Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennung von Öl unter Zugabe von Wasser sind aus der W095/23942 bekannt, wobei hier Öl in eine Brennkammer eingebracht wird, bis sich ein Ölbad ausgebildet hat, das dann auf eine Temperatur zwi- schen 250° und 350°C vorgeheizt wird. Dann wird Wasser auf die Oberfläche des heißen Ölbads gesprüht, woraus bei gleich- zeitiger Zufuhr von Luft in die Brennkammer eine Flammenerup- tion resultiert. Das Niveau des Ölbades sollte während der Verbrennung eine Höhe von 3 bis 4 mm nicht unterschreiten, um einen Abbruch der Verbrennung zu verhindern. Die zu diesem Zweck eingesetzte Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Brennkammer in Gestalt eines Pyramiden-oder Kegelstumpfs mit seitlichen Zufuhröffnungen für Öl und Wasser aus entsprechen- den Vorratsbehältern Das Ölbad wird elektrisch aufgeheizt.

Luft gelangt zusammen mit dem Wasser in das Innere der Brenn- kammer. Die 1200° bis 2000°C heiße Flamme wird zu Heizzwecken über ein Zylinderrohr in einen Ofen geführt.

Bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren insbesondere von Altölen hat sich das im Ölbad entstehende Temperaturge- fälle zum Boden hin als nachteilig erwiesen, da die Bodentem- peraturen unterhalb der Verdampfungstemperaturen schwerer Fraktionen im Altöl liegen können, mit der Folge, daß letzte- re eine nicht vollständig verbrennende Olmasse auf dem Boden der Brennkammer bilden. Ein Eindüsen des Öls erweist sich als nicht praktikabel, da Rückstände und hochviskose Bestandteile im Altöl zu einer Verstopfung der Düsen führen. Weiterhin ge-

staltet sich die gesamte Vorrichtung mit ihren Zuleitungs- und Vorheizeinrichtungen konstruktiv aufwendig. Die Prozeß- steuerung ist insbesondere beim Abschalten wegen der verblei- benden Rückstände nur schwer kontrollierbar. Für den Dauerbe- trieb erweist sich die Anlage deshalb als nicht geeignet.

Aus der GB 765 197 ist eine Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger und verflüssigbarer Brennstoffe bekannt, die aus einer zylindrischen Verbrennungskammer mit einem sich daran anschließenden nach oben offenen Feuerraum besteht. Der flüs- sige Brennstoff wird radial oder tangential in das Innere der Brennkammer eingebracht, Luft wird gesondert tangential zuge- führt, wobei der Brennstoff die Innenfläche der Brennerkammer berührt und dort verdampft und verbrennt. Die im Feuerraum entstehenden Temperaturen betragen zwischen 1500° und 1800°C.

Der Brennstoff wird bei unvollständiger Verbrennung durch verringerte Luftzufuhr mit Hilfe von zugeführtem Dampf gecrackt, wodurch Schweröle in niedrigere Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Kohlenmonoxid zerlegt werden.

Auch bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren stellt sich die Art der Zuleitung als technisch aufwendig dar, au- ßerdem besteht die Gefahr, daß in bestimmten Wandbereichen die Temperatur zur Verdampfung schwerer Altölfraktionen nicht ausreichend ist, die sich dann am Boden der Verbrennungskam- mer sammeln und dort einen nicht verbrennenden Rückstand bil- den. Wasserdampf ist hier für die eigentliche Verbrennung nicht vorgesehen, sondern ausschließlich zum Cracken von Schwerölen.

In der US 4,069,005 wird die Verbrennung eines Was- ser/Brennstoff/Luft-Gemischs bei Anwesenheit eines Metallka- talysators (Nickel) vorgeschlagen, wobei im Inneren des Bren- ners mehrere übereinander angeordnete Platten angeordnet sind, die auch aus dem Metallkatalysator bestehen können, um die Effektivität des dadurch verursachten Crackens zu erhö- hen. In der hierzu dienenden Vorrichtung werden flüssige Brennstoffe und Wasser von oben jeweils auf die übereinander angeordneten Platten aus dem Metallkatalysator aufgetropft,

die in einer Vorheizphase auf oberhalb 800°C erhitzt worden sind. Die aufsteigenden Dämpfe werden an den Metallkatalysa- toren entlanggeführt, wodurch leicht brennbare, gasförmige Kohlenwasserstoffe durch Cracken erzeugt werden, die im wei- teren Verlauf verbrennen, wodurch Verbrennungsgase von 800° bis 1000°C entstehen.

Zur Erzeugung einer langen Flamme zur Erhitzung eines industriellen Boilers wird in der US 3,804,579 01 und Luft zusammen mit von der Flamme selbst in einer Wärmetauscherwen- del erzeugten Wasserdampf verbrannt. Die ausgedehnte Flamme brennt hier bei ca. 730°C.

Schließlich ist aus der DE 39 29 759 C2 eine Anlage zur Verbrennung von Altölprodukten bekannt, bei der die Altöle mit einem üblichen Heizöl bekannter, geringerer Viskosität derart gemischt werden, daß ein Durchschnittsprodukt mit gleichbleibender Viskosität gebildet wird, das dann vorge- heizt und in einen Kessel eingedüst wird. Auf der gegenüber- liegenden Seite des Kessels sind Eingabevorrichtungen für Luft, für Wasser und für übliche Neutralisationsmittel vorge- sehen. Zum Eindüsen des Ölgemischs wird Luft oder Wasserdampf verwendet. Die Steuerungsanlage für das Mischverhältnis der Ole sowie die Eindüsvorrichtung für das Ölgemisch mit den weiteren Zufuhrleitungen für Luft und Neutralisationsmittel bedingen eine konstruktiv aufwendige, schwer steuerbare Anla- ge, die nicht effizient arbeiten kann, da neben dem eigentli- chen Verbrennungsprodukt Altöl zusätzlich erhebliche Mengen normalen Heizöls mitverbrannt werden müssen, was die Entsor- gungskapazität stark begrenzt. Der einfache Verbrennungskes- sel kann den Verbrennungsprozeß nicht unterstützen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zur umweltfreundlichen Verbrennung von Brennstoffen beliebigen Aggregatzustands, eventuell unter Zugabe von Wasser und/oder eines Oxidationsmittels, anzugeben, bei dem der Brennstoff vollständig und ohne Rückstände mit hoher Energieausbeute verbrannt wird. Der hierzu geeignete Reaktor soll bei gerin- gem konstruktiven Aufwand, möglichst wartungsfrei und

selbstreinigend, im Dauerbetrieb den Verbrennungsprozeß opti- mieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen erge- ben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird der feste und/oder flüssige und/oder gasförmige Brennstoff, eventuell das Wasser und/oder ein Oxidationsmittel, mittels Druckluft unter hohem Druck in axialer Richtung in eine Reaktionskammer geleitet, wobei die Menge der eingedüsten Druckluft derjenigen zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luftmenge entspricht, das eingelei- tete Gemisch wird auf eine Ablenkfläche im Innenraum der Re- aktionskammer geleitet, wodurch es weiter zerstäubt wird, flüssige Bestandteile verdampfen, feste sublimieren und das Gemisch explosionsartig verbrennt, bevor es die Wand oder den Boden der Reaktionskammer erreichen kann. Der explosionsarti- ge Verbrennungsprozeß läßt sich durch den hohen Grad an Ober- flächenvergrößerung des in die Reaktionskammer geleiteten Ge- mischs erklären : (a) der mittels Druckluft zugeführte Brennstoff wird beim Eindüsen in die Reaktionskammer zerrissen und zerstäubt, wo- bei (b) der bestehende Druck noch ausreicht, um den Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit auf eine Ablenkfläche im Innenraum der Reaktionskammer zu leiten, wo ein Aufprall und eine Re- flexion mit weiterer Verteilung und Zerstäubung bewirkt wer- den.

Zusätzlich mit Druckluft eingedüstes Wasser wird beim Ein- tritt in die Reakionskammer in Tröpfchen zerstäubt, die sich in Wasserdampf wandeln und von der Ablenkfläche in alle Rich- tungen im Innenraum der Reaktionskammer verteilt werden. Die durch die schlagartige Verdampfung hervorgerufene Expansion unterstützt eine Vermischung der Brennstoffe mit der vorhan- denen Druckluft sowie dem Wasserdampf, was eine effektive Verbrennung, insbesondere schwer brennbarer Brennstoffan- teile, zur Folge hat. Damit können noch effektiver ein Abset-

zen von Brennstoff an der Innenwand sowie eine Ansammlung von Rückständen am Boden verhindert werden, so daß der Reaktor sich selbst reinigt.

Der Druckluftstrom kann mit 2 bis 10 bar, vorzugsweise mit 3 bis 5 bar, in die Reaktionskammer eingedüst werden. Bei diesen Drücken ist die Kombination der Zerstäubung beim Aus- tritt aus der Zuleitung mit derjenigen durch das Aufprallen auf die Ablenkfläche im Innenraum der Reaktionskammer beson- ders wirkungsvoll.

Die Brennstoffe, das Wasser und/oder das Oxidationsmit- tel werden jeweils getrennt oder als Gemisch über ein oder mehrere Venturi-Rohre in den Druckluftstrom eingebracht. Gas- förmiger Brennstoff kann hierbei für sich alleine in die Re- aktionskammer geleitet werden. Diese Art der Zuführung er- laubt eine gute Dosiermöglichkeit bei geringem konstruktiven Aufwand und erhöht gleichzeitig die Zerstäubungswirkung beim Eintritt in die Reaktionskammer. Die Eindüsung in die Reakti- onskammer erfolgt durch ein normales Rohr geringen Durchmes- sers ohne Düsenaufsatz, wodurch ein Verstopfen der Düse beim Verbrennen von Altölen durch nicht brennbare Rückstände oder zähflüssige Bestandteile verhindert wird. Die Verwendung ein- heitlicher Venturi-Rohre für die Zuführung der Brennstoffe und des Wassers verringert zudem den konstruktiven Aufwand.

Vorteilhaft ist, die Temperatur im Inneren der Reakti- onskammer mittels wärmeleitender Reaktorwände homogen zur Achse der Reaktionskammer zu halten. Wenn durch die Ablenk- fläche eine symmetrische Verteilung des Gemisches im Inneren der Reaktionskammer erfolgt, kann bei symmetrischer Tempera- turverteilung eine gleichmäßigere Verbrennung erzielt werden.

Bei vorgegebener Geometrie der Reaktionskammer können die Einströmgeschwindigkeiten des zu verbrennenden Gemisches in die Reaktionskammer derart eingestellt werden, daß die entstehende Verbrennungsflamme zumindest mit Schallgeschwin- digkeit die Reaktionskammer verläßt und die entstandene Wär- meenergie zur weiteren Ausnutzung nach außen transportiert.

Dies läßt sich-wie unten beschrieben-durch geeignete Geo- metrie des Reaktors weiter verbessern.

Die Zündung des Gemisches in der Reaktionskammer wird geeigneterweise mit einer Pilotflamme oder mittels eines er- zeugten Funkens vorgenommen. Es kann sich anbieten, Brenn- stoffe, Wasser oder Luft vor Einbringen in die Reaktionskam- mer durch die bei der Verbrennung entstehende Abwärme vorzu- heizen. Insbesondere schweres Öl wird durch die hierdurch er- folgte Herabsetzung der Viskosität leichter transportabel.

Durch in den Innenraum der Reaktionskammer einbringbare Ein- sätze läßt sich die Strömungsdynamik des Verbrennungsprozes- ses beeinflussen.

Es ist von Vorteil, den Brennstoff bei der Verbrennung zusätzlich katalytisch zu cracken, wobei als Katalysator z. B. ein nickelhaltiges Material verwendet werden kann.

Der erfindungsgemäße Reaktor weist einen hyperboloidar- tigen Reaktorkopf auf, der sich an die Auslaßöffnung der Re- aktionskammer anschließt und sich von dort aus im Querschnitt erweitert. An diesem Reaktorkopf brennt die Verbrennungsflam- me. Die düsenähnliche Geometrie des Reaktors führt dabei zu einer Beschleunigung der Brenngase mit Ausbildung eines ent- sprechenden Unterdrucks im Mündungsbereich der Reaktionskam- mer, was eine weitere Beschleunigung der zu verbrennenden Stoffe im Innern der Reaktionskammer in Richtung zur Aus- laßöffnung zur Folge hat, die sich positiv auf die Verbren- nung sowie die Selbstreinigung des Reaktors auswirkt.

Der Düseneffekt läßt sich dadurch verbessern, daß sich die Reaktionskammer zumindest in ihrem oberen Teil in Rich- tung der Auslaßöffnung verjüngt, wobei der sich verjüngende Teil insbesondere als Pyramiden-oder Kegelstumpf ausgeführt sein kann. Andererseits kann auch die gesamte Reaktionskammer hyperboloidartig geformt sein, derart, daß sie sich in Rich- tung der Auslaßöffnung verjüngt.

Bei der düsenförmigen Reaktorgeometrie ist es vorteil- haft, die Zufuhröffnungen für die Brennstoffe (und das Was- ser) im Boden der Reaktionskammer einzulassen, so daß diese

parallel zur Achse der Reaktionskammer gerichtet sind. Hier- durch wird die Achse der Reaktionskammer als bevorzugte Strö- mungsrichtung bestimmt, in die dann zur besseren Verteilung des zu verbrennenden Gemischs eine Ablenkfläche angeordnet sein kann, durch die das Gemisch zunächst von der Achse der Reaktionskammer weggeleitet wird, um anschließend wieder auf- grund besagten Düseneffekts des Reaktors auf diese Achse zu- geleitet zu werden. Zudem wird aufgrund der Druckverhältnisse das Ausströmen aus den Zufuhröffnungen begünstigt.

Als Ablenkfläche kann zum Erzielen einer homogenen Ver- teilung ein mit der Spitze entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffs gerichteter Kegel oder eine ebenso angeordnete Pyramide aus einem feuerfesten Material, der bzw. die im In- neren der Reaktionskammer entlang deren Achse angeordnet ist, verwendet werden. Der Verbrennungsprozeß kann somit durch symmetrische Verteilung im Reaktionskammerquerschnitt der physikalischen Größen, wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz und Temperatur, optimiert werden.

Soll der Brennstoff zusätzlich gecrackt werden, bietet sich an, einen Metall-Katalysator, insbesondere nickelhaltig, beispielsweise in den Innenwänden der Reaktionskammer, in feuerfesten Einsätzen im Innern der Reaktionskammer oder aber auch in der Ablenkfläche vorzusehen. Eine hohe Effizienz des katalytischen Cracking läßt sich durch einen schuppigen oder porösen Metall-Katalysator von großer Oberfläche erzielen.

Der Reaktor kann einheitlich aus einem Material wie Edelstahl hergestellt sein, aber auch zumindest teilweise aus einer besonders hitzebeständigen und mechanisch belastbaren Legierung wie einer Ni-Mo-Cr-Co-Legierung ("Nimonic"). Wei- terhin kann der Reaktor von einer Außenisolierung aus Kera- mikfasern oder Fiberglas umgeben sein, um die abgestrahlte Wärmemenge zu reduzieren und die Temperatur in der Reaktor- kammer auf über etwa 1000°C zu halten.

Anhand der Figuren soll die Erfindung in einem Ausfüh- rungsbeispiel im folgenden näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Reaktor in Seitenansicht von schräg unten, Figur 2 zeigt den Reaktor in Durchsicht von schräg oben, und Figur 3 zeigt den Reaktor in Durchsicht von der Seite.

Die Figuren zeigen den erfindungsgemäßen Reaktor 1 mit einer Reaktionskammer 2, an deren Auslaßöffnung 4 sich der Reaktorkopf 3 anschließt. Zufuhrleitungen 5 und 6 sind in koaxialer Richtung im Zentrum des Bodens des Reaktors 1 ein- gelassen. Als Ablenkfläche ist in diesem Beispiel ein mit der Spitze in Richtung der Zufuhrleitungen 5 und 6 weisender Ke- gel 7 im Inneren der Reaktionskammer 2 entlang der Achse an- gebracht.

Der obere Teil der Reaktionskammer 2 verjüngt sich in diesem Ausführungsbeispiel hyperboloidartig in Richtung der Auslaßöffnung 4, um von dort aus hyperboloidartig sich im Re- aktorkopf 3 fortzusetzen. Diese Geometrie bewirkt einen Dü- seneffekt, durch den strömende Gase aufgrund des Unterdrucks im Bereich der Auslaßöffnung und des Reaktorkopfs aus dem In- neren der Reaktionskammer 2 gesaugt werden, wodurch zusätz- lich der Zufuhrdruck in den Zuleitungen 5 und 6 herabgesetzt werden kann. Gleichzeitig wird hierdurch eine Selbstreinigung des Reaktors ermöglicht, da nicht brennbare Partikel und Rückstände durch die Sogwirkung aus dem Reaktorinneren gezo- gen werden. Derartige Rückstände lassen sich durch Filterung der Verbrennungsgase abscheiden.

In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Reaktor ein Volumen von etwa 15 Litern und ist aus Edelstahl gefertigt.

Vorteilhaft ist eine teilweise Fertigung aus einem tempera- turbeständigeren und mechanisch belastbareren Material wie einer Nimonic-Legierung, die die folgende Zusammensetzung be- sitzt : C = 0,057 ; Si = 0,18 ; Mn = 0,36 ; S = 0,002 ; Al = 0,47 ; Co = 19,3 ; Cr = 19,7 ; Cu = 0,03 ; Fe = 0,55 ; Mo = 5,74 ; Ti = 2,1 ; Ti + AI == 2,59 (in Gew.-%) ; ppm-Anteile von Ag, B, Bi und Pb ; Rest Nickel. Die darin enthaltenen Elemente bewirken gleichzeitig ein katalytisches Cracken von Kohlenwasserstof-

fen. Der Reaktor kann aus diesem Material mit Wandstärken von 3 bis 4 mm gefertigt werden, bei Edelstahl betragen diese 5 bis 7 mm. Vorteilhaft ist eine Außenisolierung des Reaktors 1 aus einem aus Keramikfasern oder Fiberglas bestehenden Mate- rial, das die Wärmeabstrahlung vermindert und somit die Tem- peratur im Reaktorinneren erhöht.

Durch die Zufuhrleitungen 5, die als Venturi-Rohre mit einem Durchmesser von 3 bis 7 mm ausgeführt sind, wird flüs- siger Brennstoff, nämlich Altöle und schwere Öle verschiede- ner Zusammensetzung, sowie fester Brennstoff, wie insbeson- dere getrocknete Olivenbagasse und Klärschlämme, von Druck- luft aus entsprechenden (nicht dargestellten) Vorratsbehäl- tern gesaugt und mit Drücken von 3 bis 5 bar in das Innere der Reaktionskammer 2 transportiert. Beim Austreten aus den Zufuhrleitungen 5 zerreißt der Brennstoffstrom, der Brenn- stoff prallt mit hoher Geschwindigkeit auf die Ablenkfläche 7, von der aus der Brennstoff symmetrisch in den Querschnitt der Reaktionskammer verteilt wird. Durch eine Zufuhrleitung 5 eingedüstes Wasser zerstäubt und verdampft beim Austritt in die Reaktionskammer 2, der Wasserdampf wird ebenfalls symme- trisch in der Reaktionskammer 2 verteilt. tuber die Zufuhrlei- tung 6, in der die Zufuhrleitungen 5 angeordnet sind, kann bei Bedarf weitere Druckluft eingespeist werden, um die zur vollständigen Verbrennung notwendige Luftmenge bereitzustel- len.

Es werden etwa 30 bis 40 1/h Wasser und 70 bis 80 1/h Altöl in die Reaktionskammer 2 eingebracht. Feste Brennstoffe wie getrocknete Biomasse werden mit 110 bis 130 1/h zuge- führt. Sollen flüssige und feste Brennstoffe zusammen einge- bracht werden, so sind die Zufuhrmengen entsprechend herabzu- setzen. Die Brennerleistung beträgt knapp 1 MWt Die Schad- stoffemissionen erweisen sich als geringfügig bis vernachläs- sigbar.

Die Regelung des Verbrennungsprozesses erfolgt unter Messung der Temperatur, der Menge und der chemischen Zusam-

mensetzung der Verbrennungsgase. Dementsprechend werden die zugeführten Wasser-, Luft-und Brennstoffmengen gesteuert.

Der dargestellte Aufbau des Reaktors bewirkt eine symme- trische Verteilung der physikalischen Größen des Verbren- nungsprozesses, rotationssymmetrisch bezogen auf Achsenpunkte der Reaktionskammer 2. In einem Querschnitt der Reaktionskam- mer 2 sind die Werte von Temperatur, Druck, Strömungsge- schwindigkeit der Gase annähernd konstant. Die Temperaturen nehmen vom Boden der Reaktionskammer 2 zur Auslaßöffnung 4 hin zu, wobei aufgrund der wärmeleitenden Reaktorwände im Dauerbetrieb eine Abflachung des Temperaturgradienten statt- findet.

Die Strömungsdynamik des Verbrennungsprozesses ist bei Anderung der Reaktorgeometrie sowie der Position und Geome- trie der Ablenkfläche einstellbar.

Die Brennstoffe werden im Reaktor vollständig verbrannt.

Eventuell nicht brennbare Rückstände werden durch die Sogwir- kung aus dem Reaktorinneren transportiert und können mittels Filter gesammelt werden. Der Düseneffekt des Reaktors 1 kann zusammen mit der Zufuhrgeschwindigkeit derart abgestimmt wer- den, daß die Verbrennungsgase mit Schallgeschwindigkeit bei einer Temperatur von ca. 1.200 bis ca. 1500°C den Reaktorkopf 3 verlassen.

Es bieten sich verschiedene industrielle Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors und Verbrennungsverfahrens an.

Beispielsweise kann mit den heißen Verbrennungsgasen ein Flüssigbett betrieben werden, in dem Sand von Heißgas durch- strömt wird. Derartige Flüssigbette werden meist zur Reini- gung von Gegenständen (z. B. von Lackrückständen) verwendet.

Auch für die Sondermüllbeseitigung bietet sich ein solcher Einsatz an. Biomasse kann durch gezielten Luftmangel auf dem Flüssigbett einem Pyrolyse-Prozeß unterzogen werden, wodurch feste und gasförmige Brennstoffe, die direkt dem erfindungs- gemäßen Verfahren zugeführt werden können, gewonnen werden.

Die erzeugten Brenngase können außerdem direkt in einem Ver- brennungsmotor zur Stromerzeugung verwendet werden. Schließ-

lich kann das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren zur kom- binierten Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom, d. h. zum Betrieb sowohl von Dampf-als auch von Gasturbinen ver- wendet werden.

Die Erfindung ermöglicht eine umweltfreundliche Verbren- nung von schwer entsorgbaren Abfallprodukten, wie Altöle ver- schiedener Zusammensetzung, Klärschlämme, Olivenbagasse, Mi- neralkohle und sonstige brennbare Abfallprodukte.