WO1998021523A2 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von flüssigbrennstoff - Google Patents

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WO1998021523A2
WO1998021523A2 PCT/DE1997/002622 DE9702622W WO9821523A2 WO 1998021523 A2 WO1998021523 A2 WO 1998021523A2 DE 9702622 W DE9702622 W DE 9702622W WO 9821523 A2 WO9821523 A2 WO 9821523A2
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porous
liquid fuel
mixture
combustion
agent
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PCT/DE1997/002622
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Inventor
Franz Durst
Michael Keppler
Miroslaw Weclas
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Invent Gmbh - Entwicklung Neuer Technologien
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Priority to JP52203698A priority patent/JP4029179B2/ja
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Classifications

    • 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
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for burning liquid fuel, in particular 01.
  • a burner which can be operated with a gas / air mixture as fuel.
  • This burner uses what is known as pore burner technology, which differs from all common combustion processes in that the gas / air mixture is burned in the cavities of a porous inert material.
  • such a burner is characterized by low pollutant emissions and a very high dynamic performance (up to 1:20) and the air ratio.
  • the exhaust gases can be cooled very effectively by a heat exchanger embedded in the porous material, so that very high efficiencies and improved fuel utilization are ensured.
  • Such burner / heat exchanger combinations require only about 1/10 of the size of known systems.
  • the known burner cannot use liquid fuels such as 01 or the like. , operate.
  • EP 0 524 736 A2 discloses a method and a device for carrying out a controlled reaction in a porous matrix.
  • gas or steam is conducted from a space m of tubular porous means extending vertically upward therefrom.
  • the combustion takes place within the porous medium.
  • the heat generated during combustion flows predominantly downstream and enters another room. -
  • This method is not suitable for burning liquid fuels.
  • the position of the flame front in the porous body is unstable.
  • a device for regulating the volume flow coupled to a temperature measuring device is required for position stabilization.
  • the heat generated in the known method is incompletely transferred to the surrounding medium by convection. Preheating of the combustion mixture, which increases the efficiency, does not take place. Gas or steam residues remaining in the room after switching off can disadvantageously contribute to spontaneous combustion.
  • US 4 133 632 discloses an evaporation type oil burner.
  • a porous plate is provided on the bottom of an evaporator housing, on one side of which oil is sucked in by capillary forces and on the other side evaporated into the evaporator housing.
  • the evaporated oil is mixed with air and the mixture is finally fed to a combustion chamber, where it is burned with an open flame.
  • the known evaporator is disadvantageous in several ways. Because the mixture with air only takes place after the oil has evaporated, a large distance is required to form a homogeneous air / oil mixture. Because of the suction of the oil into the porous plate based on capillary forces, the porous plate must be of very fine pores. However, this means that it is clogged by impurities contained in the oil and must therefore be cleaned regularly. In order to provide a sufficient amount of oil vapor, the porous plate must have a relatively large area that is in full contact with an oil supply. This requirement counteracts a compact design of the known oil burner. Except- This means that it is not possible to start up a burner that has been combined with this evaporator because the formation of the oil vapor takes some time. After the burner has been switched off, an oil vapor / air mixture remains in the evaporator, which can lead to undesired combustion.
  • the object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a simple process for the most pollutant-free and efficient combustion of liquid fuels, in particular oil is to be specified.
  • a device for the combustion of liquid fuels is to be provided which is constructed as simply and compactly as possible and which is inexpensive to manufacture.
  • the liquid fuel is distributed by means of a distribution device and transferred to a downstream reactor with a porous agent having a communicating pore space, the Peclet number of which permits flame development within the porous agent.
  • the method according to the invention enables a particularly efficient and low-pollution combustion of the liquid fuel used.
  • Pe (S L d m c p p) / ⁇
  • S L is the laminar flame speed
  • d m is the equivalent diameter for the central cavity of the porous material
  • c P is the specific heat of the gas mixture
  • p is the density of the gas mixture
  • ⁇ is the thermal conductivity of the gas mixture.
  • the equation shows that the conditions for flame development essentially depend on the equivalent diameter d m for the central cavity or the average pore diameter of the porous material.
  • the process-dependent parameters, such as S L , c P , p and ⁇ , are to be defined for a given oxidizing agent / liquid fuel mixture under the conditions prevailing at the inlet, ie in the region of the mixture inlet side, of the porous agent. They are defined in particular by the type of liquid fuel and the oxidizing agent as well as their mixing ratio.
  • the process according to the invention has the remarkable advantage that the thermal conductivity ⁇ and the temperature of the oxidizing agent / liquid fuel mixture do not necessarily have to be chosen such that they are below the explosion limit when they enter the porous agent
  • a gaseous oxidizing agent in particular air, is fed to the distribution device and / or the porous agent to form a mixture consisting of the liquid fuel and the oxidizing agent.
  • the distribution device can have a device for atomizing the liquid fuel.
  • the device for atomization can, for example, be washed around by a stream of gaseous oxidizing agent.
  • the atomization device advantageously has a Nozzle that is supplied with liquid fuel under pressure.
  • the atomization device can also have a 2-substance nozzle, the liquid fuel and pressurized oxidizing agent are supplied. - This forms a first mixture consisting of oxidizing agent and liquid fuel, which can be enriched with additional oxidizing agent.
  • the atomizing device is expediently arranged in the vicinity of the porous agent. It can be moved back and forth in relation to the porous medium. If the porous means is cylindrical, the atomizing device is advantageously arranged in the cylinder axis.
  • the porous agent can be provided on a mixture inlet side with a porous element having a communicating pore space.
  • the porous element is preferably defined by a Peclet number which does not permit flame development and which is usually less than 65.
  • a device for evaporating the mixture which expediently contains a porous body having a communicating pore space.
  • the average pore diameter of the porous body can be larger than that of the porous element. This facilitates the distribution, mixing and evaporation of the liquid fuel.
  • the device for evaporation is usually arranged upstream of the porous agent and downstream of the distribution device.
  • the porous agent is in contact with the porous element.
  • the porous element can, appropriately sometimes in contact with the porous body on the upstream side.
  • the porous element forms a flame barrier on the mixture inlet side of the porous agent, which prevents the mixture from burning through against the direction of the mass flow, in particular in the porous body acting as a device for evaporation. Due to the direct contact of the porous body to the porous element and the porous element to the porous medium, the heat generated in the porous medium by the combustion is transferred not only in the form of heat radiation, but also by thermal conduction to the porous element and the porous body. This ensures complete gasification of the mixture before it enters the porous medium.
  • the distribution device expediently has a means for generating liquid jets, wherein this and / or the device for atomization can project into a recess provided in the porous element or in the porous body. This enables a particularly compact design.
  • the oxidizing agent and / or the liquid fuel and / or the device for evaporation can be heated by means of a heating device.
  • the heat required for the heating device is preferably transferred from the hot combustion gases. Heating of the oxidizing agent can also be achieved by adding hot combustion gases.
  • the mixture can be ignited by an ignition device provided in the porous medium or in the device for evaporation or in the vicinity of the distribution device. - If there is one near the distribution facility It may be expedient for the ignition device to first ignite the mixture emerging from the distribution device and burn it freely in order to heat up the porous agent. Then the liquid fuel supply and thus the free combustion is prevented. When the liquid fuel is supplied again, the mixture which forms automatically ignites in the preheated porous medium; there is no longer any free combustion.
  • the reactor has a housing which accommodates the porous agent, the housing being able to surround the porous element and the device for evaporation.
  • the porous medium is expediently surrounded by a heat exchanger.
  • the porous medium is arranged below the distribution device, so that a counterflow which is produced during combustion and is directed counter to the mass flow is formed. This enables the mixture supplied by the mass flow to be preheated. In addition, the counterflow slows down the mass flow. This keeps the position of the flame front stable.
  • a device for the combustion of liquid fuel in particular oil
  • the liquid fuel being distributable by means of a distribution device and being able to be transferred into a downstream reactor with a porous agent having a communicating pore space, the Peclet number of which develops a flame allowed inside the porous medium.
  • the device according to the invention can be produced simply and inexpensively in a compact form. It enables low-pollutant combustion of liquid fuel.
  • the device according to the invention is characterized in particular by a high dynamic range and ability to modulate the power range, high air dynamics and a high specific power density.
  • Suitable materials for producing the porous agent and the porous element are metal, metal oxides, ceramics and ceramic-coated metal. Debris or aggregates of individual elements, such as balls or the like. , can be used. General criteria for the selection of materials are dimensional stability, resistance to temperature changes, chemical and thermal stability as well as the transport properties, e.g. the thermal conductivity or the heat radiation coefficient.
  • Fig. 2 shows a schematic cross section through a first
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a second exemplary embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a third exemplary embodiment of a device according to the invention
  • 5a shows a cross section through a liquid fuel nozzle
  • 5b shows a cross section through a 2-substance nozzle
  • FIG. 6a shows a schematic cross section through a distributor
  • Fig. 6b is a plan view of the distributor of Fig. 6a.
  • FIG. 1 shows in a basic sketch an embodiment variant of the method according to the invention.
  • liquid fuel is distributed with the participation of a porous body, so that the surface of the liquid fuel increases.
  • Air is supplied to the porous body at the same time, which causes an intimate mixing with the distributed liquid fuel.
  • the mixture consisting of air and liquid fuel is moved according to the mass flow through the porous body in the direction of the porous medium, on the mixture inlet side of which there is a porous element which acts as a flame barrier.
  • heat is transferred to the porous element, which is preferably in direct contact with it, and from there to the porous body.
  • the mixture moving through the porous body and the porous element increasingly heats up and evaporates or is converted into the gas phase.
  • the mixture is completely homogenized in the porous body.
  • the porous body in particular can be additionally heated.
  • the vaporized mixture gets into the porous medium and is burned there.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • a general my distribution device designated by reference number 1, essentially consists of a distributor 2.
  • the distributor 2 projects into a recess 4 provided on a porous body 3.
  • the porous body 3 is in direct contact with a porous element 5, the Peclet Number is less than 65.
  • the porous element 5 in turn is in direct contact with a porous means 6.
  • the porous means 6 forming the burner is provided with an ignition device 7.
  • the porous body 3 here has a plurality of zones or layers 8, 9 and 10, the porosity and average pore diameter of which are different.
  • the distribution device 1 consists of a liquid fuel nozzle 11, which is arranged upstream and above the porous body 3. Downstream of the porous means 6, a heat exchanger 12 is arranged, which is embedded in a coarse-pored element 13.
  • the porous body 3, the porous element 5, the porous medium 6 and the coarse-pored element 13 are accommodated in a housing 14 which is designed here as a tube.
  • the porous medium 6 extends over an essential section of the housing 14.
  • a mixture inlet side 15 of the porous medium 6 is here directly supplied with liquid fuel emerging from the liquid fuel nozzle 11.
  • the air / liquid fuel mixture or liquid fuel emerging from the distribution device 1 arrives into the porous body 3 and is distributed there radially over its entire cross section.
  • the mixture or the liquid fuel is mixed and homogenized with air L entering the porous body 3.
  • the mixture is further homogenized and finely divided.
  • the mixture is evaporated under the influence of the heat transferred from the porous agent 6.
  • the steam or the gasified mixture passes through the porous element 5, which acts as a flame barrier, and finally reaches the porous medium 6, where it is burned.
  • the combustion gases are discharged on the outlet side 16 of the porous medium 6 and passed over the heat exchanger 12.
  • the mixing, homogenization and evaporation of the mixture takes place in the vicinity of the inlet side 15 of the porous body.
  • the mass flow is directed vertically downward.
  • the combustion creates a counterflow, which is directed vertically upwards.
  • the counterflow slows down the mass flow. As a result, the position of the flame front in the porous medium is kept stable.
  • the 2-substance nozzle 17 consists of a liquid fuel nozzle 11 which is surrounded by an air nozzle 18.
  • the air nozzle 18 is provided with openings 19 for sucking in air.
  • the air / liquid fuel mixture exits through an opening 20 provided in the air nozzle 18.
  • FIG. 6a shows a cross section through a distributor 2.
  • This essentially consists of a cylinder 21, the interior of which is connected to the environment via radially arranged nozzles 22 Connection is established.
  • the arrangement of the nozzles 22 is particularly clear from Fig. 6b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff (F), insbesondere Öl, wobei der Flüssigbrennstoff (F) mittels einer Verteilungseinrichtung (1) verteilt und in einen stromabwärts angeordneten Reaktor mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Mittel (6) überführt wird, dessen Péclet-Zahl eine Flammentwicklung und eine vollständige Verbrennung des Flüssigbrennstoffs (F) innerhalb des porösen Mittels (6) erlaubt.

Description

Verfahren und Vorrxchtung zur Verbrennung von Flussigbrenn- stoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Flussigbrennstoff, insbesondere von 01.
Aus der DE 43 22 109 AI ist ein Brenner bekannt, der mit einem Gas-/Luftgemιsch als Brennstoff betreibbar ist. Bei diesem Brenner kommt die sogenannte Porenbrennertechnik zur An- wendung, die sich von allen gangigen Verbrennungsverfahren dadurch unterscheidet, daß das Gas-/Luftgemisch m den Hohlräumen eines porösen inerten Materials verbrannt wird.
Wegen der positiven Warmetransporteigenschaften des porösen Materials zeichnet sich ein solcher Brenner durch einen geringen Schadstoffausstoß und eine sehr hohe Dynamik der Leistung (bis zu 1:20) und der Luftzahl aus. Darüber hinaus können die Abgase durch einen m das poröse Material eingebetteten W rmetauscher sehr effektiv abgekühlt werden, so daß sehr hohe Wirkungsgrade und eine verbesserte Brennstoffausnutzung gewährleistet werden. Derartige Brenner/Warmetauscher- Kombmationen erfordern etwa nur 1/10 der Baugroße bekannter Systeme .
Der bekannte Brenner kann allerdings nicht mit Flussigbrennstoffen, wie 01 oder dgl . , betrieben werden.
Die EP 0 524 736 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchfuhrung einer kontrollierten Reaktion m einer porösen Matrix. Dabei wird Gas oder Dampf von einem Raum m sich davon vertikal nach oben erstreckende rohrfor ige poröse Mittel geleitet. Innerhalb der porösen Mittel erfolgt die Verbrennung. Die bei der Verbrennung entstehende Warme fließt vorwiegend stromabwärts ab und gelangt in einen weiteren Raum. - Dieses Verfahren ist nicht zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe geeignet. Die Lage der Flammenfront im porösen Körper ist instabil. Zur Lagestabilisierung ist eine mit ei- ner Temperaturmeßeinrichtung gekoppelte Vorrichtung zur Regelung des Volumenstroms erforderlich. Die bei dem bekannten Verfahren entstehende Wärme wird auf das umgebende Medium durch Konvektion unvollständig übertragen. Eine den Wirkungsgrad erhöhende Vorwärmung des Verbrennungsgemischs findet nicht statt. Nach dem Abschalten im Raum verbleibende Gas bzw. Dampfreste können nachteiligerweise zu einer Selbstentzündung beitragen.
In der US 4 133 632 ist ein Ölbrenner vom Verdampfungstyp of- fenbart. Bei diesem Ölbrenner ist am Boden eines Verdampfergehäuses eine poröse Platte vorgesehen, auf deren einen Seite Öl durch Kapillarkräfte angesaugt und auf der anderen Seite in das Verdampfergehäuse verdampft wird. Das verdampfte Öl wird mit Luft gemischt und das Gemisch schließlich einem Brennraum zugeführt, wo es mit offener Flamme verbrannt wird.
Der bekannte Verdampfer ist in mehrfacher Hinsicht nachteilig. Wegen der erst nach der Verdampfung des Öls erfolgenden Mischung mit Luft wird eine große Strecke zur Bildung eines homogenen Luft-/Ölgemisch benötigt. Wegen der auf Kapillarkräften beruhenden Ansaugung des Öls in die poröse Platte muß diese sehr feinporig ausgebildet sein. Das führt aber dazu, daß sie durch im Öl enthaltene Verunreinigungen zusetzt und daher regelmäßig gereinigt werden muß. Um eine genügende Men- ge an Öldampf zur Verfügung zu stellen, muß die poröse Platte eine relativ große, vollflächig mit einem Ölvorrat in Kontakt stehende Fläche aufweisen. Dieses Erfordernis wirkt einer kompakten Bauweise des bekannten Ölbrenners entgegen. Außer- dem ist die Inbetriebnahme eines mit diesem Verdampfer kombi- lierten Brenners nicht sofort möglich, da die Bildung des Öldampfs eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Nach dem Abschalten des Brenners verbleibt ein Öldampf/Luftgemisch im Verdampfer, was zu einer unerwünschten Verbrennung führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein ein- faches Verfahren zur möglichst schadstoffarmen und effizienten Verbrennung von Flüssigbrennstoffen, insbesondere Öl, angegeben werden. Ferner soll eine Vorrichtung zur Verbrennung von Flüssigbrennstoffen bereitgestellt werden, die möglichst einfach und kompakt aufgebaut sowie kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 24 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 23 sowie 25 bis 46.
Nach dem verfahrensseitigen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, daß der Flüssigbrennstoff mittels einer Verteilungseinrichtung verteilt und in einen stromabwärts angeordneten Reaktor mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Mittel überführt wird, dessen Peclet-Zahl eine Flammentwicklung innerhalb des porösen Mittels erlaubt. - Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente und schadstoffarme Verbrennung des eingesetzten Flüssigbrennstoffs.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Peclet-Zahl des porösen Mittels größer als 65 zu wählen. Die Peclet-Zahl läßt sich durch die folgende Gleichung errechnen: Pe = (SLdmcpp) /λ,
wobei SL die laminare Flammengeschwindigkeit, dm der äquiva- lente Durchmesser für den mittleren Hohlraum des porösen Materials, cP die spezifische Wärme des Gasgemischs, p die Dichte des Gasgemischs und λ die Wärmeleitzahl des Gasgemischs ist. Die Gleichung zeigt, daß die Bedingungen für die Flammentwicklung im wesentlichen vom äquivalenten Durchmesser dm für den mittleren Hohlraum bzw. dem mittleren Porendurchmesser des porösen Materials abhängig ist. Die prozeßabhängigen Parameter, wie SL, cP, p und λ, sind dabei für ein vorgegebenes Oxidationsmittel/Flüssigbrennstoffgemisch unter den am Eintritt, d.h. im Bereich der Gemisch-Einlaßseite, des porö- sen Mittels herrschenden Bedingungen festzulegen. Sie sind insbesondere durch die Art des Flüssigbrennstoffs und des Oxidationsmittels sowie deren Mischungsverhältnis definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den bemerkenswerten Vorteil, daß die Wärmeleitzahl λ und die Temperatur des Oxidati- onsmittel/Flüssigbrennstoffgemischs beim Eintritt in das poröse Mittel nicht unbedingt so gewählt werden müssen, daß sie unterhalb der Explosionsgrenze liegen.
In weiterer verfahrensmäßiger Ausgestaltung wird der Vertei- lungseinrichtung und/oder dem porösen Mittel ein gasförmiges Oxidationsmittel, insbesondere Luft, zur Bildung eines aus dem Flüssigbrennstoff und dem Oxidationsmittel bestehenden Gemischs zugeführt. Dabei kann die Verteilungseinrichtung eine Einrichtung zur Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs aufwei- sen. Die Einrichtung zur Zerstäubung kann beispielsweise von einem Strom gasförmigen Oxidationsmittels umspült werden. Vorteilhafterweise weist die Einrichtung zur Zerstäubung eine Düse auf, der unter Druck stehender Flüssigbrennstoff zugeführt wird. Die Einrichtung zur Zerstäubung kann auch eine 2- Stoffdüse aufweisen, der Flüssigbrennstoff und unter Druck stehendes Oxidationsmittel zugeführt werden. - Dadurch wird ein aus Oxidationsmittel und Flüssigbrennstoff bestehendes erstes Gemisch gebildet, das noch mit weiterem Oxidationsmittel angereichert werden kann.
Die Einrichtung zur Zerstäubung ist zweckmäßigerweise in der Nähe des porösen Mittels angeordnet. Sie kann in bezug zum porösen Mittel hin- und herfahrbar sein. Bei zylinderförmiger Ausbildung des porösen Mittels ist die Einrichtung zur Zerstäubung vorteilhafterweise in der Zylinderachse angeordnet.
Nach einer weiteren Ausgestaltungsform kann das poröse Mittel an einer Gemisch-Einlaßseite mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Element versehen sein. Das poröse Element ist vorzugsweise durch eine eine Flammentwicklung nicht ermöglichende Peclet-Zahl, die üblicherweise klei- ner als 65 ist, definiert.
Nach einem besonders vorteilhaften Merkmal kann eine Einrichtung zur Verdampfung des Gemischs vorgesehen sein, die zweckmäßigerweise einen einen kommunizierenden Porenraum aufwei- senden porösen Körper enthält. Der mittlere Porendurchmesser des porösen Körpers kann größer als der des porösen Elements sein. Das erleichtert die Verteilung, Mischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs. Die Einrichtung zur Verdampfung ist üblicherweise stromaufwärts des porösen Mittels und stromabwärts der Verteilungseinrichtung angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung ist das poröse Mittel mit dem porösen Element in Kontakt. Das poröse Element kann, zweck äßi- gerweise an der stromaufwärts liegenden Seite, mit dem porösen Körper in Kontakt sein. Das poröse Element bildet an der Gemisch-Einlaßseite des porösen Mittels eine Flammsperre, die ein Durchbrennen des Gemischs entgegen der Richtung des Mas- sestroms, insbesondere in den als Einrichtung zur Verdampfung wirkenden porösen Körper, verhindert. Durch den direkten Kontakt des porösen Körpers zum porösen Element sowie des porösen Elements zum porösen Mittel wird die im porösen Mittel durch die Verbrennung gebildete Wärme nicht nur in Form von Wärmestrahlung, sondern auch durch Wärmeleitung auf das poröse Element und den porösen Körper übertragen. Das stellt eine vollständige Vergasung des Gemischs vor dem Eintritt in das poröse Mittel sicher.
Zweckmäßigerweise weist die Verteilungseinrichtung ein Mittel zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen auf, wobei dieses und/oder die Einrichtung zur Zerstäubung in eine im porösen Element oder im porösen Körper vorgesehene Ausnehmung ragen kann/können. Das ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise.
Um eine besonders effiziente Verfahrensführung zu ermöglichen, kann das Oxidationsmittel und/oder der Flüssigbrennstoff und/oder die Einrichtung zur Verdampfung mittels einer Heizeinrichtung erwärmt werden. Die für die Heizeinrichtung benötigte Wärme wird dabei vorzugsweise von den heißen Verbrennungsgasen übertragen. Eine Erwärmung des Oxidationsmittels kann aber auch durch eine Beimischung heißer Verbrennungsgase erreicht werden.
Das Gemisch kann durch eine im porösen Mittel oder in der Einrichtung zur Verdampfung oder in der Nähe der Verteilungseinrichtung vorgesehene Zündvorrichtung gezündet werden. - Bei einer in der Nähe der Verteilungseinrichtung vorgesehenen Zündvorrichtung kann es zweckmäßig sein, zunächst das aus der Verteilungseinrichtung austretende Gemisch zu zünden und frei zu verbrennen, um das poröse Mittel aufzuheizen. Sodann wird die Flüssigbrennstoffzufuhr und damit die freie Verbrennung unterbunden. Bei erneuter Zufuhr von Flüssigbrennstoff zündet das sich bildende Gemisch selbständig im vorgeheizten porösen Mittel; es findet nun keine freie Verbrennung mehr statt.
Der Reaktor weist in weiterer Ausgestaltung ein das poröse Mittel aufnehmendes Gehäuse auf, wobei das Gehäuse das poröse Element und die Einrichtung zur Verdampfung umgeben kann. Das poröse Mittel ist zweckmäßigerweise von einem Wärmetauscher umgeben .
Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal ist das poröse Mittel unterhalb der Verteilungseinrichtung angeordnet, so daß eine bei der Verbrennung entstehende dem Massestrom entgegengerichtete Gegenströmung gebildet wird. Das ermöglicht eine Vorwärmung des durch den Massestrom zugeführten Gemischs. Au- ßerdem bremst die Gegenströmung den Massestrom. Dadurch wird die Lage der Flammenfront stabil gehalten.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff, insbesondere Öl, vorgese- hen, wobei der Flüssigbrennstoff mittels einer Verteilungseinrichtung verteilbar und in einen stromabwärts angeordneten Reaktor mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Mittel überführbar ist, dessen Peclet-Zahl eine Flammentwicklung innerhalb des porösen Mittels erlaubt. - Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einfach und kostengünstig in kompakter Form hergestellt werden. Sie ermöglicht eine Schadstoffarme Verbrennung von Flüssigbrennstoff. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Dynamik und Modulationsfähigkeit des Leistungsbereichs, eine hohe Luftdynamik und eine hohe spezifische Leistungsdichte aus.
Geeignete Materialien zur Herstellung des porösen Mittels so- wie des porösen Elements sind Metall, Metalloxide, Keramik sowie keramikbeschichtetes Metall. Auch Schuttungen bzw. Aggregate von Einzelelementen, wie Kugeln oder dgl . , können Anwendung finden. Allgemeine Kriterien für die Materialauswahl sind Formbeständigkeit, Temperaturwechselbestandigkeit, che- mische und thermische Stabilität sowie die War etransportei- negenschaften, z.B. die Wärmeleitfähigkeit oder der War- mestrahlungskoefflzient .
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung vorteilhafte Ausge- staltungen des erfmdungsgemaßen Verfahrens sowie der Vorrichtung erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfmdungsgemaßen Verfahrens,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein erstes
Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Vorrichtung,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch ein zweites Ausfuhrungsbeispiel einer erf dungsgemaßen Vorrichtung,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch ein drittes Ausfuhrungsbeispiel einer erf dungsgemaßen Vorrichtung,
Fig. 5a einen Querschnitt durch eine Flussigbrennstoffduse, Fig. 5b einen Querschnitt durch eine 2-Stoffdüse,
Fig. 6a einen schematischen Querschnitt durch einen Verteiler, und
Fig. 6b eine Draufsicht auf den Verteiler nach Fig. 6a.
Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gegebenenfalls aufgewärmter Flüssigbrennstoff wird unter Mitwirkung eines porösen Körpers verteilt, so daß sich die Oberfläche des Flüssigbrennstoffs vergrößert. Dem porösen Körper wird gleichzeitig Luft zugeführt, was eine innige Vermischung mit dem verteilten Flüssigbrennstoff bewirkt. Das aus Luft und Flüssigbrennstoff be- stehende Gemisch wird gemäß dem Massestrom durch den porösen Körper in Richtung des porösen Mittels bewegt, an dessen Gemisch-Einlaßseite sich ein als Flammsperre wirkendes poröses Element befindet. - Durch die im porösen Mittel stattfindende Verbrennung wird Wärme auf das vorzugsweise damit im direkten Kontakt stehende poröse Element und von da auf den porösen Körper übertragen. Demzufolge heizt sich das durch den porösen Körper sowie das poröse Element bewegende Gemisch zunehmend auf und verdampft bzw. wird in die Gasphase überführt. Dabei wird im porösen Körper das Gemisch vollständig homoge- nisiert. Zur Unterstützung der Verdampfung kann insbesondere der poröse Körper zusätzlich beheizt werden. Schließlich gelangt das verdampfte Gemisch in das poröse Mittel und wird dort verbrannt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen:
In der Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei besteht eine allge- mein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Verteilungsemrich- tung im wesentlichen aus einem Verteiler 2. Der Verteiler 2 ragt in eine an einem porösen Korper 3 vorgesehene Ausnehmung 4. Der poröse Korper 3 ist in direktem Kontakt mit einem po- rosen Element 5, dessen Peclet-Zahl kleiner als 65 ist. Das poröse Element 5 wiederum ist in direktem Kontakt mit einem porösen Mittel 6. Das den Brenner bildende poröse Mittel 6 ist mit einer Zündvorrichtung 7 versehen.
Der poröse Korper 3 weist hier mehrere Zonen bzw. Schichten 8, 9 und 10 auf, deren Porosität und mittlerer Porendurchmesser unterschiedlich sind.
Nach einer zweiten aus Fig. 3 ersichtlichen Ausfuhrungsform besteht die Verteilungsemrichtung 1 aus einer Flussigbrenn- stoffduse 11, die stromaufwärts und oberhalb des porösen Korpers 3 angeordnet ist. Stromabwarts des porösen Mittels 6 ist ein Wärmetauscher 12 angeordnet, welcher in ein grobporiges Element 13 eingebettet ist. Der poröse Korper 3, das poröse Element 5, das poröse Mittel 6 und das grobporige Element 13 sind in einem hier als Rohr ausgebildeten Gehäuse 14 aufgenommen .
Fig. 4 zeigt eine dritte besonders einfach aufgebaute Ausfuh- rungsform. Dabei erstreckt sich das poröse Mittel 6 über einen wesentlichen Abschnitt des Gehäuses 14. Eine Gemisch- Emlaßseite 15 des porösen Mittels 6 wird hier direkt mit aus der Flussigbrennstoffduse 11 austretendem Flussigbrennstoff beaufschlagt.
Die Funktion der in den Fig. 2 und 3 beschriebenen Vorrichtungen ist folgende:
Das/der aus der Verteilungseinrichtung 1 austretende Luft/Flüssigbrennstoff-Gemisch bzw. Flussigbrennstoff gelangt in den porösen Körper 3 und wird dort radial über dessen gesamten Querschnitt verteilt. Gleichzeitig wird das Gemisch bzw. der Flüssigbrennstoff mit in den porösen Körper 3 eintretender Luft L gemischt und homogenisiert. Im weiteren Ver- lauf des Transports erfolgt eine weitere Homogenisierung und Feinverteilung des Gemischs. Schließlich wird das Gemisch unter Einwirkung der vom porösen Mittel 6 übertragenen Wärme verdampft. Der Dampf bzw. das vergaste Gemisch passiert das als Flammsperre wirkende poröse Element 5 und gelangt schließlich in das poröse Mittel 6, wo es verbrannt wird. Die Verbrennungsgase werden an der Auslaßseite 16 des porösen Mittels 6 abgeführt und über den Wärmetauscher 12 geleitet.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung findet die Mischung, Homogenisierung und Verdampfung des Gemischs in der Nähe der Einlaßseite 15 des porösen Körpers statt.
Bei den in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Vorrichtungen ist der Massestrom jeweils vertikal abwärts gerichtet. Im porösen Mittel entsteht durch die Verbrennung eine Gegenströmung, die vertikal aufwärts gerichtet ist. Die Gegenströmung bremst den Massestrom. Dadurch wird die Lage der Flammenfront im porösen Mittel stabil gehalten.
Die Fig. 5a und b zeigen Querschnitte durch eine Flüssig- brennstoffdüse 11 sowie durch eine 2-Stoffdüse 17. Die 2- Stoffdüse 17 besteht aus einer Flüssigbrennstoffdüse 11, welche von einer Luftdüse 18 umgeben ist. Die Luftdüse 18 ist mit Durchbrüchen 19 zum Ansaugen von Luft versehen. Das Luft/Flüssigbrennstoff-Gemisch tritt durch eine in der Luftdüse 18 vorgesehene Öffnung 20 aus.
Fig. 6a zeigt einen Querschnitt durch einen Verteiler 2. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 21, dessen In- nenraum über radial angeordnete Düsen 22 mit der Umgebung in Verbindung steht. Die Anordnung der Düsen 22 geht besonders deutlich aus Fig. 6b hervor.
Bezugszeichenliste
1 Verteilungseinrichtung
2 Verteiler 3 poröser Körper
4 Ausnehmung
5 poröses Element
6 poröses Mittel
7 Zündvorrichtung 8, 9, 10 Zonen
11 Flüssigbrennstoffdüse
12 Wärmetauscher
13 grobporiges Element
14 Gehäuse 15 Gemisch-Einlaßseite
16 Auslaßseite
17 2-Stoffdüse
18 Luftdüse
19 Durchbruch 20 Öffnung
21 Zylinder
22 Düse
A Richtung des Massestroms F Flüssigbrennstoff
L Luft

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff (F) , insbesondere Öl, wobei der Flüssigbrennstoff (F) mittels ei- ner Verteilungseinrichtung (1) verteilt und in einen stromabwärts angeordneten Reaktor mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Mittel (6) überführt wird, dessen Peclet-Zahl eine Flammentwicklung und eine vollständige Verbrennung des Flüssigbrennstoffs (F) innerhalb des porö- sen Mittels (6) erlaubt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Peclet-Zahl des porösen Mittels (6) größer als 65 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verteilungseinrichtung (1) und/oder dem porösen Mittel (6) ein gasförmiges Oxidationsmittel (L) , insbesondere Luft, zur Bildung eines aus dem Flüssigbrennstoff (F) und dem Oxidationsmittel (L) bestehenden Gemischs zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verteilungseinrichtung (1) eine Einrichtung zur Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs (F) aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung eine Düse (11) aufweist, der unter Druck stehender Flüssigbrennstoff (F) zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung eine 2-Stoffdüse (17) aufweist, der Flüssigbrennstoff (F) und unter Druck stehendes Oxidationsmittel (L) zugeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung in der Nähe des porösen Mittels (6) angeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Mittel (6) an seiner Gemisch-Einlaßseite (15) mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Element (5) versehen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Porenraum des porösen Elements (5) eine eine Flammentwicklung nicht ermöglichende Peclet-Zahl aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Peclet-Zahl des po- rösen Elements (5) kleiner als 65 ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung zur Verdampfung des Gemischs vorgesehen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zur Verdampfung einen einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Körper (3) enthält, dessen mittlerer Porendurchmesser vorzugsweise größer als der des porösen Elements (5) ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Mittel (6) mit dem porösen Element (5) in Kontakt ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Element (5) mit dem porösen Körper (3) in Kontakt ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteilungseinrichtung (1) ein Mittel zur Erzeugung von Flüssigkeitsstahlen (2) aufweist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung (11) und/oder das Mittel zur Erzeugung von Flüssigkeitsstahlen (2) in eine im porösen Element (5) oder porösen Körper (3) vorgesehene Ausnehmung (4) ragen.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oxidationsmittel (L) und/oder der Flüssigbrennstoff (F) und/oder die Einrichtung zur Verdampfung mittels einer Heizeinrichtung erwärmt wird/werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung aus der Enthalpie der Verbrennungsgase gewonnen wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gemisch durch eine im porösen Mittel (6) oder in der Einrichtung zur Verdampfung oder in der Nähe der Verteilungseinrichtung (1) vorgesehene Zündvorrichtung (7) gezündet wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor ein das poröse Mittel (6) aufnehmendes Gehäuse (14) aufweist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Gehäuse (14) das poröse Element (5) und die Einrichtung zur Verdampfung umgibt.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromabwärts des porösen Mittels (6) ein grobporiges Element (13) mit einem darin eingebetteten Wärmetauscher (12) vorgesehen ist.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Mittel (6) unterhalb der Verteilungseinrichtung (1) angeordnet ist, so daß eine bei der Verbrennung entstehende dem Massestrom entgegengerichtete Gegenströmung gebildet wird.
24. Vorrichtung zur Verbrennung von Flussigbrennstoff, insbesondere Öl, wobei der Flüssigbrennstoff (F) mittels einer Verteilungseinrichtung (1) verteilbar und in einen stromabwärts angeordneten Reaktor mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Mittel (6) überführbar ist, dessen Peclet-Zahl eine Flammentwicklung und eine vollständige Verbrennung des Flüssigbrennstoffs (F) innerhalb des porösen Mittels (6) erlaubt.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Peclet-Zahl des porösen Mittels (6) größer als 65 ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, wobei die Verteilungseinrichtung (1) und/oder das poröse Mittel (6) eine Zuführung für ein gasförmiges Oxidationsmittel (L) , insbesonde- re Luft, zur Bildung eines aus dem Flüssigbrennstoff (F) und dem Oxidationsmittel (L) bestehenden Gemischs aufweist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 25, wobei die Verteilungseinrichtung (1) eine Einrichtung zur Zerstäu- bung des Flüssigbrennstoffs (F) aufweist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung eine Düse (11) aufweist, der unter Druck stehender Flüssigbrennstoff (F) zuführbar ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung eine 2-Stoffdüse (17) aufweist, der Flüssigbrennstoff (F) und unter Druck stehendes Oxidationsmittel (L) zuführbar sind.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung in der Nähe des porösen Mittels (6) angeordnet ist.
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 30, wobei das poröse Mittel (6) an seiner Gemisch- Einlaßseite (15) mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Element (5) versehen ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei der Porenraum des porösen Elements (5) eine eine Flammentwicklung nicht ermöglichende Peclet-Zahl aufweist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei die Peclet-Zahl des porösen Elements (5) kleiner als 65 ist.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 33, wobei eine Einrichtung zur Verdampfung des Gemischs vorgesehen ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Einrichtung zur Verdampfung einen einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Körper (6) enthält, dessen mittlerer Porendurchmesser vorzugsweise größer als der des porösen Elements (7) ist.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 35, wobei das poröse Mittel (6) mit dem porösen Element (5) in Kontakt ist.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 36, wobei das poröse Element (5) mit dem porösen Körper (6) in Kontakt ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 37, wobei die Verteilungseinrichtung (1) ein Mittel zur Erzeugung von Flüssigkeitsstahlen (2) aufweist.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 38, wobei die Einrichtung zur Zerstäubung (11) und/oder das Mittel zur Erzeugung von Flüssigkeitsstahlen (2) in eine im porösen Element (5) oder im porösen Körper (3) vorgesehene Ausnehmung (4) ragen.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 39, wobei eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Oxidationsmittels (L) und/oder des Flüssigbrennstoffs (F) und/oder der Einrichtung zur Verdampfung vorgesehen ist/sind.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei die Heizeinrichtung durch die Enthalpie der Verbrennungsgase beheizbar ist.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 41, wobei im porösen Mittel (6) oder in der Einrichtung zur Verdampfung oder in der Nähe der Verteilungseinrichtung (1) eine Zündvorrichtung (7) zum Zünden des Gemischs vorgesehen ist.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 42, wobei der Reaktor ein das poröse Mittel (6) aufnehmendes Gehäuse (14) aufweist.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei das Gehäuse (14) das poröse Element (5) und die Einrichtung zur Verdampfung umgibt.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91)
ISA / EP
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 44, wobei stromabwärts des porösen Mittels (6) ein grobporiges Element (13) mit einem darin eingebetteten Wärmetauscher (12) vorgesehen ist.
46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 45, wobei das poröse Mittel (6) unterhalb der Verteilungseinrichtung
(1) angeordnet ist, so daß eine bei der Verbrennung entstehende Gegenströmung dem Massestrom entgegengerichtet ist.
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