DE102017204581A1

DE102017204581A1 - Brennerkopf zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmiger Vergasungsstoffe in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX)

Info

Publication number: DE102017204581A1
Application number: DE102017204581.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Meyer; Fred Compart; Olaf Schulze; Peter Seifert
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft Brennerköpfe zur Anordnung im Kopf eines Vergasers. Diese sind bis zu größten Leistungseinheiten ökonomisch günstig bereitstellbar. Dazu weist der Brennerkopf einen mittig angeordneten und Vergasungsstoff zuführenden ersten Kanal auf, so dass im Reaktionsraum des Vergasers ein zentral eingedüster Freistrahl von Vergasungsstoff vorhanden ist. Der erste Kanal endet in wenigstens einem kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum aufweitenden Raum. Der Brennerkopf besitzt wenigstens drei in der Wandung des kegelstumpfförmigen Raumes als Querdüsen endende zweite Kanäle für Vergasungsmittel, so dass- der zentrale Freistrahl von Vergasungsstoff und die Enden der zweiten Kanäle für Vergasungsmittel beabstandet zueinander sind,- Vergasungsmittel in den Reaktionsraum in Richtung der Brennerachse sich nicht berührend eingedüst wird,- die Querstrahlen einen kreiskegelförmigen Raum im Reaktionsraum ausbilden und- die sich ausbildenden Querstrahlen von Vergasungsmittel zur Primäroxidation vom Brennerkopf weg schräg in den Freistrahl des Vergasungsstoffs und schräg und beabstandet zum Brennerkopf gerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft Brennerköpfe zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmiger Vergasungsstoffe in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX).
Gasförmiger Vergasungsstoff, wie zum Beispiel Erdgas oder Erdölbegleitgase, wird in Vergasungsreaktoren partiell oxidiert, in dem dieser mit Vergasungsmittel bei Temperaturen bis 1.500 °C und Drücken bis 100 bar chemisch umgesetzt wird. Beim nichtkatalytischen Prozess der Partialoxidation (POX-Modus), der bei Temperaturen bis 1.500 °C abläuft, werden als Vergasungsmittel hauptsächlich Sauerstoff und untergeordnet Wasserdampf eingesetzt. Demgegenüber ist beim katalytisch unterstützten Prozess des Autothermreformings (ATR-Modus), bei dem die partielle Oxidation bei nur ungefähr 1.200 °C durchgeführt wird, der Wasserdampfanteil stark erhöht. Die Produktgase der Partialoxidation, die sogenannten Vergasungsgase, werden entweder direkt weiterverwendet (nichtkatalytischer POX-Modus) oder katalytisch reformiert (ATR-Modus). Die Temperaturen beziehen sich auf die Produktgase am Austritt des Vergasungsreaktors (POX-Modus) oder dem Eintritt in den Kataysator (ATR-Modus).
Eine partielle Oxidation wird bekannterweise mit einem oder wenigen Diffusionsbrennern am Kopf des Vergasungsreaktors durchgeführt. Vor den Brennern bilden sich Brennerflammen mit Temperaturen weit über 2000°C aus, in denen sich die Reaktanten vermischen und chemisch umsetzen. Die Brennerflammen erzeugen eine starke axiale Rezirkulationsströmung gemäß dem Reaktorprinzip eines Rührkesselreaktors. Das Rührkesselprinzip hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den Flammen und den inneren Umfassungswänden des Vergasungsreaktors ausreichend groß ist, so dass diese thermisch nicht überbeansprucht werden. Andererseits bilden sich im Vergasungsreaktor, und zwar außerhalb der Flammen, Zonen mit deutlich geringerem Reaktionsumsatz und Zonen, in denen der gasförmige Vergasungsstoff ohne schnellen Kontakt zu dem Vergasungsmittel verweilen (Totgebiete), aus. Es wird also nur ein kleiner Teil des Vergasungsraumes effektiv genutzt, das bedeutet der überwiegende Teil des Vergasungsraumes ist für den Reaktionsumsatz nicht erforderlich oder wie in den Totgebieten sogar schädlich, da dort Ruß gebildet wird. Die Baugröße der Vergasungsreaktoren beträgt das Mehrfache des reaktionstechnisch erforderlichen, so dass die Investitionskosten sehr hoch sind.
Die Brennerflammen werden im einfachsten Falle dadurch verbreitert, indem durch entsprechende Gestaltung der Austrittsöffnungen und Einbau von Drallvorrichtungen für den ausströmenden Vergasungsstoff und das ausströmende Vergasungsmittel diese verdrallt und tangential nach außen abströmen. Derartige Lösungen mit Drallvorrichtungen im Brennerzentralkanal und Brennerringkanal zur Verwirbelung und Aufweitung des Stromes des Vergasungsmittels und des Vergasungsstoffes sind beispielsweise durch die Druckschriften US 4,704,971 , DE 31 23 866 A1 , WO 01/081509 A , WO 02/42686 A1 , US 2004/0067461 A1 , WO 2005/017411 A1 , US 2007/0134608 A1 , US 7,267,809 B2 und WO 2011/095274 A2 bekannt.
Flächenhaft ausgebildete Brenner, sogenannte Brennerblöcke, mit mindestens drei Brennern sind beispielsweise aus den Druckschriften EP 1 182 181 A1 , DE 37 26 875 C2 und EP 1 717 295 B1 bekannt.
Die Druckschrift EP 1 182 181 A1 offenbart einen Vormisch-Brennerblock für partielle Oxidationsprozesse. Der Vorschlag ist für Vergasungsreaktoren, die bei hohen Drücken betrieben werden, nicht geeignet, da die geforderten, sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Austritt aus dem Brennerblock unter erhöhten Drücken nicht realisiert werden können. Des Weiteren ist der Brennerblock für Temperaturen im Vergaser von kleiner 1.400°C begrenzt. Diese Temperaturen werden in Vergasern in der Regel überschritten.
Die Druckschrift DE 37 26 875 C2 beinhaltet einen wassergekühlten Mehrdüsen-Brenner, bei dem die Reaktanten in Form des Vergasungsstoffes Erdgas und des exotherm reagierenden Vergasungsmittels, durch Kühlwasser führende Zwischenräume voneinander getrennt sind. Diese Lösung ist für die technische Ausführung von Vergasungsbrennern, die die hohe Vorwärmung des Vergasungsmittels bis ungefähr 400°C und des Vergasungssbffes bis ungefähr 650°C erfordern, nicht geeignet. Durch die Kompaktheit der Bodenplatte würde diese aufgrund der hohen thermischen Spannungen schnell zerstört werden. Ebenso können die Längsdehnungen der nicht gekühlten Zuführungsrohre mechanisch nicht abgefangen werden.
Die Druckschrift EP 1 717 295 B1 beschreibt einen flächenhaften Vergasungsinjektor für Kohleslurry und Vergasungsmittel in Form von Sauerstoff. Die flächenhafte Verteilung des Vergasungsstoffes und die Zumischung von Sauerstoff an der gekühlten Frontplatte sind apparate- und betriebstechnisch extrem aufwändig. Es bestehen massive sicherheitstechnische Bedenken gegenüber einem mit Sauerstoff beaufschlagten Druckraum, bei dem es bei erhöhten Temperaturen (hot spots) zu Sauerstoffbränden mit den umgebenden drucktragenden metallischen Wänden kommen kann. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn eines der Slurry-Einspritzrohre im Durchfluss gestört ist und sich durch Rückzündung in den Sauerstoff-Druckraum hinein erwärmt. Eine aufwändige Temperaturüberwachung der gesamten Frontplatte im Sauerstoff-Druckraum ist unumgänglich.
In der Druckschrift CN 202 080 879 U wird ein Brenner vorgeschlagen, bei dem der Vergasungssauerstoff nicht in einer zentralen Rohrdüse, sondern in einer Ringdüse, die von gekühlten Wänden umgeben ist, in den Vergasungsreaktor eingedüst wird. Die Ringdüse für Sauerstoff ist von einer Ringdüse für Vergasungsstoff umgeben. Die konzentrische Ringanordnung ermöglicht jedoch nur eine geringe Verbreiterung der Brennerflamme, da bei einer größeren Ausdehnung der Brennerringe die gleichmäßige Verteilung der Reaktanten über den Ringquerschnitt nicht mehr gewährleistet ist und bei einer stärkeren Ausdehnung der Brennerringe sich die Zirkulationsströmung von außen nach innen verlegen würde. Der um die Sauerstoff-Ringdüse außen herum austretende Vergasungsstoff strömt in einer geringeren Strahlstärke in den Reaktionsraum. Dies führt zu einer stärkeren Verdünnung des Vergasungsstoffes durch Einmischung der umgebenden Produktgase, wodurch sich die Reaktionsraten mit Sauerstoff verringern und der Methanschlupf steigt.
Zum Ausfüllen des Vergaserquerschnitts mit Brennerflammen sind Brennerplatten mit mehreren Brennern bekannt. Derartige Lösungen sind beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2014 211 755 A1 als Vergaserkopf und Verfahren für die Partialoxidation von gasförmigem und flüssigem Vergasungsstoff und in der Druckschrift DE 10 2014 211 757 A1 als Brennervorrichtung für die Partialoxidation von gasförmigem Vergasungsstoff beschrieben. Die Anordnungen der Brenner am Brennerkopf und damit die Verteilung des Vergasungsmittels und des Vergasungsstoffes soll zu einer überwiegenden Kolbenströmung im Vergaserinnenraum führen. Bei den Brennern besteht jedoch die Möglichkeit, dass sich die Rezirkulationsströmungen nunmehr um die getrennt stehenden Brennerflammen herum ausbilden, die die gewünschte Kolbenströmung beeinträchtigen und das Prinzip des Rührkesselreaktors auf kleinere Skalen hin verlagert wird. Hinter jeder Brennerflamme kann sich eine eigene Wirbelstrecke mit geringer Quervermischung zur Umgebung ausprägen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf zur Anordnung im Kopf eines Brenners für einen nach dem POX- oder ATR-Prinzip arbeitenden Vergaser bis zu größten Leistungseinheiten ökonomisch günstig bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Brennerköpfe zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmiger Vergasungsstoffe in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX) zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Brennerköpfe bis zu größten Leistungseinheiten ökonomisch günstig bereistellbar sind.
Dazu weist der zylindrisch ausgebildete Brennerkopf einen mittig angeordneten und Vergasungsstoff zuführenden ersten Kanal auf, so dass im Reaktionsraum des Vergasers ein zentraler eingedüster Freistrahl von Vergasungsstoff vorhanden ist. Der erste Kanal endet in wenigstens einem kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum aufweitenden Raum. Der Brennerkopf besitzt wenigstens drei in der Wandung des kegelstumpfförmigen Raumes als Querdüsen endende zweite Kanäle für Vergasungsmittel, so dass

- der zentrale Freistrahl von Vergasungsstoff und die Enden der zweiten Kanäle für Vergasungsmittel beabstandet zueinander sind,
- Vergasungsmittel in den Reaktionsraum in Richtung der Brennerachse sich nicht berührend eingedüst wird,
- die Querstrahlen einen kreiskegelförmigen Raum im Reaktionsraum ausbilden und
- die sich ausbildenden Querstrahlen von Vergasungsmittel zur Primäroxidation vom Brennerkopf weg schräg in den Freistrahl des Vergasungsstoffs und schräg und beabstandet zum Brennerkopf gerichtet sind. Weiterhin weist der Brennerkopf wenigstens einen Kühlmittel im Brennerkopf führenden Kühlkanal auf.

Der Brennerkopf kann zur Zuführung des Vergasungsmittels einen Ringkanal aufweisen, von dem die zweiten die Querdüsen ausbildenden Kanäle abzweigen.
Vorteilhafterweise ist der Brennerkopf ein Bestandteil eines Brenners im Kopf eines nach dem POX- oder ATR-Prinzip wirkenden Vergasers, wobei von der Stirnfläche des Brennerkopfes der Vergasungsstoff mittels eines mittigen Auslasses unter Ausbildung eines zentralen Freistrahls in den Reaktionsraum des Vergasers eingebracht werden. Die Freistrahlachse liegt auf der Brennerachse. Weiterhin werden von der Stirnfläche des Brennerkopfes mittels Düsen das Vergasungsmittel unter Ausbildung von Freistrahlen eingedüst. Dabei sind diese auf den zentralen Freistrahl gerichtet. Der Brennerkopf gestattet die Ausbildung eines dreidimensionalen Flammenraums in der Hülle eines im oberen Sektor stark verkürzten Doppelkegels.
Die Querstrahlen sind dabei so auf den zentralen Freistrahl gerichtet, dass der zentrale Freistrahl unmittelbar nach Austritt aus dem mittigen Auslass weitestgehend bis vollständig von den Querstrahlen durchdrungen wird, wobei sich die Querstrahlen gegenseitig nicht oder höchstens randlich berühren oder randlich überdecken. Die Querstrahlen sind in Richtung der Brennerachse rotationssymmetrisch ausgerichtet, zur Brennerachse hingeneigt und schneiden mit gleichen Winkeln als Sekanten seitlich den zentralen Freistrahl.
Die Düsen sind vorzugsweise in einem Düsenkreis, der dem Durchmesser des oberen Kreiskegels entspricht, um den zentralen Auslass herum angeordnet.
Die vorgeschlagene Quervermischung in der gedachten Kontur eines Doppelkegels basiert auf Erkenntnissen von Untersuchungen zur POX-Vergasung. Optische Messungen und Berechnungen haben gezeigt, dass die Längen der Flammen der Primäroxidation in einem bestimmten Verhältnis zu dem diesen Freistrahlen zugeordneten thermischen Leistungen steht, wobei die Flammenlängen im Verhältnis zum Durchmesser des Reaktionsraums kurz sind. Außerdem haben Querdüsen, die in einen Gasraum mit geringen Gasgeschwindigkeiten eindüsen, einen besonders hohen Quervermischungseffekt gezeigt. Desweiteren wurde festgestellt, dass sich flammenabwärts stabile, heiße Gasschleppen ausbilden. Diese sind nach Querflammen breiter als nach Axialflammen. Daraus folgt, dass es von großem Vorteil ist, die Brennerflammen statt der Längsausrichtung quer auszurichten. Diese wird entsprechend der gewählten Winkel und der Leistung der Querflammen so vorgenommen, dass es zu einer möglichst großen radialen Verbreiterung der Kontur des unteren Kreiskegels der Flammen kommt, ohne dass die Flammenenden die Wände berühren. Der Durchmesser des unteren durch die Flammen ausgebildeten Kreiskegels kann das mindestens Zweifache des äußeren Durchmessers des Brennerkopfs betragen. Bei größeren Vergaserleistungen kann es von Vorteil sein, wenn der Durchmesser des unteren Kreiskegels 60 % bis 75 % des lichten Durchmessers des zylindrischen Reaktionsraums des Vergasers ausmacht. Dabei können vorteilhaft so viele Querdüsen eingesetzt werden, dass die gewünschten Durchmesser erreicht werden.
Für die intensive Vermischung ist es von Vorteil, wenn die aus den Querdüsen mit hohen Geschwindigkeiten austretenden Querstrahlen auf die langsamer strömenden Gase des zentralen Freistrahls quer auftreffen und diese durchdringen. Damit es zur Durchdringung kommt, muss ein Verhältnis der Geschwindigkeiten des zentralen Freistrahls zu denen der Querstrahlen von beispielsweise 30 % bis 50 % eingehalten werden. Bei diesen Geschwindigkeitsverhältnissen werden die langsamer strömenden Gase des zentralen Freistrahls mitgerissen und in die schneller strömenden Gase der Querstrahlen eingemischt.
Sowohl durch die Zahl der Flammen als auch durch ihre Querausrichtung bildet sich eine Vielzahl von Gasschleppen aus. Gleichzeitig erhöht sich die Quervermischung im Reaktionsraum, hervorgerufen durch die verteilten Rezirkulationsströmungen um die Flammen. Durch die Quervermischung ist das radiale Profil der Geschwindigkeit der Abwärtsströmung ausgeglichener als bei herkömmlichen Axialbrennern. Dadurch bedingt ist auch das Verweilzeitspektrum der Gasvolumina für die folgenden endothermen Synthesegasreaktionen ausgeglichener.
Dabei ist es möglich, die Gasverteilung, das heißt die Zuführung des Vergasungsstoffs über den ersten Kanal als zentralen Auslass und Vergasungsmittel über die Querdüsen, im Brennerkopf entsprechend der Anforderungen an den Prozess flexibel anzupassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 angegeben.
Die Zahl der Querdüsen für Vergasungsmittel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 so groß, dass der Durchmesser der Grundfläche des durch die Querstrahlen ausgebildeten Kreiskegels mindestens das Zweifache des Durchmessers des Brennerkopfs ist.
Die Querstrahlen der Querdüsen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 in Richtung der Brennerachse rotationssymmetrisch ausgerichtet und mit Winkeln jeweils einschließlich von 45° bis 80° zur Brennerachse in Richtung Brennerkopf hingeneigt. Die Symmetrieachse des ersten Kanals und die Symmetrieachsen der Querdüsen schließen dazu in Richtung Brennerkopf Winkel jeweils einschließlich von 45° bis 80° ein. Die Winkel der Freistrahlen sind gleich.
Die Querdüsen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 so angeordnet, dass die Winkel benachbarter oder der jeweilig übernächsten Symmetrieachsen der Querdüsen gleich sind.
Die Enden der Querdüsen enden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 in einer Ebene oder in wenigstens zwei Ebenen, wobei bei zwei Ebenen benachbarte Querdüsen in benachbarten Ebenen enden.
Der Brennerkopf besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 mindestens drei um den kreiskegelförmigen Raum angeordnete und in den Reaktionsraum endende Mittendüsen für Vergasungsmittel. Daraus sind Mittenstrahlen von Vergasungsmittel zur Primäroxidation vorhanden, die mindestens teilweise den Innenraum des durch die Querstrahlen ausgebildeten Kreiskegels ausfüllen.
Die Mittenstrahlen der Mittendüsen für Vergasungsmittel sind in den von den Querstrahlen umhüllten Raum hinein gerichtet, wobei sie sich weder selbst noch die Querstrahlen schneiden, höchstens jedoch randlich berühren oder randlich überdecken. Die Mittenstrahlen sind in Richtung der Brennerachse gesehen, rotationssymmetrisch ausgerichtet und sind zur Brennerachse weg oder hingeneigt. Weiterhin können diese mit gleichen Winkeln als Sekanten seitlich den zentralen Freistrahl schneiden und/oder treffen mit verschiedenen Winkeln als Zentralen mittig auf die Brennerachse.
Die zusätzlich zu den Querdüsen angeordneten Mittendüsen tragen dazu bei, den Innenraum des durch die Strahlen ausgebildeten unteren Kreiskegels mit Mittenstrahlen auszufüllen, wobei die Mittenstrahlen in ihrer Länge so eingestellt werden, das sie nicht wesentlich über das untere Ende des gedachten, unteren Kreiskegels hinausragen. Dadurch beginnen die Gasschleppen aus dem Mittenstrahl und aus dem Querstrahl in ähnlicher Höhe, das heißt die Verweilzeit der Gasschleppen bis zum Austritt aus dem Reaktor ist annähernd gleich. Aus Symmetriegründen sind mindestens drei Mittendüsen vorhanden.
Die Menge des mittels der Mittendüsen in den Reaktionsraum zugeführten Vergasungsmittels ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 kleiner 50 % des mittels der Querdüsen zugeführten Vergasungsmittels. Um die Quervermischung zu betonen, werden mit den Mittendüsen weniger als 50 % der Gase, vorzugsweise 25 % bis 30 %, zugeführt. Das Erfordernis von Mittendüsen und die genaue Zahl können entsprechend der Gesamtzahl aller Düsen entsprechend der Innenraumgeometrie des Vergasers abgestimmt werden.
Die Mittenstrahlen der Mittendüsen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 in den von den Querstrahlen der Querdüsen umhüllten Raum hinein gerichtet, wobei sich die Mittenstrahlen der Mittendüsen und die Querstrahlen der Querdüsen weder selbst noch miteinander schneiden, höchstens sich berühren oder bereichsweise überdecken.
Die Mittenstrahlen der Mittendüsen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 in Richtung der Brennerachse rotationssymmetrisch ausgerichtet. Die Symmetrieachse des ersten Kanals und die Symmetrieachsen der Mittendüsen in Richtung Brennerkopf schließen Winkel jeweils einschließlich von 110° bis 135° ein.
Der erste Kanal endet nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 in zwei übereinander angeordneten kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum 3 aufweitenden Räumen.
Die Austrittsgeschwindigkeit des Vergasungsstoffs ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 kleiner als die Austrittsgeschwindigkeiten des Vergasungsmittels. Die Austrittsgeschwindigkeit des Vergasungsstoffs kann so insbesondere 30 % bis 50 % der Austrittsgeschwindigkeiten des Vergasungsmittels sein.
Die Austrittsgeschwindigkeiten des Vergasungsstoffs und des Vergasungsmittels sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 jeweils einschließlich 50 m/s bis 120 m/s.
Der Auslass des ersten Kanals des Brennerkopfes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 in Richtung des Reaktionsraums mit einer Verlängerung versehen. Der erste Kanal endet damit in wenigstens zwei kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum aufweitenden Räumen. Im in Strömungsrichtung des Vergasungsstoffs ersten kegelstumpfförmig ausgebildeten Raum enden die Querdüsen. Der in Strömungsrichtung des Vergasungsmittels sich unmittelbar anschließende und den zweiten kegelstumpfförmig ausgebildeten Raum aufweitende zweite kegelstumpfförmige Raum ist die Verlängerung. Wenigstens ein Bereich der Verlängerung weist einen Kühlmittelringkanal auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 ein Brennerkopf zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmigen Vergasungsstoffs in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX),
2 ein Brennerkopf in einer Draufsicht,
3 ein Brennerkopf mit einem Kühlmittelringkanal.

Ein Brennerkopf 1 zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmigen Vergasungsstoffs in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX), weist im Wesentlichen einen mittig angeordneten und Vergasungsstoff 8 zuführenden ersten Kanal 5, wenigstens drei als Querdüsen ausgebildete zweite Kanäle 11 für Vergasungsmittel 9 und wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal 17 auf. Der erste Kanal 5 endet in einem kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum 3 aufweitenden Raum.
Die 1 zeigt einen Brennerkopf 1 zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmigen Vergasungsstoffs in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX) in einer prinzipiellen Darstellung.
Nachfolgend wird ein dreidimensionaler Außenstrahlbrenner für die Partialoxidation von Vergasungsstoff 8, beispielsweise als Erdgas, beschrieben.
Der Brennerkopf 1 ragt mit der Stirnfläche 2 in den Reaktionsraum des Vergasers 3. Der Brennerkopf 1 ist entgegen dem Reaktionsraum des Vergasers durch Enden 4 für Rohre (hier nicht dargestellt) zur Gaszuführung und Wasserkühlung begrenzt. Zentral im Brennerkopf 1 befindet sich der erste Kanal 5 zur Zuführung für den Vergasungsstoff 8 mit einem mittigen Auslass 6 und einem Düsenmund 7 für Vergasungsstoff 8 Erdgas. Der Zuführung des Vergasungsmittels 9 dienen Zuführungskanäle oder eine Zuführung 10 als Ringkanal und die zweiten Kanäle 11 jeweils als Querdüse mit einem Düsenmund 12 für das Vergasungsmittel 9. Der Brennerkopf 1 ist wassergekühlt. Schematisch dargestellt sind ein Zuführungskanal 13 für das zugeführte kalte Kühlwasser 14, ein Abführungskanal 15 für das abgeführte erwärmte Kühlwasser 16 und eine der vielen radialen Kühlwasserleitungen 17 für die Kühlung der thermisch hochbelasteten Stirnfläche 2 des Brennerkopfs 1.
Der Vergasungsstoff 8 wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 m/s am Düsenmund 7 in den Reaktionsraum 3 eingedüst. Vor der Stirnfläche 2 bildet sich ein axialer zentraler Freistrahl von Vergasungsstoff 8. Zentrisch um den mittigen Auslass 6 sind an der Stirnfläche 2 rotationssymmetrisch die Querdüsen 11 angeordnet, mit denen Vergasungsmittel 9 als Sauerstoff eingedüst wird. Dabei bilden sich Querstrahlen (Querflammen) aus. Die Querstrahlen der Querdüsen 11 sind in Richtung der Brennerachse rotationssymmetrisch ausgerichtet. Weiterhin schließen die Symmetrieachse des ersten Kanals 5 und die Symmetrieachsen der Querdüsen 11 in Richtung Brennerkopf 1 Winkel jeweils einschließlich von 45° bis 80°, insbesondere 55°, ein.
Der Brennerkopf 1 weist weiterhin Mittendüsen 18 mit Düsenmündern 19 auf. Der Zuführung von Vergasungsmittel 9 zu den Mittendüsen 18 dient die Zuführung 10 als Ringkanal oder die Zuführungskanäle. Die Symmetrieachse des ersten Kanals 5 und die Symmetrieachsen der Mittendüsen 18 schließen in Richtung Brennerkopf 1 Winkel jeweils einschließlich von 110° bis 135°, insbesondere 115°, ein. Sechs Mittendüsen 18 befinden sich rotationssymmetrisch zwischen sechs Querdüsen 11, allerdings auf einem größeren Lochkreis 21.
Die 2 zeigt einen Brennerkopf 1 in einer prinzipiellen Draufsicht.
Die Düsenmünder 12 der der Querdüsen 11 befinden sich auf einem Lochkreis 20. Die Düsenmünder 19 der Mittendüsen 18 sind auf dem Lochkreis 21. Der Lochkreis 20 bildet den Radius des gedachten oberen Kreiskegels des Auslass 6 des Vergasungsstoffs 8.
Die Querdüsen 11 können so dimensioniert sein, dass der Durchmesser des durch die Querstrahlen ausgebildeten unteren Kreiskegels das Zweifache des äußeren Durchmessers des Brennerkopfs 1 beträgt. Des Weiteren können die Mittendüsen 18 so ausgelegt sein, dass die Mittenstrahlen leicht oberhalb des unteren Endes des unteren Kreiskegels auf dem Kreis, der von den Enden der Querstrahlen gebildet wird, enden. Über die Mittendüsen 18 kann vorteilhafterweise 30 % der Menge des Vergasungsmittels 9 zugeführt.
Die 3 zeigt einen Brennerkopf 1 mit einem Kühlmittelringkanal 26 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Auslass 6 des ersten Kanals 5 des Brennerkopfes 1 ist in einer Ausführungsform in Richtung des Reaktionsraums 3 verlängert. Der erste Kanal 5 endet in wenigstens zwei kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum 3 aufweitenden Räumen 22, 23. Im in Strömungsrichtung des Vergasungsstoffs 8 ersten kegelstumpfförmig ausgebildeten Raum 22 enden die Querdüsen 11 mit ihren Düsenmündern 12. Der in Strömungsrichtung des Vergasungsmittels 8 zweite kegelstumpfförmige Raum 23 ist eine Verlängerung 24 des Brennerkopfes 1 in Richtung Reaktionsraum 3. Wenigstens eh Bereich der Verlängerung 24 weist einen Kühlmittelringkanal 25 auf. Im Brennerkopf 1 ist damit ein Wassermantel vorhanden, der den im ersten Kanal 5 strömenden Vergasungsstoff 8 und die Anfangsbereiche des zentralen Freistrahls des Vergasungsstoffs 8 und der Querstrahlen des Vergasungsmittels 9 aus den Querdüsen 11 umgibt.
Bezugszeichenliste

1: Brennerkopf
2: Stirnfläche
3: Reaktionsraum des Vergasers
4: Ende Brennerkopf
5: erster Kanal
6: Auslass
7: Düsenmund (Vergasungsstoff)
8: Vergasungsstoff
9: Vergasungsmittel
10: Zuführung (Vergasungsmittel)
11: zweiter Kanal als Querdüse (Vergasungsmittel)
12: Düsenmund der Querdüse
13: Zuführungskanal Kühlwasser
14: zugeführtes Kühlwasser
15: Abführungskanal Kühlwasser
16: erwärmtes Kühlwasser
17: radiale Kühlwasserleitungen
18: Mittendüse (Vergasungsmittel)
19: Düsenmund Mittendüse
20: Lochkreis Düsenöffnungen Querstrahlen
21: Lochkreis Düsenöffnungen Mittenstrahlen
22: erster Raum
23: zweiter Raum
24: Verlängerung
25: Kühlmittelringkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4704971 [0004]
DE 3123866 A1 [0004]
WO 01/081509 A [0004]
WO 0242686 A1 [0004]
US 2004/0067461 A1 [0004]
WO 2005/017411 A1 [0004]
US 2007/0134608 A1 [0004]
US 7267809 B2 [0004]
WO 2011/095274 A2 [0004]
EP 1182181 A1 [0005, 0006]
DE 3726875 C2 [0005, 0007]
EP 1717295 B1 [0005, 0008]
CN 202080879 U [0009]
DE 102014211755 A1 [0010]
DE 102014211757 A1 [0010]

Claims

Brennerkopf zur Anordnung im Kopf eines Vergasers zur Primäroxidation gasförmiger Vergasungsstoffe in Vergasern nach dem Prinzip der autothermen Reformierung (ATR) oder der nichtkatalytischen Partialoxidation (POX), dadurch gekennzeichnet, - dass der zylindrisch ausgebildete Brennerkopf (1) einen mittig angeordneten und Vergasungsstoff (8) zuführenden ersten Kanal (5) so aufweist, dass im Reaktionsraum (3) des Vergasers ein zentraler eingedüster Freistrahl von Vergasungsstoff (8) vorhanden ist, - dass der erste Kanal (5) in wenigstens einem kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum (3) aufweitenden Raum endet, - dass der Brennerkopf (1) wenigstens drei in der Wandung des kegelstumpfförmigen Raumes als Querdüsen endende zweite Kanäle (11) für Vergasungsmittel (9) besitzt, so dass der zentrale Freistrahl von Vergasungsstoff (8) und die Enden der zweiten Kanäle (11) für Vergasungsmittel (9) beabstandet zueinander sind, Vergasungsmittel (9) in den Reaktionsraum (3) in Richtung der Brennerachse sich nicht berührend eingedüst wird, die Querstrahlen einen kreiskegelförmigen Raum im Reaktionsraum (3) ausbilden und die sich ausbildenden Querstrahlen von Vergasungsmittel (9) zur Primäroxidation vom Brennerkopf (1) weg schräg in den zentralen Freistrahl des Vergasungsstoffs (8) und schräg und beabstandet zum Brennerkopf (1) gerichtet sind, und - dass der Brennerkopf (1) wenigstens einen Kühlmittel im Brennerkopf (1) führenden Kühlkanal (17) aufweist.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Querdüsen (11) für Vergasungsmittel (9) so groß ist, dass der Durchmesser der Grundfläche des durch die Querstrahlen ausgebildeten Kreiskegels mindestens das Zweifache des Durchmessers des Brennerkopfs (1) ist.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querstrahlen der Querdüsen (11) in Richtung der Brennerachse rotationssymmetrisch ausgerichtet sind und dass die Symmetrieachse des ersten Kanals (5) und die Symmetrieachsen der Querdüsen (11) in Richtung Brennerkopf (1) Winkel jeweils einschließlich von 45° bis 80° einschließen.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querdüsen (11) so angeordnet sind, dass die Winkel benachbarter oder der jeweilig übernächsten Symmetrieachsen der Querdüsen (11) gleich sind.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Querdüsen (11) in einer Ebene oder in wenigstens zwei Ebenen enden, wobei bei zwei Ebenen benachbarte Querdüsen (11) in benachbarten Ebenen enden.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (1) mindestens drei um den kreiskegelförmigen Raum angeordnete und in den Reaktionsraum endende Mittendüsen (18) für Vergasungsmittel (9) besitzt und dass daraus Mittenstrahlen von Vergasungsmittel (9) im Reaktionsraum (3) zur Primäroxidation vorhanden sind, die mindestens teilweise den Innenraum des durch die Querstrahlen der Querdüsen (11) ausgebildeten Kreiskegels im Reaktionsraum (3) ausfüllen.
Brennerkopf nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des mittels der Mittendüsen (18) in den Reaktionsraum (3) zugeführten Vergasungsmittels (9) kleiner 50 % des mittels der Querdüsen (11) zugeführten Vergasungsmittels (9) sind.
Brennerkopf nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenstrahlen der Mittendüsen (18) in den von den Querstrahlen der Querdüsen (11) umhüllten Raum hinein gerichtet sind, wobei sich die Mittenstrahlen der Mittendüsen (18) und die Querstrahlen der Querdüsen (11) weder selbst noch miteinander schneiden, höchstens sich berühren oder bereichsweise überdecken.
Brennerkopf nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenstrahlen der Mittendüsen (18) in Richtung der Brennerachse rotationssymmetrisch ausgerichtet sind und dass die Symmetrieachse des ersten Kanals (5) und die Symmetrieachsen der Mittendüsen (18) in Richtung Brennerkopf (1) Winkel jeweils einschließlich von 110° bis 135° einschließen.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (5) in zwei übereinander angeordneten kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum (3) aufweitenden Räumen (22, 23) endet.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Vergasungsstoffs (8) kleiner als die Austrittsgeschwindigkeiten des Vergasungsmittels (9) ist.
Brennerkopf nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeiten des Vergasungsstoffs (8) und des Vergasungsmittels (9) jeweils einschließlich 50 m/s bis 120 m/s sind.
Brennerkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (6) des ersten Kanals (5) des Brennerkopfes (1) in Richtung des Reaktionsraums (3) mit einer Verlängerung (24) versehen ist, dass der erste Kanal (5) in wenigstens zwei kegelstumpfförmig ausgebildeten und sich in Richtung Reaktionsraum (3) aufweitenden Räumen (22, 23) endet, dass im in Strömungsrichtung des Vergasungsstoffs (8) ersten kegelstumpfförmig ausgebildeten Raum (22) die Querdüsen (11) enden, dass der in Strömungsrichtung des Vergasungsmittels (8) zweite kegelstumpfförmige Raum (23) die Verlängerung (24) ist und dass wenigstens ein Bereich der Verlängerung (24) einen Kühlmittelringkanal (25) aufweist.