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Vorrichtung zur Herstellung eines Heizgases Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Herstellung eines Heizgases durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen
und insbesondere zur kontinuierlichen Erzeugung eines Ölgases mit hohem Energiegehalt,
das sowohl als Naturgasersatz als auch für die Herstellung anderer Gase einschließlich
für chemische Zwecke benötigter Gase verwendet werden kann.
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Bei den üblichen ölgasverfahren folgen abwechselnd Blas- oder Heiz-
und Gaserzeugungsperioden aufeinander. Während der Blas- oder Heizperiode, die gewöhnlich
3 bis 10 Minuten dauert, wird Heizmaterial (gewöhnlich Öl) verbrannt, um die Öl-Crack-und
Fixierzonen auf die erforderliche Temperatur zu heizen, und während der anschließenden
Gaserzeugungsperiode, die gewöhnlich von praktisch gleicher Dauer ist wie die vorangehende
Blasperiode, wird in der Crackzone Öl gecrackt, und die Öldämpfe werden fixiert,
indem man sie durch die Fixierzone strömen läßt. Bei diesem Verfahren wird also
nur während der Erzeugungsperiode Gas erzeugt, und die potentielle Kapazität der
Anlage wird nicht voll ausgenutzt.
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Bei den bisher bekannten Ölgasverfahren wurden Fixierzonen verwendet,
die aus in Reihen angeordneten feuerfesten Ziegeln bestanden, wobei die Ziegel jeder
Reihe in einem Abstand voneinander angeordnet waren und die Ziegel nebeneinanderliegender
Reihen gegeneinander versetzt waren, so daß gegeneinander vesetzte Öffnungen entstanden,
durch die das Gas strömen mußte, oder worin die Ziegel so angeordnet waren, daß
sich über die Länge der Fixierzone erstreckende Kanäle entstanden, durch die das
Gas strömen mußte. Die Wärme, die während der Blasperiode an das Ziegelwerk abgegeben
wird, dient dazu, das erzeugte und während der Erzeugungsperiode durch die Fixierzone
strömende Gas zu fixieren, d. h., die Wärme wird direkt in dem Ziegelwerk selbst
gespeichert und regeneriert, und der Wärmeeinsatz und die Dauer der Erzeugungsperiode
können so gesteuert werden, daß die erforderliche Fixierung des erzeugten Gases
erzielt wird.
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Es sind auch schon kontinuierliche Ölgasverfahren bekannt. Bei dem
sogenannten Dayton-Verfahren wird Kohlenwasserstofföl mit einer begrenzten Menge
vorgeheizter Luft in einer heißen Retorte zerstäubt und ein Teil des Öls verbrannt,
um die zum Cracken des restlichen Öls und zur Erzeugung eines Gases von hohem Heizwert
zwischen 3200 und 3500 kcal/m3 und einer verhältnismäßig hohen Dichte erforderliche
Wärme zu liefern. Ein solches Gas eignet sich aber nicht als Ersatz für Naturgas.
Bei einem weiteren kontinuierlichen Verfahren wird Öl gecrackt, und die Öldämpfe
werden in mehreren geheizten Rohren von verhältnismäßig kleinem Durchmesser fixiert,
wobei das Öl am oberen Ende dieser Rohre eingeführt und das fixierte Ölgas von ihrem
unteren Ende abgezogen wird. Um die gewünschte Verdampfung, Crackung und Fixierung
des Ölgases zu erzielen, werden Rohre mit einer Länge von 8,5 m oder darüber und
einem Innendurchmesser von etwa 10,2 cm verwendet. Ein solches Verfahren hat aber
unter anderem den Nachteil, daß Wartung und Betrieb der dafür erforderlichen Anlage
mit den außerordentlich langen Rohren von geringem Durchmesser äußerst schwierig
sind.
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Es ist auch schon ein anpassungsfähiges kontinuierliches Pyrolyseverfahren
zur Erzeugung von Gas mit der gewünschten Dichte und dem gewünschten Energiegehalt,
einschließlich eines als Ersatz für Naturgas verwendbaren Gases, bekannt, das beispielsweise
in der üblichen doppelwandigen Wassergasanlage bei nur verhältnismäßig geringer
Modifikation dieser Anlage durchgeführt werden kann und einen beträchtlichen Fortschritt
auf dem Gebiet
der Erzeugung von Heizgasen aus Kohlenwasserstoffbeschickungen
darstellt. Bei diesem Verfahren wird kontinuierlich ein Heizgas, das beispielsweise
aus Verbrennungsprodukten besteht, in eine eine praktisch frei durchströmbare Reaktionszone
umgebende ringförmige Heizkammer eingeleitet und durch diese Heizkammer nach oben
geführt, während ein Trägergas kontinuierlich aufwärts durch die Reaktionszone,
in die kontinuierlich nach unten ein Öl versprüht wird, geführt wird. Das Trägergas
und Öldampf werden vom oberen Ende der Reaktionszone abgezogen und durch eine Fixierzone,
die von einer ringförmigen Heizkammer umgeben ist, nach unten geführt, während im
Gegenstrom zu diesem von oben nach unten durch die Fixierzone strömenden Gas die
aus dem oberen Ende der die Reaktionszone umgebenden ringförmigen Heizkammer austretenden
und in den unteren Teil der Fixierzone umgebenden ringförmigen Heizkammer eintretenden
Heizgase durch diese ringförmige Heizkammer geführt werden. Die Fixierzone enthält
mehrere in einem Abstand voneinander angeordnete Schichten aus Ziegelwerk oder Füllmaterial,
die so angeordnet sind, daß das erzeugte Gas darüberströmen muß.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei der Durchführung dieses Verfahrens
mit sehr schweren Beschickungsölen sich leicht in den Zwischenräumen zwischen den
Ziegeln kohlige Ablagerungen bilden, so daß der Betrieb sorgfältig überwacht werden
und von Zeit zu Zeit Dampf durchgeblasen werden muß, um diese Ablagerungen zu entfernen.
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Ziel der Erfindung ist eine vergleichsweise einfache Anlage, in der
kontinuierlich eine Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen unter Erzeugung eines Heizgases
von gewünschtem Energiegehalt und gewünschter Dichte durchgeführt werden kann, wobei
als Ausgangsmaterialien beispielsweise Gasöle, geringwertige Kohlenwasserstofföle,
wie schwere Crackrückstände mit einer Conradson-Kohlenstoffzahl über 6, sogenanntes
H-Heizmaterial, ein hauptsächlich aus Hexanen und Heptanen mit verzweigter Kette
bestehender Treibstoff und Kohlenwasserstoffgase, wie Propan, Butan usw. verwendet
werden können.
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Die Vorrichtung der Erfindung zur Herstellung eines Heizgases besteht
aus einem Reaktor mit einem inneren Reaktorrohr aus hitzebeständigem und wärmeleitendem
Material, das in einem Abstand von der Innenwand des Reaktors angeordnet ist, so
daß ein das Reaktorrohr umgebender ringförmiger Heizschacht gebildet wird, Mitteln
zur kontinuierlichen Zuführung heißer Gase in den ringförmigen Heizschacht und zum
Führen dieser Gase durch den Schacht, Mitteln zur kontinuierlichen Zuführung eines
Gaserzeugungsmediums in das Reaktorrohr, Mitteln zur kontinuierlichen Zuführung
eines Trägergases in das Reaktorrohr, einer Fixierkammer. Die Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Fixierkammer 38 mit einem inneren Fixierrohr
24
aus hitzebeständigem und wärmeleitendem Material versehen ist, das in einem
Abstand von der Innenwand der Fixierkammer angeordnet ist, so daß ein das innere
Fixierrohr 24 umgebender ringförmiger Heizschacht 39 gebildet wird, wobei das Einlaßende
des Fixierrohres 24 mit dem Austrittsende des Reaktorrohres 22 in Verbindung steht
und der das Fixierrohr 24 umgebende ringförmige Heizschacht 39 mit dem das
Reaktorrohr 22 umgebenden ringförmigen Heizschacht 28 so in Verbindung steht, daß
die Heizgase nacheinander durch beide ringförmigen Heizschächte strömen können,
und ein Wärmeaustauschglied 61, das aus zusammenhängenden Wänden 64, 65 aus einem
Material guter Wärmeleitfähigkeit, die sich praktisch über dem gesamten Querschnitt
des Fixierrohres und praktisch über dessen gesamte Länge erstrecken, aufweist.
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Die Fixierung des durch die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen erzeugten
Gases erfolgt also dadurch, daß dieses Gas in indirektem Wärmeaustausch mit Heizgasen,
wie Verbrennungsgasen, durch eine Fixierzone geführt wird, die statt der üblichen
Reihen von Füllmaterial oder Ziegelwerk ein zusammenhängendes Wärmeübertragungsglied
von guter Wärmeleitfähigkeit aufweist, das sich von den Wänden oder der Nähe der
Wände der Fixierzone, über die der Fixierzone Wärme zugeführt wird, zur Achse der
Fixierzone und praktisch über deren volle Länge oder Höhe erstreckt, so daß die
Wärme zum Inneren dieser Zone geführt wird, wo sie durch Konvektion und Strahlung
an das durchströmende erzeugte Gas abgegeben werden kann. Das zusammenhängende Wärmeübertragungsglied
besteht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem
Stahl oder Nickel, und ist so geformt, daß eine im Vergleich zu der Querschnittsfläche
der Fixierzone große Oberfläche, über die das Gas streichen muß, die jedoch der
Strömung der Gase durch die Fixierzone keinen beträchtlichen Widerstand entgegensetzt,
entsteht. »Zusammenhängend« heißt dabei, daß das Wärmeübertragungsmaterial in der
Form einer festen, nicht unterbrochenen Platte oder solcher Platten vorliegt, die
sich von der die Fixierzone begrenzenden Wand oder von der Nähe dieser Wand erstreckt,
so daß von dieser Wand aufgenommene Wärme dem mittleren Teil oder der Achse der
Fixierzone zugeführt wird und damit über die Länge und Breite dieser Zone gleichmäßig
verfügbar wird. Vorzugsweise hat dieses Glied die Form einer Spirale oder eines
längsweise gerippten oder mit Flügeln versehenen Teiles guter Wärmeleitfähigkeit
mit einer Anzahl in Abständen voneinander verlaufender Rippen oder Flügel, die von
der koaxial mit der Achse der Fixierzone verlaufenden Längsachse des Fixiergliedes
ausgehen, wobei die Rippen oder Flügel so nahe wie praktisch möglich an der Wand
der Fixierzone, durch die die Wärme des Heizmediums an die Fixierzone übertragen
wird, enden und radial, beispielsweise in um 30 bis 90° voneinander abweichenden
Richtungen verlaufen und zusammen ein zusammenhängendes, sich über praktisch die
volle Länge der Fixierzone erstreckendes Wärmeübertragungsglied bilden, über das
das Gas strömen muß.
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Bei Verwendung einer derart ausgebildeten Fixierzone wird die von
der Wand der Zone aufgenommene Wärme gleichmäßig auf das ganze Volumen der Fixierzone
verteilt und ein gleichmäßiger Betrieb dieser Zone unter guter Fixierung des erzeugten
Gases erzielt. Das ist hauptsächlich den zusammenhängenden Wärmeübertragungsgliedern
guter Wärmeleitfähigkeit zuzuschreiben, die sich von der die Fixierzone begrenzenden
Wand oder von der Nähe dieser Wand über deren gesamten Querschnitt, d. h. von einander
gegenüberliegenden Teilen der Wand zu der Achse der Zone erstrecken und so geformt
sind, daß Teile davon, wie Flügel oder Rippen, derart radial voneinander beabstandet
sind, daß die
Fixierzone unterteilt wird, so daß das durch die Zone
strömende Gas in Einzelströme von, verglichen mit der Querschnittsfläche der Fixierzone,
kleinem Querschnitt aufgeteilt wird. Damit wird eine gute Wärmeübertragung von dem
Heizgas auf das erzeugte Gas und eine wirksame Umwandlung des erzeugten Gases in
ein verhältnismäßig unkondensierbares Gas erzielt.
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Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert
werden.
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F i g. 1 ist ein vertikaler Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
einer Gaserzeugungsanlage gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist eine schematische Darstellung
einer anderen Vorrichtung gemäß der Erfindung; F i g. 3 ist eine schematische Darstellung
eines vertikalen Schnittes durch eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß
der Erfindung; F i g. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Form eines kontinuierlichen
oder zusammenhängenden Wärmeübertragungsgliedes, das in der Fixierzone der Vorrichtungen
der F i g. 1, 2 oder 3 verwendet werden kann; F i g. 5 ist eine perspektivische
Ansicht einer anderen Form eines Wärmeübertragungsgliedes; F i g. 6 ist eine perspektivische
Ansicht einer dritten Form eines solchen zusammenhängenden Wärmeübertragungsgliedes,
und F i g. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Form eines solchen kontinuierlichen
Wärmeübertragungsgliedes.
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Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu, und es ist bei ihrer Betrachtung
zu berücksichtigen, daß die Wärmeübertragungsglieder in jedem Fall so bemessen sind,
daß ihre Außenwände sich bis nahezu zur Berührung oder, wenn Materialien und Bauweise
dies zulassen, sogar bis zur Berührung mit der Wärmeübertragungswand der Fixierzone,
durch die der Fixierzone von den kontinuierlich an diesen Wänden entlangströmenden
Heizgasen Wärme zugeführt wird, wie weiter unten näher beschrieben, erstrecken.
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Der Reaktor 20 der F i g. 1 besteht aus einer mit ausreichend hitzebeständigem
Material ausgekleideten Kammer 21 mit einem darin angeordneten Reaktorrohr 22, das
über eine Leitung 23 mit einem Fixierrohr 24 in Verbindung steht. Eine Leitung 25
führt vom unteren Teil des Fixierrohres 24 in eine mit einem Gasauslaß 27 ausgestattete
Waschbox 26. Die Abmessungen des Reaktorrohres 22 und des Fixierrohres 24 und die
der zugehörigen, mit feuerfestem Material ausgekleideten Kammern hängen natürlich
von der gewünschten Kapazität der Gaserzeugungsanlage ab. Das Volumen des Reaktorrohres
22 soll ausreichend groß sein, daß die in flüssiger Phase eingeführte Kohlenwasserstoffbeschickung
darin verdampft und ihre Spaltung oder Crackung eingeleitet werden kann. Das Volumen
des Rohres 24 soll so groß sein, daß die in dem Reaktor eingeleitete Spaltung oder
Crackung unter Bildung eines fixierten Gases mit einem verhältnismäßig geringen
Gehalt an kondensierbaren Materialien, die bei Hindurchtreten des Gases durch die
Waschbox auskondensieren, beendet wird. Zufriedenstellend sind im allgemeinen mit
feuerfestem Material ausgekleidete Kammern von Reaktor und Fixierer mit einem Innendurchmesser
in dem Bereich von 1 bis 5 m und einer Höhe zwischen 1,5 und 10 m, wobei der Außendurchmesser
des Reaktors- bzw. des Fixierrohres zwischen 0,15 und 2 m geringer ist als der Innendurchmesser
der mit feuerfestem Material ausgekleideten Kammer, in der es angeordnet ist.
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Das Reaktorrohr 22 ist so in der mit feuerfestem Material ausgekleideten
Kammer 21 angeordnet, daß ein ringförmiger Schacht 28 gebildet wird,
der über die Überführungsleitung 29 mit einer Verbrennungskammer 30 irgendeiner
geeigneten Form in Verbindung steht. Die in der Zeichnung gezeigte Verbrennungskammer
30 besteht aus einer mit feuerfestem Material ausgekleideten rechteckigen Kammer,
die mit einem Brenner 31, der mit einer Brennstoffleitung 32 verbunden ist, und
einer Luftleitung 33 ausgestattet ist, so daß der Brennstoff, der entweder gasförmig
oder flüssig sein kann, in der Kammer verbrannt werden kann. Den Verbrennungsprodukten
der Kammer 30 wird durch Leitung 34 Sekundärluft zugesetzt, um eine vollständige
Verbrennung zu gewährleisten und Verbrennungsprodukte mit der gewünschten Temperatur,
vorzugsweise einer Temperatur in dem Bereich von etwa 1100 bis 1650° C, zu erhalten.
Diese Verbrennungsprodukte strömen durch die Überführungsleitung 29 und treten durch
einen Einlaß 35 tangential in den ringförmigen Schacht 28 im unteren Teil dieses
Schachtes ein und strömen durch diesen nach oben, wie durch die Pfeile im Schacht
28 angezeigt, im Wärmeaustausch mit der Außenseite der Wand 36 des Reaktorrohres
22. Die Wand 36 des Reaktorrohres und die Wand 36' des Fixierrohres können aus Siliciumcarbid
oder aus einem hitzebeständigen Material guter Wärmeleitfähigkeit, wie gewissen
Legierungen auf Grundlage Nickel, oder rostfreiem Stahl bestehen. Die Wände 36 und
36' sind so dünn wie bei den Anforderungen an ihre Festigkeit möglich hergestellt,
um eine möglichst gute Wärmeübertragung von den an diesen Wänden entlang strömenden
Heizgasen zu erzielen.
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Die Verbrennungskammer 30 steht vorzugsweise, aber nicht notwendig
über ein Rohr 37 mit dem oberen Teil der mit feuerfestem Material ausgekleideten
Kammer 38, in der das Fixierrohr 24 in einem Abstand von der Auskleidung angeordnet
ist, so daß ein ringförmiger Schacht 39 entsteht, in Verbindung. Das Rohr
37 führt nahe dem oberen Ende des Schachtes 39 durch einen tangential zu
dem in diesem Schacht 39 angeordneten Einlaß 41, so daß die auf diesem Wege in den
Schacht eintretenden heißen Verbrennungsgase längs eines etwa spiralförmigen Weges
durch diesen Schacht 39 strömen. Die durch den Einlaß 41 eintretenden Gase vermischen
sich mit den durch die mit feuerfestem Material ausgekleidete Überführungsleitung
42, die den Kopf des ringförmigen Schachtes 28 mit dem Kopf des ringförmigen Schachtes
39 verbindet, strömenden Heizgasen, so daß am Einlaßende des Fixierrohres 24 ein
Heizgasgemisch gebildet wird, das eine höhere Temperatur besitzt, als wenn Verbrennungsprodukte
nicht direkt durch den Einlaß 41 aus der Verbrennungskammer 30 in den Schacht 39
geleitet würden. Bei Verwendung des Rohres 37 zur Zuführung von Verbrennungsprodukten
in den oberen Teil des Schachtes 39 nahe dem Einlaßende der Fixierzone in dem Fixierrohr
24 liegt die Temperatur in dem oberen Teil des Schachtes 39, wo die heißen Verbrennungsprodukte
direkt aus der Verbrennungskammer in diesen Schacht eintreten, in
dem
Bereich von 1040 bis 1430° C. Die Temperatur des Heizgasgemisches in dem Gebiet
des Schachtes 39 an dem Einlaß 41 liegt zwischen etwa 28 und 56° C unter der Temperatur
der Heizgase im unteren Teil des Schachtes 28, wo die Verbrennungsprodukte
aus der Verbrennungskammer 30 in den Schacht 28 eintreten.
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Im unteren Teil des Schachtes 39 ist ein Kamin 44 angeordnet, durch
den die Heizgase aus dem ringförmigen Schacht 39 austreten. Dieser Kamin kann zu
einem Boiler zur Verwendung restlicher Wärme (nicht dargestellt) führen.
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Das Reaktorrohr 22 ist an seinem unteren Ende mit einer Beschickungsleitung
45 ausgestattet, durch die die Kohlenwasserstoffbeschickung, beispielsweise Öl,
in den Reaktor eingeführt wird. Durch die Dampfleitung 46 wird Dampf als Trägergas
eingeleitet. Wenn als Kohlenwasserstoffbeschickung Öl verwendet wird und als Produkt
Ölgas erwünscht ist, so wird zweckmäßig Dampf mit einer Temperatur von 180 bis 760°
C verwendet. In einer Anlage, in der geringwertige Schweröle, wie Bunker-C-Öle oder
Crackrückstand, durch Leitung 45 zugeführt werden, wird ein Strömungsregler 47 ähnlich
einem Venturirohr nahe dem Boden des Reaktorrohres 22 unmittelbar unter dem Austrittsende
der Beschickungsleitung 45 geformt. Der Strömungsregler 47 kann aus Carborundumziegelwerk
oder einem anderen geeigneten ausreichend feuerfesten Material bestehen. Er hat
einen zentralen Durchlaß 48 mit unterhalb dieses Einlasses nach außen abgeschrägten
Wänden 49 und oberhalb dieses Einlasses nach außen abgeschrägten Wänden 51.
Dieser Strömungsregler wird verwendet, wenn als Kohlenwasserstoffbeschickung Schweröl
verwendet wird, kann aber auch bei Verwendung von Gasölen als Kohlenwasserstoffbeschickung
verwendet werden. Wenn ein solcher Strömungsregler 47 verwendet wird, so wird in
den unteren Teil des Reaktorrohres 22 unter dem Strömungsregler ein Trägergas eingeleitet.
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In der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform führt eine Leitung 52
mit einem Ventil 53 vom unteren Teil des Schachtes 39 in Leitung 54, die durch den
Eimaß 55 in den unteren Teil des Reaktorrohres 22 eintritt. Ein Ventil 56 regelt
die Strömung durch Leitung 54. Eine Leitung 57 für erzeugtes Gas führt
vom unteren Ende des Fixierrohres 24 in Leitung 54 und ist mit einem Strömungsreglerventil
58 versehen. Wenn erzeugtes Gas als Trägergas verwendet wird, so wird es vom unteren
Teil des Fixierrohres 24 durch Leitung 57 abgezogen und in den unteren Teil des
Reaktors eingeführt, so daß es durch den verengten mittleren Einlaß 48 und von dort
mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit durch die Zone des Reaktors, wo Kohlenwasserstoff
zugeführt wird, strömt und nicht verdampfte Tröpfchen mitreißt und durch den Reaktor
führt, so daß eine vollständige Verdampfung in dem Reaktor gewährleistet und eine
Ansammlung von Ablagerungen im unteren Teil des Reaktors vermieden wird. Wenn das
erzeugte Gas einen verhältnismäßig geringen Energiegehalt haben soll, so werden
als Trägergas Verbrennungsprodukte verwendet. Solche Verbrennungsprodukte werden
vom unteren Teil des ringförmigen Schachtes 39 durch Leitung 52 abgezogen
und strömen durch Leitung 54 und Einlaß 55 in den unteren Teil des Reaktors 20,
von dort durch den Strömungsregler 47, wo sie nicht verdampfte Kohlenwasserstoffpartikeln
mitreißen und durch den oberen Teil des Reaktors führen, so daß die vollständige
Verdampfung des Kohlenwasserstoffs gewährleistet wird.
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Die Anordnung der Ölbeschickung, wie in F i g. 1 gezeigt, bei der
der Hauptteil der Ölbeschickungsleitung 45 unter dem Niveau, an dem die Heizgase
in den ringförmigen Heizschacht 28 eintreten, liegt, verhindert Dampfblockierungen
in der Ölbeschikkung. Diese Anordnung der Beschickungsleitung führt auch zu einer
guten Verdampfung und Einleitung der Spaltungen. Wenn das Öl kontinuierlich und
mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, die von der Kapazität der Anlage abhängt, an
der Stelle maximaler Temperatur in das Reaktorrohr 22, d. h. dort, wo die eintretenden
Verbrennungsprodukte zuerst ihre Wärme an das Reaktorrohr 22 abgeben, zugeführt
wird; erfolgt ein glatter und gleichmäßiger Betrieb in dem Reaktorrohr.
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Das Fixierrohr 24 ist mit einem zusammenhängenden Wärmeübertragungsglied
61 von guter Wärmeleitfähigkeit, nämlich aus Metall, wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem
Stahl oder Nickel, ausgestattet. Dieses Wärmeübertragungsglied 61 stützt sich auf
einem geeigneten Träger 62, der sich von der Wand 36 des Fixierrohres 24 nahe dessen
unterem Ende, d. h. von unmittelbar über dem Niveau des Austritts der Heizgase aus
dem ringförmigen Schacht 39 bis zu einem Niveau 63 nahe dem oberen Ende des ringförmigen
Schachtes 39, wo die Heizgase eintreten, erstreckt. Das heißt, das Wärmeübertragungsglied
61 erstreckt sich über praktisch die volle Länge der Fixierzone in dem Fixierrohr
24.
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In der in den F i g. 1 und 4 gezeigten Ausführungsform besteht das
Wärmeübertragungsglied 61
aus zwei Metallplatten 64 und 65, die im rechten
Winkel zueinander angeordnet sind und jede eine geeignete Dicke, bei Verwendung
von Kohlenstoffstahl beispielsweise eine Dicke von etwa 0,63 cm, besitzen. An Stelle
dieses Wärmeübertragungsgliedes können auch solche, die mehr als zwei sich schneidende
Platten oder anders geformte Wärmeübertragungsglieder, wie weiter unten beschrieben,
enthalten, verwendet werden. Diese Platten stehen in Berührung oder nahezu in Berührung
mit der Innenwand 36' des Fixierrohres 24 und erstrecken sich über den gesamten
Querschnitt der Fixierzone, indem sie diese in vier gleiche, sich praktisch über
die volle Länge der Fixierzone erstreckende Abschnitte unterteilen, wobei der Querschnitt
jedes Abschnittes etwa 90 Bogengrad des gesamten kreisförmigen Querschnittes der
Fixierzone beträgt und jeder Abschnitt durch die zusammenhängenden Wände 64, 65,
die sich an der Längsachse der Fixierzone überschneiden, und der Wärmeübertragungswand
36' des Fixierrohres 22 begrenzt werden. Die Wärmeübertragungsplatten 64 und 65
zeichnen also einen Weg für den übergang von Wärme von der geheizten Wand 36', der
durch die in dem ringförmigen Schacht 39 strömenden Heizgase stetig Wärme zugeführt
wird, zu dem in direktem Wärmeaustausch mit diesen Platten 64 und 65 strömenden
erzeugten Gas vor, so daß durch Leitung, Konvektion und Strahlung über das gesamte
Volumen der Fixierzone, einschließlich des mittleren Teiles dieser Zone, eine gute
Wärmeübertragung erfolgt.
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In der in den F i g. 1 und 4 gezeigten Ausführungsform besteht das
zusammenhängende Wärmeübertragungsglied 61 aus einem zentralen Kern an der
Stelle,
wo die beiden Platten 64 und 65 sich schneiden, und vier sich radial von diesem
Kern erstreckenden Flügeln, von denen je zwei einen Winkel von 90° einschließen
und die als flache gerade Wände ausgebildet sind, aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit
bestehen und sich von dem Kern oder der Achse bis zu der Wärmeübertragungswand 36'
der Fixierzone oder bis nahe an diese Wand erstrecken, wobei die Länge jedes dieser
Flügel praktisch gleich der Länge der Fixierzone ist. Wenn das Material, aus dem
die Wand 36' besteht, ein anderes ist als das, aus dem das zusammenhängende Wärmeübertragungsglied
besteht, so ist es erwünscht, zwischen den Enden der Flügel und der Innenoberfläche
der Wand 36' einen kleinen Abstand oder Spielraum vorzusehen, um der unterschiedlichen
Ausdehnung und Kontraktion, die bei Inbetriebnahme der Anlage, wenn ihre Temperatur
von der der Umgebung auf die Verfahrenstemperatur steigt, erfolgen kann, Rechnung
zu tragen. Wenn das Material des Wärmeübertragungsgliedes dagegen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat wie das der Wand 36', so können die Flügel sich bis zur tatsächlichen Berührung
mit der Innenfläche der Wand 36' erstrecken.
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F i g. 5 zeigt eine modifizierte Form eines Wärmeübertragungsgliedes
61, bei der die Flügel 67 und 68 sich an der Längsachse 69 schneiden und so geformt
sind, daß sie vier spiralförmige Strömungswege für das erzeugte Gas durch die Fixierzone
vorschreiben, wobei jeder der vier Ströme des erzeugten Gases in direktem Wärmeaustausch
mit der Oberfläche der Flügel 67 und 68 strömt. Die Flügel 67 und 68 sind in ihrer
Längsrichtung, d. h. der Richtung der Strömung durch das Fixierrohr 24 spiralig
verdreht.
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In der Modifikation der F i g. 6 weist das Wärmeübertragungsglied
61 Flügel 71 und 72, die sich rechtwinklig schneiden, auf. Die Flächen dieser Flügel
sind aber gebogen und nicht eben und flach wie die des Wärmeübertragungsgliedes
der F i g. 4.
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In F i g. 7 ist eine weitere Modifikation gezeigt, worin das zusammenhängende
Wärmeübertragungsglied 61 eine Spirale 73 aus einem Band aus einem Metall mit guter
Wärmeleitfähigkeit. ist; das so in der Fixierzone angeordnet ist, daß es sich praktisch
über deren ganze Länge erstreckt, wobei zwischen dem Umfang der Spirale und der
Wand 36' ein Abstand vorgesehen ist. Das erzeugte Gas muß also über und durch die
Spirale strömen, so daß ein zusammenhängender Weg für die Wärmeübertragung von der
Wand 36' über den ganzen Querschnitt der Fixierzone vorgesehen ist. Die mittlere
Öffnung 74 der Spirale 73 hat, verglichen mit der Breite des Bandes, aus dem die-Spirale
-besteht, einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser, so daß eine gute Wärmeübertragung
über den ganzen Querschnitt der Fixierzone gewährleistet ist. Wärmeaustauschglieder,
wie die in den F i g. 4, 5 und 6 gezeigten; -die vier in rechten Winkeln zueinander
angeordnete Platten -auf= weisen, können, je nach dein Querschnitt des Fixierrohres,
auch mit einer anderen Anzahl von Platten, gewünschtenfalls bis zu- zwölf Platten,
die gewünschtenfalls gleiche Winkel einschließen, hergestellt werden.
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Bei Betrieb der Anlage von F i g. 1 treten Verbrennungsprodukte aus
der Verbrennungskammer 30 kontinuierlich durch den Einlaß 35 mit einer Temperatur
von 1100 bis 1650° C in den Schacht 28 ein, strömen durch diesen Schacht 28 aufwärts
und dann durch die Überführungsleitung 42 in den oberen Teil des Schachtes 39. Die
Temperatur der in den Schacht 39 eintretenden Gase liegt zwischen 800 und 1300°
C. Nach Vermischen dieser Gase mit weiteren durch den Einlaß 41 zugeführten Verbrennungsprodukten
hat das Gemisch eine Temperatur von 800 bis 1300° C. Die Heizgase strömen durch
den Schacht 39 abwärts und treten durch den Kamin 44 aus der Anlage aus. Die Strömung
der Heizgase erfolgt natürlich kontinuierlich.
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Öl oder eine andere Kohlenwasserstoffbeschickung wird durch Leitung
45 zugeführt. Gleichzeitig wird das Trägergas, vorzugsweise Dampf, durch Leitung
46 zugeführt. Das Trägergas kann aber auch aus Verbrennungsprodukten bestehen, die
durch Leitung 52 abgezogen und durch Einlaß 55 in den unteren Teil des Reaktorrohres
22 eingeleitet werden, oder aus erzeugtem Gas, das durch Leitung 57 vom unteren
Teil des Fixierrohres 24 abgezogen und durch Einlaß 55 in den unteren Teil des Reaktorrohres
22 eingeleitet wird, oder aus einem Gemisch von Dampf und entweder Verbrennungsprodukten
oder erzeugtem Gas. Das Öl oder die sonstige Kohlenwasserstoffbeschickung wird im
unteren Teil des Reaktors, wo die Temperatur zwischen 650 und 900° C liegt, verdampft.
Das Trägergas führt die so erzeugten Dämpfe und gegebenenfalls noch unverdampftes
Material durch das Reaktorrohr 22. Öl wird zweckmäßig unter einem Druck von
3,5 bis 14 kg/cm2 eingeleitet. Die eingeführte Menge hängt natürlich von der Kapazität
der Anlage und dem erwünschten Energiegehalt des erzeugten Gases ab. An Stelle von
Öl oder zusammen mit dem Öl können gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie Propan, Butan,
Pentan, Gemische von diesen oder leichtere Kohlenwasserstofffraktionen, wie H-Treibstoff,
d. h. ein aus Hexanen und Heptanen mit verzweigten Ketten bestehender Treibstoff,
durch die Beschickungsleitung 45 eingeführt werden. Die Kohlenwasserstoffdämpfe
und die Gase strömen also in gleicher Richtung wie die durch den Schacht 28 strömenden
Gase nach oben durch das Reaktorrohr 22, d. h., die Kohlenwasserstoffbeschickung
wird an der Stelle zugeführt, wo die Temperatur der Heizgase am höchsten ist. Weil
durch die Verdampfung und das Cracken Wärme verbraucht wird, wird die größte Wärmemenge
an der Stelle zugeführt, wo die Umsetzungen einsetzen, und der Temperaturgradient
des durch das Reaktorrohr 22 strömenden Kohlenwasserstoffgases weist in die gleiche
Richtung wie der der durch den Heizschacht 28 strömenden Heizgase. Das in dem Reaktorrohr
22 erzeugte Gas strömt durch die Überführungsleitung 23 in den oberen Teil des Fixierrohres
24 und von dort über das zusammenhängende Wärmeaustauschglied 61 in gleicher Richtung
wie die durch den Schacht 39 strömenden Heizgase nach unten, wobei die Heizgase
die zur Fixierung des erzeugten Gases erforderliche Wärme über die Wand 36' an die
Fixierzone abgeben. Dadurch wird das erzeugte Gas am Einlaßende der Fixierzone den
höchsten Temperaturen, die in dem Heizschacht 39 herrschen, ausgesetzt, und das
erzeugte Gas strömt durch die Fixierzone in gleicher Richtung wie die Heizgase durch
den Schacht 39. Bei dieser Strömungsanordnung und durch die Verwendung des zusammenhängenden
Wärmeübertragungsgliedes guter Wärmeleitfähigkeit erfolgt eine
wirksame
Fixierung des erzeugten Gases. Das ergibt sich daraus, daß die Öle und Teere, die
aus dem erzeugten Gas auskondensieren, wenn dieses den üblichen Gasreinigungsbehandlungen
unterworfen wird, nach Art und Beschaffenheit praktisch die gleichen sind wie diejenigen,
die bei Anwendung des üblichen Verfahrens mit abwechselnden Blas- und Erzeugungsperioden
und bei Zufuhr von so viel Wärme zu dem Ziegelwerk in der Fixierzone für das erzeugte
Gas, daß eine optimale Fixierung erzielt wird, erhalten werden.
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Es wird also ein Gas gleicher Qualität wie nach diesen bekannten Verfahren
erhalten. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht aber eine kontinuierliche
Durchführung eines solchen Verfahrens, so daß eine Anlage gegebener Größe eine beträchtlich
größere Kapazität besitzt.
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F i g. 2 ist eine schematische Darstellung einer modifizierten, kontinuierlich
zu betreibenden Gaserzeugungsanlage gemäß der Erfindung. In dieser Anlage ist ein
Reaktorrohr 80 durch eine in ihrem unteren Teil angeordnete Überführungsleitung
81 mit einem Fixierrohr 82, in dem ein zusammenhängendes Wärmeübertragungsglied
83 der oben beschriebenen Art angeordnet ist, verbunden. Die Kohlenwasserstoffbeschickung
wird in der Nähe des oberen Endes des Reaktorrohres 80 durch eine Leitung 84 eingeführt.
Das Reaktorrohr 80 wird durch Heizgas, das kontinuierlich durch den ringförmigen
Heizschacht 85, der von einer mit feuerfestem Material ausgekleideten Kammer gleich
der Kammer 21 von F i g. 1 gebildet wird, strömt, geheizt. Das Heizgas strömt vom
unteren Teil des ringförmigen Schachtes 85 durch die Überführungsleitung 86 in den
ringförmigen Schacht 87, der das Fixierrohr 82 umgibt. Der Schacht 87 kann durch
eine mit feuerfestem Material ausgekleidete Kammer gleich der Kammer 38 von F i
g. 1 gebildet sein. Der Schacht 87 weist einen Kamin 88 auf. Durch Leitung 89 wird
Trägergas in das Reaktorrohr 80 eingeleitet, und von dem Fixierrohr 82 wird durch
Auslaß 91 erzeugtes Gas abgezogen. Heiße Verbrennungsprodukte werden durch den Einlaß
90 in das Einlaßende des Schachtes 85 eingeleitet.
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Auch in der Anlage der F i g. 2 strömt das Heizgas durch den ringförmigen
Schacht 85 in der gleichen Richtung wie die Kohlenwasserstoffbeschickung und das
aus dieser erzeugte Gas durch das Reaktorrohr 80, und die Stelle der Einleitung
der Kohlenwasserstoffbeschickung in das Reaktorrohr 80 liegt am Einlaßende
des Schachtes 85 für die Heizgase, wo diese ihre maximale Temperatur besitzen.
Die Strömung durch das Fixierrohr 82 erfolgt aufwärts und in gleicher Richtung wie
die Strömung der Heizgase durch den ringförmigen Schacht 87.
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In der in F i g. 3 schematisch gezeigten Modifikation, sind Reaktions-
und Fixierzone innerhalb des gleichen Mantels 92 angeordnet. Die Kohlenwasserstoffbeschickung
wird durch eine Leitung 94 in die Reaktionszone 93 eingeführt. In der Fixierzone
96 ist ein zusammenhängendes Wärmeübertragungsglied 95 angeordnet. Sowohl die Reaktionszone
93 als auch die Fixierzone 96 stehen über die Wand 97, die aus einem Material guter
Wärmeleitfähigkeit besteht, im Wärmeaustausch mit einem ringförmigen Schacht 98,
in dessen oberes Ende durch einen Einlaß 99 Heizgas eingeführt wird. Das Heizgas
strömt vom unteren Ende des ringförmigen Schachtes 98 in einen Kamin 101. Das obere
Ende der Reaktionszone 93 weist einen Gaseinlaß 102 und das untere Ende der
Fixierzone 96 einen Gasauslaß 103 auf.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsforrri werden also Kohlenwasserstoffbeschickung
und Trägergas in den oberen Teil der Reaktionszone 93 eingeleitet. Die gebildeten
Dämpfe und Gase strömen durch diese Zone nach unten, wobei sie von dem Trägergas
durch diese Reaktionszone und die das zusammenhängende Wärmeübertragungsglied 95
enthaltende Fixierzone 96 gespült werden und das fixierte Gas durch den Auslaß 103
austritt. Das Heizgas tritt bei 99 in die Anlage ein und strömt durch den ringförmigen
Schacht 98 in gleicher Richtung wie die Gase in der Reaktionszone 93 und der Fixierzone
96 nach unten, und die verbrauchten heißen Gase treten durch den Schacht 101 aus
der Anlage aus.
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Die in F i g. 3 gezeigte Anlage kann in der Weise umgekehrt werden,
daß die Fixierzone über der Reaktionszone angeordnet ist, so daß die Heizgase durch
den ringförmigen Schacht 98 vom Boden zum oberen Ende des beiden Zonen gemeinsamen
Mantels statt vom oberen Ende zum Boden, wie in F i g. 3 gezeigt, strömen. In jedem
Fall strömen die Heizgase durch die ringförmigen Heizschächte in der gleichen Richtung
wie die Dämpfe und Gase durch Reaktionszone und die Fixierzone. Die Fixierzone enthält
natürlich ein zusammenhängendes Wärmeübertragungsglied, das sich über deren volle
Länge erstreckt und die erforderliche Wärmemenge von den kontinuierlich strömenden
Heizgasen über die die Fixierzone begrenzende Wand an die durch die Fixierzone strömenden,
teilweise geerackten Dämpfe und Gase überträgt. Die Anlage von F i g. 3 kann auch
in der Weise modifiziert werden, daß ihre Achse nicht, wie dargestellt, vertikal,
sondern horizontal verläuft. -In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Verfahren,
wie folgt, durchgeführt.
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Es wurde eine Vorrichtung der in F i g. 1 der Zeichnungen veranschaulichten
Art verwendet. Reaktorrohr 22 und Fixierrohr 24 hatten einen Innendurchmesser
von 40 cm, und beide hatten eine Länge von etwa 2,58 m. Als Öl wurde H-Treibstoff
verwendet und unter einem Druck von 11,25 kg/cm2 in den Einlaß 45 im unteren
Teil des Reaktors eingeleitet. Die Zufuhrgeschwindigkeit betrug 9,51 Öl je Minute.
Als Trägergas. wurde Dampf mit einer Temperatur von 370° C in einer Menge von 68
kg/Std. verwendet.
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Durch Verbrennen eines Gases mit einem Heizwert von 4628 kcal/ms mit
einer Geschwindigkeit von 45001/Min. wurden in der Verbrennungskammer Verbrennungsprodukte
erzeugt. Die Temperatur der Verbrennungsprodukte betrug am unteren Ende des Schachtes
28 1315° C und am oberen Ende dieses Schachtes 915° C. Die Temperatur der vermischten
Heizgase am oberen Ende des Fixierrohres 24, d. h. in der Gegend des Einlasses 41
betrug 1230° C und die der Heizgase am unteren Ende des Schachtes 39 924° C. Die
Temperatur im Reaktor 22 betrug an der Stelle der Ölzufuhr 760° C und am oberen
Ende des Reaktorrohres
22 732° C. Die Temperatur im Fixierrohr 24 am unteren
Ende des zusammenhängenden Heizgliedes 61 betrug 796° C und die am Auslaßende des
Ableitungsrohres 25 aus der Fixierzone 540° C.
Auf diese Weise wurde
ein Gas mit einem Heizwert von 11392 kcal/ms, einer Dichte von 0,81, bezogen auf
Luft, und der folgenden Zusammensetzung in einer Menge von 467 ms/Std. erzeugt.
| HZ ' ' ' * * ' * « * » ' * 150/0 |
| CO ............ 4o/0 |
| CH4 . . . . . . . . . . . 40,/o |
| C2H4 . . . . . . . . . . 261/o |
| C2Hg . . . . . . . . . . 4% |
| CsS ........... 61/o |
| C4S ........... 10/0 |
| CSS ........... 41/o |
| C02 ........... O1/0 |
| N 2 ............. 0o/0 |
Die aus diesem Gas kondensierten öle und Teere waren gleich denen aus einem brennbaren
Gas, das nach einem üblichen Verfahren mit abwechsenden Blas- und Erzeugungsperioden
unter Verwendung der gleichen Kohlenwasserstoffbeschickung erhalten wurde. Daraus
ist ersichtlich, daß die Fixierung des erzeugten Gases in der kontinuierlich arbeitenden
Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgezeichnet war.