DE2162253B2 - Brenner für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas - Google Patents

Brenner für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas

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DE2162253B2 DE2162253A DE2162253A DE2162253B2 DE 2162253 B2 DE2162253 B2 DE 2162253B2 DE 2162253 A DE2162253 A DE 2162253A DE 2162253 A DE2162253 A DE 2162253A DE 2162253 B2 DE2162253 B2 DE 2162253B2
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Description

a) das Außenrohr im Bereich des außen eine Kühlschlange tragenden Brennermundstücks mindestens zweiteilig (25, 24) ausgebildet ist,
b) durch Verschweißen dieser Teile eine etwa halbrohrringförmige Kühlkammer (24) gebildet wird,
c) die Schweißnähte (27) 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 mm, 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.
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 1100 und 15000C erreicht. Diese hohen 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 Außenrohr 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 Aufwendungen zur Kühlung der verwendeten Brennermaterialien erforderlich. Es sind im wesentlichen die folgenden drei Maßnahmen zu nennen:
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 deutsche Offenlegungsschrift 1 905 604).
Brenner, wie sie beispielsweise für die partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen verwendet werden, sind in der deutschen Patentschrift 1 061 303 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 F i g. 1 und 2 der deutschen Auslegeschrift 1080 079; Teile dieser Abbildungen sind in dieser Anmeldung in F i g. 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 F i g. 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 4 der Kühlkammer ist rechtwinklig 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 verschweißt wird 6.
Diese Art der Konstruktion des Brenners im Bereich des Brennermundstücks hat verschiene Nachteile, die nachfolgend kurz skizziert werden sollen:
1. Die Art der Ausführung der Kühlkammer bedingt eine ebene Bodenplatte 4, welche besonders bei hohen Drücken im Reaktor 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 Außenfläche und der gekühlten Innenfläche auftreten können.
2. Die Schweißnähte 6 zum Verschließen der Kühlkammer sind der direkten Einwirkung der Strahlungswärme des Feuerraums und der hocherhitzten Reaktorausmauerung ausgesetzt.
3. Kühlwasserzufluß 7 und Kühlwasserabfluß 8 (vgl. F i g. 2) 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.
Für die Konstruktion der Brenner im Bereich des Brennermundstücks wurden hochwarmf este 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 Schwefelwasserstoffeinwirkung auftritt.
Nachfolgend ist eine Übersicht über die Zusammensetzung und die Warmfestigkeit der bisher verwendeten Materialien Incoloy 825 und Inconel 600 gegeben und den entsprechenden Werten austenitischen Chrom-Nickelstählen, wie z. B. V2A- und V4A-Arten, gegenübergestellt.
Material Cu Mo Nb Zusammensetzung in "/ C Si Mn > Cr Ni
1,5 2,5 S max. max. max. 19,5 bis 23,5 38 bis
Incoloy 0,03 0,5 0,5 1,0 46
825 0,5 — S max. max. max. 14 bis 17 72
Inconel 0,015 0,15 0,50 1,0
600 — — —. max. max. max. 17,0 bis 19,0 9,0 bis
V2A 0,10 1,0 2,0 11,5
4541 — — min max. max. max. 17,0 bis 19,0 9,0 bis
V2A destens
Q O/ /~1		 0,10 1,0 2,0 11,5
4550 _ 2,0 bis 8 ' /o *- max. max. max. 16,5 bis 18,5 10,5 bis
V4A 2,5 0,10 1,0 2,0 13,5
4571 — 2,0 bis min max. max. max. 16,5 bis 18,5 10,5 bis
V4A 2,5 destens
O ο/ Γ*
ö /ο *~		 0,10 1,0 2,0 13,5
4580
Fortsetzung
Material Zusammensetzung in % Ti Fe Al 20 Warmfestigkeit in kg/mm2 für 0C 760 815 982
0,6 bis 1,2 0,2 25,0 550 15,0 13,6
Incoloy
825 — 6 bis 10 — 25,6 12,0 — 2,8
Inconel —
600 mindestens Rest etwa —. 21,0 — — —
V2A 5 · °/ Γ
J /o *- 		60 bis 70% 12,0
4541 mindestens Rest etwa —- 19,5 — — —
V2A 5 · °/ Γ
J /O *"		 60 bis 70% 12,0
4550 Rest etwa — 21,0 — — —
V4A 60 bis 70% 13,0
4571 — Rest etwa — 21,0 — — —
V4A 60 bis 70% 13,0
4580
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-Nickelstähle verwendet und die Wandstärken der halbrohrringförmigen Kühlkammer im Bereich der Außenlippe gegenüber den bisher üblichen Konstruktionen verringert.
Die vorliegende Anmeldung betrifft daher einen Brenner für die 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 angebrachten Kühlschlangen 23 und mit aus Teilen des Außenrohres gebildeten Kühleinrichtungen 24 versehen ist, der dadurch gekenn-
zeichnet ist, daß Mauerwerks des Reaktors nicht direkt ausgesetzt sind·
a) das Außenrohr im Bereich des außen eine Kühl- Pie Schweißnähte 27 werden (vergleiche F i g. 3) daschlange tragenden Brennermundstücks min- her so angebracht daß sie auf der dem Innenrohr zudestens zweiteilig 25, 26 ausgebildet ist, gewandten Seite des Konus im Bereich des Mund-
b) durch Verschweißen dieser Teile eine etwa halb- 5 Stucks des Brenners liegen. A ,ua n A v„Ui rohrringförmige Kühlkammer 24 gebildet wird, Die Stutzen, 28> 2? fur den Zu" und Abfluß des Κυ,ηΙ"
c) die Schweißnähte 27 für die Verbindung der Teile wassers werden bevorzugt an gegenüberliegenden nach a) auf der dem Innenrohr zugewandten Seite Stellen der halbrohrringförmig ausgebildeten Kühllieeen kammer angeschweißt (vergleiche F ι g. 4). Dadurch
d) für die zu verschweißenden Teile 26, 26 auste- lo ™tiä}k die Anbringung von Trennblechen (9, vernitische Chrom-Nickelstähle verwendet werden |leicl;e/ Lg" ? in de,r Kuhlkammer, wie es aus dem uncj Stand der Technik bekannt war. Diese Anordnung hat
e) die Wandstärken der aus Teilen des Außenrohres den, X°rtei1' daß ?m Bereich der, halbrohrringförmigen gebildeten halbrohrringförmigen Kühlkammer Kuhlkammer geringere Materialspannungen auftreten, im Bereich der Außenlippe 26 1 bis 5 mm, vor- 1S als bei der Anordnung gemäß dem Stand der Technik zugsweise 2 bis 4 mm betragen. ... Es war überraschend und nicht vorherzusehen, daß
tür die Gestaltung der Kuhlkammer des erfindungs-
AIs zusätzliche, besonders vorteilhafte Maßnahme gemäßen Brenners an Stelle der bisher verwendeten hat sich erwiesen, den Zu- 28 und Ausflußstutzen 29 hochnickelhaltigen und hochwarmfesten Legierungen für die Kühlung der halbrohrringförmig ausgebildeten 20 Incoloy (42 % Nickel) und Inconel (72 % Nickel) (vgl. Kühlkammer so anzuordnen, daß diese Stutzen ein- Tabelle) thermisch weniger beständige, leichter zu verander diametral gegenüberliegen. Dadurch wird eine arbeitende und billigere austenitische Chrom-Nickel-Anhäufung von Schweißgut in der Kühlkammer ver- stähle verwendet werden konnten (vgl. Tabelle —■ mieden, wodurch die Gefahr des Auftretens von Warmfestigkeit von V2A = 12,0 bei 55O0C).
Materialspannungen vermindert wird. Wesentlich für 25 Besonders vorteilhaft wirkt sich die Verwendung die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Brenners von austenitischen Chrom-Nickelstählen auch hinist, daß von allen genannten Maßnahmen gleichzeitig sichtlich der Schwefelwasserstoff-Korrosion aus. Wie Gebrauch gemacht wird; nur die Zusammenwirkung bereits erwähnt, entsteht in der reduzierenden Atmoder gesschilderten Maßnahmen ergibt den gewünschten Sphäre des Brennerraums aus den schwefelhaltigen Effekt der längeren Standzeit des Brenners gegenüber 30 Rohstoffen Schwefelwasserstoff, der vor allem bei den den Brennern vom Stand der Technik. Durch die ge- hohen Temperaturen im Bereich der Brennermündung nannten Maßnahmen, besondere Gestaltung der Kühl- korrodierend wirkt. An der Stirnfläche von üblichen kammer im Bereich der Brennermundspitze mit gerin- Brennermündungen herrschen Temperaturen von beigen Wandstärken, Verlegung der zur Herstellung der spielsweise mehr als 700° C, wie Materialunter-Kühlkammer erforderlichen Schweißnähte an die dem 35 suchungen von korrodierten Teilen ergeben haben. Es Innenrohr zugewandten Seite, Anbringung von Zu- war nicht vorherzusehen, daß bei verbesserter Kühlung und Ablaufstutzen an der Kühlkammer auf gegen- im Bereich der Brennermündung, durch die besondere überliegenden Seiten der Kühlkammer und dadurch Gestaltung der Kühlkammer, bei Verwendung von Vermeidung eines zusätzlich eingeschweißten Trenn- austenitischen Chrom-Nickelstählen mit Eisengehalten bleches, und Verwendung von z. B. V2A-Stahl für die 40 von etwa 60 bis 70 % eine geringere Störanfälligkeit im Bereich der Brennermundspitze gebildete Kühl- gegen H2S-Korrosion erreicht werden konnte, als bei kammer, können Standzeiten des Brenners von mehr den bisher verwendeten eisenfreien (Incoloy) bzw. als 100 Tagen erzielt werden, während bei herkömm- eisenarmen Legierungen (Inconel); vgl. jeweils Talichem Brenner Laufzeiten im Mittel von nur 20 bis belle.
30 Tagen erreicht werden. 45 Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Brenner
Die Kühlkammer wird aus geeigneten gedrehten wurden — wie bereits erwähnt — Standzeiten von mehr Teilen des Außenrohres durch Verschweißen zu- als 100 Tagen erreicht, während bei den Brennertypen sammengesetzt (vergleiche F i g. 3). Durch die beson- üblicher Bauarten (Stand der Technik) im Mittel Laufdere Formgebung der Kühlkammer — es handelt sich zeiten von 20 bis 30 Tagen erzielt werden können. Die um eine zum Feuerraum hin gewölbte Kühlkammer — 50 obengenannte Laufzeit des erfindungsgemäßen Brensind geringere Wandstärken möglich als bei ebener ners wurde in einer technischen Großanlage erzielt, Ausbildung der Kühlkammer, wie sie vom Stand der deren Reaktor mit dem erfindungsgemäßen Brenner Technik bekannt ist. So können beispielsweise bei Ver- wegen Betriebsstörung in anderen Anlageteilen mehrwendung von V2A Wandstärken von 1 bis 5 mm, ins- fach abgestellt werden mußte. Dies zeigt, daß der erfinbesondere solche von 2,0 bis 4 mm, gewählt werden. 55 dungsgemäße Brenner beim Abstellen und Wieder-Durch die Verringerung der Wandstärke der Kühl- anfahren der Anlage die dabei auftretenden Mehrkammer gegen den Feuerraum ist eine bessere Wärme- belastungen (Temperaturschock) gut verträgt,
ableitung gewährleistet; dies wiederum bedingt eine Als Ausgangsstoffe für den Betrieb des Brenners
geringere thermische Beanspruchung des Materials im sind gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe, wie Bereich des Brennermundstücks, verbunden mit einer 60 z. B. Methan, Benzin, insbesondere aber Rohöl oder geringeren Anfälligkeit gegen Korrosion durch im Ver- schweres Heizöl, zu nennen. Diese Rohstoffe werden brennungsraum gebildeten Schwefelwasserstoff. in einer geeigneten Vorrichtung gemischt und ge-
Die besondere Konstruktion der Kühlkammer aus gebenenfalls nach einer Vorerhitzung auf 250 bis mindestens zwei geeignet gedrehten Teilen des Außen- 5000C dem Außenrohr des Brenners zugeführt. Der rohres ermöglicht es, die Schweißnähte zur Verbindung 65 für die Erhitzung und Teilverbrennung erforderliche der genannten Teile bei der Formgebung der Kühl- Sauerstoff wird zweckmäßigerweise vorgewärmt und kammer so zu legen, daß diese der Einwirkung der durch das Innenrohr des Brenners eingeführt. An Strahlungswärme des Feuerraums und des erhitzten Stelle reinen Sauerstoffs kann man auch mit Sauerstoff
angereicherte Luft für die Verbrennung der Kohlen- Der aus V2A gefertigte Brennerkopf arbeitet über
Wasserstoffe verwenden. Zur Vermeidung einer Ab- 100 Tage störungsfrei, und man erhält stündlich zunderung des Innenrohres ist es zweckmäßig, dem 47 000 Nm3 Synthesegas (als trockenes Gas gerechnet) Sauerstoff bzw. der mit Sauerstoff angereicherten Luft mit 46,2 Volumprozent CO, 47,0 Volumprozent H2, Wasserdampf zuzugeben. Es werden im allgemeinen 5 5,6 Volumprozent CO2, 0,7 Volumprozent N2 und 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, bevorzugt jedoch 1 bis 0,5 Volumprozent CH4; das Gas enthält ferner 3,0 g 3 Gewichtsprozent Wasserdampf dem durch das H2S/Nm3 und 100 mg COS/Nm3.
Innenrohr der Brennerkammer eingeleiteten Sauer- . .
stoff bzw. der mit Sauerstoff angereicherten Luft Beispiel 2
zudosiert. Auf weitere Einzelheiten zum Betrieb eines io In der im Beispiel 1 angegebenen technischen Brenners für die partielle Oxydation von Kohlen- Synthesegasanlage wurde bei anderer Belastung und Wasserstoffen zu Synthesegas sei auf die Ausführungen anderem Rohstoff mit demselben Brennerkopf ein in der deutschen Offenlegungsschrift 1905 604 ver- weiterer Versuch durchgeführt. Hierzu wurden wiesen. 8200 kg/h Landauer Rohöl mit 5000 kg/h Wasserdampf
Die Durchführung des Verfahrens zur Spaltung von 15 unter einem Druck von 82 Atmosphären vorgemischt Kohlenwasserstoffen durch partielle Oxydation mit und in einer Vorheizschlange auf 3200C aufgeheizt dem erfindungsgemäßen Brenner ist in nachfolgenden durch das Außenrohr der Brennerkammer zugeführt. Beispielen 1 und 2 beschrieben. Die Kühlung erfolgt mit 17 m3/h Wasser unter einem
Druck von 10 Atmosphären. Gleichzeitig werden
B e i s ρ i e 1 1 ao durch das Innenrohr 7000 Nm3/h Sauerstoff, der auf
110°C vorgewärmt ist, mit 300 kg/h Wasserdampf
In einem Brenner einer Synthesegasanlage, wie er in vermischt, zugeführt; das sind 3,0 Gewichtsprozent der F i g. 3 dargestellt ist, werden 15 100 kg/h schweres Wasserdampf, bezogen auf den Sauerstoff. Die Heizöl mit 6060 kg/h Wasserdampf unter einem Druck Reaktionskomponenten werden bei 12800C in der dem von 85 Atmosphären vorgemischt und in einer Vor- 25 Brenner nachgeschalteten Reaktionskammer umgeheizschlange auf 3200C aufgeheizt und durch das setzt.
Außenrohr der Brennerkammer zugeführt. Die Küh- Der Brenner arbeitet auch in diesem Fall über
lung erfolgt mit 16 m3/h Wasser unter einem Druck 100 Tage störungsfrei, obwohl sich bei Teillastbetrieb von 10 Atmosphären. Gleichzeitig werden durch das die Flamme dichter am Brennermund befindet und Innenrohr 12 200 Nm3/h Sauerstoff, der auf 1100C 30 diesen stärker erhitzt. Man erhält 26 000Nm3 Synvorgewärmt ist, mit 440 kg/h Wasserdampf vermischt, thesegas (als trockenes Gas gerechnet) mit 45,0 Vozugeführt. Das sind 2,5 Gewichtsprozent Wasser- lumprozent CO, 48,4 Volumprozent H2, 5,0 Volumdampf, bezogen auf Sauerstoff. Die Reaktionskompo- prozent CO2, 0,6 Volumprozent N2 und 1,0 Volumnenten werden bei 135O°C in der dem Brenner nach- prozent CH4; das Gas enthält 4 g H2S/Nm3 und geschalteten Reaktionskammer umgesetzt. 35 150 mg COS/Nm3.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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) und einem Außenrohr (21), die konzentrisch angeordnet sind und zusammen ein konusförmiges Brennermundstück (22) bilden, das mit außen angebrachten Kühlschlangen (23) und mit aus Teilen des Außenrohres gebildeten Kühleinrichtungen (24) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
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