DE69908267T2

DE69908267T2 - Verfahren für die Verbrennung von kohlenwasserstoffartigemBrennstoff in einem Brenner

Info

Publication number: DE69908267T2
Application number: DE69908267T
Authority: DE
Inventors: Thomas Sandahl Christensen; Olav Holm-Christensen; Ivar Ivarsen Primdahl; Peter Seier Christensen
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: EP0987492A1; JP2000186806A; JP4179717B2; NZ337738A; NO994449L; CA2282014A1; RU2249765C2; NO318563B1; NO994449D0; CN1196888C; CA2282014C; AU755430B2; KR20000023143A; EP0987492B1; DE69908267D1; TW403821B; US6322351B1; CN1249414A; KR100372826B1; AU4759299A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in einem Brenner und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verbrennungsprozesses.
Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird in der chemischen Industrie üblicherweise bei der Feuerung von industriellen Brennern und Prozessheizungen verwendet um Wärme, in Wärme erfordernden Reaktionen, zur Verfügung zu stellen, welche in Reaktionsgefäßen ablaufen, die mit geeigneten Brennern ausgestattet sind.
Ein genereller Nachteil der bekannten Brenner besteht in der Schädigung der Brenneroberfläche bei hohen Geschwindigkeiten des Brennstoffgases welche bei industriellen Brennern erforderlich ist und Metallstaubung, welche durch die korrosive Atmosphäre verursacht wird, der die Brenneroberfläche bei hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Das US Patent 5,496,170 offenbart einen Wirbelbrenner mit verbesserter Auslegung um zu verhindern, dass heiße Verbrennungsprodukte aus innerem Kreislauf nahe der Brenneroberfläche verbrennen. Hierdurch wird eine Schädigung der Brenneroberfläche durch die heißen Verbrennungsprodukte im wesentlichen unterbunden. Verwandte Verbrennungsprozesse sind ebenso durch die EP 0 529 667 A , EP 0 717 238 A und EP 0 571 984 bekannt geworden.
Es wurde nun beobachtet, dass Metallstaubbildung und Karbonisierung industrieller Brenner, welche einer korrosiven Atmosphäre ausgesetzt sind, wesentlich dadurch unterbunden werden kann, wenn man eine Schutzatmosphäre längs der äußeren Oberfläche und Stirnfläche des Brennerkörpers in einer Menge leitet die ausreicht, im wesentlichen die korrosive Atmosphäre um die Brenneroberfläche zu verdünnen oder sie zu ersetzen.
Dementsprechend ist ein Verfahren zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem Brenner Gegenstand der Erfindung, welcher einer korrosiven Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei eine nichtkorrosive Atmosphäre von Dampf längs der äußeren Oberfläche des Brenners geführt wird, um diese vor Kontakt mit der korrosiven Atmosphäre zu schützen.
Ein für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff geeigneter Brenner weist innerhalb einer äußeren Metalloberfläche Passagen zur Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel und eine Mündung zur Verbrennung des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel auf, wobei die Verbesserung in einer konzentrischen Wand besteht, die beabstandet wenigstens einen Teil der äußeren Metalloberfläche des Brenners umgibt und dazu ausgelegt ist, eine Schutzatmosphäre längs der Oberfläche einzuführen und zu leiten.
Bei Betrieb des obigen Brenners in einem Reaktor kann die Wand aus feuerfestem Auskleidungsmaterial am Kopf des Reaktors bestehen, welches die äußere Oberfläche des Brenners in einer geeigneten Distanz umgibt und dadurch eine Passage für die Einführung und Hindurchleitung der Schutzatmosphäre während des Brennerbetriebes bildet.
Die nachfolgende Beschreibung zeigt detaillierter eine spezielle Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figur, in welcher die einzige Abbildung einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner zeigt, welcher im Kopf eines mit feuertester Auskleidung versehenen Reaktors angebracht ist.
Ein Brenner 2 mit einer äußeren Oberfläche und einer zylindrischen metallischen Außenfläche 4 sowie einer konischen Metallmündung 6 ist am Oberteil eines Reaktors 1 angeordnet. Zwischen der Außenfläche 4 und einem Teil der Mündung 6 ist ein Ringraum 10 zwischen der Brenneroberfläche und einer Feuerfestausklei dung 8 am Kopf des Brenners 1 gebildet. Durch den Ringraum 10 wird Dampf längs der oberen Oberfläche 4 zur Mündung 6 geleitet. Der durch den Ringraum 10 geleitete Dampf schützt die äußere Oberfläche vor der korrosiven Verbrennungsatmosphäre und verhindert Aufkohlung oder Metallclusterreaktion der Oberfläche durch die Verbrennungsatmosphäre.
Beispiel:
In einer autothermen Reformer (ATR) Versuchsanlage wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung durchgeführt unter Verwendung eines Brennertyps wie in US Patent 5,496,107 gezeigt. Der Brenner wurde gegen Metallstaubbildung an der Brenneraussenwandung durch einen Dampfstrom geschützt, welcher in einer den Brenner umgebenden Manschette strömte. Die äußere Düse des Brenners bestand aus einer Legierung, welche sich in vorhergehenden Versuchen in Abwesenheit eines äußeren schützenden Dampfstromes als durch Metallstaubung angreifbar erwies.
Gleichzeitig wurde die Leistungsfähigkeit der individuellen Brenner hinsichtlich Russbildung durch Bestimmung der kritischen Temperatur für ein bestimmtes Dampf zu Kohlenstoffverhältnis (S/C) getestet. Die kritische Temperatur wurde in jedem Test durch schrittweise Absenkung der Austrittstemperatur des Reaktors (Texit) ermittelt, bis die Russgrenze überschritten war. Der Wert wurde darüberhinaus für einen Brenner ohne schützenden Dampfstrom bei anderen identischen Bedingungen, d. h. Eintrittsstrom, Verfahrensdruck und Dampf-Kohlenstoffverhältnis bestimmt, das Verhältnis von Dampf zu Kohlenstoff (S/C) ist definiert als die Summe der gesamten Dampfeinspeisungen in Mol dividiert durch die Summe an Kohlenwasserstoffen in Mol Kohlenstoffatome (C₁). Die in den obigen Tests verwendete Versuchsanlage weist Einheiten für die Erzeugung der verschiedenen Speiseströme zu dem ATR-Reaktor auf, den ATR-Reaktor selbst und Einrichtungen für die Nachbehandlung des Produktgases. Die Speiseströme bestanden aus natürlichem Gas, Dampf, Sauerstoff und Wasserstoff.
Alle Gase waren auf Verfahrenstemperatur vorgeheizt. Eine Durchschnittszusammensetzung des natürlichen Gases ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Das natürliche Gas wurde vor der Einführung in den ATR-Reaktor entschwefelt. Die Speiseströme wurden zu drei Dämpfen vereinigt und dem Brenner des ATR zugeführt.
Ein erster Speisestrom von natürlichem Gas, Wasserstoff und Dampf wurde auf eine Temperatur von etwa 500°C vorgewärmt.
Ein zweiter Speisestrom enthaltend Sauerstoff und Dampf wurde auf zwischen 200°C und 220°C vorgeheizt. Ein Dritter Speisestrom, welcher nur aus Dampf bestand wurde auf 450°C aufgeheizt.
Im ATR-Reaktor wurden eine unterstöchiometrische Verbrennung und ein anschließendes Dampfreforming sowie Konversionsreaktionen durchgeführt. Die Einlass- und Auslassgaszusammensetzungen wurden durch Gaschromatographie analysiert. Das Produktgas war im Gleichgewicht hinsichtlich der Reforming- und Konversionsreaktionen. Stromab im ATR-Reaktor wurde das Prozessgas gekühlt und der größere Teil des Dampfgehaltes des Produktgases kondensiert.
Tabelle 1
Zwei Versuche wurden unter Verwendung eines Brenners aus der handelsüblichen Legierung Haynes-230 durchgeführt. Diese Legierung wurde zuvor ohne einen Schutzstrom von Dampf an der äußeren Brennerwandung bei Verfahrensbedingungen mit einem Dampf-Kohlenstoffverhältnis vom 0,35 und 0,6 untersucht, wobei das Äußere des Brenners durch Metallstaubung nach etwa 155 Betriebstunden angegriffen wurde. Die entsprechenden Verfahrensbedingungen bei Ver suchen unter erfindungsgemäßem Dampfschutz sind unten in Tabelle 2 zusammengefasst.
Der obige Brennertyp wurde auf Grenzen für Russbildung getestet ohne Anwesenheit von Dampf in der Dampfmanschette durch die Referenzversuche "SP S/C 0,60 ref. und SP S/C 0,35 ref." wie unten in Tabelle 3 zusammengefasst.
Die Russgrenze wurde ermittelt, nachdem ein gewisser Teil des Dampfes durch die Dampfmanschette längs der äußeren Wandung des Brenners geleitet worden war. Die Verfahrensbedingungen für den Russverhaltenstest sind zusammen mit den kritischen Temperaturen (T _kritisch) gezeigt, wodurch das Russverhalten des Brenners charakterisiert ist.
Tabelle 2
Metallstaubungstests wurden bei einem Dampf zu Kohlenstoffverhältnis (S/C) von 0,6 (MD S/C 0,6) und 0,35 (MD S/C 0,35) jeweils durchgeführt. Die Betriebsbedingungen sind in der Tabelle zusammengefasst, wobei T Auslass, 1 und T Einlass, 2 die Einlasstemperaturen der je ersten und zweiten Speiseströme sind und T Auslass und P Auslass die Temperatur und der Druck des den Reaktor verlassenden Gases sind, bei welchem die Bedingungen des Dampfreformings und der Konversionsreaktionen im Gleichgewicht sind.
Nach jedem Versuch wurde der Brenner vom ATR-Reaktor zur Inspektion entfernt.
Während der Brenner ohne schützenden Dampfstrom an der äußeren Wandung Bereiche aufwies die durch Metallstaubung an der äußeren Oberfläche der Gasdüse korrodiert waren, zeigt die Außendüse der Brenner mit Schutzdampf kein Anzeichen von Metallstaubung an der äußeren Oberfläche.
Tabelle 3
Verfahrensbedingungen und kritische Temperaturen (T _kritisch) für Russbildungsversuche (S P) einschließlich Referenzversuche ohne Dampf in der Dampfmanschette.
Um das Russbildungsverhalten des Brenners zu untersuchen wurden vier Versuche durchgeführt, um die kritische Temperatur (T _kritisch) für einen Betrieb mit einem Dampfstrom in der Dampfmanschette zu bestimmen. Die vier Versuche wurden bei einem Dampf-Kohlenstoffverhältnis von 0,6 und 0,35 wie in Tabelle 3 gezeigt durchgeführt, wo die kritische Temperatur (T _kritisch) gleichfalls gezeigt ist. Der Dampfstrom in der Manschette wurde ebenso variiert, wie der Dampfstrom zum ersten Speisestrom, um den Gesamtdampfstrom in dem Prozess konstant zu halten.
Die Ergebnisse werden verglichen mit Resultaten für Brenner des gleichen Typs, die ohne einen Manschettenstrom (Referenzversuche) betrieben wurden. Somit beeinflusst ein Betrieb mit einem Dampfstrom in einer Dampfmanschette an der Außenseite des Brenners in einer Menge entsprechend 8-35 % der Gesamtmenge an in den Prozess eingespeistem Dampf die Leistungsfähigkeit der Brenner hinsichtlich Russbildung nicht.

Claims

Verfahren zur Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, welcher einer korrosiven Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei die äußere Oberfläche des Brenners durch Überleiten einer nicht korrosiven Atmosphäre längs der äußeren Brenneroberfläche geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht korrosive Atmosphäre aus Dampf besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff zusammen mit Dampf verbrannt wird.