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Brenner zur thermischen Umsetzung von gasförmigen und/oder dampfförmigen
bzw. flüssigen Kohlenwasserstoffen und/oder sonstigen Brenngasen mit sauerstoffhaltigen
Gasen und Verfahren zum Betrieb des Brenners Gegenstand der Erfindung ist ein Brenner
zur thermischen Umsetzung von gas- und/oder dampfförmigen bzw. flüssigen Kohlenwasserstoffen
und/oder sonstigen Brenngasen mit sauerstoffhaltigen Gasen, insbesondere reinem
Sauerstoff bei normalem oder erhöhtem Druck von 2 bis 100 atü, vorzugsweise 20 bis
30 atü, sowie ein Verfahren zur Erzeugung kohlenoxyd- und wasserstoffreicher Gase,
die gegebenenfalls noch nicht umgesetzte und/oder durch thermische Crackung gebildete
gesättigte und/oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe enthalten unter Verwendung des
erfindungsgemäßen Brenners.
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Es sind bereits zahlreiche Brenner bekannt, die zur Umsetzung von
insbesondere gas- und/oder dampfförmigen bzw. flüssigen Kohlenwasserstoffen mit
sauerstoffhaltigen Gasen, insbesondere auch reinem Sauerstoff, bei normalem oder
erhöhtem Druck zur Erzeugung kohlenoxyd- und wasserstoffreicher Gase und/oder ungesättigter
Kohlenwasserstoffe betrieben werden. Bei der Erzeugung solcher Gase ist es wichtig,
daß auch bei wechselnden Durchsatzmengen eine möglichst optimale Ausbeute der gewünschten
Umsetzungsprodukte entsteht und insbesondere die Bußbildung weitestgehend vermieden
wird. Zur Erzielung dieser Wirkungen sind bereits verschiedene Maßnahmen bzw. Brennerkonstruktionen
beschrieben worden, bei denen durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit oder -richtung
der umzusetzenden Gase in Abhängigkeit von der Mengenänderung verhindert werden
soll, daß die Flamme, in der die Oxydationsreaktion stattfindet, in den Brenner
zurückschlägt oder sich abhebt. Es sind z. B. Brenner bekannt, bei denen die Reguliervorrichtungen
für die Mengenströme, deren Verhältnis konstant gehalten wird, mit Drosselorganen
zur gleichzeitigen Änderung der Austrittsquerschnitte und/oder -richtung für alle
Reaktionsmedien gekoppelt sind.
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Bei der oxydativen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen treten, vor allem,
wenn mit reinem Sauerstoff als Oxydationsmittel gearbeitet wird, am bzw. in der
Nähe des Brennermundes so hohe Temperaturen auf, daß die benachbarten Brennerteile
einer schnellen Abnutzung, z. B. durch oxydative Vorgänge sowie durch Wärmespannungen
und Rißbildung, unterliegen, die zu einem häufigen Stillstand der Anlage für das
Auswechseln dieser Teile Anlaß geben. Es wurden deshalb auch schon verschiedene
Brennerkonstruktionen vorgeschlagen, die insbesondere ein leichtes Auswechseln der
besonders gefährdeten Teile ermöglichen sollen.
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Die bekannten Brenner bestehen üblicherweise aus zwei koaxial ineinander
angeordneten Düsen (oder Zuführungsrohren), von denen die äußere häufig eine wassergekühlte
Wand aufweist. Es ist z. B. eine äußere wassergekühlte Manteldüse bekannt, bei welcher
durch ein Zentralrohr flüssige Kohlenwasserstoffe und durch einen dieses umgebenden
Ringraum Luft in einen Generator mit festem Brennstoffbett eingeführt werden. Bei
diesem Brenner münden die Düsen oberhalb der Reaktionszone eines Generators, in
dem im aufsteigenden Strom feste Brennstoffe vergast werden. Die mit den Kohlenwasserstoffen
durch die Düsen zugeführte Luft soll bei diesem bekannten Verfahren bzw. der Vorrichtung
dazu dienen, durch Teiloxydation von Kohlenwasserstoffen mindestens die zur Verdampfung
derselben notwendige Wärme aufzubringen und zu verhindern, daß die Düsen durch Ölkoksbildung
verstopft werden. Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Erzeugung von wasserstoff-
und kohlenoxydhaltigen Gasgemischen durch partielle Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes
mit Sauerstoff und gegebenenfalls Wasserdampf, bei der ebenfalls durch ein Zentralrohr
Kohlenwasserstoffe und durch einen dieses umgebenden Ringraum die Vergasungsmittel
zugeführt werden, weist der Ringraum besonders ausgebildete Einbauten auf, die den
hindurchströmenden Vergasungsmitteln eine Wirbelbewegung aufzwingen, so daß die
zerstäubten Reaktionspartner
unter Bildung eines Hohlkegels in
den Reaktionsraum austreten. Die Anzahl und Abmessungen der Einbauten sind so bemessen,
daß die Vergasungsmittel einen bestimmten Druckabfall erfahren. Auch dieser Brenner
weist in der Nähe der Brennermündung einen äußeren Kühlmantel auf. Weiterhin ist
ein Verfahren zur thermischen Spaltung flüssiger Kohlenwasserstoffe unter Zuführung
von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen zu den zu spaltenden flüssigen Kohlenwasserstoffen
und Abschrecken der heißen Reaktionsgase - bekannt, bei dem die zur Spaltung notwendige
Wärme durch Verbrennen eines Teiles der Kohlenwasserstoffe mit dem zugeführten Sauerstoff
erzeugt wird. Der Brenner besteht auch hier aus einem Zentralrohr, durch das die
flüssigen Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, und einem einfachen Mantelrohr, durch
das der Sauerstoff bzw. die sauerstoffhaltigen Gase in den Reaktionsraum eintreten.
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Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen besteht der Brenner nach
der Erfindung aus drei koaxial ineinander angeordneten Düsen (oder Rohren) mit kreisförmigem
Querschnitt, von denen die vorzugsweise wassergekühlte Zentraldüse in der Längsrichtung
des Brenners beweglich ist, während die sie unmittelbar umgebende mittlere Düse
aus einem einfachen, ungekühlten Rohr besteht und ebenso wie die äußerste, in bekannter
Weise wassergekühlte Düse fest angeordnet ist.
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Dadurch, daß erfindungsgemäß die Zentraldüse in der Längsrichtung
des Brenners beweglich angeordnet ist, kann der Austrittsquerschnitt des von dieser
und der mittleren, ungekühlten Düse gebildeten Ringraumes - und nur dieser - verändert
werden. Bei dem erfindungsgemäßen Brenner ist es vorteilhaft, die mittlere, ungekühlte
Düse an dem dem Reaktionsraum zugewandten, offenen Ende derart zu verengen und/oder
zu verstärken, daß die Reaktionsmittel aus den beiden dieser Düse benachbarten Ringräumen
in einem zur Brennerachse geneigten Winkel ausströmen. Vorteilhafterweise werden
die Mündungen der Zentraldüse und der äußeren Düse so ausgebildet, daß sie zusammen
mit der mittleren Düse zwei Ringräume mit parallelen Wänden oder schwach sich verengendem
Querschnitt bilden. Die einzelnen Düsen des Brenners werden so angeordnet, daß die
Stirnfläche der äußersten, wassergekühlten Düse beispielsweise in der Wand des Reaktionsraumes
liegt und mit dieser abschließt, während die beiden inneren mehr oder weniger stark
eingezogen sein können, die innerste Düse in stärkerem Maße als die mittlere, ungekühlte.
Einen besonderen Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners stellt die Verwendung der
ungekühlten, mittleren Düse dar, die infolge ihrer besonderen Form am offenen Ende
des Brenners der Flammenstrahlung der Reaktionszone in größerem Mäße ausgesetzt
ist als die Zentraldüse. Dadurch, daß die mittlere Düse nicht von Kühlmitteln durchflossen
ist, treten selbst dann, wenn sich in ihr feine Haarrisse bilden (z. B. durch Wärmespannungen
od. dgl.) keine Betriebsunterbrechungen bzw. Gefahrenmomente, insbesondere durch
Eindringen von Gas in die Kühlflüssigkeit oder Austritt von Kühlflüssigkeit in den
Reaktionsraum, auf. Die ungekühlte Düse wird zweckmäßigerweise zumindest in dem
der Wärmestrahlung des Reaktionsraumes ausgesetzten Teil aus einem hoch hitzebeständigen
Material hergestellt, während für die wassergekühlten Düsen ein Metall mit hoher
Wärmeleitfähigkeit verwendet werden kann. Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen
Brenners werden im folgenden in Zusammenhang mit den verschiedenen Möglichkeiten
seiner Betriebsweise noch näher erläutert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Brenner kann die thermische Umsetzung gas-
und/oder dampfförmiger bzw. flüssiger Kohlenwasserstoffe mit sauerstoffhaltigen
Gasen, insbesondere reinem Sauerstoff, zu kohlenoxyd- und wasserstoffreichen Gasen,
die gegebenenfalls noch nicht umgesetzte und/oder durch thermische Crackung gebildete
gesättigte und/oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe enthalten, bei erhöhtem Druck
von 2 bis 100 atü, vorzugsweise 20 bis 30 atü, in einer gegenüber den vorbeschriebenen
Verfahren neuen und vorteilhaften Weise durchgeführt werden, die darin besteht,
daß die reagierenden Gase und/oder Dämpfe dem Reaktionsraum ohne Vormischung durch
die konzentrisch angeordneten Düsen bzw. Ringräume des erfindungsgemäßen Brenners
zugeführt werden und bei Änderung der Durchsatzmenge, aber gleichbleibendem Verhältnis
von mindestens zwei der Gas- und/oder Dampfmengen zueinander die Ausströmgeschwindigkeit
nur eines dieser Medien durch Änderung des Austrittsquerschnittes variiert, vorzugsweise
konstant gehalten wird. Die Ausströmgeschwindigkeit des bzw. der anderen Medien
verändert sich dagegen in Abhängigkeit von der Änderung der Durchsatzmenge, da der
bzw. die Ausströmquerschnitte unverändert bleiben. Es hat sich überraschenderweise
gezeigt, daß es zum Fixieren der Brennzone in einem bestimmten, geringen Abstand
vom Brennermund ausreicht, die Ausströmgeschwindigkeit nur eines Mediums zu regulieren,
um ein Zurückschlagen der Flamme unmittelbar an die Brennermündung bzw. in den Brenner
hinein oder das zu weite Abheben der Flamme zu verhindern. Zweckmäßig wird in dieser
Weise der Strom desjenigen Gases bzw. Dampfes verändert, dessen Menge am größten
ist.
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Es ist ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung, daß der beschriebene
Brenner sowohl zur thermischen Umsetzung gasförmiger und/oder dampfförmiger bzw.
flüssiger Brennstoffe mit insbesondere reinem Sauerstoff unter erhöhtem Druck zur
Erzeugung von Synthesegas oder stadtgasähnlichen Gasen verwendet werden kann als
auch zur vollständigen Verbrennung beliebiger gasförmiger Brennstoffe mit Luft unter
normalem Druck, z. B. zum Aufwärmen oder Warmhalten der Anlage nach oder während
nicht durch Mängel des Brenners entstehender Betriebsstillstände, und daß die Umstellung
von dem einen auf den anderen Betriebszustand unmittelbar, insbesondere ohne Auswechseln
von Brennern oder Düsen, erfolgen kann, die ein vollständiges Abstellen und nachfolgendes
neues Zünden der Brennei erfordert.
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Bei den bisher bekannten Anlagen zur Erzeugung von z. B. Synthesegas
und/oder Stadtgas durch thermische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit insbesondere
reinem Sauerstoff unter erhöhtem Druck war es notwendig, zum Anheizen bzw. Warmhalten
der Anlage unter Normaldruck besondere Brenner zu verwenden, die entweder vor Übergang
auf die Gaserzeugung gegen die für die Reaktion benutzten Brenner ausgetauscht wurden,
oder zusätzlich im Reaktionsraum angeordnet waren und während der Gaserzeugung stillgesetzt
wurden.
Die vorteilhafte neue Betriebsweise des erfindungsgemäßen
Brenners ist durch die besondere Ausbildungsweise desselben möglich. Bei diesem
wird z. B. während der Aufheizperiode vor Inbetriebnahme der Anlage durch die innerste
Düse des Brenners Luft und durch einen der Ringräume, insbesondere durch den der
Düse benachbarten, der Brennstoff geleitet, vorzugsweise das bei der anschließenden
thermischen Umsetzung verwendete Gas. Es können jedoch auch andere Brenngase oder
dampfförmige bzw. flüssige Kohlenwasserstoffe als Brennstoff dienen.
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Zur Umstellung auf die thermische Umsetzung unter erhöhtem Druck wird
durch den dritten, vorzugsweise den äußeren Ringraum, das zur Umsetzung dienende,
sauerstoffreiche Gas, vorzugsweise reiner Sauerstoff, zugeführt, wobei die Luftzufuhr
in dem Maße gedrosselt und gegebenenfalls vollständig abgeschaltet wird, wie die
Sauerstoffzufuhr geöffnet wird. Während der ganzen Zeit der Umstellung wird vor
dem Brennermund die Flammenreaktion aufrechterhalten. Bei der Umstellung wird lediglich
das Verhältnis von Brennstoff zum Sauerstoff im Verbrennungsmittel derart verändert,
daß nach der Umstellung auf den Gaserzeugungsbetrieb nur noch eine solche Sauerstoffmenge
zugeführt wird, wie zur Aufrechterhaltung der thermischen Umsetzung, d. h. einer
teilweisen Oxydation, nötig ist.
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Während der thermischen Umsetzung werden beispielsweise zwei Reaktionsmedien,
insbesondere gas-und/oder dampfförmige Kohlenwasserstoffe und vorzugsweise reiner
Sauerstoff, durch die beiden äußeren Ringräume des Brenners in den Reaktionsraum
geleitet. In diesem Fall kann durch die innerste Düse, durch die während der Anheizperiode
die Luft zugeführt wurde, während des Betriebes unter erhöhtem Druck gegebenenfalls
ein weiteres Reaktionsmedium, z. B. weitere Mengen gasförmiger und/oder verdampfter
flüssiger Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserdampf in die Brennerflamme eingeleitet
werden.
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Zur Erzeugung von Gasen, die z. B. stadtgasähnliche Zusammensetzung
haben sollen, kann es vorteilhaft sein, durch die Zentraldüse zusätzlich Kohlenwasserstoffe
einzuleiten, die vorzugsweise zu niedrigeren, bei normaler Temperatur gas- und/oder
dampfförmigen Kohlenwasserstoffen gespaltet werden und sich nur in geringem Maße
mit dem Sauerstoff umsetzen, so daß ein Gas mit hohem Heizwert gebildet wird. Zur
Erzeugung von Synthesegas, das möglichst frei von Kohlenwasserstoffen sein soll,
kann dagegen die Einführung von Wasserdampf durch die Zentraldüse vorteilhaft sein,
um ein bestimmtes Verhältnis von Kohlenmonoxyd zu Wasserstoff im Endgas einzustellen.
Zur Erzeugung von Gasgemischen, die reich an ungesättigten Kohlenwasserstoffen sind,
können z. B. durch die Zentraldüse dampfförmige und/ oder flüssige Kohlenwasserstoffe
in die Flammenzone eingeführt werden, die vorzugsweise zu Olefinen gespalten werden,
während durch die Ringräume ein Brenngas und sauerstoffhaltige Gase zugeführt werden,
durch deren Umsetzung im Reaktionsraum die zur Spaltung nötige Temperatur und Flammenzone
gebildet wird. Die Aufarbeitung bzw. Trennung der Reaktionsprodukte kann in bekannter
Weise erfolgen.
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Die Zuführung der einzelnen Medien durch die Zentraldüse und die umgebenden
Ringräume kann selbstverständlich auch in einer anderen als der beschriebenen Weise
erfolgen. Es kann z. B. auch der äußere Ringraum zur Zuführung der Verbrennungsluft
und gegebenenfalls später zur Zufuhr der als Drittmedium eingeführten Kohlenwasserstoffe
dienen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer beispielsweisen Zeichnung
des Brenners näher erläutert: Diese zeigt einen Schnitt durch einen Brenner nach
der Erfindung, der durch die Zentraldüse 1, die aus einem wassergekühlten Doppelmantelrohr
2, 3 besteht, gebildet wird. Die Zentraldüse 1 ist konzentrisch umgeben von der
mittleren Düse 4, diese wird ebenfalls konzentrisch umschlossen von der äußeren
Düse 5, die auch aus einem wassergekühlten Doppelmantelrohr 6, 7 besteht. Die Düsen
4 und 5 sind fest miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt, und werden z.
B. durch eine Flanschverbindung 8 mit dem Gehäuse 9 des Reaktionsraumes verbunden,
derart, daß der Düsenmund mit der Innenwand des Reaktionsraumes 10 in einer
Ebene liegt. Die Zentraldüse 1 ist mit den sie ringförmig umgebenden Düsen 4, 5,
insbesondere mit der mittleren Düse 4, derart verbunden, daß die Zentraldüse in
Längsrichtung des Brenners beweglich ist. Auf die Zentraldüse 1 können z. B. Halteringe
11, 12 aufgeschweißt sein, zwischen denen ein frei beweglicher Gewindekranz 13 liegt,
der in das Gegengewinde der fest mit den äußeren Düsen, insbesondere Düse
4, verbundenen Haltevorrichtung 14 eingreift. Die druckfeste Dichtung
zwischen der beweglichen Zentraldüse 1 und den fest angeordneten Ringdüsen, insbesondere
Düse 4, wird durch eine Stopfbuchse 15 erreicht. Für die Zu- und Abführung des Kühlwassers
zu den Düsen 1 und 5 dienen Stutzen 16. Zur Zufuhr der Reaktionsmittel in den Brenner
sind an der Zentraldüse bzw. den Ringraumdüsen Stutzen 17, 18, 19 vorhanden, die
in bekannter Weise durch z. B. Flanschverbindungen über einenAbsperrschieber mit
den Zuführungsleitungen verbunden sind. Um die Beweglichkeit der Zentraldüse zu
gewährleisten und wahlweise z. B. Luft oder gas- bzw. dampfförmige oder flüssige
Kohlenwasserstoffe bzw. Wasserdampf durch die Zentraldüse in den Reaktionsraum einführen
zu können, erfolgt die Verbindung zwischen dieser und der festen Reaktionsmittelzuleitung
zweckmäßig über eine kurze Metallschlauchverbindung. Es kann auch vorteilhaft sein,
einen Zuführungsstutzen für die Reaktionsmittel, z. B. den Stutzen 18, mit einem
Abzweigstutzen 20 zu versehen, der ebenfalls mit einem Schieber verschließbar ist.
Durch diesen Stutzen 20 kann bei geschlossenem Schieber des Hauptstutzens, z. B.
zum Zünden des Brenners außerhalb des Reaktionsraumes und gegebenenfalls auch während
des Aufheiz- oder Warmhaltezustandes, das Brenngas zugeführt werden. Die Brenngaszuleitung
erfolgt auch hier zweckmäßigerweise mit Hilfe einer beweglichen Metallschlauchverbindung.
Das Vorhandensein eines Abzweigstutzens in der Art von Stutzen 20
kann auch
bei den anderen Stutzen 17, 19 vorteilhaft sein, da hierdurch die Möglichkeit gegeben
ist, die Hauptstutzen 17, 18, 19 während des Betriebes gegebenenfalls durch die
Schieber zu schließen und die Anschlüsse für Reaktionsmittel zu wechseln, z. B.
von heizwertärmerem Brenngas zum Aufheizen auf Kohlenwasserstoffe für die thermische
Umsetzung bzw. Spaltung umzustellen und während dieser Zeit durch den Abzweigstutzen
ein Brenngas zuzuführen, das zur Aufrechterhaltung der Flammenzone vor
dem
Brennermund ausreicht. Das gleiche gilt für die Umstellung der Zufuhr von z. B.
Luft auf Wasserdampf- oder Kohlenwasserstoffzuführung durch die Zentraldüse sowie
für die äußerste Düse.