EP2347177B1 - Vorrichtung zur verbrennung eines brennstoff/oxidationsmittelgemisches - Google Patents

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EP2347177B1
EP2347177B1 EP09744981.3A EP09744981A EP2347177B1 EP 2347177 B1 EP2347177 B1 EP 2347177B1 EP 09744981 A EP09744981 A EP 09744981A EP 2347177 B1 EP2347177 B1 EP 2347177B1
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EP
European Patent Office
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zone
fuel
combustion
combustion chamber
reactor
Prior art date
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EP09744981.3A
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EP2347177A2 (de
Inventor
Marcus Franz
Sören GÖTZ
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SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
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Publication date
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Publication of EP2347177B1 publication Critical patent/EP2347177B1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material

Definitions

  • the invention relates to a device for combustion of a fuel / oxidant mixture in a highly exothermic reaction consisting of a reactor with a combustion chamber containing at least a first porous material and at least one second porous material in separate zones, wherein the zones are designed so that an exothermic reaction can take place only in the second zone and is provided with one or more supply lines for the fuel and for the oxidizing agent.
  • zone A a region which has such small, effective pore diameters that do not permit stationary flame propagation, ie, the first porous zone is effectively similar to a flashback flame arrester.
  • zone C the subsequent actual combustion region, hereinafter referred to as zone C, has pore sizes large enough to permit steady state combustion.
  • the porous reaction space is preferably surrounded by a corrosion-resistant, cooled wall, which consists for example of graphite impregnated with synthetic resin.
  • the cooling can be done by cooling water, air or the fuel gases themselves.
  • an insulating intermediate layer of high-temperature resistant, corrosion-resistant and thermally insulating materials which prevents heat loss and ensures that prevails in the combustion chamber at any point the desired combustion chamber temperature.
  • the adiabatic process allows, for example, a simple scale-up of such chemical reactors, since the heat transport properties to the cooled walls are irrelevant and the entire process in the flow direction can be viewed almost one-dimensionally.
  • a pore reactor the reaction is carried out within a porous matrix of temperature-resistant material. Unlike conventional reactor devices, it is not necessary to arrange the reactor in a voluminous combustion chamber or downstream of such. From the reactor itself flow the hot reaction products without direct flame formation.
  • It is proposed to use a significantly lower and for the combustion zone a significantly higher than the critical Péclet number of Pe 65 for the first zone.
  • the combustion stabilizes at the interface between the two zones. Due to the small pore dimensions in the first zone, there is no combustion in this region in the stationary state but only preheating of the gas mixture. This property also meets the stringent safety requirements for a risk of re-ignition in chemical plants.
  • the premixing chamber is a component and safety-relevant component of the device described.
  • a disadvantage of the known designs is the localized temperature detection in the reaction zone by thermocouples.
  • Another disadvantage of pore reactors, the porous layers of which are composed of bulk solids, is that the bulk material are entrained in a larger or suddenly increased gas flow from the gas stream and thus lead to changes in bulk density and the Peclet number.
  • a safe process under heavily varying gas flow conditions, especially for the controlled burning of large amounts of halogen-containing gases in case of accidents is possible only to a very limited extent.
  • a burner for a burner for gaseous fuels known. This burner body has porous material with interconnected hollow bodies and is divided in the gas flow direction into at least two zones.
  • the object of the invention is to provide a reactor which allows the abovementioned exothermic chemical reactions while reducing the disadvantages described in more detail above.
  • the object of the invention is achieved with a device having the features of claim 1.
  • the combustion chamber and the porous materials are made of materials that withstand a temperature of 1000 ° C to 2400 ° C.
  • a temperature monitoring device and an ignition device are arranged in the zone B.
  • the temperature monitoring device is preferably an infrared sensor that detects a range of 2 to 200 cm 2 at the interface to the zone C. A detection over the specified range is not possible according to the known prior art.
  • the device is arranged vertically and the zone A is above the zones B and C.
  • the bulk bodies of the zones A and C are arranged on supporting grids. A loosening or swirling of the bulk material and a change in the flow resistance and thus the Peclet number is prevented by the weight of the bulk body and the supporting grates.
  • the zone A is arranged above the zone C loosening of the loose layer is avoided in principle, because the bed C is thereby pressed in the direction of gravity against the support grid.
  • the fuel / oxidant mixture and the additionally supplied gas are at least partially mixed in a premixing device, which is connected upstream of the reactor.
  • a corresponding device according to this development is that it has a premixing chamber for the fuel / oxidant mixture, from which this fuel / oxidant mixture flows into the combustion chamber.
  • the premix chamber used here according to the invention enables a much better mixing and a more effective conversion of the reactants, which, for example, allows a reduction of the required methane content in the hydrogen chloride synthesis.
  • the premixing chamber is designed such that the component of the flow velocity of the mixture in the premixing chamber relative to the combustion chamber is greater than the flame velocity in the combustion chamber.
  • the premixing chamber is dimensioned such that a flame which possibly arises in the premixing chamber is blown out in the event of inadvertent ignition over the entire operating range, for example during startup.
  • a further improvement in this respect is achieved in a development of the invention by means of a cooling of the premixing chamber.
  • the porosity of the coherent voided material in the direction of flame evolution changes to larger pores, with a Péclet critical number at an inner pore size interface above which flame evolution occurs and below which it is suppressed.
  • Combustion stabilization is achieved by increasing the pore size in the direction of flow, with a critical Péclet number in one zone of the porous pore size material above which flame evolution occurs and below which it is suppressed.
  • the premixing chamber is preferably made of corrosion-resistant materials, eg. B. made of resin-impregnated graphite. Enamelled or fluoroplastic-lined steel parts can also be used to construct a mixing chamber. From the premixing chamber, the premixed gases preferably enter the zone A of the pore reactor through a grid of corrosion-resistant material, for example silicon carbide, aluminum oxide or the like. As previously mentioned, a number of chemical reactants, such as. As chlorine and methane, under the influence of UV radiation for auto-ignition. The auto-ignition in the premix chamber should but for security reasons be avoided. A grate and the design of zone A is chosen so that no or only very little UV radiation from the zone A or C reaches the premixing chamber, which could lead to the ignition of the gas mixture of chlorine and methane into the premixing chamber.
  • the stability of the combustion in the described pore reactor Compared with the hydrogen chloride reactors designed according to the prior art, which react very sensitively to pressure and volume fluctuations of the gases, in which case the flame can easily extinguish, the combustion reaction in the pore reactor, by contrast, by the heat capacity of the packing in zone C even in short-term failure Gases ignited immediately.
  • the ignition and preheating of the reactor can be done with a fuel gas (hydrogen, methane, etc.) and air. However, this can also be a conventional ignition device, which is common for such chemical reactors used. After complete heating of the zone C can be gradually or immediately to the reactants, such as chlorine, methane and air, converted.
  • a fuel gas hydrogen, methane, etc.
  • air air
  • reactants such as chlorine, methane and air
  • the scale-up for technical systems is surprisingly simple due to the technical teaching for the dimensioning of pore reactors, especially in the previously described, adiabatic process management, must be complied with regardless of the size defined flow conditions in the zones A and C.
  • the pore reactors described below and modified for chemical processes are parts of process plants for the production of hydrochloric acid or for the afterburning of halogen-containing, preferably chlorine-containing compounds.
  • Such a system has, for example, a modified pore reactor, a heat exchanger for the cooling of the reaction products or for the use of their heat content and depending on the type of plant and an absorber, scrubber or scrubber at transition pieces between the apparatus, pumps, piping and the usual safety, measuring - and control devices on. Due to the reaction and the good mixing of the gases in the pore reactor, a voluminous combustion chamber is not required compared to the prior art.
  • the reactor can be directly attached to the following apparatuses, e.g. As a heat exchanger, a quencher with absorber or other devices are connected.
  • a partial stream of the cooled gas or gas mixture is returned to the reactor.
  • another gas for. As water vapor, are added.
  • Pore reactors for the afterburning of halogen-containing exhaust gases or vaporizable or gaseous, halogen-containing, organic compounds are, as will become clearer later with reference to embodiments, carried out so that the oxidizing agent and fuel gas are preferably premixed injected into the premixing chamber. Due to the high reaction enthalpy of oxidant and fuel gas, a stable support flame is generated in the combustion zone C.
  • the nachverbParkde gas or gas mixture is injected via an inlet pipe in the premixing preferably via a support grid in front of the zone A of the pore reactor and mixed with the fuel / oxidant mixture.
  • the temperature of the post-combustion process it is preferable to use a corresponding excess of the oxidizing agent, in particular air.
  • the temperature is measured for example by means of an infrared pyrometer and further processed the signal for the oxidant control.
  • the subsequent post-combustion facilities differ from the plant components described above, depending on the halogen content of the exhaust gases. At low halogen content, in which the extraction of hydrochloric acid is not in the foreground, only a quencher and a scrubber is generally followed. Other accompanying substances, eg. B. sulfur compounds o. ⁇ ., Can also be subjected to the described facilities a harmless disposal. This also applies in principle to halogen-containing or sulfur-containing vaporizable substances or mixtures. Since the described post-combustion with pore reactor do not require a combustion chamber in the conventional sense, such systems can be made very compact and inexpensive.
  • a combustion chamber insulation is provided for an approximately adiabatic combustion guidance without wall effects.
  • Adiabatic combustion management is particularly advantageous for increasing the conversion rate.
  • the device has a device for obtaining or separating reaction products from the combusted fuel / oxidant.
  • the device for the synthesis of hydrogen chloride is provided that the device is designed for a chlorine-containing compound in the fuel and methane in the oxidizing agent for burning the hydrogen chloride and has a procedural device for the recovery of hydrogen chloride or hydrochloric acid behind the combustion chamber.
  • the named design is known to the person skilled in the art.
  • the corresponding safety devices are taken into account and the materials are correspondingly corrosion-resistant to chlorine.
  • the invention can be used not only for burning and for hydrogen chloride synthesis, but also as a device for post-combustion of exhaust gases and, in particular, for cleaning.
  • a device for post-combustion of exhaust gases and, in particular, for cleaning for example, it is possible for some in the embodiments shown in the following description, nachverbines proportions of chlorine-containing organic compounds without problems and thus to dispose of harmless.
  • pore reactor 1 For the following embodiment, the above-explained in more detail pore reactor 1 was selected, which has particular advantages over other types of reactor with which the invention can be formed.
  • the essential feature of the invention is that the flame is cooled by supplying an additional gas to the fuel / oxidant mixture, which can be realized in all conceivable reactor types. Therefore, the following description of the embodiment alone based on the pore reactor 1 is not to be considered as limiting.
  • FIG Fig. 1 An embodiment of a pore reactor 1 according to the invention is shown in FIG Fig. 1 shown.
  • the housing of the pore reactor 1 consists of a thin-walled, high temperature resistant ceramic inner lining 8 of oxide ceramic with a thickness of 2 mm to 50 mm, a Graphitstützmantel 9 and a spaced therefrom outer steel shell 10. Between the Graphitst Reifenmantel 9 and the steel shell 10 cooling water is passed, which leaves the pore reactor 1 at the nozzle 12. Further, the defined zones A - 2, the zone B - 4 and the zone C - 3 are shown. The zone C - 3 acts as a combustion zone, in which the combustion takes place. In Zone A - 2, ignition is avoided by appropriate dimensioning.
  • the combustion zone C - 3 is filled with packing for this purpose, whereas the zone A - 2 is filled with pore bodies which act as a flame barrier. Zone A - 2 and Zone C - 3 are spaced by Zone B - 4.
  • the large-area temperature monitoring is carried out by access of a temperature sensor in the temperature measuring socket 6.
  • the gas mixture is passed from above into the pore reactor 1.
  • the reaction of the reaction mixture takes place in the zone C - 3, which is arranged on the support grid 7 and is additionally cooled by the heat exchanger 11 arranged underneath.
  • the wall temperature of the reaction zone C - 3 is monitored by a wall temperature sensor 13.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches in stark exothermer Reaktion bestehend aus einem Reaktor mit einem Brennraum, der mindestens ein erstes poröses Material und mindestens ein zweites poröses Material in getrennten Zonen enthält, wobei die Zonen so gestaltet sind, dass eine exotherme Reaktion lediglich in der zweiten Zone stattfinden kann und mit einer oder mehreren Zuführungsleitungen für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel versehen ist.
  • In den Dokumenten DE 43 22 109 C2 und DE 199 39 951 C2 sind Vorrichtungen beschrieben, die als sogenannte Porenbrenner gestaltet sind.
    Das brennbare Gasgemisch durchströmt danach zunächst eine Region, im folgenden mit Zone A bezeichnet, die derart kleine, effektive Porendurchmesser aufweist, die keine stationäre Flammenausbreitung ermöglichen, d. h. die erste poröse Zone ist einer Flammenrückschlagsperre wirkungsmässig ähnlich. Die nachfolgende, eigentliche Verbrennungsregion, im folgenden als Zone C bezeichnet, weist jedoch Porengrößen auf, die groß genug sind, um eine stationäre Verbrennung zuzulassen. Als Kriterium für die Flammenausbreitung im Inneren einer porösen Matrix wird in der Fachliteratur (beispielsweise Babkin et al. in "Combustion and Flame", Vol. 87, S. 182-190, 1991) eine kritische Péclet-Zahl von Pe > 65 angegeben.
    Als poröse Brennraumfüllung von Porenreaktoren für chemische Industrieanlagen können Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid u. a., verwendet werden, die neben hoher Temperaturbeständigkeit auch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Vorzugsweise verwendet man zur Herstellung des porösen Brennraumes Schüttungen aus temperaturbeständigen, keramischen Kugeln, Sattelkörpern und ähnlichen Körpern, wie sie beispielsweise als ungeordnete Packung für thermische Trennverfahren verwendet werden. Schüttungen werden deshalb bevorzugt, weil sie eine einfache Reinigung von Ablagerungen, beispielsweise bei der Chlorwasserstoffsynthese entstehende Salzrückstände, ermöglichen, die aus den Brenngasen stammen. Auch für Porenbrenner werden zur Erzeugung von Chlorwasserstoff Zonen unterschiedlicher Porenstruktur bzw. -größe gemäss DE 43 22 109 C2 angeordnet. Dies geschieht durch die Verwendung unterschiedlich großer Füllkörper für die Zonen A und C. Darüber hinaus können auch strukturierte Packungen und Schäume in den Zonen A und B eingesetzt werden.
  • Gemäß dem Dokument DE 199 39 951 C2 kann zwischen den mit Füllkörpern ausgebildeten, porösen Strukturen der zwei Zonen mit unterschiedlicher Porengröße vorzugsweise ein weiterer Tragrost angeordnet werden, welcher den Austrag kleinerer Füllkörper der Zone A in die Zwischenräume der größeren Füllkörper der Zone C verhindert. Auch am Gasaustritt aus der Zone C wird bei Brennern, bei denen die Gase nicht senkrecht nach oben austreten, ein weiterer, gasdurchlässiger Tragrost angeordnet, welcher den Brennraum abschließt. Dadurch wird es möglich, den Reaktor trotz loser Schüttung der Füllkörper im Brennraum in beliebiger Lage anzuordnen.
  • Der poröse Reaktionsraum ist bevorzugt von einer korrosionsfesten, gekühlten Wand umgeben, die beispielsweise aus kunstharzimprägniertem Graphit besteht. Die Kühlung kann durch Kühlwasser, Luft oder die Brenngase selbst erfolgen. Zwischen der gekühlten Wand und dem Brennraum befindet sich dann vorzugsweise eine isolierende Zwischenschicht aus hochtemperaturbeständigen, korrosionsbeständigen und thermisch isolierenden Werkstoffen, welche Wärmeverluste verhindert und sicherstellt, dass im Brennraum an jeder Stelle die gewünschte Brennraumtemperatur herrscht. Gemäß dem Dokument DE 199 39 951 C2 wird durch eine starke Isolierung eine nahezu adiabate Prozessführung ermöglicht, bei der kein Temperatureinfluss durch die gekühlte Wand auf den Verbrennungsprozess erfolgt. Die adiabate Prozessführung erlaubt beispielsweise ein einfaches Scale-Up solcher chemischen Reaktoren, da die Wärmetransporteigenschaften zu den gekühlten Wänden irrelevant sind und der gesamte Prozess in Strömungsrichtung nahezu eindimensional betrachtet werden kann.
    Bei einem Porenreaktor wird die Reaktion innerhalb einer porösen Matrix aus temperaturbeständigem Material durchgeführt. Abweichend von konventionellen Reaktorvorrichtungen ist es nicht erforderlich, den Reaktor in einer voluminösen Brennkammer anzuordnen oder eine solche nachzuschalten. Aus dem Reaktor selbst strömen die heißen Reaktionsprodukte ohne direkte Flammenbildung.
    In der DE 43 22 109 C2 wird vorgeschlagen, für die erste Zone eine deutlich niedrigere und für die Verbrennungszone eine deutlich höhere als die kritische Péclet-Zahl von Pe = 65 zu verwenden.
  • Wird der Porenreaktor gezündet, so stabilisiert sich die Verbrennung an der Schnittstelle zwischen den zwei Zonen. Durch die kleinen Porenabmessungen in der ersten Zone kommt es in dieser Region im stationären Zustand nicht zu einer Verbrennung sondern lediglich zu einer Vorwärmung des Gasgemisches. Diese Eigenschaft erfüllt auch die strengen Sicherheitsanforderungen bezüglich einer Rückzündungsgefahr bei chemischen Anlagen.
  • Aufgrund der exzellenten Wärmeübertragung zwischen Gas- und Festkörperphase innerhalb der porösen Matrix stehen diese annähernd in thermischem Gleichgewicht. Das annähernd thermische Gleichgewicht zwischen Gas- und Festkörperphase und die intensive Vermischung innerhalb des Porenkörpers bewirkt wesentlich das Verschwinden von freien Flammen in der mit größeren Poren ausgestatteten Brennzone. Der Verbrennungsprozess vollzieht sich nun in einem ausgedehnten Reaktionsgebiet, das eher als Verbrennungsreaktor denn als Brennraum mit freien Flammen charakterisiert werden kann.
  • Gemäß dem Dokument DE 199 39 951 C2 ist die Vormischkammer Bestandteil und sicherheitsrelevante Komponente der beschriebenen Vorrichtung.
  • Ein Nachteil der bekannten Bauformen besteht in der lokal begrenzten Temperaturerfassung in der Reaktionszone durch Thermoelemente. Ein weiterer Nachteil von Porenreaktoren, deren poröse Schichten aus Schüttkörpern aufgebaut sind, besteht darin, dass die Schüttkörper bei einem größeren oder schlagartig erhöhten Gasdurchsatz vom Gasstrom mitgerissen werden und damit zu Veränderungen der Schüttdichte sowie der Peclet-Zahl führen. Eine sichere Verfahrensführung unter stark wechselnden Gasdurchsatzbedingungen insbesondere für das kontrollierte Verbrennen von größeren Mengen halogenhaltiger Gase bei Störfällen ist nur in einem stark begrenzten Umfang möglich.
    Weiterhin ist aus der DE 197 29 718 A1 ein Brennkörper für einen Brenner für gasförmige Brennstoffe bekannt. Dieser Brennkörper weist poröses Material mit ineinander in Verbindung stehenden Hohlkörpern auf und ist in Gasströmungsrichtung in mindestens zwei Zonen unterteilt.
    Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor bereitzustellen, der die oben genannten, exothermen, chemischen Reaktionen unter Verminderung der oben näher beschriebenen Nachteile gestattet.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Brennraum und die porösen Materialien aus Werkstoffen bestehen, die einer Temperatur von 1000°C bis 2400°C standhalten.
  • Vorteilhafter Weise sind in der Zone B eine Temperaturüberwachungsvorrichtung und eine Zündvorrichtung angeordnet. Die Temperaturüberwachungsvorrichtung ist vorzugsweise ein Infrarot-Sensor, der einen Bereich von 2 bis 200 cm2 an der Grenzfläche zur Zone C erfasst. Eine Erfassung über den angegebenen Bereich ist nach dem bekannten Stand der Technik nicht möglich. Erfindungsmäßig ist die Vorrichtung vertikal angeordnet und sich die Zone A oberhalb der Zonen B und C befindet. Dabei sind die Schüttkörper der Zonen A und C auf Tragrosten angeordnet. Eine Lockerung oder Aufwirbelung der Schüttkörper und eine Veränderung des Strömungswiderstandes und damit der Peclet-Zahl wird durch das Eigengewicht der Schüttkörper und die Tragroste verhindert. Zudem wird durch das Anordnen der Zone A oberhalb der Zone C eine Auflockerung der Schüttschicht prinzipiell vermieden, weil die Schüttung C dadurch in Richtung der Schwerkraft gegen den Tragrost gepresst wird.
    Gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist beim Verfahren vorgesehen, dass das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch und das zusätzlich zugeführte Gas zumindest teilweise in einer Vormischeinrichtung gemischt werden, die dem Reaktor vorgeschaltet ist. Eine entsprechende Vorrichtung gemäss dieser Weiterbildung besteht darin, dass sie eine Vormischkammer für das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch aufweist, aus der dieses Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch in die Brennkammer strömt.
    Die hier nun gemäss Weiterbildung eingesetzte Vormischkammer ermöglicht eine wesentlich bessere Durchmischung und einen effektiveren Umsatz der Reaktanden, was beispielsweise eine Verringerung des benötigten Methananteils bei der Chlorwasserstoffsynthese ermöglicht.
    Insbesondere ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Vormischkammer so ausgelegt ist, dass die in Richtung auf den Brennraum bezogene Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Vormischkammer größer als die Flammengeschwindigkeit im Brennraum ist. Dadurch wird die Vormischkammer so dimensioniert, dass eine eventuell in der Vormischkammer entstehende Flamme im Fall einer unbeabsichtigten Zündung im gesamten Betriebsbereich, beispielsweise beim Anfahren, ausgeblasen wird.
  • Eine weitere, diesbezügliche Verbesserung wird bei einer Weiterbildung der Erfindung mittels einer Kühlung der Vormischkammer erreicht.
  • Gemäss einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in der Brennkammer ein poröses Material mit zusammenhängenden, für eine Flammenentwicklung genügend, großen Hohlräumen vorgesehen ist.
  • Insbesondere ändert sich die Porosität des porösen Materials mit zusammenhängenden Hohlräumen in Richtung der Flammenentwicklung zu größeren Poren, wobei sich an einer inneren Grenzfläche für die Porengröße eine kritische Péclet-Zahl ergibt, oberhalb der die Flammenentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdrückt ist.
  • Eine Verbrennungsstabilisierung wird durch Zunahme der Porengröße in Strömungsrichtung erreicht, wobei sich in einer Zone des porösen Materials für die Porengröße eine kritische Péclet-Zahl ergibt, oberhalb der die Flammenentwicklung erfolgt und unterhalb der sie unterdrückt ist.
  • Die Anwendung dieser Technik zur Herstellung von chemischen Produkten, wie beispielsweise Chlorwasserstoff, oder zur Nachverbrennung von Schadgasen, wie beispielsweise halogenhaltigen Gasen, wirkt sich nicht nur auf die Verbrennung selbst vorteilhaft aus, sondern ermöglicht es auch, diejenigen Anlagenteile, in die der Porenreaktor integriert ist, vorteilhaft zu gestalten und anzuordnen.
  • Die Vormischkammer ist vorzugsweise aus korrosionsfesten Werkstoffen, z. B. aus kunstharzimprägniertem Graphit, hergestellt. Emaillierte oder Fluorkunststoff ausgekleidete Stahlteile können ebenfalls zum Bau einer Mischkammer verwendet werden. Aus der Vormischkammer treten die vorgemischten Gase bevorzugt durch einen Rost aus korrosionsbeständigem Material, beispielsweise Siliziumkarbid, Aluminiumoxid o. a., in die Zone A des Porenreaktors ein. Wie vorher schon angesprochen wurde, neigen mehrere chemische Reaktanden, wie z. B. Chlor und Methan, unter dem Einfluss von UV-Strahlung zur Selbstentzündung. Die Selbstentzündung in der Vormischkammer sollte aber aus Sicherheitsgründen vermieden werden. Ein Rost und die Auslegung der Zone A wird so gewählt, dass von der Zone A bzw. C keine oder nur sehr wenig UV-Strahlung in die Vormischkammer gelangt, die zur Zündung des Gasgemisches aus Chlor und Methan in die Vormischkammer führen könnte.
  • Besonders ist die Stabilität der Verbrennung bei dem beschriebenen Porenreaktor hervorzuheben. Gegenüber den nach dem Stand der Technik ausgeführten Chlorwasserstoffreaktoren, die sehr empfindlich auf Druck- und Mengenschwankungen der Gase reagieren, bei denen also die Flamme leicht erlöschen kann, wird die Verbrennungsreaktion im Porenreaktor dagegen durch die Wärmekapazität der Füllkörper in Zone C sogar bei kurzzeitigem Ausfall der Gase sofort wieder gezündet. Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch zweckmäßig, bei Ausfall eines der Gase auch das andere Gas abzustellen und eine Inertgasspülung anzuschließen. Selbst nach mehreren Minuten kann der Reaktor dann ohne erneute Anfahrprozedur auch nach einer Inertgasspülung verzögerungsfrei wieder in Betrieb genommen werden.
  • Die Zündung und Vorwärmung des Reaktors kann mit einem Brenngas (Wasserstoff, Methan o. a.) und Luft erfolgen. Allerdings kann hierfür auch eine konventionelle Zündvorrichtung, die für solche chemischen Reaktoren üblich ist, genutzt werden. Nach völliger Durchwärmung der Zone C kann nach und nach oder auch sofort auf die Reaktanden, wie beispielsweise Chlor, Methan und Luft, umgestellt werden.
  • Plötzliche Lastschwankungen bis zu 50 % der Nennlast, die in solchen Anlagen auftreten können, sind mit den beschriebenen Porenreaktoren ohne Schwierigkeiten zu beherrschen.
  • Das Scale-Up für technische Anlagen wird aufgrund der technischen Lehre für die Dimensionierung von Porenreaktoren, insbesondere bei der im vorherigen beschriebenen, adiabaten Prozessführung, nach der unabhängig von der Baugröße definierte Strömungsbedingungen in den Zonen A und C eingehalten werden müssen, überraschend einfach.
  • Die nachfolgend beschriebenen und für chemischen Prozesse modifizierten Porenreaktoren sind Teile verfahrenstechnischer Anlagen zur Erzeugung von Salzsäure oder zur Nachverbrennung halogenhaltiger, vorzugsweise chlorhaltiger Verbindungen.
  • Eine solche Anlage weist beispielsweise einen modifizierten Porenreaktor, einen Wärmetauscher für die Kühlung der Reaktionsprodukte bzw. zur Nutzung von deren Wärmeinhalt und je nach Anlagetyp auch einen Absorber, Scrubber oder Abgaswäscher an Übergangsstücken zwischen den Apparaten, Pumpen, Rohrleitungen und die üblichen Sicherheits-, Mess- und Regeleinrichtungen auf. Aufgrund der Reaktionsführung und der guten Durchmischung der Gase im Porenreaktor ist im Vergleich zum Stand der Technik eine voluminöse Brennkammer nicht erforderlich. Der Reaktor kann direkt an die nachfolgenden Apparate, z. B. einen Wärmetauscher, eine Quenche mit Absorber oder andere Apparate angeschlossen werden. Nach Abkühlung der aus dem Reaktor strömenden Reaktionsprodukte in einem Wärmetauscher oder nach einer Quenche wird ein Teilstrom des gekühlten Gases bzw. Gasgemisches, wie oben beschrieben, wieder dem Reaktor zugeführt. Alternativ dazu kann, wie beschrieben, auch ein anderes Gas, z. B. Wasserdampf, zugesetzt werden.
  • Je nach Anforderungen an das Produkt können auch nur Teile der verfahrenstechnischen Anlage benötigt werden, z. B. Reaktor und Gaskühler oder Reaktor und Quenche, je nachdem, ob das Produkt gasförmig oder in Wasser gelöst als Salzsäure benötigt wird.
  • Eine weitere Ausführungsform einer Anlage zur Erzeugung von Chlorwasserstoff benutzt als Wasserstofflieferant Kohlenwasserstoffgase, z. B. Erdgas, Methan, Propan usw., Chlor und Luft. Die Verbrennung erfolgt nach den stark vereinfacht dargestellten Reaktionsgleichungen (1) und (2):

            CH4 + O2 + Cl2 -> CO + 2HCl + H2O     (1),

            CO + 1/2O2 -> CO2     (2).

    Diese Verbrennung ist in Anlagen gemäss Stand der Technik schwierig zu führen, da bei ungünstigen Randbedingungen Russ entstehen kann, der die Anlage und die Säure verschmutzt. Die beschriebenen, besonderen Eigenschaften des Porenreaktors ermöglichen unerwarteterweise auch für diese kritische Anwendung eine stabile, russfreie Verbrennung.
    Porenreaktoren für die Nachverbrennung von halogenhaltigen Abgasen oder verdampfbaren oder gasförmigen, halogenhaltigen, organischen Verbindungen werden, wie später anhand von Ausführungsbeispielen noch deutlicher wird, so ausgeführt, dass Oxidationsmittel und Brenngas vorzugsweise vorgemischt in die Vormischkammer eingeblasen werden. Durch die hohe Reaktionsenthalpie von Oxidationsmittel und Brenngas wird in der Brennzone C eine stabile Stützflamme erzeugt. Das nachzuverbrennende Gas oder Gasgemisch wird über ein Einleitrohr in die Vormischkammer vorzugsweise über einen Tragrost vor der Zone A des Porenreaktors eingeblasen und mit dem Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch gemischt. Zur Temperaturregelung des Nachverbrennungsprozesses verwendet man vorzugsweise einen entsprechenden Überschuss des Oxidationsmittels, insbesondere Luft. Zur Regelung der Temperatur in der Zone C des Porenreaktors wird die Temperatur beispielsweise mittels Infrarotpyrometer gemessen und das Signal für die Oxidationsmittelregelung weiterverarbeitet. Die nachfolgenden Einrichtungen bei Nachverbrennungen unterscheiden sich abhängig vom Halogengehalt der Abgase von den oben beschriebenen Anlageteilen. Bei kleinem Halogengehalt, bei dem die Gewinnung von Salzsäure nicht im Vordergrund steht, wird im allgemeinen nur eine Quenche und ein Wäscher nachgeschaltet. Andere Begleitstoffe, z. B. Schwefelverbindungen o. ä., können mit den beschriebenen Einrichtungen ebenso einer schadlosen Beseitigung unterzogen werden. Dies gilt grundsätzlich auch für halogenhaltige oder schwefelhaltige verdampfbaren Reinstoffe oder Gemische. Da die beschriebenen Nachverbrennungsanlagen mit Porenreaktor keine Brennkammer im herkömmlichen Sinn benötigen, können solche Anlagen sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden.
  • Aufgrund der vorstehenden, detaillierten Ausführungen ergeben sich folgende Merkmale der Erfindung:
    • erfindungsmäßig weist der Brennraum mindestens zwei Zonen mit Material unterschiedlicher Porengröße auf, zwischen denen die Porengröße die kritische Péclet-Zahl ergibt;
    • erfindungsmäßig weist das Material mit zusammenhängenden Hohlräumen zumindest teilweise eine Schüttung von Körpern auf, wie sie für Festkörperschüttungen oder geordnete Packungen bei thermischen Trennverfahren eingesetzt werden, wie Kugeln oder Sattelkörper;
    • erfindungsmäßig ist an der Grenzfläche für Zonen unterschiedlicher Porosität ein Tragrost vorgesehen, um einen Austrag der Körper aus einer Zone in die andere zu vermeiden, wobei der Tragrost gekühlt ist;
    • vorzugsweise ist die Brennkammer für Flammenstabilität bei Über- und Unterdruck ausgelegt;
    • vorzugsweise werden die zugeführten Produktgase alle oder nur zum Teil vorgewärmt, um nach Zumischung von kühlenden Dämpfen wie z.B. Wasserdampf ein Auskondensieren in der Vormischkammer vermeiden (auskondensierte Bestandteile würden den Reaktionserfolg erheblich verschlechtern und zur Bildung von unerwünschten Nebenprodukte führen);
    • vorzugsweise wird die Vormischkammer nicht gekühlt, sondern deren Wände werden gezielt über Taupunkttemperatur der Gasmischung gehalten, um so ein Auskondensieren von Gasbestandteilen zu verhindern.
    Die Brennkammer kann nun auch für Flammenstabilität bei Über- oder Unterdruck ausgelegt werden, was im vorbekannten Stand der Technik nur zu ungenügender Flammenstabilität geführt hätte. Aufgrund der Erfindung und ihrer Weiterbildungen steht aber ein wesentlich größerer Druckbereich zur Verfügung, so dass eine entsprechende Auslegung für einen großen Druckbereich in einer dem Fachmann geläufigen Weise, insbesondere auch für Über- oder Unterdruck, zu einer wesentlichen Erhöhung der Flammenstabilität führen kann. Regelungen können dabei weitgehend entfallen.
  • Insbesondere ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Brennkammerisolierung für eine annähernd adiabatische Verbrennungsführung ohne Wandeffekte vorgesehen. Eine adiabatische Verbrennungsführung ist insbesondere für die Erhöhung der Umsatzrate besonders vorteilhaft.
  • Neben der Verbrennung ist es auch möglich, Reaktionsprodukte zu gewinnen, beispielsweise bei der Chlorwasserstoffgasverbrennung zur Chlorwasserstoffsynthese. Dazu ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Gewinnung oder Trennung von Reaktionsprodukten aus dem verbrannten Brennstoff/Oxidationsmittel aufweist. Insbesondere für die Chlorwasserstoffsynthese ist vorgesehen, dass die Vorrichtung für eine chlorhaltige Verbindung im Brennstoff sowie Methan im Oxidationsmittel zum Verbrennen des Chlorwasserstoffs ausgelegt ist und dafür eine verfahrenstechnische Einrichtung zur Gewinnung von Chlorwasserstoff oder Salzsäure hinter dem Brennraum aufweist. Die genannte Auslegung ist dem Fachmann bekannt. Insbesondere ist dabei anzumerken, dass die entsprechenden Sicherheitseinrichtungen berücksichtigt werden und die Materialien entsprechend korrosionsbeständig gegen Chlor sind.
  • Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, ist die Erfindung nicht nur zum Verbrennen und zur Chlorwasserstoffsynthese einsetzbar, sondern auch als Einrichtung zum Nachverbrennen von Abgasen und dabei insbesondere zum Reinigen. So ist es beispielsweise bei einigen in den in der nachfolgenden Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispielen möglich, Anteile an chlorhaltigen, organischen Verbindungen problemlos nachzuverbrennen und somit schadlos zu entsorgen.
  • Weitere Maßnahmen und Besonderheiten bei der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:
    • Fig. 1 Teildarstellung einer Porenreaktor-Anlage
  • Für das folgende Ausführungsbeispiel wurde der vorstehend schon näher erläuterte Porenreaktor 1 ausgewählt, der gegenüber anderen Reaktortypen, mit dem die Erfindung ausgebildet werden kann, besondere Vorteile aufweist. Das wesentliche Merkmal bei der Erfindung besteht darin, dass die Flamme durch Zufuhr eines zusätzlichen Gases zu dem Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch gekühlt wird, was bei allen denkbaren Reaktortypen verwirklicht werden kann. Deshalb ist die nachfolgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels allein auf Basis des Porenreaktors 1 nicht als Beschränkung zu sehen.
  • Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Porenreaktors 1 ist in Fig. 1 dargestellt. Das Gehäuse des Porenreaktors 1 besteht aus einer dünnwandigen, hochtemperaturfesten keramischen Innenauskleidung 8 aus Oxidkeramik mit einer Dicke von 2 mm bis 50 mm, einem Graphitstützmantel 9 und einem davon beabstandeten äußeren Stahlmantel 10. Zwischen dem Graphitstützmantel 9 und dem Stahlmantel 10 wird Kühlwasser geleitet, welches am Stutzen 12 den Porenreaktor 1 verlässt. Weiter sind die definierten Zonen A - 2, die Zone B - 4 und die Zone C - 3 gezeigt. Die Zone C - 3 wirkt dabei als Verbrennungszone, in der die Verbrennung stattfindet. In der Zone A - 2 wird durch entsprechende Dimensionierung ein Entflammen vermieden. Die Verbrennungszone C - 3 ist zu diesem Zweck mit Füllkörpern gefüllt, die Zone A - 2 dagegen mit Porenkörpern, die als Flammsperre wirken. Die Zone A - 2 und die Zone C - 3 sind durch die Zone B - 4 beabstandet. An der Grenzfläche zwischen der Zone B - 4 und der Zone C - 3 erfolgt die großflächige Temperaturüberwachung durch Zugang eines Temperaturmessfühlers im Temperaturmessstutzen 6. Über die Vormischkammer 5 wird das Gasgemisch von oben in den Porenreaktor 1 geleitet. Die Umsetzung des Reaktionsgemisches erfolgt in der Zone C - 3, die auf dem Tragrost 7 angeordnet ist und zusätzlich durch den darunter angeordneten Wärmetauscher 11 gekühlt wird. Die Wandtemperatur der Reaktionszone C - 3 wird durch einen Wand-Temperaturfühler 13 überwacht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Porenreaktor
    2
    Zone A
    3
    Zone C
    4
    Zone B
    5
    Vormischkammer
    6
    Stutzen für Temperaturmessfühler
    7
    Tragrost
    8
    keramische Innenauskleidung
    9
    Graphitwandung
    10
    Stahlaußenwandung
    11
    Wärmetauscher
    12
    Kühlmediumanschluss
    13
    Wand-Temperaturmessfühler

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches in stark exothermer Reaktion bestehend aus einem Reaktor (1) mit einer oder mehreren Zuführungsleitungen für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel, die so angeordnet sind, dass das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch von oben in den Reaktor (1) geleitet wird, und mit einem Brennraum, der mindestens ein erstes poröses Material in einer Zone A (2) und mindestens ein zweites poröses Material in einer getrennten Zone C (3) enthält, wobei die Zonen A (2) und C (3) Zonen unterschiedlicher Porosität sind, wobei die Zonen so gestaltet sind, dass sich die erste Zone A (2) oberhalb der Zone C (3) befindet, die als Verbrennungszone wirkt, wohingegen in der Zone A (2) durch entsprechende Dimensionierung ein Entflammen vermieden wird, und wobei die Zonen A (2) und C (3) durch eine Zone B (4) so getrennt sind, dass ein Abstand zwischen der Zone A (2) und der Zone C (3) gebildet ist, der in Strömungsrichtung des Brennstoff/Oxidationsmittelgemisches vor der Zone C (3) angeordnet ist und 10 mm bis 4000 mm beträgt, wobei ein zusätzliches Gas zu dem Brennstoff/Oxidationsmittelgemische zugeführt wird, so dass die Flamme durch Zufuhr des zusätzlichen Gases zu dem Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch gekühlt wird, wobei zumindest ein Tragrost (7) gekühlt wird, das an der Grenzfläche für die Zonen unterschiedlicher Porosität vorgesehen ist und wobei die porösen Materialien zumindest teilweise als eine Schüttung von Körpern ausgebildet ist, wie sie als Fülikörperschüttungen oder geordnete Packungen bei thermischen Trennverfahren eingesetzt werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der durch die Zone B (4) gebildete Abstand zwischen der Zone A (2) und der Zone C (3) 20 mm bis 500 mm beträgt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Brennraum und die porösen Materialien aus Werkstoffen bestehen, die einer Temperatur von 1000°C bis 2400°C standhalten.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei in der Zone B (4) eine Temperaturüberwachungsvorrichtung (6) und gegebenenfalls eine Zündvorrichtung angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Temperaturüberwachungsvorrichtung (6) ein Infrarot-Sensor ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 wobei eine Vormischkammer (5) für das Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vormischkammer (5) so ausgelegt ist, dass die in Richtung auf den Brennraum bezogene Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Vormischkammer (5) größer als die Flammengeschwindigkeit im Brennraum ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Kühlung der Vormischkammer (5) vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Brennkammer für Flammenstabilität bei Über- und/oder Unterdruck ausgelegt ist
  10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Brennkammertemperierung für eine annähernd adiabatische Verbrennungsführung ohne thermische Wandeffekte vorgesehen ist.
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