DE1076092B

DE1076092B - Process for cooling and cleaning hot gases

Info

Publication number: DE1076092B
Application number: DEN13980A
Authority: DE
Inventors: Willem Nagelkerke; Gerrit Meijer
Original assignee: Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
Current assignee: Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
Priority date: 1956-08-10
Filing date: 1957-08-08
Publication date: 1960-02-25

Description

Verfahren zum Kühlen und Reinigen heißer Gase Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen und Reinigen heißer Gase, welche geringe Mengen Ruß enthalten und durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gewonnen worden sind.Methods of Cooling and Purifying Hot Gases The invention relates to focus on a method of cooling and purifying hot gases that contain small amounts Containing soot and obtained through partial combustion of hydrocarbons are.

Bei der Herstellung gasförmiger, Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltender Gemische durch teilweise Verbrennun- von Kohlenwasserstoffen mit ungenügenden Mengen Sauerstoff in Anwesenheit von Dampf sollte es theoretisch möglich sein, die Reaktion in der Weise durchzuführen, daß kein Ruß gebildet wird. In der Praxis scheint jedoch die Bildung einer gewissen a Menge Ruß unvermeidlich zu sein, und es ist klar, daß die Gase vor ihrer Weiterverarbeitung zwecks vollständiger Beseitigung des Rußes gereinigt werden müssen.In the production of gaseous ones containing carbon monoxide and hydrogen Mixtures due to partial combustion of hydrocarbons in insufficient quantities Oxygen in the presence of steam should theoretically make the reaction possible to be carried out in such a way that no soot is formed. In practice, however, it seems the formation of a certain amount of soot to be inevitable, and it is clear that the gases before their further processing for the purpose of completely removing the soot need to be cleaned.

Zu diesem Zweck werden in bekannter Weise die aus dem Reaktionsgefäß austretenden Gase, die normalerweise eine sehr hohe Temperatur (bis zu 1000' C) haben, gleichzeitig gekühlt und gereinigt, indem man diese heißen Gase mit großen Wassermengen besprüht.For this purpose, the gases emerging from the reaction vessel, which normally have a very high temperature (up to 1000 ° C.) , are simultaneously cooled and cleaned by spraying these hot gases with large amounts of water.

Infolge der Anwendung der großen Wassermengen bei den üblichen Kühl- und Reinigungsprozessen wird der Kohlenstoff aus den Gasen zwangläufig in Form einer unerwünscht stark verdünnten wäßrigen Rußsuspension erhalten. Der Ruß wird gewöhnlich von dem Berieselungswasser getrennt, um ihn zur Herstellung von Ruß für technische Zwecke geeignet zu machen und ein industriell verwertbares rußfreies Wasser indem man zu erhalten. die Ruß-in-Wasser-Suspension Dies kann z. B. erzielt lange werden' Zeit in großen Absetzbehältern stehenläßt.As a result of the use of large amounts of water in the usual cooling and purification processes, the carbon from the gases is inevitably in the form of a Obtain undesirably highly diluted aqueous carbon black suspension. The soot becomes common separated from the sprinkling water in order to use it for the production of soot for technical Purposes to make and an industrially usable soot-free water by one to get. the soot-in-water suspension. B. be achieved for a long time ' Time to stand in large settling containers.

Ziel der Erfindung ist die gleichzeitige Kühlung und Reinigung heißer Gase, die durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hergestellt worden sind, mit einer wesentlich geringeren Wassermenge, als sie bei den bisher üblichen Prozessen verwendet worden ist, unter Gewinnung einer stärker konzentrierten wäßrigen Rußsuspension.The aim of the invention is the simultaneous cooling and cleaning hot Gases produced by the partial combustion of hydrocarbons are, with a much smaller amount of water than with the usual Processes has been used to obtain a more concentrated aqueous Soot suspension.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zum Kühlen und Reinigen heißer, durch partielle Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erhaltener, rußhaltiger, Wasserstoff und Kohlenoxyd enthaltender Gase durch Einsprühen von Wasser und Abtrennen der wäßrigen Rußsuspension, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gase unter einem Druck von mindestens 3 ata, insbesondere 10 bis 30 ata, in einer ersten, aus einer Reihe aufeinanderfolgender Stufen bestehenden Berieselungszone auf eine Temperatur abkühlt, die um nicht mehr als 40' C niedriger liegt als der Taupunkt des Gases bei dem betreffenden Druck, anschließend die Rußsuspension abtrennt und dann die Gase in einer zweiten Berieselungszone kühlt.The invention accordingly provides a process for cooling and cleaning hot, soot-containing, hydrogen and carbon oxide-containing gases obtained by partial combustion of hydrocarbons by spraying in water and separating the aqueous soot suspension, characterized in that the gases are subjected to a pressure of at least 3 ata, in particular 10 to 30 ata, in a first sprinkling zone consisting of a series of successive stages cools to a temperature which is not more than 40 ° C lower than the dew point of the gas at the pressure in question, then separates the soot suspension and then cools the gases in a second irrigation zone.

Der Tauptinkt oder die Temperatur der Wasserdampfsättigung eines gasförmigen Gemisches ist proportional dem Druck, d. h., es werden geringere Wassermeng.en benötigt, um unter hohem Druck stehende Gase mit Wasser zu sättigen, als zur Sättigung von unter geringerem Druck stehenden Gasen. Es ist daher bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, Ofengase zu besprühen, die unter einem verhältnismäßig hohen Druck stehen, weil dann eine geringere Wassermenge zur Abtrennung des Rußes ausreicht. Es ist experimentell festgestellt worden, daß die zur Sättigung der Luft und zur Herabsetzung ihrer Temperatur um nicht mehr als 40' C unterhalb der Sättigungstemperatur (bei dem jeweils herrschenden Druck) erforderliche Wassermenge ausreicht, um eine praktisch vollständige Abtrennung des Rußes in Form einer wäßrigen Suspension aus den Gasen in der ersten Berieselungszone zu erzielen. Normalerweise ist es nicht erforderlich, die Temperatur um die vollen 40' C zu senken, da es im allgemeinen ausreicht, die Luft zu sättigen und in dieser Luftmenge etwas flüssiges Wasser in Tröpfchenform zu dispergieren. Die Gase aus dieser ersten Besprühung mittels einer Reihe von Sprühdüsen, welche hintereinander längs der Strömungsrichtung in der ersten Berieselungszone angeordnet sind, haben normalerweise eine Temperatur im -Bereich von 75 bis 250' C und vorzugsweise eine Temperatur zwischen 120 und 200' C. Aus der Wasser-Dampf-Trennvorrichtung gelangen die Ofen-oder Generatorgase, die praktisch frei sind von Ruß, in die zweite Berieselungszone, wo ihre Temperatur auf den gewünschten Endwert, z. B. 20' C, herabgesetzt wird.The dew drink or the temperature of the water vapor saturation of a gaseous mixture is proportional to the pressure, ie smaller amounts of water are required to saturate gases under high pressure with water than to saturate gases under lower pressure. It is therefore advantageous in the practical implementation of the method according to the invention to spray furnace gases which are under a relatively high pressure, because then a smaller amount of water is sufficient to separate the soot. It has been found experimentally that the amount of water required to saturate the air and reduce its temperature by no more than 40 ° C. below the saturation temperature (at the prevailing pressure) is sufficient for practically complete separation of the soot in the form of an aqueous suspension from the gases in the first irrigation zone. Normally it is not necessary to lower the temperature by the full 40 ° C , since it is generally sufficient to saturate the air and to disperse some liquid water in droplet form in this amount of air. The gases from this first spray by means of a series of spray nozzles, which are arranged one behind the other along the direction of flow in the first sprinkling zone, normally have a temperature in the range from 75 to 250 ° C and preferably a temperature between 120 and 200 ° C. From the With the water-steam separator, the furnace or generator gases, which are practically soot-free, pass into the second sprinkling zone, where their temperature is reduced to the desired end value, e.g. B. 20 ' C, is reduced.

In diesem Stadium werden etwaige Spuren von Ruß, welche bei der ersten Wasserbesprühung zurückgeblieben sein könnten, extrahiert.At this stage there will be any traces of soot, which at the first Water spray may have remained extracted.

Die gesamte Wassermenge, die zum Abkühlen der Gase in der ersten Berieselungszone notwendig ist, ist so groß, daß die aus dieser Zone anfallende wäßrige Rußdispension gewöhnlich einen Kohlenstoffgehalt von 0,5 bis 5 1/o hat. In den meisten Fällen kann man aus der ersten Berieselungszone einen wäßrigen Kohlenstoffschlamm mit einem Gehalt von 2 bis 411/o Kohlenstoff gewinnen. Die > s stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber der normalen Ruß-in-Wasser-Suspension dar, bei welcher der Ruß in einer viel niedrigeren Konzentration vorliegt.The total amount of water which is necessary to cool the gases in the first sprinkling zone is so large that the aqueous soot suspension obtained from this zone usually has a carbon content of 0.5 to 5 1 / o. In most cases, an aqueous carbon sludge with a carbon content of 2 to 411 / o can be obtained from the first sprinkling zone. The "s represents a substantial improvement over the normal soot-in-water suspension is, in which the carbon black is present in a much lower concentration.

Gewünschtenfalls kann der Wasserabfluß aus der zweiten Berieselungszone im Kreislauf in die erste Berieselungszone zurückgeführt werden, wodurch sich eine wesentliche Ersparnis an Wasser ergibt.If desired, the water can be drained from the second irrigation zone be returned in the circuit to the first sprinkling zone, creating a results in substantial savings in water.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des verbesserten Verfahrens werden die Generatorgase zuerst (vor der ersten Wasserbesprühung) durch indirekten Wärmeaustausch auf eine Temperatur im Bereich von etwa 150 bis 500' C und vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 350' C gekühlt. Das Kühlen erfolgt am besten, indem man die Verbrennungsgase durch einen Dampferzeuger leitet. Durch Erniedrigen der Temperatur der heißen Gase vor dem Besprühen wird noch weniger Wasser zum Berieseln der Gase zwecks Befreiung von Kohlenstoff benötigt. Diese teilweise gekühlten Gase aus dem Verdampfungsapparat bleiben unter dem gewünschten hohen Druck, da der Druckabfall im Boiler nicht groß ist.In the preferred embodiment of the improved process, the generator gases are first (prior to the first water spray) cooled by indirect heat exchange to a temperature in the range of about 150 to 500 ° C, and preferably to a temperature in the range of 200 to 350 ° C. Cooling is best done by passing the combustion gases through a steam generator. By lowering the temperature of the hot gases before spraying, even less water is required to sprinkle the gases to remove carbon. These partially cooled gases from the evaporator remain under the desired high pressure because the pressure drop in the boiler is not great.

Das Verfahren nach der Erfindung kann verwendet werden, um Gase aus einem beliebigen Verfahren zu behandeln, bei welchem eine unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß die Verbrennungsgase eine verhältnismäßig große Menge Wasserstoff und Kohlenmonoxyd zusammen mit einer geringen Menge von freiem Kohlenstoff bzw. Ruß enthalten. Diese Gase werden, wie oben erwähnt, unter solchen Reaktionsbedingungen hergestellt, daß sie den Generator bzw. den Ofen unter Bedingungen verlassen, die zum Kühlen unter Rußabscheidung geeignet sind, d. h. einem Druck von mindestens 3 ata und vorzugsweise 10 bis 30 ata. Ein sehr geeignetes Gasgemisch für die Behandlung nach der Erfindung ist das nach dem Verfahren entsprechend der deutschen Patentschrift 1041013 hergestellte Gemisch.The method according to the invention can be used to treat gases from any process in which incomplete combustion of hydrocarbons is carried out under such conditions that the combustion gases contain a relatively large amount of hydrogen and carbon monoxide together with a small amount of free carbon or Contains soot. As mentioned above, these gases are produced under reaction conditions such that they leave the generator or the furnace under conditions which are suitable for cooling with soot deposition, i. H. a pressure of at least 3 ata and preferably 10 to 30 ata. A very suitable gas mixture for the treatment of the invention is the mixture prepared by the process according to the German patent 1,041,013.

Das Verfahren nach der Erfindung wird noch unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert.The method according to the invention is still with reference to the Drawing further explained.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anlage, in welcher- die Ofengase erst durch indirekten Wärmeaustausch gekühlt werden, bevor sie mit Wasser besprüht werden; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines anderen Systems, das von dem System nach Fig. 1 dadurch abweicht, daß die heißen Ofengase direkt in die Besprühungsanlage gelangen, ohne erst gekühlt zu werden. 1 is a schematic representation of a preferred system in which the furnace gases are first cooled by indirect heat exchange before they are sprayed with water; Fig. 2 is a schematic representation of another system which differs from the system of Fig. 1 in that the hot furnace gases go directly into the spray system without first being cooled.

Nach Fig. 1 wird ein geeignetes Kohlenwasserstoffmaterial durch eine Leitung 6 in die Verbrennungskammer 1 eines Gasgenerators 2 eingeführt. Der Kohlenwasserstoff wird in der Verbrennungskammer innig mit einem gasförmigen Oxydationsmittel, wie Luft oder Sauerstoff, vermischt, das durch die Leitung 7 zugeführt wird. Gewünschtenfalls kann auch Dampf durch die letztgenannte Leitung eingeführt werden. Die gebildeten Verbrennungsgase bestehen hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff neben einer geringen Menge Ruß. Sie haben eine Temperatur von etwa 1300' C. Die heißen Gase verlassen den Gasgenerator 2 durch eine Leitung 8, welche in einen Wärmeaustauscher 3 mündet, der ein Dampfkessel in Verbindung mit einem Dampfüberhitzer sein kann.. Hier werden die heißen Gase auf eine Temperatur von beispielsweise 250' C gekühlt. Nachdem die so gekühlten Gase denWärmeaustauscher verlassen haben, fließen sie durch die erste Berieselungszone, die aus einer schräg nach unten geneigten Leitung 9 besteht. Diese Leitung mündet an ihrem tiefer liegenden Ende in einen Gas-Flüssigkeit-Separator 4 (Trennvorrichtung) von üblicher Bauart, wie z. B. einen Abscheider, der mit in geeigneter Weise angeordneten Platten ausgestattet ist, um vorhandene Flüssigkeit abzutrennen. Die Leitung 9 ist auf ihrer ganzen Länge mit einer Reihe von sieben Sprühdüsen 10 ausgerüstet, welche feinverteiltes Wasser aufbringen können. Durch die Leitung 9, die sich in der Strömungsrichtung der Gase senkt, wird jede Feuchtigkeit, die sich aus den besprühten Ofengasen abscheiden sollte, mit mitgeführtem Ruß in den Wasser-Gas-Abscheider geführt. Die Gase werden vorzugsweise besprüht bis auf eine Temperatur etwas unter ihremTanpunkt,- z. B. 145' C. (Die genaneTemperatur hängt von den herrschenden Arbeitsbedingungen einschließlich des Druckes ab.) Ruß und Wasser trennen sich leicht und schnell von dem gasförinigen Strom in Form einer wäßrigen Rußsuspension, welche aus der Trennvorrichtung durch eine Leitung 15 abgezogen wird.Referring to Figure 1 , a suitable hydrocarbon material is introduced into the combustion chamber 1 of a gas generator 2 through a conduit 6. The hydrocarbon is intimately mixed in the combustion chamber with a gaseous oxidizing agent, such as air or oxygen, which is supplied through line 7. If desired, steam can also be introduced through the latter line. The combustion gases formed consist mainly of carbon monoxide and hydrogen in addition to a small amount of soot. They have a temperature of about 1300 ° C. The hot gases leave the gas generator 2 through a line 8 which opens into a heat exchanger 3 , which can be a steam boiler in connection with a steam superheater. . Here the hot gases are cooled to a temperature of 250 ° C., for example. After the gases cooled in this way have left the heat exchanger, they flow through the first sprinkling zone, which consists of a conduit 9 sloping downwards. This line opens at its lower end in a gas-liquid separator 4 (separator) of conventional design, such as. B. a separator, which is equipped with plates suitably arranged to separate any liquid present. The line 9 is equipped over its entire length with a series of seven spray nozzles 10 , which can apply finely divided water. Through the line 9, which lowers in the direction of flow of the gases, any moisture that should be separated from the sprayed furnace gases is led into the water-gas separator with the soot carried along. The gases are preferably sprayed to a temperature slightly below their tank point, e.g. B. 145 ° C. (The specified temperature depends on the prevailing working conditions including the pressure.) Soot and water separate easily and quickly from the gaseous stream in the form of an aqueous soot suspension, which is drawn off from the separating device through a line 15 .

Die Ofengase verlassen den oberen Raum der Trennvorrichtung durch eine Leitung 11, welche zum unteren Ende einer zweiten Berieselungszone fährt. Diese Zone wird durch einen Waschturm 5 gebildet, in welchem die Gase im Gegenstrom zu einem Wasserstrom strömen, der durch eine Leitung 13 zugeführt wird. Das Wasser kann eine Temperatur von etwa. 15cC haben, um die Temperatur der Ofengase auf die gewünschte niedrige Temperatur von z. B. 20' C zu bringen. Etwaige Rußspuren gehen aus den Gasen in das Wasser über. Die gekühlten Ofengase werden aus dem Turm durch eine Leitung 12 am oberen Ende abgeführt. Das Wasser wird am unteren Ende des Turmes durch die Leitung 14 abgezogen. Gewünschtenfalls kann dieses Wasser zu den Sprühdüsen 10 in der ersten Berieselungszone geleitet werden. T he furnace gases leave the upper chamber of the separator through a conduit 11, which travels to the lower end of a second sprinkling zone. This zone is formed by a washing tower 5 in which the gases flow in countercurrent to a water flow which is fed through a line 13. The water can have a temperature of about. 15cC to bring the temperature of the furnace gases to the desired low temperature of e.g. B. to bring 20 ' C. Any traces of soot pass from the gases into the water. The cooled furnace gases are discharged from the tower through a line 12 at the top. The water is drawn off through line 14 at the lower end of the tower. If desired, this water can be directed to the spray nozzles 10 in the first sprinkling zone.

Die Anlage nach Fig. 2 arbeitet ähnlich wie die bei Fig. 1 beschriebene und weicht nur darin ab, daß kein Wärmeaustauscher oder Dampfentwickler 3 verwendet wird. Auch hier tritt der Kohlenwasserstoff in den Gaserzeuger 2 durch eine Leitung 6 ein, wo er mit Luft oder Sauerstoff und eventuell Wasserdainpf, welche durch eine Leitung 7 zugeführt werden, vermischt wird. Die eingeführten Materialien verbrennen, und die entstehenden Gase strömen vom Generator in die erste Berieselungszone, welche mit Düsen 10 längs ihrem geneigten Abschnitt ausgerüstet ist, und gelangen in die Wasser-Gas-Trennvorrichtung 4; hier wird eine Ruß-in-Wasser-Suspension gebildet und vom unteren Ende des Separators durch eine Leitung 15 abgezogen. Die praktisch rußfreien Ofengase verlassen den Separator durch eine Leitung 11, welche in das untere Ende eines Waschturms 5 mündet. Die kohlenstofffreien Gase steigen durch den Waschturrn im Gegenstrom zu einem Sprühnebel aus Wasser auf, der durch Leitung 13 zugeführt wird und die Gase weiter bis auf etwa Raumtemperatur abkühlt. Das Wasser verläßt den Turm am Boden durch eine Leitung 14, und die gekühlten Gase strömen am oberen Ende durch eine Leitung 12 ab. Auch hier kann das abfließende Wasser aus Leitung 14 zu den Sprühdüsen in der ersten Berieselungszone geleitet werden.The system according to FIG. 2 operates similarly to that described in FIG. 1 and differs only in that no heat exchanger or steam generator 3 is used. Here, too, the hydrocarbon enters the gas generator 2 through a line 6 , where it is mixed with air or oxygen and possibly water vapor, which are fed in through a line 7. The introduced materials burn, and the resulting gases flow from the generator into the first sprinkling zone, which is equipped with nozzles 10 along its inclined section, and pass into the water-gas separator 4; a soot-in-water suspension is formed here and drawn off from the lower end of the separator through a line 15 . The practically soot-free furnace gases leave the separator through a line 11 which opens into the lower end of a washing tower 5. The carbon-free gases rise through the wash cycle in countercurrent to a spray of water, which is fed in through line 13 and cools the gases further down to about room temperature. The water leaves the tower at the bottom through a conduit 14 and the cooled gases exit through a conduit 12 at the top. Here, too, the draining water from line 14 can be directed to the spray nozzles in the first sprinkling zone.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for cooling and cleaning hot, soot-containing, hydrogen and carbon-oxide-containing gases obtained by partial combustion of hydrocarbons by spraying in water and separating the aqueous soot suspension, characterized in that the gases are subjected to a pressure of at least 3 ata, in particular 10 to 30 ata, in a first sprinkling zone (10) consisting of a series of successive stages, cools to a temperature which is not more than 40 ° C. lower than the dew point of the gas at the pressure in question, then the cooling suspension separates and then cools the gases in a second sprinkling zone (5).

2. The method according to claim 1, characterized in that the gases are passed through a heat exchanger before they reach the first sprinkling zone. 3. The method according to claim 2, characterized in that the gases are cooled to a temperature between 150 and 500 ° C., preferably between 200 and 350 ° C., before they enter the first sprinkling zone. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the outflowing water from the second sprinkling zone is returned to the first sprinkling zone. Contemplated publications: USA. Patent No. 2,605,174..