DE69626542T2 - Brenner und seine Verwendung zur Herstellung von Synthesegas - Google Patents

Brenner und seine Verwendung zur Herstellung von Synthesegas

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation eines kohlenwasserstoffhältigen Brennstoffes in Abwesenheit von Moderatorgas. Im speziellen wird ein flüssiger oder gasförmiger kohlenwasserstoffhältiger Brennstoff angewandt.
  • In einem derartigen Verfahren zur Herstellung von Synthesegas werden ein sauerstoffhältiges Gas, das als ein Oxidationsmittel angewandt wird, und ein kohlenwasserstoffhältiger Brennstoff zu einer Vergasungszone durch einen Brenner zugeführt, der eine Anordnung von Durchgängen oder Kanälen für den Brennstoff und für das Oxidationsmittel umfaßt und worin unter geeigneten Bedingungen autotherm ein Synthesegas enthaltender Gasstrom produziert wird. Die Durchgänge oder Kanäle sind voneinander durch Trennwände getrennt, die sogenannten Brennerinnenwände.
  • In vielen bekannten Verfahren zur Herstellung von Synthesegas wird der Vergasungszone ein Moderatorgas (beispielsweise Dampf, Wasser oder Kohlendioxid oder eine Kombination davon) zugeführt, um die Temperatur in der Vergasungszone zu regeln. Das Moderatorgas kann dem Oxidationsmittel oder dem (gasförmigen) Brennstoff zugesetzt werden, oder es kann über einen Moderatorgasdurchgang zugeführt werden. Dem Fachmann sind die Bedingungen der Anwendung von Oxidationsmittel und Moderatorgas bekannt.
  • In vorteilhafter Weise wird ein Mehrfachausgang(co-annularer)brenner eingesetzt, der eine konzentrische Anordnung von n Durchgängen oder Kanälen umfaßt, die coaxial zur Längsachse des Brenners verläuft, worin n eine ganze Zahl > 2 ist.
  • Derartige Brenner mit Mehrfachausgang (co-annular) enthalten im wesentlichen zylindrische Innenwände, die die Fluidströme trennen, die durch die Durchgänge strömen, bis sie den Brennerausgang erreichen. Im speziellen umfassen derartige Mehrfachausgang(co-annularer)brenner eine Anordnung von ringförmigen konzentrischen Kanälen oder Durchgängen zum Zuführen von Oxidationsmittel, Moderatorgas (fakultativ) und Brennstoff zur Vergasungszone.
  • (Co-annulare) Brenner mit Mehrfachausgang sind als solche bekannt, und deren mechanische Strukturen werden daher nicht im einzelnen beschrieben werden, siehe beispielsweise EP-A-0 312 133.
  • Üblicherweise umfassen derartige Brenne eine Anzahl von Schlitzen am Brennerauslaß und hohle Wandteile mit inneren Kühlfluid(beispielsweise Wasser)-Durchgängen. Die Durchgänge können am Brennerauslaß konvergieren oder auch nicht. Anstelle einer Ausrüstung mit inneren Kühlfluiddurchgängen kann der Brenner mit einer geeigneten keramischen oder feuerfesten Auskleidung versehen sein, die auf die Außenseite der Brenner (Front-Wand) aufgebracht oder durch ein Mittel in enger Nachbarschaft zu dieser Außenseite aufgehängt ist, um der Hitzebelastung während des Betriebes oder den Aufheiz/Abschaltsituationen des Brenners zu widerstehen. Vorteilhaft können der Ausgang bzw. die Ausgänge eines oder mehrerer Durchgänge gegenüber dem äußeren Durchgang zurückgesetzt oder vorstehend sein.
  • Für den Fachmann ist es klar, daß jede beliebige, für den Zweck geeignete Schlitzbreite angewandt werden kann, in Abhängigkeit von der Brennerkapazität.
  • Vorzugsweise hat der zentrale Durchgang einen Durchmesser von bis zu 70 mm, wogegen die restlichen konzentrischen Durchgänge Schlitzbreiten im Bereich von 1 bis 30 mm aufweisen.
  • Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Anmeldung nicht auf die Verwendung von co-annularen Brennern beschränkt ist.
  • Das Oxidationsmittel und der Brennstoff und gegebenenfalls das Moderatorgas werden der Vergasungszone durch die jeweiligen Kanäle bei spezifischen Geschwindigkeiten und spezifischer Masseverteilung zugeführt, um eine gute Zerstäubung und ein gutes Vermischen zu erzielen.
  • Vorteilhaft werden die jeweiligen Geschwindigkeiten am Auslaß der entsprechenden Kanäle in die Vergasungszone gemessen oder berechnet. Die Geschwindigkeitsmessung oder -berechnung kann von dem Fachmann nach jeder für den Zweck geeigneten Weise vorgenommen werden und wird daher nicht im einzelnen beschrieben werden.
  • Das sauerstoffhältige Gas, das als Oxidationsmittel angewandt wird, ist üblicherweise Luft oder Sauerstoff oder ein Gemisch davon. Ein wenigstens 95% Sauerstoff umfassendes Oxidationsmittel wird bevorzugt.
  • Synthesegas ist ein Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfassendes Gas und wird beispielsweise als ein sauberes Brenngas mit mittlerem Heizwert oder als ein Einsatzmaterial für die Synthese von Methanol, Ammoniak oder von Kohlenwasserstoffen verwendet, wobei die letztgenannte Synthese zu gasförmigen Kohlenwasserstoffen und flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Benzin, Mitteldestillaten, Schmierölen und Wachsen führt.
  • In der Beschreibung und in den Ansprüchen wird der Ausdruck gasförmiger (flüssiger) kohlenwasserstoffhältiger Brennstoff in dem Sinne verwendet, um einen kohlenwasserstoffhältigen Brennstoff zu bezeichnen, der bei Vergasereinspeisdruck und -temperatur gasförmig (flüssig) ist.
  • Gemäß einem etablierten Verfahren wird Synthesegas durch partielles Oxidieren eines gasförmigen Brennstoffes wie eines gasförmigen Kohlenwasserstoffes, insbesondere Erdölgas oder Erdgas, in einem Reaktorgefäß bei einer Temperatur im Bereich von 1.000ºC bis 1.800ºC und bei einem Druck im Bereich von 0,1 MPa bis 12 MPa absolut unter Anwendung eines Oxidationsmittels hergestellt.
  • Synthesegas wird häufig in der Nähe oder in einer Rohölraffinerie produziert werden, weil das erzeugte Synthesegas unmittelbar als ein Einsatzmaterial für die Herstellung von Mitteldestillaten, Ammoniak, Wasserstoff, Methanol oder als ein Brenngas eingesetzt werden kann, beispielsweise zum Heizen der Öfen der Raffinerie oder in effizienterer Weise zum Befeuern von Gasturbinen zur Produktion zur Elektrizität und Wärme.
  • Aus wirtschaftlichen Gründen ist es häufig wünschenswert, den Brenner ohne Anwendung eines Moderatorgases zu betreiben. Weiterhin wird es zur Erzielung eines guten Vermischens von Brennstoff und Oxidationsmittel in der Vergasungsanlage bevorzugt, den Brenner unter solchen Bedingungen zu betreiben, daß ein Sauerstoffstoß existiert (d. h. die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels ist wesentlich größer als die Geschwindigkeit des Brennstoffs am Ausgang des Brenners). Dem Fachmann sind derartige Bedingungen bekannt.
  • Für den Fachmann versteht es sich, daß Sauerstoffstoßbedingungen niedrigere Brennstoffeinspeisedrücke ermöglichen und eine Verringerung von Verdichterkosten gestatten.
  • Üblicherweise besteht der Kranz einer Brennerinnenwand (d. i. jener Teil der Brennerinnenwand, der, wenn der Brenner in ein Reaktionsgefäß eingebaut ist, zur Vergasungszone gerichtet ist und in eine Spitze ausläuft) aus Stahl oder niedrig legiertem Stahl.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann, wenn in Abwesenheit von Moderatorgas Sauerstoffstoßbedingungen angewandt werden, der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die Brennstoff- und Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, durch Metallstaubphänomene schwer angegriffen wird bzw. werden, sodaß eine ernsthafte Brennerbeschädigung auftreten wird und die Lebensdauer des Brenners beschränkt ist.
  • Das Metallstauben ist eine katastrophische Karburierung, die in Industrieanlagen unter Bedingungen hoher Aktivität und niedrigen Sauerstoffdrucks im Temperaturbereich von 600 bis 800ºC auftritt und zu einem Zersetzen von Stählen zu einem Gemisch aus pulverförmigem Kohlenstoff, Metallteilchen und manchmal Karbiden und Oxid führt. Es wird Lochfraß oder genereller Metallverlust beobachtet, wenn das Korrosionsprodukt durch Erosion zufolge der Gasströmung fortgetragen wird.
  • Es stellt ein Ziel dar, ein wirtschaftlich brauchbares Verfahren zur Herstellung von Synthesegas zu schaffen, das über eine lange Zeit ausgeführt werden kann, ohne ein oftmaliges Abschalten zu erfordern.
  • Die Erfindung schließt somit ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation eines kohlenwasserstoffhältiges Brennstoffes in Abwesenheit von Moderatorgas ein, das die folgenden Stufen umfaßt:
  • Zuführen eines kohlenwasserstoffhältigen Brennstoffes und eines Oxidationsmittels durch einen Mischtyp-Reaktorbrenner (d. h., worin der Brennstoff und das Oxidationsmittel, die jeweils in einer oder in mehreren getrennter Brennerdurchgängen strömen, die in die Vergasungszone münden, nicht gemischt werden bis unmittelbar stromab dieser Brennerdurchgänge) zu einer Vergasungszone unter Sauerstoff-Stoßbedingungen (d. h. die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels ist wesentlich größer als die Geschwindigkeit des Brennstoffes am Brennerausgang); und worin wenigstens der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die wenigstens an oder nahezu ihrem Ende bzw. ihren Enden den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennen, aus keramischem Material oder Edelmetall oder einer Edelmetallegierung besteht bzw. bestehen oder worin der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die wenigstens an oder nahezu ihrem Ende bzw. ihren Enden den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, an ihrer dem Oxidationsmittel zugewandten Seite bzw. an ihren dem Oxidationsmittel zugewandten Seiten mit einer Verkleidung aus keramischem Material oder Edelmetall oder einer Edelmetallegierung versehen ist bzw. sind.
  • Weiterhin schafft die Erfindung einen Reaktorbrenner vom Mischtyp, zur Anwendung in einem derartigen Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, wobei dieser Brenner eine Anordnung aus wenigstens einem Brennstoff-Brennerdurchgang und wenigstens einem Oxidationsmittel-Brennerdurchgang umfaßt, worin wenigstens der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. Brennerinnenwände, die wenigstens an oder nahe zu ihrem Ende bzw. ihren Enden den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennen, aus keramischem Material oder Edelmetall oder einer Edelmetallegierung besteht bzw. bestehen oder worin der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die wenigstens an oder nahe zu ihrem Ende bzw. ihren Enden den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, an ihrer dem Oxidationsmittel zugewandten Seite bzw. an ihren dem Oxidationsmittel zugewandten Seiten mit einer Verkleidung aus keramischem Material oder Edelmetall oder einer Edelmetallegierung versehen ist bzw. sind.
  • Vorzugsweise besteht dieser Kranz bzw. bestehen diese Kränze der genannten Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, aus einer Platinlegierung, beispielsweise Pt/Rh oder Pt/Ir, oder aus einem beliebigen, für diesen Zweck geeigneten keramischen Material, beispielsweise SiC (Siliciumcarbid) oder Si&sub3;N&sub4; (Siliciumnitrid).
  • Der Brennstoff ist beispielsweise Erdgas, das vorteilhaft wenigstens 80% CH&sub4; enthält. Vorteilhaft beträgt das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Oxidationsmittel und Brennstoff VBrennstoff/VOxidationsmittel = 0,25 - 0,6.
  • Stärker bevorzugt beträgt die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels 50 bis 100 m/s und die Geschwindigkeit des Brennstoffes 25 bis 60 m/s (unter der Maßgabe, daß das vorstehende Verhältnis befriedigt wird).
  • Bei Ausführung des vorliegenden Verfahrens wurde gefunden, daß es kein Metallzerstäuben gibt und daß die Brennerlebensdauer wenigstens 1.600 Stunden beträgt.
  • Vorteilhaft hat der Kranz bzw. haben die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennen, eine Länge von 2 bis 20 mm und eine Stärke von 0,3 bis 1,0 mm und ist bzw. sind mechanisch in jeder geeigneten Weise mit der Brennerinnenwand verbunden, beispielsweise durch Schweißen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kranz der Brennerinnenwand bzw. sind die Kränze der Brennerinnenwände, die den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennen, mit einer Auskleidung (beispielsweise einem Band) auf der Oxidationsmittelseite der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände ausgerüstet. Ein derartiges Band kann eine Länge von 5 bis 10 mm und eine Stärke von 0,2 bis 0,5 mm aufweisen.
  • Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung in größerer Einzelheit beschrieben werden, wobei in der Zeichnung schematisch ein im Verfahren der Erfindung zu verwendender Brenner darstellt ist.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur ist ein partieller Längsschnitt eines Brenners mit einem zentralen Durchgang und einem Außendurchgang schematisch darstellt. X stellt die Brennerachse dar. Der Brenner mündet in eine Vergasungszone G eines Reaktors durch einen Feuerfestdom. Der Einfachheit halber ist der Brenner nur partiell darstellt, und die Einzelheiten des Reaktors sind nicht gezeigt. Insbesondere sind Einzelheiten einer (Wasser)Kühlung des Brenners aus Gründen der Klarheit weggelassen worden.
  • In der Darstellung ist ein im wesentlichen konischer Brenner veranschaulicht, doch versteht sich für den Fachmann, daß jede beliebige, für den Zweck geeignete Form (beispielsweise im wesentlichen zylindrisch) möglich ist.
  • Ein Brennerinnenkranz 1 und dessen Spitze 1a sind veranschaulicht. Der Kranz 1 besteht aus keramischem Material (beispielsweise SiC oder Si&sub3;N&sub4;) oder aus Edelmetall (beispielsweise Pt) oder aus einer Edelmetallegierung (beispielsweise Pt/Rh oder Pt/Ir) und ist an der Brennerinnenwand 2 an deren der Vergasungszone G zugewandtem Ende montiert, beispielsweise durch Schweißen.
  • Durch den zentralen Durchgang 3 (Durchmesser beispielsweise 41 mm) strömt das Oxidationsmittel, wogegen durch den äußeren Durchgang 4 der Brennstoff (beispielsweise Erdgas) strömt. Das Bezugszeichen 5 stellt die Wand des äußeren Durchganges dar. Die Schlitzbreite des äußeren Durchganges 4 beträgt beispielsweise 25 mm.
  • Die Pfeile A und B, die die Geschwindigkeiten des Oxidationsmittels (beispielsweise 100 m/s) bzw. des Brennstoffes (beispielsweise 50 m/s) repräsentieren, zeigen an, daß ein Sauerstoffstoß existiert.
  • Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Beispiele I und II in größerer Einzelheit beispielhaft beschrieben.
    • Beispiel I (Sauerstoffstoß)
  • Es werden die Strömungsbedingungen am Kranz zwischen dem Brennstoffdurchgang und dem Oxidationsmitteldurchgang betrachtet. Der Kranz besteht aus Pt. Das Oxidationsmittel wird durch einen zentralen Durchgang zugeführt und der Brennstoff wird durch einen konzentrischen äußeren Durchgang zugeführt.
    • Beispiel II (Brennstoffstoß)
  • Es werden die Strömungsbedingungen am Kranz zwischen dem Brennstoffdurchgang und dem Oxidationsmitteldurchgang betrachtet. Der Kranz besteht aus Stahl. Das Oxidationsmittel wird durch einen zentralen Durchgang zugeführt; der Brennstoff wird durch einen konzentrischen Außendurchgang zugeführt.
  • Im Beispiel I wurde der Brenner nach 2.300 Stunden Betrieb ohne Moderatorgas inspiziert. Es wurde keine sichtbare Beschädigung festgestellt, und der Brenner befand sich in gutem Zustand.
  • Im Beispiel II trat zutage, daß der Kranz zwischen dem Brennstoffdurchgang und dem Oxidationsmitteldurchgang nach etwa 1.000-ständigem Betrieb stark angegriffen war.
  • Aus der vorangehenden Beschreibung werden für den Fachmann zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung ersichtlich werden. Derartige Modifikationen sollen in den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche fallen.

Claims (13)

1. Brenner vom Reaktormischtyp, umfassend eine Anordnung aus wenigstens einem Brennstoff-Brennerdurchgang und wenigstens einem Oxidationsmittel-Brennerdurchgang, worin wenigstens der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. Brennerinnenwände, die wenigstens an oder nahe zu ihrem Ende bzw. ihren Enden den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennen, aus keramischem Material oder Edelmetall oder einer Edelmetallegierung besteht bzw. bestehen oder worin der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die wenigstens an oder nahe zu ihrem Ende bzw. ihren Enden den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, an ihrer dem Oxidationsmittel zugewandten Seite bzw. an ihren dem Oxidationsmittel zugewandten Seiten mit einer Verkleidung aus keramischem Material oder Edelmetall oder einer Edelmetallegierung versehen ist bzw. sind.
2. Brenner nach Anspruch 1, worin der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, aus einer Platinlegierung oder aus keramischem Material besteht bzw. bestehen.
3. Brenner nach Anspruch 2, worin die Platinlegierung PT/Rh oder Pt/Ir ist.
4. Brenner nach Anspruch 2, worin das keramische Material Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid ist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Kranz bzw. die Kränze der Brennerinnenwand bzw. der Brennerinnenwände, die den Brennstoff und das Oxidationsmittel trennt bzw. trennen, eine Länge von 2 bis 20 mm und eine Dicke von 0,3 bis 1,0 mm aufweist bzw. aufweisen.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Brenner ein co-annularer Brenner ist, der eine konzentrische Anordnung von n Durchgängen oder Kanälen aufweist, die coaxial zur Längsachse des Brenners verläuft, worin n eine ganze Zahl > 2 ist.
7. Verwendung des Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation eines kohlenwasserstoffhältigen Brennstoffes in Abwesenheit von Moderatorgas.
8. Verwendung nach Anspruch 7, worin der kohlenwasserstoffhältige Brennstoff und ein Oxidationsmittel zu den jeweiligen Brennerdurchgängen zugeführt werden, um unter Sauerstoff-Stoßbedingungen in eine Vergasungszone zu münden.
9. Verwendung nach Anspruch 8, worin das Geschwindigkeitsverhältnis
VBrennstoff/VOxidationsmittel = 0,25 - 0,6 beträgt.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, worin die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels 50 bis 100 m/s beträgt und die Geschwindigkeit des Brennstoffes 25 bis 60 m/s beträgt.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, worin der Brennstoff gasförmig oder flüssig ist.
12. Verwendung nach Anspruch 11, worin der Brennstoff Erdgas ist.
13. Verwendung nach Anspruch 12, worin das Erdgas wenigstens 80% CH&sub4; umfaßt.
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