-
Verfahren und Brenner zur Herstellung von im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff bestehenden Gasgemischen durch thermische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zum weitaus überwiegenden
Teil aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehenden Gasgemischen auf thermischem
Wege durch Umsetzung von gasförmigen und/oder flüssigen und/oder verflüssigten Kohlenwasserstoffen
mit sauerstoffangereicherter Luft oder Sauerstoff, bei dem die gegebenenfalls vorerhitzten
Reaktionskomponenten einem Brenner zugeführt werden, sowie einen für die Durchführung
des Verfahrens geeigneten Brenner.
-
Es ist bereits eine Vorrichtung zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen
bekannt (USA.-Patentschrift 2 621 117), bei der einem aus zwei koaxial zueinander
angeordneten Rohren bestehendem Brenner durch das innere Rohr Sauerstoff und durch
das dieses Rohr umgebende Rohr ein Kohlenwasserstoff zugeführt wird. Am Ende dieser
beiden Rohre erfolgt eine unter Sauerstoffüberschuß ablaufende vollkommene Verbrennung
des Kohlenwasserstoffes zu Wasserdampf und Kohlendioxyd. Diesem Verbrennungsgemisch
wird über ein drittes, zu den beiden Innenrohren koaxiales Rohr Kohlenwasserstoff
zugeführt, der durch Perforationen in der Wandung des zweiten Rohres ringförmig
den vollkommen oxydierten Verbrennungsprodukten der erstgenannten Verbrennung in
einer Menge zugeführt wird, daß letzten Endes ein Gasgemisch entsteht, das im wesentlichen
Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthält. Diese Vorrichtung besitzt jedoch verschiedene
Nachteile. Einmal sind die bei der zunächst stattfindenden vollkommenen Verbrennung
auftretenden Temperaturen sehr hoch, zum anderen muß eine derartige Vorrichtung
eine große Länge besitzen, damit sich die den Brenner verlassenden Gase mit den
durch das Außenrohr zugeführten Kohlenwasserstoffen vollständig zu Wasserstoff und
Kohlenmonoxyd umsetzen können.
-
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß ein Teil der
Umsetzung in einem in der Mittelachse gelegenen zentralen Hauptbrenner durchgeführt
wird, dem neben einem Teil der umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe noch 60 bis 800%
des zur völligen Verbrennung dieses Teiles zu Kohlendioxyd und Wasser erforderlichen
Sauerstoffes zugeführt wird, während der restliche Teil der umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe
konzentrisch dicht um diesen Hauptbrenner gruppierten, zu ihm parallel gelegenen
Außenbrennern zugeführt wird, die ihrerseits mit nur 50 bis 800% des zur völligen
Umwandlung der ihnen zugeführten Kohlenwasserstoffe in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
erforderlichen Sauerstoffes versorgt werden, wobei die Gesamtmenge des dem Mittel-
und den Außenbrennern zugeführten Sauerstoffes so gewählt wird, daß sie gerade zur
völligen Umwandlung der insgesamt zugeführten Kohlenwasserstoffe in Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff ausreicht, wobei Anordnung und Beschickungsmenge der einzelnen Brenner
derart gewählt werden, daß sich die Gase der Außenbrenner zu einer kontinuierlichen
Fläche zwischen der Flamme des Mittelbrenners und einer zylindrischen Hülle, in
die alle in Umsetzung befindlichen Gase strömen, vereinigen, und daß die Länge des
Verbrennungsraumes des Mittelbrenners auf das für die Stabilität der Flamme unerläBliche
Ausmaß beschränkt wird und die intensive Ausstrahlung dieser Flamme durch die Fläche,
die die Gase der Außenbrenner bilden, aufgenommen wird. Dadurch, daß im zentral
gelegenen Hauptbrenner die völlige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe nur zu 60
bis 80% erfolgt, wird die Temperatur, die in dieser Verbrennungszone auftritt, so
weit gesenkt, daß ein derartiger Brenner, ohne große Materialschwierigkeiten in
Kauf nehmen zu müssen, hergestellt werden kann. Die in dieser Verbrennungszone auftretenden
Temperaturen liegen auf jeden Fall
zwischen 1900 und 2000' C. Dadurch,
daß die Verbrennung in den Außenbrennern nur mit 50 bis 800% der Sauerstoffmenge
erfolgt, die zur Umwandlung der ihnen zugeführten Kohlenwasserstoffe in Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff erforderlich ist, kommt es zur Bildung von Ruß, der die vom zentral
gelegenen Hauptbrenner ausgehende Strahlungswärme weitgehend absorbiert und damit
die zylindrische Hülle, in die alle in Umsetzung befindlichen Gase strömen, vor
der Einwirkung dieser Strahlungshitze schützt. Auch dadurch sind Matdrialschwierigkeiten
beim Bau des Brenners weiter vermindert. Des weiteren wird durch die Verbrennung
in den Außenbrennern bereits eine genügende Turbulenz erzeugt, um zu erreichen,
daß die im Hauptbrenner und in den Außenbrennern entstehenden Verbrennungsprodukte
sich rasch vermischen, und außerdem besitzen die Verbrennungsgase der Außenbrenner
und des Hauptbrenners miteinander vergleichbare Temperaturen, so daß auch durch
diesen Umstand die Durchmischung der Gasströme erleichtert wird und in kürzerer
Zeit erfolgen kann als bei den bekannten Brennern. Ein im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendeter Brenner kann somit eine sehr kurze Baulänge aufweisen.
-
Wenn für gewisse Anwendungszwecke ein Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
enthaltendes Gasgemisch mit hohen Temperaturen gewünscht wird, kann das erfindungsgemäße
Verfahren derart durchgeführt werden, daß als sauerstoffhaltiges Gas ein Gas verwendet
wird, das mindestens 70 Volumprozent, vorzugsweise 92 bis 94 Volumprozent, Sauerstoff
enthält. Ein so erhaltenes sehr heißes, stark reduzierendes Gasgemisch ist in besonderem
Maße geeignet, in reduzierende Schachtöfen, beispielsweise Hochöfen, eingeblasen
zu werden, da es eine Temperatur aufweist, die der an der Einblasestelle herrschenden
Temperatur entspricht und die dadurch das dort herrschende Gasgleichgewicht nicht
stört.
-
Wenn für den Fall der Anwendung flüssiger und/ oder verflüssigter
Kohlenwasserstoffe als der einen Reaktionskomponente diese vor der Einführung in
den Brenner unter Zuhilfenahme von Wasserdampf oder eines Heizgases, wie z. B. Koksofengas,
vernebelt werden, woraufhin bei der folgenden teilweisen Verbrennung auch Bestandteile
dieses Heizgases unter Bildung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff teilnehmen können,
kann das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlicher durchgeführt werden. Bei der
Vernebelung der den Brennern zugeführten flüssigen oder verflüssigten Kohlenwasserstoffe
mittels eines Heizgases kann in der Zeiteinheit eine größere Gasmenge erzeugt werden.
Erfolgt die Vernebelung mit Hilfe von Wasserdampf, so kann einerseits Sauerstoff
eingespart werden und im erhaltenen Gasgemisch ein höherer Wasserstoffgehalt erzielt
werden, und andererseits wird, da dieser Wasserdampf unter Energieaufwand aufgespalten
werden muß, die Temperatur des erhaltenen Gasgemisches weiter gesenkt, wodurch entweder
die Lebensdauer eines unter Verwendung bestimmter Materialien hergestellten Brenners
erhöht oder aber ein für die Vernebelung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf
eingerichteter Brenner aus Materialien geringerer Temperaturbeständigkeit hergestellt
werden kann.
-
Da bei der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in ein Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch durch teilweise Verbrennung stets auch Ruß
entsteht, der sich an den Brennern ablagern kann und in großen Mengen vorhanden,
den Betrieb der Brenner stört, kann zwecks Beseitigung solcher Rußabscheidungen
das Verfahren gemäß der Erfindung derart durchgeführt werden, daß die Außenbrenner
in gleichem Abstand vom Mittelbrenner und vorzugsweise in gerader Anzahl vorgesehen
werden und in jeweils einem Außenbrenner oder vorzugsweise in jeweils zwei einander
gegenüberliegenden Außenbrennern automatisch und periodisch die Kohlenwasserstoffbeschickung
bei bestehenbleibender Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases unterbrochen wird, wodurch
der an dem(n) betreffenden Außenbrennern) abgelagerte Kohlenstoff verbrannt wird,
während inzwischen die übrigen Außenbrenner und der Hauptbrenner zufolge einer gleichbleibenden
Gesamtbeschickung aller Außenbrenner eine entsprechende erhöhte Umwandlungsleistung
erbringen, so daß die Leistung des gesamten Brenners stets gleichmäßig bleibt. Die
bei derart durchgeführten Verfahren erhöhte Beschickungsmenge der Brenner (der Außenbrenner
und des Hauptbrenners) mit Kohlenwasserstoff kann, da sie z. B. bei insgesamt elf
vorhandenen Brennern nur insgesamt etwa 180% beträgt, leicht aufgenommen werden.
Die Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Brennern werden durch diese geringe Mehrbelastung
praktisch nicht beeinflußt. Das Abbrennen von Kohlenstoffrückständen stellt einen
wesentlichen Vorteil dar, der nur mit im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendeten, in Einzelbrenner aufgespaltenen Brennern erzielbar ist.
-
Der erfindungsgemäße Brenner zur Durchführung des Verfahrens kann
außer den Zuleitungen für die Reaktionskomponenten Misch- und Verbrennungskammern
und Ableitungen für die entstehenden Gasgemische, Kanäle und Kammern für die Rückführung
teilweise verbrannten Gasgemisches und Ansaugöffnungen für die rückgeführten Gase
aufweisen. Die Rückführung der Gase erfolgt hierbei durch Injektorwirkung, welche
durch die aus den Zuführungen ausströmenden Brennstoffe erzeugt wird. Dadurch wird
eine verbesserte Durchmischung des erhaltenen Gasgemisches und eine Zusammensetzung
desselben erreicht, die derjenigen des thermodynamischen Gleichgewichtes besser
entspricht, d. h. daß das schließlich erhaltene Gasgemisch einen äußerst geringen
Gehalt an Kohlendioxyd und Wasserdampf besitzt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert.
-
Als Kohlenwasserstoff wird Methan verwendet; das in Natur- und Raffineriegasen
in Mengen von 900% und mehr vorhanden ist. Es wird dem Brenner in einer Menge von
25 Nm3 pro Minute unter einem Druck von 5 atü mit einer Temperatur von 600 bis 625°
C zugeführt. Der Hauptbrenner weist einen Durchmesser von 22,90 cm, die zehn Außenbrenner
einen solchen von je 12,30 cm auf.
-
Bei diesen Werten für die einzelnen Durchmesser wird zweckmäßig die
Stärke der Wand zwischen dem Kreis des Hauptbrenners und dem Kreis der Außenbrenner
mit ungefähr 5,54 cm, die Stärke der Wand zwischen den Kreisen der Außenbrenner
mit ungefähr 2,0 cm, der gesamte Außendurchmesser des Kopfes des Brenners, einschließlich
Gehäuse, mit ungefähr 68,6 cm und die annähernde Gesamtlänge des Brenners mit ungefähr
185 cm bemessen.
Dem Hauptbrenner werden 80% des für die vollständige
Verbrennung des Methans benötigten Sauerstoffes, den Außenbrennern 700% des für
die Umwandlung des Methans in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erforderlichen Sauerstoffes,
beide Male in Form von technisch reinem Sauerstoff, zugeführt. Das erhaltene Gasgemisch
weist die folgende Zusammensetzung auf:
| CO . . . . . . . . . . . . 32 bis 33 Volumprozent |
| HZ . . . . . . . . . . . . . 65 bis 66 Volumprozent |
| C02 . . . . . . . . . . . . < 0,001 Volumprozent |
| H20 . . . . . . . . . . . < 0,001 Volumprozent |
| N2 . .. . . . . . . . . .. Rest'Volumprozent, aus dem |
| technisch reinen Sauer- |
| stoff stammend |
Seine Temperatur beträgt ungefähr 1525° C; es verläßt den Brenner mit einer Geschwindigkeit
von etwa 50 m/sec. Das Verhältnis der von den Außenbrennern erzeugten Gasvolumina
zu dem vom Hauptbrenner erzeugten Gasvolumen beträgt 0,457.
-
1n der Zeichnung ist ein Brenner für das erfindungsgemäße Verfahren
schematisch als senkrechter Schnitt (Fig. I) und als Horizontalschnitt (Fig. 11)
dargestellt. In der Zeichnung ist mit 1 eine Zuleitung für Sauerstoff oder für ein
an Sauerstoff angereichertes Gas bezeichnet. Der Zutritt dieses Brenngases wird
zu jedem einzelnen Brenner mittels eines Regulierventils 13 geregelt. Mit
2 ist die Einspritzvorrichtung für den Brennstoff, beispielsweise' für Brennöl,
bezeichnet. Der Brennstoff wird durch diese Einspritzvorrichtung unter Druck eingespritzt.
Die Regelung der Einspritzung erfolgt mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten
Regelventils. Mit 3 ist eine elektrische Zuleitung für die Zündvorrichtungen 8 bezeichnet.
4 ist die Einleitungskammer für den Sauerstoff und 5 die Einspritz- und Mischkammer
für den Brennstoff und den die Verbrennung unterhaltenden Stoff, z. B. Sauerstoff:
Mit 6 sind Kanäle und Kammern für die Rückführung der teilweise verbrannten Gasgemische
bezeichnet. 7 stellt die Ansaugöffnung der rückgeführten Gase dar. Mit 9 ist die
Wand bezeichnet, von welcher aus sich die Flamme nach unten erstreckt. 10 ist die
Verbrennungs- und Mischkammer, und mit 11 ist das den Brenner umgebende Stahlgehäuse
bezeichnet. Dieses Stahlgehäuse ist innen mit feuerbeständigem Material
12 ausgekleidet. 13 ist das Regelventil für die Regelung der Zuleitung
des Sauerstoffes, und 14 ist ein elektromagnetisches Ventil, welches die
Zufuhr von Brennstoff in periodischen Abständen unterbindet.