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Verfahren und Vorrichtung zur einstufigen kontinuierlichen thermischen
Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Leicht- oder Schwerölen, mittels Vergasungsmitteln
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haltige Gase.
Die Vergasung von Kohlenwasserstoffen erfolgt mit Hilfe von Vergasungsmitteln, wie Sauerstoff in
Form von Luft oder reinem Sauerstoff sowie gegebenenfalls Wasserdampf. Durch die Vergasung wird ein Gas erzeugt, welches sich im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd, Wasserstoff, gasförmigen Kohlenwasser- stoffen und Wasserdampf sowie bei der Verwendung von Luft als Vergasungsmittel aus Stickstoff zusam- mensetzt. Der eigentlichen Vergasung geht eine Spaltung der Kohlenwasserstoffe voraus, bei der Kohlenstoff frei wird. Dieser Kohlenstoff wird mit Hilfe der Vergasungsmittel oxydiert und dadurch vergast. Bei der Oxydation entsteht so viel Wärme, dass diese für die Spaltung der Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls der Vergasungsmittel ausreicht und keine Wärme von aussen zugeführt zu werden braucht.
Es wurde bereits ein Verfahren zur Vergasung von Kohlenwasserstoffen angegeben, bei dem mit Hilfe eines im Gaser zeuger vorgesehenen Flügelrades ein Teil der erzeugten Nutzgase in den Reaktionsbereich des Gaserzeugers zurückgeführt wird. Die rückgeführten Gase bewirken eine Dämpfu'1g des Vergaswlgsvor- ganges, d. h. einen Reaktionsablauf bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur und bei gleichmässiger Temperaturverteilung.
Durch die vorliegende Erfindung werden solche Verfahren zur Vergasung von Kohlenwasserstoffen, bei denen eine Rückführung vom Produktionsgas vorn Oberteil zum Boden des Reaktors, welcher Reaktor die Reaktionsausgangsstoffe aufnimmt und die Reaktionseildprodukte abgibt, stattfindet, dadurch verbessert, dass die rückgeführte Gasmenge mindestens das einfache, vorzugsweise jedoch das 5-10fache der Produktgasmenge beträgt, dass die Gasströme der rückgeführten Gase einerseits u 1d der Vergasungsmittel anderseits mit zwischen 90 U'1d 1800 liegenden Winkeln bei relativen Gasgeschwindigkeiten, die Reynold'schen Zahlen von mindestens 3000 bis 4000 entsprechen, aufeinander p-allen gelassen werden, wodurch ein Turbulenzzentrum entsteht,
und dass man in dieses Turbulenzzentrum die umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe eindüst.
Die Rückführung der Produktionsgase im Reaktor ka-tn z. B. mittels eines Flügelrades oder durch Einleiten von Hilfsgasen unter Drall in den Oberteil des Reaktors bewirkt werden.
Es hat sich gezeigt, dass bei dem Verfahren gemäss der Erfindung eine besonders gute Durchmischung der Reaktionsteilnehmer, d.h. der rückgeführten Gase, Vergasungsmittel und Kohlenwasserstoffe, bewirkt wird. Dadurch werden Temperaturspitzen, die bei den bekannten Verfahren gelegentlich auftreten und zu unerwünschten Spaltungsvorgängen fdhren könnsn, vermieden. Es erübrigt sich dadurch, Abrisskanten, Spoiler u. dgl. vorzusehen.
Es ist bereits ein Verfahren zur Vergasung von Kohlenwasserstoffen bekannt (USA-Patentschrift Nr. 2, 809, 104), bei dem die Kohlenwasserstoffe vor Eintritt in den Reaktor in einen Wasserdampfstrom eingebracht werden und das Gemisch hierauf mit hoherGeschwindigkeit durch eine Leitung geschickt wird, um durch Turbulenz eine gute Verteilung der Kohlenwasserstoffe in dem Wasserd2mpfstrom zu erzielen. Die Vergasung erfolgt anschliessend in einem Reaktor, wobei Sauerstoff zugeführt wird. Bei diesem Ver-
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fahren wird die Turbulenz allein durch hohe Geschwindigkeit des strömenden Mediums bewirkt, u. zw. ausserhalb des Reaktors, in dem die Umwälzung der Kohlenwasserstoffe stattfindet.
Ferner ist ein Verfahren zur Vergasung von Kohlenwasserstoffen bekannt (deutsche Auslegeschrift
Nr. 1013 266), bei dem die Kohlenwasserstoffe in ein Gemisch aus rückgeführtem, heissem Produktions- gas und Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf, eingebracht werden. Massnahmen, um eine gute Durchmischung der Reaktionsteilnehmer zu bewirken, sind hiebei nicht vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird, durch geeignete Wahl der Geschwindigkeiten der beidenGasströme, die Lage desTurbulenzzentrums derart eingestellt, dass es innerhalb deshal- ben Reaktorbodendurchmessers liegt. Die Kohlenwasserstoffe können dann in besonders einfacher Weise durch eine zentrale Düse in die Turbulenzzone eingebracht werden.
Den Vergasungsmitteln kann in vorteilhafter Weise, z. B. durch entsprechende Düsenstellung od. dgl., vor dem Zusammentreffen mit den rückgeführten Produktionsgasen ein dem Drall der letzteren gleich oder entgegengesetzt gerichteter Drall mitBezug auf die Längsachse des Reaktors erteilt werden. Bei entgegengesetztem Drall wird eine besonders hohe Turbulenz erzielt.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung, in der als Beispiel dienende Gaserzeuger zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert.
Der Erläuterung sind weitere Merkmale der Erfindung zu entnehmen.
Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen Gaserzeuger zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch einen Gaserzeuger zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung in einer andern Ausführungsform.
Der in Fig. 1 dargestellte Gaserzeuger weist einen im Querschnitt kreisförmigen Mantel l auf, der innen mit einer nicht dargestellten Auskleidung aus feuerfestem Material versehen ist. Im Inaern des Gaserzeugers ist ein im wesentlichen zylindrischer Einsatz 2 angeordnet, der den eigentlichen Reaktionsraum umschliesst. In seinem unteren Teil ist der Gaserzeuger mit einem Ring- oder Sammelkanal 3'versehen, der von dem Innenraum des Gaserzeugers mit Hilfe der schrägen Wand 3 getrennt ist. Die Wand 3 ist in vorteilhafter Weise als ein in Richtung auf den Reaktionsraum sich verbreiternder Kegelmantel ausgebildet. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Wand 15 zusätzlich mit einer Stufe 22 zur Erhöhung der Turbulenz versehen sein. In der Wand 3 sind die Düsen 4 für den Eintritt des Vergasungsmittels oder der Vergasungmittel in das Innere des Gaserzeugers vorgesehen.
Wie weiter unten erläutert, sind die Düsen 4 im Axialschnitt des Gaserzeugers gesehen senkrecht zur Strömungsrichtung der rückgeführten Gase'gerichtet. Ferner weist der Ringkanal 3'einen Stutzen 5 für die Einleitung der Vergasungsmittel in den Ringkanal auf.
Durch den Boden 6 des Gaserzeugers ragt eine Düse 7 für die Einführung der Kohlenwasserstoffe in das Innere des Gaserzeugers. Die Düse ist so ausgebildet, dass die Kohlenwasserstoffe durch mehrere Einzeldüsen, Tellerdüsen, insbesondere Mehrfach-Tellerdüsen, wie sie aus dem Schweröl- oder Grossdieselmotorenbau bekannt sind, oder über rotierende Scheiben verteilt eingebracht werden. Die Zuführung von Luft oder Sauerstoff insbesondere zum Anheizen des Gaserzeugers kann auch über den Stutzen 10 und den Verteilerraum 9 durch Öffnungen 8 im Boden des Gaserzeugers erfolgen.
Der zylindrische Einsatz 2 im Innern des Gaserzeugers verjüngt sich in seinem oberen Teil 11 kegelförmig und weist eine obere Öffnung auf, in der ein Flügelrad 12 vorgesehen ist, Das Flügelrad wird mit Hilfe eines Motors 13 in schnelle Umdrehung versetzt. Etwa in der Höhe des Flügelrades ist der Abzugsstutzen 14 für die im Gaserzeuger erzeugten Nutzgase vorgesehen.
Der & Fig. l dargestellte Gaserzeuger arbeitet in folgender Weise. Im Innern des Einsatzes 2 des Gaserzeugers steigt ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, Vergasungsmitteln und rückgeführtem Nutzgas empor. Dabei findet eine Spaltung der Kohlenwasserstoffe und eine anschliessende Vergasung des bei der Spaltung frei werdenden Kohlenstoffes mit Hilfe der Vergasungsmittel statt. Im oberen Bereich 11 des Einsatzes unterliegen die aufwärts strömenden Gase der Wirkung des schnell umlaufenden Flügelrades 12. Sie
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an die Wandung des Gaserzeu-gers gedrängt, wo ein Teil der Gase durch den Stutzen 14 abgezogen wird, während die übrigen Gase in dem Raum zwischen dem Einsatz 2 und der Wandung 1 des Gaserzeugers abwärts strömen.
Unterhalb des Einsatzes 2 werden die abwärts strömenden, rückgeführten Gase nach innen abgelenkt. Diese Strömung ist in Fig. 1 durch entsprechende Stromlinien veranschaulicht. Die Gase strömen zunächst etwa parallel der schrägen Wandung 3, bis sie mit den Vergäsungsmitteln 4, die etwa senkrecht zur Strömung der rückgeführten Gase mit hoher Geschwindigkeit aus den Düsen 4 austreten, zusammenstossen. Durch das Zusammentreffen der beiden Gasströme unter einem Winkel von etwa 900 entsteht im unteren Teil des Gaserzeugers ein Turbulenzzentrum, das ebenfalls durch Strömungslinien in Fig. 1 veranschaulicht ist. In die-
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förmig eingedüst.
Es findet hiebei eine sehr gute Durchmischung von Kohlenwasserstoffen, Vergasungsmit- teln u'td rückgeführtem Gas statt, so dass irgendwelche Temperaturspitzen nicht auftreten, sondern sich vielmehr eine sehr gleichmässige Temperaturverteilung über den ganzen Querschnitt des eigentlichen Reak- tionsraumes im Innern des Einsatzes 2 ergibt.
Durch Einstellung der Drehzahl des Flügelrades, womit Menge und Strömungsgeschwindigkeit der rückgeführten Gase verändert werden und/oder durch entsprechende Wahl der Strömungsgeschwindigkeit der oder des Vergasungsmittel (s) kann die Lage des Turbalenzzentrums verändert werden, so dass es mög- lich ist, das Turbulenzzentrum mehr in DUsen- oder Wand'1ähe zu bringen. Als zweckmässig hat es sich, insbesondere bei einem Verhältnis von Rückführgasmenge zur Vergasungsmittelmenge bzw. zur Produk- tionsgasmenge von etwa 5 bis 10, erwiesen, wenn das Turbulenzzentrum innerhalb des halben Reaktor- durchmessers liegt.
Der in Fig. 2 dargestellte Gaserzeuger entspricht in seinem oberen Teil dem Gaserzeuger gemäss
Fig. 1. Die entsprechenden Teile dieses Gaserzeugers sind deshalb mit den gleichen Ziffern gekennzeich- net worden wie diejenigen des in Fig. 1 dargestellten Gaserzeugers.
Der Gaserzeuger gemäss Fig. 2 weist ebenfalls einen sich nach oben kegelig erweiternden Boden 15 auf.
Die Leitung der Düse 7'für die Zuführung der Kohlenwasserstoffe ist umgeben durch eine im Boden des
Gaserzeugers vorgesehene Düse 19 für die Einleitung de, Vergasungsmittel. Unterhalb der Düse 19 ist ein
Verteilerraum 20 vorgesehen, welcher einen Stutzen 21 für die Zuführung der Vergasungsmittel aufweist.
Die Vergasungsmittel werden vorteilhaft mit einem Drall, d. h. mit einer Rotationsströmung, um die
Längsachse des Gaserzeugers eingemacht. Hiezu können in dar Düse 19 schräg gestellte Drallbleche ein- gebaut sein. Es kann aber auch dadurch eine Rotationsströmung der Vergasungsmittel erzielt werden, dass der Stutzen 21 tangential in den Verteilerraum 20 mündet.
Durch ihren Drall werden die Vergasungsmittel, sobald sie die Düse 19 verlassen haben, nach aussen gedrückt, wie das durch entsprechende Astro linien in Fig. 2 veranschaulicht ist. Die Vergasungsmittel strömen also den Gasen, die in der oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Weise mit Hilfe des Flügel- rades 12'zurückgeführt werden, entgegen, wobei die Strömungsrichtungen beider Gase einen Winkel von etwa 180 einschliessen. Beim Zusammenprall der Gasströme bildet sich ein Turbulenzzemrum, in das mit Hilfe der Düse T die Kohlenwasserstoffe eingedüst werden. Zur Erhöhung der Turbulenz kann der schräge Boden 15 des Gaserzeugers mit einer Stufe 22 versehen sein.
Eine weitere Erhöhung der Turbulenz ist dut'ch eine entsprechende Wahl der Drallrichtungen des rückgeführten Gases und des Vergasungsmittels zu erzielen. Das rückgeführte Gas erhält, wie oben beschrieben, unter Einwirkung des Flügelrades 12 bzw. 12'ebenfalls eine Drallströmung. Die Vergasungsmittel können nun durch die Düse 19 (Fig. 2) oder auch durch die Düsen 4 (Fig. 1) so eingeführt werden, dass sie einen dem Drall des rückgeführten Gases entgegengesetzten Drall aufweisen. Es entstehen dann Wirbel, die den in Fig. 1 und 2 gezeichneten ähnlich sind, deren Rotationsebene aber in bekannter Weise einen Winkel mit der Abbildungsebene einschliesst.
Die Vergasul1gsmittelzufuhr sowie die Zufuhr der zu spaltenden Kohlenwasserstoffe kann auch so erfolgen, dass diese Medien von oben in die zentral aufsteigenden Rückführgase eingebracht werden. Hiezu muss ein entsprechendes Düsensystem oberhalb des Bodens im Gaserzeuger vorgesehen sein, dessen Düsen- öffnungen nach unten gerichtet sind. Die Zuführung der Vergasungsmittel und der Kohlenwasserstoffe zu diesem Düsensystem erfolgt zweckmässig über Hohlrippen von aussen in das Innere des Gaserzeugers.
Im folgenden ist ein Beispiel einer Vergasung von Kohlenwasserstoffea nach dem Verfahren gemäss der Erfindung gegeben, welches mit einem Gaserzeuger gemäss Fig. 2, dessen Durchmesser etwa 1, 6 m und dessen Höhe etwa 2, 5 m beträgt, durchgeführt wurde. Dem Gaserzeuger wurden 500 kg/h Leichtöl mit 86% Kohlenstoff und 14% Wasserstoff zugeführt. Das Öl besass eine Dichte von 0, 835 und einen unteren Heizwert von 10200 kcal/kg.
Als Vergasungsmittel wurden dem Gaserzeuger ferner 1400 Nms/h Luft bei einer Temperatur von 3000C und 150 bis 200 kg/h Wasserdampf zugeführt.
Die Drehzahl des Flügelrades im Oberteil des Gaserzeugers wurde so eingestellt, dass das rückgeführte Proddktionsgas etwa eine Geschwindigkeit von 5 bis 20 m/sec aufwies. Die Eintrittsgeschwindigkeit der Vergasungsmittel betrug bei dem als Ausführungsbeispiel oben beschriebenen Gaserzeuger etwa 50 m/sec.
Das Turbulenzzentrum beider Gasströme komt gemäss diesem Ausführungsbeispiel etwa innerhalb des halben Reaktorbodendurchmessers zu liegen, wobei die Gasströme der rückgeführten Gase einerseits und der Vergasungsmittel anderseits bei den oben angeführten relativen GasgeschwindigkeitenReynold'schen Zahlen von'lber 300u entsprechen.
Die Temperatur im Gaserzeuger betrug 750-800'je ; es ergab sich in dem Reaktionsbereich des Gaserzeugers eine gleichmässige Temperaturverteilung.
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Es konnten aus dem Gaserzeuger etwa 3800-2000 Nm3/h Gas mit einem unteren Heizwert von 2380 kcal/Nm3 abgezogen werden.
Das Produktionsgas besass folgende Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> Kohlendioxyd <SEP> 3, <SEP> 25 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> Wasserstoff <SEP> 3,92 <SEP> Vol. <SEP> -0/0 <SEP>
<tb> Sauerstoff <SEP> und <SEP> Stickstoff <SEP> 62, <SEP> 61 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> Kohlenmonoxyd <SEP> 16, <SEP> 40 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> gasförmige <SEP> Kohlenwasserstoffe <SEP> (CnHm) <SEP> 9, <SEP> 73 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> 95,91 <SEP> Vol. <SEP> -% <SEP>
<tb>
In dem Gas waren ferner noch etwa 4 Vol. -0/0 an schweren Kohlenwasserstoffen enthalten, die bei den Temperaturen der abgezogenen Gase dampfförmig sind, aber unterhalb etwa 1500C kondensieren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur einstufigen kontinuierlichen thermischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Leicht-oder Schwerölen, mittels Vergasungsmitteln, wie z. B. Luft, Sauerstoff und/oder Wasserdampf, in kohlenmonoxyd- und wasserstoffhaltige Gase, bei welchem eine Rückführung von Produktionsgas vom Oberteil zum Boden des Reaktors, welcher Reaktor die Reaktionsausgangsstoffe aufnimmt und die Reaktionsendprodukte abgibt, stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgeführte Gasmenge mindestens das Einfache, vorzugsweise jedoch das 5-10fache der Produktg asmenge beträgt, dass die Gasströme der rückgeführten Gase einerseits und der Vergasungsmittel anderseits mit zwischen 90 und 180 liegenden Winkeln bei relativen Gasgeschwindigkeiten, die Reynold'sehen Zahlen von mindestens 3000 bis 4000 entsprechen, aufeinander prallen gelassen werden,
wodurch ein Turbulenzzentrum entsteht, und dass man in dieses Turbalenzzentrum die umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe eindüst.