DE10333854A1

DE10333854A1 - Röhrenspaltofen

Info

Publication number: DE10333854A1
Application number: DE2003133854
Authority: DE
Inventors: Manfred Severin; Evgeni Dr. Gorval; Josef Kurt
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17
Also published as: WO2005018793A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Röhrenspaltofen zur katalytischen Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf unter erhöhtem Druck, 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.

Description

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.

Röhrenspaltöfen 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.

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.

Bei solchen bekannten Bauweisen, insbesondere in Röhrenspaltöfen 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.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher, die Bauweise des Reaktors dahingehend zu verbessern, dass eine Vergleichmäßigung der Rauchgasströmung und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden.

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.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Außenwände der Tunnel stufenförmig ausgebildet, wobei die Keilform erhalten bleibt.

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.

Die Stabilität aller Ausgestaltungen kann durch Ausführung eines Formsteins mit Nut und Feder oder Formteilen mit Nut und Feder wesentlich verbessert werden.

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.

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.

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.

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
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.
1 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform,
2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform,
3 zeigt einen gegenüber 2 um eine vertikale Achse um 90 Grad gedrehten Schnitt der Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist,
4 zeigt eine Bauform herkömmlicher Art.
1, 2, 3 und 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.
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.
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 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.
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 Erfindung 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 4 dargestellten Stand der Technik benötigt, was zu erheblichen Einsparungen bei den Investitionskosten führt und ein weiterer Vorteil der Erfindung ist.
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 Oben box 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.
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.
Aufgrund der erheblichen Gewichte der als Mauern ausgeführten Leitflächen 9 und 10 müssen in den Tunneln 8 Abstützungen 11 vorgesehen werden. 3 zeigt diese Abstützungen in einer um 90 Grad gedrehten Darstellung. 3 zeigt auch eine der Leitflächen 10, die im vorliegenden Beispiel eine geschwungene, zu den Rändern hin ansteigende Form aufweist.
Selbstverständlich sind die in 1 bis 3 gezeigten Merkmale auch kombinierbar. So kann auch auf einen Tunnel, wie er in 1 gezeigt wird, noch eine Leitfläche aufgesetzt werden, außerdem können auch die in 1 gezeigten Tunnel mit Abstützungen versehen werden. Auch können sowohl die Tunnel eine geschwungene Form aufweisen, vorzugsweise zum Rand hin ansteigend, wie die in 3 gezeigte Leitfläche, als auch die Leitfläche gerade Oberkanten aufweisen.

1: Ofenbox
2: Spaltrohre
3: Synthesegassammler
4: Brenner
5: Tunnel
6: Tunnel
7: Abzugskammer
8: Tunnel
9: Leitfläche
10: Leitfläche
11: Abstützung

Claims

Röhrenspaltofen zur katalytischen Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf unter erhöhtem Druck, • 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, dadurch gekennzeichnet, dass • die Außenwände der Tunnel im wesentlichen keilförmig, in Aufwärtsrichtung aufeinander zulaufend ausgeprägt sind.
Röhrenspaltofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände der Tunnel stufenförmig ausgebildet werden.
Röhrenspaltofen gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Tunnelaußenwände erhöht werden, indem entweder der Tunnel spitzer ausgeführt oder eine Wand oder ein Keil aus keramischen oder hitzebeständigen metallischen Werkstoffen aufgesetzt wird.
Röhrenspaltofen gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgastunnel in den äußeren „Gassen" durch eine gegenüber den übrigen Tunneln weitere Höhenvergrößerung so gestaltet werden, dass eine gleichmäßigere Abströmung der Rauchgase erreicht wird.