DE4114171C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Spiralstromfeuerungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 13.

Ein derartiges, gattungsgemäßes Verfahren ist zum Beispiel aus der DE 32 22 408 A1 bekannt. Weiterhin ist auch eine Spiralstromfeuerungsvorrichtung der vorgenannten Art in der US-PS 29 79 000 beschrieben.

Das in der DE 32 22 408 A1 beschriebene Verfahren hat den Nachteil, daß mit hohen Einströmgeschwindigkeiten von etwa 50 bis 70 m/s gearbeitet werden muß, um eine Mehrfach-Umlenkung innerhalb der Brennkammer zu erreichen. Auch darf man im Gesamtkontext davon ausgehen, daß diese Spiralstromfeuerung auf staubförmige, kohlenstoffhaltige Partikel wie Steinkohlenstaub, beschränkt ist.

Vergleichbar zu DE 32 22 408 A1 wird auch in der EP 0 80 429 B1 eine Spiralstrom- bzw. Drehstromfeuerung beschrieben, bei der das Brennstoff-Förderluftgemisch tangential in den Brennraum eingeblasen wird. Zur Erzeugung einer stabilen Drehströmung werden verschiedene Hilfsströmungen von Verbrennungsluft genutzt, wobei der wesentliche Teil an Verbrennungsluft über in Umfangsrichtung und in Längsrichtung der Brennkammer verteilte Düsen zugeführt wird. Zur Erhöhung der Verweilzeit der kohlenstoffhaltigen Partikel in der Brennkammer, setzt man bei dieser bekannten Drehströmungs- Feuerung kegelstumpfförmige Bereiche an den Stirnseiten der Brennkammer ein, die zu einer Umlenkung der Drehströmung führen, so daß die zu verbrennenden Partikel hierdurch über ein mehrfaches der axialen Länge der Brennkammer im Verbrennungsprozeß gehalten werden können. Diese Mehrfachumlenkungen erreicht man jedoch im wesentlichen durch die sehr hohen Einströmungsgeschwindigkeiten.

In der EP 03 89 311 A1 ist ein weiterer Verbrennungsprozeß beschrieben, bei dem die Verbrennungstemperatur in einem Bereich über 1300 Grad Celsius, zum Beispiel im Bereich von 1300 bis 1500 Grad Celsius, liegt. Die hierin beschriebene Vorrichtung ist jedoch so konstruiert, daß diese nur vertikal betrieben werden kann. Diese Vorrichtung weist unterhalb der Brennkammer eine Trennkammer zur Separierung der Verbrennungsgase und der Schlacke auf, wobei die geschmolzene Achse nach unten fließt und am Boden der Trennkammer schräg nach unten ausgeleitet wird. Allein die Verbrennungsgase, die nach schräg oben hin in eine Kühlkammer umgelenkt werden, enthalten einen sehr geringen Anteil von Aschepartikeln, die in der Kühlkammer rasch auf unter 1000 Grad Celsius abgekühlt werden, so daß diese Aschepartikel als Flugasche ausgetragen werden können.

Bei der Spiralstromfeuerungsvorrichtung gemäß der US-PS 29 79 000 will man gezielt an den Wänden der Brennkammer einen Belag aus einer Schicht halbgeschmolzener Schlacke erreichen, wodurch der Verbrennungsprozeß, der bei einer Verbrennungstemperatur über 1350 Grad Celsius liegt, verbessert werden soll. Als nachteilig muß jedoch vor allen Dingen angesehen werden, daß diese Vorrichtung stets in einer leichten Schrägstellung nach unten angeordnet sein muß, damit die geschmolzene Schlacke am Boden der Brennkammer ausgeleitet werden kann.

Eine andere Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Partikeln, nämlich Koksstaub, ist in der Zeitschrift "Brennstoff, Wärme, Kraft", Bd. 42, 1990, Nr. 5, S. 244 ff. beschrieben. Auch bei dieser Verbrennung mittels Rotationsbrenner kommt man ohne eine Stützfeuerung aus. Das Brennstaub-Förderluft­ gemisch wird hierbei tangential über mehrere Düsen zu­ geführt, während die Verbrennungsluft radial in den Brenn­ raum eintritt. Entsprechend diesem letztgenannten Verfahren zur Verbrennung von Koksstaub wird empfohlen, zur Vermei­ dung von Schlackenbildung unterhalb der Temperatur des ent­ sprechenden Asche-Schmelzpunktes die Verbrennung bei etwa 950°C durchzuführen. Zwar erreicht man auch hier einen guten Ausbrand der Koksstaubpartikel, die in einer Korn­ größe zwischen etwa 0,06 mm bis etwa 1 mm vorlagen. Aber auch diese Verbrennung mittels Rotationsbrenner läßt die Frage nach einer Verbrennung und Entsorgung von kohlen­ stoffhaltigen Partikeln mit nicht brennbaren Bestandteilen offen.

Ausgehend von den vorgenannten Verbrennungsverfahren und Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Spiralstromfeuerung verfahrensmäßig wie vor­ richtungsmäßig so zu konzipieren, daß damit die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien auch mit höheren Antei­ len an nicht brennbaren Bestandteilen, die gegebenenfalls mit organischen Schadstoffen beladen sein können, möglich ist, wobei Anbackungsprobleme von Asche vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und bei einer Spiralstromfeuerungs-Vorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 13 gelöst.

Die Erfindung geht daher den Weg, die Verbrennung in einem Temperaturbereich zwischen 1200 und etwa 1300 Grad Celsius durchzuführen. Ergänzt durch die materialspezifische Korngröße des zu verbrennenden Materials, die im Bereich von etwa 10^-4 mm bis 5 mm liegt, und abhängig von dem zu verbrennenden Material mit seinem Anteil an festen Kohlenstoffen, seinen flüchtigen, brennbaren Bestandteilen und dem Anteil anderer, nicht brennbarer Stoffe sowie seinem Heizwert, erreicht man mit der Erfindung eine selbständige, optimale Verbrennung.

Obwohl man daher üblicherweise oberhalb des Ascheschmelzpunktes die Verbrennung durchführt, kann man die Probleme eines Anbackens geschmolzener Aschepartikel an der Innenwandung der Brennkammer im wesentlichen mittels der weiteren Merkmale verhindert, da durch die tangentiale Zuführung der Verbrennungsluft im radialen Außenbereich des Verbrennungsraumes, sozusagen an der Wandung der Brennkammer, eine kühlere Zone mit einer Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes der Aschepartikel aufrechterhalten wird.

Es werden daher nicht nur Anbackungsprobleme von Aschebestandteilen vermieden, sondern durch die weitestgehende Vermeidung des Direktkontaktes von Aschebestandteilen mit dem Feuerfestmantel der Wandung der Brennkammer auch die daraus resultierenden starken Korrosions- und Erosionserscheinungen am Feuerfestmantel.

Infolge der Ausbildung einer kühleren Zone in Wandungsnähe der Brennkammer bleibt auch die Oberflächentemperatur des Feuerfestmaterials unterhalb des Ascheerweichungspunktes.

Selbst zufällig auftreffende Aschepartikel können somit nicht an der Oberfläche des Feuerfestmaterials haften bleiben.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die sich zwischen der rotierenden heißen Brennzone und dem Feuerfestmaterial der Wandung der Brennkammer ausbildende kühlere Zone dazu beiträgt, daß gasförmige Bestandteile, die beim Verbrennungsvorgang aus dem Brennstoff gebildet werden können, zum Beispiel gasförmige Natrium, Fluor-, Schwefel-, Metallverbindungen etc. nur in sehr geringem Umfang in das Feuerfestmaterial infiltrieren können. Somit werden auch daraus resultierende Korrosionsvorgänge am feuerfesten Material auf ein unvermeidliches Minimum reduziert, wodurch die Verfügbarkeit signifikant gesteigert wird. Weiterhin bewirkt die kühlere Zone an der Innenwandung der Brennkammer auch eine geringere Oberflächentemperatur des Feuerfestmaterials, so daß auch chemische Reaktionen zwischen Bestandteilen des Feuerfestmaterials und Bestandteilen aus dem verbrannten Brennstoff mit weitaus geringeren Geschwindigkeiten ablaufen oder gar nicht erst zustande kommen. Auch hierdurch wird dem unerwünschten Verschleiß des Feuerfestmaterials stark entgegengewirkt. Aufgrund der tangentialen Einströmgeschwindigkeiten im Bereich von 12 bis 30 m/s und dem Verbrennungszeitraum von etwa 2 s wird weiterhin erreicht, daß kohlenstoffhaltige Materialien auch mit einem hohen, nichtbrennbaren Anteil in einer selbständigen Verbrennung optimal verbrannt werden können, ohne daß die Prrobleme der schmelzförmigen Asche im Wandungsbereich vorhanden sind, und das verbrannte Material in horizontaler oder vertikaler Anordnung der Vorrichtung als trockene Asche ausgetragen werden kann.

Es hat sich hierbei in Versuchen herausgestellt, daß ein hoher Ausbranntgrad (z. B. kleiner 0,1% Kohlenstoff in der Asche) erreicht wird. Zudem kann der Gehalt an nichtbrennbaren Bestandteilen in dem zu verbrennenden Material abhängig vom jeweiligen Material zwischen 0,1% und etwa 80% liegen. Außerdem hat sich gezeigt, daß auch materialspezifische Korngrößen im Bereich von etwa 10^-4 mm bis 5 mm der Verbrennung zugeführt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt daher zunächst auf eine materialspezifische Korngröße bzw. Korngrößenbereich des zur Verbrennung vorgesehenen kohlenstoffhaltigen Materials ab, wobei dieser Korngrößenbereich vom Anteil an festen Kohlenstoffen (C_fix) und den im Material vorhandenen flüchtigen brennbaren Bestandteilen a_flüchtig abhängt. So kann beispielsweise Klärschlamm mit einem relativ hohen Anteil an flüchtigen Kohlenwasserstoffen mit einer Korngröße im Bereich von 4 mm verbrannt werden, während ein Gemisch aus Calciumhydroxid und z. B. Aktivkohle, auch Sorbalith genannt, je nach Anteil an Kohlenstoff bzw. dem Anteil an flüchtigen Bestandteilen in der Aktivkohle auf Korngrößen kleiner 0,04 mm vor der Verbrennung zerkleinert werden muß.

Wie durchgeführte Versuche gezeigt haben, tritt besonders bei solchen Materialien, z. B. Klärschlamm, ein Sekundär­ zerkleinerungseffekt ein, wenn ein gewisser Anteil Wasser im Material gebunden ist sowie höhere Anteile an flüchtigen brennbaren Bestandteilen vorhanden sind. Dieser überra­ schend beobachtete Effekt ist darauf zurückzuführen, daß die in dem Brennstoff beinhalteten flüchtigen Bestandteile beim Eintritt in den heißen Brennraum explosionsartig im Brennstoffkorn freigesetzt werden. Das Gas nimmt der Tempe­ ratur entsprechend ein größeres Volumen ein und es kommt folglich zu einem Druckanstieg, solange sich das Gas in Po­ ren und Kavernen des festen Brennstoffs befindet. Beim Überschreiten des kritischen Druckes wird das Gefüge des Brennstoffkorns zerstört und das Brennstoffkorn damit zer­ kleinert. Hieraus resultiert eine Vergrößerung der Brenn­ stoffoberfläche, womit die im Brennstoff enthaltenen festen brennbaren Bestandteile einer effektiveren Sauerstoffzufuhr zugänglich gemacht werden. Damit wird insgesamt gesehen die Verbrennung beschleunigt und ein hoher Ausbranntgrad ermög­ licht.

Obwohl das Verbrennungsverfahren mittels Spiralstromfeue­ rung ohne eine Stützfeuerung auskommt, wird zunächst wäh­ rend eines relativ kurzen Zeitintervalls der Verbrennungs­ raum allotherm z. B. mittels einer Zündfeuerung soweit auf­ geheizt, bis die exotherme, selbständige Verbrennung des zugeführten kohlenstoffhaltigen Materials in Gang kommt. Danach wird die Zündfeuerung abgeschaltet.

Sowohl das Material-Förderluftgemisch als auch die Verbren­ nungsluft werden dem Verbrennungsraum tangential zugeführt, wobei in Wandnähe des Verbrennungsraums eine Kühlzone durch den Verbrennungsluftschleier gebildet wird. Hierdurch wird einerseits zu verbrennendes körniges Material weitestgehend von der Brennkammerwandung ferngehalten und eine Abrasion vermieden. Darüber hinaus wird jedoch durch den kühlenden Effekt der eintretenden Verbrennungsluft im Bereich der Wandung ein Anbacken von Aschepartikeln vermieden, da die Temperatur im Kühlzonenbereich unterhalb des jeweiligen Asche-Schmelzpunktes liegt.

Die Auswirkungen dieses vorgenannten Effekts hat man bisher offensichtlich fehlinterpretiert, da es bisher vermieden wurde, die stabile Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Ma­ terialien über dem Asche-Schmelzpunkt und speziell über eine Temperatur von größer 1200°C bis etwa 1300°C durchzuführen.

Hierbei tritt hinzu, daß es sich überraschenderweise ge­ zeigt hat, daß das derart verbrannte kohlenstoffhaltige Ma­ terial unterschiedliche Anteile und sogar sehr hohe Anteile bis in den Bereich von 80% an nicht brennbaren Bestandtei­ len aufweisen konnte.

Um eine stabile, exotherme Verbrennung in einem Temperatur­ bereich größer 1200°C zu erreichen, war der Material­ durchsatz (kg/h) als Funktion des jeweils zu verbrennenden Materials und seiner nicht brennbaren Bestandteile sowie seines Heizwertes, seiner materialspezifischen Korngröße und des Verhältnisses von festen zu flüchtigen brennbaren Bestandteilen durchzuführen.

So hat sich beispielsweise bei Versuchen zur Verbrennung von Aktivkohle, die mit hohen Anteilen von nicht-brennbaren Zusätzen behaftet war, gezeigt, daß man mit einer Steige­ rung des Brennstoffdurchsatzes eine genauso gute und stabi­ le Flammenausbildung erreicht, wie es mit reiner Aktivkoh­ le, aber schon geringeren Brennstoffdurchsätzen erzielt werden konnte. Hierbei konnten sowohl in radialer als in axialer Richtung Temperaturen über die Brennkammer im Be­ reich von 1300°C erreicht werden.

Diese Erkenntnisse und die dabei erreichten Verweilzeiten der zu verbrennenden Partikel im Bereich von 2 s und mehr zeigen daher, daß das Verbrennungsverfahren mittels Spiral­ stromfeuerung in der vorgenannten Art geeignet ist, auch schadstoffbelastetes, kohlenstoffhaltiges Material zu ver­ brennen, so daß damit auch z. B. mit Dioxine, Furane, bela­ dene Materialien im Sinne einer Entsorgung verbrennbar sind bzw. Schwermetalle, Schwefelsäure etc. aus dem Material verflüchtigbar und in nachgeschalteten Filtern aus dem Sy­ stem ausschleusbar sind.

Aufgrund von Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der eingesetzten Spiralstromfeuerung, bei der die Par­ tikel im Verbrennungsraum einen spiralförmigen Weg und da­ mit eine hohe Verweilzeit aufweisen, hat sich gezeigt, daß die brennbaren Materialien als Kohlenstoff aller bekannten Modifikationen oder in Form von Kohlenstoffverbindungen in dem zu verbrennenden Material vorliegen können, wobei der Anteil an nicht brennbaren Bestandteilen 70% bis 80% betra­ gen kann. Unter Berücksichtigung der materialspezifischen Kennwerte des zu verbrennenden Materials, wie Heizwert, Be­ standteilen an festen Kohlenstoffen und flüchtigen, brenn­ baren Bestandteilen, der Korngröße und dergleichen läßt sich daher mittels des Materialdurchsatzes im Verbrennungs­ raum eine stabile exotherme Verbrennung bei einer Tempera­ tur von 1200°C bis 1300°C erreichen. Hierbei werden jedoch durch das tangentiale Einblasen der Verbrennungsluft und des Ma­ terial-Förderluftgemisches die problematischen Anbackungen sowie Abrasion von Asche an den Wandungen des Verbrennungs­ raums vermieden.

Vorteilhafterweise wird dabei die Einblasung des Materi­ al-Förderluftgemisches gekoppelt mit der Verbrennungsluft in Art einer Doppelleitung durchgeführt. Bei dieser tangential in den Verbrennungsraum mündenden Doppelleitung wird die Verbrennungsluft am Innenumfang der Verbrennungskammer ein­ geblasen, so daß sich eine verstärkte Luftzone zwischen Brennstoff und Wandung ausbildet. Hierdurch wird besonders im Bereich der Zuführung der festen Brennstoffe infolge der bekannten Schleifwirkung derartiger Brennstoffe die zu er­ wartende Abrasion des Feuerfestmaterials weitestgehend ver­ mieden.

Im Vergleich zu Rotationsbrennern bekannter Art hat sich auch gezeigt, daß man bei dieser Spiralstromfeuerung mit Einströmgeschwindigkeiten im Bereich von 12 m/s bis ca. 30 m/s und vorzugsweise mit etwa 20 m/s auskommt, um einer­ seits eine stabile Verbrennung und andererseits eine rela­ tiv hohe Verweilzeit mit etwa 2 s oder mehr der zu ver­ brennenden Partikel im Verbrennungsraum zu erreichen.

Auch zeigte es sich, daß das Verbrennungsverfahren und die entsprechende Spiralstromfeuerungs-Vorrichtung sowohl in horizontaler Anordnung als auch in vertikaler Anordnung betrieben werden kann. Zweckmäßigerweise können Materia­ lien mit Aschenanteilen kleiner 10% und einer Korngröße kleiner 1 mm bei horizontaler Anordnung der Brennkammer verbrannt werden. Bei kohlenstoffhaltigen Materialien mit Ascheanteilen größer 10% ist eine senkrechte Anordnung mit nicht geschmolzenem Ascheaustrag nach unten zu bevorzugen.

Vorteilhafterweise wird die Wandung der Brennkammer als Doppelwandung ausgelegt, um den inneren Mantel als Vorwärm­ mantel für die zugeführte Verbrennungsluft nutzen zu kön­ nen, wobei vorteilhafterweise gleichzeitig eine Kühlung des feuerfesten Materials erreicht wird. Dies ermöglicht es, den Verbrennungsvorgang zu beschleunigen und damit die axiale Länge der Brennkammer zu verkürzen, wobei keine Ver­ minderung des Ausbranntgrades eintritt. Das Einblasen des Material-Förderluftgemisches in den Verbrennungsraum ge­ schieht mindestens in einer Verbrennungsraumebene, bevor­ zugterweise jedoch in zwei axial geringfügig beabstandeten Ebenen. In einer Ebene können hierfür vier tangential ange­ ordnete, gleichmäßig über den Umfang verteilte Einblasdüsen vorgesehen sein. Bevorzugterweise werden in einer Ebene je­ doch nur zwei mit einem Zuführkanal für Verbrennungsluft gekoppelte Einblasdüsen für das Material-Förderluftgemisch genutzt, wobei diese Einblasdüsen dann um 180° gegen­ einander versetzt sind.

Die tangentialen Zuführkanäle für Verbrennungsluft sind in mehreren axialen Ebenen über die Länge der Brennkammer ver­ teilt angeordnet, wobei pro Ebene insbesondere vier oder mehr, je nach Brennergröße, gegeneinander versetzte Zuführ­ kanäle vorgesehen sind. Über entsprechende Regeleinrichtun­ gen kann daher die zugeführte Brennluft sowohl innerhalb einer Ebene als auch über die gesamte axiale Länge der Brennkammer volumen- und geschwindigkeitsmäßig in Abhängig­ keit von der Brennstoffart, der Korngröße und der Brenner­ leistung gut gesteuert werden. Diese Regelungsmöglichkeit erlaubt es, den Verbrennungsvorgang insgesamt gesehen so zu steuern, daß das gewünschte axiale wie radiale Temperatur­ profil im Verbrennungsraum erreicht wird.

Zudem läßt sich über diese Regeleinrichtung, die beispiels­ weise als Regelklappen oder Regelventile auch elektronisch angesteuert werden kann, auch im Kleinstlastbetrieb die er­ forderliche Spiralstrombewegung für eine stabile Verbren­ nung im Verbrennungsraum einstellen, so daß auch insgesamt gesehen die Verweilzeit der Feststoffpartikel im Verbren­ nungsraum hierdurch mitbestimmbar ist, wodurch auch der Ausbranntgrad bis in einen Bereich größer 99% steuerbar wird.

Im Hinblick auf eine Reduzierung der Stickoxidanteile (NO_x) eignet es sich, der Verbrennungsluft Rückbrüden zuzumischen, wodurch der absolute Sauerstoffgehalt relativ klein gehalten wird.

Da auch im Hinblick auf eine Verbrennung organischer Schad­ stoffe wie Dioxine, Furane etc. eine Verbrennungstemperatur größer 1200°C eingestellt wird, müssen die Probleme der Anbackung geschmolzener Ascheteilchen an den Wandungen sowohl in der Brennkammer als auch in nachgeschalteten Aggregaten vermieden werden.

An den Wandungen der Brennkammer kann dies in hervorragen­ der Weise durch das tangentiale Einblasen der Verbrennungs­ luft herbeigeführt werden, womit nicht nur eine Kühlzone im Wandungsbereich realisiert wird, in der die Ascheteilchen und das feuerfeste Material unterhalb ihres Ascheschmelz­ punktes abgekühlt werden. Vielmehr werden dadurch auch ab­ rasive Beeinträchtigungen der Wandung durch die zu verbren­ nenden Materialpartikel vermieden.

Die aus dem Verbrennungsraum austretenden Heißgase werden deshalb durch Zuführung oder Beimischung von Rückbrüden oder Frischluft auf eine Temperatur herabgekühlt, die ein Anbacken der Aschepartikel in den nachgeschalteten Aggrega­ ten und an den Wänden der nachgeschalteten Leitungen ver­ hindert. Hierzu wird vorrichtungsmäßig an die zylindrische Brennkammer der Spiralströmfeuerung eine Abkühl- oder Mischkammer angeschlossen, in der z. B. zur raschen Abküh­ lung der Heißgase Frischluft tangential, jedoch entgegen­ gesetzt zur Richtung der Spiralströmfeuerung eingeblasen wird.

Um bei der Verbrennung von schadstoffbeladenen, kohlen­ stoffhaltigen Materialien, deren Energieinhalt bei der Ver­ brennung nicht voll ausgenutzt werden soll, eine Rückbil­ dung im Sinne einer Denovo-Synthese, z. B. von Dioxinen zu verhindern, kann in kürzester Zeit eine Quentschung auf ei­ ne Temperatur kleiner 200°C durch Eindüsen von Wasser erfolgen. Für diesen Fall würde auch im Sinne der BIMSch (Bundesimmissionsschutzgesetz) das Nachschalten eines nor­ malen Filters und einer Rauchgasreinigungsanlage ausrei­ chen.

In Versuchsreihen hat sich das breite Einsatzgebiet der Er­ findung für die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Mate­ rialien, die auch mit toxischen Stoffen beladen sein kön­ nen, weitestgehend bestätigt. So können getrocknete Klär­ schlämme mit Korngrößen bis zu 5 mm und einer Restfeuchte kleiner 10% unter Nutzung der entsprechenden Energieinhal­ te für z. B. Trocknungszwecke, Wasseraufbereitung oder der­ gleichen zumindest teilentsorgt werden.

Auch ist die Verbrennung von gemahlenem Ölschiefer möglich, wobei der anfallende Ascheanteil zur Herstellung hochwerti­ ger Zemente genutzt werden kann. Auch die Verbrennung von Braunkohlenkoksen, die adsorptiv oder absorptiv gebundene organische toxische Stoffe, z. B. Furane oder Dioxine, ent­ halten, ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Ebenfalls konnten Steinkohlen-Koksabfälle mit niedrigem Gehalt an flüchtigen Kohlenwasserstoffen zur Ent­ sorgung dieses Abriebs verbrannt werden.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung könnte die Ver­ brennung von Filterstäuben sein, die aus der Verschwelung von Aluminiumabfällen entstehen und die im wesentlichen aus amorphem Kohlenstoff und feinkörnigem elementarem Aluminium zusammengesetzt sind und stark mit Dioxin und Furan beladen sind, unter Nutzung der Wärmeinhalte verbrannt werden.

Ein anderes Beispiel für den Einsatzbereich der Erfindung wäre die Verbrennung von Mischungen aus feinstkörnigen Kal­ ziumverbindungen und aufgemahlenen Kohlen oder Koksen, die aus Filtereinrichtungen von z. B. Müllverbrennungsanlagen stammen und dort zur Abscheidung von Schwermetallen, Dioxi­ nen und Furanen Verwendung fanden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung für eine Spiralstromfeuerung und einer tabellarischen Übersicht zu Beispielen verbrenn­ barer kohlenstoffhaltiger Materialien noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine tabellarische Übersicht über fünf in ihrer Ma­ terialstruktur sehr unterschiedliche verbrennbare Materialien;

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch die Brennkammer einer Spiralstromfeuerung mit nachgeschalteter Abkühlkam­ mer und

Fig. 3 einen radialen Schnitt längs der Linie A-B der Dar­ stellung nach Fig. 2.

Exemplarisch für dieses breite Einsatzgebiet der Erfindung sind in der Fig. 1 tabellarisch fünf kohlenstoffhaltige Ma­ terialien aufgeführt, die gemäß der Erfindung im Tempera­ turbereich größer 1200°C verbrannt werden können. Hierbei kennzeichnet C_fix den Bestandteil an festen Kohlenstoffen, a_flüchtig den Anteil an flüchtigen brennbaren Bestandteilen, "a" den Anteil anderer, nicht brennbarer Stoffe, _K die durchschnittliche Korngröße in Millimeter, Hu den thermischen Heizwert in kJ/kg.

In der axialen Schnittdarstellung nach Fig. 2 ist eine Spi­ ralstromfeuerungs-Vorrichtung 1, die nachstehend kurz Bren­ ner genannt wird, exemplarisch dargestellt. Die gesamte Vorrichtung weist dabei eine Brennkammer 2 auf, an deren rechter Stirnseite 18 eine durchmessergrößere Abkühlkammer 3 angeschlossen ist. Der zylinderförmige Brenner 1 weist an seiner linken Stirnseite 17 einen Anfahrbrenner 4 auf, der z. B. eine Gas- oder Ölzuleitung 5 und eine Zuleitung 6 für Verbrennungsluft hat.

Die eigentliche Brennkammer 2 ist von einem Doppelmantel mit innerem feuerfestem Mauerwerk 11, an das sich nach außen eine Ummantelung für Strömungskanäle 12 der Verbren­ nungsluft anschließt, umgeben. Über diesen Strömungskanal 12 wird die erforderliche Verbrennungsluft unter Zwischen­ schaltung entsprechender Regeleinrichtungen 13 in den Zuführkanälen 8 tangential in die Brennkammer 2 eingelei­ tet. Die Zuführkanäle 8 sind hierbei über die gesamte axiale Länge der Brennkammer 2 verteilt vorgesehen.

Im stirnseitigen Bereich (bei 17) sind in zwei axial von­ einander beabstandeten Ebenen Zuführkanäle 7 zur Einlei­ tung des kohlenstoffhaltigen, zu verbrennenden Materials als Material-Förderluftgemisch vorhanden.

Wie Fig. 3 zeigt, sind diese Zuführkanäle 7 im Sinne eines Doppelkanals direkt gekoppelt mit Zuführkanälen 8 der Ver­ brennungsluft. In der Darstellung nach dem Schnitt A-B sind in einer Ebene zwei um 180° versetzt und gegenüberlie­ gende Zuführkanäle 7 zum Einblasen der Materialförderluft vorhanden. In der Schnittebene A-B sind insgesamt vier um jeweils 90° gegeneinander versetzte Zuführkanäle 8 zur Einleitung der Verbrennungsluft dargestellt, die tangential übergehend an der Innenwandung der Wandung 11 in die Brenn­ kammer 2 münden.

Nach Aufheizen der Brennkammer mittels des Zündbrenners 4 wird unter Beibehaltung der Zündflamme über ein größeres Zeitintervall das Material-Förderluftgemisch über die Ka­ näle 7 und die erforderliche Verbrennungsluft über die Ka­ näle 8 eingeblasen. Unter Berücksichtigung der material­ spezifischen Parameter, wie Heizwert, Korngröße, Bestand­ teilen an festen Kohlenstoffen und flüchtigen Kohlenwas­ serstoffen sowie dem Anteil an nicht brennbaren Bestand­ teilen kann in dieser Spiralstromfeuerung eine stabile exotherme Verbrennung in einem Temperaturbereich größer 1200°C realisiert werden. Die Temperatur und die Ver­ weilzeit aufgrund der strömungstechnischen Gegebenheiten gestatten hierbei auch die Verbrennung schadstoffbeladener kohlenstoffhaltiger Materialien.

Insbesondere im Hinblick auf die sich an der Innenwand 9 der Wandung 11 aufbauende Kühlzone 14 wird das Anbacken ge­ schmolzener Aschepartikel in der Brennkammer 2 verhindert.

Um diese Anbackungsprobleme auch in nachgeschalteten Aggre­ gaten zu eliminieren, ist am Ausgang der Brennkammer 2 stirnseitig eine Kühlkammer 3 bzw. Mischkammer mit größerem lichtem Durchmesser als die Brennkammer vorgesehen. In die­ se Kühlkammer 3 werden über Zuführkanäle 16 und Einström­ öffnungen 19 Rückbrüden aus dem Prozeß bzw. Frischluft ein­ geströmt und die aus der Brennkammer austretende Heißgase auf eine Temperatur unterhalb des entsprechenden Asche- Schmelzpunktes herabgekühlt. Geeigneterweise folgt hierbei eine entgegengesetzte Einströmungsrichtung der Frischluft in die Abkühlkammer 3, wodurch eine innigere und raschere Vermischung und damit Abkühlung der Heißgase auf die ge­ wünschte Temperatur erreicht wird.

Claims (17)

1. Verfahren zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien mit materialspezifischer Korngröße in einer Spiralstromfeuerung,
bei dem die Verbrennung zunächst mittels einer Zündfeuerung, die nach einem Anfahr- Zeitintervall abgeschaltet wird, angefahren wird,
bei dem das zu verbrennende als Material-Förderluftgemisch eingeleitete Material und die Verbrennungsluft tangential in den Verbrennungsraum zugeführt werden,
und nach dem Anfahr-Zeitintervall die weitere Verbrennung selbständig durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die selbständige Verbrennung in Abhängigkeit vom Durchsatz des zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Materials in einem Temperaturbereich zwischen 1200°C und 1300°C durchgeführt wird,
daß die tangentialen Einströmgeschwindigkeiten des Material-Förderluftgemisches und der Verbrennungsluft im Bereich von 12 m/s bis 30 m/s eingestellt werden,
daß die kohlenstoffhaltigen Materialien etwa mindestens 2 s der Verbrennung ausgesetzt werden,
daß die Materialien mit materialspezifischer Korngröße im Bereich von 10^-4 mm bis 5 mm der Verbrennung zugeführt werden, und
daß mittels tangentialer Zuführung von Verbrennungsluft im radialen Außenbereich des Verbrennungsraumes eine im Vergleich zum Innenbereich des Verbrennungsraumes kühlere Zone mit einer Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes der Aschepartikel des verbrannten Materials aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltigen Materialien mit nichtbrennbaren Bestandteilen bis zu etwa 80% Gewichtsanteilen, z. B. als Sorbalith, Ölschiefer, Klärschlamm, der Verbrennung zugeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material-Förderluftgemisch mindestens in einer Verbrennungsraum-Ebene an mehreren, insbesondere gleichmäßig beabstandeten Stellen, und die Verbrennungsluft in mehreren Verbrennungsebenen über den Umfang des Verbrennungsraumes gleichmäßig verteilt, eingeblasen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material-Förderluftgemisch mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 m/s eingeblasen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise eine gekoppelte, tangentiale Zuführung des Material-Förderluftgemisches und der Verbrennungsluft in mindestens einer Verbrennungsraum- Ebene durchgeführt wird, bei der die Verbrennungsluft radial außen gekoppelt zum radial inneren Material- Förderluftgemisch eingeblasen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft vorgewärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Material-Förderluftgemisches und der Verbrennungsluft innerhalb und/oder auf den verschiedenen Verbrennungsraum-Ebenen geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel der zu verbrennenden kohlenstoffhaltigen Materialien bis zu einem maximalen Prozentsatz größer 99% ausgebrannt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Ascheanteil und der Korngröße eine im wesentlichen waagerechte oder senkrechte Verbrennung durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des NO_x-Anteils in den Verbrennungs- Heißgasen der Verbrennungsluft Rückbrüden zugeführt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verbrennungsraum verlassenden Heißgase, insbesondere durch Zuführung oder Beimischung von Rückbrüden und/oder Frischluft, auf eine Temperatur unterhalb des jeweiligen Ascheschmelzpunktes abgekühlt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verbrennungsraum verlassenden Heißgase einer abrupten Quentschung auf eine Temperatur von kleiner 200°C, insbesondere mittels eingedüstem Wasser, unterzogen werden.

13. Spiralstromfeuerungs-Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
mit einer zylindrischen Brennkammer,
mit einer Strömungskanäle für die Verbrennungsluft aufweisenden Ummantelung der Brennkammer,
mit im wesentlichen tangential in die Brennkammer mündenden Zuführkanälen für die in mindestens einer Brennkammer-Ebene als Material-Förderluftgemisch einleitbaren zu verbrennenden, kohlenstoffhaltigen Materialien und für die in mehreren axial beabstandeten Brennkammer-Ebenen einleitbare Verbrennungsluft, wobei die Zuführkanäle für das Material-Förderluftgemisch jeweils in Art einer Doppelleitung mit einem radial außen vorgesehenen Zuführkanal für Verbrennungsluft zur Bildung einer Kühlzone am Innenumfang der Brennkammer gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer axialen Stirnseite der Brennkammer (2) ein Anfahrbrenner (4) und auf der anderen axialen Stirnseite eine Abkühlkammer (3) für die die Brennkammer (2) verlassenden Heißgase und Aschepartikel vorgesehen ist,
daß die Abkühlkammer (3) einen größeren lichten Durchmesser als die Brennkammer aufweist, und
daß in die Abkühlkammer (3), insbesondere tangential gegenläufig zu den Zuführkanälen (7, 8) der Brennkammer (2), Strömungskanäle (19) zur Zuführung von Rückbrüden, Frischluft und/oder Wasser münden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Brennkammer-Ebene die Zuführkanäle (7; 8) mit gleichem peripherem Abstand voneinander vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer-Ebene des einströmenden Material- Förderluftgemisches gekoppelte Zuführkanäle (7; 8) mit einzelnen Zuführkanälen (8) für Verbrennungsluft abwechseln.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Regeleinrichtungen (13) zur Steuerung der Zuführung des Material-Förderluftgemisches und der Verbrennungsluft in der jeweiligen Brennkammer-Ebene und/oder zwischen axial unterschiedlichen Brennkammer-Ebenen vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführkanäle (7) für das Material-Förderluftgemisch im Bereich einer Stirnseite (17) der Brennkammer (2) in mehreren Brennkammer-Ebenen angeordnet sind.