DE2612302C2 - Verfahren zur Verbrennung organische Bestandteile enthaltender Abwässer - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft so eingestellt wird, daß das Abwasser-LuiVGemisch den Brennermund als Tröpfchenwirbelschicht verläßt

Dadurch wird erreicht, daß die Abwassermenge gegenüber bekannten Verfahren bei gleichbleibender Brennstoffmenge um etwa 100% erhöht werden kann, ohne daß Abscheidungen unverbrannter Stoffe in der Vorbrennkammer auftreten; das Volumenverhälmis von Brennstoff zu Abwasser kann auf etwa 1 :5 eingestellt werden. Überraschenderweise wird weiter erreicht, daß die Betriebstemperatur der Brennkammer von etwa 1100 auf etwa 900° C gesenkt werden kann, ohne den Wirkungsgrad hinsichtlich der Vernichtung der Abfalistoffe zu beeinträchtigen. Die Senkung der Brennkammertemperatur wirkt sich günstig auf die Haltbarkeit der Brennkammerausmauerung: aus. Durch das erfindungsgemäß erzielte Brennstoff-Abwasser-Verhältnis wird nicht nur eine wesentliche Steigerung der Verbrennungskapazität einer bestehenden Verbrennungsanlage erreicht, sondern auch eine Stabilisierung des Verbrennungsvorganges selbst, derart, daß im Gegensatz zu den bekannten Verfahren kein Abreißen der Flamme mehr eintritt, wodurch die mechanische Belastung von Brenner und Brennkammer verringert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, bezogen auf die verbrannte Abwassermenge im Vergleich zu den bekannten Verfahren eine Brennstoffersparnis (Heizöl S>on 10 bis 20% erreicht

Die Aufgabe wird ferner bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Zerstäuberbrenner mit Brennstoffzerstäuberdüse, Zuleitungen für Brennstoff, Zerstäubungsmittel und Verbrennungsluft und mit einer in der Brennstoffdüse endenden, mittig angeordneten Abwasserzuleitung, in der vor dem Brenner ein Luftstrahl-Ejektor mit seitlich angeordneter Abwasser- und mittig angeordneter Luftzuführungsöffnung so angeordnet ist daß im Betrieb ein zentrischer Luftstrahl mit einem Abwasserringstrahl in einer Mischdüse vermischt wird, dadurch gelöst, daß an der Luftzuführungsöffnung des Ejektors eine verstellbare Lochblende angeordnet ist Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemä schließende Rohr ist mit einer Dampfzuleitung 8, das innere, den hohlzylindrischen Raum 6 umschließende Rohr 4 mit einer Ölzuleitung 9 verbunden. Konzentrisch in dem inneren, den Raum 6 umschließenden Rohr 4 ist ein Seelenrohr 10 angeordnet dessen offenes Ende sich in der Mitte der Zerstäuberdüse 7 befindet An seinem, den nicht dargestellten Brennkammern abgewandten Ende, ist das Seelenrohr 10 mit dem Ejektor 2 verbunden, welcher eine seitlich angeordnete Abwasserzufüh- rungsöffnung 11 und eine mittig angeordnete Luftzuführungsöffnung 12 besitzt An die Abwasserzuführungsöffnung 11 ist eine Abwasserzuleitung 13, an die Luftzuführungsöffnung 12 eine Luftzuleitung 14 angeschlossen. Sämtliche Zuleitungen 8,9,13 und 14 weisen Regelventile 15,16,17 und 18 auf. Ein durch die Luftzuführungsöffnung 12 konzentrisch zum Seeienrohr 10 in den Ejektor 2 eintretender Luftstrahl wird mit einem durch die Abwasserzuführungsöffnung ί t in den Ejektor eintretenden, einen Ringstrahl bildenden Abwasser- strahl in einer Mischdüse 19 derart vermischt, daß sich im Seelenrohr 10 eine stabile Tröpfchenwirbelschicht bildet Vor der Luftzuführungsöffnung 12 ist eine verstellbare Lochblende 20 angeordnet Der Durchmesser der Luftzuführungsöffnung des Ejektors 2 beträgt etwa Ά des Durchmessers der Abwasserzuführungsöffnung 11. Die Mischdüse 19 verjüngt sich konisch vom Durchmesser der Abwasserzuführungsöffnung 11 auf den Durchmesser des Seelenrohrs 10. Die aus dem offenen Ende des Seelenrohrs 10 austretende Tröpfchenwirbelschicht wird im Betrieb in das Zentrum der an der Zer stäuberdüse 7 gebildeten Flamme 21 geblasen.

Beispiel

In eine mit 12 Ölzerstäuberbrennern üblicher Bauart mit erfindungsgemäß verwendeten Druckluftejektoren ausgerüstete Verbrennungsanlage werden pro Stunde und Brenner 0,42 kg (0,44 m³) Heizöl 5 und 150 bis 250 kg Dumpf eingedüst. Ein aus der Acrylnitrilproduk tion kommender Abwasserstrom mit einem Gehalt von ca. 30% an organischen Polymeren wird der Verbrennungsanlage über den Ejektor in einer Menge von 1,25 bis 2,25 m³ pro Stunde und Brenner unter einem Druck von 1 —4 atü mit Hilfe von Pumpen und unter Verwen-

ßen Verfahrens bestehen darin, daß die Tröpfchenwir- 45 dung von Mengenmessern zugeführt. Jedem Ejektor belschicht durch Vermischen von mindestens 7 VoIu- werden außerdem 16 mVh Druckluft von 5,5 atü zugein der Brennkammer beträgt

menanteilen Luft mit je einem Volumenteil Abwasser pro Zeitenheit gebildet wird, daß dem Brenner je Zeiteinheit bis zu 5 Volumteile Abwasser pro Volumenteil Brennstoff zugeführt werden, und daß als Zerstäuberbrenner ein an sich bekannter Ölbrenner und als Zerstäubungsmittel Dampf verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt das Verhältnis der Durchmesser von Abwasser- zur Luftzuführung im Ejektoretwa3:l.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der Beispielsbeschreibung weiter erläutert

Die Zeichnung ist ein Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die im wesentlichen aus einem öl- zerstäuberbrenner 1 und einem LuftstraWejektor 2 besteht. Der Brenner 1 besteht aus zwei durch ineinandergeschobene Rohre 3 und 4 gebildeten, konzentrisch angeordneten hohlzylindrischen Räumen 5 und 6, die sich an ihren vorderen, den in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkammern zugewandten Enden kegelstumpfförmig verengen und so eine Zerstäuberdüse 7 bilden. Das äußere den hohlzylindrischen Raum 5 umführt. Die Temperatur 900-950°C.

Die Luftzuführungsöffnung am Ejektor besitzt einen Durchmesser von 9 mm, der Rohrquerschnitt beträgt also 63,58 mm²; der Durchmesser der Abwasserzuführungsöffnung am Ejektor beträgt 27,3 mm, der Rohrquerschnitt also 585 mm². Das Seelenrohr des Brenners besitzt einen Durchmesser von 13,6 mm, also einen Rohrquerschnitt von 145,1 mm². Die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft beträgt beim Eintritt in den Ejektor 70 m/s, während sie in der Mischdüse des Ejektors an der Stelle ihres größten Durchmessers nur noch 0,7 m/s beträgt Die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Luft-Abwasser-Gemisch das Seelenrohr an der Brennei Zerstäuberdüse verläßt, beträgt 35 m/s.

Unter diesen Bedingungen beträgt das Verhältnis von Brennstoff zu Abwassermenge 1 :2,97 bis 1 :5,35 (kg) oder 1 :2,84 bis 1 :5,11 (m³). Die Verbrennungsleistung der gesamten Anlage beträgt 15—27 m³ Abwasser pro Stunden. In den Vorbrennkammern setzen sich keine unverbrannten, dem Abwasser entstammenden Rückstände ab; die Verbrennung ist vollständig.

Vergleichsversuch

Eine Verbrennungsanlage mit 12 ölzerstäuberbrennern derselben Art wie im vorhergehenden Beispiel beschrieben, jedoch ohne Druckluftejektoren, wird ebenfalls mit 0,42 kg (0,44 m³) Heizöl 5 und 150 bis 250 kg Dampf pro Stunde und Brenner beschickt. Ein aus der Acrylnitrilsynthese kommender Abwasserstrom mit einem Gehalt von ebenfalls ca. 30% an organischen Polymeren wird den Brennern je nach Heizwert in einer Menge von 0,66—0,88 m¹ pro Stunde und Brenner unter einem Druck von 2 atü zugeführt. Der Durchmesser des Seeienrohrs, durch das das Abwasser der Zerstäuberdüse des Brenners zugeführt wird, beträgt ebenfalls 13,6 mm, der Rohrquerschnitt also 145,1 mm². Die Austrittsströmungsgeschwindigkeit, mit der das Abwasser den Brennermund verläßt, beträgt 125 bis 1,65 m/s. Das Verhältnis von Brennstoff- zu Abwassermenge beträgt 1 :1,5 bis 1 :2 m³. Die Gesamtanlage (23 Brenner) leistet 8 bis 10,6 mVh Abwasser. Die Temperatur in der Brennkammer beträgt ca. HOO⁰C.

Ein Vergleich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit dem bekannten Verfahren erzielten Ergebnisse zeigt, daß die Verbrennungsleistung einer Anlage bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu 3,4mal größer ist als diejenige derselben Anlage bei Anwendung des bekannten Verfahrens, wobei gleichzeitig ein bis zu 100% günsteres Verhältnis von Brennstoff zu Abwassermenge erzielt wird und außerdem die Temperatur in der Brennkammer auf 900—95O⁰C gesenkt werden kann.

Der Grund für die erfindungsgemäß erzielten günstigen Ergebnisse liegt in der Bildung einer Tröpchenwirbelschichc aus Luft und Abwasser vor dem Brenner. Die Ausbildung dieser Tröpfchenwirbelschicht erfolgt an der Grenzschicht einer Druckiuftströmung einer Strömungsgeschwindigkeit von 70 m/s. Der Luftstrom expandiert von einem Rohr eines Durchmessers von 9 mm in einen Raum mit einem Durchmesser von 273 mm, wobei die Strömungsgeschwindigkeit zunächst auf 0,7 r.i/s reduziert, durch allmähliche Rohrverengung jedoch wieder auf 35 m/s erhöht wird.

Die Arbeit, die notwendig ist um die Flüssigkeitsteilchen zur Erzeugung der Tröpfchenwirbelschicht voneinander zu trennen, wird der kinetischen Energie des Luftstromes entnommen. Diese Trennarbeit kann überschlagsmäßig der Differenz £f_jct,_or- E_Srt.„_ne._r gleichgesetzt werden. Die Berechnung dieser Differenz ergibt mit den im Beispiel genannten Massen und Strömungsgeschwindigkeiten einen Wert von etwa 1 kcal/h (03 kcal/h bei 18,25 m³ Luft-Abwasser-Gemisch und 1,51 kcal/h bei 16 m³ Luft). Berücksichtigt man nun, daß die molare Verdampfungsenthalpie, also die Trennarbeit für 6 · 10²³ Moleküle, von Wasser 9.7 kcal/M beträgt, so kann man die »Größe« der Tröpfchen, d. h. die Anzahl der in ihnen enthaltenen Moleküle, abschätzen, die durch die Energiedifferenz des Luftstromes von ca. 1 kcal/h (ohne Berücksichtigung der Reibungsverluste!) möglich ist Auf diese Weise ergibt sich eine Teilchengröße von etwa 10⁶ H2O-Molekülen. Tatsächlich werden ω aber durch Rekombination und wegen der enthaltenen organischen Bestandteile sicher größere Tröpfchen entstehen. Die Überschlagsrechnung vermag aber dennoch zu zeigen, daß die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile eine unmittelbare Folge davon sind, daß die zu verbrennenden Abwasser in Form von Nebel oder Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm in die Flamme eingedüst werden. Dadurch wird verhindert, daß die versprühten Wassertröpfchen bereits in der Vorbrennkammer aus der ölflamme zu Boden fallen und aufgrund der darin enthaltenen organischen Bestandteile zu einem Zuwachsen der Vorbrennkammer führen. Die Tröpfchen werden vielmehr durch den Luftstrom durch die ganze Länge der ölflamme bis ins Ofenzentrum geführt, und die darin enthaltenen organischen Bestandteile werden aufgrund der sich aus den winzigen Tröpfchendurchmessern ergebenden riesigen Gesamtoberfläche aller Tröpfchen vom tragenden Luftsauerstoff quantitativ verbrannt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 gelöst oder suspendiert sind, in den reaktionsfähigen Patentansprüche: Zustand zu bringen, sowie von den Wärmeverlusten, die durch Wärmeabgabe an die Umgebung auftreten. Hohe

1. Verfahren zur Verbrennung organischer Be- Flammentemperaturen erfordern daher große Brennstandteile enthaltender Abwasser in einem Zerstäu- 5 stoffmengen.

bungsbrenner, wobei die Abwasser vor Eintritt in Bei den bekannten Verfahren werden Zerstäubungs-

den Brenner in einer Mischdüse mit Druckluft ver- brenner, z. B. oizerstäubungsbrenner üblicher Bauart mischt werden, dadurch gekennzeichnet, mit Dampf als Zerstäubungsmittel verwendet Bei diedaß die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft so sen bekannten Brennern ist die Zuleitung, durch die die eingestellt wird, daß das Abwasser-Luft-Gemisch io zu verbrennenden Abwässer unter Druck der Verbrenden Brennermund als Tröpfchenwirbelschicht ver- nung zugeführt werden, konzentrisch bzw. mittig zur läßt Brennstoffzerstäuberdüse angeordnet und endet im Be-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- reich der Zerstäuberdüse unmittelbar am Brennermund, zeichnet daß die Tröpfchenwirbelschicht durch Ver- von wo die Abwasser in das Zentrum der Flamme eingemischen von mindestens 7 Volumenteilen Luft mit je 15 düst werden. Der als Brennstoffzerstäubungsmittel vereinem Volumenteil Abwasser pro Zeiteinheit gebil- wendete Dampf liefert durch Expansion beim Verlassen detwird. der Düse zusätzliche Turbulenz und begünstigt so den

3: Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- endothermen Vergasungsvorgang der Brennstofftröpfkennzeichnet daß dem Brenner je Zeiteinheit bis zu chen. Andererseits wird die Flamme durch die eingedü-5 Volumenteile Abwässer pro Volumenteil Brenn- 20 sten Abwässer soweit abgekühlt, daß die in den Abwässtoff zugeführt werden. sern enthai tenen organischen Feststoffe, z. B. Polymere,

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unverbrannt durch die Flammenfront zu Boden fallen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus und sich in der Vorbrennkammer als zähflüssiger Teer einem Zerstäuberbrenner mit Brennstoffzerstäuber- ablagern und dort verkoken. Auf diese Weise kann die düse, Zuleitungen für Brennstoff, Zerstäubungsmit- 25 Vorbrenntommer innerhalb von wenigen Stunden »zutel und Verbrennungsluft und mit einer in der Brenn- wachsen«. Um eine Betriebsunterbrechung zu vermeistoffdüse endenden, mittig angeordneten Abwasser- den, muß die Vorbrennkammer bei den bekannten Verzuleitung, wobei in der Abwasserzuleitung vor dem fahren deshalb ständig auf einer Temperatur von minde-Brenner ein Luftstrahlejektor mit seitlich angeord- stens 1050⁰C gehalten werden, und die Abwassermenge neter Abwasser- und mittig angeordneter Luftzu- 30 darf einen bestimmten Grenzwert, der einem Volumenführungsöffnung so angeordnet ist daß im Betrieb verhältnis von Heizöl zu Wasser von 1 :1,5 bis 1 :2,5 ein zentrischer Luftstrahl mit einem Abwasserring- entspricht, nicht überschreiten.

strahl in einer Mischdüse vermischt wird, dadurch Aus DE-AS 19 37 791 ist eine Vorrichtung zum Vergekennzeichnet, daß an der Luftzuführungsöffnung mischen von flüssigem Abfallmaterial mit Luft vor Ein-(12) des Ejektors (2) eine verstellbare Lochblende 35 führung dieses Gemisches in eine Verbrennungseinrich-(20) angeordnet ist tung bekannt Diese Vorrichtung weist einen Injektor

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- für die unter Überdruck stehende Luft auf. Der Injektor zeichnet, daß das Verhältnis der Durchmesser zu steht mit dem Ejektor so in einer Wirkverbindung, daß Abwasser- zu Luftzuführung im Ejektor (2) etwa das Abfallmaterial in den Ejektor einsaugbar ist In dem 3 :1 beträgt. 40 Ejektor wird die Flüssigkeit mit einer großen Luftmenge durchmischt wobei der Flüssigkeitsstrom in eine

schaumige Masse umgewandelt wird. Das schaumige

Gemisch fließt dann der Verbrennungseinrichtung zu. Eine derartige Vorrichtung ist zur Verbrennung von

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbren- 45 Abwässern nicht geeignet

nung organischer Bestandteile enthaltender Abwässer Die DE-OS 18 11 702 offenbart einen an sich üblichen

in einem Zerstäubungsbrenner, wobei die Abwässer vor Zerstäubungsbrenner, der als zusätzliches Merkmal ei-

Eintritt in den Brenner in einer Mischdüse mit Druckluft nen Drallkopf aufweist, wodurch um den Injektorbren-

vermischt werden. ner ein Kranzwirbel gebildet wird. Mit diesem Brenner

Verfahren der genannten Art werden gewöhnlich in 50 können Abfallstoffe in flüssiger Form zerstäubt werden. Verbrennungsanlagen durchgeführt, in denen nicht nur Es war nun Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Abwässer, sondern auch schädliche Abgase und andere Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren unerwünschte, z. B. aus petrochemischen Prozessen der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem stammende Nebenprodukte verbrannt werden. Obwohl ein optimaler Wirkungsgrad hinsichtlich der Vernichsolche Verbrennungsanlagen zur Wiedergewinnung 55 tung der unerwünschten Abfallstoffe erreicht und und Nutzbarmachung der in ihnen erzeugten Wärme gleichzeitig der Brennstoffbedarf im Vergleich zu dem mit einem Dampfkessel ausgerüstet sind, sind sie doch bekannten Verfahren verringert wird. Weiterhin sollte mit erheblichen Energieverlusten verbunden, da zur ein Verfahren geschaffen werden, bei dem eine optimale völligen Zerstörung der unerwünschten, zum Teil gifti- Verweilzeit der Abwassertröpfchen in der Flamme ergen Abgase und der in Wasser gelösten oder suspen- 60 reicht wird, so daß weder Rückstände bei der Verbrendierten Feststoffe hohe Verbrennungstemperaturen er- nung auftreten und sich Ablagerungen in der Verbrennforderlich sind. Die Flammentemperatur der Verbren- kammer bilden, noch der Heizölverbrauch zu hoch ist. nungsanlage ist nicht nur vom Heizwert des Brennstof- Weiterhin war es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichfes abhängig, sondern auch von der Menge der in dem tung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu der Verbrennung zugeführten Material enthaltenen 65 schaffen, die bei einem Minimum an Investitionskosten brennbaren Bestandteile, der Wärmemenge, die erfor- geeignet ist bestehende, nach dem bekannten Verfahderlich ist, um den Brennstoff und die Ballaststoffe, wie ren arbeitende Verbrennungsanlagen auf das erfinz. B. das Wasser, in dem die organischen Verbindungen dungsgemäße Verfahren umzustellen.