Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aus flüssigem Brennstoff, Wasserdampf und Verbrennungsluft

Abstract

 Zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches wird zunächst flüssiger Brennstoff zusammen mit Wasser zur Verdampfung gebracht. Mit dem Brennstoff ver­dampft eine Wassermenge, die ein mehrfaches der Brenn­stoffmenge beträgt. Bevorzugt wird etwa die 3 bis 4fache Wassermenge zugegeben und der Brennstoff in überhitzten Wasserdampf verdampft. In das erzeugte Brennstoff/Wasserdampf-Gemisch wird Verbrennungsluft eingeführt.
Die Vorrichtung enthält einen Verdampfer (6) für Wasser und Brennstoff, eine nachgeschaltete Mischkammer (3), eine Verbrennungsluftzuführung (16) zur Mischkammer und eine Brennkammer (2) zur Verbrennung des erzeugten Gasgemisches.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aus Brennstoffdampf, Wasserdampf und Verbren­nungsluft durch Verdampfen des flüssigen Brenn­stoffs und Vermischen mit Verbrennungsluft.

[0002] Es ist bekannt, Heizöl durch Zufuhr von Verdampfungs­energie zu verdampfen und anschließend mit Verbrennungsluft zu vermischen. Zur vollständigen Verdampfung des Heizöls sind jedoch verhältnis­mäßig hohe Siedetemperaturen erforderlich, die das Entstehen von Crackprodukten verursachen. Die Crackprodukte bestehen im wesentlichen aus Koks, der sich im Verdampferraum absetzt und nicht ohne weiteres wieder entfernt werden kann.

[0003] Bekannt ist es auch, flüssigen Brennstoff in einen erwärmten Verbrennungsluftstrom zu ver­dampfen, vgl. DE-PS 31 22 770. Bei diesem Ver­fahren ist die Überführung des Brnnstoffs in die Verbrennungsluft bei wesentlich niedrigeren Temperaturen möglich. Die Temperaturen betragen bei Heizöl etwa nur den halben Wert der maximalen Siedetemperatur des flüssigen Brennstoffs. Es bilden sich aber durch Reaktionen des Heizöls mit dem in der Verbrennungsluft enthaltenen Sauerstoff im Heizöl langkettige Kohlenwasser­stoffe, die sich auf dem vorgenannten niedrigen Temperaturniveau in die Verbrennungsluft nicht mehr verdampfen lassen. Es verbleibt somit ein nach dem gleichen Verfahren nicht mehr weiterverarbeitbarer Ölrest.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein brennbares Gasgemisch durch Verdampfen flüssigen Brennstof­fes zu erzeugen, ohne dabei Rückstände im Ver­dampfungsraum durch sich absetzende Crackprodukte oder langkettige Kohlenwasserstoffe zu erhalten. Auch soll der Brennstoff vollständig unter Vermeidung von Veränderungen seiner chemischen Konsistenz verdampfbar sein.

[0005] Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Danach wird der Brennstoff mit einer das Mehrfache der Heizölmenge betragenden Wasser­menge zur Verdampfung gebracht und die Verbren­nungsluft dem dabei entstandenen Gemisch aus Brennstoffdampf und Wasserdampf zugeführt, das im folgenden als "Brennstoff/Wasser-Dampfge­misch" bezeichnet wird. Es hat sich gezeigt, daß bei diesem Verfahren in gleicher Weise wie bei der Verdampfung von Heizöl in Verbren­nungsluft verhältnismäßig niedrige Verdampfungs­temperaturen anwendbar sind. Durch Verwendung von Wasserdampf statt Verbrennungsluft als Wärmeträger werden jedoch Oxidationsreaktionen im noch nicht verdampften Brennstoff unterbunden. Der zu verarbeitende Brennstoff bleibt chemisch konsistent. Zweckmäßig wird für die Erzeugung des Brennstoff/Wasser-Dampfgemisches eine Wassermenge verdampft, die drei- bis vierfach größer ist als die zu verdampfende Brennstoffmenge, Patent­anspruch 2. Dieses optimale Verhältnis ist nach unten begrenzt, weil der Wasserdampf als Wärmeträger zur Verdampfung der gleichen Brenn­stoffmenge eine umso höhere Temperatur aufweisen muß, je weniger Wasserdampf verwendet wird. Bei höheren Temperaturen besteht jedoch für den Brennstoff die Gefahr zu cracken. Der obere Grenzwert für die Wassermenge ergibt sich aus der Zündgrenze des ausgebildeten Gasgemisches aus Wasserdampf/Brennstoffdampf und Verbren­nungsluft.

[0006] Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungs­gemäßen Verfahrens besteht nach Patentanspruch 3 darin, daß der Brennstoff in überhitzten Wasser­dampf verdampft wird. Zur Erzeugung des Brenn­stoff/Wasser- Dampfgemisches wird somit zunächst Wasserdampf erzeugt und überhitzt und danach Brennstoff in den heißen Wasserdampf eingegeben, wobei die Verdampfungswärme für den Brennstoff überwiegend vom Wasserdampf geliefert wird. Be­vorzugt wird der Brennstoff in auf ca. 400°C erhitzten Wasserdampf eingeführt, Patentan­spruch 4. Die Verbrennungsluft wird in das gebildete Brennstoff/Wasser-Dampfgemisch zweck­mäßig in vorgewärmtem Zustand eingeführt. Um die Temperatur des Brennstoff/Wasser-Dampf­gemisches aufrecht zu erhalten und eine Konden­sation von Brennstoff oder Wasser vor Ausbildung des brennbaren Gasgemisches zu vermeiden, wird die Verbrennungsluft vor Zugabe in das Dampfge­misch auf dessen Temperatur erwärmt, Patentan­spruch 5.

[0007] Zur Erwärmung und Verdampfung von Wasser und Brennstoff dient nach Patentanspruch 6 bevorzugt Verbrennungs- oder Abgas, das bei der Verbrennung des erzeugten brennbaren Gemisches entsteht. Die zur Wasserdampfbildung benötigte Energie wird dadurch zurückgewonnen, daß die Verbren­nungs- oder Abgase nach Aufheizung von Wasser und Brennstoff unter weiterer Wärmeabgabe bei­spielsweise in einem Heizkessel bis unter den Taupunkt des in ihnen enthaltenen Wasserdampfes abgekühlt werden, Patentanspruch 7.

[0008] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung, die einen Verdampfer für flüssigen Brennstoff und eine nachgeschaltete Mischkammer zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aufweist. Die Mischkammer ist mit einer Zufuhr für Verbrennungsluft versehen. Aus der Mischkammer wird das brennbare Gasgemisch in eine Brennkammer eingeleitet. Die erfindungs­gemäßen Ausbildungen dieser Vorrichtung sind in Patentansprüchen 8 bis 18 angegeben.

[0009] Erfindungswesentlich ist die Ausbildung der Vorrichtung mit einem Verdampfer für Wasser und Brennstoff, der der Mischkammer vorgeschaltet ist und dessen Ausgang mit einer Brennstoff/Was­ser-Dampfleitung verbunden ist, die in der Mischkammer zur Erzeugung des brennbaren Gasge­misches mündet. Zur Verdampfung des Brennstoffs in überhitzten Wasserdampf weist der Verdampfer einen ersten, ausschließlich der Wasserverdamp­fung dienenden Verdampferbereich und einen nachgeschalteten zweiten Verdampferbereich auf, der vom Wasserdampf durchströmt ist, der im ersten Bereich erzeugt wurde und in den der Brennstoff verdampft. Die für die Brennstoff­verdampfung dienende Oberfläche ist dabei so zu bemessen, daß ihre Temperatur nur wenig über der angestrebten Temperatur für das Brenn­stoff/Wasser-Dampfgemisch liegt, damit im Brenn­stoff keine Temperatur auftritt, die zur Auf­bildung von Crackprodukten im Brennstoff führt.

[0010] Zweckmäßig wird der Verdampfer von Heizgas erhitzt. Als Heizgas dient, wie bereits erwähnt, bevorzugt Verbrennungs- oder Abgas, das beim Verbrennen des in der Vorrichtung erzeugten brennbaren Gasgemisches aus Brennstoffdampf, Wasserdampf und Verbrennungsluft entsteht. Es kann sich dabei auch um Abgase handeln, die bei Verbrennung des erzeugten Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor entstehen, denn auch die Motorabgase lassen sich als Heizgase einsetzen. Die zur Aufheizung von Wasser und Brennstoff benötigte Wärmeenergie wird über einen Bypaß für das Heizgas und einen im Bypaß angeordneten Durchflußregler eingestellt, mit dem die jeweils den Bypaß durchströmende und die zum Verdampfer geleitete Heizgasmenge regu­liert wird. Es kann somit durch Öffnen des Bypasses eine Überhitzung des zu verdampfenden Brennstoffs im Verdampfer vermieden werden. Um auch für den Startvorgang eine Erwärmung von Wasser, Brennstoff und Verbrennungsluft zu ermöglichen, ist der Verdampfer elektrisch beheizbar ausgebildet.

[0011] In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es vorgesehen, die Verbrennungsluft in einer Vor­wärmkammer vorzuwärmen. Die Vorwärmkammer ist in gleicher Weise wie die Verdampferkammer von Heizgas erhitzbar und für den Fall, daß kein Heizgas zur Verfügung steht - oder noch nicht zur Verfügung steht - , elektrisch be­heizbar.

[0012] Zweckmäßig ist die Vorwärmkammer innerhalb des Verdampfers angeordnet, um Heizgas oder elektrische Heizung zur Erwärmung beider Kammern benutzen zu können. Diese Anordnung der Vorwärm­kammer innerhalb des Verdampfers führt zugleich zu einer sehr kompakten Ausbildung der erfin­dungsgemäßen Vorrichtung mit einer optimalen Ausnutzung der vom Heizgas mitgeführten oder von der elektrischen Heizung abgegebenen thermischen Energie.

[0013] Die Erfindung und weitere Ausbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Aus­führungsbeispieles näher erläutert.

[0014] Als Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung eine zylindrische Vorrichtung mit einer rohr­förmigen Kammerwand 1 dargestellt. Im oberen Teil der Vorrichtung befindet sich eine Brenn­kammer 2, in die das in einer Mischkammer 3 erzeugte brennbare Gasgemisch aus Brennstoff­dampf, Wasserdampf und Verbrennungsluft aus einem Gemischraum 4 über einen Flammenhalter 5 in die Brennkammer 2 eintritt. Das in der Brenn­kammer entstehende Verbrennungsgas wird einem Verdampfer 6 zugeleitet, der zur Erzeugung des Brennstoff/Wasser-Dampfgemisches dient. Der Verdampfer wird im Ausführungsbeispiel durch eine Rohrschlange gebildet, deren erster Verdampferbereich 7 im Bereich der Kammerwand 1 verlegt ist. In diesem Verdampferbereich wird Wasser verdampft und überhitzt. Dem ersten Verdampferbereich 7 ist ein zweiter Verdampfer­bereich 8 nachgeschaltet, dessen Verdampferrohre im Ausführungsbeispiel einen kleineren Krümmungs­radius aufweisen als die Verdampferrohre des ersten Verdampferbereiches und der deshalb von der Kammerwand 1 her gesehen innerhalb des Verdampfers weiter nach innen verlegt ist als der Verdampferbereich 7. Der erste Verdamp­ferbereich 7 weist einen Wasserzulauf 9 auf, in den das zu verdampfende Wasser in den Verdampfer einströmt. Der Brennstoff wird in den zweiten Verdampferbereich 8 über eine Brennstoffzuführung 10 eingeführt, die bei 11 im Verdampferbereich 8 mündet. Im Ausführungsbeispiel wird der flüssige Brennstoff in der Brennstoffzuführung 10 leicht vorgewärmt. Im Verdampferbereich 8 verdampft der Brennstoff in den im ersten Verdampferbe­reich 7 erzeugten Wasserdampf. In beiden Verdamp­ferbereichen 6, 7 findet die Verdampfung bei abwärts gerichteter Strömungsrichtung der zu verdampfenden Medien statt.

[0015] Das auf diese Weise im Verdampfer 6 ausgebil­dete Brennstoff/Wasser-Dampfgemisch strömt aus dem zweiten Verdampferbereich 8 über eine Brennstoff/ Wasser- Dampfleitung 12 ab, die im Gemischraum 4 mündet.

[0016] Die benötigte Verbrennungsluft wird im Ausführungs­beispiel von einem Gebläse 13 angesaugt und strömt über eine Verbrennungsluftleitung 14 in eine Vorwärmkammer 15 ein, die im Ausführungs­beispiel zentral im Verdampfer 6 innerhalb der den zweiten Verdampferbereich 8 bildenden Rohrschlange angeordnet ist. Die Vorwärmkammer 15 ist allseitig geschlossen und weist zum Abführen der vorgewärmten Verbrennungsluft eine zum Gemischraum 4 führende Verbrennungsluft­zuführung 16 auf. Im Ausführungsbeispiel bilden die Brennstoff/ Wasser-Dampfleitung 12 und die Verbrennungslufzuführung 16 ein Doppelrohr, in dessen Innenrohr das Brennstoff/Wasser-Dampf­gemisch geführt wird. An der Mündung des Doppel­rohres befindet sich ein Mischer 17 für das an dieser Stelle in den Gemischraum 4 austretende Gasgemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff/­Wasser-Dampfgemisch. Im Ausführungsbeispiel wird der wird der Mischer 17 in einfachster Weise dadurch gebildet, daß die Brennstoff/Was­ser-Dampfleitung 12 an ihrer Stirnseite 18 verschlossen ist und zum Austritt des Brennstoff/­Wasser-Dampfgemisches seitliche Austrittsöff­nungen 19 aufweist, durch die das Brennstoff/Was­ser-Dampfgemisch in die in der Verbrennungsluft­zuführung 16 des Doppelrohres geführte Verbren­nungsluft einströmt.

[0017] Zur Regelung der am Verdampfer 6 benötigten Heizgasmenge zur Verdampfung von Wasser und Brennstoff führt von der Brennkammer 2 ein Bypaß 20 zum Heizgasaustritt 21 des Verdamp­fers 6. Als Durchflußregler 22 befindet sich im Bypaß 20 eine Drosselklappe, mittels der die im Bypaß strömende Teilmenge des Heizgases und damit auch die den Verdampfer 6 umströmende Heizgasmenge einstellbar ist.

[0018] Falls zur Erzeugung des Brennstoff/Wasser-Dampf­gemisches kein heißes Verbrennungsgas aus dem Brennraum zur Verfügung steht, wie dies bei­spielsweise beim Start der Vorrichtung der Fall ist, kann der Verdampfer mit an anderer Stelle erzeugtem Heizgas erhitzt werden, das über eine Zuleitung 23 zum Verdampfer 6 strömt. Der Verdampfer ist aber auch elektrisch beheiz­bar. Hierzu dient eine in wärmeleitender Verbin­dung zur Rohrschlange des Verdampfers verlegte elektrische Heizung 24. Die Heizung 24 ist so angeordnet, daß neben dem Verdampfer 6 auch die Vorwärmkammer 15 für die Verbrennungsluft aufgeheizt wird.

[0019] Zur Zündung des in die Brennkammer 2 eintretenden Gasgemisches befindet sich im Brennraum eine Zündeinrichtung 25.

[0020] Im Ausführungsbeispiel wurde in der Vorrichtung ein brennbares Gasgemisch mit handelsüblichem Heizöl erzeugt. Das Heizöl wurde im Verdampfer­bereich 8 in auf 400°C überhitzten Wasserdampf eingeführt. Der Wasserdampf wurde im Verdampfer­bereich 7 aus entsalztem Wasser erzeugt, das mit Raumtemperatur in den Verdampfer einströmte. Die im Verdampferbereich 8 verdampfte Wassermenge entsprach dem drei- bis vierfachen der eingeführ­ten Heizölmenge. Dem erzeugten Heizöl/Wasser-­Dampfgemisch wurde Verbrennungsluft in leicht überstöchiometrischem Verhältnis zum Heizöl zugeführt. Das erzeugte brennbare Gasgemisch strömte aus der Mischkammer durch den Flammen­halter 5 hindurch in die Brennkammer 2 ein und wurde hier gezündet. Im stationären Zustand betrug die Temperatur im Brennraum ca. 1300°C. Mit dieser Temperatur wurde das Verbrennungsgas in den Verdampfer eingeführt.

[0021] Infolge des im brennbaren Gasgemisch enthal­tenen Wasserdampfes werden bei der Verbrennung niedrigere Verbrennungsgastemperaturen erreicht als es ohne diesen Wasserdampf der Fall wäre. Es wird somit bei der Verbrennung des erzeugten Gasgemisches weniger Stickoxyd gebildet.

[0022] Das Verbrennungsgas wird vom Heizgasaustritt 21 zur Abgabe seiner thermischen Energie in einen Wärmeübertrager geleitet. Es kann dort bis unter den Taupunkt des mitgeführten Wasserdampfes abgekühlt werden.

[0023] Anstelle von Heizöl lassen sich auch andere flüssige Brennstoffe, beispielsweise Benzin oder andere brennbare Rohölprodukte oder bei­spielsweise auch Destillate aus Stein- oder Braunkohlenteeren einsetzen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gas­gemisches durch Verdampfen flüssigen Brennstoffs und Zuführen von Verbrennungsluft,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff zusammen mit einer ein Mehr­faches der Brennstoffmenge betragenden Wasser­menge zur Verdampfung gebracht wird, und daß die Verbrennungsluft dem gebildeten Brennstoff/­Wasser-Dampfgemisch zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verdampfte Wassermenge etwa das 3- bis 4fache der zu verdampfenden Brennstoffmenge beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff in überhitzten Wasserdampf verdampft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennstoff in auf ca. 400 °C erhitzten Wasserdampf verdampft wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluft vor Vermischung mit dem Brennstoff/Wasser-Dampfgemisch auf die Temperatur des Dampfgemisches vorgewärmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erwärmung und Verdampfung von Wasser und Brennstoff heiße Verbrennungs- oder Abgase dienen, die bei Verbrennung des erzeugten brenn­baren Gasgemisches aus Brennstoffdampf, Wasser­dampf und Verbrennungsluft entstehen.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungs- oder Abgase nach Erwärmung und Verdampfung von Wasser und Brennstoff bis unter den Taupunkt des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes abgekühlt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 mit einem Verdampfer für flüssigen Brennstoff und einer nachgeschal­teten Mischkammer zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches unter Zufuhr von Verbrennungsluft und Einleitung des brennbaren Gasgemisches in eine Brennkammer,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mischkammer (3) ein Verdampfer (6) für Wasser und Brennstoff vorgeschaltet ist, dessen Ausgang an eine Brennstoff/Wasser-Dampf­leitung (12) angeschlossen ist, die in der Mischkammer (3) mündet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (6) einen ersten Verdampfer­bereich (7) zur Wasserverdampfung mit einem Wasserzulauf (9) aufweist daß diesem ersten Bereich (7) ein vom erzeugten Wasserdampf durch­strömter zweiter Verdampferbereich (8) mit einer Brennstoffzuführung (10) zur Verdampfung von Brennstoff in den Wasserdampf nachgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (6) von Heizgas erhitzt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (6) elektrisch beheizbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Bypaß (20) für das Heizgas vorgesehen ist, der den Verdampfer (6) umgeht, und daß im Bypaß (20) ein Durchflußregler (22) zur Regulierung der Heizgasmenge angeordnet ist, die jeweils den Bypaß (20) durchströmt bzw. dem Verdampfer (6) zugeführt wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluftzuführung (16) zur Mischkammer (3) an einer Vorwärmkammer (15) für die Verbrennungsluft angeschlossen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorwärmkammer (15) von Heizgas erwärmbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorwärmkammer (15) elektrisch beheizbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13, 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorwärmkammer (15) innerhalb des Ver­dampfers (6) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoff/Wasser-Dampfleitung (12) durch die Brennkammer (2) hindurch zur Misch­kammer (3) geführt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoff/Wasser-Dampfleitung (12) und die Verbrennungsluftzuführung (16) ein durch die Brennkammer (2) geführtes Doppelrohr bilden.

Zeichnung