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Vorrichtung zum Umwandeln von Brenngas von hohem Heizwert in ein Gas
von niedrigerem Heizwert Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung von Brenngasen
mit höherem Heizwert, beispielsweise von Spaltgasen der Erdölspaltung, Kohlenschwelgas,
Restgas von der Benzinsynthese oder anderen Gasen, in ein Gas von geringerem Heizwert.
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Die Spaltgase der Erdölspaltung und gewisse Kohlendestillationsgase
besitzen vielfach einen Heizwert, der erheblich über demjenigen liegt, welchen normalerweise
das Leuchtgas besitzen soll. Allgemein hält man den Heizwert von Leuchtgas etwa
auf 4000 bis 420o Kal./ebm, während beispielsweise ein Erdölspaltgas nicht selten
einen Heizwert von etwa 6 ooo Kal./cbm, ein Schwelgas einen solchen bis zu 7 ooo
Kal./cbm aufweist. Es ist nicht ohne weiteres möglich, die Heizeinrichtungen und
insbesondere Brenner, welche auf ein Gas mit einem Heizwert von 4 200 Kal. eingestellt
sind, auch für ein Gas mit einem wesentlich höheren Heizwert zu benutzen.
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Um den Heizwert der hochwertigen Brenngase herabzusetzen, bevor man
sie in das Rohrleitungsnetz einer Leuchtgasversorgung entläßt, ist vorgeschlagen
worden, das hochwertige Gas, dessen Heizwert herabgesetzt werden soll, mit einer
gewissen Menge Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, vorzugsweise Luft, zu mischen
und dann auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der sich die in dem Gas enthaltenen
Kohlenwasserstoffe so weit mit dem Sauerstoff umsetzen, daß der Heizwert sinkt.
Das entstehende heiße Reaktionsgas gibt dabei seine Wärme in einem indirekten Wärmeaustauscher
an das kalte Gas-Sauerstoff-Gemisch ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Heizwertverminderung
von Brenngasen dienende Einrichtung zu schaffen, in
der die gewünschten
Umsetzungen ohne Aufwand äußerer Wärme und mit einem möglichst geringen Zusatz von
oxydierenden Gasen (Luft, Sauerstoff) vor sich gehen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die teilweise Verbrennung des Gases in einem
mit feuerfestem Material ausgekleideten, annähernd kreisförmig gekrümmten weiten
Rohrkanal, der gleichzeitig zum Abführen der Reaktionsgase dient und dessen eines
Ende mit den Austrittsöffnungen der von dem unzuivandelnden Gasgemisch durchströmten
Rohre des als Wärmeaustauscher ausgebildeten Aufheizraums in Verbindung steht und
dessen anderes Ende in den Raum zwischen den gasführenden Rohren des Aufheizraums
mündet.
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Diese Ausbildung der Umwandlungsvorrichtung ergibt zunächst den Vorteil,
daß einerseits die im Wärmeaustauscher erhitzten Gase unmittelbar in den Reaktionsraum
einströmen und andererseits die heißen Reaktionsprodukte aus ihm ohne Wärmeverlust
unmittelbar wieder in den Wärmeaustauscher zurückströmen, wo sie ihre Wärme an die
kalten, umzusetzenden Gase abgeben.
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Ein weiterer Vorteil des nach Art eines annähernd kreisförmig gebogenen
Rohrkanals ausgebildeten Raums zur Durchführung der Reaktion und Abführung der Reaktionsgase
liegt darin, daß Gegenströmungen im Gase innerhalb des Reaktionsraums vermieden
werden. Die in den Reaktionsraum neu eintrettnden Gase werden also nicht durch bereits
umgesetzte Gase verdünnt. Eine solche Verdünnung verzögert die Reaktion unter Umständen
so erheblich, daß der Reaktionsraum eine große Länge erhalten müßte, um Nachverbrennungen
des Gases in dem angeschlossenen Rekuperator zu verhüten, der durch die mit einer
Nachverbrennung verbundene örtliche Überhitzung schwer beschädigt werden kann. Je
kleiner der Reaktionsraum gehalten werden kann, um so geringer sind auch die Wärmeverluste.
Die Erfindung bietet also einen Weg, um die Umsetzung des Gases mit einer sehr geringen
Wärmemenge durchzuführen; praktisch genügt dazu die bei der partiellen Oxydation
der schweren Kohlenwasserstoffe frei werdende Wärme, so daß also weder eine Beheizung
des Reaktionsraumes von außen notwendig ist, noch der Gehalt des Reaktionsgases
am permanenten Bestandteilen (CO, C02, H2) unvorteilhaft gesteigert wird.
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Zum Vermischen des heizkräftigen Gases mit Sauerstoff bzw. Luft werden
zwei positiv fördernde, aber getrennt regelbare Gebläse (Kapselgebläse) verwendet,
die von einer gemeinsamen Kraftquelle aus angetrieben werden und die das Gas mit
einer genau bemessenen Menge Sauerstoff oder Luft versetzen. Das Gas-Sauerstoff-Gemisch
passiert dann den zweiräumigen Wärmeaustauscher, in dem die kalten Gase von den
heißen Gasen durch Metallwände o. dgl. getrennt sind, die vorteilhaft an der Eintrittsstelle
der heißen Gase durch eine feuerfeste Ausmauerung oder gelochte Platten aus Gußeisen
geschützt werden.
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Die Menge Sauerstoff, welche dem Gas zugesetzt wird, wird stets so
niedrig gehalten, daß explosive Gas-Luft-Gemische nicht entstehen können. Wird die
Gas-Luft-Mischung auf eine erhöhte Temperatur gebracht, so setzen sich die in dem
Gas enthaltenen Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff in Wasserstoff und Kohlenoxyd
ohne Rußabscheidung um.
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Ist die Temperatur des zu verarbeitenden Gases am Eintritt in das
Reaktionsrohr nicht hoch genug, beispielsweise zu Beginn des Betriebes, so kann
man zur weiteren Erhitzung des Gases am Eintritt des erhitzten Gasgemisches in den
Rohrkanal eine oder mehrere brennerartig ausgebildete Luftzuführungsrohre vorsehen,
aus denen eine kleine Menge zweckmäßig heißer Luft in den Gasstrom eingeführt und
verbrannt wird.
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Die Erfindung bietet den wesentlichen Vorteil, daß die Gasumsetzung
zur Verminderung des Heizwertes kontinuierlich und ohne Betätigung schwieriger Regelapparate
ausgeführt werden kann. Ist das Mischungsverhältnis Luft zu Gas einmal eingestellt
und die Wärmeaustauschfläche bzw. die etwa erforderliche zusätzliche Beheizung in
zweckentsprechender Weise bemessen, so geht die Umwandlung der Gase in kontinuierlichem
Strome ohne Störung vor sich, und man erhält ständig ein Gas von praktisch gleichbleibender
Zusammensetzung, dessen Heizwert genau dem gewünschten Wert entspricht.
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Auf der Zeichnung ist in Abb. i eine gemäß der Erfindung ausgebildete
Einrichtung in einem senkrechten Querschnitt dargestellt, während Abb.2 einen waagerechten
Schnitt nach Linie A-A der Abb. i wiedergibt.
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Bei der auf der Zeichnung dargestellten Einrichtung tritt das umzusetzende
Luft-Gas-Gemisch durch den Rohrstutzen i in den konisch erweiterten Bodenraum z
eines Röhrenrekuperators ein. Der Rekuperator besitzt einen mit einem die Wärme
schlecht leitenden Material ausgestatteten Mantel 3, innerhalb dessen eine Reihe
von senkrechten Rohren 4 angeordnet sind. Die Rohre 4 münden in den Bodenraum 2,
so daß das durch den Stutzen i eintretende Rohgasgemisch die Rohre 4 des Rekuperators
durchströmt.
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Oben münden die Rohre 4 in einen schwach konischen Raum 5, an den
sich der in Form eines annähernd kreisförmig gekrümmten
weiten Rohrkanals
ausgebildete Raum 6 anschließt. Die Räume 5 und 6 sind mit Wänden 7 aus feuerfestem
Material ausgestattet, das außen zweckmäßig mit einem die Wärme schlecht leitenden
Material bedeckt ist, um die Wärmeverluste gering zu halten.
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Im Raum 5 sind wenig oberhalb der oberen Enden der Rekuperatorrohre
4. eine Reihe von Lufteinlässen 8 in dem feuerfesten Wandmauerwerk ausgespart. Zu
jedem dieser Lufteinlässe 8 führt ein Luftzuführrohr g, das von einem Absperr- und
Regulierventil i o beherrscht wird und an eine Luftsammelleitung i i angeschlossen
ist. Der Zwischent' zwischen dem Luftzuführrohr 9, und der Wandung der Einführung
8 kann, falls in dem Apparat Überdruck herrscht, mit einem geeigneten durchsichtigen
Material, beispielsweise Glimmer, verschlossen werden, so daß man von außen die
durch Umsetzung der Luft mit den Kohlenwasserstoffei sich bildende Flamme beobachten
kann. Durch die teilweise Verbrennung der Gase mit Luft in dem Raum 5 wird das mit
erhöhter Temperatur den Rekuperatorrohren entströmende Gas-Luft-Gemisch auf die
erforderliche Reaktionstemperatur gebracht, bei der sich in der oben beschriebenen
Weise die Kohlenwasserstoffe mit dem zugemischten Sauerstoff in Wasserstoff und
Kohlenoxyd praktisch ohne Rußabscheidung umsetzen.
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Je nach der Zusammensetzung des zu verarbeitenden Gases und der gewünschten
Verlninderung des Heizwertes ist die Wärmeentwicklung im Raum 6 größer oder kleiner.
Sie kann so groß sein, daß die Temperatur des umgesetzten Gases am Ende des Raumes
6 so hoch ist, daß die fühlbare Wärme zur Aufheizung des Rohgasgemisches auf die
Reaktionstemperatur ausreicht. In diesem Falle werden natürlich die Lufteinlässe
am Raum 5 abgestellt bzw. nur benutzt, um die Einrichtung bei der Inbetriebnahme
auf die Reaktionstemperatur zu erhitzen.
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Das heiße Reaktionsgas strömt aus dem Raum 6 in die Zwischenräume
zwischen den Rohren q. des Rekuperators ein. Der Raum 6 ist zu diesem Zweck an einen
Rohrstutzen 12 angeschlossen, der an einer oberen konischen Erweiterung 13 des Rekuperatorinantels
vorgesehen ist. Die durch den Rohrstutzen einströmenden Gase treffen zunächst auf
eine aus Gußeisen oder aus sonst geeignetem Material bestehende gelochte Platte
14., welche die dem Eintrittsstutzen 12 unmittelbar zugewandten Rekuperatorrohre
,4 gegen allzu starke Erwärmung durch die heißen Reaktionsgase schützt. Die Platte
14. bewirkt ferner eine gleichmäßige Verteilung der heißen Gase über den ganzen
Querschnitt des Rekuperators. Die im Innern des Rekuperators versetzt angeordneten
waagerechten Leitwände 15 führen das heiße Reaktionsgas im Zickzackweg an den Rohren
,4 entlang bis zu dem am unteren Ende angeordneten Austritt 16 für verdünntes Gas.
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Die in dem Raum 6 durchzuführende Umsetzung bedingt häufig eine Reaktionstemperatur,
die bei Dunkelrotglut liegt. Der mit eisernen Rohren ausgestattete Rekuperator gestattet
meist nur eine Vorwärmung auf 5oo bis 6oo°. Falls eine höhere Gasvorwärmung verlangt
wird, sieht man zweckmäßig am heißen Ende des Rekuperators noch einen feuerfesten
Teil oder eine sonst geeignete indirekte Beheizungsquelle vor, die übrigens auch
an Stelle der in dem Raum 5 vorgesehenen Lufteinlässe treten kann.
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Sollte die Temperatur der Reaktionsgase am Eintritt in den Wärmeaustauscher
höher sein, als es die Haltbarkeit des Baustoffs zuläßt, der für den Wärmeaustauscher
benutzt wurde, kann man durch die Rohrleitung 17 eine regelbare Menge kalten Gases,
vorzugsweise solchen Gases, das bereits den Wärmeaustauscher passiert hat, zusetzen.
Liegt die Temperatur in den Räumen 5 und 6 hoch, so kann man die oberen Enden der
Rekuperatorrohre 4. durch feuerfeste Körper 18 in geeigneter Weise gegen Wärmestrahlung
schützen.