Vorrichtung zur Durchführunq von Gasreaktionen, Verwendung der Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung Beschreibuna Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Gasreaktionen, die aus einem Reaktionsraum besteht, der unten durch einen mit Wasser gefüllten Behälter und oben durch eine Abgashaube verschlossen ist, wobei ein erster Gasstrom durch Düsen in den Reaktionsraum und ein zweiter Gasstrom durch Düsen in das Wasser eingetragen wird, wobei der Reaktionsraum eine Einschnürung aufweist, in deren Bereich die im Reaktionsraum befindlichen Düsen angeordnet sind, und wobei die gasförmigen Reaktionsprodukte aus der Abgashaube abgeführt werden. Jeder Gasstrom kann aus einem oder mehreren gasförmigen Stoffen bestehen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der Veröffentlichung von Kümmel und Wiese, Chemie-Anlagen + Verfahren, 1977, Heft 7, Seiten 56 bis 57 und 66, bekannt. In der Veröffentlichung wird vorgeschlagen, die bekannte Vorrichtung zur Verbrennung von Abgasen zu verwenden, die Schadstoffe enthalten und/oder die mit Luft ein explosives Gemisch bilden. Es hat sich gezeigt, daß die Betriebssicherheit der bekannten Vorrichtung verbesserungsbedürftig ist, denn die in der bekannten Vorrichtung durchgeführten Verbrennungsreaktionen verlaufen nicht immer quantitativ, und ferner werden die im Reaktionsraum angeordneten Eintragsdüsen für die Verbrennungsluft durch Korrosion angegriffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung sowie die Bedingungen für ihren Betrieb so zu verbessern bzw. festzulegen, daß die in ihr ablaufenden Gasreaktionen quantitativ verlaufen und daß die im Reaktionsraum angeordneten Düsen gegen Korrosion geschützt sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die im Reaktionsraum angeordneten Düsen zur Wasseroberfläche hin geneigt sind und zur Horizontalen einen Neigungswinkel von 12 bis 16° aufweisen, daß der Durchmesser des Reaktionsraums im Bereich der Einschnürung um 20 bis 30% verringert ist und daß die Einschnürung im Reaktionsraum so angeordnet ist, daS 20 bis 30 % der Höhe des Reaktionsraums zwischen Wasseroberfläche und Einschnürung und 80 bis 70 % der Höhe des Reaktionsraums zwischen Einschnürung und Abgashaube liegen.

Durch diese Merkmalskombination wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Gasströme gut durchmischt werden, so daß die zwischen ihnen ablaufenden Reaktionen quantitativ verlaufen.

Durch die in Richtung der Wasseroberfläche geneigten Düsen des Reaktionsraums beginnen die Reaktionen zwischen den einzelnen gasförmigen Stoffen unmittelbar oberhalb der Wasseroberfläche.

Die Einschnürung des Reaktionsraums bewirkt eine sehr gute Verwirbelung der gasförmigen Reaktionspartner, wobei die durch die Einschnürung verursachte Verringerung des Durchmessers des Reaktionsraums um 20 bis 30% einerseits eine gute Verwirbelung der Reaktionspartner und andererseits nur eine vergleichsweise geringe Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Reaktionspartner verursacht, so daß im Reaktionsraum insgesamt optimale Strömungs-und Durchmischungsverhältnisse vorliegen.

Dadurch, da$ sich zwischen der Einschnürung und der Abgashaube der größte Teil des Volumens des Reaktionsraums befindet, wird der quantitative Verlauf der Gasreaktionen sichergestellt, denn der oberhalb der Einschnürung befindliche Teil des Reaktionsraums gewährleistet eine für den quantitativen Reaktionsverlauf erforderliche und hinreichende Verweilzeit der Reaktionspartner. Selbst in der oberhalb des Reaktionsraums angeordneten Abgashaube findet noch eine, wenn auch geringe, Nachreaktion der gasförmigen Reaktionspartner statt.

Insbesondere dann, wenn in der Vorrichtung schadstoffhaltige Abgase verbrannt werden, die einen vergleichsweise geringen Heizwert haben und deren Schadstoffgehalt schwankt, hat es sich nach der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, daß im Reaktionsraum und/oder in dem mit Wasser gefüllten Behälter Brennstoffdüsen angeordnet sind, über die ein gasförmiger Zusatzbrennstoff in den Reaktionsraum und/oder in das Wasser eingeblasen wird. Hierdurch wird ermöglicht, daß in der Vorrichtung immer eine ausreichend hohe Verbrennungstemperatur eingehalten werden kann bzw. da$ die Verbrennungsreaktion nicht zum Erliegen kommt. Als gasförmiger Zusatzbrennstoff wird vorzugsweise Erdgas verwendet. Durch das Einblasen des Zusatzbrennstoffs in das Wasser wird unmittelbar oberhalb der Wasseroberfläche eine ausreichend hohe Verbrennungstemperatur eingestellt, wodurch der quantitative Reaktionsverlauf begünstigt ist.

Auch wenn die im Reaktionsraum angeordneten Düsen aus den gebräuchlichen wärme-und korrosionsbeständigen Werkstoffen bestehen, kommt es dennoch häufig zu Korrosionsproblemen. Die an den im Reaktionsraum angeordneten Düsen für den Eintrag des ersten Gasstroms und den Brennstoffdüsen auftretenden Korrosionsprobleme können aber nach der Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch vermieden werden, daß die im Reaktionsraum angeordneten Düsen aus Titan oder einer hochtitanhaltigen Legierung bestehen.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, dab die Vorrichtung zur Verbrennung von Gasen und Abgasen verwendet wird, die gasförmige sowie staubförmige Schadstoffe enthalten und/oder mit Luft ein explosives Gemisch bilden. Hierbei wird die Verbrennungsluft bzw. die mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft als erster Gasstrom durch Düsen in den Reaktionsraum und das Gas bzw. Abgas als zweiter Gasstrom durch Düsen in das Wasser eingetragen. Wenn die Gase und Abgase einen geringen Heizwert haben, wird ein Zusatzbrennstoff, vorzugsweise Erdgas, über Brennstoffdüsen in den Reaktionsraum und/oder in das Wasser eingeblasen. In überraschender Weise wurde gefunden, daS Staub, der in den Gasen und Abgasen enthalten ist, den Verbrennungsvorgang nicht behindert, da er durch das Wasser ausgewaschen wird. Um zu verhindern, daß sich der Staub im Wasser anreichert, muß er aus dem Wasser kontinuierlich oder diskontinuierlich durch Filtration abgetrennt werden. Die Gase und Abgase, die in der Vorrichtung verbrannt werden, können als gasförmige Schadstoffe CO, Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, H2S, CS2, COS, Wasserstoff und/oder geringe Mengen Chlor enthalten. Es wurde festgestellt, daß die Verbrennung der Gase und Abgase quantitativ verläuft, das heißt, daß in den Verbrennungsabgasen, welche die Abgashaube verlassen, die in den Gasen und Abgasen enthaltenen gasförmigen Schadstoffe nicht mehr enthalten sind und daß der Zusatzbrennstoff zu 100% in Wasser und CO2 umgewandelt ist. Die Menge der Verbrennungsluft wird so gewählt, daß bezüglich aller zu oxidierenden Verbindungen ein Sauerstoffüberschuß von 0,2 bis 0,4 vorliegt.

Der als Wasserbett ausgeführte untere Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sichert die unterhalb der Wasseroberfläche angeordneten Düsen zuverlässig gegen einen Flammenrückschlag, der bei bekannten Verbrennungsanlagen insbesondere dann durch zusätzliche Maßnahmen (Flammensperre) verhindert werden muß, wenn kleine Gasmengen und/oder hoch explosive gasförmige Stoffe in den Anlagen verbrannt werden. Für den Fall, daß in den der Verbrennung zugeführten Gasen und Abgasen Schadstoffe enthalten sind, die mit Wasser reagieren, wie z. B. HC1, SO3 oder NH3, ist es möglich, diese im Wasser adsorbierten Schadstoffe diskontinuierlich oder kontinuierlich aus dem Wasser abzutrennen ; z. B. kann SO3 als Calciumsulfat gefällt, HC1 neutralisiert und NH, abdestilliert werden.

Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Vorrichtung zur Durchführung chemischer Gasreaktionen verwendet wird. In überraschender Weise wurde gefunden, daß sich die Vorrichtung aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmalskombination auch als chemischer Reaktor einsetzen läßt ; z. B. kann Schwefelwasserstoff mit Luft zu Schwefeldioxid umgesetzt werden. In der Vorrichtung ist auch die Addition von Chlor oder Brom an niedere Olefine in der Gasphase mit sehr guter Ausbeute möglich. Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen verwendet wird, müssen die Werkstoffe der Innenwände und der Eintragsdüsen den Verhältnissen des chemischen Prozesses angepaßt werden, der in der Vorrichtung abläuft. Insoweit sind Korrosionsprobleme zu beachten, die durch die eingesetzten gasförmigen Stoffe bzw. die Reaktionsprodukte verursacht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird schließlich durch ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung gelöst, bei dem die mittlere Verweilzeit der gasförmigen Stoffe im Reaktionsraum sowie in der Abgashaube 1 bis 5 s und die mittlere Gasgeschwindigkeit im Reaktionsraum 2 bis 6 m/s beträgt, wobei die im Reaktionsraum angeordneten Düsen mit einem Überdruck von 35 bis 45 mbar und die unterhalb der Wasseroberfläche angeordneten Düsen mit einem Überdruck von 45 bis 55 mbar betrieben werden. Es hat sich gezeigt, daß die in der Vorrichtung durchgeführten Reaktionen bei den erfindungsgemäßen Betriebsbedingungen quantitativ und störungsfrei ablaufen. Auch eventuell auftretende Verpuffungen gefährden die Betriebssicherheit der Vorrichtung nicht, wenn die erfindungsgemäßen Betriebsbedingungen eingehalten werden. Der beim Betrieb der Düsen einzuhaltende Überdruck bezieht sich auf den Gasdruck im Reaktionsraum bzw. auf den von der Wassersäule ausgeübten Druck, und er verhindert auch bei eventuellen Verpuffungen das Zurückschlagen von Gasen, Reaktionsprodukten und Wasser in die Düsen und die mit den Düsen verbundenen Zufuhrsysteme der einzelnen Gasströme.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die den Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem Reaktionsraum (1) mit dem Durchmesser dR und der Höhe hR. Der Reaktionsraum (1) hat eine wärmebeständige und korrosionsbeständige Innenwand, deren Material entsprechend den Bedingungen ausgewählt wird, die im Reaktionsraum (1) herrschen. Beispielsweise beträgt die Temperatur im Reaktionsraum (1) bei der Verbrennung von Gasen und Abgasen 800 bis 1000 °C, wobei im gasförmigen Reaktionsgemisch ein Sauerstoffüberschuß vorliegt. Der Reaktionsraum (1) wird oben von der Abgashaube (3) abgeschlossen, aus der die heißen, gasförmigen Reaktionsprodukte (16) über die Abgasleitung (4) abgeführt werden. Die Innenwand der Abgashaube (3) und der Abgasleitung (4) ist entsprechend der Innenwand des Reaktionsraums (1) ausgeführt. Der Wärmeinhalt der heißen, gasförmigen Reaktionsprodukte (16) wird in zweckmäßiger Weise genutzt, was in einem Rekuperator oder in einem Abhitzekessel erfolgen kann und in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Reaktionsraum (1) wird unten durch den Behälter (2) abgeschlossen, der mit Wasser gefüllt ist.

Der Reaktionsraum (1) besitzt eine Einschnürung (8), die den Durchmesser dR des Reaktionsraums (1) um 20 bis 30% vermindert.

Im Bereich der Einschnürung (8) beträgt der Durchmesser dE also 80 bis 70% des Durchmessers dR des Reaktionsraums (1). Es ist zweckmäßig, wenn die Einschnürung (8) zur Horizontalen abgeschrägte Flächen aufweist, wie dies in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die Einschnürung (8) teilt den Reaktionsraum (1) in zwei Teile, und sie ist so angeordnet, daß 20 bis 30% der Höhe hR des Reaktionsraums (1) zwischen der Wasseroberfläche (9) und der Einschnürung (8) und 80 bis 70% der Höhe hR des Reaktionsraums (1) zwischen der Einschnürung (8) und der Abgashaube (3) liegen.

Der Behälter (2), der einen ebenen oder trichterförmigen Boden (17) aufweisen kann, ist mit Wasser gefüllt. Wenn das Wasser aus dem zweiten Gasstrom Staub oder gasförmige Schadstoffe aufnimmt, wird ein Teil des Wassers aus dem Behälter (2) über die Leitung (15) abgeführt und durch entsprechende Verfahren gereinigt, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Auf der Höhe des Wasserspiegels (9) wird dem Behälter (2) Frischwasser oder gereinigtes Wasser über die Leitung (14) zugeführt, so daß im Behälter (2) ständig eine konstante Wasserhöhe eingehalten werden kann. Die Wasserzufuhr wird nach dem Prinzip der verbundenen Gefäße geregelt, so daß auch Schwankungen des Wasserinhalts des Behälters (2) sicher ausgeglichen werden. Da die über das Wasser zugeführten gasförmigen Stoffe Wasser aufnehmen und aus dem Behälter (2) austragen, ist eine Ergänzung des Wasserinhalts des Behälters (2) ohnehin erforderlich.

Im Behälter (2) sind Gaseintragsdüsen angeordnet, die vorzugsweise als Düsenrohre (11) ausgeführt sind und denen der zweite Gasstrom über die Leitung (10) zugeführt wird. Als zweiter Gasstrom werden Gase und Abgase eingesetzt, die mit dem ersten Gasstrom verbrannt oder zur Reaktion gebracht werden. Der zweite Gasstrom wird über die Düsenrohre (11) im Wasser verteilt, steigt im Wasser auf und tritt über die Wasseroberfläche (9) in den Reaktionsraum (1) ein. Im Bereich der Einschnürung (8) sind Düsen (7) angeordnet, denen der erste Gasstrom über die Leitung (6) zugeführt und über die der erste Gasstrom in den Reaktionsraum (1) eingebracht wird. Die Düsen (7) sind zur Wasseroberfläche (9) hin geneigt und weisen zur Horizontalen einen Neigungswinkel von 12 bis 16° auf, so daS der aus den Düsen (7) austretende Gasstrahl auf die Wasseroberfläche (9) gerichtet ist. Die Düsen (7) bestehen vorzugsweise aus einer hochtitanhaltigen Legierung.

Insbesondere dann, wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Abgase und Gase mit niedrigem Heizwert verbrannt werden sollen, ist es erforderlich, daß der Vorrichtung ein gasförmiger Zusatzbrennstoff, vorzugsweise Erdgas zugeführt wird, um die erforderliche Verbrennungstemperatur aufrechtzuerhalten und eine quantitative Verbrennung aller in den Gasen und Abgasen vorhandenen Schadstoffe zu gewährleisten. Der gasförmige Zusatzbrennstoff kann sowohl in den Reaktionsraum (1) als auch in den mit Wasser gefüllten Behälter (2) eingetragen werden, wobei sich das Einbringen des Zusatzbrennstoffs in den Behälter (2) als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Im Behälter (2) sind Brennstoffdüsen angeordnet, die vorzugsweise als Düsenrohre (13) ausgeführt sind und denen der Zusatzbrennstoff über die Leitung (12) zugeführt wird. Bereits im Wasser findet eine Mischung des Zusatzbrennstoffs mit dem zweiten Gasstrom statt, und das Gasgemisch tritt über die Wasseroberfläche (9) in den Reaktionsraum (1) ein, wo es bereits nahe der Wasseroberfläche (9) mit dem ersten Gasstrom in Kontakt kommt. Ferner kann der Zusatzbrennstoff ganz oder teilweise über die Düsen (18) in den Reaktionsraum (1) eingetragen werden, die sich oberhalb der Einschnürung (8) befinden und denen der Zusatzbrennstoff über die Leitung (5) zugeführt wird.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden im technischen Maßstab Abgase verbrannt, die Kohlenwasserstoffe und chlorierte Kohlenwasserstoffe in geringen Mengen enthielten. Diese Schadstoffe konnten zu 100% in CO2, H, O und HC1 umgewandelt werden. Die Verbrennung erfolgte bei 800 bis 900°C, wobei die Vorrichtung ständig mit Erdgas als Zusatzbrennstoff versorgt wurde. Ferner wurde in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Abgas verbrannt, das bei der Herstellung von Titantetrachlorid aus TiO2, C12 und Kohlenstoff anfällt. Hierbei wurde das Deacon-Gleichgewicht genutzt, bei dem aus Chlor und Wasser HC1 gebildet wird.

Der Betrieb der Vorrichtung wird in der Weise durchgeführt, daß die mittlere Verweilzeit der gasförmigen Stoffe im Reaktionsraum (1) und der Abgashaube (3) ca. 3 bis 4 s beträgt. Außerdem wird im Reaktionsraum (1) eine mittlere Gasgeschwindigkeit von 3 bis 5 m/s eingehalten. Der erste Gasstrom wird über die Düsen (7) mit einem Überdruck von ca. 40 mbar in den Reaktionsraum (1) eingebracht. Der zweite Gasstrom wird über die Düsen (11) mit einem Überdruck von ca. 50 mbar in das Wasser eingeblasen. Der Zusatzbrennstoff wird mit einem entsprechenden Überdruck zugeführt.