DE10320067B4 - Suppression of aromatics and polycycles formation in high-temperature processes by means of CO2 - Google Patents
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- F23J2215/00—Preventing emissions
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Abstract
Verfahren zur Unterdrückung von unerwünschten Aromaten- und Polyzyklenbildungen bei Verbrennungs- oder Pyrolyseprozessen oberhalb einer Temperatur von 500 °C und unter Beteiligung von organischen Stoffen, wobei eine dosierte Einbringung von Kohlendioxid in die Gasphase erfolgt, so dass Kohlendioxid oberhalb der Temperatur von 500°C am Entstehungsort der Aromaten und Polyzyklen in ausreichender Menge vorhanden ist.method for suppression of unwanted Aromatic and Polyzyklenbildungen in combustion or pyrolysis processes above a temperature of 500 ° C and with the participation of organic matter, with a metered introduction of carbon dioxide in the gas phase takes place, leaving carbon dioxide above the temperature of 500 ° C at the origin of the aromatics and polycycles in sufficient quantity is available.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von unerwünschten Aromaten- und Polyzyklenbildungen bei Verbrennungs- und Pyrolyseprozessen oberhalb einer Temperatur von 500 °C und unter Beteiligung von organischen Stoffen.The The invention relates to a method for suppressing unwanted Aromatic and Polyzyklenbildungen in combustion and pyrolysis processes above a temperature of 500 ° C and with the participation of organic substances.
Bei hohen Temperaturen oder durch Übertragung von Energie mittels anderer Mechanismen auf Atomkerne, chemische Elemente oder chemische Verbindungen brechen aufgrund hoher Schwingungsamplituden chemische Bindungen zwischen Atomen auf. Dabei entstehen Bruchstücke (intermediates), die entweder in sich stabil oder aber geneigt sind, sich zu stabilisieren. Findet dies in der Gasphase statt, bezeichnet man die Gesamtheit dieser Vorgänge und den makroskopischen Zustand als Plasma. Befindet sich Wasserstoff und Kohlenstoff – in welcher Form auch immer – in Kontakt mit einem solchen Plasma (beide Komponenten müssen in Kontakt mit einem Plasma stehen, ohne aber zwingend selbst Teil des Plasmas zu sein), beobachtet man spontan die Bildung von Kohlenwasserstoffen, vorrangig von Methan, Ethen und Ethin, aber zugleich auch von Spezies mit höherer C-Zahl wie Benzol, Toluol und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und Ruß, vorausgesetzt, die Reaktionsprodukte haben die Möglichkeit sich zu stabilisieren, indem sie beispielsweise in kältere Zonen gelangen.at high temperatures or by transmission of energy by other mechanisms on atomic nuclei, chemical Elements or chemical compounds break due to high vibration amplitudes chemical bonds between atoms. This produces fragments (intermediates), which are either stable in themselves or are inclined to stabilize. If this happens in the gas phase, it is called the totality these processes and the macroscopic state as plasma. Is hydrogen and carbon - in which Form always - in Contact with such a plasma (both components must be in Contact with a plasma, but without necessarily even part of the plasma), one spontaneously observes the formation of hydrocarbons, primarily of methane, ethene and ethyne, but at the same time also of species with higher C number such as benzene, toluene and polycyclic aromatic hydrocarbons and soot, provided that the reaction products have the ability to stabilize, for example, in colder Enter zones.
Die Entstehung höherer C-haltiger Spezies vollzieht sich nach komplexen Radikal-Kettenmechanismen, bei denen u. a. elementare Reaktionsschritte wie
- – Radikalbildung
- – Kettenpropagation durch Addition von Radikalen an ungesättigte Verbindungen jeder Art (auch CO, CO2, flüchtige Oxide, Nitride u. s. w.)
- – Kombination zweier Radikale sowie
- – Zerfall oder Abbau größerer Moleküle (auch von Polymeren wie Kohlenstoff oder Russ)
- - Radical formation
- - Chain propagation by addition of radicals to unsaturated compounds of all kinds (including CO, CO 2 , volatile oxides, nitrides, etc.)
- - Combination of two radicals as well
- Disintegration or degradation of larger molecules (including polymers such as carbon or soot)
Im Rahmen dieser „Hochtemperatur-Synthesen" entsteht – in unterschiedlichen Ausbeuten und stark abhängig von den Bedingungen – eine Vielzahl von organischen Verbindungen, wobei sich auch Aromaten (Benzol, Benzolabkömmlinge, Polyzyklen, Fulvene, Azulen, Naphthalin etc. und ungesättigte Aliphaten und Zykloaliphaten) bilden.in the The framework of these "high-temperature syntheses" arises - in different Yields and highly dependent from the conditions - one Variety of organic compounds, including aromatics (Benzene, benzene derivatives, Polycycles, fulvenes, azulene, naphthalene etc. and unsaturated aliphatics and cycloaliphatic).
Die
Der
Der Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, daß bei Verbrennungs- und Pyrolyseprozessen die Benzol- und Polyzyklenbildung eine unerwünschte „Nebenreaktion" darstellt, weil sie zu umweltbelastenden Produkten führt. Bei Gießereien beispielsweise kann dies dazu führen, dass von Formanlagen der Emissionsgrenzwert für Benzol nicht eingehalten wird.Of the Invention is now based on the problem that in combustion and pyrolysis the Benzene and Polyzyklenbildung represents an undesirable "side reaction", because it leads to polluting products. At foundries for example, this can cause that the emission limit value for benzene is not complied with by molding plants.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, womit wirksam die Aromatenbildung unterdrückt und so daraus entstehende Probleme gemildert oder beseitigt werden.The The object of the invention is to provide a method which effectively suppresses aromatics formation and thus resulting problems be mitigated or eliminated.
Die Aufgabe wird mit dem unter Anspruch 1 genannten Verfahren gelöst.The The object is achieved by the method mentioned in claim 1.
In Untersuchungen an solchen Reaktionssystemen wurde herausgefunden, daß in einem Temperaturfenster oberhalb 800 °C – das optimale Reaktionsfenster hängt wiederum von den Bedingungen und Reaktionskomponenten ab, durch Kohlendioxid eine wirksame Unterdrückung der Aromatenbildung stattfindet. Dies ist in Hinsicht auf die Syntheseführung bei chemischen Umwandlungen, aber auch in Hinsicht auf die Verhinderung schädlicher Emissionen bei thermischen Prozessen von großem Interesse (Motoren, Verbrennungen, metallurgische Reduktions- und Sinterprozesse, Erhitzung von organischen Verbindungen bei Bränden, beim Gießen von heißen Metallen in polymergebundene Formen, bei Schweißvorgängen unter Beteiligung von organischem Material, Schleifscheibenemissionen etc.).In Investigations on such reaction systems have been found that in a temperature window above 800 ° C - the optimal reaction window hangs again from the conditions and reaction components, by carbon dioxide one effective suppression the aromatics takes place. This is in terms of the synthesis guide at chemical transformations, but also in terms of prevention harmful Emissions of great interest in thermal processes (engines, burns, metallurgical reduction and sintering processes, heating of organic Compounds in fires, when casting by hot Metals in polymer-bound forms, in welding processes involving: organic material, grinding wheel emissions, etc.).
Der Kern der Erfindung liegt darin, an den Ort der Entstehung von unerwünschten aromatischen Verbindungen, vorrangig Benzol und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, auch Heterozyklen, gezielt CO2 einzubringen, um die oben beschriebene Hochtemperatur-Synthese dieser Stoffe zu unterdrücken.The essence of the invention is to bring to the place of origin of undesirable aromatic compounds, primarily benzene and polycyclic aromatic hydrocarbons, including heterocycles, targeted CO 2 to suppress the above-described high-temperature synthesis of these substances.
Das gezielte Einbringen von Kohlendioxid in die Reaktionszone kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
- – durch thermische Zersetzung CO2-abspaltender Substanzen
- – als Gas
- – durch Ausgasen von gelöstem, komplexiertem oder adsorbiertem/absorbiertem CO2 aus Absorbentien oder Adsorbentien (wie Graphit, Silikate, Lösungen)
- – durch chemische Umwandlung von Stoffen, die zur CO2-Bildung führen, beispielsweise durch das Verschieben des Boudouard-Gleichgewichtes in Richtung CO2 durch Abfangen des Kohlenstoffs: (2 CO ↔ CO2 + C).
- - By thermal decomposition of CO 2 -dissing substances
- - as gas
- By outgassing of dissolved, complexed or adsorbed / absorbed CO 2 from absorbents or adsorbents (such as graphite, silicates, solutions)
- - by chemical conversion of substances that cause CO 2 formation, for example by shifting the Boudouard equilibrium towards CO 2 by trapping the carbon: (2 CO ↔ CO 2 + C).
Die Methode stellt insofern ein universelles Verfahren dar, als die Beteiligung von Kohlendioxid an Kettenpropagationen (z. B. mit Wasserstoff-, Hydroxyl- oder Kohlenwasserstoffradikalen) offenbar zu instabilen Intermediates führt bzw. die Zyklisierung von Polyolefinen behindert.The Method represents a universal method in that the Involvement of carbon dioxide in chain propagation (eg with hydrogen, Hydroxyl or hydrocarbon radicals) apparently unstable Intermediates leads or hinders the cyclization of polyolefins.
Die
Erfindung wird durch folgende Ausführungsbeispiele in Form von
Versuchsanordnungen verdeutlicht:
Dabei zeigen die Figuren
im Einzelnen:The invention is illustrated by the following exemplary embodiments in the form of experimental arrangements:
The figures show in detail:
In
einem thermischen Reaktor (
Ob
der Reaktor als Durchflussreaktor oder als Batchreaktor (
Die Reaktionen können homogen und heterogen beobachtet werden; die Benzolbildung findet allerdings immer bei hohen Temperaturen und daher in der Gasphase statt. Mit heterogen ist gemeint, daß eine Ausgangssubstanz/die Ausgangssubstanzen in verschiedenen Aggregatzuständen in den Reaktor eingebracht werden können, als Kohle, welche Gase abspaltet (Gaskohle), als Carbonat, welches CO2 abspaltet etc.. In diesen Fällen findet eine zweistufige Reaktion statt, in der zunächst die wesentliche Reaktionskomponenten durch thermischen Zerfall der Feststoffe gebildet werden und diese sodann in der Gasphase weiterreagieren, jedoch sind die Zersetzungstemperaturen und räumlichen Anordnungen der Feststoffe so abzustimmen, daß die Reaktionskomponenten im Plasma reagieren können.The reactions can be observed homogeneously and heterogeneously; however, benzene formation always occurs at high temperatures and therefore in the gas phase. By heterogeneous is meant that a starting substance (s) in different states of aggregation can be introduced into the reactor, as coal which splits off gases (gas coal), as a carbonate which releases CO 2 etc. In these cases, a two-stage reaction takes place. in the first of the essential reaction components are formed by thermal decomposition of the solids and then further react in the gas phase, but the decomposition temperatures and spatial arrangements of the solids are tuned so that the reaction components can react in the plasma.
Bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Reaktionssystem frei von Luft, was aber keine zwingende Bedingung ist, da auch in Flammen mit Luft Benzolbildung zu beobachten ist, die sich durch CO2-Zugabe unterdrücken läßt.
- 1. Methan wird durch den heißen Reaktor geleitet und die Reaktionsprodukte bestimmt. In einem zweiten Versuch wird CO2 zugemischt, was die Aromatenbildung unterdrückt.
- 2. Kohle wird als körniges
Pulver, in dem der Eisenstab eingebettet liegt, in die Induktionszone des
Batchreaktors (
2 ) eingebracht und erhitzt. In einem zweiten Versuch wird der Kohle Soda zugemischt, um die Aromatenbildung zu unterdrücken.
- 1. Methane is passed through the hot reactor and the reaction products determined. In a second experiment CO 2 is added , which suppresses the aromatics.
- 2. Coal is introduced as a granular powder in which the iron rod is embedded in the induction zone of the batch reactor (
2 ) and heated. In a second experiment, the carbon is added to soda to suppress the formation of aromatics.
Ein
massenselektives Quadrupol-Massenspektrometer (
Diese
Anordnung ist auch eine geeignete Vorrichtung, um die ausreichende
Menge an CO2 zu ermitteln, die benötigt wird,
um die Aromaten- und Polyzyklenbildung optimal zu unterdrücken. Dazu wird
die CO2-Zufuhr in ihre Mengenverhältnis zur
Bildungsrate der Aromaten und Polyzyklen variiert und über den
Analysator (
- 11
- thermischer Reaktorthermal reactor
- 22
- Batchreaktorbatch reactor
- 33
- Eisenstabiron rod
- 44
- Induktionsofeninduction furnace
- 55
- Temperatursensor, QuotientenpyrometerTemperature sensor, color pyrometer
- 66
- Analysator, Massenspektrometeranalyzer mass spectrometry
- 77
- Rohrverbinderpipe connectors
- 88th
- Lose Koks-/Kalk-Füllung o. a.loose Coke / lime filling o. a.
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---|---|---|---|
DE10320067A DE10320067B4 (en) | 2003-05-05 | 2003-05-05 | Suppression of aromatics and polycycles formation in high-temperature processes by means of CO2 |
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DE10320067A1 DE10320067A1 (en) | 2004-12-16 |
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ID=33440633
Family Applications (1)
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DE10320067A Expired - Fee Related DE10320067B4 (en) | 2003-05-05 | 2003-05-05 | Suppression of aromatics and polycycles formation in high-temperature processes by means of CO2 |
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DE102008013303A1 (en) | 2008-03-09 | 2009-09-10 | Purwin, Waldemar | Releasing aromates from organic compound, comprises hindering the formation of aromates from the pyrolytic crack products and heating the carbon dioxide by thermal pyrolysis, which releases the aromates and is taken away as a gas current |
DE102008038121A1 (en) | 2008-08-17 | 2010-02-18 | Purwin, Waldemar | Liberating aromatics from organic compounds by chemically exothermic process and pyrolytic processes, involves providing carbonate-salts as carbonate gas sources, which are selected from different granule size distributions |
Citations (2)
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DE4124277A1 (en) * | 1991-07-22 | 1993-01-28 | Linde Ag | METHOD FOR DECONTAMINATING POLLUTED SOILS |
DE4104252C2 (en) * | 1991-02-13 | 1998-07-02 | Schingnitz Manfred | Disposal procedure for polluted, carbon-containing waste materials |
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- 2003-05-05 DE DE10320067A patent/DE10320067B4/en not_active Expired - Fee Related
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DE4124277A1 (en) * | 1991-07-22 | 1993-01-28 | Linde Ag | METHOD FOR DECONTAMINATING POLLUTED SOILS |
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