Bei der Zementproduktion werden den in Drehrohröfen eingesetzten eigentlichen Brennstoffen, wie Steinkohle, Braunkohle, Öl oder Erdgas, Abfallstoffe als Zusatzbrennstoffe, beispielsweise Altöle beigemischt. Diese Abfallstoffe sind häufig sehr inhomogen und weisen in ihren für die Verbrennung wichtigen Parametern, wie Viskosität und Heizwert, beträchtliche Schwankungen auf. So wird beispielsweise in den USA ein als"Synfuel"bezeichnetes Abfallöl als Zusatzbrennstoff in Zementdrehrohröfen eingesetzt, das Festkörper bis zu 6 mm Durchmesser enthält und einen unbestimmten Heizwert zwischen 20 und 28 kJ/g aufweist. Der Einsatz dieser Abfallstoffe in Zementdrehrohöfen hat die Folge, dass bei höheren Durchsätzen die Zündbedingungen nicht ununterbrochen erfüllt sind und somit die Flamme instabil wird. Da der Prozess der Zementherstellurm einen definierten Temperaturverlauf erfordert, muss der Anteil dieser Abfallstoffe im Brennstoff auf unter 30% begrenzt werden, um eine hinreichende Stabilität der Flamme zu gewährleisten.

Zur Verbrennung derartiger Abfallstoffe kommen teilweise innenmischende Brenner zum Einsatz, bei denen der Brennstoff in einer Zerstäubungskammer mit Luft vermischt, zerstäubt und das Brennstoff-Luft-Gemisch anschließend verbrannt wird.

Um die Zündbedingung auch beim Einsatz von relativ schlecht brennbaren Stoffen, wie etwa Altöl, ununterbrochen aufrecht erhalten zu können, muss eine optimale Durchmischung und Zerstäubung des Brennstoffs gewährleistet werden. Dies erfolgt bei den innenmischenden Brennern nach dem Stande der Technik durch eine konische Zuformung der Ausgangsmündung der Zerstäubungskammer oder, wie beispielsweise bei dem in der US 40 11 995 beschriebenen Brenner, durch einen innerhalb der Zerstäubungskammer angeordneten Deflektor, auf den der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit aufprägt und dabei zerstäubt wird.

Die Einhaltung der Zündbedingungen könnte zwar dadurch verstetigt werden, dass anstelle von Luft Sauerstoff eingesetzt wird ; Sauerstoff erhöht den feuerungstechnischen Wirkungsgrad und ermöglicht dadurch eine Leistungssteigerung der Verbrennungsanlage. Es besteht dabei jedoch die Gefahr, dass das hochentzündliche Öl-Sauerstoff-Gemisch bereits in der Zerstäubungskammer zünden und so den Brenner zerstören kann. Aus diesem Grunde wurden innenmischende Brenner bislang nicht mit reinem Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas betrieben. Stattdessen wurden Sauerstofflanzen und außenmischende Brenner entwickelt, bei denen die Zerstäubung des Brennstoffs und seine Durchmischung mit Sauerstoff außerhalb der eigentlichen Düsengeometrie erfolgt. Ein außenmischender Brenner ist beispielsweise aus der EP 0 877 202 A2 vorbekannt. Der dort beschriebene Brenner weist einen konisch sich erweiternden Außenabschnitt auf, in dem zentral eine Brennstoffzufuhrleitung und konzentrisch dazu in gleichmäßigen Winkelabständen Sauerstoffzuführungen angeordnet sind. Durch die Sauerstoffzuführungen wird Sauerstoff mit hohem Druck herangeführt und zerstäubt den aus der zentralem Mündungsöffnung gleichfalls mit hohem Druck ausgestoßenen Brennstoff. Das dabei entstehende Brennstoff- Sauerstoff-Gemisch brennt nach Zündung in einer vor dem Außenabschnitt des Brenners gelegenen Flamme ab.

Mit den vorgenannten außenmischenden Brennersystemen können auch mäßig brennbare Abfallstoffe, wie Altöle, zuverlässig abgebrannt werden ; nachteilig ist jedoch ihr hoher Sauerstoffbedarf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine effiziente Verbrennung von mit brennbaren Abfallstoffen vermischten Brennstoffen zu gewährleisten und dabei den Sauerstoffverbrauch zu minimieren.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Zerstäubung erfolgt also durch Beaufschlagen von Brennstoff mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas innerhalb einer weitgehend geschlossenen Zerstäubungskammer. Als"sauerstoffreiches Gas'§ soll hier ein Gasgemisch

bezeichnet werden, das Sauerstoff als überwiegenden Bestandteil enthält, zumindest jedoch einen Sauerstoffanteil besitzt, der wesentlich höher als der Sauerstoffanteil der Luft (21 %) ist. Beim Eindüsen des Sauerstoffs entstehen turbulente Strömungen im Innern der Zerstäubungskammer, aufgrund derer Brennstoff und Sauerstoff fortwährenden Stößen gegeneinander ausgesetzt sind.

Dabei wird der Brennstoff zu kleinen Brennstoffteilchen zerstäubt. Das so entstehende Gemisch aus Brennstoffteilchen und Sauerstoff wird mit einer Geschwindigkeit, die gleich oder höher als die Flammgeschwindigkeit des Gemisches ist, einer Brennerdüse zugeleitet und gezündet.

Um eine besonders effiziente Verbrennung zu erzielen, wird der Sauerstoff zweckmäßigerweise mit einem Druck von 3 bis 5 bar in die Zerstäubungskammer eingeleitet.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Verbrennung von Abfallöl eingesetzt, das als Zusatzbrennstoff dem eigentlichen Brennstoff beigemischt ist.

Durch die leistungsfähige Zerstäubung des Brennstoffgemischs in der Zerstäubungskammer und die günstigeren Zündbedingungen eines Brennstoff- Sauerstoff-Gemisches gegenüber eines Brennstoff-Luft-Gemisches kann der Anteil an Abfallöl im Brennstoff auf 50-70% gesteigert und damit verdoppelt werden.

Zweckmäßigerweise wird die Zerstäubungskammer vor und nach dem Einsatz des Brenners mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, gespült, um einen eventuellen Flammenrückschlag oder eine spontane Entzündung von in der Zerstäubungskammer verbliebenem Brennstoff zu verhindern.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Dabei münden bei einem Brenner, insbesondere einem Sauerstoffbrenner, eine Brennstoffzuführung und eine Sauerstoffzuführung in eine Zerstäubungskammer, die mit einer Brennerdüse strömungsverbunden ist, ein, wobei die Zerstäubungskammer als ein im wesentlichen zylinderförmiger, frei durchströmbarer Hohlkörper ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß kommt also ein sogenannter innenmischender Brenner zum Einsatz. Die Erfindung macht dabei von der überraschenden Erkenntnis Gebrauch, dass bereits bei der Durchmischung des Brennstoffes an der Oberfläche der zerstäubten Brennstoffteilchen stark exotherme Oxidationsprozesse einsetzen, die zu einer Volumenvergrößerung und damit zu einer Druckerhöhung des Gemisches führen. Der durch das Brennstoff-Sauerstoffgemisch im Innern der Zerstäubungskammer erzeugte Druck ist so hoch, dass die Geschwindigkeit des an der Mündung der Brennerdüse ausgestoßenen Gemisches gleich oder höher als die maximale Flammengeschwindigkeit des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches ist.

Einbauten, die zwar den Zerstäubungsprozess fördern, die jedoch gleichzeitig die Aufenthaltsdauer des Gemisches im Innern der Brennkammer erhöhen, wie beispielsweise eine mündungsseitig stark konische Zuformung der Zerstäubungskammer oder im Innern der Zerstäubungskammer angeordnete Deflektoren, beeinträchtigen daher die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Brenners und gefährden diesen sogar.

Die Geometrie des Brenners ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass die Brennstoffzuführung konzentrisch in die Zerstäubungskammer einmündet und dass die Strömungsverbindung der Zerstäubungskammer mit der Sauerstoffzuführung über sich in der zylindermantelförmigen Innenwandung der Zerstäubungskammer erstreckende Einlassbohrungen gewährleistet wird.

Um die Strömungsverhältnisse in der Zerstäubungskammer zu verbessern und die Flamme zu formen, verlaufen die Einlassbohrungen in der Wandung der Zerstäubungskammer mit einer tangentialen Richtungskomponente. Hierdurch wird eine kreisförmige Strömung im Innern der Zerstäubungskammer erzeugt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht einen axial geneigten Verlauf der Einlassbohrungen in der Wandung der Zerstäubungskammer vor, wobei die axiale Neigung von der Sauerstoffzuführung zur Mündungsöffnung der Zerstäubungskammer hin gerichtet ist. Hierdurch wird eine besonders hohe Geschwindigkeit beim Ausstoß des Sauerstoff-Brennstoff-Gemischs erzielt.

Vorteilhafterweise ist ein Zementdrehrohrofen mit einem erfindungsgemäßen Brenner ausgestattet, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.

Der Brenner ermöglicht damit eine deutliche Einsparung an Sauerstoff sowie eine beträchtliche Erhöhung des Altölanteils im Brennstoff. Die Kosten der Zementproduktion werden dadurch wesentlich gesenkt. In der Zementproduktion erweist sich insbesondere die Möglichkeit, den Altölanteil im Brennstoff zu erhöhen als besonders vorteilhaft.

Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

Die einzige Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brenners.

Bei dargestellten Brenner 1 handelt es sich um einen Mischbrenner, in dem feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe oder Gemische davon einsetzbar sind.

Der Brenner 1 weist-in Strömungsrichtung gesehen-nacheinander eine Brennstoffzuführung 2, einen Mischkammereinsatz 3 und eine Brennerdüse 4 auf.

In die als Metallrohr ausgebildete Brennstoffzuführung 2 ist mit einem Verbindungsabschnitt 6 der gleichfalls aus Metall, etwa Stahl, gefertigte Mischkammereinsatz 3 eingeschraubt. Der Innendurchmesser des Verbindungsabschnitts 6 entspricht dem der Brennstoffzuführung 2, sodass eine freie Durchströmbarkeit gewährleistet ist. Ein Deflektor in diesem Bereich ist nicht vorgesehen. Anschließend an den Verbindungsabschnitt 6 erweitert sich das Lumen des Mischkammereinsatzes 3 konisch zu einem zylindrisch ausgebildeten Zerstäubungsbereich 7, in dessen Wandung 6 unten näher beschriebene, im wesentlichen radial verlaufende Einlassbohrungen 8 für Sauerstoff angeordnet sind.

In axialer Richtung schließt sich an den Zerstäubungsbereich 7 ein Mündungsabschnitt 9 an. Der Mündungsabschnitt 9 ist ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei jedoch eine geringfügige konische Zuformung des Mündungsabschnittes 9 noch als im Rahmen der Erfindung anzusehen ist.

Dem Mündungsabschnitt 9 des Mischkammereinsatzes 3 ist die Brennerdüse 4 aufgesetzt, wobei zwischen der Vorderfläche des Mündungsabschnittes 9 und einer

Ringschulter 11 der Brennerdüse 4 eine Metalldichtung 12 vorgesehen ist. Die Brennerdüse 4 weist innenseitig eine zylindrischen Auslaufstrecke 14 auf, dessen Innendurchmesser im wesentlichen dem des Mündungsabschnittes 9 entspricht und an den sich ein Diffusor 15 mit einer sich konisch nach außen hin erweiternden Düsenöffnung 16 anschließt. Die Länge der Auslaufstrecke und der Öffnungswinkel der Düsenöffnung 16 ist der zu erwartenden Strahlausbildung angepasst.

Auf seinem dem Diffusor 15 entgegengesetzten Abschnitt erstreckt sich die Brennerdüse 3 mit einem hohlzylinderförmigen Hinterabschnitt 17 konzentrisch über den Mischkammereinsatz 3 sowie die Brennstoffzuführung 2, wobei ein Ringspalt 18 offengehalten wird. Der zur Düsenöffnung 16 hin geschlossene Ringspalt 18 steht über die Einlassbohrungen 8 mit dem Zerstäubungsbereich 7 des Mischkammer- einsatzes 3 in Strömungsverbindung und dient in der unten näher beschriebenen Weise der Zuführung von Sauerstoff in den Zerstäubungsbereich 7.

Beim Betrieb des Brenners 1 wird Brennstoff, beispielsweise Kohle, Öl oder Gas, dem ein Zusatzbrennstoff, wie etwa Altöl oder ein sonstiger Abfallstoff, beigemischt ist, durch die Brennstoffzuführung 2 in den Zerstäubungsbereich 7 eingeleitet.

Zugleich strömt Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas, wie etwa sauerstoff- angereicherte Luft, mit einem Druck von 3 bis 5 bar durch den Ringspalt 18 sowie die Einlassöffnungen 8 in den Zerstäubungsbereich 7 ein. Die hohe Einströmgeschwindigkeit des Sauerstoffes führt zu einer effizienten Zerstäubung des Brennstoffs in kleine Teilchen. Um die Effizienz des Zerstäubungsvorgangs weiter zu steigern, können die im Ausführungsbeispiel radial in der Wandung 6 des Zerstäubungsbereiches 7 verlaufenden Einlassbohrungen 8 eine tangentiale Richtungskomponente aufweisen oder sich axial geneigt, nach innen in Richtung zum Mündungsabschnitt 9 hin, erstrecken. Zugleich mit der Zerstäubung erfolgt innerhalb des Zerstäubungsbereiches 7, dem Mündungsabschnitt 9 und der Auslaufstrecke14 eine Durchmischung der Brennstoffteilchen mit Sauerstoff. Das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wird mit hoher Geschwindigkeit aus der Düsenöffnung 16 ausgestoßen und mittels eines hier nicht gezeigten Zündmechanismus im Bereich vor der Düsenöffnung 16 gezündet.

Bereits während der Zerstäubung bzw. Durchmischung einsetzende, stark exotherme Verbrennungsreaktionen an der Oberfläche der Brennstoffteilchen, die zu einer Erwärmung und damit zu einer Volumenausdehnung des Gemisches führen, steigern dabei die Geschwindigkeit, mit der das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch aus der Düsenöffnung 16 austritt. Die Geschwindigkeit des Sauerstoff-Brennstoff- Gemisches im Bereich der Düsenöffnung 16 darf dabei die Flammengeschwindigkeit des Gemisches nicht unterschreiten, um Beschädigungen der Düse auszuschließen und zu gewährleisten, dass sich die Flamme stets im Vorfeld der Düsenöffnung 16 befindet. Typischerweise beträgt die Ausströmgeschwindigkeit an der Düsenöffnung 16 zwischen 80 und 120 m/s. Durch eine hier nicht gezeigte Regelung der Sauerstoffzufuhr kann die Ausströmgeschwindigkeit dem jeweiligen Brennstoff angepasst werden. Um eventuelle Flammenrückschläge zu vermeiden, sollte der Brenner 1 beim An-und Abfahren mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff gespült werden.

Der Brenner 1 dient bevorzugt zum Einbau in einem Zementdrehrohrofen, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. Er ermöglicht die effiziente Verbrennung eines Brennstoffgemisches mit stabiler Flamme, das einen Anteil an Zusatzbrennstoffen von 50 bis 70 %, bzw. eine Eintragsrate an Zusatzbrennstoffen von 2 bis 5 t/h, aufweist.

Bezugszeichenliste 1. Brenner 2. Brennstoffzuführung 3. Mischkammereinsatz 4. Brennerdüse 5. Verbindungsabschnitt 6. Wandung 7. Zerstäuberabschnitt 8. Einlassbohrungen 9. Mündungsabschnitt 10.

11. Ringschulter 12. Metalidichtung<BR> 13.- 14. Durchmischungsbereich 15. Diffusor 16. Düsenöffnung 17. Hinterabschnitt 18. Ringspalt