DD269157A1

DD269157A1 - PLASMA REACTOR FOR THE PYROLYSIS OF HIGH VISICES, TEARING, HYDROCARBON PRODUCTS

Info

Publication number: DD269157A1
Application number: DD31150687A
Authority: DD
Inventors: Heinz Hoffmann; Reinhard Kleffe; Dagomar Koehler
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1989-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor zur Pyrolyse hochviskoser, teerartiger, kohlenwasserstoffhaltiger Produkte mit dem Ziel einer rationellen Nutzung der in diesen Stoffen enthaltenen Kohlenstoff- bzw. Wasserstoffsubstanz zur Herstellung ungesaettigter C2-Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid im Wasserstoff-Plasmastrahl. Aus einem thermostatierten Vorratsbehaelter werden mittels Kolbendrucks Teeroel-Feststoff-Rueckstaende aus der Kohle-Druckvergasung in die Zumischebene eines Plasmareaktors gedrueckt und dort ueber eine oder mehrere duesenartige Verengungen in ein turbulentes Wasserstoffplasma seitlich und senkrecht zur Stroemungsrichtung des Plasmas eingespritzt. Infolge geeigneter Wahl der Einspritzbedingungen kommt es zu einem Zerreissen des eingespritzten Substanzstromes durch das Plasma, zur Bildung von Troepfchen, ihrer Verwirbelung, Aufheizung und ihrem thermischen Abbau mit anschliessender chemischer Umsetzung, insbesondere zu Acetylen, Aethylen und Methan enthaltendem Pyrolysegas.The invention relates to a plasma reactor for pyrolysis of highly viscous, tarry, hydrocarbon-containing products with the aim of a rational use of the carbon or hydrogen substance contained in these substances for the production of unsaturated C2-hydrocarbons and carbon monoxide in the hydrogen plasma jet. From a thermostated Vorratsbehaelter be pressed by piston pressure Teeroel solid residues from coal pressure gasification in the Zumischebene a plasma reactor and injected there over one or more nozzle-like constrictions in a turbulent hydrogen plasma laterally and perpendicular to the flow direction of the plasma. Due to a suitable choice of the injection conditions, there is a rupture of the injected substance flow through the plasma, the formation of Troepfchen, their swirling, heating and their thermal degradation with subsequent chemical reaction, in particular to acetylene, ethylene and methane-containing pyrolysis gas.

Description

Reaktors, bestehend aus Plasmatron, Zumischplatte, Reaktionskammer und Gasquencheinrichtung, ist. Der Vorratsbehälter besteht aus einem zylindrischen Rohr zur Aufnahme der einzusetzenden hochviskosen, teeranigen, kohlenwasserstoffhaltigen Produkte, einem in diesem angeordneten und in vertikaler Richtung verschiebbaren Kolben und entsprachenden Heizeinrichtungen am Außenmantel des zylindrischen Rohres, die über eine Temperatur-, Meß- und Regeleinrichtung auf konstanter Temperatur gehalten werden können. Das gleiche gilt f Jr die kurze Verbindungsleituny zwischen Vorratsbehälter und Zumischplatte. Die auswechselbare Zumischplatte besteht aus ei' er zylindrischen Scheibe aus Kupfer, in deren Zentrum sich ein Durchlaß für ^en vertikal von oben nach unten strömenden Plasrr astrahl befindet, einer radialen Bohrung vom Außenmantel bis zum innerei Durchlaß, deren Durchmesser unmittelbar vor Erre chen des inneren Durchlasses durch einen austauschbaren rüseneiröatz verengt wird sowie einer weiteren radialen Bohrung zur Aufnahme einer Temperatureinrichtung und entspre ;henden Zu- und Ableitungen für Kühlmittel zur Aufrechterhaltung einer konstanten Vorwärmtemperatur der hochviskosen, teerartigen, kohlenwasserstoffhaltigen Produkte.Reactor, consisting of plasmatron, Zumischplatte, reaction chamber and Gasquencheinrichtung is. The reservoir consists of a cylindrical tube for receiving the highly viscous, tarry, hydrocarbon-containing products to be used, a arranged in this and displaceable in the vertical direction piston and corresponding heaters on the outer surface of the cylindrical tube, which has a temperature, measurement and control device at a constant temperature can be kept. The same applies to the short Verbindungsleituny between reservoir and Zumischplatte. The interchangeable Zumischplatte consists of ei 'he cylindrical disc made of copper, in the center of which is a passage for a vertically from top to bottom flowing Plasrr astrahl, a radial bore from the outer shell to innerei passage whose diameter immediately before Erre surfaces of the inner Passage is narrowed by a replaceable Rüseneiröatz and another radial bore for receiving a temperature device and corre sponding supply and discharge lines for coolant to maintain a constant preheat temperature of the high-viscosity, tarry, hydrocarbon-containing products.

Die Ausgangskohlenwasserstoffe werden im Vorratsbehälter auf 80 bis 130°C erwärmt und durch eine über ein Zahnradgetriebe gezielt steuerbare Bewegung eines Kolbens von unten nach oben über eine Verbindungsleitung von höchstens 1 m Länge und bei konstanter Temperatur in die Zumischplatte des Plasmastrahl-Reaktors gefördert und dort über ein oder mehrere Düseneinsätze bei Drücken bis msx. 10 at senkrecht zur Strömungsrichtung des turbulenten Plasmastrahls derart zugeführt, daß es zum Zerreißen des eingespritzten Substanzstromes durch das Plasma, zur Bildung von Tröpfchen, ihrer Verwirbelung, Aufheizung und ihrem thei mischen Abbau mit anschließender chemischer Umsetzung ko^r mt und ein acetylen-äthylenhaltiges Pyrolysegas urd Kohlenmonoxid gebildet werden.The starting hydrocarbons are heated in the reservoir to 80 to 130 ° C and promoted by a targeted via a gear transmission movement of a piston from bottom to top over a connecting line of at most 1 m in length and at a constant temperature in the admixing plate of the plasma jet reactor and there over one or more nozzle inserts at pressures up to msx. 10 at perpendicular to the flow direction of the turbulent plasma jet fed so that it to rupture of the injected substance flow through the plasma, the formation of droplets, their vortexing, heating and theiri mix reduction with subsequent chemical reaction ko ^r mt and an acetylene-containing pyrolysis urd Carbon monoxide are formed.

Ausführungsbeispielembodiment

In der zugehörigen Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Der Plasmastrahl-Reaktor 4 besteht aus Plasmatron 1, Zumischplatte 5, Reaktionskammer 8, Gasquencheinrichtung 9 und Vorratsbehälter 2. Zumischplatte 5 und Vorratsbehälter 2 sind über eine kurze Verbindungsleitung 3 miteinander gekoppelt. Beide Baueinheiten sina am Außenmantel mit Heizeinrichtungen 12 versehen. Der Vorratsbehälter 2 besteht aus einem zylindrischen Rohr 11 urd einem in diesem angeordneten und in vertikaler Richtung ve^r:.chiebbaren Kolben 10. Die Zumischplatte 5 besteht aus einer zylindrischen Scheibe 13 aus Kupfer, in deren Zentrum sicheii rchlaß 14 für den Plasmastrahl befindet, einer radialen Bohrung 15 vom Außenmantel bis zum inneren Durchlaß 14, deren Jurchmesser unmittelbar vor Erreichendes inneren Durchlasses 14 durch einen austauschbaren Düseneinsatz 6 verengt wird sowie einer weiteren radialen Bohrung zur Aufnahme einer Temperatur-Meßeinrichtung 7 und entsprechenden Zu- und Ableitungen 16; 17 für Kühlmittel. Der vom Plasmatron 1 erzeugte Wasserstoff-Plasmastrahl strömt vertikal von oben nach unten durch die Baueinheiten des Plasmastrahl-Reaktors 4. Die Ausgangs-Kohlenwasserstoffe, insbesondere hochviskose Teeröl-Feststoff-Rückstände aus der Kohle-Druckvergasung, werden im Vorratsbehälter 2 auf 90°C erwärmt und aus diesem unter Konstanthaltung der Vorwärmtemperatur mittels Kolbendrucks über die kurze Verbindungsleitung 3 in die Zumischplatte 5 des Plasmastrahl-Reaktors 4 gefördert und dort über den Düseneinsatz 6 unter hohem Druck (< 10at) senkrecht zur Strömungsrichtung des turbulenten Plasmastrahls derart zugeführt, daß es zum Zerreißen des eingespritzten Substanzstromes durch das Plasma, zur Bildung von Tröpfchen, ihrer Verwirbelung, Aufheizung und ihrem thermischen Abbau mit anschließender chemischer Umsetzung kommt und ein acetylen-äthylenhaltiges Pyrolysegas und Kohlenmonoxid gebildet werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden Visbreaker-Rückstände der Erdölspaltur.g, die bei Raumtemperaturen eine homogene, sirupartige Masse der Zusammensetzung 85 Ma.-% Kohlenstoff, 10Ma.-% Wasserstoff und 5% Sand bzw. Schlacke bilden, im Vorratsbehälter 2 auf 130°C erwärmt und aus diesem mittels Kolbendrucks über drei gleichmäßig über den Umfang des Düseneinsatzes 6 verteilte Bohrungen von 1 mm Durchn esser senkrecht zur Plasmaströmung eingespeist. Das nach Quenchung den Reaktor verlassende Pyrolysegas hatte folgende Zusammensetzung:In the accompanying drawing, the device according to the invention is shown schematically. The plasma jet reactor 4 consists of plasmatron 1, admixing plate 5, reaction chamber 8, gas quench device 9 and storage container 2. Zumischplatte 5 and reservoir 2 are coupled to each other via a short connecting line 3. Both units sina on the outer jacket provided with heaters 12. The storage container 2 consists of a cylindrical tube 11 urd one arranged in this and in the vertical direction ve ^r : .chiebbaren piston 10. The admixing plate 5 consists of a cylindrical disc 13 of copper, in the center of which reilaß 14 is for the plasma jet, a radial bore 15 from the outer shell to the inner passage 14, the diameter of which is narrowed immediately before reaching the inner passage 14 by a replaceable nozzle insert 6 and a further radial bore for receiving a temperature-measuring device 7 and corresponding supply and discharge lines 16; 17 for coolant. The hydrogen plasma jet generated by the Plasmatron 1 flows vertically from top to bottom through the units of the plasma jet reactor 4. The starting hydrocarbons, in particular high-viscosity tar oil solid residues from the coal pressure gasification, are heated in the reservoir 2 to 90 ° C. and from this while maintaining the preheating temperature by means of piston pressure via the short connecting line 3 in the admixing plate 5 of the plasma jet reactor 4 and fed there via the nozzle insert 6 under high pressure (<10at) perpendicular to the flow direction of the turbulent plasma jet such that it tearing the injected substance stream through the plasma, the formation of droplets, their turbulence, heating and their thermal degradation with subsequent chemical reaction comes and an acetylene-containing pyrolysis and carbon monoxide are formed. In another embodiment, Visbreaker residues of Erdölspaltur.g, which form a homogeneous, syrupy mass of the composition 85 wt .-% carbon, 10Ma .-% hydrogen and 5% sand or slag at room temperatures, in the reservoir 2 to 130 ° C heated and fed from this by means of piston pressure over three evenly distributed over the circumference of the nozzle insert 6 holes of 1 mm Durchn esser perpendicular to the plasma flow. The pyrolysis gas leaving the reactor after quenching had the following composition:

H₂ H ₂ —82,9Vol.-%-82,9Vol .-% C₂H₂ C ₂ H ₂ — 11,4Vol.-%- 11.4 vol.% CH,CH, — 2,5VoI.-%- 2.5VoI .-% C₂H₄ C ₂ H ₄ — 1,1Vol.-%- 1.1 vol .-% COCO — 0,6Vol.-%- 0.6% by volume

Sonstige — 1,5Vol.-%.Other - 1.5Vol .-%.

Diese optimjlen Pyrolysebedingungen lassen sich durch Korrelation der nachstehend aufgeführten Parameter von Einsatzstoff und Plasma und den Durchlaß-Abmessungen erreichenThese optimum pyrolysis conditions can be achieved by correlating the parameters of feed and plasma listed below and the passage dimensions

Plasmaparameter und Durchlaß-Abmessungen: Plasma parameters and transmission dimensions:

Enthalpie des WasserstoffplasmasEnthalpy of the hydrogen plasma 3 kWh/m³ 3 kWh / m ³ mittlere Temperaturmedium temperature 3500K3500K Druckprint 10⁵Pa10 ⁵ Pa Wasserstoff-DurchsatzHydrogen flow rate 3m³/hbei300K3m ³ / h300K lichte Weite des Durchlasses 14clear width of the passage 14 7-10~³m7-10 ~ ³ m Parameter der umzusetzenden Visbreaker-Rückstände:Parameters of the visbreaker residues to be converted: Eintrittsgeschwindigkeitentry speed 1m/s1m / s Dichte bei 120XDensity at 120X 950 kg/m³ 950 kg / m ³ Zumisch'jngZumisch'jng 2-10"³m³/h2-10 " ³ m ³ / h mittlerer Tröpfchen-Durchmesseraverage droplet diameter 200 pm200 pm Gesamt-Verweilzeit im PlasmaTotal residence time in the plasma 4· 10"³s.4 · 10 " ³ s.

Claims

Plasmareaktor für die Pyrolyse von hochviskosen, teerartigen, kohlenwasserstoffhaltigen Produkten, insbesondere von Toeröl· Feststofirückständen aus der Kohle-Druckvergasung, bestehend aus einem beheizbaren Vorratsbehälter, einer auswechselbaren Zumischplatte sowie mit ein oder mehreren austauschbaren Düseneinsätzen und einer entsprechenden Temperatur-Meßeinrichtung, einer Reaktionskammer und Gasquencheinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die hochviskosen, teerartigen, kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsprodukte im Vorratsbehälter (2) auf 80 bis 13O⁰C erwärmt und mittels eines beweglichen Kolbens (10), vorzugsweise von unten nach oben, über Verbindungsleitungen von höchstens 1 m Länge bei konstanter Temperatur in die Zumischplatte (5) des Plasmastrahl-Reaktors (4) gefördert und dort über ein oder mehrere Düseneinsätze (6) bei Drücken von max. 10at senkrecht zur Strömungsrichtung des turbulenten Plasmastrahls zugeführt und ein acetylen-äthylenhaltiges Pyrolysegas und Kohlenmonoxid entstehen.Plasma reactor for the pyrolysis of highly viscous, tarry, hydrocarbon-containing products, in particular of waste oil solids residues from coal pressure gasification, consisting of a heatable reservoir, a replaceable Zumischplatte and with one or more replaceable nozzle inserts and a corresponding temperature-measuring device, a reaction chamber and Gasquencheinrichtung , characterized in that the highly viscous, tarry, hydrocarbon-containing starting materials in the reservoir (2) heated to 80 to 13O ⁰ C and by means of a movable piston (10), preferably from bottom to top, via connecting lines of at most 1 m in length at a constant temperature in conveyed to the admixing plate (5) of the plasma jet reactor (4) and there via one or more nozzle inserts (6) at pressures of max. 10at fed perpendicular to the flow direction of the turbulent plasma jet and an acetylene-containing pyrolysis and carbon monoxide arise.

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft die Plasmapyrolyse von flüssigen bzw. verflüssigbaren Kohlenwasserstoffen und von kohlenwasserstoffhaltigen Substraten, insbesondere von Teeröl-Feststoffrückständen aus der Kohle-Druckvergasung, zu vorzugsweise ungesättigten Kohlenwasserstoffen, vor allem Acetylen und Äthylen, im Wasserstoff-Plasmastrahl.The field of application of the invention relates to the plasma pyrolysis of liquid or liquefiable hydrocarbons and of hydrocarbon-containing substrates, in particular of tar oil solids residues from coal pressure gasification, to preferably unsaturated hydrocarbons, especially acetylene and ethylene, in the hydrogen plasma jet.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

In den letzten Jahrzehnten sind international eine Reihe von Vorrichtungen zur plasmauiiemischen Stoffwandlung entwickelt und technisch ι ealisiert worden, die als Ausgangsmaterial zähflüssige, bituminöse, aber auch feste Kohlenstofftriiger einsetzen. Dabei wird das Ziel verfolgt, plasmachemische Stoffwandlungen mit hoher Ausbeute und möglichst geringem Energieaufwand zu betreiben, wobei Wege aufgezeigt werden, wie mit Braunkohle oder deren Extrakten als Einsatzstoffe plasmachemische Stoffwandkingen durchzuführen sind. In der Patentschrift DD-159081 wird eine Vorrichtung zur Umwandlung flüssiger oder verflüssigbarer Kohlenstoffträger zu vorzugsweise Acetylen und Äthylen angegeben. Dabei werde' iie umzusetzenden Ausgangs-Kohlenwasserstoffe vernebelt und als Tröpfchenwolke mit einem turbulenten Wasserstoit-Plasmastrahl vermischt. In der Schrift DD-218984 wird eine spezielle Verdüsungsvorrichtung zum Einbringen von Flüssigkeiten in rohrummantelte Plasmaströmungen mit dem Ziel einer möglichst vollständigen plasmachemischen Urnsetzung der flüssigen Ausgangssubstanzen in die gewünschten Zielprodukte beschrieben. In der DE-OS-2731C-42 wird ein Lichtbogenreaktor beschrieben, in welchem Kohle von oben durch rotierenden Lichtbogen hindurch, einoespeist wird. Ebenfalls mit rifsr Umsetzung von Kohle, die fein gemahlen ins Gemisch mit Wasserstoff bzw. Methan als Träger einer elektrischen Bogenentladung zugeführt wird, befassen sich die Schriften DE-OS-3128019; US-4358629; US-4378232 und GB-1 089092. In eine Lichtbogenkammerkann pulverisierte Kohle auch im Gemisch mit einem Öl oder gasförmigen Kohlenwasserstoff eingebracht werden (US-4010090). Die Viskosität einer flüssigen Kohle-Suspension läßt sich auch durch die Zugabe von CO₂-GaS in Gestalt feiner Blasen vor der Einführung in einen Plasma-Reaktor weiter herabsetzen und die Dispersion der Suspension beim Eintritt in den Reaktor verbessern (US-4 563196).In recent decades, a number of devices have been developed and technically ι realized, which use as starting material viscous, bituminous, but also solid carbon triiger for plasma conversion material. The goal is pursued to operate plasma-chemical material transformations with high yield and the least possible energy expenditure, with ways are shown, as are to be carried out with lignite coal or their extracts as starting materials plasmachemic Stoffwandkingen. Patent DD-159081 discloses an apparatus for converting liquid or liquefiable carbon carriers into preferably acetylene and ethylene. In this case, the starting hydrocarbons to be reacted are misted and mixed as a cloud of droplets with a turbulent water-jet plasma jet. In the document DD-218984 a special atomizing device for introducing liquids into tube-jacketed plasma flows is described with the aim of as complete a plasmachemic Urnsetzung the liquid starting substances in the desired target products. In DE-OS-2731C-42 an arc reactor is described in which coal is fed in from above through a rotating arc. Also with rifsr implementation of coal, which is fed finely ground into a mixture with hydrogen or methane as the carrier of an electric arc discharge, the documents DE-OS-3128019; US 4358629; US-4378232 and GB-1 089092. In an arc chamber pulverized coal may also be introduced in admixture with an oil or gaseous hydrocarbon (US-4010090). The viscosity of a liquid carbon suspension can be further reduced even by the addition of CO ₂ -GaS in the form of fine bubbles prior to introduction into a plasma reactor and improve the dispersion of the suspension upon entry into the reactor (US-4,563,196).

Die bekannten Vorrichtungen beschränken sich auf die Pyrolyse von Feststoffen (z.B. Kohle) bzw. auf die Umsetzung von Flüssigkeiten (Öle, Kohleinhaltsstoffe) oder auf Gemische aus beiden Komponenten. Dabei wird in den meisten Fällen dem elektrischen Lichtbogen aus technischen und historischen Gründen gegenüber dem Plasmastrahl der Vorzug gegeben. Bei der plasmachemischen Umsetzung der Kohle erfordern Mahlung auf Korngrößen von einigen hundertstel Millimetern und Trocknung einen erhöhten Aufwand. Zur Pyrolyse der feingemahlenen Feststoffe werden teilweise Suspensionen mit Flüssigkeiten hergestellt sowie zusätzlich Hilfsgase für die Einbringungen in den Plasmareaktor eingesetzt.The known devices are limited to the pyrolysis of solids (for example coal) or to the conversion of liquids (oils, coal constituents) or to mixtures of both components. In most cases, the electric arc is preferred over the plasma jet for technical and historical reasons. In the plasma-chemical conversion of the coal milling to particle sizes of a few hundredths of a millimeter and drying require increased effort. For the pyrolysis of the finely ground solids, suspensions with liquids are sometimes prepared and, in addition, auxiliary gases are used for the inputs into the plasma reactor.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist, eine aufwendige Trocknung der Ausgangs-Kohlenwasserstoffo sowie ihre Mahlung auf geringe Korngrößen zu vermeiden und eine maximale stoffliche Nutzung der mit dem Kohlenstoffträger in den Reaktor eingebrachten Kohlenstoff- und Wasserstoffsubstanz unter Verzicht auf Zusätze von Dispergierhilfsmitteln, Lösungsmitteln bzw. Wasser oder anderen geeigneten Additiven zur Herabsetzung der Viskosität zu erreichen.The aim of the invention is to avoid a costly drying of the starting Kohlenwasserstoffo and their grinding to small particle sizes and maximum material utilization of the introduced with the carbon carrier in the reactor carbon and hydrogen substance waiving additives of dispersants, solvents or water or other to achieve suitable additives to reduce the viscosity.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmareaktor zur komplexen stofflichen Nutzung der Kohlenstoff-Wasserstoff-Substanz von Teeröl-Feststoffrückständen aus der Kohle-Druckvergasung, aber auch von Kohlenwasserstoffen anderer Herkunft mit ähnlichen stofflichen Eigenschaften zu entwickeln.The invention has for its object to develop a plasma reactor for complex material use of the carbon-hydrogen substance of tar oil solids residues from the coal-pressure gasification, but also of hydrocarbons of other origin with similar material properties.

Erfindungsgemäß besteht der Plasmareaktor aus einem beheizbaren Vorratsbehälter, der über eine Verbindungs-ieitung von höchstens 1 m Länge mit einer auswechselbaren Zumischplatte verbunden ist, die wiederum Bestandteil eines Plasmastrahl·According to the invention, the plasma reactor consists of a heatable storage container which is connected via a connecting line of at most 1 m in length to an exchangeable mixing plate, which in turn is part of a plasma jet.