-
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines reinen Stickstoff-Kohlensäure-Getnisches
aus Verbrennungsgasen. Es ist bekannt, reinen Stickstoff aus Luft durch Überleiten
derselben über erhitztes Kupfer oder ein anderes ähnlich wirkendes Metall zu gewinnen.
Es ist weiter bekannt, Stickstoff bzw. ein Stickstoff-Kohlensäure-Gemisch aus Verbrennungsgasen
durch Überleiten derselben über eine oxydierbare und reduzierbare Substanz, z. B.
ein Gemenge von Kupfer,und Kupferoxyd o. dgl. zu erzeugen, wobei unter gleichzeitiger
Verwendung von reduzierenden Gasen der gesamte Sauerstoff der zugeführten Luft und
der gesamte zur Verbrennung verwandte Kohlenstoff in Kohlensäure übergeführt wird,
so daß das Endgas nur aus einem Gemisch von Stickstoff und .Kohlensäure besteht.
Die Trennung der beiden Gase erfolgt in üblicher Weise.
-
Die Menge des erzeugten Stickstoffes ist im ersten Fall von der Menge
des zur Verfügung stehenden Metalles abhängig. Der Prozeß kann durch Umleiten des
Luftstromes über neue Metallschichten unter gleichzeitiger Reduktion der gebildeten
Oxyde kontinuierlich gestaltet werden, beansprucht aber dann mindestens zwei voneinander
getrennte Räume für den Vorgang der fortlaufenden Gaserzeugung, den einen für die
Oxydation, den anderen für die Reduktion.
-
Im zweiten Fall ist das dauernde Vorhandensein der Mischung von Metall
und Metalloxyd eine wichtige Vorbedingung für den beabsichtigten Verlauf des Prozesses.
Die beständige Aufrechterhaltung einer solchen Mischung wird entweder im Zusammenbange
mit der Verbrennung durch zeitweilige Verminderung der zugeführten Verbrennungsluft
und dadurch hervorgerufene Bildung von reduzierenden Gasen herbeigeführt, wobei
für das Gemisch eine eigene Retorte vorgesehen ist, oder sie wird unabhängig von
dem Verbrennungsvorgang durch gesonderte Zumischurig von reduzierenden Gasen zu
den Verbrennungsprodukten erreicht, wobei die Einwirkung des aus reduzierenden Gasen
und Verbrennungsgasen bestehenden Gemenges auf das Metall-Metalloxyd-Gemisch in
einem besonderen Kontaktofen vor sich geht.
-
In jedem Fall ist eine sorgfältige Beobachtung des Oxydationsvorganges
und eine rechtzeitige Herbeiführung des Reduktionsvorganges seitens der Bedienung
nötig.
-
Vorliegende Erfindung gestattet die Gewinnung eines reinent@iclstoft-Iqhler@s@,ure,
Gemisches aus Verbrennungsgasen durdh überleiten derselben über. eine aus einem
Metall und seinem Oxyd bestehende Kontaktsubstanz; sie kennzeichnet sich dadurch,
daß die für die Reduktion des gebildeten -Metalloxydes nötigem reduzierenden Gase
von den Verbrennungsgasen selbst erzeugt werden, ohne daß eine Beeinträchtigung
des eigentlichen Verbrennungsvorgangs durch Verminderung der zugeführten Luftmenge;
und ohne daß eine gesonderte Zuführung von reduzierenden Gasen zu den Verbrennungsgasen
stattfindet. Das Verfahren besteht darin, daß nach vollzogener Verbrennung ein Teil
der heißen Verbrennungsgase von denn
Hauptstrom derselben abgezweigt
wird, wobei der Nebenstrom mit Holzkohle, wie in vorliegendem Fall, oder einem sonst
geeigneten Hilfsstoff, z. B. Benzol, Petroleum, Oxalsäure, reduzierende Gase erzeugt
und dann wieder mit dem Hauptstrom zusammengeführt wird, um darauf mit diesem die
Kontaktmasse zu durchstreichen.
-
Die in den Verbrennungsgasen enthaltene Wärme erhitzt das ,#letall---%letalloxyd-Geinisch
und bringt zugleich mittels des Nebenstroines die Holzkohle zum Glühen, schafft
also die Vorbedingungen für die verlangten chemischen Reaktionen. Das Metall und
das Oxvd der Kontaktmasse werden durch den Sauerstoff der Verbrennungsgase oxydiert
bzw. durch die von dem Nebenstrom und der Holzkohle gebildeten reduzierenden Gase
reduziert. Die glühende Holzkohle verwandelt die in den Verbrennungsgasen enthaltene
Kohlensäure nach vorheriger Spaltung in Kohlenoxy d und Sauerstoff unter Zuhilfenahme
ihres eigenen Kohlenstoffes völlig in Kohlenoxyd und zerlegt den in den Verbrennungsgasen
evtl. vorhandenen Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff, wovon sich der Sauerstoff
zusammen finit den von der Verbrennung stammenclen Sauerstoffresten mit dem Kohlenstoff
der Holzkohle ebenfalls zu Kohlenoxyd verbindet, so daß an reduzierenden Gasen Kohlenoxyd
und Wasserstoff vorhanden sind. Auf diese Weise kommt zugleich zwischen dem Verbrennungsvorgang
und dem Reduktionsvorgang eine gegenseitige Abhängigkeit zustande, derart, daß einer
mit größerem Luftüberschuß durchgeführten Verbrennung und einem dadurch bedingten
höheren Sauerstoffgehalt der Verbrennungsgase, welcher für sich eine stärkere Oxv-lation
des :\letalls der Kontaktmasse bedingt, ohne weiteres eine reichlichere Bildung
von reduzierenden Gasen und damit eine vermehrte Reduktion entspricht, d. h. Verbrennung
und Reduktion arbeiten selbsttätig in einem die dauernde Erhaltung eines Metall-
und Metalloxyd-Gemisches-begünstigenden Sinne zusammen und erleichtern so die Überwachung
des Prozesses. Die für die Durchführung-des Verfahrens dienende Vorrichtung kennzeichnet
sich dadurch, daß Verbrennung, Teilung des Stromes der Verbrennungsgase, Bildung
der reduzierenden Gase, Vereinigung der beiden Teilströme sowie Oxvdation und Reduktion
des 31Tetall-:@letalloxyd-Gemisches in einem einzigen mit den entsprechenden Einrichtungen
versehenen Ofen stattfinden. Dieser Ofen besitzt demnach zwei sich an den eigentlichen
Verbrennungsraum anschließende getrennte Kanäle für die Führung der Verbrennungsgase,
von denen der eine für den Hauptstrom, der andere für den Nebenstrom bestimmt ist.
Die Teilung des Gasstromes erfolgt durch eine verstellbare Klappe o. dgl., welche
den für den Nebenstrom bestimmten und für Aufnahme der Holzkohle oder eines anderen
Hilfsstoffes eingerichteten Kanal von dem Verbrennungsraum trennt. Die beiden Kanäle
sind wieder zusammengeführt und münden in einen zur Aufnahme der Kontaktmasse bestimmten
Raum, aus dem das Endgas als Stickstoff-Kohlensäure-Gemisch entweicht. Die Verstellung
der den Nebenstrom regulierenden Klappe kann entweder von Hand oder unter Benutzung
entsprechender Apparate selbsttätig erfolgen.
-
Die Zeichnung zeigt eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung;
Abb. i stellt den Aufriß, Abb.2 den Seitenriß, Abb. 3 den Grundriß derselben dar.
Abb. i ist ein senkrechter Längsschnitt der Abb. 3, Abb. 2 und Abb. 3 sind Ansichtszeichnungen.
In den Abbildungen ist i der mit einer Öffnung 2 für den Gaseintritt und einer Öffnung
3 für den Lufteintritt versehene, durch eine Platte 4 abgeschlossene Unterteil des
Ofens, in dem ein Gasverteiler 5 untergebracht ist. Der Gasaustritt aus dem Verteiler
5 erfolgt durch die mit feinen Bohrungen versehenen Düsen 6, in die Rohre 7, der
Luftaustritt durch besondere die Rohre 7 umgebende Rohre B. Die Rohre 7 und 8 endigen
in dem eigentlichen Verbrennungsraum 9, wo die Vereinigung von Luft und Gas stattfindet
und damit die Verbrennung eingeleitet wird. Die Fortsetzung des Verbrennungsraumes
9 wird von einem der Führung des Hauptstromes dienenden Kanal io gebildet, während
zugleich der für die Führung des Nebenstromes bestimmte Kanal i i von dem Verbrennungsraum
9 abgezweigt ist. Zwischen Verbrennungsraum 9 und Kanal i i ist eine drehbare Klappe
12 angeordnet, die den Abschluß zwischen Verbrennungsraum 9 und Kanal i i besorgt.
In dem Kanal i i befindet sich bei Verwendung von Holzkohle als Hilfsstoff ein Rost
13, der mittels Schnecke 14 automatisch oder von Hand von dem Kohlenbehälter 15
aus beschickt werden kann, wobei der Zutritt von Außenluft sowohl während der Beschickung
des Rostes 13 als auch während des Auffüllens des Behälters 15 mit frischem Material
mittels des aus den Schiebern 16 und 17 bestehenden Doppelverschlusses vermieden
wird. Der Behälter 18 dient als Aschenkasten und ist zwecks Ermöglichung einer unter
Ausschaltung der Außenluft stattfindenden Entleerung mit einem Doppelverschluß gleicher
Bauart wie der Kohlenbehälter 15 versehen. Oberhalb des Rostes 13 sind die Kanäle
io und i i wieder zu einem Kanal i9 vereinigt, der in den mit der Kontaktmasse versehenen
Aufsatt
2o führt. Die Kontaktmasse ist in einem zylindrischen Kupferblechrahmen
21 derart eingebaut, daß für die Verbrennungsgase hei möglichst großer Berührungsfläche
mit der Kontaktmasse zwecks Geschwindigkeitsverminderung für den Durchgang ein möglich-,t
reichlicher Durchgangsquerschnitt freigegeben wird, so daß für das Zustandekommen
der chemischen Vorgänge genügend Zeit geschaffen wird. Die Kontaktmasse besteht
aus einer Reihe von in den Rahmen 21 eingesetzten und mit Fassungen 22 versehenen
Kupferblechspiralen 23 von entsprechender Breite mit abwechselnd rechts- und linksgängiger
Wicklung, deren teilweise Oxydation erst im Ofen vorgenommen zu werden braucht.
Der Aufsatz 2o des Ofens ist oben durch einen Deckel 24 abgeschlossen, an dem behufs
bequemen Ausbaues der Kontaktmasse der Rahmen 21 der letzteren so befestigt ist,
daß die Kontaktmasse mittels der Spindel 25 und der Muttern 26 in ihrer Höhenlage
verstellt werden kann. Der Deckel 24 ist außerdem als Explosionsklappe ausgebildet
und wird durch Feder 27, Federteller 28 und Traverse 29 mit Hilfe der Bolzen
30 und der Muttern 31 auf seinen Sitz gepreßt. Eine ähnliche Explosionsklappe
32 mit Feder 33, Federteller 34, Traverse 35, Bolzen 36 und Muttern 37 ist über
dem Verbrennungsraum g angeordnet. Der an dem Aufsatz 2o des Ofens vorgesehene Stutzen
38 dient für den Austritt der Gase. An sonstigen Armaturen besitzt die Vorrichtung
ein Schauloch 39 für den Verbrennungsraum g, eire Schauloch .ao für den Rost
13, ferner eine unabhängig von der zum Betriebe des Ofens dienenden Gas-und Luftzuführung
mit Gas und Luft versorgte Dauerzündflamme 41. Der Ofen ist mit Schamotte 42 gefüttert
und mit einem Eisenmantel 43 armiert.
-
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende: Durch die Gaseintrittsöffnung.2
wird in einem Generator oder sonstwie erzeugtes Gas, durch die Lufteintrittsöffnung
3 Druckluft in den Verbrennungsraum g eingeführt. Die Anordnung des mit den Düsen
6 versehenen Gasverteilers 5 und die dadurch bedingte Ausführung mehrerer aus den
Rohren 7 und 8 zusammengesetzten Brenner sorgen für eine innige Mischung von Gas
und Luft und sichern eine möglichst vollkommene Verbrennung. Die Verbrennungsgase
strömen bei geschlossener Klappe 12 alle durch den Kanal io und ig, von,da durch
die Kontaktmasse und -treten durch den Stutzen 38 aus dem Ofen aus. Ist die Klappe
12 ganz oder teilweise geöffnet, so teilt sich der Strom der Verbrennungsgase; der
Hauptstrom nimmt seinen Weg durch Kanal io, ein je nach Stellung der Klappe 12 größerer
oder kleinerer Teil der Verbrennungsgase tritt als Nebenstrom durch die von Klappe
12 freigegebene Offnung in den Kanal i i ein, streicht auf seinem Weg durch den
mit Holzkohle beschickten Rost 13, mischt sich nach seinen Austritt aus Kanal i
i in Kanal ig wieder mit dein Hauptstrom des Kanals io, strömt mit diesem zusammen
durch die Kontaktmasse und verläßt den Ofen durch den Stutzen 38. Bei geschlossener
Klappe 12, wenn also eine Teilung des Stromes der Verbrennungsgase nicht erfolgt,
erhitzen die Verbrennungsgase die Kontaktmasse und geben unter Bildung von Kupferoxyd
so lange ihren Sauerstoff an die Kontaktmasse ab, bis die ganze Oberfläche derselben
oxydiert ist. Bei ganz oder teilweise geöffneter Klappe 12 wird ein Teil der Verbrennungsgase
abgezweigt und gelangt als Nebenstrom durch Kanal i i zu dem Rost 13, wo er zunächst
die auf demselben befindliche Kohle zum Glühen bringt. Die in dem Nebenstrom enthaltene
Kohlensäure wird von dir glühenden Holzkohle in Kohlenoxyd und Sauerstoff zerlegt;
dabei verbindet sich der Kohlenstoff der Holzkohle mit dem freigewordenen Sauerstoff
ebenfalls zu Kohlenoxyd; der in dem Nebenstrom enthaltene Wasserdampf zerfällt unter
dem Einfluß der Kohle in Wasserstoff und Sauerstoff und gibt mit dem Kohlenstoff
der Holzkohle ein Gemisch von Kohlenoxyd und Wasserstoff; die in dem Nebenstrom
enthaltenen von dem für die Verbrennung nötigen Luftüberschuß herrührenden Sauerstoffreste
bilden mit dein Kohlenstoff der Holzkohle ebenfalls Kohlenoxyd. Der Nebenstrom,
der jetzt außer Stickstoff die reduzierenden Gase Kohlenoxyd und Wasserstoff enthält,
bildet nach seiner Vereinigung mit dem Hauptstrom mit diesem ein Gemenge von Stickstoff,
Sauerstoff, Kohlenoxyd und Wasserstoff. Beim Passieren durch die von den Verbrennungsgasen
erhitzte Kontaktmasse 23 wird das vorhandene Kohlenoxyd und der Wasserstoff für
die Reduktion von Kupferoxyd unter Bildung von Kohlensäure und Wasser, der in dem
Gemenge vorhandene Sauerstoff für die Oxydation des Kupfers unter Bildung von neuem
Kupferexyd aufgebraucht. Durch geeignete Wahl der Verhältnisse für die Verbrennung,
d. h. bei annähernd gleichbleibendem Druck von Luft und Gas, ferner bei entsprechend
reichlicher Bemessung der Kontaktmasse 23 hat man, gute Verbrennung vorausgesetzt,
die Möglichkeit, ohne besondere Regulierung immer ein reines Stickstoff-Kohlensäure-Gemisch
zu erhalten, wenn für die Klappe i2 eine Stellung bestimmt wird, in der durch den
?NTehenstrom ungefähr soviel an reduzierenden Gasen erzeugt wird, als zur Aufzehrung
des gebildeten Kupferoxydes nötig ist; es läßt
sich also gewissermaßen
ein Beharrungszustand erreichen. Kleine Druckänderungen spielen insofern keine Rolle,
als sie nach oben und unten hin stattfinden und sich in ihrer mittleren Wirkung
auf den Oxy dations- und Reduktionsvorgang ausgleichen. Die entsprechend reichlich
bemessene Kontaktmasse wirkt lvie ein Akkumulator und nimmt solche Unregelmäßigkeiten
leicht in sich auf. Bei Anwendung des Verfahrens wird die Überwachung des Betriebes
durch den Umstand wesentlich vereinfacht, daß eine unter größerem Luftüherschuß
durchgeführte Verbrennung schon für sich ohne irgendwelche Verstellung der Klappe
12 eine stärkere Entwicklung von reduzierenden Gasen zur Folge hat; es ist also
nur darauf zu achten, daß genügend Luft für die Verbrennung zur Verfügung steht,
was leicht durch zeitweises Beobachten der Flamme mittels der Schaulöcher 39 und
.Io geschehen kann. Sind große Unregelmäßigkeiten in der Zuführung von Luft und
Gas zu erwarten, so kann die Klappe 12 von einem kontinuierlich arbeitenden Gasanalysator,
der das Probegas etwa aus der Mitte der Kontaktmasse entnimmt, mit Hilfe einer elektrischen
Steuerung und elektromotorischen Antriebs selbsttätig verstellt werden. Sobald sich
in dem Probegas Sauerstoff: zeigt, erfolgt ein Offnen der Klappe und damit eine
stärkere Entwicklung. von reduzierenden Gasen. Ist in dem Probegas kein Sauerstoff
mehr enthalten, so wird die Klappe wieder in die ursprüngliche Lage zurückgedreht.
In ähnlicher Weise läßt sich der Verbrennungsvorgang mit Hilfe der Veränderung der
Luftzufuhr auf Grund des Kohlensäuregehaltes der Verbrennungsgase regulieren. Derartige
Steuerungen können auch für mehrere Klappenstellungen eingerichtet sein; es entspricht
dann jeder Klappenstellung ein gewisser Prozentsatz von Sauerstoff oder Kohlensäure
für das aus dem Ofen entnommene Probegas.
-
Das Verfahren ist außer für Gasfeuerungen für jede andere Feuerungsanlage
anwendbar, wenn die Kontaktmasse an geeigneter Stelle eingebaut und durch Teilung
des Stromes der Verbrennungsgase sowie Benutzung eines geeigneten Hilfsstoffes für
eine entsprechende Entwicklung von reduzierenden Gasen gesorgt wird.