WO2017148562A1 - Vorrichtung und verfahren zur thermischen materialbehandlung - Google Patents

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WO2017148562A1 PCT/EP2017/000096 EP2017000096W WO2017148562A1 WO 2017148562 A1 WO2017148562 A1 WO 2017148562A1 EP 2017000096 W EP2017000096 W EP 2017000096W WO 2017148562 A1 WO2017148562 A1 WO 2017148562A1
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    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/21—Burners specially adapted for a particular use
    • F23D2900/21007—Burners specially adapted for a particular use for producing soot, e.g. nanoparticle soot

Definitions

  • the invention relates to a device for the thermal treatment of a raw material, with a combustion chamber in which burns at least one burner at least one periodic-unsteady, oscillating flame to produce a pulsating oscillating exhaust gas stream which flows through a subsequent reaction chamber to the combustion chamber, and a corresponding Method.
  • a thermal treatment is understood in particular a thermal material treatment or a thermal material synthesis, wherein it may also be a raw material mixture in the raw material.
  • the raw material or the raw material mixture can be present both in solid and in liquid or in gaseous or vaporous form.
  • CONFIRMATION COPY Products for a fixed burner setting have constant values over time.
  • combustion chamber oscillations which are referred to in the literature as combustion chamber oscillations, self-excited combustion instabilities or thermoacoustic oscillations, which are characterized by the fact that the initially steady (ie temporally constant) combustion process suddenly reaches a stability limit
  • the heat release rate (s) of the flame (s) and thus the thermal firing performance of the incinerator as well as the exhaust gas flow will also go into and out of time-periodic oscillatory combustion process, the time function of which is close to sinusoidal the combustion chamber and the static pressure in the combustion chamber itself periodic-unsteady, ie swinging / l, 2 /.
  • the reactors / 6, 7, 8, 9 / described in the prior art typically consist of a combustion chamber in which the reaction conversion of the fuel used to release the chemically bound therein heat in a flame or flames, and then in the flow direction thereafter a reaction space It is known to add the raw material to be treated into this reaction space so that thermal treatment of the material takes place in the reaction space In some special embodiments, the raw material is already introduced into the combustion chamber.
  • the oscillation comprises the entire flowing hot gas column in the reactor, ie the exhaust gas in the combustion chamber as well as the hot gas in the reaction space up to the final filter, the mass of hot gases to be displaced by the periodic-transient combustion process, ie in periodic motion, is very high large. Because at the same time, however, only a very small part of the thermal energy from the combustion process is converted into mechanical vibration energy of the (entire) hot gas flow, the occurring amplitudes of the hot gas oscillation in the large volumes of the combustion chamber and the reaction chamber are extremely low and are further attenuated by the addition of the (vibrational energy) raw material stream.
  • the object of the present invention is to overcome these limitations. This object is achieved in that in the reaction space a flowed through by the exhaust gas flow, in the cross-sectional area opposite the reaction space reduced use is provided, which has a length in the flow or axial direction, which is shorter than a total length of the reaction space.
  • a device thus has a periodically unsteady, oscillating flame in the combustion chamber in front in the flow direction, which generates a pulsating, likewise oscillating, hot gas or exhaust gas flow.
  • the used in the reaction space, reduced in cross-section can now with appropriate tuning of its length, the volume and the temperature of the introduced into the reaction chamber hot gas and the raw material to be treated in this by the vibration of the static pressure and the exhaust gas flow and by radiated sound waves of the periodic -instationary combustion process in the combustion chamber at the hot gas flowing therethrough stimulate a resonance-enhanced vibration, so that the abandoned raw material (educt) is here subjected to the desired thermal material treatment.
  • the hot gas which contains the exhaust gas flow and oscillates, only resonantly excited in the section of the insert.
  • the invention is based on the following finding:
  • the resulting oscillation frequency of the prior art reactor with self-excited combustion instability thus does not correspond to such a resonant frequency of a component as e.g.
  • the material treatment is typically carried out in the reaction space, which is often referred to as "resonance tube.”
  • the achievable material treatment time in these prior art reactors therefore depends on the flow rate of the hot gas flow, which is determined by the firing capacity and the air ratio Increase of the material treatment time by an extension of the reaction space would simultaneously lower the oscillation frequency of the oscillation of the hot gas flow and also the recoverable amplitudes of the Hot gas oscillation by the increased total mass of the gas column now to be displaced in Schwin ⁇ tion further reduce in the reaction chamber.
  • oscillation frequency and amplitude and the material treatment time depend on each other coupled to the reactor geometry, in particular of the length of the reaction space in the flow direction.
  • An extension of the residence time is thus in the prior art only at the expense of reduced frequencies and amplitudes of the hot gas oscillation and thus at the expense of reduced heat and mass transfer rates of the hot gas to the raw material to be treated and thus at the expense of the advantages of a thermal material treatment in the oscillating hot gas flow.
  • the insert provided in the reaction space can be variable in its flow-through length.
  • combustion chamber is variable in its geometry.
  • the resonance within the insert depends on the speed of sound, which in turn is temperature-dependent.
  • the temperature is among others by the Combustion temperature, the possible admixture of cooling air, the amount and the temperature of the raw material / educt, etc. affected.
  • the first resonator thus has a burner with the associated supply connections for fuel and combustion air, a flame and a combustion chamber, which acts as a resonator, which in terms of their geometry and the resulting vibration behavior of the gas column contained in it (the exhaust gas of the combustion process the flame) in the frequency range between 50 and 1000 Hz frequency tunable.
  • the device is suitable for the targeted generation of self-excited combustion instabilities in the reactor part burner-flame combustion chamber, ie in the first resonator.
  • the oscillating, ie periodically unsteady hot gas from the oscillating combustion process of the flame in the combustion chamber, ie from the first resonator, the reaction chamber is supplied , In this then takes place the Eduktzugabe and thus also the thermal material treatment, the latter in particular in the integrated into the reaction chamber second resonator.
  • the second resonator can also be adapted to the frequency of the first resonator by altering its length throughflow - or rather to the frequency of the resonator emerging from the first resonator and exciting the second resonator as a sound wave Vibration.
  • the open at its two ends insert, so the second resonator has as V2 wave resonator its fundamental frequency resonance at a given speed of sound (and thus at a given material treatment temperature) if and only half a wavelength of the sound wave or vibration in the use, ie fits the second resonator.
  • This forms a standing half-wave in this 1 /2-wave resonator, which is used for material treatment.
  • the length of the second resonator discussed here thus correlates with the temperature which prevails in it for the material treatment, since this influences the speed of sound in use, which in turn is of relevance with respect to the oscillation desired in use.
  • the duration of the material treatment in the reaction space or in the second resonator is independent of the existing there oscillation frequency of the hot gas flow, as long as the middle Throughput or the average flow rate is kept constant, since the length of the second resonator (ie, the length of the "resonance tube") does not have to change so that there are different material treatment frequencies.
  • this resonator is, for example, a 1 / 2- wave resonator with, for example, a fundamental frequency of 100 Hz for a given hot gas or material treatment temperature, then frequencies of 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, etc. would be targeted for the thermal treatment of material excitable.
  • the material properties achieved of the treated products at the same material treatment temperature depend on the product of treatment frequency and treatment duration. That is, at a treatment frequency of 100 Hz and a material treatment time of 400 milliseconds, the same result is achieved in terms of product properties and product quality as at 400 Hz and 100 milliseconds.
  • One reason for this is presumed to be that the particles of a raw material to be treated experience the same number of oscillation cycles in the reaction space during their treatment in both cases, especially during use.
  • the type of the resonator (Helmholtz resonator, 1/4-wave resonator V2- wave resonator), which is used as the first resonator and / or as a second resonator 2, generally not is of importance, as long as it is ensured that associated with the generation of self-excited combustion instabilities in the first resonator (combustion chamber) vibration frequencies of the static pressure and the Flow rate of the resulting from the transient combustion process, oscillating hot gas flow are suitable to resonantly excite the second resonator in the reaction chamber for the thermal treatment of material.
  • the insert proposed in the reaction space can be changed in its axial position within the reaction space and thus parallel to its axial extension.
  • a thermal material treatment in a vibrating-fire reactor for example when using a liquid raw material (for example raw material solution or aqueous suspension with solids content) consists of the following individual steps:
  • Atomization of the liquid raw material e.g. with the help of a spray nozzle
  • Such an optimizing position of the insert can easily be determined in preliminary tests by repeating the material treatment in differently positioned use within the reactor space on the basis of the measured material properties of product samples manufactured in this way.
  • the material after passing through the thermal treatment in the second resonator with a reduced diameter over a certain length with increased flow rate resulting from mass constancy at accordingly high treatment frequencies and short residence time (typically below 200 milliseconds, preferably below 100 milliseconds) in the downstream reactor section with again increased reactor diameter and therefore markedly reduced flow speeds undergoes a thermal aftertreatment, which can be used for complete degradation of unwanted residual components of the raw material mixture / raw material solution.
  • after-treatment periods in the reaction space downstream of the second resonator are greater than 2 seconds, preferably greater than 3 seconds.
  • the insert or resonator displaceable in its axial position in the reaction space can also be designed such that it is adjustable in terms of its resonance frequency, in particular by the change or adjustment of its axial length, that is to say tuned in terms of frequency.
  • finely divided particles with an average particle size in the range from 5 nm to 100 ⁇ m can be produced with the device according to the invention and the associated method.
  • finely divided particles for example in the form of carbides, nitrides, simple oxides, complex mixed oxides, doped oxides, mixtures of oxides or coated particles can be produced in a targeted manner.
  • a so-called precursor mixture is produced from educts, which contains at least all constituents of the solid particles to be formed.
  • the precursor mixture formed from the raw material components can be used both as a solid, for example in the form of a finely divided Powder or powder mixture, in the form of a solution, a suspension, a dispersion or a gel, as a gas or vapor.
  • liquid mixtures of raw materials such as solutions, dispersions or emulsions result in particularly spherical particles.
  • the precursor mixture can be conditioned so that a specific particle shape or size is established in the thermal process, for example a particularly narrow particle size distribution.
  • Known methods such as co-precipitation or hydroxide precipitation can be used for the wet-chemical intermediate step.
  • the mentioned forms of the precursor mixture are introduced into the hot gas stream of the device according to the invention, for example by spraying, introduction or injection.
  • the nature of the precursor task such as the type, diameter and spray pattern of a multi-fluid nozzle used for this purpose, the direction of feed (e.g., direction of injection), and feed location, influence the process control and the resulting thermal treatment regime and are thus important control factors for the resulting particle properties.
  • the forming particles are transported with the hot gas stream through the reactor and thermally treated in this hot gas stream.
  • the properties of the hot gas stream thus significantly influence the thermal treatment and thus the properties of the forming particles.
  • the device according to the invention offers a multitude of possibilities for the targeted setting of process parameters for the inventive thermal production and / or treatment of these finely divided particles.
  • the temperature profile, the maximum process temperature, the residence time of the gas flow and the residence time of the particles in the gas flow can be adjusted in a manner known to the person skilled in the art.
  • a special feature of the device according to the invention is that the hot gas stream can be set in vibration. In oscillating or pulsating hot gas flows results in a significantly increased heat transfer due to the high flow turbulence. The heat transfer significantly influences the reaction and phase-forming mechanisms during the transformation or phase formation. By choosing the frequency and amplitude of the pulsating gas flow, the reaction conditions can be adapted exactly to the requirements of the material to be produced.
  • the gas space of the thermal material treatment i. to excite the second resonator by an external, periodic excitation for resonating.
  • the rate of heat transfer significantly defines the heating rate of the precursors or particles and thus the actual temperature profile.
  • Higher amplitudes and higher frequencies of the pulsating gas stream accelerate the reaction and phase-forming mechanisms.
  • a higher degree of reaction conversion of the precursor mixture can be achieved with a comparable residence time, or the activity can be increased in, for example, catalytic materials.
  • the inventive possibility for significantly higher amplitudes and higher frequencies than conventional Systems thus expands the possibilities for process control, expands the possible spectrum of substances to be treated, disseminates the adjustable particle properties and simplifies process control.
  • the frequency and amplitudes of the oscillating hot gas flow have different effects on partial reaction steps such as drying, heating, (time) different phase reactions, cooling, etc. and thus on the particle formation and / or the thermal particle treatment.
  • the reaction section or the reaction sections in which, for example, the desired influence by high amplitudes and frequencies is particularly strong can be selected specifically by the axial positioning of the second, a certain axial extent resonator within the reactor and the location of the precursor mixture is selected accordingly.
  • at least partial coating of particles takes place by means of a suitable precursor combination of a prepared precursor mixture in the form of a dispersion.
  • the solid phase in the case of suspensions or the inner phase in the emulsion at least includes all components which are necessary for the formation of the particles to be coated.
  • the liquid phase in the suspension or the outer phase in the emulsion contain at least all coating components.
  • the finely divided particles produced in the pulsating hot gas stream according to the invention are finally separated from the hot gas stream with a suitable separator.
  • the hot gas is optionally before it enters the separator on a per cooled according to the type of separator required temperature.
  • the separation of the particles formed from the hot gas stream at temperatures above 300 ° C, preferably above 500 ° C, more preferably above 600 ° C, for example by a cyclone or a hot gas reactor. This can be prevented, for example, that highly reactive particles hot gas components, such as water record.
  • the hot gas can be cooled in this embodiment, if necessary after the filter.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a device for the thermal treatment of a raw material with a combustion chamber, a reaction space and an integrated in the reaction space insert, wherein the combustion chamber is variable in geometry;
  • FIG. 2 shows the schematic diagram of a device according to FIG. 1 with a different variability of the combustion chamber geometry.
  • Fig. 1 shows the schematic diagram of a reactor for the thermal treatment of a raw material within a periodically-unsteady oscillating hot gas stream.
  • This hot gas stream is generated by a flame 1 on a burner 2, for which purpose this fuel 3 and combustion air 4 are supplied.
  • the flame 1 burns in a combustion chamber. 5
  • Fuel is understood to be fuel gases such as natural gas, methane, hydrogen or liquid fuels such as alcohol, etc.
  • combustion air is generally understood to mean an oxidizing agent which provides the oxygen required for combustion. In addition to air, this includes, for example, pure oxygen or oxygen-enriched air, etc.
  • the variability of the mass flow of fuel / air mixture is particularly preferred in the case of premix combustion or a change in the mass flow of the combustion air, in particular in the case of a diffusion combustion.
  • the combustion is operated so that it has a periodic-transient, oscillatory operating state.
  • the frequency of the pulsating combustion is influenced, for example, by the geometry of the combustion chamber and by the process temperature.
  • the pulsating hot gas flow ultimately generated with the pulsating flame flows through a coupling tube 6 into a reaction space 7 whose wall 8 is gas- and heat-proof.
  • the heat-sealing can be ensured in particular by a separate insulation.
  • exhaust stream 9 is on the one hand to be treated raw material 10 abandoned as well as cooling air 11.
  • This forms a hot gas stream 12 which flows through the reaction chamber 7 and passed at the end by a hot gas filter or cyclone, not shown here is, in which the raw material 10 thermally treated in the reaction chamber 7 is separated from the hot gas stream.
  • this insert 13 is formed as a single tube and has a flow-through axial length 15, which has only a fraction of the total length of the reaction chamber 7.
  • the Insert 13 substantially gas-tightly connected to the wall 8 of the reaction space, so that the hot gas flow 12 flows completely through the radially inward internal free cross section of the insert 13, but not laterally past this.
  • the insert 13 is adjustable in its axial length 15, so that there is the possibility to adjust it in its length such that it is tuned to the oscillation frequency of the periodically unsteady combustion process in the combustion chamber 5 so that the excited by this periodically unsteady hot gas flow 12 is excited resonantly as it passes through the insert 13 and thus passes in the field of this insert 13 in a foreign or forced excitation vibration.
  • the resonances of the excitations which are caused by resonance, can go up to a factor of 10.
  • the resonant frequency within the insert 13 is dependent, in particular, on the temperature of the hot gas stream 12, since this temperature influences the speed of sound relevant for resonance production. Furthermore, the resonance frequency is also dependent on the axial length 15 of the insert 13.
  • the insert 13 is referred to below as the second resonator.
  • the combustion chamber 5 is adjustable by the presence of a displaceable bottom 16.
  • the assembly described so far is also referred to as the first resonator.
  • a further manipulated variable can be adjusted by way of which a true resonance within the second resonator, thus of the insert 13, in the reaction space 7 can be adjusted.
  • the first resonator with the combustion chamber 5 should be designed as a 1 /4-wave resonator with a variable length between 0.5 m and 1.0 m. Due to the adjustable burner / flame parameters (fuel gas mass flow, air mass flow, air ratio, preheating temperature of the air, etc.), the flame 1 is stable oscillating burn in a temperature range of the flame 1 and the exhaust stream 9, which is generated by the flame 1, between 800 ° C and 1,800 ° C. Depending on the selected combustion temperature, sound velocities of between about 630 m / s and 830 m / s are established in the first resonator.
  • oscillation frequencies occur when self-excited combustion oscillations occur in the first resonator between approx. 160 Hz and approx. 420 Hz.
  • the lowest temperature of about 800 ° C and the maximum length of the first resonator of 1.0 m give, for example, the lowest frequency of the oscillating quarter-wave resonator of approximately 160 Hz. with this, the subsequent second resonator can be excited in the reaction chamber to resonance.
  • a thermal material treatment in the temperature range between 200 ° C and 800 ° C is to be made possible under resonant excitation of the second resonator by means of the adjustable combustion oscillation in the first resonator .
  • the sound velocities in the second resonator are in the temperature range desired for the material treatment 430 m / s to 630 m / s.
  • the resonance fundamental frequency would be approximately 160 Hz at the highest material treatment temperature of 800 ° C. and would therefore be just at the lowest, adjustable oscillation frequency in the first resonator at 800 ° C. Flame / exhaust gas temperature resonantly excitable. If, however, a material treatment temperature in the second resonator of 200 ° C. is desired, then the resonant frequency of the second resonator would be approximately 105 Hz at this temperature and a through-flow length 15 of the second resonator. The second resonator would therefore no longer be through the first resonator with its minimum Oscillation frequency at 800 ° C of 160 Hz resonant to the fundamental vibration excitable.
  • the length 15 of the insert 13 as a second resonator would have to be reduced to approximately 1.34 m in order to achieve a resonant frequency as a fundamental of approximately 160 Hz in the second resonator at 200 ° C. material treatment temperature first resonator at its minimum frequency of 160 Hz could be excited resonantly.
  • the insert 13 can be positioned in its axial position within the reaction chamber 7 according to the arrows 17 as needed.
  • the hot gas flow 12 conveyed raw material particles are thus first applied in the area before the insert 13 with the hot gas flow 12 with the present in the reaction chamber 7 frequency and amplitude, then within the free cross section 14 over the length 15 of the insert 13 from there due to the constant mass at least flowing at elevated speed hot gas flow and then back in the again because of the mass constancy at a slower speed flowing hot gas flow in no longer limited in cross-section region of the reaction chamber.
  • the flow through the insert 13 are brought into resonance not only with a fundamental but possibly also with a harmonic, which correspondingly increases the intensity of the thermal treatment effected in the region of the insert 13.
  • the raw material consists of a mixture of raw materials, in which it makes sense to have different intensities of the thermal treatment in time, this can thus be adjusted accordingly by the appropriate axial position of the insert 13 is selected within the reaction chamber 7, if necessary.
  • FIG. 2 a substantially same device as shown in Fig. 1 is shown.
  • the combustion chamber 5 differs by the way it is tuned as a resonator to the flame 1 burning in it.
  • a tubular insert 18 surrounding the flame 2 on the burner 2 in the radial direction is provided in this embodiment, which is displaceable in the axial direction 19 of the combustion chamber 5 so as to be able to tune the vibration generated in the combustion chamber 5 accordingly on the insert 13 with its reduced cross section 14 and its axial length 15, so as to resonate with respect to the hot gas flow 12 flowing therethrough.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes (10), mit einer Brennkammer (5), in dereine periodisch instationäre, schwingende Flamme (1) brennt, zur Erzeugung eines pulsierenden Abgasstromes (9), der durch eine an die Brennkammer (5) anschließenden Reaktionsraum (7) strömt. Um zu erreichen, dass der Rohstoff effektiv behandelt wird, wird vorgeschlagen, dass in dem Reaktionsraum (7) ein von dem Abgasstrom durchströmter, in der Querschnittsfläche (14) gegenüber dem Reaktionsraum (7) reduzierter Einsatz (13) vorgesehen ist, der eine Länge (15) aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes (7). Insbesondere sind die Länge (15) des Einsatzes (13) und die Geometrie der Brennkammer (5) veränderbar, so dass man zwei aufeinander abstimmbare Resonatoren hat.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Materialbehandlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes, mit einer Brennkammer, in der an wenigstens einem Brenner wenigstens eine periodisch-instationäre, schwingende Flamme brennt zur Erzeugung eines pulsierenden schwingenden Abgasstromes, der durch einen an die Brennkammer anschließenden Reaktionsraum strömt, sowie ein entsprechendes Verfahren.
Unter einer thermischen Behandlung wird dabei insbesondere eine thermische Materialbehandlung oder auch eine thermische Materialsynthese verstanden, wobei es sich bei dem Rohstoff auch um ein Rohstoffgemisch handeln kann. Der Rohstoff oder das Rohstoffgemisch können dabei sowohl in fester als auch in flüssiger oder in gas- oder dampfförmiger Form vorliegen.
Die weitaus größte Zahl aller technischen oder industriellen Feuerungsanlagen und Verbrennungssysteme werden so ausgelegt und auch so betrieben, dass der Verbrennungsprozess im Mittel zeitlichkonstant abläuft bis auf geringe turbulente Schwankungen, deren Größe mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die mittleren Größen des Verbrennungsprozesses (wie z.B. mittlere Strömungsgeschwindigkeit, mittlere Temperatur der Flamme oder der Abgasströmung, mittlerer statischer Druck in der Brennkammer etc.). Dies bedeutet, dass der Umsatz des eingesetzten Brennstoffes zeitlich kontinuierlich erfolgt und - als Folge hiervon - auch die Wärmefreisetzung aus dem Verbrennungsprozess sowie der Massenstrom an anfallendem Abgas (Verbrennungs-
BESTÄTIGUNGSKOPIE Produkte) für eine feste Brennereinstellung zeitlich konstante Werte aufweisen.
Abweichend hiervon treten mitunter Phänomene bzw.„Abnormitäten" auf, die in der Literatur als Brennkammerschwingungen, selbsterregte Verbrennungsinstabilitäten oder thermo-akustische Schwingungen bezeichnet werden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass der zunächst stationäre (d.h. zeitlich-konstante) Verbrennungsprozess beim Erreichen einer Stabilitätsgrenze plötzlich umschlägt in einen zeitlich- periodischen, schwingenden Verbrennungsprozess, dessen Zeitfunktion in guter Näherung als sinusförmig bezeichnet werden kann. Einhergehend mit dieser Änderung werden auch die Wärmefreisetzungsrate(n) der Flamme(n) und somit die thermische Feuerungsleistung der Verbrennungsanlage sowie die Abgasströmung in und aus der Brennkammer sowie der statische Druck in der Brennkammer selbst periodisch-instationär, d.h. schwingend /l, 2/.
Das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem stationären Betrieb der Feuerung verändertes Schadstoff- Emissionsverhalten und verursacht neben einer erhöhten Lärmbelastung der Anlagenumgebung auch eine deutlich erhöhte mechanische und/oder thermische Belastung der Anlagenstruktur, z.B. der Brennkammerwände, der Brennkammerauskleidung etc. Diese Belastungen können bis zu einer Zerstörung der Feuerung bzw. einzelner Komponenten führen. Es ist daher leicht einzusehen, dass das unerwünschte Auftreten der oben beschriebenen Phänomene in Feuerungen, die für einen zeitlichkonstanten Verbrennungsprozess ausgelegt sind, bei dem auch der statische Druck in der Brennkammer oder in vor- bzw. nachgeschalteten Anlagenkomponenten ebenfalls konstante Werte besitzen soll (Gleichdruck-Verbrennung), zwingend vermieden werden muss.
Ganz anders jedoch stellt sich die Situation bei einer kleinen Anzahl von sehr speziellen feuerungstechnischen Anlagen dar, von denen bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen wird und bei denen das oben dargestellte Phänomen selbsterregter, periodischer Verbrennungs- Instabilitäten absichtlich herbeigeführt und dazu genutzt wird, einen periodischen Verbrennungsprozess mit periodischer Wärmefreisetzungsrate der Flamme und periodischer, schwingender Abgasströmung (pulsierende Heißgasströmung) in der Brennkammer und in nachgeschalteten Anlagenkomponenten (z.B. Wärmetauscher, chemische Reaktoren etc.) zu erzeugen.
Seit mehr als vierzig Jahren wird in der einschlägigen Literatur von chemischen Reaktoren berichtet, in denen eine thermische Behandlung eines aufgegebenen Rohstoffes (Eduktes) oder eine thermisch gesteuerte Materialsynthese aus einem oder mehreren Rohstoffen erfolgt und die typischerweise als Schwingfeuerreaktoren, pulse dryer, pulse combustor oder Pulsationsreaktoren bezeichnet werden /3, 4, 5, 6/.
All diesen Reaktoren ist gemeinsam, dass die thermische Materialbehandlung in einem pulsierenden, schwingenden Heißgasstrom - also zeitlich periodisch-instationär - erfolgt, wobei sowohl die für die thermische Materialbehandlung bzw. Materialsynthese erforderliche Wärme als auch die mechanische Schwingungsenergie der pulsierenden Heißgasströmung aus einem instationären, schwingenden Verbrennungsprozess eines Brennstoffes herrühren. Als Brennstoffe können dabei Erdgas, Wasserstoff, Flüssigbrennstoffe etc. eingesetzt werden.
Der Vorteil dieser Anlagen gegenüber konventionellen, stationär arbeitenden Verbrennungssystemen besteht in der im zeitlichen Mittel periodisch-instationären und turbulenten Abgasströmung in der Brennkammer und in nachgeschalteten Komponenten, z.B. Wärme¬ tauschern, Reaktionsräumen, Resonanzrohren etc.
Diese bewirkt, dass der Wärmeübergang vom Heißgas zunimmt, sowohl auf die festen Wände (Brennkammerwand, Wand eines Wärmetauschers, Dampferzeuger etc.) als auch auf das Material, das zur Behandlung in die Heißgasströmung mit definierter Behandlungstemperatur eingebracht wird. Diese Zunahme ist sehr deutlich und beträgt das Zwei- bis Fünffache gegenüber einer im Mittel stationären, turbulenten Strömung gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und gleicher Temperatur. Aufgrund dieser Zusammenhänge erfährt zu behandelndes Material in pulsierenden Heißgasströmungen hohe Aufheizgradienten („Thermo- schockbehandlung" /6/).
Aufgrund der Analogie zwischen konvektivem Wärmeübergang und dem Stoffübergang gilt obige Aussage auch für den Stoffübergang : Im Falle der periodisch-instationären, schwingenden Strömung steigt die Übergangsrate von gas- oder dampfförmigen Stoffen aus dem Heißgas an das zu behandelnde Material oder vom Material in die Heißgasströmung um ähnliche Werte an. Dies ist begründet durch das nahezu vollständige Fehlen von Grenzschichten, die bei stationären Strömungen bekannterweise entstehen und Diffusions- bzw. Übergangswiderstände darstellen.
Die im Stand der Technik beschriebenen Reaktoren /6, 7, 8, 9/ bestehen typischerweise aus einer Brennkammer, in welcher der Reaktionsumsatz des eingesetzten Brennstoffes unter Freisetzung der chemisch darin gebundenen Wärme in einer Flamme oder flammlos erfolgt, sowie in Strömungsrichtung daran anschließend einem Reaktionsraum, der häufig als „Resonanzrohr" bezeichnet wird. Es ist bekannt, in diesen Reaktionsraum den zu behandelnden Rohstoff zu zugegeben, so dass in dem Reaktionsraum die thermische Materialbehandlung erfolgt. In einigen, besonderen Ausführungen wird der Rohstoff bereits in der Brennkammer aufgegeben.
Die Schwingfeuerreaktoren nach dem Stand der Technik haben aber wesentliche Nachteile und technische Probleme:
Da die Schwingung die gesamte strömende Heißgassäule im Reaktor umfasst, d.h. das Abgas in der Brennkammer als auch das Heißgas im Reaktionsraum bis hin zum abschließenden Filter, ist die durch den periodisch-instationären Verbrennungsprozess in Schwingung, d.h. in periodische Bewegung zu versetzende Masse heißer Gase sehr groß. Da gleichzeitig jedoch nur ein sehr geringer Teil der thermischen Energie aus dem Verbrennungsprozess in mechanische Schwingungsenergie der (gesamten) Heißgasströmung umgewandelt wird, sind die auftretenden Amplituden der Heißgasschwingung in den großen Volumina der Brennkammer und des Reaktionsraumes außerordentlich gering und werden durch die Zugabe des (Schwingungsenergiefreien) Rohstoffstromes weiter gedämpft.
So ist es im Grenzfall sogar möglich, die üblicherweise selbsterregten Schwingungen der Heißgasströmung durch hinreichend hohe Rohstoff- Aufgaberaten vollständig zu dämpfen, mit der Konsequenz, dass dann die thermische Materialbehandlung in einem nun nicht mehr schwingenden, sondern statt dessen stationären Heißgasstrom erfolgt. Dieser hat nicht mehr die Vorteile der erhöhten Wärme- und Stoffübertragungsraten. Insbesondere aus diesem Grund sind die heutigen Schwingfeuerreaktoren nach dem Stand der Technik in mehrerer Hinsicht stark limitiert: Die möglichen Rohstoff-Aufgaberaten und damit auch die erzeugbaren Produktmengen pro Zeit sind durch die beschriebene Abnahme der Schwingungsamplituden der Heißgasströmung sehr stark begrenzt, so dass auch die Anlagenkapazitäten relativ gering sind.
Grundsätzlich würde eine deutliche Erhöhung der Edukt-Aufgaberaten zunächst einmal auch die Erhöhung der zu deren Behandlung erforderlichen Feuerungsleistung erforderlich machen, was aber mit einer entsprechenden Vergrößerung des entstehenden Abgasvolumenstromes einherginge. Dies würde auch eine starke Vergrößerung des Volumens des Reaktionsraumes erfordern, in dem die Materialbehandlung stattfindet, um so eine gleichbleibende Materialbehandlungsdauer zu gewährleisten. Hierdurch würde die in Schwingung zu versetzende Gasmasse erneut ansteigen und die erzielbaren Amplituden der Schwingung der Heißgasströmung zur Materialbehandlung würden wieder abnehmen mit der Konsequenz einer abnehmenden Produktqualität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Beschränkungen zu überwinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Reaktionsraum ein von dem Abgasstrom durchströmter, in der Querschnittsfläche gegenüber dem Reaktionsraum reduzierter Einsatz vorgesehen ist, der in Strömungs- bzw. axialer Richtung eine Länge aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit eine in der Brennkammer in Strömungsrichtung vorne liegende periodisch-instationäre, schwingende Flamme auf, die einen pulsierenden, ebenfalls schwingenden Heißgas- bzw. Abgasstrom erzeugt. Der im Reaktionsraum eingesetzte, im Querschnitt reduzierte Einsatz kann nun bei entsprechender Abstimmung seiner Länge, des Volumens und der Temperatur des in den Reaktionsraum eingebrachten Heißgases und des in diesem zu behandelnden Rohstoffes durch die Schwingung des statischen Druckes und der Abgasströmung sowie durch abgestrahlte Schallwellen des periodisch-instationären Verbrennungsprozess in der Brennkammer an dem durch ihn hindurchströmenden Heißgas eine resonanzverstärkte Schwingung anregen, so dass der aufgegebene Rohstoff (Edukt) hier der gewünschten thermischen Materialbehandlung unterzogen wird.
Damit wird das Heißgas, das den Abgasstrom enthält und schwingt, lediglich im Abschnitt des Einsatzes resonant angeregt. Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zugrunde:
Bei den im Stand der Technik beschriebenen schwingenden Resonatoren liegt in Wirklichkeit überhaupt kein Resonanzphänomen vor, da es keine periodische Anregungsquelle gibt, die das Gas insbesondere im Reaktionsraum, der häufig als Resonanzrohr bezeichnet wird, in periodische Schwingungen versetzt bzw. zur Resonanz anregt. Vielmehr handelt es sich hier um eine Systeminstabilität, die den gesamten Reaktor betrifft und für deren Schwingungsfrequenz das gekoppelte Schwingungsverhalten aller Anlagenkomponenten, (d.h. Brenner, Brennkammer, Reaktionsraum („Resonanzrohr"), Abscheideeinrichtungen (Filter, Zyklon) etc.) verantwortlich ist /10/.
Man erkennt aber an der Verwendung des Begriffs „Resonanz" für die auftretenden physikalischen Effekte, dass es hier einen wesentlichen, hartnäckigen Irrtum gibt in Zusammenhang mit den ursächlichen Phänomenen, die der Erzeugung der schwingenden Heißgasströmung zugrunde liegen : Bei dem oben beschriebenen Phänomen der selbsterregten Verbrennungsinstabilitäten handelt es sich nämlich um eine Systeminstabilität, bei der das System beim Erreichen einer anlagenspezifischen Stabilitätsgrenze von einem stationären, schwingungsfreien Betriebszustand (stationärer Verbrennungsprozess) schlagartig in einen periodisch-instationären, schwingenden Betriebszustand (periodisch-instationärer Verbrennungsprozess) umschlägt, ohne dass eine Fremderregung des Systems vorliegt.
Der Begriff „Resonanz" entstammt dagegen genau diesem, physikalisch völlig anderen Phänomen einer fremd- oder zwangserregten Schwingung : Ein schwingungsfähiges System wird durch eine äußere, periodische Anregung (z.B. periodische Krafteinwirkung durch periodische Unwucht etc.) zum„Mitschwingen" also zum Resonieren angeregt.
Die sich einstellende Schwingungsfrequenz des Reaktors nach dem Stand der Technik bei selbsterregter Verbrennungsinstabilität entspricht also nicht einer solchen Resonanzfrequenz eines Bauteils wie z.B. des „Resonanzrohres". Somit kann bei dieser Verfahrensweise auch nicht eine resonanzbedingte Amplitudenverstärkung ausgenutzt werden, wie dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist.
Mit anderen Worten : Bei den Schwingfeuerreaktoren zur thermischen Materialbehandlung nach dem Stand der Technik muss die gesamte, im Reaktor befindliche Heißgassäule (Heißgasströmung) in Schwingung versetzt werden, auch an Stellen, an denen überhaupt keine Materialbehandlung erfolgt oder der an dieser Stelle stattfindende Prozessschritt der Materialbehandlung überhaupt nicht von einer vorliegenden Schwingungen der Heißgasströmung profitiert. Dies geht einher mit einer niedrigen Behandlungsamplitude. Man erkennt, dass mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung durch das Vorsehen eines Einsatzes mit reduzierter Querschnittsfläche und passender Länge in diesem gezielt eine Resonanz der durch den Einsatz hindurchströmenden Heißgasströmung angeregt werden kann, so dass die in Strömungsrichtung vor bzw. hinter dem Einsatz befindlichen Abschnitte des Reaktionsraumes und deren Abmessungen von untergeordneter Bedeutung sind.
Eine weitere starke Beschränkung in der Einsetzbarkeit von Schwingfeuerreaktoren zur thermischen Materialbehandlung nach dem Stand der Technik besteht darin, dass für eine erfolgreiche thermische Behandlung von Rohstoffen eine stoffspezifische Materialbehandlungsdauer, d.h. eine von dem zu erzeugenden Produkt und den gewünschten Produkteigenschaften abhängige Mindestverweilzeit der Rohstoffe in der Heißgaszone des Reaktors, zwingend erforderlich ist. Wird diese Mindestverweilzeit unterschritten, so ist der Reaktionsablauf/Reaktions- Umsatz nicht abgeschlossen und das gewünschte Produkt noch nicht „fertig" thermisch behandelt.
Bei in der Patentliteratur beschriebenen Schwingfeuerreaktoren erfolgt die Materialbehandlung typischerweise im Reaktionsraum, der dort wie erwähnt häufig als „Resonanzrohr" bezeichnet wird. Die erreichbare Materialbehandlungsdauer bei diesen vorbekannten Reaktoren hängt somit bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit der Heißgasströmung, die festgelegt ist durch die Feuerungsleistung und die Luftzahl der Verbrennung, sowie ggf. zusätzlicher Zugabe von Kühlluft und der Rohstoff-Aufgaberate, und bei gegebener Rohrquerschnittsfläche des Reaktionsraumes direkt von dessen Länge ab. Eine Erhöhung der Materialbehandlungsdauer durch eine Verlängerung des Reaktionsraumes würde gleichzeitig die Schwingungsfrequenz der Schwingung der Heißgasströmung erniedrigen und auch die erzielbaren Amplituden der Heißgasschwingung durch die erhöhte Gesamtmasse der nun in Schwin¬ gung zu versetzenden Gassäule im Reaktionsraum weiter reduzieren.
Man erkennt hier leicht die technischen Nachteile der Reaktoren nach dem heutigen Stand der Technik: Schwingungsfrequenz und -amplitude und die Materialbehandlungsdauer hängen miteinander gekoppelt von der Reaktorgeometrie ab, insbesondere von der Länge des Reaktionsraumes in Strömungsrichtung. Eine Verlängerung der Verweilzeit geht somit im Stand der Technik nur auf Kosten erniedrigter Frequenzen und Amplituden der Heißgasschwingung und somit auf Kosten reduzierter Wärme- und Stoffübertragungsraten vom Heißgas auf den zu behandelnden Rohstoff und somit auch auf Kosten der Vorteile einer thermischen Materialbehandlung im schwingenden Heißgasstrom. Diese Probleme werden mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Schwingungsreaktors ebenfalls überwunden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann der im Reaktionsraum vorgesehene Einsatz in seiner durchströmten Länge veränderbar sein.
Es ist außerdem möglich, dass alternativ oder zusätzlich auch die Brennkammer in ihrer Geometrie veränderbar ist.
Während ein erfindungsgemäßer Reaktor wie bisher beschrieben die gewünschte Resonanz im Einsatz lediglich an einem speziellen Betriebspunkt des Reaktors mit ganz spezifischen Randbedingungen zeigt, hat ein derart weitergebildeter Reaktor damit zumindest einen, ggf. auch zwei frequenzmäßig abstimmbare Resonatoren. Dies hat zur Folge, dass der Reaktor auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebszuständen bzw. Betriebspunkten einstellbar ist.
Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass z.B. die Resonanz innerhalb des Einsatzes von der Schallgeschwindigkeit abhängig ist, die wiederum temperaturabhängig ist. Die Temperatur ist dabei u.a. durch die Verbrennungstemperatur, die evtl. Zumischung von Kühlluft, der Menge und der Temperatur des Rohstoffes/Eduktes usw. beeinflusst.
Bei einem wie erläutert weitergebildeten Reaktor kann also am in Strömungsrichtung ersten Resonator - nämlich der Brennkammer - eine Abstimmung bzgl. der Randbedingungen vorgenommen werden als auch am in Strömungsrichtung zweiten Resonator, nämlich dem im Querschnitt reduzierten Einsatz. Der erste Resonator weist somit einen Brenner auf mit den zugehörigen Versorgungsanschlüssen für Brennstoff und Verbrennungsluft, eine Flamme sowie eine Brennkammer, die als Resonator fungiert, welche in Hinblick auf ihre Geometrie und die das daraus resultierende Schwingungsverhalten der in ihr enthaltenen Gassäule (Abgas des Verbrennungsprozesses aus der Flamme) im Frequenzbereich zwischen 50 und 1.000 Hz frequenzmäßig abstimmbar ist. Die Vorrichtung ist geeignet zur gezielten Erzeugung selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten im Reaktorteil Brenner-Flamme-Brennkammer, also im ersten Resonator. Verbunden durch eine bevorzugt isolierte Rohrleitung, in die bei Bedarf Kühlluft zur Einstellung einer gewünschten Materialbehandlungstemperatur zugegeben werden kann, wird das schwingende, d.h. periodisch-instationär strömende Heißgas aus dem schwingenden Verbrennungsprozess der Flamme in der Brennkammer, also aus dem ersten Resonator, dem Reaktionsraum zugeführt. In diesem findet dann die Eduktzugabe und somit auch die thermische Materialbehandlung statt, letztere insbesondere in dem in den Reaktionsraum integrierten zweiten Resonator. Durch Abstimmung der Schwingungsfrequenz des periodisch-instationären Verbrennungsprozesses im ersten Resonator (selbsterregte Verbrennungsinstabilität mit schwingender Flamme) bei der dort vorliegenden Verbrennungstemperatur auf das Resonanzverhalten des zweiten Resonators mit der dort vorliegenden Materialbehandlungstemperatur, die typischerweise aufgrund von Kühlluft- und Eduktzugabe niedriger als die Verbrennungstemperatur im ersten Resonator ist, erfolgt eine abgestimmte resonante Anregung des zweiten Resonators durch die ihm übertragene periodische Anregung, die aus der Verbrennungsschwingung im ersten Resonator resultiert und die durch periodische Schwingungen des statischen Druckes und der Heißgasströmung charakterisiert ist.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass sowohl alternativ als auch kumulativ der zweite Resonator durch Veränderung seiner durchströmten Länge auch an die Frequenz des ersten Resonators anpassbar ist - oder besser gesagt: an die Frequenz der aus dem ersten Resonator austretenden, den zweiten Resonator als Schallwelle anregenden Schwingung. Der an seinen beiden Enden offene Einsatz, also der zweite Resonator besitzt als V2- Wellen-Resonator seine Grundfrequenz-Resonanz bei gegebener Schallgeschwindigkeit (und somit bei gegebener Materialbehandlungstemperatur) genau dann, wenn eine halbe Wellenlänge der Schallwelle bzw. Schwingung in den Einsatz, also den zweiten Resonator passt. Es bildet sich so eine stehende Halbwelle in diesem 1/2-Wellen-Resonator, die zur Materialbehandlung genutzt wird. - Die Länge des hier diskutierten zweiten Resonators korreliert somit mit der Temperatur, die in ihm für die Materialbehandlung herrscht, da diese die im Einsatz vorliegende Schallgeschwindigkeit beeinflusst, die wiederum bzgl. der im Einsatz erwünschten Schwingung von Relevanz ist.
Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Schwingfeuerreaktoren liegt hier bezogen auf die Schwingungserzeugung im zweiten Resonator, also im eigentlichen Reaktionsraum der Materialbehandlung, eine echte Fremd- oder Zwangserregung mit Resonanz vor. Je nach frequenzmäßiger Abstimmung der Anregungsfrequenz und Schwingungsdämpfung können im zweiten Resonator resonanzbedingte Überhöhungen (Verstärkung) der Anregung bis zu einem Faktor Zehn eingestellt werden. Hier liegt also tatsächlich eine aktive Beeinflussungsmöglichkeit der Schwingungsamplituden im Reaktionsraum bei der thermischen Materialbehandlung vor. Unabhängig hiervon wird erfindungsgemäß ein weiteres Problem der Schwingfeuerreaktoren nach dem Stand der Technik gelöst: Unabhängig von der Wahl der Anregungsfrequenz aus dem ersten Resonator ist die Dauer der Materialbehandlung im Reaktionsraum bzw. im zweiten Resonator unabhängig von der dort vorliegenden Schwingungsfrequenz der Heißgasströmung, solange der mittlere Durchsatz bzw. die mittlere Strömungsgeschwindigkeit konstant gehalten wird, da sich die Länge des zweiten Resonators (d.h. die Länge des„Resonanzrohres") nicht ändern muss, damit dort unterschiedliche Materialbehandlungsfrequenzen vorliegen.
Somit ist die Frequenz der Materialbehandlung in der pulsierenden Heißgasströmung physikalisch entkoppelt von der Dauer der Materialbehandlung im Reaktionsraum bzw. im zweiten Resonator. Somit stellen beide Größen nun unabhängige Verfahrensparameter der thermischen Materialbehandlung dar.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, mit diesem Verfahren auch direkt Oberwellen, d.h. höhere harmonische Resonanzfrequenzen des zweiten Resonators im Reaktionsraum gezielt anzuregen.
Handelt es sich bei diesem Resonator beispielsweise um einen 1/.-Wellen- Resonator mit beispielsweise einer Grundschwingungsfrequenz von 100 Hz bei gegebener Heißgas- bzw. Materialbehandlungstemperatur, so wären somit Frequenzen von 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz ... etc. gezielt zur thermischen Materialbehandlung anregbar.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erzielten Materialeigenschaften der behandelten Produkte bei gleicher Materialbehand- lungstemperatur von dem Produkt aus Behandlungsfrequenz und Behandlungsdauer abhängen. D.h. bei einer Behandlungsfrequenz von 100 Hz und einer Materialbehandlungsdauer von 400 Millisekunden wird dasselbe Ergebnis in Hinsicht auf Produkteigenschaften und Produktqualität erreicht wie bei 400 Hz und 100 Millisekunden. Ein Grund hierfür wird darin vermutet, dass die zu behandelnden Partikel eines Rohstoffes während ihrer Behandlung in beiden Fällen dieselbe Anzahl von Schwingungszyklen im Reaktionsraum sprich insbesondere innerhalb des Einsatzes erleben .
Ist man also bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Lage, die Frequenzen der thermischen Materialbehandlung durch eine gezielte Anregung des zweiten Resonators im Reaktionsraum deutlich zu erhöhen, beispielsweise durch eine gezielte Resonanzanregung der Oberwellen des zweiten Resonators, kann man gleichzeitig die zur vollständigen thermischen Behandlung des Rohstoffes notwendigen Verweilzeiten und somit die Größe bzw. das Volumen des Reaktionsraumes (oder die Länge des erforderlichen Resonanzrohres bei fester Querschnittsfläche) deutlich reduzieren .
Damit sinkt aber gleichzeitig die notwendige Gasmasse, die in Schwingung versetzt werden muss im Vergleich zu den in der Patentliteratur beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Heißgassäule des gesamten Schwingfeuerreaktors mit deutlich größerer Gasmasse in Schwingung versetzt werden muss. Damit und mit der zuvor beschriebenen, resonanzbedingten Überhöhung (Verstärkung) der Schwingungsamplitude im zweiten Resonator können dort somit erheblich größere Rohstoff-Massenströme bei gleicher mittlerer Feuerungsleistung des Reaktors behandelt werden als bei Rea ktoren nach dem Stand der Technik durchgesetzt werden. - Der erzielbare Reaktordurchsatz steigt dementsprechend deutlich an und verbessert die Rentabilität des thermischen Prozesses.
Abschließend sei der guten Ordnung halber darauf hingewiesen, dass der Typ des Resonators (Helmholtz-Resonator, 1/4-Wellen-Resonator, V2- Wellen-Resonator), der als erster Resonator und/oder als zweiter Resonator 2 eingesetzt wird, grundsätzlich nicht von Bedeutung ist, solange sichergestellt ist, dass die mit der Erzeugung selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten im ersten Resonator (Brennkammer) einhergehenden Schwingungsfrequenzen des statischen Druckes und der Strömungsgeschwindigkeit der aus dem instationären Verbrennungs- prozess resultierenden, schwingenden Heißgasströmung geeignet sind, um den zweiten Resonator im Reaktionsraum für die thermische Materialbehandlung resonant anzuregen.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der im Reaktionsraum vorgeschlagene Einsatz in seiner axialen Position innerhalb des Reaktionsraumes und somit parallel zu seiner axialen Erstreckung veränderbar.
Der Vorteil dieser Weiterentwicklung wird bei nachfolgender Betrachtung ersichtlich :
Typischerweise besteht eine thermische Materialbehandlung in einem Schwingfeuerreaktor beispielsweise beim Einsatz eines flüssigen Rohstoffes (z.B. Rohstoff-Lösung oder wässrige Suspension mit Feststoffanteil) aus folgenden Einzelschritten :
- Zerstäubung des flüssigen Rohstoffes z.B. mit Hilfe einer Zerstäu- berdüse
- Aufheizung und Verdampfung der Rohstoff-Lösung/Trocknung des Feststoffes
- Aufheizen des Rohstoffes auf Materialbehandlungstemperatur
- Thermische Behandlung z.B. Kalzination, Ablauf von Festkörper- reaktionen, Entgasung
- Kristallwachstum/Kristallumwandlungen, usw.
Es ist sehr unwahrscheinlich, dass alle diese physikalisch sehr unterschiedlichen Einzelschnitte der thermischen Materialbehandlung in einem Schwingfeuerreaktor im gleichen Maße von einer Schwingung der Heißgasströmung um die zu behandelnden Tropfen/Partikel herum profitieren gegenüber einer thermischen Behandlung in einer stationär strömenden, nicht schwingenden Heißgasströmung.
Bei den im Stand der Technik beschriebenen Reaktoren wird jedoch die gesamte strömende Heißgassäule im gesamten Reaktorraum in Schwingung versetzt mit der Konsequenz einer großen und trägen Gasmasse mit erheblicher Schwingungsdämpfung und daraus resultierend kleinen Schwingungsamplituden und niedrigen Schwingungsfrequenzen der oszillierenden Heißgasströmung.
Mit der hier beschriebenen, besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht hingegen die Möglichkeit, in dem nach außen gas- und wärmedicht abgeschlossenen Reaktorgehäuse den eigentlichen Reaktionsraum der Materialbehandlung, d. h. den zweiten Resonator bzw. den eine axiale Erstreckung aufweisenden Einsatz an genau jener Stelle zu positionieren, an der entsprechend des dort ablaufenden Einzelschrittes bzw. physikalischen Teilprozesses der thermischen Materialbehandlung das Produkt die stärkste Veränderung seiner erzielbaren Materialeigenschaften erfährt im Vergleich zu einer thermischen Behandlung in einer stationären Heißgasströmung ohne Schwingungen.
Eine derartige optimierende Position des Einsatzes kann in Vorversuchen durch Wiederholung der Materialbehandlung bei unterschiedlich positioniertem Einsatz innerhalb des Reaktorraumes anhand der gemessenen Materialeigenschaften so gefertigter Produktmuster einfach festgestellt werden.
Als besonderer Vorteil ist noch zu erwähnen, dass das Material nach Durchlaufen der thermischen Behandlung im zweiten Resonator mit einem über eine gewisse Länge reduziertem Durchmesser mit sich aufgrund Massenkonstanz ergebender erhöhter Strömungsgeschwindigkeit bei sich demgemäß ergebenden hohen Behandlungsfrequenzen und kurzer Verweilzeit (typischerweise unter 200 Millisekunden, bevorzugt unter 100 Millisekunden) im nachgeschalteten Reaktorteil mit wieder erhöhtem Reaktordurchmesser und daher deutlich abgesenkten Strömungs- geschwindigkeiten eine thermische Nachbehandlung erfährt, die zum vollständigen Abbau unerwünschter Restkomponenten der Rohstoff- mischung/Rohstofflösung genutzt werden kann.
So kann beispielsweise bei Verarbeitung eines nitrathaltigen Rohstoffes der Rest-Nitratgehalt im Produkt oder bei organischen Komponenten im Rohstoff der Rest-Kohlenstoffgehalt im Produkt deutlich gesenkt oder völlig vermieden werden. Um dies sicher zu gewährleisten, sind Nachbehandlungsdauern im Reaktionsraum stromab des zweiten Resonators größer 2 Sekunden, bevorzugt größer 3 Sekunden einzuhalten.
Als Letztes sei noch darauf hingewiesen, dass auch der in seiner axialen Position im Reaktionsraum verschiebbare Einsatz bzw. Resonator so ausgeführt werden kann, dass er hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz insbesondere durch die Veränderung bzw. Einstellung seiner axialen Länge einstellbar, also frequenzmäßig abstimmbar ausgestaltet ist.
Typischerweise können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren feinteilige Partikel mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 5 nm bis 100 pm erzeugt werden. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren lassen sich gezielt feinteilige Partikel beispielsweise in Form von Karbiden, Nitriden, einfache Oxiden, komplexen Mischoxiden, Oxiden mit Dotierungen, Mischungen aus Oxiden oder beschichtete Partikel erzeugen.
Dazu wird aus Edukten eine sogenannte Präkursorenmischung hergestellt, die zumindest alle Bestandteile der zu bildenden festen Partikel beinhaltet.
Für den Spezialfall, dass nur ein Edukt benötigt wird, findet im Folgenden dennoch der Begriff Präkursorenmischung Anwendung.
Die aus den Rohstoffkomponenten gebildete Präkursorenmischung kann dabei sowohl als Feststoff, beispielsweise in Form eines feinteiligen Pulvers oder Pulvermischung, in Form einer Lösung, einer Suspension, einer Dispersion bzw. Emulsion, eines Gels, als Gas oder Dampf vorliegen.
Bei Verwendung von flüssigen Rohstoffmischungen, wie Lösungen, Dispersionen oder Emulsionen resultieren besonders sphärische Partikel.
Durch einen ein- oder mehrstufigen nasschemischen Zwischenschritt kann die Präkursorenmischung so konditioniert werden, dass sich eine spezifische Partikelform oder Größe im thermischen Prozess einstellt, zum Beispiel eine besonders enge Kornverteilung der Partikel. Für den nasschemischen Zwischenschritt können bekannte Methoden wie beispielsweise Cofällung oder Hydroxidfällung angewandt werden.
Die genannten Formen der Präkursorenmischung werden in den Heißgasstrom der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgegeben, beispielsweise durch Einsprühen, Einleiten oder Einblasen. Die Art der Präkursorenaufgabe, wie beispielsweise Art, Durchmesser und Sprühbild einer hierfür benutzten Mehrstoffdüse, die Zuführungsrichtung (z.B. Einsprührichtung) und der Zuführungsort beeinflussen die Prozessführung und das resultierende thermische Behandlungsregime und sind damit bedeutende Steuergrößen für die resultierenden Partikeleigenschaften.
Die sich bildenden Partikel werden mit dem Heißgasstrom durch den Reaktor transportiert und in diesem Heißgasstrom thermisch behandelt. Die Eigenschaften des Heißgasstroms beeinflussen damit maßgeblich die thermische Behandlung und somit die Eigenschaften der sich bildenden Partikel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Prozessparametern für die erfindungsgemäße thermische Erzeugung und/oder Behandlung dieser feinteiligen Partikeln. Einstellbar sind auf für den Fachmann bekannte Art und Weise beispielsweise das Temperaturprofil, die maximale Prozesstemperatur, die Verweilzeit der Gasströmung sowie die Verweilzeit der Partikel in der Gasströmung. Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der Heißgasstrom in Schwingungen versetzt werden kann. In schwingenden bzw. pulsierenden Heißgasströmungen resultiert ein deutlich erhöhter Wärmeübergang aufgrund der hohen Strömungsturbulenzen. Der Wärmeübergang beeinflusst maßgeblich die Reaktions- und Phasenbildungsmechanismen bei der Stoffumwandlung bzw. bei der Phasenbildung. Mit der Wahl der Frequenz und Amplitude der pulsierenden Gasströmung kann die Reaktionsbedingungen an die Erfordernisse des herzustellenden Materials exakt angepasst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Möglichkeit, den Gasraum der thermischen Materialbehandlung, d.h. den zweiten Resonator durch eine äußere, periodische Erregung zum Resonieren anzuregen. Im Resonanzfall resultiert dann daraus eine 8-10 mal höhere Amplitude der Gassäulen-Schwingung bei der thermischen Materialbehandlung innerhalb des zweiten Resonators als bei einer Erregung mit Frequenzen außerhalb dieses Resonanzbandes. Die sich daraus ergebenden höheren Amplituden erhöhen den Wärme- und Stoffübergang signifikant.
Auch höhere Frequenzen steigern den Wärme- und Stoffübergang erheblich. Da durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch hohe Oberfrequenzen, also sehr hohe Frequenzen zum Beispiel im Bereich größer 300 Hz erzeugt werden können, ergibt sich hier ein weiterer Einstellparameter für einen besonders hohen Wärmeübergang.
Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung definiert dabei maßgeblich die Aufheizgeschwindigkeit der Präkursoren bzw. Partikel und damit das tatsächlich wirkende Temperaturprofil. Höhere Amplituden und höhere Frequenzen des pulsierenden Gasstroms beschleunigen die Reaktionsund Phasenbildungsmechanismen. Damit kann beispielsweise ein höherer Reaktionsumsetzungsgrad der Präkursorenmischung bei vergleichbarer Verweilzeit erreicht oder die Aktivität bei beispielsweise katalytischen Materialien erhöht werden. Die erfindungsgemäße Möglichkeit für deutlich höhere Amplituden und höhere Frequenzen als bei konventionellen Systemen erweitert damit die Möglichkeiten zur Prozessführung, erweitert das mögliche Stoffspektrum der zu behandelnden Materialien, verbreitet die einstellbaren Partikeleigenschaften und vereinfacht die Prozessführung.
In Abhängigkeit vom Stoffsystem haben die Frequenz und Amplituden der schwingenden Heißgasströmung unterschiedlich starken Einfluss auf Teilreaktionsschritte wie Trocknung, Aufheizung, (zeitlich) unterschiedliche Phasenreaktionen, Abkühlung usw. und somit auf die Partikelbildung und/oder die thermische Partikelbehandlung.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Reaktionsabschnitt bzw. die Reaktionsabschnitte, bei dem/denen beispielsweise die gewünschte Beeinflussung durch hohe Amplituden und Frequenzen besonders stark ist, gezielt gewählt werden, indem die axiale Positionierung des zweiten, eine gewisse axiale Erstreckung aufweisenden Resonators innerhalb des Reaktors und der Aufgabeort der Präkursorenmischung entsprechend ausgewählt wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine zumindest teilweise Beschichtung von Partikeln durch eine geeignete Präkursorenkombination einer hergestellten Präkursorenmischung in Ausbildungsform einer Dispersion. Dabei beinhaltet beispielsweise die feste Phase bei Suspensionen bzw. die innere Phase bei der Emulsion zumindest alle Komponenten, die zur Bildung der zu beschichtenden Partikel erforderlich sind. Die flüssige Phase bei der Suspension bzw. die äußere Phase bei der Emulsion beinhalten zumindest alle Beschichtungskomponenten. Durch die Wahl eines geeigneten thermischen Behandlungsregimes gelingt so die Bildung der festen Partikel und eine zumindest teilweise Beschichtung dieser Partikel.
Die im erfindungsgemäßen pulsierenden Heißgasstrom erzeugten feinteiligen Partikel werden abschließend mit einer geeigneten Abscheideinrichtung von dem Heißgasstrom abgetrennt. Das Heißgas wird gegebenenfalls vor seinem Eintritt in die Abscheideinrichtung auf eine je nach dem Typ der Abscheideeinrichtung erforderliche Temperatur abgekühlt. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abtrennung der gebildeten Partikel vom Heißgasstrom bei Temperaturen oberhalb 300 °C, bevorzugt oberhalb 500 °C, besonders bevorzugt oberhalb 600 °C, beispielsweise durch einen Zyklon oder einen Heißgasreaktor. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass stark reaktive Partikel Heißgaskomponenten, wie beispielsweise Wasser, aufnehmen. Das Heißgas kann in dieser Ausführungsform bei Bedarf nach dem Filter abgekühlt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:
Fig. 1 die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes mit einer Brennkammer, einem Reaktionsraum und einem in dem Reaktionsraum integrierten Einsatz, bei der die Brennkammer in ihrer Geometrie veränderbar ist;
Fig. 2 die Prinzipskizze einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einer anderen Veränderbarkeit der Brennkammer-Geometrie.
In Fig. 1 erkennt man die Prinzipskizze eines Reaktors zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes innerhalb eines periodisch-instationär schwingenden Heißgasstromes. Dieser Heißgasstrom wird durch eine Flamme 1 an einem Brenner 2 erzeugt, wozu diesem Brennstoff 3 und Verbrennungsluft 4 zugeführt werden. Die Flamme 1 brennt dabei in einer Brennkammer 5.
Unter Brennstoff versteht man Brenngase wie Erdgas, Methan, Wasserstoff oder Flüssig brenn Stoffe wie Alkohol etc. Unter Verbrennungsluft wird im Rahmen dieser Anmeldung allgemein ein Oxidationsmittel verstanden, das den für die Verbrennung benötigten Sauerstoff bereitstellt. Außer Luft gehört hierzu beispielsweise auch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichte Luft etc. Grundsätzlich ist es möglich, durch eine entsprechende schwingende Versorgung der Flamme mit einem zeitlich periodisch modulierten Brenn- stoff/Luft-Gemisch oder mit einer zeitlich periodisch modulierten Strömung von Verbrennungsluft die Flamme fremderregt zu betreiben. Die Veränderbarkeit des Massenstroms an Brennstoff/Luft-Gemisch wird dabei insbesondere im Fall einer Vormisch-Verbrennung bevorzugt bzw. eine Veränderung im Massenstrom der Verbrennungsluft insbesondere im Fall einer Diffusionsverbrennung. Im Übrigen wird die Verbrennung so betrieben, dass sie einen periodisch- instationären, schwingenden Betriebszustand hat. Hierbei wird die Frequenz der pulsierenden Verbrennung z.B. durch die Geometrie der Brennkammer als auch durch die Prozesstemperatur beeinflusst. Die mit der pulsierenden Flamme letztlich erzeugte pulsierende Heißgasströmung strömt durch ein Koppelrohr 6 in einen Reaktionsraum 7, dessen Wandung 8 gas- und wärmedicht ist. Die Wärmedichtigkeit kann dabei insbesondere durch eine separate Isolierung gewährleistet werden. In den aus dem Koppelrohr 6 ausströmenden Abgasstrom 9 wird zum einen ein zu behandelnder Rohstoff 10 aufgegeben als auch Kühlluft 11. Damit bildet sich ein Heißgasstrom 12, der durch den Reaktionsraum 7 hindurchströmt und an dessen Ende durch einen hier nicht mehr dargestellten Heißgasfilter oder Zyklon geleitet wird, in dem der im Reak- tionsraum 7 thermisch behandelte Rohstoff 10 aus dem Heißgasstrom abgeschieden wird.
Wesentlich ist jetzt, dass in dem Reaktionsraum 7 ein Einsatz 13 vorgesehen ist, der über eine gewisse, sich in Axial- und Strömungsrichtung erstreckende Länge eine gegenüber dem Reaktionsraum 7 reduzierte Querschnittsfläche 14 aufweist.
Im hier dargestellten Beispiel ist dieser Einsatz 13 als ein Einzelrohr ausgebildet und hat eine durchströmte axiale Länge 15, die lediglich einen Bruchteil der Gesamtlänge des Reaktionsraumes 7 hat. Außerdem ist der Einsatz 13 im Wesentlichen gasdicht an die Wandung 8 des Reaktionsraumes angeschlossen, so dass der Heißgasstrom 12 vollständig durch den in Radialrichtung innenliegenden freien Querschnitt des Einsatzes 13 strömt, nicht aber seitlich an diesem vorbei.
Der Einsatz 13 ist dabei in seiner axialen Länge 15 verstellbar, so dass die Möglichkeit besteht, ihn in seiner Länge derart einzustellen, dass er auf die Schwingungsfrequenz des periodisch instationären Verbrennungsprozesses in der Brennkammer 5 so abgestimmt ist, dass die von diesem angeregte periodisch instationäre Heißgasströmung 12 bei ihrem Hindurchtreten durch den Einsatz 13 resonant angeregt wird und so im Bereich dieses Einsatzes 13 in eine fremd- bzw. zwangserregte Schwingung übergeht. Die sich hier resonanzbedingt einstellenden Überhöhungen der Anregungen können bis zum Faktor 10 gehen.
Die Resonanzfrequenz innerhalb des Einsatzes 13 ist dabei insbesondere abhängig von der Temperatur des Heißgasstromes 12, da diese Temperatur die für die Resonanzerzeugung relevante Schallgeschwindigkeit beein- flusst. Des Weiteren ist die Resonanzfrequenz auch abhängig von der axialen Länge 15 des Einsatzes 13.
Der Einsatz 13 wird im Folgenden auch als zweiter Resonator bezeichnet.
In dem hier dargestellten Beispiel ist auch die Brennkammer 5 durch das Vorhandensein eines verschiebbaren Bodens 16 verstellbar. Im Folgenden wird die insoweit beschriebene Baugruppe auch als erster Resonator bezeichnet. Mit der Verstellbarkeit des ersten Resonators hat man eine weitere Stellgröße über die eine echte Resonanz innerhalb des zweiten Resonators also des Einsatzes 13 im Reaktionsraum 7 justiert werden kann.
Um die Bedeutung und die Funktionsweise von zwei frequenzmäßig abstimmbaren Resonatoren in dem hier beschriebenen Reaktor zu erläutern und zu veranschaulichen, wird nachfolgend eine beispielhafte Berechnung vorgestellt, ohne jedoch die Allgemeingültigkeit durch diese konkrete Beispielrechnung einschränken zu wollen :
Der erste Resonator mit der Brennkammer 5 soll als 1/4-Wellen-Resonator ausgeführt sein mit einer veränderbaren Länge zwischen 0,5 m und 1,0 m. Aufgrund der einstellbaren Brenner-/Flammenparameter (Brenngasmassenstrom, Luftmassenstrom, Luftzahl, Vorwärmtemperatur der Luft, etc.) soll die Flamme 1 stabil schwingend brennen in einem Temperaturbereich der Flamme 1 bzw. des Abgasstromes 9, welcher von der Flamme 1 erzeugt wird, zwischen 800 °C und 1.800 °C. Entsprechend der gewählten Verbrennungstemperatur stellen sich im ersten Resonator Schallgeschwindigkeiten zwischen ca. 630 m/s und 830 m/s ein. (Zur Vereinfachung wird hier nur mit Luft als Medium gerechnet und nicht mit der vollständigen Abgaszusammensetzung.) Gemäß der eingestellten Länge des ersten Resonators entstehen Schwingungsfrequenzen bei Entstehung selbsterregter Verbrennungsschwingungen im ersten Resonator zwischen ca. 160 Hz bis ca. 420 Hz. Die niedrigste Temperatur von ca. 800 °C und die größte Länge des ersten Resonators von 1.0 m ergeben z.B. die niedrigste Frequenz des schwingenden 1/4-Wellen- Resonators von ca. 160 Hz. Mit dieser kann der nachfolgende zweite Resonator im Reaktionsraum zu Resonanz angeregt werden.
Im Einsatz 13 als zweiten Resonator, der als 1/2-Wellen-Resonator ausgeführt ist, soll eine thermische Materialbehandlung im Temperatur- bereich zwischen 200 °C und 800 °C ermöglicht werden unter resonanter Anregung des zweiten Resonators mittels der einstellbaren Verbrennungsschwingung im ersten Resonator. Die Schallgeschwindigkeiten im zweiten Resonator betragen im für die Materialbehandlung gewünschten Temperaturbereich 430 m/s bis 630 m/s.
Im Falle einer gewählten durchströmten Länge 15 des zweiten Resonators von 2,0 m wäre bei der höchsten Materialbehandlungstemperatur von 800 °C die Resonanz-Grundfrequenz ca. 160 Hz und wäre somit gerade noch mit der niedrigsten, einstellbaren Schwingungsfrequenz im ersten Resonator bei 800 °C Flammen-/Abgastemperatur resonant anregbar. Würde jedoch eine Materialbehandlungstemperatur im zweiten Resonator von 200 °C gewünscht, so betrüge die Resonanzfrequenz des zweiten Resonators bei dieser Temperatur und einer durchströmten Länge 15 des zweiten Resonators ca. 105 Hz. Der zweite Resonator wäre somit nicht mehr durch den ersten Resonator mit dessen minimaler Schwingungsfrequenz bei 800 °C von 160 Hz resonant zur Grundschwingung anregbar.
In diesem gewünschten Fall müsste die Länge 15 des Einsatzes 13 als zweiter Resonator auf ca. 1,34 m reduziert werden, um bei 200 °C Materialbehandlungstemperatur gerade eine Resonanzfrequenz als Grundschwingung von ca. 160 Hz im zweiten Resonator zu erreichen, welche dann durch den ersten Resonator bei dessen Minimalfrequenz von 160 Hz resonant angeregt werden könnte.
Man kann an dem erläuterten Beispiel leicht die Vorteile erkennen, die entstehen, wenn beide Resonatoren frequenzmäßig über individuelle Geometrieeinstellungen aufeinander und auf die gewünschten Temperaturen abgestimmt werden können.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist, dass der Einsatz 13 in seiner axialen Position innerhalb des Reaktionsraumes 7 entsprechend den Pfeilen 17 bedarfsgerecht positioniert werden kann. Im Heißgasstrom 12 beförderte Rohstoffpartikel werden somit zunächst in dem Bereich vor dem Einsatz 13 mit der Heißgasströmung 12 mit der im Reaktionsraum 7 vorhandenen Frequenz und Amplitude beaufschlagt, dann innerhalb des freien Querschnitts 14 über die Länge 15 des Einsatzes 13 von der dort aufgrund der Massenkonstanz zumindest mit erhöhter Geschwindigkeit strömenden Heißgasströmung und anschließend wieder in der wiederrum wegen der Massenkonstanz mit geringerer Geschwindigkeit strömenden Heißgasströmung im nicht mehr im Querschnitt eingeschränkten Bereich des Reaktionsraumes. Dabei kann mit einer entsprechenden Abstimmung von der in der Brennkammer 1 erzeugten Schwin- gung und der Länge 15 des Einsatzes 13 die Strömung durch den Einsatz 13 nicht nur mit einer Grund- sondern ggf. auch mit einer Oberschwingung in eine Resonanz gebracht werden, was die Intensität der im Bereich des Einsatzes 13 bewirkten thermischen Behandlung entsprechend erhöht.
Sollte der Rohstoff aus einer Rohstoffmischung bestehen, bei der es sinnvoll ist, verschiedene Intensitäten der thermischen Behandlung zeitlich nacheinander zu haben, kann dies somit entsprechend eingestellt werden, indem die jeweils passende axiale Position des Einsatzes 13 innerhalb des Reaktionsraumes 7 bedarfsweise gewählt wird.
In der Fig. 2 ist eine im Wesentlichen gleiche Vorrichtung wie in Fig. 1 dargestellt. Bei dieser unterscheidet sich der Brennraum 5 durch die Art, wie er als Resonator auf die in ihm brennende Flamme 1 abgestimmt wird. Statt das Volumen der Brennkammer 5 über einen verschiebbaren Boden zu verändern, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist, ist bei dieser Ausführungsform ein die Flamme 1 am Brenner 2 in Radialrichtung umgebender Rohreinsatz 18 vorgesehen, der in Axialrichtung 19 der Brennkammer 5 verschiebbar ist, um so die in der Brennkammer 5 erzeugte Schwingung entsprechend auf den Einsatz 13 mit seinem verringerten Querschnitt 14 und seiner axialen Länge 15 abstimmen zu können, damit so bei diesem eine Resonanz bezüglich der durch ihn hindurchströmenden Heißgasströmung 12 erzeugt wird.
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1 Flamme
2 Brenner
3 Brennstoff
4 Verbrennungsluft
5 Brennkammer
6 Koppelrohr
7 Reaktionsraum
8 Wandung
9 Abgasstrom
10 Rohstoff
11 Kühlluft
12 Heißgasstrom
13 Einsatz
14 Querschnittsfläche
15 Axiale Länge
16 Verstellbarer Boden
17 Pfeile
18 Rohreinsatz
19 Axialrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes (10), mit einer Brennkammer (5), in der eine periodisch instationäre, schwingende Flamme (1) brennt zur Erzeugung eines pulsierenden Abgasstromes (9), der durch eine an die Brennkammer (5) anschließenden Reaktionsraum (7) strömt,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Reaktionsraum (7) ein von dem Abgasstrom durchström- ter, in seiner Querschnittsfläche (14) gegenüber dem Reaktionsraum (7) reduzierter Einsatz (13) vorgesehen ist, der eine Länge (15) aufweist, die kürzer ist als eine Gesamtlänge des Reaktionsraumes (7).
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge (15) des Einsatzes (13) veränderlich ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennkammer (5) in ihrer Geometrie veränderbar ist.
4. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Flamme (1) zu Schwingungen fremderregbar ist.
5. Verfahren zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes in einem periodisch instationär schwingenden Abgasstrom (9), der durch eine periodisch instationär schwingende Flamme (1) erzeugt wird, wobei der Abgasstrom durch einen Reaktionsraum (7) geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom in einem im Reaktionsraum (7) vorgesehenen Einsatz (13) mit einer gegenüber dem Reaktionsraum (7) verringerten Querschnittsfläche und einer gegenüber der Gesamtlänge des Reaktionsraumes (7) kürzeren Länge (15) zu einer resonanten Schwingung angeregt wird.
Verfahren zur Herstellung von feinteiligen Partikeln, bei dem sich aus einer Präkursorenmischung, die zumindest alle Komponenten zur Bildung der feinteiligen Partikel umfasst, die feinteiligen Partikel bilden, wobei die Partikelbildung und/oder eine thermische Partikelbehandlung in einem schwingenden Abgasstrom erfolgt und die gebildeten Partikel anschließend vom Abgasstrom abgetrennt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass der schwingende Abgasstrom in einem Abschnitt resonant angeregt wird.
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