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Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung :; einen Rußreaktor Die
Erfindung betrifft eine Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung für einen langgestreckten,
im wesentlichen rohrförmigen Rußreaktor, dessen stromaufwärtiges Endteil die Anordnung
konzentrisch aufnimmt, welche eine Yittelrohr zum Einleiten von Einsatzgut in den
Reaktor aufweist, ferner eine den äußeren Teil der Anordnung bildende Einrichtung
zum Einleiten von Brennstoff in den Reaktor unter Verteilung rund um das stromabwärtige
Ende des Mittelrohrs iind oine Einrichtung zum Einleiten von Verbrennungsluft in
den Reaktor.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von Ruß durch Einspritzen
eines geeigneten Kohlenwasserstoff-Einsatz gutes in eine langgestreckte Reaktions-
oder Yerbrennungs kammer, die auf hoher Temperatur befindliche Flammen und Gase
enthält und schafft insbesondere eine neuartige Anordnung mit einem wassergekühlten
Brenner und einer Einsatzguteinspritzeinrichtung. Diese Anordnung dient zum Verbrennen
eines gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffs als Brennoff und damit zum Erzeugen
der Wärme, die für die Pyrolyse des Einsatzgutes zu Ruß erforderlich ist.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung gegenüber dar Anordnung
gemäß der USA-Patentschrift 3 443 761 u>1 soll erreichen, daß eine Beschädigung
der Einsatzgutdüse und des axialen Luftrohrs verhindert oder doch weitgehend vermieden
wird. In der früheren Anordnung nach der genannten Patentschrift kann eine derartige
Überhitzung auftreten, wenn die Einsatzgutdüse und das axiale Luftrohr aus nachstehend
angegebenen Gründen in den Reaktor vorgeschoben werden.
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Bei einer Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung der eingangs
genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein doppelwandiger, kreisförmiger
Kühlmantel das Mittelrohr umgibt und mit seinem stromabwärtigen Ende gegenüber dem
Reaktor an einer Stelle abgedichtet ist, die mit dem stromabwärtigen Ende des Mittelrohrs
annähernd bündig ist, daß sich ein Rohrstück in dem Kühlmantel bis zu einer Stelle
erstreckt, die in geringem Abstand stromaufwärts von dem abgedichteten Ende des
Kühlmantels liegt, daß zum Einleiten bzw. Abziehen eines Kühlmittels in den äußeren
Teil des Kühlmantels eine Leitung zwischen dem Rohrstück und der Außenwand des Eühlmantels
sowie zum Abziehen bzw. Einleiten des Kühlmittels aus dem inneren Teil des Kühlmantels
eine Leitung vorhanden ist, und daß innerhalb des Kühlmantels zum Verwirbeln des
Eühlmittels eine Verwirbelungseinrichtung angeordnet ist.
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Man hat zwar bereits wassergekühlte Rußbrenner vorgeschlagen, wie
beispielsweise in den USA-Patentschriften 2 659 662, 2-895 804, 3 003 854 und 3
490 869 dargestellt.
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Die Anordnungen gemäß diesen Patentschrif-ten unterscheidea sich jedoch
hinsichtlich der Ausbildung der Brenner und des Verfahrens zur Wasserkühlung in
nacateiliger Weise von der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung für
einen Rußreaktor hat demgegenüber einen Kühlamantgel, der das zentrale Buftrohr
umgibt, das seine seits das zentrale Einsatzgutrohr schließt. Eine Einrichtung zum
Verwirbeln des umgewälzten Kühlmittels ist in åenem Teil des Kühlmantels vorgesehen,
welcher der stärksten Verbrennungswärme ausgesetzt ist. Der Kühlmantel besitzt vorzugsweise
eine außerhalb des Reaktors in der Nahe des stromaufwärtigen Endes der Anordnung
vorgesehene Dehnungs -fuge.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
In dieser zeigt: Fig. 1 eineAnsicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform
der Brenner- und Einsatzguteinsprit zanordnung nach der Erfindung; Fig. 2 eine Seitenansicht,
teilweise im Schnitt, einer Ausführungsform eines mit der Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung
gemäß der bevorzugten Ausführungsform versehenen Rußreaktors; und Fig. 3 eine Seitenansicht
teilweise im Schnitt, einer anderen Bauart eines Rußreaktors mit der bevorzugten
Ausführungsform der Bronner- und Einsatz gut einsprft zanordnung.
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Anhand der Fig. 1 sei zunächst die Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung
1 beschrieben. Das Einsatzgut wird durch das Mittelrohr 2 zugeführt, das in dem
Axialrchr
3 verschiebbar gelagert und gegenüber diesem durch geeignete
Stopfbuchsen abgedichtet ist, die sich in dem Verschluß 4 befinden. An seinem stromabwärtigen
Ende ist das Mittelrohr 2 mit einer geeigneten Sprühdose 5 versehen, die für Jede
geeignete handelsübliche Düse verwendet werden kann.
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Am stromaufwärtigen Ende des Axialrohrs 3 kann ein Rohr 3a zum Einleiten
von Luft in den Ringraum zwischen dem Mittelrohr und dem Axialrohr vorgesehen sein,
damit kein Einsatzgut in diesen Ringraum gelangen kann. Die Spitze der Düse 5 ist
mit dem Austrittsende des Axialrohrs 3 annähernd bündig.
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Das Rohr 6, das Axialrohr 3, das Rohrstück 7 und die Endplatte 8
bilden einen Kühlmantel, durch den ein Kühlmittel strömen kann, das vorzugsweise
durch das Rohr 9 ein- und durch das Rohr 10 austritt, jedoch auch umgekehrt durch
das Rohr 10 ein- und durch das Rohr 9 austretend geführt sein kann.
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Der Ringraum zwischen dem Rohrstück 11 und dem Rohr 12 stellt einen
Kanal für einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff z.B.
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Brenngas, dar. Dieser Brennstoff wird durch das Rohr 13 eingeleitet
und tritt durch die Ausnehmung 14 in den Reaktor ein, in dem er in der dargestellten
Weise mit der Verbrennungsluft in Berührung gelangt.
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Es ist eine Leitschnecke 15 eingebaut,die das Kühlmittel verwirbelt,
den Wårmetausch verbessert und so eine Bildung von zu Beschädigungen führenden,
überhitzten Stellen verhindert.
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Diese Leitschnecke 15 hat insbesondere die dargestellte Anordnung
und Ausbildung, so daß sie auch als Abstandhalter fungiert. Obgleich es bevorzugt
wird, die Leitschnecke 15 wie gezeichnet zwischen dem Rohr 6 und dem Rohrstück 7
anzuordnen, könnte sie auch zwischen dem Axialrohr 3 und dem Rohrstück 7 angeordnet
werden.
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An den Rohren 11 und 12 ist eine kreisforuige Scheibe 18 starr befestigt,
die vor allem den Zweck hat, im Betrieb ein Ausblasen der Flamme zu verhindern.
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Mit Hilfe des Verschlusses 19 ist das Rohr 6 in der Anordnung verschiebbar
gelagert, so daß die ganze aus dem Mittelrohr 2 und dem Mantel bestehende Anordnung
in den Reaktor vorgeschoben werden kann, bis sich die Einsatzgutdüse 5in ihrer normalen
Stellung an einer vorbestimmten Stelle stromabwärts von der Düse 18 in dem Reaktor
befindet.
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Infolge dieser Einstellbarkeit der Einsatzgutdüse in dem Reaktor
kann man einen Ruß mit einer optimalen Verstärkungswirkung und der gewünschten Korngröße
erhalten.
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Von der Verstärkungswirkung des Rußes sind seine Farbkraft und seine
Abriebfestigkeit abhängig. Innerhalb von bestimmten Grenzen sind Farbkraft und Abriebfestigkeit
des erhaltenen Rußes umso höher rund ist seine Korngröße um so kleiner, je weiter
die Einsatzgutdüse 5 in den Reaktor vorsteht. Die Anordnung des Kühlmittelmantels
3, 6 bis 8 ermöglicht eine Veränderung dieser Eigenschaften in einem größeren Bereich,
weil die Einsatzgutdüse .5 weiterhin die Brermzone eingefahren werden kann, ohne
daß das Axialrohr 3 und die Düse 5 verbrennen.
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Fig. 2 und 3 zeigen die bevorzugte Anordnung der Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung
im stromaufwärtigen Endteil eines langgestreckten rohrförmigen Rußreaktors 20. Die
Anordnung ist in dem Reaktor vorzugsweise verschiebbar angeordnet, damit die Anordnung
in dem Reaktor in die Stellung gebracht werden kann, in der entsprechend der Form
des Reaktors und der Gesamtcharge aus Brennstoff und sauerstoffhaltif;em Gas eine
optimale Verbrennung erhalten wird.
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Die Ausbildung des langgestreckten, rohrförmigen Rußreaktors ist
für die Anwendung der Erfindung bricht kritisch, doch wird die in Fig. 2 gezeigte
Anordnung zum Erzeugen von Ruß zur Verwendung in den Lauf flächen von Luftstreifen
bevorzugt. Man kann aber den Reaktor gemäß Fig. 3 verwenden, der zur Erzeugung von
Ruß für die Karkasse von Luftstreifen dient.
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Gemäß Fig. 2 strömt vorerwärmte Luft durch den Ringraum 21 zwischen
dem Außenrohr 22 und dem Innenrohr 23.
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Teile dieser Luft treten durch Schlitze 24 in der Einrichtung 25 zum
Einleiten der Verbrennungsluft in das Innere des Reaktors Ein anderer Teil der Verbrennungsluft
gelangt durch die ringförmige Öffnung 26 in den Reaktor 20. Das stromabwärtige Ende
des Reaktors kann Jede geeignete Ausbildung haben, z.B. gemäß Fig. 1 der USA-Patentschrift
3 256 065 oder Fig. 1 der USA-Patentschrift 3 256 066.
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In den Reaktor gemäß Fig. 3 tritt die Verbrennung3-luft in der dort
gezeigten Weise ein. Das stromabwärtige Ende des Reaktors gemäß Fig. 3 kann in Jeder
geeigneten Weise ausgebildet sein, z.B. genuß Fig 1 der USA-Patentschrift 2 976
127.
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Vorstehend wurde anhand der Zeichnung erläutert, daß die erfindungsgemäße
Anordnung eine Einrichtung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffs schafft.
Man erkennt jedoch, daß verschiedene Brennstoffe und/oder Einrichtungen zum Einleiten
von Brennstoff vorgesehen werden können. Beispielsweise kann man zusammen mit der
einen Doppelmantel aufweisenden Baugruppe gemäß der Erfindung auch eine früher vorgeschlagene
blbrenner- und Einsatzguteinspritzanordnung
(USA-Patentanmeldung
Ser.No. 59 961) verwenden.
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Wenn die aus dem Mittelrohr 2 und dem Doppelmantel bestehende Baugruppe
gemäß Fig.1 in den Brenner zurúckgezogen ist, braucht man keine Wasserkühlung. Je
weiter dagegen diese Baugruppe in den Reaktor vorsteht, desto wichtiger wird das
Umwälzen des Kühlwassers und desto größer wird die erforderliche Kühlwassermenge.
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Beispiel 1 In der nachstehenden Tabelle 1 sind Betriebsbedingungen
angegeben, die in einer Versuchsanlage in einem mit der Brenner- und Einsatzguteinspritzanordnung
gemäß Fig. 1 versehenen Reaktor im wesentlichen gemäß Fig. 2 bei Dauerbetrieb mit
gutem Erfolg angewendet wurden. Das als Eühlmittel verwendete Wasser wurde zum Abkühlen
durch einen graftfahrzeugkühler geführt und dann wieder in den Kühlmantel geführt.
Als Brennstoff wurde Erdgas verwendet. Das Luft-Gas-Verhältnis betrug etwa 14,5:1
und die Gesamt-Verbrennungsluftmenge etwa 5700 Nm3/h. Äls Einsatzgut würde ein übliches
Rußöl verwendet, das aus einem hocharomatischen Pyrolyse-Teer (thermal tar) bestandt.
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Tabelle I Versuch-Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Qualität HAF HAF HAF HAF-HS
HAF-HS SAF SAF SAF ISAF ISAF Ausladung1), cm 56 91 107 41 86 74 102 107 51 102 Kühlmitteltemp.
°C - - - 43 88 58 84 - 42 90 Eintrittstemperatur Austrittstemperatur 57 96 119 60
93 61 107 116 48 95 Kühlmittelumwälzmenge, l/min 45,4 45,8 42 - - - 45,4 45,4 -
-Kühlmitteldruck kp/cm² 2,2 2,7 3,4 2,5 4,8 4,9 2,3 2,7 - 4,9 Umgebungstemperatur
°C 13 22 21 31 37 37 35 11 13 7 34 Jodzahl 89 85 68 91 90 140,1 146 114 116,3 122,0
DBP 123,8 122,4 122,3 153,9 121,3 113,4 116 116,6 125,4 113,0 1) Abstand von der
Scheibe 18 zur Spitze der Düse 5
Beispiel 2 Aus den nachstehenden
Tabellen II und III geht der Einfluß der Ausladung auf verschiedene Eigenschaften
des im Versuchsbetrieb erhaltenen Rußes hervor. Dabei wurde als Kühlmittel wie im
Beispiel 1 Wasser umgewälzt. Als Brennstoff wurde Erdgas verwendet. Das Luft-Gas-Verhältnis
betrug etwa 15:1 iuid die Gesamt-Verbrennungsluftmenge etwa 5700 Nm3/h. Als Einsatzgut
wurde ein übliches Rußöl verwendet, das aus einem hocharomatischen Pyrolyse-Teer
mit einem spezifischen Gewicht (nach API) von 3,3 bestand Tabelle II HAF-HS, Versuch
Nr. 1028 A B C D Ausladung, cm 127 97 66 36 Kühlmitteltemp., °C Eintrittstemp. 83
59 70 61 Austrittstemp. 93 66 75 64 Kühlmittelumwälzmenge l/min 148 148 148 148
Kühlmitteleintrittsdruck kp/cm 5,2 5s0 5,0 5,1 Umgebungstemperatur 0C 36 31 34 39
Einsatzölmenge, l/min bei 15,5 C 840 870 875 870 Zum Einsatzgut zugesetztes Kalium
zur Beeinflussung des DBP, ppm - - 2 5 Jodzahl 89,5 90,5 88,5 89,5 DBP-Absorption
118,2 121,2 121,2 121,1
Anmerkung: In den Versuchen A und B wurde
der Kühler mit Wasser besprüht, um die Abkühlung des aus dem Kühlmantel kommenden
Wassers vor seiner Wiederverwendung zu unterstützen.
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Tabelle III ISAF-HM Versuch Nr. 1029 3 B C D Ausladung, cm 127 97
66 Kühlmitteltemp., °C Eintrittstemp. 85 67 71 52 Außtrittstemp. 94 75 75 55 Kühlmittelumwälzmenge,
l/min 148 148 148 148 Kühlmitteleintrittsdruck, kp/cm 5,3 5,1 5,1 5,1 Umgebungstemperatur,
oc 37 37 32 31 Einsatzölmenge,l/min, bei 15,5 °C 690 790 720 680
Tabelle
III (Fortsetzung) A B C D Zum Einsatzgut zugesetztes Kalium zur Beeinflussung des
DBP, ppm - 5,0 2,4 15,0 Jodzahl 119,5 123,5 124,5 123,5 DBP-Absorption 112,6 115,3
116,4 114,2 Anmerkung: In den Versuchen A und B wurde der Kühler mit Wasser besprüht,
um die Abkühlung des aus den Kühlmantel kommenden Wassers vor seiner Wiederverwendung
zu unterstützen.
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Beispiel 3 In der nachstehenden Tabelle IV sind Betriebsbedingungen
angegeben, die bei der großtechnischen Erzeugung von HAF-Ruß in einem mit der Brenner-
und Einsatzgutdinspritzanordnung nach Fig. 1 versehenen Reaktor im wesentlichen
gemäß Fg. 2 angewendet wurden. Als Kühlmittel wurde Wasser unter einem Druck von
3,2 bis 3,9 kp/cm2 und mit einer Eintrittstemperatur von etwa 49 bis 52 0C und einer
Austrittstemperatur von etwa 61 bis 63 °C verwendet. Vor dem Wiederverwenden in
dem Kühlmantel wurde das Wasser in einem Wärxetauscher gekühlt. Als Brennstoff wurde
Erdgas verwendet.
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Das Luft-Gas-Verhältnis betrug etwa 15:1 und die Verbrennungsluftmenge
etwa 6800 Nm9/h. Das Einsatzgut war ein übliches Rußöl, das aus einem hocharomatischen
Pyrolyse-Teer bestand.
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Tabelle IV Vetsuch Nr. 1 2 3 4 5 6 7 Ausladung, cm , 61 71 81 91
102 112 123 Einsatzölmenge, vt/h 1180 1150 1140 1120 1120 1100 1095 Jodzahl des
frei rieselfähigen Rußes 83 83 85 85 82,5 95 85 Ohne Wasserkühlung verbrennen die
Düse 5 und das Axialrohr 3 in wenigen Stunden oder sogar Minuten, wenn die Ausladung
größer ist als etwa 50 cm. Bei Verwendung des wassergekühlten Mantels kenn man mit
den in den vorstehenden Tabellen angegebenen Ausladungen fast unbegrenzt lange arbeiten.
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Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der
Erfindung können im Bedarfsfalle abgeändert werden. Sämtliche- aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung
einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räunlicher Anordnungen und Verfahrensschritten,
können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.