Verbrennungsanlage zur Verbrennung von Abfallprodukten, insbesondere von Kunststoff-Material
Diese Erfindung -betrifft eine Verbrennungsanlage zur Verbrennung von Abfallprodukten, insbesondere von Kunststoffmaterial, mit einer Haupt-Verbrennungskammer, Mitteln zum Zuführen von Verbrennungsluft zur Haupt-Verbrennungskammer und mit einer Nachverbrenntungskammer, die thermisch von der Hauptverbrennungskammer isoliert ist und Mittel zur Einleitung einer Nachverbrennung aufweist.
Der immer noch wachsende Verbrauch von Gegenständen aus Kunststoff-Werkstoffen, insbesondere von solchen aus Verbrauchswerkstoffen aus Kunststoff, bereitet hinsichtlich der Beseitigung dieser Gegenstände gewisse Schwierigkeiten. Zur Verringerung der Infektionsgefahr und zur Vermeidung der Reinigung gebrauchter Kunststoff-Gegenstände ist es wichtig, dass diese Gegenstände schnell und einfach durch Verbrennung zerstört werden können. Das gilt insbesondere für Spitäler und Laboratorien, in denen Verbrauchswerkstoffe aus Kunststoff in grossem Ausmasse verwendet werden.
Auch in Gewerbebetrieben, in denen Kunststoff Werkstoffe hergestellt oder gebraucht werden, begegnet man ernsthaften Schwierigkeiten, wenn Abfallprodukte aus Kunststoff zerstört werden müssen. Der Grund dafür besteht darin, dass letztere nicht wie gewöhnliche Abfallprodukte zersetzt werden können, beispielsweise durch Lagerung im Freien, auf Abfallhalden, auf Komposthaufen usw.
Bei bekannten Verbrennungsanlagen wirft die Verbrennung von Kunststoff-Werkstoffen ernste Probleme auf, weil letztere auf eine Art und Weise verbrennen, die sich von der von gewöhnlichen Haushalts-Abfällen unterscheidet.
So weisen bekannte Verbrennungsanlagen beispielsweise einen Rost auf, der die Kunststoff-Werkstoffe trägt; die bei diesen Verbrennungsanlagen auftretenden Probleme beruhen auf der Tatsache, dass der Rost nur für kurze Zeit auf normale Weise arbeitet, weil die Löcher des Rostes verstopft werden, durch die die Verbrennungsluft zugeführt wird. Diese Verstopfung leitet wiederum die Zerstörung des Rostes ein, wenn dieser aus gewölmlichen Werkstoffen besteht, wie z. B. aus Gusstahl-Legierungen.
Andere Probleme beruhen auf dem hohen Russgehalt der Rauchgase, die Verbrennungsanlagen verlassen, in denen Kunststoff-Werkstoffe verbrannt werden.
Dieser auf unvollkommener Verbrennung beruhende Russgehalt verunreinigt die Aussenluft und stellt in der Umgebung dieser Verbrennungsanlagen eine grosse Be lästigung dar.
Der Grund für diese Schwierigkeiten besteht darin, dass Kunststoff-Werkstoffe die Eigenschaften besitzen, dass sie vor der Entzündung und Verbrennung weich werden und schmelzen. Wenn ein Kunststoff-Werkstoffe enthaltender Abfall einer Verbrennunganlage zugeführt und darin verbrannt wird, in der der Rost aus durchbrochenen Rostelementen aus Gusseisen oder aus Rostlamellen, die voneinander durch Durchbrüche für die Luftzufuhr getrennt sind, besteht, werden die Öffnungen oder Durchlässe im Rost verstopft, und zwar wegen des Schmelzens der Kunststoff-Werkstoffe, ob es sich nun um einen Stufenrost, einen ebenen Rost oder einen geneigten Rost handelt. Wenn die Verbrennungsluft aber ohne Durchgang durch den Rost direkt zum Abfall gelangt, werden bei der Verbrennung auf der oberen Fläche des Rostes sehr hohe Temperaturen entwickelt.
Wegen der Verstopfung der Durchlässe des Rosts werden letztere nicht der Kühlwirkung unterworfen, die normalerweise während des Durchgangs der kühlen Verbrennungsluft durch die Rostdurchlässe stattfindet. Daher wird ein beispielsweise aus Gusseisen gefertigter Rost auf sehr hohe Temperaturen erhitzt; diese Erhitzung bedingt einen irreversiblen Volumenzuwachs.
Weiterhin besitzen die Kunststoff-Werkstoffe die Eigenschaft, dass selbst bei Erhitzung auf mittlere Temperaturen grosse Mengen Gas gebildet werden, dessen Anteil mit wachsender Heiztemperatur exponentiell ansteigt. Wenn daher Kunststoff-Werkstoffe enthaltender Abfall den oben erwähnten Verbren nungsanlagen zugeführt und darin verbrannt wird, werden grosse Mengen von Kohlenstoffteilchen enthaltenden Gasen sehr schnell gebildet, und zwar in der Zone oberhalb der Abfallschicht; die Kohlenstoffteilchen verlassen die Verbrennungskammer zusammen mit den Rauchgasen. Wenn man versucht, die Bildung dieser Kohlenstoffteilchen durch Zufuhr von mehr Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer zu vermeiden, bewirkt der von der Nachverbrennung herrührende erhöhte Wärmebetrag eine Bildung von noch grösseren Mengen an Gasen und russigen Kohlenstoffteilchen.
Gleichzeitig bewirkt die Zufuhr einer grossen Menge von sekundärer Luft eine starke Kühlung der Verbrennungskammer, wodurch die Verbrennungstemperatur des Materials gesenkt wird, das noch nicht vollständig verbrannt ist.
Wie schon oben erwähnt, hängt die Geschwindigkeit, mit der die Erzeugung flüchtiger Gase und von Russteilchen in der Hauptverbrennungskammer stattfindet, von der Hitzeerzeugung ab, folglich auch von der Temperatur innerhalb der Hauptverbrennungskammer. Wenn man jedoch die Verbrennung in zwei thermisch voneinander getrennten Kammern durchführt, kann vermieden werden, dass die Wärmeerzeugung und der von der Nachverbrennung stammende Temperaturanstieg den Verbrennungsprozess in der Hauptverbrennugnskammer, die Erzeugung von Gasen und die von Russteilchen in dieser Kammer vermieden werden.
Der Erfindung liegt das Bestreben zugrunde, eine Verbrennunganlage zu schaffen, die sich zur Verbrennung von Kunststoffen und sich bei der Verbrennung ähnlich verhaltenden organischen Stoffen zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist.
Diese erfindungsgemässe Verbrennungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Verbrennungskammer geneigt, ununterbrochene Führungsflächen aus feuerfestem Werkstoff für die zu verbrennenden Abfallprodukte aufweist, und dass sich die Mittel zum Zuführen von Haupt-Verbrennungsluft zur Haupt-Verbrennungskammer in letztere hinein öffnen, und zwar in verschiedenen Höhen oberhalb des Bodens der Haupt-Verbrennungskammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Führungsflächen in Form von Stufen in verschiedenen Höhen oberhalb des Bodens der Hauptverbrennungskammer vorgesehen, und die Mittel zum Zuführen der Haupt-Verbrennungsluft öffnen sich in zwischen den Führungsflächen gelegenen Zonen und zwischen der untersten Führungsfläche und dem Boden der Haupt verbrennungskammer. Die Führungsflächen sind vorzugsweise durch hohle Metallrohre abgestützt, die als Mittel zum Zuführen von Hauptverbrennungsluft in die Hauptverbrennungskammer dienen. Die hohlen Metallrohre können mit Auslassöffnugnen so versehen sein, dass darin erzeugte Gasströme gegen die obere Fläche der darunterliegenden Führungsfläche gerichtet werden.
Vorzugsweise bildet der unterste Abschnitt der Wände der Haupt-Verbrennungskammer die Führungsflächen, und die Mittel zum Zuführen von Haupt-Verbrennungsluft zur Haupt-Verbrennungskammer weisen abwärtsgeneigte Kanäle auf, die in den Wänden der Haupt-Verbrennungskammer vorgesehen sind. Vorzugsweise werden Mittel zur Steuerung des Anteils der zur Haupt-Verbrennungskammer zugeführten Luft nach Massgabe der Wärmeerzeugung in der Nachverbrennungskammer vorgesehen. Es können aber auch Mittel zur Steuerung der Luftzufuhr zur Hauptverbrennungskammer nach Massgabe der Wärmeerzeugung iu der Hauptverbrennungskammer vorgesehen werden.
Schliesslich können auch Mittel zur Steuerung der Luftzufuhr zur Haupt-Verbrennungskammer nach Massgabe des Russgehalts in den die Nachverbrennungskammer verlassenden Rauchgasen vorgesehen werden.
Im folgenden werden als Beispiele Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Verbrennungsanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform,
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III der Fig. 2 in einem etwas abweichenden Masstab,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform,
Fig. 5 einen Längs schnitt durch eine vierte Ausführungsform,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Nachverbrennungskammer einer fünften Ausführungsform,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Haupt-Verbrennungskammer einer sechsten Ausführungsform, und
Fig. 8 einen Längsschnitt durch die Haupt-Verbrennungskammer längs der Linie VII-VII der Fig. 7.
Die in den Zeichnungen dargestellte Hauptverbrennungskammer 1 enthält geneigte, ununterbrochene Führungsfllächen 2 aus feuerfestem Werkstoff für die zu verbrennenden Abfallprodukte. Diese sind durch hohle Metallrohre 3 abgestützt, die mit Löchern versehen und mit Mitteln zum Zuführen von Haupt-Verbrennungsluft zur Hauptverbrennungskammer verbunden sind. Die Hauptverbrennungskammer 1 ist mittels einer Leitung 4 und einer Strömungs-Umleitungskammer 5 mit einer Nachverbrennungskammer 6 verbunden. In einer Wandöffnung der letzteren sind ein Ölbrenner 7 und zahlreiche Luftzuführdüsen 8 vorgesehen.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Nachverbrennungskammer 6 weist auch eine grosse Anzahl von Luftzuführdüsen 8 auf. Letztere sind mittels Leitungen 9 mit Luftzuführ-Abteilen 10 verbunden, die auf einander entgegengesetzten Seiten der Nachverbrennungskammer befestigt sind. Zu den Abteilen 10 wird Luft mittels Rohren 11 zugeführt. Bei der in Fig. 4 dargestellten Verbrennungsanlage sind zentrale, durch Luftzuführrohre abgestützte Führungsorgane 12 vorgesehen, und zwar innerhalb der Haupt-Verbrennungskammer 1. Diese zentralen Führungsorgane 12 erlauben eine ausreichende Luftzufuhr zu dem Abschnitt des Kunststoff-Materials, der sich während der Verbrennung in der Mitte der Haupt-Verbrennungskammer 1 befindet.
In der in Fig. 5 dargestellten Nachverbrennungskammer 6 ist ein zentrales Luftzufuhrrohr 13 vorgese hen, das am unteren Ende geschlossen und das mit waagrechten Reihen von Löchern 14 versehen ist. Der Abstand zwischen den Reihen ist im eingeschnürten Abschnitt am Auslass der Nachverbrennungskammer 6 kleiner als in ihrer Mitte. Dieses Rohr 13 erlaubt die Zufuhr verschieden grosser Luftmengen zu verschiedenen Abschnitten der Nachverbrennungskammer 6.
Die in Fig. 6 dargestellte Nachverbrennungskammer 6 besteht aus zwei zylindrischen, gleichachsig befestigten Rohren 15, 16, von denen das innere Rohr 16 aus rostfreiem Stahl gefertigt ist. Der Zwischen-.
raum zwischen den Rohren 15, 16 bildet ein Luftzuführ-Abteil 17, zu dem mittels eines Rohrs 18 Luft zugeführt wird. Das innere Rohr 16 ist mit waagrechten Reihen von Löchern 14 versehen, durch welche die zugeführte Luft in die Nachverbrennungskammer eingeführt wird. Bei allen dargestellten Ausführungsformen der Verbrennungsanlage ist in der Seitenwand der Hauptverbrennungskammer 1 je ein nicht dargestellter Ölbrenner befestigt. Letzterer dient dazu, die Verbrennung innerhalb der Hauptverbrennungskammer 1 einzuleiten.
Bei dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten Typ bildet der unterste Abschnitt der Seitenwände der Haupt Verbrennungskammer 1 geneigte Führungsflächen 19 aus feuerfestem Werkstoff. In diesen Seitenwänden sind abwärtsgerichtete Leitungen 20 zur Einführung der Haupt-Verbrennungsluft vorgesehen.
Die in den Fig. 7 und 8 dargestellte Verbrennungsanlage wird vorzugsweise mit einer Nachverbrennungskammer der in Fig. 6 dargestellten Art verbunden.
Bei der Verbrennung von Kunststoff-Werkstoffen in den vorbeschriebenen Verbrennungsanlagen fliesst der Kunststoff-Werkstoff nach dem Schmelzen längs der geneigten Führungsflächen nach unten; während dieser Bewegung wird die Temperatur so stark erhöht, dass eine Gasbildung eintritt. Aufgrund der Tatsache, dass die Haupt-Verbrennungsluft in verschiedenen Höhen oberhalb des Bodens der Kammer zugeführt wird, wird eine innige Vermischung der Haupt-Verbrennungsluft und der während der Vergasung gebildeten Stoffe erzielt, wonach letztere verbrennen.
Die Zufuhr der Haupt-Verbrennungsluft in die Zonen zwischen den Führungsflächen, die in Form von Stufen vorgesehen sind, bewirkt eine Kühlung der Unterseite der Führungsflächen, so dass eine übermässige Erhitzung der letzteren vermieden wird. Die Führungsflächen werden vorzugsweise aus schmalen Plattenelementen gebildet, die dicht aneinander in Reihen befestigt werden und sich quer durch die Verbrennungsanlage erstrecken. Durch die Zufuhr der Haupt-Verbrennungsluft durch die hohlen Metallrohre werden letztere gekühlt und dadurch vor Verbiegungen geschützt.
Diese Rohre erlaubten es ferner, Verbrennungsluft auf einfache Weise und in vorgewählter Bemessung in verschiedenen Höhen innerhalb der Verbrennungszone der Haupt-Verbrennungskammer zuzuführen.
Die aus den Austrittsöffnungen der hohlen Metallrohre ausströmende Luft bewirkt, dass diese Führungsflächen gekühlt werden. Die Verbrennungsanlage lässt sich daher vorzugsweise so ausbilden, dass ein verhältnismässig grosser Anteil von Verbrennungsluft bei den untersten Führungsflächen zugeführt wird; dadurch wird gewährleistet, dass das Kunststoff-Material, das den Boden der Verbrennungsanlage erreicht hat, ohne vorher vollständig zu verbrennen, an dieser Stelle zur Verbrennung gezwungen wird.
Die Nachverbrennungskammer kann in eine Anzahl von benachbarten und untereinander verbundenen Verbrennungskammern aufgeteilt werden, die mit feuerfesten Werkstoffen oder anderen hitzebeständigen Stoffen ausgekleidet werden. Die Nachverbrennungskammer bzw. -kammern werden vorzugsweise so ausgebildet, dass ihr erster Teil mit der Haupt-Verbrennungskammer in Verbindung steht, und zwar mittels einer Zwischenkammer oder eines Durchlasses, in dem die Richtung der Gasströmung um 1800 gewendet wird. Die Form der Nachverbrennungskammer bzw.
-kammern ist nicht massgebend; zur Senkung der Herstellungskosten verwendet man jedoch vorzugsweise eine Nachverbrennungskammer mit Rechteckquerschnitt. Die Nachverbrennungskammer weist vorzugsweise Einschnürungen am Einiass und Auslass für die Rauchgase auf. Die Mittel zur Einleitung der Nachverbrennung weisen vorzugsweise einen oder mehrere Ölbrenner, Gasbrenner oder Lichtbogenzünder auf, die in der Wand der Nachverbrennungskammer angebracht sind. Vorzugsweise werden Mittel zum Zuführen von Luft zur Verbrennung in der Nachverbrennungskammer vorgesehen. Diese Mittel können Düsen sein, die verschiedene Stellungen bezüglich der Strömungsrichtung der Rauchgase einnehmen. An gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals befindliche Düsen werden vorzugsweise bezüglich einander versetzt angeordnet.
Um den Verlust an Zug zu verringern, der durch den Durchfluss der Rauchgase durch die Nachverbrennungskammer bedingt ist, werden die Luftzuführdüsen vorzugsweise so Jbefestigt, dass die darin erzeugten Luftströme in Richtung der Strömung der Rauchgase gezwungen werden. Wegen des Umstands, dass die Nachverbrennungskammer in einer thermisch von der Haupt-Verbrennungskammer getrennten Zone liegt, ist es möglich, den Anteil der durch die Luftdüsen zugeführten Luft einzustellen; auf diese Weise wird eine Verbrennung erzielt, die zu jedem Zeitpunkt auf den Anteil an Gasen und Russteilchen abgestimmt ist, der der Nachverbrennungskammer zugeführt wird.
Wenn Luft in solcher Menge zugeführt wird, dass die vollständige Verbrennung gewährleistet ist, und zwar zu jedem gegebenen Zeitpunkt, würde über lange Zeiträume hinweg zuviel Luft zugeführt werden; folglich würde dabei die Nachverbrennungskammer zu stark abgekühlt werden. Daher würde eine unvollständige Verbrennung eintreten, was wiederum zu hohen Russgehalten in den die Nachverbrennungskammer verlassenden Gasen führen würde.
Anstatt Luftdüsen mit getrennten Zuführmitteln zu verwenden, kann die Luft vorzugsweise durch ein Rohr zugeführt werden, das an einem Ende geschlossen ist und eine Wand mit einer grossen Anzahl von Perforationen aufweist; dieses Rohr wird mittig innerhalb der Nachverbrennungskammer angeordnet. Bei Verwendung eines Rohrs mit Perforationen, die innerhalb der verschiedenen Zonen der Nachverbrennungskammer verschieden gross sind, kann die Luft nach einem vorwählbaren Programm zugeführt werden.
Die mit den Luftzuführmitteln verbundenen Öffnungen können auch als Öffnungen in den Wänden der Nachverbrennungskammer ausgebildet sein. Diese Öffnungen sind mit einem Verteilerkasten an der Aussenseite der Wände verbunden; die Luft wird dem Verteilerkasten mittels einer mit letzterem verbunden Pumpe aus der Aussenluft zugeführt.
Die Mittel zur automatischen Steuerung der Verbrennungsluft zur Haupt-Verbrennungskammer und zur Nachverbrennungs-Kammer werden durch die Wärmeerzeugung und somit auch durch die Temperatur innerhalb der Nachverbrennungskammer gesteuert.
Das lässt sich dadurch erzielen, dass innerhalb der Nachverbrennungskammer ein Thermoelement angebracht wird, das mit einem Regler verbunden wird, an dem die innerhalb der Nachverbrennungskammer höchstzulässige Temperatur eingestellt werden kann.
Dieser Regler wird mit einer Regelkammer verbunden, die die Luftzufuhr zur Haupt-Verbrennungskammer bzw. der Nachverbrennungskammer steuert. Auf die oben beschriebene Weise ist es mittels eines Servo Steuerungssystems möglich, eine kontinuierliche Regelung der Luftzufuhr der Haupt-Verbrennungskammer bzw. zur Nachverbrennungskammer zu erzielen.
Schliessldch können die oben beschriebenen Ausführungsformen der Verbrennungsanlagen so ausgebildet werden, dass die Luftzufuhr mittels eines Russdetektors gesteuert wird, der dicht an der Nachverbrennungskammer und zwar an ihrer stromabwärts gelegenen Seite befestigt wird.