-
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit wenigstens einem Brenner sowie einer ersten und einer durch eine Trennwand von dieser getrennten zweiten Passage, wobei durch die erste Passage ein über den Brenner erzeugbares Heizgas geleitet werden kann, um Wärme durch die Trennwand hindurch auf ein in der zweiten Passage führbares Fluid zu übertragen.
-
Bei Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art handelt es sich beispielsweise um Dampfreformer, die zur Erzeugung von Synthesegas eingesetzt werden.
-
Dampfreformer sind gewöhnlich Rohröfen, in denen ein Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf enthaltender Einsatz durch wenigstens ein mit katalytisch wirkendem Material befülltes und/oder beschichtetes, im Wesentlichen vertikal im Feuerraum des Reformers angeordnetes Reaktorrohr geleitet und in einer insgesamt endothermen Reaktion zu dem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Synthesegas umgesetzt werden kann. Hierbei stellt der Bereich des Feuerraums außerhalb des Reaktorrohres bzw. der Reaktorrohre die erste Passage dar, während die zweite Passage durch das Reaktorrohr bzw. die Reaktorrohre verläuft. Die für die Reformierungsreaktion benötigte Energie wird üblicherweise durch wenigstens einen am Boden, der Decke oder einer Seitenwand des Feuerraums befestigten Brenner erzeugt, der seine heißen Rauchgase als turbulenter Strahl in die erste Passage entlässt. Bei dieser Art der Beheizung stellt sich ein stark inhomogenes Temperaturprofil entlang des oder der Reaktorrohre ein, das einerseits hohe mechanische Spannungen induziert und das andererseits eine Synthesegaserzeugung mit optimaler Produktivität verhindert.
-
Insbesondere zur Reduzierung der thermisch induzierten Spannungen ist aus dem Stand der Technik der Einsatz von Porenbrennern bekannt, die eine weitgehend gleichmäßige Wärmefreisetzung über die gesamte Länge eines Reaktorrohres ermöglichen, wozu sie sich mit geringem Abstand entlang des Reaktorrohrs erstrecken, das sie auch rohrförmig umgeben können. Porenbrenner weisen eine poröse, aus Keramik bestehende Struktur auf, über die Brennstoff und/oder Oxidationsmittel geführt werden, um bereits innerhalb der Struktur oder an deren Oberfläche das Heizgas zu erzeugen. Damit die poröse Struktur nicht durch eine zu hohe thermische Belastung Schaden nimmt, ist es notwendig, die Verbrennungstemperatur zu begrenzen, worunter jedoch die thermische Effizienz der Dampfreformierung erheblich leidet. Nachteilig kann sich weiterhin das bei der Verbrennung gebildete Wasser auswirken, das bei den auftretenden hohen, über 900°C liegenden Temperaturen besondere für dünnwandige keramische Materialien schädlich ist. Außerdem kann es an der heißen Oberfläche der porösen Struktur zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit der Bildung von Ruß und der Gefahr von Ablagerungen kommen, durch die die Wärmeübertragung und/oder die Strömungsverhältnisse innerhalb der porösen Keramik negativ beeinflusst werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch den die angegebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Brenner eine Vielzahl von über die Fläche der Trennwand verteilten und mit Abstand zur Trennwand angeordneten Brennerdüsen aufweist, von denen jede mit einer Zuführeinrichtung für ein Brenngas und ein Oxidationsmittel verbunden ist.
-
Vorzugsweise handelt es sich bei den Brennerdüsen um Treibstrahldüsen, in denen etwa das Brenngas als Treibmedium einsetzbar ist, um Oxidationsmittel anzusaugen und ein brennfähiges Gasgemisch zu bilden, das nach Austritt in die erste Passage gezündet wird. Die Brennerdüsen können eine einheitliche Bauform aufweisen oder unterschiedlich ausgeführt sein. Sie sind so ausgerichtet, dass die im Betrieb des Wärmetauschers erzeugbaren Flammen eine zur Trennwand hin gerichtete Komponente besitzen. Sinnvollerweise sind die Heizleistungen der einzelnen Brennerdüsen und die Verteilung der Brennerdüsen über die Fläche der Trennwand derart gewählt, dass in der Trennwand ein Temperaturdifferenzprofil eingestellt werden kann, das den örtlichen Wärmebedarf des im Betrieb des Wärmetauschers durch die zweite Passage strömenden Fluids widerspiegelt. An Stellen, an denen der Wärmebedarf beispielsweise durch eine endotherm ablaufende Reaktion oder einen Phasenübergang hoch ist, kann eine hohe Temperaturdifferenz in der Trennwand eingestellt werden, während an Stellen geringen Wärmebedarfs eine entsprechend niedrige Temperaturdifferenz erzeugbar ist.
-
Im Betrieb gibt der Brenner seine Gesamtleistung verteilt auf sämtliche Brennerdüsen ab, so dass auf jede Brennerdüse nur ein Bruchteil der eingesetzten Brenngas- und Oxidationsmittelmenge entfällt. Die sich an einer Brennerdüse ausbildende Flamme ist daher im Vergleich zu der Flamme eines konventionellen Brenners mit nur einer Brennerdüse entsprechend klein, wodurch es möglich ist, den Abstand zwischen Trennwand und Brennerdüsen deutlich zu reduzieren und den Wärmetauscher kompakter als im Stand der Technik auszuführen, ohne eine lokale Überhitzung der Trennwand befürchten zu müssen. Vorzugsweise sind die Brennerdüsen so ausgebildet und ist ihre Anzahl so gewählt, dass die Flammen im Normalbetrieb des erfindungsgemäßen Wärmetauschers Längen von weniger als 50cm, bevorzugt weniger als 20cm und besonders bevorzugt weniger als 10cm aufweisen.
-
Vorzugsweise sind die Brennerdüsen eines Brenners Gruppen zugeordnet, deren Mitglieder über ihre Zuführeinrichtungen mit zentralen Zuführungskanälen für Brenngas und Oxidationsmittel verbunden sind. Eine Gruppe kann nur eine Brennerdüse, mehrere oder alle Brennerdüsen des Brenners umfassen. Zumindest der zentrale Zuführungskanal für Brenngas kann mit einer Einrichtung versehen sein, über die die Gaszufuhr zu einer oder mehreren Brennerdüsen einer Gruppe verändert werden kann, um die Brennerleistung und/oder das Temperaturdifferenzprofil innerhalb der Trennwand gezielt zu variieren.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann es sich um einen Plattenwärmetauscher mit einer oder mehreren Trennwänden in Form ebener Platten handeln. Bevorzugt ist der Wärmetauscher jedoch ein Rohrofen mit zumindest einem, im Folgenden als Tauscherrohr bezeichneten Rohr, dessen Mantel sowohl die Trennwand bildet und durch das die zweite Passage verläuft.
-
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sieht vor, dass die Brennerdüsen an einer als Heizwand bezeichneten Wand angeordnet sind, die sich parallel zur Achse eines Tauscherrohrs erstreckt. Die an der Heizwand angeordneten Brennerdüsen können zur Beheizung eines oder mehrerer Tauscherrohre vorgesehen sein. Vorzugsweise befindet sich die vorteilhaft als Strahlungswand ausgebildete, mit einem keramischen oder mineralischen Material beschichtete oder umhüllte oder aus einem keramischen oder mineralischen Material bestehende Heizwand zwischen dem Tauscherrohr und einer weiteren Wand, mit der sie einen mit den Brennerdüsen strömungstechnisch verbundenen Zwischenraum einschließt, der als Zuführungskanal für das Oxidationsmittel genutzt werden kann. Sinnvollerweise sind auch ein oder mehrere Zuführungskanäle für das Brenngas in diesem Zwischenraum angeordnet, so dass sie im Betrieb des Wärmetauschers durch das Oxidationsmittel vor übermäßiger thermischer Belastung geschützt werden.
-
Eine Heizwand kann eine ebene Wand sein oder sich aus mehreren ebenen Wänden zusammensetzen. Insbesondere dann, wenn der Rohrofen ein Tauscherrohr mit vertikaler Achse aufweist, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Brennerdüsen entlang der Rohrachse und gleichmäßig über den gesamten Rohrumfang verteilt angeordnet sind. Vorzugsweise ist das Tauscherrohr hierzu von einer als Rohr ausgebildeten Heizwand konzentrisch umgeben, an deren Innenseite sich die Brennerdüsen befinden, wobei der Raum zwischen den beiden Rohren die erste Passage bildet. Zweckmäßigerweise ist die rohrförmige Heizwand ihrerseits von einer weiteren als Rohr ausgebildeten Wand konzentrisch umgeben, mit der sie den für die Zuführung von Oxidationsmittel und Brenngas nutzbaren Zwischenraum einschließt.
-
Die Anordnung von Brennerdüsen an einer ebenen Heizwand eignet sich besonders dann, wenn mehrere Tauscherrohre parallel zueinander in einer Reihe angeordnet sind, wie dies etwa in Dampfreformern gewöhnlich der Fall ist, wobei die Heizwand sich zweckmäßigerweise parallel zur Rohrreihe erstreckt. Vorzugsweise sind jeder Rohrreihe zwei Heizwände zugeordnet, zwischen denen die erste Passage verläuft und sich die Tauscherrohre befinden. Besonders bevorzugt sind die Zuführungskanäle für Oxidationsmittel und Brenngas in einem Zwischenraum angeordnet, der von der Heizwand und einer weiteren, im Wesentlichen parallelen ebenen Wand gebildet wird. Bei der weiteren ebenen Wand kann es sich ebenfalls um eine Heizwand zur Beheizung einer weiteren Reihe von Tauscherrohren handeln. Die weitere Wand kann aber auch ohne Brennerdüsen ausgeführt sein und als Begrenzung für eine dritte Passage dienen, durch die aus der ersten Passage austretendes Heizgas geführt werden kann, um unter Vorwärmung von zuströmendem Oxidationsmittel und/oder Brenngas abgekühlt zu werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann die weitere ebene Wand mit Rippen oder anderen, ihre Oberfläche vergrößernden Strukturen versehen sein.
-
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich besonders zur Verwendung als Dampfreformer, Spaltofen, Dampferzeuger, Trocknungs- oder Wärmebehandlungsofen.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand dreier in den 1 bis 3 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
- Die 1a bis 1c zeigen Querschnitte durch erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit Tauscherrohren, die über eine ebene Heizwand beheizbar sind.
- Die 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit einem Tauscherrohr, das über eine rohrförmige Heizwand beheizbar ist.
- In der 3 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher dargestellt, der als Dampfreformer betrieben werden kann.
-
Die in den 1a, 1b und 1c zeigen jeweils einen Wärmetauscher, der mehrere in einer Reihe angeordnete, im Querschnitt dargestellte Tauscherrohre T umfasst, bei denen es sich beispielsweise um Reaktorrohre eines Dampfreformers handelt. Parallel zu den Tauscherrohren T erstreckt sich eine Heizwand W, die eben ist oder sich aus ebenen Wandteilen zusammensetzt (1a). Die Heizwand W begrenzt einen als Zuführungskanal für ein Oxidationsmittel O nutzbaren Zwischenraum Z und weist eine Vielzahl von entlang den Tauscherrohren T angeordneten, als Treibstrahldüsen ausgeführten Brennerdüsen D auf, die sowohl mit dem Zwischenraum Z als auch mit der im Zuführungskanal Z verlaufenden Brenngaszuführung B strömungstechnisch verbunden sind, so dass Oxidationsmittel durch das als Treibmedium dienende Brenngas angesaugt wird. Aus den Brennerdüsen D tritt ein Gasgemisch in Richtung der Tauscherrohre T aus, das nach Zündung in einer Flamme F zu einem Heizgas reagiert. Das heiße Heizgas gibt auf seinem Weg durch eine entlang der Tauscherrohre T verlaufenden ersten Passage P1 Wärme an ein in einer zweiten, von der Wand TW der Tauscherrohre T begrenzten Passage P2 geführtes Fluid ab, bei dem es sich etwa um einen Wasserdampf und Kohlenwasserstoffe umfassenden Dampfreformereinsatz handelt.
-
Während der Zwischenraum Z der in den 1a und 1b dargestellten Wärmetauscher jeweils durch zwei Heizwände W begrenzt wird, weist der Wärmetauscher der 1c zu dessen Begrenzung eine parallel zur Heizwand W angeordnete, jedoch nicht als Heizwand ausgebildete weitere Wand U auf, die mit Rippen R versehen ist, um Wärme effektiv von entlangströmendem Heizgas auf das Oxidationsmittel O bzw. das Brenngas B übertragen zu können.
-
Der Wärmetauscher der 2 weist ein vertikales Tauscherrohr T' auf, das konzentrisch von der rohrförmigen Heizwand W' umgeben ist. Die vorzugsweise ebenfalls als Treibstrahldüsen ausgeführten Brennerdüsen D' der Heizwand W' sind entlang der Rohrachse des Tauscherrohrs T' und gleichmäßig über dessen gesamten Rohrumfang verteilt angeordnet. Der Raum zwischen Tauscherrohr T' und Heizwand W' bildet die erste Passage P1', während die zweite Passage P2' durch das Tauscherrohr T' verläuft. Konzentrisch zur Heizwand W' ist eine weitere als Rohr ausgebildete Wand U' angeordnet, mit der sie den für die Zuführung von Oxidationsmittel O' und Brenngas B' nutzbaren Zwischenraum Z' einschließt.
-
Der als Dampfreformer ausgeführte Wärmetauscher der 3 weist einen von einer wärmeisolierenden Einhausung H umgebenen Feuerraum C auf, in dem die einen Reformierungskatalysator enthaltenden Reaktorrohre T" mit vertikaler Achse in parallelen Reihen angeordnet sind. Zur Zuführung eines Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf enthaltenden Einsatzstoffgemisches und zum Abzug von Synthesegas sind die Reaktorrohre T" an ihren oberen Enden durch den Verteiler V und an ihren unteren Enden über den Sammler S miteinander verbunden. Zu beiden Seiten jeder Rohrreihe befinden sich parallele Heizwände W", denen jeweils eine weitere Wand U" zugeordnet ist, die mit der Heizwand W" einen Zwischenraum Z" einschließt. In den Zwischenräumen Z" verlaufen Kanäle O" und B", über die den Brennerdüsen D" Oxidationsmittel und Brenngas zur Erzeugung eines Heizgases zugeführt werden können. Zwischen den Reaktorrohren T" einer Rohrreihe und den dieser Rohrreihe zugeordneten Heizwänden W" verläuft die erste Passage P1", in der das Heizgas nach oben strömt und dabei Wärme auf das durch die innerhalb der Reaktorrohre T" verlaufende zweite Passage P2" führbare Fluid überträgt. Durch Öffnungen K kann das Heizgas in eine dritte Passage P3 gelangen, in der es entlang der Wände U" nach unten strömt und dabei im Zwischenraum Z" geführtes Oxidationsmittel und/oder Brenngas vorwärmt, ehe es über die Abgasleitung L abgezogen wird. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen Heizgas und Oxidationsmittel bzw. Brenngas können die Wände U" mit oberflächenvergrößernden Strukturen wie beispielsweise Rippen versehen sein, die sich in die dritte Passage P3 erstrecken.
