DE102014211755A1

DE102014211755A1 - Vergaserkopf und Verfahren für die Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen

Info

Publication number: DE102014211755A1
Application number: DE102014211755.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Meyer; Fred Compart
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: WO2015193220A1; DE102014211755B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Vergaserköpfe zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen und Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen. Dazu weist der Vergaserkopf einen wenigstens eine Zuführung und mindestens einen in Richtung Vergaserinnenraum weisenden Ausgang für ein Schutzgas besitzenden Schutzraum in wenigstens einem Isolationskörper auf. Weiterhin sind eine sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragende Anordnung mit den Isolationskörper durchdringende Düsenrohre sowie eine Vergasungsstoff-Eintragsanordnung mit im Isolationskörper angeordneten und einseitig am oder im Vergaserinnenraum endenden Vergasungsstoff-Düsenrohren vorhanden. Ein Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Vergaserkopf eine von einer Vergasungsstoff-Zufuhranordnung mit Vergasungsstoff-Leitungen, wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler und einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung für Vergasungsstoff-Düsenrohre räumlich getrennte sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder Sauerstoff zuführende Anordnung mit Leitungen, wenigstens einem Verteiler und einer Zufuhrleitung für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff von einem Schutzgas umspült werden.

Description

Die Erfindung betrifft Vergaserköpfe zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen und Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen.
Die Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen wird in Vergasern durchgeführt. Am Kopf der Vergaser sind Vergasungsbrenner angeordnet, mittels derer die Reaktanten in den Innenraum des Vergasers, der üblicherweise hohe Drücke von 30 bis 100 bar und Temperaturen bis 1.600 °C aufweist, eingeblasen werden.
Die Reaktanten sind

– exotherm reagierende Vergasungsmittel mit Temperaturen bis ca. 400°C, die freien Sauerstoff enthalten,
– endotherm reagierende Vergasungsmittel mit Temperaturen bis ca. 400°C, die Wasserdampf und/oder Kohlendioxid enthalten,
– kohlenstoffhaltige Vergasungsstoffe mit Temperaturen bis ca. 650°C, die gasförmige und/oder flüssige Kohlenwasserstoffe enthalten sowie
– Spülgase mit Temperaturen bis ca. 400°C, die beispielsweise Wasserdampf enthalten.

Zur Kühlung der Oberflächen der Vergasungsbrenner, die mit dem heißen Innenraum des Vergasers in Berührung kommen, werden häufig außerdem Kühlmittel mit Temperaturen bis ca. 100°C, die insbesondere Kühlwasser enthalten, mittels Druckleitungen zugegeben und wieder abgeführt.
Bei Leistungseinheiten der Vergaser bis 250 MW (thermisch) ist ein Vergasungsbrenner in überwiegend axialer, vertikaler Position am Kopf des Vergasers angeordnet. Bei größeren Leistungseinheiten der Vergaser ab 500 MW (thermisch) werden zwei und mehrere Vergasungsbrenner im Kopf des Vergasers eingesetzt.
Unterhalb der Vergasungsbrenner bilden sich Brennerflammen aus, die weiter abwärts in Wirbelstraßen übergehen, in denen heiße Gase miteinander reagieren. Die Brennerflammen sind von Gas-Rezirkulationszonen umgeben, die die Flammenquerschnitte der Flammen um ein Mehrfaches übersteigen. In den Rezirkulationszonen herrschen deutlich geringere turbulente Vermischungsintensitäten und deutlich niedrigere Temperaturen als in den Flammen und in den sich nach unten ausbildenden Wirbelstraßen. Die Flammen werden durch die Rezirkulation gekühlt. Der Reaktionsumsatz bezogen auf den Strömungsquerschnitt ist in den Rezirkulationszonen geringer als in den Flammen. Es gibt verschiedene Vorschläge, die darauf gerichtet sind, den Strömungsquerschnitt des Vergasers für die Vergasungsreaktionen in den Flammen besser auszunutzen. Die einfachste und am häufigsten angewendete, jedoch am wenigsten wirksame Lösung, besteht darin, den Querschnitt der Brennerflamme durch Verdrillen aufzuweiten, beispielsweise in Kohlestaubbrennern oder Ölbrennern durch verdrillten Eintrag des Brennstoffstroms. Derartige Lösungen sind unter anderem in den Druckschriften US 4,704,971 , DE 31 23 866 A1 und WO 01/081509 A3 zu finden.
Wirkungsvoller sollen flächenhaft ausgebildete Brenner, sogenannte Brennerblöcke, mit mindestens drei Brennern sein, wie sie beispielsweise aus den Druckschriften EP 1 182 181 A1 , DE 37 26 875 C2 und EP 1 717 295 B1 bekannt sind.
Die Druckschrift EP 1 182 181 A1 offenbart einen Vormisch-Brennerblock für partielle Oxidationsprozesse. Der Vorschlag ist für Vergaser, die bei hohen Drücken betrieben werden, nicht geeignet, da die geforderten, sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Austritt aus dem Brennerblock unter erhöhten Drücken nicht realisiert werden können. Des Weiteren ist der Brennerblock für Temperaturen im Vergaser von kleiner 1.400°C begrenzt. Diese Temperaturen werden in modernen Vergasern in der Regel überschritten.
Die Lösung der Druckschrift DE 37 26 875 C2 sieht einen wassergekühlten Mehrdüsen-Brenner vor, bei dem die Reaktanten in Form des Vergasungsstoffes Erdgas und der exotherm reagierenden Vergasungsmittel, durch Kühlwasser führende Zwischenräume voneinander getrennt sind. Der Vorschlag ist für die technische Ausführung moderner Vergasungsbrenner, die die hohe Vorwärmung der Vergasungsmittel bis ca. 400°C und der Vergasungsstoffe bis ca. 650°C erfordern, nicht geeignet. Durch die Kompaktheit der Bodenplatte würde diese aufgrund der hohen thermischen Spannungen schnell zerstört werden. Ebenso können die Längsdehnungen der nicht gekühlten Zuführungsrohre mechanisch nicht abgefangen werden. Außerdem ist die erforderliche Schweißkonstruktion technisch praktisch nicht ausführbar. Dies wird insbesondere in der Darstellung der 2 ersichtlich, wonach der Einbau der nach innen geneigten Rohre technisch als nicht realisierbar erscheint.
Die Druckschrift EP 1 717 295 B1 beschreibt einen flächenhaften Vergasungsinjektor für flüssige Kohlenwasserstoffe in Form einer Aufschlämmung und Vergasungsmittel in Form von Sauerstoff. Die flächenhafte Verteilung der Vergasungsstoffe und die Zumischung von Sauerstoff an der gekühlten Frontplatte sind apparate- und betriebstechnisch extrem aufwendig. Es bestehen massive sicherheitstechnische Bedenken gegenüber einem mit Sauerstoff beaufschlagten Druckraum, bei dem es bei erhöhten Temperaturen (hot spots) zu Sauerstoffbränden mit den umgebenden drucktragenden metallischen Wänden kommen kann. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn eines der Aufschlämmungs-Einspritzrohre im Durchfluss gestört ist und sich durch Rückzündung in den Sauerstoff-Druckraum hinein erwärmt. Eine aufwändige Temperaturüberwachung der gesamten Frontplatte im Sauerstoff-Druckraum ist unumgänglich.
Der in den Patentansprüchen 1, 11 und 12 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vergaserkopf mit einem Brennerblock für die Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen so zu schaffen, dass die Reaktanten gefahrlos und ohne zusätzliche betriebliche Sicherheits-Überwachung in den bis 1.600°C heißen und druckbelasteten Vergaserinnenraum zuführbar sind.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 11 und 12 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Vergaserköpfe mit einem dazugehörigen Brennerblock für die Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Reaktanten gefahrlos und ohne zusätzliche betriebliche Sicherheits-Überwachung in den bis 1.600°C heißen und druckbelasteten Vergaserinnenraum zugeführt werden können.
Dazu weist der Vergaserkopf einen wenigstens eine Zuführung und mindestens einen in Richtung Vergaserinnenraum weisenden Ausgang für ein Schutzgas besitzenden Schutzraum in wenigstens einem Isolationskörper auf. Weiterhin sind eine sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragende Anordnung mit den Isolationskörper durchdringende Düsenrohre sowie eine Vergasungsstoff-Eintragsanordnung mit im Isolationskörper angeordneten und einseitig am oder im Vergaserinnenraum endenden Vergasungsstoff-Düsenrohren vorhanden. Die Düsenrohre enden damit zum einen im Schutzraum und zum anderen im Vergaserinnenraum, so dass sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff über die Düsenrohre dem Vergaserinnenraum zuführbar sind. Dagegen enden die Vergasungsstoff-Düsenrohre zum einen im Isolationskörper und zum anderen im Vergaserinnenraum, so dass über Leitungen im Isolationskörper und damit außerhalb des Schutzraumes dem Vergaserinnenraum Vergasungsstoff zuführbar ist.
Dazu sind die Düsenrohre der Anordnung über Leitungen und wenigstens einen Verteiler mit einer Zufuhrleitung für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff im Schutzraum verbunden. Die Vergasungsstoff-Düsenrohre sind über Vergasungsstoff-Leitungen und wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler mit einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung am oder im Isolationskörper verbunden.
Der Brennerblock besitzt vorteilhafterweise den Schutzraum. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die gesamte Vergasungsstoff-Eintragsanordnung außerhalb des Schutzraumes im Vergaserkopf befindet, so dass höchste Sicherheitsanforderungen gewährleistet sind. Dazu ist die Vergasungsstoff-Eintragsanordnung an oder in der Isolationsschicht und damit außerhalb des Schutzraumes angeordnet.
Ein Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Vergaserkopf eine von einer Vergasungsstoff-Zufuhranordnung mit Vergasungsstoff-Leitungen, wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler und einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung für Vergasungsstoff-Düsenrohre räumlich getrennte sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder Sauerstoff zuführende Anordnung mit Leitungen, wenigstens einem Verteiler und einer Zufuhrleitung für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff von einem Schutzgas umspült wird.
Ein weiteres Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in einem Vergaserkopf eine sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragende Anordnung mit Leitungen, wenigstens einem Verteiler und einer Zufuhrleitung für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff und eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung an wenigstens einem Kühlmittelverteiler für Düsen-Kühleinrichtungen von einem Schutzgas umspült werden, wobei eine Vergasungsstoff-Zufuhranordnung mit Vergasungsstoff-Leitungen, wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler und einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung für Vergasungsstoff-Düsenrohre davon räumlich getrennt ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 und 13 angegeben.
Wenigstens ein Düsenrohr der Düsenrohre für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 beabstandet in einem Schutzgas-Düsenrohr für Schutzgas des Schutzraumes angeordnet, wobei das Schutzgas-Düsenrohr den Schutzraum und den Vergaserinnenraum als Ausgang des Schutzraumes verbindet.
Für einen Brenner ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 wenigstens ein Bereich des Düsenrohres der sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragenden Anordnung beabstandet in mindestens einem Bereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres für Vergasungsstoff der Vergasungsstoff-Eintragungsanordnung angeordnet. Damit befindet sich jeweils ein Bereich des Düsenrohres in einem Vergasungsstoff-Düsenrohr. Weiterhin weist der Brennerblock Düsenrohre und Vergasungsstoff-Düsenrohre oder Brenner oder eine Kombination mit jeweils mindestens einem Düsenrohr, einem Vergasungsstoff-Düsenrohr und einem Brenner auf.
Die Brenner sind damit Bestandteile der sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragenden Anordnung und der Vergasungsstoff-Eintragsanordnung.
Das Düsenrohr für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 beabstandet in einem Schutzgas-Düsenrohr für Schutzgas des Schutzraumes angeordnet. Dabei verbindet das Schutzgas-Düsenrohr den Schutzraum und den Vergaserinnenraum als Ausgang des Schutzraumes. Weiterhin befindet sich das Schutzgas-Düsenrohr beabstandet in dem Vergasungsstoff-Düsenrohr, so dass das Düsenrohr, das Schutzgas-Düsenrohr und das Vergasungsstoff-Düsenrohr ein weiterer Brenner mit Schutzgas zwischen Vergasungsstoff und entweder sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel oder Sauerstoff am Austritt dieses Brenners ist. Dieser ist damit ein Brenner mit einem Schleiergas aus dem Schutzgas. Das Schutzgas kann ein endotherm reagierendes und damit wärmeverbrauchendes Vergasungsmittel, ein Inertgas oder ein Gemisch davon jeweils als Schleiergas sein. Das Schleiergas befindet sich damit zwischen dem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel oder dem Sauerstoff und dem Vergasungsstoff am Austritt. Wenigstens ein derartiger Brenner mit Schleiergas ist ein Bestandteil des Brennerblocks.
Günstigerweise ist das Schutzgas nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und/oder Stickstoff.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 befindet sich eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung an wenigstens einem Kühlmittelverteiler im Schutzraum. Jeweils eine Düsen-Kühleinrichtung ist wenigstens am in Richtung Vergaserinnenraum weisenden Endenbereich des Düsenrohres oder des Vergasungsstoff-Düsenrohres angeordnet. Darüber hinaus sind die Düsen-Kühleinrichtungen über eine Kühlmittel-Sammeleinrichtung im Schutzraum mit einer Kühlmittel-Abfuhrleitung verbunden.
Eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung an wenigstens einem Kühlmittelverteiler befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 im Isolationskörper. Jeweils eine Düsen-Kühleinrichtung ist wenigstens am in Richtung Vergaserinnenraum weisenden Endenbereich des Düsenrohres oder des Vergasungsstoff-Düsenrohres angeordnet. Die Düsen-Kühleinrichtungen sind über eine Kühlmittel-Sammeleinrichtung im Isolationskörper mit einer Kühlmittel-Abfuhrleitung verbunden.
Die Düsen-Kühleinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 vorteilhafterweise eine ringförmige Düsen-Kühleinrichtung mit einem Hohlraum am Endenbereich des Düsenrohres oder des Vergasungsstoff-Düsenrohres.
Der Brennerblock weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mindestens eine röhrenförmige und überwiegend vertikal verlaufende Öffnung auf, in der sich der Zündbrenner oder der Zündbrenner und weitere Brenner oder Eintragsanordnungen befinden.
Der Druck des Schutzgases im Schutzraum ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 größer als der Druck des sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels der Anordnung.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 wird das dem Vergaserinnenraum zugeführte sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder der dem Vergaserinnenraum zugeführte Sauerstoff von dem Schutzgas und das Schutzgas vom Vergasungsstoff umspült.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Vergaserkopf mit einem Brennerblock mit Brennern,
2 ein Düsenrohr im Brennerblock,
3 ein Vergasungsstoff-Düsenrohr im Brennerblock,
4 einen Brenner im Brennerblock,
5 einen Brenner mit einer Düsen-Kühleinrichtung im Brennerblock,
6 Brenner mit Schleiergas im Brennerblock und
7 eine Anordnung von Düsenrohren, Vergasungsstoff-Düsenrohren und Brennern mit Schleiergas.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden eine Einrichtung und ein Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen zusammen näher erläutert.
Ein Vergaserkopf 1 für die Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen besteht im Wesentlichen aus einem Brennerblock 2 mit einem Schutzraum 12, wenigstens einem Isolationskörper 4 und jeweils wenigstens

– einem Düsenrohr 20 und einem Vergasungsstoff-Düsenrohr 21,
– einem Brenner 10,
– einem Brenner 11 mit Schleiergas oder
– einer Kombination aus wenigstens
– einem Düsenrohr 20, einem Vergasungsstoff-Düsenrohr 21, einem Brenner 10 und/oder einem Brenner 11 mit Schleiergas. Der Vergaserkopf 1 befindet sich auf dem Vergaserinnenraum 3 mit einer Vergaser-Ausmauerung 7.

Die 1 zeigt einen Vergaserkopf 1 mit einem Brennerblock 2 mit Brennern 10, 11 in einer prinzipiellen Darstellung.
Ein Vergaserkopf 1 kann weiterhin eine Vergaserkopf-Ausmauerung 5 als Deckkörper 5, eine Vergaser-Ausmauerung 6 als Seitenkörper 6, eine Öffnung 8 mit einem Zündbrenner 9, eine Zuleitung 13 für Vergasungsstoff, eine Zuleitung 14 für sauerstoffhaltiges und exotherm reagierendes Vergasungsmittel oder Sauerstoff, eine Zuleitung 15 für Kühlmittel, eine Ableitung 16 für Kühlmittel, einen Deckelaufsatz 17, eine Isolationsschicht 18 und Dichtungen 19 aufweisen. Nachfolgend werden der Isolationskörper 4 und die Isolationsschicht 18 als ein Isolationskörper 4, 18 bezeichnet.
Die 2 zeigt ein Düsenrohr 20 im Brennerblock 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Eine sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragende Anordnung umfasst wenigstens ein den Isolationskörper 4, 18 durchdringendes Düsenrohr 20. Mehrere Düsenrohre sind über Leitungen und wenigstens einen Verteiler mit der Zufuhrleitung 14 für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff im Schutzraum 12 verbunden.
Die 3 zeigt ein Vergasungsstoff-Düsenrohr 21 im Brennerblock 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Eine Vergasungsstoff-Eintragsanordnung weist wenigstens ein im Isolationskörper 4 angeordnetes und am oder im Vergaserinnenraum 3 einseitig endendes und Vergasungsstoff-Düsenrohr 21 auf. Mehrere sind über Vergasungsstoff-Leitungen und wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler mit einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung 13 am oder im Isolationskörper 4 verbunden.
Die 4 zeigt einen Brenner 10 im Brennerblock 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Für einen Brenner 10 ist wenigstens ein Bereich des Düsenrohres 20 der sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragenden Anordnung beabstandet in mindestens einem Bereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres 21 für Vergasungsstoff der Vergasungsstoff-Eintragungsanordnung angeordnet.
Die 5 zeigt einen Brenner 10 mit einer Düsen-Kühleinrichtung 22 im Brennerblock 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Brenner 10 ist wie der bereits zur Darstellung der 4 beschriebene realisiert. Zusätzlich weist dieser die Düsen-Kühleinrichtung 22 auf. Dazu befindet sich eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung 15 an wenigstens einem Kühlmittelverteiler im Schutzraum 12 und/oder im Isolationskörper 4, 18. Die Düsen-Kühleinrichtung 22 ist am in Richtung Vergaserinnenraum 3 weisenden Endenbereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres 21 angeordnet. Die Düsen-Kühleinrichtung 22 ist eine ringförmige Düsen-Kühleinrichtung 22 mit einem Hohlraum am Endenbereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres 21.
Die 6 zeigt Brenner 11 mit Schleiergas mit einer Düsen-Kühleinrichtung 22 im Brennerblock 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Das Düsenrohr 20 für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff ist beabstandet in einem Schutzgas-Düsenrohr 23 für Schutzgas des Schutzraumes 12 angeordnet, wobei das Schutzgas-Düsenrohr 23 den Schutzraum 12 und den Vergaserinnenraum 3 als Ausgang des Schutzraumes 12 verbindet. Weiterhin befindet sich das Schutzgas-Düsenrohr 23 beabstandet in dem Vergasungsstoff-Düsenrohr 21, so dass das Düsenrohr 20, das Schutzgas-Düsenrohr 23 und das Vergasungsstoff-Düsenrohr 21 der Brenner 11 mit Schleiergas ist. Dieser ist damit ein Brenner 11 mit einem Schleiergas aus dem Schutzgas. Das Schutzgas kann ein endotherm reagierendes und damit wärmeverbrauchendes Vergasungsmittel, ein Inertgas oder ein Gemisch davon jeweils als Schleiergas sein. Das Schleiergas befindet sich damit zwischen dem sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel oder dem Sauerstoff und dem Vergasungsstoff am Austritt des Brenners 11. Zusätzlich kann dieser die Düsen-Kühleinrichtung 22 aufweisen. Dazu befindet sich die Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung 15 an wenigstens einem Kühlmittelverteiler im Schutzraum 12 und/oder im Isolationskörper 4, 18. Die Düsen-Kühleinrichtung 22 ist am in Richtung Vergaserinnenraum 3 weisenden Endenbereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres 21 angeordnet. Die Düsen-Kühleinrichtung 22 ist eine ringförmige Düsen-Kühleinrichtung 22 mit einem Hohlraum am Endenbereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres 21.
Nachfolgend wird an Hand der Darstellung der 1 ein darin dargestellter Vergaserkopf 1 und Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen zusammen näher erläutert.
Die exotherm reagierenden Vergasungsmittel werden mittels einer Sauerstoff-Druckleitung in den Vergaserkopf 1 eingebracht und an eine Sauerstoff-Verteilereinrichtung übergeben, von der aus die exotherm reagierenden Vergasungsmittel mittels Sauerstoff-Verteilerleitungen an jeweils ein in Richtung Vergaserinnenraum 3 weisendes Düsenrohr 20 übergeben werden. Das Düsenrohr 20 besitzt dabei beispielsweise eine durch das Ende des Düsenrohres gebildete kreisförmige Austrittsdüse, so dass die exotherm reagierenden Vergasungsmittel in Höhe der inneren Oberfläche des Brennerblocks 2 in vertikaler Richtung in den Vergaserinnenraum 3 eingeblasen werden. Dazu können weiterhin in horizontal etwa gleicher Höhe angeordnete Sauerstoff-Entnahmeeinrichtungen im Schutzraum 12 vorhanden sein, mit denen die Düsenrohre 20 verbunden sind.
Um wirksam zu verhindern, dass im Falle von Undichtheiten oder Lecks in der Sauerstoff-Eintragsanordnung der austretende freie Sauerstoff zu unkontrollierbaren Schäden im Vergaserkopf 1 führen kann, ist die Sauerstoff-Eintragsanordnung bis auf korrespondierend zum Isolationskörper angeordnete Bereiche der Düsenrohre 20 von einem geschlossenen Schutzraum 12 umgeben. Die Sauerstoff-Eintragsanordnung umfasst die Sauerstoff-Zufuhrleitung 14 als eine Druckleitung, die Sauerstoff-Verteilereinrichtung, die Sauerstoff-Verteilerleitungen, die Sauerstoff-Entnahmeeinrichtungen, die Düsenrohre 20 mit den Sauerstoff-Austrittsdüsen als Abschluss der Düsenrohre 20. Der Schutzraum 12 kann unterbrechungsfrei aus einem horizontalen Teil und einem vertikalen Teil zusammengesetzt sein. Der vertikale Teil besteht vorzugsweise aus einem Rohr, das auf dem horizontalen Teil des Schutzgasdeckels aufgesetzt ist. Es ragt in der Höhe bis über den Vergaser-Deckel und den Deckelaufsatz 17 hinaus. Im vertikalen Teil verläuft die Zufuhrleitung 14 und durchdringt sie an ihrem oberen Ende außerhalb des Deckelaufsatzes 17. Damit ist sichergestellt, dass die freien Sauerstoff führenden Rohrleitungen und Verteilereinrichtungen in Form der Zufuhrleitung 14, der Sauerstoff-Verteilereinrichtung, der Sauerstoff-Verteilerleitungen, der Sauerstoff-Entnahmeeinrichtungen und der Düsenrohre 20 an keiner Stelle im Vergaserkopf 1 mit brennbaren Gasen in Kontakt kommen können. Die Anordnung gewährleistet außerdem, dass sich die Sauerstoff-Eintragsanordnung einschließlich der Zufuhrleitung 14 bei Temperaturänderungen spannungsfrei bewegen kann.
In den Schutzraum 12 werden am oberen Ende des vertikalen Teiles endotherm reagierende Vergasungsmittel und/oder Inertgase als Schutz- und Schleiergase, die nahezu ausschließlich aus Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff und/oder deren Gemische bestehen, so eingespeist, dass die Drücke im Schutzraum 12 um mindestens 0,05 bar höher als die Drücke in der Zufuhrleitung 14 eingestellt sind. Die dem Schutzraum 12 zugeführten Schutzgase werden am Boden des horizontalen Teils aus mindestens einer Schutzgas-Austrittsdüse in Richtung des Vergaserinnenraumes 3 ausgeblasen, insoweit diese Schutzgase nicht durch ringspaltförmig gestaltete Schleiergas-Austrittsdüsen gebildet aus den Schutzgas-Düsenrohren 23, die die Sauerstoff-Austrittsdüsen gebildet aus den Düsenrohren 20 umschließen, in Richtung des Vergaserinnenraumes 3 ausgeblasen werden. Der Überdruck im Schutzraum 12 wird durch entsprechend dimensionierte Druckverluste der Schutzgas-Austrittsdüsen gewährleistet. Selbst im Falle von Undichtheiten in der Sauerstoff-Eintragsanordnung wird auf diese Weise Sorge getragen, dass freier Sauerstoff nicht in den Schutzraum 12 gelangen kann. Damit bleibt seine Inertisierungsfunktion unter allen Umständen vollständig erhalten.
Die Schutzgase können die Funktion der Beschleierung der exotherm reagierenden Vergasungsmittel, die aus den Düsenrohren 20 austreten, übernehmen. Beim sogenannten Autothermreforming (ATR-Modus) steht dafür nur der geringere Teil des gesamten Eintrags an endotherm reagierenden Vergasungsmitteln Wasserdampf und/oder Kohlendioxid für die Beschleierung zur Verfügung. Der überwiegende Teil dieser endotherm reagierenden Vergasungsmittel wird den Vergasungsstoffen zugemischt, bevor dieses Gemisch bis auf ca. 650°C erhitzt wird. Der Schutzraum 12 übernimmt im ATR-Modus nur untergeordnet die Funktion der Zuführung und Verteilung der endotherm reagierenden Vergasungsmittel, wobei das Schutzgas eine andere Zusammensetzung als das den Vergasungsstoffen zugemischte endotherm reagierende Vergasungsmittel aufweisen kann. Dazu kann beispielsweise ein höherer Stickstoffanteil im Schutzgas als im Zumischgas zu den Vergasungsstoffen vorhanden sein.
Anders verhält es sich im Falle der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX-Modus). Der Schutzraum 12 ist hier weit überwiegend für die Zuführung und Verteilung der endotherm reagierenden Vergasungsmittel und/oder des Inertgases Stickstoff verantwortlich, wobei diese in gleicher Weise als Schutz- und Schleiergase dienen.
Die endotherm reagierenden Vergasungsmittel Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und/oder das Inertgas Stickstoff können beim POX-Modus durch nach unten gerichtete Verlängerungen des Schutzraumes 12, die als Schutzgas-Düsenrohre 23 die Düsenrohre 20 hier für das sauerstoffhaltige und exotherm reagierende Vergasungsmittel oder den Sauerstoff konzentrisch umschließen, geleitet und über ringförmige Schleiergas-Austrittsdüsen gebildet aus den Enden der Schutzgas-Düsenrohren 23 in gleicher Höhe wie die Sauerstoff-Austrittsdüsen in vertikaler Richtung in den Vergaserinnenraum 3 eingeblasen. Dabei erfolgt, wie bereits dargestellt, die Beschleierung der exotherm reagierenden Vergasungsmittel und damit eine Separation zwischen exotherm reagierenden Vergasungsmittel und Vergasungsstoff direkt am Brennermund durch das Schleiergas.
Im ATR-Modus kann analog dem POX-Modus mit dieser Beschleierung verfahren werden. Im ATR-Modus besteht jedoch auch die Möglichkeit, auf die Beschleierung zu verzichten, so dass als Abfluss der Schutzgase in den Vergaserinnenraum 3 die Schutzgas-Düsenrohre 23 örtlich getrennt von den Düsenrohren 20 und deren Sauerstoff-Austrittsdüsen angeordnet sind.
Daneben können weiterhin die sauerstoffhaltigen und exotherm reagierenden Vergasungsmittel durch zugemischten Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und/oder Inertgas Stickstoff verdünnte exotherm reagierende Vergasungsmittel sein. Das Einbringen von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und/oder Inertgas Stickstoff sowohl in die Vergasungsstoffen als auch in die exotherm reagierenden Vergasungsmittel als auch über die Zuführung von Schutz- und Schleiergasen zum Vergaserinnenraum ermöglicht eine Temperaturmoderation im Bereich des Brennermundes der Brenner und beeinflusst die Temperatureinstellung im Vergaserinnenraum 3.
Im ATR-Modus wird in Summe viel mehr Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als im POX-Modus eingeblasen, und dass wiederum hauptsächlich als Zumischgas zum Vergasungsstoff. Die resultierende Gastemperatur im Vergaserinnenraum 3 ist durch diese Zumischung auch gewollt viel tiefer als im POX-Modus, so dass im ATR-Modus auch auf die Kühleinrichtung verzichtet werden kann. Unter den Brennern kann sich dabei eine Katalysatorschicht befinden, um die Reaktionen zu beschleunigen, da kleinere Temperaturen als im POX-Modus vorhanden sind.
Die Vergasungsstoffe werden mittels mindestens einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung 13 als Druckleitung in den Vergaserkopf 1 eingebracht und von dort an mindestens eine Vergasungsstoff-Verteilereinrichtung übergeben. Von hier aus werden die Vergasungsstoffe mittels Vergasungsstoff-Verteilerleitungen auf mindestens zwei, in horizontal etwa gleicher Höhe angeordneten, Vergasungsstoff-Entnahmeeinrichtungen verteilt, von denen aus die Vergasungsstoffe an mindestens jeweils ein darunter angeordnetes und nach unten gerichtetes Vergasungsstoff-Düsenrohr 21 übergeben werden. Über dessen am unteren Ende angeordnete Vergasungsstoff-Austrittsdüse werden die Vergasungsstoffe in Höhe der inneren Oberfläche des Brennerblocks 2 in überwiegend vertikaler Richtung in den Vergaserinnenraum 3 eingeblasen. Die Vergasungsstoffe können vorteilhafterweise mittels der Vergasungsstoff-Verteilerleitungen über den äußeren Rand außerhalb des Schutzraumes 12 geführt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Vergasungsstoff-Verteilereinrichtungen und ein Teil der Vergasungsstoff-Verteilerleitungen oberhalb des horizontalen Teiles des Schutzraumes 12 vor Überhitzungen geschützt sind. Die vertikalen Wärmedehnungen der bis ca. 650°C heißen Vergasungsstoff-Druckleitungen werden durch die nicht starre horizontale Verteilungsanordnung problemlos abgefangen. Um die horizontalen Wärmedehnungen zu kompensieren, werden vorteilhafter Weise die Vergasungsstoff-Verteilerleitungen so geführt, dass deren horizontal verlaufenden Leitungslängen oberhalb und unterhalb des horizontalen Teiles des Schutzraumes 12 in etwa gleich lang gehalten werden. Es können aber auch andere Formen der Verlegung der Vergasungsstoff-Verteilerleitungen mit Kompensatoren für Wärmedehnungen gewählt werden. Dadurch, dass die gesamte Vergasungsstoff-Eintragsanordnung außerhalb des geschlossenen Schutzraumes 12 im Vergaserkopf 1 angeordnet ist, werden höchste Sicherheitsanforderungen gewährleistet. Die Vergasungsstoff-Eintragsanordnung umfasst dabei die Vergasungsstoff-Druckleitungen, die Vergasungsstoff-Verteilereinrichtungen, die Vergasungsstoff-Verteilerleitungen, die Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 mit den Vergasungsstoff-Austrittsdüsen als Abschluss der Düsenrohre 21.
Die Vergasungsstoffe werden mittels Vergasungsstoff-Düsenrohren 21 entweder getrennt (separate Zuführung) von den Düsenrohren 20 hier für das sauerstoffhaltige und exotherm reagierende Vergasungsmittel oder Sauerstoff oder in einer Einheit mit diesen als eine gemeinsame Zuführung in den Vergaserinnenraum 3 eingeblasen. Bei gemeinsamer Zuführung sind die Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 konzentrisch um die Düsenrohre 20 (und eventuell zusätzliche konzentrische Schutzgas-Düsenrohre 23, die in Schleiergas-Austrittsdüsen enden) angeordnet, wobei beide in dieser Einheit Brenner-Düsenrohre bilden (zusammen mit optionalen ringförmig um die Düsenrohre 20 angeordneten Schutzgas-Düsenrohre 23 bei Sauerstoff-Beschleierungsfunktion des Schutzgases). Üblicherweise ist die gemeinsame Zuführung zu bevorzugen, da sie die schnelle Mischung der Reaktanten in den Flammen gewährleistet. Die separate Zuführung kann aber sowohl im ATR- und im POX-Modus von Vorteil sein, insbesondere wenn dem Vergaserfreiraum definierte Temperaturprofile aufgeprägt werden sollen, wenn qualitativ unterschiedliche Vergasungsstoffe eingedüst werden sollen oder wenn sich Qualität und Heizwert der Vergasungsstoffe schnell ändern. Auf diese Weise werden die Düsenrohre 20, die Vergaser-Ausmauerung 7 und/oder der Brennerblock 2 vor thermischen Überlastungen geschützt. Die Anzahl der Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 kann bei getrennter Zuführung gleich groß oder bis zu 50% größer als die Anzahl der Düsenrohre 20 sein. Es ist aber auch möglich, dass die Anzahl der Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 kleiner ist als die Anzahl der Düsenrohre 20, im Grenzfall nur ein Vergasungsstoff-Düsenrohr 21, zu wählen. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der eine Teil der Vergasungsstoffe separat, beispielsweise in Wandnähe der Vergaser-Ausmauerung 7, und der andere Teil gemeinsam zugeführt wird. Sowohl bei separater als auch bei gemeinsamer Zuführung ist die Beschleierung der exotherm reagierenden Vergasungsmittel, die aus den Düsenrohren 20 austreten, vorzunehmen (im ATR-Modus besteht jedoch auch die Möglichkeit, auf die Beschleierung zu verzichten, siehe weiter oben). Eine Beschleierung der Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 ist dagegen nicht erforderlich. Durch die gewonnene Variabilität der Art und des Ortes der Zuführung der Vergasungsstoffe werden die Vergaser-Laufzeiten erhöht und Reparaturkosten gespart.
Die endotherm reagierenden Vergasungsmittel und die Vergasungsstoffe werden vorzugsweise von einer annähernd horizontalen Ebene aus, die in etwa der inneren Oberfläche des Brennerblocks 2 entspricht, in den Vergaserinnenraum 3 eingeblasen. Es ist aber auch möglich, der inneren Oberfläche eine andere Gestalt zu geben, wie beispielsweise eine konkave Gestalt, bei der der zentrale Teil der inneren Oberfläche höher ist als der der Vergaser-Ausmauerung 7 nahe Teil.
Es wird sichergestellt, dass die zulässigen Betriebstemperaturen der für den Brennerblock 2 verwendeten metallischen Materialien auch für den Fall, dass keine Kühlmittel eingesetzt werden, nicht überschritten werden. Um das zu gewährleisten, ist der horizontale Teil des Schutzraumes 12 von keramischen Isolationsmaterialien so umhüllt, dass alle dem heißen Vergaserinnenraum 3 zugewandten und metallischen Teile des Schutzraumes 12, der Sauerstoff-Eintragsanordnung und der Vergasungsstoff-Eintragsanordnung vor Überhitzung geschützt werden.
Die keramischen Isolationsmaterialien sind vorzugsweise schichtenhaft aufgebaut, bestehend aus einer äußeren keramischen Verschleiß- und Isolationsschicht 18, die die Kontur der inneren Oberfläche des Brennerblocks 2 abbildet, und inneren keramischen Isolationsschichten 4 als Isolationskörper 4. Die Verschleiß- und Isolationsschicht 18 hält den hohen Temperaturen und der Gasatmosphäre des Vergaserinnenraumes 3 stand. Die inneren keramischen Isolationsschichten 4 übernehmen die Wärmedämmung zwischen der äußeren keramischen Verschleiß- und Isolationsschicht 18 und dem Schutzraum 12. Dabei wird die Schicht 18 von einem Feuerfest-Mauerwerk gebildet, während die Schichten 4 aus keramischen Gieß- oder Stampfmassen bestehen.
Die dicht gepackten, keramischen Isolationsmaterialien geben dem Brennerblock 2 die Kontur eines kompakten und geschlossenen sowie weitestgehend gasundurchlässigen Körpers, ähnlich dem einer Zylinderscheibe, deren Querschnitt größer/gleich dem Querschnitt des Vergaserinnenraumes 3 ist. Dies verhindert, dass heiße Gase aus dem Vergaserinnenraum 3 durch die innere Oberfläche in den Brennerblock 2 eintreten und von dort aus im Vergaserkopf 1 zirkulieren können.
Um weiter zu verhindern, dass Gase aus dem Vergaserinnenraum 3 entlang der inneren Oberfläche des Brennerblocks 2 aufwärts in Richtung Vergaser-Deckel strömen können, ist der Brennerblock 2 an der Unterseite zu der mindestens den Vergaserinnenraum 3 umhüllenden Vergaser-Ausmauerung 7 hin und an der Oberseite über die seitliche Ausmauerung 6 zu der den Vergaser-Deckel schützenden Vergaserkopf-Ausmauerung 5 hin formschlüssig und über keramische Dichtungen 19, beispielsweise mittels Mörtel, verbunden.
Der Brennerblock 2 kann mindestens eine röhrenförmige, überwiegend vertikal verlaufende Öffnung 8 aufweisen, in der sich der Zündbrenner 9 und gegebenenfalls weitere Brenner oder Eintragsanordnungen befinden können.
Im Falle der im POX-Modus empfehlenswerten Anwendung von Kühlmitteln werden die Kühlmittel mittels mindestens einer Kühlmittel-Zufuhrleitung 15 als Druckleitung in den Vergaserkopf 1 eingebracht und von dort über mindestens eine Kühlmittel-Verteilereinrichtung mittels Kühlmittel-Verteilerleitungen an Düsen-Kühleinrichtungen 22, die vorzugsweise in Form von Kühlmanschetten mit den Vergasungsstoff-Düsenrohren 21 und/oder den Düsenrohren 20 zwecks deren Kühlung fest verbunden sind, eingebracht. Insbesondere sind die Düsen-Kühleinrichtungen 22 so gestaltet, dass sie in Form von Kühlmanschetten den unteren Teil der Düsenrohre 20 oder der Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 spaltfrei umgeben. Die aus den Düsen-Kühleinrichtungen 22 austretenden Kühlmittel werden mittels Kühlmittel-Verteilerleitungen an mindestens eine Kühlmittel-Sammeleinrichtung zurückgeführt und von dort mittels mindestens einer Kühlmittel-Ableitung 16 aus dem Vergaserkopf 1 ausgebracht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Kühlmittel-Anordnung besteht darin, dass diese mit Ausnahme der Düsen-Kühleinrichtungen 22 und teilweise der Kühlmittel-Verteilerleitungen im Inneren des Schutzraumes 12 angeordnet ist (innere Kühlmittel-Verteilung). Die Oberflächen der Kühlmittel-Anordnung sind dabei zur heißen Umgebung des Schutzraumes 12 thermisch isoliert, so dass eine Kondensation im Schutzraum 12 verhindert wird.
Abweichend von der inneren Kühlmittel-Verteilung kann die Kühlmittel-Anordnung mit Ausnahme der Düsen-Kühleinrichtungen 22 und teilweise der Kühlmittel-Verteilerleitungen oberhalb des Schutzraumes 12 angeordnet sein (äußere Kühlmittel-Verteilung). Alternativ ist die äußere Kühlmittel-Verteilung, dass bedeutet die Anordnung der Kühlmittel-Anordnung mit Ausnahme der Kühlmittel-Druckleitungen auch unterhalb des Schutzraumes 12 möglich.
Der Vergaser-Deckel weist mindestens einen mit einem Deckelaufsatz-Flansch verbundenen turmförmigen Deckelaufsatz 17 auf, der aus miteinander verbundenen, in der Regel konzentrisch angeordneten Rohren in Form eines geflanschten Außenrohres und eines oben verschlossenen Innenrohres besteht. Das Außenrohr ist unten mit dem Deckelaufsatz-Flansch und oben mit dem Innenrohr druckdicht verbunden. Das Innenrohr ragt über das Außenrohr nach oben hinaus. Die ringförmige Distanz zwischen Innenrohr und Außenrohr ist mit einem Distanzstück in Form eines Kreisrings, vorzugsweise in Form eines konischen Kreisrings, druckdicht verschlossen. Durch das Innenrohr, das an seinem oberen Ende mit einem Deckelaufsatz 17 verschlossen ist, sind der vertikale Teil des Schutzraumes 12 sowie die Druckleitungen 14, 15, 16 druckdicht durchgeführt.
Die Druckleitungen 14, 15, 16 sind kurz oberhalb des Deckelaufsatzes 17 mit lösbaren Rohrverbindungen mit den Zuführungsleitungen der Medien verbunden. Die Verbindungen sind so ausgeführt, dass nach Trennen der Rohrverbindungen diese zusammen eine so geringe Querschnittsfläche einnehmen, dass das Außenrohr darüber hinweg gezogen werden kann. Bei Bedarf sind mehrere Deckelaufsatz-Flansche, turmförmigen Deckelaufsätze 17 und Außenrohre zu installieren, um das Ziehen der Außenrohre über alle lösbaren Verbindungen zu garantieren. Das kann auch über die Durchführung der Kühlmittel-Druckleitungen 15, 16 über einen separaten Deckelaufsatz erfolgen.
Auf diese Weise wird ermöglicht, dass der mit dem Vergaserkopf 1 verbundene Vergaser-Deckel unabhängig vom Brennerblock 2 vom Vergaserkopf 1 entfernt werden kann. Hierzu wird zuvor das Material des Distanzstücks entfernt, indem es mechanisch oder auf andere Art und Weise abgetragen wird. Das Außenrohr lässt sich nun ohne zusätzlichen Aufwand über das Innenrohr und die getrennten Rohrverbindungen hinwegziehen und damit entfernen.
Der umgekehrte Vorgang des Aufsetzens des Vergaser-Deckels auf den offenen Vergaserkopf 1 ist ebenfalls sicher kontrollierbar und einfach. Zunächst wird der Vergaserkopf 1 komplettiert, indem die keramischen Dichtungen 19, der Brennerblock 2 und die Vergaserkopf-Ausmauerung 5, 6 eingebracht werden. Der Vergaser-Deckel wird danach auf den Vergaserkopf 1 aufgebracht und mit diesem druckdicht verbunden. In einem weiteren Schritt wird das Außenrohr auf den Deckelaufsatz-Flansch aufgebracht und mit diesem ebenfalls druckdicht verbunden. Schließlich wird das Außenrohr mit dem Innenrohr mittels des Distanzstücks druckdicht mittels einer Schweißverbindung zusammengefügt.
Hierbei ist von Vorteil, dass jedes Mal, wenn der Vergaser-Deckel wieder aufgesetzt wird, das Außenrohr vor dem erneuten Zusammenfügen mit dem neu hergestellten Distanzstück in der Länge soweit gekürzt wird, dass die Schweißnähte auf von früheren Schweißnähten ungestörten, frischen Materialoberflächen des Innenrohres und des Außenrohres aufgebracht werden können. Damit kann der Brennerblock 2 mehrfach gewechselt werden, ohne dass das Innenrohr und das Außenrohr gewechselt werden müssen.
Der Brennerblock 2 wird in seiner örtlichen Lage im Vergaserkopf stabilisiert, indem der horizontale Teil des Schutzraumes 12, vorzugsweise an dessen oberer Seite, mittels Verankerungselementen mit dem metallischen Druckmantel des Vergaserkopfs verbunden ist.
Mit der vorliegenden Lösung wird es erstmals möglich, die Zuführung der freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel, der gasförmigen und/oder flüssigen Vergasungsstoffe und der endotherm reagierenden Vergasungsmittel über den gesamten Querschnitt des Vergaserinnenraums 3 so zu verteilen, dass sich eine überwiegende Kolbenströmung im Vergaserinnenraum 3 einstellt. Die spezifische thermische Leistung der Vergaser erhöht sich gegenüber bekannten Lösungen um den Faktor 3 bis 5. Der Grund für die Leistungserhöhung liegt darin, dass bei diesen Vergasern die Brennerflammen, die so weit voneinander entfernt angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig nicht berühren, nur einen Flächenanteil von ca. 10 % bis 40 % des gesamten Strömungsquerschnitts ausmachen. In der erfindungsgemäßen Weise wird der Vergaserquerschnitt vollständig ausgenutzt. Brenner 10 und/oder Brenner 11 mit Schleiergas können so angeordnet werden, dass sich die Brennerflammen an deren unteren Enden sogar gegenseitig überlagern. Dies trifft sowohl für Vergaser mit Brennerblöcken 2 für die gemeinsamen Zuführungen oder für die getrennten Zuführungen von Vergasungsstoffen und Vergasungsmitteln zu.
In einer ersten Ausführungsform wird eine katalytische Partialoxidation von Erdgas (ATR-Modus) von 500 MW thermisch (Basis: unterer Heizwert) betrachtet. Die Vergasung findet unter dem Überdruck (gegenüber Atmosphärendruck) von 60 bar statt. Das Erdgas wird mit auf 380 °C überhitzten Dampf als endotherm reagierendes Vergasungsmittel gemischt. Das Erdgas/Dampf-Gemisch als Vergasungsstoff wird vor Eintritt in den Vergaserkopf 1 auf 600 °C erhitzt. Über die Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 mit den Vergasungsstoff-Austrittsdüsen gelangt dieses Erdgas/Dampf-Gemisch in den Vergaserinnenraum 3. Die Reaktoraustrittstemperatur (Synthesegas nach der Katalysatorschüttung) wird über die Zufuhr von exotherm reagierenden Vergasungsmittel auf 1000 °C eingeregelt. Als dieses exotherm reagierende Vergasungsmittel fungiert eine Mischung aus Sauerstoff (vorerhitzt auf 250 °C) mit Dampf (überhitzt auf 380 °C). Dieses Sauerstoff/Dampf-Gemisch gelangt über Düsenrohre 20 mit den Austrittsdüsen in den Vergaserinnenraum 3. Weiterhin wird Dampf (380 °C) mit Schutz- und Schleiergasfunktion in den Schutzraum 12 geleitet, welches über die Schutzgas-Düsenrohre 23 in den Vergaserinnenraum 3 gelangt.
Dieser Dampf hat aus Sicherheitsgründen einen Überdruck im Bereich von jeweils einschließlich 0,1 bis 1 bar gegenüber dem exotherm reagierenden Vergasungsmittel (Sauerstoff/Dampf-Gemisch) der Sauerstoff-Eintragsanordnung. Dieser Überdruck stellt sich dynamisch entsprechend der Leistung und damit den Mediendurchsätzen in dem aufgeführten Bereich ein.
Die 7 zeigt eine Anordnung von Brennern 11 mit Schleiergas für eine ATR-Ausführungsform in einer prinzipiellen Darstellung.
In der ATR-Ausführungsform kommen sieben Brenner 11 mit Schleiergas zum Einsatz. Diese Brenner 11 bestehen innen aus dem zentralen Düsenrohren 20 für die exotherm reagierenden Vergasungsmittel. Um die Düsenrohre 20 sind die Schutzgas-Düsenrohre 23 für den Schleierdampf angeordnet. Peripher erfolgt die Eindüsung der Vergasungsstoffe (Erdgas/Dampf-Gemisch) über die Vergasungsstoff-Düsenrohre 21. Durch die Zumischung der großen Menge von endotherm reagierenden und damit im Vergaserinnenraum 3 temperatursenkend wirkenden Dampf zum Erdgas (Erdgas/Dampf-Gemisch) kann im ATR-Modus die Düsen-Kühleinrichtung 22 und damit das Kühlwasser entfallen. Die Enden der Düsenrohre 20, 21, 23 sind die Austritte der Düsenrohre 20, 21, 23. Die Wahl der Rohrdurchmesser und Rohr-Wandstärken erfolgt unter der Berücksichtigung der Einhaltung angemessener Ausströmungsgeschwindigkeiten der einzelnen Medien über die Düsenquerschnitte. Ein Brenner 11 mit Schleiergas ist zentral bezüglich der inneren Oberflächen des Brennerblocks 2 angeordnet. Die verbleibenden sechs Brenner 11 mit Schleiergas sind kreisförmig um 60 ° versetzt um den zentralen Brenner 11 mit Schleiergas angeordnet. Durch die Installation von sieben Brennern 11 mit Schleiergas wird eine Verkleinerung des Querschnitts des Vergaserinnenraums 3 und eine verbesserte Auslastung des Vergaserinnenraums 3 im Vergleich zu nur einem Zentralbrenner erreicht.
Ein Brennerblock 2 für den POX-Modus, bei dem Kühlmittel zur Kühlung der Brenner 11 mit Schleiergas eingesetzt werden, wird nachfolgend beschrieben, wobei eine nicht katalytische Partialoxidation von Erdgas als Vergasungsstoff mit einem Heizwertstrom von 500 MW thermisch (Basis: unterer Heizwert) betrachtet wird.
Die Vergasung findet unter dem Überdruck (gegenüber Atmosphärendruck) von 60 bar statt. Das Erdgas wird vor Eintritt in den Vergaserkopf 1 auf 250 °C erhitzt. Über die Vergasungsstoff-Düsenrohre 21 gelangt dieses Erdgas in den Vergaserinnenraum 3. Die Synthesegas-Reaktoraustrittstemperatur wird über die Zufuhr von exotherm reagierenden Vergasungsmittel auf 1400 °C eingeregelt. Als dieses exotherm reagierende Vergasungsmittel fungiert eine Mischung aus Sauerstoff (vorerhitzt auf 250 °C) mit Dampf (überhitzt auf 380 °C). Dieses Sauerstoff/Dampf-Gemisch gelangt über Düsenrohre 20 in den Vergaserinnenraum 3. Weiterhin werden Dampf (380 °C) mit Schutz- und Schleiergasfunktion in den Schutzraum 12 geleitet, welches über die Schutzgas-Düsenrohre 23 in den Vergaserinnenraum 3 gelangt. Dieser Dampf hat aus Sicherheitsgründen einen Überdruck von jeweils einschließlich 0,1 bis 1 bar gegenüber dem exotherm reagierenden Vergasungsmittel (Sauerstoff/Dampf-Gemisch) der Sauerstoff-Eintragsanordnung. Dieser Überdruck stellt sich dynamisch entsprechend der Leistung und damit den Mediendurchsätzen in dem aufgeführten Bereich ein.
Die 7 zeigt eine Anordnung von Brennern 11 mit Schleiergas für eine POX-Ausführungsform analog der der ATR-Ausführungsform in einer prinzipiellen Darstellung.
In der POX-Ausführungsform kommen sieben Brenner 11 mit Schleiergas zum Einsatz. Diese bestehen innen aus den zentralen Düsenrohren 20 für die exotherm reagierenden Vergasungsmittel. Um die Düsenrohre 20 sind die Schutzgas-Düsenrohre 23 für den Schleierdampf angeordnet. Peripher erfolgt die Eindüsung des Vergasungsstoffs (Erdgas) über die Vergasungsstoff-Düsenrohre 21. Die Wahl der Rohrdurchmesser und Rohr-Wandstärken erfolgt unter der Berücksichtigung der Einhaltung angemessener Ausströmungsgeschwindigkeiten der einzelnen Medien. Ein Brenner 11 mit Schleiergas ist zentral bezüglich der inneren Oberflächen des Brennerblocks 2 angeordnet. Die verbleibenden sechs Brenner 11 mit Schleiergas sind kreisförmig um 60 ° versetzt um den zentralen Brenner 11 mit Schleiergas angeordnet. Durch die Installation von sieben Brennern 11 mit Schleiergas wird eine Verkleinerung des Querschnitts des Vergaserinnenraums 3 und eine verbesserte Auslastung des Vergaserinnenraums 3 im Vergleich zu nur einem Zentralbrenner erzielt. Die Brenner 11 mit Schleiergas weisen im Gegensatz zur oben genannten ATR-Ausführungsform Düsen-Kühleinrichtungen 22 auf. Dabei kommen in der POX-Ausführungsform Düsen-Kühleinrichtungen 22 mit Durchströmungen von Druckkühlwasser zum Einsatz, die beispielsweise eine Druckkühlwassereintrittstemperatur von 25 °C und einer Temperaturspreizung von 5 K aufweisen. Die sieben Brenner 11 mit Schleiergas werden jeweils von Druckkühlwasser umströmt. Das Druckkühlwasser hat aus Sicherheitsgründen einen Überdruck von einem bar gegenüber dem Schutzraum 12.
Bezugszeichenliste

1: Vergaserkopf
2: Brennerblock
3: Vergaserinnenraum
4: Isolationskörper
5: Vergaserkopf-Ausmauerung – Deckkörper
6: Vergaserkopf-Ausmauerung – Seitenkörper
7: Vergaser-Ausmauerung
8: Öffnung
9: Zündbrenner
10: Brenner
11: Brenner mit Schleiergas
12: Schutzraum
13: Zufuhrleitung für Vergasungsstoff
14: Zufuhrleitung für Vergasungsmittel oder Sauerstoff
15: Zufuhrleitung für Kühlmittel
16: Abfuhrleitung für Kühlmittel
17: Deckelaufsatz
18: Isolationsschicht
19: Dichtungen
20: Düsenrohr
21: Vergasungsstoff-Düsenrohr
22: Düsen-Kühleinrichtung
23: Schutzgas-Düsenrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4704971 [0006]
DE 3123866 A1 [0006]
WO 01/081509 A3 [0006]
EP 1182181 A1 [0007, 0008]
DE 3726875 C2 [0007, 0009]
EP 1717295 B1 [0007, 0010]

Claims

Vergaserkopf (1) für die Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen mit einem einen wenigstens eine Zuführung und mindestens einen in Richtung Vergaserinnenraum (3) weisenden Ausgang für ein Schutzgas besitzenden Schutzraum (12) in wenigstens einem Isolationskörper (4) aufweisenden Brennerblock (2) mit – einer sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragenden Anordnung mit den Isolationskörper (4) durchdringende Düsenrohren (20), die über Leitungen und wenigstens einen Verteiler mit einer Zufuhrleitung (14) für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff im Schutzraum (12) verbunden sind, und – einer Vergasungsstoff-Eintragsanordnung mit im Isolationskörper (4) angeordneten und am oder im Vergaserinnenraum (3) einseitig endenden Vergasungsstoff-Düsenrohren (21), die über Vergasungsstoff-Leitungen und wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler mit einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung (13) am oder im Isolationskörper (4) verbunden sind.
Vergaserkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Düsenrohr (20) der Düsenrohre (20) für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder Sauerstoff beabstandet in einem Schutzgas-Düsenrohr (23) für Schutzgas des Schutzraumes (12) angeordnet ist, wobei das Schutzgas-Düsenrohr (23) den Schutzraum (12) und den Vergaserinnenraum (3) als Ausgang des Schutzraumes (12) verbindet.
Vergaserkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Brenner (10) wenigstens ein Bereich des Düsenrohres (20) der sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragenden Anordnung beabstandet in mindestens einem Bereich des Vergasungsstoff-Düsenrohres (21) für Vergasungsstoff der Vergasungsstoff-Eintragungsanordnung angeordnet ist und dass der Brennerblock (2) Düsenrohre (20) und Vergasungsstoff-Düsenrohre (21) oder Brenner (10) oder eine Kombination mit jeweils mindestens einem Düsenrohr (20), einem Vergasungsstoff-Düsenrohr (21) und einem Brenner (10) aufweist.
Vergaserkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (20) für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff beabstandet in einem Schutzgas-Düsenrohr (23) für Schutzgas des Schutzraumes (12) angeordnet ist, wobei das Schutzgas-Düsenrohr (23) den Schutzraum (12) und den Vergaserinnenraum (3) als Ausgang des Schutzraumes (12) verbindet, dass sich weiterhin das Schutzgas-Düsenrohr (23) beabstandet in dem Vergasungsstoff-Düsenrohr (21) befindet, so dass das Düsenrohr (20), das Schutzgas-Düsenrohr (23) und das Vergasungsstoff-Düsenrohr (21) ein weiterer Brenner (11) mit Schutzgas als Schleiergas zwischen Vergasungsstoff und entweder sauerstoffhaltigen Vergasungsmittel oder Sauerstoff am Austritt dieses Brenners (11) ist, und dass wenigstens ein derartiger Brenner (11) ein Bestandteil des Brennerblocks (2) ist.
Vergaserkopf nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und/oder Stickstoff ist.
Vergaserkopf nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung (15) an wenigstens einem Kühlmittelverteiler im Schutzraum (12) befindet, dass jeweils eine Düsen-Kühleinrichtung (22) wenigstens am in Richtung Vergaserinnenraum (3) weisenden Endenbereich des Düsenrohres (20) oder des Vergasungsstoff-Düsenrohres (21) angeordnet ist und dass die Düsen-Kühleinrichtungen über eine Kühlmittel-Sammeleinrichtung im Schutzraum (12) mit einer Kühlmittel-Abfuhrleitung (16) verbunden sind.
Vergaserkopf nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung (15) an wenigstens einem Kühlmittelverteiler im Isolationskörper befindet, dass jeweils eine Düsen-Kühleinrichtung (22) wenigstens am in Richtung Vergaserinnenraum (3) weisenden Endenbereich des Düsenrohres (20) oder des Vergasungsstoff-Düsenrohres (21) angeordnet ist und dass die Düsen-Kühleinrichtungen (22) über eine Kühlmittel-Sammeleinrichtung im Isolationskörper (4) mit einer Kühlmittel-Abfuhrleitung (16) verbunden sind.
Vergaserkopf nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen-Kühleinrichtung (22) eine ringförmige Düsen-Kühleinrichtung (22) mit einem Hohlraum am Endenbereich des Düsenrohres (20) oder des Vergasungsstoff-Düsenrohres (21) ist.
Vergaserkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerblock (2) mindestens eine röhrenförmige, überwiegend vertikal verlaufende Öffnung (8) aufweist, in der sich der Zündbrenner (9) oder der Zündbrenner und weitere Brenner oder Eintragsanordnungen befinden.
Vergaserkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Schutzgases im Schutzraum (12) größer als der Druck des sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels oder Sauerstoffs der Anordnung ist.
Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vergaserkopf (1) eine von einer Vergasungsstoff-Zufuhranordnung mit Vergasungsstoff-Leitungen, wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler und einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung (13) für Vergasungsstoff-Düsenrohre (21) räumlich getrennte sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder Sauerstoff zuführende Anordnung mit Leitungen, wenigstens einem Verteiler und einer Zufuhrleitung (14) für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff von einem Schutzgas umspült wird.
Verfahren zur Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Vergasungsstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vergaserkopf (1) eine sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder Sauerstoff eintragende Anordnung mit Leitungen, wenigstens einem Verteiler und einer Zufuhrleitung (14) für das sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder den Sauerstoff und eine Kühlmittel-Anordnung mit einer Kühlmittel-Zufuhrleitung (15) an wenigstens einem Kühlmittelverteiler für Düsen-Kühleinrichtungen (22) von einem Schutzgas umspült werden, wobei eine Vergasungsstoff-Zufuhranordnung mit Vergasungsstoff-Leitungen, wenigstens einem Vergasungsstoff-Verteiler und einer Vergasungsstoff-Zufuhrleitung (13) für Vergasungsstoff-Düsenrohre (21) davon räumlich getrennt ist.
Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Vergaserinnenraum (3) zugeführte sauerstoffhaltige Vergasungsmittel oder der dem Vergaserinnenraum (3) zugeführte Sauerstoff von dem Schutzgas und das Schutzgas vom Vergasungsstoff umspült wird.