DE2309821A1

DE2309821A1 - Brenner und verfahren zur herstellung eines h tief 2 und co enthaltenden produktgases

Info

Publication number: DE2309821A1
Application number: DE19732309821
Authority: DE
Inventors: Charles Parker Marion; Blake Reynolds
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1973-02-28
Filing date: 1973-02-28
Publication date: 1974-09-12
Also published as: DE2309821C2

Description

Brenner und Verfahren zur Herstellung eines H2 und CO enthaltenden Produkt gases Die vorliegende Erfindung betrifft einen dreiöffnigen Brenner und ein Verfahren zur Eingabe eines flüssigen Kohlenwasserstoffes, eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und eines temperatursteuernden Gases in einen nichtkatalytischen, strömungshindernisfreien Partialoxidationsgasgenerators, um eine Reaktion in demselben zu bewirken-und Gasmischungen, enthaltend H2und CO, z.B. Synthesegas, Reduktionsgas oder Heizgas, zu erzeugen.
Bei der Synthesegaserzeugung, d.h. Erzeugung von hauptsächlich H2 und CO enthaltenden Gasmischungen, durch Partialoxidation eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gases treten sehr hohe Temperaturen, d.h. 6490C und höher, auf. Während der Brenner notwendigerweise eine sehr schnelle und vollständige Vermischung der Reaktanden bewirken soll, ist es unbedingt erforderlich, den Brenner oder Mischer vor einer Überhitzung und/oder einem chemischen Angriff zu schützen, da dies zu einer anschlieasenden Zerstörung führen kann, Ungleichmässige Vermischung der Reaktanden führt zu einer Anreicherung hoher Sauerstoffkonzentrationen in bestimmten Bereichen. Die vollständige Verbrennung eines Teils des Brennstoffes tritt sodann in diesen Bereichen unter Freisetzen grosser Wärmemengen ein. Infolge der Reaktion von Sauerstoff und Schwefel mit dem Metall aus welchem der Brenner gefertigt ist, erfolgt schnell Oxidation, Sulfidation und Zerfall des Brennermetalls. Ein anderes Problem betrifft die Rückführung brennbarer Gase an das Brennermundstück mit nachfolgender Verbrennung nahe an den Brenneroberflächen, was zur Überhitzung und Zerstörung der Brennermundstücke führt. Weiterhin können die Brennerelemente der Erhitzung durch Strahlung unterliegen und auf den Brenneroberflächen kann sich Kohlenstoff ablagern. Diese Strahlung kann ebenfalls bis zur Überhitzung und Brennerzerstörung führen. Die Probleme verschärfen sich, wenn die Reaktanden ln hocherhitztem Zustand, um den Sauerstoffbedarf zu senken und die Produktgasausbeute zu steigern, eingeführt werden.
Die Konstruktionen üblicher Brenner bedürfen einer Verbesserung, um ihre Lebensdauer zu erhöhen. Beispielsweise sind übliche Ringbrenner normalerweise mit einer flachen Stirnflächenkühlmittelkammer am Brennermundstück ausgestattet.
Derartige Konstruktionen haben breite, flache Metallbänder gegen die hohen am Brennermundstück vorherrschenden Temperaturen, Ferner mußte bei diesen bekannten Konstruktionen die Brennerwandung dick sein, um den grossen Druckdifferenzen standhalten zu können. In diesen Fällen war der Wärmeübergang beeinträchtigt und solche Brenner gingen infolge Überhitzung kaputt.
Einige Brenner enthalten eine Vielzahl von Bohrungen mit kleinem Durchmesser, wobei diese Bohrungen kreisförmig am Brennermundstück angeordnet sind. Diese Bohrungen neigen dazu, eine ungleichmässige Vermischung der Reaktanden an der Brennerstirnfläche, Überhitzung in bestimmten Bereichen, tote Strömungsräume und ungleichmässiges Kühlen der Jeweiligen Seiten der metallenen Brennerelemente am Brennermundstück herbeizuführen. Weiter besteht die Gefahr des Verstopfens der Bohrungen.
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen dreiöffnigen Brenner und ein Verfahren zur Eingabe eines flüssigen Kohlenwasserstoffs, eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und eines temperatursteuernden Gases in einen Gasgenerator, in welchem eine Umsetzung bei mindestens etwa 649°C erfolgt. Der flüssige Kohlenwasserstoff wird durch eine zentrale oder eine mittlere Öffnung des Brenners gegeben. Das freien Sauerstoff enthaltende Gas wird gleichzeitig durch *+ghentrale oder die mittlere Öffnung, welche dann jeweils7für den flüssigen Kohlenwasserstoff benutzt wird, gegeben. Gleichzeitig strömt das temperatursteuernde Gas durch eine äussere Öffnung. Während die Geschwindigkeit des flüssigen Kohlenwasserstoffstroms vergleichsweise niedrig ist, z.B. 3,05 bis 30,5 m/sec, können die Geschwindigkeiten des den freien Sauerstoff enthaltenden Gasstroms und die des temperatursteuernden Gases 183 m/sec und bis zu Schallgeschwindigkeit, falls es nötig ist, die Einflüsse des veränderlichen Gegendrucke im Gasgenerator aufzuheben, betragen. Durch diese Maßnahmen werden Gaemischungen, enthaltend H2 und CO, erzeugt, z.B. Synthesegas, Reduktionsgas oder Heizgas.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brenner für die Eingabe eines flüssigen Kohlenwasserstoffes, eines freien Sauerstoff enthaltenden Geses und eines temperatursteuernden Gases in einen Gasgenerator, in welchem eine Reaktion bei mindestens etwa 649°C durchgeführt wird, bestehend aus a) einer zentralen, axialen, rohrförmigen Leitung, welche am Aufstromende eine Eingabeeinrichtung und am Abstromende eine zentrale Abgabedüse aufweist, wobei die Abgabedüse aus einer nach innen zusammenlaufenden, kegelförmigen Aussenfläche besteht und einen einzelnen ungehinderten, kreisförmigen Abgabedurchgang aufweist; b) einer mittleren, koaxialen, konzentrischen, rohrförmigen Leitung, welche radial über die Aussenfläche der zentralen Leitung längs derselben angeordnet ist und eine Eingabeeinrichtung am Aufstromende und eine mittlere, koaxiale, konzentrische, nach innen zusammenlaufende, kegelstumpfförmig gestAltete Abgabedüse mit einem kreisförmigen Mundstück am Abstromende aufweist, sowie Einrichtungen zur räumlichen Ausrichtung der zentralen, axialen Leitung und der zentralen Abgabedüse in Bezug zur mittleren, konzentrischen Leitung und zur mittleren Abgabedüse vorhanden sind, um einen mittleren ringförmigen Durchgang bereit zu stellen, welche einen einzelnen, ungehinderten, nach innen zusammenlaufenden, mittleren, ringförmigen Abgabedurchgang am Abstromende darstellt; c) einer äusseren, koaxialen, konzentrischen, rohrförmigen Leitung, welche radial über der Aussenfläche der mittleren, koaxialen, konzentrischen Leitung längs derselben angeordnet ist und eine Eingabeeinrichtung am Aufstromende und eine äussere, koaxiale, konzentrische, nach innen zusammenlaufende, kegelstumpfförmig gestaltete Abgabedüse am Abstromende aufweist, sowie Einrichtungen zur räumlichen Ausrichtung der äusseren, konzentrischen Leitung und der äusseren Abgabedüse in Bezug zur mittleren, konzentrischen Leitung und zur mittleren Abgabedüse vorhanden sind, um einen äusseren, ringförmigen Durchgang bereit zu stellen, welcher einen ungehinderten, nach innen zusammenlaufenden, ringförmigen Durchgang, der in einen einzelnen, ungehinderten, konzentrischen, koaxialen, nach aussen laufenden zentralen Durchgang am Abstrommundstück des Brenners mündet, darstellt; d) einer Kühlmittelkammer am Abstrommundstück des Brenners mit einem inneren Bereich, welcher die äussere, nach innen zusammenlaufende, kegelstumpfförmig gestaltete Abgabedüse aufweist, und mit einem äusseren Bereich, welcher sich vom inneren Bereich erstreckt und nach aussen erweitert und einen nach aussen sich erweiternden Bereich mit einer ringförmigen Stirnfläche konvexer Gestaltung am äusseren Ende des Abstrommundstücks des Brenners aufweist, wobei der äussere Bereich ein Teil der peripherischen Oberfläche des nach aussen laufenden, zentralen Durchgangs ist, und wobei ein Ringbereich den inneren und äusseren Bereich vereinigt und die Kühlkammer abschließt; und e) Einlaß- und Auslaßeinrichtungen für durch die Kühlmittelkammer zirkulierendes Kühlmittel, sowie eine mit dem Brenner in Verbindung stehende und mit den Einlaß- und Auslaßeinrichtungen verbundene Leitung vorhanden ist zum Durchleiten von Kühlmittel für einen direkten Wärmetausch mit dem Brenner.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Synthesegas-, ReduktionsgAs- oder Heizgasherstellung durch Partialoxidation wirksamer Anteile eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases mit einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffs in Gegenwart eines temperatursteuernden Gases in der Reaktionszone eines nichtkatalytischen, strömungshinderniefreien Gasgenerators unter etwa 1 bis 275 Atmosphären und etwa 649 bis 193O0C unter Bildung eines hauptsächlich H2 und CO enthaltenden Produktgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanden gleichzeitig aus dem Brenner in die Reaktionszone inJiziert werden, wobei die Injizierung von flüssigem Kohlenwasserstoffstrom und freien Sauerstoff enthaltendem Gasstrom getrennt voneinander bei scharf unterschiedenen linearen Geschwindigkeiten und in tatsächlichem, spitzem Winkel zueinander erfolgt, um eine Zerstäubung des flüssigen Kohlenwasserstoffs und eine innige Zuordnung der Reaktanden in bestimmter Abstromentfernung vom Brennermundetückende zu erzielen, so daß die Verbrennung ohne Zerstörung der an den Abstromenden der Brennerdurchgänge befindlichen Öffnungen eintritt, und wobei die Geschwindigkeit des flüssigen Kohlenwaseerstoff etwa 3,05 bis 30,5 m/sec, die Geschwindigkeit des freien Sauerstoff enthaltenden Gases über 33,5 m/sec bis Schallgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des durch den äusseren Abgabedurchgang gleichzeitig injizierten Strom temperatursteuernden Gases über 16,7 m/sec bis Schallgeschwindigkeit beträgt.
Zeichnungen Zur Veranschaulichung wird auf die Zeichnungen verwiesen, welche in den Figuren 1 bis 3 einen erfindungagemässen Brenneraufbau wiedergeben: Pigur 1 stellt eine Ansicht des gesamten Brenners dar.
Figur 2 ist ein vergrösserter Ausschnitt aus dem Abstromende des Brenners. Dieser Ausschnitt wird in der Figur 1 durch das strichlierte Rechteck angedeutet.
Figur 3 zeigt in Diagrammform den Brenner, wie er in der Reaktionskammer angeordnet ist, und stellt in allgemeiner Form den Strom der Reaktanden vom Brennermundstück und den zurücklaufenden Produktgasstrom an der Peripherie dar.
Beschreibung der Erfindung Wie bekannt, können Kohlenwasserstoffe im wesentlichen in Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch eine gesteuerte Reaktion mit einem Oxydierungsmittel, das molekularen Sauerstoff, Wasserdampf und C02 enthält, umgewandelt werden. Die Reaktion mit dem Sauerstoff erfolgt exotherm, während die Reaktion mit dem Wasserdampf und C02 endotherm verläuft. Daher muß zur Durchführung einer selbstätig ablaufenden Reaktion ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas verwendet werden. Als Gas, das diese Bedingungen erfüllt, kann vorzugsweise Luft, im wesentlichen reiner Sauerstoff (95 Mol.- 02 oder höher) oder Sauerstoff angereicherte Luft, z.B. ein Luft-Sauerstoff-Gemisch mit einem Gehalt an molekularem Sauerstoff von über 21% verwendet werden. Es ist vorteilhaft, die Partialverbrennung bei einem erhöhten Druck von über 14,1 kg/cm², wie z.B. in einem Bereich zwischen 28,1 kg/cm2 und 281 kg/cm2 durchzuführen. Es kann aber auch bei niedrigem Druck gearbeitet werden, wie z.B. bei 1 kg/cm2 oder 2 kg/cm2.
Die nichtkatalytische partielle Oxydationsreaktion erfolgt vorzugsweise innerhalb eines freien feuerfesten Stahl-Druckgefässes unter relativ turbulenten Bedingungen innerhalb eines Zeitraumes von 0,5 bis 0,8 Sekunden. Weder die Zeitdauer noch der Druck der Reaktion erscheint bei der vorliegenden Erfindung eine kritische oder eine Steuer-unktion zu haben. Die Fig. 1 der US-PS 2 838 105 stellt einen solchen typischen Freistrom-Synthesegasgenerator mit einem in Längsrichtung des Generators verlaufenden Gasbrenner dar, der im oberen Kopfteil angeordnet ist.
Der Brenner zur Einführung der Reaktanten ist zwangsläufig einer starken Wärme- und Druckbelastung ausgesetzt. Weiterhin ist neben der starken Wärmestrahlung vom Reaktorinneren der Brenner der turbulenten Zirkulation der Verbrennungsgase ausgesetzt, die die Brennerdüse umströmen und diese einer erosiven und chemischen Einwirkung aussetzen. Selbst unter dem Einfluß einer inneren Kühlung kann der starke Wärmestrom dahin führen, wenn nicht erfindungsgemäß verfahren wird, daß der Brenner zerstört wird und eine Gefährdung durch mechanisches Versagen auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die beiden Reaktantenströme und der Strom des temperatursteuernden Gases mittels einer Brenner-Einrichtung dem Reaktionsraum zugeführt, die drei konzentrische Düsen aufweist, die so ausgebildet sind und arbeiten, daß einer Zerstörung, wie vorbeschrieben, im großen Maß vorgebeugt wird. In einer bevorzugten Ausbildung des Brenners können die flüssigen Kohlenwasserstoffe durch eine zentrale Düse zugeführt werden.\ Gleichzeitig fließt ein freien Sauerstoff enthaltender Gasstrom aus einer ringförmigen Düse, die die zentrale Düse umgibt, mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, die wesentlich größer als die der flüssigen Kohlenwasserstoffe ist, und verjüngt sich in einem spitzen konischen Winkel auf die Strömungsachse des Kohlenwasserstoffstromes. Daraus resultiert, daß der Kohlenwasserstoffstrom einer Abscherwirkung ausgesetzt wird, der zuerst in Strömungsfäden auf- und dann in feinste Tröpfchen zerrissen wird.
Die Tröpfchen bilden einen Abstromnebel, der in dem freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom fein verteilt wird, und zwar in einer Feinheit, die einen innigen Kontakt für eine nachfolgende Partialoxydation ermöglicht. Gleichermaßen können die beiden Ströme auch aus der jeweils anderen Düse strömen, d.h. das den freien Sauerstoff enthaltende Gas strömt durch die zentrale Düse und die flüssigen Kohlenwasserstoffe strömen durch die ringförmige Düse, sofern die Teile des Brenners so angeordnet sind, daß in einer vorbestimmten Entfernung abstromseitig vom Brennermundstück eine einverteilung der Reaktanten erfolgt. In diesem Fall sollte die Geschwindigkeit des nachfolgend noch näher beschriebenen temperatursteuernden Gasstromes die Geschwindigkeit des aus der ringförmigen Düse austretenden flüssigen Kohlenwasserstoffstromes um mindestens 30,48 m/sek übersteigen.
Ein dritter äußerer Strom eines temperatursteuernden Gases oder Moderators, z.B. Dampf oder Wassertropfen, wird gleichzeitig durch eine äußere ringförmige Düse, die die mittlere bzw. Zwischen-Düse'umgibt, geführt und strömt mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit, die gleich oder wesentlich geringer ist als die Geschwindigkeit des den molekularen Sauerstoff enthaltenden Stromes der Zwischen-Düse, z.B. mit der halben Geschwindigkeit. Ist z.B. die Geschwindigkeit des temperatursteuernden Gasstromes geringer, ist auch der turbulente Strom der heißen Gase an der Oberfläche der äußeren Düse geringer, und die chemischen und physikalischen Zerfallserscheinungen dieses Düsenteiles vermindert.
Die Reaktanten-Ströme werden separat voneinader aufrecht gehalten und keiner kann sich vor Austritt aus der entsprechenden Düse mit dem anderen vermischen. Erst im Reaktionsraum erfolgt die Vermisch1lng mit den angrenzenden Strömen in einer geringen, obglo -nten Entfernung vom Ende des Brennermundstückes. Demgemäß haben weder die flüssigen Kohlenwasserstoffe, z.B. Öl, noch das freien Sauerstoff enthaltende Gas, z.B. Sauerstoff, noch das temperatursteuernde Gas, z.B. Dampf, noch die Endbereiche ihrer Zuführungen direkten Kontakt mit brennenden Mischungen. Dieser Umstand rührt auch daher, daß die Sauerstoff ströme und ströme und speziell der Sauerstoff strom durch die äußere ringförmige hülle des Moderators, wie z.B. Wasserdampf, abgeschirmt ist; der Sauerstoff also an einen Kontakt mit dem verwirbelten Synthesegas gehindert wird, bis er eine wesentliche Entfernung stromabsetig des Brennermundstückes angelangt ist.
Wie schon vorab erläutert, kann die an der Außenseite befindliche Energie herabgesetzt und die Turbulenz oder Rückwirbelung entsprechend vermindert werden, indem die gleichbleibende Geschwindigkeit des äußeren ringförmigen Noderatorstromes bezüglich des Sauerstoffstromes verringert wird. Wo hohe Strömungsbewegungen eine einen hohen Wärmeübergang und korrodierende und/oder zerfressende Wirkung der Gase auf das Brennermundstück ausüben, vermindert eine Verringerung der Geschwindigkeit des Noderatorstromes, die dann wesentlich unter der Geschwindigkeit des Sauerstoffstromes liegt, dementsprechend die Heftigkeit der Wirbelströme des Brenners. Da der Wärmestrom sich mit der Gasgeschwindigkeit ändert, ist auch der Wärmeübergang von der Reaktionszone zum Brennermundstück zusammen mit den korrodierenden und zerfressenden Wirkungen der heißen rückgeführten Gase vermindert.
Weiterhin ist festgestellt worden, daß die ringförmige Abschirmung durch den Noderator im Bereich des Brennermundstückes einen Raum schafft, in dem eine endotherme Reaktion erfolgt, z.B. Wasserdampf, der bei seiner Reaktion mit den Kohlenwasserstoffen im wesentlichen wärmeabsorbierend wirkt im Gegensatz zu einem wärmefreisetzenden Reaktanten wie z.B. Sauerstoff.
Aus dem Vorhergesagten wird verständlich, daß der Begriff "Moderator" oder "Temperatursteuerndes Gas", im vorliegenden Fall Dampf oder Wassertropfen, jedes gasförmige Medium beinhalten kann, das entweder inert oder im wesentlichen inert im Verhältnis zu den anderen zugeführten Bestandteilen ist.
Mit dem Begriff " im wesentlichen inert " ist gemeint, daß er Bestandteile beinhaltet, die bei der Bildung des Endproduktes endothermisch oder in einem vernachlässigbar kleinen Maß exotherm reagieren.
Im vorliegenden Fall ist der Begriff "Moderator" oder "temperatursteuerndes"Gas auf gasförmige Materialien beschränkt, wie z.B. Dampf oder Wassertröpfchen, Kohlendioxid, Inertgas (z.B. Stickstoff), Rauchgas und Abgase einer Erz-Reaktionszone, die einen hohen Gehalt an einem oder mehreren der vorgenannten Moderatoren oder Mischungen derselben aufweisen. Im speziellen Fall ist es jedoch verständlich, daß die Inertgase, obwohl sie im Gebrauch weit verbreitet sind, den Nachteil aufweisen, das Reaktionsprodukt zu verdünnen.
Wo diese Verdünnung unerwünscht und das Verdünnungsmedium schwerer abscheidbar ist, wird Kohlendioxid und Wasser in Form von Dampf oder Wassertröpfchen als bevorzugter Temperatur-Moderator verwendet.
Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie bei dem vorbeschriebenen Düsensystem auftreten: Geschwindigkeitsbereich (m/sek) bevorzugt höchstens möglich flüssige Kohlenwasserstoffe 3,05-15,25 3,05-30,5 3,05-30,5 freien Sauerstoff enthaltendes Gas 61 -183 über 183 mind. 30,5 bis Schall- größer als die geschwin- Geschwindigdigkeit keit der fl.
Kohlenwasserstoffe; z.B.
33,55 bis Schallgeschwindigkeit temperatursteuerndes Gas 16,78-91,5 über 91,5 größer als die bis Geschwindig-Schallge- keit der fl.
schwindig- Kohlenwasserkeit stoffe,z.B.
16,78 bis Schallgeschw.
Diese Geschwindigkeiten können entsprechend der Größe, des Druckes und anderer Arbeitsbedingungen des Systems variiert werden; nur die relative Geschwindigkeit des atomisierten Stromes, nsmentlich des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, muß wesentlich größer als die des Öl stromes gehalten werden, um so dem freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom die nötige Verdüsung des Öles und dessen Vermischung mit dem Sauerstoff zu einem brennbaren Nebel zu ermöglichen. Da diese Arbeitsbedingungen mit einer Relativgeschwindigkeit des freien Sauerstoff enthaltenden Gasstromes von mindestens 15,25 bis 30,5 m/tsek erreicht werden, ist es vorteilhaft, die Verdüsung bei einer Geschwindigkeit, die 30,5 m/sek (und noch besser bei einer Geschwindigkeit von mehr als 30,5 bis 91,5 m/sek) größer ist als die Geschwindigkeit, mit der der Ölstrom aus der Düse austritt, z.B. in einem Geschwindigkeitsbereich von 61,0 - 183,0 m/sek vorteilhafterweise in einem Bereich von über 183,0 m/sek bis Schallgeschwindigkeit. Die obere Grenze der Geschwindigkeit für den freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom kann dort liegen, wo die Verdüsung und Vermischung vollständig erreicht ist und wo eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit keine Vorteile mehr bringt.
Auf jeden Fall resultiert aus der in diesem Bereich liegenden höheren Sauerstoffgeschwindigkeit und kleinen Öltropfengröße und innigen Vermischung mit dem Sauerstoff letzthin eine maximale Reaktionswirkung und offenkundig, z.B. eine geringe Rußbildung.
Wie vorherbeschrieben, gibt es keine obere Grenze für die Moderatorgeschwindigkeit, wenn die hohen Eingang-Bewegungsgrößen und Wirbelströme in der Reaktionszone kein Problem darstellen. Somit können in einer anderen Ausbildung der Erfindung, bei der es wünschenswert ist, die Wirkungen von Druckschwankungen innerhalb des Gasgenerators auf dem freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom und den Noderatorstrom zu eleminieren, die Geschwindigkeiten dieser Gasströme so hoch gewählt werden, dsß der freien Sauerstoff enthaltende Gasstrom über 183,0 m/sek bis hin zur Schallgeschwindigkeit und der Moderatorgasstrom über 91,5 m/sek bis hin zur Schallgeschwindigkeit erreicht. Bei einem Gasgenerator, bei dem starke Schwingungen und Fluktuationen auftreten, ist es vorteilhaft, den freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom und den Moderatorgasstrom gleichzeitig durch den Brenner mit Schallgeschwindigkeit zu leiten.
Bei dem vorbeschriebenen Brenner hat es sich gezeigt, daß die zentrale Düse während des Gebrauches relativ immun gegen Einflüsse ist, da die Düse physikalisch von jeglicher brennbaren Mischung entfernt liegt und das Öl, obowhl es wünschenswerterweise vorgeheizt sein kann, als Kühlmittel für das metallene Brennermundstück dient. Das Ö1 kann nicht verbrennen, bevor es eine gewisse Distanz abstromseitig hinter dem Brennermundstück verdüst und möglicherweise verdampft ist. Dieser Umstand resultiert aus der Tatsache, daß Sauerstoff oder freien Sauerstoff enthaltendes Gas nicht sofort mit unverdampftem oder unverdüstem Öl verbrennen kann.
Die innere ringförmige Brenner-Düse ist ebenfalls relativ immun gegen Einflüsse, da sie in keinem Kontakt zu einer brennbaren Mischung steht. Dampf kann mit Sauerstoff zusammen nicht brennen. Diese Düse ist daher außer einer Überhitzung keinem Angriff ausgesetzt, wobei sie vor einer Überhitzung sowohl durch eine begrenzte freistehende Ausbildung als auch durch die Kühlwirkung des Sauerstoffes und des Dampf stromes entlang der inneren und äußeren Oberfläche geschützt ist.
Die äußere ringförmige Düse ist ebenfalls relativ immun gegen Einflüsse, da sie gleichfalls in keinem Kontakt zu einer brennbaren Mischung steht. Diese Düse hat ausschließlich Kontakt mit dem Dampf strom und mit den Wirbelströmen zirkulierenden Synthesegases innerhalb des Verbrennungsraumes,wie bereits vorbeschrieben. Der Dampf kann mit dem Synthesegas nicht verbrennen (in einer merklichen exothermen Reaktion), obgleich es bei der Wasser-Gas-Umwandlung in einer sehr milden exothermen Reaktion reagieren kann.
Wie schon gesagt, ist die Geschwindigkeit des Wärmeüberganges vom Reaktionszeitraum zum äußeren Ende des Brennermundstückes der äußeren ringförmigen Düse steuerbar durch die Auswahl einer entsprechend geringen Moderatorgeschwindigkeit, so daß die kinetische Energie, die dem heißen Synthesegaswirbel erteilt wird, wesentlich verringert ist. Dieses Verfahren begrenzt den Wärmefluß genauso gut wie die thermischen und mechanischen Spannungen sowie die physikalischen und chemischen Korrosions- bzw- Erosionseinflüsse auf das äußere Mantelrohr. Die Widerstandsfähigkeit kann noch erhöht werden, indem eine konvex geformte Wandung in einer relativ dünnen Sektion verwendet wird.
Es ist verständlich, daß ein Teil des Moderators mit dem Sauerstoff strom in der mittleren Düse vermischt werden kann, vorzugsweise in einer Menge kleiner als 25 Gew.-% des Sauerstoffes.
Ebenso kann jeder der drei Reaktantenströme, die separat zugeführt werden, unabhängig voneinander auf einen gewünschten Graf verheizt werden.
Normalerweise wird bei dem Typ des vorliegenden Brenners ein Reaktantenstrom, z.B. der Sauerstoff strom auf einen anderen Strom, z.B. den der flüssigen Kohlenwasserstoffe, geleitet, um diesen zu zerteilen und auseinander zu reißen zum Zweck der Feinverteilung der Flüssigkeit in einen Sprühnebel feinster Tropfen. Normalerweise z.B. basiert der Mischungseffekt dieser Ströme darauf, daß die relative Differenz der Geschwindigkeiten zwischen zwei Strömen, bei denen der Sauerstoffstrom eine gleichmäßige Geschwindigkeit aufweist, die größer ist als Geschwindigkeit des zentralen ölstromes. Außerdem hängt der Mischungseffekt vom Winkel der Beaufschlagung der beiden Ströme ab, z.B. wie der Sauerstoff strom nach vorne in Strömungsrichtung abgewinkelt ist und auf den zentralen O1-strom auftrifft.
Bei der vorliegenden Ausbildung der Erfindung kann der Winkel$ zwischen der Längsachse des Brenners und der mittleren und äußeren stumpfkegelförmigen ringförmigen Düse, z.B. sehr groß sein.
Es ist ersichtlich, daß ein stumpfer Winkel den Punkt der Verbrennung dichter an daß Brennermundstück heranbringt, wobei ein etwas weiter entfernter Punkt die Brennerbeständigkeit erhöht.
In der bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung sind die Winkel der Öffnungen bzw. Düsen zur Längsachse des Brenners wie folgt: Die zentrale Düse liegt vorzugsweise koaxial mit der Längsachse des Brenners und die zwei ringförmigen Düsen sind nach innen konisch verlaufend ausgebildet, wobei die Winkel mit der Längsachse des Brenners im folgenden Bereich sich befinden: bevorzugter möglicher Winkelbereich Winkelbereich Für den Strom der aus 200-350 10°-55° der mittleren Düse nach innen gerichtet austritt Für den Strom der aus 250-40 150-600 der äußeren Düse nach innen gerichtet austritt Gleichermaßen soll Erwähnung finden, daß es wünschenswert ist, jegliche Unterbrechung oder Abtrennung des Moderator-Schutzschirmes, der aus der äußeren ringförmigen Düse strömt, zu vermeiden, wie es durch Unregelmäßigkeiten, Abscheidungen, Vorsprüngen usw. in der Brenneröffnung bewirkt werden kann und einen gleichförmigen, ununterbrochenen Schirm aus Schutzgas sicherzustellen.
Wo ein relativ dicher Schutzschirm sus Moderatorgas aus der äußeren Düse strömt, kann die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem mittleren Strom und dem äußeren offensichtlich erhöht werden. Ist somit z.B. ein dünner Schutzschirm aus Moderatorgas in dem vorgenannten Beispiel erreicht, könnte eine größere lineare Geschwindigkeit des Moderatorstromes wünschenswert sein, um den Sauerstoff strom zwischen der Brennermündung und dem Reaktionspunkt mit dem Synthesegas zu schützen und abzuschirmen. Wenn anstelle eines Moderatorstromes mit einer Stärke von 1,35 cm'und einer Geschwindigkeit von 46,055 m/sek wie im dargestellten Beispiel, nur eine radiale Stärke von 0,635 cm oder weniger aufweist, sollte die Geschwindigkeit des Moderatorstromes vorzugsweise im Bereich von 61 m/sek liegen.
Die Verhältnisse der Reaktanten und deren Verteilung in den verschiedenen Strömen werden so gewählt, wie es das gewünschte Gasprodukt in dem nicht-katalytischen Freistrom-Partialoxydations-Synthesegasgenerator bei einer Reaktionstemperatur in einem Bereich von etwa 6490C bis 1927°C und einem Druck in einem Bereich von etwa 1 bis 275 at. In diesem Zusammenhang sei auf die folgende Druckschrift hingewiesen: ?:Partial Combustion of Residual Fuels" von W.L.Slater und R.M.Dille, abgedruckt im "Chemical Engineering Progress, November 1965".
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Partialverbrennung normaler flüssiger Kohlenwasserstoffe, d.h. speziell solche Kohlenwasserstoffe, die bei etwa Normalbedingungen der Außenwelt und darunter liegenden Temperaturen flüssig sind. Dazu zählen Butan, Pentan, Hexan bis durch den gesamten flüssigen Bereich inclusive von Natur-Benzin, Kerosin, Gasöl, Nsphtha, Dieselkraftstoff, Rohöl, Rückstände sowohl aus der atmosphärischen als auch aus der Vakuum-Destillation, Teerkohle, Teersandöle, SchieL8eröle sowie Kohlenwasserstoffe, die andere Atome enthalten können, wie z.B. Sauerstoff; jedoch darf der Sauerstoff nicht in einem solchen Anteil auftreten, daß eine Selbstentzündung erfolgt. Zu den vorgenannten Einsatzmedien gehören ebenfalls Schlämme aus festen Kohlenstoff enthaltenden Brennstoffen innerhalb der vorgenannten flüssigen Kohlenwasserstoffe.
Erfindungsgemäß können alle Kohlenwasserstoffe mit einer API-Dichte von -15° API bis +1500 API verwendet werden.
Die Proportionierung der Reaktanten, wie es aus der Literatur bekannt ist, spricht für eine Begrenzung der Oxydationsmittel, die ausreicht, um nur eine "Partialoxydation" zu bewirken, so daß Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen, nicht aber vollständige Oxydationsprodukte wie H20 und 002.
Die entsprechende Auswahl ist für den Durchschnittsfachmann unschwer zu treffen, da bekannt ist, daß z.B. Kohlenwasserstoffe mit niedriger Dichte dahin tendieren, eine höhere adiabatische Flammentemperatur zu erzeugen und somit größere Anteile moderierender Oxydationsmittel wie C02 und H20 erfordern, wodurch zum einen die relative Produktion der gewünschten Produkte erhöht und zum anderen die Steuerung der übermäßig hohen Temperaturen innerhalb der Reaktionszone erleichtert wird. Wo in einem typischen Beispiel die Temperaturen dahin tendieren, über 13160C bis 1371 ob zu gehen, kann man für reinen Sauerstoff Moderatoren in Form von C02 oder H2O , wie allgemein bekannt, einsetzen.
Umgekehrt ist es das gleiche Moderatorerfordernis im Falle der Verwendung flüssiger Kohlenwasserstoffe, die die Einführung eines äußeren Schutzschirmes aus Moderatorgas gemäh der vorliegenden Erfindung ermöglichen, was auf andere Art und Weise nicht ausführbar wäre im Falle solcher gasförmiger Kohlenwasserstoffe, bei denen die nutzbare exotherme Wärme im Beisein von Sauerstoff nicht ausreichend sein könnte, um eine stetige Verwendung eines Moderators zuzulassen.
Die Dimensionierung der Düsenöffnung hängt augenscheinlich von dem Durchsatz der Einsatzmaterialien und gewählten Geschwindigkeiten ab, die durch die nachfolgend beschriebenen Erfordernisse bestimmt werden.
Die Vermischung eines Teiles des Dampfes mit dem Sauerstoffstrom wird gewöhnlich dort bevorzugt, wo eine Tendenz zu einer überstarken lokalen Verbrennung in der Nähe der Brennerdüse auftritt, wenn man z.B. einen flüchtigen flüssigen Kohlenwasserstoff verwendet, der zur Verdampfung neigt und daher sich mit dem reinen Sauerstoff sofort vermischt und reagiert. Diese Folge kann in großem Umfang vermieden werden, falls ein vorgewärmter flüchtiger Kohlenwasserstoff zum Einsatz kommt, der zur Frisetzung intensiver Wärmemenge im Bereich der Düse neigt, indem ein Teil des Moderatorstromes dem Sauerstoff strom zugeleitet wird, um die Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem flüssigen Kohlenwasserstoff herabzusetzen.
Im Gegensatz dazu, kann bei Verwendung eines nicht-flüchtigen flüssigen Oles, das entweder sehr stark verdampft oder feinverteilt werden muß, bevor es in eine starke Verbrennung einbezogen werden kann, die Einleitung von Dampf in den Seuerstoffstrom unnötig sein.
Eine Verdünnung durch Dampf von mehr als 25 Gew.-% des Sauerstoffstromes ist gewöhnlich nicht nötig oder ratsam zum Zweck einer angemessenen Steuerung der Aktivität des Sauerstoff stromes.
Da bei Verwendung normaler schwerer flüssiger Kohlenwasserstoffe es angebracht erscheinen kann, 100% des Dampf es für den Schutzschirm zu verwenden, kann ein Teil des Dampfes, bestimmt durch die Auslegung des Brenners, in den Sauerstoffstrom überführt oder mit den flüssigen Kohlenwasserstoffen vermischt werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennerausbildung weist eine Einrichtung zur Eingabe verschiedener Ströme in eine Reaktion zone eines Synthesegasgenerators. Durch den Einlaß E wird ein Strom eines temperatursteuernden Gases, wie z.B. Dampf, einer äußeren ringförmigen Leitung 14 zugeführt. Ein freien Sauerstoff aufweisender Gasstrom aufweisender Gasstrom, wie z.B.
reiner Sauerstoff, wird durch den Einlaß F eingegeben und strömt von dort durch eine mittlere ringförmige Leitung 16, wobei ein Strom flüssiger Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Öl, über einen Einlaß G in eine zentrale axial zum Brenner verlaufende Leitung 18 eingegeben wird.
Die der Hitze des Reaktionsraumes zugekehrte Seite der Brenner-Einrichtung ist von konvexer glatter Ausbildung, wie aus der Fig. 1 abstromseitig des Brenners bei B ersichtlich. Die Flanschplatte C wird für die Befestigung des Brenners in der dafür vorgesehenen Öffnung (nicht dargestellt) des Synthesegasgenerators benötigt. Im Bereich des abstromseitigen Endes des Brenners auf dessen Oberfläche ist eine Kühlschlange D angeordnet. Die Kühlrohre sind mit einer Kühlkammer 32 verbunden, so daß das Kühlmittel durch den Einlaß 33 eingegeben und durch den Auslaß 35 wieder abgezogen werden kann.
Aus der Schnittdarstellung des Abstromendes der Brenner-Einrichtung ist die Anordnung der zentralen Brennerdüse 20 am Ende der zentralen Leitung 17, z.B. durch Schweißen oder Aufschrauben, ersichtlich. Der Brenner ist entlang seiner Längsachse im wesentlichen symmetrisch und konzentrisch aufgebaut.
Die zentrale Düse 20 ist charakterisiert durch einen in Strömungsrichtung verjüngend verlaufenden Bereich 45, einen sich daran anschließenden zylindrischen Bereich 46 und durch eine kreisförmige Düsenmündung 47. Vorzugsweise ist der verjüngt ausgebildete Bereich 45 strömungsgünstig ausgebildet in seinem Übergang in den zylindrischen Bereich 46, um ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil quer zum zylindrischen Bereich zu erzeugen. Eine Vielzahl von Anschlagnasen 19 am Umfang der Brennerdüse 20 sichern die Lage der zentralen Leitung 17 und der Brennerdüse 20 innerhalb der stumpf-kegelförmigen Ausbildung der ringförmigen Brennerdüse 23 in Längs-und Querrichtung. Diese mittlere Brennerdüse 23 erstreckt sich von einer koaxial zur Leitung 17 verlaufenden Leitung 44 und ist vorzugsweise mit der Leitung 44 durch Schweißen verbunden. Die Leitung 44 ist um die Außenwand der zentralen Leitung 17 angeordnet und bildet auf diese Weise eine ringförmige Passage 16 und eine ringförmige Düsenöffnung 24.
Die mittlere Brennerdüse 23 verjüngt sich in Strömungsrichtung und weist ein kreisrundes Brennermundstück 22 am abstromseitigen Ende auf. Die innere Oberfläche 29 der mittleren Düse 23 definiert zusammen mit der in Strömungsrichtung sich verjüngenden äußeren Oberfläche 31 der zentralen Brennerdüse 20 die mittlere stumpf-kegelförmige Passage mit einer lichten ringförmigen Düsenöffnung 24 am abstromseitigen Ende.
Diese Passage wird über die ringförmige Passage 16 mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Strom beaufschlagt, wobei die Passage so ausgebildet ist, diesen Strom auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen.
Das Brennermundstück 22 der mittleren Brennerdüse 23 wird vorteilhafterweise in Strömungsrichtung gesehen ein kleines Stück vorverlegt gegenüber der Düsenmündung 47 der Brennerdüse 20. Auf diese Weise wird die Düsenmündung 47 vor Strahlungshitze geschützt. Jedoch können die beiden Düsenmündungen in der gleichen Ebene enden oder das Brennermundstück der mittleren Düse kann, wie in Fig. 2 mit gestrichelten Linien 42 angedeutet, ein kurzes Stück zurückgesetzt bzw.
abgedreht sein. Diese letztgenannte Lage ermöglicht einer begrenzten Menge Dampf und Sauerstoff sich zu vermischen,bevor sie in den Reaktionsraum einströmen. Als Folgeerscheinung einer solchen Zurücksetzung braucht der Moderatorgas-Schutzschirm nicht übermäßig dünn zu sein im Hinblick darauf, daß der Sauerstoff durch den Schutzschirm des Dampfes diffundwren und zu dicht in der Nähe der Brennermündung mit dem Synthesegas verbrennen oder in Verbindung mit anderen Reaktanten die äußere Oberfläche der metallenen Brennermündung angreifen könnte.
Eine Vielzahl von Anschlagnasen 53 am Umfang der mittleren Brennerdüse 23 sichern die Lage der mittleren Leitung 44 und der mittleren Brennerdüse 23 innerhalb der koaxial am äußeren Umfang der Leitung 44 angeordneten äußeren Leitung 48, deren stromabseitiges Ende als stumpf-kegelförmige, in Strömungsrichtung verjüngend verlaufende Brennerdüse 26 ausgebildet ist.
Die Brennerdüse 26 ist ein Teil der äußeren Leitung 48. Die Brennerdüse 26 verjüngt sich bis auf die verbleibende Düsenöffnung 50 und erweitert sich danach wieder. Diese erweiterte Passage ist mit der Bezugszahl 55 gekennzeichnet. Die quer zur Längsachse der Brenner-Einrichtung gezogene imaginäre Ebene durch die Düsenöffnung 50 befindet sich vorzugsweise in Strömungsrichtung gesehen vor der imaginären Ebene, die ebenfalls quer zur Längsachse durch die Düsenmündung 47 der Brennerdüse 20 sich befindet. Um die Düsenöffnung 50 herum ist eine Kühlkammer 32 gelegt, durch die ein flüssiges Kühlmittel, wie z.B. Wasser, strömt. Die stumpf-kegelförmige ringförmige Passage 28 erstreckt sich vom stromabseitigen Ende der äußeren Leitung 14 und wird begrenzt von der inneren Oberfläche 51 der äußeren Brennerdüse 26 und der äußeren Oberfläche 52 der mittleren Brennerdüse 23. Die Düsenöffnung 50 grenzt an die Austragungsöffnung der äußeren ringförmigen Passage 28.
Die Kühlkammer 32 wird z.T. von der Innenwand 34 gebildet, die konzentrisch zur Längsachse des Brenners verläuft. Gleichzeitig bildet die Innenwand 34 einen Teil der äußeren stumpfkegelförmig ausgebildeten Brennerdüse 26. Die Außenwand der Kühlkammer 32 beinhaltet die periphere Wandung der nach außen sich erweiternden Passage 55m die in eine ringförmige Stirnfläche 54 mit konvexer Ausbildung an äußersten abstromseitigen Ende des der Reaktorwand zugewandten Brennerendes übergeht. Die Außenwand der Kühlkammer 32 ist vorzugsweise relativ dünnwandig, z.B. 0,1 bis 1,0 cm. Die konvexe Stirnfläche 36 kann z.B. etwas halb-eliptisch in Querschnitt ausgebildet sein. Die Kühlkammer 32 wird durch eine ringförmige Wsnd 38 mittels Schweißnähten 40 am Außenumfang verschlossen.
Eine imaginäre Ebene durch das äußerste Ende 54 der konvex geformten Stirnfläche 36 steht quer zur Längsachse der Brenner-Einrichtung. Die imaginären Ebenen durch die Düsenöffnungen 47, 50, 54 liegen somit vorzugsweise parallel zueinander und sind entlang der Längsachse der Brenner-Einrichtung voneinander angeordnet. Die axiale Lage der zentralen Düsenöffnung 47 und die divergierende koaxiale Passage 55 definieren einen Offnungswinkel M in einem Bereich von etwa 700 - 1400und vorzugsweise größer als 90° und kleiner als 1350.
Die Spitze des Öffnungswinkels M liegt im Schnittpunkt der Längsachse der Brenner-Einrichtung durch die imaginäre Ebene quer zur Längsachse im Bereich der Düsenöffnung 47.
Die Schenkel des Öffnungswinkels liegen tangential an der konvexen Stirnfläche 36, wie es auch aus Fig. 2 zu ersehen ist.
Bei dieser Ausbildung wird der temperatursteuernde Gasstrom folgendermaßen in die Reaktionszone geleitet: von der äußeren ringförmigen Leitung 14 in die sich verjüngende ringförmige äußere Passage 28, in der der Gasstrom beschleunigt wird und durch die freie kreisförmige Düsenöffnung 50 in der Nähe des Brennerendes, worauf der Gasstrom durch die freie sich erweiternde Passage 55 ausgetragen wird. Der ringförmige Moderatorgas-Schutzschirm beugt einer exothermen Reaktion zwischen H2 und CO, die aus der Reaktiosnzone zurückgewirbelt werden, im Bereich der Stirnfläche des Brenners vor und der Sauerstoff strom wird in die Reaktionszone geleitet. Die drei koaxial zueinander angeordneten Brennerdüsen bringen gleichzeitig in dem nach außen sich erweiternden Raum im Bereich der Passage 55 ihre Ströme ein, wobei die beiden Reaktantenströme vom temperatursteuernden Moderatorgasstrom umhüllt sind. Weiterhin wird ein Schirm nicht brennbarer Gase in der unmittelbaren Nähe der Brenneroberfläche im Bereich der Düsenöffnung 50 aufrechterhalten, so daß die Düsenöffnung 50 ständig ausreichend isoliert von den Reaktionen und dabei vor einer Zerstörung bewahrt bleibt. Durch eine ermöglichte Vermischung der Ströme im angemessenen Verhältnis wird die Temperatur auf dem gewünschten Maximum gehalten. Die heißen Reaktionsprodukte werden sofort von den Brennerelementen abgezogen.
Das Kühlrohr D ist auf irgendeine übliche Weise an der Kühlkammer angeordnet. Das Kühlmittel strömt durch den Einlaß 33 in die Kühlkammer 32 und wird durch den Auslaß 35 wieder abgeleitet. Innerhalb der Kühlkammer können Kühlmittel-Leitbleche angeordnet werden. Durch eine konvexe Ausbildung der Stirnfläche 36 erreicht man im Vergleich zu einer flachen Ausbildung eine größere Druckresistenz und eine bessere Wärmeableitung.
Fig. 3 stellt einen. Teil eines Resktionsraumes eines Synthesegasgenerators dar, der die Brennereinrichtung als eine äußere Umhüllung 10 mit einer feuerfesten Ausmauerung bzw. einem feuerfesten Futter 12 umgibt. Die Brennereinrichtung A mit dem Mündungsbereich B regt durch eine langgestreckte Durchführung des Reationsgefäßes und durch das Futter, so daß der Mündungsbereich B in den Reaktionsraum ragt. Fig. 3 verdeutlicht wie die turbulenten Wirbel ströme verlaufen, die sich aufgrund der kinetischen Energie der Hochgeschwindigkeits-Reaktantenströme 30 bilden.
Beispiel Anhand des folgenden Beispieles sollen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen 5"-Brenners spezielle Verfahrensbedineungen erläutert werden: Flüssiges Öl, im speziellen aus einer Petroleumfraktion mit einer Dichte von 50 API wird mit einer Durchsatzrate von 24900 kg pro Stunde und einer Temperatur von 149°C durch die zentrale Brennerdüse des in der Zeichnung dargestellten Brenners gegeben.
Die zentrale Düsenöffnung hat einen Durchmesser von 3,09 cm und die Geschwindigkeit der flüssigen Kohlenwasserstoffe an der Düsenöffnung beträgt 9,15 m/sek.
Der Sauerstoff gelangt durch die mittlere ringförmige Düsenöffnung in einem Winkel von durchschnittlich 250 zur Längsachse der zentralen Düsenöffnung.
An Sauerstoff werden pro Tag 619 t bei einer Temperatur von 149°C zugeführt.
Der Brenner ist aus einer wärme- und oxydationsbeständigen Legierung hergestellt.
Der innere Durchmesser der mittleren Düsenöffnung für den Sauerstoff beträgt 3,175 cm und der äußere Durchmesser 4,366 cm, wobei die Durchmesser stets quer zur Längsachse gemessen werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes beträgt im Bereich der Düsenöffnung 126,58 m/sek.
Durch die äußere ringförmige Düsenöffnung strömen 12247 kg Dampf mit einer Temperatur von 3990C pro Stunde. Der innere Durchmesser der äußeren Düsenöffnung beträgt 4,64 cm und der äußere Durchmesser beträgt 6,985 cm. Die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes beträgt 46,025 m/sek.
Der Winkel, unter dem sich die äußere Brennerdüse verjüngt, beträgt 300 in bezug auf die Längsachse der zentralen Brennerdüse, so daß die Außenwand im wesentlichen abstandsgleich zur Innenwand verbleibt.
Die Durchtrittsweite der äußeren ringförmigen Düsenöffnung beträgt 1,346 cm, während die Durchtrittsweite der inneren ringförmigen Düsenöffnung 0,686 cm beträgt, oder etwa die Hälfte der erstgenannten Weite. Diese Auslegung ermöglicht in der Praxis eine größere Veränderung zwischen den Relativgeschwindigkeiten des Dampfes und des Sauerstoffs als bei Verwendung eines Moderatorgas-Schutzschirmes, der von wesentlich geringerer Stärke sein könnte und daher anfällig gegen Unterbrechungen wäre.
Die Stärke der konvexen Stirnwand beträgt etwa 0,318 cm. Bei einer flachen Stirnwand müßte diese um 25 % stärker ausgelegt werden, um einer Druckdifferenz von ce. 77,3 kg/cm² zu widerstehen bei einer Arbeitstemperatur im Reaktionaraum von 1371°C.

Claims

Ansprüche

1.) Brenner für die Eingabe eines flüssigen Kohlenwasserstoffes, eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und eines temperstursteuernden Gases in einen Gasgenerator, in welchem eine Reaktion bei mindestens etwa 649°C durchgeführt wird, b a 5 t e h e n d a u 5 a) einer zentralen, axialen, rohrförmigen Leitung (17), welche am Aufstromende eine Eingabeeinrichtung (18) und am Abstromende eine zentrale Abgabedüse (20) aufweist, wobei die Abgabedüse (20) aus einer nach innen zusammen laufenden, kegelförmigen Außenfläche besteht und einen einzelnen ungehinderten, kreisförmigen Abgabedurchgang aufweist; b) einer mittleren, koaxialen, konzentrischen, rohrförmigen Leitung (44), welche radial über die Außenfläche der zentralen Leitung (17) längs derselben angeordnet ist und eine Eingabeeinrichtung (16) am Auf stromende und eine mittlere,koaxiale,konzentrische,nach innen zusammen laufende,kegelstumpfförmig gestaltete Abgabedüse (23) mit einem kreisförmigen Mundstück am Abstromende aufweist, sowie Einrichtungen (19) zur räumlichen Ausrichtung der zentralen )Abgabedüse (20) in Bezug zur mittleren,konzentrischen Leitung (44) und zur mittleren Abgabedüse (23) vorhanden sind,um einen mittleren ringförmigen Durchgang bereitzustellen, welche einen einzelnen, ungehinderten,nach innen zusammenlaufenden,mittleren, ringförmigen Abgabedurchgang am Abstromende darstellt; c) einer äußeren,koaxialen,konzentrischen,rohrförmigen Leitung (48),welche radial über der Außenfläche der mittleren,koaxialen,konzentrischen Leitung (44) längs derselben angeordnet ist und eine Eingabe einrichtung (14) am Aufstromende und eine äußere,koaxiale,konzentrische, *) axialen Leitung (17) und der zentralen nach innen zusammelaufende, kegelstumpfförmig gestaltete Abgabedüse (26) am Abstromende aufweist,sowie Einrichtungen (53) zur räumlichen Ausrichtung der äußeren, konzentrischen Leitung (48) und der äußeren Abgabedüse (26) in Bezug zur mittleren,konzentrischen Leitung (44) und zur mittleren Abgabedüse (23) vorhanden sind,um einen äußeren,ringförmigen Durchgang bereit zu stellen,welcher einen ungehinderten,nach innen zusammenlaufenden,ringförmigen Durchgang,der in einen einzelnen,ungehinderten, konzentrischen,koaxialen,nach außen laufenden zentralen Durchgang am Abstrommundstück des Brenners mündet, darstellt; d) einer Kühlmittelkammer (32) am Abstrommundstück des Brenners mit einem inneren Bereich,welcher die äußere, nach innen zusammenlaufende, kegelstumpfförmig gestaltete Abgabedüse (26) aufweist,und mit einem äußeren Bereich, welcher sich vom inneren Bereich erstreckt und nach außen erweitert und einen nach außen sich erwiternden Bereich mit einer ringförmigen Stirnfläche konvexer Gestaltung am äußeren Ende desvAbstrommundstück des Brenners aufweist, wobei der äußere Bereich ein Teil der peripherischen Oberfläche des nach außen laufenden, zentralen Durchgangs ist, und wobei ein Ringbereich (38) den inneren und äußeren Bereich vereinigt und die Kühlkammer (32) abschließt; und e) Einlaß- und Auslaßeinrichtungen (33,55) für durch die Kühlmittelkammer (32) zirkulierendes Kühlmittel, sowie eine mit dem Brenner in Verbindung stehende und mit den Einlaß- und Auslaßeinrichtungen (33,35) verbundene Leitung (D) vorhanden ist zum Durchleiten von Kühlmittel für einen direkten Wärmetausch mit dem Brenner.

) Brenner nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die zentrale Abgabedüse (20) mit einem longitudinalen, axialen Durchgang versehen ist, welcher einen nach innen zusammenlaufenden Teil, der in einen zylindrischen Bereich mit einer einzelnen,ungehinderten, kreisförmigen Abgabeöffnung (47) eingreift, aufweist.

3.) Brenner nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß Einrichtungen zur gleichzeitigen Durchgabe eines flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff 5 mit einer Geschwindigkeit von etwa 3,05 bis 30,5 m/sec durch die zentrale Abgabedüse (20),eines freien Seuerstoff enthaltenden Gases mit einer Geschwindigkeit von über 33,5 m/sec bis Schallgeschwindigkeit durch die mittlere Abgabedüse (23) und ein temperatursteuerndes Gas mit einer Geschwindigkeit von über 16,7 m/sec bis Schallgeschwindigkeit durch die äußere Abgabedüse (26) vorhanden sind.

4.) Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Einrichtungen zur gleichzeitigen Durchgabe eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zentrale Abgabedüse (20),eines flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs durch die mittlere Abgabedüse (23) und eines temperatursteuernden Gases durch die äußere Abgabedüse (26) vorhanden sind.

5.) Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Teil des temperatursteuernden Gases mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff vermischt ist.

6.) Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als temperatursteuerndes Gas Dampf oder Wassertröpfchen verwendet werden und Einrichtungen zur Eingabe von 25 Gew.-% des temperatursteuernden Gases in den Gasgenerator in Vermischung mit dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas vorhanden sind.

7.) Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d. u r c h g e k e.n n z e i c h n e t, daß die konische Oberfläche des aus der mittleren, koaxialen, nach innen zusammenlaufenden Abgabedüse (23) ejizierten Stroms mit der longitudinalen Achse des Brenners einen.Winkel von etwa 10 bis 550 und die konische Oberfläche des aus der äußeren, koaxialen, nach innen zusammenlaufenden Abgabe düse (26) ejizierten Stroms mit der longitudinalen Achse des Brennere einen Winkel von etwa 15 - 600 ausbilden.

8) Brenner zur Zerstäubung eines flüssigen Kohlenwasserstoffbrennatoffatromes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gasstroms, um im Gasgenerator bei etwa 649 bis 1930°C und 1 bis 275 Atmosphären eine Reaktion durchzuführen, und zur Umhüllung der vermischten Ströme mit einem temperatursteuernden Ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche., b e -Btehend aus a) einer zentralen Abgabedüse (20) mit einer kreisförmigen Abgabeöffnung (47) und einer an dieser befestigten koaxialen, rohrförmigen Aufstromleitung (17), durch welche vorzugsweise ein Strom des Kohlenwasserstoffs in flüssiger Phase fließt; b) einer mittleren, koaxialen, konzentrischen, nach innen zusammenlaufenden, kegelstumpfförmig gestalteten Abgabedüse (23) mit einer kreisförmigen Öffnung (22) und einer an dieser befestigten koaxialen, rohrförmigen, konzentrischen Aufstromleitung (44), wobei dieser Abgabedüse (23) radial über der zentralen Abgabedüse (20) und längs derselben angeordnet ist, wodurch ein mittleren,ringförmiger Durchgang bereitgestellt wird,welcher aus einem einzelnen, ungehinderten, nach innen zusammenlaufenden, ringförmigen Durchgang am Abstromende besteht, durch welchen vorzugsweise ein Strom des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, wahlweise in Vermischung mit H20, fließt; c) einer äußeren, koaxialen, konzentrischen Abgabedüse (26), die sich von einer äußeren, koaxialen, konzentrischen, rohrförmigen Leitung (48) erstreckt,wobei die Abgabedüse (26) einen nach innen zusammenlaufenden, kegelstumpfförmig gestalteten inneren Bereich, der sich in einen nach außen laufenden äußeren Bereich mit einer ringförmigen Stirnfläche konvexer Gestaltung am äußeren Ende des Abstrommundstücks de;)Brenners erstreckt, aufweist, und wobei die äußere, rohrförmige Leitung (48) radial über der mittleren Abgabedüse (23,44) an und längs derselben angeordnet sind, um so einen äußeren, zusammenlaufenden, ringförmigen Durchgang bereitzustellen, welcher in einen ungehinderten, nach außen laufenden zentralen Durchgang, durch welchen ein Strom des temperatursteuernden Gases fließt, mündet; d) einer Kühlmittelkammer (32) oberhalb der Peripherie der äußeren Düse (26), mit welcher die Kammer Wandungen. gemeinsam hat; und e) Leitungseinrichtungen (D) für die Zirkulation von Kühlmittel durch die Kühlmittelkammer (32).

o.) Brenner nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als flüssiger Kohlenwasserstoff Butan, Pentan, Hexan, Gasolin, Kerosin, Gasöl, Naphtha, Dieseltreibstoff, Rohöl, Rückstände, Kohleteer, Teersandöl, Schieferöl, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, Aufschlämmungen fester kohlenstoffhaltiger Brennstoffe oder Mischungen derselben zum Einsatz kommen.

10.) Brenner nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als freien Sauerstoff enthaltendes Gas Luft, sauerstoffangereicherte Luft (mit mehr als 21 Mol.-% °2) oder im wesentlichen reiner Sauerstoff (mit mehr als 95 Mol.-% 02) zum Einsatz kommen.

11.) Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als temperatursteuern-*) Abgabedüse (26) und die des Gas Dampf, Wasser in Tröpfchenform, C02, Stickstoff und andere Inertgase, Rauchgas oder Abgas einer Erzreduktionazone zum Einsatz kommen.

12) Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Mundstück der zentralen Abgabedüse (20) in Aufstromrichtung vom Mund stück der mittleren Abgabedüse (22) abgesetzt ist.

13) Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Mundstück der mittleren Abgabedüse (22) in Auf stromrichtung vom Mundstück der zentralen Abgabedüse (20) abgesetzt ist.

14) Brenner nach einem der Ansprüche 8 - 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die axiale Lage der zentralen Düsenöffnung (47) und der divergierende Bereich der äußeren Abgabedüse (26) einen Öffnungswinkel (M) in der Größe von 700 bis 1500 definieren, wobei die Spitze des Öffnungswinkels (M) im Schnittpunkt der Längsachse des Brenners durch eine imaginäre Ebene quer zur Längsachse in der Düsenöffnung (47) liegt.

15) Verfahren zur Synthesegas-, Reduktionsgas- oder Heizgasherstellung unter Verwendung des in den vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen Brenners durch Partialoxidation wirksamer Anteile eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases mit einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffs in Gegenwart eines temperatursteuernden Gases in der Reaktionszone eines nichtkatalytischen, strömungshindernisfreien Gasgenerators unter etwa 1 bis 275 Atmosphären und etwa 649 bis 19300C unter Bildung eines hauptsächlich H2 und CO enthaltenden Produktgases, d a d <3 u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reaktanten gleichzeitig aus dem Brenner in die Reaktionszone injiziert werden, wobei die Injizierung von flüssigem Kohlenwasserstoffstrom und freien Sauerstoff enthaltendem Gasstrom getrennt voneinander bei scharf unterschiedenen linearen Geschwindigkeiten und in tatsächlichem, spitzem Winkel zueinander erfolgt, um eine Zerstäubung des flüssigen Kohlenwasserstoffs und eine innige Zuordnung der Reaktanden in bestimmter Abstromentfernung vom Brennermundstückende zu erzielen, so daß die Verbrennung ohne Zerstörung der an den Abstromenden der Brennerdurchgänge befindlichen Öffnungen eintritt, und wobei die Geschwindigkeit des flüssigen Kohlenwasserstoff etwa 3,05 bis 30,5 m/sec, die Geschwindigkeit des freien Sauerstoff enthaltenden Gases über 33,5 m/sec bis Schallgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des durch den äußeren Abgabedurchgang gleichzeitig injizierten Strom temperatursteuernden Gases über 16,7 m/sec bis Schallgeschwindigkeit beträgt.

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