DE2424064B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Inertgas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Inertgas

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Inertgas, wobei flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe mit Verbrennungsluft, gegebenenfalls unter Zumischung eines gasförmigen Zerstäubungsmittels in einer Brennkammer verbrannt werden, anschließend durch Sprühkühlung abggekühlt werden, worauf eine zweite Kühlung bis in Gefrierpunktnähe erfolgt. Sie betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Inertgas, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wird, wird hauptsächlich in der Tankschiffahrt und im Transportwesen zur Neutralisierung von leeren Tanks und zur Schaffung einer inerten Atmosphäre in gefüllten Tanks verwendet. Es ist aber auch bei der Feuerlöschung und als Schutzgas beim Transport von verderblichen Gütern, wie z. B. Fischmehl, in Kühlhäusern und zu ähnlichen Zwecken einzusetzen.
Es ist bekannt, Inertgas der eingangs bezeichneten Art durch teilweise Aufbereitung des Kesselabgases von Dampfkraft-Anlagen zu gewinnen (Chemie-Ing.-Techn. 1968; S 1195/6). Das 200-400° C heiße Abgas vom Dampfkessel wird in einem Waschkühler direkt durch Sprühkühlung gekühlt. Vorhandene Feststoffe sowie ein großer Teil der enthaltenen Schwefeloxide werden ausgewaschen. In einem weiteren Kühler, den das Inertgas durchläuft, wird es bis in Gefrierpunktnähe abgekühlt (Taupunkt 5-6° C).
Erfahrungsgemäß läßt sich mit dem bekannten Verfahren die Verbrennung nicht so führen, daß die Gaszusammensetzung nur noch ein Minimum an Verunreinigungen und Stickoxiden enthält. Hinzu kommt, daß für die Kühlung ein relativ großer Energieaufwand betrieben werden muß.
Demgegenüber stellt sich die Aufgabe, die Verbrennung einschließlich Ableitung und Kühlung der Verbrennungsgase so zu führen, daß in den nachfolgenden Verarbeitungsstufen ein Gas auftritt, das im wesentlichen frei von Ruß und Stickoxiden ist, so daß die weitere Verarbeitung nur noch der Taupunkterniedrigung und der Beseitigung von Spuren von Verunreinigungen dient. Die notwendigen Kühlschritte sollen außerdem mit größtmöglicher Energieausnutzung stattfinden und den Bau einer kompakten Anoprdnung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Inertgas, bei dem
a) die Verbrennung in einer mit einem Kühlmantel versehenen Kammer erfolgt,
b) in der zusätzlich die Gase durch Sprühkühlung durch in den hinteren Teil der Brennkammer eingedüstes Wasser abgekühlt werden,
c) und bei dem die zweite Kühlung des erzeugten Gases innerhalb eines Waschturmes (scrubber)
vorgenommen wird, dem in Gefrierpunktnähe abgekühltes Wassr zugeführt wird.
Zwar ist es an sich bekannt (DT-PSen 1264433 und 946853), Reaktionsgase durch Sprühkühlung abzuschrecken; diesen Patentschriften ist jedoch nicht zu entnehmen, daß die Kombination von Mantel- und Sprühkühlung die Herstellung von Inertgas in einer kompakten Anordnung unter den geforderten Bedingungen ermöglicht.
Insbesondere ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung eine einfache, mit geringster Trägheit arbeitende Regelung. Für das Verfahren werden relativ geringe Energiemengen zur Trocknung benötigt. Auch stark schwefelhaltige Verbrennungsöle sind einsetzbar.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird die Wasch- und Kühlflüssigkeit für den Waschturm nach Abzug erneut gekühlt und wieder eingespeist. Dieser Kühlvorgang ist mit an sich bekannten, häufig an Bord von Schiffen vorhandenen Kühlern durchzuführen. Es handelt sich bei diesen Kühlern meist um sogenannte Fluorkohlenwasserstoff-Kühler, in denen das Wasser indirekt gekühlt wird.
Eine besonders gute Ausnutzung des Kühlwassers ergibt sich dann, wenn das Kühlwasser dem Kühlmantel der Verbrennungskammer zugeführt wird und von dort in die Sprühköpfe am Ende der Verbrennungskammer gelangt.
Weiterhin ist möglich, das erzeugte Gas einer Adsorptionstrocknung zu unterziehen, wobei zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Adsorptionstrockner von dem Inertgas, nachdem es durch den Adsorptionstrockner geströmt ist, laufend oder diskontinuierlich ein Teilstrom abgezweigt wird und nach Aufheizung zur Regeneration einen weiteren Trockner durchströmt und dann in den Gasstrom der Verbrennungskammer vor Eintritt der Gase in den Wirkungsbereich der Sprühdüsen zurückgeführt wird.
Ferner ist es möglich, daß dem Wasser des Waschturmes gefrierpunkterniedrigende Zusätze zugegeben werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung soll klein, kompakt und störunanfällig sein, sich insbesondere zur Zusammenstellung einer für sich einbaubaren Einheit eignen, so daß eine wirtschaftliche Herstellung möglich ist. Die Brennkammer soll ohne Vor- oder Nachkühlung anfahr- und abschaltbar sein, auch bei Störungen im Kühlwasserzuflmß nicht zerstört werden und in jeder Lage einbaubar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Vorrichtung mit einer Doppelmantel-Brennkammer, deren Mantel von Kühlwasser durchflossen ist und die nahe dem Gasausitritt Sprühdüsen zum Austritt von Kühlwasser aus dem Doppelmentel in den Innenraum aufweist, und bei der ein Waschturm an den Austritt der Brennkammer angeschlossen ist und die weiterhin einen Kühler besitzt, den das Waschwasser vor Eintritt in den Waschturm durchströmt.
Weiterhin besitzt die Vorrichtung vorzugsweise eine Dosiervorrichtung zum Einspeisen von Zusätzen in den Kühlwasserkreislauf des Waschturms.
Weitere, mit Vorzug einzubauende Aggregate sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Wie die Erfahrung zeigt, läßt sich mit der Vorrichtung bei niedrigeren Brennkammer-Temperaturen als bei bekannten Inertgaserzeugern arbeiten. Es ergibt sich außerdem die Möglichkeit, einen höheren Gas
druck zu verwenden. Die Vorrichtung erlaubt weiterhin die Verwendung von stark schwefelhaltigen Heizölen. Die Waschleistung des Waschturmes kann durch die Zugabe von Zusätzen, die die Aufnahmefähigkeit des Waschwassers stark erhöhen oder seinen Gefrierpunkt erniedrigen, stark verbessert werden. Beispielsweise v/erden verdünnte Laugen zugegeben, die das Schwefeldioxid des Heizgases in lösliche Verbindungen überführen.
An Hand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Schemazeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Brennkammer.
Das Herz der Anlage stellt die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verbrennungskammer 22 dar. An der Stirnseite der Kammer 22 ist ein Brenner 20 eingebaut, der als sogenannter Zweistufenbrenner beispielsweise Heizöl verbrennt. Dabei wird als ein Zerstäubungsmedium Luft, Gas, Inertgas oder Dampf verwendet und Verbrennungsluft parallel - wie an sich bekannt - über den Brenner 20 zugeleitet. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden ein Brenner und ein Regelverfahren Anwendung, wie sie beispielsweise in den deutschen Offenlegungsschriften 2 320442 und 2246742 näher erläutert sind. Insofern wird ausdrücklich auf die Offenbarung in diesen Schriften Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit brennbaren Gasen, Erdgas und schwefelarmem Heizöl durchführen, jedoch lassen sich auch Heiz- oder Dieselöl mit hohem Schwefelgehalt bis zu 4% einsetzen.
Der erzeugte Flammstrahl und die heißen Brenngase treten in die mit einem Kühlmantel 21 versehene Verbrennungskammer 22 zylindrischer Form ein, in welcher auf Grund der Abkühlung der Verbrennungsgase ein Inertgas mit sehr geringem Gehalt an Stickoxiden entsteht. Bei Verwendung des Brenners und des genannten Regelverfahrens weist das erzeugte Inertgas selbst bei geringsten Sauerstoffkonzentrationen von z. B. 1000 ppm einen sehr geringen CO-Anteil auf. Die Rußbildung wird völlig unterdrückt. Der Brennkammer-Mantel wird von Kühlwasser durchflossen, welches ζ. B. aus der See oder einem anderen geeigneten Kühlwasserreservoir entnommen wird. Das Innere der Kammer ist nicht ausgemauert, sondern durch die stählerne Innenwand des Kühlmantels gebildet. Bei Abschalten der Anlage braucht demnach nicht nachgekühlt zu werden.
Der in Strömungsrichtung des Gases hintere Teil der Brennkammer trägt an seiner Innenseite Sprühdüsen 23, durch welche das Kühlwasser aus dem Kühlmantel in den Brennkammerinnenraum eintritt und das Inertgas in einer ersten Stufe mittels Sprühkühlung sofort nach der Erzeugung kühlt. Es kann davon ausgegangen werden, daß bis zum Austritt aus der Brennkammer sich für das Inertgas eine Temperatur einstellt, die ungefähr der Kühlwassertemperatur entspricht. Bei Verwendung von Kühlwasser von ca. 20° C würde sich also eine Gastemperatur von ca. 20° C einstellen. Das Kühlwasser wird nach unten abgezogen und über einen bekannten gasdichten Abfluß 24 entfernt.
Das Inertgas strömt sowohl direkt aus der Brennkammer als auch aus dem Gasabscheider wie das Kühlwasser in einen Waschturm (scrubber) 25, in welchen es vertikal aufwärts strömt und über Kopf
abgezogen wird. Der Waschturm ist bekannterweise mit Füllkörper-Ringen oder anderen geeigneten Füllkörpern gefüllt. Das Kühlwasser selbst tritt von oben ein, wird durch eine geeignete Düse über den Querschnitt des Waschturms verteilt und strömt dem Gas > im Gegenstrom entgegen. Nach Sammlung des Kühlwassers im Sumpf des Waschturms wird es über eine Pumpe in einen handelsüblichen Kühler 26, z. B. Fluorkohlenwasserstoff-Kühler, gefördert, von welchem es wieder zurück in den Waschturm strömt. Die Kühlung des Inertgases geschieht demnach indirekt, indem das Kühlwasser in einen Kühler geleitet wird. Das Kühlwasser wird anschließend direkt mit dem Inertgas in Kontakt gebracht.
Der Kühler ist in seinen Abmessungen auch bei ho- ι > hen Leistungen sehr klein zu bemessen. Der Kühler kann neben seiner Aufgabe, das Kühlwasser zu kühlen, auch andere Kühlaufgaben übernehmen, beispielsweise den Betrieb einer Klimaanlage oder die Erzeugung von gekühltem Trinkwasser. :o
Alternativ kann für die Kühlung des umlaufenden Wassers auch ein schon bereits für andere Zwecke benutzter Kühler verwendet werden.
Durch die tiefe Wassertemperatur im Waschturm wird die Löslichkeit der schädlichen Gase wesentlich 2 > erhöht. Aus dem Kopf des Waschturmes wird kontinuierlich oder diskontinuierlich Inertgas zur Analyse entnommen, auf Grund derer die Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnisse in der Brennkammer eingestellt werden. jo
Da das Wasser für den Waschturm im Kreislauf umgepumpt wird, könne ihm mit einer zusätzlichen Dosiervorrichtung, z. B. Pumpe, Zusätze zugegeben werden. Die Zusätze gehen mit den im Gas enthaltenen unerwünschten Bestandteilen Verbindungen ein. r, Wenn das Wasser im Kreislauf geführt ist, werden diese Zusätze nicht wieder wie bei durchlaufendem Kühlwasser entfernt.
Die Temperatur des umgewälzten Kühlwassers liegt in der Nähe des Gefrierpunktes, z. B. bei ca. 1-4° C; das Inertgas verläßt den Waschturm mit etwa der gleichen Temperatur wie das umgewälzte Kühlwasser. »Anlage- und energiesparend« wirkt sich hier aus, daß das nur geringfügig erwärmte Kühlwasser wieder für den Kühlprozeß verwendet wird und daß bei dem für eine weitere Kühlung erforderlichen geringen Temperaturniveau ein sonst erforderliches Abkühlen von durchlaufendem Kühlwasser vermieden werden kann.
Die Brennkammer (Fig. 2) weist eine kompakte, zylindrische Form und nur einen geringen Durchmesser auf. Darüber hinaus ermöglicht die Gestalt der Brennkammer, daß Inertgas von hohem Druck erzeugt werden kann. Sie kann voll aus Stahl oder Edelstahl gefertigt werden und damit auch bei höheren Drücken abgedichtet werden. Bei der Verwendung von Inertgas von relativ hohem Druck werden auch die nachfolgenden Komponenten, wie der zuvor beschriebene Wasserturm und die nachfolgende Trocknungsanlage, im Volumen sehr klein, so daß insgesamt u0 eine sehr kompakte Anlage mit geringerem wirtschaftlichen Aufwand entsteht.
Aus dem Waschturm strömt das Inertgas zu zwei Trocknungsadsorbern 27 und 28, die, wie an sich bekannt, mit einem adsorbierenden, hydrophilen Mate- b5 rial, ζ. B. Silicagel oder Aluminiumhydroxid-Gel oder einem anderen geeigneten Material, gefüllt sein, so daß der Taupunkt beispielsweise von plus 30° C au minus 20° C bis minus 70" C gebracht werden kann Je nach dem erforderlichen Taupunkt - der ein Maß stab für den enthaltenen Wassergehalt ist - wird da: geeignete Trocknungsmittel verwendet. Der Tau punkt des Gemisches ist hier so gering, daß eine fü den gewünschten Zweck praktisch vollständige Trocknung erreicht ist.
Im Betrieb ist wechselnd jeweils einer der Adsorbei eingesetzt, wobei der andere laufend oder diskontinu ierlich während der Betriebszeit des anderen regene riert wird. Gemäß der Figur strömt das Inertgas zu nächst über das geöffnete Ventil 1 durch der Adsorber 27 und über das Ventil 2 zum Verbraucher anschluß. Ein Teilstrom des getrockneten Gases wire bei 9 abgezogen und in einem Erhitzer 30 aufgeheizt Es strömt anschließend über das geöffnete Ventil" durch den zweiten, gerade zur Regeneration geschal teten Adsorber 28 und über ein weiteres, geöffnete: Ventil 8 durch ein Gebläse 29 leicht komprimiert wie der zurück in die Brennkammer. Vorteilhaft münde die Verbindungsleitung in einen Bereich der Brenn kammer 22, in welchem die Verbrennung bereits ab geschlossen ist und nach welchem die erste Wäschf einsetzt.
Das Gebläse 29 braucht nur eine geringe Leistunj aufzuweisen, da lediglich die Strömungsverluste de: Inertgases im Waschturm und in den für den Zweig strom hintereinandergeschalteten Adsorbern ersetz werden muß.
Nach dem Austreiben des Wassers durch das er hitzte Inertgas wird die Heizung abgeschaltet unc kühles Inertgas durch den zu regenerierenden Adsor ber geleitet. Dabei wird die Adsorber-Masse wiede auf die Betriebstemperatur abgekühlt.
Nachdem der erste Adsorber 27 aufgeladen unc der zweite regeneriert ist, werden die Ventile umge schaltet. Die Ventile 1 und 2 sowie 7 und 8 werdei geschlossen und die Ventile 3 und 4 sowie 5 und ( geöffnet. Der Inertgasstrom strömt dann über da: Ventil 3 in den Adsorber 28 und dann über das Ven til 4 zu dem Verbraucher. Im Punkt 9 wird wiederurr ein Teilstrom abgezogen und im Erhitzer 30 erhitzt Er strömt dann über das nunmehr geöffnete Ventil ί durch den Adsorber 27, aus welchem es über das Ven til 6 wieder zu dem Gebläse 29 gelangt.
Da die Regeneration durch bereits getrocknete: Inertgas erfolgt, ist sie in kürzerer Zeit durchführba: als bei bekannten Adsorbern, die mit aufgeheizter atmosphärischer Luft getrocknet werden. Letzten enthält noch immer einen sehr großen Anteil vor Wasser, insbesondere in tropischen Gegenden. Be geeigneter Wahl des abgezweigten Gasstromes unc bei Temperaturerhöhung kann in kürzeren Zeitab ständen von einem auf den anderen Adsorber umge schaltet werden, wodurch sich deren Größe ebenfall: stark verringern läßt. Die Regeneration mit Inertga: ist auch wirtschaftlicher als Regeneration durch Au ßenluft, da diese erst sehr hoch erhitzt werden muß was zu einer erhöhten Belastung des Materials führt Da weiterhin das zur Regeneration benutzte Inertga: zurückgespeist werden kann, sind Gasverluste zu ver meiden.
Die Kühlung des erzeugten Inertgases führt in dei zweiten Stufe auf Temperaturen von Gefrierpunkt nähe; daher ist die Entfernung von SO2 bereits an dieser Stelle sehr weitgehend.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung von Inertgas, wobei flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe mit > Verbrennungsluft, gegebenenfalls unter Zumischung eines gasförmigen Zerstäubungsmittels in einer Brennkammer verbrannt werden, anschließend durch Sprühkühlung abgekühlt werden, worauf eine zweite Kühlung bis in Gefrierpunkt- i<> nähe erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Verbrennung in einer mit einem Kühlmantel versehenen Kammer erfolgt,
b) in der zusätzlich die Gase durch Sprühkühlung durch in den hinteren Teil der Brenn- π kammer eingedüstes Wasser abgekühlt werden
c) und daß die zweite Kühlung des erzeugten Gases innerhalb eines Waschturmes vorgenommen wird, dem in Gefrierpunktnähe ab- la gekühltes Wasser zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasch- und Kühlflüssigkeit für den Waschturm nach Abzug erneut gekühlt und wieder eingespeist wird. r>
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser dem Kühlmantel der Verbrennungskammer zugeführt wird und von dort in die Sprühköpfe am Ende der Verbrennungskammer gelangt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Gas einer Adsorptionstrocknung unterzogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Inertgas, nachdem es durch den Adsorptionstrockner geströmt ist, laufend oder diskontinuierlich ein Teilstrom abgezweigt wird und nach Aufheizung zur Regeneration einen weiteren Trockner durchströmt und dann in den Gasstrom der Verbrennungskammer vor Eintritt der Gase in den Wirkungsbereich der Sprühdüsen zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gefrierpunkterniedrigende Zusätze zugegeben werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Doppelmantel-Brennkammer (22), deren Mantel (21) von Kühlwasser durchflossen ist und die nahe dem Gasaustritt Sprühdüsen (23) zum Austritt von Kühlwasser aus dem Doppelmantel in den Innenraum aufweist, und durch einen an den Austritt der Brennkammer angeschlossenen Waschturm (25), sowie durch einen Kühler (26), den das Waschwasser vor Eintritt in den Waschturm durchströmt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Dosiervorrichtung zum Einspeisen von Zusätzen in den Kühlwasserkreislauf des Waschturms. bo
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei parallelgeschaltete Adsorptionstrockner (27, 28), von denen wechselweise einer zur Trocknung des Inertgases und der andere zur Regeneration durch b5 einen von dem getrockneten Inertgasstrom abgenommenen und in einem Erhitzer erhitzten Gasteilstrom geschaltet ist, und durch eine Verbindungsleitung mit einem Gebläse (29) zwischen den Adsorptionstrocknern und der BrennKammer, die zur erneuten Einspeisung des zur Regeneration benutzten Inertgases vor dem Wirkungsbereich der Sprühdüsen in die Brennkammer mündet.
K). Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Brennkammer, deren Sprühköpfe (23) von außen zugänglich sind.
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