[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazu gehörende Vorrichtung zum Verbrennen
von Stoffen mit schwer ausbrennenden Bestandteilen und/oder einem hohen Gehalt an
flüchtigen Bestandteilen und/oder Stoffen, die beim Erwärmen zur Verkleben neigen,
in einer Wirbelschicht.
[0002] Stoffe, die die eingangs genannten Eigenschaften einzeln oder in Kombination aufweisen
sind z.B. gewisse Kunststoffe, deren Verbrennung aufgrund dieser Eigenschaften Schwierigkeiten
bereitet. Bei der Verbrennung von Stoffen mit einem hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen
entweicht Unverbranntes aus der Wirbelschicht. Die durch die Verbrennung frei werdende
Wärme kann daher nicht vollständig von der Wirbelschicht aufgenommen werden. Es ist
in diesem Zusammenhang bekannt, die unverbrannten Bestandteile durch Zuführung von
weiterer Luft oberhalb der Wirbelschicht nachzuverbrennen.
[0003] Durch eine Verbrennung oder eine Teilverbrennung in einem Wirbelbett aus einem körnigen,
inertem Material werden sehr hohe volumenbezogene Leistungen erzielt, die auf die
hohen Wärme- und Stoffübergangszahlen in der Wirbelschicht zurückzuführen sind. Eine
Wirbelschichtfeuerung kann je nach den Eigenschaften der Asche und des inerten Materials
nur bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von etwa 700 bis 800°C betrieben werden,
so daß sie nicht ohne weiteres für die Verbrennung von Stoffen geeignet ist, die Schwer
ausbrennende Bestandteile enthalten. Als solche Stoffe sind z.B. Kunststoffe anzusehen,
bei deren Verbrennung
Ruß oder gewisse Kohlenwasserstoffe entstehen, die nur bei hohen Temperaturen und einer
ausreichenden Verweilzeit bei diesen Temperaturen vollständig ausbrennen.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazu gehörende Vorrichtung
zu schaffen, um Stoffe mit schwer ausbrennenden Bestandteilen und/oder einem hohen
Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und /oder Stoffe, die beim Erwärmen zum Verkleben
neigen, unter den speziellen Erfordernissen angepaßten Temperatur- und Verweilzeitbedingungen
vollständig ausbrennen zu können.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbrennung in der Wirbelschicht
und in einer der Wirbelschicht nachgeschalteten Brennkammer durchgeführt wird und
daß die dazu erforderliche Verbrennungsluft derart auf die Wirbelschicht und die Brennkammer
verteilt und dabei ein solcher Teil der frei werdenden Wärme abgeführt wird, daß in
der Brennkammer eine vorgesehene Mindesttemperatur nicht unterschritten wird. Vorzugsweise
wird dabei die Wärme der Wirbelschicht entzogen.
[0006] Dieses Verfahren ist dazu geeignet, alle die Bestandteile zu verbrennen, die zu ihrer
vollständigen Umsetzung einer bestimmten Mindesttemperatur unterworfen sein müssen.
Diese Temperatur wird in der Brennkammer eingestellt, indem dort die dazu erforderliche
Verbrennungsluft zugesetzt wird. Wie hoch diese Menge ist, errechnet sich aufgrund
einer Stufen-Wärmebilanz aus der Bruttozusammensetzung und den Heizwerten der zu verbrennenden
Stoffe. Der restliche Anteil der Verbrennungsluft wird der Wirbelschicht zugeführt.
Wird dabei die Wirbelschicht zu heiß, so wird ihr durch Kühlflächen Wärme entzogen.
Die Höhe der in der Wirbelschicht abzuführenden Wärmemenge und damit die Größe der
Kühlflächen hängt ab von der Brennstoffzusammensetzung und dem Anteil der gesamten
Verbrennungsluft, der als Primärluft in die Wirbelschicht eingebracht wird. Darüber
hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in besonderer Weise für die Verbrennung
von Kunststoffen, die beim Erwärmen zum Verkleben neigen. Diese werden in der Wirbelschicht
von dem inerten Material umhüllt, so daß die Stoffteilchen nicht miteinander verkleben
und verklumpen.
[0007] Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß einer z.B. aus Sand aufgebauten Wirbelschicht ein Beruhigungsraum
nachgeschaltet ist, der unmittelbar in eine Brennkammer übergeht und daß zwischen
den beiden eine Einschnürung vorgesehen ist, in der Düsen für die Zuführung von Verbrennungsluft
angeordnet sind. Die Einschnürung erfüllt zwei Aufgaben. Zunächst dient sie als Mischstrecke
für das die Wirbelschicht verlassende Gas und die sekundäre Verbrennungsluft. Dabei
entstehen durch die Beschleunigung des Gases Relativgeschwindigkeiten zwischen dem
Gas und etwa vorhandenen Rußpartikeln, was die Verbrennung verbessert. Die Einschnürung
hat daher in diesem Fall die Funktion eines Brenners.
[0008] Die Einschnürung hat weiterhin die Aufgabe, die Wärmestrahlung aus der Brennkammer
in den Beruhigungsraum weitgehend zu unterbinden. Auf diese Weise sind die geforderte
Mindesttemperatur und eine ausreichende Verweilzeit einzuhalten, die zur vollständigen
Verbrennung des Rußes und der anderen schwer ausbrennenden Bestandteile in der Brennkammer
erforderlich sind. Darüber hinaus bleiben die der Wirbelschicht eigenen Vorteile erhalten,
so daß insgesamt eine kleine Verbrennungseinheit mit großer Leistung entsteht.
[0009] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung stellt schematisch einen Längsschnitt durch
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dar.
[0010] Die dargestellte Vorrichtung weist einen Reaktor 1 auf, der z.B. zur Verbrennung
von Kunststoffabfällen dient, die bei der Verbrennung zur Rußbildung neigen, oder
die andere Bestandteile enthalten, die nur bei hoher Temperatur und ausreichender
Verweilzeit vollständig ausbrennen. Der Reaktor 1 kann auch für die Verbrennung von
Stoffen mit einem hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen sowie von Stoffen, die
beim Erwärmen zum Verkleben neigen, eingesetzt werden.
[0011] In seinem unteren Teil weist der Reaktor 1 eine Wirbelschicht 2 auf, die oberhalb
eines Anströmbodens 3 aufrecht erhalten wird. Unterhalb des Anströmbodens 3 befindet
sich ein Luftkasten 4, in den durch eine Leitung 5 primäre Verbrennungsluft zugeführt
wird. Die Kunststoffabfälle werden durch einen seitlichen Schacht 6 in die Wirbelschicht
2 eingespeist.
[0012] Durch die Umsetzung der Kunststoffabfälle mit der eingeblasenen Verbrennungsluft
erfolgt innerhalb der Wirbelschicht 2 eine Schwelung bzw. eine Teilverbrennung.
[0013] Die Rußpartikel und andere schwer ausbrennende Bestandteile enthaltenden Gase treten
mit einer Temperatur von etwa 650°C aus der-Wirbelschicht 2 aus und gelangen in einen
Beruhigungsraum 7, der oberhalb der Wirbelschicht 2 innerhalb des Reaktors 1 vorgesehen
ist und der einen größeren Querschnitt aufweist als die Wirbelschicht 2. Der Beruhigungsraum
7 dient dazu, das Mitreißen von Feststoffpartikeln aus der Wirbelschicht 2 durch die
Gase weitgehend zu vermeiden.
[0014] Der Reaktor 1 weist oberhalb des Beruhigungsraumes 7 eine Brennkammer 8 auf, in der
die die Wirbelschicht verlassenden Gase vollständig verbrannt werden. Zwischen dem
Beruhigungsraum 7 und der Brennkammer 8 ist innerhalb des Reaktors 1 eine Einschnürung
9 vorgesehen. Durch die Einschnürung 9 sind Düsen 10 geführt, die aus einer den Reaktor
1 umgebenden Ringleitung 11 mit sekundärer Verbrennnungsluft versorgt werden.
[0015] Die Brennkammer 8 ist über eine feuerfest ausgekleidete Rohrleitung 12 mit einem
Abhitzekessel 13 verbunden. Der Abhitzekessel 13 ist als Rauchgaszug ausgebildet und
enthält mehrere, nur schematisch angedeutete Wärmetauscher 14. Nach ihrer Wärmeabgabe
verlassen die gekühlten Gase den Abhitzekessel 13 aus dessen unteren Teil.
[0016] In der Wirbelschicht 2 sind Kühlflächen vorgesehen. Diese Kühlflächen können als
herausziehbarer Rohrbündel 15 ausgebildet sein. Auf diese Weise läßt sich die Größe
der Kühlflächen dem Wärmeangebot in der Wirbelschicht 2 anpassen.
[0017] Die Brennkammer 8 ist im vorliegenden Fall feuerfest ausgekleidet. Im Bedarfsfalle
kann auch vorgesehen werden, die Brennkammer 8 mit Kühlrohren zu umgeben. Dann können
die Kühlflächen in der Wirbelschicht 2 entfallen.
[0018] Durch die Düsen 10 wird der Brennkammer 8 ein solcher Anteil an Verbrennungsluft
zugeführt, daß sich eine Mindesttemperatur einstellt, die zur Verbrennung des aus
der Wirbelschicht 2 austretenden Gases einschließlich der in ihm enthaltenen schwer
ausbrennenden Bestandteile ausreicht. Der restliche Anteil der stöchiometrischen Verbrennungsluft
wird durch den Anströmboden 3 in die Wirbelschicht 2 eingeblasen. Durch das in dem
Rohrbündel 15 strömende Kühlmedium wird der Wirbelschicht 2 ein Teil der Wärme entzogen.
Die Wärmemengenabfuhr hängt von dem Verhältnis zwischen Primärverbrennungsluft-und
- Brennstoff ab. über die Wärmeabfuhr in der Wirbelschicht 2 und damit letztlich über
das Primärluft-Brennstoff-Verhältnis in der Wirbelschicht 2 wird die Mindesttemperatur
in der Brennkammer 8 eingestellt. Durch die Austauschmöglichkeit des Rohrbündels 15
kann dem Brennverhalten und der Wärmeentwicklung der unterschiedlichen Stoffe Rechnung
getragen werden.
1. Verfahren zum Verbrennen von Stoffen mit schwer ausbrennenden Bestandteilen und/oder
einem hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und/oder Stoffen, die beim Erwärmen
zum Verkleben neigen, in einer Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbrennung
in der Wirbelschicht und in einer der Wirbelschicht nachgeschalteten Brennkammer durchgeführt
wird und daß die dazu erforderliche Verbrennungsluft derart auf die Wirbelschicht
und die Brennkammer verteilt und dabei ein solcher Teil der frei werdenden Wärme abgeführt
wird, daß in der Brennkammer eine vorgesehene Mindesttemperatur nicht unterschritten
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme der Wirbelschicht
entzogen wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet , daß einer Wirbelschicht (2) ein Beruhigungsraum (7) nachgeschaltet
ist, der unmittelbar in eine Brennkammer (8) übergeht und daß zwischen beiden eine
Einschnürung (9) vorgesehen ist, in der Düsen (10) für die Zuführung von Verbrennungsluft
angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß in der Wirbelschicht
(2) Kühlflächen vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlflächen als herausziehbares
Rohrbündel (15) ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkammer (8) mit
Kühlflächen versehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkammer (8) feuerfest
ausgekleidet ist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkammer
(8) über eine feuerfest ausgekleidete Rohrleitung (12) mit einem Abhitzekessel (13)
verbunden ist.