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Verfahren und Gerät zur Herstellung von Gasruß Die Erfindung betrifft
ein neuartiges Verfahren zur fabrikatorischen Herstellung von qualitativ hochwertigem
Ruß aus Gas und kohlenwasserstoffhaltigem Öl und einen neuartigen Ofen zur Durchführung
des Verfahrens.
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Ein früherer Vorschlag zur Herstellung von Gasruß besteht in folgendem:
Einem Brennofen wird ein in sich geschlossener Luftstrom zugeführt und in mehreren
nebeneinanderliegenden, reibungslos verlaufenden Parallelteilströmen in den ungehindert
zugängigen Ofenraum eingelassen. Sobald die Luft in diesen Ofenraum eintritt, werden
in die erwähnten Luftteilströme mehrere kleine, gut verteilte Gasstrahlen eingespritzt,
die räumlich nebeneinander und im wesentlichen in einer geineinsamen Ebene abgelassen
werden, wobei diese Ebene quer zur Luftströmungsrichtung verläuft. Hierdurch entsteht
unmittelbar an der Eintrittsseite des ungehindert zugängigen Ofenraumes ein turbulentes
Luft-Gas-Gemisch. Ein Teil davon verbrennt zur Wärmeerzeugung. Die Wärme zersetzt
den Rest des Gases. Dabei sammeln sich dann die in den Verbrennungsrückständen frei
schwebenden Kohlenstoffteilchen. Dieses Verfahren ist an sich sehr leistungsfähig,
zuverlässig und vielseitig. Die Qualität läßt sich außerdem durch Abgleichung des
Luft-Gas-Mischungsverhältnisses sowie durch Regelung der Strömungsgeschwindigkeit
der Luft und andere veränderliche Betriebsbedingungen von Fall zu Fall abstimmen.
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Das Verfahren nach der Erfindung verbindet die Vorteile von Gas- und
Ölruß und der Herstellungsverfahren dadurch, daß in das Luft-Gas-Gemisch beim Gasrußherstellungsverfahren
ein gleichfalls vorher durch Gas zerstäubtes kohlenwasserstoffhaltiges Öl an einer
gegenüber der Gesamteinspritzfläche der Gasstrahle im wesentlichen zentral liegenden
Stelle in Form eines divergierenden Zerstäubungskegels eingespritzt wird und die
unverbrannten Kohlenstoffteilchen aus den Verbrennungsprodukten aufgesammelt werden.
Durch das neue Verfahren kann
man die Äu`sbeüte:.an Gasruß .gegenüber
den bekannten Gasruß- und Ölrußverfahren auf 3,6 bis -4,6 kg je io 1 zugeführten
Öles steigern.
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Ist der Brenner zur Erzeugung hochwertigen Gas= rußes konstruiert
und betrieben, dann entsteht bei dem Verfahren nach der Erfindung durch den Zusatz
von zerstäubtem oder verdampftem Öl ein besonders hochwertiger Gasruß in der Ausbeutemenge
der,~Ölrußverfahren. Dies überräscht um so - mehr; -' als: jeweils dann, wenn man
nur zerstäubtes Öl allein über eine Düse in den Ofen einspritzt und verbrennt, sonst
nur ausgesprochener Ölruß ohne die Eigen-. schalten von Gasruß entsteht.
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Darüber hinaus ist das gemäß vorstehender Erfindung entwickelte Verfahren
produktionsmäßig außerordentlich elastisch, indem dasselbe einen weiten Anpassungsspielraum
an die jeweiligen Betriebsbedingungen gestattet, welcher Vorteil sieh-besonders
dann geltend macht, wenn trotz vorkommender Änderungen 'in der Zusammensetzung des
verfügbaren Gases ein einheitliches Gasrußerzeugnis beibehalten werden soll oder
wenn umgekehrt in Anpassung an die jeweilige Marktforderung ein Ruß verschiedenartiger
Gütebeschaffenheit hergestellt werden soll. Demgemäß- kann beispielsweise das vorstehende
neuartige Verfahren in folgenden Abwandlungen zur Durchführung kommen: a) mit vorerhitztem
Gas; b) mit vorerhitztem Gas, das mit verdampftem Öl angereichert ist, c) mit vorerhitztem
Gas und fein zerstäubtem Öl, wobei diese beiden Komponenten getrennt eingeführt
werden, d) mit vorerhitztem Gas und verdampftem Öl, wobei diese beiden Komponenten
getrennt eingeführt werden, e) mit nicht vorerhitztem Gas und zerstäubtem Öl.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden aus der sich nun anschließenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des zur Durchführung vorstehenden
Verfahrens entwickelten Gerätes noch klarer ersichtlich, wobei auf die Zeichnungen
entsprechend Bezug genommen wird. In den letzteren ist Fig. i eine Ansicht eines
Brennofens, der hierin teilweise im Seitenriß Und teilweise im_ Senkrechtquerschnitt
gezeigt ist, Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. i, Fig.3 ein Längsquerschnitt
der Mischdüse nebst den an derselben vorgesehenen Anschlußverbindungen, Fig. 4 ein
Einzelteilquerschnitt des am Ende des Ölrohres eingesetzten Spritzkopfes.
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Wie in Fig. i gezeigt, kann das gemäß Erfindung entwickelte neuartige
Verfahren vorteilhafterweise in Verbindung mit einem horizontal liegenden Brennofen
zur Durchführung kommen, der eine im allgemeinen viereckige Umschließung aufweist;
die durch einen Stahlblechmantel io gebildet wird, der innen mit feuerfesten . Ziegelsteinen
ii ausgekleidet ist. Auf dem rechtsseitigen Ende des in Fig. i -gezeigten Brennofens
ist ein Auslaßkanal vorgesehen, der in der Zeichnung nicht mit dargestellt ist.
In der Praxis kann der Brennofen 3,65 bis 4,27 m lang sein, so daß, wie zu ersehen,
in Fig. i nur ein Bruchteil der tatsächlichen Ofenlänge gezeigt ist.
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Der Brennofen ist an seinem vorderen Ende mit viereckigen Öffnungen
versehen, von denen eine sblche Öffnung. I2 in Fig. x und 2 gezeigt ist;''*;"'öbei
diese Öffnung derart ausgebildet und angeordnet ist, daß dieselbe einen einzelnen,
in sich geschlossenen Brennerkasten aufnimmt, wie dieser gleichfalls in Fig. i und
2 gezeigt ist. Jeder derartige Brennerkasten besitzt ein viereckiges Stahlblechgehäuse
13, das durch Flansche und Verschraubungsbolzen an dem Stahlblechmantel io des Brennofens
befestigt ist. In jedem Brennerkasten ist außerdem eine Anzahl parallel und senkrecht
verlaufender Brennrohre 14 eingebaut. Diese Brennrohre sind, wie speziell aus Fig.
3 zu ersehen, im Querschnitt birnförmig oder oval ausgebildet, wobei jedes Brennrohr
mit einer Reihe von Mündungsöffnungen 15 versehen ist, durch die jeweils das zugeführte
Gas hindurchgeht. Die Brennrohre 14 sind in einem derartigen Abstand auseinandergehalten,
daß jeweils zwischen denselben Luftdurchgangskanäle von einheitlicher Weite vorgesehen
werden, wobei die Brennrohre 14 außerdem derart angeordnet sind, daß die Gasmündungsöffnungen
15 in den Ofenraum hineingerichtet sind. In der Praxis können die Brennrohre 14
in der Weise bearbeitet sein, daß die Flachseiten derselben jeweils in einem Abstand
auseinanderstehen, daß dadurch Luftdurchgangskanäle von einheitlicher und genau
eingehaltener Breite abgegrenzt werden, welch letztere beispielsweise
12,7 mm beträgt. Die schmalen, perforierten, d. h. mit den Mündungsöffnungen
15 versehenen Stirnflächen der Brennrohre 14 sind dabei nach dem Ofenraum hin gerichtet.
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Den Brennrohren 14 wird von einem oberen und unteren Kopfrohr 16 bzw.
17 aus das Gas zugeführt, wobei die Kopfrohre 16, 17 durch einzeln zugeordnete Verbindungsstücke
18 und ig an die Ober- und Unterseite der Brennrohre angeschlossen sind; in manchen
Fällen kann auch nur ein einziges Kopfrohr als ausreichend angesehen werden. Bei
der hierin gezeigten Ausführungsart ist jeder Brennerkasten mit sechs Brennrohren
ausgestattet, jedoch ist die genaue Anzahl der jeweils benutzten Brennrohre von
an sich untergeordneter Bedeutung. Die den Gaseinlaß gewährleistenden Mündungsöffnungen
15 haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 6,35 mfn und können,
von Mitte zu Mitte gerechnet, jeweils etwa 25,4 mm auseinanderstehen, so daß demnach
ein Brennrohr von etwa go cm Länge mit etwa dreiunddreißig Mündungsöffnungen 15
versehen sein kann.
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Die Luft wird dem Brennerkasten durch einen Rohrkanal 20 zugeführt,
der nach oben in die durch das Stahlblechgehäuse 13 vorgesehene Kammer einläuft,
wobei gegebenenfalls in dem Rohrkanal 2o eine regelbare Zugklappe mit angeordnet
ist. Das Stahlblechgehäuse 13 ist mit einer quer durch dasselbe hindurchgehenden
Stauscheibe 21 versehen, die ihrerseits mit Perforierlöchern 22 ausgespart ist,
welch letztere in senkrechten Reihen angeordnet sind und hinsichtlich ihrer Lage
den Gasmündungsöffnungen 15 der Brennrohre 14 ausrichtungsmäßig entsprechen.
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Zwischen der Stauscheibe 21 und den Brennrohren 14 ist ein fächerartiges
Luftdurchlaßsystem angeordnet,
das sich aus einer Reihe viereckiger,
senkrecht stehender Bleche 23, deren Anzahl der Zahl der Brennrohre 14 entspricht,
und einer Reihe horizontal verlaufender Bleche 24, deren Anzahl der Zahl der Gasmündungsöffnungen
15 entspricht, zusammensetzt. Die Bleche 23 und 24 sind dabei jeweils von einer
Kante zur anderen halbwegs geschlitzt und in gegenseitige Vergreifung gebracht,
so daß dieselben ein zellenartiges Raumgitter bilden, das sich aus viereckigen Durchlaßkanälen
von jeweils gleich großen Abmessungen zusammensetzt. Die einzelnen Zellen oder Luftdurchlaßkanäle
dieses Raumgitters befinden sich dabei gegenüber den Perforierlöchern 22 der Stauscheibe
2.z und den für den Gasdurchlaß vorgesehenen Mündungsöffnungen 15 in einem derartigen
Anordnungsverhältnis, daß zu jeder Gasmündungsöffnung 15 ein gleich großes
Luftvolumen hingeführt wird, wodurch über die Gesamtfläche der Öffnung 12 sowie
über den Gesamtbereich der Brennrohreinbauanordnung eine gleichförmige Luft- Gas
-Verteilung sichergestellt ist.
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Die Erfindung läuft nun in Hervorhebung eines ihrer wesentlichen Merkmale
darauf hinaus, daß in die zuvor beschriebene Ofenkonstruktion, wie sie bislang zur
Erzeugung von Gasruß lediglich durch Zersetzung von Gas in einem schwelenden Luft-Gas-Gemisch
verwendet wurde, in neuartiger Weise eine Anordnung mit eingebaut wird, mittels
derer eine Anreicherung des Luft-Gas-Gemisches durch verdampftes oder fein zerstäubtes
Kohlenwasserstofföl herbeigeführt wird. Zu diesem Zweck ist gemäß Erfindung eine
Mischdüse 25 mit vorgesehen, die eine relativ starkkalibrige Rohranschlußverbindung
26 für den Einlaß von Luft, Gas oder Dampf sowie eine relativ schwachkalibrige Rohranschlußverbindung
27 für Öl aufweist; das Öl wird dabei durch die Düse 25 nach der Mitte einer verlängerten
Mischkammer 28 hingeleitet. Dagegen wird das Gas oder ein anderes dampfförmiges
Mittel dem äußeren Teil der Mischkammer 28 zugeführt, wo das Öl zerstäubt und in
diesem zerstäubten und mit Gas gemischten Zustand durch das Ölrohr ag nach dem Ofeneingang
hin abgeführt wird. Das Ölrohr 2g ist dabei durch die Stauscheibe 21 und eine Zelle
der für den Lufteinlaß vorgesehenen Fächeranordnung hindurchgeführt und setzt sich
weiter zwischen zwei mittleren Brennrohren z4 nach einer Richtung hin fort, die
im wesentlichen senkrecht zu der Ebene verläuft, in der die Gasmündungsöffnungen
15 angeordnet sind. Das Ölrohr endigt dann in einem düsenartigen Spritzkopf 30,
der angenähert in der Ebene der Gasmündungsöffnungen 15 liegt, wobei dieser Spritzkopf
aus einer am Endinnenumfang des Ölrohres versenkt eingesetzten Ringscheibe besteht,
die als konvergierende Zerstreuungsdüse ausgebildet ist. Von dieser Düse spritzt
das fein zerstäubte Öl als divergierender Sprühkegel aus, der sofort nach seinem
Austritt aus der Düse von einem turbulenten Luft-Gas-Gemisch umgeben ist, das in
einer nächst den Brennrohren 14 liegenden Zone gebildet wird und das sich dabei
in den von der Ofenwandung umschlossenen Raum hinein erstreckt.
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Die entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Bauart konstruierte Doppelströmungszerstäuberdüse
wurde für die fabrikatorische Erzeugung von Gasruß insofern als besonders zufriedenstellend
befunden, als bei derselben kohlenwasserstoffhaltige Öle von in weitem Ausmaße verschiedener
Viskosität mit Erfolg und bei nur äußerst mäßigem Druck benutzt werden können. So
kann beispielsweise sowohl das Gas als das Öl der Düse bei einem Druck von schätzungsweise
18 kg/cm'*' zugeführt werden.
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Für den konstruktiven Entwurf des Brenners wurde als- wichtig erkannt,
die Düse (oder Düsen) für die Ölzufuhr derart symmetrisch anzuordnen, daß die Wärme,
-die Verbrennungsprodukte und der unverbrannte Sauerstoff allesamt auf die Ölzerstäubungszone
gleichmäßig verteilt werden. Andernfalls wird das Öl zu stark verbrannt und jeweils
in Zonen geringer Ölkonzentration übermäßig aufgespalten, während in den Zonen hoher
Ölkonzentration gerade der umgekehrte Vorgang stattfindet.
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Im folgenden sollen nun einige Fälle erläutert werden, bei denen entweder
das Öl oder das Gas oder beide dem Brenner in jeweils andersartiger Weise zugeführt
werden. Dabei benutzt die Beschreibung die Qualitätsbezeichnungen HMF-Ruß und SRF-Ruß.
Unter HMF-Ruß ist dabei ein Ruß zu verstehen, durch den der damit hergestellte Gummi
einen hohen Druck für eine bestimmte Vergrößerung einer Längeneinheit braucht. Die
Rußqualität SRF verleiht dem damit hergestellten Gummi eine Zähigkeit, Dehnungsfestigkeit
und Abreibfestigkeit, die etwa zwischen den mit gewöhnlichem Ofenruß und neutralen
Füllstoffen, wie z. B. rein erzielbaren Qualitäten liegt.
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Zuführung von vorerhitztem Gas, das mit verdampftem Ö1 angereichert
ist In diesem Falle wird das Öl in einem separaten Vorwärmer verdampft und dem vorerhitzten
Gasstrom zugesetzt, der seinerseits durch die Kopfrohre 16 und 17 oder durch eines
derselben zugeführt wird. Das verdampfte Öl kann dabei je nach der Gütebeschaffenheit
desselben bei einer Temperatur von 315,5 bis 39g° C zugeführt werden. Pro
ro Liter zugeführten Öles werden dann 3,6 bis 4,6 kg Gasruß von der gleichen Qualität
erzeugt, wie in einem Brennofen, bei dem nicht angereichertes Gas verwendet wird;
d. h. mit anderen Worten: wenn bei Verwendung von nicht angereichertem Gas in dem
Brennofen Gasruß der Qualitätsbezeichnung SRF erzeugt wird, dann erzeugt derselbe
Ofen ebenfalls SRF-Ruß, wenn das Gas verwendet wird, das mit verdampftem Öl angereichert
ist. Wird anderseits ursprünglich in dem Brennofen Gasruß der Qualitätsbezeichnung
HMF erzeugt, dann nimmt der durch Zusetzung von Öl darüber hinaus erzeugte Gasruß
die Beschaffenheit der unter sonst gleichen Betriebsbedingungen nur durch Gas allein
erzeugten Bußqualität an.
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Wenn Öl zugesetzt wird, dann wird die Temperatur des Brennofens dennoch
angenähert auf gleicher Höhe gehalten, obgleich es wünschenswert erscheint, die
Luftzufuhr etwas zu steigern, um eine zusätzliche Erhitzung für die Aufspaltung
des Öles vorzusehen, d. h. zu verhindern, daß infolge der Zersetzung von
Öl
die Ofentemperatur abfällt. Wenn mit vorerhitztem Gas, das durch verdampftes
Öl angereichert ist, gearbeitet wird, dann können Ofentemperaturen von 226o
bis 136o° C benutzt werden. Das Gas wird dann auf 427 bis 538° C vorerhitzt und
in einem Mengenverhältnis von 113,2 bis 141,5 cbm je Brennstunde zugeführt.
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Die folgenden Zahlenwerte geben einen Vergleich der Ofenleistung bei
Betrieb desselben mit und ohne verdampftem Öl. (Die Rubriken der Tabelle sind anschließend
an dieselbe im einzelnen erläutert.)
| Gas- Ö1- Gasruß- G-t- Er- Probe- |
| ö1- rück zer- |
| tempe- tempe- er- gewinneng xeichter |
| zufuhr anKohlen# reiß- |
| ratur ratur zeugung Stoff @chwäxze- |
| 1/Std OC oC. kg/Std o/', grad ke tg |
| 15,52 538 357 14,56 18,5 - 92,6 126 |
| 30,66 538 36o 2r,95- 24,3 93,8 123 |
| 28,13 427 357 22,86 25,9 95,2 110 |
| keine 427 - 9,75 14,7 ' 94,5 - 126 |
2. Ölzerstäubung am Brenner Zwei Düsen bei Brenneranordnung mit freier Mitte (5-Rohr-Brenner)
| 114,0 22 22 28,49 9,1 92,6 129 |
| 13,25 538 357 1465 200 930 121 |
| 23,66 427 371 r796 T5,2 93ö 121 |
| keine 22 - 4,94 8,,5 95,8 - |
3. Ölzerstäubung am Brenner Eine Düse mit Anschlußnippel 2;3 mm in Mitte eines 6-Rohr-Brenners
| 23,47 22 22 12,o6 r4,2 92,2- 111 |
| 17,90 22 22 r0,80 11,1 92,6 113 |
| 22,71 22 22 17,33 13,8 - 94,0 117 |
| 22,90 22 371 13152 11,4 93,1 92 |
| keine 22 22 3,45 3,5 87,0 100 |
4. Ölzerstäubung unter Druck Eine Düse mit Anschlußnippel 2,3 mm in Mitte eines
6-Rohr-Brenners
| 26,50 22 22 20,77 22,8 94,1 114 |
| 3392 22 22 2354 29,3 957 128 |
| keine 22 `22 1O,16 15,3 94,0 123 |
5. Ölzerstäubung in Doppelströmungszerstäuberdüse Düse in Mitte eines 6-Rohr-Brennerg
| 1594 538 371 9,2 11,7 90.7 132 |
| 14,80 427 371 14,88 18,5. 95:5 100 |
| 15,67 31515 371 16,51 208 94,7 122 |
| keine 538 - . 2,54 3,8- 88,6 - |
| ' - |
In jeder der vorstehenden Versuchsreihen bedeuten die einzelnen Spalten r: Spalte:
Ölzufuhr in Liter pro Stunde, wobei das Öl dem Brenner durch Düsen zugeführt wird,
die in der beschriebenen Weise örtlich angeordnet sind; 2. Spalte: Temperatur des
Gases, das zuweilen auf 315 bis 538° C vorerhitzt wird, zuweilen aber auch ohne
Vorerhitzung bei einer Temperatur von etwa 22° C zugeführt wird; 3. Spalte: Temperatur
des Öles, das zuweilen auf 357 bis NI' C vorerhitzt wird, zuweilen aber auch ohne
Vorerhitzung bei einer Temperatur von etwa 22°C zugeführt wird; 4. Spalte: Erzeugung
an Gasruß in Kilogramm pro Stunde; 5. Spalte: Gesamtrückgewinnung an Kohlenstoff
in Prozent des errechneten Kohlenstoffgehaltes des Öl-Gäs-Gemisches; 6. Spalte:
Färbungs- oder Schwärzegrad des Gasrußerzeugnisses, gemessen in Skalenwerten des
Nigrometers nach C ab o t., wobei die niedrigeren Zahlenwerte die dunklere Färbung
des Gasrußes angeben; 7. Spalte: Zerreißfestigkeit eines Versuchsprobestückes aus
Gummi, mit dem das jeweils vorliegende Gasrußerzeugnis chemisch gebunden ist, wobei
die angegebenen Vergleichszahlen auf die Zerreißfestigkeit eines Normalprobestückes
bezogen sind.
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Im allgemeinen läßt sich sagen, daß bei Zuführung von Öl im Verhältnis
von angenähert 1,341 Öl pro 1o cbm Gas eine ausgezeichnete Qualität HMF-Ruß in einer
Menge von etwa 15,9 kg/Std. erzeugt wird, wobei roh gerechnet 5o °/a des in dem
Öl enthaltenen Kohlenstoffes als Gasruß erhalten werden. Der hierbei erzeugte Gasruß
entspricht dabei der hochwertigen HMF-Qualität unter Vermeidung der charakteristischen
Merkmale von Ölruß. Außerdem bestehen keine kritischen Forderungen hinsichtlich
der Gütebeschaffenheit des zu verwendenden Öles. In der Praxis hat sich gezeigt,
daß für den hierin vorgesehenen Zweck sowohl Lageröle, die auf katalytischem Wege
hergestellt sind, als auch solche, die durch thermische Regenerierungskreislaufprozesse
gewonnen werden, zufriedenstellenderweise in Frage kommen. Im allgemeinen ist.dabei
ein hoher aromatischer Gehalt in der Größenordnung von beispielsweise 40 bis 7o
% erwünscht. Wenn ein zu verdampfendes technisches Öl benutzt wird, dann
ist es vorteilhaft, ein destilliertes Öl zu verwenden; wenn dagegen ein zu zerstäubendes
technisches Öl benutzt wird, dann ist es nicht erforderlich oder besonders vorteilhaft,
ein vollständig destilliertes Öl zu verwenden.
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Unter gewissen Voraussetzungen ist es zweckmäßig, die über den Rohrkanal
2o zugeführte Luft vorzuerhitzen; für diesen Zweck kann irgendein geeignetes
Wärmeaustauschgerät bekannter Bauart verwendet werden, .und die Luft wird dann dem
Brennofen beispielsweise. bei Temperaturen von 482 bis 76o° C zugeführt. In gewissen
Fällen ist es außerdem vorteilhaft, das Gas auf die höheren Temperaturen von 538
bis 648°C vorzuerhitzen.