DE2162253A1 - Brenner fuer die partielle oxydation von kohlenwasserstoffen zu synthesegas - Google Patents

Brenner fuer die partielle oxydation von kohlenwasserstoffen zu synthesegas

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DE2162253A1 DE2162253A DE2162253A DE2162253A1 DE 2162253 A1 DE2162253 A1 DE 2162253A1 DE 2162253 A DE2162253 A DE 2162253A DE 2162253 A DE2162253 A DE 2162253A DE 2162253 A1 DE2162253 A1 DE 2162253A1
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Description

Unser Zeichen: O.Z. 27 854 Vo/L 67OO Ludwigshafen, 13.I2.I971
Brenner für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen zu
Synthesegas ·
Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Herstellung von Synthesegasen (Kohlenoxid und Wasserstoff) durch partielle Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von flüssigen Kohlenwasserstoffen, in Gegenwart von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid mit reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft bei erhöhtem Druck.
Bei der partiellen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in Gegenwart von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid werden Temperaturen zwischen 1 100 und 15000C erreicht. Diese höhen Temperaturen stellen an die Konstruktion des Brenners und das Material eines Brenners besondere Anforderungen.
Es ist deshalb erforderlich, die Brenneranordnung so zu wählen, dass hohe Temperaturen nicht in unmittelbarer Nähe der Brennerdüse entstehen. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass man die Kohlenwasserstoffe erst ausserhalb der Brennermündung mit dem Sauerstoff zur Reaktion bringt, indem man z.B. als Brenner eine konzentrische Anordnung von zwei Rohren verwendet. Dabei werden durch das Auss'enrohr die Kohlenwasserstoffe, zusammen mit Dampf und/oder Kohlendioxid vermischt, geführt und durch das Innenrohr wird der Sauerstoff, der gegebenenfalls auch mit Dampf vermischt sein kann, der Verbrennungszone zugeführt.
Um die partielle Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in den genannten Brennertypen durchführen zu können, sind besondere Aufwend\mgen zur Kühlung der verwendeten Brennermaterialien erforderlich. Es sind im wesentlichen die folgenden drei Massnahmen zu nennen: 309827/OS23
387/71 .* ' -2-
- 2 - O. Z. 27 854
1. Kühlung durch Kühlschlangen, die um das Aussenrohr im Bereich der Brennerspitze angeordnet sind,
2. Kühlung des Aussenrohres durch das Kohlenwasserstoff-Dampfgemisch und
3. Kühlung der Brennerspitze durch eine mit Teilen des Aussenrohres gebildete Kühlkammer im Bereich des Brennermundstücks.
Als Massnahme für den Schutz des Innenrohres kann man dem durch das Innenrohr strömenden Sauerstoff Wasserdampf zugeben, so dass einer allzu schnellen Verzunderung des Innenrohres durch die im Bereich der Brennermündung herrschenden hohen Temperaturen entgegengewirkt werden kann (vgl. dazu die deutsehe offengelegte Anmeldung 1 905 6o4).
Brenner, wie sie beispielsweise für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen verwendet werden, sind in der deutschen Patentschrift 1 06l 303 bzw. in der deutschen Auslegeschrift 1 080 079 beschrieben. Diese Brennertypen bestehen aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren, die beide zur Brennerdüse hin konisch verengt sind (vgl. insbesondere Fig. 1 und 2 der deutschen Auslegeschrift 1 O8o 079; Teile dieser Abbildungen sind in dieser Anmeldung in Fig. 1 und 2 vereinfacht dargestellt, auf diese soll im folgenden näher eingegangen werden). Um die konische Verengung des Aussenrohres wird eine Kühlkammer angeordnet, welche - wie in Figur 1 ersichtlich - durch Drehen der Aussendüse (1) und der Kühlkammer aus vollem Material in Form von zwei nahe beieinander liegenden Flanschen (2, 3) gebildet wurde. Die zum Feuerraum zeigende ebene Wand (2O der Kühlkammer ist rechtwinkelig zur Brennerlängsachse angeordnet. Der seitliche Verschluss der Kühlkammer wird durch einen Ring (5) erreicht, der über-die Kühlkammer geschoben und mit den äusseren Rändern der Flansche verschwelest wird (6).
Diese Art der Konstruktion des Brenners im Bereich des Brennermundstucks hat verschiedene Nachteile, die nachfolgend kurz skizziert werden sollen:
1. Die Art der Ausführung der Kühlkammer bedingt eine ebene Bodenplatte (4-), welche besonders bei hohen Drucken im Reaktor
309827/0523
- 3 - O.ζ, 27 854
eine erhebliche Wandstärke aufweisen muss. Dadurch ist nur eine schlechte Wärmeleitung möglich, so dass die zum Feuerraum zeigende ebene Wand (4) sehr_hohe Temperaturen erreicht und dadurch starke Wärmespannungen zwischen der heissen Aussenf lache und der gekühlten Innenfläche auftreten können»
2. Die Schweissnähte zum Verschliessen der Kühlkammer (6) sind der direkten Einwirkung der Strahlungswärme des Feuerraums und der hocherhitzten Reaktorausmauerung ausgesetzt.
3„ Kühlwässerzufluss - vgl. Fig. 2 - (7) und Kühlwasserabfluss (8) liegen dicht nebeneinander und sind durch ein dazwischen in die Kühlkammer eingeschweisstes Blech (9) getrennt, um eine Rückmischung von einströmendem und ausströmendem Kühlwasser in der Kammer zu verhindern. Durch diese Konstruktion ist eine Häufung von Schweissgut in der Kühlkammer gegeben. Diese bedingt erhebliche Materialspannungen, so dass die Werkstoffe an diesen exponierten Stellen dem thermischen Angriff durch die sehr hohen Temperaturen im Brennerraum nur kurze Zeit standhalten können. Auftretende Abbranderscheinungen und Risse zwingen zum Abstellen der Anlage und zu häufigem Wechsel der Brenner in solchen Anlagen. -
4. Für die Konstruktion der Brenner im Bereich des Brennermundstücks wurden hochwarmfeste nickelhaltige Legierungen, wie z.B. Incoloy oder Inconel verwendet. Die zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffe, -wie z.B. Rohöle, schwere.Heizöle usw., sind meist schwefelhaltig.. In der reduzierenden Atmosphäre des Brennerraums entsteht daher Schwefelwasserstoff, wodurch zusätzlich zu der äusserst starken thermischen Beanspruchung des Werkstoffes noch Korrosion durch Schwefejwasserstoff-• einwirkung auftritt.
Nachfolgend ist eine Übersicht über die Zusammensetzung und die Warmfestigkeiten'der bisher verwendeten Materialien Incoloy 825 und Inconel 6OO gegeben und den entsprechenden Werten austenitischen Chrom-Nickelstahlen, wie z.B. V2A- und V4A-Arten, gegenübergestellt.
309827/öfe^
Tabelle
Material Ου Mo Nb C . Si Zusammensetzung • Cr in % Ti Pe Al Warmfestigk.in 550 76Ο . kg/mn i2 für 0C
1,5 2,5 S
0,03		 max
0,5		 max
0,5		 Mn 19,5-23,5 Ni 0,6-1,2 0,2 20 - 15,0 815 982
Incoloy
825		 0,5 - S
0,015		 max
0,15		 max
0,50		 max
1,0		 14-17 38-46 - 6-10 - 25,0 -, 12,0 13,6 -
Inconel
6,00
U)		 - - - - max
0,10		 max
1,0		 max
1,0		 17,0-19,0 72 mind.
5x$C.		 Rest
ca-δθ
-70 % 		- 25,6 12,0 - ■•1 2,8
O
tö V2A
co 454x		 — - mind.
8x^C		 max
0,10		 max
1,0		 max
2,0		 17,0-19,0 9,0-
11,5		 mind.
5x$C		 Rest
ca. 60
-70^		 - 21^0 12,0 - - -
0 V2A
S ^550
to		 - 2,0-
2,5		 - max
0,10		 max
1,0		 max
2,0		 16,5-18,5 9,0-
11,5		 - Rest
ca. 60
-70$		 - 19,5 13,0 - -
v4a
4571		 - 2,0-
2,5		 mind.
8x^C		 max
0,10		 max
1,0		 max
2,0		 16,5-18,5 10,5-
13,5		 - Rest
ca. 60
-70 % 		- 21,0 13,0 - -
V4A
4580		 max
2,0		 10,5-
13,5		 21,0 -
ro co
VJl
N) ro cn
- 5 - O.Z. 27 854
Aus der Zusammenstellung in der Tabelle geht hervor, dass die verwendeten Legierungen Incoloy 825 bzw. Inconel 600 relativ hohe Nickelgehalte aufweisen. Parallel damit geht eine hohe Warmfestigkeit dieser Legierungen.
Es wurde nun gefunden, dass die vorstehend genannten Nachteile behoben werden können, wenn man die Kühlkammer aus gedrehten Teilen zusammensetzt und in Form eines Halbrohrringes ausbildet und die Schweissnähte zur Konstruktion der Kühlkammer aus Teilen .des Aussenrohres so gelegt werden, dass sie nicht der Strahlungswärme der Flammen und des Reaktormauerwerkes direkt ausgesetzt sind, und wenn man als Material, für die Konstruktion der Kühlkammer austenitische Chrom-Nickelstahle verwendet und die Wandstärken der haIbrohrringförmigen Kühlkammer im Bereich der Aus- " senlippe gegenüber den bisher üblichen Konstruktionen verringert.
Die vorliegende Anmeldung betrifft daher einen Brenner für die1 Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, bestehend aus einem Innenrohr (20) und einem Aussenrohr\ (21), die konzentrisch angeordnet sind und zusammen ein konusförmiges Brennermundstück (22) bilden, das mit aussen ange-brachten Kühlschlangen (23) und mit aus Teilen des Aussenrohres gebildeten Kühleinrichtungen (24) versehen ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
a) das Aussenrohr im Bereich des aussen eine Kühlschlange tra- f genden Brennermundstücks mindestens zweiteilig (25, 26) ausgebildet ist, ; ' .
b) durch Verschwelssen dieser Teile eine etwa halbrohrrlngförmige Kühlkammer (24) gebildet wird,
c) die Schweissnähte (27) für die Verbindung der Teile nach a) •auf der dem Innenrohr.zugewandten Seite liegen,
d) für die zu verschweissenden Teile (25, 26) aUstenitische Chrom-Nickelstahle verwendet werden und
e) die Wandstärken, der aus Teilen des Aussenrohres gebildeten halbrohrringförmigen Kühlkammer Im Bereich der Äussenltppe (26) 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 4 mm betragen.
309827/0S23 "6"
- β - O.Z. 27 854
Als zusätzliche, besonders vorteilhafte Massnahrae hat sich erwiesen, den Zu- (28) und Ausflussstutzen (29) für die Kühlung der halbrohrringförmig ausgebildeten Kühlkammer so anzuordnen, dass diese Stutzen einander diametral gegenüberliegen. Dadurch wird eine Anhäufung von Schweissgut in der Kühlkammer vermieden, wodurch die Gefahr des Auftretens von Materialspannungen vermindert wird. Wesentlich für die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Brenners ist, dass von allen genannten Massnahmen gleichzeitig Gebrauch gemacht wird; nur die Zusammenwirkung der geschilderten Massnahmen ergibt den gewünschten Effekt der längeren Standzeit des Brenners gegenüber -den Brennern vom Stand der Technik. Durch die genannten Massnahmen, besondere Gestaltung der Kühlkammer im Bereich der Brennermundspitze mit geringen Wandet stärken, Verlegung der zur Herstellung der Kühlkammer erforderlichen Schweissnähte an die dem Ihnenrohr- zugewandten Seite,-Anbringung von Zu- und Ablaufstutzen an der Kühlkammer auf gegenüberliegenden Seiten der Kühlkammer Und dadurch Vermeidung eines zusätzlich eingeschweissten Trennbleches, und Verwendung von z.B. V2A-Stahl für die im Bereich der Brennermundspitze gebildete Kühlkammer, können Standzeiten des Brenners von mehr als 100 Tagen erzielt werden, während bei herkömmlichem. Brenner Laufzeiten im Mittel von nur 20 bis ^Q Tagen erreicht werden.
Die Kühlkammer wird aus geeigneten gedrehten Teilen des Aussenrohres durch Verschweisseri* zusammengesetzt (vgl. Fig. ^). Durch
^ die besondere Formgebung der Kühlkammer - es handelt sich um
' eine zum Feuerraum hin gewölbte Kühlkammer - sind geringere Wandstärken möglich als bei ebener Ausbildung der Kühlkammer, wie sie vom Stand "der Technik bekannt ist. So können beispielsweise bei Verwendung von V2A Wandstärken von 1 bis 5 mm, insbesondere solche von 2,0 bis 4 mm, gewählt werden. Durch die Verringerung der Wandstärke der Kühlkammer gegen den Feuerraum ist eine bessere Wärmeableitung gewährleistet; dies wiederum bedingt eine ■ geringere thermische Beanspruchung des Materials im Bereich des' Brennermundstücks, verbunden mit einer geringeren Anfälligkeit gegen Korrosion durch im Verbrennungsraum gebildeten Schwerfeiwasserstoff. · . -
Die besondere Konstruktion der-Kühlkammer aus mindestens zwei. . geeignet gedrehten Teilen, ^as«ÄUssMiÄoiares ermöglicht es, die
-7-ORtGINAL INSPECTED
- 7 - Ο»ζ. 27 854 ■
Schweissnähte zur Verbindung der genannten Teile bei der Formgebung der Kühlkammer so zu legen, dass diese der Einwirkung der Strahlungswärme des Feuerraums und des erhitzten Mauerwerks des Reaktors nicht direkt ausgesetzt sind. Die Schweissnähte (27) werden (vgl. Fig. j5) daher so angebracht, dass sie bevorzugt auf der dem Innenrohr zugewandten Seite des Konus im Bereich des Mundstücks des Brenners liegen. . . .
Die Stutzen (28, 29) für den Zu- und Abfluss des Kühlwassers werden bevorzugt an gegenüberliegenden Stellen der halbrohrringförmig ausgebildeten Kühlkammer angeschweisst (vgl. Fig. 4). Dadurch entfällt die Anbringung von Trennblechen (9> vgl. F1Ig.. 2) in der Kühlkammer, wie es aus dem Stand der Technik bekannt war. Diese Anordnung-hat den Vorteil, dass im Bereich der halbrohrringförmigen Kühlkammer geringere Materialspannungen auftreten, als bei der Anordnung gemäss dem Stand der Technik.
Es war überraschend' und nicht vorherzusehen, dass für die Gestaltung der Kühlkammer des erfindungsgemässen Brenners anstelle der bisher verwendeten hochnickelhaltigen Und hochwarmfesten Legierungen Incoloy (42 % Nickel) und Inconel (72 % Nickel) (vgl. Tabelle) thermisch weniger beständige, leichter zu verarbeitende Und billigere austenitische. Chrom-Nickelstahl verwendet werden konnten(vgl. Tabelle - Warmfestigkeit von V2A = 12,0 bei . 5500C).
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Verwendung von aUstenitischen Chrom-Nickelstählen auch hinsichtlich der Schwefelwasserstoff-Korrosion aus. Wie bereits erwähnt, entsteht in der reduzierenden Atmosphäre des Brennerraums aus den schwefelhaltigen Rohstoffen Schwefelwasserstoff, der vor allem bei den hohen Temperaturen im Bereich der Brennermündung korrodierend wirkte An der Stirnfläche von üblichen Brennermündungen herrschen Temperaturen von beispielsweise mehr als 7000C, wie Materialuntersuchungen von korrodierten Teilen ergeben haben. Es war nicht vorherzusehen, dass bei verbesserter Kühlung im Bereich der Brennermündung, durch die besondere Gestaltung der Kühlkammer, bei Verwendung von austenitischen Chrom-Nickelstahlen mit Eisengehalten von ca. 60 bis 70 % eine geringere Störanfälligkeit gegen ILpS-Korrosion erreicht wer-
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- 8 - 0. Z. 27 854
den konnte, als bei den bisher verwendeten eisenfreien (incoloy) ·. bzw» eisenarmen Legierungen (inconel); vgl. jeweils Tabelle.
Mit dem erfindungsgemäss hergestellten Brenner wurden - wie bereits erwähnt - Standzeiten von mehr als 100 Tagen erreicht, während bei den Brennertypen üblicher Bauarten (Stand der Technik) im Mittel Laufzeiten von 20 bis 30 Tagen erzielt werden können. Die oben genannte Laufzeit des erfindUngsgemässen Brenners wurde in einer technischen Grossanlage erzielt, deren Reak-tor mit dem erfindUngsgemässen Brenner wegen Betriebsstörung in • anderen Anlageteilen mehrfach abgestellt werden musste«. Dies zeigt, dass der erfindungsgemässe Brenner beim Abstellen und Wiederanfahren der Anlage die dabei auftretenden Mehrbelastungen (Temperaturschock) gut verträgt.
Als Ausgangsstoffe für den Betrieb des Brenners sind gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe,- wie z.B. Methan, Benzin, insbesondere aber Rohöl oder schweres Heizöl, zu nennen* Diese Rohstoffe werden in einer geeigneten Vorrichtung gemischt und gegebenenfalls nach einer Vorerhitzung auf 250 bis 5000C dem AUssenrohr des Brenners zugeführt. Der für die Erhitzung und-Teilverbrennung erforderliche Sauerstoff wird zweckmässigerweise vorgewärmt und durch das Innenrohr des Brenners eingeführt. Anstelle reinen Sauerstoffs kann man auch mit Sauerstoff angereicherte Luft für die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe verwenden. Zur Vermeidung einer AbzunderUng des Innenrohres ist es zweckmässig, dem Sauerstoff bzw. der mit Sauerstoff angereicherten Luft Wasserdampf zuzugeben. Es werden im allgemeinen 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, bevorzugt jedoch 1 bis 3 Gewichtsprozent, Wasserdampf dem durch das Innenrohr der Brennerkammer eingeleiteten Sauerstoff bzw. der mit Sauerstoff angereicherten Luft zudosiert. Auf weitere Einzelheiten zum Betrieb eines Brenners für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas sei auf die Ausführungen in der offengelegten deutschen Anmeldung 1 905 6o4 verwiesen.
Die Durchführung des Verfahrens zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen durch partielle Oxydation mit dem erfindUngsgemässen Brenner ist in den nachfolgenden Beispielen 1 und 2 beschrieben.
3-0982770-623 -9-
- 9 - O.Z. 27 854
2182253
Beispiel 1
In einem Brenner einer Synthesegasanlage, wie er in der Abbildung dargestellt ist, werden 15 100 kg/h schweres Heizöl mit 6 ΟβΟ kg/h Wasserdampf unter einem Druck von 85 Atmosphären vorgemischt und in einer Vorheizschlange auf 3200C aufgeheizt und durch das Aussenrohr, das mit einer Kühlung versehen ist, der Brennerkammer zugeführt. Die. Kühlung erfolgt mit 16 rrr/h Wasser unter einem Druck 'von 10 Atmosphären. Gleichzeitig werden durch das Innenrohr 12 200 Nm5/h Sauerstoff, der auf 1100C vorgewärmt ist, mit 440 kg/h Wasserdampf vermischt, zugeführt. Das sind 2,5 Gewichtsprozent Wasserdampf, "bezogen auf Sauerstoff. Die Reaktionskomponenten werden bei 1 35O0C nachgeschalteten Reaktionskammer umgesetzt.
Die Reaktionskomponenten werden bei 1 35O0C in der dem Brenner
Der aus V2A gefertigte Brennerkopf arbeitet über 100 Tage störungsfiei,und man erhält stündlich 47 000 Nnr Synthesegas (als trockenes Gas gerechnet) mit 46,2 Volumenprozent CO, 47,0 Volumenprozent Hp, 5,6 Volumenprozent COp, 0,7 Volumenprozent Np und 0,5 Volumenprozent CH2,;. das Gas enthält ferner 3,0 g H S /ifrrr und 100 mg CpS/Nm5.
Beispiel 2
In der in Beispiel 1 angegebenen techn. Synthesegasanlage wurde-, bei anderer Belastung und anderem Rohstoff mit demselben Brennerkopf ein weiterer Versuch durchgeführt. Hierzu wurden 8 200 kg/h Landauer Rohöl mit 5 000 kg/h -Wasserdampf unter einem Druck von 82 Atmosphären vorgemischt und in einer Vorheizschlange auf 3200C aufgeheizt durch das Aussenrohr, das mit einer Kühlung versehen ist, der Brennerkammer zugeführt. Die Kühlung erfolgt mit 17 nr/h Wasser unter einem Druck von 10 Atmosphären. Gleichzeitig werden durch das Innenrohr 7 000 Nrrr/h Sauerstoff, der auf HO0C vorgewärmt ist, mit 300 kg/h Wasserdampf vermischt, zugeführt; das sind 3,0 Gewichtsprozent Wasserdampf, bezogen auf den Sauerstoff. Die Reaktionskomponenten werden bei 1 280°C in der dem Brenner nachgeschalteten Reaktionskammer umgesetzt.
309827/0S23
-10 - O.Z. 27 854
Der Brenner arbeitet auch in diesem Fall über 100 Tage störungsfrei, obwohl sich bei Teillastbetrieb die Flamme dichter am Brennermund befindet und diesen stärker erhitzt. Man erhält 26 000Nm Synthesegas (als trockenes Gas gerechnet) mit 45,0 Volumenprozent CO, 48,4 Volumenprozent H2, 5,0 Volumenprozent CO2 0,6 Volumenprozent N2 und 1,0 Volumenprozent CH^; das Gas enthält 4 g_HoS/NiP und 1^0 mg COS/NnP
309827/0523

Claims (2)

Patentansprüche
1. Brenner für die Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, bestehend aus einem .Innenrohr (20) nnd einem Aussenrohr (21), die konzentrisch angeordnet sind und zusammen ein konusförmiges Brennermundstück (21) bilden, das mit aussen angebrachten Kühlschlangen (23) und mit aus Teilen des Aussenrohres gebildeten Kühleinrichtungen (24) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Aussenrohr im Bereich des aussen eine Kühlschlange tragenden Brennermundstücks mindestens zweiteilig (25, 26) ausgebildet ist9
b) durch Verschweissen. dieser Teile eine etwa halbrohrringförmige Kühlkammer (24) gebildet wird,
c) die Schweissnähte (2?) für die Verbindung der Teile nach a) auf der dem Innenrohr, zugewandten Seite liegen,
d) die zu verschweissenden Teile (25, 26) aus austenitischen Chrom-Nickelstählen bestehen und
e) die Wandstärke der aus den Teilen des Aussenrohres gebildeten halbrohrringförmigen .Kühlkammer im Bereich der Aussenlippe (26) 1 bis 5* vorzugsweise 2 bis 4, mm betragen.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zu- und Ausflussstutzen (28, 29) an der halbrohrringförmigen Kühlkammer einander gegenüberliegend angebracht sind.
Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG Zeichn.
ti. "w*
ft.
309827/QS23
DE2162253A 1971-12-15 1971-12-15 Brenner für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas Expired DE2162253C3 (de)

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