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Brenner für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen unter
Bildung von Synthesegas Die Erfindung be t eine Vorrichtung zur Herstellung von
Synthes as (Kohlenoxyd und Wasserstoff) durch teilweise erbrennung eines insbesondere
gasförmigen Kohlen serstoffs mittels mit Sauerstoff angereicherter L oder reinen
Sauerstoffs.
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Die teilweise Verbre ung eines Kohlenwasserstoffs mittels mit Sauerstoff
ereicherter Luft oder reinen Sauerstoffs zur Hers ung von Kohlenoxyd und Wasserstoff
wirft beso re Probleme auf, die in der Brennertechnik normal -eise nicht auftreten.
Beispielsweise ist es not' dig, das Vermischen der Reaktionsteilnehmer sc 11 und
gründlich durchzuführen sowie besonder @faßnahmen zu treffen, um eine Überhitzung
des Br ers oder Mischers zu vermeiden.
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Wegen der Reaktions udigkeit des Sauerstoffs gegen Metalle, aus den
die Brenner hergestellt werden, ist es von äuße er Wichtigkeit, zu verhindern, daß
Brennerteile olche Temperaturen erreichen, bei denen eine sch e Oxydation erfolgt.
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Es ist daher wesentlich, die Reaktion zwischen dem Kohlenwasserstoff
un auerstoff ausschließlich außerhalb des Brenners selb tattfindet und daß eine
örtlich begrenzte Anreicher brennbarer Gemische an oder nahe den Oberfläch der Brennerteile
verhindert wird. Selbst wenn di eaktion außerhalb der Austrittsöffnung des Brenn
stattfindet, sind die Brennerteile einer - Erhitzun durch die Wärmestrahlung der
Reaktion ausge t, Unzureichendes Vermische ührt zur Anreicherung von Sauerstoff
in örtlich grenzten Bereichen, in denen dann unter Freiw n großer Wärmemengen eine
relativ vollständ Verbrennung des Brennerstoffs stattfindet. Auß cm bilden, unabhängig
von der verwendeten ennerkonstruktion, Wirbelströme der Reaktionst ehmer nahe den
Brennerflächen brennbare Gem e.--Werden diese Oberflächen nicht bei einer Tem atur
gehalten, die unterhalb der Zündtemperatur d emische liegt, so wirken sie als Flammenträger;
di durch erfolgende Verbrennung entlang den Oberfl en führt schnell zur Überhitzung
und zur Beschäd ng von Brennerteilen.
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Ein weiteres, dieser Reakti eigentümliches Problem ist die - meist
als Fol unzureichenden Vermischens der Gase auftretend Neigung zur Bildung freien
Kohlenstoffs am B er oder in der Reaktionszone, die zum Versagen d renners führt,
da Kohlenstoffablagerungen an d rennerflächen beim Vermischen der Gase störend en
und örtlich begrenzte Sauerstoffanreicherungen ie eine entsprechende Überhitzung
der Brenn ile als Folge der Verbrennung verursachen.
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Bei herkömmlichen Brennern hat sich als notwendig erwiesen, zur Verhinderung
der Kohlenstoffbildung mehr als die theoretische Menge Sauerstoff zu verwenden.
Hierdurch treten oft unerwünscht hohe Reaktionstemperaturen auf, die das Problem
der Brennerkühlung noch schwieriger machen. Weitere Schwierigkeiten entstehen auch
daraus, daß es bei der teilweisen Verbrennung von Gasen wünschenswert ist, die Reaktionsgase
zur Verringerung des Sauerstoffbedarfs und zur Erzielung einer Höchstmenge an Produktgas
dem Brenner in hocherhitztem Zustand zuzuführen.
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Aus einem oder mehreren der angeführten Gründe zeigen die herkömmlichen
Brenner beim Gebrauch Beschädigungen an Brennerteilen, insbesondere durch Erosion
des Metalls an den Brennerspitzen, selbst wenn diese Teile wassergekühlt sind; auch
wenn die Reaktionsteilnehmer vorgemischt und mit Strömungsgeschwindigkeiten aus
dem Brenner gespritzt werden, die höher sind als die Fortpflanzung der Flammenfront,
reagieren die hoch reaktionsfähigen Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemische entlang
einer Gasschicht, die stets längs der Oberfläche des Leitungsrohres oder der Öffnung,
durch die sie ausströmen, vorhanden ist, und bewirken dadurch ein relativ schnelles
Versagen des Brenners.
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Ziel der Erfindung ist ein neuartiger Brenner für die Herstellung
von Synthesegas, der die Nachteile der bisher verwendeten Konstruktionen überwindet,
einfach
gebaut und wirtschaftlich im Betrieb ist und der ferner so konstruiert ist, daß
er für verschiedenartige Brennstoffe verwendet werden kann.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine verbesserte Brennerkonstruktion,
die besonders gut für den Austausch von Brennerteilen eingerichtet ist, ohne daß
ein Leistungsrückgang eintritt, sowie eine verbesserte Brennerkonstruktion für verschiedenartige
Brennermündungsöffnungen.
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Bei der Brennerkonstruktion gemäß der Erfindung mit inneren und äußeren
Leitungsrohren zur Förderung der Reaktionsteilnehmer bei höheren Temperaturen ist
das innere Leitungsrohr auswechselbar, wobei die richtige Lage der Brennerrohre
zueinander beim Zusammenbau dadurch gesichert ist, daß die am äußeren und inneren
Brennerrohr angeordneten Sperrflansche Ausrichtungsringe tragen, die zur Aufnahme
einer Richtstange dienen. Außerdem ist nach an sich bekanntem Prinzip zum Ausgleich
des Ausdehnungsunterschieds zwischen den Leitungsrohren eine Ausdehnungsdichtung
mit einem Ausziehbalg und Flanschen zur Befestigung der entsprechenden Enden der
Dichtung an den Flanschen des inneren und äußeren Leitungsrohres vorgesehen, wobei
eine übermäßige Relativbewegung der Leitungen zueinander in axialer Richtung durch
am äußeren und inneren Brennerrohr angebrachte Sperrklauen verhindert wird.
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Zum Verständnis der Erfindung wird diese nun an Hand der Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 1 ist eine allgemeine Darstellung eines Brenneraufbaues in Betriebsstellung;
Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die Brennerspitze; Fig. 3 ist ein teilweiser Längsschnitt
durch die Ausdehnungsdichtung des Brenners nach Fig. 1 entlang der Linie 3-3 in
Fig. 6; Fig. 4 ist ein Querschnitt durch die Brennerspitze entlang der Linie 4-4
in Fig. 2 ohne Kühlmantel und mit dem austauschbaren inneren Leitungsrohr in Betriebsstellung;
Fig. 5 ist eine der Fig. 4 ähnliche Ansicht ohne Kühlmantel, die die Stellung des
inneren Leitungsrohres während des Zusammenbaues des Brenners und vor der Blockierung
zur Betriebsstellung zeigt; Fig. 6 ist eine Endansicht der Fig. 1, in Richtung auf
die Ausdehnungsdichtung gesehen, wobei sich die Lage des inneren Leitungsrohres
in Betriebsstellung befindet; Fig. 7 ist eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht während
des Zusammenbaues.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Vermeidung von längeren
Stillegungen von Gasgeneratoren während des durch Beschädigungen der Brennerspitzen
infolge Metallverlust oder anderes Versagen notwendig gewordenen Austausches der
Brenner.
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In Fig. 1 ist der ganze Brenner mit A, die Brennerspitze mit B, die
Ausdehnungsdichtung mit C, der Anbauflansch mit D, der Einlaß für den Kohlenwasserstoffbrennstoff,
z. B. Naturgas, mit E und der Sauerstoffeinlaß mit F bezeichnet.
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In Fig. 2 ist der Teil B im Schnitt gezeigt mit dem Innenrohr 10 für
die Zuführung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft und dessen
Austrittsöffnung 11 sowie mit sich diametral gegenüberliegenden Sperrklauen 12,
12 (s. auch Fig. 4 und 5). Ein Außenrohr 13, das in einer Öffnung 14 endet, wird
im Abstand vom Innenrohr 10 gehalten unter Bildung eines ringförmigen Durchlasses
15, der in der Öffnung 14 endet. Die öffnung 14 ist von einem Kühlmantel 16 umgeben;
die Pfeile zeigen die Richtung des durch ihn strömenden Kühlmittels an. Das Auenrohr
13 trägt die entsprechenden Ansätze 17, 17 uri 18, 18, die mit den Teilen 12, 12
im Eingriff stehen ur Verhinderung größerer Längsbewegungen des Inenrohres. Alle
Sperrklauen können mit den zugehcigen Rohren aus einem Stück hergestellt oder an
cese angeschweißt sein.
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Das Außenrohr 13 trägt auch iehrere Abstandsbolzen 19, von denen vier
in den Ze:hnungen (s. Fig. 4 und 5) gezeigt sind. Sie dienen daz, das Innenrohr
in richtigem Abstand vom Außenrot zu halten. Diese Abstandsbolzen können ebenfalls
iit dem Außenrohr aus einem Stück hergestellt oderiuf irgendeine passende Weise
an ihm befestigt seil Obwohl ein Kühlmantel 16 geigt ist, können statt dessen auch
Kühlschlangen vorsehen sein.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen besorers deutlich die entsprechenden Stellungen
des Innlrohres, wenn dieses blockiert ist (Fig. 4) sowie w<rend der Aufhebung
der Blockierung durch das Auß:irohr (Fig. 5), wobei zwei der Abstandsbolzen aufiie
Mitte der Sperrklauen ausgerichtet gezeigt sind Der Übersichtlichkeit wegen ist
in Fig. 4 und 5 de Kühlmantel nicht gezeigt.
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Die hier beschriebene Vor-'htung ist im Betriebe hohen Temperaturen
ausgeset, nicht nur in unmittelbarer Nähe der Reaktionszie, wo die Herstellung des
Synthesegases vorzugswäe bei über 1100° C und häufig bei Temperaturen b- zu 1650°
C stattfindet, sondern auch bei der Beföl,-rung der Reaktionsteilnehmer, die vor
Eintritt in e Reaktionszone auf relativ hohe Temperaturen, w z. B. 480° C, vorerhitzt
worden sind. Es müssen eher bauliche Vorkehrungen getroffen werden für d hohen Ausdehnungs-
und Kontraktionsunterschiede er einzelnen Brennerteile, die nicht nur auf die aus
z hocherhitzten Reaktionszone stammende Strahl', sondern auch auf das Durchströmen
der vorertzten Gase zurückzuführen sind.
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Es ist festgestellt woen, daß die großen Temperaturdifferenzen, denenie
Brenner dieser Art ausgesetzt sind, erheblich -,'ihrem schnellen Ausfall beitragen,
und zwar nichtur wegen der Metallerosion, sondern auch infolge c` durch die wiederholte
Ausdehnung und Zusamnlziehung verursachten Spannungen, die zum Versen an den Verbindungsstellen
der Brennerteile führ. Die erfindungsgemäße Konstruktion hat sich ai Grund der eingebauten
Ausdehnungsdichtung alen den schädlichen Wirkungen relativ starker Aushnung und
Zusammenziehung der einzelnen Teile i erwiesen.
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Fig. 3 ist eine veiößerte und teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht
erlag der Linie 3-3 in Fig. 6 und zeigt die Anordnr? der Ausdehnungsdichtung C.
Diese Anordnung ifaßt die Sperrflansche 20 und 21, die an dem Außenir 13 bzw. Innenrohr
10 befestigt sind. Die Ausdehngsdichtung hat einen Ausziehbalg 22, der vom Gehe
23 getragen wird, an dem die Sperrflansche 24 a 25 befestigt sind. Die Ausdehnungsdichtung,
d. Ausziehbalg und Gehäuse, umgibt das Innenro110 und ist sowohl mit dem Innenrohr
als auch dAußenrohr durch Befestigungsmittel wie die beb gezeigten Muttern und Schrauben
verbunden, die ;Befestigung der einander benachbarten Sperrflame miteinander dienen.
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Dichtungsmit't z. B. Dichtungsringe, zum Abdichten des Gehäul gegenüber
den Rohren sind bei 27 gezeigt.
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Außer den ;errmuttern und Schrauben 26 trägt jeder der Spe
lansche einen Ausrichtungsring20d,
21 a, 24 a oder 25 a zur Aufnahme
der Richtstange 28, deren Zweck unten noch näher beschrieben wird.
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Jeder der vom Gehäuse 23 getragenen Sperrflansche 24, 25 hat mehrere
Ansätze 24 b bzw. 25 b, von denen je drei (vgl. Fig. 6 und 7) gezeigt sind, zur
Aufnahme der Abstandsbolzen 29 mit Muttern, die mit der Ausdehnungsdichtung verbunden
sind unter Verwendung des in gestrichelten Linien angedeuteten Einlegebleches.
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Beim Zusammenbau dieser Verbindung werden die Brenner auf Betriebstemperatur
gebracht und dann die Abstandsbolzen 29 durch die Löcher in den Ansätzen gesteckt,
wobei die Einlegebleche zwischen Ansätze und Muttern gesteckt werden. Ist der Brenner
bei Betriebstemperatur, so werden die Muttern von Hand auf das Einlegeblech gezogen
und in dieser Stellung gesichert, worauf die Einlegebleche entfernt werden. Der
Brenner soll mit dem der Dicke des Einlegebleches entsprechenden Abstande zwischen
Muttern und Ansätzen betrieben werden, wobei die eingebauten Bolzen als Sicherheitsvorrichtung
gegen eine übermäßige Ausdehnung des Ausziehbalges 22 dienen.
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Außer den Abstandsbolzen 19, die in der Brennerspitze am Außenrohr
sitzen und das Innenrohr in ringförmigem Abstand von ihm halten, ist am Innenrohr
anschließend an die Ausdehnungsdichtung ein Abstandsring 30 befestigt, der vor dem
Brennsto-f"teinlaß liegen soll und zur teilweisen Abdichtung des Verbindungsteiles
dient.
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Fig.6 und 7 zeigen zwei Anordnungen, bei denen das Innenrohr blockiert
und nicht blockiert ist, wobei der Pfeil in Fig. 6 (wie auch in Fig. 4) die Drehrichtung
zur Aufhebung der Blockierung anzeigt. Das Innenrohr 10 wird aus der Vorrichtung
entfernt durch Lösen der Befestigungsbolzen 26, die die Flansche 21 und 25 in Stellung
halten, und darauffolgendes Drehen des Rohres in die in Fig. 7 gezeigte Stellung.
Zur Herstellung der in Fig.6 gezeigten gesperrten Stellung werden die Ausrichtungsringe
so gedreht, daß die Richtstange 28 durch sie gesteckt werden kann, die dann als
vorläufiges Sperrmittel dient, bis der endgültige Zusammenbau mit Muttern und Bolzen
26 durchgeführt ist. Andererseits kann das Innenrohr 10 auch zusammen mit der ganzen
Ausdehnungsdichtung C entfernt werden durch Lösen der Befestigungsbolzen 26, welche
die Flansche 20 und 24 in Einbaustellung halten.
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Wie Fig. 4 und 5 zeigen, erstrecken sich die Sperrklauen 12 über ungefähr
45° des Umfangs und können bis zu 90° betragen. Das kleinere Bogenmaß ist aber vorzuziehen,
bei dem eine Behinderung des Durchströmens der Reaktionsteilnehmer infolge der kleineren
Sperrklauen vermieden wird.
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Unter normalen Betriebsbedingungen der Brenner tritt ein Verschleiß
der Brennerspitze durch Temperatureinflüsse und Korrosion ein. Der schnellste Verschleiß
des Metalls der Brennerspitze ist jedoch auf die Öffnung des Innenrohres beschränkt,
durch welches Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zugeführt wird,
so daß das Korrosionsproblem durch die Verwendung leicht auswechselbarer Düsen,
die andere Spitzenflächen gegen Sauerstoff und die Primärflamme schützen, gelöst
wird. Die Lebensdauer der äußeren Brennerspitze kann dadurch, daß man den Brennstoff
durch den ringförmigen Durchlaß leitet und die äußere Spitze kühlt, in solchem Maße
erhöht werden, daß die Lebensdauer der inneren Spitze nun der maßgebende Faktor
beim Brennerbetrieb ist. Wenn die Betriebsverhältnisse daher ein Auswechseln des
Brenners erforderlich machen, genügt es, das Innenrohr auszuwechseln und eine neue
Brennerspitze einzusetzen, ohne daß die vollständige Anordnung, wie sie in Fig.
1 unter A gezeigt ist, ersetzt werden muß.
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Wegen der Geschwindigkeitsdifferenzen, die für eine einwandfreie Zuführung
verschiedenartiger Brennstoffe erforderlich sind, müssen die Abmessungen des Innenrohres
und des durch dieses und das Außenrohr gebildeten ringförmigen Durchlasses dem zu
verwendenden Brennstoff angepaßt sein. Durch zweckmäßige Wahl einer passenden Größe
der Außenleitung und durch Verwendung eines auswechselbaren Innenrohres mit einer
Spitze, deren Form dem zu verwendenden Brennstoff angepaßt ist, können für flüssige
als auch gasförmige Brennstoffe die gleiche Brennanordnung rund das gleiche Außenrohr
verwendet werden.