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DE2362032C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gas mit einem Heizwert von über 4,2 MJ/m↑3↑ - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gas mit einem Heizwert von über 4,2 MJ/m↑3↑

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DE2362032C2
DE2362032C2 DE2362032A DE2362032A DE2362032C2 DE 2362032 C2 DE2362032 C2 DE 2362032C2 DE 2362032 A DE2362032 A DE 2362032A DE 2362032 A DE2362032 A DE 2362032A DE 2362032 C2 DE2362032 C2 DE 2362032C2
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DE
Germany
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carburizing
cooled
gas
zone
agent
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DE2362032A
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Godfried Johan Van Den Berg
Frank Karl Gerardus 's-Gravenhage Ouwerschuur
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Shell Internationale Research Maatschappij BV
Original Assignee
Shell Internationale Research Maatschappij BV
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Publication date
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    • C10J1/00—Production of fuel gases by carburetting air or other gases without pyrolysis
    • C10J1/213—Carburetting by pyrolysis of solid carbonaceous material in a carburettor
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Description

65
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gases mit einem spezifischen Heizwert von über 4,2 MJ/rn3, unter Normalbedingungen, durch unvollständige Verbrennung eines Brennstoffs bei einer Temperatur über 1000° C, Karburieren des erhaltenen Heißgases mit einem Kohlenwasserstoff als Karburiermittel bei einer Temperatur von etwa 700 bis 1100° C und anschließendem Hydrieren der gebildeten ungesättigten Verbindungen.
Bei der unvollständigen Verbrennung von Brennstoffen wie schwerem Heizöl, Erdöldestillaten oder -rückständen, flüssigen, rußhaltigen BrennstoJen oder Schlammkohle wird bei Temperaturen von über 1000° C ein Gas erhalten, das im wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält Bei solchen Verfahren entsteht unvermeidlich etwas Ruß und dieser bleibt im Heißgas suspendiert
Das so hergestellte Gas weist einen relativ geringen spezifischen Heizwert (unter Normalbedingungen) von normalerweise 4,2 bis 12,6 MJ/m3 auf. Zur Verwendung als Stadtgas wird jedoch im allgemeinen ein Heizwert von mehr als 21 MJ/m3 gefordert Die notwendige Erhöhung des Heizwertes wird gewöhnlich durch Karburieren dieses Gases mit einem relativ leichten Kohlenwasserstoff (Karburiermittel) vorgenommen. Durch Pyrolyse des Karburiermittels entstehen Methan und ungesättigte Produkte, die dann hydriert werden. Erforderlichenfalls kann in das Gas vor, während oder nach dem Karburieren Dampf eingeleitet werden, um die Rußbildung zu ■vermeiden oder im wesentlichen zu unterdrücken.
Das karburierte und hydrierte Produktgas wird gekühlt beispielsweise auf eine Temperatur, bei der der Ruß und eventuell vorhandener Schwefelwasserstoff entfernt werden können oder bei der eine katalytische Umwandlung des Kohlenmonoxids oder eine katalytische Methanisierung durchgeführt werden kann. Dann wird das Produktgas weiter gekühlt um die noch beträchtliche Menge an fühlbarer Wärme des Produktgases zur Herstellung von Hochdruckdampf zu nutzen.
Beim Karburieren von Gasen liegt ein Problem darin, wie das Karburiermittel in das Heizgas eingeleitet wird. Beim bisher üblichen Einspritzen zeigte sich, daß ein kleiner Teil des flüssigen Karburiermittels über den Rand der Einspritzdüse und in einen Bereich strömt in dem wenig Wasserstoff und viel Karburiermittel vorhanden sind. Dies führt zu einem pyrolytischen Cracken und zu einer Ansammlung von Feststoffen. Es ist nicht ganz sicher, ob dieses verkokte Öl, d.h. Kohlenstoff, oder Teer oder gummiartige Substanzen mit sehr hohem Molekulargewicht und hohem Kohlenstoffgehalt sind. Line andere Möglichkeit wäre die Polymerisierung von ungesättigten Verbindungen. Die Abscheidungen werden in der Karburierzone unmittelbar neben und an der Einspritzdüse für das Karburiermittel gefunden und sollen periodisch entfernt werden. Dies erfordert, daß das ganze Verfahren bzw. der ganze Betrieb gestoppt wird, verbunden mit dem ganzen Kostenaufwand für Betriebsausfall und Wartungsarbeiten. Durch diese Ansatzbildung kann es auch zu einer beträchtlichen Verminderung des Durchmessers der Karburierzone kommen. Die Folge davon ist ein ungebührlicher Druckanstieg im Vergasungsreaktor.
Als Karburiermittel hat man bisher, vergleiche J. Schmidt, »Technologie der Gaserzeugung«, Band II, 1966, Seite 168, in erster Linie Karburieröl oder Gasöl verwendet. Dabei handelt es sich um Erdölfraktionen mit einem C/H-Verhältnis von 6,65 und einer Dichte von etwa 0,85 g/cm3. Aus Kostengründen bevorzugt man schwere Heizöle, Leichtbenzine sowie Flüssiggas und
Raffinerie- und Erdgas. Auch ist es bekannt, durch die Wand der Karburierzone das Karburiermittel mit Hilfe von Düsen direkt in den Gasstrom einzubringen bzw. mittels gekühlter Düsenstücke zu versprühen (US-PS 9 92 944).
Aufgabe der Erfindung ist nun die Herstellung eines als Stadtgas verwendbaren Gases mit einem spezifischen Heizwert von mehr als 4,2 MJ/m3 durch Karburieren und Hydrieren eventuell gebildeter ungesättigter Verbindungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Karburierrnkiel durch Überleiten über gekühlte Teile einer Karburierzone in dünner Schicht unter der Cracktemperatur hält
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird die Karburierung des Gases nicht nachteilig beeinflußt und die Koksabscheidung weitestgehend zurückgedrängt Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Karburiermittel mit einer Geschwindigkeit in die Karburieirone eingeleitet, die wesentlich unter der beim Einspritzen mittels einer Einspritzdüse liegt Beim Einspritzen muß der Druck des Karburiermittels über dem in der Karburierzone herrschenden Druck liegen und das Karburiermitiei muß die Einspritzdüse mit beträchtlicher Geschwindigkeit verlassen. Diese Geschwindigkeiten lagen in der Größenordnung vsn 1 bis 3 m/s für das Gas und 10 bi:. 40 m/s für das Karburiermittel. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die zulässige Verweilzeit üblicher Karburiermittel bis zu 20 s, vorzugsweise nicht weniger als 0,1 s und nicht mehr als 1 s innerhalb der Karburierzone. 3c Innerhalb dieses Bereichs der Verweilzeit ist die Gefahr der Überschreitung der Cracktemperatur gering.
Die Karburierung erfolgt erfindungsgemäß, indem das Karburiermittel in die Karburierzone in einer dünnen Schicht um einen gekühlten Rand geleitet wird, entlang dem das heiße Gas aus dem Vergasungsreaktor strömt Dabei wird das Karburiermittel von dem Gas aufgenommen und dieses nur im allerletzten Augenblick abgekühlt Weil das Karburiermittel um den Rand kriechen muß, kommt es mit dem strömenden Gas nicht eher in Berührung, so daß die Temperatur des Karburiermittels in einfacher Weise niedrig gehalten werden kann.
Um eine allmähliche Aufnahme des Karburiermittels durch das heiße Gas zu erreichen und die Bildung von 4s Ansätzen weitestgehend zu verhindern, wird das Karburiermittel vorzugsweise in dünner Schicht über eine gewisse Strecke längs einer gekühlten Wand, an der das heiße Gas strömt, geleitet. In diesem Fall endet die gekühlte Wand in einem scharfen Übergang, wobei das Karburiermittel teilweise durch das heiße Gas auf seinem Weg entlang der gekühlten Wand aufgenommen und der Rest am scharfen Übergang aufgenommen wird. Es ist uarauf zu achten, daß die Geschwindigkeit des Karburiermittels während der Berührung mit dem heißen Gas nicht zu hoch ist. Die Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases in der Karburierzone beträgt vorzugsweise 10 bis 1200 m/s. Karburiermittel wird so viel zugeführt, daß die Schichtstärke an der gekühlten Wand dünner als 1 mm ist. Die Strömungsrichtung des Karburiermittels entlang der gekühlten Wand entspricht vorzugsweise der des Heißgases,
Um die Temperatur des Karburiermittels so tief wie möglich zu halten, ist es besonders günstig, dieses in die Karburierzone in Form einer dünnen Schicht entlang einer gekühlten Wand, an der das Heißgas nicht strömt, zuzuführen.
Fließt das Karburiermittel entlang einer gekühlten Wand, an der kein Heißgas strömt, und anschließend entlang einer gekühlten Wand, an der Heißgas strömt, bis zum scharfen Übergang, wo das Karburiermittel vom Gas aufgenommen wird, kann es zweckmäßig sein, das Karburiermittel um eine freie Wand herumzuführen, welche innerhalb der Karburierzone angeordnet und innen gekühlt ist Das Karburiermittel wird bei dieser Ausführungsform in die Karburierzone gegen die aus der Zone nach auswärts gerichteten Seite geführt, kriecht dann um das Ende der freien Wand herum und über die Seite der freien Wand, die der Mittellinie der Karburierzone zugekehrt ist, bevor es von der Gasströmung entlang dieser Seite aufgenommen wird. Man bevorzugt eine (im wesentlichen) rotationssymmetrische Karburierzone, in der das Risiko von Ansammlungen oder Ablagerungen minimal ist
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich übliche Karburiermittel wie Erdölfraktionen, z. B. Gasöl, Naphtha oder Kerosin. Bei den bekannten Verfahren führen diese Karburiermittel zu einem Cracken ode/ zu einer Polymerisation an den Spritzdüsen.
Das so karburierte Gas gelangt :iun in den Hydrierungsreaktor, in welchem eine weitere Zersetzung und eine Hydrierung der ungesättigten Verbindungen stattfindet Es ist besonders zweckmäßig, das karburier*s Gas in den Hydrierungsreaktor dort einzuführen, wo im Inneren durch eine innere Unterteilung die Gase rückgeleitet werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des gesamten Verfahrens umfaßt einen einbaufreien Vt-rgasungsreaktor, in welchem die unvollständige Verbrennung des Brennstoffs stattfindet eine Karburierzone, in welcher die Karburierung des Heißgases mit Hilfe eines Kohlenwasserstoffs stattfindet, einen Hydrierreaktor, in welchem das Karburiermittel weiter gecrackt und die dabei gebildeten ungesättigten Verbindungen hydriert werden, und schließlich kann die fühlbare Wärme des Produktgases zur Dampferzeugung nutzbar gemacht werden.
Die erfindungsgemäße Karburierzone kann entweder einen kühlbaren Rand oder eine kühlbare Wand aufweisen, wobei diese Wand vorzugsweise in einem scharfen Übergang endet Die Speiseleitung für das Karburiermittel und die Leitungen für das Heißgas können derart angeordnet sein, daß Gleichstrom oder Gegenstrom von Karburiermittel und Heißgas herrscht. Die Karburierzone kann auch eine innenkühlbare freie Wand aufweisen, deren eine Fläche in die Karburierzone hinein und die andere Fläche aus der Karburierzone heraus zeigt Die Zuführung des Karburiermittels erfolgt bei dieser Ausführungsform über die nach außen gekehrte Fläche der Wand und die Zuführung der Heißgase an die nach innen gerichtete Wand.
Fine 'veitere Ausgestaltungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in einer kühlbjren venturiartigen Einschnürung als Karburierzone, in deren engste Stelle die Einspeisung des Karburiermittels stattfindet. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im ersten Teil des Venturirohrs das Heißgas vorgekühlt, bevor es im zweiten Teil mit dem gekühlten Karburiermitte! in Berührung kommt.
Die Erfindung wird an Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt die Ansicht einer Vorrichtung zur Gaserzeugung.
F i g. 2 einen Axialschnitt durch die erfindungsgemaßc Karburierzone der Vorrichtung nach F i ε. I.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Karburierzone, und zwar mit einer venturiartigen Einschnürung.
Nach F i g. I besteht die Vorrichtung aus einem leeren — also einbaufreien — Vergasungsreaktor 1, in welchen eine Brennstoffleitung 2 und eine Sauerstoffleitung 4 in eine Brennkammer 3 führen. Das Heißgas tritt aus dem Vergasungsreaktor 1 über die Leitung 5 aus, welche als Karburierzone ausgebildet ist. Sie ist daher zumindest teilweise mit einer warmfesten Auskleidung versehen. In die Karburierzone mündet die Kohlenwasserstoff-Leitung 6 über den Mantel 7. Die als Karburierzone ausgebildete Leitung 5 ist über einen Flansch 8 mit dem Hydrierreaktor verbunden. Dieser besteht aus zwei parallelen Kolonnen 9 und 11, die über Flanschen 12 bzw. 13 mit einem Krümmer 10 verbunden sind. Der Hydrierreaktor hat keine Einbauten und ist mit feuerfestem Baumaterial ausgekleidet. Am unteren Ende der Kolonne 11 befindet sich ein Auslaßstutzen 14, der über sir.tr. Flansch !5 in einen Wärmeaustauscher führt, in welchem die fühlbare Wärme des Produktgases verwertet werden kann. Dieser Wärmeaustauscher besteht aus einem feuerfest zugestellten Bodengefäß 16 und einem Verdampfer 17, der auf dem Bodengefäß mit Hilfe eines Flansches 18 befestigt ist. In den unteren Teil des Verdampfers führt eine Wasserzuleitung 19 und aus dem oberen Teil des Verdampfers führt eine Ableitung 20 für Hochdruckdampf heraus. Innerhalb des Verdampfers 17 befindet sich ein wendel- oder schlangenförmiges Gasrohr 21, das mit dem Bodengefäß 16 über das Anschlußstück 22 verbunden ist und an seinem oberen Ende eine Gasableitung 23 aufweist
Der über die Brennstoffleitung 2 zugeführte Brennstoff wird mit Luftunterschuß aus der Sauerstoffleitung 4 vollständig verbrannt. Gegebenenfalls kann man hier oder an einer anderen Stelle Dampf zusetzen. Das den Reaktor 1 verlassende Heißgas hat in der Karburierzone 5 eine Temperatur von etwa 1200 bis 1400°C und enthält normalerweise etwas Ruß und besteht in erster Linie aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid neben geringen Anteilen an Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff.
Vor der Karburierung des Heißgases in der Leitung 5 sollte dieses normalerweise auf unter 11000C abgekühlt werden. Ein Dampfüberschuß im Heißgas ist vorteilhaft Zu diesem Zweck ist eine Wasserzuleitung 24 in die Karburierzone oder eine Wasserzuleitung 25 in den Boden des Reaktors 1 vorgesehen. Das Karburiermittel in Form einer Kohlenwasserstoff-Fraktion wird dann in einer oder — sowie gegebenenfalls auch der Dampf — in mehreren Stufen in die Karburierzone und damit in das Heißgas eingrführt, wodurch es auch zu einem Abkühlen des Heißgases und einem Anstieg des Wasserdampfgehaltes des Gases kommt
Aus der Karburierzone gelangt das karburierte Gas nun in den Hydrierreaktor, in welchem noch restliches flüssiges Karburiermittel verdampfen kann und die ungesättigten Kohlenwasserstoffe — durch Cracken des Karburiermittels gebildet - hydriert werden. Gleichzeitig erfolgt eine gewisse Methanisierung und Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Dampf unter Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
ί Das nun einen gewissen Anteil an Methan enthaltende Produktgas wird in das Bodengefäß 16 mit einer Temperatur von 800 bis I IOO°C eingeführt und verläßt den Verdampfer normalerweise mit einer Temperatur von unter 4000C. Dadurch erhält man aus dem
ίο Verdampfer Heißdampf mit ziemlich hohem Druck.
In Fig. 2 ist ein Teil der Karburierzore im Detail gezeigt. Die zylindrische Innenwand 26 einer feuerfe sten Auskleidung T gestattet eine Strömung des Heißgases in Pfeilrichtung. Die feuerfeste Auskleidung
\ί T weist eine öffnung 27 zur Einspeisung des flüssigen Karburiermittels auf. Damit dieses in Form eines dünnen Films über eine gekühlte Wand strömen kann, ist durch die öffnung 27 eine gekühlte Wand 28 mit zylindrisch umgebogenem Innenteil 29 geführt, der sich
hinaus ist ein Z-förmiger und gekühlter Ring 30 so unterhalb der Wand 28 und ihrem Innenteil 29 angeordnet, daß sich dazwischen ein Z-förmiger Schlitz 31 bildet. Das Karburiermittel wird in die Karburierzone 7 über diesen Schlitz 31 zugeführt. Die dem Ring 30 und dem Schlitz 31 zugekehrte Seite der gekühlten Wand 28 mit ihrem Innenteil 29 ist der Außenseite der Karburierzone zugekehrt, d. h. der Heißgasströmung abgewa;,<!t Die Fläche 32 des Innenteiles 29 der gekühlten Wand 28, der sich frei in die Karburierzone erstreckt, ist deren Mittenlinie 33 zugekehrt und wird somit von den Heißgasen angeströmt.
Bei Betrieb der Vorrichtung gelangt das Karburiermittel in Form einer dünnen Schicht in die Karburierzone, und zwar durch den gekühlten Schlitz 31, d. h. über den Rand 34 und an die Fläche 32, entlang der das Heißgas strömt. Bei Kante 35 findet ein scharfer Übergang statt an welchem das restliche flüssige Karburiermittel vom Heißgas aufgenommen werden
•»ο kann. Ein Teil des Karburiermittels wurde bereits vom Heißgas zwischen dem Rand 34 und der Kante 35 aufgenommen.
In der in F i g. 3 gezeigten Ausgestaltung der Karburierzone zwischen dem Verbindungsrohr 36 aus dem Vergasungsreaktor und dem Übergang 37 in den Hydrierreaktor befindet sich eine kühlbare, rotationssymmetrische Einschnürung 38, 39, angeordnet beidseitig eines Ringschlitzes 40, durch den in Pfeilrichtung Karburiermittel in die Karburierzone eingeführt wird.
so In dem über 36 zuströmenden Heißgas bildet sich eine dünne Randschicht 41 entlang der gekühlten Wand 38 aus. Die Kühlung der Wandteile der Einschnürung 38 und 39 erfolgt mit Hilfe der Wasserkammern 42 bzw. 43.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform der Karburierzone liegt darin, daß derjenige Teil der Heißgase, der mit dem an der Wand 38 entlangkriechenden Film an Karburiermittel in Berührung kommt, bereits vorher an der Wand 39 gekühlt worden ist
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Gases mit einem spezifischen Heizwert von über 4200 kj/m3 (Normalbedingungen) durch unvollständige Verbrennung eines Brennstoffs bei einer Temperatur über 1000° C Karburieren des Heißgases mit einem Kohlenwasserstoff als Karburiermittel bei etwa 700 bis 1100° C und anschließendes Hydrieren der gebildeten ungesättigten Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Karburiermittel durch Oberleiten über gekühlte Teile einer Karburierzone in dünner Schicht unter der Cracktemperaturhält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Karburiermittel in einer dünnen Schicht um einen gekühlten Rand oder entlang einer gekühlten Wand leitet
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man für das Heißgas eine Strömungsgeschwindigkeit von 10 bis 1200 m/s einhält umi so viel Karburiermittel zuführt, daß dessen Schichtdicke auf der gekühlten Wand geringer als 1 mm ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Karburiermittel um eine freie innengekühlte, in der Karburierzone angeordnete Wand so leitet, daß es auf die der Außenseite der Karburierzone zugekehrten Fläche auftrifft, um deren Rand herumkriecht und dann entlang der der Mitte der Karburierzone zugekehrten Räche entlang strömt und vom Gas aufgenommen wird.
5. Verfahren nach Ansp. uch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Heißgas unmittelbar vor der Karburierung an einei gekühlten Wand so weit abkühlt, daß der direkt mit dem Karburiermittel in Berührung kommende Teilstrom eine geringere Temperatur als das restliche Heißgas aufweist
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, bestehend aus einem einbautenfreien Vergasungsreaktor, einem Karburator mit einer Zuführung für das Karburiermittel und einem Hydrierungsreaktor, an den sich gegebenenfalls ein Abhitzekessel anschließt, gekennzeichnet durch eine gekühlte Wand (28) und einem Innenteil (29) sowie einem gekühlten Ring (30), zwischen denen sich ein für die Zuführung des Karburiermittels vorgesehener Schlitz (31) befindet, wobei der Innenteil (29) durch einen Rand (34) und eine Kante so (35) begrenzt ist und der Innenteil (29) in Strömungsrichtung des Heißgases liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Karburierzone rotationssymmetisch oder im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut ist.
8. Abwandlung der Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Karburierzone eine venturiartige gekühlte Einschnürung (38, 39) aufweist und in der Einschnürung die Zufuhr (40) für das Karburiermittel vorgesehen ist.
DE2362032A 1972-12-15 1973-12-13 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gas mit einem Heizwert von über 4,2 MJ/m&uarr;3&uarr; Expired DE2362032C2 (de)

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NLAANVRAGE7217059,A NL171597C (nl) 1972-12-15 1972-12-15 Werkwijze en inrichting voor de bereiding van gas door partiele verbranding gevolgd door carbureren.

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