DE102006002802A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von fluiden Brennstoffen mit einem Oxidationsmittel und Wasserdampf und zur sicheren Injektion des homogenen Gemisches in einen heissen Reaktionsraum - Google Patents

Abstract

Bisher bekannte Verfahren zur partiellen Oxidation benutzen zur Mischung und Injektion der Reaktanten Düsenbrenner, wobei der Brennstoff und das Oxidationsmittel mit Dampf an der Spitze einer Brennerlanze verdüst und im Brennerraum turbulent vermischt werden, wobei die Reaktanten noch in der inhomogenen Mischzone reagieren, was zu unerwünschten Nebenprodukten (z. B. Rußbildung) führt. DOLLAR A Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoff und Oxidationsmittel vor dem eigentlichen Reaktionsraum zusammen mit Dampf intensiv zu vermischen und das homogene Reaktionsgemisch sicher in den heißen Reaktionsraum einzuführen. Beim Vormischen ergeben sich jedoch Probleme durch den Rückschlag der heißen Reaktionszone in den Mischraum und die Zerstörung desselben. Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der Reaktionsführung durch eine effiziente Vormischung des Reaktionsgemisches vor dem eigentlichen Reaktionsraum sowie eine Lösung der bei der Injektion in den heißen Brennerraum entstehenden Sicherheitsprobleme. Weiterhin soll das Misch- und Injektionsverfahren so weit vereinfacht werden, dass die aufwändige Wasserkühlung der Brennerspitze vermieden werden kann. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Misch- und Injektionsvorrichtung als Zweikammerrohr mit brennstoffgekühlter geschlossener Spitze ausgebildet ist, wobei mikrostrukturierte Oberflächen zum Verbessern des Mischvorganges, zur Erhöhung des Wärmeüberganges beim Kühlen der geschlossenen Spitze und zur ...

Description

• Verfahren zur Vergasung, partiellen Oxidation und Autothermen Reformieren von Brennstoffen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanten mittels geeigneter Injektoren (Brenner) in einen Reaktionsraum unter Druck und hohen Temperaturen eingeführt werden und vor der Reaktion mit dem Oxidationsmittel vermischt werden müssen.
• Die nach dem Stand der Technik bekannten Systeme zur Mischung und Injektion von Brennstoffen und Oxidationsmittel zur Vergasung und partiellen Oxidation mit Luft oder Sauerstoff sind als Düsenbrenner ausgelegt, wobei der Brennstoff und das Oxidationsmittel mit Dampf als Moderator an der Spitze einer Brennerlanze verdüst und im Brennerraum selbst turbulent vermischt werden und noch in der Mischzone reagieren, wobei aufgrund der unvollständigen Vermischung der Reaktanten unerwünschte Nebenprodukte (z.B. Russ) entstehen. Aufgrund der hohen Temperaturen muss dabei die Brennerspitze mit Kühlwasser gekühlt werden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoff und Oxidationsmittel vor dem eigentlichen Reaktionsraum zusammen mit Dampf intensiv zu vermischen, so dass ein homogenes Reaktionsgemisch entsteht und eine Russbildung vermieden wird. Probleme ergeben sich jedoch beim Vormischen durch den Rückschlag der Flamme und der heißen Reaktionszone in den Mischraum, der dabei durch die dabei entstehenden hohen Temperaturen beschädigt oder vollständig zerstört werden kann. Ziel der Erfindung ist es daher eine geeignete Vorrichtung zur Verbesserung der Reaktionsführung zu finden, bei der ein Flammenrückschlag vermieden wird und eine sichere und effiziente Vormischung des Reaktionsgemisches vor dem eigentlichen Reaktionsraum erfolgt. Weiterhin soll das Misch- und Injektionsverfahren soweit vereinfacht werden, dass die aufwendige Wasserkühlung der Brennerspitze vermieden werden kann.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Misch- und Injektionsvorrichtung als Zweikammerrohr mit brennstoffgekühlter geschlossener Spitze ausgebildet ist, wobei in den kritischen Zonen der Misch- und Injektionsvorrichtung mikrostrukturierte Oberflächen mit geringen Spaltweiten eingesetzt werden, die die Mischdynamik und den Wärmeübergang verbessern, und die einen Flammenrückschlag in die Mischzone verhindern. Die Konstruktion kann dadurch so ausgeführt werden, dass das Brennstoffgemisch selbst als Kühlmittel in der dem heißen Reaktionsraum zugewandten Kammer benutzt wird, wobei diese jedoch nicht als Düse ausgebildet ist, bzw. keine zentrale Öffnung in den Brennerraum aufweist, sondern als Vorerhitzer/Verdampfer des Brennstoffgemisches ausgeführt ist. Damit wird das Brennstoff/Oxidationsmittel nicht koaxial an der Brennerspitze in den Reaktionsraum verdüst, sondern erst in einem Ringspalt mit mikrostrukturierten Oberflächen vermischt, bevor es über eine Flammensperre, die ebenfalls durch das Brennstoffgemisch gekühlt ist und als mikrostrukturierte Oberfläche mit Kanälen geringer Spaltweite ausgeführt ist, aus dem Ringspalt dem Reaktionsraum zugeführt wird.
• Das Verfahren und die Vorrichtung sind in 1 im Detail beschrieben.
• Die Brennervorrichtung besteht aus einem nach unten abgeschlossenen Injektions- und Mischrohr (1), mit einer geschlossenen Brennerspitze (2) ohne Öffnung in den heißen Reaktionsraum, in dem die Vergasungs- bzw. Oxidationsreaktionen bei hohen Temperaturen ablaufen, wobei das Injektionsrohr von einem Hüllrohr (3) umschlossen wird und einen Ringspalt (4) bildet, in dem die Vormischung stattfindet. Das Injektionsrohr ist durch eine Trennscheibe (5) aufgeteilt in zwei separate Kammern, eine Brennstoffkammer (6), die durch den ringspaltfoermigen Freiraum zwischen Injektions- und Mischrohr (1) und zentralem Brennstoffrohr (7) unterhalb der Trennscheibe (5) gebildet wird, und in die der Brennstoff oder das Brennstoff/Wasserdampfgemisch (A) durch ein Zentralrohr (7) eingeführt wird, und eine Oxidationsmittelkammer (8), die durch den ringspaltfoermigen Freiraum zwischen Injektionsrohr und zentralem Brennstoffrohr oberhalb der Trennscheibe (5) gebildet wird und in die das Oxidationsmittel (B) eingeführt wird. Das Injektions- und Mischrohr (1) ist oberhalb und unterhalb der Trennscheibe mit über den Umfang verteilten Bohrungen (9, 10) versehen, wobei das Oxidationsmittel durch die Bohrungen (9) oberhalb der Trennscheibe (5) und der Brennstoff durch die Bohrungen (10) unterhalb der Trennscheibe (5) in den Ringspalt zwischen Injektionsrohr (1) und Hüllrohr (3) eingeführt werden und nach unten strömen. Das Injektions- und Mischrohr (1) ist im unteren Teil auf seiner Außenseite in mehrere Zonen mit mikrostrukturierten Oberflächen aufgeteilt (11, 12, 13), wobei die stromaufwärts liegenden Zonen so ausgeführt sind, dass eine intensive Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel durch die Mikrostrukturen an der Oberfläche des Injektionsrohres erfolgt. Die stromabwärts letzte mikrostrukturierte Oberflächenzone (13) ist so ausgeführt, dass ihre Gaskanäle mit niedriger Spaltbreite als Flammensperre fungieren und einen Rückschlag der Flamme aus dem Reaktionsraum in den ringspaltfoermigen Mischraum verhindern. Die Effizienz der als mikrostrukturierte Oberfläche ausgeführten Flammensperre wird durch die Wandkühlung durch das Brennstoffgemisch mittels wärmeübergangsverbessernden Mikrostrukturen (14) auf der Innenseite des Injektions- und Mischrohres gewährleistet.
• Die dem heißen Reaktionsraum zugewandte geschlossene Brennerspitze (2) des Misch und Injektionsrohres (1), die einer hohen Strahlungsdichte aus dem heißen Reaktionsraum ausgesetzt ist, wird durch das Brennstoffgemisch gekühlt, wobei die Innenseite der Brennerspitze mit mikrostrukturierten Oberflächen (14) versehen ist, die den Wärmeübergang auf der Innenseite der Brennerspitze soweit erhöhen, dass er wesentlich über dem Wärmeübergang auf der Außenseite der Brennerspitze liegt, sodass die Metalltemperatur der Brennerspitze niedrig bleibt. Dabei wird die von der Außenoberfläche der Brennerspitzte abgeführte Wärme auf der Innenseite der Brennerspitze zur Vorerhitzung des Brennstoffgemisches ausgenutzt. Wahlweise kann auch Oxidationsmittel/Dampf-Gemisch zur Kühlung der Brennerspitze eingesetzt werden, z.b. wenn aufgrund der unterschiedlichen Massenströme ein günstigerer Kühleffekt erreicht wird.

Claims (10)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von fluiden Brennstoffen mit einem Oxidationsmittel und Wasserdampf und zur Injektion des homogenen Gemisches in einen Reaktionsraum mit hohen Temperaturen, gekennzeichnet dadurch, dass Brennstoff, Oxidationsmittel und Wasserdampf in ein durch eine Trennscheibe in zwei Kammern aufgeteiltes Injektions- und Mischrohr mit geschlossener Brennerspitze und mikrostrukturierten Oberflächensektionen eingeführt werden, dergestalt dass durch die Trennscheibe auf der einen Seite in der dem Reaktionsraum zugewandten geschlossenen Brennerspitze eine durch den Brennstoff selbst gekühlte Brennstoffkammer entsteht, in der der über ein Zentralrohr eingeführte Brennstoff durch die abgeführte Wärme mittels den Wärmeübertrag erhoehenden mikrostrukturierten Oberflaechen aufgeheizt wird, und dergestalt dass auf der anderen Seite der Trennscheibe eine ringförmige Oxidationsmittelkammer entsteht, aus der das Oxidationsmittel durch seitliche Öffnungen in einen Ringspalt mit geringer Spaltbreite eingeführt wird und zur Brennerspitze strömt, wobei der Brennstoff aus der Brennstoffkammer durch seitliche Öffnungen in den zur Brennerspitze strömenden Oxidationsmittelstrom eingedüst wird und stomabwaerts in einer oder mehreren Zonen des Ringspaltes mittels den Mischvorgang verbessernden mikrostrukturierten Oberflachensektionen an der Außenseite des Injektions- und Mischrohres mit dem Oxidationsmittel homogen vermischt wird, und wobei das homogene Gemisch über eine weitere Zone mit mikrostrukturierten Oberflächen mit zweckspezifischer Spaltweite, die im Ringspalt als Flammensperre fungieren, in den Reaktionsraum eingeführt wird.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die äußere Oberfläche des Injektionsrohres mindestens zwei Zonen mit mikrostrukturierten Oberflächen aufweist, die so gestaltet sind, dass sie durch Strömungsverflechtung und/oder induzierte Turbulenz eine intensive und homogene Vermischung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Dampf verursachen.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Brennstoff/Oxidationsmittel/Dampf Gemisch vor dem Eintritt in den Reaktionsraum eine Zone mit mikrostrukturierter Oberfläche durchströmt, die so ausgebildet ist, dass an der Außenseite des Injektions- und Mischrohres durch feinkanalige Lamellen der Fluidstrom in eine Vielzahl von Passagen aufgeteilt wird, deren Spaltweite unterhalb der kritischen Spaltweite für den Flammenrückschlag liegt, wobei die korrespondierende Innenwand des Injektions- und Mischrohres mit wärmeübertragsverbessernden Oberflächenstrukturen versehen ist und durch den Brennstoff, bzw. das Brennstoff-Dampf-Gemisch gekühlt wird.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Innenseite der Brennerspitze mit einer mikrostrukturierte Oberfläche versehen ist, die so gestaltet ist, dass das Produkt von Wärmeübergangskoeffizient und nutzbarer Wärmeübertragungsfläche auf der Innenseite der Brennerspitze das Produkt von Wärmeübergangskoeffizient und Wärmeübertragungsfläche auf der dem heißen Reaktionsraum zugewanden glatten Außenseite der Brennerspitze um ein vielfaches übersteigt.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Ringspalt mittels eines Hüllrohres ausgebildet ist, das auf seiner Innenseite mikrostrukturierte Oberflächen aufweist.
6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass als Brennstoff verschiedenste gasförmige und flüssige brennbare Stoffe eingesetzt werden, sowie deren Mischungen mit Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass als Oxidationsmittel Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff eingesetzt werden, sowie Gemische aus Luft, sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff mit Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser.
8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhr invertiert werden können, und die dem heißen Reaktionsraum zugewandte Brennerspitze alternativ mit Brennstoff/Dampf-Gemischen als auch mit Oxidationsmittel/Dampf-Gemischen gekühlt wird.
9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Mischung und Injektion von Brennstoff, Oxidationsmittel, und Wasserdampf in den Reaktionsraum bei Verfahrensdrücken von 2 bar bis 250 bar erfolgt, vorzugsweise 5 bar bis 120 bar, wobei die Gastemperaturen im Reaktionsraumbeliebige Temperaturen zwischen 520oC und 1850oC, vorzugsweise 800oC bis 1550oC annehmen können.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass das vorgestellte Verfahren sowie die entsprechende Vorrichtung sowohl für die Vormischung und Injektion von fluiden Brennstoffen mir Oxidationsmittel und Dampf bei rein thermische Hochtemperatur-Reaktionen unter Druck wie z.B. Vergasungs- und Partielle Oxidationsprozesse eingesetzt werden kann als auch für katalytische Hochtemperatur-Reaktionen wie z.B. katalytische partielle Oxidation und katalytisches Autothermal Reforming.