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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen wertvoller, Kohlenoxyd und
Wasserstoff enthaltender Gase Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
ein Verfahren zum Erzeugen wertvoller, Kohlenoxv vd und Wasserstoff enthaltender
Gase, die insbesondere für Zwecke der Synthese von Kohlenwasserstoft.en geeignet
sind, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Im besonderen bezieht
sich die Erfindung auf die Erzeugung solcher Gase durch Vergasen flüssiger Ilren.nstoffe
in dar Schwebe mit Sauerstoff.
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Flüssiger Brennstoff im Sinne der Erfindung :ind Kohlenwasserstofföle,
Teere der verschiedensten Art und Herkunft, Destillationsrückstände aus der Erdöldestillation
und aus der Synthese von Kohlenwasserstoffölen, ferner Brennstoffe, die zwar bei
gewöhnlicher Temperatur fest sind, bei Erwärmung jedoch flüssig werden, wie beispielsweise
Pech. Asphalt oder auch feste Paraffine od. dgl.
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Unter Sauerstoff wird im folgenden sowohl reiner Sauerstoff als auch
Luft mit erhöhtem Sauerstoffgehalt verstanden.
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Die Vergasung flüssiger Brennstoffe unter Verwendung von Sauerstoff
zwecks Erzeugung von beispielsweise Wassergas ist an und für sich bekannt.
Ein
bekanntes Verfahren besteht darin, daß man den flüssigen Brennstoff zusammen mit
Sauerstoff in eine auf erhöhter Temperatur gehaltene Reaktionshammer einbläst. Der
Sauerstoff setzt sich dann mit dem Brennstoff in exoth,ertn.er Reaktion unter Bildung
von hauptsächlich Iiohl,enoxyd und Wasserstoff um. Bei diesem Verfahren findet die
Mischung zwischen flüssigem Brennstoff und Sauerstoff bereits vor Eintritt in den
Reaktionsraum bzw. im Augenblick des Eintrittes in den Reaktionsraum statt.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, einen flüssigen Brennstoff gegebenenfalls
zusammen mit einem feinverteilten festen Brennnstoff in einen auf hoher Temperatur
befindlichen Reaktionsraum einzublasen und aus einer um i8o° versetzten Richtung
einen Sauerstoffstrahl gegen den Strahl aus flüssigem und festem Brennstoff zu richten,
wobei im Augenblick und im Bereich des Zusammentreffens der beiden Strahlen eine
Vergasung der Brennstoffe eintritt.
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Diese Verfahren haben jedoch nicht zu dem erstrebten Ergebnis geführt.
Der Nachteil des zuerst genannten Verfahrens besteht darin, daß ein bereits in den
Zuführungsleitungen zu der Einblasedüse bestehendes Gemisch aus Sauerstoff und flüssigem
Brennstoff eine außerordentlich große Neigung besitzt, sich infolge der Wärmeeinstrahlung
von der heißen Reaktionskammer her zu entzünden, so daß die exotherme Reaktion zwischen
Brennstoff und Sauerstoff in die Zuleitungen hineinläuft. Theoretisch besteht die
Möglichkeit, das Hineinwandern der exothermen Reaktion in die Zuleitungen mehr oder
weniger stark dadurch zu unterdrücken, daß man die Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb
der Zuleitungen beträchtlich -erhöht. Diese letztere Maßnahme ist jedoch mit dem
neuen Nachteil verbunden, daß dann das Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff mit
zu großer G#--schwindigkeit in den Reaktionsraum einströmt und dann zu lange Reaktionswege
erforderlich sind. um die vollständige Umsetzung des Brennstoffes zu ermöglichen.
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Das an zive.it°r Stelle genannte bekannte Verfahren birgt den Nachteil
in sich, d:aß auf die beschrkebene Weise eine ausreichend honloggene Su.sp:ens:ion
des flüssigenBrem,nstoffs inSauerstoff nicht erzielt werden kann, so daß die Vergasung
des Brennstoffes nicht mit dem gewünschtenWirkurngsgrad erfolgt.
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Es ist auch bereits bekannt, bei der Vergasung von` Schwerölen durch
teilweise Verbrennung die Vergasungsluft von außen her auf einen Ölstrahl einwirken
zu lassen. Bei diesem bekannten Verfahren wird jedoch ein von ILohlenwasserstoffen
freies Synthesegas nicht erhalten. Ferner ist eine Vorrichtung zum Vermengen flüssiger
und gasförmiger Stoffe bekannt, die besonders als Vergas,°r für Brennkraftmaschinen
geeignet ist und die im wesentlichen aus drei konzentrischen Düsen besteht, von
denen die mittlere der Zuführung von flüssigem .Brennstoff und die beiden anderen
der Zuführung von Luft dienen. Beim Betrieb dieser hekannten Vorrichtung wird der
Flüssigkeitsfilm vom inneren Luftstrom getroffen und zerstäubt und der entstandene
Nebel auf seinem weiteren Wege vom äußeren Luftstrom erfaßt und durchwirbelt.
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Die vorliegende Erfindung geht von der bereits "erwähnten Methode
aus, das Öl in Form eines dünnen Films in den Reaktionsraum einzuführen und gegen
beide Flächen des Ölfilms je einen Gasstrahl zu richten.
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Gemäß der Erfindung wird die Zerteilung des Öls und die Homogenisierung
des gebildeten Öl-Sauerstoff-Gemisches in der Weise durchgeführt, daß jeder der
beiden Sauerstoffströme unter solchem Winkel gegen die Flächen des Flüssigkeitsfilms
gerichtet wird, daß sich die Sauerstoffströme im wesentlichen innerhalb des Ölfilms
schneiden, wobei die Sauerstoffströme eine solche Stärke haben, daß sich vor der
EinblasIedüse, jedoch in einem Abstand davon, ein homogenes, sich. in exothermer
Reaktion umsetzendes Gemisch von feinverteilten Flüssigkeitströpfchen und Sauerstoff
bildet.
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Der Flüssigkeitsfilm, der sich beim Verlassen der Einblasedüse bildet,
wird durch den von beiden Seiten gleichzeitig auf ihn auftreffenden Sauerstoffstrom
in kürzesterZeit zerrissen, wobei imfolge dier Wirbelbewegung, de durch das Aufeinandertreffen
der beiden Sauerstoffstrahlen entsteht, eine äußerst homogene Suspension des flüssigen
Brennstoffes in dem Sauerstoff gebildet wird, die sich infolge der Wärmeeinstrahlung
von den heißen Reaktionsiraumwänden unter Bildung der gewünschten Gase sofort entzündet.
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Die Dicke des Flüssigkeitsfilms richtet sich nach dem zu vergasenden
Brennstoff. Man kann die Regel aufstellen, daß der Flüssigkeitsfilm um so dünner
sein muß, je weniger reaktionsfreudig der zu vergasende flüssige Brennstoff ist.
Es hat sich gezeigt, diaß ein Flüssigkeitsfilm mit einer Schichtdicke von i mm,
vorzugsweise von 0,5 mm, ausreichend dünn ist, um durch die beiden Sauerstoffstrahlen
in kürzester Zeit vernebelt zu werden.
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Dadurch, daß gemäß der Erfindung der Schnittpunkt zwischen den Sauerstoffstrahlen
und dem Flüssigkeitsfilm in einem gewissen Abstand von der Austrittsöffnung der
Düse liegt, ist gewährleistet, ,daß sich die exotherme Reaktion nur in Richtung
der Bewegung dies Flüssigkeitsfilms fortpflanzt, nicht aber in Richtung auf die
Austrittsöffnungen der Düse zu.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird in den Raum zwischen
der Zone der exothermen Reaktion und den heißen Reaktionsraumwänden Wasserdampf
eingblasen. Die Aufgabe dieses Wasserdampfes besteht einmal darin, die Reaktionsraumwände
vor einer allzu starken Bestrahlung durch die in dier exothermen Zone entstehende
Wärme zu schützen, und andererseits darin, die Vergasung von nicht umgesetztem Brennstoff
durch Reaktion mit dem heißen Wasserdampf zu vollenden.
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Der flüssige Brennstoff wie auch der Sauerstoff werden vorzugsweise
in vorgewärmtem Zustande
in den Reaktionsraum eingeführt. Die `'orwärmung
des Brennstoffes auf etwa 15o° hat sich als besonders zweckmäßig für die Bildung
eines Flüssigkeitsfilms mit der gewünschten Schichtstärke erwiesen.
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Um die Bildung eines Flüssigkeitsfilms in Form .ein es im wesentlichen
geschlossenen Zylinderinantels zu erleichtern, wird die für die Einfiihrung des
flüssigen Brennstoffes vorg°sehen° ringförmig Düse so eingerichtet. daß der Brennstoff
derart in eine Reihe von einzelnen Strahlen aufgeteilt wird, claß die Strahlen nach
Verlassen der Düse eine schrattbenlinien.förinige Bewegung auf .einem Zylindermantel
ausführen.
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In den Abbildungen ist ein Teil einer Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen senkrechten
Längsschnitt durch die Einrichtung zum Einblasen der Reaktionsmedien in den Reaktionsraum,
und Ahb. 2 eine Ansicht des Verblasekopfes von der Reaktionskammer her gesehen.
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Die Reaktionskammer, von der in der Abb. i nur das verb laseseitige
Ende ,dargestellt ist, besteht aus feuerfestem Material i und weist an ihrem Ende
einen Verl)lasekopf 2 auf. Dieser Verblasekopf besteht zunächst aus einer zentralen,
ringförmigen Düse 3, aus der der bei d. zugeführte flüssige Brennstoff i:11 Form
eines dünnwandigen Zylindermantels in die Reaktionskammer eintritt. Der freie Ouerschnitt
der Mündung dieser ringförmigen Eint_rittsdüse, die praktisch die Form eines schmalen
Ringspaltes hat, ist durch Einsätze 5 unterteilt, die so angeordnet sind, daß der
flüssige Brennstoff in einzelne, zwischen den Einätzen durchströmende Strahlen unterteilt
wird, dif, jeder für sich, eine schraubenlinienförmige Bewegung auf dem Zylindermantel
ausführen. Durch die schraubenlinienförinige Bewegung der einzelnen Brennstoffstrahlen
wird erzielt, daß sich der Brennstoff nach Austritt aus dem ringförmigen Spalt nicht
sofort nach allen Richtungen verteilt, sondern im wesentlichen di-e Form eines sich
insgesamt in der Hauptachse des Vergasungsraumes vorwärts bewegenden Zylinders beibehält.
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Konzentrisch zu der ringförmigen Düse für den flüssigen Brennstoff
liegen zwei ebenfalls ringförmige Düsen 6 und 7 für die Einführung des Sauerstoffes.
Die Zuführung dies Sauerstoffs zu diesen Düsen geschieht für die Düse 6 bei 8 und
für die Düse 7 bei 9. Die Austrittsrichtungen der Sau2rstoffdüsen liegen nicht wie
die der Br:nnsitoffdiis,e parallel zur Hauptachse des Reaktionsraumes, sondern bilden
einen gewissen Winkel mit dieser Achse. Im vorliegenden Falle sind die Richtungen
der Sauerstoffstrahlen, die aus den Düsen 6 und 7 austreten, so gewählt, daß sich
die beiden Strahlen im wesentlichen auf dem Zvlindermantel schneiden. Durch die
kinetische Energie der Sauerstoffstrahlen, die unter einem gewissen Druck eingeblasen
werden, wird der Flüssigkeitsfilm in feinste Tröpfchen zerrissen, die ihrerseits
mit dem Sauerstoff eine homogene Suspension bilden, die sich nach ihrer Entzündung
vermittels Wärmeeinstrahlung von den Reaktionsraumwänden sofort in ein im wesentlichen
aus Kohlenoxyd und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch verwandelt.
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Der Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Sauerstoffstrahlen mit dem
Brennstoff und der Austrittsöffnung für den Brennstoff richtet sich ebenfalls uriger
ai:_leremnach der Reaktion sfäh,igl; eit des Breis nstofl@es. Je reaktionsfähiger
dierBrennstoff ist, t1111 so w@it°r wird man den Schnittpunkt von der Brennstoffdüse
entfernt wählen. Es hat sich gezeigt, daß ein Abstand des Schnittpunktes von nicht
unter 3 mm ausreichend ist, um ein Rücklaufen der exoth.erm-en Reaktion in die Brennstoffleitung
hinein mit Sicherheit zu unterdrücken.
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In .einem größeren Abstand von der Brennstoff-und dien Sauerstoffdüsen
entfernt ist schließlich noch eine ebenfalls konzentrische, ringförmige Düse io
vorgesehen, durch die Wasserdampf unter einemgewissen Winkel in den Reaktionsraum
eingeblasen werden kann. Die Zuführung des Wasserclampfes geschieht bei i i.
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Um den ganzen Bre.nnerkopf, der vorzugsweise völlig aus :Metall hergestellt
ist, vor einer unzulässigen Erwärmung durch Einstrahlung von der Reaktionskammer
her zu bewahren, ist eine umlaufende Wasserkühlung vorgesehen. Da bei 12 zugeführte
und bei 13 abgeführte Kühlwasser, das vorzugsweise eine Temperatur von etwa i2o
bis 15o° hat, dient zur Kühlung der von der zentralen Achse des Vergaserkopfes entfernt
liegenden Teile des Vergaserkopfes. Das bei 1.4 zugeführte und bei i5 abgeführte
Kühlwasser dient zur Kühlung der äuleren Sauerstoffdüsen und das bei 16 zugeführte
und bei i 7 abgeführte Kühlwasser zur Kühlung der inneren Sauerstoffdüsen. Die Brennstoffdüse
selbst ist nicht unmittelbar gekühlt.
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Wie schon oben ausgeführt, ist der Vergaserkopf gemäß der Erfindung
völlig aus Metall ausgeführt, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl. Durch die intensive
Kühlung mittels der drei oben beschriebenen Kühlmittelumläufe wird gewährleistet,
d,aß auch die dem Reaktionsraum zugewandte Fläche des Vergaserkopfes keine unzulässig
hohe Temperatur annimmt. Die Zuführungsleitungen für die Reaktionsmedien zum Reaktionsraum
bestehen im wesentlichen aus den Zwischenräumen zwischen konzentrisch, ineinander
liegenden Rohren, deren Abstand voneinander .durch Distanzstücke 18 aufrechterhalten
wird, wobei die Distanzstücke in einer solchen Zahl vorgesehen sind, d@aß sie einerseits
d,i,e genau"- Zentricrun.g der .ineinande:rgesteckten Rohre bewirken, andererseits
den freien nuerschnitt für die Strömungen der Reaktionsmittel nicht wesentlich beschränken.
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Mit der oben beschriebenen Anordnung wurde ein flüssiger Brennstoff
vom Typ des Bunker-C-Ols mit 92%igem Sauerstoff vergast. Der Brennstoff wurde, wie
der Sauerstoff, auf eine Temperatur von i5o° vorgewärmt. Die Temperatur des eingeblasenen
Wasserdampfes betrug etwa 12o°. Bei einem Kohlenstoffvergasungsgrad von über 88%
ergab sich ein Nutzgas, das zu 52,6% aus Kohlenoxyd
und 42,5 %
aus Wasserstoff bestand. Der hohl:endioxydgehalt des Nutzgases betrug nur 3.7 9o.