DE2539888C2

DE2539888C2 - Verfahren zur Vergasung von fein dispergierte Feststoffe enthaltendem Öl durch partielle Oxydation unter Flammenbildung und Einrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE2539888C2
Application number: DE2539888A
Authority: DE
Inventors: George Amsterdam/Amsterveen Van Os
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1974-09-09
Filing date: 1975-09-08
Publication date: 1985-07-18
Also published as: US3972690A; FR2283859A1; IN142330B; JPS593921B2; ZA755705B; AU8462275A; IT1042368B; NL179468C; DE2539888A1; FR2283859B1; GB1523341A; NL179468B; BE832882A; JPS5159901A; NL7411916A; CA1070949A; DD120464A5

Description

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erfüllen, in der V^die Axialkomponente und V_u„die Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit des eingespeisten Oxydationsmittels bedeuten.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die im wesentlichen aus einem hohlen

Reaktor'besteht, der eine Einlaß-Einrichtung aus einem Zentralrohr (3) für die Ölzuspeisung und einen das Zentralrohr (3) umgebenden Zuspeisungskanal (4) für das Oxydationsmittel aufweist bei der die Mittelachse des zentralen Rohres (3) und des umgebenden Zuspeisungskanals (4) mit der Mittelachse des Reaktors (1) zusammenfallen, bei welcher der Zuspeisungskana! (4) ein tangential gerichtetes Zuspeisungsrohr (5) für das Oxydationsmittel aufweist und ein düsenartiger, zum Reaktor austragender Auslaß (6) vorgesehen ist, dadurqb gekennzeichnet daß das Verhältnis des Durchmessers des Zuspeisungskanals (4) für das Oxydationsmittel zum Durchmesser des Auslasses (6) mindestens den Wert 3 aufweist.

Das Vergasen von Öl durch partielle Oxydation unter Flammenbildung mi* einem gasförmiger., freien Sauerstoff enthaltenden Oxydationsmittel in einem hohlen Reaktor wird heute in der Praxis in großem Maßstab durchgeführt, wobei man Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid enthaltende Gase erhält. Diese Gase können als Ausgangsmaterialien für chemische Synthesen oder chemische Behandlungsverfahren und als Brennstoffe verwendet werden.

Sofern das betreffende öl erhebliche Mengen an fein dispergierten Feststoffen enthält kann es jedoch bei der Vergasungsreaktion ajfgrun»' von im Reaktor gebildeten Ablagerungen zu Schwierigkeiten kommen, öl mit einem erheblichen Gehalt an fein dispergierten Feststoffen erhält man z. B. aus Teersänden. Diese Teersände kommen an verschiedenen Stelz .i auf der Erde in sehr großen Lagerstätten vor. In Abhängigkeit von der Art der Verarbeitung dieser Teersände erhält man öle mit einem Feststoffgehalt von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent. Diese Feststoffe bestehen hauptsächlich aus Sand und Tonteilchen.

öle mit einem so hohen Grad an fein dispergierten Feststoffen können auch aus einer Dispersion von Kohle in Öl bestehen. Es kann sich dabei um Steinkohle, wie Anthrazit, bituminöse Kohle und außerdem um Braunkohle und Lignit handeln. Weiter können Öle, Ruß und Koks als Feststoffe enthalten. Solche Dispersionen eignen sich zur Vergasung, da dies einen bequemen Weg zum Komprimieren von festem Brennstoff in einem Reaktor darstellt. Die Feststoffteilchen und insbesondere die verschiedenen Kohlcarten enthalten häufig aschcbildcnde Bestandteile. Diese Ascheteilchen weisen bei den hohen Vergasungstemperaturen eine klebrige Konsistenz auf.

Zum besseren Verständnis sei darauf hingewiesen, daß bei einer Ölvergasungsanlagc das Oxydationsmittel.

wie Luft, Sauerstoff oder ein Gemisch aus Luft und Sauerstoff, üblicherweise unter Rotation um den eingedüsten, fein dispergierten Brennstoff zugeführt wird, um die Stabilität der Oxydationsflamme zu verbessern. Dabei wird eine starke Rotationsbewegung des Oxydationsmittels bevorzugt, da dies das Verwirbeln des Reaktionsgemisches im Reaktor erleichtert und demgemäß zu einem besseren Vermischen des Brennstoffes und des Oxydationsmittels führt. Als Ergebnis der starken Verwirbelung werden die Feststoffteilchen gegen die Wand des Reaktors geschleudert. Solange diese Teilchen hart und nicht klebrig sind, ergeben sich daraus keine Probleme hinsichtlich Ablagerungen und Ansammlungen. Auch das Vorliegen der Feststoffteilchen in geschmolzenem Zustand unter den vorherrschenden Bedingungen stellt in der Regel kein Problem dar, zumindest nicht für die Seitenwände und die obere Wand des Reaktors, da die geschmolzene Substanz ausreichend dünnflüssige Konsistenz aufweist und dazu neigt, sich nach unten zu bewegen. Sofern jedoch noch unverbranntes oder nur teilweise verbranntes Öl vorliegt, wirkt dieses Material als Klebstoff und führt möglicherweise zur Ablagerung einer klebrigen Substanz mit hohem Feststoffgehalt auf den Reaktorwänden. Wegen der hohen, im Reaktor vorherrschenden Temperatur werden außerdem die Kohlenwasserstoffe in diesem Material gecrackt und carbonisiert und dadurch zähe, fest anhaftende Ablagerungen gebildet. Die vorgenannte klebrige Substanz führt nicht nur zum Ankleben der aschebildenden Teilchen, wie Ton und Sand, auf den Reaktorwänden, vielmehr kann es auch bei Verwendung einer Dispersion von Kohle in öl als Brennstoff vorkommen, daß Kohleteilchen nicht vollständig verbrannt worden sind. Unter herkömmlichen Verfahrensbedingungen unter Verwendung einer starken Verwirbelung zeigt das Reaktionsgemisch im Reaktor eine äußere Wirbcl/onc. in der insbesondere im Mittelteil und im oberen Teil des Reaktors eine verhältnismäßig große Menge ;in teilweise verbranntem Öl vorliegt, so daß besonders an diesen Stellen Ablagerungen gebildet werden können.

b^r> Es hat sich daher in der Praxis gezeigt, daß öle mit den vorbeschriebenen höheren Gehalten an fe^:n dispergierten Feststoffen zur Bildung von Ablagerungen im hohlen Reaktor und insbesondere auf der dem Brennstolf· einlaß gegenüberliegenden Wand in solchen Mengen führen, daß der normale Betrieb zur Reinigung des Reaktors in regelmäßigen Abständen unterbrochen werden muß. Die Erfindung stellt jetzt ein Verfahren und

eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung, mittels dessen (deren) diese Schwierigkeiten vermieden werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vergasung vop 0,5 bis 5 Gewichtsprozent fein dispergierte Feststoffe enthaltendem öl durch partielle Oxydation unter Flairimenbildung mit einem gasförmigen, freien Sauerstoff enthaltenden Oxydationsmittel in einem hohlen Reaktor, wobei das Oxydationsmittel in Rotationsbewegung versetzt wird und um den eingedüsten, fein dispergierten Brennstoff rotiert, ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Oxydationsmittel in den Reaktor unter Strömungsbedingungen eingespeist wird, welche die Bedingung

— ^s- = 4-5 ίο

erfüllen, in der V₃, die Axialkomponente und V,_an die Tangentiaikomponente der Strömungsgeschwindigkeit des eingespeisten Oxydationsmittels bedeuten. ·

Das erfindungsgemäße Verfahren führt gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen das Verhältnis

ungefähr 2 beträgt, zu einer längeren Flamme, wodurch die vorgenannte äußere Wirbelzone erheblich verkleinert wird, so daß die Brennstoffteilchen eine längere Verweilzeit im heißen Gaskörper aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit einer Berührung mit der Reaktorwand nimmt ab, und die für die Oxydation zur Verfügung stehende Zeit verlängert sich, so daß praktisch keine klebrigen Substanzen mehr vorliegen, die zu einem 2C Ankleben von Feststoffteilchen an den Reaktorwänden führen können.
ß; Bei dem im erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten Verhältnis

β —SL. = 4 bis 5

jjjf arbeitel ein Reaktor mit einem herkömmlichen Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 2 bis 3 trotz der

up dadurch verursachten längeren Flamme ausgezeichnet. Natürlich ist es auch möglich, einen schlankeren Reak-

ψ tortyp zu verwenden und insbesondere die Länge des Reaktors an die Länge der Flamme anzupassen. Außer-

IiS dem ist es je nach Art des Brenners, der Rtaktorkonstruktion und den verwendeten Verfahrensbedingungen

ρ immer erforderlich, zur Sicherstellung der Stabilität der Flamme den Wert V_a„ so klein wie möglich zu halten.

|| Dies stellt jedoch einen Teil des heutigen technischen Wissens der Fachleute auf dem Gebiet der Brenner dar.

M Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, daß alle Feststoffteilchen frei im Raum des hohlen Reaktors

Iy vorliegen. Kohleteilchen werden zum größten Teil oder vollständig vergast, während dies bei Ascheteilchen

Ü;· natürlich nicht der Fall ist. Alle verbleibenden Feststoffteilchen verlassen den Reaktor mit dem Produktgas und

|jj werden von diesem mittels bekannter Verfahren, wie mittels Cyclonen, Bandabscheidern oder mittels Waschen

|jj mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten, entfernt. Der Aschegehalt des den Reaktor verlassenden Produktgases

IjE wird daher, bezogen auf den Aschegehait des eingespeisten Brennstoffes, in überraschend hohem Ausmaß

|| herabgesetzt.

~; Bei bekannten Brennvorrichtungen wird nicht unter den erfindungsgemäßen Bedingungen bezüglich des

si Verhältnisses von Axial- zu Tangentialgeschwindigkeit gearbeitet, so daß auch das technische Problem der

|j Vergasung von höhere Anteile an fein dispergierten Feststoffen enthaltenden ölen nicht gelöst werden kann.

|| Beispielsweise ist in der DE-OS 22 04 6Cl eine Brennervorrichtung mit Axialeinspeisung durch eine zentrale

|ΐ: Leitung beschrieben, an die sich bündelartig angeordnete Röhren anschließen. An der Gasaustriusstelle wird die

T¹I' Radialgeschwindigkeit des Gasstromes durch eine Düse verändert und dadurch das Strömungsprofil vergleich-

:^: mäßigt.

κ Die bündelartig angeordneten Röhren haben einen --elativ engen Querschnitt und eignen sich daher nicht für

^* Ausgangsöle mit einem Feststoffgehalt von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent.

Lr Auch bei der in der DE-PS 9 68 064 beschriebenen Vorrichtung wird das Oxydationsmittel praktisch parallel

if; /um Brennstoff zugeführt und nur am Brenneraustritt und beim Übergang in die Reaktionskammer finde;, eine w

f|; Umleitung der Bewegungsrichtung statt, so daß der Brennstoffstrahl zerbluscn wird. Es findet also keine

^! geregelte Abstimmung von Tangential· und Axialgcsehwimdigkcit im Sinne der vorliegenden Erfindung statt.

''i\ Schließlich ist es aus der US-PS 27 90 838 bekannt. Kohlenwasserstoffe zu Olefinen, wie Äthylen und Propy-

■.·; len. zu crackcn. Zu diesem Zweck wird in einer Verbrennungskammer ein sehr heißes Gas erzeugt, welches über

?-\; eine düscnartige öffnung ausströmt und sich mit den zu crackenden Kohlenwasserstoffen vermischt. Über die

;,']< eigentliche Brennerkonstruktion werden in der Literaturstelle keine Angabfe.i gemacht, aus der Schercazeich-

'')■ nung von F i g. 1 kann lediglich entnommen werden, daß für das Oxydationsmittel eine axiale Zuleitung vorgese-

; i hen ist.

,J Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die im

;<; wesentlichen aus einem hohlen Reaktor besteht, der eine Einlaß-Einrichtung aus einem Zentralrohr für die

■_i Ölzuspeisung und einen das Zentralrohr umgebenden Zuspeisungskanal für das Oxydationsmittel aufweist, bei

j.'} der die Mittelachse des zentralen Rohres und des umgebenden Zuspeisungskanals mit der Mittelachst des Reaktors iu^smmenfallen, bei welcher der Zuspeisungskanal ein tangential gerichtetes Zuspeisungsrohr für das

i Oxydationsmittel aufweist, und ein düsenartiger, zum Reaktor austragender Auslaß vorgesehen ist, die dadurch

gekennzeichnet ist. daß das Verhältnis des Durchmesser:; des Zuspeisungskanals für das Oxydationsmittel zum

_| Durchmesse¹ des Auslasses mindestens den Wert 3 aufweist. Dadurch wird das Oxydationsmittel gezwungen, durch verhältnismäßig enge Öffnungen auszuströmen. Dadurch wird gegenüber herkömmlichen Konstruktio-

, ilen, bei den^n erheblich weitere Auslaßöffnungen verwendet werden, die Axialkomponente der Geschwindig-

keit vergrößert. F.s wurde gefunden, daß sich heute übliche Dimensionen aufweisende Einlaß-Einrichtungen für das Vergasen von öl so anpassen lassen, daß sie sich auch für das Vergasen von fein dispergierte Feststoffe enthaltenden Ölen eignen. Zu diesem Zweck kann ein dünner Überzug aus einem geeigneten Stahl auf die Innenseite des Zuspeisungskanals für das Oxydationsmittel in der Nähe des Auslasses aufgebracht werden.
Die Erfindung wird jetzt anhand der Zeichnungen und der Beispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung;
F i g. 2 zeigt einen detaillierten Längsschnitt, in dem eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einer herkömmlichen Einrichtung verglichen wird.

F i g. I zeigt nur einen kleinen Teil der Reaktorwand, die mit 1 gekennzeichnet ist. Die Einlaß-Einrichtung 2 besteht aus einem Zentralrohr 3 zur Zuspeisung des die fein dispergierten Feststoffe enthaltenden Öls. Dieses Zentralrohr ist von einem Kanal 4 für das gegebenenfalls mit Dampf vermischte Oxydationsmittel umgeben. Dieser Kanal ist mit einem tangential gerichteten Zuspeisungsrohr 5 verbunden. Das durch dieses Rohr strömende Gas rotiert um das Rohr 3 in Richtung des Auslasses 6. Das Verhältnis des Durchmessers D von Kanal 4 zum Durchmesser c/von Auslaß 6 ist wichtig. Im vorliegenden Beispiel beträgt dieses Verhältnis 4,5. Je größer dieses Verhältnis ist. eine um so größere Axialkomponente der Geschwindigkeit weist das zugespeiste Gas auf. Bei einer herkömmlich konstruierten Einlaß-Einrichtung beträgt dieses Verhältnis wenigi-r als 3. Die Einlaß-Einrichtung ist außerdem mit einem Wassermantel 7 mit einem Einlaß 8 und einem Auslaß 9 für das Wasser ausgestattet. Fig. 2 zeigt zweimal die Hälfte der Einlaß- Einrichtung als Längsschnitt. Die linke Seite zeigt eine herkömmliche und die rechte Seite eine erfindungsgemäßt Einlaß-Einrichtung. D\, D₂, d\ und d₂ bezeichnen die in Fig. 1 mit D und d bezeichneten Durchmesser. Die Teile 10 und 11 weisen die gleichen Dimensionen auf. Es wird hier gezeigt, daß durch Aufbringen eines Überzugs aus einem geeigneten Stahl 12 und durch eine geringfügige Veränderung des Überzugs 13 der Durchmesser d₂ der Düse der Einlaß-Einrichtung kleiner als d\ gemacht worden ist und demgemäß

D₂ ^ D₁

In diesem Beispiel beträgt das veränderte Verhältnis 4, während das ursprüngliche Verhältnis vor der Verkleinerung des Durchmessers der Düse einen Wert von 2,9 aufweist.

Beispiele

In einer halbkommerziellen Einrichtung werden eine Reihe von Versuchen mit zwischen 18 und 24 Stunden schwankenden Versuchszeiten durchgeführt. Die Versuche werden unter Verwendung eines Schweröls aus einer Teersandlagerstätte durchgeführt. Dieses öl weist einen Aschegehalt von 0,64% auf. Der Aschegehalt des Öls beträgt beim letzten Versuch 2,1%. Das öl wird mit auf 400 bis 500⁰C vorerhitzter Luft vergast. Die Zuspeisung wird vor der Vergasung auf ibö bis f7ö~C vorerhitzt. im Reaktor wird ein Druck von 16 bis i7 bar angewendet und die anderen Versuchsbedingungen, sowie die bei den Versuchen erhaltenen Ergebnisse, sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.

Tabelle

Nr.	Wie	Zu-	Sauerstoff.	Dampf.	Temperaiur.	Aschcgehalt	V.,	Aschegeha 11 des den	y
	speisung.	Nm'/kg	kg/kg	°C	der Brenn-	~V~	Reaktor verlassenden
	kg/h	Zuspeisung	Zuspeisung		stoff-Zu-	*lan*	Gases in % des Aschc-
					speisung.		gehaltes des zuge
					kg/h		speisten Brennstoffes
1	174	0,85	0,50	1260	1.11	1.9	42
2	171	0.85	1,49	1173	1,09	1.9	36
3	146	0,95	—	1179	0.93	1.9	92
4	163	0,69	1.03	1177	1,04	4.3	7
3	159	0,70	0.48	1225	1,02	43	13
6	167	0,63	0,91	1290	3,52	4.3	0
aus den Ver:	suchen hervo	irgeht, führt eine	Erhöhung des		:s von -

im

chen Verminderung des Aschegehaltes des den Reaktor verlassenden Gases (in % des Aschegehaltes des zugespeisten Brennstoffs). Nach Versuch 3 klebt eine 25 mm dicke Schicht aus poröser Asche an der oberen Wand und den Seitenwänden des Reaktors bis zur Mitte der Seitenwände herab.

Die Temperatur im Reaktor liegt immer unterhalb des Schmelzpunkts der in den verwendeten ölen vorhandenen Asche, welcher ungefähr 1320⁰C beträgt.

Das Zusetzen von Dampf wirkt sich günstig auf die Verringerung des Aschegehalts des den Reaktor verlassenden Gases aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Vergasung von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent fein dispergierte Feststoffe enthaltendem öl durch partielle Oxydation unter Flammenbildung mit einem gasförmigen freien Sauerstoff enthaltenden 5 Oxydationsmittel in einem hohlen Reaktor, wobei das Oxydationsmittel in Rotationsbewegung versetzt wird und um den eingedüsten fein dispergierten Brennstoff rotiert» dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Oxydationsmittel in den Reaktor unter Strömungsbedingungen eingespeist wird, welche die Bedingung