along this pore body 1 during the execution of the exothermic reaction.
  • FIG. 3 shows a reactor 8 produced, for example, from a metal or ceramic tube, in which the porous body 1 is accommodated.
  • a mixing section 9 Upstream of the porous body 1 is a mixing section 9, in which an air nozzle 10 and a liquid fuel nozzle 11 open.
  • a distance of an outlet cross-section of the air nozzle 10 to the downstream downstream porous body 1 is denoted by S and a Austritts ⁇ cross-section of the air nozzle 10 with d.
  • the air nozzle 10 and the liquid fuel nozzle 11 also two-fluid nozzles and the like. Can be used.
  • a temperature increase over the axial extent of the reactor 8 is determined, but the gradient of the temperature rise is markedly reduced after entry into the pore body 1.
  • the porous body 1 causes temperature deviations to be maintained transversely to the flow direction within a relatively narrow range.
  • the maximum temperature is limited at the position indicated as cold flame oxidation of kohlenwasserstoffhal- term fuels to about 500 0 C.
  • the product formed in the exothermic reaction, z. As a consisting of air L and liquid fuel O steam and product gases is discharged at the exit of the pore body 1.
  • a homogeneous temperature distribution predominates over the entire volume of the pore body 1, essentially.
  • the exothermic reaction according to the "principle of the cold flame” or the "partial oxidation” can be performed particularly homogeneous.
  • the product leaving the porous body 1 has hardly any concentration fluctuations.
  • the pore body 1 acts like a heating element 5, which generates a constant reaction temperature in the entire reaction volume. Local overheating or undesired cooling in the reaction volume is avoided by the use of the porous body 1 proposed according to the invention.
  • a reactor housing 12 preferably cylindrical in shape, is provided with an inlet 12a for supplying air L.
  • a first annular gap 14 is formed between a first inner housing 13 received therein and the reactor housing 12.
  • the inner housing has a baffle plate 12b opposite the inlet 12a, at which the air L supplied through the inlet 12a is deflected and guided in the first annular gap 14.
  • the first annular gap 14 connects the inlet 12a with an annular space 15 surrounding the liquid fuel nozzle 11.
  • the annular space 15 is connected to the mixing section 9 via the air nozzle 10.
  • the mixing section 9 and the pore body 1 provided downstream are accommodated in a second inner housing 16, which is surrounded by the first inner housing 13 with the formation of a second annular gap 17.
  • the first inner housing 13 and the second inner housing 16 may be cylindrical as well as the reactor housing 12 and arranged coaxially.
  • the open to the porous body 1 second annular gap 17 opens through the annular space 15 sweeping transfer channels (not shown here) in a plenum 18 and from there into an outlet 19th
  • the reference numeral 20 denotes a protective tube which shields the liquid fuel nozzle 11 against thermal influences.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional view according to the section line A-A 'in FIG. 4.
  • the overflow channels 21 penetrating the annular space 15 and a swirl generator 22 arranged in the air nozzle 10 can be seen here.
  • Fig. 6 shows a sectional view through a third reactor.
  • the third reactor differs from the second reactor in particular in that the protective tube 20 extends to the mouth of the air nozzle 10.
  • the protective tube 20 extends to the mouth of the air nozzle 10.
  • the heating elements 5 can each extend within the annular space 15 either parallel to its longitudinal axis to the longitudinal axis of the liquid fuel nozzle 11 or also perpendicular thereto.
  • a resistance wire 23 may be wound separately by an insulation 24 in the manner of a helix on a ceramic rod 25.
  • Reference numeral 26 designates electrical connections which correspond to the resistance standing wire 23, which may for example consist of ISA chrome 60, are connected.
  • Fig. 10 shows a possible arrangement of the in Figs. 8 and.
  • the heating elements 5 are arranged with their axis perpendicular to the axis of the liquid fuel nozzle 11 and project into the annular space 15. They can surround the liquid fuel nozzle 11 in a star shape, so that the air L preheated by the annulus 15 and then through the Air nozzle 10 is ejected.
  • heating elements 5 designed in the manner of a heating coil are arranged in a third annular gap 27, which connects the annular space 15 to the air nozzle 10.
  • a multiplicity of heating elements 5 are provided which surround the protective tube 20 radially in the third annular gap 27.
  • a thermal insulation 28 may be included in a rear space bounding the annulus 15.
  • Figs. 15 to 19 show a sixth reactor.
  • the heating elements 5, which in turn are designed in the form of a helix, are arranged with their axes parallel to the liquid fuel nozzle 11.
  • a carrier element 29 accommodating the heating elements 5 is designed such that it extends over the entire length of the annular space 15.
  • the guided through the annular space 15 air L is preferably guided by the heating elements 5 to the air nozzle 10 necessarily.
  • cooling air L1 can be passed through a further inlet 30 into the protective tube 20 for additional cooling of the liquid fuel nozzle 11.
  • a thermal shielding device 31 for example a further protective tube, which surrounds the protective tube 20 may be provided in the annular space 15.
  • Fig. 21 shows schematically a device with a seventh reactor. In this case, downstream of the blower 2, an adjusting element 32 downstream of which the proportion of air L supplied to the inlet 12a and the proportion of cooling air L1 fed to the further inlet 30 can be adjusted.
  • an ignition device 33 projects into the mixing section 9 in each case. It can be a device for generating a spark (see FIG. 22) or else an ignition device Glü ⁇ h sensible (see Fig. 23) act.
  • Air L supplied by the blower 2 passes through the first annular gap 14 into the annular space 15.
  • the air L is preheated by the hot product discharged from the reactor 8 in the second annular gap 17.
  • a circulating air flow is generated by means of the swirl generator 22, with which the air L exits the air nozzle 10.
  • the air L mixes with finely atomized liquid fuel emerging from the liquid fuel nozzle 11, for example light oil.
  • the homogeneous mixture produced enters the porous body 1, which is located on a suitable for carrying out the reaction according to the principle of "kal ⁇ tem flame” temperature. It comes in particular in the pore body 1 to the reaction according to the principle of the "cold flame”.
  • the hot, partially oxidized product formed is deflected at the baffle plate 12b by approximately 140 degrees and exits the reactor 8 in the opposite flow direction through the second annular gap 17, the overflow channels 21 and the outlet 19.
  • the mixing chamber 9 preheated and / or kept at a suitable Tem ⁇ temperature.
  • the product emerging from the pore body 1 is therefore used both to maintain a suitable temperature in the mixing section 9 and to preheat the air L supplied through the first annular gap 14.
  • the baffle plate 12b may be made of a thermally insulating material. Depending on the thermal insulation capacity of the baffle plate 12b, it is thus possible to set a temperature in the reactor 8 or to stabilize a temperature distribution in the device. A further stabilization of the temperature conditions can be achieved by a suitable choice of the ratio between length and diameter of the reactor.
  • the heating elements 5 shown in FIGS. 7 to 19 can be used.
  • the proposed method and the device are easy to handle. They are available at low cost.
  • the proposed device can be used with conventional components, eg. As burners, chemical plants, engines and the like. Combine readily.
  • the device can be operated not only in the aforementioned mode of operation according to the principle of the "cold flame", but also in the further mode of operation of the "partial oxidation". For this it is only necessary to adjust the tempera- in the reactor 8 in a range of 600 to 1500 0 C to rule.
  • the "partial oxidation” reaction is different from the “cold flame” reaction.
  • the “partial oxidation” involves oxidation reactions with complete decomposition of the CH chains to produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).
  • the reaction according to the "cold flame” principle only leads to a disintegration of the long CH chains.
  • the inventively proposed device can be operated without kon ⁇ structural change in both modes. For a particularly high modulation of the performance of the device is possible.
  • the device according to the invention is particularly suitable for operating burners with a high power modulation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfung von Flüssigbrennstoff (O) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Reaktors (8) mit einem darin aufgenommenen Mittel (1) zur Erhöhung der inneren Oberfläche, b) Zuführen von Flüssigbrennstoff (O) und sauerstoffhaltigem Gas (L) in den Reaktor (8), c) Durchführen einer exothermen Reaktion zwischen dem sauerstoffhaltigen Gas (L) und dem verdampfenden Flüssigbrennstoff (O), wobei der Flüssigbrennstoff (O) lediglich teilweise oxidiert wird und d) Abführen des bei der exothermen Reaktion gebildeten Produkts aus dem Reaktor (8).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigbrenn¬ stoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigbrennstoff.
Nach dem Stand der Technik ist aus der WO 00/06948 ein Ver- -fahren zum Verdampfen von Flüssigbrennstoff nach dem "Prinzip der kalten Flamme" bekannt. Unter dem "Prinzip der kalten Flamme" wird eine teilweise exotherme Oxidation von Kohlen¬ wasserstoffen bei atmosphärischem Druck bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 500° C verstanden. Bei dieser exother- men Reaktion werden etwa 10 bis 15 % der gespeicherten chemi¬ schen Energie freigesetzt. Bei der Reaktion nach dem "Prinzip der kalten Flamme" kommt es nicht zur Ausbildung einer sicht¬ baren Flamme.
Bei dem aus der WO 00/06948 bekannten Verfahren werden Flüs¬ sigbrennstoff und Luft in einen Reaktor geleitet, der elek¬ trisch oder durch Rezirkulation heißer Gase beheizt wird. Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens hat sich in der Praxis in vielfacher Hinsicht als problematisch erwiesen.
Um das vom Reaktor eingeschlossene Reaktionsvolumen gleichmä¬ ßig auf einer zur Durchführung der exothermen Reaktion geeig¬ neten Temperatur zu halten, ist ein hoher apparativer und re¬ gelungstechnischer Aufwand erforderlich. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die Temperatur infolge von sich im Reakti¬ onsvolumen ausbildenden Strömungen nicht homogen über das Re¬ aktionsvolumen verteilt ist. Um dem entgegenzuwirken wird nach dem Stand der Technik die in einer Reaktionszone freige¬ setzte Energie in Bereiche zurückgeführt, in denen der Brenn- stoff noch in flüssiger Form vorliegt. Abgesehen davon kann es im Reaktionsvolumen zu lokalen Über¬ hitzungen und damit zur Zündung des Gemischs und zur Explosi¬ on des Reaktors kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Verfah¬ ren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit denen auf mög¬ lichst einfache, sichere und kostengünstige Weise eine Ver¬ dampfung und exotherme Reaktion nach dem Prinzip der kalten Flamme durchführbar sind. Darüber hinaus soll mit der Vor¬ richtung auch die Durchführung des Verfahrens der "partiellen Oxidation" möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 19 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 18 und 20 bis 45.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Verdampfung von Flüssigbrennstoff mit folgenden Schritten vorgesehen:
a) Bereitstellen eines Reaktors mit einem darin aufgenomme¬ nen Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche,
b) Zuführen von Flüssigbrennstoff und sauerstoffhaltigem Gas in den Reaktor,
c) Durchführen einer exothermen Reaktion zwischen dem sau¬ erstoffhaltigen Gas und dem verdampfenden Flüssigbrennstoff, wobei der Flüssigbrennstoff lediglich teilweise oxidiert wird und
d) Abführen des bei der exothermen Reaktion gebildeten Pro¬ dukts aus dem Reaktor.
Unter einem "Reaktor wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Behälter verstanden, der ein freies Volumen umschließt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein zylindrisches Rohr handeln.
Nach einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist im Reaktor ein Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche aufgenommen. Das erfindungsgemäß vorgesehene Mittel zur Erhöhung der inne¬ ren Oberfläche trägt zur einer Erhöhung der effektiven Wärme¬ leitfähigkeit und/oder des volurαetrischen Wärmeaustauschkoe- fizienten im Reaktor bei. Infolgedessen kann ein vom Reaktor umgebenes und auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheiztes
Reaktionsvolumen im Reaktor überall, d.h. auch quer zur einer Strömungsrichtung, nahezu homogen auf einer geeigneten Tempe¬ ratur zur Durchführung der exothermen Reaktion gehalten wer¬ den. Das bei der exothermen Reaktion neben der freigesetzten Energie entstehende Produkt, z. B. ein Gemisch aus verdampf¬ ten und teilweise chemisch umgesetzten Flüssigbrennstoff und Luft, ist besonders homogen.
Bei der erfindungsgemäßen exothermen Reaktion handelt es sich um eine Reaktion, die ohne Zündung und Ausbildung einer sichtbaren, offenen Flamme abläuft. Es wird dabei der Flüs¬ sigbrennstoff lediglich teilweise oxidiert. Es kann sein, dass bereits ein vorreagiertes Gemisch dem Reaktor zugeführt oder ein teilweise reagiertes Gemisch aus dem Reaktor abge- führt wird. Zu diesem Zweck können geeignete Einrichtungen zur Erzeugung eines vorreagierten Gemischs oder zur Weiter¬ führung der Reaktion eines teilweise reagierten Gemischs dem Reaktor vor-/oder nachgeschaltet sein. Die bei der exothermen Reaktion erzeugte Wärme wird z. T. auf den Reaktor übertra- gen. Dieser dient u.a. als Wärmespeicher. Bei einer geeigne¬ ten Verfahrensführung ist es lediglich erforderlich, die exo¬ therme Reaktion zu starten.
Bei der exothermen Reaktion im Sinne der vorliegenden Erfin- düng kann es sich um eine exotherme Reaktion nach dem "Prin¬ zip der kalten Flamme" handeln. Nach einer vorteilhaften Aus¬ gestaltung des Verfahrens wird die Temperatur im Reaktor so geregelt, dass eine untere Temperaturgrenze von 22O0C nicht unter- und eine obere Temperaturgrenze von 6000C nicht über¬ schritten wird. Die Luftzahl λ eines aus dem Flüssigbrenn¬ stoff und dem sauerstoffhaltigen Gas gebildeten Gemischs kann dabei beliebige Werte annehmen. Bei der Luftzahl λ handelt es sich um das Verhältnis zwischen der tatsächlich vorhandenen und der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderli¬ chen Luftmenge. Unter Verwendung der vorgeschlagenen Regelung kann eine exotherme Reaktion nach dem "Prinzip der kalten Flamme" kontinuierlich durchgeführt werden.
Nach einer alternativen Verfahrensführung wird die Temperatur im Reaktor zweckmäßigerweise so geregelt, dass eine untere Temperaturgrenze von 6000C nicht unter- und eine obere Tempe- raturgrenze von 15000C nicht überschritten wird. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Luftzahl λ eines aus dem Flüs¬ sigbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas gebildeten Ge¬ mischs < 1. Unter Verwendung der vorgeschlagenen Regelung kann eine exotherme Reaktion nach dem Prinzip der "partiellen Oxidation" kontinuierlich durchgeführt werden.
Die beiden vorgenannten alternativen Verfahrensvarianten kön¬ nen vorteilhafterweise in ein und derselben Vorrichtung durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, die Leistung der Vorrichtung in einem weiten Bereich zu modulieren. - Die vorerwähnten Temperaturbereiche gelten für atmosphärischem Druck. Bei einer Änderung der Druckparameter ist das angege¬ bene Temperaturfenster entsprechend anzupassen.
Vorteilhafterweise wird der Flüssigbrennstoff höchstens zu
90%, vorzugsweise höchstens zu 50%, oxidiert. Das ermöglicht z. B. eine nachträgliche Verbrennung des verdampften Ge¬ mischs.
Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal wird der Flüssig¬ brennstoff beim Eintritt in den Reaktor zerstäubt. Dazu kann der Reaktor stromaufwärts einen Mischungsabschnitt aufweisen, in welchem ein aus dem. zerstäubten Flüssigbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas gebildetes Gemisch hergestellt wird. Im Mischungsabschnitt können Mittel zur strömungsmechanischen Stabilisierung aufgenommen sein. Es kann sich dabei um Strö- mungsleitbleche und dgl. handeln. Damit wird erreicht, dass in einem großen Modulationsbereich eine homogene Gemischbil¬ dung im Mischungsabschnitt gewährleistet ist. Das Gemisch wird durch die vorgeschlagenen Mittel zur strömungsmechani¬ schen Stabilisierung stets innerhalb des Mischungsabschnitts erzeugt und homogenisiert.
Das im Reaktor aufgenommene Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche dient ebenfalls dazu, die Reaktionszonen im Reak¬ tor über einen weiter Modulationsbereich hinweg relativ zur axialen Erstreckung des Reaktors in einem vorgegebenen Be¬ reich ortsfest zu halten. Damit kann über den gesamten Modu¬ lationsbereich hinweg stets ein Verdampfungsprodukt mit vor¬ gegebenen Eigenschaften hergestellt werden.
Als Mittel zur strömungsmechanischen Stabilisierung kann bei¬ spielsweise eine Luftdüse zum Eintritt der Luft in den Mi¬ schungsabschnitt mit einem Drallerzeuger versehen sein. Es kann damit ein verdrallter oder auch unverdrallter Freistrahl erzeugt werden. Ferner kann ein Austrittsdurchmesser der Luftdüse und ein Abstand der Luftdüse zum Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche variiert werden. Durch den Freistrahl wird innerhalb des Mischungsabschnitts eine Rezirkulation der Energie und der chemischen Radikale bewirkt. Infolgedessen können die im Mischungsabschnitt auftretenden Reaktionen in einem weiten Modulationsbereich ortsfest gehalten werden. Das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche bewirkt also eine Festlegung bestimmter Reaktionszonen innerhalb des Reaktors. Die Grenzen der Reaktionszonen hängen von der Leistung ab, mit welcher die Vorrichtung betrieben wird. In Abhängigkeit des Modulationsbereichs variieren sie innerhalb eines vorge¬ gebenen axialen Bereichs. Durch das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche ist aber sichergestellt, dass die Reakti- onszonen als solche über den gesamten Modulationsbereich er¬ halten bleiben und damit stets das vorgegebenen Verdampfungs¬ produkt erzeugt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung wird der Reaktor vor dem Schritt lit. b beheizt. Das Vorheizen des Reaktors dient dem Start und/oder der Aufrechterhaltung der exothermen Reaktion. Dazu kann der Reaktor beispielsweise durch Verbrennung eines aus dem Flüssigbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Oxidati- onsmittel gebildeten Gemischs vorgeheizt werden. In diesem Fall ist das Gemisch so eingestellt, dass eine Verbrennung stattfinden kann. Sobald der Reaktor auf Betriebstemperatur ist, wird die Verbrennung gestoppt. Anschließend wird dann ein Gemisch aus Flüssigbrennstoff und sauerstoffhaltigem Gas ohne die Ausbildung einer sichtbaren Flamme im Reaktor exo¬ therm teilweise oxidiert und damit verdampft. Durch die bei der exothermen Reaktion freigesetzte Wärme wird das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche zweckmäßigerweise be¬ heizt.
Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal wird der Reaktor mit einem elektrischen Heizelement beheizt. Ein solches Heiz¬ element dient insbesondere beim Anfahren des Reaktors zum Starten der exothermen Reaktion. Kommt es beim Betrieb des Reaktors zu einer zu starken Abkühlung des Reaktors, so kann mittels des elektrischen Heizelements wieder Wärme zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, beispielsweise das aus dem Reaktor austretende heiße Produkt zu rezirkulieren und zum Aufheizen des Reaktors zu verwenden. Anstelle des Produkts können selbstverständlich auch heiße Abgase rezirkuliert wer¬ den, welche beispielsweise durch eine Verbrennung des Pro¬ dukts gebildet werden. Zu diesem Zweck kann stromabwärts des Reaktors eine Kammer vorgesehen sein, von der eine Rezirkula- tionsleitung zum Rezirkulieren des Produkts abzweigt. In ähn- licher Weise kann dem Reaktor auch ein Brenner mit einer
Brennkammer nachgeschaltet sein, von der eine Rezirkulations- leitung zur Rezirkulation heißer Abgase abzweigt. Derartige Rezirkulationsleitungen können beispielsweise an den vorer¬ wähnten Mischungsabschnitt angeschlossen sein. Das sauer¬ stoffhaltige Gas kann auch indirekt über einen Wärmetauscher erwärmt werden,, der mit den heißen Abgasen oder dem heißen Produkt erwärmt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann es auch sein, dass als Heizelement das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche verwendet wird. In diesem Fall ist das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche zweckmäßigerweise als ein Widerstands¬ heizelement ausgeführt. Es kann dazu beispielsweise aus Me¬ tall, Siliziumcarbid oder dgl. hergestellt sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist es aber auch möglich, den Reaktor durch heißes Gas zu beheizen. Derartiges Gas kann ein Abfallprodukt eines anderen Prozesses sein.
Die Temperatur des Reaktors kann zweckmäßigerweise durch eine Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases geregelt werden. Es ist auch mög¬ lich, die Temperatur des Reaktors durch eine Erhöhung oder Erniedrigung des Massestroms des sauerstoffhaltigen Gases durch den Reaktor zu regeln. In diesen Fällen kann u. U. auf ein Heizelement zum Beheizen des Reaktors verzichtet werden.
Als sauerstoffhaltiges Gas kann Luft und als Flüssigbrenn¬ stoff Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise leichtes Heizöl oder Diesel, verwendet werden. Grundsätzlich eignet sich für die Durchführung der exothermen Reaktion nach dem "Prinzip der kalten Flamme" und/oder der "partiellen Oxidation" jegliches sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung mit allen oxidierbaren kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen.
Das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche ist zweckmäßi- gerweise ein durchströmbares, poröses Medium und kann aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein: Porenkörper, z. B. mit ei¬ ner Schaumstruktur aus Keramik oder Metall, statische Mi- scher, Draht- oder Fasergewirk, Röhrenanordnung, Schüttung, Anordnung von Lochplatten. Zweckmäßigerweise ist das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche aus einer Keramik, einem Glas, einem Bindemittel oder auch aus Metall hergestellt. In jedem Fall handelt es sich bei dem Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche um ein Mittel, welches temperaturbeständig ist. Es kann sein, dass das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist.
Das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche ist zweckmäßi¬ gerweise in einem zylindrisch ausgebildeten Reaktorgehäuse aufgenommen. Es ist in jedem Fall so ausgebildet, dass eine Strömung durch den Reaktor von einem Einlass zu einem Auslass möglich ist und gleichzeitig die bei der exothermen Reaktion freigesetzte Wärme zu deren weiterer Aufrechterhaltung effek¬ tiv vom Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche gespei¬ chert wird.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung, ist eine Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigbrennstoff vorgesehen, mit einem Reak¬ tor, in dem ein Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche aufgenommen ist, einem Mittel zum Zuführen von Flüssigbrenn¬ stoff und sauerstoffhaltigem Gas in den Reaktor, und einem Mittel zum Regeln der Temperatur des Reaktors derart, dass eine exotherme Reaktion zwischen dem sauerstoffhaltigen Gas und dem verdampfenden Flüssigbrennstoff so durchführbar ist, dass der Flüssigbrennstoff lediglich teilweise oxidiert wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist einfach aufgebaut und ko- stengünstig herstellbar. Indem die Reaktion in einem Reaktor durchgeführt wird, in dem ein Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche vorgesehen ist, kann sicherer und zuverlässiger eine unerwünschte Zündung des Gemischs unter Ausbildung einer freien, sichtbaren Flamme im Reaktor vermieden werden. Abge- sehen davon, kann durch die durch das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche geschaffene zusätzliche Wärmekapazität ausreichend Wärme im Reaktor gespeichert werden, so dass die exotherme Reaktion ohne Weiteres aufrechterhalten werden kann.
Zweckmäßigerweise ist mit dem Mittel zum Regeln die Tempera- tur im Reaktor so regelbar, dass eine untere Temperaturgrenze von 2200C nicht unter- und eine obere Temperaturgrenze von 15000C nicht überschritten wird. Damit kann die Temperatur im Reaktor einerseits beispielsweise in einem Temperaturbereich von 22O0C bis 6000C konstant gehalten werden, so dass in die- sem Temperaturbereich eine exotherme Reaktion nach dem Prin¬ zip der "kalten Flamme" durchführbar ist. Andererseits ist es aber auch möglich, den Reaktor auf einer Temperatur im Be¬ reich von 600 bis 15000C zu halten, so dass in diesem Tempe¬ raturbereich eine "partielle Oxidation" des zugeführten Ge- mischs stattfindet. Mit der vorgeschlagenen Regelung kann al¬ so die Leistung der Vorrichtung in einem weiten Bereich modu¬ liert werden. Mit der Regelung ist es möglich, die Vorrich¬ tung entweder nach dem Prinzip der "kalten Flamme" in einem ersten Temperaturbereich oder nach dem Prinzip der "partiel- len Oxidation" in einem zweiten Temperaturbereich zu betrei¬ ben. Es ist dazu lediglich eine einzige konstruktive Ausge¬ staltung der Vorrichtung notwendig. Sie eignet sich zur Durchführung beider vorerwähnter Verfahrensvarianten.
Vorteilhafterweise ist ein Mittel zum Zerstäuben des Flüssig¬ brennstoffs vorgesehen. Damit kann ein besonders homogenes Gemisch erzeugt werden. Das daraus hergestellte verdampfte Produkt ist ebenfalls besonders homogen.
Das Mittel zum Zerstäuben kann zumindest eine Düse umfassen. Die Düse wiederum kann von einer Ringdüse zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas umgeben sein. Vorteilhafterweise ist die Ringdüse mit einem Verwirbelungselement versehen. Damit kann das sauerstoffhaltige Gas beispielsweise in eine um die Achse der Ringdüse rotierende Strömung versetzt werden. Die Ringdüse und ggf. das Verwirbelungselement können in einem Mischungsabschnitt des Reaktors münden, welcher stromaufwärts des Mittels zur Erhöhung der inneren Oberfläche angeordnet ist. Im Mischungsabschnitt bildet sich ein homogenes Gemisch aus dem sauerstoffhaltigen Gas und dem fein vernebelten Flüs¬ sigbrennstoff. Im Mischungsabschnitt kann eine Zündeinrich- tung zum Zünden des Gemischs vorgesehen sein. Durch die Ver¬ brennung des Gemischs kann eine Vorwärmung der Vorrichtung auf einfache Weise erreicht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ein Mittel zum Zuführen heißer Gase zum Reaktor vorgesehen. Es kann sich dabei um das vom Reaktor abgeführte Produkt oder auch um Abgase aus einem nachgeschalteten Verbrennungsprozess oder auch um sonstige heiße Abgase handeln.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Einrichtung zum Einspritzen des Flüssigbrennstoffs unter einem Druck im Bereich von 3 bis 100 bar vorgesehen sein. Eine Variation des Drucks ermöglicht einen Betrieb der Vorrichtung mit einer vorgegebenen Leistung. Insbesondere im Bereich geringer Lei- stungen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass ein Mittel zum Einspritzen des Flüssigbrennstoffs mit einer vorgegebenen Taktfrequenz vorgesehen ist. Bei dem Mittel kann es sich um schnell schließende Ventile handeln. Derartige Ventile können mit einer Frequenz im Bereich von 5 bis 70 Hz betrieben wer- den. Die Menge des einzuspritzenden Flüssigbrennstoffs kann durch die Schließzeit derartiger Ventile gesteuert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung, ist ein elektrisches Heiz¬ element zum Beheizen des Reaktors vorgesehen. Es kann sich dabei um eine den Reaktor umgebende Heizwendel oder dgl. han¬ deln. Des Weiteren kann ein Mittel zum Beheizen des zugeführ¬ ten sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen sein. Die Einrichtung zum Zuführen kann ferner ein Gebläse zum Zuführen des sauer¬ stoffhaltigen Gases in den Reaktor umfassen. Das Mittel zum Beheizen des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases kann bei¬ spielsweise in das Gebläse integriert sein und ebenfalls aus Heizwendeln bestehen, durch welche das sauerstoffhaltige Gas geführt wird.
Das Heizelement ist zweckmäßigerweise in der Ringdüse oder einem der Ringdüse stromaufwärts vorgeordneten Raum, vorzugs¬ weise einem Ringraum, aufgenommen. Dabei kann die Ringdüse zumindest abschnittsweise den Raum durchgreifen. Die Düse kann in einem den Raum durchgreifenden Abschnitt zumindest abschnittsweise von einer thermischen Abschirmeinrichtung um- geben sein. Es kann sich dabei beispielsweise um ein oder mehrere Schutzrohre handeln.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgese¬ hen, dass ein Reaktorgehäuse Bestandteil eines Wärmetauschers ist, durch welchen das sauerstoffhaltige Gas dem Reaktor zu¬ geführt wird. Das ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise eine Vorwärmung des zugeführten sauerstoffhaltigen Ga¬ ses durch die im Reaktor bei der Verbrennung nach dem Prinzip der "kalten Flamme" frei werdende Wärme. Das ermöglicht einen autothermen Betrieb der Vorrichtung, bei dem insbesondere keine Energie zum Beheizen des Reaktors zugeführt werden muss. Gleichzeitig kann der Reaktor in einem weiten Lei¬ stungsdynamikbereich betrieben werden. Das sauerstoffhaltige Gas kann mit dem Wärmetauscher auf eine Temperatur von bis zu 300°C vorgewärmt werden. Die Vorwärmung bewirkt vorteilhaf¬ terweise eine Vermeidung von Kondensation.
Der Wärmetauscher weist zweckmäßigerweise einen zwischen ei¬ nem ersten inneren Gehäuse und dem Reaktorgehäuse gebildeten ersten Ringkanal auf, durch den das sauerstoffhaltige Gas ge¬ führt wird. Durch das Umströmen des Reaktors mit dem sauer¬ stoffhaltigen Gas wird eine unerwünschte Abkühlung des Reak¬ tors durch Abstrahlung von Wärme vermieden. Der erste Ringka¬ nal kann mit der Ringdüse verbunden sein. Zwischen einem zweiten inneren Gehäuse und dem ersten inneren Gehäuse kann ein zweiter Ringspalt zum Abführen eines im Reaktor gebilde¬ ten, den teilweise verdampften Flüssigbrennstoff enthaltenden Produkts vorgesehen sein. Die vorgeschlagene konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht eine besonders ein¬ fache und effiziente Durchführung der Reaktion nach dem Prin¬ zip der "kalten Flamme".
Zweckmäßigerweise ist des Weiteren mindestens ein Sensor zur Messung der im Reaktor herrschenden Temperatur vorgesehen. Es kann sich dabei um ein herkömmliches Thermoelement handeln. Selbstverständlich ist es auch möglich, entlang des Strö- mungswegs mehrere Sensoren zur Messung der Temperatur vorzu¬ sehen. Damit ist eine verfeinerte Regelung der im Reaktor herrschenden Temperatur und/oder die Einstellung eines vorge¬ gebenen Temperaturprofils entlang des Strömungswegs im Reak¬ tor möglich.
Nach einer weiteren Ausgestaltung steuert das Mittel zum Re¬ geln der Temperatur in Abhängigkeit der von dem Sensor gemes¬ senen Temperaturwerte auf der Grundlage eines vorgegebenen Algorithmus die Leistung des elektrischen Heizelements und/oder des Mittels zum Beheizen des zugeführten sauerstoff¬ haltigen Gases und/oder des Gebläses. Dazu kann das Mittel zum Regeln der Temperatur eine herkömmliche Regelung mit ei¬ nem Mikroprozessor umfassen, welcher die Regelung der Tempe¬ ratur gemäß einem vorgegebenen Regelalgorithmus bewirkt.
Das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche ist zweckmäßi¬ gerweise aus einem der folgenden Materialien hergestellt: Ke¬ ramik, Glas, Bindemittel, Metall. Des Weiteren kann das Mit¬ tel zur Erhöhung der inneren Oberfläche aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein: Porenkörper, z. B. Schaum oder
Schwamm, Draht- oder Fasergewirk bzw. -gestrick oder -ge- flecht, Röhrenanordnung, Schüttung, Anordnung von Lochplatten und dgl.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 den Porenkörper gemäß Fig. 1 sowie das im Porenkör- per bei der exothermen Reaktion herrschende Tempe¬ raturprofil,
Fig. 3 eine Schnittansicht eines ersten Reaktors sowie das im Reaktor bei einer exothermen Reaktion herrschen- de Temperaturprofil,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines zweiten Reaktors,
Fig. 5 eine Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie A- A' in Fig. 4,
Fig. 6 eine Schnittansicht eines dritten Reaktors,
Fig. 7 eine Schnittansicht eines vierten Reaktors,
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Heizelements,
Fig. 9 eine Seitenansicht des Heizelements gemäß Fig. 8,
Fig. 10 eine schematische Teilschnittansicht durch einen vierten Reaktor,
Fig. 11 eine Schnittansicht eines fünften Reaktors,
Fig. 12 eine vergrößerte Teilschnittansicht gemäß Fig. 11,
Fig. 13 eine Schnittansicht einer ersten Heizeinrichtung,
Fig. 14 eine Draufsicht gemäß Fig. 13,
Fig. 15 eine Schnittansicht eines sechsten Reaktors, Fig. 16 eine vergrößerte Teilschnittansicht gemäß Fig. 15,
Fig. 17 eine Schnittansicht einer zweiten Heizeinrichtung,
Fig. 18 eine Seitenansicht gemäß Fig. 17,
Fig. 19 eine Draufsicht gemäß Fig. 17,
Fig. 20 eine Schnittansicht eines siebten Reaktors,
Fig. 21 eine schematische Ansicht einer weiteren erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 22 eine Teilschnittansicht des siebten Reaktors mit einer darin aufgenommenen ersten Zündvorrichtung und
Fig. 23 eine Teilschnittansicht des siebten Reaktors mit einer darin aufgenommenen zweiten Zündvorrichtung.
In Fig. 1 ist ein Porenkörper 1 gezeigt, der beispielsweise aus einer porösen Keramik, einem porösen Metall, einem Draht¬ geflecht oder dgl. hergestellt ist. Der Porenkörper 1 weist einen kommunizierenden Porenraum auf, so dass dadurch ein aus Luft L und verdampftem oder teilweise verdampftem Flüssig¬ brennstoff 0 bestehendes Gemisch hindurchströmen kann. Der Porenkörper 1 kann beispielsweise - wie in Fig. 1 gezeigt ist - zylindrisch ausgeführt und in einem (hier nicht gezeigten) korrespondierend ausgebildeten Gehäuse bzw. Reaktor aufgenom- men sein. Der Reaktor kann in herkömmlicher Weise jeweils ei¬ nen Einlass für die Luft L sowie den Flüssigbrennstoff O oder auch einen gemeinsamen Einlass für ein aus der Luft L und dem Flüssigbrennstoff O gebildetes Vorgemisch aufweisen. Zum Ent¬ laden des im Porenkörper 1 gebildeten Produkts, weist der Re- aktor in herkömmlicher Weise einen Auslass (hier nicht ge¬ zeigt) auf. Zur Erzeugung einer geeigneten Strömungsgeschwin¬ digkeit durch den Porenkörper 1 ist ein Gebläse 2 vorgesehen, welches mit einer Heizeinrichtung 3 versehen ist. Mit 4 ist eine Pumpe bezeichnet, mit der Flüssigbrennstoff O durch eine daran vorgesehene Düse (hier nicht gezeigt) in das freie Vo¬ lumen vor dem Porenkörper 1 in zerstäubter Form gesprüht wer- den kann.
Die Luft L kann dabei durch eine entsprechend ausgestaltetet Zuführung, z. B. mittels einer Luftdüse, in das freie Volumen derart geführt werden, das sich ein Freistrahl ausbildet. Durch entsprechende Maßnahmen und Einbauten in der Luftzufüh¬ rung ist es auch möglich, diesen Freistrahl als verdrallten Freistrahl auszubilden. Die Brennstoffzufuhr erfolgt in der Nähe der Achse des Freistrahls durch Zerstäubung des flüssi¬ gen Brennstoffs mittels einer zentrisch angeordneten Düse, wodurch eine sehr große Oberfläche des Brennstoffes generiert wird und eine intensive Vermischung des Brennstoffes mit der Luft L stattfindet. Im dem vorgelagerten freien Volumen wer¬ den durch den Freistrahl Rezirkulationsströmungen verursacht, deren Größe u. a. durch das Verhältnis von Reaktordurchmesser zum Durchmesser des Luftaustritts und durch den Abstand zwi¬ schen Luftaustritt und dem Porenkörper 1 bestimmt wird. Durch diese Maßnahmen wird eine praktisch ortsfeste Stabilisierung des Verdampfungsprozesses und von evt. vorliegenden chemi¬ schen Reaktionen zwischen dem Flüssigbrennstoff O und der Luft L erreicht.
Ein hier schematisch gezeigtes Heizelement 5 kann den Poren¬ körper 1 umgeben. Das Heizelement 5 kann selbstverständlich auch den Reaktor umgeben. Es kann auch sein, dass das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche selbst als Widerstands¬ heizelement ausgebildet ist.
Der Porenkörper 1 ist ferner mit einem Thermoelement 6 zur Messung der darin herrschenden Temperatur versehen. Das Ther- moelement 6 ist mit einer Regeleinheit 7 verbunden. Die Re¬ geleinheit 7 dient der Regelung der Temperatur des Porenkör¬ pers 1. Die Regeleinheit 7 kann dazu mit dem Gebläse 2, der Heizeinrichtung 3, der Pumpe 4 sowie dem Heizelement 5 ver¬ bunden sein. Mit der Regeleinheit 7 können eine oder mehrere der vorgenannten Komponenten zur Regelung der Temperatur ge¬ mäß einem vorgegebenen Algorithmus gesteuert werden, so dass die Temperatur des Porenkörpers 1 beispielsweise in einem Be¬ reich von 360 bis 400° C konstant gehalten wird. Dabei kann die Temperatur des Porenkörpers 1 beeinflusst werden durch die Temperatur der zugeführten Luft L, welche mittels der Heizeinrichtung 3 einstellbar ist. Sie kann ferner beein- flusst werden durch die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Porenkörper 1 strömenden Luft L, welche mittels des Ge¬ bläses 2 beeinflussbar ist. Schließlich ist es möglich, die Temperatur des Porenkörpers 1 mittels des Heizelements 5 zu erhöhen. Mittels der Pumpe 4 lässt sich die Menge des zuge- führten Flüssigbrennstoffs O und damit vorteilhafterweise die Gemischzusammensetzung und die Temperatur im Porenkörper 1 oder Reaktor einstellen.
Fig. 2 zeigt nochmals den in Fig. 1 gezeigten Porenkörper 1 sowie ein Beispiel eines entlang dieses Porenkörpers 1 sich bei der Durchführung der exothermen Reaktion ausbildenden Temperaturprofils .
Fig. 3 zeigt einen beispielsweise aus einem Metall- oder Ke- ramikrohr hergestellten Reaktor 8, in dem der Porenkörper 1 aufgenommen ist. Stromaufwärts des Porenkörpers 1 befindet sich ein Mischungsabschnitt 9, in welchen eine Luftdüse 10 und eine Flüssigbrennstoffdüse 11 münden. Ein Abstand eines Austrittsquerschnitts der Luftdüse 10 bis zum stromabwärts nachgeschalteten Porenkörper 1 ist mit S und ein Austritts¬ querschnitt der Luftdüse 10 mit d bezeichnet. Anstelle der Luftdüse 10 sowie der Flüssigbrennstoffdüse 11 können auch Zweistoffdüsen und dgl. verwendet werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei¬ spielsweise Luft L einer ersten Temperatur Tl von 3000C und Flüssigbrennstoff O in den dem Porenkörper 1 vorgelagerten Mischungsabschnitt 9 geführt. Infolgedessen kommt es zu einer Verdampfung des Flüssigbrennstoffes O in der Luft L und bei ausreichend hoher Temperatur zu dem Einsetzten von chemischen Reaktionen, die eine teilweise Oxidation des Flüssigbrenn- Stoffes O bewirken. Es bildet sich dabei ein Temperaturprofil im freien Volumen des Mischungsabschnitts 9 aus, welches eine örtliche Zuordnung der Prozesse des Verdampfens und der Ener¬ giefreisetzung durch teilweise exotherme Oxidation erlaubt. Die örtliche Fixierung wird vornehmlich durch die Charakteri- stik der Rezirkulation und Brennstoffeindüsung bestimmt. Die bei der partiellen Oxidation frei werdende Energie unter¬ stützt den Verdampfungsprozess, so dass die Lufteintrittstem¬ peratur nach dem Startvorgang deutlich abgesenkt werden kann. In Abhängigkeit der Verweilzeiten im Reaktor 8 ist ein Tempe- raturanstieg über die axiale Erstreckung des Reaktors 8 fest¬ zustellen, der Gradient des Temperaturanstiegs wird aber nach Eintritt in den Porenkörper 1 deutlich reduziert. Gleichzei¬ tig bewirkt der Porenkörper 1, dass Temperaturabweichungen quer zur Strömungsrichtung in einem relativ engen Bereich ge- halten werden. Dabei ist die maximale Temperatur bei der als kalte Flamme bezeichneten Oxidation von kohlenwasserstoffhal- tigen Brennstoffen auf ca. 5000C limitiert. Grundsätzlich ist es aber möglich, in dem Reaktor 8 oder einem nachfolgenden Reaktionsraum die allgemein als partielle Oxidation von Brennstoffen beschriebene chemische Umsetzung durchzuführen und somit Temperaturen zu erreichen, die oberhalb der kalten Flammen Temperatur liegen und bei λ<l in ihrem Maximum durch das Sauerstoffangebot limitiert werden.
Durch die vor, im und nach dem Porenkörper 1 stattfinden che¬ mischen Reaktionen wird Energie freigesetzt, die zu einer Er¬ wärmung des Reaktors 8 und des eingeschlossenen Volumens führt. Aufgrund der Stoffeigenschaften des Porenkörpers 1 werden dabei Inhomogenitäten im Temperaturfeld rasch ausge- glichen und es kommt insgesamt zu einer homogen Temperatur im Porenkörper 1. Das geschieht auch in Wechselwirkung mit der 13
durch den Porenkörper 1 bewirkten Homogenisierung der Strö¬ mung im Reaktor 8.
Das bei der exothermen Reaktion gebildete Produkt, z. B. ein aus Luft L und Flüssigbrennstoff O bestehender Dampf sowie Produktgase, wird am Ausgang des Porenkörpers 1 entladen.
Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, herrscht im Wesent¬ lichen über das gesamte Volumen des Porenkörpers 1 eine homo- gene Temperaturverteilung. Infolgedessen kann die exotherme Reaktion nach dem "Prinzip der kalten Flamme" oder auch die "partielle Oxidation" besonders homogen geführt werden. Das den Porenkörper 1 verlassende Produkt weist kaum Konzentrati¬ onsfluktuationen auf. Der Porenkörper 1 wirkt wie ein Heiz- element 5, welches im gesamten Reaktionsvolumen eine konstan¬ te Reaktionstemperatur erzeugt. Eine lokale Überhitzung oder unerwünschte Abkühlung im Reaktionsvolumen wird durch die Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Porenkörpers 1 vermieden.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten zweiten Reaktor ist ein, vorzugs¬ weise zylindrisch ausgebildetes, Reaktorgehäuse 12 mit einem Einlass 12a zum Zuführen von Luft L versehen. Im Reaktorge¬ häuse 12 ist zwischen einem darin aufgenommenen ersten inne- ren Gehäuse 13 und dem Reaktorgehäuse 12 ein erster Ringspalt 14 gebildet. Das innere Gehäuse weist eine dem Einlass 12a gegenüberliegende Prallplatte 12b auf, an welcher die durch den Einlass 12a zugeführte Luft L umgelenkt und im ersten Ringspalt 14 geführt wird. Der erste Ringspalt 14 verbindet den Einlass 12a mit einem die Flüssigbrennstoffdüse 11 umge¬ benden Ringraum 15. Der Ringraum 15 ist über die Luftdüse 10 mit dem Mischungsabschnitt 9 verbunden. Der Mischungsab¬ schnitt 9 und der stromabwärts vorgesehene Porenkörper 1 sind in einem zweiten inneren Gehäuse 16 aufgenommen, welches un- ter Ausbildung eines zweiten Ringspalts 17 vom ersten inneren Gehäuse 13 umgeben ist. Das erste innere Gehäuse 13 und das zweite innere Gehäuse 16 können ebenso wie das Reaktorgehäuse 12 zylindrisch ausgebildet und koaxial angeordnet sein.
Der zum Porenkörper 1 hin offene zweite Ringspalt 17 mündet über den Ringraum 15 durchgreifende Überströmkanäle (hier nicht gezeigt) in einem Sammelraum 18 und von da in einen Auslass 19.
Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Schutzrohr bezeichnet, wel- ches die Flüssigbrennstoffdüse 11 gegen thermische Einflüsse abschirmt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A' in Fig. 4. Erkennbar sind hier insbesondere die den Ringraum 15 durchgreifenden Überströmkanäle 21 sowie ein in der Luftdüse 10 angeordneter Drallerzeuger 22.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht durch einen dritten Reaktor. Der dritte Reaktor unterscheidet sich vom zweiten Reaktor insbesondere dadurch, dass das Schutzrohr 20 bis zur Mündung der Luftdüse 10 reicht. Es wird damit also eine besonders gu¬ te thermische Abschirmung der Flüssigbrennstoffdüse 11 er¬ reicht.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten dargestellten vierten Reaktor sind zwei mögliche Anordnungen der Heizelemente 5 gezeigt. Die Heizelemente 5 können sich jeweils innerhalb des Ring¬ raums 15 entweder parallel mit ihrer Längsachse zur Längsach¬ se der Flüssigbrennstoffdüse 11 oder auch senkrecht dazu er- strecken.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine mögliche Ausgestaltung eines Heizelements 5. Ein Widerstandsdraht 23 kann dabei getrennt durch eine Isolierung 24 nach Art einer Wendel auf einen Ke- ramikstab 25 gewickelt sein. Mit dem Bezugszeichen 26 sind elektrische Anschlüsse bezeichnet, welche mit dem Wider- standsdraht 23, der beispielsweise aus ISA-Chrom 60 bestehen kann, verbunden sind.
Fig. 10 zeigt eine mögliche Anordnung der in den Fig. 8 und. 9 gezeigten Heizelemente 5. Dabei sind die Heizelemente 5 mit ihrer Achse senkrecht zur Achse der Flüssigbrennstoffdüse 11 angeordnet und ragen in den Ringraum 15. Sie können dabei sternförmig die Flüssigbrennstoffdüse 11 umgeben, so dass die Luft L durch den Ringraum 15 vorgewärmt und anschließend durch die Luftdüse 10 ausgestoßen wird.
Bei dem in den Fig. 11 bis 14 gezeigten fünften Reaktor sind nach Art einer Heizwendel ausgebildete Heizelemente 5 in ei¬ nem dritten Ringspalt 27 angeordnet, welcher den Ringraum 15 mit der Luftdüse 10 verbindet. Wie insbesondere aus Fig. 24 ersichtlich ist, sind eine Vielzahl von Heizelementen 5 vor¬ gesehen, welche radial im dritten Ringspalt 27 das Schutzrohr 20 umgeben. In einem den Ringraum 15 rückwärtig begrenzenden Raum kann eine thermische Isolierung 28 aufgenommen sein.
Die Fig. 15 bis 19 zeigen einen sechsten Reaktor. Dabei sind die wiederum in Form einer Wendel ausgeführten Heizelemente 5 mit ihrer Achse parallel zur Flüssigbrennstoffdüse 11 ange¬ ordnet. Ein die Heizelemente 5 aufnehmendes Trägerelement 29 ist so ausgeführt, dass es sich über die gesamte Länge des Ringraums 15 erstreckt. Die durch den Ringraum 15 geführte Luft L wird vorzugsweise zwangsläufig durch die Heizelemente 5 zur Luftdüse 10 geführt.
Bei dem in Fig. 20 gezeigten siebten Reaktor kann zur zusätz¬ lichen Kühlung der Flüssigbrennstoffdüse 11 Kühlluft Ll durch einen weiteren Einlass 30 in das Schutzohr 20 geführt werden. Zur verbesserten thermischen Abschirmung kann im Ringraum 15 eine thermische Abschirmeinrichtung 31, beispielsweise ein weiteres Schutzrohr, vorgesehen sein, welche das Schutzrohr 20 umgibt. Fig. 21 zeigt schematisch eine Vorrichtung mit einem siebten Reaktor. Dabei ist dem Gebläse 2 ein Stellelement 32 stromab¬ wärts nachgeordnet, mit dem der Anteil an dem Einlass 12a zu¬ geführter Luft L und der Anteil an Kühlluft Ll, welcher dem weiteren Einlass 30 zugeführt wird, eingestellt werden kann.
Bei den in den Fig. 22 und 23 gezeigten weiteren siebten Re¬ aktoren ragt jeweils eine Zündeinrichtung 33 in den Mischab¬ schnitt 9. Es kann sich dabei um eine Einrichtung zur Erzeu- gung eines Zündfunkens (siehe Fig. 22) oder auch um eine Glü¬ heinrichtung (siehe Fig. 23) handeln.
Die Funktion der in den Fig. 4 bis 23 gezeigten Reaktoren ist wie folgt:
Durch das Gebläse 2 zugeführte Luft L gelangt über den ersten Ringspalt 14 in den Ringraum 15. Die Luft L wird dabei durch das im zweiten Ringspalt 17 aus dem Reaktor 8 abgeführte hei¬ ße Produkt vorgewärmt.
Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird mittels des Drallerzeugers 22 eine zirkulierende Luftströmung erzeugt, mit welcher die Luft L aus der Luftdüse 10 austritt. Im Mischabschnitt 9 vermischt sich die Luft L mit aus der Flüs- sigbrennstoffdüse 11 austretendem, fein vernebeltem Flüssig- brennstoff, beispielsweise Leichtöl. Das erzeugte homogene Gemisch gelangt in den Porenkörper 1, welcher sich auf einer für die Durchführung der Reaktion nach dem Prinzip der "kal¬ tem Flamme" geeigneten Temperatur befindet. Es kommt insbe- sondere im Porenkörper 1 zur Reaktion nach dem Prinzip der "kalten Flamme". Das dabei gebildete heiße, teilweise oxi- dierte Produkt wird an der Prallplatte 12b um etwa 140 Grad umgelenkt und tritt in entgegengesetzter Strömungsrichtung durch den zweiten Ringspalt 17, die Überströmkanäle 21 und den Auslass 19 aus dem Reaktor 8 wieder aus. Indem das aus dem Porenkörper 1 austretende Produkt um 180° umgelenkt und entlang des zweiten inneren Gehäuses 16 geführt wird, wird der Mischraum 9 vorgeheizt und/oder auf einer geeigneten Tem¬ peratur gehalten. Das aus dem Porenkörper 1 austretende Pro¬ dukt wird also sowohl zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Temperatur im Mischabschnitt 9 als auch zur Vorwärmung der durch den ersten Ringspalt 14 zugeführten Luft L verwendet. Die Prallplatte 12b kann aus einem thermisch isolierenden Ma¬ terial hergestellt sein. Je nach thermischen Isolationsvermö- gen der Prallplatte 12b kann damit eine Temperatur im Reaktor 8 eingestellt bzw. eine Temperaturverteilung in der Vorrich- tung stabilisiert werden. Eine weitere Stabilisierung der Temperaturverhältnisse kann durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen Länge und Durchmesser des Reaktors er¬ reicht werden.
Zur Unterstützung der Luftvorwärmung können die in den Fig. 7 bis 19 gezeigten Heizelemente 5 verwendet werden. Es ist aber auch möglich,, eine geeignete Vorwärmung des Reaktors 8 durch eine Zündung des Gemischs mittels der Zündeinrichtung 33 zu erzeugen. Nachdem eine vorgegebene Temperatur erreicht worden ist, kann die Flamme wieder gelöscht und anschließend eine Reaktion nach dem Prinzip der "kalten Flamme" durchgeführt werden. Dabei ist es insbesondere bei den in den Fig. 20 und 21 gezeigten Ausführungsformen möglich, eine Temperatur im Mischabschnitt 9 durch das Zuführen einer geeigneten Menge von Kühlluft Ll durch den weiteren Einlass 30 zu regeln oder zu steuern.
Das vorgeschlagen Verfahren sowie die Vorrichtung lassen sich einfach handhaben. Sie sind kostengünstig verfügbar. Die vor- geschlagene Vorrichtung lässt sich mit herkömmlichen Kompo¬ nenten, z. B. Brennern, chemischen Anlagen, Motoren und dgl. ohne Weiteres kombinieren.
Die Vorrichtung kann nicht nur in der vorgenannten Betriebs- weise nach dem Prinzip der "kalten Flamme", sondern auch in der weiteren Betriebsweise der "partiellen Oxidation" betrie¬ ben werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Tempera- tur im Reaktor 8 in einem Bereich von 600 bis 15000C zu re¬ geln. Die Reaktion der "partiellen Oxidation" unterscheidet sich von der Reaktion der "kalten Flamme". Bei der "partiel¬ len Oxidation" handelt es sich um Oxidationsreaktionen mit einem kompletten Zerfall der CH-Ketten zur Erzeugung von Was¬ serstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) . Bei der Reaktion nach dem Prinzip der "kalten Flamme" kommt es dagegen lediglich zu einem Zerfall der langen CH-Ketten.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung kann ohne kon¬ struktive Änderung in beiden Betriebsweisen betrieben werden. Damit ist eine besonders hohe Modulation der Leistung der Vorrichtung möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Betrieb von Brennern mit einer hohen Leistungsmodulation.
Bezugs zeichenliste
1 Porenkörper
2 Gebläse
3 Heizeinrichtung
4 Pumpe
5 Heizelement
6 Thermoelement
7 Regeleinheit
8 Reaktor
9 Mischungsabschnitt
10 Luftdüse
11 Flüssigbrennstoffdüse
12 Reaktorgehäuse
12a Einlass
12b Prallplatte
13 erstes inneres Gehäuse
14 erster Ringspalt
15 Ringraum
16 zweites inneres Gehäuse
17 zweiter Ringspalt
18 Sammelraum
19 Auslass
20 Schutzrohr
21 Überströmkanal
22 Drallerzeuger
23 Widerstandsdraht
24 Isolierung
25 Keramikstab
26 elektrischer Anschluss
27 dritter Ringspalt
28 thermische Isolierung
29 Trägerelement
30 weiterer Einlass
31 thermische Abschirmeinrichtung
32 Stellelement
33 Zündeinrichtung d Durchmesser des Austrittsverschnitts
L Luft
Ll Kühlluft
O Flüssiggas
S Abstand
Tl erste Temperatur
T2 zweite Temperatur

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verdampfung von Flüssigbrennstoff (F) mit folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines Reaktors (8) mit einem darin aufge¬ nommenen Mittel (1) zur Erhöhung inneren Oberfläche,
b) Zuführen von Flüssigbrennstoff (O) und sauerstoffhalti- gern Gas (L) in den Reaktor (8),
c) Durchführen einer exothermen Reaktion zwischen dem sau¬ erstoffhaltigen Gas (L) und dem verdampfenden Flüssigbrenn¬ stoff (O) , wobei der Flüssigbrennstoff (0) lediglich teilwei- se oxidiert wird und
d) Abführen des bei der exothermen Reaktion gebildeten Pro¬ dukts aus dem Reaktor (8) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur im Reak¬ tor so geregelt wird, dass eine untere Temperaturgrenze von 2200C nicht unter- und eine obere Temperaturgrenze von 6000C nicht überschritten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur im Reak¬ tor so geregelt wird, dass eine untere Temperaturgrenze von 6000C nicht unter- und eine obere Temperaturgrenze von 15000C nicht überschritten wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftzahl λ eines aus dem Flüssigbrennstoff (O) und dem sauerstoffhaltigen Gas (L) gebildeten Gemischs < 1 ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigbrennstoff (O) höchstens zu 90%, vorzugsweise höchstens zu 50%, oxidiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigbrennstoff (0) beim Eintritt in den Reaktor (8) zerstäubt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (8) vor dem Schritt lit. b beheizt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (8) durch Verbrennung eines aus dem Flüssigbrenn- Stoff (0) und dem sauerstoffhaltigen Gas (L) gebildeten Ge- mischs vorgeheizt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (8) durch die bei der exothermen Reaktion freige- setzte Wärme beheizt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (8) mit einem elektrischen Heizelement (5) be¬ heizt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Heizelement (5) das Mittel zur Erhöhung der inneren Ober¬ fläche verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (8) durch Zuführen eines heißen Gases beheizt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Reaktors (8) durch eine Erhöhung oder Er¬ niedrigung der Temperatur des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases (L) geregelt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Reaktors (8) durch eine Erhöhung oder Er¬ niedrigung des Massestroms des sauerstoffhaltiges Gases (L) geregelt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als sauerstoffhaltiges Gas Luft (L) und als Flüssigbrennstoff (O) Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise leichtes Heizöl oder Diesel, verwendet werden.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigbrennstoff (0) in Abhängigkeit einer vorgegebenen Leistung mit einem Druck im Bereich von 3 bis 100 bar einge- spritzt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigbrennstoff (0) mit einer vorgegebenen Taktfrequenz eingespritzt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberfläche aus der fol¬ genden Gruppe ausgewählt wird: Porenkörper 1, statische Mi¬ scher, Draht- oder Fasergewirk bzw. -gestrick oder -geflecht, Röhrenanordnung, Schüttung, Anordnung von Lochplatten.
19. Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigbrennstoff (O) mit einem Reaktor (8) , in dem ein Mittel (1) zur Erhöhung der inneren Oberfläche aufgenommen ist,
einem Mittel (4, 2) zum Zuführen von Flüssigbrennstoff (O) und sauerstoffhaltigem Gas (L) in den Reaktor (8), und
einem Mittel (7) zum Regeln der Temperatur des Reaktors der- art, dass eine exotherme Reaktion zwischen dem sauerstoffhal¬ tigen Gas (L) und dem verdampfenden Flüssigbrennstoff (0) so durchführbar ist, dass der Flüssigbrennstoff (0) lediglich teilweise oxidiert wird.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei mit dem Mittel (7) zum Regeln die Temperatur im Reaktor (8) so regelbar ist, dass eine untere Temperaturgrenze von 22O0C nicht unter- und eine obere Temperaturgrenze von 15000C nicht überschritten wird.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei so dass die Luftzahl λ eines aus dem Flüssigbrennstoff (O) und dem sauerstoffhaltigen Gas (L) gebildeten Gemischs < 1 ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei ein Mittel zum Zerstäuben des Flüssigbrennstoffs (O) vorgese- hen ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Mittel zum Zer¬ stäuben zumindest eine Düse (11) umfasst.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der Düse (11) von einer Ringdüse (10) zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas umgeben ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Ringdüse (10) mit einem Verwirbelungselement (22) versehen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Ringdüse (11) und ggf. das Verwirbelungselement (22) in einen Mischungsab¬ schnitt (9) des Reaktors (8) münden, welcher stromaufwärts des Mittels zur Erhöhung der inneren Oberfläche angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei im Mischungsabschnitt (9) eine Zündeinrichtung (33) zum Zünden des Gemischs vorgesehen ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei ein elektrisches Heizelement (5) zum Beheizen des Reaktors (8) vorgesehen ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei das Heizelement (5) in der Ringdüse (10) oder einem der Ringdüse (10) stromaufwärts vorgeordneten Raum, vorzugsweise einem Ringraum (15), aufgenommen ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Ringdüse (10) zumindest abschnittsweise den Raum (30) durchgreift.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Ringdüse (10) in einem den Raum (30) durchgreifenden Abschnitt zumindest ab¬ schnittsweise von einer thermischen Abschirmeinrichtung (20, 31) umgeben ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 31, wobei ein Reaktorgehäuse (12) Bestanteil eines Wärmetauschers ist, durch welchen das sauerstoffhaltige Gas (L) dem Reaktor (8) zugeführt wird.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei der Wärmetauscher einen zwischen einem ersten inneren Gehäuse (13) und dem Re¬ aktorgehäuse (12) gebildeten ersten Ringspalt (14) aufweist, durch den das sauerstoffhaltige Gas (L) zugeführt wird.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei der erste Ringkanal mit der Ringdüse (10) verbunden ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, wobei zwischen ei¬ nem zweiten inneren Gehäuse (16) und dem ersten inneren Ge¬ häuse (13) ein zweiter Ringspalt (17) zum Abführen eines im Reaktor (8) gebildeten, den teilweise verdampften Flüssig¬ brennstoff enthaltenden Produkts vorgesehen ist.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 35, wobei das Heizelement (5) das Mittel zur Erhöhung der inneren Ober¬ fläche ist.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 36, wobei ein Mittel zum Zuführen heißer Gase zum Reaktor (8) vorgese¬ hen ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 37, wobei ein Mittel (3) zum Beheizen des zugefuhrten sauerstoffhalti¬ gen Gases (L) vorgesehen ist.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 38, wobei das Mittel zum Zufuhren des sauerstoffhaltigen Gases (L) ein Geblase (2) umfasst.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 39, wobei mindestens ein Sensor (6) zur Messung der im Reaktor (8) herrschenden Temperatur vorgesehen ist.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 40, wobei das Mittel (7) zum Regeln der Temperatur in Abhängigkeit von mit dem Sensor (6) gemessenen Temperaturwerten auf der Grund¬ lage eines vorgegebenen Algorithmus die Leistung des elektri¬ schen Heizelements (5) und/oder des Mittels (3) zum Beheizen des zugefuhrten sauerstoffhaltigen Gases (L) und/oder des Ge- blases (2) steuert.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 41, wobei eine Einrichtung zum Einspritzen des Flussigbrennstoffs unter einem Druck im Bereich von 3 bis 100 bar vorgesehen ist.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 42, wobei ein Mittel zum Einspritzen des Flussigbrennstoffs mit einer vorgegebenen Taktfrequenz vorgesehen ist.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 43, wobei das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberflache aus einem der folgenden Materialien hergestellt ist: Keramik, Glas, Binde¬ mittel, Metall.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 44, wobei das Mittel zur Erhöhung der inneren Oberflache aus der fol¬ genden Gruppe ausgewählt ist: Porenkorper 1, statische Mi- scher, Draht- oder Fasergewirk bzw. -gestrick oder -geflecht, Röhrenanordnung, Schüttung, Anordnung von Lochplatten.
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