DE102006040148A1 - Reaktor bzw. Reformer zur thermischen Behandlung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffströmen oder deren Gemische vorzugsweise mittels zentrischem Wärmeeintrag über innen beheizte Wärmetauscher oder in Kombination mit außen beheizten Wärmetauscherflächen - Google Patents

Reaktor bzw. Reformer zur thermischen Behandlung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffströmen oder deren Gemische vorzugsweise mittels zentrischem Wärmeeintrag über innen beheizte Wärmetauscher oder in Kombination mit außen beheizten Wärmetauscherflächen Download PDF

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Abstract

Reaktor bzw. Reformer zur thermischen Behandlung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffströmen oder deren Gemische vorzugsweise mittels zentrischem Wärmeeintrag über innen beheizte Wärmetauscher oder in Kombination mit außen beheizten Wärmetauscherflächen.

Description

  • Es ist bekannt, dass in Reaktoren oder Reformern in denen z.B. Gase katalytisch behandelt werden, diese Gase durch eine von außen beheizte Röhre geleitet werden, welche mit katalytisch wirkendem Material gefüllt ist. Dabei wird in einem um den Reaktor installierten Doppelrohr eine Flamme geführt, die den Rohrumfang des Reaktors erwärmt und so die Reaktionswärme auf das im Reaktor zu behandelnde Gas überträgt. Dabei wird ein erheblicher Energieanteil über die meist isolierte Außenhülle des beheizten Doppelrohres, deren Oberfläche weit größer ist als die Reaktoroberfläche als Energieverlust abgeführt. Diese Bauweise mit hochwertigem Material ist teuer, erfordert große Mengen Isoliermaterial und bedingt größere Baugrößen.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass die Außenhülle des Reaktors oder Reformers mit der Brennrauminnenwand verschweißt ist, wodurch sich bei der Revision kleiner Reaktordurchmesser Reinigungsprobleme ergeben., oder es müssen große kostenaufwendige Flansche mit teuren Dichtungen installiert werden. Wenn man im Reaktor oder Reformer durch Einbringen einer Spirale die Reaktionswege erhöhen will, werden im Gasstrom befindliche Teilchen an die heiße Außenwand des Reaktors oder des Reformers gefördert. Dadurch wird ein Anbacken von Teilchen, die zur Verschlackung neigen begünstigt. Das beschränkt die mögliche Reaktionstemperatur wesentlich.
  • Es ist mit dem bisherigen Verfahren nicht möglich durch spezielle Leitbleche Teilchen, die zur Verschlackung neigen von der heißen Strahlwand fern zu halten.
  • Mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung werden diese Nachteile aufgehoben und zusätzlich weitere Vorteile erzielt. Die Beschreibung betrifft Reaktoren genauso wie Reformer. Ein Strahlrohr, welches von innen durch einen Rekuperatorbrenner so erwärmt wird, dass über die Strahlrohrlänge gleiche Oberflächentemperaturen herrschen, steckt zentrisch oder in gezielter Geometrie im Reformer und wird durch das zu behandelnde Medium umströmt. Die Außenhülle des Reformers wird isoliert oder gezielt mit Gasen oder Flüssigkeiten umströmt. So können z.B. durch spiralförmige Leitbleche im Reformer, bei höheren Reformertemperaturen Teilchen von der heißeren Strahlrohroberfläche abgewandt werden, die sich im Gasstrom spiralförmig an der etwas kälteren oder gekühlten Außenhülle, bei Durchströmrichtung von oben nach unten, getrennt und ausgetragen werden.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Baugröße der Reaktoren verkleinert und kostenintensives Material eingespart wird. Auf Grund der kälteren Außenwand des Reaktors geringeren Umfangs werden wesentliche Mengen Isoliermaterial erforderlich oder höhere Isoliereffekte erzielt.
  • Durch Anwendung von Tauchstrahlrohren mit Rekuperatorbrennern, wie in Anspruch 3 und 4 formuliert, können verschiedene schnell austauschbare Strahlrohroberflächen an gewünschte Stellen des Reaktors installiert werden um gezielte Effekte zu bewirken. Sie können schnell bei Störung ausgewechselt oder bei Versuchen begutachtet werden. Die Rekuperatorbrenner sichern, dass über die gesamte Strahlrohrlänge durch spezielle Brenngasführung gleichmäßige Temperaturen erzielt werden, wobei gleichzeitig die rückströmenden Abgase die Verbrennungsluft vorwärmen.
  • Zudem wird die Abgastemperatur so weit gekühlt, dass für Abgasrohre geringere Materialgüten erforderlich sind.
  • Die Energieeffizienz wird erhöht, insbesondere auch durch Nutzung von Restgasbestandteilen aus Vergasungsverfahren oder z.B. abgespaltenen Restgas aus chemischen Prozessen. In Anspruch 5 ist die Möglichkeit beschrieben, die Reaktion über einen Heißleiter als Strahlrohr auszubilden, wobei z.B. Abgase, Restkohlenstoff oder Kohlenstoff-Aschegemische zur Beheizung der Heißleiter eingesetzt werden können.
  • Nach Anspruch 6 können heiße Abgase zur Vorwärmung in Reaktorabschnitten verwendet werden.
  • Gemäß Anspruch 7 kann der Reformer mit katalytisch wirkendem Material gefüllt werden oder das Strahlrohr bzw. die Rohrwandungen oder Leitbleche aus katalytisch wirkendem Material bestehen, welches die gewünschte Reaktion erzielt oder beschleunigt.
  • Das Strahlrohr liefert die notwendige Reaktionsenergie, wobei die Temperaturen über die Reaktorlänge eingestellt werden können.
  • Anspruch 8 bewirkt, dass im Gasstrom befindliche Teilchen vom heißen Strahlrohr ferngehalten werden, wobei durch erzwungenes Gleiten des Gasstromes an diesen Leitblechen, welche auch katalytisch wirken können, Reaktionen erfolgen, wie z.B. Krackung weiterer Kohlenwasserstoffe.
  • Wenn nach Anspruch 9 die Leitbleche mit dem Strahlrohr verschweißt werden, können die höheren Oberflächentemperaturen über die Wärmeleitung größere Effekte erzielen.
  • Die Ansprüche 10 und 11 dienen zur Sicherung verschieden gewünschter Strömungen und Wärmestromdichten im Reformer zur Sicherung gezielter Reaktortemperaturen.
  • Anspruch 12 sichert, dass während des Betriebes eines Reformers das Strahlrohr ausgewechselt werden kann, ohne dass der Reformer abgekühlt werden muss.
  • Wenn man nach Anspruch 13 z.B. katalytisch wirkendes Material durch das Reaktiosgas fluidisiert wird, wobei der Gasstrom den Reaktor von unten nach oben durchströmt und den körnigen Katalysator verwirbelt, oder die Fluidisierung wird mit z.B. Dampf zur allothermen Reaktion unterstützt, reibt sich die den katalytischen Effekt behindernde Schicht, wie z.B. Ruß, ab und erneuert automatisch den katalytischen Effekt bzw. hält ihn konstant. Oder bei einer sich bildenden Verkokung schließen sich die Poren eines Katalysatorbettes, bis der Katalysator fluidisiert und die Katalysatorkornoberfläche reinigt.
  • Andererseits wird die reaktive Oberfläche wesentlich erhöht und die Temperatur des Katalysators durch das Wirbelbett konstant gehalten. Die Oberflächentemperatur am Strahlrohr bleibt niedriger wegen der erzwungenen Wärmeleitung auf das Bettmaterial.
  • Anspruch 14 beschreibt die Möglichkeit den Austrag des Katalysatormaterials im Wirbelbett aus dem Reformer zu verhindern, insbesondere wenn Gasmengenunterschiede zu erhöhter Blasenbildung im Reformer führen, die das Bettmaterial mitreißen. Durch die Anordnung der Prallgitter wird die aufsteigende Welle an der Oberfläche zerstört, so dass Teilchen nicht hochgerissen werden.
  • Anspruch 15 gestattet insbesondere mit Tauchstrahlrohren unterschiedliche Reaktoreffekte bei bestimmten Stufen oder dass in diesen Stufen in Kombination mit Anspruch 17 das zu behandelnde Medium mit zusätzlichen Hilfsstoffen bei anderen thermischen Bedingungen konfrontiert wird.
  • Nach Anspruch 16 kann z.B. ein Strahlrohr aus Keramik vorteilhaft sein, da es resistent gegen thermochemische Korrosion und abriebfest ist, sowie hohe Oberflächentemperaturen ermöglicht.
  • Nach Anspruch 20 sollen elektrische Felder bewirken, dass die Abscheidung von Feinstascheteilchen begünstigt wird, auch um zu verhindern, dass sie sich als Schlacke absetzen oder anbacke. Andererseits können Feinstkondensate oder Kohlenstoffteilchen an die heißeren Zonen zur Restvergasung geführt werden.
  • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 zeigt einen Reaktor, durch welchen Gas aus einem Vergasungsprozess nachbehandelt wird. Der vorgeschaltete Zyklon 1 scheidet Ascheteilchen ab. Der Gasstrom mit Restfeststoffanteilen gelangt danach tangential in den Reformer 2, der aus einem zylindrischen Rohr 2 mit beiderseitigem Flansch besteht. Durch die tangentiale Anordnung des Gaseintritts wird der Gasstrom in Rotation versetzt Auf dem oberen Flansch ist ein Stutzen 3 aufgeschweißt, durch den ein Strahlrohr 4 mit innen liegendem Rekuperatorbrenner 5 gesteckt ist. Der Rekuperatorbrenner sichert gleichmäßige Oberfächentemperaturen über die Strahlrohrlänge. Die Abgase des Rekuperatorbrenners wärmen intern im Bereich der Stutzenlänge die Verbrennungsluft vor. Das Strahlrohr besteht aus Keramik, ist verschleiß- und korrosionsfest und gestattet hohe Oberflächentemperaturen. Zwischen dem Strahlrohr 4 und dem außen isolierten Rohr 2 werden Leitbleche 6 spiralförmig installiert, die den bereits rotierenden Gasstrom beschleunigen, wobei im Gasstrom befindliche Teilchen von der Strahlrohroberfläche fern gehalten werden, an der kälteren Außenwand nach unten gleiten und über ein Schleusensystem 7 ausgeschleust werden.
  • Der Gasstrom wird im konischen Bereich des unteren Flansches 8 ähnlich eines Zyklons abgeleitet und durch den nachgeschalteten Katalysator im Reaktor 9 geleitet. Das Gas durchdringt das Siebgewebe 10, welches den körnigen Katalysator 11 hält. Der Gastsrom fluidisiert beim Durchströmen den Katalysator. Gleichzeitig kann Dampf über den Düsenring 12 eingedüst werden, der einerseits die Fluidisierung und andererseits die Wassergasreaktion unterstützt.
  • Der Katalysator zirkuliert dadurch um das zweite Strahlrohr 13 und nimmt dabei die Wärmeenergie zur endothermen Reaktion auf. Gleichzeitig wird das Anbacken von Schwebteilchen an das Katalysatorkorn verhindert. Die Wärmeleitung des Katalysators auf das Restkohlestoffteilchen im Gasstrom bewirkt eine Restvergasung.
  • Das Strahlrohr 13 wird mit dem zweiten Rekuperatorbrenner 15 wie vorher beschrieben beheizt. Über dem Wirbelbett befindet sich ein Prallsieb 14, welches aufsteigende Blasen zerstört und den Austrag von Katalysatormaterial verhindert.
  • Durch den Düsenring 17 kann nach Bedarf ein Medium eingedüst werden, welches z.B. Katalysatorengifte wie z.B. Schwefel bindet oder eine Restverbrennung organisiert.
  • Das behandelte Gas wird im nachfolgenden Dampfkessel 18 schnell gekühlt um die Gasqualität einzufrieren.

Claims (23)

  1. Reaktor bzw. Reformer zur thermischen Behandlung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffströmen oder deren Gemische vorzugsweise mittels zentrischem Wärmeeintrag über innen beheizte Wärmetauscher oder in Kombination mit außen beheizten Wärmetauscherflächen.
  2. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wärmetauscherrohre, im Weiteren Strahlrohre oder Tauchstrahlrohre genannt, von ein Reaktorrohr umhüllt sind, durch welches das zu behandelnde Gas geleitet wird und dass diese Stahlrohre durch gezielten inneren Wärmeeintrag über die Strahlrohrlänge gleichmäßig oder gezielt definiert beheizt werden und damit gewünschte Oberflächentemperaturen des oder der Strahlrohre erzielt werden, welche durch die zu behandelndes Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe umströmt werden und dabei gezielt erforderliche Reaktionstemperaturen vom Strahlrohr aufnehmen.
  3. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Strahlrohre als durchgehende Rohre oder als Tauchrohre in der Form als Rohrstumpf einseitig geschlossen, oder U-förmig bzw. spiralförmig ausgebildet sind, welche zur Revision aus dem Reaktor heraus gezogen, gereinigt und wieder eingeführt werden können.
  4. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innen liegende Strahlrohr oder Tauchstrahlrohr von Rekuperatorbrennern beheizt werden, welche einerseits eine gleichmäßige Oberflächentemperatur über die Strahlrohrlänge sichern und bzw. oder durch rückströmende Verbrennungsgase die Verbrennungsluft vorwärmt und dabei die Abgastemperatur senkt und dass die Rekuperatorbrenner mit handelsüblichen Gasen oder mit dem erzeugten Gas aus Biovergasungsanlagen, oder mit Restgasbestandteilen, bzw. mit Beimischungen von Kohlenstoffstäuben oder langkettigen Kohlenwasserstoffen oder biologischen Flüssigbrennstoffen beheizt werden.
  5. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr oder Tauchstrahlrohr als Wärmeleiter eines Heatpipe ausgebildet ist und dass dieser auch von Reststoffen aus Prozessen wie z.B. Asche-Kohlenstaubgemische beheizt wird.
  6. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrohre oder Tauchstrahlrohre mit Düsen beheizt werden, die so angeordnet sind, dass gewünschte Temperaturverteilungen über die Strahlrohroberflächen erzielt werden. Gleichzeitig können die Abgase dieser Brenner oder die Abgase von anderen Prozessen kombiniert den Brennraum durchströmen oder das zu behandelnde Gas über Teilbereiche des Reformers vorwärmen.
  7. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mit katalytisch wirkendem Material gefüllt ist und, bzw. oder dass die Oberfläche des Strahlrohres oder des Tauchstrahlrohres oder die Innenwände des Reaktors oder spezielle Leitbleche im Reformer aus katalytisch wirkendem Material bestehen.
  8. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitbleche stufenförmig so angeordnet werden, dass der Gasstrom pulsierend an das Strahlrohr geführt wird oder dass sie spiralförmig so ausgebildet werden, dass der Gasstrom große Wege zurücklegt oder im Gasstrom befindliche Teilchen durch Zentrifugalkräfte vom Strahlrohr oder Tauchstrahlrohr weg an die etwas kältere Außenwand geleitet und ausgetragen werden und dass Leitbleche so angeordnet werden, dass sie bestimmte Strömungen bewirken, um gewünschte Effekte zu erzielen bzw. katalytisch wirken.
  9. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitbleche oder Bleche zur Erhöhung der Oberfläche im Reformer mit dem Strahlrohr oder Tauchstrahlrohr verschweißt sind oder dieses berühren, um über diese Leitbleche die wirksame Strahloberfläche auf das zu behandelnde Medium zu erhöhen.
  10. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Zylinder bzw. die Außenhülle des Reformers mittels Brenner oder Abgasströme gleichzeitig angewärmt wird oder mittels Gasströme oder Flüssigkeitsströme auf eine gezielte Temperatur gekühlt wird.
  11. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlrohre oder Tauchstrahlrohre als Bündel oder Kaskaden parallel oder in Reihe durchströmt werden, oder dass sie mit – oder gegenstromseitig angeordnet sind, oder dass sie in einem bestimmten Winkel zueinander oder zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
  12. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr oder Tauchstrahlrohre direkt mit dem zu behandelnden Medium in Berührung kommt oder das Medium über ein Mantelrohr, welches vom Strahlrohr erwärmt wird, die erforderlich Reaktionswärme erhält.
  13. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Reaktor, welcher durch das Strahlrohr oder Tauchstrahlrohr beheizt wird, Material befindet, wie z.B. katalytisch wirkendes Material, in das der zu behandelnde Gasstrom, Flüssigkeitsstrom oder Feststoffstrom eingeleitet wird oder in das mehrere Ströme eingeleitet werden, welche das katalytisch wirkende Bettmaterial fluidisiert oder mit Fremdmedien bzw. in Kombination fluidisiert.
  14. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktor befindliche Fuidisierungsmaterial durch Prallsiebe oder Leitbleche oder durch einen innen liegenden Zyklon vom Austrag aus dem Reformer gehindert wird.
  15. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrohre oder Tauchstrahlrohre so angeordnet sind, dass gezielt unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind.
  16. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrohre oder die Tauchstrahlrohre aus verschiedenen Materialien bestehen, verschiedene Querschnitts – oder Oberflächenstrukturen haben, die eine erhöhte Wärmeabgabe oder katalytische Effekte sichern oder bzw. und Anbackungen verhindern oder gezielte Oberflächenreaktionen bewirken oder diese verhindern.
  17. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Strahlrohre oder durch die Tauchstrahlrohre oder zwischen die Strahlrohre oder über die Außenhülle des Reformers Medien eingedüst oder eingetragen werden, die spezielle Reaktionen bewirken, wie z.B. Nachreaktionen, Teilverbrennung, Vergasung, Katalysebeschleuniger, Reaktionen zur Bindung von Katalysatorgiften.
  18. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlrohre oder Tauchstrahlrohre an Statt über die verschiedenen Varianten zu erhitzen, diese mit Kältemitteln durchströmt werden, um auch ggf. in Kombination des Kühlens der Außenhülle spezielle Reaktionen bzw. Kondensationseffekte zu bewirken.
  19. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer mit verschiedene Geometrien wie z.B. zylinder – oder kegelförmig ausgebildet ist, um bestimmte Strömungen oder Flidisierungseffekte zu erzielen.
  20. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle des Reformers oder das Strahlrohr elektrostatisch aufgeladen wird, um eine Teilchentrennung oder Tröpfchentrennung zu bewirken. Zum Beispiel könnten spezielle Ladungen bei Ausführung des Außenmantels des Reformers aus Stahl und des Strahlrohres aus Keramik die Trennung von Schwebteilchen unterstützen. Andererseits kann man feinste Kondensate an die heißere Oberfläche des Strahlrohres aus Metall oder gering leitfähiger Keramik wie Siliziumkarbid bewegen, um diese zu vergasen.
  21. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das den Katalysator fluidisierende Gas über Siebgewebe oder Düsen oder Venturidüsen mit Ansaugung von Gasen bzw. Flüssigkeiten oder durch Zwischenmaterialschichten geleitet wird.
  22. Reaktor bzw. Reformer nach Patentanspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Fluidisierung des z.B. katalytisch wirkenden Bettmaterials nach Anspruch 13 die Oberflächentemperatur des Katalysators konstant gehalten wird und die Strahlrohroberfläche durch die Wärmeleitung niedriger wird und dass damit das Ansetzen von Teilchen an das Katalysatorkorn verhindert wird oder dass durch das Ansetzen von Teilchen an das Katalysatorkorn erst Bedingungen geschaffen werden wie z.B. durch Spaltverengung zwischen den Katalysatorkörnern die zur Fluidisierung führen, bis durch den Abrieb im Fluidisierungszustand der alte Bettmaterialzustand wieder hergestellt wird.
  23. Verfahren zur thermischen Behandlung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffströmen oder deren Gemische vorzugsweise mittels zentrischem Wärmeeintrag über innen beheizte Wärmetauscher oder in Kombination mit außen beheizten Wärmetauscherflächen, vorzugsweise nach einen der Ansprüche 1 bis 22.
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