DE102014222333A1 - Reformer mit Poren- bzw. Flächenbrennern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer, vorzugsweise einen Dampfreformer, welcher einen Ofenraum umfasst, in dem Reaktorrohre angeordnet sind. Die Reaktorrohre sind dazu konfiguriert, von einem Reaktionsgas durchströmt zu werden. Der Ofenraum ist außerdem mit Poren- bzw. Flächenbrennern ausgerüstet und kann mit diesen Poren- bzw. Flächenbrennern vorzugsweise von oben beheizt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reformer, vorzugsweise einen Dampfreformer, welcher einen Ofenraum umfasst, in dem Reaktorrohre angeordnet sind. Die Reaktorrohre sind dazu konfiguriert, von einem Reaktionsgas durchströmt zu werden. Der Ofenraum ist außerdem mit mehreren Poren- bzw. Flächenbrennern ausgerüstet und kann mit diesen Poren- bzw. Flächenbrennern vorzugsweise von oben beheizt werden.
  • Die notwendige Wärme zum Betreiben von Reformern wird üblicherweise über eine deckenbefeuerte Anordnung der Brenner an die Reaktorrohre (Reaktionsrohre, Reformerrohre) übertragen. Als Brenngas wird zumeist Erdgas oder eine Mischung von Erdgas und Prozessgasen verwendet, welche z.B. H2, CO, CO2 und Kohlenwasserstoffe enthalten können.
  • Reformer zur Propandehydrierung (PDH) unterscheiden sich gegenüber Steam Reformern dahingehend, dass sie eine deutlich geringere Reaktionsraumhöhe haben. Des Weiteren kommt hinzu, dass neben der Hauptreaktion (Dehydrierung von Propan zu Propylen) auch diverse Nebenreaktionen auftreten (z.B. Cracking). Die geringe Bauhöhe des Reaktionsraums (Länge des Reaktorrohrs) hat zur Folge, dass die Flammenlängen der Diffusionsflammen der Strahlbrenner bei einer geringen Brenneranzahl (Verhältnis Reaktorrohre/Brenner pro Reihe von z.B. 4) zu groß sind, so dass die Temperaturverteilung im Reformer sehr ungleichmäßig wird. Es kommt dabei zu einer geringeren Beheizung der Reaktorrohre im oberen Bereich und zu einer stärkeren Beheizung im unteren Bereich. Die resultierenden heißeren Bereiche haben zu hohe Wandtemperaturen zur Folge, welche zum Bruch des Katalysators führen können. Des Weiteren nehmen bei zu hohen Temperaturen die Nebenreaktionen zu, so dass es zu Verkokung und damit zu einer schnelleren Deaktivierung des Katalysators kommt und die Propylenselektivität verringert wird.
  • Konventionelle Reformer haben einen vergleichsweise hohen Platzbedarf, weil gewisse Mindestabstände zwischen den Diffusionsflammen der Strahlbrenner und den Reaktorrohren eingehalten werden müssen. Konventionelle Reformer benötigen häufig mehrere hundert Brenner für häufig mehr als tausend Reaktorrohre. Daher ist die Forderung nach einer gleichmäßigen Wärmebeaufschlagung im Produktionsbetrieb nicht annährend umsetzbar. Vielmehr lassen sich in konventionellen Reformern Zonen mit Hot Spots und Zonen mit kühleren Bereichen an der Katalysatoraußenwand nicht vermeiden, was einen nachteiligen Einfluss auf das Verhalten des Katalysators hat (Bruch durch Überhitzung und/oder unterschiedlicher Ausdehnung, Deaktivierung des Katalysators, etc.).
  • DE 199 21 420 A1 offenbart Rohrreformer, denen über ihre gesamte Länge Heizrohre, wie Strahlungsrohre mit Innenbrenner oder rohrförmige Poren- bzw. Flächenbrenner in dem die Strahlungsenergie ausnutzenden Rohrabstand zugeordnet sind. Der Reformer ist dabei als Doppelrohr ausgebildet mit konzentrischer Anordnung von Dampf-/Feedzuführung, Zuführung eines Oxidationsträgers und Abführung des reformierten Synthesegases, wobei eine Rohroberfläche von einem porösen, ggf. keramischen Rohr gebildet ist zur flammenlosen Verbrennung in der Betriebslage an dessen Oberfläche. Der Wärmetransport erfolgt dabei hauptsächlich durch Festkörperstrahlung und nur zu einem sehr geringen Anteil durch Gasstrahlung. Diese Anordnung hat einen großen Platzbedarf, ist konstruktiv vergleichsweise aufwändig und daher kostenintensiv, da jedes Reaktorrohr als Doppelrohr ausgebildet und über seine gesamte Länge von Heizrohren umgeben ist. Mit dieser Konstruktion ist es kaum oder überhaupt nicht realisierbar, dass ein einzelner Brenner eine Vielzahl von Reaktorrohren beheizt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Reformer bereitzustellen, welche die Nachteile konventioneller Reformer überwinden. Die Reformer sollten sich durch eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung auszeichnen, wobei die Temperatur einfach, gut und sicher regelbar sein sollte. Ferner sollten die Reformer mit einem geringen Platzbedarf auskommen und möglichst energieeffizient sowie möglichst wenig wartungsintensiv sein. Die Reformer sollten sich u.a. für die Durchführung von Dehydrierungsreaktionen eignen, bei denen Reaktoren in Form von einem Bündel von Rohren beheizt werden. Bezüglich der Energieverteilung sollte dabei etwa 2/3 der notwendigen Energie im ersten Drittel des Reaktorrohres eingekoppelt werden, was mit der herkömmlichen Diffusionsbrennerkonfiguration nicht zu erzielen ist.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.
  • Es wurde überraschend gefunden, dass Reformer mit Poren- bzw. Flächenbrennern beheizt werden können. Auf diese Weise wird eine deutlich verbesserte, gleichmäßige Temperaturverteilung im Ofenraum gewährleistet und die Ausbildung von Hot Spots und Zonen mit kühleren Bereichen an der Katalysatoraußenwand wird reduziert oder sogar vollständig unterdrückt. Infolge der verbesserten Temperaturverteilung können die Reformer kompakter gebaut werden, weshalb sie einen deutlich verringerten Platzbedarf haben. Diese wirkt sich u.a. vorteilhaft auf den Materialeinsatz und die Energieeffizienz aus.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Reformer, vorzugsweise einen Dampfreformer, welcher einen Ofenraum umfasst, in dem Reaktorrohre angeordnet sind. Die Reaktorrohre sind dazu konfiguriert, von einem Reaktionsgas durchströmt zu werden. Der Ofenraum ist außerdem mit Poren- bzw. Flächenbrennern ausgerüstet und kann mit diesen Poren- bzw. Flächenbrennern vorzugsweise von oben beheizt werden.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen Reformern, insbesondere herkömmlichen Dampfreformern, sind bei dem erfindungsgemäßen Reformer flammengeführte Diffusionsbrenner (Düsenbrenner) durch Poren- bzw. Flächenbrenner ersetzt, welche vorzugsweise flächig ausgebildet sind im Sinne von Flächenbrennern. Dabei erfolgt die Wärmeübertragung fast ausschließlich durch Gasstrahlung und nur zu einem sehr geringen Anteil durch Konvektion und Festkörperstrahlung; das den Poren- bzw. Flächenbrenner verlassende Rauchgas durchdringt den Ofenraum und umspült dabei die Reaktorrohre, wodurch diese gleichmäßig beheizt werden. Bei gleicher Leistung aller Poren- bzw. Flächenbrenner bildet sich dabei aus physikalischen Gründen ein negativer Temperaturgradient in Strömungsrichtung aus (oben wärmer als unten), während die Temperaturen in horizontaler Ebene über den kompletten Ofenraum relativ konstant sind.
  • Reaktorrohre (Reaktionsrohre, Reformerrohre) im Sinne der Erfindung sind die von einem Reaktionsgas durchströmten Gebilde, in denen die chemische Umsetzung des Reaktionsgases erfolgt. Da diese chemische Umsetzung meist katalytisch erfolgt, sind die Reaktorrohre bevorzugt mit einem Katalysator oder mit einem Gemisch mehrerer Katalysatoren befüllt, welche ggf. auf einem Träger aufgebracht sein können. Geeignete Katalysatoren sind einem Fachmann bekannt. Die Wandung der Reaktorrohre ist bevorzugt aus Metall. Es sind jedoch grundsätzlich auch andere Materialien einsetzbar, beispielsweise Keramiken. Geeignete Materialien sind einem Fachmann bekannt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Reformer mindestens 100 oder mindestens 200 Reaktorrohre, bevorzugter mindestens 300 oder mindestens 400 Reaktorrohre, noch bevorzugter mindestens 500 oder mindestens 600 Reaktorrohre, am bevorzugtesten mindestens 700 oder mindestens 800 Reaktorrohre, und insbesondere mindestens 900 oder mindestens 1000 Reaktorrohre, welche vorzugsweise allesamt gemeinsam in einem Ofenraum angeordnet sind.
  • Durchmesser und Länge der Reaktorrohre hängen von der chemischen Umsetzung ab, welche in dem Reformer erfolgen soll. Typische Innendurchmesser der Reaktorrohre liegen im Bereich von 5 bis 15 cm, bevorzugter 8 bis 12 cm. Typische beheizte Längen der Reaktorrohre liegen im Bereich von 1 m bis 5 m, bevorzugter 2 m bis 3 m.
  • Bevorzugt sind die Reaktorrohre im Wesentlichen parallel zueinander und/oder im Wesentlichen vertikal angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Reaktorrohre in mehreren Reihen angeordnet, wobei die einzelnen Reaktorrohre innerhalb einer Reihe bevorzugt parallel zueinander und/oder vertikal angeordnet sind und wobei die Reihen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Reihen von Reaktorrohren Gassen gebildet werden. Besonders bevorzugt sind dann die Poren- bzw. Flächenbrenner oberhalb der Gassen, bevorzugt entlang der Gassen angeordnet, so dass auch die Poren- bzw. Flächenbrenner in Reihen angeordnet sind. In der Draufsicht ergibt sich dann bevorzugt eine Abfolge paralleler Reihen aus Reaktorrohren – Poren- bzw. Flächenbrennern-Reaktorrohren – Poren- bzw. Flächenbrennern usw. In der seitlichen Ansicht sind die Poren- bzw. Flächenbrenner bevorzugt oberhalb der Oberseite der Reaktorrohre angeordnet, d.h. die Poren- bzw. Flächenbrenner erstrecken sich nicht über die Länge der Reaktorrohre. Der Wärmeeintrag erfolgt somit bevorzugt ausschließlich von oben, wobei dabei das in den Ofenraum von oben einströmende Rauchgas die Reaktorrohre erreicht, diese umspült und auf diese Weise beheizt.
  • Sind die Reaktorrohre in Reihen angeordnet, so beträgt der kürzeste Abstand A zwischen zwei benachbarten Reihen von Reaktorrohren bevorzugt höchstens 180 cm oder höchstens 160 cm, bevorzugter höchstens 140 cm oder höchstens 120 cm, noch bevorzugter höchstens 100 cm oder höchstens 80 cm, wobei jeweils der Mittelpunkt der Querschnittsfläche der Reaktorrohre für die Bestimmung des Abstands A zugrunde gelegt wird. Aufgrund der außerhalb des Ofenraums stattfindenden, praktisch flammenlosen Verbrennung ist es nicht notwendig, die Distanz zu den Reaktorrohren zu halten um Hot Spots durch Flammenberührung zu vermeiden, wie sie bei Diffusionsbrennern auftreten können. Dies führt zu ganz erheblichen möglichen Einsparungen mit Bezug auf den Bauraum. So kann die Distanz zwischen Reaktorrohr und Brenner ggf. halbiert werden.
  • Reaktionsgas im Sinne der Erfindung ist grundsätzlich jedes Gas oder Gasgemisch, welches in einer Gasphasenreaktion, vorzugsweise katalytisch umgesetzt werden kann. Bevorzugte Reaktionsgase umfassen Propan, welches katalytisch zu Propen und Wasserstoff dehydriert wird; sowie Erdgas, welches katalytisch zu Synthesegas umgesetzt wird, wobei aus dem Synthesegas anschließend Folgeprodukte wie z.B. Ammoniak oder Methanol gewonnen werden können. Typische Gaszusammensetzungen umfassen z.B. (i) H2 83%, CH4 5%, C2H6 3,5%, CO2 7%, Rest 1,5%; oder (ii) H2 49%, CH4 45%, C2H6 3,7%, Rest 2,3%.
  • Poren- bzw. Flächenbrenner im Sinne der Erfindung sind einem Fachmann bekannt. Es handelt sich um Gasbrenner besonderer Bauform, bei denen die Verbrennungsreaktion des vorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches in einer porösen Struktur und nicht in einer offenen Flamme abläuft. Das Resultat ist eine flammenlose, volumetrische Verbrennung, welche mitunter auch als "glühender Schaum" bezeichnet wird. Da auf eine austretende freie Flamme verzichtet wird, weisen Poren- bzw. Flächenbrenner im Unterschied zu herkömmlichen Diffusionsbrennern keinen Brennraum auf, sondern einen Reaktor, welcher eine große Anzahl von kleinen, mit Keramikschaum oder anderen Strukturen gefüllten Reaktoren umfasst. Hierbei findet die Verbrennung innerhalb einer keramischen oder metallischen porösen Matrix statt. Dadurch, dass der Abgasstrom immer wieder geteilt und zusammengeführt wird, wird der Wärmeübergang von der Flamme auf die poröse Struktur verbessert. Der Brenner gibt einen in der Temperatur sehr homogenen Rauchgasstrom ab, der zunächst die Wärme hauptsächlich durch Gasstrahlung an die Umgebung abgibt und nur zu geringen Teilen durch Konvektion und Festkörperstrahlung.
  • Der erfindungsgemäße Poren- bzw. Flächenbrenner umfasst bevorzugt zwei Zonen, eine Sperrzone, welche vergleichsweise kleinen Poren enthält, sowie eine Reaktionszone, welche bevorzugt größer als die Sperrzone ist und vergleichsweise größere Poren bzw. Hohlräume enthält. Die kleinen Poren der Sperrzone sind bevorzugt so gewählt, dass eine Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches nicht möglich ist. Ebenso dient die Sperrzone als Flammensperre, um Rückzündungen und Flammenrückschlägen bei niedrigen Beladungen oder niedrigen Gas-Luft-Strömen vorzubeugen. In der an die Sperrzone angeschlossenen Reaktionszone wird die Verbrennung stabilisiert. Die guten Wärmetransporteigenschaften des porösen Mediums verhindern das Abheben der Flamme bei hohen Beladungen oder hohen Gas-Luft-Strömen. Da Flammenabhebung und Flammenrückschlag verhindert werden, kann die Leistung des Poren- bzw. Flächenbrenners in einem weiten Bereich moduliert werden, typischerweise z.B. 1:4. Es resultiert ein kompaktes, emissionsarmes Verbrennungssystem mit hoher Leistungsdichte und Energieeffizienz.
  • Während konventionelle Brennersysteme durch inhomogene, strömungsstabilisierte Reaktionszonen mit lokalen Temperaturspitzen und hohen Emissionen charakterisiert werden, erlaubt der erfindungsgemäße Poren- bzw. Flächenbrenner homogene Temperaturbereiche bei einer höheren Leistungsdichte mit einer größeren Dynamik sowie den Einsatz von Brennstoffen mit niedrigem Heizwert (wie z.B. Deponiegas). Im Vergleich zu herkömmlichen Diffusionsbrennern hat der erfindungsgemäße Poren- bzw. Flächenbrenner u.a. den Vorteil, dass er einen homogenen und stabilen Verbrennungsprozess in einem Reaktor zulässt, wodurch eine signifikante Beschleunigung der Verbrennungsreaktion erreicht wird.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen Diffusionsbrennern weisen die erfindungsgemäßen flammenlosen Poren- bzw. Flächenbrenner im erfindungsgemäßen Reformer eine Reihe von Vorteilen auf: Die Energiedichten sind sehr hoch; der Festkörperstrahlungsanteil ist im gesamten Leistungsbereich mit einer Strahlertemperatur von bis zu 1400 °C sehr hoch; bezüglich der Leistung ist eine hohe Modulationsfähigkeit gewährleistet; die Temperaturverteilung über den Brennraumquerschnitt ist sehr homogen; die Verteilung des Rauchgases (Abgases) über den Brennraumquerschnitt ist sehr homogen; und es treten keine freien Flammen aus, welche lokal zu Überhitzungen führen. Die Folge sind minimale Emissionen (CO und NOx); gleichmäßige Emission von heißen Rauchgasen (Abgasen) und Festkörperstrahlung über die gesamte Brennerfläche; Vermeidung von lokalen Überhitzungen; Verzicht auf Flammen im Brennraum, Ausbrandlänge sowie Flammenstabilisierungszone; Anpassung der Brennergeometrie an das zu beheizende Gut; stufenlose Modulation der Brennerleistung; keine wesentliche Veränderung der Strömungs- und Temperaturfelder im Modulationsbereich; Verbesserung des Wärmeübergangs und damit Energieeinsparungen (z.B. bis zu 60%); Reduktion der CO2 Emissionen; Erhöhung der Produktqualität; Erhöhung des Produktdurchsatzes; Reduktion der Schallemissionen; Verbesserung der Arbeitsbedingungen und der Ergonomie.
  • Die erfindungsgemäßen Poren- bzw. Flächenbrenner können in ihrer Form sehr variabel gestaltet werden. Es ist möglich, die Poren- bzw. Flächenbrenner als Brennerrinnen entlang einer Gasse der Reaktorrohre zu installieren. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass entlang einer Rinne nur eine begrenzte Anzahl von Zündpunkten (2 bis 3 elektrische Zündungen) und ebenso nur eine geringe Anzahl von Überwachungselementen für eine umfängliche Überwachung notwendig sind. Dieses führt zu erheblichen Einsparungen bei der Instrumentierung eines Reformers.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jeder Poren- bzw. Flächenbrenner mehrere Brennerköpfe, über welche die erzeugte Wärme austritt.
  • Bevorzugt umfasst jeder Poren- bzw. Flächenbrenner mindestens 3 Brennerköpfe, bevorzugter mindestens 4, noch bevorzugter mindestens 5, am bevorzugtesten mindestens 6 und insbesondere mindestens 7, mindestens 8, mindestens 9, mindestens 10, mindestens 11 oder mindestens 12 Brennerköpfe.
  • Dabei sind die mehreren Brennerköpfe vorzugsweise entlang der Haupterstreckungsrichtung des Poren- bzw. Flächenbrenners verteilt, besonders bevorzugt linienförmig. Bevorzugt beträgt das Aspektverhältnis (Länge zu Breite) jedes Poren- bzw. Flächenbrenners mindestens 3:1, bevorzugter mindestens 4:1 und insbesondere mindestens 5:1. Ein typischer erfindungsgemäßer Poren- bzw. Flächenbrenner hat beispielsweise eine Länge von 4 m und eine Breite von 70 cm, wobei entlang der Haupterstreckungsrichtung 10 individuelle Brennerköpfe mit einer Länge von jeweils 40 cm und einer Breite von 70 cm angeordnet sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Poren- bzw. Flächenbrenner bzw. deren Brennerköpfe in Reihen angeordnet und bilden dabei bevorzugt eine Brennerrinne.
  • Sind die Poren- bzw. Flächenbrenner in Reihen angeordnet, so beträgt der kürzeste Abstand C zwischen zwei benachbarten Reihen von Poren- bzw. Flächenbrennern bevorzugt höchstens 180 cm oder höchstens 160 cm, bevorzugter höchstens 140 cm oder höchstens 120 cm, noch bevorzugter höchstens 100 cm oder höchstens 80 cm, wobei jeweils die Mittelachse der dem Ofenraum zugewandten Querschnittsfläche der Poren- bzw. Flächenbrenner für die Bestimmung des Abstands C zugrunde gelegt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Poren- bzw. Flächenbrenner so angeordnet, dass sie den Ofenraum von oben beheizen, d.h. die Wärmeaustritte der Poren- bzw. Flächenbrenner bzw. Brennerköpfe sind so ausgerichtet, dass sie die Wärme von oben nach unten in den Ofenraum abgeben (deckenbefeuerte Anordnung der Brenner an die Reaktorrohre). Dazu können die Poren- bzw. Flächenbrenner in die Decke des Ofenraums integriert oder alternativ unterhalb der Decke des Ofenraums angeordnet sein. Das verbrannte Rauchgas strömt dann von oben in den Ofenraum und beheizt die Reaktorrohre insbesondere durch Gasstrahlung. Die auf der Ofendecke montierten Brenner emittieren, gleichmäßig über die Brennerfläche verteilt, die heißen Verbrennungsgase in den Ofenraum. Die Reaktorrohre werden also mit einem in Strömungsrichtung des Abgases negativen Temperaturgradienten (oben wärmer als unten) von den heißen Abgasen umspült. Die Wärmeübertragung geschieht dabei durch vor allem durch Gasstrahlung und nur zu einem sehr geringen Anteil durch Festkörperstrahlung und Konvektion ohne, dass es zu lokalen Überhitzungen aufgrund auftreffender Flammen kommen kann. Die Reaktorrohre befinden sich bildlich gesprochen in einem heißen Abgasbad, welches aufgrund der flächigen Einströmung eine gegenüber den Diffusionsbrennern mit Flamme deutlich höhere Homogenität mit Bezug auf die Temperaturen aufweist. Damit gelingt es die Reaktorrohre mit einem hohen mittleren Wärmeübergang zu erwärmen. Des Weiteren wird die meiste Wärme im Bereich der größten Reaktionsrate der endothermen Hauptreaktion des Reaktionsgases im oberen Bereich der Reaktorrohre eingebracht. Die gleichmäßige Temperaturverteilung beugt einer Schädigung des Katalysators vor.
  • Bei den erfindungsgemäßen Poren- bzw. Flächenbrennern handelt es sich vorzugsweise um vollvormischende Gasbrenner.
  • Bevorzugt haben die erfindungsgemäßen Poren- bzw. Flächenbrenner eine Energiedichte von mindestens 120 kW/m2, bevorzugter mindestens 250 kW/m2, noch bevorzugter mindestens 300 kW/m2.
  • Bevorzugt erzeugen die erfindungsgemäßen Poren- bzw. Flächenbrenner eine Strahlungstemperatur von mindestens 800°C, bevorzugter mindestens 1000°C und noch bevorzugter mindestens 1400°C erzeugen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Wärmeaustritte der Poren- bzw. Flächenbrenner entlang eines oberen Bereichs B der Reaktorrohre seitlich von Strahlungstransformatoren flankiert. Durch solche speziell positionierten Strahlungstransformatoren, beispielsweise Strahlungsbleche oder Strahlungsplatten, welche zum Beispiel parallel zu den oberen Teilen der Reformerrohre angeordnet sein können, kann die Wärmestromdichte durch die lokale Erhöhung des Strahlungsanteils gezielt im benötigten Bereich erhöht werden. Die Strahlungsbleche können mit Langlöchern versehen sein, so dass sie, entsprechend der betrieblichen Anforderungen, in der Höhe justiert werden können. Neben den genannten Strahlungsblechen und Strahlungsplatten ist erfindungsgemäß auch möglich, die Strahlungstransformatoren aus hoch wärmeleitenden Metallschäumen auszubilden. Der obere Bereich B macht dabei bevorzugt höchstens 50% der Längserstreckung der Reaktorrohre aus, bevorzugter höchstens 40%, noch bevorzugter höchstens 30% und insbesondere höchstens 20%.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Poren- bzw. Flächenbrenner in Reihen angeordnet und die so gebildeten Brennerlinien sind mit Brennerhauben versehen. Die Brennerhauben sind dann bevorzugt auf der Ofendecke montiert. Die Brennerhauben haben einerseits den Vorteil, dass die thermische Trennung der Poren- bzw. Flächenbrenner vom heißen Ofenraum sichergestellt ist und andererseits der Einbau und Austausch von Zündbrennern vereinfacht wird. Dies bietet Vorteile bei der Montage und der Wartung der Systeme.
  • Bevorzugt liegt das Zahlenverhältnis von Poren- bzw. Flächenbrennern zu Reaktorrohren im Bereich von 1:1 bis 1:100, bevorzugter 1:3 bis 1:30, noch bevorzugter 1:5 bis 1:25, am bevorzugtesten 1:8 bis 1:22 und insbesondere 1:10 bis 1:20.
  • Bevorzugt liegt das Zahlenverhältnis von Brennerköpfen zu Reaktorrohren im Bereich von 1:1 bis 1:50, bevorzugter 1:1 bis 1:20, nach bevorzugter 1:1 bis 1:10, am bevorzugtesten 1:1 bis 1:7 und insbesondere 1:1 bis 1:5.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Gasphasenreaktion umfassend das Durchleiten eines Reaktionsgases durch die Reaktorrohre eines vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Reformers und das Beheizen des Ofenraums mit den Poren- bzw. Flächenbrennern.
  • Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verbrennungsluft nicht vorgewärmt. Bei Normalbetrieb liegt die Luftzahl bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 2, bevorzugter 1,0 bis 1,2.
  • Alle bevorzugten Ausführungsformen, welche vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reformer beschrieben wurden, gelten analog auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Reformers zur Durchführung des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Poren- bzw. Flächenbrenners zum Beheizen eines Reformers, bevorzugt eines vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Reformers.
  • Alle bevorzugten Ausführungsformen, welche vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reformer bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, gelten analog auch für die erfindungsgemäßen Verwendungen.
  • Zusammenfassend bietet der erfindungsgemäße Austausch herkömmlicher Diffusionsbrenner durch erfindungsgemäße Poren- bzw. Flächenbrenner für Reformer u.a. folgende Vorteile: Reduzierung der einzeln einzustellenden und anzusteuernden Brenner; Reduzierung der notwendigen Breite des "Ofens" d.h. signifikante Verringerung der Grundfläche; keine Flammen im Bereich der Reaktorrohren, die zu unerwünschten lokalen Überhitzungen führen oder den gewünschten Wärmeeintrag im oberen Bereich nicht ermöglichen; die Brenner emittieren nur heißes Abgas zwischen die Reaktorrohre, welches diese gleichmäßig umspült und die Reaktorrohre auf der gesamten Länge erwärmt; aus physikalischen Gründen stellt sich dabei ein negativer Temperaturgradient von oben nach unten (in Strömungsrichtung) ein (oben wärmer als unten); die Temperaturgleichmäßigkeit in einer horizontalen Ebene wird gegenüber herkömmlichen Reformern deutlich verbessert; die Variation der Brennerleistung verändert nicht qualitativ den Wärmeübergang.
  • Die Erfindung wird nachfolgend durch die 1 bis 5 näher erläutert. Ein Fachmann erkennt, dass die in den Figuren erläuterten Ausführungsformen der Erfindung nicht einschränkend auszulegen sind und dass bestimmte Merkmale für die Funktionsweise der Erfindung nicht wesentlich sind, so dass diese Merkmale nicht zwingend verwirklicht sein müssen, sondern ggf. auch weggelassen werden können.
  • 1 illustriert schematisch in der Draufsicht einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Reformer (1), welcher einen Ofenraum (2) umfasst, in dem Reaktorrohre (3) angeordnet sind, welche dazu konfiguriert sind, von einem Reaktionsgas durchströmt zu werden, wobei der Ofenraum (2) mit Poren- bzw. Flächenbrennern (4) beheizbar ist. Jeder Poren- bzw. Flächenbrenner (4) ist linienförmig im Sinne einer Brennerrinne ausgebildet, wobei jeweils 10 Brennerköpfe (5) entlang der Haupterstreckungsrichtung des Poren- bzw. Flächenbrenners (4) gleichmäßig verteilt sind. Auf diese Weise sind die 10 Brennerköpfe (5) jedes Poren- bzw. Flächenbrenners (4) in Reihen angeordnet. Die Reaktorrohre (3) sind vertikal ebenfalls in mehreren Reihen (6) angeordnet, wobei sich zwischen zwei benachbarten Reihen (6) jeweils eine Gasse (7) befindet, oberhalb welcher der Poren- bzw. Flächenbrenner (4) in paralleler Ausrichtung zu den Reihen (6) angeordnet ist. Zwei benachbarte Reihen (6) weisen zueinander den Abstand (A) auf.
  • Zum Vergleich illustriert 2 schematisch in der Draufsicht einen Schnitt durch einen herkömmlichen Reformer, bei dem der nicht mit Poren- bzw. Flächenbrennern, sondern mit herkömmlichen Diffusionsbrennern (8) beheizbar ist. Die Diffusionsbrenner erzeugen dabei vertikal nach unten gerichtete Flammen, welche sich in den Ofenraum hinein erstrecken. Um eine ausreichende Beheizung der Reaktorrohre zu gewährleisten, ist eine deutlich größere Anzahl von Diffusionsbrennern erforderlich als in 1.
  • 3 illustriert schematisch eine bevorzugte Ausführungsform in der Seitenansicht als Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Reformer (1). Dabei sind drei parallel zueinander, vertikal ausgerichtete Reaktorrohre (3) unterhalb der Ofendecke angeordnet, in welcher sich zwei Poren- bzw. Flächenbrenner (4) bzw. Brennerköpfe (5) befinden, die verbranntes Rauchgas (lange gestrichelte Pfeile) in den Ofenraum in die Bereiche zwischen den Reaktorrohren (3) emittieren. Dabei flankieren in der gezeigten Ausführungsform im oberen Bereich (B) der Reaktorrohre (3) Strahlungstransformatoren (9) die Austrittsöffnungen der Poren- bzw. Flächenbrenner (4) bzw. Brennerköpfe (5) und gewährleisten eine verbesserte Wärmeverteilung (kurze Pfeile) in diesem oberen Bereich (B) auf die Reaktorrohre (3).
  • 4 illustriert schematisch in der Draufsicht einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Reformer (1), welcher im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 1 einen geringeren Platzbedarf auskommt. Dies kommt insbesondere durch einen geringeren Abstand (A) benachbarter Reihen (6) von Reaktorrohren (3) zum Ausdruck.
  • 5 illustriert schematisch einen bevorzugten, erfindungsgemäßen Poren- bzw. Flächenbrenner (4), welcher mit einer Brennerhaube (10) ausgerüstet ist. 5A zeigt eine seitlich perspektivische Ansicht, 5B eine perspektivische Ansicht von unten. 5A zeigt insgesamt drei Brennerköpfe (5) auf der dem Ofenraum abgewandten Seite. 5B zeigt diese drei Brennerköpfe (5) auf der dem Ofenraum zugewandten Seite mit den jeweiligen Brennerflächen (11). Die drei Brennerflächen (11) sind von einer Wärmedämmung (12) sowie einer Flanschfläche (13) umgeben, welche zur Befestigung des Poren- bzw. Flächenbrenners (4) auf der Ofendecke dient.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Reformer
    2
    Ofenraum
    3
    Reaktorrohr
    4
    Poren- bzw. Flächenbrenner
    5
    Brennerkopf
    6
    Reihen
    7
    Gassen
    8
    Diffusionsbrenner
    9
    Strahlungstransformator
    10
    Brennerhaube
    11
    Brennerfläche
    12
    Wärmedämmung
    13
    Flanschfläche
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19921420 A1 [0005]

Claims (16)

  1. Ein Reformer (1) umfassend einen Ofenraum (2), in dem Reaktorrohre (3) angeordnet sind, welche dazu konfiguriert sind, von einem Reaktionsgas durchströmt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenraum (2) mit Poren- bzw. Flächenbrennern (4) beheizbar ist.
  2. Der Reformer (1) nach Anspruch 1, wobei jeder Poren- bzw. Flächenbrenner (4) mehrere Brennerköpfe (5) umfasst.
  3. Der Reformer (1) nach Anspruch 2, wobei jeder Poren- bzw. Flächenbrenner (4) mindestens drei Brennerköpfe (5) umfasst.
  4. Der Reformer (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mehreren Brennerköpfe (5) linienförmig entlang der Haupterstreckungsrichtung des Poren- bzw. Flächenbrenners (4) verteilt sind.
  5. Der Reformer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Poren- bzw. Flächenbrenner (4) – in Reihen angeordnet sind und/oder – den Ofenraum von oben beheizen.
  6. Der Reformer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Poren- bzw. Flächenbrenner (4) – vollvormischende Gasbrenner sind; und/oder – eine Energiedichte von mindestens 120 kW/m2 haben; und/oder – eine Strahlungstemperatur von mindestens 800°C erzeugen.
  7. Der Reformer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Reaktorrohre (3) – im Wesentlichen parallel zueinander und/oder – im Wesentlichen vertikal angeordnet sind.
  8. Der Reformer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Reaktorrohre (3) in Reihen (6) angeordnet sind, welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Reihen (6) von Reaktorrohren (3) Gassen (7) gebildet werden.
  9. Der Reformer (1) nach Anspruch 8, wobei die Poren- bzw. Flächenbrenner (4) oberhalb der Gassen (7) angeordnet sind.
  10. Der Reformer (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der kürzeste Abstand A zwischen zwei benachbarten Reihen (6) höchstens 180 cm beträgt.
  11. Der Reformer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wärmeaustritte der Poren- bzw. Flächenbrenner (4) entlang eines oberen Bereichs B der Reaktorrohre (3) seitlich von Strahlungstransformatoren (9) flankiert werden.
  12. Der Reformer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Zahlenverhältnis von Poren- bzw. Flächenbrennern (4) zu Reaktorrohren (3) im Bereich von 1:1 bis 1:100 liegt.
  13. Der Reformer (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei das Zahlenverhältnis von Brennerköpfen (5) zu Reaktorrohren (3) im Bereich von 1:1 bis 1:50 liegt.
  14. Ein Verfahren zur Durchführung einer Gasphasenreaktion umfassend das Durchleiten eines Reaktionsgases durch die Reaktorrohre (3) eines Reformers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und das Beheizen des Ofenraums (2) mit den Poren- bzw. Flächenbrennern (4).
  15. Verwendung eines Reformers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14.
  16. Verwendung eines Poren- bzw. Flächenbrenners (4) definiert wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Beheizen eines Reformers (1).
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