DE1966995C3 - Reaktor zur Herstellung von Furnaceruß (H) - Google Patents

Description

Die Erfinduri^ 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 Rußrohsioff geeigneten Kohlenwasserstoff einbringt, wobei, bezogen auf den Gesamtkohlenstoff, der mit der Luft eingebrachte Sauerstoff im Unterschuß ist. Da das Brenngas zum Zwecke des 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 bzw. über die Vorbrennkammer selbst abgeführt wird, bevor eine Übertragung auf den Rußrohstoffstrah! 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, ejnbauten-

-, losen 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

κι 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 bündeln- \ der Mischdüse sowie innerhalb der Zufuhrkanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete Brenngaslanzen.

Die oben genannten Nachteile der bekannten Verfahren lassen sich also vermeiden, wenn rvian unter strömungstechnischer Trennung von Wärmeefzeugungs- 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 läßt also in einem Reaktionsrohr mit glattem Innenmantel das Brenngas in einer äußeren Hülle mit

so 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 Wärmeener-

J-) gie 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

4n 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 Zerstäubervorrichtun-

•r> gen 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.

M 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

ho Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs beträgt und nach vorteilhaften Ausfiihrungsformen das Rußrohstoff-Zufuhrrohr relativ zum Mantelrohr in der Längsachse verschiebbar ist und im

h> Bereich der Verengung des Mantelrohres zur Düse hin mündet, während die Injektordüse eine zylindrische, venturi- oder lavaldtisenförinige Bohrung hai, die wesentlich enger als das Mantelrohr ist.

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

Per erfindungsgemäße Reaktor gestattet, daß man die Verbrennungsluft nahe der Stirnseite des Reaktors mittels eines oder mehrerer schlitzförmiger Zufuhrkanäle tangential in das Reaktionsrohr einführt und jd schraubenförmig an dessen fnnenmantel 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. Pas geschieht mit Hilfe zweier Gaslanzen, die innerhalb der 1» Verbrennungsluftzuführungskanäle so angeordnet sind, daß sie sich relativ zu diesen verschieben lassen. Padurch können Brenngas und Verbrennungsluft kurz vor ihrem Eintritt in den Reaktor vorgemischt werden, so daß die Verbrennung mit voller Wirkung im r> 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 siel, 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 -ti Gaskanalmündung mit einer Absenkung der Ruß-Struktur einhei.

Zur Herstellung von Furnaceruß ist das Verfahrensprinzip der Thermolyse von Rußrohstoff mittels Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeener- >o gie bereits mehrfach angewendet worden (PE-AS 12 00 983 und US-PS 32 22 131). Pie Verwendung von Zweistoft-lnjektoren bei rohrförmigen, einbautenlosen Furnace-Ruß-Reaktoren ist zudem aus der GB-PS 8 14 095 bekannt gewesen. Piese Patentschrift zeigt in Figuren I und 3 einen mit einer vor der Injektormündung angeordneten Pressel versehenen Reaktor, welcher an der Stirnseite tangential angeordnete Einlasse für Verbrennungsluft, den stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Zweistoff-Injektor, bo nowie 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- b-> tion dieses Reaktors stehen in vollständigem Gegensatz zur Aufgabe und Funktion des erfindungsgemäßen Reaktors, Wärmeerzesigungs- und Thermolysezone im Reaktor auf eine möglichst hnnge Strecke getrennt /11 halten, denn die zusätzlichen, zur ReaklorachM.· angestellten Brenngasdüsen führen in Verbindung mit der Prossel 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

Pie GB-PS 7 43 879 beschreibt einen Rußreaktor mil einer zylindrischen ersten Rea.ktionskammer größeren Querschnitts, an die sich über ein konisches Verbindungsstück eine zweite zylindrische Reaktionskammer kleineren Querschnitts anschließL 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 Purchmessers 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

Pie 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 Erfindungsgeg?nstand absichtlich vermieden wird.

Pie US-PS 32 56 066 und die ihr entsprechende GB-PS 10 68178 beschreibt einen Rußreaktor mit einem rohrförmigen, einbautenfreien Reaktionsraum, der sich stirnseitig zu einem mit LufteinUßschlitz 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 Spiralbewngung, welche eine unmittelbare Purchdringung des Kußrohstoffsprühkegels mit dem genannten, zur Wärmeerzeugung dienenden Gasgemisch verursacht. Eine Trennung von Wärmeerzeugung- und Thermolysezone ist hier nicht verwirklicht.

Pas mit der erfindungsgemiißen Reaktor durchführbare Verfahren hat gegenüber den bifher bekannten Verfahren folgende Vorteile:

I. Purch die konzentrierung von Brenngas und Verbrennungsluft auf den Bereich der Reaktorwandung kommt es zu eimer sehr schnellen und

vollständigen Verbrennung des Brenngases, da ja der Sauerstoff der Verbrennungsluft gegenüber dem Brenngas im Überschuß vorhiiiulcn ist. Sauerstoff wirkt also auf den Rul.lrohstoff erst eir. nachdem der zur Verbrennung des Brenngases benötigte Sauersloffiinicil vollsliinclig verbraucht ist.

2. Bei der Verbrennung bildet sich neben Wasserdampf vor allem C O?. d.h. cncrgiemäßig 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 Rußrohstoffinjektormiindung eine starke Verwirbelung hervorgerufen wird: Hier kommt der l.uftsaucrstoff mit einem Überangebot von Kohlenstoff und Wasserstoff des ßrenngas/Rußroh stoff-Gemischcs in Berührung, so daß jetzt die energieärmere C'O-Bildung bevorzugt ist. Als Erläuterung dienen die im folgenden aufgeführten Bildiingsrcaktioncn aus den Elementen:

C + C)₂- CO₂ + 94 030 kcal
2( + O₂- 2 t'O + 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 Γ lammengase mit dem Rußrohstoff verhindert — auch die Ausbeute erhöhen. Da durch die bessere Energieausnutzung die Temperaturen im Reaktor ansteigen, kann die Ausbeutesteigerung durch Erhöhung der Rußroh stoffmenge oder durch Herabsetzen der Verbrcnnungsluftmengc hervorgerufen werden.

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

Die erzielte weitgcncncic stromungsieehnische Trennung der Zore der Wärmeenergieerzeugung und der Zone der Rußrohstoffcrackung erlaubt es, die Bildung von Kohlenoxid in den Reaktionsprodukten zurückzudrängen und dadurch eine wertvolle Erhöhung der Rußausbeutc zu erhalten, da Kohlenstoff, der nicht in Torrn von Verbrennungsprodukten den Rußofen ver läßt, in jedem Fall als zusätzliche Rußmenge in Erscheinung tritt. Daneben gestattet die Verwendung cinbautenfreier Reaktoren eine beachtliche Steigerung der Durchsalzmengen.

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 Verfahreiisschemas und Versuchsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:

Die l'igur die Strömung der Reaklionsleilnelimcr bei langentialer Zuführung von Brenngas und Verbrennungsluft.

Nach der l'igur tritt ein Verbrennungslult/Brenngas-Gcmisch durch schmale, langgestreckte Schlitze 5 tangential in den Reaktor ein und strömt dann schraubenförmig, abgestützt durch die Wandungen des Rcaklionsrohrcs 2 vorwärts. Das Brenngas wird dabei in den Zufuhrkanälen für die Verbrennungsluft mittels innerhalb dieser Kanäle verschiebbarer Gaslanzen (nicht gezeigt) der Verbrennungsluft zugemischt. Das erst im Ofen brennende Ciasgemisch rotiert um den in kleinem Sprühwinkel aus der Zerstäuberdüse f> des Injektors ausgehenden Rußrohstoffncbel und cracki den Rußrohstoff.

Aus den in der nachfolgenden Tabelle enthaltener Vcrsiichsbeispiclen gehen die erfindungsgemäß uv Vergleich zu herkömmlichen Verfahren crziclbarer Vorteile hervor.

Die Tabelle enthält zwei Verglcichsbcispiele. welche sich auf die Herstellung der Dcgussa-Rußtjpc Corax* 2 erstrecken. Beispiel t betrifft dabei die bekannte Arbeitsweise unter Verwendung eines Ofens mil Resiriktorring und herkömmlichem Brenner. Beispiel 2 gilt fir das Arbeiten im erfindungsgemäßen Reaktor.

Tabelle:

	Menge Rußöl Il (kg/h)	Cora χ"	.1
	Brenngasmenge (Stadtgas	Beispiel	Nr.
)>	411 45OOcal/Nnr )	I	2
Gasdruck am Brenner (atü)	25.0	33.1
Zerstäuberluftmenge (NmVh)	10,0	10.0
4> KCl-Menge (mg/kg Öl)
Erzeugte Rußmenge (kg/h)	0.2 ~* ü Γ\	1.5 "TO Γ»
Ausbeute (bezogen auf Ölmenge)	7.0	7.0
Vl Eigenschaften:	15.0	15.0
Jodoberfläche (m2/g)	12.6	19.3
DB P-Adsorption (ml/g)	50.4	58.4
Modul 300% (kg/cm2)
;- Relat. Abriebwiderstand	65	64
1,23	1.25
133	134
100*)	102

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Rohrförmigen ejnbautenloser Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung 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 vomliegender, einen kleinen Sprühwinkel von ca. 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse (6) sowie innerhalb der Zufuhrkanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete Brenngaslanzen.

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