DE1061303B - Brenner fuer die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen unter Bildung von Synthesegas - Google Patents

Brenner fuer die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen unter Bildung von Synthesegas

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DE1061303B
DE1061303B DET12393A DET0012393A DE1061303B DE 1061303 B DE1061303 B DE 1061303B DE T12393 A DET12393 A DE T12393A DE T0012393 A DET0012393 A DE T0012393A DE 1061303 B DE1061303 B DE 1061303B
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lines
synthesis gas
hydrocarbons
expansion seal
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DET12393A
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Du Bois Eastman
William Leon Slater
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C01B3/363Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents characterised by the burner used
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zum Verständnis der Erfindung wird diese nun an Hand der Zeichnungen beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dichtungsmit't z. B. Dichtungsringe, zum Abdichten des Gehäul gegenüber den Rohren sind bei 27 gezeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Brenner für die Herstellung von Synthesegas durch teilweise Oxydation von Kohlenwasserstoffen, der aus einer äußeren und einer inneren, zusammen eine Brennerspitze ergebenden Leitung besteht, gekennzeichnet durch eine Ausdehnungsdichtung (C) mit einem Ausziehbalg (22), der mit den genannten Leitungen (10, 13) verbunden ist und in an sich bekannter Weise eine Relativbewegung der beiden Leitungen zueinander in axialer Richtung ermöglicht, durchrriiteinanderzusammenarbeitende Sperrklauen (12, 17, 18), die auf diesen Leitungen so angebracht sind, daß sie eine übermäßige Relativbewegung der Leitungen zueinander in axialer Richtung verhindern, und durch von Sperrflanschen (20, 21, 24, 25) getragene Ausrichtungsringe (20a, 21a, 24a, 25a) zur Aufnahme einer Richtstange (28). z. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsdichtung (C) ein Stützgehäuse (23) hat, das die innere Leitung umgibt, wobei dieses Gehäuse die Sperrflansche (24, 25) an seinen Enden trägt, die jeweils an den zugehörigen Sperrflanschen (20, 21) der äußeren und inneren Leitung befestigt sind, und wobei die Sperrflansche des Gehäuses Ansätze (24 b, 25 b) zur Aufnahme von Abstandsbolzen (29) tragen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 60124, 835 092; britische Patentschrift Nr. 697 138; französische Patentschrift Nr. 439 528; USA.-Patentschrift Nr. 2 667 370.
DET12393A 1955-07-08 1956-06-29 Brenner fuer die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen unter Bildung von Synthesegas Pending DE1061303B (de)

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