DE68907540T2

DE68907540T2 - Brenner für eine Teiloxydation kohlenstoffhaltiger Schlämme.

Info

Publication number: DE68907540T2
Application number: DE89305046T
Authority: DE
Inventors: Charles W Lipp
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Destec Energy Inc
Priority date: 1988-05-19
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2009-05-19
Also published as: JPH0271007A; US4857075A; TR24911A; EP0359357A1; DK237489A; KR890017342A; CA1339294C; KR910009184B1; AU616969B2; AU3469589A; JP2786887B2; DE68907540D1; CN1023129C; EP0359357B1; NZ229105A; ES2041994T3; CN1039048A; DK237489D0

Description

Diese Erfindung betrifft einen Prozeßbrenner und insbesondere eine Vorrichtung, die geeignet ist, um fluide Ausgangsstoffe in einen unter Druck stehenden Reaktor einzuführen. In einem der spezifischeren Aspekte nach dieser Erfindung beziehen sich das Verfahren und die Vorrichtung auf die Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasen, beispielsweise Synthesegas, Reduktionsgas und Brenngas, nach dem Verfahren zur teilweisen Oxydation von kohlenstoffhaltigen Schlämmen.
Verfahren und Vorrichtungen für die Teiloxydation von kohlenstoffhaltigen Schlämmen unter Druck sind beide im Stand der Technik gut bekannt. Siehe beispielsweise US-A-4,113,445; US-A-4,353,712 und US-A-4,443,230.
Insbesondere beschreibt US-A-4,443,230 einen Prozeßbrenner mit einer zentralen Leitung (oder einen Passageweg), die von drei konzentrischen ringformigen Leitungen umgeben ist, von denen die beiden äußeren die Form eines abgestumpften Kegels haben und auf einen Punkt unterhalb des Auslaßendes der zentralen und am meisten im Inneren gelegenen ringförmigen Leitungen konvergieren. Ein zentraler Kern von Gas (das ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas, Dampf, zuruckgeführtes Produktgas oder ein Kohlenwasserstoffgas sein kann), der von einem Schlamm aus festem kohlenstoffhaltigen Brennstoff umgeben ist, tritt aus den zentralen und am meisten im Inneren gelegenen Leitungen aus und wird dort von zwei getrennten Strömen aus freien Sauerstoff enthaltendem Gas getroffen, die aus den beiden äußeren ringförmigen Leitungen austreten.
In den meisten Fällen werden der kohlenstoffhaltige Schlamm und ein Sauerstoff enthaltendes Gas einer Reaktionszone zugeführt, die auf der gewünschten Temperatur ist, im allgemeinen 2500ºF (1400ºC). Der Reaktor kann auf mindestens zwei verschiedene Weisen auf eine derartige Temperatur gebracht werden. Bei einem der Verfahren wird ein einfacher Vorheizbrenner an der Mündung des Reaktorbrenners angebracht, und zwar nicht luftdicht abgeschlossen. Dieser Vorheizbrenner führt ein Brenngas, zum Beispiel Methan, in die Reaktionszone ein, um eine Flamme zu erzeugen, die ausreicht, um den Reaktor auf eine Temperatur von 2000 bis 2500ºF (1100 bis 1400ºC) mit einer Geschwindigkeit aufzuheizen, die das feuerfeste Material des Reaktors nicht schädigt. Im allgemeinen beträgt diese Geschwindigkeit von 40ºF pro Stunde bis 80ºF pro Stunde (22 bis 44ºC pro Stunde). In diesem Stadium des Vorheizens wird die Reaktionszone auf Umgebungsdruck oder leicht darunter gehalten. Der leicht verminderte Druck ist wünschenswert, weil er durch die nicht-luftdichte Verbindung zwischen dem Vorheizbrenner und dem Reaktor Luft eintreten läßt, die dann für die Verbrennung des Heizgases verfügbar ist. Nachdem die gewünschte Vorheiztemperatur erreicht ist, wird der Vorheizbrenner von dem Reaktor entfernt und durch den Prozeßbrenner ersetzt. Dieser Austausch sollte so schnell wie möglich erfolgen, da sich die Reaktionszone während der Zeit des Austausches abkühlt. Abkühlungen bis auf eine Temperatur so niedrig wie 1800ºF (1000ºC) sind nicht ungewöhnlich. Wenn die Temperatur in der Reaktionszone noch innerhalb des akzeptablen Temperaturbereiches liegt, werden der kohlenstoffhaltige Schlamm und das Sauerstoff enthaltende Gas, mit oder ohne Temperaturmoderator, durch den Prozeßbrenner eingeführt, um eine Teiloxydation des Schlammes zu erreichen. Es muß sorgsam darauf geachtet werden, daß die Temperatur in der Reaktionszone nach dem Anfahren des Prozeßbrenners nicht zu schnell ansteigt, weil ein thermischer Schock das feuerfeste Material des Reaktors beschädigen kann.
Wenn die Temperatur in der Reaktionszone unterhalb des akzeptablen Temperaturbereiches liegt, muß der Vorheizbrenner wieder in Funktion treten. In diesem Fall wird Zeit verloren, und zusätzlicher Arbeitsaufwand muß infolge des doppelten Austausches in Kauf genommen werden.
Das andere der beiden Verfahren, um die Reaktionszone auf eine Temperatur innerhalb des erwünschten Bereiches zu bringen, bedient sich eines Mehrzweckebrenners (dual-purpose burner), der sowohl als Vorheiz- als auch als Prozeßbrenner arbeiten kann, siehe zum Beispiel den Brenner, der in U.S. 4,353,712 beschrieben ist. Diese Art von Brenner besitzt Leitungen für die selektive und gleichzeitige Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm, Sauerstoff enthaltendem Gas, Brenngas und/oder Temperaturmoderatoren. Wenn der Brenner zum Vorheizen des Reaktors verwendet wird, führt er das Sauerstoff enthaltende Gas und das Brenngas im geeigneteten Verhältnis zu, um vollständige Verbrennung zu erreichen. Nachdem die Temperatur der Reaktionszone innerhalb des gewünschten Bereiches liegt, kann das Brenngas entweder vollständig oder teilweise durch den kohlenstoffhaltigen Schlamm ersetzt werden. Wenn kohlenstoffhaltiger Schlamm und Brenngas gleichzeitig verwendet werden, wird das Brenngas im allgemeinen reduziert, so daß nur Teiloxydation stattfindet. Die gleichzeitige Zufuhr wird im allgemeinen verwendet, wenn die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm in den Reaktor beginnt und wenn die Temperatur der Reaktionszone aufrechterhalten werden soll, bis sich Verfahrensbedingungen für die Arbeitsweise mit kohlenstoffhaltigem Schlamm und Sauerstoff enthaltendem Gas eingestellt haben. Obwohl bei Verwendung eines Mehrzweckprozeßbrenners kein Verlust an Prozeßzeit und kein zusätzlicher Arbeitsaufwand, wie bei dem Verfahren mit Vorheizbrenner und Prozeßbrenner, in Kauf genommen werden muß, gibt es jedoch auch hier Nachteile. Bei Verwendung eines Mehrzweckbrenners ist es schwierig, die Flamme sowohl unter Vorheizbedingungen, das heißt bei vollständiger Oxydation unter Umgebungsdruck, als auch unter den Bedingungen der teilweisen Oxydation unter hohem Druck stabil zu halten, so daß die Zuverlässigkeit des Verfahrens beeinträchtigt sein kann.
Fachleute in der Synthesegas-Industrie haben vorgeschlagen, eine Kombination eines Vorheizbrenners und eines Prozeßbrenners zu verwenden, wobei der letztere in der Lage ist, selektiv und gleichzeitig kohlenstoffhaltigen Schlamm, sauerstoffhaltiges Gas, Brenngas und/oder Temperaturmoderatoren zuzuführen. Obwohl diese Kombination weiterhin mit einem Verlust an Prozeßzeit und mit Arbeitsaufwand infolge des Austausches des Vorheizbrenners gegen den Prozeßbrenner behaftet ist, bewirkt die selektive und gleichzeitige Zufuhr der genannten Ausgangsstoffe durch den Prozeßbrenner eine Verminderung des zuvor diskutierten thermischen Schocks für das feuerfeste Material des Reaktors. Dies wird bewirkt, indem die Temperatur der Reaktionszone von dem abgekühlten Zustand nach der Entfernung des Vorheizbrenners auf die gewünschte Temperatur gebracht wird, indem anfänglich Sauerstoff und Brenngas zugeführt werden und das Brenngas nach und nach durch kohlenstoffhaltigen Schlamm ersetzt wird. Durch langsame, allmähliche Steigerung der Menge des kohlenstoffhaltigen Schlammes muß nur eine geringere Menge des flüssigen Anteils des Schlammes erhitzt und verdampft werden, so daß die Absenkung der Reaktortemperatur minimiert wird. Weiterhin führt die Zufuhr von Brenngas während der Anfangsperiode der Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm zu einer Wärmezufuhr in den Reaktor. Das Brenngas wird unter den Bedingungen der Teiloxydation verbrannt, so daß das gasförmige Produkt nur wenig durch Sauerstoff verunreinigt wird.
Ein Prozeßbrenner, der auf die soeben beschriebene Weise verwendet werden soll, muß in der Lage sein, dem Reaktor auf wirksame Weise das Sauerstoff enthaltende Gas und sowohl den kohlenstoffhaltigen Schlamm als auch das Brenngas zuzuführen. Dies erfordert, daß der kohlenstoffhaltige Schlamm gleichmäßig in dem sauerstoffhaltigen Gas dispergiert wird und in einem feinstverteilten (highly atomized) Zustand vorliegt, das heißt eine maximale Tröpfchengröße von weniger als 1000 um aufweist. Sowohl die einheitliche Verteilung als auch die Atomisierung tragen dazu bei, daß eine ordnungsgemäße Verbrennung sichergestellt wird und heiße Stellen (hot spots) in der Reaktionszone vermieden werden.
Es ist daher ein Gegenstand dieser Erfindung, einen Prozeßbrenner zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, einer Reaktionszone selektiv und gleichzeitig drei oder mehr fluide Produktströme zuzuführen und den kohlenstoffhaltigen Schlamm in dem sauerstoffhaltigen Gas feinst und gleichmäßig zu verteilen.
Diese Erfindung betrifft einen neuen und verbesserten Prozeßbrenner zur Verwendung für die Herstellung von Synthesegas, Brenngas oder reduzierendem Gas durch teilweise Oxydation von kohlenstoffhaltigen Schlämmen in einem Gefäß, in dem eine Reaktionszone normalerweise unter einem Druck im Bereich von 15 bis 3500 psig (0,1 bis 24 MPa Überdruck) und auf einer Temperatur im Bereich von 1700 bis 3500ºF (900 bis 1900ºC) gehalten wird. Die Verbesserung der Brennerkonstruktion bewirkt einen verbesserten Verbrennungsprozeß und schließt die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm und sauerstoffhaltigem Gas zu dem verbesserten Prozeßbrenner und den Austritt in die Reaktionszone ein.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Prozeßbrenner zur Verfügung gestellt, enthaltend
ein zentrales Rohr, das eine zylindrische Leitung einschließt (das heißt einen Passageweg), die ein offenes Auslaßende aufweist und am stromaufwärts gelegenen Ende geschlossen ist, mit Ausnahme eines Einlasses für einen fluiden Eingangsstrom (fluid feed inlet), der stromaufwärts in Bezug auf das Auslaßende gelegen ist; ein mittleres Rohr, koaxial mit dem zentralen Rohr und dieses zumindest in einem Teil seiner Länge umschreibend, wobei dieses mittlere Rohr zusammen mit dem zentralen Rohr eine ringförmige Leitungszone begrenzt, die ein offenes Auslaßende aufweist und am stromaufwärts gelegenen Ende mit Ausnahme eines Einlasses für einen flüssigen Eingangstrom geschlossen ist, wobei das Auslaßende der ringförmigen Leitungszone im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt wie das Auslasende der zentralen Leitungszone;
ein abgestumpft konisches Rohr, koaxial mit dem mittleren Rohr und dieses zumindest in einem Teil seiner Länge umschreibend, das eine abgestumpft konische Leitungszone begrenzt, die in Richtung auf einen Punkt stromabwärts von den Auslaßenden der zentralen und der ringförmigen Leitungszonen konvergiert.
Der Brenner ist dadurch gekennzeichnet, daß die abgestumpft-konische Leitungszone in fluider Verbindung (fluid communication) mit der zentralen Leitungszone steht, so daß im Betrieb 70 bis 95 Gewichtsprozent des fluiden Eingangsstromes zu der zylindrischen zentralen Leitungszone und zu der abgestumpft-konischen Leitungszone durch die abgestumpft-konische Leitungszone strömt, und
ein Beschleunigungsrohr eine Beschleunigungszone begrenzt, die koaxial mit der zentralen, der ringförmigen und der abgestumpft-konischen Leitungszone und stromabwärts in Bezug auf diese Zonen gelegen ist, mit diesen Leitungszonen in fluider Verbindung (fluid communication) steht und mit dem Scheitelpunkt (apex) der abgestumpftkonischen Leitungszone verbunden ist, wobei die Beschleunigungszone einen Querschnitt für den Durchfluß aufweist, der kleiner ist als die Summe der Querschnitte der zentralen, der ringförmigen und der abgestumpft-konischen Leitungszonen an deren Auslaßenden.
Innerhalb des Prozeßbrenners werden konzentrische und radial angeordnete Ströme gebildet. Die gebildeten Ströme schließen einen zentralen und zylindrischen sauerstoffhaltigen Gasstrom mit einer ersten Geschwindigkeit, einen ringförmigen Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm mit einer zweiten Geschwindigkeit sowie einen abgestumpftkegelförmigen Strom aus sauerstoffhaltigem Gas mit einer dritten Geschwindigkeit ein. Der zentrale und zylindrische Strom aus sauerstoffhaltigem Gas und der ringförmige Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm haben im wesentlichen in gleicher Ebene liegende Auslässe, während der sauerstoffhaltige Strom in form eines abgestumpften Kegels an seinem Auslaßende mit dem zentralen und zylindrischen sauerstoffhaltigen Gastrom und dem ringförmigen Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm konvergiert (converges). Die Geschwindigkeiten des zentralen und zylindrischen sauerstoffhaltigen Gasstromes und des ringförmigen Stromes aus kohlenstoffhaltigem Schlamm sind größer als die Geschwindigkeit des ringförmigen Stromes aus kohlenstoffhaltigem Schlamm. Es wird bevorzugt, daß die beiden Ströme aus sauerstoffhaltigem Gas eine Geschwindigkeit von 75 Fuß/Sekunde (23 m/s) bis etwa Schallgeschwindigkeit aufweisen und daß der Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm eine Geschwindigkeit im Bereich von 1 Fuß/Sekunde (0,2 m/s) bis 50 Fuß/Sekunde (15 m/s) hat. Die unterschiedlichen Strömungsgeschwindgkeiten und die Konvergenz des abgestumpft-kegelförmigen Stromes aus sauerstoffhaltigem Gas in die beiden anderen Ströme veranlaßt den Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm zu desintegrieren. Diese Desintegration hat zwei Wirkungen, das heißt der kohlenstoffhaltige Schlamm wird anfänglich feinstverteilt, und eine gleichmäßige erste Dispersion des anfänglich feinstverteilten kohlenstoffhaltigen Schlammes und des sauerstoffhaltigen Gases entsteht. Eine zweite Dispersion entsteht dadurch, daß die erste Dispersion durch eine Beschleunigungszone geführt wird, wodurch der anfänglich feinstverteilte kohlenstoffhaltige Schlamm noch feiner verteilt wird. Die Beschleunigungszone erstreckt sich von einem Punkt unterhalb der erwähnten Ströme bis zu dem Auslaß des Prozeßbrenners. Die Beschleunigungszone hat einen Strömungsquerschnitt, der geringer ist als der Querschnitt der beiden Ströme an ihren Auslaßenden. Die zweite Dispersion, die den feinstverteilten kohlenstoffhaltigen Schlamm enthält, tritt dann aus der Beschleunigungszone in die Reaktionszone aus.
Die Beschleunigung der ersten Dispersion in der Beschl eunigungszone wird durch einen Druck P1 bewirkt, der an einem Punkt herscht, der dem Einlaß der Beschleunigungszone benachbart ist und größer ist als ein Druck P2, der an einem Punkt außerhalb des Prozeßbrenners gemessen wird, der sich in der Nähe des Auslaßendes der Beschleunigungszone befindet. Der Unterschied zwischen P1 und P2 wird vorteilhaft zwischen 10 und 1500 psi (0,07 bis 10 MPa) gehalten. Nach den Strömungsgesetzen und unter der Annahme eines konstanten Durchsatzes wird die erste Dispersion auf diese Weise beschleunigt, wenn sie durch die Beschleunigungszone strömt. Der Anteil der ersten Dispersion an sauerstoffhaltigem Gas wird schneller beschleunigt werden als die Teilchen des kohlenstoffhaltigen Schlammes, die durch die anfängliche feinstverteilung entstanden sind. Dieser Unterschied in den Geschwindigkeiten bewirkt weiterhin, daß die Teilchen des kohlenstoffhaltigen Schlamms infolge der Einwirkung von Scherkräften weiter zerkleinert werden. Die Beschleunigungszone ist vorteilhaft zylindrisch, jedoch können auch andere Formen verwendet werden. Die Dimensionen der Beschleunigungszone bestimmen die Verweilzeit der ersten Dispersion innerhalb der Beschleunigungzone und bestimmen daher zumindest teilweise auch das Ausmaß der weiter stattfindenden Zerkleinerung. Die Konfiguration und die Ausmaße der Beschleunigungszone, die die gewünschte Zerkleinerung bewirkt, sind wiederum und beispielsweise abhängig von dem Unterschied der Drücke P1 und P2, der Viskosität des kohlenstoffhaltigen Schlammes, der Temperatur des kohlenstoffhaltigen Schlammes, von dem sauerstoffhaltigen Gas, der Anwesenheit eines Temperaturmoderators, der relativen Mengen des kohlenstoffhaltigen Schlammes und des sauerstoffhaltigen Gases. Bei dieser Anzahl von Variablen ist es erforderlich, die Konfiguration und die Dimensionen der Beschleunigungszone empirisch zu bestimmen. Der verbesserte Prozeßbrenner nach dieser Erfindung wird an dem Gefäß angebracht, wodurch der kohlenstoffhaltige Schlamm, sauerstoffhaltiges Gas und gegebenenfalls ein Temperaturmoderator durch den Brenner in die Reaktionszone geleitet werden. Der Brenner erlaubt weiterhin, zusätzlich ein Brenngas, wie Methan, in die Reaktionszone einzuleiten. Der Brenner vermag selektiv und gleichzeitig all diese Ströme zu verarbeiten.
Infolge seiner besonderen Konfiguration vermag der Prozeßbrenner nach dieser Erfindung der Reaktionszone den kohlenstoffhaltigen Schlamm in einer feinstteiligen Form zuzuführen, das heißt der kohlenstoffhaltige Schlamm hat eine Tröpfchengröße (volume median droplet size) im Bereich vom 100 bis 600 um. Der kohlenstoffhaltige Schlamm ist nicht nur feinstverteilt, sondern zum Zeitpunkt des Eintritts des Schlammes und des Gases in die Reaktionszone im wesentlichen einheitlich dispergiert. Infolge der Feinstverteilung und wegen der Einheitlichkeit der Dispergierung wird eine verbesserte und in hohem Maße einheitliche Verbrennung in der Reaktionszone erzielt. Brenner nach dem Stand der Technik, die nicht den Grad an Feinstverteilung und Dispergierung des kohlenstoffhaltigen Schlamms im sauerstoffhaltigen Gas erzielen, können ungleichmäßige Verbrennung, heiße Stellen und die Erzeugung von unerwünschten Nebenprodukten, beispielsweise von Kohlenstoff und Kohlendioxyd bewirken. Es ist weiterhin ein wichtiger Wesenszug dieser Erfindung, daß die einheitliche Dispergierung und feinstverteilung innerhalb des Bereichs der Ausströmöffnung oder Düse (within the nozzle) stattfinden. Da die Dispergierung und Feinstverteilung im wesentlichen vollständig innerhalb des Bereiches der Ausströmöffnung stattfindet, ist eine exaktere Kontrolle des Ausmaßes der Feinstverteilung des kohlenstoffhaltigen Schlammes vor dessen Verbrennung in der Reaktionszone möglich. Bei den Düsen nach dem Stand der Technik, die eine weitgehende, wenn nicht eine vollständige Feinstverteilung innerhalb der Reaktionszone anstreben, ist die Regelung der Teilchengröße weniger gut möglich, da die weitere Feinstverteilung in einem Bereich, das heißt in der Reaktionszone, erzwungen wird, die unter dem Gesichtspunkt der Feinstverteilung unbegrenzt ist (which is by atomization standards unconfined). Weiterhin hat die feinstverteilung in der Reaktionszone zeitlich mit der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Schlammes und des sauerstoffhaltigen Gases zu konkurieren.
Ein bevorzugter Wesenszug des Prozeßbrenners nach dieser Erfindung besteht darin, daß er die Einführung von Brenngas in die Reaktionszone ermöglicht, und zwar äußerlich (exterior of the process burner). Dieser Brenngasstrom wird von dem Prozeßbrenner längs einer Linie in die Reaktionszone geführt, die die sich nach unten erstreckende Längsachse der Beschleunigungszone schneidet. Einer der Vorteile, die durch diese Art der Zuführung von Brenngas erzielt werden, liegt darin, daß die Flamme des Brenngases in einiger Entfernung von der Oberfläche des Brenners (burner face) aufrechterhalten wird. Wenn die Flamme des Brenngases in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Brenners brennt, kann dieser beschädigt werden. Wenn das sauerstoffhaltige Gas einen hohen Sauerstoffgehalt aufweist, beispielsweise 50%, ist die Zuführung von Brenngas aus dem Inneren eines Prozeßbrenners in hohem Maße unerwünscht, da die Ausbreitung der Flamme der meisten Brenngase in einer Atmosphäre mit hohem Sauerstoffgehalt sehr schnell erfolgt. So besteht immer die Gefahr, daß sich die Flamme in das Innere des Brenners ausbreitet und den Brenner erheblich beschädigt.
Der Prozeßbrenner hat eine Struktur, die einen zentralen zylindrischen Strom sauerstoffhaltigen Gases, einen ringförmigen Strom von kohlenstoffhaltigem Schlamm und einen kegelstumpfförmigen Strom sauerstoffhaltigen Gases ermöglicht. Diese Ströme sind konzentrisch und radial gegeneinander versetzt (radially displaced from another), so daß der zentrale Gasstrom innerhalb des ringförmigen Stromes des kohlenstoffhaltigen Schlammes liegt und der ringförmige Strom des kohlenstoffhaltigen Schlammes den kegelstumpfförmigen Strom des sauerstoffhaltigen Gases vorzugsweise unter einem Winkel innerhalb des Bereiches von 15º bis 75º schneidet. Die Geschwindigkeiten der Ströme des sauerstoffhaltigen Gases liegen im Bereich von 75 Fuß/Sekunde (23 Meter/Sekunde) bis Schallgeschwindigkeit und sind größer als die Geschwindigkeit des Schlammstromes, der vorteilhaft eine Geschwindigkeit von 1 bis 50 fuß/Sekunde (0,3 bis 15 Meter/Sekunde) aufweist. Durch die Anordnung der Ströme und deren unterschiedliche Geschwindigkeiten wird eine im wesentlichen einheitliche Verteilung des kohlenstoffhaltigen Schlammes im sauerstoffhaltigen Gas erzielt. Der kegelstumpfförmige und der zentrale zylindrische Strom aus sauerstoffhaltigem Gas üben zusammen eine Scherkraft auf den ringförmigen Schlammstrom aus und bewirken die Dispergierung und die anfängliche Feinstverteilung des Schlammstroms. Nach der Dispergierung und der anfänglichen Feinstverteilung wird die Dispersion aus Schlamm und Gas durch eine Beschleunigungszone geleitet. Die Beschleunigungszone kann eine stromabwärts gerichtete zylindrische Leitung mit einem Längsschnitt sein, indem die Seiten der inneren Bohrung (interior bore) in einer sanften Kurve auf den Scheitelpunkt (apex) der kegelstumpfförmigen Leitungszone konvergieren. Für die gegenwärtige Ausführung der Erfindung hat die zylindrische Leitung einen Querschnitt, der geringer ist als die kombinierten Querschnitte des ringförmigen Stromes aus kohlenstoffhaltigem Schlamm und des zentralen zylindrischen sowie des kegelstumpfförmigen Stroms aus sauerstoffhaltigen Gasen. Die Kriterien für den Betrieb und die Dimensionierung dieser zylindrischen Leitung sind dieselben wie diejenigen für die zylindrische Leitung der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform eines Prozeßbrenners.
In einer bevorzugten Verkörperung des Prozeßbrenners nach dieser Erfindung weist die ringförmige Leitung eine vergrößerte obere Sektion auf, um eine Vergleichmäßigung des Flusses, insbesondere des kohlenstoffhaltigen Schlammes, zu erreichen und auf diese Weise übermäßigen Abrieb in Zonen mit hohem Massefluß zu verhindern. Nach dieser Erfindung weist die ringförmige Leitung, die durch den Ring zwischen dem zentralen und dem mittleren Rohr gebildet wird, ausgedehnte obere und untere Sektionen aus, wobei die obere Sektion einen größeren Ringquerschnitt zeigt als die untere. Das obere Ende der ringförmigen Leitung ist geschlossen, mit Ausnahme eines Einlasses für die Flüssigkeit, die sich neben der Längsachse befindet, weil das zentrale Rohr in der Mitte des mittleren Rohres geführt wird. Wegen dieser exzentrischen Anordnung gibt es mögliche Zonen innerhalb der ringförmigen Leitung, der kegelstumpfförmigen Leitung oder der Beschleunigungszone, in denen ein hoher Fluß und außergewöhnlicher Verschleiß stattfinden kann. Um diesen außergewöhnlichen Verschleiß zu verhindern, ist in der vergrößerten oberen Sektion der ringförmigen Leitung eine Verteilungskammer vorgesehen. Die Verteilungskammer enthält ein Blech oder eine Mischplatte, die dem Einlaß für die Flüssigkeit gegenüber und unmittelbar darunter (thereunderneath) angeordnet ist, um den axialen Fluß, den praktisch der gesamte Eingangstrom aufweist, in einen im wesentlichen radialen Fluß um den Ringspalt herum (around the annulus) zu erzielen. Dieser radiale Fluß läßt Zeit für die Vergleichmäßigung des Flusses und die Verminderung von Abrieb oder Verschleiß in der unteren Sektion der ringförmigen Leitung und in anderen stromabwärts gelegenen Teilen des Prozeßbrenners nach dieser Erfindung.
Ein am meisten bevorzugter Prozeßbrenner nach dieser Erfindung weist sowohl sich allmählich verjüngernde Wände in der Beschleunigungszone als auch die Verteilungskammer mit der Mischplatte oder dem Blech auf. Dieser Prozeßbrenner ermöglicht eine Zufuhr von Brenngas in die Reaktionszone, wo es sich mit der Dispersion aus kohlenstoffhaltigem Schlamm und sauerstoffhaltigem Gas vermischt. Diese Vermischung des Brenngases findet außerhalb des Prozeßbrenners statt.
Die nicht katalytischen Teiloxydationsprozesse, für den der Prozeßbrenner nach dieser Erfindung besonders brauchbar ist, erzeugen einen Rohgasstrom in einer Reaktionszone, die sich innerhalb eines mit feuerfestem Material ausgekleideten Gefäßes befinden. Der Prozeßbrenner kann entweder zeitweilig oder ständig am Einlaß des Gefäßes für den Brenner montiert sein. Eine ständige Anordnung kann verwendet werden, wenn an dem Gefäß zusätzlich ein fest angeordneter Vorzheizbrenner vorhanden ist. In diesem falle wird der Vorheizbrenner angestellt, um die anfängliche Temperatur in der Reaktionszone einzustellen, und dann abgestellt. Nachdem der Vorheizbrenner abgestellt ist, wird der Prozeßbrenner nach dieser Erfindung in Betrieb genommen. Eine zeitweilige Anordnung des Prozeßbrenners ist in den Fällen vorgesehen, in denen der Vorheizbrenner nach dem anfänglichen Erhitzen entfernt und durch den Prozeßbrenner ersetzt wird.
Wie zuvor erwähnt, findet die Herstellung von Synthesegas, Brenngas oder Reduktionsgas durch Teiloxydation eines kohlenstoffhaltigen Schlammes im allgemeinen in einer Reaktionszone mit einer Temperatur im Bereich von 1700 bis 3500ºF (900 bis 1900ºC) und bei einem Druck im Bereich von 15 bis 3500 psig (0,1 bis 24 MPa Überdruck) statt. Ein typischer Generator für die Herstellung von Gas nach dem Teiloxydationsverfahren ist in US-A-2,809,104 beschrieben. Der erzeugte Gasstrom enthält überwiegend Wasserstoff und Kohlenmonoxyd und kann zusätzlich eines oder mehrere der folgenden Gase enthalten: CO&sub2;, H&sub2;O, N&sub2;, Ar, CH&sub4;, H&sub2;S und COS. Das Rohgas kann weiterhin, je nach dem verfügbaren Brennstoff und den angewandten Verfahrensbedingungen, mitgeführte Stoffe enthalten, beispielsweise feinteiligen Kohlenstoffruß, "flash" oder Schlacke. Die durch das Teiloxydationsverfahren erzeugte Schlacke, die nicht in dem Rohgasstrom mitgeführt wird, sammelt sich am Boden des Reaktionsgefäßes an und wird von dort kontinuierlich abgezogen.
Der Begriff "kohlenstoffhaltige Schlämme" wie er in dieser Erfindung gebraucht wird, bezieht sich auf Schlämme aus festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, die pumpbar sind, im allgemeinen einen Feststoffgehalt im Bereich von 40 bis 80% aufweisen und durch die im folgenden beschriebenen Leitungen der Prozeßdusen (process nozzles) nach dieser Erfindung gefördert werden können. Diese Schlämme enthalten im allgemeinen einen flüssigen Trägerstoff und den festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff. Der flüssige Förderstoff kann entweder Wasser, ein flüssiges Kohlenwasserstoffmaterial oder ein Gemisch dieser Stoffe sein. Der bevorzugte Trägerstoff ist Wasser. Als Trägerstoff geeignete flüssige Kohlenwasserstoffmaterialien sind beispielsweise: verflüssigtes Petroleumgas, Petroleumdestilate und Rückstände, Benzin, Naphtha, Kerosin, rohes Petroleum, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teer, Sandöl, Schalenöl, von Kohle stammendes Öl, Kohleteer, Rückführgasöl (cycle gas oil) aus dem katalytischen Cracken von fluiden Stoffen, Furfurolextrakte aus Koks oder Gasöl, Methanol, Ethanol oder andere Alkohole, sauerstoffhaltige flüssige Kohlenwasserstoffe als Nebenprodukte der Oxo- und Oxyl-Synthesen sowie deren Gemische, und aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol und Xylol. Ein anderer flüssiger Trägerstoff ist flüssiges Kohlendioxyd. Um sicherzustellen, daß das Kohlendioxyd in flüssiger Form vorliegt, sollte es in den Prozeßbrenner bei einer Temperatur im Bereich von -67ºF bis 100ºF (-55 bis 38ºC) eingeführt werden, je nach dem Druck. Es ist berichtet worden, daß der flüssige Schlamm am vorteilhaftesten von 40 bis 70 Gewichtsprozent festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff enthält, wenn flüssiges CO&sub2; verwendet wird.
Zu den festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen gehören im allgemeinen Kohle, Koks aus Kohle, verkohlte Massen aus Kohle (char from coal), Rückstände der Kohleverflüssigung, Petrolkoks, feinteiliger Kohlenstoffruß in Feststoffen, die sich von Schieferöl, Teersanden und Teer ableiten. Die Art der verwendeten Kohle ist im allgmeinen nicht kritisch, da Anthrazit, bituminöse, subbituminöse und Braunkohle (lignite coal) brauchbar sind. Andere feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe sind zum Beispiel: feinteiliger Müll (bits of garbage), entwässerte Sanitärabwässer (dewatered sanitary sewage) sowie halbfeste organische Stoffe, wie Asphalt, Gummi und gummiartige Materialien einschließlich von fahrzeugreifen. Wie zuvor erwähnt, ist der in dem Prozeßbrenner nach dieser Erfindung verwendete kohlenstoffhaltige Schlamm pumpbar und durch die bezeichneten Leitungen des Prozeßbrenners förderbar. Zu diesem Zweck sollte die feste kohlenstoffhaltige Komponente des Schlamms fein gemahlen sein, so daß im wesentlichen alle Teile des Materials ein ASTM E 11-70C-Sieb, Designation Standard 140 mm (Alternative Number 14) und mindestens 80% ein ASTM E 11-70C-Sieb Designation Standard 425 mm (Alternative Number 40) passieren. Die Passage durch das Sieb wird mit einem festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff bestimmt, der einen Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 0 bis 40 Gewichtsprozent aufweist.
Das in dem Prozeßbrenner nach dieser Erfindung eingesetzte sauerstoffhaltige Gas kann entweder Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, das heißt Luft, die mehr als 20 Molprozent Sauerstoff enthält, sowie im wesentlichen reiner Sauerstoff sein.
Wie zuvor erwähnt können Temperaturmoderatoren in dem Prozeßbrenner nach der Erfindung verwendet werden. Diese Temperaturmoderatoren werden gewöhnlich im Gemisch mit den Strömen aus kohlenstoffhaltigem Schlamm und/oder sauerstoffhaltigem Gas zugeführt. Beispiele für geeignete Temperaturmoderatoren sind Wasser, Dampf, CO&sub2;, N&sub2; und ein im Kreis geführter Anteil des Gases, das in dem hierin beschriebenen Teiloxydationsverfahren erzeugt wird.
Das Brenngas, das außerhalb des Prozeßbrenners zugeführt wird, kann beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Butan, Synthesegas, Wasserstoff und Erdgas sein.
Die hohe Dispergierung und Feinstverteilung, die in dem Prozeßbrenner nach dieser Erfindung erreicht wird, sowie andere Eigenschaften, die zu einem befriedigenden Verhalten in der Verwendung und zu einer wirtschaftlichen Herstellung des Prozeßbrenners beitragen, werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verständlich werden, und zwar in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen identische Ziffern sich auf identische Teile beziehen. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein senkrechter Querschnitt eines Prozeßbrenners nach dieser Erfindung;
Figur 2 ein Querschnitt durch die Linien 2-2 in Figur 1; und
Figur 3 ein teilweiser Querschnitt der Verteilungskammer der ringförmigen Leitung;
Figur 4 ein Querschnitt der Verteilungskammer nach Figur 3 durch die Schnittliline 4-4; und
Figur 5 eine Ansicht der Verteilungskammer, wie in Figur 3 dargestellt, von unten.
In den Figuren 1 und 2 ist ein Prozeßbrenner nach dieser Erfindung dargestellt, ganz allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet. Der Prozeßbrenner 10 wird mit seinem stromabwärts gelegenen Ende an einer Öffnung eines Reaktors für die Herstellung von Synthesegas durch Teiloxydation installiert. Die Lage des Prozeßbrenners 10, sei es auf dem Reaktor oder an dessen Seiten, hängt von der Konstruktion des Reaktors ab. Der Prozeßbrenner 10 kann entweder permanent oder zeitweilig installiert sein, je nach dem ob er mit einem ständig installierten Vorheizbrenner verwendet werden soll oder einen Vorheizbrenner ersetzt, wie zuvor beschrieben. Die Montage des Prozeßbrenners 10 erfolgt mittels der ringförmigen Flansch 48.
Der Prozeßbrenner 10 hat ein zentral angeordnetes Rohr 22, das an seinem oberen Ende durch die Platte 21 verschlossen ist und an seinem unteren Ende eine sich verjüngende kegelstumpfförmige Wand 26 aufweist. Am Scheitelpunkt der kegelstumpfförmigen Wand 26 befindet sich die Öffnung 35, die in fluider Verbindung mit einer Beschleunigungszone 33 steht. Die Beschleunigungszone 33 endet an ihrem unteren Ende mit der Öffnung 30. Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist die Beschleunigungszone 33 eine hohle, zylindrisch geformte Zone mit Seiten, die vom Scheitelpunkt der kegelstumpfförmigen Wand 26 in einer sanften Kurve in einen zylindrischen Teil übergehen.
Durch eine Öffnung in der Platte 21 wird die Leitung 14 für den kohlenstoffhaltigen Schlamm geführt, die gasdicht gegenüber der Platte abgedichtet ist. Die Leitung 14 für den kohlenstoffhaltigen Schlamm ist an ihrem unteren Ende mit einer Einmündung in einer ringförmigen Platte 17 verbunden, die das obere Ende eines Verteilers 16 schließt. Der Verteiler 16 hat eine sich verjüngende kegelstumpfförmige untere Wand 19. Am Scheitelpunkt der kegelstumpfförmigen Wand 19 befindet sich ein sich nach unten erstreckendes Rohr 28, das zusammen mit einem coaxialen Rohr 23 eine ringförmige Leitung 25 für den Schlamm bildet. Der innere Durchmesser des Rohres 28 ist erheblich geringer als der innere Durchmesser des Verteilers 16 an dessen weitester Stelle. Es wurde gefunden, daß durch Verwendung eines Verteilers 16 erreicht wird, daß der Fluß des kohlenstoffhaltigen Schlammes aus der Öffnung am Ende der Leitung 25 innerhalb von deren ringförmigem Bereich im wesentlichen einheitlich ist. Der innere Durchmesser des Verteilers 16 und der innere Durchmesser des Rohres 26 werden so bestimmt, daß der Druckabfall, den der kohlenstoffhaltige Schlamm erfährt, wenn er durch die ringförmige Leitung 25 passiert, die durch die innere Wand des Rohres 28 und die äußere Wand des Rohres 23 festgelegt ist, viel größer ist als der Unterschied zwischen den höchsten und den niedrigsten Drücken, die in dem Schlamm an beliebigen horizontalen Querschnitten innerhalb des Verteilers 16 gemessen werden. Der Verteiler 16 weist auch eine Mischplatte 16a auf, die im Winkel unterhalb des Einlasses 14a der Leitung 14 für den Schlamm angeordnet ist. Die Platte 16a kann unter einem Winkel angordnet sein, der einen wesentlichen Anteil des axialen Flusses in einen im allgemeinen radialen Fluß innerhalb des Verteilers 16 umwandelt. Es wurde gefunden, daß wenn diese Beziehung zwischen Druck und Fluß nicht aufrechterhalten wird, ein ungleichmäßiger Fluß aus der ringförmigen Leitung 25 austritt, was zu einem Wirksamkeitsverlust bei der Dispergierung eintritt, wenn der kohlenstoffhaltige Schlamm mit dem kegelstumpfförmigen Strom sauerstoffhaltigen Gases in Berührung kommt, wie zuvor beschrieben.
Der Unterschied zwischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser der ringförmigen Leitung 25 hängt zumindest teilweise vom feinheitsgrad des kohlenstoffhaltigen Materials im Schlamm ab. Die Unterschiede in den Durchmessern der ringförmigen Leitung 25 sollten genügend groß sein, um ein Verstopfen durch das kohlenstoffhaltige Material im Schlamm mit der jeweiligen Teilchengröße zu verhindern. Die Differenz zwischen innerem und äußerem Durchmesser der ringförmigen Leitung 25 liegt bei vielen Anwendungen im Bereich von 0,1 bis 1,0 Inch (2,5 bis 25 mm).
Coaxial sowohl mit der Längsachse des Verteilers 16 als auch mit dem sich nach unten erstreckenden Rohr 28 ist das Rohr 23, das über seine gesamte Länge einen im wesentlichen gleichen Durchmesser aufweist. Das Rohr 23 stellt eine Leitung 27 für die Förderung von sauerstoffhaltigem Gas dar und ist sowohl an seinem Einlaß- als auch an seinem Auslaßende offen, wobei das Auslaßende im wesentlichen coplanar mit dem Auslaßende des Rohres 28 ist.
Das sauerstoffhaltige Gas wird dem Prozeßbrenner 10 durch die Leitung 24 zugeführt. Ein Teil des sauerstoffhaltigen Gases wird durch das offene Ende des Rohres und durch die Leitung 27 geführt. Der Rest des sauerstoffhaltigen Gases fließt durch die ringförmige Leitung 31, die durch die innere Wand des Rohres 22 und die äußere Wand des Rohres 28 begrenzt wird. Es wurde gefunden, daß von 70 bis 95 Gewichtsprozent des sauerstoffhaltigen Gases durch die Leitung 31 geführt werden sollten, um die Erosion der Beschleunigungsleitung 35 durch den Schlamm zu vermindern. Ein Mittel zu diesem Zweck besteht darin, daß man die Leitungen ordentlich glättet (sizing). Man kann dieses Ergebnis auch dadurch erzielen, daß man einen Restriktionsring 23a am Flüssigkeitseinlaß der Leitung 23 anordnet. Das durch die Leitung 31 strömende Gas wird beschleunigt, wenn es durch die kegelstumpfförmige Leitung 29 geführt wird, die durch die kegelstumpfförmige Oberfläche 26 und die kegelförmige Oberfläche 20 des äußeren Endes des Rohres 21 gebildet wird. Der Abstand zwischen den kegelstumpfförmigen Oberflächen 20 und 26 kann so sein, daß das sauerstoffhaltige Gas die Geschwindigkeit erhält, die erforderlich ist, um den aus dem Auslaß der Leitung 25 für den kohlenstoffhaltigen Schlamm austretenden kohlenstoffhaltigen Schlamm wirksam zu dispergieren. Beispielsweise wurde gefunden, daß das sauerstoffhaltige Gas durch die kegelstumpfförmige Leitung mit einer berechneten Geschwindigkeit von 200 Feet/Sekunde (60 m/s) geführt werden sollte, wenn das sauerstoffhaltige Gas die Leitung 27 mit einer berechneten Geschwindigkeit von 200 Feet/Sekunde (60 m/s) passiert, der kohlenstoffhaltige Schlamm durch die Ringleitung 25 mit einer Gewschwindigkeit von 8 feet/Sekunde (2,5 m/s) strömt und die Ringleitung eine Differenz zwischen innerem und äußerem Durchmesser von 0,3 Inches (8 mm) aufweist. Allgemein gesagt und für die soeben und im folgenden diskutierten Ströme, ist der Abstand zwischen den beiden kegelstumpfförmigen Oberflächen im Bereich von 0,05 bis 0,95 Inches (1,3 bis 24 mm). Es wurde gefunden, daß mit diesen Strömen und relativen Geschwindigkeiten die Höhe und der Durchmesser der Beschleunigungszone etwa 7 Inches (180 mm) beziehungsweise etwa 1,4 Inches (35 mm) betragen sollte.
Die kegelstumpfförmige Oberfläche 26 konvergiert auf die verlängerte Längsachse des Rohres 23 längs eines Winkels im Bereich von 15 bis 75º. Wenn der Winkel zu flach ist, zum Beispiel 10 Grad, wendet das sauerstoffhaltige Gas viel von seiner Energie auf, um auf die Oberfläche aufzutreffen. Wenn der Winkel jedoch zu groß ist, wird die erzielte Scherkraft vermindert.
Im Bezug auf das Rohr 22 konzentrisch angeordnet ist der ringförmige Wassermantel 32. Der Wassermantel 32 ist am oberen Ende durch die ringförmige Platte 58 verschlossen. Am unteren Ende des Wassermantels 32 findet sich die ringsförmige Platte 42, die sich nach innen erstreckt, aber einen ringförmigen Wasserdurchlaß 43 offenläßt. Innerhalb des ringförmigen Raumes 39 zwischen der äußeren Wand des Rohres 22 und der inneren Wand des Wassermantels 32 befinden sich 3 Brenngasleitungen 36, 40 und 41. Die Brenngasleitungen 36, 40 und 41 werden durch die Rohre 36a, 40a beziehungsweise 41a verkörpert. Die Rohre 36a und 40a werden durch Öffnungen in der flansch 42 geführt, wie in Figur 1 dargestellt. Auch das Rohr 41a wird durch eine Öffnung in der Flansch 42 geführt, obwohl dies aus Figur 1 nicht ersichtlich ist. Durch die Zufuhrleitungen 52 beziehungsweise 50 wird den Rohren 40a und 36a Brenngas zugeführt. Die Zufuhrleitung für das Rohr 41a ist nicht dargestellt, jedoch von gleicher Art wie die für die anderen Rohre verwendeten Zufuhrleitungen.
Es kann auch aus figur 1 ersehen werden, daß die Brenngasleitungen 40 und 36 (ebenso wie die Brenngasleitung 41) in Richtung auf die verlängerte Längsachse des Rohres 28 gewinkelt sind. Die Leitungen sind in gleichem Maße gewinkelt und equidistant und radial in Bezug auf dieselbe Achse angeordnet (equidistantly radially spaced about this same axis). Diese Winkelung und diese räumliche Anordnung sind nützlich, da sie das Brenngas einheitlich auf die Dispersion aus kohlenstoffhaltigem Schlamm und sauerstoffhaltigem Gas leiten, nachdem diese aus der Öffnung 30 austritt. Die Wahl des Winkels für die Brenngasleitungen sollte so getroffen werden, daß das Brenngas genügend weit entfernt von der Brenneroberfläche (burner face) eingeführt wird, aber nicht so weit, daß eine schnelle Durchmischung oder Dispergierung des Brenngases mit dem bzw. in dem Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm und sauerstoffhaltigem Gas erschwert oder verhindert wird. Allgemein gesagt sollten die Winkel α1 und α2, wie aus Figur 1 ersichtlich, im Bereich zwischen 30 und 70º liegen.
Konzentrisch angeordnet und sich von der äußeren Wand des Wassermantels 32 nach außen erstreckend ist die Außenhülle 44. Die radial nach außen angeordnete Außenhülle 44 schafft eine ringförmige Wasserleitung 45. Am oberen Ende der Außenhülle 44 befindet sich die Autrittsleitung 55 für Wasser. Wie aus Figur 1 ersichtlich, fließt das Wasser, das durch den Wassereinlaß 54 eintritt, längs des Passageweges 43 und dann durch die ringförmige Wasserleitung 45 zum Wasseraustritt 56. Dieser Wasserfluß wird verwendet, um den Prozeßbrenner 10 auf der gewünschten und im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten.
Die Außenhülle 44 ist am oberen Ende mittels der ringförmigen flansch 60 wasserdicht verschlossen. Die Außenhülle 14 wird am unteren Ende durch die Brenneroberfläche (burner face) 46 beendet. Im Betrieb wird der Prozeßbrenner 10 angefahren, wenn das Vorheizen der Reaktionszone abgeschlossen ist, wodurch die Zone auf eine Temperatur im Bereich von 1500 bis 2500ºF (800 bis 1400ºC) gebracht worden ist. Die relativen Verhältnisse der Ausgangströme und des gegebenenfalls verwendeten Temperaturmoderators, die in die Reaktionszone durch den Prozeßbrenner 10 geführt werden, werden sorgfältig so eingestellt, daß ein wesentlicher Teil des Kohlenstoffs in dem kohlenstoffhaltigen Schlamm und im Brenngas zu den erwünschten Komponenten CO und H&sub2; im Produktgas ungewandelt werden, und weiterhin so, daß die richtige Temperatur in der Reaktionszone auferhalten wird.
Die Verweilzeit der Ausgangsströme im Reaktor nach Verlassen des Prozeßbrenners 10 liegt zwischen 1 und 10 Sekunden.
Das sauerstoffhaltige Gas wird dem Prozeßbrenner 10 mit einer Temperatur zugeleitet, die von seinem Sauerstoffgehalt abhängt. Bei Luft beträgt die Temperatur von Umgebungstemperatur bis 1200ºF (650ºC), während bei reinem Sauerstoff die Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 800ºF (425ºC) liegt. Das sauerstoffhaltige Gas wird unter einem Druck von 30 bis 3500 psig (0,2 bis 24 MPa Überdruck) zugeführt. Der kohlenstoffhaltige Schlamm wird bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur bis zur Sättigungstemperatur des flüssigen Trägerstoffs und unter einem Druck von 30 bis 3500 psig (0,2 bis 24 MPa Überdruck) zugeführt. Das Brenngas, das verwendet wird, um die Reaktionszone auf der gewünschten Temperatur zu halten, ist vorzugsweise Methan und wird bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 1200ºF (650ºC) sowie unter einem Druck von 30 bis 3500 psig (0,2 bis 24MPa Überdruck) zugeführt. Was die Mengen angeht, so werden kohlenstoffhaltiger Schlamm, Brenngas und sauerstoffhaltiges Gas in Mengen zugeführt, die einem Gewichtsverhältnis von freiem Sauerstoff zu Kohlenstoff im Bereich von 0,9 bis 2,27 entsprechen. Der kohlenstoffhaltige Schlamm wird durch die Leitung 14 in das Innere des Verteilers 16 mit einer bevorzugten Fließgeschwindigkeit von 0,1 bis 20 Feet/Sekunde (0,03 bis 6 m/sec) zugeführt. Infolge des geringeren Durchmessers der Leitung 25 für den kohlenstoffhaltigen Schlamm steigt die Geschwindigkeit des kohlenstoffhaltigen Schlamms in den Bereich von 1 bis 50 Feet/Sekunde (0,3 bis 15 m/sec) an.
Das sauerstoffhaltige Gas wird durch die Leitung 24 zugeführt und in zwei Teilströme zerlegt, von denen ein Strom durch die Gasleitung 27 und der andere in einem kegelstumpfförmigen Strom durch die Leitung 29 geführt wird. Die Ströme sauerstoffhaltigen Gases können verschiedene Geschwindigkeiten aufweisen, beispielsweise kann die Geschwindigkeit in der Gasleitung 27 200 fuß/Sekunde (50m/sec) und die Geschwindigkeit in der kegelstumpfförmigen Leitung 29 300 Fuß/Sekunde (90 m/sec) betragen. Wie zuvor erwähnt, tritt der ringförmige Strom kohlenstoffhaltigen Schlamms aus der Leitung 25 aus und wird von einem kegelstumpfförmigen Strom sauerstoffhaltigen Gases gerade unterhalb der unteren Enden der Rohre 28 und 23 getroffen. Die durch den kegelstumpfförmigen Strom sauerstoffhaltigen Gases auf den ringförmigen Strom aus kohlenstoffhaltigem Schlamm ausgeübte Scherkraft in Verbindung mit dem zentral zugeführten Strom sauerstoffhaltigen Gases aus der Leitung 27 führt zu einer im wesentlichen einheitlichen Dispergierung des kohlenstoffhaltigen Schlammes innerhalb des sauerstoffhaltigen Gases.
Die entstehende Dispersion wird dann durch die Beschleunigungszone 33 geführt, die so dimensioniert ist und eine solche Konfiguration besitzt, daß das sauerstoffhaltige Gas auf eine genügende Geschwindigkeit gebracht wird, um den kohlenstoffhaltigen Schlamm weiterhin auf eine mittlere Tröpfchengröße (volume median droplet size) im Bereich von 100 bis 600 Micrometer zu zerkleinern.
Wenn der Brenner anfänglich in Betrieb genommen wird, übewiegt die Geschwindigkeit der Zufuhr von Brenngas die Geschwindigkeit der Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm. Wenn die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm erhöht wird, wird jedoch die Zufuhr von Brenngas vermindert. Diese gleichzeitige langsame Veränderung der Zufuhr von Brenngas und der Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm wird fortgesetzt, bis die Zufuhr von Brenngas völlig eingestellt wird. Sollte die Temperatur in der Reaktionszone unzulässig absinken (should a reaction zone upset occur), so daß die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Schlamm vermindert werden muß, dann wird die Zufuhr von Brenngas wieder aufgenommen, und zwar in einer solchen Menge, daß die Reaktionszone innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches gehalten wird.
Was die Figuren 3 bis 5 angeht, so wird dort eine weitere Beschreibung der Mischplatte 16a gegeben. Wie dargestellt, erstreckt sich die Mischplatte 16a von der ringförmigen Platte 17 unter einem Winkel von 45º nach unten. Vorteilhaft erstreckt sie sich längs der Leitung 23 (about the conduit 23) mit einem Rotationswinkel von 90º nach unten, obwohl der Winkel von 75 bis 115º variieren kann. Um einen axialen Fluß des Schlammes sicherzustellen, kann eine Blockierplatte 16b hinzugefügt werden, um zu verhindern, daß der Schlamm die Mischplatte 16a umgeht.

Claims

1. Brenner, enthaltend

ein zentrales Rohr (23), das eine zylindrische Leitungszone (27) einschließt, die ein offenes Auslaßende aufweist und am stromaufwärts gelegenen Ende geschlossen ist, mit Ausnahme eines Einlasses für einen fluiden Eingangsstrom (fuid feed inlet), der stromaufwärts in bezug auf das Auslaßende gelegen ist;

ein mittleres Rohr (28), koaxi al mit dem zentralen Rohr (23) und dieses zumindest in einen Teil seiner Länge umschreibend, wobei dieses mittlere Rohr (28) zusammen mit dem zentralen Rohr (23) eine ringförmige Leitungszone (25) begrenzt, die ein offenes Auslaßende aufweist und am stromaufwarts gelegenen Ende mit Ausnahme eines Einlasses für einen flüssigen Eingangsstrom geschlossen ist, wobei das Auslaßende der ringförmi gen Leitungszone (25) im wesentlichen in der gleichen Ebene liegt wie das Auslaßende der zentralen Leitungszone (27);

ein abgestumpft-konisches Rohr (26), koaxial mit dem mittleren Rohr (28) und dieses zumindest in einem Teil seiner Länge umschreibend, das eine abgestumpft-konische Leitungszone (29) begrenzt, die in Richtung auf einen Punkt stromabwärts von den Auslaßenden der zentralen und der ringförmigen Leitungszonen (27,25) konvergiert;

dadurch gekennzeichnet, daß

die abgestumpft-konische Leitungszone (29) in fluider Verbindung (fluid communication) mit der zentralen Leitungszone (27) steht, so daß im Betrieb 70 bis 95 % des fluiden Eingangsstromes zu der zylindrischen zentralen Leitungszone (27) und zu der abgestumpft-konischen Leitungszone (29) durch die abgestumpft-konische Leitungszone (29) strömt, und

ein Beschleunigungsrohr eine Beschleunigungszone (33) begrenzt, die koaxi al mit der zentralen, der ringförmigen und der abgestumpft-konischen Leitungszone (27,25,29) und stromabwärts in bezug auf diese Zonen gelegen ist, mit diesen Leitungszonen in fluider Verbindung (fluid communication) steht und mit dem Scheitelpunkt (apex) der abgestumpft-konischen Leitungszone (29) verbunden ist, wobei die Beschleunigungszone (33) einen Querschnitt für den Durchfluß aufweist, der kleiner ist als die Summe der Querschnitte der zentralen, der ringförmigen und der abgestumpft-konischen Leitungszonen (27,25,29) an deren Auslaßenden.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Beschleunigungszone (33) im Längsschnitt in einer sanften Kurve in eine zylindrische Form (cylindrical bore) übergeht.

3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Beschleunigungsrohr aus Wolframcarbid, Siliziumcarbid oder Borcarbid besteht.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die sanfte Kurve der Beschleunigungszone (33) das Auslaßende der abgestumpft-konischen Leitungszone (29) tangential berührt.

5. Brenner nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das stromaufwärts gelegene Ende der ringförmigen Leitungszone (25) eine genügend größere Querschnittsfläche als das Auslaßende der ringförmigen Leitungszone (25) aufweist, um einen Verteilungsraum (16) zu bilden, wodurch der Druck des fluiden Eingangsstoffes vergleichmäßigt (equalized) wird und der fluide Eingangsstoff in das verhältnismäßig kleinere Auslaßende der ringförmigen Leitungszone (25) frei von Bereichen mit hoher Fließgeschwindigkeit eintritt, wobei der Verteilungsraum (16) eine Mischplatte (16a) in Nachbarschaft und unterhalb des Einlasses des fluiden Eingangsstoffes aufweist, die dem eintretenden fluiden Eingangsstoff unter einem solchen Winkel ausgesetzt ist, daß der im allgemeinen axiale Fluß des fluiden Eingangsstoffes in einen im wesentlichen radialen Fluß umgewandelt wird, wodurch Bereiche mit hohem Fluß von Eingangsstoff (high fluid feed regions) vermieden werden.

6. Brenner nach Anspruch 5, wobei die Mischplatte (16a) mit der Längsachse der ringförmigen Leitungszone (25) einen Winkel von 45º bildet.

7. Brenner nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Mischplatte (16a) zwischen dem zentralen Rohr (23) und dem mittleren Rohr (28) in der ringförmigen Leitungszone (25) angeordnet ist und sich mit einem Rotationswinkel von 90º nach unten erstreckt (extends downwardly for a rotational angle of 90º).

8. Brenner nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, der wenigstens eine Gasleitzone (36,40,41) enthält, die in fluider Verbindung mit einer Mündung auf der Auslaßseite (46) des Brenners steht.

9. Verwendung eines Brenners nach Anspruch 1 für die Erzeugung eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Gases durch Teiloxidation kohlenstoffhaltiger Schlämme, wobei diese Schlämme durch die ringförmige Leitungszone (25) und sauerstoffhaltige Gase durch die zentrale Leitungszone (27) und die abgestumpft-konische Leitungszone (29) Zugeführt werden.

10. Verwendung nach Anspruch 9, wobei der Brenner wie in den Ansprüchen 2 bis 8 definiert ist.