DE2204601B2

DE2204601B2 - Brenner zur Synthesegasherstellung

Info

Publication number: DE2204601B2
Application number: DE2204601A
Authority: DE
Inventors: Charles P. Mamaroneck N.Y. Marion; Blake Riverside Conn. Reynolds
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1971-10-04
Filing date: 1972-02-01
Publication date: 1979-11-08
Also published as: ZA72335B; BR7201344D0; CA947973A; NL7200927A; DE2204601C3; BE778544A; DK136056C; IT947117B; SE384843B; ATA111172A; JPS5717036B1; US3758037A; FR2155185A5; DE2204601A1; GB1335521A; DK136056B; LU64685A1; NL167390B; JPS4844825A; AT348974B

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für die Synthesegasherstellung durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffreichen Gas.

Die Herstellung von Synthese-, Reduzier- und Heizgas durch Eingabe von kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen, Sauerstoff und Dampf in die Reaktionszone eines Synthesegasgenerators mit Hilfe eines einfachen Ringbrenners ist bekannt. Bei derartigen Brennern, besonders solchen, die bei niedrigem Druck arbeiten, läßt jedoch der Wirkungsgrad hinsichtlich der Verbrennung zu wünschen übrig. Auch ist das

Reduzierverhältnis, d. h.das Molverhältnis

H₃ + CO
H₂O + CO, '

des hergestellten Gases vergleichsweise niedrig. Ferner wurde bei der Maßstabsvergrößerung herkömmlicher Brenner gefunden, daß die Produktgaszusammensetzung schwankt und der Anteil -nicht umgesetzter Kohlenstoffteilchen ansteigt. Man war deshalb häufig gezwungen, ein hohes Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnis im Ausgangsmaterial einzustellen und aufrechtzuerhalten, um den Anteil an nicht umgesetztem Kohlenstoff in akzeptablen Grenzen zu halten. Höhere Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnisse sind aber vergleichsweise teuer und führen zu stark erhöhten Temperaturen in der Reaktionszone, wodurch u. a. die Lebensdauer der Generatorauskleidung herabgesetzt wird. Bekannte Brennerkonstruktionen werden z. B. in DE-PS 9 68 064 und DE-AS 10 80 079 beschrieben. Mit solchen Brennern lassen sich die gesc lilderten Probleme jedoch nicht im erforderlichen Maße überwinden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brenner zur Synthesegasherstellung zu schaffen, der einen verbesserten Wirkungsgrad hinsichtlich der partiellen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen besitzt und die Durchführung der Synthesegasherstellung mit niedrigen Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Verhältnissen erlaubt, ohne daß die Produktgaszusammensetzung über das erlaubte Mindestmaß hinaus Schwankungen unterliegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Brenner zur Synthesegasherstellung durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffreichen Gas mit Zuführungsvorrichtungen zur getrennten Eingabe eines ersten Reaktandenstroms in einen inneren Brennerteil und eines zweiten Reaktandenstroms in einen konzentrisch dazu angeordneten Brenneraußenteil gelöst. Der ^enner gemäß vorliegender Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Brennerinnenteil aus einer zentralen Leitung mit einem für den Eintritt eines ersten Reaktandenstroms offenen Eingangsende und einem Ausgangsende, in das eine Vielzahl von offenendigen Rohren eingelassen und mit der zentralen Leitung dicht verbunden ist, wobei diese Rohre symmetrisch und parallel zueinander und zur Brennerachse angeordnet sind und sich nicht gegenseitig berühren, sowie zusammenhängende Zwischenräume zwischen der Vielzahl paralleler offenendiger Rohre und einer koaxialen, konzentrisch um die Außenseite des Brennerinnenteils angeordneten Leitung für einen zweiten Reaktandenstrom, die eine Verbindungsleitung zu der sich verjüngenden Austrittsdüse am Kopfteil des Brenners bildet.

Durch Einsatz dieses erfindungsgemäßen Brenners bei der Synthesegasherstellung erreicht man eine wirkungsvolle Partialoxidation von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen mit Sauerstoff und, wahlweise, mit H2O oder einem anderen geeigneten Temperaturmoderator.

Im einzelnen besitzt der erfindungsgemäße Brenner einen inneren Aufbau, welcher aus einer zentralen Leitung von Kreisquerschnitt mit einer Vielzahl von offenendigen Rohren besteht, wobei diese Rohre sich in Abstromrichtung vom Ausgangsende der zentralen Leitung erstrecken und mit diesem Ausgangsende in Verbindung stehen. Die einzelnen Rohre verlaufen parallel zur Brennerachse und zueinander. Sie enden in

einer umfassenden Ausstromöffnung, welche das Ausgangsende einer koaxialen äußeren Leitung darstellt Die äußere Leitung ist über der zentralen Leitung angeordnet, wodurch sich ein ringförmiger Durchtritt zwischen den beiden Leitungen für ein ungehindertes Passieren eines der Ausgangsmaterialströme ergibt Ein anderer Ausgangsmaterialstrom wird durch die zentrale Leitung geschickt und spaltet sich in eine Vielzahl paralleler Ströme auf, während der erste Strom zwischen und um die Parallelströme herum fließt Übliche Ausgangsmaterialströme wie Sauerstoff, Ol oder Öl/Dampf-Mischungen fließen durch die Vielzahl der offenendigen Rohre, während Öl/Dampf-Mischungen, Sauerstoff/Dampf-Mischungen oder Sauerstoff den ringförmigen Durchtritt passieren. Diese Reaktandenströme können auch umgelenkt werden und die vertauschten Durchgänge passieren. In einer doppeltringförmigen mehrrohrigen Ausführungsform kann öl durch die zentralen Rohre geschickt werden, Sauerstoff oder Sauerstoff/Dampf-Mischungen durch einen inneren Ring und Dampf durch einen äußeren Ring. In dieser Ausgestaltung kann die Lebensdauer des Brenners wesentlich verlängert werden.

Die Reaktanden werden in die Reak'ionszone eines Gasgenerators mit Hilfe des erfindungsgemäßen vielrohrigen Brenners eingegeben. Ein erster parallel zur Brennerachse fließender Reaktandenstrom wird dabei durch ein Bündel parallel angeordneter Rohre in eine Vielzahl kleinerer Ströme aufgetrennt Mindestens ein weiterer Reaktandenstrom fließt durch die Zwischenräume des Rohrbündels. Beim Austritt aus den Rohren wird eine gut verteilte Reaktandenmischung erzeugt, die aus dem Brenner abgezogen werden kann.

Eine Vielzahl paralleler offener Rohre erstreckt sich in Abstromrichtung vom geschlossenen Abströmende der zentralen Leitung und in paralleler Ausrichtung zur Achse der zentralen Leitung. Die einzelnen Rohre sind räumlich und symmetrisch angeordnet, so daß sie. sich nicht berühren. Jedes Rohr im Bündel ist im geschlossenen Ende der zentralen Leitung eingelassen und sttht in Verbindung mit derselben. Hierdurch ergibt sich für einen ersten Reaktandenstrom ein ungehinderter Durchtritt durch die zentrale Leitung und das Rohrbündel.

Ein zweiter Reaktandenstrom fließt durch eine 4-, konzentrische, koaxiale, offene Leitung, die über die Länge der Außenseite des inneren Teils angeordnet ist. Ein Kopf- oder Mundstück am Abströmende der koaxialen zweiten Leitung dient zur Eingabe des zweiten Reaktandenstroms in die zwischen den parallelen offenen bohren befindlichen Zwischenräume. Anschließend fließt dieser Reaktandenstrom durch eine Düst am Ende der zweiten Leitung aus. Wahlweise kann eine offene dritte Leitung mit einem sich verjüngenden Kopf über die Länge der konzentrischen, koaxialen, -,-> offenen zweiten Leitung über derselben angeordnet sein. Das Kopfteil der dritten Leitung dient zur Einführung eines dritten Reaktandenstroms.

Anhand der Zeichnungen werden mehrere Brennerkonstruktionen als erfindungsgemäße Ausführungsfor- t,o men erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine allgemeine Ansicht eines Brenneraufbaus,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch das Brennerabstromendebei Linie^-ztderFig. 1,

Fig.3 den Querschnitt des Brennerkopfes bei Linie μ S-ßderFig. 2,

F i g. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführuijgsform einer koaxialen Leitung, die anstelle der entsprechenden Leitung (10) in F i g. 2 treten kann,

F i g, 5 einen Schnitt, ähnlich wie in F i g. 2, durch eine andere Brennerausl'ührungsform, bei der zwei konzentrische, koaxiale Leitungen in Längsrichtung über dem inneren Brennerteil angeordnet sind

In F i g. 1 ist die Stirnflächenkammer (2) am äußersten Brennerkopf des Brenners (1) zum Zwecke des Kühlwasserumlaufes bauchig ausgebildet Das Kühlwasser tritt durch das Einlaßrohr (3) ein und durch die Schlangen (4) und das Auslaßrohr (5) aus. Die Brennerachse ist gewöhnlich an der Hauptachse des Synthesegasgenerators mit Hilfe des Halterungsflansches (6) ausgerichtet. Die Reaktandenströme treten in den Brenner durch die Einlasse (7) und (8) ein.

Fig.2 zeigt das Abströmende des Brenners im Schnitt bei Linie A-A der F i g. 1. Sie enthält den inneren Brennerteil (9) und die konzentrische, koaxiale Leitung (10), die in Längsrichtung über dem Brennerinnenteil angeordnet ist, wodurch ein freier ringförmiger Durchgang zwischen den Elementen (9) und (10) hergestellt wird. Ein Reakt? idenstrom tritt in den Brenner (1) durch (7) (F i g. 1) cm und fließt direkt durch das Brennerinnenteil (9). Ein zweiter Reaktandenstrom tritt in den Brenner (1) durch (8) (Fig. 1) ein und fließt direkt in die konzentrische, koaxiale Leitung ^10).

Das Brennerinnenteil (9) besteht aus einer zentralen Leitung (11) mit Kreisquerschnitt und einem Bündel offener Rohre (12) mit vergleichsweise kleinem Durchmesser. Das Rohrbündel erstreckt sich in Abstromrichtung vom Ausgangsende der zentralen Leitung. Die Rohre sind parallel zur Brennerachse und zueinander angeordnet, umgeben die Brennerachse symmetrisch und berühren sie nicht Während diese Rohre vorzugsweise bis nahe an die Brennerstirnfläche (13) heranreichen, können sie in anderen Ausführungsformen, wie z. B. in F i g. 5 wiedergegeben, verkürzt sein. Die zentrale Leitung (11) ist am Eingangsende (24) offen und am Ausgangsende (15) geschlossen. Die Rohre (12) sind in das Ausgangsende der zentralen Leitung (11) eingelassen und stehen mit diesem in Verbindung. So kann ein Reaktendenstrom ungehindert durch den Brennerinnenteil (9) fließen, wobei er zuerst die zentrale Leitung (11) und dann eine Vielzahl von Rohren (12) passiert. Der Aufs'.romteil (16) der konzentrischen, koaxialen Leitung (10) ist offen und bildet einen ringförmigen Durchtritt (17) mit der zentralen Leitung (U), durch welchen ein Reaktandenstrom ungehindert fließen kann. Das Abströmende (18) der Koaxialleitung (10) ist über dem Rohrbündel (12) angeordnet. Eine sich verjüngende Düse (19) befindet sich am Kopfteil des Abströmendes der Koaxialleitung (10). (19) fördert das Vermischen der Ströme und unterstützt ein gleichmäßiges Strömungsprofil über den Mischstrom. Geeignete Verjüngungswinkel am Kopfteil betragen 15 bis 90°. Wahlweise können Kühlvorrichtungen zur Kühlung des Brennerkopfrs, beispielsweise Stirnfluchenkühlkammer (2) mit Kühlschlangen (4), vorgesehen werden.

Fig.3 zeigt im Querschnitt eine geeignete Zusammenstellung von sieben parallelen Rohren (12), vvobei das Rohr (<<O) durch die Brennerachse geht. Der schraffierte Bereich - I.A. - stellt die Zwischenräume zwischen den Oberflächen der Rohre dar. Der /./!.-Bereich steht für die Eingabe dss Reaktandenstromes, der ungehindert den Durchgang zwischen Brennerinnenteil (9) und Koaxialleitung (10) durchströmt, zur Verfügung. Hierdurch wird ein sorgfältiges Vermischen der Reaktandenströme aus den getrennten Brennerdurchgängen an der Brennerstirnfläche ermöglicht.

Typische Kombinationen von Reaktandenströmen, welche in die Reaktionszone des Synthesegasgenerators mit Hilfe des mehrrohrigen Brenners, siehe Fig. 1 bis 3, eingeführt werden können, zeigt die Tabelle I:

Tabelle I

Strom durch
Brennerinnenteil (9)

Strom durch die konzentrische Leitung (10)

1) sauerstofTreiches Gas

2) sauerstoffreiches Gas

3) fluss. KohlenwasserslofTbrennstofT+ H₂O

4) gasförmiger KohlensionbrennsioiT

5) fluss. KohlenwasserstoffbrennstofT

6) fluss. KohlenwasserstofTbrennstofT + H₂O

flüssiger Kohlenwasserstorfbrennslofr+ H ,O
gasförmiger Kohlenwasserstoffbrennstofr
sauerstofTreiches Gas

sauerstofTreiches Gas

sauersloffreiches Gas
+ U₂O

sauerstoffreiches Gas
+ H,O

Der erfindungsgemäße Brenner kann mit den verschiedensten gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen betrieben werden, wie z. B. mit verflüssigtem Petrolgas, Erdöldestillaten, und -rückständen, Gasolin, Naphtha, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl; aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Benzol, Toluol, XyIoI-fraktionen. Kohleteer, Kreislaufgasöl aus Wirbelschicht-Crackverfahren; Furfurolextrakten des Kokereigasöls; sowie Mischungen derselben, ferner mit gasförmigen Ausgangsmaterialien wie Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Erdgas, Wassergas, Kokereigas, Raffineriegas, Acetylenrestgasen, Äthylenabgasen und Mischungen derselben. Weiterhin sind pumpbare Schlämme von festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, wie z. B. Kohle, Kohlenstoffteilchen und Petrolkoks in einem Träger oder Moderator wie Wasser oder in einem flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff, sowie Mischungen derselben und Gas/Feststoff-Suspensionen, wie z. B. feinzermahlene feste kohlenstoffhaltige Brennstoffe im Moderator eier in einem gasförmigen Kohlenwasserstoff einsetzbar.

Das Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial kann bei Raumtemperatur vorliegen oder auf eine Temperatur bis etwa 315 bis 650°C, aber unterhalb der Cracktemperatur des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, vorgeheizt werden. Das flüssige Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial kann in den Brenner in flüssiger Form oder in verdampfter Mischung mit oder ohne Dampf oder einem anderen Moderator eingegeben werden.

Als sauerstoffreiches Gas können dem Brenner Luft sauerstoffangereicherte Luft mit z. B. mehr als 21 Mol-% Sauerstoff oder im wesentlichen reiner Sauerstoff mit z. B. mehr als 95 Mol-% Sauerstoff bei etwa Raumtemperatur bis 982^CC zugeführt werden. Das Verhältnis freier Sauerstoff zu im Ausgangsmaterial vorhandenem Kohlenstoff (O/C, Atom/Atom) liegt im Bereich 0,7 bis 1,5.

Femer kann dem Brenner Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form zugeführt werden. Alternativ kann ein Teil des Dampfes mit dem Sauerstoffstroni in der Leitung (10) vermischt werden in einem Anteil von weniger als etwa 25 Gew.-% des Sauerstoffes, während

der Rest mit dem Kohlenwasserstoff gemischt wird. Beispielsweise beträgt das Gewichtsverhältnis Wasser zu flüssigem Kohlenwasserstoff etwa 0,05 bis 6 und liegt gewöhnlich bei etwa 0,15 bis 0,6 Gewichtsteiie Wasser pro Gewichtsteil Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial, je nach Verwendung des Produktgases.

Die Verwendung eines Moderators zur Steuerung der Temperatur in der Reaktionszohe ist fakultativ und hängt ganz allgemein vom Kohlenstoff/Wasserstoff-Verhältnis des Ausgangsmaterials ab. Der Temperaturmoderator kann als Komponente eines oder beider Reaktandenströme eingegeben werden. Zusätzlich kann der Moderator allein über eine getrennte äußere Leitung eingeführt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners können die Ausgangsmaterialströme durch Partialoxidation in Abwesenheit eines Katalysators in der Reaktionszone eines Strömungshindernisfreien Synthesegasgenerators

. , "LI* U_n O L*' U. Λ'· * *

unter den 'jDlicrier. K£2»t!Cf?5cco!ngUngc" umgesetzt werden. Dabei beträgt der Anteil an nicht umgesetzten Kohlenstoffteilchen (bezogen auf den Kohlenstoff im Ausgangsmaterial) etwa 0,2 bis 10 Gew.-% bei Verwendung von flüssigem Ausgangsmaterial, wogegen dieser Anteil bei gasförmigen Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien gewöhnlich vernachlässigbar gering ist.

Je größer die Anzahl der Rohre (12) ist, um so besser ist die Virteilung eines Reaktanden im anderen. Das Mischen der Reaktandenströme, welches an den Abströmenden der Rohre eintritt, wird durch die verbesserte Verteilung gefördert und bewirkt eine gleichmäßigere Partialoxidation dos Kohlenwasserstoffes unter Bildung von H2 und CO. Die Verbrennungswirksamkeit des Brenners wird hierdurch gesteigert.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners kann man die Reaktionen in lokalen Bereichen ablaufen lassen, wodurch man ein Überhitzen des Kohlenwasserstoffes bei ungenügender Sauerstoffzufuhr unter Rußbildung weitgehend vermeiden kann. Dadurch kann der Anteil an nicht umgewandeltem festem Kohlenstoff bei gegebenem O/C-Atomverhältnis des Ausgangsmaterials wesentlich reduziert werden. Weiter ist das »Überbrennen« von Kohlenwasserstoff unter CO2-B1I-dung wesentlich vermindert. Der Brenner wird zweckmäßigerweise aus hitze- und oxidationsbeständigen Metallegierungen hergestellt.

Die einzelnen Rohre des Rohrbündels (12) werden in der Länge so bemessen, daß der durch den Ring (17) (siehe F i g. 2) eintretende Reaktandenstrom gleichmäßig in den Zwischenräumen zwischen Rohren (F i g. 3) fließen kann. Die nachfolgende Beziehung (1) ist als Minimum anzusehen:

l.A.ll.w.n. = -ir

/ = Länge jedes Rohres
w = Abstand zwischen benachbarten Rohren am

engsten Zwischenraum (F i g. 3)
π = Anzahl der Rohre
1Λ. = Querschnitt der Zwischenräume (F ig. 3)

Die Länge der Rohre im Rohrbündel kann etwa 12,7 bis 304,8 mm betragen, vorzugsweise etwa 50,8 bis i27mm, wobei längere Rohre bei Steigerung der Anzahl der Rohre und der Gesamtbrennergröße benötigt werden.

Die Anzahl der Rohre im Rohrbündel und ihre typischen Abmessungen, z. B. Innendurchmesser (I.D.), gibt die Tabelle Il wieder.

Tabelle Il	Rohrzahl im Rohrbündel	200 200	I.D. jedes Rohres (mm)
Innenstrom	2 bis etwa oder mehr 2 bis etwa oder mehr		1,59 bis 6.35 2.29 bis 25.4
Flüssig Gasförmig

Um eine gleichmäßige .Stromverteilung in allen Rohren zu erhalten, sollten alle Rohre vorzugsweise gleichen Innendurchmesser und gleiche Länge haben. Der Innendurchmesser der Rohre sollte im Vergleich zum Durchmesser der zentralen Leitung (U) klein sein, um einen merklichen Druckabfall zur zentralen Leitung zum Abziehen herbeizuführen. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser der Rohre mindestens 5 betragen.

Die Ausgangsenden der Vielzahl von Rohren (12) und das Ausgangsende des Kopfstückes der koaxialen, konzentrischen äußeren Leitung (10) münden vorzugsweise in der gleichen, senkrecht zur Brennerachse befindlichen Ebene am Brennerabstromende, die auch als Brennerstirnfläche bezeichnet wird. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform münden die Ausgangsenden der Vielzahl der Rohre (12) in einer senkrecht zur Achse der koaxialen, konzentrischen äußeren Leitung (t0) befindlichen Ebene, wobei diese Ebene gegenüber dem Abströmende des Kopfstückes der koaxialen, konzentrischen äußeren Leitung (10) in Aufstromrichtung zurückgezogen ist, um hierdurch einen begrenzten Grad einer Vormischung, aber nicht einer Verbrennung, herbeizuführen und um eine Zerstörung der Rohrenden und des Endes des Kopfstückes zu verhüten. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform enden die Ausgangsenden der Vielzahl dor Rohre (12) in einer zur Achse der koaxialen, konzentrischen Leitung senkrechten Ebene, wobei diese Ebene in Abstromrichtung vom Abströmende des Kopfabschnittes der koaxialen konzentrischen Leitung angeordnet ist, z. B. ein wenig in Abstromrichtung von der Brennerstirnfläche.

Richtungsbolzen, Leitbleche, Verblockungsstifte und andere Vorrichtungen können verwendet werden, um eine symmetrische Anordnung der Rohre und Leitungen zueinander zu erreichen.

Obgleich der Brenner für die Partialoxidationsreaktion entwickelt wurde, kann er auch in vorteilhafter Weise für andere Verbrennungsverfahren von Kohlenwasserstoffen mit einem oxidierenden Strom, z. B. für die Wärmeentwicklung in einem Heizkessel, zur Herstellung von Reduziergas in einem Hochofen oder in einer anderen Erzreduktionsanlage, verwendet werden.

In Fig.4 wird eine weitere Ausführungsform einer koaxialen, konzentrischen Leitung (21) dargestellt, die anstelle der Leitung (10) verwendet werden kann. Der Kopf (22) der Leitung (21) ist mit einer glatten, ellipsoiden, sich verjüngenden Düse versehen, deren Wandungen sich in einem geraden zylindrischen Teil fortsetzen. Dieser Teil verläuft koaxial zur Brennerachse, nahe dem äußersten Mundstück der Düse. Beispielsweise ist hierfür die Standard-Düse mit großem Radius der A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers) geeignet. Eine eingehendere Beschreibung dieser Düse ist in »Thermodynamics Fluid Flow and Heat Transmission« von Huber O. Croft, Seite 155, I. Auflage, 1938, McGraw-Hill Book Company, zu finden.

F i g. 5 stellt eine weitere Brennerausführung dar mit zwei koaxialen, konzentrischen Leitungen, z. B. die Zwischenleitung (23) und die Außenleitung (24), die über dem Innenteil (25) angeordnet sind und einen inneren Ringdurchgang (26) und einen äußeren Ringdurchgang (27) zum freien Durchströmen getrennter Ausgangsmaterialströme bilden. Durch den äußeren Ring (27) kann man einen relativ reaktionsträgen Strom (Moderator) leiten, der das gebildete Produktsynthesegas vom Ausgangsmaterialstrom im Zwischenraumbereich trennt. Diese Trennung ist besonders erwünscht, wenn die im Zwischenraum strömende Flüssigkeit ein Oxidans ist, welches sehr schnell mit dem Synthesegas nahe am Brennerkopf reagieren und eine Brennerkopfzerstörung herbeiführen kann. Der dritte Durchgang ist vor allem brauchbar, um eine größere Brennerfestigkeit und weniger, um eine höhere Verbrennungswirksamkeit zu erzielen. Der Einsatz dieses Schutzmantels ist nur in den Fällen gerechtfertigt, in denen sich andernfalls eine nicht zu rechtfertigende kurze Brennerlebensdauer ergeben würde.

Die Brennerkühlung ist wählbar. Beispielsweise können, falls gewünscht, die in Fig. 1 gezeigte Stirnflächenkühlkammer (2) und die Kühlschlange (4) dem in Fig.5 dargestellten Brenner angefügt werden. Die Rohre des Rohrbündels brauchen nicht notwendigerweise bis zur Brennerstirnfläche zu reichen. Wahlweise können die Rohrenden bündig mit der Brennerstirnfläche abschließen oder über diese hinausragen, z. B. über das Brennerabstromende.

Typische Kombinationen von Strömen, welche in die Reaktionszone des Synthesegasgenerators mit Hilfe des dopp^ltringigen mehrrohrigen Brenners (F i g. 5) eingeführt werden können, gibt die Tabelle III wieder:

Tabelle III

Innenteil (25)

Innenring (26) Außenring (27)

sauerstoffreiches Gas/H₂0 temperatursteuerndes Gas sauerstoffreiches Gas/H₂O temperatursteuerndes Gas

1.) Kohlenwasserstoffausgangsmaterial

2.) Kohlenwasserstoffausgangsmaterial

3.) Kohlenwasserstoffaus- sauerstoffreiches Gas/H₂0 temperatursteuerndes Gas gangsmaterial/H₂O

4.) Kohlenwasserstoffaus- sauerstoffreiches Gas/H₂O temperatursteuerndes Gas gangsmateriaI/H2O

Die Geschwindigkeit und Dicke der temperatursteuernden Gasschutzschicht, die den Brenner durch die sich verjüngende Düse am Abströmende des Außenringes (27) verläßt, übt vorzugsweise die Funktion aus, den Sauerstoff im inneren Ring (26) von der Umsetzung und Reaktion mit zurücklaufendem Synthesegas fern zu halten, da das Synthesegas sehr nahe der Brennerstirnfläche kommt und Anlaß zur Zerstörung des äußeren Mundstückes geben kann. Beispielsweise kann die Ausstromgeschwindigkeit des temperatursteuernden Gases im Außenring (27) etwa die Hälfte der Sauerstoffstromgeschwindigkeit betragen.

In allen Fällen dient ein Ringstrahl von Dampf oder ein anderer Moderator im Außenring (27) zum Schutz der Außendüse vor der Zerstörung infolge der Verbrennung des Synthesegases mit Sauerstoff am Brennerkopf. In einigen Ausgestaltungen kann genügend Dampf den anderen Strömen zugesetzt werden, um die Feinvcrtcüun*⁷ des K-ohlenwHsserstoffaus^n¹^- Kohlenstoffs im Produktgas bei einem gegebenen O/C-Verhältnis abnimmt und das Reduzierverhältnis im Produktgas ansteigt. Beispielsweise ergibt sich für den Brenner der Fig. 2 mit einem Y-Verhältnis von 21,7,

daß der Faktor „, nicht kleiner als 266 sein sollte, um 2

Gew.-%
erzielen.

Kohlenstoffteilchen bei etwa 1,04 O/C zu

K)

Beispiel 1

Die Atisgangsmatcrialströme wurden in die Reaktionszone eines Gasgenerators mit einem mehrrohrigen Brenner eingeführt, der in einem axial angeflanschten Eingang am Gasgeneratorkopf angeordnet war. Ein Heizölstrom von etwa 200⁰C wurde durch die zentrale Leitung und ein siebenrohriges Rohrbündel des Brenners, siehe Fig. I bis 3, eingegeben. Die Brennerrohre ragten etwa 15,75 mm frei über das Ende der zentralen Lsitun⁰ hinsü⁵. Sie v/!£^cen einen Auß?.!durch

materials zu fördern oder die Zerstörung des Brennerkopfes zu verhindern.

Die Brennergröße oder -gestalt ist wichtig bezüglich des benötigten Atomverhältnisses von Sauerstoff im sauerstoffreichen Gas zum Kohlenstoff im Kohlenwasserstoffausgangsmaterial, da das Verhältnis zur Erzielung einer vorgegebenen Ausbeute an nicht umgesetzten Kohlenstoff im Produktgas notwendig ist. Der Brennermaßstabsfaktor ist:

1. proportional zum Zwischenraumperimeter, der zum Mischen der Reaktanden in den Röhren mit dem Reaktandenstrom in den Zwischenräumen zwischen den Röhren verfügbar ist;

2. umgekehrt proportional zum Querschnitt des zu vermischenden Stromes in den Röhren;

3. umgekehrt proportional zum relativen Abstand im Zwischenraumstrom, der durch Stromelemente (Moleküle oder turbulente Wirbel) in den Rohren während des Mischens überbrückt werden muß;

4. eine Funktion des Y-Verhältnisses, welches gemäß Definition das Verhältnis von L4.-Bereich (Fig. 3) zum Gesamtquerschnitt der Röhren in (12) bezogen auf den Innendurchmesser der Rohre ist. Beispielsweise ist der Brennermaßstabsfaktor gemäß Gleichung (2) ein Maß für die relative Brennergröße der Fig. 2, wenn ein ölhaltiger Strom durch die Rohre eines Brenners, der ein Y-Verhältnis von 21,7 aufweist, fließt:

(2)

P =

π D₁

L =

Perimetersumme aller Rohre in (12) (bszogen auf Rohrinnendurchmesser)
Summe der Querschnitte aller Rohre in (12), bezogen auf Rohrinnendurchmesser

Rohranzahl

Innendurchmesser des Abströmendes der sich verjüngenden Düse (19)

55

60

Da= Innendurchmesser jedes Rohres (12)

Es zeigt sich, daß, wenn der Brennei maßstabsfaktor wächst, der prozentuale Gehalt nicht umgewandelten messer (O.D.) von 4,76 mm und eine Wandstärke von 0,124 mm auf. Bei einem Y- Verhältnis von 21,/ war der

Brennermaßstabsfaktor ^₁ =226. Die ölgeschwindigkeit in den Rohren betrug etwa 1006 cm/sec.

Eine Mischung von im wesentlichen reinem Sauerstoff und Dampf bei etwa 182⁰C passierte den Brennerring, so daß an der Brennerstirnfläche eine Geschwindigkeit von etwa 25 908 cm/sec erreicht wurde. Der Druck in der Reaktionszone war 2,11 bis 2,18 kg/cm² und das Gewichtsverhältnis von Dampf zu Heizöl betrug etwa 0,23.

Bei einem O/C-Atomverhältnis im Ausgangsmaterial von 1,04 ergab sich ein »Reduzierverhäitnis« von etwa 6,9. Bei diesem O/C-Verhältnis betrug der Gehalt an nicht umgewandeltem Kohlenstoff im Produktgas (bezogen auf das Kohlenstoffgewicht im Ausgangsmaterial) etwa 2,0 Gew.-%. Man erhielt folgende Produktgaszusammensetzung (in Vol.-%):

52,42 CO; 43,91 H₂;
3,17 CO₂; 0,14 H₂S;
0,11 Arund
0,25 H₂.

Im Vergleich hierzu ergab sich bei im wesentlichen gleichen Generatorarbeitsbedingungen für einen einrohrigen üblichen Brenner, siehe z. B. US-PS 29 28 460, F i g. 2, mit einem Brennermaßstabsfaktor 33 und einem V-Verhältnis von 14,3 ein Gehalt von 3,6 Gew.-% an nicht umgewandeltem Kohlenstoff bei gleichem Atomverhältnis O/C von 1,04. Das Reduzierverhältnis betrug nur 6,4.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt den Einfluß einer größeren Rohrzahl im Kopfteil des Innenteils, siehe F i g. 2 und 3.

Zwölf symmetrisch angeordnete Metallrohre mit 0,39 cm O.D. und 0,0814 cm Wandstärke wurden anstatt der sieben Rohre des Beispiels 1 verwendet Das Y-Verhältnis betrug 19,7 und der Brennermaßstabsfaktor 291. Alle anderen Bedingungen entsprachen denen im Beispiel 1. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung des 12-Rohr-Brenners weniger Sauerstoff benötigt wurde.

Das O/C-Verhältnis war etwa 1,025. Der Originalbrenner mit einer einzigen zentralen Leitung wies ein O/C-Verhältnis von 1,09 auf. Durch Steigerung der Röhrenzahl wird der Sauerstoffverbrauch im Gasgenerator gesenkt mit einem deutlichen svirtschaftlichen

Vorteil. Weiter trägt der verminderte Sauerstoffverbrauch zu niedrigeren Temperaturen in der Reaktionszone Ofci, was eine Schonung der feuerfesten Auskleidung bedeutet. Mit einem festen O/C-Verhältnis, z. B. 1,04, und Beibehalten aller anderen Verfahrenbedingungen liefert ein 12-Rohr-Brenner anstatt eines 7-Rohr-Brenners einen auf etwa 1,4 Gew.-°/o verminderten Anteil an nicht umgewandelten Kohlenstoff. Dies Ergebnis bedeutet eine 30% Abnahme an nicht umgewandelten Kohlenstoff und vereinfacht oder eliminiert jedes Reinigungsproblem bezüglich der Abtrennung der Kohlenstoffteilchen aus dem Produktgas. Das Reduzierverhältnis 6,4 für einen 1-Rohr-Brenner steigt auf 6.9 für einen 7-Rohr-Brenner und auf 7,2

für den 12-Rohr-Brenner. Die Qualität des Reduziergases kann also durch die Steigerung der Röhrenzahl verbessert werden. Dies wiederum erlaubt eine Volumenreduktion des Reduziergases für ein gegebenes Verfahren unter gleichzeitiger Kostensenkung. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung eines mehrrohrigen Brenners eine Anteilsscnkung von benötigtem Reduziergas, wenn dieses anstelle von Zechenkoks in einem Eisenerzhochofen zur Herstellung von erschmolzenem Eisen verwendet wird. Dies bedeutet auch eine Verkleinerung von Ausrüstung und Leitungen zusätzlich zu den durch das so hergestellte Reduziergas hervorgerufenen Kostensenkungen.

1 IiIaIl

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner zur Synthesegasherstellung durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffreichen Gas, mit Zuführungsvorrichtungen zur getrennten Eingabe eines ersten Reaktandenstroms in einen inneren Brennerteil und eines zweiten Reaktandenstroms in einen konzentrisch dazu angeordneten BrennerauBenteil, ge- in kennzeichnet durch einen Brennerinnenteil (9) aus einer zentralen Leitung (11) mit einem für den Eintritt eines ersten Reaktandenstroms offenen Eingangsende (14) und einem Ausgangsende (15), in das eine Vielzahl von offenendigen Rohren (12) eingelassen und mit der zentralen Leitung (11) dichi verbunden ist, wobei diese Rohre (12) symmetrisch und parallel zueinander und zur Brennerachse angeordnet sind und sich nicht gegenseitig berühren, sowie zusammenhängende Zwischenräume (IA) zwischen der Vielzahl paralleler offenendiger Rohre (12) und einer koaxialen, konzentrisch urn die Außenseite des Brennerinnenteils (9) angeordneten Leitung (10) für einen zweiten Reaktandenstrom, die eine Verbindungsleitung zu der sich verjüngenden Austrittsdüse (19) am Kopfteil des Brenners bildet.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsenden der Vielzahl von Rohren (12) und das Ausgangsende des Kopfstückes der äußeren Leitung (iO) in der gleichen, senkrecht jo zur Brennerachse befindlichen Ebene am BrennerabstroiTiende münden.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d>e Ausgangsenden der Vielzahl von Rohren (12) in eif/er senkrecht zur Achse der äußeren Leitung (10) bei.ndlichen Ebene münden, wobei diese Ebene gegenüber dem Abströmende des Kopfstückes der äußeren Leitung (10) in Aufstromrichtung zurückgezogen ist.

4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zuführungsvorrichtung aus einer zweiten, offenendigen, koaxialen, konzentrischen Leitung (24) besteht, die um die offenendigen Rohre angeordnet ist und mit den Rohren einen Raum ausbildet, wobei die Zuführungsvorrichtung eine sich verjüngende Düse aufweist, die mit der zweiten sich verjüngenden Düse einen Durchgang (27) für einen Temperaturmoderatorstrom bildet.

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