Röhrenspaltofen
[0001] Die Erfindung betrifft einen Röhrenspaltofen zur katalytischen Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf unter erhöhtem Druck, mit dem Synthesegas hergestellt wird. Derartiges Synthesegas dient beispielsweise zur Synthese von Ammoniak, Wasserstoff und Methanol.
[0002] Röhrenspaltofen zur katalytischen Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf sind seit langem und in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Bei Großanlagen hat sich eine Bauart durchgesetzt, bei der ein deckengefeuerter Kastenofen mit senkrecht stehenden Reaktionsrohren bzw. Spaltrohren zum Einsatz kommt. Hierbei sind die Spaltrohre in Reihen angeordnet. Die Rohre werden mit Prozessgas, auch Einsatzgas, von oben nach unten durchströmt. Das Einsatzgas wird dabei einem sogenannten Spaltprozeß unterzogen.
[0003] Die Gasaustrittstemperaturen liegen üblicherweise bei 900 °C und darüber. Das Prozessgas wird im unteren Bereich - im, oder außerhalb des Ofens - in sogenannten Austrittskollektoren gesammelt. In den zwischen den Rohrreihen liegenden "Gassen" sind senkrecht nach unten feuernde Brenner angeordnet. Dieser Bereich wird als Ofenbox bezeichnet. Das erzeugte Rauchgas durchströmt den Ofen von oben nach unten und wird durch am Boden liegende sogenannte Rauchgastunnel abgezogen. Die Rauchgastemperaturen in der Ofenbox liegen im Durchschnitt bei 950 bis 1250 °C.
[0004] Bei solchen bekannten Bauweisen, insbesondere in Röhrenspaltofen mit mehreren, oder einer Vielzahl von Rohrreihen, wurde eine sehr ungleichmäßige, durch Rezirkulationen und Flammenablenkung, insbesondere in den äußeren Rohrreihen, verursachte Rauchgasströmung beobachtet. Diese Rezirkulation führt zu niedrigen Rauchgas- und Prozessgastemperaturen in den äußeren Rohrreihen im Vergleich zu den mittleren Reihen. In in Betrieb befindlichen Anlagen wurden hier Differenzen bei den Prozessgasen von bis zu 60 K gemessen. Die niedrigere Temperatur in den Außenreihen wirkt sich sehr nachteilig auf den Spaltprozess aus.
[0005] In "Fluegas FIow Pattems in Top-fired Steam Reforming Fumaces " (P.W. Farnell & W.ü. Cotton, The 44th Annual Safety In Ammonia Plants and Related Facili- ties Symposium, 09/1999) wird vorgeschlagen, dass der Volumenstrom der Verbrennungsluft in den äußeren Brennerreihen, welche in der Regel nur mit 70% der Leistung
betrieben werden, zu erhöhen und gleichzeitig den Anteil an Brennstoff auf dem verminderten Niveau zu belassen. Hierdurch wird der physikalische Saugeffekt kompensiert, ohne eine Überhitzung der mit Katalysator gefüllten angrenzenden Rohrreihen hervorzurufen. Die verminderte Heizleistung dieser randständigen, wandnahen Brennerreihen kann mit dieser Lösung nicht verbessert werden.
[0006] In "Fluegas Circulation and Heat Distribution in Large Scale Down-fired Reformer Furnaces" (D. Barnett, Deyuan Wu, The 45th Annual Safety In Ammonia Plants and Related Facilities Symposium, 09/2000) wird das Problem der Flammenablenkung ebenfalls eingehend beschrieben. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, die Strömungskegel der Brennerstrahlen zu optimieren, in dem durch eine veränderte Düsenform die Brennerstrahlen konzentriert werden und weiterhin eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit vorzunehmen, um die Brennerstrahlen tiefer in den Ofenraum zu leiten.
[0007] Es bleibt offen hinsichtlich der vorgenannten Lösungen, wie sich in der technischen Anwendung das hochturbulente Gassystem im Ofenraum verhalten wird, da die Saugeffekte durch den erhöhten Impuls ebenfalls erhöht werden, was dann wieder zu lokalen Verschiebungen in der Temperaturverteilung führen wird. Vorrangig a- ber ist zu erwarten und als kritisch anzumerken, dass die Wärme zu spät entwickelt wird, da sie durch den erhöhten Impuls an dem oberen Bereich der Rohre vorbei geführt wird, sofern sich die simulierte Strömung einstellt. Im diesem oberen Bereich der Rohre findet aber die intensivste Reaktion statt und es besteht somit auch der größte Wärmebedarf. Eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des Ofens ist zu erwarten.
[0008] Die Aufgabe der Erfindung ist daher, die Bauweise des Reaktors dahingehend zu verbessern, dass eine Vergleichmäßigung der Rauchgasströmung und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden.
[0009] Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Röhrenspaltofen,
• aufweisend ein Spaltrohrsystem und einen Befeuerungsraum,
• dabei das Spaltrohrsystem als Reaktionsraum umfassend eine Vielzahl von vertikalen Rohren, welche in Reihen angeordnet und zum Füllen mit Katalysator geeignet sind und Einrichtungen zum Zuführen von zu reformierenden Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf zum Reaktionsraum sowie Einrichtungen zum Abführen reformierten Synthesegases aus dem Reaktionsraum besitzen,
• dabei weiterhin im oberen Bereich des Befeuerungsraums aufweisend eine Vielzahl von Befeuerungseinrichtungen, welche im wesentlichen abwärts gerichtete Flammen erzeugen können, welche geeignet sind, die oben genannten Rohre zu beheizen,
• sich im unteren Bereich des Befeuerungsraumes eine Vielzahl von im wesentlichen waagerecht angeordneten, parallel zueinander und senkrecht zu den vertikalen Rohren verlaufender Tunnel aus keramischen Werkstoffen zum Abzug der Rauchgase durch Öffnungen in den Seitenwänden der Tunnel befinden, wobei
• die Außenwände der Tunnel im wesentlichen keilförmig, in Aufwärtsrichtung aufeinander zulaufend ausgeprägt sind.
[0010] in einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Außenwände der Tunnel stufenförmig ausgebildet, wobei die Keilform erhalten bleibt.
[0011] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Achsen der Öffnungen in den Seitenwänden der Tunnel nicht horizontal verlaufen und die Eintrittsöffnungen auf der Seite des Befeuerungsraumes in Richtung der Raumdecke zeigen.
[0012] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Außenwände der Tunnel erhöht, indem entweder der Tunnel spitzer ausgeführt oder eine Wand oder ein Keil aus keramischen oder hitzebeständigen metallischen Werkstoffen auf einen Tunnel aufgesetzt wird. Hierbei kann das Gewicht der aufgesetzten Wand durch innerhalb der Tunnel angeordnete Stützpfeiler aufgenommen werden. Die Erhöhung der Tunnel kann bei verschiedenen Tunneln unterschiedlich ausfallen. Auch kann auf den außen gelegenen Tunneln eine gegenüber der senkrechten geneigten Wand aufgesetzt werden, die sich an die Wandung der Ofenbox anlehnt.
[0012] Die Stabilität aller Ausgestaltungen kann durch Ausführung eines Formsteins mit Nut und Feder oder Formteilen mit Nut und Feder wesentlich verbessert werden, wobei in einer idealen Ausführungsform der Erfindung auf geeigneten Formsteinen eine glatte Tunnelwand gebildet wird.
[0013] In einer weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden die Rauchgastunnel in den äußeren „Gassen" durch eine gegenüber den übrigen Tunneln weitere Hö-
henvergrößerung so gestaltet, dass eine gleichmäßigere Abströmung der Rauchgase erreicht wird.
[0014] Die Tunnelwände können sowohl spiegelsymmetrisch als auch asymmetrisch zueinander verlaufen. In den äußersten Gassen kann die zur Außenwand der Ofenbox gerichtete Tunnelwand auch mit der Außenwand der Ofenbox schlüssig verbunden werden.
[0015] Durch alle diese Maßnahmen entstehen im unteren Bereich des Reformers sogenannte „Abzugskammern" mit hohen Abzugstunneln, die eine gleichmäßige oder gleichmäßigere Abströmung des Rauchgases entlang der Spaltrohre in die Rauchgastunnel hinein bewirken. Rückströmungen und Flammenablenkungen und dadurch unterschiedliche Verweilzeiten der Rauchgase werden ganz oder weitgehend vermieden und somit die Austrittstemperaturen aus dem Reformer vergleichmäßigt.
[0016] Durch die Vergleichmäßigung der Strömung lässt sich die Verweilzeit der Gase um bis zu 50% verringern, was ein Vorteil der Erfindung ist. Durch die Erhöhung der Abzugstunnel, erfolgt ein verbesserter Strahlungswärmeübergang im unteren Bereich des Befeuerungsraumes, wodurch die Baugröße des Röhrenspaltofens verringert wird, was ein weiterer Vorteil der Erfindung ist
[0017] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 4 Schnittzeichnungen näher erläutert, wobei das erfindungsgemäße Verfahren aber nicht auf diese beispielhafte Ausführungsformen beschränkt ist. Dargestellt ist ein als Primärreformer betriebener Röhrenspaltofen von im wesentlichen quaderförmiger Gestalt aus seitlichem Standpunkt des Betrachters.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform, Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform, Fig. 3 zeigt einen gegenüber Fig. 2 um eine vertikale Achse um 90 Grad gedrehten Schnitt der Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, Fig. 4 zeigt eine Bauform herkömmlicher Art,
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine Tunnelwand als eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
[0018] Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Ofenbox 1 eines Primärreformers, in der eine Vielzahl von Spaltrohren 2 in 6 Reihen angeordnet sind. Während des bestimmungsgemäßen Betriebes sind diese Spaltrohre mit Katalysator gefüllt und
werden vom Einsatzgas bzw. Synthesegas durchströmt, welches von den Synthesegassammlern 3 aus dem Primärreformer abgeleitet werden. Im Deckenbereich der O- fenbox 1 sind ferner eine Vielzahl von Brennern 4 in 7 Reihen angeordnet, die die Spaltrohre während des bestimmungsgemäßen Betriebes befeuern.
[0019] Fig. 1 zeigt im unteren Bereich die erfindungsgemäßen Tunnel 5 und 6 für den Rauchgasabzug, wobei jeder Brennerreihe ein Tunnel zugeordnet ist. Alle Tunnel verfügen, senkrecht zur Zeichenebene und daher im Schnitt nicht sichtbare Abzugsvorrichtungen in den Seitenwänden für die Ableitung der von den Brennern erzeugten Rauchgase aus dem Primärreformer. Die Tunnel 5 und 6 bestehen aus keramischem Werkstoffen, welche an einer Vielzahl von Stellen durchbrochen sind, so dass das Rauchgas aus der Abzugskammer 7, welche durch den die Tunnel umgebenden Raum gebildet wird, in die Tunnel eintreten kann.
[0020] Die beiden äußersten Tunnel 5 sind mit der Wand der Ofenbox verbunden und deren Wand ist nur an der den Spaltrohren zugewandten Seite durchbrochen. Die Wände der übrigen Tunnel 6 sind an beiden Seiten durchbrochen. Alle Tunnel sind spitz nach oben zulaufend und deutlich höher als die in Fig. 4 dargestellten Tunnel 8 nach dem herkömmlichen Stand der Technik. Hierdurch wird erreicht, dass die Wärmestrahlung der Tunnelaußenwände in erheblichem Maße zur gleichmäßigen und besseren Beheizung der Spaltrohre, in denen die endotherme Reformierreaktion stattfindet, beträgt, was zu einer Verkleinerung der Baugröße führt, was ein Vorteil der Erfindung ist.
[0021] Durch die vergrößerte Bauhöhe wirken die Tunnel ferner als Leitflächen für die Rauchgasströmung und verringern deren Verwirbelung. Hierdurch werden auch gleichförmigere Flammen in den Brennern 4 erreicht, was weitere Vorteile der Erfin- s, düng sind. Durch die gleichförmigere und bessere Beheizung der Spaltrohre verläuft auch die dort stattfindende Reaktion günstiger und es wird weniger Heizfläche für den gleichen Umsatz im Vergleich zum in Fig. 4 dargestellten Stand der Technik benötigt, was zu erheblichen Einsparungen bei den Investitionskosten führt und ein weiterer Vorteil der Erfindung ist.
[0022] Während des bestimmungsgemäßen Betriebs wurde bei Bauformen nach dem herkömmlichen Stand der Technik ein Temperaturgefälle innerhalb der Ofenbox von den Innenreihen zu den Außenreihen beobachtet. Um dem entgegenzuwirken und Rezirkulation des Rauchgases zu vermeiden oder einzuschränken, kann vorgesehen
werden, die außen gelegenen Tunnel 5 höher als die innen gelegenen Tunnel 6 auszugestalten, um eine größere Wärmeabstrahlungsfläche an der Außenseite der Obenbox zu erreichen und somit den beobachteten Effekt weiter zu verringern, oder, indem die Höhe der äußeren Tunnel bis fast an die Decke der Ofenbox reicht, vollständig zu kompensieren, wobei der Fachmann im Einzelfall Wirtschaftlichkeitsaspekte abzuwägen hat.
[0023] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere bei Nachrüstungen bestehender Anlagen mit vorhandenen Tunneln 8 vorteilhaft eingesetzt werden kann. Hierbei werden den Tunneln Mauern in. Form von Leitflächen aufgesetzt. Bei den außen gelegenen Tunneln können diese Leitflächen 9 schräg aufgesetzt und gegen die Außenwand der Ofenbox abgestützt werden. Bei den innen gelegenen Tunneln werden senkrechte Leitflächen 10 aufgesetzt.
[0024] Aufgrund der erheblichen Gewichte der als Mauern ausgeführten Leitflächen 9 und 10 müssen in den Tunneln 8 AbStützungen 11 vorgesehen werden. Fig. 3 zeigt diese AbStützungen in einer um 90 Grad gedrehten Darstellung. Fig. 3 zeigt auch eine der Leitflächen 10, die im vorliegenden Beispiel eine geschwungene, zu den Rändern hin ansteigende Form aufweist.
[0025] Selbstverständlich sind die in Fig. 1 bis 3 gezeigten Merkmale auch kombinierbar. So kann auch auf einen Tunnel, wie er in Fig. 1 gezeigt wird, noch eine Leitfläche aufgesetzt werden, außerdem können auch die in Fig. 1 gezeigten Tunnel mit Ab- stützungen versehen werden. Auch können sowohl die Tunnel eine geschwungene Form aufweisen, vorzugsweise zum Rand hin ansteigend, wie die in Fig. 3 gezeigte Leitfläche, als auch die Leitfläche gerade Oberkanten aufweisen.
[0026] Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein Segment einer stufenlosen Tunnelwand, welche aus einer Vielzahl von Formsteinen 13 gebildet wird. Erkennbar sind die Öffnungen 12 in der Tunnelwand, durch welche das Gas aus der Ofenbox 1 in den Tunnel 5 strömt. Dabei sind die Achsen der Öffnungen 12 derart zur Ofenboxdecke aus der Horizontalen heraus geneigt, dass das Abgas eine deutlich verringerte Umlen- kung als in der herkömmlichen Durchführung erfährt. Die Gasströmung ist als durchgehende Pfeile angedeutet.
Bezugszeichenliste
Ofenbox 8 Tunnel
Spaltrohre 9 Leitfläche
Synthesegassammler 10 Leitfläche
Brenner 11 Abstützung
Tunnel 12 Öffnungen
Tunnel 13 Formstein
Abzugskammer 14 Achse