DE2253385C2

DE2253385C2 - Brenner zur Herstellung von Synthesegas

Info

Publication number: DE2253385C2
Application number: DE19722253385
Authority: DE
Inventors: Charles Parker Mamaroneck N.Y. Marion; Blake Riverside Conn. Reynolds
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1972-10-31
Filing date: 1972-10-31
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE2253385A1

Description

a) einer zentralen, axialen Leitung, die in einer zentralen Austrittsdüse am Abströmende endet, wobei diesi zentrale Austrittsdüse in einer kreisförmigen Düsenöffnung mündet,

b) einer mittleren, koaxialen, konzentrisch zur zentralen axialen Leitung angeordneten Zwischenleitung, die am Abströmende in einer sich zur Austrittsöffnung hin verjüngenden Austrittsdüse endet, die mit einem ringförmigen Mundstä ik versehen ist,

c) einer äußeren, koaxialen, konzentrisch zur mittleren koaxialen Leitung angeordnete Leitung, die am Abströmende in einer sich zur Austrirtsöffnung hin verjüngenden Austrittsdüse endet, die mit einem ringförmigen, äußeren Mundstück versehen ist, das gegenüber dem Mundstück der mittleren koaxialen Leitung um einen gewissen Betrag hervorragt, und

d) einer ringförmigen Kühlmittelkammer, die das Brennermundstück umgibt, wobei die Innenfläche der Kühlkammer die Außenwand der äußeren Austrittsdüse der äußeren koaxialen Leitung bildet,

dadurch gekennzeichnet,
daß das Mundstück (36) der Austrittsdüse (28) der äußeren koaxialen Leitung (14), das gleichzeitig die Wandung der Kühlmittelkammer (32) an der Brennerstirnfläche bildet, konvex geformt ist und daß die sich verjüngende mittlere ringförmige Düse (24) der mittleren koaxialen Leitung (16) mit der Brennerachse einen Konvergenzwinkel von 10 bis 55 Grad und die sich verjüngende äußere ringförmige Düse (28) der äußeren koaxialen Leitung (14) mit der Brennerachse einen Konvergenzwinkel von 15 bis 60 Grad bilden.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner in einer Anlage zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von flüssigen Kohlenwasserstoffen, bestehend aus einem System einer zentralen Leitung und zwei koaxialen, konzentrisch zueinander angeordneten äußeren Leitungen mit

a) einer zentralen, axialen Leitung, die in einer zentralen Austrittsdüse am Abströmende endet, wobei diese zentrale Austrittsdüse in einer kreisförmigen Düsenöffnung mündet,

b) einer mittleren, koaxialen, konzentrisch zur zentralen axialen Leitung angeordneten Zwischenleitung, die am Abströmende in einer sich zur Austrittsöffnung hin verjüngenden Austrittsdüse endet, die mit einem ringförmigen Mundstück versehen ist,

c) einer äußeren, koaxialen, konzentrisch zur mittleren koaxialen Leitung angeordnete Leitung, die am Abströmende in einer sich zur Austrittsöffnung hin verjüngenden Austrittsdüse endet, die mit einem ringförmigen, äußeren Mundstück versehen ist, das gegenüber dem Mundstück der mittleren koaxialen Leitung um einen gewissen Betrag hervorragt, und d) einer ringförmigen Kühlmittelkarnmer, die das Brennermundstück umgibt, wobei die Innenfläche der Kühlkammer die Außenwand der äußeren Austrittsdüse der äußeren koaxialen Leitung bikk L

Bei der Partialoxidation werden Temperaturen von 980 bis 1930° C und erhöhte Drücke angewendet und die Reaktionskomponenten mittels Brenner in die Reaktionszone eingespeist Hierbei soll die Einspeisung der Koaktionskomponenten so erfolgen, daß der Brenner bzw. dessen Düsen den thermischen, erodierenden und chemischen Einflüssen der Reaktionskomponenten bei der vorliegenden hohen Temperatur ohne Beschädigung widerstehen.

Die Abnutzung bzw. Zerstörung des Brenners stellt einen wesentlichen Betriebsfaktor bei dsr Durchführung des Verfahrens dar, weil ein Defekt am Brenner nicht nur ein Abschalten der Anlage zur Folge hat, sondern auch zu ernsten Schwierigkeiten bei der Durchf ührung des Verfahrens führen kann. Es ist deshalb wichtig, sowohl den Einfluß der hohen Reaktionswärme, welcher Brenner bzw. Df .ten ausgesetzt sind, als auch den Einfluß der turbulenten Zirkulation der Verbrennungsgase, die die Düsenoberflächen überstreichen und ei- nem erodierenden und chemischen Angriff aussetzen, auf ein Minimum herabzusetzen.

Die primären Reaktionskomponenten, nämlich flüssiger Kohlenwasserstoff und molekularer Sauerstoff, insbesondere hochreiner, molekularer Sauerstoff, reagieren sofort unter großer Wärmeentwicklung. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß auch die Reaktionsprodukte, nämlich H2 und Co, exotherm mit molekularem Sauerstoff reagieren. Da sich die Umsetzungsprodukte in der Reaktionskammer im Bereich der Düsen und oberhalb des eintretenden Reaktantenstroms ansammeln, kann eine zusätzliche Reaktion zwischen reinem, molekularem Sauerstoff und beispielsweise H2 und CO eintreten. Während sich weiter unterhalb in der Reaktionszone ein Gleichgewicht einstellt, wobei die Produkte im wesentlichen aus H₂ und CO bestehen, kann an und oberhalb der Düsen eine vollständige, stark exotherme Verbrennung eintreten. Dies ist normalerweise die Ursache der Brennerzerstörung, welche die vorliegende Erfindung zu üuerwinden trachtet

Andererseits verbinden sich die Temperaturmoderatoren, wie Dampf und CO2, während sie in die Gesamtreaktion eingreifen, nicht mit jedem der Bestandteile des Einsatzmaterials in der Reaktionszone in der Weise, daß eine nennenswerte Wärmemenge freigesetzt wird.

Dampf beispielsweise mäßigt die hohe Reaktionswärme, die auftreten würde, wenn hochreiner, molekularer Sauerstoff und Ol als einzige Reaktanten miteinander reagieren.
Ein Brenner zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von flüssigen Kohlenwasserstoffen, der aus einer zentralen Leitung mit Düse für den Sauerstoff oder die mit Sauerstoff angereicherte Luft und einer konzentrisch dazu angeordneten ringförmigen Leitung mit Düse für die Kohlenwasserstoffe besteht, ist in der DE-PS 10 80 079 beschrieben.

Aus der DE-AS 11 52 783 ist ein Brenner bekannt, der eine zentrale Leitung und zwei koaxiale konzentrisch zueinander angeordnete äußere Leitungen aufweist

Die Düsen am jeweiligen Abströmende besitzen einen kreisförmigen Querschnitt Das Zentralrohr ist von einer Kühlkammer umgeben, und die innere der beiden koaxial zur zentralen Leitung angeordneten Leitungen ist mit einer sich zur Austrittsöffnung verjüngenden Düse ersehen. Die äußere der beiden koaxial zur zentralen Leitung angeordneten Leitungen ist ebenfalls von einer Kühlkammer umgeben, mit einer sich zur Austrittsöffnung verjüngenden Düse versehen und gegenüber dem mittleren Mundstück so angeordnet, daß es etwas hervorragt

Die DE-OS 15 67 685 beschreibt eine Brennervorrichtung, die aus zwei koaxialen zylindrischen Kammern besteht, wobei die äußere Kammer das gasförmige Oxidationsmittel und die innere Kammer den flüssigen Brennstoff enthält Am Abströmende der äußeren Kammer befindet sich eine Drosselvorrichtung, durch die das hindurchgeleitete Gas stark beschleunigt wird, und die innere Kammer enthält eine Verwirbelungsvorrichtung, mit der dem flüssigen Brennstoff eine schnelle Drehbewegung erteilt wird. Besondere Vorkehrungen zum Schutz der Einlasse der Reaktionskomponenten in den Verbrennungsraum sind nicht vorgesehen.

Die US-PS 25 78 422 beschreibt einen Brannertyp, der für flüssige Brennstoffe unter geringem Luft- und Brennstoffdruck entwickelt wurde. Die Anordnung mit drei koaxialen, konzentrisch zueinander angeordneten Zuleitungen zur partiellen Verbrennung von Schweröl gestattet es, die Luft durch das zentrale Innenrohr sowie die äußere ringförmige, darum angeordnete Leitung und die Kohlenwasserstoffe durch die mittlere ringförmige Leitung einzuführen. Hierdurch wird der flüssige Brennstoff als Flüssigkeitsfilm in den Reaktionsraum eingeblasen und gegen beide Flächen des Flüssigkeitsfilms je ein Gasstrom gelenkt Man kann den Luftstrom dabei in einem bestimmten Winkel gegen die Flächen des Flüssigkeitsfilsm richten, so daß sich die Luftströme innerhalb des Ölfilms schneiden. Dabei bildet sich ein homogenes Gemisch aus fein verteilten Flüssigkeitströpfchen und Sauerstoff, daß sich in exothermer Reaktion umsetzt Wegen der speziellen Aufgabenstellung der US-PS 25 78 422, der Injektion von flüssigem Brennstoff unter geringem Druck, sind die Düsenöffnungen zur zerstäubenden Eindüsung mit schraubenförmigen Blättern versehen, die dem zu injizierenden Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom eine kreiseiförmige Bewegung erteilen. Die Öffnungen der einzelnen Düsen liegen in einer Ebene. Hierdurch ergibt sich eine offene Angriffsfläche für thermisch, mechanisch und chemisch korrodierenden Angriff. Eine Kühlung ist bei diesem Brenner nicht vorgesehen.

Es bestand die Aufgabe, einen Brenner bereitzustellen, dessen Düsenoberflächen möglichst wenig dem erodierenden und korrodierenden Einfluß der Verbrennungsgase ausgesetzt ist

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brenner, der dadurch gekennzeichnet ist daß das Mundstück der Austrittsdüse der äußeren koaxialen Leitung, das gleichzeitig die Wandung der Kühlmittelkammer an der Brennerstirnfläche bildet, konvex geformt ist und daß die sich verjüngende mittlere ringförmige Düse der mittleren koaxialen Leitung mit der Brennerachse einen Konvergenzwinkel von 10 bis 55 Grad und die sich verjüngende äußere ringförmige Düse der äußeren koaxialen Leitung mit der Brennerachse einen Konvergenzwinkel von 15 bis 60 Grad bilden.

Die Zuordnung der mittleren 24 zur äußeren Austrittsdüse 28 ist dergesialt, daß das Abströmende der mittleren Düse gegenüber dem Abströmende der äußeren Düse zurückgezogen ist Diese Maßnahme bewirkt eine geringe Vermischung von Strömen, welche durch die Leitungen, an deren Abströmenden die mittlere und äußere Düse angeordnet sind, fließen.

Gegenüber den im Stand der Technik verwendeten koaxialen Brennern nach der DE-PS 10 80 079 und der DE-AS 11 52 783 sowie dem Brenner für Schweröl nach der US-PS 25 78422 besitzt der erfindungsgemäße Brenner den Vorteil der geringeren thermischen, erodierenden und chemischen Beanspruchung bei der Partialoxidation mit flüssigen Kohlenwasserstoffen. In der Praxis hat es sich gezeigt daß Kühleinrichtungen an der Brennermündung, wie sie von der DE-PS 10 80 079 und der DE-AS 11 52 783 beschrieben werden, keinen wirksamen Schutz des Brennerkopfes garantieren und zudem noch durch große Störanfälligkeit einen kontinuierlichen Betrieb gefährden. Man hit auch schon seit längerem versucht durch Verschiebung des Schnitt punktes der Sauerstoffstrahlen und des Flüssigkeitsfilms weit vor der Austrittsöffnung der 7>üse einen Sicherheitsabstand gegenüber einer Verlagerung der exothermen Reaktion zum Brennerkopf vorzusehen. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, daß die Abschirmung des Brennerkopfes und der Reaktorwände von den unter exothermer Reaktion in den Reaktionsraum eintretenden Gasen verbessert wird. Hierdurch wird die Standzeit der Anlage zur Synthesegasgewinnungyergrößert und die Gefahr vor plötzlich auftre-

tenden Uberhitzungen verringert Weiterhin ist es möglich, das Verfahren mit reinem Sauerstoff unter Beibehaltung der niedrigen Reaktor- und Brennerkopftemperaturen durchzuführen. Durch den erfindungsgemäßen Brenner wird die exo therme Umsetzung des Sauerstoffs entweder mit dem Ausgangsmaterial, den Produktgasen oder Zwischenprodukten erst in einer wesentlichen Entfernung vom Brennermundstück auftreten. Dieses »Abrücken« der Reaktanten vom Mundstück ist ausreichend, um das Mundstück vor einer schnellen und heftigen Reaktion zu schützen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert: F i g. 1 stellt eine allgemeine Ansicht des Brennerauf baus dar und zeigt in schematischer Form die Herstel lung des flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs.

F i g. 2 ist ein detaillierter Querschnitt, welcher längs der Achse des Brennermundstücks genommen wurde. F i g. 3 ist die schematische Darstellung eines in der Reaktionskammer angeordneten Brenners und gibt den vom Brennermundstück kommenden Strom der Reaktanten wieder.

Der Brenner A mit dem Mundstück oder der Düsen B <irst";ckt sich durch einen länglichen Durchgang in die Reaktionszone eines Synthesegasgenerators, welcher fragmentarisch al; äußere Umhüllung 10 und feuerfeste Auskleidung 12 wiedergegeben ist. Wie gezeigt, befindet sich das axiale Ende oder Mundstück ßder Brennerstirnfläche im erhitzten Innenteil der Reaktionskammer.

Ein Halterungsflansch C ist vorhanden, um den Brenner am Reaktor zu befestigen, während Kühlschlangen D verwendet werden, um einen kontinuierlichen Kühlmittelstrom um das Brennermundstück zu führen. Der übrige Brennerteil dient zur Eingabe der verschiedenen Re- aktanten mit Eingängen E, Fund G.

Die zentrale Leitung 18 führt zur zentralen Austrittsdüse 20.

Die Austrittsdüse 20 ist an der zentralen Leitung 18

angeschweißt. Durch Rippen 19 wird vom mittleren Mundstück 22 ein Abstand hergestellt, welcher zusammen mit der äußeren Oberfläche der zentralen Leitung 18 eine mittlere Ringdüse 24 ausbildet. Das äußere Mundstück 36, in welches Leitung 14 einmündet, endet in einer äußeren Ringdüse 28.

Als Ergebnis dieser Anordnung können die relativ stark reaktiven Reaktanten, nämlich der molekulare Sauerstoff und der flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff, voneinander am Düsenmundstück mit Hilfe einer Moderatorschicht aus dem Kanal 24 getrennt werden. Diese Anordnung ist von besonderem Interesse, weil bei der Reaktion der Komponenten eine große Wärmemenge freigesetzt wird, welche sich in besonders erhöhten, lokalen Temperaturen auswirkt, wenn hochreiner oder konzentrierter, molekularer Sauerstoff verwendet wird. Noch wichtiger ist diese Anordnung dann, wenn der Brennstoff das Brennermundstück in Form hochre-

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nach Kontakt mit Sauerstoff unmittelbar reagieren.

Das spontane Auftreten einer derartigen Reaktion bei der Berührung mit dem freien Brennermundstück kann durch die dazwischenliegende, von der mittleren Ringöffnung 24 austretende Moderatorschicht vermieden werden, welche die Hauptreaktanten für einen kurzen, aber bestimmten und wichtigen Zeitraum und in kleiner, aber definierter und bedeutsamer Abstromentfernung vom Düsenmundstück trennt. Unterhalb vom Mundstück vermischen sich die Reaktanten und werden durch die Verbrenn ng umgesetzt.

In früheren Untersuchungen war gefunden worden, daß Störungen im Brenner, in der Versorgungsleitung, Mundstück und/oder Düse zu einer Moderatorschicht mit schwankender und ungleichförmiger Zusammensetzung führen, wodurch eine vollständige getrennte Einführung der beiden Hauptreaktanten nicht erreicht wird- Dies führt zur vorzeitigen Vermischune und Reaktion an ungeschützten Stellen.

Die Außenteile des Brennermundstücks sind mit einer Kühlmittelkammer 32, vorzugsweise von dünnwandiger Beschaffenheit, versehen und durch eine Innenfläche 34, weiche die Außenwand der äußeren Austrittsdüse 28 bildet, begrenzt. Die konvexe Endwandung 36 bildet die Brennerstirnfläche am Ende der Ummantelung. Die Kammer wird schließlich an ihrer umlaufenden Außenseite durch die Ringwandung 38, welche an den Stellen 40 angeschweißt ist, abgeschlossen. Die Kühlschlange D versorgt die Kammer 32 mit Kühlmittel.

Gemäß F i g. 1 erfolgt die Bereitstellung des Brennstoffs in Form eines Nebels einzelner Teilchen, welcher eine im wesentlichen homogene Dispersion im Dampfstrom oder in einem anderen Moderatorstrom bildet, durch Eingabe von Wasser in die Heizschlange 46 mit Hilfe der Pumpe 4Z In der Heizschlange 46 wird Dampf erzeugt Der so erzeugte Dampf wird in die Leitung 48 geführt, welche einen Strom flüssigen Öls aus geeigneter Quelle mit Hilfe der Pumpe 50 erhält. Die Pumpen 42 und 50 erlauben eine genaue Dosierung von Dampf und öl. Es erfolgt eine innige Dispersion der ölteilchen im Dampfstrom unter Bildung eines Nebels, in dem die ω Materialien eine lange, rohrförmige Zone 52 bei relativ hoher Geschwindigkeit durchströmen, so daß der sich ergebende stark turbulente Strom gründlich und gleichmäßig die Öltröpfchen im Dampf dispergiert

Nach Fig.! ist die rohrförmige Dispersionszone 52 es eine Heizschlange (Vorwärmer), in welcher die Komponenten einen beträchtlichen Temperaturanstieg erfahren. Schweres öl wird vorzugsweise auf eine Temperatur gebracht, bei welcher der Hauptteil des Öls in flüssiger Form bleibt. Ein turbulenter Strom wird im Vorwärmer 52 aufrechterhalten. Die resultierende erhitzte Dampf/Öl-Dispersion strömt durch die Leitung 54 zum Brenner.

Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Versorgungsleitungen werden hoch gehalten, um einen Turbulenzgrad aufrechtzuerhalten, welcher die Trennung oder Schichtung der ölteilchen verhindert und eine Gleichförmigkeit der dispergierten, nebelähnlichen, flüssigen Phase, die sich in der Reaktionszone innig und sofort mit dem Sauerstoffstrom vermischt, bewirkt.

Es folgt ein Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Brenners.

Die zentrale Austrittsdüse 20 wies eien Durchmesser von 27 mm auf. Durch diese wurden 276 t/Tag 98% reiner Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 122 m/s eingeleitet.

Die mittlere Austrittsdüse 24 he't? einen Innendurchmesser von annähernd 26,7 mm und einen radialen Querschnitt (quer zur Stromrichtung) von 2,1 mm. Durch diese Öffnung trat Dampf mit 2,03 kg/s ein und wurde von der Düse mit einer Geschwindigkeit von 101 m/s abgegeben. Die Komponente aus Zentralleitung 18 war damit von einer annähernd 2,1 mm starken Dampfschicht umgeben. Die äußere Austrittsdüse 28 hatte einen Innendurchmesser von annähernd 38,1 mm und eine !Stärke von 5,08 mm. Der mittlere 16 und der äußere Ringkanal 14 waren bezüglich der Achsen leicht nach innen gebogen.

Die äußere Austriitsdüse 28 wurde kontinuierlich mit einer Öl/Dampf-Mischung versorg;, welche gleichzeitig verteiltes, vorzerstäubtes öl (0,245 mVTag in 2,03 kg/ Stunde Dampf) enthielt. Diese Mischung verließ die Austriitsdüse 28 mit einer Geschwindigkeit von 61 m/s. Das Brennstofföl ergab nach der Analyse folgende Werte:

Dichte, ⁰APl	10,0
oberer Heizwert,
kcal/kg	10061
Analyse, Gew.-°/o
C	85,54
H	10,41
N	1.0
S	3.0
O	—
Asche	0,05
	100,00
e Reaktion wurde	in der Reaktionskammer

bei 1427° C durchgeführt

671.750 NnrVTag Synthesegas mit folgenden Analysedaten wurden erhalten:

	Mol-%
CO	44,72
H₂	42,02
CO₂	3,50
H₂O	8,19
CH₄	0,22
Ar	0,43
N₂	0,27
H₂S	0,62
COS	0,03

100,00

In der erfindungsgemäßen Anordnung ist das zentrale Düsenmundstück von der Kontaktstelle des Öls. mit dem Sauerstoff und damit auch von der aktiven Verbrennung räumlich entfernt. Sowohl molekularer Sauerstoff als auch die anderen Komponenten, obgleich siie vorgewärmt werden können und es normalerweise auch sind, üben einen tatsächlichen Kühleinfluß auf die betreffende 7)üse aus, weil sie eine niedrigere Temperatur als die hohin Verbrennungstemperaturen in Abstromirichtung vom Brennermundstück haben. Die mittlere Austrittsdüse 24 ist im wesentlichen abgeschirmt wenn sie vom moderierenden Gas, welches nicht mit Sauers'ioff oder einer anderen Reaktionskomponente reagiert, durchströmt, überstrichen und geschützt wird. Die äußere Austrittsdüse 28 ist ebenfalls hinreichend abgeschirmt, weil sie nicht in Berührung mit den Reaktanten tritt, es sei denn, daß ein Angriff durch Wassergaskonvertierung erfolgen könnte. Diese Reaktion ist aber eine milde und nur mäRitr pynthprmp RfaWtion

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Brenner in einer Anlage zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von flussigen Kohlenwasserstoffen, bestehend aus einem System einer zentralen Leitung und zwei koaxialen, konzentrisch zueinander angeordneten äußeren Leitungen mit