DE1966996C3 - Reaktor zur Herstellung von Furnaceruß (III) - Google Patents

Description

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

Verfahren zur Herstellung von Furnaceruß sind im allgemeinen dadurch charakterisiert, daß man in 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 bzw. 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 der 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 DE-AS 12 00 983 beschreibt einen Furnacerußreaktor, bei welchem die Verbrennungsluft mittels eines Luftleitbleches in der Mitte des Reaktorquerschnittes in die Reaktorbrennkammer eingeleitet wird Das Brenn gas wird mittels einer axial im Zentrum des Reaktors verschiebbaren Injektor/Brennerkombination in der Nähe der öffnung eingeführt

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen einbautenlosen Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußroh- -stoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie. Dieser ist gekennzeichnet durch an der Stirnseite des Reaktors axial angeordnete Kanäle 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 Kanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete, im parallel zur Reaktorachse verlaufenden Teil der Verbrennungsluftzufuhrkanäle mündende Gaslanzen.

Die obengenannten Nachteile der bekannten Verfahren lassen sich vermeiden, wenn man unter strömungstechnischer Trennung von Wärmeerzeugungs- und

jo 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

3> feinster Zerstäubung in einem stark gebündelten Strahl einbringt

Man läßt 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.

•i> Eine wesentliche Voraussetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Rußrohstoff in möglichst feiner Verteilung in den Ofen eingebracht wird, wobei der fein/.erstäubte Strahl zusätzlich so stark gebündelt sein sollte, daß eine vorzeitige Vermischung

so 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 Verwen- dung 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 besonders vorteilhaft

M) erwiesen, in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zerstäubung des Rußrohstoffes einen Injektor mit vornliegender Mischdüse zu verwenden, wie er in dem deutschen Patent 16 25 206.5 beschrieben ist.

Ein derartiger Brenner weist an einem Ende ein mit

hi einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordnetes und innerhalb desselben endigendes Rußrohstoff-Ziifuhrrohr auf, wobei der

Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs beträgt und nach vorteilhaften AusfübrungsfoiTnen das Rußrobstoff-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 eng-~-r 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 Rußrahstoff in Berührung kommt. Andererseits muß die bei der Verbrennung frei werdende Energie möglichst ohne größere Verluste auf den feinverdüsten Rußrohstoffstrahl übertragen werden, wobei die Wärmestrahlung eine wichtige Rolle spiefL Das bedeutet, daß die räumliche Anordnung von Gas verbrennungs- 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. Brenngas und Verbrennungsluft vor ihrem Eintritt in das Reaktionsrohr innig zu mischen und das Gasgemisch über an der Stirnseite des Reaktors nahe dessen Rohrmantel angeordnete Öffnungen, z. B. Bohrungen oder einen Ringspalt, parallel zur Reaktorachse mit so hoher Geschwindigkeit in den Reaktor einzublasen, daß der Verbrennungsvorgang des Gemisches erst innerhalb des Reaktors abläuft. Die Eigenart dieser Verfahrensführung beruht darin, daß die erzeugte heiße Flammenhülle nicht schraubenförmig, sondern parallel zur Längsachse des Reaktors strömt.

Zur Herstellung von Furnace-Ruß 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 Zweistoff-Injektoren bei rohrförmigen, einbautenlosen Furnace-Ruß-Reaktoren ist zudem aus der GB-PS 8 14 095 bekannt gewesen. Diese Patentschrift zeigt in F i g. I und 3 einen mit einer vor der Injektormündung angeordneten Drossel versehenen Reaktor, welcher an der Stirnseite tangential angeordnete Einlasse für Verbrennungsluft, den sfirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Zweistoff-Injektor, sowie einen um den Injektor angeordneten, mit Öffnungen versehenen Mantel für das Brenngas sowie zusätzliche, in der Reaktctrstirnseite um den Injektor herum angeordnete und zum Rußrohstoffaustritt zielende Brenngasdüsen aufweist. Aufgabe und Funktion dieses Reaktors stehen in vollständigem Gegensatz zur Aufgabe und Funktion des erfindungsgemäßen Reaktors, Wärmeerzeugungsund Thermolysezone im Reaktor auf nine möglichst lange Strecke getrennt zu halten, denn die zusätzlichen, zur Reuktorachse 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 Reak torrohres 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 sog. »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 par-

jo tielle 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 68178 beschreibt einen Rußreaktor mit einem rohrförmigen, einbautenfreien Reaktionsraum, der sich stirnseitig zu einem mit Lufteinlaßschlitz versehenen Konus erweitert. Reaktionsrohr und Konus werden von einem geschlossenen Manlel, d;r zu Luftzufuhr und -vorwärmung dient, umgeben. Stirnsei tig ist in der Reaktormittelachse eine Brenner/Zerstäu- ber^orrichtung montiert, welche radiale Brenngasaustritte innerhalb des Konus aufweist und deren Rußrohstoff-Zerstäuberdüse knapp in das Reaktionsrohr hineinreicht Im Gegensatz zum erfindungsgemä- Ben 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 dem 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 Rußrohsloffinjekiormündung eine starke Verwirbelung hervorgerufen wird: Hier kommt 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- CO₂ + 94 030 kcal
2 c + O₂ - 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 der Zone der Rußrohstoffcrackung erlaubt es, die Bildung von Kohlendioxid 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 Ausnützung 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 bei achsenparalleler Zuführung von Brenngas und Verbrennungsluft. 55 100% gesetzt.

Nach der Figur wird die Verbrennungsluft durch an der Stirnseite des Reaktors angeordnete Kanäle 7 zugeführt. Vor ihrem Eintritt in das Reaktionsrohr über den durch den Reaktorinnenmantel begrenzten Ringspalt 8 wird ihr Brenngas zugemischt. Das Brenngas tritt dabei aus verschiebbaren Gaslanzen 9 aus, welche im parallel zur Reaktorlängsachse verlaufenden Teil der Verbrennungsluftzufuhrkanäle münden. Das aus dem Ringspalt 8 in den Ofen ausströmende I.uft/Brenngas-Gemisch fließt ohne Rotationsbewegung in weitgehend laminarer Strömung an dem Innenmantel des Reaktors entlang und hüllt dabei den in kleinem Sprühwinkel aus der Zerstäuberdüse 6 des Injektors austretenden Kegel aus Rußrchstoffnebel ein. Der Rußrohstoffkegel wird beim Betrieb des Ofens somit von einem entlang der Reaktorlängsachse strömenden Flammenmantel umschlossen und der Rußrohstoff überwiegend durch

ÄKcrtrntjnn ynn ^ΐΓαΜιιησςΗιΐ7Ρ> opnrnrki

Aus den in der nachfolgenden Tabelle enthaltenen Versuchsbeispielen gehen die erfindungsgemäßen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erzielbarer Vorteile hervor.

Die Tabelle enthält zwei Vergleichsbcispiele, welche sich auf die Herstellung des Degussa-Rußtyps Corax®S erstrecken. Beispiel I betrifft dabei die bekannte Arbeitsweise unter Verwendung eines Ofens mit Restrikr -rring und herkömmlichem Brenner. Beispiel 2 gilt für das Arbeiten im erfindungsgemäßen Reaktor.

Tabelle:

	Cora x*	9
	Beispiel I	Nr. 2
Menge Rußöl II (kg/h)	25,0	34,0
Brenngasmenge (Stadtgas	10,0	10,0
4500 cal/Nm3)
Gasdruck am Brenner (atü)	0,2	1,5
Verbrennungsluftmenge (NmVh)	107,0	107,0
Zerstäuberluftmenge (NnrVh)	7,0	7,0
KCI-Menge (mg/kg Öl)	15,0	15,0
Erzeugte Rußmenge (kg/h)	9,9	16,0
Ausbeute (bezogen auf Ölmenge)	39,6	47,1
Eigenschaften:
Jodoberfläche (m2/g)	131	131
DB P-Adsorption (ml/g)	1,20	1,21
Modul 300%(kg/cm:)	145	146
Relat. Abriebwiderstand	100*)	101
*) Der relat. Abriebwiderstand in	Beispiel 1 is	t gleich

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   J. Rohrfönniger einbautenloser Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des RuQrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie, gekennzeichnet durch an der Stirnseite des Reaktors nahe der Reaktorwandung axial angeordnete Kanäle für die Verbrennungsluft (7), einen stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Rußrohstoff-Injektor mit vornliegender, einen kleinen Sprühwinkel von 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse (6) sowie innerhalb der Kanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete, im parallel zur Reaktorachse verlaufenden Teil der Verbrennungsluftzufuhrkanäle mündende Gaslanzen (9).
2. 2. Reaktor nach Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweistoff-Injektor mit vornliegender Mischüdse an einem Ende ein mit einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordnetes und innerhalb desselben endendes Rußrohstoff-Zufuhrvohr aufweist, wobei der Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs ist