AT241669B

AT241669B - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasgemischen

Info

Publication number: AT241669B
Application number: AT506063A
Authority: AT
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1962-06-26
Filing date: 1963-06-24
Publication date: 1965-08-10

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Wasserstoff und Kohlen- monoxyd enthaltenden Gasgemischen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasgemischen durch teilweise Verbrennung kohlenwasserstoffhaltigen Materials mit einem sauerstoffhaltigen Gas, bei welchem das kohlenwasserstoffhaltige Material mit heissen Verbrennungsgasen zusammengebracht wird.

Solche Verfahren sind z. B. aus der brit. Patentschrift Nr. 780, 120 bekannt. Nach dieser Patentschrift werden Kohlenwasserstoffe zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas unter Druck in eine Verbrennungskammer besonderer Form eingeführt, wobei besondere Vorrichtungen zur Sicherstellung einer innigen Vermengung der Ausgangsstoffe vorgesehen sind. Ähnliche Verfahren erfordern auch spezielle Anordnungen zur Sicherung einer zufriedenstellenden Umwandlung des Kohlenwasserstoffes, zur Verhütung der Entstehung unzulässiger Mengen Russ und auch zur Vermeidung schädlicher Wirkungen auf die zur Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtung, wie Korrosion, Erosion oder Schmelzen des feuerfesten Materials, z. B. infolge ungleicher Wärmeverteilung unter Auftreten heisser Stellen oder infolge schlechter Verteilung der Reaktionsmedien.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung haben gegenüber bekannten Verfahren den besonderen Vorteil, dass Gasgemische in verhältnismässig kleinen Mengen in Vorrichtungen geringerer Grösse als den bekannten hergestellt werden können. Die Erfindung kann vorteilhafterweise dort angewendet werden, wo die erzeugten Gase direkt verbraucht werden sollen, wie in gas beheizten Öfen, z. B. in Hochöfen, wobei die erfindungsgemässe Vorrichtung in grosser Nähe der gasverbrauchenden Vorrichtung aufgestellt werden kann. Jedoch ist die Erfindung grundsätzlich auch für die Erzeugung eines brennbaren Gases für andere Zwecke geeignet.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird das kohlenwasserstoffhaltige Material in einen Strom heisser Verbrennungsgase eingeblasen, unmittelbar bevor dieser Strom als Strahl hoher Geschwindigkeit durch einen Einlass in einen Reaktionsraum eingeführt wird, dem das kohlenwasserstoffhaltige Material enthaltenden heissen Gasstrahl ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise tangential rund um den Strahl, zugeführt, das entstehende gewünschte Gasgemisch aus dem Reaktionsraum durch zumindest einen Gasauslass abgezogen, wobei der Auslass in bezug auf den Einlass so angeordnet ist, dass die erforderliche Verweilzeit im Reaktionsraum gesichert wird. Der Reaktionsraum kann so ausgebildet sein, dass er zwei oder mehrere solcher Ströme heisser Verbrennungsgase aufnimmt, wobei jeder derselben, wie oben beschrieben, mit sauerstoffhaltigem Gas versorgt wird.

Die Reaktion wird vorzugsweise bei Überdruck ausgeführt.

Erfindungsgemäss kann der heisse Gasstrom in den Reaktionsraum mit Schallgeschwindigkeit eingeführt werden, um zu vermeiden, dass etwaige Druckunterschiede im Reaktionsraum die Stabilität in der mit dem Reaktionsraum kommunizierenden Verbrennungskammer, in welcher die heissen Gase erzeugt werden, nachteilig beeinflussen würden.

Das kohlenwasserstoffhaltige Material besteht vorzugsweise aus einem (bei Normaltemperatur von etwa 20 C und Atmosphärendruck) flüssigen Kohlenwasserstoff ; das sauerstoffhaltige Gas kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff sein. Die heissen Gase können durch Verbrennen eines gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffes mit Luft, vorzugsweise in stöchiometrischen Verhältnissen, in einer Verbrennungsvorrichtung intensiver Wirkung gewonnen werden.

Die Luft oder angereicherte Luft kann zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Verfahrens vorgewärmt werden ; in manchen Fällen, insbesondere wenn die erzeugten Gase nicht direkt verbraucht werden sollen, können diese Gase als wärmeabgebende Stoffe verwendet werden, wodurch eine zweifache Wirkung erzielt wird, nämlich, dass die Gase abgekühlt und gleichzeitig die Luft od. ähnl. vorgewärmt werden.

Eine zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung, die ein Reaktionsgefäss mit zumindest einem Einlass zur Einführung von Kohlenwasserstoff und sauerstoffhaltigem Gas und zumindest einen Auslass für das entstehende Gasgemisch aufweist, ist gekennzeichnet durch Einrich-

tungen zur Erzeugung heisser Verbrennungsgase zur Einführung in die Reaktionskammer mit hoher Geschwindigkeit, die aus einer im wesentlichen zylindrischen Verbrennungskammer, axial zu jedem zentralen Einlass, wobei sich diese Kammer in einen verengten Gasauslass verjüngt, und einer Brennerdüse am entgegengesetzten Ende jeder Kammer zur Zuführung eines Gemisches von kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff und Luft bestehen, wobei der verengte Auslass einen ringförmigen Ansatz aufweist, durch den der Kohlenwasserstoff in den Gasstrom eingeführt wird.

Ein zweiter ringförmiger Ansatz kann in der verengten Auslassöffnung angebracht sein, um gegebenenfalls Wasser oder Dampf in den Gasstrom einzuführen.

Die Verbrennungskammer kann mit einem Wassermantel oder einem Kanal in ihrer Wand versehen sein, während der zylindrische Teil der Verbrennungskammer eine feuerfeste Auskleidung aufweist.

Der Brennerdüsenteil kann aus einem Nichteisenmaterial bestehen, besonders wenn statt Luft in der Verbrennungskammer Sauerstoff oder angereicherte Luft verwendet wird, um die Menge an inertem Stickstoff in dem heissen Gasstrom herabzusetzen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Reaktionskammer längliche Form und rechteckigen Querschnitt und ist an ihrem einen Ende geschlossen und an dem entgegengesetzten Ende mit einem oder mehreren Einlässen versehen, während Auslässe in den Seitenwänden nahe jeder Ecke vorhanden sind, u. zw. an demjenigen Ende des Reaktors, an dem sich auch der Einlass befindet. Insbesondere kann der Reaktor einen quadratischen Querschnitt haben und die Einlassöffnung an einem Ende zentral angeordnet sein.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, näher erläutert. Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, Fig. 2 ist eine Teilansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform der Verbrennungskammer zur Erzeugung des heissen Gasstromes zeigt und Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 dargestellte Brennerdüse in vergrössertem Massstab.

Wie Fig. 1 zeigt, umfasst die Vorrichtung eine Reaktionskammer 1 länglicher Form mit quadratischem Querschnitt. Die Wände können aus feuerfestem Material bestehen und von einem Stahlmantel umgeben sein. Am Boden enthält die Reaktionskammer eine zentrale Öffnung 2, durch welche ein Strom heisser Kohlenwasserstoff enthaltender Verbrennungsgase 3 in den Raum 4 aus dem zentralen Einlass 5 eingeführt wird, der mit einer Verbrennungskammer 6 in Verbindung steht. Rund um diesen Strom wird ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft, tangential über Einlass 7 eingeführt.

Schliesslich hat der Reaktor eine Anzahl von Gasauslässen 8, die in den Ecken des Quadrats im Bodenteil angebracht sind.

Wie durch die Pfeile angezeigt wird, steigt während des Betriebes der Gasstrom zur Haube des Reaktors auf, worauf die Gase sich nach aussen gegen die Wand zu bewegen und hierauf gegen die Gasauslässe abwärts streichen. Man erkennt jedoch, dass während der Abwärtsbewegung ein inniger Austausch zwischen aufsteigenden und absteigenden Gasen eintritt, der zu einer gleichmässigen Wärmeverteilung und kräftigen Durchmischung der Reaktionsmedien führt. Ein besonderer Vorteil des quadratischen Querschnitts liegt darin, dass in den vier Ecken der quadratischen Reaktionskammer der abwärts gerichtete Strom der Gase wenig von dem aufwärts gerichteten Gasstrom beeinflusst wird, weil diese Ecken am weitesten von der Kammerachse entfernt sind.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 mit 6 bezeichnete Verbrennungskammer in vergrössertem Massstab gezeigt.

Die Kammer besitzt zylindrische Form und ist teilweise doppelwandig, so dass in der Wand 9 ein Wassermantel 10 entsteht. Der Wassermantel besitzt einen Einlass 11 und an der entgegengesetzten Seite zu diesem einen Auslass 12. Der zylindrische Teil der Verbrennungskammer ist mit einem feuerfesten Belag 1 : 1 versehen. Die während des Betriebes von dieser Wand reflektierte strahlende Wärme trägt zum Ausgleich der Wärmeverteilung über die Länge der Verbrennungskammer bei. Die Kammer 9 besitzt an einem Ende einen Brenner, der Zuführungsrohre 14 und 23 für Luft und Brennstoff z. B. Propan, enthält, und eine zur Einführung eines konischen Strahles von Brennstoff und Luft in die Verbrennungskammer geeignete Brennerdüse 15.

Am gegenüberliegenden Ende verjüngt sich die Verbrennungskammer bei 16 und endet in einem
EMI2.1
derKohlenwasserstoffen in den Gasstrom verbunden ist und einen zweiten Ansatz 20, der mit der Leitung 21 zur Einführung von Wasserdampf in den Gasstrom verbunden ist.

Die Brennerdüse 15 ist mit einer zentralen Büchse 22 verbunden, die einen Kanal 23 für die Zufuhr von Brennstoff enthält, der an einem Ende ein mit einer Rückschlagfeder belastetes Kugelventil 24 trägt.

Eine Brennstoffverteilungskammer 25 steht über eine Anzahl von Öffnungen 26 mit seitlich angeordneten
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Die oben beschriebene Vorrichtung wurde in halbtechnischem Massstab gebaut und mit dieser Vorrichtung ausgeführte Versuche ergaben sehr zufriedenstellende Ergebnisse.

Es ist jedoch grundsätzlich möglich, die Vorrichtung in wesentlich verschiedener Art zu bauen und dabei ein oder mehrere erfindungsgemässe Merkmale zu verwenden. Z. B. ist es möglich, einen zylinderförmigen Reaktor zu verwenden, der mit mehreren tangential angeordneten Einlässen in der Seitenwand versehen ist, wobei jeder Einlass eine axiale Verbrennungskammer der Type enthält, wie sie mit Bezug auf

Fig. 2 beschrieben wurde. Es sind auch länglichere Reaktorformen möglich, wobei die Gasauslässe im oberen Teil angebracht werden können, wenn ein entsprechendes Vermengen und eine ausreichende Verweilzeit der reagiernden Stoffe sichergestellt werden kann.

Beispiel : Bei einer Vorrichtung gemäss den Fig. 1 bis 3 hatte die Reaktionskammer 1 eine Länge von 1, 5 m und einen Querschnitt von 90 cm2. Die Verbrennungskammer 6 hatte einen Inhalt von ungefähr 330 cm3, bei einer Länge von ungefähr 16, 5 cm und einem inneren Durchmesser von ungefähr 5 cm. Der Auslass 17 dieser Kammer zeigte einen Innendurchmesser von ungefähr 1 cm. In der Verbrennungskammer 6 wurden stündlich 2, 8 kg Propan mit 44 kg Verbrennungsluft verbrannt, um die heissen Gase zu schaffen, mit denen Brennöl in die Reaktionskammer zerstäubt eingeführt wurde.

Nachstehende Tabelle
EMI3.1

EMI3.2

<tb>
<tb> Brennöl, <SEP> kg/h <SEP> Luft, <SEP> kg/h <SEP> Luft/Brennstoff-Verhaltnis <SEP> Mittlere <SEP> Reaktortemperaturen, <SEP> C
<tb> 33 <SEP> 330 <SEP> 10 <SEP> 1080
<tb> 33 <SEP> 270 <SEP> 8,3 <SEP> 1050
<tb> 33 <SEP> 230 <SEP> 7,0 <SEP> 950
<tb> 52 <SEP> 325 <SEP> 6,3 <SEP> 935
<tb> 52 <SEP> 380 <SEP> 8,4 <SEP> 975
<tb>

PATENTANSPRÜCHE :
1.

Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasgemischen durch teilweise Verbrennung kohlenwasserstoffhaltigen Materials : mit eine : m sauerstoffhaltigen
Gas, bei welchem das kohlenwasserstoffhaltige Material mit heissen Verbrennungsgasen zusammengebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass man das kohlenwasserstoffhaltige Material in einen Strom heisser Verbrennungsgase einbläst, unmittelbar bevor man diesen Strom als Strahl hoher Geschwindigkeit über einen Einlass in einen Reaktionsraum einführt, dass man dem heissen, das kohlenwasserstoffhaltige Material enthaltenden Gasstrahl das sauerstoffhaltige Gas zuführt, und dass man das entstehende gewünschte
Gasgemisch aus dem Reaktionsraum durch zumindest einen Gasauslass abzieht, wobei der Gasauslass in bezug auf den Einlass so angeordnet ist,

dass die erforderliche Verweilzeit in dem Reaktionsraum gesichert wird.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das sauerstoffhaltige Gas tangential rund um den das kohlenwasserstoffhaltige Material enthaltenden heissen Gasstrahl zuführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Vielzahl heisser, kohlenwasserstoffhaltiges Material enthaltender Verbrennungsgasströme in Strahlenform einem gemeinsamen Reaktionsraum zuführt und jeden der Ströme mit sauerstoffhaltigem Gas versorgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man bei Überdruck arbeitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man den (die) heissen Gasstrom (Gasströme) mit Schallgeschwindigkeit in den Reaktionsraum einführt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als kohlenwasserstoffhaltiges Material einen bei der Lagerungstemperatur von etwa 20 C und Atmosphärendruck flüssigen Kohlenwasserstoff verwendet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als sauerstoffhaltiges Gas Luft verwendet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als sauerstoffhaltiges Gas reinen Sauerstoff verwendet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man den heissen Gasstrom durch Verbrennen eines Kohlenwasserstoffes mit Luft in einer intensiv wirkenden Verbrennungsvorrichtung erzeugt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man das sauerstoffhaltige Gas vor seiner Einführung in den Gasstrom oder die Gasströme vorwärmt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit den erzeugten wasserstoff-und kohlenmonoxydhaltigen Gasen vorwärmt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche l bis 12, enthaltend ein Reaktionsgefäss, das zumindest einen Einlass zur Einführung von Kohlenwasserstoff und sauerstoffhaltigem Gas und zumindest einen Auslass für das entstehende Gasgemisch aufweist, gekennzeichnet durch Einrichtungen (Fig.

2) zur Erzeugung heisser Verbrennungsgase zur Einführung in die Reaktions- kammer mit hoher Geschwindigkeit, die aus einer im wesentlichen zylindrischen Verbrennungskammer (6), axial zu jedem zentralen Einlass (14, 23), wobei sich diese Kammer zu einem in einen verengten <Desc/Clms Page number 4> Auslass (17) endenden Gasauslass verjüngt, und einer Brennerdüse (15) am entgegengesetzten Ende jeder Kammer zur Zuführung eines Gemisches von kohlenwasserstoffh'l1tigem Brennstoff und Luft bestehen, wobei der verengte Auslass (17) einen ringförmigen Ansatz (18) aufweist, durch den der Kohlenwasserstoff in den Gasstrom eingeführt wird (19). EMI4.1

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Teil der Verbrennungskammer (6) eine feuerfeste Auskleidung (13) enthält.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine Brennerdüse (15) aus Nichteisenmaterial.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (1) längliche Form und rechteckigen Querschnitt besitzt, an einem Ende geschlossen ist und am entgegengesetzten Ende einen oder mehrere Einlässe (5) und nahe jeder Ecke der Seitenwände Auslässe (8) an demselben Ende des Reaktors besitzt, an dem sich auch die Einlässe (5) befinden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) quadratischen Querschnitt besitzt und an einem Ende des Reaktors (1) der Einlass (5) zentral angeordnet ist.