DE974850C

DE974850C - Brenner fuer einen Russofen

Info

Publication number: DE974850C
Application number: DEC7401A
Authority: DE
Inventors: Newman Dudley Steele
Original assignee: Godfrey L Cabot Inc
Current assignee: Godfrey L Cabot Inc
Priority date: 1952-04-08
Filing date: 1953-04-09
Publication date: 1961-05-18
Also published as: US2825633A; GB773777A; US2825632A; BE519069A; FR1077224A; NL89889C

Description

Brenner für einen Rußofen Um Ruß gewünschter Eigenschaften bei großer Produktionsgeschwindigkeit und hohen Ausbeuten zu erhalten, ist es erforderlich, die zur Dissoziation der flüssigen Kohlenwasserstoffe erforderliche Wärme in besonders sorgfältig geregelter Weise zuzuführen. Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen sind bereits zur Herstellung von Ruß bekannt, und alle arbeiten gemäß dieser Grundforderung. Von den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ähneln sich viele, aber die häufig nur sehr geringen Unterschiede sind von grundlegender Wichtigkeit.
In der Rußindustrie kann eine Verbesserung eines bekannten Verfahrens oder einer bekannten Vorrichtung, die nur sehr geringfügig zu sein scheint, in Wirklichkeit aber zu einem unerwarteten und wichtigen Ergebnis führen, sei es, daß die Ausbeute an Ruß bekannter Sorten bedeutend erhöht wird, oder sei es auch, daß neue Arten von Ruß, die bisher nicht bekannt waren, erzeugt werden können. Beides ist der Fall bei dem Brenner gemäß der Erfindung.
Der Mechanismus der Rußbildung ist sehr verwickelt und-noch nicht voll aufgeklärt. Es ist jedoch bekannt, daß ein Kohlenwasserstoff unter Hitzeeinwirkung sich nicht sofort in die Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff aufteilt, sondern eine Reihe von Umwandlungen durchläuft und eine Polymerisierung im Verfahren stattfindet. Dementsprechend ist es von großer Bedeutung, wie und wo die Hitze den Kohlenwasserstoffen zugeführt wird.
Allgemein gesprochen, hängt also die Teilchengröße- und damit die verstärkende Wirkung des Rußes von der Geschwindigkeit und Dauer der Dissoziationsreaktion und von der Umgebung, in der die Reaktion abläuft, ab.
So ist es zur Steigerung der Rußqualität durch Reduktion seiner Teilchengröße oder zur Ausbeuteverbesserung eines bekannten Rußes bestimmter Teilchengröße erforderlich, daß sich kleine Teilchen bilden und das Wachstum verhindert wird, während nicht umgesetzter Kohlenwasserstoff in der Reaktionszone verbleibt, und zwar ohne daß wesentliche Mengen des Rohmaterials verbrennen. Dies wird durch den Brenner gemäß der Erfindung erreicht.
Es sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden, um das Rohmaterial aus fremden Quellen zu erhitzen und zu verdünnen. Ein erfolgreiches Verfahren ist in der USA: Patentschrift 2 419 565 beschrieben, gemäß welcher der Kohlenwasserstoff in den Reaktionsraum in Dampfform eingespritzt wird. Auch das Verfahren der Patentanmeldung C 832 IVb/22f ist mit Erfolg angewendet worden, «renn Ruß aus dem in flüssigem Zustand in den Ofen eingespritzten Rohmaterial hergestellt wird. Beide Verfahren haben jedoch gewisse Grenzen hinsichtlich der Qualität und Ausbeute des erzeugten Rußes, und die Erfindung betrifft die Herstellung gleicher oder verschiedener Rußarten mit höheren Erzeugungsgeschwindigkeiten und Ausbeuten.
Die Erfindung ermöglicht sowohl die verbesserte Herstellung neuer Rußsorten als auch die Herstellung verschiedener Rußsorten aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit besserer Ausbeute. Weiterhin lassen sich gemäß der Erfindung sowohl neue wie auch bekannte Rußsorten mit hoher Produktionsgeschwindigkeit und hohen Ausbeuten herstellen. Auch wird gemäß der Erfindung die erforderliche Menge an Wärme und Verdünnungsgasen auf den als flüssiger Nebel in den Ofen eingespritzten Kohlenwasserstoff übertragen.
Es ist wichtig, daß das Brenngas in einem engbegrenzten Raum und einem genügenden Abstand von der Sprühdüse für den Kohlenwasserstoff eingeführt wird, damit das Brenngas möglichst vollständig verbrannt ist, bevor es den Kohlenwasserstoffstrahl erreicht. DamitvollständigeVerbrennungsichergestellt ist, wird ein Überschuß an Luft über die theoretisch erforderliche Menge eingeführt. Dadurch wird auch eine geringe Menge des Kohlenwasserstoffs unvermeidlich mitverbrannt. Es ist einer der Vorteile der Erfindung, daß durch den entscheidenden Abstand der Punkte für die Einführung des Kohlenwasserstoffs, des Brenngases und der Luft die Arbeitsbedingungen in weiten Grenzen variiert werden können, so daß sich viele verschiedene Arten von Ruß in bisher nicht erreichter Ausbeute herstellen lassen. Da die Dissoziationsreaktion, durch die der Kohlenwasserstoff in Ruß umgewandelt wird, in der Hauptsache durch die Wärmeübertragung von den Verbrennungsprodukten des Heizgases bedingt ist und da das Sauerstoff enthaltende Gas Luft oder mit Abgasen oder anderen inerten Gasen verdünnter Sauerstoff ist, steht eine genügende Menge heißer Verdünnungsgase zur Verfügung, um mit dem Kohlenwasserstoff vermischt zu werden und das Anwachsen der Rußteilchen zu verhindern.
Die gewünschte Atmosphäre wird durch Mischen des Brenngases und der Luft erzielt, indem das Gas in die sich verhältnismäßig langsam bewegende Luftmasse in einem beträchtlichen Abstand vom Injektor für den Kohlenwasserstoff in einem Kreis unmittelbar um das Injektionsrohr eingeblasen wird. Dadurch wird eine turbulente und sehr heiße Masse von Verbrennungsprodukten erzeugt, die hinter dem zerstäubten Kohlenwasserstoff herströmen, so daß eine Wärmeübertragung maximaler Wirksamkeit und gleichzeitig eine Verdünnung erfolgt.
Der Brenner gemäß der Erfindung eignet sich vorzugsweise für schwere Öle und Teere, die nachstehend kurz als »Rückstandsöle« bezeichnet werden. Solche Rückstandsöle werden bei den verschiedensten Destillationen und Krackungen von Kohlenwasserstoffen erhalten, ebenso wie bei der destruktiven Destillation von Kohlen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, daß sie sich unter Atmosphärendruck nicht vollständig verdampfen lassen, und einige werden 'zu Kohlenstoff gekrackt, schon bevor 5o % verdampft sind. Es werden beispielsweise Öle mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff von etwa 0,75 bis 1,25 und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 225 bis 550 verwendet. Derartige Öle haben ein spezifisches Gewicht (20°/q.°) von mindestens 0,99, eine Viskosität bei 99° von im äußersten Falle 1,2° Engler und einen Verkokungsrückstand nach Conradson von mindestens 1,5.

Typische Rückstandsöle, die verarbeitet werden können, sind in Tabelle I aufgezählt.

Tabelle i

Mittleres Spezifisches Verkokungs- Viskosität

Ausgangs- Verhältnis rückstand

Probe Molekular- Gewicht bei 99°

material von H/C

gewicht (2o°/4°) nach Conradson in ° Engler

I Petroleum ........ 1,08 391,0 1,o67 17,0% 3,1

II Petroleum ........ 1,1 310,5 1,077 17,4% 3,9

III Petroleum ........ 1,16 250,0 o,996 5,0% 1,2

IV Petroleum ........ 1,05 440,0 1,004 20,0% #,6

V Kohlenteer ........ i,09 277,0 1,042 2,0% 1,2

VI Petroleum ........ 1,08 314,0 1,057 15,3% 2,5

VII Kohlenteer ........ 0179 3990 1,168 24001o 3,2

VIII Petroleum ........ 1,15 227,0 1,047 4,0% h4

Die verschiedenen charakteristischen Merkmale der Erfindung werden am besten durch eine typische Ausführungsform des neuen Brenners veranschaulicht, wie sie beispielsweise ausgewählt und in den Fig. i bis 3 dargestellt ist.

Fig. i ist eine teilweise fortgeschnittene Seitenansicht eines Rußofens, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Brenner und Fig. 3 ein teilweiser Querschnitt durch den Brenner und zeigt den Gaskopf mit den Löchern am Umfang und die Zerstäubungsdüse.
Der Ofen besteht aus einem langgestreckten Reaktionsraum io, der irgendeinen üblichen, bevorzugt zylindrischen Querschnitt aufweist. Er hat einen Stahlmantel 12, eine Schicht aus isolierenden Mauersteinen 14 und eine Auskleidung 16 aus hochfeuerfestem Material. Am linken, d. 1i. am Einlaßende ist der Reaktionsraum bei 18 konisch zu einem Hals 2o von geringerem Durchmesser verjüngt, der die einzige Zufuhrstelle zum Ofen ist. Der konische Absatz 18 ist wichtig, da er etwa dem Sprühkegel des zerstäubten Öles entspricht und dadurch die Wärmeübertragung auf das zerstäubte Öl erleichtert wird. Ein Brennerrohr 22 ist zentrisch in dem Hals 2o angebracht und erstreckt sich wenigstens bis zu dem konischen Teil 18 in den Ofen.
Der Reaktionsraum 1o ist auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite offen. Das offene Ende geht in einen üblichen Rauchgaskanal 24 über, durch den die gasförmigen Verbrennungsprodukte und mitgeführter Ruß zu den Abscheidern und dann zum Schornstein gehen.
Der Mehrfachbrenner gemäß der Erfindung, durch den das Kohlenwasserstofföl und das Brenngas in den Ofen eingeführt werden, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Der Brenner besteht aus einem zentralen Ölrohr 21, das über einen Teil seiner Länge von dem größeren Gasrohr 22 und einer Verlängerung 23 mit einer gasdichten Kappe 25 am Brennerende umgeben ist. Ein verhältnismäßig kurzes Rohr 26 ist konzentrisch in etwa gleichem Abstand zwischen der Gasrohrverlängerung 23 und dem Ölrohr 21 angeordnet und an der dem Reaktionsraum abgewandten Seite bei 28 gasdicht in das Rohr 22 eingeschraubt. Dieses mittlere Rohr 26 ist so angeordnet, daß es an der dem Reaktionsraum zugewendeten Seite offen ist. Dadurch streicht der Gasstrom zunächst über die Außenseite des Ölrohres 21 und strömt dann zurück an der Innenseite der Verlängerung 23.
Das Rohr 22 und seine Verlängerung 23 sind durch den Gaskopf 30 verbunden, der mit einer Mehrzahl von Öffnungen 32 in gleichen Abständen voneinander rund um seine Peripherie versehen ist. Dieser Gaskopf 3o kann eine gewöhnliche Manschette sein oder ein Stück Rohr oder ein anderes Element. Das Gasrohr 21 ist an dem dem Reaktionsraum zugewandten Ende mit einem langen Nippel 34 versehen, der innen in das Gasrohr eingeschraubt ist und am anderen die aufgeschraubte Kappe 25 trägt. An der Ausflußdüse ist das Rohr 34 mit einem verengernden Ring 36 versehen.
Der Brenner ist also sehr einfach aufgebaut und kann zur Reinigung oder zum Austausch von Normteilen oder auch anderer Größe und Form leicht auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann die Konstruktion des Brenners modifiziert werden. Beispielsweise kann das Rohr 22 in einer Länge durchgehen und mit Gasöffnungen versehen sein, so daß der Gaskopf 28 fortfällt. Auch das Gasrohr 21 kann aus einer Länge bestehen, so daß dann die Verlängerung durch den Nippel 34 überflüssig wird. Am Ende des Ölrohres 21 kann auch eine Zerstäubungsdüse mit einem Konus im Zufluß angebracht sein.
Die Anzahl und Größe der Löcher 32 wird vorzugsweise durch die gewünschten Verbrennungsbedingungen bestimmt. Ganz allgemein ist es vorteilhaft, so viele Öffnungen als möglich mit größtmöglichem Durchmesser vorzusehen. Wird jedoch extreme Turbulenz angestrebt, so werden weniger Öffnungen von geringerem Durchmesser angebracht. In Fig. 3 sind radial nach außen gehende Öffnungen dargestellt, sie können aber auch nach vorn, nach dem Brennerende, in einem Winkel gerichtet oder schraubenförmig ausgebildet sein, so daß die Gase eine Drehbewegung erhalten.
Das Ölrohr 21 endet außerhalb des Ofens in einer Mischkammer 40, in der die vorzugsweise zur Erhöhung ihrer Fluidität vorerhitzten Kohlenwasserstoffe, die durch das Zufuhrrohr 42 durch Luft, Dampf oder andere gasförmige Zerstäubungsmittel oder deren Mischungen, die durch Rohr 44 zugeführt werden, angesaugt und mit diesen gemischt werden.
Die Mischkammer 4o kann irgendeine übliche Form oder Ausgestaltung aufweisen.
Das Gasrohr 22 umgibt das zentrale Ölrohr 21 nur auf einem Teil seiner ganzen Länge und endet außerhalb des Ofens in der gasdichten Abschlußkappe 46. Der Stutzen 48 dient zur Einführung eines brennbaren Gases in das Innere des Rohres 22.
Im Betrieb wird der Kohlenwasserstoff mit einem Gas, z. B. Luft, Dampf, einem inerten oder brennbaren Gas, in Kammer 40 vermischt und durch Rohr 21 in den Ofen io in Form eines konisch geformten, kleinste Öltröpfchen enthaltenden Nebels eingeblasen. Zu gleicher Zeit wird ein brennbares Gas, z. B. Naturgas, Koksofengas, Wasserstoff oder feinstzerteilter flüssiger Kohlenwasserstoff, in den Ofen durch Gien Gaskopf 3o eingeführt. Luft von niederem Druck (etwa ioo bis 200 mm Wassersäule) wird durch die Leitung 52 der Kammer 5o zugeführt und tritt dann durch den Ofenhals 2o an dem Gaskopf 30 vorbei in den Ofen. Die Luftgeschwindigkeit wird in erster Linie durch die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases und in zweiter Linie durch die des Kohlenwasserstoffs bestimmt. Es muß nur immer genügend Luft vorhanden sein, um das gesamte Brenngas und einen nur geringen Teil des Öles zu verbrennen. Der Gaskopf 30 muß weit genug von der Zerstäuberdüse entfernt sein, damit alles Gas verbrannt ist, bevor es mit dem Ölnebel in Berührung kommt. Die heißen Verbrennungsprodukte mischen sich dann innig mit dem Ölnebel, entsprechend den verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten, so daß die rußbildende Reaktion mit der Einführung des Öles in die Reaktionszone augenblicklich erfolgt. Ein Luftüberschuß, soweit dieser zur Verbrennung des Brenngases nicht benötigt wird, verbrennt naturgemäß eine geringe Menge Öl.
Der Abstand von der Ölrohrspitze bis zur Ebene durch die Öffnungen 32 kann in weiten Grenzen schwanken, je nach den für den Ruß geforderten Eigenschaften. Er soll gewöhnlich nicht kleiner als 150 mm sein und kann bis 56o mm betragen. Auf jeden Fall muß der Abstand groß genug sein, damit alles Gas verbrannt ist, bevor es den Ölnebel erreicht, darf aber auch nicht zu groß sein, damit die Gase nicht wesentlich an Wärme verlieren, bevor sie sich mit dem Ölnebel vermischen.
Ein wichtiges Merkmal des Brenners gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Brenngas vor der Einführung in den Ofen durch den Gaskopf 30 zunächst hin zum Brennerkopf und dann zurück außen entlang dem Rohr 26 fließt, denn das Verlängerungsrohr 23 würde alsbald verzundern, wenn es der intensiven Hitze durch das verbrennende 01 ausgesetzt wäre, wenn es nicht durch das zirkulierende Brenngas dauernd gekühlt würde. Gleichzeitig wird das Brenngas vorerhitzt und erhält höhere Wirksamkeit durch die durch das Rohr 23 übertragene Wärme.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: r. Brenner für einen Rußofen zur Herstellung von Ruß durch teilweise Verbrennung eines zerstäubten Kohlenwasserstofföls in einer langgestreckten Reaktionskammer, die sich an einem Ende konisch zu einem zylindrischen Hals verjüngt, in dem axial der Brenner aus konzentrischen Rohren angeordnet ist, dessen Zuflußende außerhalb des Reaktionsraumes mit einer Zweistrommischvorrichtung verbunden ist und dessen im Reaktionsraum sich befindendes Ausflußende mit einer zentralen Sprühdüse versehen ist, und zwischen dem Brenner und der inneren Halswand des Ofens ein ringförmiger Raum zur Zufuhr von Luft vorhanden ist, gekennzeichnet durch ein zentrales Ölzufuhrrohr (2i, 34), ein das Ölzufuhrrohr umgebendes zweiteiliges Gasrohr (22, 23), eine Ölzufuhrrohr und Gasrohr verbindende Kappe (25), die das Gasrohrteil (23) von außen umtaßt und in die das Ölzufuhrrohr zentral gasdicht eingesetzt ist, ein Rohr (26), das zwischen Ölzufuhrrohr und Gasrohr angeordnet und am Teil (22) des Gasrohrs innen befestigt ist und nicht bis zur Innenseite der Kappe (25) reicht, und ein die Teile (22, 23) des Gasrohrs verbindende Überfangmuffe (30), die von den Löchern' (32) radial durchbrochen ist, wobei die Schnittebene durch die Löcher (32): mindestens 150 mm von der Außenfläche der Kappe (25) entfernt ist. z. Brenner nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (32) rund um die Muffe (30) in gleichem Abstand voneinander radial oder schraubenförmig und senkrecht zur Brennerachse oder nach dem Ausflußende des Brenners in einem Winkel zur Achse gerichtet angeordnet sind. 3. Brenner nach Anspruch r oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Ölrohr (2i, 34) und/oder das äußere Rohr (30, 23) einstückig ausgebildet sind.