DE68908178T2

DE68908178T2 - Vorrichtung und verfahren zur behandlung von festen teilchen mit der flamme.

Info

Publication number: DE68908178T2
Application number: DE89906589T
Authority: DE
Inventors: Gregory Gitman
Original assignee: American Combustion Inc
Current assignee: American Combustion Inc
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1989-05-25
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2009-05-26
Also published as: AU628825B2; US4890562A; JPH03504463A; AU3741689A; WO1989011346A1; EP0420873B1; EP0420873A1; JP2920394B2; EP0420873A4; DE68908178D1

Description

Technischer Anwendungsbereich

Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit der Verbrennungsindustrie. Genauer gesagt steht sie im Zusammenhang mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Behandlung von festen Teilchen in einer Flamme, um ihre Oberfläche schnell aufzuheizen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Teilchen zu ändern.

Stand der Technik

Kleine, feste Teilchen, wie Flug- und Bodenasche aus Verbrennungsöfen, Flugasche aus elektrischen Lichtbogenöfen und Glasperlen aus zur Entfernung von Farbe benutzten Strahl-Maschinen können mit gefährlichen organischen Materialien und Metallen verunreinigt sein. Solche Teilchen werden häufig durch Umweltschutzgesetze als gefährlicher Abfall eingestuft und müssen vor der Entsorgung oder der Wiederbenutzung behandelt werden, um organische Komponenten zu entfernen, und um, falls dies gewünscht ist, eine Agglomeration von Teilchen zu bilden.
Die Behandlung von festen Teilchen in einer Flamme durch Einbringung der Teilchen in herkömmlich angeordnete Flammenmuster ist seit einiger Zeit bekannt. Der bekannte Stand der Technik benutzt allerdings die Verbrennungsenergie nicht effizient, stellt keine gleichbleibende Qualität der Behandlung zur Verfügung, und besitzt keine ausreichende Durchsatz-Kapazität. Diese Unzulänglichkeiten haben die Flammenbehandlung für viele industrielle Anwendungen technisch und ökonomisch unattraktiv gemacht.
Der wichtigste Grund für die Unzulänglichkeit der Flammenbehandlung resultiert aus der Unfähigkeit, eine spezielle Flammenmuster-Struktur zu erzeugen, um gleichzeitig die Kontrolle über die Einheitlichkeit der Heizung der Teilchen, über die notwendige hohe Rate von Wärmefluß von Verbrennungsprodukten zu den Teilchen, über die Speicherzeit und die Einheitlichkeit der Verteilung von Oxidation oder Reduktion von Komponenten in den Gasen, welche mit den behandelten Teilchen in Kontakt sind, zu gewährleisten. Zusätzlich sind die derzeit verfügbaren Verfahren für die Flammenbehandlung nicht in der Lage, eine angemessene Anhäufung von heißen, behandelten Teilchen zur Verfügung zu stellen, wenn dies erwünscht ist. Solche Anhäufung ist notwendig, um während der Lagerung oder wenn die Teilchen in einer Landauffüllung verwendet werden das Auslaugen von Teilchen ins Grundwasser durch eine substantielle Reduktion der Gesamtoberfläche der behandelten Teilchen zu verhindern.
WO-A-8702278 veröffentlicht eine Anordnung, um Plastik zu schmelzen und ein Objekt mit einem Plastiküberzug zu versehen.
Es gibt daher die Notwendigkeit eines verbesserten Verfahrens und einer Anordnung, um feste Partikel wie Flugasche und Bodenasche zu behandeln.
Es gibt ebenfalls eine Notwendigkeit für ein Verfahren und eine Anordnung, welche solche Teilchen anhäuft. Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zur Behandlung von festen Teilchen in Wärme hoher Intensität zur Verfügung gestellt, welche folgendes umfaßt
a) Verbrennungskammer;
b) Mittel zur Einbringung der genannten Teilchen in die genannte Verbrennungskammer als Vielzahl von Strömen;
c) erstens Mittel zur Einbringung von Brennstoff in die genannte Verbrennungskammer innerhalb des durch die genannten Ströme von Teilchen gebildeten Volumens;
d) zweitens Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Bereich der genannten Verbrennungskammer, der den genannten Strom von Teilchen umgibt; und
e) Mittel zur Einbringung von oxidierendem Gas in die genannte Verbrennungskainmer, so daß das oxidierende Gas sich mit dem genannten Brennstoff mischt und diesen verbrennt, um eine erste Flamme hoher Intensität innerhalb des durch die genannten Ströme von Teilchen gebildeten Bereiches und eine zweite Flamme hoher Intensität, welche die genannten Ströme von Teilchen umgibt, zu bilden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von festen Teilchen zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt :
a) Einbringen der genannten Teilchen in eine Verbrennungskammer als Vielzahl von Strömen;
b) Anliefern eines ersten Brennstoffes zur genannten Verbrennungskammer innerhalb des durch die genannten Ströme gebildeten Bereiches;
c) Anliefern eines zweiten Brennstoffes zur genannten Verbrennungskammer an Stellen, welche den genannten Strom von Teilchen umgeben;
d) Einbringen von oxidierendem Gas in die genannte Verbrennungskammer, so daß sich das genannte oxidierende Gas mit den genannten ersten und zweiten Brennstoffen mischt und diese verbrennt, um eine Flamme hoher Intensität innerhalb des durch die genannten Ströme von Teilchen gebildeten Bereiches und eine zweite Flamme hoher Intensität, welche die genannten Teilchenströme umgibt, hervorzubringen.
Falls Agglomeration der Teilchen gewünscht wird- können die Ströme in die Verbrennungskammer auf einem sich kreuzenden Weg so eingebracht werden, daß die Teilchen der verschiedenen Ströme mit anderen Teilchen aus anderen Strömen kollidieren. Auf diese Art und Weise wird die Oberfläche der Teilchen weich, während sie in der Flamme geheizt werden und sie bilden bei Zusammenstoß mit anderen Teilchen Agglomerationen. Ein zusätzlicher Strom eines agglomerationsfördernden Mittels, wie Salz, das einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt, kann entweder vor oder während der Behandlung zugeführt werden. Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstören von Verunreinigungen in festen Teilchen zur Verfügung zu stellen.
Ebenfalls ist es eine Leistung der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die solche Teilchen agglomeriert.
Dies und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Hinblick auf die Zeichnungen deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine Ansicht eines Querschnittes durch eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dar.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt an der Linie 2-2 von Fig. 1.
Fig. 3 stellt die Ansicht eines Querschnittes durch eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dar.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgezogene Ausführungsbeispiel wird nun im Hinblick auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Nummern für gleiche Teile in allen Ansichten stehen. Im Hinblick auf Fig. 1 und Fig. 3, hat ein Brenner 2 eine Verbrennungskammer 10, welche durch Wasser gekühlt wird, das durch Einlaß 12 zugeführt wird und durch Auslaßöffnung 14 austritt. Ein Behälter 16 zum Lagern von festen Teilchen vor der Behandlung ist vorgesehen, obwohl jede äußere Quelle von Teilchen benutzt werden kann. Eine Anzahl von Transportrohren 11 transportiert die Teilchen aus dem Behälter 16 und führt die Teilchen den Fluid-Trägerrohren 20 zu. Die Trägerrohre 20 sind an einem Ende mit einer Quelle von unter Druck stehendem strömungsfähigen Medium, so wie Luft, verbunden und mit Versorgungsleitungen 18 am anderen Ende. Die Versorgungsleitungen 18 führen durch den Brenner 2 und enden in einer Anzahl von Versorgungsöffnungen 30, 32, 34, 36 angeordnet an der inneren Wand der Verbrennnungskammer 10, wie ies aus Fig. 2 ersehen werden kann. Das strömungsfähige Medium unterstützt den Transport der Teilchen durch die Trägerrohre 20 und Zuführungsleitungen 18 zur Kammer 10.
Brennstoffversorgungsleitungen 22 zur Anlieferung von steuerbaren Mengen von Brennstoff zur Verbrennungskammer 10 sind vorgesehen. Ein erster Bruchteil des Brennstof fes wird von den Brennstofföffnungen 24 zu dem die Ströme von Teilchen umgebenden Eereich geleitet, und tritt in die Kammer 10 durch Öffnungen 30, 32, 34, 36 ein und ein zweiter Bruchteil des Brennstoffes wird von der Brennstoffablaßöffung 26 zum mittleren Bereich geleitet, der von den Strömen umgeben wird, wenn sie in Kammer 10 eintreten. Es ist vorzuziehen, daß die ersten und zweiten Brennstofföffnungen 24 und 26 an der inneren Wand der Kammer 10 jeweils miteinander abwechselnd in einem Kreis angeordnet werden.
Mittel zur Zuführung von oxidierendem Gas zu der Verbrennungskammer 10 zur Verbrennung der Teilchen sind ebenfalls vorgesehen. Diese Mittel beinhalten vorzugsweise eine erste Führung 28, die an einem Ende leitungsverbindend mit einer Quelle von oxidierendem Gas verbunden ist, und eine Ausflußöffnung 38 am anderen Ende hat, die in der Mitte der inneren Wand der Verbrennungskammer 10 angeordnet ist. Das oxidierende Gas von der Öffnung 38 vermischt sich mit dem zweiten Bruchteil von Brennstoff, der von den Brennstofföffnungen 26 eingebracht wird, um eine Flamme hoher Intensität innerhalb des von den Teilchenströmen umgebenen Bereiches zu bilden. Eine zweite Führung 42, die an einem Ende leitungsverbindend mit einer Quelle von oxidierendem Gas verbunden ist und sich in die Verbrennungskammer 10 durch eine Anzahl von Öffnungen 40 entleert, die sowohl die Teilchenöffnungen 30, 32, 34, 36 als auch die Brennstofföffnungen 24 und 26 umgeben, ist ebenfalls enthalten. Das Gas, das die Öffnungen 40 verläßt, vermischt sich mit dem ersten Bruchteil des Brennstoffes, der durch die Brennstofföffnungen 24 eingebracht wird, um eine Flamme hoher Intensität zu bilden, die den Strom von Teilchen umgibt.
Wenn die Vorrichtung benutzt wird, um Teilchen ohne Agglomeration zu erhitzen und/oder zu dekontaminieren, sollten die Zuführungsleitungen 18 und die Öffnungen 30, 32, 34, 36 zueinander in annähernd paralleler Beziehung so angeordnet werden, daß die Ströme von Teilchen, die in die Kammer eintreten, sich nicht kreuzen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn Agglomeration gewünscht wird, sollten die Zuführungsleitungen 18 auf die Achse der Verbrennungskammer 10 so gerichtet sein, daß die Ströme von Teilchen sich überkreuzen, kollidieren und miteinander verkleben, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Während des Betriebs wird die Wärme von den Wänden der Verbrennungskammer 10 an das Wasser weitergegeben, das durch Einlaßöffnung 12 eintritt, und durch Auslaßöffnung 14 austritt. Teilchen werden durch die Trägerrohre 20 transportiert, um Führungsleitungen 18 zusammen mit dem strömungsfähigen Medium zu versorgen, und werden in die Verbrennungskammer 10 eingebracht. Gleichzeitig wird der erste Bruchteil des Brennstoffes zur Verbrennungskammer durch die erste Brennstofföffnung 24 zugeführt, und der zweite Bruchteil des Brennstoffes wird zur Kammer 10 durch die zweite Brennstofföffnung 26 zugeführt. Oxidierendes Gas, das vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von mehr als 21% besitzt, wie käuflicher Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, wird zu der Verbrennungskammer 10 durch die erste Sauerstofführung 28 und Öffnung 38 sowie die zweite Sauerstofführung 30 und Öffnung 40 zugeführt, um sich mit den Bruchteilen von Brennstoff zu vermischen. Die Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff bewirkt, daß Wärme innerhalb und außerhalb der Teilchenströme, die von zwei Flammen umgeben sind, freigesetzt wird. Ein Bruchteil des gesamten Brennstof fes wird im mittleren Bereich der Teilchenströme verbrannt und der andere Bruchteil des Brennstoffes wird im peripheren Bereich der Flamme verbrannt, der die Ströme umgibt. Diese Bruchteile werden durch das Verhältnis der Gesamt-Querschnittsfläche der Brennstoffablaßöffnungen 24 und 26 gesteuert, die die beiden Bruchteile des Gesamtbrennstoffes anliefern. Optional können zwei oxidierende Gase, die voneinander unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen aufweisen, zur Verbrennungskammer 10 zugeführt werden. In einem solchen Fall sollte das Gas, das durch die erste Sauerstof führung 28 angeliefert wird, den höheren Sauerstoffgehalt haben, um angemessene Erhitzung der Teilchen zu gewährleisten. Die Teilchen entziehen Wärme von dem kleineren Verbrennungsvolumen, das in der Flammenmitte angeordnet ist und von dem größeren Verbrennungsvolumen, das den äußeren Teil der Flammeneinhüllung bildet. Daher sollte, um Einheitlichkeit der Erhitzung zu gewährleisten, die adiabatische Temperatur und die gespeicherte Wärmemenge pro Volumen des Verbrennungsvolumens im mittleren Volumen der Flamme höher sein als dieselben Verbrennungsparameter des äußeren Bereiches der Flammeneinhüllung.
Sehr hohe adiabatische Flammentemperaturen werden benutzt, um einen Wärmeübergang von den Flammen zur Oberfläche der Teilchen herzustellen, welcher entscheidend höher ist als der Wärmeübergang vo Teilchen, die durch Wärmeleitung innerhalb der Teilchen geheizt werden. Dies führt zu einem schnellen Temperaturanstieg der Oberfläche der Teilchen. Die sehr kurze Aufenthaltszeit der Teilchen innerhalb der Hochtemperatur-Flamme ermöglicht es, die Oberflächen der Teilchen auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, und ermöglicht Verdampfung und Verbrennung von organischen Materialien sowie die Verglasung der Oberfläche der Teilchen, ohne daß das gesamte Volumen des Teilchens erhitzt wird. Dieses reduziert die zur Wärmebehandlung der Oberfläche benötigte Wärmemenge erheblich.
Wenn die Teilchen ohne die Bildung von Agglomerationen behandelt werden sollen, werden die Teilchen entweder im Flug von umgebender Luft außerhalb der Kammer 10 gekühlt, oder durch das Hinzufügen von Wasser, oder durch andere Kühlmittel. Dieser Schritt der Kühlung wird auf eine solche Art und Weise ausgeführt, daß die Temperatur der Oberfläche der Teilchen erheblich reduziert wird, bevor sie miteinander in Kontakt treten. Wenn Agglomeration gewünscht wird, werden die Teilchen durch Versorgungsleitungen 18 geführt, die unter einen Winkel angeordnet sind, so daß die Teilchen durch die Kammer transportiert werden, wo sie teilweise vorerhitzt werden, bevor sie miteinander zusammenstoßen. Die vorerhitzten Teilchen agglomerieren beim Zusammenstoß. Um die Agglomeration von Teilchen zu fördern, kann ein spezifisches, agglomerationsförderndes Mittel so wie Salz, das einen niedrigen Schmelzpunkt hat, herangeführt werden um sich mit den Teilchen zu mischen. Dieses Mittel kann vor der Verbrennung mit den Teilchen gemischt werden, oder als separater Strom in die Kammer 10 eingebracht werden, welcher auf die Teilchen trifft, nachdem diese teilweise vorerhitzt wurden. Falls keine Agglomeration erwünscht ist, werden die Versorgungsleitungen 18 so parallel angeordnet, daß eine Kollision der Teilchen beim Eintritt in die Kammer 10 minimiert wird.
Viele andere industrielle Anwendungen außer der Entfernung von Verunreinigungen können die vorliegende Erfindung benutzen. Praktisch jede Anwendung, die das schnelle Erhitzen von Oberflächen von Teilchen benötigt, wird durch Benutzung der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Beispiele hierfür umfassen das Flammenpolieren der Oberflächen von Glasteilchen, um reflektierende Glaskörner zu erzeugen, und das Verbrennen und Wiederverwenden der Rückstände von Bindern von gemahlenen Fiberglas-Abfällen.

Claims

1. Vorrichtung für eine Behandlung von festen Teilchen in Wärme sehr hoher Intensität, bestehend aus

a) einer Verbrennungskammer (10);

b) Mitteln (30,32,34,36), um die genannten Teilchen in die genannte Verbrennungskammer als Vielzahl von Strömen einzubringen;

c) ersten Mitteln, um Brennstoff innerhalb des durch die genannten Ströme von Teilchen gebildeten Volumens in die genannte Verbrennungskammer einzubringen ;

d) zweiten Mitteln (24), um Brennstoff in den die genannten Ströme von Teilchen umgebenden Bereich der genannten Verbrennungskammer einzubringen; und

e) Mitteln (38), um oxydierendes Gas in die genannte Verbrennungskammer einzubringen, so daß das genannte oxydierende Gas sich mit dem genannten Brennstoff vermischt und diesen verbrennt, um eine erste Flamme hoher Intensität in dem von den genannten Strömen von Teilchen gebildeten Bereich und eine zweite Flamme hoher Intensität, die die genannten Ströme von Teilchen umgibt, zu bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannten Mittel, zum Einbringen von Teilchen ein Mittel (20) umfassen, um unter Druck stehende Flüssigkeit heranzuführen zur Vermischung mit den genannten Teilchen vor der Einbringung in die genannte Verbrennungskammer, um die genannten Teilchen zur genannten Verbrennungskammer zu transportieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte Mittel zur Heranbringung von oxydierendem Gas oxydierendes Gas heranführt, das ein durchschnittliche Sauerstoff-Gesamtkonzentration von mehr als 21 % hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner Mittel zur Wasserkühlung der genannten Verbrennungskammer besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 wobei das genannte Mittel zur Heranführung von oxydierendem Gas ein erstes oxydierendes Gas innerhalb des durch die genannten Ströme von Teilchen gebildeten Eereiches führt, und ein zweites oxydierendes Gas so führt, daß es den genannten Strom von Teilchen umgibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das genannte erste oxydierende Gas und das genannten zweite oxydierende Gas unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte Mittel zur Einbringung von Brennstoff und das genannte zweite Mittel zur Einbringung von Brennstoff Brennstoffe heranführen die sich chemisch unterscheiden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner Mittel zur Heranführung eines agglomerationsfördernden Mittels zu den genannten Teilchen während der Behandlung besitzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte Mittel zur Einbringung von Teilchen eine Vielzahl von Zuführungsleitungen umfaßt, die zueinander derart nahezu in paralleler Beziehung stehen, daß sich die genannten Ströme von Teilchen annähernd parallel durch die genannte Verbrennungskammer bewegen, um eine Agglomeration der genannten Teilchen zu unterdrücken.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das genannte MIttel zur Einbringung von Teilchen eine Vielzahl von Zuführungsleitungen umfaßt, welche zur Achse der genannten Verbrennungskammer unter einem Winkel angeordnet sind, um die genannten Ströme von Teilchen in Form eines Kreuzmusters so einzubringen, daß die genannten Teilchen nach der Heizung leicht kollidieren und agglomerieren.

11. Verfahren zur Wärmebehandlung von festen Teilchen, welches die folgenden Schritte umfaßt :

a) Einbringen der genannten Teilchen in eine Verbrennungskammer als Vielzahl von Strömen;

b) Zuführen eines ersten Brennstoffes zu der genannten Verbrennungskammer innerhalb des Bereiches, der durch die genannten Ströme von Teilchen gebildet wird;

c) Zuführen eines zweiten Brennstoffes zu der genannten Verbrennungskammer an Stellen, welche den genannten Strom von Teilchen umgeben;

d) Einbringen von oxydierendem Gas in die genannte Verbrennungskammer, so daß das genannte oxydierende Gas sich mit den genannten ersten und zweiten Brennstoffen vermischt und diese verbrennt, um eine Flamme hoher Intensität innerhalb des durch die genannten Ströme von Teilchen gebildeten Bereiches und eine zweite Flamme hoher Intensität, welche die genannten Ströme von Teilchen umgibt, hervorzubringen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner die Vermischung der genannten Teilchen mit einem unter Druck stehenden strömungsfähigen Medium umfaßt, um das Einbringen der genannten Teilchen in die genannte Verbrennungskammer zu unterstützen.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der genannte Schritt der Einbringung von oxydierendem Gas ein oxydierendes Gas einbringt, das eine durchschnittliche Sauerstoff-Gesamtkonzentration von mehr als 21% besitzt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der genannte Schritt der Einbringung von oxydierendem Gas zur genannten Verbrennungskammer das Zuführen des genannten oxydierenden Gases innerhalb des Bereiches, der durch die genannten Ströme von Teilchen gebildet wird, und eines zweiten oxydierenden Gases in den die Ströme von Teilchen umgebenden Bereich umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das genannte erste und zweite oxydierende Gas unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen besitzen.

16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die genannten Schritte der Einbringung von erstem und zweiten Brennstoff zwei Brennstoffe einbringen, welche sich chemisch unterscheiden.

17. Verfahren nach Anspruch 11, welche ferner das Hinzufügen eines agglomerationsfördernden Mittels zu den genannten Teilchen während der Behandlung umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 11, welche ferner das Hinzufügung eines agglomerationsfördernden Mittels zu den genannten Teilchen vor der Behandlung umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die genannten Teilchen in die genannte Verbrennungskammer in annähernd parallelen Strömen eingebracht werden, um eine Agglomeration der genannten Teilchen zu unterdrücken.

20. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die genannten Teilchen in die genannte Verbrennungskammer als Kreuzmuster von Strömen so eingebracht werden, daß die Teilchen kollidieren und agglomerieren, nachdem sie erhitzt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die genannten Teilchen Verunreinigungen enthalten.

22. Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei den genannten Teilchen um Glaskörner handelt.