DE4224571C2 - Drehrohrofen - Google Patents

Description

Sondermüll wird bevorzugt in Drehrohröfen verbrannt. Die Verbrennungsgase aus dem Drehrohr werden in eine Nachbrenn­ kammer eingeleitet, wo sie in Übereinstimmung mit gesetz­ lichen Vorgaben eine Mindestzeit auf einem bestimmten Tempe­ raturniveau verweilen müssen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in einem schematischen Längs­ schnitt und in einem Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 ein Beispiel einer derartigen Verbrennungsanlage nach dem Stand der Technik, wie sie von der Anmelderin in der Vergangenheit eingesetzt wurde.

Fester und pastöser Abfall wird über eine Einlaufschurre 2 bzw. in Gebinden an der feststehenden Stirnfläche 4 des Drehrohrofens 1 über den Einlaßquerschnitt 3 aufgegeben. Flüssige Reststoffe werden ebenfalls über diese Stirnfläche 4 zugeführt. Flüssige Reststoffe mit höherem Heizwert sowie kontaminierte Abwässer werden darüber hinaus in eine Nach­ brennkammer 6 eingedüst. Eine zuverlässige Zerstäubung in möglichst kleine Tropfen ist hier von grober Bedeutung, damit nicht wesentliche Anteile der Verweilzeit in der Nachbrennkammer für den Prozeß der Tropfenverdunstung ver­ braucht werden.

Für den Verbrennungsprozeß im Drehrohrofen 1 sind Menge und Art der Zuführung der Verbrennungsluft von erheblicher Be­ deutung. Bisher wurde die Verbrennungsluft über die Einlauf­ schurre 2 für den Festbrennstoff bzw. über ein Düsensystem in das Drehrohr 8 des Drehrohrofens 1 eingeleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit der eingetretenen Primärluft über die Einlaufschurre 2 ist dabei relativ gering, so daß auch nur wenig Energie für die Anfachung der Turbulenz zur Ver­ fügung steht. Ferner hat der Strömungsimpuls der beiden Arten der Primärlufteinleitung eine starke Komponente in Richtung Drehrohrachse A, so daß Teilmengen der Rauchgase das Drehrohr relativ schnell durchlaufen können, auch wenn im stirnwandnahen Bereich des Drehrohrofens ein impulsschwa­ ches Rückstromgebiet erzeugt wird. Hieraus resultiert ein unzureichender gasseitiger Ausbrand im Drehrohr 8, der eine intensive Nachverbrennung in der Nachbrennkammer 6 erforder­ lich macht. Darüber hinaus drückt bei dieser Art der Primär­ luftzufuhr die Luft von oben in Richtung des Pfeiles F auf das Brennstoff- oder Feuerbett 10. Die Rauchgase werden da­ durch im vorderen Bereich des Drehrohres gezwungen, seitlich im Drehrohr aufzusteigen. Hieraus resultieren zwei schwach ausgeprägte und schnell zerfallende gegenläufige Wirbel 12, 14. Dem natürlichen Flammenverhalten mit der Entwicklung einer ebenfalls turbulenzerzeugenden Thermik, die in der Mittenebene des Drehrohres nach oben in Richtung des Pfeiles T aufsteigt, wird dadurch entgegengewirkt, denn die Thermik induziert zwar auch ein Wirbelpaar 13, 15, jedoch mit gegen­ läufiger Drehrichtung zum Wirbelpaar 12, 14, welches durch die Primärluftzufuhr erzeugt wird.

Bekanntermaßen sind im Hinblick auf einen erwünschten wei­ testgehenden Ausbrand der Reststoffe Temperatur, Verweilzeit und Turbulenz von entscheidender Bedeutung. Betrachtet man die Vorgänge von einem oberflächlichen Standpunkt ohne ausreichenden Einblick in die wesentlichen physikalischen und chemischen Prozeßabläufe aus, könnte man zu dem Ergebnis kommen, daß eine erhöhte Turbulenz das Einhalten einer er­ forderlichen Verweilzeit behindert; dies deshalb, weil bei einem idealen Rührkessel mit intensiver Turbulenz Teil­ mengen des eingebrachten Stoffes bereits nach einer beliebig kurzen Verweilzeit den Reaktionsraum durchlaufen haben.

Im Hinblick auf das Erzielen eines vollständigen Abbrandes kommt auch dem Austrag gröberer Partikel aus Drehrohrofen und Nachbrennkammer eine große Bedeutung zu. Da grobe Par­ tikel relativ langsam ausbrennen, sollte deren Austrag aus dem Drehrohr weitestgehend unterbunden werden. Richtet man einen Primärluftstrahl höherer Geschwindigkeit auf den vorderen Abschnitt des Brennstoffbettes, können grobe Fest­ stoffpartikel verstärkt aufgewirbelt und aus dem Drehrohr ausgetragen werden. Auch dies sollte unterbunden werden.

Es ist ein Drehrohrofen mit horizontal angeordnetem Drehrohr bekannt, bei dem Verbrennungsluft mittels eines Gebläses in Richtung parallel zur horizontalen Drehachse des Drehrohres und dazu etwas versetzt über die Stirnwand eingeblasen wird (DE 27 09 671 B2).

Ferner ist ein Drehofen bekannt, bei dem in einer die Drehrohr-Drehachse enthaltenden Ebene in einer Reihe angeordnete Brenner und Düsen den Drehrohrventil durchsetzend in Richtung auf das Brennstoffbett geneigt angeordnet sind (DE-OS 15 26 057).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst weitgehenden Abbrand der Reststoffe sowohl in der Gasphase als auch im Brennstoffbett sicherzustellen.

Diese Aufgabe ist durch Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung schlägt somit eine neuartige Primärluftzufuhr vor. Während bislang die Primärluftzufuhr der natürlichen Konvektion im Drehrohr entgegenwirkte, wird mit der neuar­ tigen Primärluftzufuhr nach der Erfindung die natürliche, das heißt die thermikinduzierte Konvektion angefacht.

Dem liegt die Einsicht zugrunde, daß Turbulenz zwar durchaus einen sehr positiven Einfluß auf den Verbrennungsprozeß aus­ übt, daß jedoch primär ein Queraustausch bezogen auf die Achslage in Drehrohrofen und Nachbrennkammer, anzustreben ist, während eine intensive grobskalige Turbulenz in Längs­ richtung nachteilige Folgen hat. Wenn hier demnach summa­ risch von der positiven Wirkung der Turbulenz gesprochen wird, so impliziert dies immer, daß man von einer grobska­ ligen Turbulenz in Querrichtung zur Drehrohr- bzw. Nach­ brennkammer-Achse ausgeht, während der mittel- und feinska­ ligen Turbulenz, die zwangsläufig auch starke koaxiale Komponenten aufweist, keine bevorzugte Richtung zukommt.

Die Prozesse, die normalerweise erst in der Nachbrennkammer ablaufen, werden bei Einsatz eines Drehrohrsystems nach der Erfindung weitgehend schon im Drehrohr abgeschlossen, so daß der Nachbrennkammer nur noch die Funktion einer Reaktionsre­ servezone zukommt. Dadurch ist eine Betriebsweise mit gerin­ gem Sauerstoffgehalt bei intensivierter Durchmischungsrate möglich, wodurch ein verbessertes Temperatur-Verweilzeit­ profil erzeugt wird. Dies ermöglicht es, den Einsatz höher­ wertiger Brennstoffe weitgehend zu reduzieren. Das Konzept der Erfindung läßt sich in der Kurzformel "Drehrohrofensystem mit Verbrennungsluftführung im Dop­ pelwirbel zur integrierten Nachverbrennung gasförmiger Schadstoffe" zusammenfassen.

Da der Antriebsmechanismus, der durch die Flammenthermik ins Spiel kommt, erst zum stirnwandfernen Ende des Drehrohres hin abnimmt, wirkt ein in der Nähe der Stirnwand des Dreh­ rohres durch gegenläufige tangentiale Primärlufteinleitung erzeugtes und mit der thermikinduzierten Wirbelströmung gleichsinnig drehendes Wirbelpaar trotz Wandreibung wesent­ lich intensiver als ein gegenläufig zu dem thermikerzeugten Wirbelpaar drehendes Wirbelpaar oder als ein einziger Wir­ bel.

Durch die Erzeugung des Wirbelpaares wird auch eine klein­ räumige intensive Rückmischung heiter Verbrennungsgase in den Stirnwandbereich erzielt. Hierdurch wird die Zündung des zu verbrennenden Reststoffes begünstigt.

Durch die Primärluftzufuhr nach der Erfindung wird die Ver­ mischung im Drehrohr wesentlich verbessert, und zwar im wesentlichen durch einen Lateraleffekt. Dies ist auch des­ halb von großer Bedeutung, weil im Zuge der Wertstoffrück­ gewinnung der Heizwert der festen und flüssigen Reststoffe weiter abnehmen dürfte. Es besteht daher ein großes Inter­ esse daran, den Abbrand bei geringerem Sauerstoffangebot zu steigern. Dies ist mit der Erfindung erreichbar.

Wenn zuviel Luft als Sauerstoffträger und Impulsspeicher für Vermischungsprozesse eingebracht wird, sinkt die Tempe­ ratur der Verbrennungsprodukte zwangsläufig, so daß tatsäch­ lich in erheblichem Umfang Stützfeuerung eingesetzt werden muß, um die Temperatur-Verweilzeitbedingungen zu erfüllen. Es kommt dann zu der paradoxen Konzeption, daß zwar, dem Gebot der Wertstoffrückgewinnung folgend, Komponenten mit höherem Heizwert (z. B. Lösungsmittel) mit erheblichen Kosten und begrenzter Reinheit aus dem Abfall zurückgewon­ nen werden, daß jedoch statt dessen wertvolle Rohstoffe (Heizöl, Erdgas) eingesetzt werden müssen, um die erforder­ lichen Temperaturen in der Nachbrennkammer zu erreichen.

Dies wird mit der Erfindung, soweit möglich, vermieden.

Ein weiterer Aspekt, der sich im Verlauf umfangreicher ex­ perimenteller Untersuchungen gezeigt hat, ist der folgende:

Bei Primärluftzufuhr über die Feststoffaufgabe (Einlauf­ schurre) ist schon nach der halben Drehrohrlänge in der Nachbarschaft des Brennstoffbettes nur noch ein schwacher Geschwindigkeitsgradient in der Gasphase festzustellen. Die Sauerstoffzufuhr in den austrittsseitigen Bereich des Brenn­ stoffbettes im Drehrohr ist demnach beeinträchtigt. Im Gegensatz hierzu wird durch die Doppelwirbelkonfiguration nach der Erfindung auch noch in einem Bereich jenseits der halben Drehrohrlänge der Impuls- und Stoffaustausch und demzufolge auch der Sauerstoffeintrag sowie die grob-, mittel- und feinskalige Vermischung der Reaktionspartner stark angefacht. Durch einen beschleunigten Abtransport der gasförmigen Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungszone wird auch der Abbrand an der Oberfläche des Brennstoffbettes positiv beeinflußt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich­ nungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzel­ heiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 einen schematischen Längschnitt durch ein Drehrohr­ system nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie V-V in Fig. 3.

Gleiche Teile sind in den Fig. 3 bis 5 mit gleichen Be­ zugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Dargestellt ist in den Fig. 3 und 4 das Strömungsfeld, wie es sich bei Einblick in das im Uhrzeigersinn drehende (Pfeil f) Drehrohr 8 durch eine durchsichtig angenommene, nicht mit dem Drehrohr 8 mitdrehende Stirnwand 4 ergibt. Wenigstens zwei, und höchstens acht Primärluftdüsen 20, 22 durchsetzen den oberen Bereich der Stirnwand 4 unter einem Winkel α. Die Primärluft wird bei Betrachtung von der Stirn­ wand 4 her (Fig. 4) im wesentlichen tangential zu einem Kreis um die Drehrohrachse (A) durch die Primärluftdüsen 20, 22 (also hier nicht über die Einlaufschurre 2) eingebla­ sen, so daß zwei gegenläufige Wirbel 24, 26 mit zur Dreh­ rohrachse (A) parallelen Drehachsen 25, 27 und Drehrichtun­ gen erzeugt werden, die zu einem zentralen aufsteigenden Strom in gleicher Richtung wie die thermikinduzierte Bewe­ gung der Brenngase führt (Doppelpfeil T, F). Die Primärluft heizt sich auf ihrem Weg zum Brennstoffbett 10 durch Zu­ mischung rezirkulierender Verbrennungsgase auf (Fig. 4), und facht das Feuer von beiden Seiten des Brennstoffbettes 10 her an.

Durch Variieren des Neigungswinkel a der Primärluftdüsen 20, 22 lädt sich die Steilheit oder Steigung der Wirbelspi­ rale auf die Erfordernisse des jeweiligen Brennstoffbettes 10, wie den lokalen Sauerstoffbedarf, einstellen.

Um die Einmischung rezirkulierender Rauchgase in den Primär­ luftstrahl im Betrieb variieren zu können, ist es möglich, jede der zwei bis acht Primärluftdüsen 20, 22 mit einem einstellbaren Drallerzeuger (verstellbares Dralleitgitter) auszurüsten. Während ein in sich unverdrallter Primärluft­ strahl vergleichsweise gut gebündelt bleibt und mit erheb­ lichem Impuls in das Brennstoffbett 10 eindringt, was mit einem verstärkten Funkenflug einhergehen kann, wird sich ein Primärluftstrahl mit zunehmendem Eigendrall durch Ver­ brennungsgaszumischung abschwächen.

Hiermit ist eine Anpassung an die Erfordernisse des Brenn­ stoffbettes 10 mit geringem Aufwand möglich.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann auch ein Mischbetrieb vorteilhaft sein, bei dem ein gewisser Prozentsatz der Primärluft wie bisher über die Festbrennstoffaufgabe (Ein­ laufschurre 2 gemäß Fig. 1) in das Drehrohr 1 eingeleitet wird. Dies gilt insbesondere für eine Vermeidung des Ein­ trages aufgewirbelter Partikel in die Einlaufschurre 2.

Ferner ist auch die Nutzung eines vom Stirnwandbrenner (nicht gezeigt) eingebrachten Impulses für die Erzeugung der "Doppelwirbel" 24, 26 unter gewissen Randbedingungen vorteilhaft.

Da das wie beschrieben aufgebaute "Doppelwirbelsystem" nach der Erfindung auch noch im stirnwandfernen Drehrohrende am Drehrohraustritt 9 einen relevanten Drall aufweist, ist es sinnvoll, die in diesem Wirbelsystem steckende Bewegungs­ größe für Vermischungsprozesse in der Nachbrennkammer 6 zu nutzen. In konsequenter Verfolgung-der Grundidee sind daher auch die am Übergang von Drehrohrofen 1 zur Nachbrennkammer 6 bzw. in der Nachbrennkammer 6 eingesetzten Brenner bzw. Mischluftdüsen 30, 32, 33 derart angeordnet, daß mit ihnen die schon bestehende Mischungstendenz durch den aus dem Drehrohr 1 austretenden Doppelwirbel 24, 26 verstärkt wird, so daß gegenläufige Wirbel 34, 36 auch in der Nachbrennkam­ mer 6 vorhanden sind. Für die Anordnung von Brennern und Mischluftdüsen 30, 32, 33 in der Nachbrennkammer 6 ist es von entscheidender Bedeutung, die einzelnen Impulsquellen nicht zu schwach auszuführen. Die Zahl der Brenner oder Mischluftdüsen darf daher nicht zu groß gewählt werden. Als bevorzugte Konfiguration dürfte sich eine Anordnung von mindestens drei Brennern gemäß Fig. 5 oder umgekehrt, das heißt mit nur einem mittigen Brenner 33 auf der Dreh­ rohrseite und zwei Brennern 30, 33 auf der drehrohrfernen Seite (Wand 7) der Nachbrennkammer 6, bewähren.

Zweckmäßigerweise wird die Konfiguration von drei Düsen oder Brennern 30, 32, 33 in einer gemeinsamen horizontalen Ebene E1 angeordnet (Fig. 3).

Es kann zur Unterstützung des Wirbelbildungseffektes auch von Vorteil sein, in der Nachbrennkammer 6 mehrere solche Sätze von zum Beispiel je drei Brennern bzw. Mischluftdüsen über die Höhe der Nachbrennkammer 6 verteilten parallelen Ebenen anzuordnen, wie durch eine zweite Ebene E2 in Fig. 3 angedeutet.

Claims (16)

1. Drehrohrofen mit Primärlufteinleitung durch die Stirnwand des Drehrohres mittels eines Düsensystems mit in Richtung auf das Brennstoffbett geneigten Düsen, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsensystem mindestens zwei Primärluftdüsen (20, 22) umfaßt, die beidseitig und mit Abstand von der vertikalen axialen Drehrohr-Mittelebene tangential zu einem Kreis um die Drehrohrachse (A) gerichtet sind.

2. Drehrohrofen mit Nachbrennkammer nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß durch Anordnung mit einem mittigen Brenner oder einer Düse (33) auf der Drehrohrseite und zwei Brennern oder Düsen (30, 32) auf der drehrohrfernen Seite in der Nachbrennkammer (6) die aus dem Drehrohr (1) auslaufenden beiden gegenläufigen Wirbel (24, 26) verstärkt werden.

3. Drehrohrofen mit Nachbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anordnung mit einem Brenner oder einer Düse (33) auf der drehrohrfernen Seite und zwei Brennern oder Düsen (30, 32) auf der Drehrohrseite in der Nachbrennkammer (6) die aus dem Drehrohr (1) auslaufenden beiden gegenläufigen Wirbel (24, 26) verstärkt werden.

4. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß maximal acht Primärluftdüsen (20, 22) die Stirnwand (4) des Drehrohes (1) unter einem Winkel (α) durchsetzen.

5. Drehrohrofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftdüsen (20, 22) einzeln zu- bzw. abschaltbar sind.

6. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftdüsen (20, 22) in der oberen Hälfte der Stirnfläche (4) des Drehrohres (1) angeordnet sind.

7. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) der Primärluftdüsen (20, 22) bezüglich der Stirnwand des Drehrohrofens zur Anpassung an die Bedürfnisse des Feuers im Bereich zwischen 45°-80° variabel ist.

8. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluftdüsen (20, 22) in der Stirnwand (4) des Drehrohres (1) um ihre Längsachse drehbar sind, um das Drehmoment des Primärluftstrahles bezüglich der Drehrohrachse (A) variieren zu können.

9. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß je ein verstellbares Leitrad mit variablen Drall in jede Primärluftdüse (20, 22) eingebaut ist, um die Einmischung rezirkulierter Verbrennungsgase anzupassen.

10. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Primärluft zusätzlich über eine Einlaufschurre (2) zugeführt wird, welche zum Einbringen von Brennstoffen dient, um einen Mischbetrieb zu ermöglichen.

11. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stirnwandbrenner vorgesehen ist, der die Wirbelbildung gezielt mitbeeinflußt, um einen Mischbetrieb zu ermöglichen.

12. Drehrohrofen mit Nachbrennkammer nach Anspruch 2, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Brenner und/oder eine Mischluftdüse (33) in der dem Drehrohraustritt (9) gegenüberliegenden Wand (7) der Nachbrennkammer (6) angeordnet ist.

13. Drehrohrofen mit Nachbrennkammer nach einem der Ansprüche 2, 3, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Brenner bzw. Mischluftdüsen (30, 32) am Umfang der Nachbrennkammer (6) angeordnet sind, um paarweise das symmetrische Doppelwirbelsystem mit den gegenläufigen Wirbeln (24, 26) in der Nachbrennkammer (6) zu verstärken.

14. Drehrohrofen mit Nachbrennkammer nach einem der Ansprüche 2, 3, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner bzw. Mischluftdüsen (30, 32, 33) einzeln zu- bzw. abschaltbar sind.

15. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner und/oder Mischluftdüsen (30, 32, 33) in einer horizontalen Ebene (E1) angeordnet sind.

16. Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze Brenner und/oder Mischluftdüsen in über die Höhe der Nachbrennkammer (6) verteilten parallelen Ebenen (E1, E2) angeordnet sind.