DE1966995B2

DE1966995B2 - Verfahren zur Herstellung von FurnaceruB (II)

Info

Publication number: DE1966995B2
Application number: DE19691966995
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Chem. Dr. Jaeger; Gerhard Dipl.-Chem. Dr. Kuehner; Heinrich Dipl.-Ing. Sauer
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1969-02-28
Filing date: 1969-02-28
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE1966995C3; DE1966995A1

Description

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen, einbautenlosen Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie.

Verfahren zur Herstellung von Furnaceruß sind im allgemeinen dadurch charakterisiert, daß man eine heiße, aus Brenngas und überschüssiger Luft erzeugte Flamme einen als Rußrohstoff geeigneten Kohlenwasserstoff einbringt, wobei, bezogen auf den Gesamtkohlenstoff, der mit der Luft eingebrachte Sauerstoff im Unterschuß ist. Da das Brenngas zum Zwecke der Energieerzeugung eingesetzt wird, sollte es auch möglichst vollständig verbrennen und so den Hauptanteil der Luft verbrauchen, damit nicht unter Ausbeuteminderung mehr von dem Rußrohstoff verbrannt wird als zur Aufrechterhaltung des Rußbildungsprozesses notwendig ist.

Zu den bisher beschriebenen Verfahren wird eine gute Verbrennung des Brenngases in der Regel dadurch erzielt, daß man beispielsweise eine der Rußbildungszone vorgeschaltete Vorbrennkammer benutzt, die so ausgelegt ist, daß das Brenngas Gelegenheit hat, mit der zugeführten Luft vollständig zu verbrennen, ehe es mit dem eingeführten Rußrohstoff in Berührung kommt. Als Nachteil ergibt sich hier eine schlechte Energieausnutzung, da ein Teil der Wärme über den gekühlten Rußrohstoff-Injektor bzv.. über die Vorbrennkammer selbst abgeführt wird, bevor eine Übertragung auf den Rußrohstoffstrahl stattfindet.

Nach einem anderen bekannten Verfahren verwendet man einen Rußreaktor, der durch entsprechende Einbauten, beispielsweise eines sogenannten Restriktorringes, für eine intensive Durchmischung des Brenngases mit Luft sorgt, wobei aber auch der Rußrohstoff mit dem Brenngas/Luft-Gemisch verwirbelt wird. Bei dieser Ausführungsform kommt daher der Rußrohstoff sehr früh mit dem Luftsauerstoff in Berührung, so daß infolge Verbrennung von Rußrohstoff die Ausbeute vermindert wird.

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen, einbautenlosen Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie. Dieser ist gekennzeichnet durch eine oder mehrere nahe der

ίο Stirnseite des Reaktors tangential angeordnete schlitzförmige Zufuhrkanäle für die Verbrennungsluft, einen stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Rußrohstoff-Injektor mit vornliegender, einen kleinen Sprühwinkel von 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse sowie innerhalb der Zufuhrkanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete Brenngaslanzen.

Die oben genannten Nachteile der bekannten Verfahren lassen sich also vermeiden, wenn man unter strömungstechnischer Trennung von Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone in einem von Einbauten freien Reaktionsrohr Rußrohstoff in eine durch die Wandungen des Reaktionsrohrs abgestützte und entlang seiner Achse strömende, durch Oxydation des Brenngases mittels Verbrennungsluft erzeugte Flammenhülle, unter feinster Zerstäubung in einem stark gebündelten Strahl einbringt.

Man läDt also in einem Reaktionsrohr mit glattem Innenmantel das Brenngas in einer äußeren Hülle mit dem Luftsauerstoff verbrennen, die sich entlang der Ofenachse rund um den eintretenden Rußrohstoff bewegt. Dadurch erhält das Brenngas ein Überangebot an Luftsauerstoff, kann also vollständig verbrennen, während gleichzeitig die Übertragung der Wärmeenergie auf den Rußrohstoff erfolgt.

Eine wesentliche Voraussetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das der Rußrohstoff in möglichst feiner Verteilung in den Ofen eingebracht wird, wobei der feinzerstäubte Strahl zusätzlich so stark gebündelt sein sollte, daß eine vorzeitige Vermischung der heißen Flammenhülle mit dem Rußrohstoff bzw. dessen Folgeprodukten vermieden wird.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei den bisher bekannten Verfahren durchwegs Zerstäubervorrichtungen mit unzulänglicher Dispersionswirkung Verwendung fanden. Dieser Mangel mußte durch Einbauten im Rußofen, welche die Verwirbelung fördern, wieder ausgeglichen werden, womit jedoch zwangsläufig der erwähnte Nachteil verschlechterter Ausbeute verknüpft war. Demgegenüber hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zerstäubung des Rußrohstoffes einen Injektor mit vornliegender Mischdüse zu verwenden, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 16 25 206.5 beschrieben ist.

Ein derartiger Brenner weist an einem Ende eine mit einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordnetes und innerhalb desselben endigendes Rußrohstoff-Zufuhrrohr auf, wobei der

bo Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs beträgt und nach vorteilhaften Ausführungsformen das Rußrohstoff-Zufuhrrohr relativ zum Mantelrohr in der Längsachse verschiebbar ist und im Bereich der Verengung des Mantelrohres zur Düse hin mündet, während die Injektordüse eine zylindrische, venturi- oder lavaldüsenförmige Bohrung hat, die wesentlich enger als das Mantelrohr ist.

Die gefundene definierte Verbrennungsführung des Brenngases zur Erzielung optimaler Ausbeuten ist von der Erfüllung zweier Voraussetzungen abhängig: Das Brenngas muß einerseits möglichst rasch und intensiv mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft vermischt werden, so daß vollständige Verbrennung erfolgen kann, bevor es mit dem Rußrohstoff in Berührung kommt Andererseits muß die bei der Verbrennung freiwerdende Energie möglichst ohne größere Verluste auf den feinverdüsten Rußrohstoffstrahl übertragen werden, wobei die Wärmestrahlung eine wichtige Rolle spielt Das bedeutet daß die räumliche Anordnung von Gasverbrennungs- und Rußbildungszone von außerordentlicher Bedeutung ist wenn man die Rußausbeute über den Wert hinaus steigern will, der bei starker Durchmischung aller Komponenten erzielt wird.

Der erfindungsgemäße Reaktor gestattet, daß man die Verbrennungsluft nahe der Stirnseite des Reaktors mittels eines oder mehrerer schlitzförrr^:ger Zufuhrkanäle tangential in das Reaktionsrohr einführt und schraubenförmig an dessen Innenmantel entlangfließen läßt und das Brenngas mittels innerhalb der Zufuhrkanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordneter Gaslanzen, vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit, in die Verbrennungsluft einbläst.

Bei dieser Verfahrensführung wird also nicht nur die Verbrennungsluft, sondern auch das Brenngas tangential in einen Reaktor, der aus einer glatten Röhre ohne zusätzliche Einbauten besteht, eingebracht. Das geschieht mit Hilfe zweier Gaslanzen, die innerhalb der jo Verbrennungsluftzuführungskanäle so angeordnet sind, daß sie sich relativ zu diesen verschieben lassen. Dadurch können Brenngas und Verbrennungsluft kurz vor ihrem Eintritt in den Reaktor vorgemischt werden, so daß die Verbrennung mit voller Wirkung im J5 Reaktionsrohr einsetzen kann. Bei dieser Verfahrensvariante ergibt sich als wertvoller Vorteil die Möglichkeit, zu gezielter Beeinflussung der Rußqualität den Abstand zwischen den Mündungen von Rußrohstoff-Injektor und Gaszufuhrkanälen in geeigneter Weise einzustellen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß ein tieferes Einschieben des Injektors in das Reaktionsrohr, also eine Verkleinerung des erwähnten Abstands, die Bildung von Rußen mit erhöhter Struktur bewirkt. Umgekehrt geht eine Vergrößerung des Abstands zwischen Injektor- und Gaskanalmündung mit einer Absenkung eier Ruß-Struktur einher.

Zur Herstellung von Furnaceruß ist das Verfahrensprinzip der Thermolyse von Rußrohstoff mittels Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie bereits mehrfach angewendet worden (DE-AS 12 00 983 und US-PS 32 22 131). Die Verwendung von Zweistofl'-Injektoren bei rohrförmigen, einbautenlosen Furnace-Ruß-Reaktoren ist zudem aus der GB-PS 8 14 095 bekannt gewesen. Diese Patentschrift zeigt in Figuren 1 und 3 einen mit einer vor der Injektormündung angeordneten Drossel versehenen Reaktor, welcher an der Stirnseite tangential angeordnete Einlasse für Verbrennungsluft, den stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Zweistoff-Injektor, bo sowie einen um den Injektor angeordneten, mit Öffnungen versehenen Mantel für das Brenngas sowie zusätzliche, in der Reaktorstirnseite um den Injektor herum angeordnete und zum Rußrohstoffaustritt zielende Brenngasdüsen aufweist. Aufgabe und Funk- b5 tion dieses Reaktors stehen in vollständigem Gegensatz zur Aufgabe und Funktion des erfindungsgemäßen Reaktors, Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone im Reaktor auf eine möglichst lange Strecke getrennt zu halten, denn die zusätzlichen, zur Reaktorachse angestellten Brenngasdüsen führen in Verbindung mit der Drossel zu einer starken Turbulenz an der Injektormündung und fördern eine sofortige innige Vermischung von Luft, Brenngas und Rußrohstoff. Zwar werden mit dieser Anordnung unerwünschte Pulsationen vermieden, doch können sich die mit vorliegender Erfindung erzielbaren Vorteile nicht einstellen

Die GB-PS 7 43 879 beschreibt einen Rußreaktor mit einer zylindrischen ersten Reaktionskammer größeren Querschnitts, an die sich über ein konisches Verbindungsstück eine zweite zylindrische Reaktionskammer kleineren Querschnitts anschließt An der Stirnwand der ersten Kammer ist ein in geringem Abstand von ihrem Mantel und vor einem Ringspalt für den Eintritt kreisender Verbrennungsluft verlaufender ringförmiger Verteiler für Brenngas angeordnet Ein Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff sitzt in der Mittelachse des Reaktors und endigt etwa in der Ebene des Brenngas-Verteilerrings. Es erfolgt turbulente Verbrennung in der ersten Kammer; das Reaktionsgemisch wird sodann durch den Konus in die zweite Kammer kleineren Durchmessers gedrückt. Aufgabe und Funktion des bekannten Reaktors stehen daher in vollständigem Gegensatz zum Erfindungsgegenstand, welcher eine Trennung einer Thermolysezone von einer sie ringförmig umgebenden Wärmeerzeugungszone über eine möglichst lange Strecke eines verengungsfreien Reaktorrohres erlaubt.

Die GB-PS 7 78 207 betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Ruß und Synthesegas, bei dem ein Rußrohstoffnebel von reinem Sauerstoff umhüllt wird und durch teilweise Verbrennung dieses Rohstoffs Ruß und sogenanntes »Tailgas« gebildet werden, welch letzteres als den Sauerstoffstrom umhüllender Mantel teilrezykliert wird. Aufgabenstellung und Funktion ist hier ebenfalls anders gelagert als beim Erfindungsgegenstand, weil zur Wärmeerzeugung partielle Verbrennung des zu thermolysierenden Rußrohstoffs herangezogen wird, was beim Erfindungsgegenstand absichtlich vermieden wird.

Die US-PS 32 56 066 und die ihr entsprechende GB-PS 10 68 178 beschreibt einen Rußreaktor mit einem rohrförmigen, einbautenfreien Reaktionsraum, der sich stirnseitig zu einem mit Lufteinlaßschlitz versehenen Konus erweitert. Reaktionsrohr und Konus werden in einem geschlossenen Mantel, der zu Luftzufuhr und Vorwärmung dient, umgeben. Stirnseitig ist in der Reaktormittelachse eine Brenner/Zerstäubervorrichtung montiert, welche radiale Brenngasaustritte innerhalb des Konus aufweist und deren Rußrohstoff-Zerstäuberdüse knapp in das Reaktionsrohr hineinreicht. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Reaktor verleiht die konische Vorkammer dem rotierenden Luft/Brenngas-Gemisch eine Spiralbewegung, welche eine unmittelbare Durchdringung des Rußrohstoffsprühkegels mit dem genannten, zur Wärmeerzeugung dienenden Gasgemisch verursacht. Eine Trennung von Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone ist hier nicht verwirklicht.

Das mit der erfindungsgemäßen Reaktor durchführbare Verfahren hat gegenüber den bisher bekannten Verfahren folgende Vorteile:

1. Durch die Konzentrierung von Brenngas und Verbrennungsluft auf den Bereich der Reaktorwandung kommt es zu einer sehr schnellen und

vollständigen Verbrennung des Brenngases, da ja der Sauerstoff der Verbrennungsluft gegenüber dem Brenngas im Überschuß vorhanden ist. Sauerstoff wirkt also auf den Rußrohstoff erst ein, nachdem der zur Verbrennung des Brenngases benötigte Sauerstoffanteil vollständig verbraucht ist.

2. Bei der Verbrennung bildet sich neben Wasserdampf vor allem CO2, d. h. energiemäßig betrachtet, wird das Brenngas vollkommen ausgenützt. Der Vorteil wird besonders deutlich, wenn man einen Vergleich mit einem Reaktor durchführt, bei dem durch eine Einschnürung vor der Ebene der Rußrohstoffinjektormündung eine starke Verwirbelung hervorgerufen wird: Hier konmil der Luftsauerstoff mit einem Überangebot von Kohlenstoff und Wasserstoff des Brenngas/Rußrohstoff-Gemisches in Berührung, so daß jetzt die energieärmere CO-Bildung bevorzugt ist. Als Erläuterung dienen die im folgenden aufgeführten Bildungsreaktionen aus den Elementen:

C + O₂-2 C + O₂ -

CO₂ + 94 030 kcal
2 CO + 52 800 kcal

3. Durch die gezielte Verbrennungsführung läßt sich nicht nur ein vollständigerer Ausbrand des Brenngases und damit auch eine günstige Energiebilanz erzielen, sondern — da man ein vorzeitiges Zusammentreten der heißen Flammengase mit dem Rußrohstoff verhindert — auch die Ausbeute erhöhen. Da durch die bessere Energieausnutzung die Temperaturen im Reaktor ansteigen, kann die Ausbeutesteigerung durch Erhöhung der Rußrohstoffmenge oder durch Herabsetzen der Verbrennungsluftmenge hervorgerufen werden.

4. Energieverluste werden ebenfalls weitgehend vermieden, da hier eine optimale Übertragung der Energie möglich ist. Verbrennungs- und Rußbildungszone sind hier, im Gegensatz zu Verfahren, welche mit einer Vorbrennkammer arbeiten, nicht räumlich hintereinander angeordnet.

Die erzielte weitgehende strömungstechnische Trennung der Zone der Wärmeenergieerzeugung und i.or Zone der Rußrohstoffcrackung erlaubt es, die Bildung von Kohlenoxid in den Reaktionsprodukten zurückzudrängen und dadurch eine wertvolle Erhöhung der Rußausbeute zu erhalten, da Kohlenstoff, der nicht in Form von Verbrennungsprodukten den Rußofen verläßt, in jedem Fall als zusätzliche Rußmenge in Erscheinung tritt Daneben gestattet die Verwendung einbautenfreier Reaktoren eine beachtliche Steigerung der Durchsatzmengen.

Darüber hinaus kann die in der Zeiteinheit hergestellte Rußmenge durch die bessere Ausnutzung der Brenngasenergie im Vergleich zu bekannten Verfahren erheblich erhöht werden, indem bei gleichbleibenden Brenngas- und Luftmengen wesentlich mehr Rußrohstoff eingesetzt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Verfahrensschemas und Versuchsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:

Die Figur die Strömung der Reaktionsteilnehmer be tangentialer Zuführung von Brenngas und Verbrennungsluft.

Nach der Figur tritt ein Verbrennungsluft/Brenngas-Gemisch durch schmale, langgestreckte Schlitze 5 tangential in den Reaktor ein und strömt dann schraubenförmig, abgestützt durch die Wandungen des Reaktionsrohres 2 vorwärts. Das Brenngas wird dabei in den Zufuhrkanälen für die Verbrennungsluft mittel; innerhalb dieser Kanäle verschiebbarer Gaslanzer (nicht gezeigt) der Verbrennungsluft zugemischt. Da; erst im Ofen brennende Gasgemisch rotiert um den ir kleinem Sprühwinkel aus der Zerstäuberdüse 6 de; Injektors ausgehenden Rußrohstoffnebel und crack den Rußrohstoff.

Aus den in der nachfolgenden Tabelle enthaltener Versuchsbeispielen gehen die erfindungsgemäß irr Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erzielbarer Vorteile hervor.

Die Tabelle enthält zwei Vergleichsbeispiele, welche sich auf die Herstellung der Degussa-Rußtype Corax®: erstrecken. Beispiel 1 betrifft dabei die bekannte Arbeitsweise unter Verwendung eines Ofens mil Restriktorring und herkömmlichem Brenner. Beispiel 7 gilt für das Arbeiten im erfindungsgemäßen Reaktor.

Tabelle:

	Corax *	3
	Beispiel 1	Nr. 2
Menge Rußöl II (kg/h)	25,0	33,1
Brenngasmenge (Stadtgas	10,0	10,0
⁴⁽¹ 4500 cal/Nm³)
Gasdruck am Brenner (atü)	0,2	1,5
Verbrennungsluftmenge (Nm³/h)	78,0	78,0
Zerstäuberluftmenge (NmVh)	7,0	7,0
⁴⁵ KCI-Menge (mg/kg Öl)	15,0	15,0
Erzeugte Rußmenge (kg/h)	12,6	19,3
Ausbeute (bezogen auf Ölmenge)	50,4	58,4
₅₀ Eigenschaften:
Jodoberfläche (nr/g)	65	64
DBP-Adsorption (ml/g)	1,23	1,25
Modul 300% (kg/cm²)	133	134
=, Relat. Abriebwiderstand	100*)	102

*) Der relat. Abriebwiderstand in Beispiel 1 ist gleich 100% gesetzt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohrförmiger, einbautenloser Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstel ■ lung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffes mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie, gekennzeichnet durch eine oder mehrere nahe der Stirnseite des Reaktors (2) tangential angeordnete schlitzförmige Zufuhröffnungen (5) für die Verbrennungsluft, einen stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Rußrohstoff-Injektor mit vornliegender, einen kleinen Sprühwinkel von ca. 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse (6) sowie innerhalb der Zufuhrkanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete Breingaslanzen.

'2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweistoff-Injektor mit vornliegender Mischdüse an einem Ende ein mit einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordneter und innerhalb desselben endendes Rußrohstoff-Zufuhrrohr aufweist, wobei der Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs ist.