In der Arbeit werden die Einflussgrößen der partiellen Oxidation von Öl-Rückständen im Flugstrom unter Druck mithilfe der Strömungssimulation untersucht. Ausgangspunkt für die Berechnungen war ein am Sekundärrohstoffverwertungszentrum in Schwarze Pumpe betriebener und von der Lurgi Öl-Gas-Chemie weiterentwickelter Brenner, der in der "Lurgi-Multi-Purpose-Gasification" bei veränderten Bedingungen eingesetzt werden sollte.
In dem lizensierten Verfahren wird der Einsatzstoff in Zweistoffdüsen mit Wasserdampf zerstäubt. Das Wasserdampf/Öl-Gemisch strömt koannular mit Sauerstoff in einen ausgemauerten, zylindrischen Druckreaktor. Die Anordnung mehrerer Düsen im Brenner ermöglicht den Einsatz nicht mischbarer Rückstandsstoffe. Am Austritt des Reaktors wird das Synthesegas, das eine Temperatur von ca. 1300°C hat, in einer Wasser-Quenche oder einem Wärmetauscher abgekühlt und anschließend gereinigt.
Die Modellierung des Brenner/Reaktor-Systems erfasst die Auswirkungen einzelner Größen, die im Anlagenbetrieb nicht oder nicht unabhängig von anderen Größen verändert werden können. Es wurde ein Gesamtmodell der Flugstromdruckvergasung erstellt, das die Zerstäubung von Öl-Rückstand in einer Zweistoffdüse, die Kinetik der Flüchtigenbildung und der heterogenen Reaktionen am Kokspartikel unter Druck, sowie die Reaktionen in der Gasphase und die Strahlungseigenschaften von Gas und Partikeln berücksichtigt. Ein Reaktionsmechanismus für die Kinetik der heterogenen Vergasungsreaktionen wurde in Verbindung mit der Beschreibung der Kenosphärenbildung aus Schwerölen zur Vorhersage des Umsatzes eingesetzt.
Zur Festlegung der kinetischen Daten und der Struktur der Koksrückstände, sowie der Tropfengrößenverteilung der Düse werden Beziehungen aus der Literatur verwendet. Die Randbedingungen der Untersuchung sind für einen Betriebsfall der Flugstromdruckvergasung von Vakuum-Rückstand bei einem Vergasungsdruck von 6 MPa gewählt.
Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen die Reaktionszonen am Austritt der Medien aus dem Brenner, die vom Sauerstoffstrom durch Reaktion mit rezirkulierenden Gaskomponenten und flüchtigen Ölkomponenten bestimmt werden. Im Unterschied zur Ölverbrennung sind die exothermen Reaktionen mit Sauerstoff nicht an die Geschwindigkeit der Flüchtigenbildung gebunden. Die Kinetik der Flüchtigenbildung beeinflusst jedoch die Temperaturverteilung im Reaktor. Für einen Öl-Rückstand stellt sich im Vergleich zu einem leichten Öl ein größerer axialer Temperaturgradient im Reaktionsvolumen ein. Die Eigenschaften und Zerstäubung der Öl-Rückstände und die Geschwindigkeit der Vermischung der Edukte üben, insbesondere bei reduzierter mittlerer Gasverweilzeit, einen Einfluss auf den Umsatz bzw. die Temperaturverteilung und Gaszusammensetzung im Reaktionsvolumen aus. Die Annahmen zur Größe und Struktur der Kokspartikel beeinflussen die Geschwindigkeit der heterogenen Reaktion. Zusätzlich wirken sich die unterschiedlichen Strömungseigenschaften der Partikel auf den Umsatz aus.
Die Temperaturen an der Brennerfrontplatte und das erforderliche Reaktionsvolumen sind abhängig von der Anordnung der Medienzufuhr im Brenner. Durch direkten Kontakt der Öltropfen mit Sauerstoff am Düsenaustritt wird der Umsatz vergrößert. Eine Druckerhöhung reduziert die mittlere Eindringtiefe der Strahlung, gleichzeitig steigt die maximale Flammentemperatur.
Die Ergebnisse von Berechnungen wurden mit Betriebsdaten aus vier Produktionsanlagen verglichen. Unterschiede im Betrieb zwischen den Anlagen werden anhand der Berechnungen erklärt. Die Voraussagen der Berechnungen hinsichtlich der Auswirkungen unterschiedlicher Betriebszustände, zum Beispiel bei einem Brennerwechsel oder einer Reduzierung der Wasserdampfmenge, werden von Beobachtungen aus dem Anlagenbetrieb gestützt.
Der untersuchte Brenner wurde in einer bestehenden Anlage zur Ammoniaksynthese aus Rückstandsasphalt in Betrieb genommen.