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Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von zum weitaus überwiegenden Teil aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehenden Gasgemischen und Brenner zur Durch- führung des Verfahrens
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dem die beiden Gasströme zunächst senkrecht zueinander gerichtet sind, in etwa parallele Richtung umgelenkt werden, wodurch deren Durchmischung erschwert wird.
Die Erfindung vermeidet nun diese Nachteile und das erfindungsgemässe Verfahren zur teilweisen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zur kontinuierlichen Herstellung von zum weitaus überwiegenden Teil aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehenden Gasgemischen ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Umsetzung in einem in der Mittelachse gelegenen zentralen Hauptbrenner durchgeführt wird, dem neben einem Teil der umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe noch 60-80% des zur völligen Verbrennung dieses Teiles zu Kohlendioxyd und Wasser erforderlichen Sauerstoffes zugeführt wird, während der restliche Teil der umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe konzentrisch dicht um diesen Hauptbrenner gruppierten, zu ihm parallel gelegenen Aussenbrennern zugeführt wird,
die ihrerseits mit nur 50-80% des zur völligen Umwandlung der ihnen zugeführten Kohlenwasserstoffe in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erforderlichen Sauerstoffs versorgt werden, wobei die Gesamtmenge des dem Mittel- und den Aussenbrennern zugeführten Sauerstoffes so gewählt wird, dass sie gerade zur völligen Umwandlung der insgesamt zugeführten Kohlenwasserstoffe in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff ausreicht, sowie dadurch, dass die Anordnung und Beschickungsmenge der einzelnen Brenner derart gewählt werden, dass sich die Gase der Aussenbrenner zu einer kontinuierlichen Fläche zwischen der Flamme des Mittelbrenners und einer zylindrischen Hülle, in die alle in Umsetzung befindlichen Gase strömen, vereinigen und dass die Länge des Verbrennungsraumes des Mittelbrenners auf das für die Stabilität der Flamme unerlässliche Ausmass beschränkt wird,
wodurch die intensive Ausstrahlung dieser Flamme durch die Fläche, die die Gase der Aussenbrenner bilden, aufgesogen wird. Dadurch, dass im zentral gelegenen Hauptbrenner die völlige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe nur zu 60-80% erfolgt, wird die Temperatur, die in dieser Verbrennungszone auftritt, so weit gesenkt, dass ein derartiger
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Brenner, ohne grosse Materialschwierigkeiten in
Kauf nehmen zu müssen, hergestellt werden kann.
Die in dieser Verbrennungszone auftretenden
Temperaturen liegen auf jeden Fall zwischen
1900 und 2000 C. Weiters verläuft dadurch, dass die Verbrennung in den Aussenbrennern nur mit 50-80% der Sauerstoffmenge erfolgt, die zur Umwandlung der ihnen zugeführten Kohlen- wasserstoffe in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erforderlich ist, diese teilweise Verbrennung in den Aussenbrennern unter Crackerscheinungen, die zur Bildung von Russ führen, der die vom zentral gelegenen Hauptbrenner ausgehende Strahlungswärme weitgehend absorbiert und damit die zylindrische Hülle, in die alle in Umsetzung befindlichen Gase strömen, vor der Einwirkung dieser Strahlungshitze schützt. Auch dadurch sind Materialschwierigkeiten beim Bau des Brenners weiter vermindert.
Weiters wird durch die Verbrennung in den Aussenbrennern bereits eine genügende Turbulenz erzeugt, um zu erreichen, dass die im Hauptbrenner und in den Aussenbrennern entstehenden Verbrennungsprodukte sich rasch vermischen und ausserdem besitzen die Verbrennungsgase der Aussenbrenner und des Hauptbrenners miteinander vergleichbare Temperaturen, so dass auch durch diesen Umstand die Durchmischung der Gasströme erleichtert wird und in kürzerer Zeit erfolgen kann als bei den bekannten Brennern zur Umwandlung eines Kohlenwasserstoffes in ein Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch. Ein im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens verwendeter Brenner kann somit eine sehr kurze Baulänge aufweisen.
Wenn für gewisse Anwendungszwecke ein Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch mit hohen Temperaturen gewünscht wird, kann das erfindungsgemässe Verfahren derart durchgeführt werden, dass als sauerstoffhaltiges Gas ein Gas verwendet wird, das mindestens 70 Vol.-%, vorzugsweise 92-94 Vol.-%, Sauerstoff enthält. Ein so erhaltenes sehr heisses, stark reduzierendes Gasgemisch ist in besonderem Masse geeignet, in reduzierende Schachtöfen, beispielsweise Hochöfen, im Unterteil der Rast eingeblasen zu werden, da es eine Temperatur aufweist, die der an der Einblasestelle herrschenden Temperatur entspricht und dadurch das dort herrschende Gasgleichgewicht nicht stört.
Wenn für den Fall der Anwendung flüssiger und/oder verflüssigter Kohlenwasserstoffe als der einen Reaktionskomponente diese vor der Einführung in den Brenner unter Zuhilfenahme von Wasserdampf oder eines Heizgases, wie z. B. Koksofengas, vernebelt werden, woraufhin bei der folgenden teilweisen Verbrennung auch Bestandteile dieses Heizgases unter Bildung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff teilnehmen können, kann das erfindungsgemässe Verfahren wirtschaftlicher durchgeführt werden. Bei der Vernebelung der den Brenner zugeführten flüssigen oder verflüssigten Kohlenwasserstoffe mittels eines Heizgases kann in der Zeiteinheit eine grössere Gasmenge erzeugt werden.
Erfolgt die
Vernebelung mit Hilfe von Wasserdampf, so kann einerseits Sauerstoff eingespart werden und im erhaltenen Gasgemisch ein höherer Wasserstoff- gehalt erzielt werden und anderseits wird, da dieser Wasserdampf unter Energieaufwand auf- gespalten werden muss, die Temperatur des er- haltenen Gasgemisches weiter gesenkt, wodurch entweder die Lebensdauer eines unter Ver- wendung bestimmter Materialien hergestellten
Brenners erhöht oder aber ein für die Vernebelung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf ein- gerichteter Brenner aus Materialien geringerer
Temperaturbeständigkeit hergestellt werden kann.
Da bei der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in ein Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch durch teilweise Verbrennung stets auch Russ entsteht, der sich an den
Brennern ablagern kann, und, in grossen Mengen vorhanden, den Betrieb der Brenner stört, kann zwecks Beseitigung solcher Russabscheidungen das Verfahren gemäss der Erfindung derart durchgeführt werden, dass die Aussenbrenner in gleichem Abstand vom Mittelbrenner und vorzugsweise in gerader Anzahl vorgesehen werden und in jeweils einem Aussenbrenner oder, vorzugsweise, in jeweils zwei einander gegenüberliegenden Aussenbrennern, automatisch und periodisch die Kohlenwasserstoffbeschickung bei bestehenbleibender Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases unterbrochen wird, wodurch der an dem (n) betreffenden Aussenbrenner (n) abgelagerte Kohlenstoff verbrannt wird,
während inzwischen die übrigen Aussenbrenner und der Hauptbrenner zufolge einer gleichbleibenden Gesamtbeschickung aller Aussenbrenner eine entsprechende erhöhte Umwandlungsleistung erbringen, so dass die Leistung des gesamten Brenners stets gleichmässig bleibt. Die bei derart durchgeführten Verfahren erhöhte Beschickungsmenge der Brenner (der Aussenbrenner und des Hauptbrenners) mit Kohlenwasserstoff kann, da sie z. B. bei insgesamt 11 vorhandenen Brennern nur insgesamt zirka 18% beträgt, leicht aufgenommen werden. Die Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Brennern werden durch diese geringe Mehrbelastung praktisch nicht beein- flusst.
Das Abtrennen von Kohlenstoffrückständen stellt einen wesentlichen Vorteil dar, der nur mit im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens verwendeten, in Einzelbrenner aufgespalteten Brennern erzielbar ist.
Der erfindungsgemässe Brenner zur Durchführung des Verfahrens kann ausser den Zuleitungen für die Reaktionskomponenten, Mischund Verbrennungskammern und Ableitungen für die entstehenden Gasgemische, Kanäle und Kammern für die Rückführung teilweise verbrannten Gasgemisches und Ansaugöffnungen für die rückgeführten Gase aufweisen. Die Rückführung der Gase erfolgt hiebei durch Injektorwirkung, welche durch die aus den Zuführungen ausströmenden Brennstoffe erzeugt wird. Dadurch wird eine verbesserte Durchmischung des erhaltenen Gasgemisches und eine Zusammensetzung desselben
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erreicht, die derjenigen des thermodynamischen Gleichgewichtes besser entspricht, d. h., dass das schliesslich erhaltene Gasgemisch einen äusserst geringen Gehalt an Kohlendioxyd und Wasserdampf besitzt.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert.
Als Kohlenwasserstoff wird Methan verwendet,
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Brenner in einer Menge von 25 Nm3 pro Minute unter einem Druck von 5 atü mit einer Temperatur von 600 bis 625 C zugeführt. Der Hauptbrenner weist einen Durchmesser von 22, 90 cm, die zehn Aussenbrenner einen solchen von je 12, 30 cm auf.
Bei diesen Werten für die einzelnen Durchmesser wird zweckmässig die Stärke der Wand zwischen dem Kreis des Hauptbrenners und dem Kreis der Aussenbrenner mit ungefähr 5, 54 cm, die Stärke der Wand zwischen den Kreisen der Aussenbrenner mit ungefähr 2, 0 cm, der gesamte Aussendurchmesser des Kopfes des Brenners, einschliesslich Gehäuse, mit ungefähr 68, 6 cm und die annähernde Gesamtlänge des Brenners mit ungefähr 185 cm bemessen.
Dem Hauptbrenner werden 80% des für die vollständige Verbrennung des Methans benötigten Sauerstoffes, den Aussenbrennern 70% des für die Umwandlung des Methans in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erforderlichen Sauerstoffes, beide Male in Form von "technisch reinem" Sauerstoff, zugeführt. Das erhaltene Gasgemisch weist folgende Zusammensetzung auf :
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<tb>
<tb> CO <SEP> 32-33 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> H2 <SEP> ....................... <SEP> 65-66 <SEP> Vol.-%
<tb> CO.................... <SEP> < 0, <SEP> 001 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> H20 <SEP> ".'...'.... <SEP> "'.'" <SEP> < 0, <SEP> 001 <SEP> Vol. <SEP> -% <SEP>
<tb> N2 <SEP> (aus <SEP> "technisch <SEP> reinem"
<tb> Os).................. <SEP> Rest
<tb>
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es verlässt den Brenner mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 m/sec.
Das Verhältnis der von den Aussenbrennern erzeugten Gasvolumina zu dem vom Hauptbrenner erzeugten Gasvolumen beträgt 0, 457.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt. Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen erfindungsgemässen Brenner-Umgestalter und Fig. 2 ein Horizontalschnitt. In der Zeichnung ist mit 1 eine Zuleitung für Sauerstoff oder für ein anderes, die Verbrennung unterhaltendes Gas bezeichnet. Der Zutritt dieses Brenngases wird zu jedem einzelnen Brenner mittels eines Regulierventils 13 geregelt. Mit 2 ist die Einspritzvorrichtung für den Brennstoff, beispielsweise für Brennöl, bezeichnet. Der Brennstoff wird durch diese Einspritzvorrichtung unter Druck eingespritzt. Die Regelung der Einspritzung erfolgt mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Regelventils. Mit 3 ist eine elektrische Zuleitung für die Zündvorrichtungen 8 bezeichnet.
Diese Zuleitung 3 ist in einem metallischen Rohr oder einem Rohr aus geschmolzener Silika geführt. 4 ist die Einleitungskammer für den Sauerstoff und 5 die Einspritz- und Mischkammer für den Brennstoff und den die Verbrennung unterhaltenden Stoff, wie beispielsweise Sauerstoff. Mit 6 sind die Kanäle und Kammern für die Rückführung der teilweise verbrannten Gasgemische bezeichnet. 7 stellt die Ansaugöffnung der rückgeführten Gase dar und mit 8 sind zwei Zündvorrichtungen für die Zündung des Gases im mittleren Brenner bezeichnet. Mit 9 ist die Wand bezeichnet, von welcher aus sich die Flamme nach unten erstreckt. 10 ist die Crack-, Verbrennungsund Mischkammer und mit 11 ist das den Brenner umgebende Stahlgehäuse bezeichnet.
Dieses Stahlgehäuse ist innen mit feuerbeständigem Material 12 ausgekleidet. 13 ist das Regelventil für die Regelung der Zuleitung des Sauerstoffes und 14 ist ein elektromagnetisches oder elektrisches Ventil, welches die Zufuhr von Brennstoff in periodischen Abständen unterbindet.
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