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Die
Erfindung betrifft einen Synthesegasofen der im Oberbegriff des
Anspruches 1 angegebenen Gattung, wobei die US-2 338 295 bzw. US-2 598 879 derartige Öfen zeigen
mit je einer Reihe von in der Ofendecke nahe der Seitenwände angeordneten
zu der jeweiligen Ofenwand hin geneigten Reihen von Brennern.
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Weiterentwickelte,
derartige Syntheseöffen, z.B.
zur Erzeugung von Ammoniak, Methanol oder Wasserstoff, sind für den großtechnischen
Einsatz häufig
als gattungsgemäße deckengefeuerte
Kastenöfen
mit senkrecht stehenden Reaktions-/Spaltrohren ausgebildet. Diese
Spaltrohre sind in Reihen angeordnet und werden von oben nach unten
von Prozessgas durchströmt.
Dieses Prozessgas wird dabei einem sogenannten Spaltprozess unterzogen.
Das Prozessgas wird unten innerhalb oder außerhalb des Ofens in Austrittskollektoren
gesammelt. In den zwischen den Rohrreihen liegenden Gassen werden
die Rohre durch die oben im Ofen angeordneten vertikal nach unten
feuernden Brenner erwärmt,
dabei durchströmt
das von den Brennern erzeugte Rauchgas den Ofen von oben nach unten
und wird durch am Boden angeordnete Rauchgastunnel abgezogen (z.B.
veröffentlicht
in: "Ammonia: Principles
and Industrial Practice/Max Appl – Weinheim; New York, Chichester;
Brisbane; Singapore; Toronto: Wiley-VCH, 1999, ISBN 3-527-29593-3,
Seiten 80–89).
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In
derartigen Syntheseöfen,
insbesondere mit einer Vielzahl von Rohrreihen, wird eine sehr ungleichmäßige, insbesondere
in den äußeren Rohrreihen
vor allem durch Rezirkulation geprägte Strömung beobachtet. Diese Rezirkulation
führt zu
niedrigen Rauchgas- und Prozessgastemperaturen in den äuße ren Rohrreihen
im Vergleich zu den mittleren Reihen. Diese niedrige Temperatur
in den Außenreihen
wirkt sich nachteilig auf den Spaltprozess aus. Bei den äußeren Brennerreihen
kommt es außerdem zur
Flammenablenkung, was den gesamten Wärmeübergang verschlechtert und
die Materialbelastung erhöht.
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Zur
Vermeidung dieser bekannten Probleme sind bereits verschiedene Lösungswege
vorgeschlagen worden (Fluegas Flow Patterns in Top-fired Steam Reforming
Furnaces, P.W. Farnell & W.J.
Cotton, Synetix, Billingham, England, 44th Annual Safety in Ammonia
Plants and Related Facilities Symposium, Seattle, Washington, Paper
no. 3e, September 27–30,
1999). So ist zum einen vorgeschlagen worden, die äußeren Brenner
mit höheren
Luftaustrittsgeschwindigkeiten zu betreiben und zum anderen, das
Prozessgas gezielt in unterschiedlicher Menge auf die Reaktionsrohre
zu verteilen. Diese beiden Lösungen
haben sich jedoch nicht als zufriedenstellend herausgestellt. Außerdem ist
vorgeschlagen worden, den Brennerabstand zur Ofenwand zu vergrößern. Diese
Lösung
behebt die vorbeschriebenen Probleme jedoch ebenfalls nicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, auf konstruktiv und steuerungstechnisch
möglichst
einfache Weise die Wärmeverteilung
und den gesamten Wärmeübergang
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Syntheseofen der eingangs bezeichneten Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Neigung der Brenneraustrittsrichtungen der einzelnen Brenner
unterschiedlich ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass durch diesen gegenüber den vorbeschriebenen bekannten
Lösungswegen
ganz anderen Lösungsweg
auf konstruktiv und steuerungstechnisch einfache Weise die Flammenablenkung
der äußeren Brennerreihen
zum Zentrum des Ofens hin deutlich reduziert werden kann. Es entsteht
eine wesentlich gleichmäßigere Abströmung der
Rauchgase entlang der Reaktionsrohre, der Wärmeübergang wird verbessert und
die erhöhte
Materialbelastung der Reaktionsrohre durch "hot spots" bei Syntheseöfen nach dem Stand der Technik
wird deutlich reduziert, so dass die Lebensdauer der Reaktionsrohre
deutlich zunimmt.
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Dies
bedeutet auch, dass die Brenner abhängig von der Saugwirkung benachbarter
Brennerflammen auf die jeweilige eigene Flamme in einem entsprechenden
Neigungswinkel angeordnet werden (entgegengesetzt zur Saugwirkung
benachbarter Brenner). Dabei ist ganz besonders bevorzugt vorgesehen,
dass die Neigung der Brenneraustrittsrichtungen der Brenner, ausgehend
vom Zentrum des Ofens, nach außen
zur Ofenwand hin zunimmt. Während
die zentral angeordneten Brenner z.B. keine Neigung aufweisen, nimmt
die Neigung der Brennerreihen dann bis nach außen auf einen Maximalwert hin
zu, dabei können
nach der Erfindung in Ausgestaltung Brennerreihen gleicher Neigungswinkelverteilung
vorgesehen sein.
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Es
hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt,
dass der Neigungswinkel, ausgehend von Zentrum, zwischen 0 bis 10°, vorzugsweise
zwischen 0 bis 5°,
liegt.
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Um
die Neigung der Brenner zu realisieren, kann konstruktiv bevorzugt
vorgesehen sein, dass die Brenner mit geneigter Brenneraustrittsrichtung insgesamt
geneigt eingebaut sind und/oder ihre Brenneröffnung geneigt angeordnet ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Neigung der Brenneraustrittsrichtungen
einstellbar ist, d.h. diese kann während des Betriebes des Syntheseofens
zur Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse verändert werden.
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Dazu
ist ganz besonders bevorzugt vorgesehen, dass zur Einstellung der
Neigungen eine die Betriebsparameter des Syntheseofens berücksichtigende
Steuerung vorgesehen ist.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Syntheseofens,
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2a die
Temperaturverteilung in einem Syntheseofen nach dem Stand der Technik,
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2b die
Temperaturverteilung in einem erfindungsgemäßen Syntheseofen,
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3a Strömungslinien
in einem Syntheseofen nach dem Stand der Technik,
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3b Strömungslinien
in einem erfindungsgemäßen Syntheseofen
und
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4 ein
Diagramm, in dem die Wärmestromdichte
für die äußerste Rohrreihe über der Rohrlänge für einen
Syntheseofen nach dem Stand der Technik und einem erfindungsgemäßen Syntheseofen
dargestellt ist.
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Ein
Syntheseofen ist in 1 allgemein mit 1 bezeichnet.
Dieser Syntheseofen ist kasten- bzw. quaderförmig ausgebildet und weist
einen von einer umlaufenden Ofenwand 2 umschlossenen Ofenraum 3 auf.
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Innerhalb
dieses Ofenraumes 3 sind eine Vielzahl von im wesentlichen
vertikal und parallel zueinander angeordneten Reaktionsrohren 4 angeordnet,
durch welche von oben Prozessgas eingeleitet wird, was nicht näher dargestellt
ist. Dieses Prozessgas strömt
von oben nach unten durch die Reaktionsrohre 4 und wird
im unteren Bereich des Ofens bzw. außerhalb desselben in nicht
dargestellten Austrittskollektoren gesammelt.
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Im
Bereich zwischen den Reaktionsrohren 4 bzw. aus diesen
gebildeten Rohrreihen sind im oberen Bereich des Ofenraumes 3 im
Wesentlichen in einer Ebene eine Vielzahl von Brennern 5 angeordnet. Diese
Brenner 5 weisen jeweils eine nach unten gerichtete Brenneraustrittsrichtung
auf, in 1 ist für jeden Brenner 5 eine
vertikale Brennerachse 6 strichpunktiert eingezeichnet.
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Wesentlich
ist nun, dass wenigstens die äußeren im
Bereich der Ofenwand 2 angeordneten Brenner 5 eine
Brenneraustrittsrichtung R aufweisen, welche vom Zentrum des Syntheseofens 1 wegführend gegenüber der
Vertikalen geneigt ist. Dieser Neigungswinkel ist in 1 mit α bezeichnet
und gegenüber
der zugehörigen
vertikalen Brennerachse 6 definiert. Es versteht sich von
selbst, dass, anders als in der zweidimensionalen Darstellung gemäß 1, sich
diese Neigung auch oder zusätzlich,
je nach Anordnung der Brenner, gegenüber dem Zentrum des Ofenraumes 3,
in der quer zur dargestellten Zeichenebene erstreckten Ebene erstrecken
kann. Das Zentrum des Ofenraumes 3 befindet sich dabei
im Bereich der die mittleren Reaktionsrohre 4m aufnehmenden
Ebene.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn nicht nur die Brenneraustrittsrichtungen R der äußeren Brenner 5 geneigt
sind, sondern auch der mittleren und inneren Brenner, wobei die
Anordnung dann so getroffen ist, dass die Neigung ausgehend von
den inneren Brennern zur Ofenwand 2 hin zunimmt, er kennbar
ist die Neigung γ der
inneren Brenner kleiner als die Neigung β der mittleren Brenner und diese wiederum
kleiner als die Neigung α der äußeren Brenner.
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Der
Neigungswinkel α der äußeren Brenner liegt
etwa maximal bei 10°,
vorzugsweise bei 5°,
die Neigungswinkel β und γ sind geeignet
kleiner gewählt.
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Die
Neigung der Brenner 5 kann auf unterschiedliche Weise realisiert
werden, es kann einerseits vorgesehen sein, dass die Brenner insgesamt geneigt
eingebaut sind oder nur ihre Brenneröffnung bzw. Brennerdüse.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn die Neigung der Brenner 5 verstellbar, insbesondere
auch während
des Betriebes, ausgebildet ist, in diesem Falle kann eine nicht
dargestellte Steuerung für
den Syntheseofen 1 vorgesehen sein, die eine Einstellung
der Neigungen unter Berücksichtigung
der Betriebsparameter des Syntheseofens 1 vornimmt.
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Durch
diese Ausgestaltung der Brenner 5 wird die Flammenablenkung
der äußeren Brennerreihen
zur Mitte deutlich reduziert, es entsteht eine gleichmäßige oder
gleichmäßigere Abströmung des Rauchgases
entlang der Reaktionsrohre, der Wärmeübergang wird verbessert und
die erhöhte
Materialbelastung durch "hot
spots" deutlich
reduziert.
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Diese
Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik sind deutlich aus den 2a, 2b einerseits
und 3a, 3b andererseits zu erkennen.
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2a zeigt
eine sehr ungleichmäßige Temperaturverteilung
bei einem herkömmlichen
Syntheseofen ohne Brennerneigung. Demgegenüber ist in 2b eine
erfindungsgemäße Ausgestaltung
zu erkennen, bei der die äußeren Brenner
bzw. de ren Brenneraustrittsrichtung um 5° geneigt ist, es zeigt sich
eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung.
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Ähnlich verhält es sich
auch mit den Strömungsverhältnissen,
die in den 3a und 3b dargestellt
sind. 3a zeigt die Strömungsverhältnisse
bei einem herkömmlichen
Syntheseofen ohne Brennerneigung und 3b mit
Brennerneigung, und zwar um 5° bei
den äußeren Brennern.
Die unerwünschten
Totzonen (weiße
leere Flächen)
sind bei der erfindungsgemäßen Gestaltung
deutlich reduziert.
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In 4 ist
die Wärmestromdichte
für die äußerste Rohrreihe über der
Rohrlänge
aufgetragen, und zwar in gestrichelter Darstellung für einen
Syntheseofen nach dem Stand der Technik und in durchgezogener Linie
für einen
erfindungsgemäßen Syntheseofen
mit um 5° geneigten äußeren Brennern. Erkennbar
ist die Wärmestromdichte über der
Rohrlänge
beim einem erfindungsgemäßen Syntheseofen wesentlich
gleichmäßiger verteilt.