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Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von flüssigen Kohlenwasserstoffen
zur Gaserzeugung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spaltung von flüssigen
Kohlenwasserstoffen zur Gaserzeugting, beispielsweise Schweröl oder Teer, in einem.
einzigen Apparat mit gegebenenfalls katalytisch wirkenden Einbauten, wobei jeweils
eine Heiz- und eine Produktionsperiode einander abwechseln, und, eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung eignen sich besonders
zur Stadtgaserzeugung.
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Bei den meisten bekannten Systemen zur Stadtgaserzeugung durch Spaltung
von Schweröl benötigt man für den Prozeß mindestens zwei, meistens sogar drei Apparate.
Das zu vergasende Schweröl wird vielfach an einer einzigen Steille, eingedüst und
ohne vorherige vollständige Verd:impfung direkt auf heiße Flächen von Gitterwerken
oder Katalysatoren gesprüht und dadurch schockartig erhitzt. Bei dieser Art der
Oleinfüh-rung, die gewöhnlich an der Stelle erfolgt, wo die höchste Temperatur herrscht,
überspringen die flüssigen Kohlenwasserstoffe die beabsichtigten Spaltreaktionen#
da sie beim Auftreffen auf die heißen Flächen durch die schockartige Erhitzung sofort
in die Elemente Kohlenstoff und. Wasserstoff zerfallen. Diese Erscheinung tritt
auch dann auf, wenn die heißen Flächen von einem Katalysator gebildet werden. Die!
Kohlenstoffabscheidung muß daher we#sentlich größer sein als bei sorgfältiger Verdampfung
der flüssigen Kohlenwasserstoffe und anschließender allmählicher Erhitzung. Bei
der folgenden Blaseperiode müssen zwaiigläufig erhöhte Kohlenstoffmengen verbrannt
werden. Da gewöhnlich die gesamte zu vergasende Ölinenge an einer einzigen Stelle
eiligedüst wird, erfolgt der Kohlenstoffanfall derart konzeiitriert, daß seine restlose
Verbrennung örtlich über_ steigerte Temperaturen im Gitterwerk oder im Kata.-lysator
zur Folge hat. Überhöhte Temperaturen steigern abermals den Kohlenstoffausfall in
der folgenden Gaseperiode. An anderen Stellen der Apparatur fehlen dagegen dringend
benötigte Wärmemengen.
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Aus diesen Ausführungen ergibt sich, daß die be,-kannten Reaktoren
temperaturmäßig nicht einwandfrei zu beherrschen sind, insbesondere dann, wenn Schweröl
mit höherem spezifischem Gewicht vergast werden muß. Bekanntlich steigt mit dem
spezifischen Gewicht der Kolilenwasserstoffe, z. B. des Schweröls, der Kohlenstoffgehalt.
während der Wasserstoffgehalt abfällt. Aus diesem Grunde ist eine gewisse Kohlenstoffabscheidung
bei der Vergasung von höheren Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Schweröl, nicht
züi vermeiden. Wird aber dieser nicht zu vermeidende Kohlenstoffausfall dann noch
durch ungünstige Betriebs- und Temperaturverhältnisse weiter vermehrt, so kann bei
der Verbrennung desselben infolge des konzentrierten AnfaHes mehr Wärme erzeugt
werden, als der Prozeß an dieser Stelle brauchen kann. Als Folge hiervon steigen
die örtlichen Temperaturen immer weiter an, wenn nicht auf die restlose Verbrennung
des Kohlenstoffes verzichtet wird. Ein solcher Verzicht bedeutet aber ein Anwachsen
des Kohlenstoffes auf den Gittern und eine Drosselung des Gas-und Winddurchganges.
Vielfach werden dann, wenn der Widerstand zu hoch wird, die Gitter im Stillstand
ausgebrannt. Das Ausbrennen bedingt eine, Unterbrechung der Produktion. Nach dem
Ausbrennen ist das Arbeiten wieder nul- für eine verhältnismäßig kurze Zeit möglich,
so daß meistens vorgezogen wird, auf ein leichteres Heizöl überzugehen. Auch dann
sind noch folgende Mängel vorhanden. Es werden mindestens zwei, meistens sogar drei
Apparate für den Prozeß benötigt. Die Öleindüsung erfolgt direkt auf heiße- Flächen
in der Gaserichtung, ohne das Öl vorher vollständig zu verdampfen. Es entsteht
wieder eine sehockartige Erhitzung der flüssigen unverdampf -ten Kohlenwasserstoffe
an heißen Oberflächen, wodurch sieh ein wesentlich vermehrter Kohlenstoffanfall
und eine Naphthalinbildung ergeben. Die Temperaturen im Gitterwerk können bei Schweröl
mit höherem spezifischem Gewicht durch zu konzentrierten Anfall des Kohlenstoffes
nur schwer beherrscht werden. Die Verbrennungsluft wird mindestens zum überwiegenden
Teil an, einer einzigen Stelle eingeführt, wodurch die Temperaturheherrschung noch
schwieriger wird. Die Wassergasreaktion kann meistens nicht eintreten, da, mit fallenden
anstatt mit steigenden Temperaturen gearbeitet wird. Es tritt eine vorzeitige Zerstörung
der Gitterwerke oder Katalysatoren durch direkte B&-aufschlagung unverdampften
Öls ein. Ein hoher
Danipfbedarf mit entsprechendem KondeTisatanfall
in der Kühlung ist zu verzeichnen. Vielfach reicht die eigene Dampferzeugung nicht
aus. Eine Verminderung der Gasausbeute durch zu große Teer- und Aromatbildung infolge
fehlender Lenkung des Prozesses und Einflußnahrne auf die Reaktionsprodukte ist
die, Folge. Der Vergasungswirkungsgrad ist ungenügend, und die Wirtschaftlichkeit
ist nicht befriedigend. Eine ausreichende Lenkung der Reaktionen und ein zufriedenstellender
Einfluß auf die Zusammensetzung und den Heizwert des erzeugten Gases ist nicht gegeben.
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Es ist auch ein Verfahren bekamitgeworden, bei dein mit einem einzigen
Apparat gearbeitet wird und die zu spaltenden und der Aufheizung dienenden Kohlenwasserstoffe
an einer einzigen Stelle von oben her durch die Decke des Wärmespeichers eingebracht
werden. Um den Reaktionsverlauf zu bee:influssen, wird durch seitliche Zuführungen
Wasserdampf oder Kohlendioxvd zum Zwecke der Kühlung eingeblasen, womit eine- möglichst
gleichmäßige Temperatur über die gesamte Höhe des Apparates angestrebt wird. Ferner
ist die Strörnungsrichtung nicht nur bei der Heizperiode von oben nach unten gerichtet,
sondern auch während der Spaltperiode der Kohlenwasserstoffe. wodurch auch hier
ein übermäßiger Kohlenstoffausfall und seine Ablagerung auf die Gitterwerke nicht
zu vermeiden ist. Der nicht zu beherrschende große Kohlenstoffausfall muß zwangläufig
zur Überhitzung der Gitterwerke führen, weil seine Verbrennung in der HeizpeTiode
eine Voraussetzung für den Betrieb ist. Bei nicht restloser Verbrennung werden die
Gitter undurchlässig und bringen den Betrieb zum Stillstand. Darüber hinaus ist
das seitliche Einblasen kühlender Gase eine sehr unwirtschaftliche Zwangsmaßnahnie
zur Aufrechterhaltung des Betriebes.
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Ziel der Erfindung ist nicht nur die Beseitigung der vorerwähnten
Mängel derartiger Anlagen, sondern auch eine weitgehende Unabhängigkeit der Spaltanlagen
von der Qualität des jeweils angelieferten Kohlenwasserstoffes, insbesondere Öls
oder Teers. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Verfahren während
der Heiz- und Produktionsperiode in mehreren Stufen durch Einbringen regelbarer
Mengen an Kohlenwasserstoffen und gegebenenfalls sauerstoffhaltiger Gase in verschiedene
Zonen eine-, Gas- und bzw. oder Wasserdampfstromes durchgeführt wird, wobei während
deT Produktionsperiode die Kohlenwasserstoffe im Gegenstrom in den aufsteigenden
'#%'asserdarnpfstrom bzw. in ein Gemisch von Wasserdampf, Öldampf und Ölgas eingebracht
werden.
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Wohl läßt sich bei der Spaltung von Schweröl auch hier ein gewisser
Ausfall an Kohlenstoff nicht vermeiden. D-er Anteil ist jedoch so reduziert, daß
be-iin Aufheizen noch geringe Mengen an Schweröl zusätzlich verbrannt werden müssen,
um die gewollten Temperaturen zu erreichen. In die--ser Maßnahme, liegt ein wesentlicher
Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren, weil dadurch auf einfaehste Weise. eine
Teinperaturbeherrschung in den einzelnen Zonen überhaupt erst möglich wird und damit
der ganze, Apparat unter Betriebs- und Produktionskontrolle gebracht werden kann.
Das heißt, daß nach der Erfindung der gewünschte Ablauf der Primär- und Sekundärreaktionen
gesteuert werden kann, womit die, Art der Endprodukte weitgehend beeinflußbar wird,
was bei den bisher bekannten Verfahren nicht möglich ist.
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Durch die Aufteilung des Spaltvorganges auf mehrere Stufen wird jede
Temperaturschockwirkung vermieden. Die eingeführten flüssigen Kohlenwasserstoffe
kommen erst nach vollständiger Verdampfung mit heißen Flächen. in Berührung. Auch
verdampfte Kohlenwasserstoffe, werden nicht plötzlich hohen Temperaturen ausgesetzt,
sondern mit fortschreitender Temperatur erhitzt.
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Die Betriebs- und Wirkungsweise einer mehrstufig arbeitenden Kohlenwasserstoff-,
insbesondere Ölspaltung nach der Erfindung, wird nachstehend an Hand, der Zeichnung
beispielsweise erläutert, die eine schematische- Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeigt.
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Der dargestellte, mehrstufige! Olgaserzeuger kann infolge seiner Durchbildung
den gesamten Spaltprozeß, insbesondere für Schweröl mit hohem spezifischern Gewicht
-. allein durchführen. Der Betrieb läuft auf therrnisch-katalytischer Basis
intermittierend ab. Dennoch unterscheidet er sich weitgehend von den bisher bekannten
Svsteinen. Gearbeitet wird mit einer Blaseperiode für die Aufheizung der Gitterwerke
und mit einer Gaseperiode für die Olgasproduktion. Der mehrstufige Olgaserzeuger
ist beispielsweise mit vier übereinander angeordneten GitterweTken 1 bis
4 ausgerüstet. Die Beheizung erfolgt mit einem von oben nach unten gerichteten Blasegasstrorn.
Dieser Blasegasstrom entsteht durch Einblasen von Luft und 01
über jedem einzelnen
Gitterwerk und ermöglicht eine getrennte Regelung der Temperatur in jedern Gitter.
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Die Ölzuführung erfolgt unter Druck mit 'Vernebelung durch Wasserdampf
innerhalb von zentral angeordneten Dopp#eldüsen 5 bis 7. Öldruck allein
würde eine Mengenregelung nur durch Veränderung des Druckes erlauben, wodurch auch
eine; Änderung des Zerstäubungsgrades eintreten würde. Mit Wasserdampf dagegen wird
die konstante Vernebelung auch bei veränderten Ölniengen gewährleistet.
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Das zur Vergasung gelangende Schweröl wird durch die gekühlten Öldüsen
5 bis 7 als Nebel eingebracht. Es wird einem von unten nach oben gerichteten,
überbitzten Dampfstrom bzw. Öldampf- oder Ölgasstrom zwecks Verdampfung entgegengehlasen.
Das sofort verdampfte Öl mischt sich mit dem Aufwärtsstrom und wird mitgetragen.
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Die drei hier vorhandenen Düsen arbeiten nicht mit gleichen Ohnengen.
Die gesainte zu spaltende
Öl-
menge teilt sich bei Stadtgaserzeugung aus Schweröl
z. B. wie folgt auf
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| Untere Düse 5 ................ etwa 25 % |
| Nlittlere Düse 6 .............. etwa 35 1/o |
| Obi#-re Düse, 6 ................ etwa 400,1, |
Die sich steigernden Ölniengen ergeben sich durch die angestrebte! Wirkungsweise,
wie noch näher zu erläutern, sein wird.
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Wie erwähnt, wird der Betrieb der Anlagen in zwei Perioden abgewickelt:
Alle Schaltvorgänge können autoinatisch oder von Hand aus oder teils automatisch,
teils von Han#d. aus erfolgen.
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A. Die Blaseperiode als Heizperiode Zunächst wird das Ab-sperrorgan
23 für das Ölgas geschlossen. Dann werden der Abgasschieber 13 und
mit wenig Nacheilung die Luftabsperrorgane, 9 bis 12 sowie die Doppelventile
für Öl- und Wasserdampf 14 bis 17 geöffnet. Die über den einzelnen
Gittern zentral eingeblasenen Luftmengen richten sich zunächst nach der Menge des
Kohlenstoffes. der in den einzelnen Gitterwerken während- der vorangegangenen Gaseperiode
ausgeschieden und abgelagert wurde. Dieser muß während der Blaseper,iode in allen
Gittern mit
Sicherheit restlos verbrannt werden. Es muß aber auch
am E nde der Blas#eperiode die gewollte Betriebs -tempera,tur in allen. Gittern
erreicht sein, weshalb durch die Öldüsen. 8, 7, 6 und 5 noch so, viel
01 einzudüsen und zu verbrennen ist, als zur Erreichung der gewollten unterschiedlichen
Temperaturen in. den betreffenden Gittern, notwendig ist. Die vorgesehenen Regulierungseinrichtungen
für die Luft- und Öl-
mengen sind nicht dargestellt.
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Da die Blaserichtung von oben nach unten verläuft, haben alle Gitter
abhängig von ihrer Höhe in, ihrem unteren Teil eine um etwa 150 bis 200'
C niedrigere Temperatur als in ihrem oberen Teil. Diese Differenz in der
Temperatur ist sehr wesentlich und wirkt sich in der, folgenden Ga,seperiode- äußerst
vorteilhaft für den Prozeß aus.
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Bei Stadtgaserzeugung, insbesondere aus Schweröl, werden die Temperaturen
in den einzelnen Gittern so geregelt, daß die Gitterwerke 1 und 4 ans verf
ahrenstechnischen Gründen die höchsten Temperaturen aufweisen. Das Gitterwerk 2
hat etwas niedrigere Temperatur, während die Temperatur des Gitterwerkes
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noch etwas niedriger als die des Gitterwerkes 2 gehalteil wird. Die einzelnen
Gitter weisen untereinander auch verschiedene Höhen auf.
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Die Verbrennungsgase verlassen den inehrstufigen ölga,serzeuger unten.
durch den Abgasschieber 13 und strömen dann durch einen Abhitzekessel. Nach
dem weitgehenden Entzug der fühlbaren Wärme der Verbrennungsgase zur Erzeugung des
notwendigen Wasserd,ampfes entweichen jene ins Freie.
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Die, Einregulierung des Ölspaltapparates erfolgt derart, daß nach
einer gewissen Blasezeit die geNvollten Temperaturen bei restloser Verbrennung des
Kohlenstoffes überall gleichzeitig erreicht werden. Dann erfolgt die automatische
Unisteuerung auf Gasen.
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B. Die Gaseperiode als Produktionsperiode Die Absperrorgane für
Öl und Dampf 14 und 17
werden geschlossen. Dann werden mit wenig Nacheilung
auch die- Luftabsperrungen 9 bis 12 geschlossen. Parallel dazu wird schon
das Spüldampfventil 18
geöffnet, wodurch die im Olgaserzeugeir befindlichen,
stickstoffhaltigenVerhrennungsgase durch den Abgasschieher 13 hinausgedrückt
werden, damit sie nicht in das Produktionsgas gelangen. Die Spülperiode dauert nur
einige Sekunden. Dann schließen die Organe 18
und 13, während das Gasedampfventil
19 und das Ab-
sperrorgan 23 für das ölgas geöffnet werden.
Der durch das Ventil 19 eingeblasene Wasserdampf strömt aufwärts und wird
im Gitterwerk 4 hoch überh-itzt. Dann öffnen nacheinander die Doppelventile 20,
21 und 22 für Öl und Dampf.
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Dem hoch, überbitzt aus dem Gitterwerk 4 anstretenden Wasserdarnpf
wird durch die Düse 5 verneheltes 01 entgegengeblasen- Dieses vernebelte
01
wird, durch die, Üb#eThitzungswärme des Wasserdampfes augenblicklich vermischt.
Der Öldampf mischt sich mit dem Wasserdampf, dessen Temperatur entsprechend, absinkt,
um mit aufwärts zu strömen. Durch den beigernischten Öldampf ergibt sich ein vergrößertes,
aufwärts strömendes Volumen. Beim Eintritt des Gemisches in den. unteren Teil des
Gitterwerkes 3 beginnt die weitere Überhitzung des Gemisches. Bis zum Austritt
aus dem Gitterwerk ist die Temperatur so weit erhöht, daß schon die sogenannten
Primärreaktionen eintreten. Unter Priniärreaktionen sind diejenigen Reaktionen zu
verstehen, die höhere Kohlenwasserstoffe bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen
in niedere, zerlegen. Der Kohlenstoffatifa,11 ist daher in diesem Gitterwerk- noch
mäßig.
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Infolge der gesteigerten Überhitzungstemperatur und des vergrößerten
Volumens steht beim Verlassen des Gitters 3 eine Überhitzungswärmernenge
für die neuerliche ölverdampfung zur Verfügung, die es erlaubt, eine gesteigerte
Ülmenge durch die Oldüse 6
einzublasen.
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Es erfolgt wieder die Ölverdampfung, Beiinischung des Öldampfes, die
Volumenzunahrne, der Temperaturabfall und die Wiedererhitzung im Gitterwerk2. Die
Temperatur ist hier schon höher, so daß im oberen Teil dieses Gitterwerkes auch
schon Sekundärreaktionen mit Wasserdampf eintreten können. Durch die Sekundärreaktionen
werden die entstandenen niederen Kohlenwasserstoffe, in, Gegenwart von Wasserdampf
weiter zerlegt. Die Kohlenwassserstoffabscheidung tritt in dieser Stufe schon stärker
auf.
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Die jetzt am Ausgang des Gitterwerkes2 vorhandene Überhitzungswärine
läßt eine weitere Steigerung der zu spaltenden Ölnienge, zu, ohne einen besonderen
Abfall der Temperatur im aufsteigenden Gemisch zu verursachen. Bei der Öldüse
7 wiederhoten sich die Vorgänge so wie bei der Düse 6, jedoch bei
höheren Tem13eraturen, so daß die Primärreaktionen schon im aufsteigenden
G misch beginnen. Der weitere Weg im Gitterwerk 1 dient hauptsächlich
den Sekundärreaktionen und der Wassergasreaktion. Diese Reaktionen sind auch tempeTaturabhängig,
verlangen jedoch
höhere! Temperaturen als die Primärreaktionen. Eine weitgehende
Lenkung der Zusammensetzung der Reaktionsprodukte ist daher möglich. Die Abscheidung
des Kohlenstoffes ist naturgemäß im Gitterwerk 1 am stärksten. Niemals aber
kann er in solchen Mengen auftreten, daß seine Verbrennung die bei den bekannten
Ausführungen auftretenden schädlichen örtlichen Überhitzungen bewirkt. Durch die
mehrfache Ein:.düsung, die vollständige VeTdampfung und die allmähliche! Erhitzung
der Öldämpfe, bleibt die Kohlenstoffabscheidung auf das nicht zu umgehende !\,laß
beschränkt. Außerdem verteilt er sich auf drei verschiedene Gitterwerke. Die Gitterwerke
können kata-lytisch wirksam sein. Das Ölgas verläßt den. Ölgaserzeuger durch das
Absperrorgan 23 und, geht zur übliche#n Kühlung und Reinigung. Wenn die Ternperaturen
der Gitterwerke durch den endothermen Spaltungsprozeß bis auf das zulässige Maß
abgefallen sind, muß wieder aufgeheizt werden. Es wird, vorzugsweise automatisch,
wie folgt auf Blasen ge-
schaltet: Es schließen die Doppelventile 20, 21 und
22, wodurch die, Öl- und Dampfzufuhr aufhörL Das Gasedampfventil
19 bleibt noch einige Sekunden länger offen, damit der einströmende Dampf
das im Apparat vorhandene Ölga,s durch das Absperrorgan 23 in die Produktionsleitung
drückt. Dann schließen das Gasedampfventil 19 und das Absperrorgan
23. Es öffnen die Organ#e 13, 9 bis 12 und 14 bis 17. Damit
ist die Stellung »Blasen«. von der diese Beschreibung ausgin '-, wieder erreicht.
Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich in stets gleicher Reihenfolge. Pfeile
zeigen die Str5niungsrichtung der einzelnen Medien an. Aus der Funktionsbeschreibung
ist ersichtlich, daß bei diesem Verfahren. größter Wert darauf ge#-legt wird, kein
eingedüstes Öl vor der vollständigen Verdampfung mit heißen Flächen in Berührung
zu bringen. Die Verdampfung erfolgt im Gegenstrorn zum aufsteigenden Wasserdampf
und dem Öldampf bzw. Ölga,s. Dieses überhitzte Gemisch liefert auch die Verdampfungswärme,
wobei sich die Volumina
und die Temperaturen stufenweise erhöhen.
Irn verdampften Zustand sind die Kohlenwasserstoffe '. infolge des größeren Volumens,
der stärkeren Molekularbewegung und des, weiteren Abstandes der TNIoleküle auch
nicht mehr so ternperaturernpfindlich.
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Die Gitterwerke 1 bis 4 lagern auf Schannottebrücken, zwischen
denen Raum für den Durchtritt der Gase vorhanden ist. In der Zeichnung ist der Schnitt
durch die mittlere der Schamottehrücken geführt.
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Durch Vermeidung überhitzter Stellen in den Gitterwerken wird die,
Teerbildung zurückgedrängt und auch das Auftreten von Aromaten vermindert, was sieh
in einer hohen Gasausbeute ausdrückt. Durch die steigenden Temperaturen tritt auch
die Wassergasreaktion ein und bindet einen Teil des sich ausscheidenden Kohlenstoffes
zu Kohlenmonoxyd, wobei Wasserstoff frei wird. Durch eine getrennte Lufteinführung
über jedem Gitterwerk ist beste Temperaturregelung gesichert. Von \7orteil ist auch
die Verteilung des abgeschiedenen Kohlenstoffes auf mehrere, hier drei verschiedene
Zonen. Außerdem wird eine sichere Verbrennung des unvermeidbaren Kohlenstoffes bei
absoluter Beherrschung der Temperaturen in allen Stufen erreicht. Da durch die Düse5
nur ein Teil der zu vergasenden Kohlenwasserstoffe- eingeführt wird, ist auch nur
ein Teil der Verdampfungswärme aus der Überhitzungswärrne des Wasserdampfes zu decken.
Der verhältnismäßig geringe Dampfverbrauch kann vom Abhitzkessel. gedeckt werden.
Erfindungsgemäß ergeben sich ein hoher Vergasungswirkungsgrad und eine beste Wirtschaftlichkeit.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorbeschriebene Olgaserzeugung.
Sie kann auch für die Spaltung anderer flüssiger Kohlenwasserstoffe mit Vorteil
angewendet werden. Die vielfachen möglichen Variationen der Temperaturen in den
verschiedenen Gitterwerkm sowie bei der stufenweisen Kohlenwasserstoffeindüsung
gestatten, vorwiegend Olefine als Reaktionspredukt zu erzeugen. Es ist daher möglich.
'ithvlenhaltige Gase vornehmlich für Industriezwecke lierzustellen.