CN102165256B - 用于燃烧燃料/氧化剂混合物的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在强烈放热的反应中燃烧燃料/氧化剂混合物的设备，所述设备包括具有燃烧腔的反应器(1)，所述燃烧腔在分开的A区(2)和C区(3)中包含至少一种第一多孔材料和至少一种第二多孔材料，其中，所述区这样构造，即，仅能在B区(3)中发生放热反应，并且设有一个或多个用于燃料以及用于氧化剂的输送管路，其中，由第一多孔材料组成的A区(2)通过B区(4)的为10mm至4000mm、优选为20mm至500mm的间距与由第二多孔材料组成的C区(3)分隔开，并且在燃料/氧化剂混合物的流动方向上，布置在C区(3)的前面。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在强烈放热的反应中燃烧燃料/氧化剂混合物的设备，所述设备包括具有燃烧腔的反应器，所述燃烧腔在分开的区内包含至少一种第一多孔材料和至少一种第二多孔材料，其中，所述区这样构造，即，放热反应仅能在第二区域发生，并且设有一个或多个用于燃料以及用于氧化剂的输送管路。
背景技术
在文献DE 43 22 109 C2和DE 199 39 951 C2中介绍了如下设备，所述设备被构造为所谓的多孔燃烧器(Porenbrenner)。可燃的气体混合物于是首先通流在下面被称为A区的区域，A区具有小而有效的孔隙直径，该孔隙直径使得不能进行稳定的火焰传播，也就是说，该第一多孔区在作用方面类似于回火防止器。但下面被称为C区的、后续的、真正的燃烧区域具有足够大的孔隙尺寸，以便允许稳定的燃烧。在专业著作中(例如Babkin等，在“Combustion and Flame(燃烧与火焰)”Vol.87，S.182-190，1991中)给出：作为对于在多孔基质内部的火焰传播的衡量标准是临界的佩克莱数(Péclet-Zahl)Pe＞65。
作为化学工业设备用的多孔反应器的多孔的燃料腔填料的可以应用如下材料，例如氧化铝、氧化锆、碳化硅等，所述材料除了高的耐热性外，同样具有足够的耐腐蚀性。为了制造多孔的燃烧腔，优选应用由耐热性的陶瓷球、鞍状体和类似型体组成的堆积物(装填物)，就像它们例如用作用于热分离方法的无序的包装物(填料)那样。堆积物之所以是优选的，这是因为堆积物实现了简单地清洁沉积物，例如在氯化氢合成时生成的盐残渣，该盐残渣源自燃烧气体。同样地，对于多孔燃烧器而言，为了产生氯化氢，依照DE 43 22 109 C2布置不同孔隙结构及孔隙尺寸的区。这一点通过应用对于A区和C区不同大小的填充体而发生。此外，同样可以在A区和B区中使用结构化的包装物。
根据文献DE 199 39 951 C2可以在具有不同孔隙尺寸的两个区的构造有填充体的多孔结构之间优选布置有另一承载栅架(Tragrost)，该承载栅架防止A区的较小的填充体出来进入C区的较大填充体的空隙。同样地，在气体不垂直朝上出来的燃烧器中，将另一对于气体可透过的承载栅架布置在从C区出来的气体出口处，该另一对于气体可透过的承载栅架关闭燃烧腔。由此，可行的是，尽管填充体在燃烧腔内松散堆积，仍将反应器布置在任意位置上。
多孔的反应腔优选由抗腐蚀的、经冷却的壁包围，所述壁例如由浸渍合成树脂的石墨组成。冷却可以通过冷却水、空气或燃烧气体自身来进行。在经冷却的壁与燃烧腔之间则优选存在有耐高温、耐腐蚀且绝热的原料制成的起隔绝作用的中间层，该中间层防止热量损耗，并且确保：在燃烧腔中，在每个部位存在所希望的燃烧腔温度。根据文献DE 199 39 951 C2，通过强大的隔离，实现了几乎绝热的工艺过程，其中，不存在通过经冷却的壁对燃烧工艺的温度影响。绝热的工艺过程例如允许这种化学反应器简单的扩容(Scale-Up)，热量传送特性对于经冷却的壁无关紧要，并且整个工艺在流动方向上几乎可以视为是一维的。
在多孔反应器中，反应在由耐热性材料制成的多孔基质内部进行。与传统的反应设备不同的是，不需要将反应器布置在体积庞大的燃烧室中或者在后面接有这样体积庞大的燃烧室。热的反应产物自身在没有直接形成火焰的情况下从反应器中流出。在DE 43 22 109 C2中提出：对于第一区应用明显低于临界佩克莱数Pe＝65的佩克莱数，对于燃烧区应用明显高于临界佩克莱数Pe＝65的佩克莱数。
如果多孔反应器被点燃，则燃烧在两个区的交接部位得以稳定化。通过在第一区内很小的孔隙尺寸，在该区域内，在稳定状态下，不会发生燃烧，而仅发生对气体混合物的预热。该特性同样满足了在化学设备中在回火危险方面严格的安全要求。
由于多孔基质内在气体相与固体相之间极好的热量传递，气体相与固体相之间存在近乎热平衡。气体相与固体相之间的近乎的热平衡和多孔体内部强化的混合基本上使得在构造有较大孔隙的燃烧区内的自由火焰消失。燃烧工艺在这时在扩展的反应区内进行，该反应区与其可以归结特征作为具有自由火焰的燃烧腔，不如可以归结特征作为燃烧反应器。
根据文献DE 199 39 951 C2，预混合室是所介绍的设备的组成部分和对于安全重要的部件。
公知结构形式的缺点在于，在反应区中通过热电偶在局部受限的温度检测。其多孔层由堆积物构成的多孔反应器的另一缺点在于，在气体流量较大或突然提高时，堆积体被气流一并带走，并且进而导致堆积密度以及佩克莱数的改变。特别是在干扰情况下对于较大量含卤素的气体受监控的燃烧的情况，在强烈变换的气体流量条件下安全的方法执行方案仅在大大受限的范围内可行。
发明内容
本发明的任务是，提供如下的燃烧器，该燃烧器使得在避免上面详尽介绍的缺点的情况下，进行上面提及的放热化学反应。
由导言中提及的用于在强烈放热的反应中燃烧燃料/氧化剂混合物的设备出发，使本发明的任务得以解决，所述设备由具有燃烧腔的反应器组成，所述燃烧腔在分开的区内包含至少一种第一多孔材料和至少一种第二多孔材料，其中，所述区这样设计，即，放热反应仅能在第二区中发生，并且设有一个或多个用于燃料以及用于氧化剂的输送管路，其中，由第一多孔材料组成的A区通过B区的10mm至4000mm、优选20mm至500mm的间距与由第二多孔材料组成的C区分隔开，并且在燃料/氧化剂混合物的流动方向上布置于C区的前面。
在所述设备的优选的改进方案中，设置为：燃烧腔和多孔材料由如下原料组成，该原料经得住1000℃至2400℃的温度。
有利的是，在B区中布置有温度监测装置和点火装置。温度监测装置优选为红外线传感器，该红外线传感器对通向C区的交界面上的2至200cm2的区域进行检测。在所给出的区域之上进行的检测依照现有技术是不可行的。
所述设备的优选改进方案在于，所述设备被竖直地布置，并且A区位于B区和C区的上方。A区和C区的堆积体布置在承载栅架上。堆积体的松散或扬起以及流动阻力的改变并且进而还有佩克莱数的改变通过堆积体的自重和承载栅架得以防止。此外，通过将A区布置在C区上方，原则上避免了堆积层松散开来，这是因为堆积物C由此在重力方向上被压向承载栅架。
根据本发明的另一改进方案，在该方法中，设置为：燃料/氧化剂混合物以及附加输送的气体至少部分地在预混合装置中被混合，预混合装置接在反应器前面。根据改进方案的相应设备在于，该设备具有用于燃料/氧化剂混合物的预混合室，燃料/氧化剂混合物从预混合室流入燃烧室。
在这里这时根据改进方案使用的预混合室实现了明显更好的充分混合和更为有效地转化反应物，这例如实现了在氯化氢合成时所需甲烷份额的降低。
特别地，在本发明的有利改进方案中设置为，预混合室作如下设计，即，预混合室中混合物的流动速度的关于燃烧腔方向的分量大于燃烧腔内的火焰传播速度。
由此，预混合室这样设定尺寸，即，在意外点火的情况下可能在预混合室中产生的火焰在整个运行范围中，例如在起动时被吹熄(ausblasen)。
另一与之相关的改善在本发明的改进方案中借助预混合室的冷却件来达成。
根据另一有利的改进方案，设置为，在燃烧室中，设置有如下的多孔材料，该多孔材料具有相关联的、对于火焰蔓延足够大的空腔。
特别地，具有相关联的空腔的多孔材料的孔隙度朝向火焰蔓延的方向变成较大的孔隙，其中，在内部的交界面上，对于孔隙尺寸得到临界的佩克莱数，火焰蔓延在高于该临界佩克莱数时进行，并且在低于该临界佩克莱数时，火焰蔓延受到抑制。
通过在流动方向上增加孔隙尺寸，实现了对燃烧的稳定化，其中，在多孔材料的区内，对于孔隙尺寸得到临界的佩克莱数，火焰蔓延在高于该临界佩克莱数时进行，并且在低于该临界佩克莱数时，火焰蔓延受到抑制。
应用该技术用于制造例如氯化氢的化学产物或用于对例如含卤素气体的有害气体进行后燃烧，不仅有利地作用于燃烧本身，而且同样实现了有利地构造和布置集成到多孔反应器中的那些设备部件。
预混合室优选由抗腐蚀的原料制成，例如由浸渍合成树脂的石墨制成。搪瓷化的或以氟塑料加衬的钢质部件同样可以用于构造混合室。预混合的气体从预混合室中出来，优选通过由耐腐蚀材料(例如碳化硅、氧化铝等)制成的栅架进入多孔反应器的A区中。如前面已经说到地，多种化学反应物(诸如氯气和甲烷)在紫外线辐射的影响下容易发生自燃。但预混合室中的自燃出于安全原因应当避免。栅架和A区设计方案这样选定，即，没有紫外线辐射或仅有非常少的紫外线辐射自A区和C区到达预混合室，所述紫外线辐射进入预混合室中可能导致由氯气和甲烷组成的气体混合物点燃。
特别地，在所介绍的多孔反应器中，应当强调燃烧的稳定性。相对于依照现有技术实施的氯化氢反应器，这样的氯化氢反应器对于气体的压力和数量波动非常敏感地作出反应，其中，即，火焰可能轻易被熄灭，与之相对照地，多孔反应器中的燃烧反应由于C区内填充体的热容量就算在气体短时缺失的情况下也即刻再次点燃。但出于安全原因，适当的是，在一种气体缺失时，同样关掉另一气体，并且连接惰性气体冲洗件。即便在几分钟后，则反应器仍可以在无重新的起动程序的情况下，还在惰性气体冲洗之后，无延迟地再次投入运行。
反应器的点火和预热可以利用燃烧气体(氢气、甲烷等)和空气来进行。但是，为此同样可以利用常规的、常见于这样的化学反应器的点火装置。在对C区充分完成加热后，可以慢慢地抑或还是立即转换为反应物，例如氯气、甲烷和空气。
可能出现在这样的设备中的直至标称负荷的50％的突然的负荷波动利用所介绍的多孔反应器得以毫无困难地被掌控。
技术设备的扩容基于多孔反应器尺寸设定的技术教导，特别是在前面所介绍的绝热的工艺过程中，变得令人惊讶地简单，根据所述工艺过程，A区和C区中，不依赖于结构尺寸地限定的流动条件必须得到遵守。
后续介绍的并且为化学工艺而加以修改的多孔反应器是用于生产盐酸或用于对含卤素的、优选含氯的化合物进行后燃烧的方法技术设备的部件。
这样的设备例如具有：经修改的多孔反应器，用于冷却反应产物以及用于利用反应产物热量的热交换器，并且视设备类型而定，同样具有：装置之间的过渡件上的洗涤器或废气洗气器、吸收器、泵、管路以及常见的安全装置、测量装置和调节装置。基于多孔反应器中气体的反应过程和良好的充分混合，与现有技术相比，不需要体积庞大的燃烧室。反应器可以直接连接到后续的装置上，例如连接到热交换器、带吸收器的淬熄件(Quenche)或其他装置上。在热交换器内对从反应器中流出的反应产物进行冷却后或者在淬熄件之后，经冷却的气体或气体混合物的分流如上所述地再次被输送给反应器。对此可另选地，可以如所介绍的那样同样添加另一种气体，例如水蒸气。
根据对产物的要求，也可能仅需要方法技术设备的如下部件，例如反应器和气体冷却器或者反应器和淬熄件，这要根据的是：是需要呈气态的产物，还是需要溶于水中作为盐酸的产物。
用于生产氯化氢的设备的另一实施方式利用作为氢提供者的碳氢化合物气体(例如天然气、甲烷、丙烷等等)以及利用氯气和空气。燃烧按照大大简化示出的反应方程式(1)和(2)来进行：
CH4+O2+Cl2-＞CO+2HCl+H2O(1)
CO+1/2O2-＞CO2(2)
这种燃烧在依据现有技术的设备中难于进行，这是因为在不利的边缘条件下可能生成炭黑，炭黑污染设备和酸。多孔反应器的所介绍的特别的特性出人意料地同样对于这种挑剔的应用也实现了稳定的、无炭黑的燃烧。
用于对含卤素的废气或可蒸发的或气态的、含卤素的有机化合物进行后燃烧的多孔反应器如稍后结合实施例变得更清楚的那样，以如下方式实施，即，氧化剂和燃烧气体优选以预混合的方式被吹入预混合室中。由于氧化剂和燃烧气体的高反应焓，在C燃烧区产生稳定的支持火焰(Stützflamme)。有待后燃烧的气体或气体混合物通过导入管，优选通过多孔反应器的A区前面的承载栅架而被吹入预混合室，并且与燃料/氧化剂混合物相混合。为了对后燃烧工艺进行温度调节，优选应用相应过量的氧化剂，特别是空气。为了调节多孔反应器的C区内的温度，温度例如借助红外线高温计得到测量，并且用于氧化剂调节的信号被进一步处理。在后燃烧时后续的装置依赖于废气的卤素含量地与上面介绍的设备部件相区别。在卤素含量很小时，其中，盐酸的获取并未处于中心地位，则普遍仅在后面接有淬熄件和洗气器。其他伴生物质，例如硫化合物等可以利用所介绍的装置同样进行无害的除去。这基本上同样适用于含卤素的或含硫的可蒸发的纯物质或混合物。因为所描述的具有多孔反应器的后燃烧设备不需要常规意义的燃烧室，所以这样的设备可以非常紧凑而成本低廉地实施。
基于上面的、详细介绍的实施方案，特别是获得本发明的下列优选的改进方案：
-燃烧腔具有至少两个具备不同孔隙尺寸材料的区，在所述至少两个区之间孔隙尺寸获得临界的佩克莱数；
-具有相关联的空腔的材料至少部分地具有型体的堆积物，就像这些型体在热分离方法中被用于固体堆积物或有序的包装物那样，型体诸如球或鞍状体；
-在不同孔隙度的区的交界面上设置有栅网，诸如承载栅架，以便避免所述型体从一个区中出来进入另一区，其中，栅网、特别是承载栅架同样可以被冷却；
-燃烧室被设计用于过压和低压下的火焰稳定性；
-所输送的产物气体全部或仅部分被预热，以便在混入例如水蒸气的起冷却作用的蒸气后，避免在预混合室中冷凝出来(冷凝出来的组分会使反应结果显著恶化并且导致形成不希望的副产物)；
-预混合室未被冷却，而是预混合室的壁被有针对性地保持高于气体混合物的露点温度，以便防止气体组分冷凝出来。
燃烧室在这里也可以被设计用于过压或低压下的火焰稳定性，这在公知现有技术中仅会产生不足的火焰稳定性。但是，基于本发明及其改进方案，明显更大的压力范围可供使用，从而对于很大的压力范围以专业人士常用的方式特别是对于过压或低压相应设计方案可以使得火焰稳定性显著提高。在此，在很大程度上取消了调节。
特别是在本发明优选的改进方案中设置有用于几乎绝热的燃烧过程的、无壁效应的燃烧室隔绝部。绝热的燃烧过程特别地对于提高转化率是特别有利的。
除了燃烧外，同样能够获得反应产物，例如在用于氯化氢合成的氯气-氢气燃烧中。为此，在本发明优选的改进方案中，设置为：该设备具有从经燃烧的燃料/氧化剂中获取或分离反应产物的装置。特别是为了氯化氢合成，设置为，该设备被设计用于燃料方面的含氯化合物以及氧化剂方面的甲烷以燃烧生成氯化氢，并且为此，具有在燃烧腔后面的、用于获取氯化氢或盐酸的方法技术装置。所提及的设计方案对于专业人士是公知的。在此，特别要注意的是，顾及到相应的安全装置，并且材料相应地对于氯是耐腐蚀的。
如前所述地，本发明不仅能用来燃烧和合成氯化氢，而且也作为用于后燃烧废气的装置并且在此特别是用于净化。于是例如在一些在后续说明书中加以介绍的实施例中可行的是，含氯有机化合物的部分毫无问题地被后燃烧并且进而被无害地处理。
附图说明
在本发明中的其他措施和特别之处同样由参照附图对实施例的后续说明而获得。其中：
图1示出多孔反应器-设备的部分图示。
具体实施方式
对于下面的实施例，选定前面已经详尽阐述的多孔反应器1，多孔反应器1相对于其他反应器类型具有特别的优点，利用多孔反应器1可以构造本发明。本发明中的主要特征在于，火焰通过将附加的气体输送至燃料/氧化剂混合物而被冷却，这一点可以在所有可以想到的反应器类型中实现。因此，对实施例进行的后续说明仅基于多孔反应器1而不被视为限制。
根据本发明的多孔反应器1的实施方式在图1中示出。多孔反应器1的壳体由：薄壁式的、抗高温的由厚度为2mm至50mm的氧化物陶瓷制成的陶瓷内衬8；石墨支持壳罩9；以及与石墨支持壳罩9相距的外部钢质壳罩10组成。在石墨支持壳罩9与钢质壳罩10之间引导冷却水，冷却水在管接头12处离开多孔反应器1。另外，示出了受限定的A区2、B区4以及C区3。在此，C区3作为其中进行燃烧的燃烧区起作用。在A区2中，通过相应的尺寸设定，避免发生燃烧。为此目的，C燃烧区3被以填充体填充，与之相对地，A区2被以作为火焰阻截件起作用的多孔体来填充。A区2和C区3通过B区4保持间距。在B区4与C区3之间的交界面上通过温度测量管接头6中的测温计的进入端来进行大面积的温度监测。通过预混合室5，将气体混合物从上方导引进入多孔反应器1中。反应混合物的转化在C区3中进行，C区3布置在承载栅架7上，并且附加地通过布置于承载栅架7下方的热交换器11来冷却。C反应区3的壁温度通过壁-测温计13得到监测。
附图标记列表
1 多孔反应器
2 A区
3 C区
4 B区
5 预混合室
6 用于测温计的管接头
7 承载栅架
8 陶瓷内衬
9 石墨壁部
10 钢质外壁部
11 热交换器
12 冷却介质连接部
13 壁-测温计
Claims (14)
1.用于在强烈放热的反应中燃烧燃料/氧化剂混合物的设备，反应是含卤素的污染气体的后燃烧，所述设备包括具有燃烧腔的反应器(1)，所述燃烧腔在分开的区内包含至少一种第一多孔材料和至少一种第二多孔材料，其中，所述区以如下方式构造，即，C区是其中进行燃烧的燃烧区，并且设有一个或多个用于燃料以及用于氧化剂的输送管路，其特征在于，由作为第一多孔材料的多孔体填充的A区(2)通过为10mm至4000mm的间距与由作为第二多孔材料的填充物填充的C区(3)分开及通过为10mm至4000mm的间距形成B区(4)并且A区(2)在所述燃料/氧化剂混合物的流动方向上竖直地布置在C区(3)之前，并且所述A区(2)位于所述B区(4)和所述C区(3)上方，其中能被冷却的承载栅架(7)布置设置在交界面区域上，
抗腐蚀的原料制成的预混合室(5)设置用于所述燃料/氧化剂混合物,
火焰通过将附加的气体输送至燃料/氧化剂混合物而被冷却，反应器(1)由薄壁式的、抗高温的由氧化物陶瓷制成的内衬(8)，石墨支持壳罩(9)以及与石墨支持壳罩相间隔的外部钢质壳罩(10)组成。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，C区下方的承载栅架(7)通过布置在其下方的热交换器(11)来冷却。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在所述A区(2)与所述C区(3)之间通过所述B区(4)形成的间距为20mm至500mm。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述燃烧腔和所述多孔材料由如下原料组成，所述原料耐得住1000℃至2400℃的温度。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，在所述B区(4)内，布置有温度监测装置(6)，并且必要时布置有点火装置。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述温度监测装置(6)是红外线传感器。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于所述燃料/氧化剂混合物的预混合室(5)由浸渍合成树脂的石墨制成。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述预混合室(5)以如下方式设计，即，所述预混合室(5)中的混合物的流动速度的关于所述燃烧腔方向的分量大于所述燃烧腔中的火焰传播速度。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，设置有所述预混合室(5)的冷却件。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述多孔材料至少部分地构造为型体的堆积物，就像所述型体在热分离方法中用作填充体堆积物或有序的包装物那样。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述燃烧室被设计用于过压和/或低压下的火焰稳定性。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设置有：用于几乎绝热的燃烧过程的、无热学上的壁效应的燃烧室调温部。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于用于从经燃烧的燃料/氧化剂中获取或者分离反应产物的装置。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述设备被设计用于在所述燃料/氧化剂混合物中氯气或含氯化合物以及氢气或含氢化合物通过燃烧以获取氯化氢，以及所述设备具有在所述燃烧室后面的、用于获取氯化氢或盐酸的方法技术的装置。
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