DE2153310C2

DE2153310C2 - Verfahren zum Aufheizen sauerstoffhaltiger Gase und deren Verwendung

Info

Publication number: DE2153310C2
Application number: DE19712153310
Authority: DE
Inventors: Arnold William Wilmington Del. Kilgren
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1971-10-26
Filing date: 1971-10-26
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE2153310A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen sauerstoffhaltiger Oase auf ausreichend hohe Temperatur, um fein verteilte Metalloxide durch Dampfphasen-Oxidation von Mctallchloriden zu erhalten. Die nach dem erfindungsgemäßep. Verfai'/en e-haltenen !200 bis 1800⁰C heißen Gase eignen sich bevorzugt zur Umsetzung von Titanchlorid mit Sauerstoff zur Herstellung von Titandioxid-Pigmenten (US-PS 34 03 001) oder für andere Dampfphasen-Oxidationen flüchtiger Metallchloride, wie von Aluminium, Chrom. Eisen, Zinn Silicium oder Zirkonium.

Beim Erhitzen von sauerstoffhaltigen Gasen über 900° C und insbesondere über 1200° C treten verschiedene Probleme auf. Ein praktisches Verfahren, um Temperaturen über 900°C zu erhalten, liegt darin, die Gase in eine offene Flamme zu führen. Ein Nachteil dieser Methode — insbesondere in der Pigmentindustrie — liegt darin, daß die erhaltenen Pigmente durch Verbrennungsprodukte aus den sauerstoffhaltigen Gasen zu sehr verunreinigt sind.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, welches minimale Verunreinigung von Metalloxiden, insbesondere Pigmenten, mit Verbrennungsprodukten gestattet. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.

Zuerst erfolgt ein Vorwärmen der Gase auf eine Temperatur über dem Zündpunkt des angewandten Brennstoffs — im allgemeinen 900° C — durch Wärmeaustausch, bevor diese vorgewärmten Gase dann durch Abbrennen des Brennstoffs auf die angestrebte Temperatur gebracht werden.

Dafür geeignete Wärmeaustauscher enthalten von außen beheizte Heizrohre oder kugelförmige Wärmeträger oder sind Rcgenerativ-Wärmeaustauscher und dergleichen. Um nun Gastemperaturen in der Größenordnung von 1200 bis 1800X zu erhalten, kann man das Gas mit einer offenen Flamme aus einem Brenner in Berührung bringen. Wird bei einer Temperatur über dem Zündpunkt des Brennstoffs Sauerstoff im Überschuß zugeführt, so wird ein Ausflammen verhindert und die Ausbildung einer stabilen Flamme ohne der Notwendigkeit von Flammenhaltern ermöglicht Die hohe Temperatur der vorgewärmten Gase und die sehr hohe Temperatur der Flamme führen sonst zu einer geringen Lebensdauer der Brenner. Es kommt selbst dann, wenn der Brenner wassergekühlt ist, zu einer Zerstörung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies

ίο jedoch nicht der Fall, sondern die Erhitzung von Sauerstoff ist ohne Brenner-Zerstörung möglich.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein sauerstoffhaltiges Gas auf übliche Weise in Wärmeaustauschern auf zumindest die Zündtemperatur eines Brennstoffs in derartigen Brenneranlagen vorgewärmt. Der Brenner ist so konstruiert, daß der Brennstoff aus einer zylindrischen Düse mit Düsenspitze abgestrahlt und der vorgewärmte Sauerstoff geradlinig um diese Düsenspitze mit ausreichender Geschwindigkeit gelcitet wird, um Wirbel in der Flamme in unmittelbarer Nähe des Brenners zu verhindern. Die Gasgeschwindigkeit entlang der Brennstoffdüse sollte daher größer sein als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit des noch unverbrannten Brennstoffs. Die Geschwindigkeit soll ausreichen, um Flammenwirbel wegzublasen, die aus heftiger Turbulenz in der Flamme stammen können, und zwar weg von der Düsenspitze, um stehende Wirbel in unmittelbarer Nähe des Bremers zu vermeiden. In der Praxis beträgt die minimale Geschwindigkeit rund 100 m/s. Bc; Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man jedoch häufig auch bis auf Gasgeschwindigkeiten von 305 m/s gehen.

Das vorgewärmte Gas vermischt sich in einer Brennzone mit dem verteilten, erwärmten Brennstoff, wodurch spontan die Zündung eintritt. Die Verbrennungszone ist vorzugsweise groß genug, um ein Aufschlagen der Flamme auf die Wände zu verhindern.

Das Verhältnis Sauerstoff zu Brennstoff (molar) wird so eingestellt, daß die nötige Gasgeschwindigkeit erreicht wird und die Wärmebil?nz zu .■>*- angestrebten Gastemperatur hinter dem Brenner führt. Das sauerstoffhaltige Gas soll schließlich auf Temperaturen zwischen 1200 und 1800° C gebracht werden, was besonders vorteilhaft ist für die nachfolgende Oxidation flüchtiger Metallchloride. Vorzugsweise < 10 Gew.-% reiner Sauerstoff sollen von dem Brennstoff verbraucht werden; bei verdünnterem Sauerstoff, z. B. Luft, werden die gewünschten Temperaturen erreicht, wenn der Sauerstoffverbrauch <25Gew.-% ausmacht.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu geeignete Brenneranlage werden anhanH der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt einer erfindungsgemäß anwendbaren Brenneranlage und

Fig. 2 ein Querschnitt entlang2-2 in Fi g. 1.

Ein sauerstoffhaltiges Gas wird in einem Wärmeaustauscher 10 vorgewärmt. Das vorgewärmte Gas tritt in die Brenneranlage über einen Kanal 12 ein. Die Vorrichtung ist mit einer keramischen Auskleidung 14 ausgestattet, die diesen hohen Temperaturen widersteht. Das Gas wird nun durch einen Ringkanal 24 /wischen einer Einschnürung 22 und einer Spitze 20 einer zylindrischen Düse 16 geleitet. Die zylindrische Düse 16 hat eine Isolierhülse 18 zur Verhinderung ungebührlicher Abkühlung des ankommenden Gases. Der Brennstoff wird der Düsenspitze über eine Förderleitung 26 zugeführt, die mit Hilfe eines Wassermantels 32 mit Wassereintritt 28 und Wasseraustritt 30 gekühlt wird. Man kann auch ein

anderes Kühlmedium, wie öl mit niederem Dampfdruck, anwenden. Der Brennstoff wird an der Spitze 20 zerstäubt Das aus dem Ringkanal austretende Gas vermischt sich mit dem Brennstoff in einer Brennkammer 34. Die Spitze und die Einschnürung 22 sind so abgeschrägt, daß sie einen stromlinienförmigen Fluß des Gases durch den Ringkanal mit hoher Geschwindigkeit und minimaler Reibung gestatten. Nach der Verbrennung tritt das Gas durch einen Kanal 36 aus und in die Reaktionszone 38 ein, in der die Oxidation der Metallchloride zu den Metalloxiden stattfindet

Die Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases kann zwischen niederen Sauerstoff-Konzentrationen wie in Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft und reinem Sauerstoff schwanken. Weitere Hilfssubstanzen können vorhanden sein, die in den Reaktionen, bei denen heißer Sauerstoff zur Anwendung gelangt vorteilhaft sein können. So kann das sauerstoffhaltige Gas z. B. Wasserdampf oder Alkali- oder Erdalkalimetalle enthalten, um qualitativ bessere Titandioxid-Pigmente herzustellen.

Das sauerstoffnaltige Gas wird zumindest auf die Zündtemperatur des jeweils angewandten Brennstoffs vorgewärmt Es wird vorgezogen, daß eine höhere Temperatur aufrecht erhalten wird, z. B. 900 bis 1200⁰C, so daß Nebenprodukte aus der Verbrennung nur in minimaler Menge in dem gebildeten Reaktionsgas vorliegen.

Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß das vorgewärmte sauerstoffhaltige Gas geradlinig um die Düsenspitze mit ausreichender Geschwindigkeit geführt wird, daß Wirbelbildung in der Flamme unmittelbar vor dem Brenner verhindert wird. Die minimale Geschwindigkeit zur Verhinderung dieser Flammenwirbel liegt bei etwa 100 m/s. Diese Geschwindigkeit erreicht man entweder durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch den Ringkanal um die Düsenspitze z. B. durch Einschnürung des Querschnitts des Ringkanals, um höhere Geschwindigkeiten gegebener Volumina zu erreichen. Diese Querschnittsverengung soll mit Hilfe von wärmebeständigem Mate- rial vorgei jmmen werden. Es kann sich dabei um konvergierende Leitungen, düsenförmige öffnungen oder scharfkantige Kreisblenden handein, auch um eine plötzliche Verringerung des Querschnitts und um eine, gerade Leitung des genau bestimmten Durchmessers,. Bevorzugt wendet man eine Methode an. wo ein geiinger Druckabfall eintreten soll. Die Querschnittsverengung, die der Kontur der Düsenspitze folgt, scheint eine bessere Verringerung de Wirbelbildung zu bringen, da sie gcv/ährlcistet, daß die turbulente Strömung des saucrsioffnaltigen Gases sich in einer im allgemeinen vorwärts gerichteten Bewegung befindet. Geschwindigkeiten bis zu 300 m/s sind in der Praxis geeignet.

Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Brennstoff kann gasförmig, flüssig oder pulverförmig sein. Er muß in der Lage sein, spontan mit dem vorgewärmten sauerstoffhaltigen Gas zu reagieren, z. B. Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffgase, Benzol, Toluol, flüssige Kohlenwasserstoffe, Kohlenstaub, Koksstaub und Kohle sind brauchbar. Brennstoffe mit geringem Aschengehalt werden bevorzugt, wenn es sich um die Erhitzung von sauerstoffhaltigem Gas zur Herstellung von Titandioxid-Pigmenten handelt.

Du die sauerstoffhaltigen Gase zumindest auf die Zündtemperatur des Brennstoffs erhitzt werden, sind Zündvorrichtungen unnötig. Die Flammen durch die Verbrennung erreiche·.! im allgemeinen höhere Temperaturen, als sie den meisten feuerfesten Baumaterialien zugemutet werden können. Die Verbrennungszone soll daher vorzugsweise groß genug sein, "im ein direktes Aufschlagen der Flammen auf die Wände zu verhindern. Wenn nur ein geringer Anteil des sauerstoffhaltigen Gases in der Verbrennung verbraucht wird, ist die Wärmebilanz ausgeglichen und die Gase können auf dem gewünschten Niveau gehalten werden. Normalerweise werden weniger als 10% reiner Sauerstoff durch den Brennstoff verbraucht, um die angestrebten Temperaturen zwischen 1200 und 1800⁰C zu erreichen. Bei Luft beträgt für diese Temperaturen der Verbrauch weniger als etwa 25% des Sauerstoffs.

Das aufgeheizte sauerstoffhaltige Gas kann dann in eine Reaktionszone für die Oxidation der flüchtigen Metallchloride, wie von Titan, Zirkonium, Silicium, Aluminium, Zinn und/oder Eisen, überführt werden.

Beispiel

Die Vorrichtung entsprach im wesentlichen der in F i g. 1 gezeigten. Die Gasleitung hsrf-e einen Durchmesser von 203 mm, der Ringkanal einen Außendurchmesser von 101 mm und einen Innendurchmesser von 25 mm. Unmittelbar nach dem eingeengten Querschnitt erweiterte sich die Verbrennungszone schne.ll auf einen Kamnvcrdurchmesser von 609 mm bei einer Länge von 1,2 m. Die Austrittsleitung für die Überführung des aufgeheizten Sauerstoffs in die Reaktionszone hatte einen Durchmesser von 254 mm.

Bei diesem Versuch wurde der Sauerstoff 99%ig mit 1100°C aus einem Wärmeaustauscher rr.it Wärmeträger-Kugeln mit 3260 kg/h zugeführt. Die berechnete Lineargeschwindigkeit des Gases im Ringkanai betrug rund 244 m/s. Die Brennstoff-Förderleitung war mit einem konzentrischen Rohr ausgestattet, so daß der Brennstoff bei Eintritt in die Verbrennungszone zerstäubt wurde. Als Brennstoff diente Toluol und wurde in einer Menge von 56 kg/h zugeführt und mit Stickstoff zerstäubt. Der Brennstoffzerstäuber wurde mit Wasser gekühlt, um eine Brennstofftemperatur unter 100⁰C aufrechtzuerhalten. Zum Starten des Prozesses wurde vorgewärmter Sauerstoff durch den Brenner geführt, bis er sich nahe der Betriebstemperatur befand und der Sauerstoff an der engsten Stelle zumindest die Zü:;dtemperatur des Toluols erreicht hatte. Die Tcluolzers'.äubung wurde in Gang gesetzt, es erfolgte eine unmittelbare Zündung, die zu einer Steigerung der Gastemperatur auf etwa 1600⁰C führte. Der Betrieb zur Herstellung von Sauerstoff von I6OO"C wurde zumindest 100 h ohne sichtbarer Beschädigung von Teilen der Anlage infolge Berührung mit der Flamme weitergeführt. Etwa 5,4% des anfänglichen Sauerstoffgehaltes wurden von iier Brennerflamme verbraucht.

Vergleich

Die Maßnahmen des Beispiels wurden wiederholt, wobei die Einschnürung der Vorrichtung fehlte, so daß hier die Gasgeschwindigkeit nur etwa 46 m/s betrug. Nach wen'ger als 12 h war bereits die Düsenspitze abgebrannt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufheizen eines sauerstoffhaltigen Gases auf Temperaturen zwischen 1200 und 1800⁰C mit Hilfe der Verbrennung von Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß man das sauerstofflialtige Gas auf eine Temperatur zwischen dem Zündpunkt des Brennstoffs und 1200⁰C vorwärmt und das vorgewärmte Gas dann geradlinig um eine Düsenspitze einer zylindrischen Brennstoff-Düse, die in einem Ringkanal angeordnet ist und sich in eine Verbrennungskammer öffnet, mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 300 m/s so leitet, daß Flammenwirbel in unmittelbarer Nähe des Brenners verhindert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verbrennung in reinem Sauerstoff <10Gew.-% des Sauerstoffs und in Luft < 25 Gew.-°/o des Sauerstoffes verbraucht werden.

3. Verwendung des nach Anspruch 1 oder 2 hergesieiken aufgeheizten SaucrSiüffhüitigen Gases zur Dampfphasen-Oxidation von flüchtigen Metallhalogeniden, insbesondere Titanchlorid, zur Herstellung von Metalloxid-Pigmenten, insbesondere Titandioxid-Pigmenten.