DE1645865C2 - Verfahren zur Herstellung eines Kohlenmonoxid und Wasserstoff als wesentliche Bestandteile enthaltenden Produktgasgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umsetzung eines flüssigen Kohlenwasserstoffs mit oxidierendem Gas, wie Luft, sauerstoffangereichertem Gas oder praktisch reinem Sauerstoff, mit oder ohne Dampfzugabe, zu einem Produktgasgemisch, das im wesentlichen Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthält und sich als Synthesegas, Brenngas oder als Wasserstoffquelle für verschiedene Verwendungszwecke eignet.

Es ist bereits bekannt, flüssige Kohlenwasserstoffe durch partielle Oxidation in Kohlenmonoxyd und Wasserstoffumzuwandeln, wobei als Nebenprodukte Kohlendioxid, Wasserdampf, leichte Kohlenwasserstoffe und freier Kohlenstoff entstehen. Die Kohlenwasserstoff-Brennstoffe werden dabei bei so hoher Temperatur mit einem sauerstoffhaltigen Gas und gegebenenfalls Dampf umgesetzt, daß sie praktisch vollständig zu einem Produktgasgemisch umgewandelt werden, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht.

Beim Texaco-Synthesegas-Verfahren zur Gaserzeugung aus Schwerölen werden diese unter Vermischung mit überhitztem Dampf und hochturbulentem Durchfluß durch ein Vorheizsystem verwirbelt. Das entstehende Brennstoff-Dampfgemisch wird dann mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas, wie Luft, vermischt und das Gemisch von einem Brenner in eine Reaktionszone eingeleitet, in welcher eine zwischen 982° C und 1927° C liegenden Temperatur eingehalten wird. Bei dieser Temperatur verläuft die Umsetzung schnell und nahezu vollständig.

Die Brennstoffvernebelüng und der Gemlschdurchfiuß durch das Eingabesystem hindurch konnten schon bis- _M lang mit Dampf-Ölverhältnlssen bis zu 0,25 herunter In zufriedenstellendem Maße erfolgen. Solche niedrigen Dampf-Ölverhältnisse sind vor allem in den Fällen interessant, in denen Synthesegas mit niedrigem Wassergehalt als zusätzliches Einsatzmaterial für das Betreiben eines Hochofens benötigt wird.

Bisher gab Immer wieder die große thermische und korrosive Beanspruchung des Brenners durch d/c in der Reaktionszone herrschende hohe Temperatur Anlaß zu erheblichen Betriebsstörungen. Es gab daher bereits Versuche, durch konstruktive Änderungen an Brenner und Reaktionszone sowie durch verfahrenstechnische Maßnahmen diese thermische Beanspruchung herabzusetzen. So ist in der US-PS 29 28 460 eine Brennerkonstruktion offenbart, welche eine Innenleitung und eine konzentrisch um diese angeordnete, zur Brennerspitze hin hohlkegelstumpfförmig ausgebildete Außenleitung mit ringförmiger Öffnung an der Brennerspitze aufweist. Dieser Ringbrenner ist mit einer auswechselbaren Auslaßöffnung der inneren Brennerzuführung versehen, durch welche Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft einströmen soll. Die Lebensdauer der äußeren ringförmigen Zuleitung für die Zufuhr des gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs wird durch Kühlung der äußeren Auslaßleitung erhöht. Nach wie vor ist jedoch eine erhebliche thermische und korrosive Belastung des Brenners gegeben, der man durch Kühlung und Teileaustausch zu begegnen versucht.

Bekannt ist auch aus der DE-AS 10 86 216 ein Brenner, der eine Wirbelkammer besitzt, die tangentiale Schlitze zum Zuführen der einen der beiden Reaktionskomponenten aus einem die Wirbelkammer umgebenden Raum aufweist. Die Vorrichtung gemäß dieser Auslegeschrift vermag zwar die Reaktionskomponenten fein zu zerstäuben, eine Herabsetzung der thermischen Belastung des Brenners wird jedoch nach dieser Auslegeschrift nicht erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das bei optimaler Zerstäubung der Reaktionskomponenten unter Bildung einer feinen Dispersion des Brennstoffes in dem oxidierenden Gas die thermische und korrosive Belastung des Brenners soweit herabsetzt, daß eine längere Betriebszeit desselben, insbesondere ohne Teileaustausch, möglich ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch und wird im folgenden näher und anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. In ihnen stellt dar

Fig. 1 eine Brenneranordnung und Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Brennerspitze der Brenneranordnung von Fig. 1, der die Kühlkammer für die Brennerstirnfläche zeigt.

In Fig. 1 Ist die allgemein mit A bezeichnete Brenneranordnung mit der Brennerspitze B, der Ausdehnungskupplung C, dem Montageflansch D, dem Sauerstoff-Dampf-Einlaß bei E und dem Kohlenwasserstoffeinlaß bei F dargestellt. Die eine Kühlleitung ist bei G gezeigt, und die andere Ist ihr diametral gegenüber angeordnet.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt die Brennerspitze B mit Ihrer Innenleitung 10, durch welche der flüssige Kohlenwasserstoff zugeführt wird, dem Auslaß 11, wo er übslrömt, und den beiden diametral auseinanderstehenden Verriegelungsvorsprüngen 12. Eine Außenleitung 13 mit Auslaßöffnung 14 Ist mit der Innenleitung 10 im Abstand und unter Ausbildung eines ringförmigen Durchlasses IS verriegelt, der zur Öffnung 14 führt. Dieser Durchlaß 15 läuft nach innen hin in Gestalt eines Hohlkegels mit dem Kegelwinkel X von 30° bis 45° zusammen, um das von Ihm abgegebene Sauerstoff-Dampfgemisch zu beschleunigen. Die Öffnung 14 ist von einer Stlrnflächenkühlkammer 16 umgeben, der durch Kühlrohre ein geeignetes Kühlmittel zugeführt wird. Die Außenleitung 13 weist komplementäre Verrlegelungsvorsprünge 17,17 und 18,18 auf, die zusammen mit den vorerwähnten Vorsprüngen 12,12 eine übermäßige Längsverlagerung der Innenleitung verhindern. Sämtliche Vor-

Sprünge bilden mit dem zugehörigen Leitungsteil ein Stück oder sind an ihm angeschweißt. Statt dessen kann man auch radiale Abstandhalter benutzen, solange die Leitungen an übermäßiger Relativbewegung in Längsachsrichtung gehindert sind. s

Die Außenleitung 13 beträgt fernerhin eine Mehrzahl von Abstandbolzen 19, und zwar gemäß Zeichnung vier, die die Innenleitung 10 im richtigen Abstand von der Hußenleitung 13 halten. Diese Bolzen können auch mit der Außenleitung ein Stück bilden oder sonstwie geeignet, ζ. B. wir dargestellt, durch Preßsitz in entsprechenden Bohrungen und anschließendem Verschweißen mit ihr verbunden sein.

Die Brenneranordnung unterliegt sehr starker thermischer Belastung, nicht nur in der Nähe der Reaktions- is zone, wo die Synthesegaserzeugung bei möglichst über 1093° C und oftmals bis zu 1927" C vor sich geht, da sie nämlich auch die heißen Reaktionsteilnehmer zuführt, die vor Eintritt in die Reaktionszone vergleichweise hoch. z. B. über 482° C hinaus, vorerhitzt wurden. Daher ist die konstruktive Anordnung C (Fig. 1) vorgesehen, um die starke unterschiedliche Ausdehnung und Zusammenziehung der verschiedenen Brennerelemente aufzunehmen, die nicht nur durch auf den Brenner einwirkende Strahlung aus der heißen Reaktionszone, sondern auch durch die durchfließenden, vorerhitzten Gase verursacht werden.

Vorzugsweise überhitzt man Dampf vor Zumischung zum gegebenenfalls auch, z.B. auf etwa 149°C vorgeheizten, exodierenden Gas auf etwa 482° C bis 538° C, w damit das Mischgas die mittlere Temperatur von etwa 260° C erhält und praktisch keine Dampfkondensation eintritt. Den flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, z. B. Öl, kann man entweder vorerwärmen, um ihn pumpbar zu machen, oder auf Raumtemperatur belassen, wenn er in den ringförmigen Sauers'.off-Dampfstrom eingespritzt wird.

Bekanntlich werden Flüssigkeitsströme durch die Scherwirkung vergleichsweise schneUströmender Gasstrahlen oder -ströme zu feinen Tröpfchen geregelter Größe mit einem mittleren Durchmesser von etwa 25 μΐη zerteilt. Diese Zerteilung ergibt sich aus dem vergleichsweise großen Unterschied in den Zuführungsgeschwindigkeiten von Gas und Flüssigkeit. Durch die Scherwirkung des schnellströmenden Gasstroms auf den vergleichsweise langsam strömenden Flüssigkeitsstrom werden aus dessen Hauptmasse feine Teilströme herausgerissen, die dann ihrerseits infolge der Oberflächenspannung in Einzeltröpfchen zerfallen. Das Sauerstoff-Dampfgemisch wird mit Geschwindigkeiten bis zu 122m/s injiziert, während der flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoff nur mit 1,5 bis 3,0 m/s-Geschwindigkeit zugeführt wird.

Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird in Form flüssigen Öls dem Brenner, unabhängig von der zusammen mit Sauerstoff zugeführten Dampfmenge, im kontinuierlichen, einphasigen Strom zugeführt. Durch die Verwendung des Sauerstoffs zur Unterstützung der Brennstoffvernebelung wird die erforderliche Dampfmenge so verkleinert, daß ein wasserarmes Synthesegas erzeugt werden kann. Der flüssige Brennstoff wird in axialer Richtung möglichst dicht an der Stelle eingespritzt, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoff-Dampfstromes am höchsten 1st, so daß er der Gasstromeinwirkung mit einem Geschwindigkeitsunterschied von mehr als 61 m/s und möglicherweise einer noch viel höheren Geschwindigkeitsdifferenz unterworfen wird. Flüssigkeits- und Gasstrom sollen möglichst am Ort des größten Geschwindigkeitunterschiedes zusammentreffen, und dementsprechend müssen auch die Leitungen ausgestaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung eines Kohlenmonoxid und Wasserstoff als wesentliche Bestandteile enthal- s tenden Produktgasgemisches durch partielle Oxidation eines flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffes mit einem gegebenenfalls mit Wasserdampf vermischten oxidierenden Gas in der Reaktionszone eines Gasgenerators bei Temperaturen von 982 bis 1927° C, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff über die Innenleitung eines Brenners zugeführt wird und als Flüssigkeitsstrahl aus der öffnung der Innenleitung an der Brennerspitze in die Reaktionszone austritt, der oxidierende Gasstrom über die konzentrisch is um die Innenleitung angeordnete, zur Brennerspitze hin im Winkel von 30 bis 45° hohlkegelstur.ipfförmig ausgebildete Außenleilung dt3- Brenners zugeführt wird und aus der ringförmigen Öffnung der Außenleitung gleichzeitig mit einer Strömungsgeschwindigkeit austritt, die um mehr als 61 m/s die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs übersteigt, und die beim Zusammentreffen von Brennstoff und oxidierendem Gasstrom gebildete gleichförmige, feinverteilte Gas/Brennstoff-Dispersion partiell oxidiert wird.