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Vorrichtung zur Pyrolyse von flüssigen, gas-oder dampfförmigen Brennstoffen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennervorrichtung zur Pyrolyse flüssiger Brennstoffe.
Die teilweise Zersetzung von Schwerölen bei hohen Temperaturen zur Erzeugung von nützlichen Heizflanunen oder zum Zweck der Herstellung niedrigsiedender Produkte wurde bisher in der Praxis so durchgeführt, dass das Öl in eine abgeschlossene Heizkammer eingebracht wurde und dabei entweder verbrannte oder dass durch Kühlen die dabei entstandenen Produkte wieder kondensiert und gesammelt wurden.
Eine typische Pyrolysevorrichtung für die Zersetzung von flüssigen, gas-oder dampfförmigen Brennstoffen besteht aus einer mehrteiligen Halterung mit einem in ihrer Längsrichtung verlaufenden abgestuften Führungskanal, der an einem Ende mit einer Mischeinrichtung, durch die eine in dem Kanal verbrennende Gasmischung eingeführt wird, und am andern Ende mit einer Auslassvorrichtung verbunden ist, und wobei zwischen den beiden Enden des Führungkanals ein Einlass für die Zuführung des zu behandelnden flüssigen, gas- oder dampfförmigen Brennstoffes angeordnet ist.
Beträchtliche Schwierigkeiten standen einer gleichmässigen Verteilung des Öles in der heissesten Zone der Brennkammer entgegen, und die Folge davon war, dass bisher das Produkt stets mit Rohmaterial oder mit ungenügend zersetztem Material verunreinigt war.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wurden diese Schwierigkeiten dadurch überwunden, dass der Brennstoffeinlass angrenzend an einen einengenden, halsförmigen Abschnitt mündet, welcher dazu dient, den Führungskanal in eine Brennkammer, in welcher die Verbrennung der Gasmischung vor sich geht, und in eine Reaktionskammer, innerhalb welcher die aus der Einengung mit hoher Geschwindigkeit austretenden Verbrennungsprodukte den zugeführten Brennstoff pyrolysieren, zu teilen. Die Vorrichtung wird gemäss der Erfindung derart betrieben, dass die brennbare Gasmischung in die Brennkammer mit einer Geschwindigkeit grösser als MachZahl 0, 5 eingeleitet wird und dass die Verbrennungsprodukte durch den Halsteil in die Reak- tionskammer mit einer Geschwindigkeit grösser als Mach-Zahl 0, 5 eingeleitet werden.
Im Betrieb werden ein flüssiger Brennstoff und ein Sauerstoffträger durch einen Mischer in den ersten Raum eingespritzt. Die Brennstoffund Sauerstoff-träger-Mischung wird darin verbrannt, und die heissen Verbrennungsprodukte strömen durch den verbindenden Halsteil in den zweiten Raum. Gleichzeitig damit wird der zu behandelnde verflüssigte Vorrat in den zweiten Raum eingeführt, in dem er durch Berührung mit den heissen Verbrennungsprodukten des ersten Raumes entflammt wird.
Die Ergebnisse hängen davon ab, wie der Flüssigkeitsvorrat in den zweiten Raum eingeführt wird, und von der Zusammensetzung des eingeführten Vorrates.
Die einzige Figur der beigefügten Zeichnung ist ein Längsschnitt eines Gerätes, das die Erfindung zum Ausdruck bringt und hauptsächlich zum Gebrauch bei der Verbrennungsreaktion von Kohlenwasserstoffverbindungen zur Herstellung anderer Kohlenwasserstoffverbindungen, wie Acetylen, eingerichtet ist.
Nach der Zeichnung ist eine Anordnung B vorgesehen, die axial ausgerichtete Teile 10, 12, 14, 16 und 18 aufweist, die nacheinander von rückwärts gegen das vordere Ende der Anordnung angebracht sind.
Der Teil 10 ist ein wassergekühlter Mischteil, der einen abgestuften, axialen Durchlass besitzt und am oberen Ende mit einem Gewinde 20 zur Aufnahme eines Injektorteiles 22 versehen ist. Der axiale Durchlass ist mit einem kegelstumpfförmigen Teil 24 versehen, um dort mit den Aussenflächen des Injektors 22 einen kegelförmigen, ringähnlichen Durchlass 26 zu bilden. Ein Halsteil 28, in dem das Mischen der Gase vor sich geht, ist vorzugsweise stromabwärts von dem kegelstumpfförmigen Teil 24 angeordnet. Der axiale Durchlass des Mischteiles 10 weist am unteren Ende einen mit einem Gewinde versehenen kreisförmigen Teil 30 auf, der zum Anschliessen des oberen Endes des Teiles 12 angeordnet ist.
Der Teil 12 enthält den ersten Abschnitt des zweistufigen Brenners und besitzt einen inneren Raum 32 von im wesentlichen konstantem
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Durchmesser, der in einen Halsteil 34 von kleinerem Durchmesser übergeht, welcher mit
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ist gegen den Teil. M durch das Gewinde gesichert.
Der Teil 16, der den inneren Raum 40 von
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wesentlichen & oas. : an ! : et ? Q-jerschnitt ent-sichert.
Der Teil 18, welcher gegen das untere Erd:
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ist, enthält einen inneren Durchlass 46 von im wesentlichen konstanter Querschnittsfläche, in den eine abschreckende Flüssigkeit in vielfachem Sprühregen durch Kanäle 50 eingefühit wird.
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5. 2 des Durchlasses 46 wirdAcetylen, verwendet wird. Die Abschreckflüssigkeit wird in den Teil 18 durch das Flüssigkeit- Zuleitungsrohr 56 hineingeleitet, welches mit dem Ringkanal 58 verbunden ist und welche sich durch die vielen radial angeordneten Abschrek- kungsflüssigkeitskanäle50, dieindeninneren Durchlass 46 des Teiles 18 führen, entleert.
Es ist selbstverständlich, dass, wenn der zvrei- stufige erfindungsgemässe Brenner bei einem andern als einem Reaktionsverbrennungsprozess verwendet wird, der Teil 18 vom Brenner entfernt werden kann, sobald das Einlassen der Abschreckungsflüssigkeitnichtmehrerforderlich ist.
Die Röhre 60 ist im Block. M zum Einlassen eines Vorrates in den zweiten Raum des Brenners vorgesehen. Dieser Voriat enthält die im zweiten Abschnitt zum Verbrennen vorgesehene Flüssigkeit.
Der Injetorteil 22 umfasst eine zentral gelegene Sauerstoffzuleitung 70, die an ihrem unteren Ende mit vielen radial angeordneten Sauerstoff- träger-Messkanälen72verbundenist, umden Sauerstoff trägern bei hoher Geschwindigkeit quer zu dem ringförmigen Messdurchlass 26, der zwischen der Unterseite des Injektors 22 und den kegelstumpfförmigenSeitenwänden24desaxialen Durchlasses des Teiles-M gebildet ist, ausströmen zu lassen. Ein längliches Heiz-Gasrohr 74 ist exzentrisch in dem Injektor 22 angeordnet und entlädt sich in den zwischen dem Injektor
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lass 26 verbunden, so dass ein Heizgasstrom - an den Ausströmungsenden der Sauerstoffträger-Kanäle 72 vorbei-hindurchströmt.
Die Ströme des Heizgases und Sauerstoffträgers gelangen dann durch den Halsteil, 28 der Mischvorrichtung mit sehr hoher Geschwindigkeit, wodurch inniges Mischen dieser Gase erreicht wird, die dann zur ersten Stufe 32 des Brenners geleitet werden. Es hat sich als vorteilhaft er- wiesen-unabhängig von dem speziellen verwendeten Brennstoff und SauerstoSträger-, das Gas mit dem grösseren Rauminhalt durch den Durchlass 26 der Mischvorrichtung 26 zu führen, während das Gas mit dem kleineren Rauminhalt durch die Messkanäle 72 geleitet wird.
Es hat sich gezeigt, dass durch Aufrechter- halten der Druckverhältnisse über die Sauerstoffträgerkanäle 72 hin in einem grösseren Verhältnisals2 :1(Eingangs-gegenAuslassdruck) eine Sauerstoffträger-Stromauslaufgeschwindig- I. : eit. bei oder nahe der Schallgeschwindigkeit eneicht vierden kann. Auf diese Weise findet
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in der ersten Stufe 32 des Brenners beginnt.
So sind die Querschnitflächen der Messkanäle und des Druckgefälles in ihnen so gewählt, dass das Einpressen der Ströme von flüssigem Brennstoff und SauerstoSträger bei einer grösseren Geschwindigkeit als der Mach-Zahl 0, 5 entsprechend und vorzugsweise bei einer MachZahl 1, 0 erfolgt.
In der hier gebrauchten Verwendung bezieht sich der Ausdruck ,,Mach-Zahl" auf das Ver- hältnis der linearen Gasgeschwindigkeit der Mischung zur Schallgeschwindigkeit derselben Mischung für die bestimmte Temperatur-und Gaszusammensetzung.
Nach der Verbrennung in der ersten Stufe des Brenners werden heisse Verbrennungspro- dutte durch den Halsteil 34 in die zweite Brennerstufe 40 eingelassen. Brennstoff und Sauerstoffträger werden in hauptsächlich stöchiometrischen Anteilen in die erste Stufe eingelassen, und der in die zweite Stufe eingelassene Flüssigkeits-
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durch die l : ci''r : 11 Vel'breünungs-produkte, die durch den H als 34 in den Raum gelangen, erhitzt. Ausserdem passiert der Vorrat - wenn ein flüssiger verwendet wird-als feiner Sprühregen mit den heissen VerbrennungsProdukren bei sehr hoher Geschwindigkeit die zweite Stufe 40.
Unter diesen Bedingungen bewirkt der Brenner die Reaktionsverbrennung mit dem hohen Geschwindigkeii : sstrom der heissen Verbrennungsprodukte der ersten Stufe.
Es ist unerlässlich, dass die Kanäle 50 zum Einlassen von Abschreckflüssigkeit mit Hinblick auf die Reaktionsverbrennungszone richtig angeordnet werden. Dies ist notwendig, weil sich die erzeugten Kohlenwasserstoffverbindungen zersetzen, wenn sie den heissen Verbrennungprodukten zu lange ausgesetzt werden, und weil die Ausbeute der Kohlenwasserstoffverbindungen verringert wird, wenn die Zeit zu kurz ist. Z. B. ist es bei der Herstellung von Acetylen durch Reaktionsverbrennung von Methan wünschenswert, um die Acetylenzersetzung zu vermeiden, dass die Reaktionsprodukte innerhalb von weniger als 0, 04 Sekunden nach Beginn der Verbrennungsreaktion abgeschreckt werden.
Die heissen Verbrennungsprodukte, die von der ersten Stufe 32 kommen, durchströmen
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den Halsteil 34 und die zweite Stufe 40 mit einer grösseren Geschwindigkeit als der Mach-Zahl 0, 5 und vorzugsweise der Mach-Zahl 1, was auf den durch den ganzen Halsteil aufrechterhaltenen Druck zurückführen ist. Daher wird der in die zweite Stufe eingeführte Vorrat auf Hochtemperatur gebracht, wobei der Hochgeschwindigkeitsstrom eine Geschwindigkeit von ungefähr 915 m pro Sekunde hat, und die Behandlung des Vorrates (ob es Vorerwärmen, Zerstäuben oder Reaktionsverbrennen ist) wird folgerecht in kurzen Zeitabständen ausgeführt, ehe eine ausgedehnte Zersetzung der ungesättigten erzeugten Wasserstoffverbindungen erfolgen kann.
Der Injektorteil 22 ist mit Durchlässen zum Umlauf einer kühlenden Flüssigkeit, wie Wasser, versehen. Die Kühlflüssigkeit wird durch die Röhre 80 zur Bohrung 82 geleitet und strömt dann in den ringförmigen Raum 84, der das Sauer- stoffträger-Einlassrohr 70 umgibt, und wird von dort durch die Bohrung 86 zum Ablassrohr 88 geführt. Der Mischvorrichtungsteil 10 wird ähnlich mit Kühlwasser durch die Röhre 90
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Radialbohrung 96 und der Wasserablaufröhre 98 verbunden ist. Der Teil 14 wird ebenfalls mit Kühlwasser von der Einlassröhre 100 versorgt,
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rung 106 und dem Kühlwasserablaufrohr 108 in Verbindung steht.
Teile des Brenners-wie in der Zeichnung zum Ausdruck gebracht ist-sind aus feuerfestem Material hergestellt. Die Zweistufenteile 12 und 16 sind aus feuerfesten Abschnitten 110 und 112 gebaut bzw. mit inneren Auskleidungen 114 und 116 versehen bzw. aus üblichen metallkeramischen Materialien, d. h. aus einer gesinterten Metall-Metalloxyd-Pulver- mischung, angefertigt. Ausserdem ist der eingeengte Halsteil 34 passend aus solchem metallkeramischen Material angefertigt. Die äusseren Teile 120 und 122 sind entsprechend um die Aussenseite des feuerfesten Materials vorgesehen und dienen zur Befestigung der Stufenteile an die angrenzenden Teile des Brenners.
Grossbrenner sind auch mit Metallröhren zur Wasserkühlung ausgestattet worden. Eine solche Konstruktion wurde als befriedigend angesehen, da mit zunehmender Grösse das Verhältnis von Wandflächen gegen das Volumen abnimmt und so der prozentuale Hitzeverlust durch die Wände auch abnimmt.
Der erfindungsgemässe Apparat ist erfolgreich zur Herstellung von Produkten verwendet worden, die bei der Reaktionsverbrennung von Methan 7 Vol.-% Acetylen ergaben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Pyrolyse von flüssigen, gas-oder dampfförmigen Brennstoffen, bestehend aus einer mehrteiligen Halterung mit einem in ihrer Längsrichtung verlaufenden abgestuften Führungskanal, der an dem einen Ende mit einer Mischeinrichtung, durch die eine in dem Kanal verbrennende Gasmischung eingeführt wird, und am andern Ende mit einer Auslassvorrichtung verbunden ist, und wobei zwischen den beiden Enden des Führungskanals ein Einlass für die Zuführung des zu behandelnden Brennstoffes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeinlass (60) angrenzend an einen einengenden, halsförmigen Abschnitt (34) mündet, welcher dazu dient, den Führungskanal in eine Brennkammer (32), innerhalb welcher die Verbrennung der Gasmischung vor sich geht, und in eine Reaktionskammer (40),
innerhalb welcher die aus der Einengung mit hoher Geschwindigkeit austretenden Verbrennungsprodukte den zugeführten Brennstoff pyrolisieren, zu teilen.