DE2204601C3 - Brenner zur Synthesegasherstellung - Google Patents
Brenner zur SynthesegasherstellungInfo
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- C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
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Description
Vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für die Synthesegasherstellung durch partielle Oxidation von
Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffreichen Gas.
Die Herstellung von Synthese-, Reduzier- und Hetzgas durch Eingabe von kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoffen, Sauerstoff und Dampf in die Reaktionszone eines Synthesegasgenerators mit Hilfe eines
einfachen Ringbrenners ist bekannt. Bei derartigen Brennern, besonders solchen, die bei niedrigem Druck
arbeiten, läßt jedoch der Wirkungsgrad hinsichtlich der Verbrennung zu wünschen übrig. Auch ist das
Reduzierverhältnis, d, h, das Molverhältnis
H2+ CO
H2O+ CO2 '
H2O+ CO2 '
des hergestellten Gases vergleichsweise niedrig. Ferner
wurde bei der Maßstabsvergrößerung herkömmlicher Brenner gefunden, daß die Produktgaszusammensetzung
schwankt und der Anteil nicht umgesetzter Kohlenstoffteilchen ansteigt Man war deshalb häufig
gezwungen, ein hohes Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnis im Ausgangsmaterial einzustellen und
aufrechtzuerhalten, um. den Anteil an nicht umgesetztem Kohlenstoff in akzeptablen Grenzen zu halten.
Höhere Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnisse sind aber vergleichsweise teuer und führen zu stark
erhöhten Temperaturen in der Reaktionszone, wodurch u. a. die Lebensdauer der Generatorauskleidung herabgesetzt
wird. Bekannte Brennerkonstruktionen werden z. B. in DE-PS 9 68 064 und DE-AS 10 80 079 beschrieben.
Mit solchen Brennern lassen sich die geschilderten Probleme jedoch nicht im erforderlichen Maße
überwinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brenner zur Synthesegasherstellung zu schaffen, der
einen verbesserten Wirkungsgrad hinsichtlich der partiellen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen besitzt
und die Durchführung der Synthesegasherstellung mit niedrigen Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnissen
erlaubt, ohne daß die Produktgaszusammensetzung über das erlaubte Mindestmaß hinaus Schwankungen
unterliegt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Brenner zur Synthesegasherstellung durch partielle
Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffreichen Gas mit Zuführungsvorrichtungen zur
getrennten Eingabe eines ersten Reaktandenstroms in einen inneren Brennerteil und eines zweiten Reaktandenstroms
in einen konzentrisch dazu angeordneten Brenneraußenteil gelöst Der Brenner gemäß vorliegender
Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Brennerinnenteil aus einer zentralen Leitung mit einem für den
Eintritt eines ersten Reaktandenstroms offenen Eingangsende und einem Ausgangsende, in das eine
Vielzahl von offenendigen Rohren eingelassen und mit der zentralen Leitung dicht verbunden ist, wobei diese
Rohre symmetrisch und parallel zueinander und zur Brennerachse angeordnet sind und sich nicht gegenseitig
berühren, sowie zusammenhängende Zwischenräume zwischen der Vielzahl paralleler offenendiger Rohre
und einer koaxialen, konzentrisch um die Außenseite des Brennerinnenteils angeordneten Leitung für einen
zweiten Reaktandenstrom, die eine Verbindungsleitung zu der sich verjüngenden Austrittsdüse am Kopfteil des
Brenners bildet.
Durch Einsatz dieses erfindungsgemäßen Brenners bei der Synthesegasherstellung erreicht man eine
wirkungsvolle Partialoxidation von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen mit Sauerstoff und, wahlweise, mit H2O
oder einem anderen geeigneten Temperaturmoderator.
Im einzelnen besitzt der erfindungsgemäße Brenner einen inneren Aufbau, welcher aus einer zentralen
Leitung von Kreisquerschnitt mit einer Vielzahl von offenendigen Rohren besteht, wobei diese Rohre sich in
Abstromrichtung vom Ausgangsende der zentralen Leitung erstrecken und mit diesem Ausgangsende in
Verbindung stehen. Die einzelnen Rohre verlaufen parallel zur Brennerachse und zueinander. Sie enden in
einer umfassenden Ausströmöffnung, welche das Ausgangsende
einer koaxialen Äußeren Leitung darstellt. Die äußere Leitung ist aber der zentralen Leitung
angeordnet, wodurch sich ein ringförmiger Durchtritt
zwischen den beiden Leitungen for ein ungehindertes Passieren eines der Ausgangsmaterialströme ergibt. Ein
anderer Ausgangsmaterialstrom wird durch die zentrale Leitung geschickt und spaltet sich in eine Vielzahl
paralleler Ströme auf, während der erste Strom zwischen und um die Parallelströme herum fließt
Übliche Ausgangsmaterialströme wie Sauerstoff, Öl oder ÖI/Dampf-Mischungen fließen durch die Vielzahl
der offenendigen Rohre, während ÖI/Dampf-Mischungen,
Sauerstoff/Dampf-Mischungen oder Sauerstoff den ringförmigen Durchtritt passieren. Diese Reaktandenströme
können auch umgelenkt werden und die vertauschten Durchgänge passieren. In einer doppeltringförmigen mehrrohrigen Ausführungsform kann öl
durch die zentralen Rohre geschickt werden, Sauerstoff oder Sauerstoff/Dampf-Mischungen durch einen inneren
Ring und Dampf durch einen äulieren Ring. In dieser Ausgestaltung kann die Lebensdauer des Brenners
wesentlich verlängert werden.
Die Reaktanden werden in die Reaktionszone eines Gasgenerators mit Hilfe des erfindungsgemäßen vielrohrigen
Brenners eingegeben. Ein erster parallel zur Brennerachse fließender Reaktandenstrom wird dabei
durch ein Bündel parallel angeordneter Rohre in eine Vielzahl kleinerer Ströme aufgetrennt Mindestens ein
weiterer Reaktandenstrom fließt durch die Zwischenräume des Rohrbündels. Beim Austritt aus den Rohren
wird eine gut verteilte Reaktandenmischung erzeugt, die aus dem Brenner abgezogen werden kann.
Eine Vielzahl paralleler offener Rohre erstreckt sich in Abstromrichtung vom geschlossenen Abströmende
der zentralen Leitung und in paralleler Ausrichtung zur Achse der zentralen Leitung. Die einzelnen Rohre sind
räumlich und symmetrisch angeordnet so daß sie sich nicht berühren. Jedes Rohr im Bündel ist im
geschlossenen Ende der zentralen Leitung eingelassen und steht in Verbindung mit derselben. Hierdurch ergibt
sich für einen ersten Reaktandenstrom ein ungehinderter Durchtritt durch die zentrale Leitung und das
Rohrbündel.
Ein zweiter Reaktandenstrom fließt durch eine konzentrische, koaxiale, offene Leitung, die über die
Länge der Außenseite des inneren Teils angeordnet ist. Ein Kopf- oder Mundstück am Abströmende der
koaxialen zweiten Leitung dient zur Eingabe des zweiten Reaktandenstroms in die zwischen den
parallelen offenen Rohren befindlichen Zwischenräume. Anschließend fließt dieser Reaktandenstrom durch eine
Düse am Ende der zweiten Leitung aus. Wahlweise kann eine offene dritte Leitung mit einem sich verjüngenden
Kopf über die Länge der konzentrischen, koaxialen, offenen zweiten Leitung über derselben angeordnet
sein. Das Kopfteil der dritten Leitung dient zur Einführung eines dritten Reaktandenstroms.
Anhand der Zeichnungen werden mehrere Brennerkonstruktionen als erfindungsgemäße Ausführungsformen
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine allgemeine Ansicht eines Brenneraufbaus,
F i g. 2 einen Längsschnitt durch das BrennerabstromendebeiLinie,4-,4derFig.
1,
F i g. 3 den Querschnitt des Brennerkopfes bei Linie
fl-flderFig. 2,
F i g. 4 einen Schnitt uurch eine weitere Ausfühi ungsform
einer koaxialen Leitung, die anstelle der entsprechenden Leitung (10) in F i g, 2 treten kann,
F i g, 5 einen Schnitt, ähnlich wie in F i g, 2, durch eine
andere Brennerausführungsform, bei der zwei konzentrische, koaxiale Leitungen in Längsrichtung über dem
inneren Brennerteil angeordnet sind.
In F i g. 1 ist die Stirnflächenkammer (2) am äußersten
Brennerkopf des Brenners (1) zum Zwecke des Kühlwasserumlaufes bauchig ausgebildet Das Kühlwasser
tritt durch das Einlaßrohr (3) ein und durch die
ίο Schlangen (4) und das Auslaßrohr (5) aus. Die
Brennerachse ist gewöhnlich an der Hauptachse des Synthesegasgenerators mit Hilfe des Halterungsflansches
(6) ausgerichtet Die Reaktandenströme treten in den Brenner durch die Einlasse (7) und (8) ein-
Fig.2 zeigt das Abströmende des Brenners im
Schnitt bei Linie A-A der F i g. 1. Sie enthält den inneren Brennerteil (9) und die konzentrische, koaxiale Leitung
(10), die in Längsrichtung über dem Brennerinnenteil angeordnet ist wodurch ein freier ringförmiger
Durchgang zwischen den Elementen (9) und (10)
hergestellt wird. Ein Reaktandenstrom tritt in den Brenner (1) durch (7) (F i g. 1) ein und fließt direkt durch
das Brennerinnenteil (9). Ein zweiter Reaktandenstrom tritt in den Brenner (1) durch (8) (Fi g. 1) ein und fließt
direkt in die konzentrische, koaxiale Leitung (10).
Das Brennerinnenteil (9) besteht aus einer zentralen Leitung (11) mit Kreisquerschnitt und einem Bündel
offener Rohre (12) mit vergleichsweise kleinem Durchmesser. Das Rohrbündel erstreckt sich in
jo Abstromrichtung vom Ausgangsende der zentralen
Leitung. Die Rohre sind parallel zur Brennerachse und zueinander angeordnet umgeben die Brennerachse
symmetrisch und berühren sie nicht Während diese Rohre vorzugsweise bis nahe an die Brennerstirnfläche
(13) heranreichen, können sie in anderen Ausführungsformen, wie z. B. in F i g. 5 wiedergegeben, verkürzt sein.
Die zentrale Leitung (11) ist am Eingangsende (24) offen und am Ausgangsende (15) geschlossen. Die Rohre (12)
sind in das Ausgangsende der zentralen Leitung (11) eingelassen und stehen mit diesem in Verbindung. So
kann ein Reaktendenstrom ungehindert durch den Brennerinnenteil (9) fließen, wobei er zuerst die zentrale
Leitung (11) und dann eine Vielzahl von Rohren (12) passiert. Der Aufstromteil (16) der konzentrischen,
koaxialen Leitung (10) ist offen und bildet einen ringförmigen Durchtritt (17) mit der zentralen Leitung
(11), durch welchen ein Reaktandenstrom ungehindert fließen kann. Das Abströmende (18) der Koaxialleitung
(10) ist über dem Rohrbündel (12) angeordnet. Eine sich
so verjüngende Düse (19) befindet sich am Kopfteil des Abströmendes der Koaxialleitung (10). (19) fördert das
Vermischen der Ströme und unterstützt ein gleichmäßiger Sirömungsprofil über den Mischstrom. Geeignete
Verjüngungswinkel am Kopfteil betragen 15 bis 90°.
Wahlweise können Kühlvorrichtungen zur Kühlung des Brennerkopfes, beispielsweise Stirnflächenkühlkammer
(2) mit Kühlschlangen (4), vorgesehen werden.
F i g. 3 zeigt im Querschnitt eine geeignete Zusammenstellung
von sieben parallelen Rohren (12), wobei das Rohr (20) durch die Brennerachse geht. Der
schraffierte Bereich - LA. - stellt die Zwischenräume zwischen den Oberflächen der Rohre dar. Der
/.Α-Bereich steht für die Eingabe des Reaktandenstromes, der ungehindert den Durchgang zwischen Brennerinnenteil
(9) und Koaxialleitung (10) durchströmt, zur Verfügung. Hierdurch wird ein sorgfältiges Vermischen
der Reaktandenströme aus den getrennten Brennerdurchgängen an der Brennerstirnfläche ermöglicht.
Typische Kombinationen von Reaktandenströmen, welche in die Reaktionszone des Synthesegasgenerators
mit Hilfe des mehrrohrigen Brenners, siehe F i g. 1 bis 3, eingeführt werden können, zeigt die Tabelle I:
Strom durch
Brennerinnenleil (9)
Strom durch die konzentrische Leitung (10)
1) sauerstoffreiches Gas
2) sauerstoffreiches Gas
3) fluss. Kohlenwasserstollbrennstoll
+ H2O
4) gasförmiger KohlenstofTbrcnnstolT
5) fluss. KohlenwasserstoffbrennstolT
6) fluss. KohlenwasserstofTbrennstoff+
H2O
flüssiger KohlenwasserstofTbrennstofT+ H2O
gasförmiger KohlenwasserstofTbrennstolT
sauerstolTreiches Gas
sauerstoffreiches Gas
sauerstofTreiches Gas
+ H2O
+ H2O
sauerstolTreiches Gas
+ H2O
+ H2O
Der erfindungsgemäße Brenner kann mit den verschiedensten gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen
betrieben werden, wie z. B. mit verflüssigtem Petrolgas, Erdöldestillaten, und
-rückständen. Gasolin, Naphtha, Kerosin. Rohöl. Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl.Teersandöl; aromatischen
Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Benzol. Toluol. XyIoI-fraktionen, Kohleteer, Kreislaufgasöl aus Wirbelschicht-Crackverfahren;
Furfurolextrakten des Kokereigasöls: sowie Mischungen derselben, ferner mit gasförmigen Ausgangsmaterialien wie Methan, Äthan,
Propan, Butan. Pentan, Erdgas, Wassergas, Kokereigas. Raffineriegas, Acetylenrestgasen, Äthylenabgasen und
Mischungen derselben. Weiterhin sind pumpbare
f !Mff
der Rest mit dem Kohlenwasserstoff gemischt wird. Beispielsweise beträgt das Gewichtsverhältnis Wasser
zu flüssigem Kohlenwasserstoff etwa 0,05 bis 6 und liegt gewöhnlich bei etwa 0,15 bis 0,6 Gewichtsteile Wasser
pro Gewichtsteil Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial, je nach Verwendung des Produktgases.
Die Verwendung eines Moderators zur Steuerung der Temperatur in der Reaktionszohe ist fakultativ und
hängt ganz allgemein vom Kohlenstoff/Wasserstoff-Verhältnis des Ausgangsmaterials ab. Der Temperaturmoderator
kann als Komponente eines oder beider Reaktandenströme eingegeben werden. Zusätzlich kann
der Moderator allein über eine getrennte äußere Leitung eingeführt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners können die Ausgangsmaterialströme durch Partialoxidation in
Abwesenheit eines Kaiaiysators in der Reaktionszone eines Strömungshindernisfreien Synthesegasgenerators
unter den üblichen Reaktionsbedingungen umgesetzt werden. Dabei beträgt der Anteil an nicht umgesetzten
Kohlenstoffteilchen (bezogen auf den Kohlenstoff im Ausgangsmaterial) etwa 0,2 bis 10 Gew.-% bei
Verwendung von flüssigem Ausgangsmaterial, wogegen dieser Anteil bei gasförmigen Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien
gewöhnlich vernachlässigbar gering ist.
Je größer die Anzahl der Rohre (12) ist, um so besser ist die Verteilung eines Reaktanden im anderen. Das
Mischen der Reaktandenströme, welches an den Abströmenden der Rohre eintritt, wird durch die
verbesserte Verteilung gefördert und bewirkt eine gleichmäßigere Partialoxidation des Kohlenwasserstoffes
unter Bildung von H2 und CO. Die Verbrennungswirksamkeit des Brenners wird hierdurch gesteigert.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners kann man die Reaktionen in lokalen Bereichen ablaufen lassen,
wodurch man ein Überhitzen des Kohlenwasserstoffes bei ungenügender Sauerstoffzufuhr unter Rußbildung
weitgehend vermeiden kann. Dadurch kann der Anteil
wie z. B. Kohle, Kohlenstoffteilchen und Petrolkoks in einem Träger oder Moderator wie Wasser oder in
einem flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff, sowie Mischungen derselben und Gas/Feststoff-Suspensionen,
wie z. B. feinzermahlene feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe im Moderator oder in einem gasförmigen
Kohlenwasserstoff einsetzbar.
Das Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial kann bei Raumtemperatur vorliegen oder auf eine Temperatur
bis etwa 315 bis 650° C1 aber unterhalb der Cracktemperatur
des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, vorgeheizt werden. Das flüssige Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial
kann in den Brenner in flüssiger Form oder in verdampfter Mischung mit oder ohne Dampf
oder einem anderen Moderator eingegeben werden.
Als sauerstoffreiches Gas können dem Brenner Luft, sauerstoff angereicherte Luft mit z. B. mehr als 21
MoI-% Sauerstoff oder im wesentlichen reiner Sauerstoff mit z. B. mehr als 95 Mol-% Sauerstoff bei etwa
Raumtemperatur bis 982° C zugeführt werden. Das Verhältnis freier Sauerstoff zu im Ausgangsmaterial
vorhandenem Kohlenstoff (O/C, Atom/Atom) liegt im Bereich 0,7 bis 1.5.
Ferner kann dem Brenner Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form zugeführt werden. Alternativ kann
ein Teil des Dampfes mit dem Sauerstoffstrom in der Leitung (10) vermischt werden in einem Anteil von
weniger als etwa 25 Gew.-% des Sauerstoffes, während gegebenem O/C-Atomverhältnis des Ausgangsmaterials
wesentlich reduziert werden. Weiter ist das »Überbrennen« von Kohlenwasserstoff unter CO2-Bildung
wesentlich vermindert. Der Brenner wird zweckmäßigerweise aus hitze- und oxidationsbeständigen
Metallegierungen hergestellt.
Die einzelnen Rohre des Rohrbündels (12) werden in der Länge so bemessen, daß der durch den Ring (17)
(siehe Fig.2) eintretende Reaktandenstrom gleichmäßig
in den Zwischenräumen zwischen Rohren (F i g. 3) fließen kann. Die nachfolgende Beziehung (1) ist als
Minimum anzusehen:
I.A.jl.w.n. = y
Länge jedes Rohres
Abstand zwischen benachbarten Rohren am engsten Zwischenraum (F i g. 3)
π = Anzahl der Rohre
IA. = Querschnitt der Zwischenräume (F i g. 3)
π = Anzahl der Rohre
IA. = Querschnitt der Zwischenräume (F i g. 3)
Die Länge der Rohre im Rohrbündel kann etwa 12,7
bis 3043 mm betragen, vorzugsweise etwa 50,8 bis 127 mm, wobei längere Rohre bei Steigerung der
Anzahl der Rohre und der Gesamtbrennergröße benötigt werden.
Die Anzahl der Rohre im Rohrbündel und ihre typischen Abmersungen, z. B. Innendurchmesser (I.D.),
gibt die Tabelle Il wieder.
Tabelle ti | Rohrzahl im Rohrbündel |
I.D. jedes Rohres (mm) |
Inner*-rom | 2 bis etwa 200 oder mehr 2 bis etwa 200 oder mehr |
1.59 bis 6.35 2.29 bis 25.4 |
Flüssig Gasförmig |
||
Um eine gleichmäßige Stromverteilung in allen Rohren zu erhalten, sollten alle Rohre vorzugsweise
gleichen Innendurchmesser und gleiche Länge haben. Der Innendurchmesser der Rohre sollte im Vergleich
zum Durchmesser der zentralen Leitung (II) klein sein,
um einen merklichen Druckabfall zur zentralen Leitung zum Abziehen herbeizuführen. Vorzugsweise sollte das
Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser der Rohre mindestens 5 betragen.
Die Ausgangsenden der Vielzahl von Rohren (12) und das Ausgangsende des Kopfstückes der koaxialen,
konzentrischen äußeren Leitung (10) münden vorzugsweise in der gleichen, senkrecht zur Brennerachse
befindlichen Ebene am Brennerabstromende, die auch als B'ennerstirnfläche bezeichnet wird. In einer anderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform münden die Ausgangsenden der Vielzahl der Rohre (12) in einer
senkrecht zur Achse der koaxialen, konzentrischen äußeren Leitung (10) befindlichen Ebene, wobei diese
Ebene gegenüber dem Abströmende des Kopfstückes der koaxialen, konzentrischen äußeren Leitung (10) in
Aufstromrichtung zurückgezogen ist, um hierdurch einen begrenzten Grad einer Vormischung, aber nicht
einer Verbrennung, herbeizuführen und um eine Zerstörung der Rohrenden und des Endes des
Kopfstückes zu verhüten. In einer weiteren erfindungsgemäSen Äusfühmngsiorm enden die Ausgangsenden
der Vielzahl der Rohre (12) in einer zur Achse der koaxialen, konzentrischen Leitung senkrechten Ebene,
wobei diese Ebene in Abstromrichtung vom Abströmende des Kopfabschnittes der koaxialen konzentrischen
Leitung angeordnet ist, z. B. ein wenig in Abstromrichtung von der Brennerstirnfläche.
Richtungsbolzen, Leitbleche, Verblockungsstifte und andere Vorrichtungen können verwendet werden, um
eine symmetrische Anordnung der Rohre und Leitungen zueinander zu erreichen.
Obgleich der Brenner für die Partialoxidationsreaktion entwickelt wurde, kann er auch in vorteilhafter
Weise für andere Verbrennungsverfahren von Kohlenwasserstoffen mit einem oxidierenden Strom, z. B. für
die Wärmeentwicklung in einem Heizkessel, zur Herstellung von Reduziergas in einem Hochofen oder in
einer anderen Erzreduktionsanlage, verwendet werden.
In Fig.4 wird eine weitere Ausführungsform einer
koaxialen, konzentrischen Leitung (21) dargestellt, die anstelle der Leitung (10) verwendet werden kann. Der
Kopf (22) der Leitung (21) ist mit einer glatten, in ellipsoiden, sich verjüngenden Düse versehen, deren
Wandungen sich in einem geraden zylindrischen Teil fortsetzen. Dieser Teil verläuft koaxial zur Brennerachse,
nahe dem äußersten Mundstück der Düse. Beispielsweise ist hierfür die Standard-Düse mit großem Radius
ι-, der A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers) geeignet. Eine eingehendere Beschreibung dieser
Düse ist in »Thermodynamics Fluid Flow and Heat Transmission« von Huber O. Croft, Seite 155,1. Auflage,
1938, McGraw-Hill Book Company, zu finden.
F i g. 5 stellt eine weitere Brennerausführung dar mit zwei koaxialen, konzentrischen Leitungen, z. B. die
Zwischenleitung (23) und die Außenleitung (24), die über dem Innenteil (25) angeordnet sind und einen inneren
Ringdurchgang (26) und einen äußeren Ringdurchgang (27) zum freien Durchströmen getrennter Ausgangsmaterialströme
bilden. Durch den äußeren Ring (27) kann man einen relativ reaktionsträgen Strom (Moderator)
leiten, der das gebildete Produktsynthesegas vom Ausgangsmaterialstrom im Zwischenraumbereich
trennt. Diese Trennung ist besonders erwünscht, wenn die im Zwischenraum strömende Flüssigkeit ein Oxidans
ist, welches sehr schnell mit dem Synthesegas nahe am Brennerkopf reagieren und eine Brennerkopfzerstörung
herbeiführen kann. Der dritte Durchgang ist vor allem brauchbar, um eine größere Brennerfestigkeit und
weniger, um eine höhere Verbrennungswirksamkeit zu erzielen. Der Einsatz dieses Schutzmantels ist nur in den
Fällen gerechtfertigt, in denen sich andernfalls eine nicht zu rechtfertigende kurze Brennerlebensdauer
ergeben würde.
Die örennerKuniung ist wahlbar. Beispielsweise
können, falls gewünscht, die in Fig. 1 gezeigte Stirnflächenkühikamme;· (2) und die Kühlschlange (4)
dem in Fig. 5 dargestellten Brenner angefügt werden. Die Rohre des Rohrbündels brauchen nicht notwendigerweise
bis zur Brennerstirnfläche zu reichen. Wahlweise können die Rohrenden bündig mit der
Brennerstirnfläche abschließen oder über diese hinausragen, z. B. über das Brennerabstromende.
Typische Kombinationen von Strömen, welche in die Reaktionszone des Synthesegasgenerators mit Hilfe des
doppeltringigen mehrrohrigen Brenners (F i g. 5) einge führt werden können, gibt die Tabelle IH wieder:
Innenteil (25)
Innenring (26) Außenring (27)
sauerstofTreiches Gas/H20 temperatursteuerndes Gas
sauerstoflreiches Gas/H2O temperatursteuerndes Gas
1.) Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
2.) Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
3.) KohlenwasserstofFaus- sauerstofireiches Gas/H2O temperatursteuerndes Gas
gangsmateriaI/H2O
4.) KohlenwasserstofFaus- sauerstofireiches Gas/H2O temperatursteuerndes Gas
4.) KohlenwasserstofFaus- sauerstofireiches Gas/H2O temperatursteuerndes Gas
gangsmaterial/H2O
Die Geschwindigkeit und Dicke der temperatursteuernden Gasschutzschicht, die den Brenner durch die sich
verjüngende Düse am Abströmende des Außenringes (27) verläßt, übt vorzugsweise die Funktion aus, den
Sauerstoff im infleren Ring (26) von der Umsetzung und
Reaktion mit zurücklaufendem Synthesegas fern zu halten, da das Synthesegas sehr nahe der Brennerstirnfläche
kommt und Anlaß zur Zerstörung des äußeren Mundstückes geben kann. Beispielsweise kann die
Ausstromgeschwindigkeit des temperatursteuernden Gases im Außenring (27) etwa die Hälfte der
Sauerstoff Stromgeschwindigkeit betragen.
In allen Fällen dient ein Ringstrahl von Dampf oder pin anderer Moderator im Außenring (27) zum Schutz
der Außendüse vor der Zerstörung infolge der Verbrennung des Synthesegases mit Sauerstoff am
Brennerkopf. In einigen Ausgestaltungen kann genü-Kohlenstoffs im Produktgas bei einem gegebenen
O/C-Verhältnis abnimmt und das Reduzierverhältnis im
Produktgas ansteigt. Beispielsweise ergibt sich für den Brenner der Fig.2 mit einem Y-Verhältnis von 21,7,
daß der Faktor c t nicht kleiner als 266 sein sollte, um 2
Gew.-%
erzielen.
SL
Kohlenstoffteilchen
Kohlenstoffteilchen
bei etwa 1,04 O/C zu
Die Ausgangsmaterialströme wurden in die Reaktionszone eines Gasgenerators mit einem mehrrohrigen
Brenner eingeführt, der in einem axial angeflanschten Eingang am Gasgeneratorkopf angeordnet war. Ein
Heizölstrom von etwa 2000C wurde durch die zentrale
Leitung und ein siebenrohriges Rohrbündel des Brenners, siehe Fig. 1 bis 3, eingegeben. Die Brenner-
genu u/äiiipi uefi änucren
iiini ni»i uu^i
um die Feinverteilung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials zu fördern oder die Zerstörung des Brennerkopfes
zu verhindern.
Die BrennergröOe oder -gestalt ist wichtig bezüglich
des benötigten Atomverhältnisses von Sauerstoff im sauerstoffreichen Gas zum Kohlenstoff im Kohlenwasserstoffausgangsmaterial,
da das Verhältnis zur Erzielung einer vorgegebenen Ausbeute an nicht umgesetzten
Kohlenstoff im Produktgas notwendig ist. Der Brennermaßstabsfaktor ist:
1. proportional zum Zwischenraumperimeter, der zum Mischen der Reaktanden in den Röhren mit
dem Reaktandenstrom in den Zwischenräumen zwischen den Röhren verfügbar ist;
2. umgekehrt proportional zum Querschnitt des zu vermischenden Stromes in den Röhren;
3. umgekehrt proportional zum relativen Abstand im Zwischenraumstrom, der durch Stromelemente
(Moleküle oder turbulente Wirbel) in den Rohren während des Mischens überbrückt werden muß;
4. eine Funktion des K-Verhältnisses, welches gemäß
r>Afinitirm Hac Vi»rl·.clinic w^n I A-R&r&inh ^Fi σ ^
zum Gesamtquerschnitt der Röhren in (12) bezogen auf den Innendurchmesser der Rohre ist.
Beispielsweise ist der Brennermaßstabsfaktor gemäß Gleichung (2) ein Maß für die relative
Brennergröße der Fig. 2, wenn ein ölhaltiger Strom durch die Rohre eines Brenners, der ein
K-Verhältnis von 21,7 aufweist, fließt:
48.2 · η
P
SL
(2)
P =
S =
η
D2
D2
L = I (°L - Do)
2 V In /
.'Il
Perimetersumme aller Rohre in (12) (bezogen auf Rohrinnendurchmesser)
Summe der Querschnitte aller Rohre in (12), bezogen auf Rohrinnendurchmesser
Summe der Querschnitte aller Rohre in (12), bezogen auf Rohrinnendurchmesser
Rohranzahl
Innendurchmesser des Abströmendes der sich verjüngenden Düse (19)
Do= Innendurchmesser jedes Rohr«s (12)
Es zeigt sich, daß, wenn der Brennermaßstabsfaktor wächst, der prozentuale Gehalt nicht umgewandelten
zentralen Leitung hinaus. Sie wiesen einen Außendurchmesser (O.D.) von 4,76 mm und eine Wandstärke von
0,124 mm auf. Bei einem K-Verhältnis von 21,7 war der
Brennermaßstabsfaktor „. =226. Die ölgeschwindig-
keit in den Rohren betrug etwa 1006 cm/sec.
Eine Mischung von im wesentlichen reinem Sauerstoff und Dampf bei etwa 182°C passierte den
Brennerring, so daß an der Brennerstirnfläche eine Geschwindigkeit von etwa 25 908 cm/sec erreicht
wurde. Der Druck in der Reaktionszone war 2,11 bis 2,18 kg/cm2 und das Gewichtsverhältnis von Dampf zu
Heizöl betrug etwa 0,23.
Bei einem O/C-Atomverhältnis im Ausgangsmaterial
von 1,04 ergab sich ein »Reduzierverhältnis« von etwa 6,9. Bei diesem O/C-Verhältnis betrug der Gehalt an
nicht umgewandeltem Kohlenstoff im Produktgas (bezogen auf das Kohlenstoffgewicht im Ausgangsmaterial)
etwa 2,0 Gew.-%. Man erhielt folgende Produktgaszusammensetzung (in Vol.-%):
52,42 CO; 43,91 H2;
3,17 CO2; 0,14 H2S;
0,i i Ar und
0,25 H2.
3,17 CO2; 0,14 H2S;
0,i i Ar und
0,25 H2.
Im Vergleich hierzu ergab sich bei im wesentlichen gleichen Generatorarbeitsbedingungen für einen einrohrigen
üblichen Brenner, siehe z. B. US-PS 29 28 460, F i g. 2, mit einem Brennermaßstabsfaktor 33 und einem
V-Verhältnis von 14,3 ein Gehalt von 3,6 Gew.-% an nicht umgewandeltem Kohlenstoff bei gleichem Atomverhältnis
O/C von 1,04. Das Reduzierverhältnis betrug nur 6,4.
Dieses Beispiel zeigt den Einfluß einer größeren Rohrzahl im Kopfteil des Innenteils, siehe F i g. 2 und 3.
Zwölf symmetrisch angeordnete Metallrohre mit 039 cm O.D. und 0,0814 cm Wandstärke wurden anstatt
der sieben Rohre des Beispiels 1 verwendet Das Y-Verhältnis betrug 19,7 und der Brennermaßstabsfaktor
291. Alle anderen Bedingungen entsprachen denen im Beispiel 1. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung
des 12-Rohr-Brenners weniger Sauerstoff benötigt wurde.
Das O/C-Verhältnis war etwa 1,025. Der Originalbrenner
mit einer einzigen zentralen Leitung wies ein O/C-Verhältnis von 1,09 auf. Durch Steigerung der
Röhrenzahl wird der Sauerstoffverbrauch im Gasgenerator gesenkt mit einem deutlichen wirtschaftlichen
Vorteil. Weiter trägt der verminderte Sauerstoffverbrauch zu niedrigeren Temperaturen in der Reaktionszone bei, was eine Schonung der feuerfesten Auskleidung
bedeutet. Mit einem festen O/C-Verhältnis, z. B. 1,04, und Beibehalten aller anderen Verfahrenbedingungen
liefert ein 12-Rohr-Brenner anstatt eines 7-Rohr-Brenners einen auf etwa 1,4 Gew.-% verminderten
Anteil an nicht umgewandelten Kohlenstoff. Dies Ergebnis bedeutet eine 30% Abnahme an nicht
umgewandelten Kohlenstoff und vereinfacht oder eliminiert jedes Reinigungsproblem bezüglich der
Abtrennung der Kohlenstoffteilchen aus dem Produktgas. Das Reduzierverhältnis 6,4 für einen 1-Rohr-Brenner
steigt auf 6,9 für einen 7-Rohr-Brenner und auf 7,2 für den 12-Rohr-Brenner. Die Qualität des Reduziergases
kann also durch die Steigerung der Röhrenzahl verbessert werden. Dies wiederum erlaubt eine
Volumenreduktion des Reduziergases für pin.gegebenes
Verfahren unter gleichzeitiger Kostensenkung. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung eines mehrrohrigen
Brenners eine Anteilssenkung von benötigtem Reduziergas, wenn dieses anstelle von Zechenkoks in
einem Eisenerzhochofen zur Herstellung von erschmolzenem Eisen verwendet wird. Dies bedeutet auch eine
Verkleinerung von Ausrüstung und Leitungen zusätzlich zu den durch das so hergestellte Reduziergas hervorgerufenen
Kostensenkungen.
Hierzu I Malt /cichiuiimcn
Claims (4)
1. Brenner zur Synthesegasherstellung durch
partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffreichen Gas, mit Zuführungsvorrichtungen
zur getrennten Eingabe eines ersten Reaktandenstroms in einen inneren Brennerteil und
eines zweiten Reaktandenstroms in einen konzentrisch dazu angeordneten Brenneraußenteil, gekennzeichnet
durch einen Brennerinnenteil (9) aus einer zentralen Leitung (11) mit einem für den
Eintritt eines ersten Reaktandenstroms offenen Eingangsende (14) und einem Ausgangsende (15), in
das eine Vielzahl von offenendigen Rohren (12) eingelassen und mit der zentralen Leitung (11) dicht
verbunden ist, wobei diese Rohre (12) symmetrisch und parallel zueinander und zur Brennerachse
angeordnet sind und sich nicht gegenseitig berühren, sowie zusammenhängende Zwischenräume (IA)
zwischen der Vielzahl paralleler offenendiger Rohre (12) und einer koaxialen, konzentrisch um die
Außenseite des Brennerinnenteils (9) angeordneten Leitung (10) für einen zweiten Reaktandenstrom, die
eine Verbindungsleitung zu der sich verjüngenden Austrittsdüse (19) am Kopfteil des Brenners bildet
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsenden der Vielzahl von
Rohren (12) und das Ausgangsende des Kopfstückes der äußeren Leitung (10) in der gleichen, senkrecht.
zur Brenne;jchse befindlichen Ebene am Brennerabstromende
münden
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsenc^n der Vielzahl von
Rohren (12) in einer senkrecht zur Achse der « äußeren Leitung (10) befindlichen Ebene münden,
wobei diese Ebene gegenüber dem Abströmende des Kopfstückes der äußeren Leitung (10) in
Aufstromrichtung zurückgezogen ist.
4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Zuführungsvorrichtung aus einer zweiten, offenendigen, koaxialen, konzentrischen Leitung (24) besteht,
die um die offenendigen Rohre angeordnet ist und mit den Rohren einen Raum ausbildet, wobei die
Zuführungsvorrichtung eine sich verjüngende Düse aufweist, die mit der zweiten sich verjüngenden
Düse einen Durchgang (27) für einen Temperaturmoderatorstrom bildet.
V)
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