DE1467447C

DE1467447C - Verfahren zur Rußerzeugung

Info

Publication number: DE1467447C
Authority: DE
Inventors: Zsigmond de Brüssel; Prunet Jean Paris Galocsy
Original assignee: Finacalor Aktiengesellschaft, Vaduz

Description

Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, welche durch unvollständige Verbrennung von gas- und dampfförmigen Kohlenwasserstoffen Ruß erzeugen können. Diese Zersetzung von Kohlenwasserstoffen bedingt als Endeffekt stets einen gewissen Wärmeverbrauch, und es muß daher ein Teil der in Frage kommenden Kohlenwasserstoffe mehr oder weniger vollkommen verbrannt werden, um den Wärmeverbrauch des Prozesses decken zu können. Die Rußausbeute der bisher bekannten Verfahren liegt bei nur 3 bis 30 % der eingesetzten Kohlenwasserstoffmengen, und es gehen daher 97 bis 70% dieser Mengen vollkommen verloren.

Es ist der Zweck der Erfindung, einen Weg anzugeben, mit dessen Hilfe die Rußausbeute bis zu 90% der eingesetzten Kohlenwasserstoffmengen gesteigert werden kann. Ferner erlaubt die Erfindung — je nach Wahl der Betriebsbedingungen — aktive Rußsorten von Partikelgrößen zwischen 15 bis 300 Millimikron beliebig zu erzeugen.

Bei den bisher bekannten Verfahren werden sowohl die gas- oder dampfförmigen Kohlenwasserstoffe als auch die Verbrennungsluft in kaltem Zustand in den Verbrennungsraum eingeführt, so daß zur Deckung des Wärmebedarfes nur die thermische Energie von einem Teile der eingeführten Kohlenwasserstoffe zur Verfügung steht. Auch ist zu bemerken, daß bei all diesen Prozessen die Verbrennung bei Luftmangel, also im Kohlenwasserstoffüberfluß erfolgt, wenn die Verbrennung nicht nach den Typengleichungen

1. CH₄ + 2O₂ = CO₂ + H₂O — 8555 kcal/Nm CH₄ oder

2. C₃H₆ + 4,5 O₂ = 3CO₂ + 3H₂O

— 21 070 kcal/Nm C₃H₈

verläuft, sondern nach den Gleichungen:

3. CH₄ + 1,5 O₂ = CO + 2H₂O

— 5510 kcal/Nm CH₄

oder

4. C₃H₆ + 3 O₂ = 3CO + 3H₂O

— 11 150 kcal/Nm C₃H₈.

Es treten auch gleichzeitig folgende Reaktionen auf:

5. CH₄ + O₂ = CO + 2H₂ — 375 kcal/Nm CH₄
oder

6. C₃H₆ + 1,5O₂ = 3CO + 3H₂

— 3430 kcal/Nm C₃H₈

und es sind also die tatsächlich erzeugten Wärmemengen nur Bruchteile jener Wärmemengen, welche bei vollkommener Verbrennung erzeugt werden könnten.

Hieraus folgt, daß um nur eine gewisse Menge von Kohlenwasserstoffen nach dem bisher bekannten Verfahren erzeugen zu können, weitere, erhöhte Mengen an Kohlenwasserstoffen verbrannt werden müssen.

Es ist bereits ein Verfahren zur Rußerzeugung durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen bekannt, bei dem die zu zersetzenden vorgewärmten Kohlenwasserstoffs in axialer Richtung in einen zylindrischen Brennraum eingeblasen oder eingesprüht werden. Zugleich werden in dem Brennraum durch tangentiale Zuführung von gegebenenfalls vorgewärmten Kohlenwasserstoffen, vorgewärmter Luft oder andern Sauerstoffreichen Gasgemischen und gegebenenfalls auch Rauchgasen Verbrennungsgase erzeugt, die etwa im Achsbereich des Brennraumes mit den zu zersetzenden, auf eine über ihrer Zersetzungstemperatur liegende Temperatur vorgewärmten Koh- lenwasserstoffen zusammentreffen und in axialer Richtung in eine sich an den Brennraum anschließenden weiteren Raum fortgeführt werden, an dessen Ende eine Abschreckung der Reaktionsprodukte, beispielsweise durch eingespritztes Wasser, erfolgt. Es besteht bei diesem Verfahren die Gefahr einer Reaktion der tangential zugeführten Verbrennungsluft mit den axial zugeführten thermisch zu zersetzenden Kohlenwasserstoffen, und dementsprechend ergeben sich Rußausbeuten zwischen etwa 20 bis 45%, bezogen auf die eingesetzten Kohlenwasserstoffe, während, wie eingangs gesagt, die Ausbeuten bei dem Verfahren gemäß der Erfindung erheblich höher liegen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Rußerzeugung durch thermische Zersetzung von

as Kohlenwasserstoffen, wobei ein Teil der vorgewärmten Kohlenwasserstoffe oder ein anderer vorgewärmter Brennstoff mit vorgewärmter Luft in einem Brennraum vollständig verbrannt wird und den Verbrennungsgasen, denen gegebenenfalls CO₂-haltige Restgase des Verfahrens oder fremde CO₂-haltige Gase zugefügt werden, die zur Zersetzung bestimmten auf eine über ihrer Zersetzungstemperatur liegende Temperatur vorgewärmten Kohlenwasserstoffe in einem sich an den Brennraum anschließenden Reaktionsraum zugesetzt werden, worauf die Reaktionsprodukte auf unter 900⁰C abgekühlt und der Ruß abgeschieden wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfahren bei einem Druck zwischen 3 und 5 atm durchgeführt wird und die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in dem Reaktionsraum zwischen 0,08 und 0,6 Sekunden beträgt, wobei die Verbrennung bei etwa 1800⁰C stattfindet.

Durch die hohe Vorwärmung der Kohlenwasserstoffe wird beim Verfahren der Erfindung der Reaktionszone eine beträchtliche Wärmemenge zugeführt, die dann dort nicht durch Verbrennung der zur Zersetzung bestimmten Kohlenwasserstoffe erzeugt werden muß. Die Gefahr einer vorzeitigen Zersetzung der Kohlenwasserstoffe besteht nicht, da deren tatsächlicher Zersetzungspunkt bei dem herrschenden Druck über ihrer normalen Zersetzungstemperatur liegt. Mit dem gleichen Ziele kann die gegebenenfalls mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft wenn nötig bis auf 1600° C vorgewärmt werden. Durch Zusatz von CO₂-haltigen Gasen in den Brennraum, beispielsweise von Restgasen des Verfahrens, aber auch anderen CO₂-haltigen Gasen, wie Abgasen aus einem Kalkbrennofen, kann die Rußausbeute erhöht werden. Die Temperatur im Reaktionsraum wird auf Werte zwisehen 1000 und 1500⁰C eingestellt. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches im Reaktionsraum beeinflußt die Größe der erzeugten Rußpartikeln derart, daß bei längerer Verweilzeit kleinere Rußpartikeln erhalten werden.

Sj Nach erfolgter Reaktion werden dann die R.cajctionsprodukte scnneüsiens auf "uriter 90C⁰C abgekühlt.

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kommene Verbrennung benutzt werden können. Zu diesem Zweck sind hoch CO-haltige Gase mit sehr gleichmäßiger Zusammensetzung besonders geeignet, wie z. B. Wassergas oder reformiertes Gas. Dies ist besonders von Vorteil, wenn Ruß aus Methan erzeugt werden soll. Der Bedarf an Verbrennungsluft von Methan ist um 25 bis 3O°/o höher als jener für CO und die Menge der Verbrennungsgase ebenfalls — gleiche Kalorienwerte vorausgesetzt — viel größer. 1 Nm O₂ gibt bei vollkommener Verbrennung von CO 6055 kcal, während dieselbe Menge bei der Verbrennung von Methan nur 4270 kcal abgibt. Es können solche Heiz-* gase an Stelle von Kohlenwasserstoffen eingesetzt, auf viel höhere Temperaturen als 100O⁰C vorerhitzt werden. Es addiert sich also auch ihre Enthalpie zu der durch die Verbrennung entwickelten und erhöhten, für die Zersetzung notwendigen und zur Verfügung stehenden Wärmemenge.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird am besten an Hand der Zeichnung dargestellt. ao

In dem Vorwärmer 1 wird die durch die Leitung/! einströmende Verbrennungsluft, im Vorwärmer 2 der aus der Leitung B kommende Kohlenwasserstoff und im Vorwärmer 3 ein Teil des Restgases aus der Leitung E vorgewärmt. Die Verbrennung selbst erfolgt dann im Verbrennungsraum 4, welcher mit den Vorwärmern mit Leitungen C, D und F verbunden ist. Jener Teil der Kohlenwasserstoffe, welcher zu den beabsichtigten Reaktionen dienen soll, wird mit Leitung D in den unteren Teil des Raumes 4 eingeführt. Von hier gelangen die Reaktionsprodukte durch G in den ersten Kühler 5, wo sie z. B. durch Wassereinspritzen unter 900° C gekühlt werden. Dieser ist durch die Leitung H mit dem Abscheidungsapparat 6 verbunden und. führt weiter durch J in den Schlußkühler 7. Das gereinigte und abgekühlte Restgas dient über Leitungen K und M zur Beheizung der Vorwärmer oder auch über Leitung £ zur Rückführung in den Prozeß. An Stelle eines solchen Restgases kann in den Vorwärmer 3 auch ein CO₂-haltiges Gas eingeführt werden. Ebenso kann im Vorwärmer 2 ein anderer beliebiger, gasförmiger oder flüssiger Brennstoff vorgewärmt werden. In diesem Fall muß ein weiterer, nicht dargestellter Vorwärmer zur Erhitzung der zu zersetzenden Kohlenwasserstoffe vorgesehen werden.

Beispiel 1
. Eingesetzte Stoffe:

130 kg Naphthalin auf 400⁰C vorgewärmt
70 Nm Luft auf 1000⁰C vorgewärmt

50 Nm Kalkofengas auf 1000⁰C vorgewärmt

Ausbringen:

125 kg Ruß = etwa 90%

145 Nm Restgas zu 1200 kcal/Nm

Beispiel 2
Eingesetzte Stoffe:

45Nm Methan auf 900⁰C vorgewärmt
105 Nm Luft auf 1400⁰C vorgewärmt
158 Nm Restgas auf 1000⁰C vorgewärmt

Ausbringen:

16 kg Ruß = etwa 78 °/₀
270 Nm Restgas zu 1200 kcal/Nm

Die obigen Beispiele zeigen, daß bei dieser Arbeitsweise bisher nie erreichte Resultate erzielt werden können.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Rußerzeugung durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen, wobei ein Teil der vorgewärmten Kohlenwasserstoffe oder ein anderer vorgewärmter Brennstoff mit vorgewärmter Luft «in einem Verbrennungsraum vollständig verbrannt wird und den Verbrennungsgasen, denen gegebenenfalls CO_a-haltige Restgase des Verfahrens oder fremde CO₂-haltige Gase zugefügt wurden, die zur Zersetzung bestimmten auf eine über ihrer Zersetzungstemperatur liegende Temperatur vorgewärmten Kohlenwasserstoffe in einem sich an den Verbrennungsraum anschließenden Reaktionsraum zugesetzt werden, worauf die Reaktionsprodukte auf unter 900⁰C abgekühlt und der Ruß abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem Druck zwischen 3 und 5 atm durchgeführt wird und die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Reaktionskammer zwischen 0,08 und 0,6 Sekunden beträgt, wobei die Verbrennung bei etwa 1800⁰C stattfindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen