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Verfahren zur thermischen Herstellung von Synthesegasen und Brenner
zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur thermischen Herstellung von Synthesegasen, bei dem gasförmige, aliphatische,
nicht verdünnte Kohlenwasserstoffe durch teilweise Verbrennung mit unverdünntem
Sauerstcff nach vorheriger Mischung der beiden Gase außerhalb des Ofens in einem
Vormischer eines Brenners umgesetzt werden; dabei wird erfindungsgemäß diese Vormischung
durch Zusammenprall der beiden Gasströmungen, von denen jede als äußerst dünne Strömung
vorzuliegen hat, mit einander gleichen und entgegengesetzt wirkenden kinetischen
Energiekomponenten unmittelbar vor Einführung in den Brenner bewerkstelligt, wonach
die durch den Prall entstandene Wirbelung im eigentlichen Brenner beruhigt wird,
bevor das Gasgemisch zur Verbrennung gelangt. Im Reaktionsraum selbst wird erfindungsgemäß
bei Temperaturen unter 1000' C, vorzugsweise bei 900-' C, gearbeitet.
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Es ist bereits bekannt (britische Patentschrift 300 328), Wasserstoff
und Kohlenoxyd, gegebenenfalls bei Anwesenheit weiterer Gase, gegebenenfalls Stickstoff,
aus Kohlenwasserstoffen, insbesondere aus 2, Glasförmigen Kohlenwasserstoffen bzw.
Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen ohne wesentliche Rußabscheidung durch nichtexplosive
Verbrennung mit mindestens einer solchen Menge Sauerstoff, die erfc>rderlich ist,
um den gesamten Kohlenstoff der in Reaktion befindlichen Kohlenwasserstoffe in Kohlenoxyd
zu verwandeln, bei Temperaturen Über 1000,' C, vorzugsweise zwischen 1200
und 1500' C, bei Ab-
wesenheit von Wasserdampf und Katalysatoren zu
gewinnen.
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Bei dieser älteren Axbeitsweise werden die verdampften Kohlenwasserstoffe
bzw. die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gase tangential von unten und in eine Kammer
eingeblasen und die entsprechende Menge Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigen
Gase zur teilweisen Verbrennung derselben in das wirbelnd--uu-fsteigende
Gas durch eine Mehrzahl von Düsen eingebracht, die vorzugsweise im Kreis angeordnet
sind, unter bevorzugter Einbringung des erforderlichen Sauerstoffes ebenfalls in
tangentialer Richtung. --'#bgeselien von der erforderlichen hohen Temperatur ist
es erfahrungsgemäß besonders dann, wenn keine Reaktionskomponenten (Kohlenwasserstoff,
Sauerstoff) verdünnt vorliegen, na-eh dieser Arbeitsweise nicht möglich, völlig
rußfrei zu arbeiten. Es ist nämlich nicht erkannt worden, welche Bedeutung dem Aufeinanderprallen
der Gase, so wie es die Erfindung nunmehr vorschlägt, zukommt.
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Das Prinzip des Gegeneinanderprallens von Brennstoffen mit Sauerstoff
in einer Brennkammer ist an sich aus der USA.-Patentschrift 2 177 379 der
Technik bekanntgeworden. Nach dieser Verfahrensweise wird Gas hohen Heizwertes aus
feinverteilten oder öligen Brennstoffen dadurch gewonnen, daß der Brennstoff und
Sauerstoff in gegeneinandergerichteten koaxialen Strahlen aufeinander zugeführt
werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Gase so, zu regeln ist, daß der Brennstoff
im Übersch#uß über die Menge ist, die mit dem zugeführten Sauerstoff reagiert, und
die Verbrennung in der Zone aufrechterhalten wird, in der die entgegengesetzt gerichteten
Strahlen aufeinanderprallen und Wasserdampf ausschließen, wobei gleichzeitig Dampf
in den die Strahlen umgebenden Bereich eingeführt wird, um mit dem hocherhitzten
überschüssigen Brennstoff zu reagieren. Dieser Arbeitsweise liegt somit das Prinzip
zugrunde, das Zusammenprallen und die Verbrennung örtlich und zeitlich zusammenfallen
zu lassen, im Gegensatz zur Erfindung, wie sie hier beschrieben ist.
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Auch darf nicht außer Acht gelassen werden, daß ein mit jenem älteren
Verfahren erzieltes Gas einen verhältnismäßig hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen,
wie er erfindungsgemäß als unerwünscht vermieden wird, aufweist, was der Verschiedenheit
des Zwecks und der Methode entspricht. Zweck des Aufeinanderprallens der Gasströme
bei jenem älteren Verfahren ist der, eine Flammenbildung zu ermöglichen, ohne daß
der mitverwendete Wasserdampf zum ' Kern der Flamme Zutritt erhält; im Gegensatz
dazu wird bei der Arbeitsweise nach der vorliegenden, Erfindung Wasserdampf überhaupt
nicht mitverwendet.
Nach der neuen Arbeitsweise wird bei tieferen
Temperaturen, d. h. schon bei solchen um 900' C gearbeitet und trotzdem
die so gefürchtete Rußabscheidung vermieden. Es erhellt, daß die Herabsetzung der
Reaktionstemperatur einen wesentlichen Fortschritt im Hinblick auf die Bauart des
gesamten Ofens und die Beherrschung der Reaktion darstellt.
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Demgegenüber bietet die neue Arbeitsweise die Vorteile, bei Abwesenheit
von Katalysatoren arbeiten zu können, die Rußbildung zu vermeiden und die Gegenwart
des Methans im Produkt auf eine geringfügige Menge (0,2 Volumprozent) herabzusetzen;
dabei kann mit einem verringerten Raumbedarf in bezug auf die Reaktionskammer und
den gesamten Ofen gearbeitet werden, bei den überraschend niedrigen Temperaturen
um 900' C auch bei Verwendung von praktisch reinem 95- bis 100%igem Kohlenwasserstoff,
d. h. ohne Inertgas oder Dampf.
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Zur Durchführung der Reaktion benutzt man Reaktionsöfen mit Brennern,
die es erlauben, daß die in Betracht kommenden Gasströme erfindungsgemäß der art
zum Aufeinanderprallen gebracht werden, daß die wirksamen Komponenten der kinetischen
Energie der beiden Gase, d. h. die Anteile der kinetischen Energie der Gasströme
in der Richtung der einander entgegengesetzten Geschwindigkeitskomponenten einander
gleich sind, vorzugsweise in der Größenordnung 100
bis 200 kgm/Nms
C H4 liegen, wonach die durch den Prall entstandene Wirbelung beruhigt wird,
bevor die Flamme zustande kommt. Auf diesem Prinzip beruht die erfindungsgemäße
Bauart der Brenner, die besonders für den Betrieb bei Atmosphärendruck die vollkommene
Durchmischung bei höchst bescheidenen Druckverlusten (etwa 0,05 at) gestatten.
Die nach dem neuen Verfahren erzeugte gasfürmige, aus C 0, H."
C 02 und H2 0 bestehende Gasmischung mit 0,2 VolumprozentrestlicheniCH4,
ohneRuß, hat e#inH.:CO-Verhältnis von ungefähr 2 und einen C 02-Gehalt, der
bis 1 Volumprozent betragen kann. Sie eignet sich zur Herstellung des Methanols
oder anderer Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese. Auch für die Ammoniaksynthese
kann das anfallende Gasgemisch mit Vorteil verwendet werden.
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In den Zeichnungen sind Brenner nach der neuen Erfindung in Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Fig. 1 stellt einen Brennerteil (Ausflußrohr) im Längsschnitt,
Fig. 2 und Z einen Querschnitt und einen Teilquerschnitt längs der Linien A-A
und B-B der Fig. 1 dar; Fig. 3 stellt eine Ausführungsform
eines Vormischers von oben gesehen dar; Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt nach der
Linie A-A der Fig. 3;
Fig. 5 stellt eine andere Ausführungsform desVormischers
für rotierende Strömungen im Längsschnittdar; Fig. 6 zeigt einen Querschnitt
längs der Linie A-A der Fig. 5.
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Der Mischer nach den Fig. 3 bzw. 5 ist an dem Brennerteil
(Ausflußrohr) der Fig. 1 angebracht.
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Der Brennerteil der Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem
Ausflußrohr, das mit 1 bezeichnet ist und mit dem Flansch 2 an den entsprechenden
Flanschen 2' des Vormischers (s. Fig. 4 und 5) angebracht werden kann, aus
welchem in der Richtung des angezeichneten Pfeiles die Mischung aus Kohlenwasserstoff
(z. B. Methan) und Sauerstoff eintritt. Das Rohr 1 ist im ersten Teil mit
einem seitlichen Stutzen 3, der einen Zerreißflansch 4 trägt, und innen mit
Scheidewänden 5
(zur Einteilung in Längsausflußkammern), wie in Fig. 2 dargestellt,
versehen, während im zweiten Teil eine -Unterteilung 6 vorgesehen ist, welche
aber nicht die ganze Länge beansprucht und deren Scheidewände gegenüber jenen der
Einteilung 5, wie in Fig. 2' angegeben, versetzt sind. Wie in der Fig.
1 klar ersichtlich, wird das Rohr 1 durch einen doppelten Kühlwassermantel
7 mit dem Zu- und Ablauf 8 bzw. 9 gekühlt; das Kühlwasser wird
bei 10 in seiner Richtung umgelenkt.
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Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt einen Mischer, bei dem die reagierenden
Gase 02 und z. B. C H4 durch die zwei ausladenden Öffnungen 11 bzw.
12, die mittels der Verbindungsstücke 13 und 14 an die einander zugewandten
Rohre 15 und 16 angesetzt sind, in eine ringförmige Mischkammer einströmen.
Sie ist durch die Muffel 17 mit ringförmigerVertiefung 18 und dem
doppelkegelförmigen Verschlußkörper 19 aus rostfreiem Stahl begrenzt; mittels
einer geeichten Stellschraube 20 ist es möglich, die Breite des Spaltes, durch welchen
der Sauerstoff bzw. der Kohlenwasserstoff, z. B. Methan, zuströmt und dadurch die
Geschwindigkeit und den Prallwinkel der beiden Gasströmungen, also - wie
oben dargelegt - die wirksamen Komponenten der kinetischen Energie der beiden
Gasströme zu ändern. Das profilierte Stück 19
leitet die beiden aus Sauerstoff
bzw. Methan bestehenden Strahlen, die von den zwei in einer Linie liegenden und
einander entgegengerichteten Leitungen 11-
13-15 bzw. 12-14-16 kommen,
in einen gemeinsamen peripherischen ringförmigen Raum. Das Stück 19 ist so
gestaltet, daß die Gasströme mit kinetischen Energien aufeinanderprallen, die wesentliche,
einander gleiche und entgegengesetzt gerichtete Komponenten aufweisen. Dadurch kommt
die gewünschte Durchmischung zustande. Aus der Kammer 18 gelangen die durchmischten
Gase durch die Öffnung 21, die an der Muffel 17 vorgesehen ist, in das Ausflußrohr
1
(s. Fig. 1) des Brenners.
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Ein anderer Mischertyp ist der in der Fig. 5 dargestellte,
der aus einem geradlinigen Einlaufrohr 22 für das zu verbrennende Gas, z. B. Methan,
besteht, in welchem Rohr ein schneckenförmiger Körper oder Kern 23 aus rostfreiem
Stahl enthalten ist, welcher der Strömung des genannten Gases einen schraubenförmigen
Drall erteilt, und zwar mit einer in der tangentialen Ebene wesentlich erhöhten
Geschwindigkeit. Genanntes Rohr besitzt eine Verlängerung 24 mit längs der Rohrwandung
gleichmäßig verteilten Löchern 25, die sowohl zur tangentialen als auch zur
ra,-dialen Ebene geneigt sind und durch welche der von dem Einlaß 26 in den
Mantel 27 gelangende Sauerstoff tangential eingeblasen wird, derart, daß
die tangentialen Geschwindigkeitskomponenten der beiden Gase ent-gegenge#eItzt gerichtet
sind und sich allmählich-ihre Strömung gegenseitig abschwächt. Auch diese Brennerbauart
gestattet es, die im Sinne derErfindung als wesentlich erkannten Faktoren zu beherrschen.
Die Mischung fließt, wie gesagt, in das nachfolgende Ausflußrohr 1 (Fig.
1) mit einer praktisch wirbelfreien Bewegung ein, wie es nötig ist, um am
Ende des Ausflußrohres eine regelmäßige Flamme zu erzielen.
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Genannte Mischertypen wurden mit verschiedenen Geschwindigkeiten von
20 bis 120 rn/Sek. (Fig. 3) und von 15 bis 150 m/Sek. (Fig.
5) erprobt, wobei sich Druckverluste von nur 475 kg/m2, also weniger als
0,05 at ergaben.
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Um einen Anhaltspunkt für die bei einer Leistung von z. B.
300 Nm3/Std. C H4 anzuwendenden Abmessungen zu geben, genügt die Angabe,
daß im Mischer vom Typ der Fig. 3 der Gesamtquerschnitt für den
Durchgang
der beiden Gase ungefähr 15 cm2 beträgt; wenn man den Verschlußstopfen
19 versetzt, ändert sich das Verhältnis zwischen den Durchgangsschnitten
für CH4 und 02, jedoch nicht deren Summe; der Stopfen 19 kann beispielsweise
am Fuße des Kegels einen Winkel von 55' haben. Mit einem Mischer des Typs
der Fig. 5 kann das Volumen der Mischkammer zwischen dem ersten und dem letzten
Löcherkreis ungefähr 900 bis 1750 cms betragen, die Löcher können
einen Durchmesser von 4 bis 5 mm haben, und im ganzen können 40 bis
80 Löcher vorgesehen sein.
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Die Verweilzeit der Gase im Brenner kann ungefähr 0,012 Sekunden betragen,
und einem CH4-Verbrauch von 300 Nm3/Std. kann ein Sauerstoffverbrauch von
ungefähr 230 Nm3/Std. entsprechen.
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Im allgemeinen läßt sich sagen, daß das Verhältnis 02: C 114
praktisch zwischen 0,5 und 0,8 liegen wird. Mit einem Verhältnis von
02: C H4 gleich 0,72 hat man z. B. keine Rußbildung, und die stöchiometrische
Gleichung lautet folgendermaßen: 1 CH4+0,72 02 =0,90 CO+1,66 H2+0110
C02+0,34 H20, zuzüglich der kleinen rückständigen Mengen an CH4, welche der Größenordnung
nach 0,2 Volumprozent, auf trockenes Gas bezogen, betragen. Unter diesen Umständen
ist die Menge des im Gas erzeugtenDampfes ungefähr 10 Volumprozent. Dieser
Wert zeigt Tendenz abzunehmen, wenn man mit einem kleineren 02:CH.-Verhältnis als
0,72 arbeitet.
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Das oben beschriebene Verfahren arbeitet bei Atmosphärendruck, man
kann es aber auch auf die höchsten Drücke, bei denen Erdgas normalerweise gewonnen
wird, anwenden, woraus sich eine bedeutende Energie-Einsparung bei der Ammoniak-
und Methanolsynthese ergibt.