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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von brennbaren Gasen aus gasförmigen
oder flüssigen Kohlenwasserstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfnhren
und eine Einrichtung zur Erzeugung' von wertvollen Gasen, insbesondere solchen,
die Kohlenoxyd und Wasserstoff enthalten, durch Umsetzung von gasförmigen oder flüssigen
Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff und gegebenenfalls endotherm reagierenden Vergasungsmitteln.
Die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt dabei in
der Weise, daß ein vorgebildetes und möglichst homogenes Gemisch aus Kohlenwasserstoffen,
Sauerstoff und gegebenenfalls endotherm rengierendenVergasungsmitteln, wieWasserdampf
oder Kohlensäure, in Form eines Strahles in einen auf hoher Temperatur gehaltenen
Reaktionsraum eingeblasen wird. Das eingeblasene Gemisch zündet infolge der Wärmeeinstrahlung
(entweder direkte oder an den Reaktionsraumwänden reflektierte) aus der bereits
bestehenden Flamme, so daß die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe mit einer exothermen
Reaktion beginnt, die dann im weiteren Verlauf der Umsetzungen von endothermen Reaktionen
überlagert bzw. abgelöst wird. Ein wesentliches Kennzeichen dieses bekannten Verfahrens
ist, daß sich der Brennstoff sowie die bei den Vergasungsreaktionen aus dem Brennstoff
entstehenden festen, brennbaren bzw. unbrennbaren
Teilchen, im wesentlichen
in derselben Richtung wie die gasförmigen Mittel bewegen.
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Als Brennstoff für das Verfahren kommen in erster Linie die gasförmigen
oder flüssigen oder auch durch Erwärmung verflüssigten Kohlenwasserstoffe der Methanreihe
in Frage, ferner Kohlenwasserstofföle, die bei der Erdöldestillation, bei der Teerdestillation
oder der Kohlenwasserstoffsynthese oder sonstigen chemischen Prozessen anfallen.
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Unter »Sauerstäff« wird im folgenden sowohl reiner Sauerstoff als
auch Luft mit einem gegenüber dem normalen Anteil erhöhten Sauerstoffgehalt verstanden.
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»Endotherm reagierende Vergasungsmittel« im Sinne der Erfindung sind
Wasserdampf oder Kohlensäure oder auch Gemische von beiden.
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Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist die Verbesserung des Kohlenstoffvergasungsgrades
der Umsetzung von gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff
durch Herabsetzung der Menge von bei der Umsetzung entstehendem festem Kohlenstoff
(Ruß). Ferner wird nach der Erfindung die Senkung des Sauerstoffverbrauches je cbm
erzeugten Nutzgases bzw. eine Senkung der Austrittstemperatur des Nutzgäses aus
dem Reaktionsraum erreicht.
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Bei der Umsetzung von Koh,lenwasserstoffen mit Sauerstoff und beispielsweise
Wasserdampf durchläuft, wenn man den Kohlenwasserstoff im Gemisch mit Sauerstoff
(und gegebenenfalls Wasserdampf) vergleichsweise kalt in einen auf hoher Temperatur
befindlichen Reaktionsraum einbläst, der Kohlenwasserstoff zunächst die Temperaturskala,
die zwischen seiner Eintrittstemperatur und seiner Zündtemperatur liegt. Die Höhe
der Zündtemperatur hängt von der chemischen Nutur des Brennstoffes und .von dem
Inertgehalt des Verbrennungssauerstoffes ab. Sobald die Zündtemperatur überschritten
wird, verbrennt der Brennstoff mit dem Sauerstoff, wobei sich in einigem Abstand
von der Einblasedüse eine verhältnismäßig begrenzte Flammzone bildet, in der eine
sehr hohe Temperatur (mehr als 2ooo°) herrscht. In der sich anschließenden Zone,
der sogenannten Reduktionszone, findet eine Umsetzung des gebildeten Kohlendioxydes
bzw. Wasserdampfes mit dem noch nicht vergasten Restbrennstoff unter weiterer Erzeugung
von Kohlenoxyd und Wasserstoff statt, wobei die Temperatur des Nutzgases auf einen
Wert absinkt, der je nach der Art des eingesetzten Brennstoffes zwischen 90o und
130o° liegt. Beim Durchlaufen der Flammenzone gelangt der Kohlenwasserstoff auch
in einen Temperaturbereich, in welchem, insbesondere bei den höheren Kohlenwasserstoffen,
eine unter Umständen beträchtliche Abspaltung von elementarem Kohlenstoff in Form
von Ruß stattfindet. Auf der anderen Seite entstehen dabei freier Wasserstoff und
Kohlenwasserstoffe mit kleineren Molekülen. Ehe dieser zunächst in molekularer Form
- möglicherweise mit graphitischer Struktur - anfallende elementare Kohlenstoff
in der sich an die Flammenzone anschließenden Reduktionszone reduzierend auf Kohlensäure
und Wasserdampf einwirken kann, tritt eine Agglomerierung des Kohlenstoffes zu größeren
Partikeln ein, deren Vergasung in dem für die Reduktionsvorgänge zur Verfügung stehenden
Raum nicht mehr bzw, nicht mehr -vollständig möglich ist. Ein Teil des Kohlenstoffgehaltes
des eingesetzten Kohlenwasserstoffes bleibt also unvergast. Dieser Anteil kann.
je nach der Art des verwendeten Kohlenwasserstoffes bis zu 1a Gewichtsprozent, bezogen
auf den Kohlenwasserstoff, betragen.
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Es ist also so, daß sich die Umsetzung des Kohlenwasserstoffes, insbesondere
in der Flammenzone, in einer durch frisch gebildeten Ruß getrübten Atmosphäre abspielt,
so daß die Zündung des eingeblasenen Gemisches aus Sauerstoff und Kohlenwasserstoff,
die in erster Linie durch Einstrahlung von der Flammenzone her erfolgt, verzögert
wird. Dadurch wiederum wird eine Verlagerung der Flammenzone von der Einblasedüse
weg und eine entsprechende Verkleinerung der Reduktionszone bewirkt.
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Das Ziel der Erfindung besteht im engeren Sinne also darin, die Zündung
des, umzusetzernden Gemisches aus Kohlenwasserstoff und Sauerstoff so zu beschleunigen,
da.B sich die Flammenzone in größerer Nähe zur Einblasedüse ausbildet, so daß die
Flammenzone stärker konzentriert, dadurch heißer und also strahlungsintensiver wird,
wodurch gleichzeitig eine größere Strecke innerhalb des vorgegebenen Reaktionsraumes
für die endotherme Reaktion zur Verfügung gestellt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im ,vesentlichen darin, außer
dem Gemisch aus Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls endotherm reagierenden
Vergasungsmitteln, welches in Form eines Strahles in einen auf hoher Temperatur
befindlichen Reaktionsraum eingeblasen und dort vorzugsweise durch Wärmeeinstrahlung
gezündet wird, zusätzlich ein homogenes Gemisch aus feinverteiltem festem Brennstoff
und überschüssigem Sauerstoff - bezogen auf die totale Verbrennung des Festbrennstoffes
- derart in den Reaktionsraum einzublasen, daß der Kohlenstoff des Zweitgemisches
unter Bildung einer weißen Flamme teilweise oder vollständig verbrennt, wobei die
Lage der Flamme des Zweitgemisches in bezug auf die Reaktionszone des Erstgemisches
so gewählt ist, daß durch Wärmeabstrahlung aus der Flamme des Zweitgemisches die
Zündung des Erstgemisches beschleunigt wird.
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Durch die zusätzliche Einführung eines feinverteilten Festbrennstoffes,
der in überschüssigem Sauerstoff suspendiert ist, findet eine Einstrahlung von Wärme
auf das eingeblasene Erstgemisch nicht nur aus der Flammenzone bzw. von den Wänden
des Reaktionsraumes, sondern auch von der sehr heißen Flamme des Zweitgemisches
aus statt, so daß der Kohlenwasserstoffanteil des Erstgemisches schon im vergleichsweise
kurzer Zeit nach seinem Eintritt in den Reaktionsraum eine für die Zündung ausreichend
hohe Temperatur erreicht. Die Flammenzone des Erstgemisches wird also dadurch entgegen
der
Gasströmung im Reaktionsraum verlegt und stärker konzentriert.
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Der mit dem Zweitgemisch eingeblasene überschüssige Sauerstoff wird
dabei auf eine hohe Temperatur erhitzt und setzt sich mit dem Kohlenwasserstoff
des Erstgemisches so um, da.ß praktisch in der Hauptsache Kohlenoxyd und Wasserstoff
gebildet werden. Der gegebenenfalls in der Flammenzone des Erstgemisches in vergleichsweise
geringer Menge noch entstehende elementare Kohlenstoff reagiert infolge der vergrößerten
Reduktionszone zum größten Teil mit den endothermen Vergasungsmitteln, seien sie
eingeführt oder inzwischen entstanden, unter Bildung von ebenfalls Kohlenoxyd und
Wasserstoff. Bezogen auf die gleiche Menge C O -I- H2 bedeutet dies einen verringerten
Bedarf an Sauerstoff. Außerdem sinkt infolge der verstärkten endothermen Reaktion.
die Temperatur der Austrittsgase in vorteilhafter Weise ab.
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Als fester Brennstoff für das Zweitgemisch ist an sich jeder feinverteilte
feste Brennstoff geeignet. Als besonders günstig haben sich aber solche Brennstoffe
erwiesen, die bereits teilweise oder weitgehend von flüchtigen Bestandteilen befreit
sind. Man kann gegebenenfalls auch den im Verfahren in feinverteilter Form noch
anfallenden -Ruß verwenden. Es ist auch möglich, ein Gemisch von mehreren festen
Brennstoffen verschiedener Art und Herkunft für das Zweitgemisch zu benutzen.
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Die Strahlungsintensität der Flamme des Zweitgemisches kann gegebenenfalls
auch dadurch verbessert werden,- daß man dem festen Brennstoff vor dem Verblasen
mit Sauerstoff nicht oder nur schwer flüchtige anorganische Verbindungen in feinverteilter
Form beimischt, beispielsweise staubförmige Asche, Metalloxyde, insbesondere solche
der Erdalkalien oder sonstige Metallsalze. Diese anorganischen, nicht brennbaren
Körper werden infolge der bei der Umsetzung des Festbrennstoffes mit Sauerstoff
entstehenden Wärme auf Weißglut gebracht und strahlen ihrerseits intensiv Wärme
in das Erstgemisch ab. Die Menge Festbrennstoff für das Zweitgemisch, bezogen auf
den Kohlenwasserstoff des Erstgemisches, kann im allgemeinen niedrig gehalten werden.
Je nach Art des umzusetzenden Kohlenwasserstoffes wird eine Festbrennstoffmenge
bis zu etwa 5 % der insgesamt eingesetzten Brennstoffmenge genügen, um die beabsichtigte
Wirkung hervorzurufen. Es ist gegebenenfalls aber auch möglich, im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wesentlich größere Mengen Festbrennstoff mit Sauerstoff umzusetzen. So
ist es z. B. möglich, den bei einer Anlage zur Vergasung von Brennstaub in der Schwebe
mit Sauerstoff zwangläufig anfallenden Rückstand, bestehend aus urivergastem Kohlenstoff
und Unverbrennlichem, als Festbrennstoff für das erfindungsgemäße Verfahren heranzuziehen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann, was die Lage der Einblasedüsen für die beiden Gemische zweinarider anbetrifft,
auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Eine bevorzugte Anordnung sieht vor, das
Gemisch aus Sauerstoff und Festbrennstoff durch eine zentrale Düse in den Reaktionsraum
einzublasen, während das Gemisch aus Sauerstoff und Kohlenwasserstoff durch eine
die zentrale Düse umgebende, vorzugsweise ringförmige Düse in den Reaktionsraum
eingeblasen wird. In diesem Fall existiert also dann eine zentrale Zone sehr hoher
Temperatur und hoher Strahlungsintensität, die umgeben ist von einer zweiten Zone,
in der die eigentliche Umsetzung des Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff und den
endotherm reagierenden Vergasungsmitteln stattfindet. Die Düsen sind gegebenenfalls
wassergekühlt. Es kann ferner noch eine weitere, die beiden Düsen umgebende ringförmige
Düse vorgesehen sein, durch die auf eine mittlere Temperatur vorgewärmter Wasserdampf
eingeblasen wird, der den Raum zwischen der Reaktionszone des Erstgemisches und
den Reaktionsraumwänden ausfüllt und eine Art Schutzschleier gegenüber einer unerwünschten
thermischen Beanspruchung der Reaktionsraumwände darstellt.