DE3626933A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines brennbaren gasgemisches aus fluessigem brennstoff, wasserdampf und verbrennungsluft - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines brennbaren gasgemisches aus fluessigem brennstoff, wasserdampf und verbrennungsluftInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches
aus Brennstoffdampf, Wasserdampf und Verbren
nungsluft durch Verdampfen des flüssigen Brenn
stoffs und Vermischen mit Verbrennungsluft.
Es ist bekannt, Heizöl durch Zufuhr von Verdampfungs
energie zu verdampfen und anschließend mit
Verbrennungsluft zu vermischen. Zur vollständigen
Verdampfung des Heizöls sind jedoch verhältnis
mäßig hohe Siedetemperaturen erforderlich,
die das Entstehen von Crackprodukten verursachen.
Die Crackprodukte bestehen im wesentlichen
aus Koks, der sich im Verdampferraum absetzt
und nicht ohne weiteres wieder entfernt werden
kann.
Bekannt ist es auch, flüssigen Brennstoff in
einen erwärmten Verbrennungsluftstrom zu ver
dampfen, vgl. DE-PS 31 22 770. Bei diesem Ver
fahren ist die Überführung des Brennstoffs in
die Verbrennungsluft bei wesentlich niedrigeren
Temperaturen möglich. Die Temperaturen betragen
bei Heizöl etwa nur den halben Wert der maximalen
Siedetemperatur des flüssigen Brennstoffs. Es
bilden sich aber durch Reaktionen des Heizöls
mit dem in der Verbrennungsluft enthaltenen
Sauerstoff im Heizöl langkettige Kohlenwasser
stoffe, die sich auf dem vorgenannten niedrigen
Temperaturniveau in die Verbrennungsluft nicht
mehr verdampfen lassen. Es verbleibt somit
ein nach dem gleichen Verfahren nicht mehr
weiterverarbeitbarer Ölrest.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein brennbares
Gasgemisch durch Verdampfen flüssigen Brennstof
fes zu erzeugen, ohne dabei Rückstände im Ver
dampfungsraum durch sich absetzende Crackprodukte
oder langkettige Kohlenwasserstoffe zu erhalten.
Auch soll der Brennstoff vollständig unter
Vermeidung von Veränderungen seiner chemischen
Konsistenz verdampfbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der
eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Danach wird der Brennstoff mit einer
das Mehrfache der Heizölmenge betragenden Wasser
menge zur Verdampfung gebracht und die Verbren
nungsluft dem dabei entstandenen Gemisch aus
Brennstoffdampf und Wasserdampf zugeführt,
das im folgenden als "Brennstoff/Wasser-Dampfge
misch" bezeichnet wird. Es hat sich gezeigt,
daß bei diesem Verfahren in gleicher Weise
wie bei der Verdampfung von Heizöl in Verbren
nungsluft verhältnismäßig niedrige Verdampfungs
temperaturen anwendbar sind. Durch Verwendung
von Wasserdampf statt Verbrennungsluft als
Wärmeträger werden jedoch Oxidationsreaktionen
im noch nicht verdampften Brennstoff unterbunden.
Der zu verarbeitende Brennstoff bleibt chemisch
konsistent. Zweckmäßig wird für die Erzeugung des
Brennstoff/Wasser-Dampfgemisches eine Wassermenge
verdampft, die drei- bis vierfach größer ist
als die zu verdampfende Brennstoffmenge, Patent
anspruch 2. Dieses optimale Verhältnis ist
nach unten begrenzt, weil der Wasserdampf als
Wärmeträger zur Verdampfung der gleichen Brenn
stoffmenge eine umso höhere Temperatur aufweisen
muß, je weniger Wasserdampf verwendet wird.
Bei höheren Temperaturen besteht jedoch für
den Brennstoff die Gefahr zu cracken. Der obere
Grenzwert für die Wassermenge ergibt sich aus
der Zündgrenze des ausgebildeten Gasgemisches
aus Wasserdampf/Brennstoffdampf und Verbren
nungsluft.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungs
gemäßen Verfahrens besteht nach Patentanspruch 3
darin, daß der Brennstoff in überhitzten Wasser
dampf verdampft wird. Zur Erzeugung des Brenn
stoff/Wasser-Dampfgemisches wird somit zunächst
Wasserdampf erzeugt und überhitzt und danach
Brennstoff in den heißen Wasserdampf eingegeben,
wobei die Verdampfungswärme für den Brennstoff
überwiegend vom Wasserdampf geliefert wird. Be
vorzugt wird der Brennstoff in auf ca. 400°C
erhitzten Wasserdampf eingeführt, Patentan
spruch 4. Die Verbrennungsluft wird in das
gebildete Brennstoff/Wasser-Dampfgemisch zweck
mäßig in vorgewärmtem Zustand eingeführt. Um
die Temperatur des Brennstoff/Wasser-Dampf
gemisches aufrecht zu erhalten und eine Konden
sation von Brennstoff oder Wasser vor Ausbildung
des brennbaren Gasgemisches zu vermeiden, wird
die Verbrennungsluft vor Zugabe in das Dampfge
misch auf dessen Temperatur erwärmt, Patentan
spruch 5.
Zur Erwärmung und Verdampfung von Wasser und
Brennstoff dient nach Patentanspruch 6 bevorzugt
Verbrennungs- oder Abgas, das bei der Verbrennung
des erzeugten brennbaren Gemisches entsteht.
Die zur Wasserdampfbildung benötigte Energie
wird dadurch zurückgewonnen, daß die Verbren
nungs- oder Abgase nach Aufheizung von Wasser
und Brennstoff unter weiterer Wärmeabgabe bei
spielsweise in einem Heizkessel bis unter den
Taupunkt des in ihnen enthaltenen Wasserdampfes
abgekühlt werden, Patentanspruch 7.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eignet sich eine Vorrichtung, die einen Verdampfer
für flüssigen Brennstoff und eine nachgeschaltete
Mischkammer zur Erzeugung eines brennbaren
Gasgemisches aufweist. Die Mischkammer ist
mit einer Zufuhr für Verbrennungsluft versehen.
Aus der Mischkammer wird das brennbare Gasgemisch
in eine Brennkammer eingeleitet. Die erfindungs
gemäßen Ausbildungen dieser Vorrichtung sind
in Patentansprüchen 8 bis 18 angegeben.
Erfindungswesentlich ist die Ausbildung der
Vorrichtung mit einem Verdampfer für Wasser
und Brennstoff, der der Mischkammer vorgeschaltet
ist und dessen Ausgang mit einer Brennstoff/Was
ser-Dampfleitung verbunden ist, die in der
Mischkammer zur Erzeugung des brennbaren Gasge
misches mündet. Zur Verdampfung des Brennstoffs
in überhitzten Wasserdampf weist der Verdampfer
einen ersten, ausschließlich der Wasserverdamp
fung dienenden Verdampferbereich und einen
nachgeschalteten zweiten Verdampferbereich
auf, der vom Wasserdampf durchströmt ist, der
im ersten Bereich erzeugt wurde und in den
der Brennstoff verdampft. Die für die Brennstoff
verdampfung dienende Oberfläche ist dabei so
zu bemessen, daß ihre Temperatur nur wenig
über der angestrebten Temperatur für das Brenn
stoff/Wasser-Dampfgemisch liegt, damit im Brenn
stoff keine Temperatur auftritt, die zur Aus
bildung von Crackprodukten im Brennstoff führt.
Zweckmäßig wird der Verdampfer von Heizgas
erhitzt. Als Heizgas dient, wie bereits erwähnt,
bevorzugt Verbrennungs- oder Abgas, das beim
Verbrennen des in der Vorrichtung erzeugten
brennbaren Gasgemisches aus Brennstoffdampf,
Wasserdampf und Verbrennungsluft entsteht.
Es kann sich dabei auch um Abgase handeln,
die bei Verbrennung des erzeugten Gasgemisches
in einem Verbrennungsmotor entstehen, denn
auch die Motorabgase lassen sich als Heizgase
einsetzen. Die zur Aufheizung von Wasser und
Brennstoff benötigte Wärmeenergie wird über
einen Bypaß für das Heizgas und einen im Bypaß
angeordneten Durchflußregler eingestellt, mit
dem die jeweils den Bypaß durchströmende und
die zum Verdampfer geleitete Heizgasmenge regu
liert wird. Es kann somit durch Öffnen des
Bypasses eine Überhitzung des zu verdampfenden
Brennstoffs im Verdampfer vermieden werden.
Um auch für den Startvorgang eine Erwärmung
von Wasser, Brennstoff und Verbrennungsluft
zu ermöglichen, ist der Verdampfer elektrisch
beheizbar ausgebildet.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es
vorgesehen, die Verbrennungsluft in einer Vor
wärmkammer vorzuwärmen. Die Vorwärmkammer ist
in gleicher Weise wie die Verdampferkammer
von Heizgas erhitzbar und für den Fall, daß
kein Heizgas zur Verfügung steht - oder noch
nicht zur Verfügung steht -, elektrisch be
heizbar.
Zweckmäßig ist die Vorwärmkammer innerhalb
des Verdampfers angeordnet, um Heizgas oder
elektrische Heizung zur Erwärmung beider Kammern
benutzen zu können. Diese Anordnung der Vorwärm
kammer innerhalb des Verdampfers führt zugleich
zu einer sehr kompakten Ausbildung der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung mit einer optimalen
Ausnutzung der vom Heizgas mitgeführten oder
von der elektrischen Heizung abgegebenen thermischen
Energie.
Die Erfindung und weitere Ausbildungen der
Erfindung werden nachfolgend anhand eines in
der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Aus
führungsbeispieles näher erläutert.
Als Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung
eine zylindrische Vorrichtung mit einer rohr
förmigen Kammerwand 1 dargestellt. Im oberen
Teil der Vorrichtung befindet sich eine Brenn
kammer 2, in die das in einer Mischkammer 3
erzeugte brennbare Gasgemisch aus Brennstoff
dampf, Wasserdampf und Verbrennungsluft aus
einem Gemischraum 4 über einen Flammenhalter 5
in die Brennkammer 2 eintritt. Das in der Brenn
kammer entstehende Verbrennungsgas wird einem
Verdampfer 6 zugeleitet, der zur Erzeugung
des Brennstoff/Wasser-Dampfgemisches dient.
Der Verdampfer wird im Ausführungsbeispiel
durch eine Rohrschlange gebildet, deren erster
Verdampferbereich 7 im Bereich der Kammerwand 1
verlegt ist. In diesem Verdampferbereich wird
Wasser verdampft und überhitzt. Dem ersten
Verdampferbereich 7 ist ein zweiter Verdampfer
bereich 8 nachgeschaltet, dessen Verdampferrohre
im Ausführungsbeispiel einen kleineren Krümmungs
radius aufweisen als die Verdampferrohre des
ersten Verdampferbereiches und der deshalb
von der Kammerwand 1 her gesehen innerhalb
des Verdampfers weiter nach innen verlegt ist
als der Verdampferbereich 7. Der erste Verdamp
ferbereich 7 weist einen Wasserzulauf 9 auf,
in den das zu verdampfende Wasser in den Verdampfer
einströmt. Der Brennstoff wird in den zweiten
Verdampferbereich 8 über eine Brennstoffzuführung
10 eingeführt, die bei 11 im Verdampferbereich 8
mündet. Im Ausführungsbeispiel wird der flüssige
Brennstoff in der Brennstoffzuführung 10 leicht
vorgewärmt. Im Verdampferbereich 8 verdampft
der Brennstoff in den im ersten Verdampferbe
reich 7 erzeugten Wasserdampf. In beiden Verdamp
ferbereichen 6, 7 findet die Verdampfung bei
abwärts gerichteter Strömungsrichtung der zu
verdampfenden Medien statt.
Das auf diese Weise im Verdampfer 6 ausgebil
dete Brennstoff/Wasser-Dampfgemisch strömt
aus dem zweiten Verdampferbereich 8 über eine
Brennstoff/Wasser-Dampfleitung 12 ab, die
im Gemischraum 4 mündet.
Die benötigte Verbrennungsluft wird im Ausführungs
beispiel von einem Gebläse 13 angesaugt und
strömt über eine Verbrennungsluftleitung 14
in eine Vorwärmkammer 15 ein, die im Ausführungs
beispiel zentral im Verdampfer 6 innerhalb
der den zweiten Verdampferbereich 8 bildenden
Rohrschlange angeordnet ist. Die Vorwärmkammer
15 ist allseitig geschlossen und weist zum
Abführen der vorgewärmten Verbrennungsluft
eine zum Gemischraum 4 führende Verbrennungsluft
zuführung 16 auf. Im Ausführungsbeispiel bilden
die Brennstoff/Wasser-Dampfleitung 12 und die
Verbrennungsluftzuführung 16 ein Doppelrohr,
in dessen Innenrohr das Brennstoff/Wasser-Dampf
gemisch geführt wird. An der Mündung des Doppel
rohres befindet sich ein Mischer 17 für das
an dieser Stelle in den Gemischraum 4 austretende
Gasgemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff/
Wasser-Dampfgemisch. Im Ausführungsbeispiel
wird der Mischer 17 in einfachster
Weise dadurch gebildet, daß die Brennstoff/Was
ser-Dampfleitung 12 an ihrer Stirnseite 18
verschlossen ist und zum Austritt des Brennstoff/
Wasser-Dampfgemisches seitliche Austrittsöff
nungen 19 aufweist, durch die das Brennstoff/Was
ser-Dampfgemisch in die in der Verbrennungsluft
zuführung 16 des Doppelrohres geführte Verbren
nungsluft einströmt.
Zur Regelung der am Verdampfer 6 benötigten
Heizgasmenge zur Verdampfung von Wasser und
Brennstoff führt von der Brennkammer 2 ein
Bypaß 20 zum Heizgasaustritt 21 des Verdamp
fers 6. Als Durchflußregler 22 befindet sich
im Bypaß 20 eine Drosselklappe, mittels der
die im Bypaß strömende Teilmenge des Heizgases
und damit auch die den Verdampfer 6 umströmende
Heizgasmenge einstellbar ist.
Falls zur Erzeugung des Brennstoff/Wasser-Dampf
gemisches kein heißes Verbrennungsgas aus dem
Brennraum zur Verfügung steht, wie dies bei
spielsweise beim Start der Vorrichtung der
Fall ist, kann der Verdampfer mit an anderer
Stelle erzeugtem Heizgas erhitzt werden, das
über eine Zuleitung 23 zum Verdampfer 6 strömt.
Der Verdampfer ist aber auch elektrisch beheiz
bar. Hierzu dient eine in wärmeleitender Verbin
dung zur Rohrschlange des Verdampfers verlegte
elektrische Heizung 24. Die Heizung 24 ist
so angeordnet, daß neben dem Verdampfer 6 auch
die Vorwärmkammer 15 für die Verbrennungsluft
aufgeheizt wird.
Zur Zündung des in die Brennkammer 2 eintretenden
Gasgemisches befindet sich im Brennraum eine
Zündeinrichtung 25.
Im Ausführungsbeispiel wurde in der Vorrichtung
ein brennbares Gasgemisch mit handelsüblichem
Heizöl erzeugt. Das Heizöl wurde im Verdampfer
bereich 8 in auf 400°C überhitzten Wasserdampf
eingeführt. Der Wasserdampf wurde im Verdampfer
bereich 7 aus entsalztem Wasser erzeugt, das
mit Raumtemperatur in den Verdampfer einströmte.
Die im Verdampferbereich 8 verdampfte Wassermenge
entsprach dem drei- bis vierfachen der eingeführ
ten Heizölmenge. Dem erzeugten Heizöl/Wasser-
Dampfgemisch wurde Verbrennungsluft in leicht
überstöchiometrischem Verhältnis zum Heizöl
zugeführt. Das erzeugte brennbare Gasgemisch
strömte aus der Mischkammer durch den Flammen
halter 5 hindurch in die Brennkammer 2 ein
und wurde hier gezündet. Im stationären Zustand
betrug die Temperatur im Brennraum ca. 1300°C.
Mit dieser Temperatur wurde das Verbrennungsgas
in den Verdampfer eingeführt.
Infolge des im brennbaren Gasgemisch enthal
tenen Wasserdampfes werden bei der Verbrennung
niedrigere Verbrennungsgastemperaturen erreicht
als es ohne diesen Wasserdampf der Fall wäre.
Es wird somit bei der Verbrennung des erzeugten
Gasgemisches weniger Stickoxyd gebildet.
Das Verbrennungsgas wird vom Heizgasaustritt 21
zur Abgabe seiner thermischen Energie in einen
Wärmeübertrager geleitet. Es kann dort bis
unter den Taupunkt des mitgeführten Wasserdampfes
abgekühlt werden.
Anstelle von Heizöl lassen sich auch andere
flüssige Brennstoffe, beispielsweise Benzin
oder andere brennbare Rohölprodukte oder bei
spielsweise auch Destillate aus Stein- oder
Braunkohlenteeren einsetzen.
Claims (18)
1. Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gas
gemisches durch Verdampfen flüssigen Brennstoffs
und Zuführen von Verbrennungsluft,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff zusammen mit einer ein Mehr
faches der Brennstoffmenge betragenden Wasser
menge zur Verdampfung gebracht wird, und daß
die Verbrennungsluft dem gebildeten Brennstoff/
Wasser-Dampfgemisch zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verdampfte Wassermenge etwa das 3-
bis 4fache der zu verdampfenden Brennstoffmenge
beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff in überhitzten Wasserdampf
verdampft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff in auf ca. 400°C erhitzten
Wasserdampf verdampft wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluft vor Vermischung mit
dem Brennstoff/Wasser-Dampfgemisch auf die
Temperatur des Dampfgemisches vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erwärmung und Verdampfung von Wasser
und Brennstoff heiße Verbrennungs- oder Abgase
dienen, die bei Verbrennung des erzeugten brenn
baren Gasgemisches aus Brennstoffdampf, Wasser
dampf und Verbrennungsluft entstehen.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungs- oder Abgase nach Erwärmung
und Verdampfung von Wasser und Brennstoff bis
unter den Taupunkt des in den Abgasen enthaltenen
Wasserdampfes abgekühlt werden.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Patentanspruch 1 mit einem Verdampfer
für flüssigen Brennstoff und einer nachgeschal
teten Mischkammer zur Erzeugung eines brennbaren
Gasgemisches unter Zufuhr von Verbrennungsluft
und Einleitung des brennbaren Gasgemisches
in eine Brennkammer,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mischkammer (3) ein Verdampfer (6)
für Wasser und Brennstoff vorgeschaltet ist,
dessen Ausgang an eine Brennstoff/Wasser-Dampf
leitung (12) angeschlossen ist, die in der
Mischkammer (3) mündet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (6) einen ersten Verdampfer
bereich (7) zur Wasserverdampfung mit einem
Wasserzulauf (9) aufweist und daß diesem ersten
Bereich (7) ein vom erzeugten Wasserdampf durch
strömter zweiter Verdampferbereich (8) mit
einer Brennstoffzuführung (10) zur Verdampfung
von Brennstoff in den Wasserdampf nachgeschaltet
ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (6) von Heizgas erhitzt
wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (6) elektrisch beheizbar
ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Bypaß (20) für das Heizgas vorgesehen
ist, der den Verdampfer (6) umgeht, und daß
im Bypaß (20) ein Durchflußregler (22) zur
Regulierung der Heizgasmenge angeordnet ist,
die jeweils den Bypaß (20) durchströmt bzw.
dem Verdampfer (6) zugeführt wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluftzuführung (16) zur
Mischkammer (3) an einer Vorwärmkammer (15)
für die Verbrennungsluft angeschlossen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorwärmkammer (15) von Heizgas erwärmbar
ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorwärmkammer (15) elektrisch beheizbar
ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13, 14
oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorwärmkammer (15) innerhalb des Ver
dampfers (6) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoff/Wasser-Dampfleitung (12)
durch die Brennkammer (2) hindurch zur Misch
kammer (3) geführt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoff/Wasser-Dampfleitung (12)
und die Verbrennungsluftzuführung (16) ein
durch die Brennkammer (2) geführtes Doppelrohr
bilden.
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