DE2616085A1

DE2616085A1 - Mit waerme arbeitender reformierofen und diesen enthaltendes reformiersystem

Info

Publication number: DE2616085A1
Application number: DE19762616085
Authority: DE
Inventors: Chi Sheng Kuo; Herman N Woebche
Original assignee: Stone and Webster Engineering Corp
Current assignee: Stone and Webster Engineering Corp
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1976-04-13
Publication date: 1976-10-28
Also published as: DE2616085C2; NL187622C; CA1091425A; BR7602212A; NL187622B; NL7602990A; GB1549736A; JPS51133303A

Description

27541

STONE & WEBSTER ENGINEERING CORPORATION Boston, Massachusetts (V. St. A.)

Mit Wärme arbeitender Reformierofen und diesen enthaltendes Reformiersystem

Die Erfindung betrifft ein integriertes Verfahren zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases in einem Reformierofen, ferner einen Reformierofen und allgemein eine Ofenkonstruktion. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Reformierofen, der sowohl behandlungsgutseitig als auch heizseitig unter Druck arbeitet. Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil auf die Erzeugung von wasserstoffreichem Gas für großtechnische Kohlevergasung sanlagen anwendbar.

Seit einiger Zeit besteht ein beträchtliches Interesse an der Erzeugung eines als Energieträger dienenden Gases durch Kohlevergasung. In bestimmten großtechnischen Kohlevergasungsanlagen sind große Mengen eines wasserstoffreichen Gases erforderlich. Wasserstoffreiches Gas wird in großem Maßstab auch zur technischen Synthese von Ammoniak verwendet.

In technischen Anlagen zur Erzeugung von Methanol aus Erdgas oder leichten Kohlenwasserstoffen werden große Mengen eines allgemein als Synthesegas bezeichneten Gasgemisches aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwendet .

6 0 9 8 4 A / 0 8 6 3

2616G

Das für technische Zwecke benötigte wasserstoff— reiche Gas und Synthesegas werden in Reformieröfen erzeugt. Das technische Reformierverfahren wird in einem Reformierofen durchgeführt, in dem ein Strom aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf durch Reaktionsrohre geführt wird, die mit einem Katalysator, beispielsweise Nickeloxid gefüllt sind. Die Reformierreaktion wird gewöhnlich bei einer Temperatur im Bereich von 537 - 816 ⁰G oder darunter durchgeführt.

Der übliche Reformierofen für Kohlenwasserstoffe ist ein Strahlungsofen, in dem durch die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes und von Luft unter atmosphärischem Druck Wärme erzeugt wird. Die bekannten als Reformieröfen verwendeten Strahlungsöfen sind sehr groß und aufwendig und haben einen hohen Brennstoffverbrauch.

Es sind auch Öfen bekannt, die unter Druck arbeiten. Ein derartiger Ofen ist in der US-PS 3 582 296 (1. Juni 1971) angegeben. Im Betrieb dieses Ofens soll die Druckdifferenz zwischen dem Behandlungsgut und demhocherhitzten Heizgas möglichst klein sein. Der Ofen arbeitet vor allem mit Wärmestrahlung und erhitzt das Verbrennungsgas in der Heizzone so nahe wie möglich an die theoretische Verbrennungsflammentemperatur. Ein anderer Ofen für Überdruckbetrieb ist der mit Wärmekonvektion arbeitende, kompakte Reaktor, der in der US-PS 3 688 494 (5. September 1972) angegeben ist.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Reformierofens und eines Reformierverfahrens zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Grases oder eines Synthesegases·

ORIGINAL INSPECTED h () 9 M 4 A / D H B 3

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ofens, der sowohl behandlungsgutseitig als auch verbrennungsseitig unter Druck arbeitet und in dem Wärme auf die Behandlungsgutseite im wesentlichen durch Konvektion übertragen wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ofens, der in einem integrierten System zum Erzeugen von Wasserstoff durch Reformieren eines Kohlenwasserstoffeinsätzes als Reformierofen verwendet werden kann.

In dem erfindungsgemäßen Ofen wird ein Erhitzen der Behandlungsrohre durch von dem Brenner des Ofens abgestrahlte Wärme vermieden. Am Boden des Ofens ist bzw. sind am Boden eines Brennraums vorzugsweise ein Brenner oder mehrere Brenner zentral angeordnet. Der Brennraum ist mit einer halbkugeligen, perforierten Abschirmung versehen, die es den heißen Verbrennungsgasen ermöglicht, aus dem Brennraum zu den Behandlungsrohren zu strömen, die aber sowohl ein Auf treffen der Flammen auf den Behandlungsrohren als auch eine direkte Abstrahlung von Wärme von dem Brenner zu den Behandlungsrohren verhindert. Die Behandlungsrohranordnung umfaßt eine Rohrwand, die in dem Ofen in relativ großer Höhe montiert ist, ferner Behandlungsrohre, die sich von der Rohrwand erstrecken, und ein großes zentrales Rohr, in das die Behandlungsrohre münden. Die Behandlungsrohre haben an ihren beiden Enden im Durchmesser kleine Eintritts- bzw. Austrittsstrecken und haben ferner eine sehr lange mittlere Strecke, die in dem Reformierofen mit Katalysator gefüllt ist. Die Rohrwand ist eine Sandwichkonstruktion.

6098AA/08B3 original inspected

- 26

Der Ofen ist mit einer Isolierung aus aneinanderstoßenden, miteinander fluchtenden Innenmantelringen versehen. Jeder Innenmantelring ist im Abstand von dem Außenmantel des Gefäßes angeordnet und begrenzt einen kleinen Ringraum, in den ein relativ kühles Spülgas eintreten kann, das unter einem etwas höheren Druck steht als das Innere des Ofens.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Umwälzen des Rauchgases des Ofens in dem System. Rauchgas des Ofens dient zum Erhitzen des zu verarbeitenden Koh— lenwasserstoffeinsatzes· Ferner wird ein Teil des Rauchgases nachverdichtet und in den Ofen zurückgeführt und dort mit dem Brennstoff und der Druckluft vermischt. Mit einem weiteren Teil des Rauchgases wird eine Turbine zum Antrieb eines Luftverdichters zusätzlich beaufschlagt.

Die Erfindung schafft somit einen Reformierofen, der auf der Behandlungsgutseite und der Heizseite unter Druck arbeitet, ferner Konstruktionsteile, die mit besonderem Vorteil in dem Reformierofen verwendet werden können, und ein integriertes Verfahren, in dem der Reformierofen verwendet wird. Zu den genannten Konstruktionsteilen gehören eine Rohrwand in Sandwich-Bauweise mit einem Zellenkörper, eine perforierte halbkugelförmige Abschirmung für die Feuerung und ein wärmeisolierender Doppelmantel mit einem ringförmigen Spülgasraum für den Ofen.

Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes wird dieser nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben· In diesen zeigt

OftlQiNA INdPECTED 6 0 9 8 U h I 0 8 S 3

26 1 G

Fig* 1 im Vertikalschnitt eine besonders für die Verwendung als Reformierofen geeignete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens»

Fig, 3 in einem Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1 die Rohrwand mit ihrer Steganordnung,

Fig. 4 in größerem Maßstab als Teildarstellung im Vertikalschnitt die Brenneranordnung und die im Innern des Ofens der Fig. 1 angeordneten Isoliermantelringe,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 1,

Fig. 6 den Ofen gemäß Fig. 2 mit einer Darstellung des während des Reformierbetriebes vorhandenen Temperaturverlaufs und

Fig. 7 schematisch ein den Ofen enthaltendes Gesamtsystem.

Der erfindungsgemäße Ofen ist für zahlreiche Zwecke verwendbar und kann praktisch zu jeder Aufgabe herangezogen werden, bei der ein katalytisches oder nichtkatalytisch.es Kracken erwünscht ist. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Reformierofens zum katalytischen Kracken erläutert.

Der in Fig. 1 gezeigte Reforraierofen 2 gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen aus drei Hauptteilen, und zwar der Mantelanordnung 4, der Behandlungs rohranordnung 6 und der Feuerung 8.

h Π <ί ;: A A / ή H h 'J OR,_GiNAL

26 16 (j

Die Mantelanordnung 4 umfaßt den Außenmantel 9# die Isoliermantelringe 10 und die Spülgasräume 12, die von der Außenwandung der Mantelringe 10 und der Innenwandung des Mantels 9 begrenzt sind. Wie am besten aus den Figuren 1 und 4 hervorgeht, hat jeder feuerfeste Innenmantelring 10 eine zylindrische Form bzw. aie Form der Innenwandung des Außenmantels 9 und ist jeder Innenmantelring am einen, vorzugsweise dem oberen Ende mit dem Außenmantel verbunden. Die Außenwandung 14 jedes Innenmantelrings hat einen kleineren Durchmesser als die Innenwandung des Außenmantels 9, so daß an jeden Isoliermantelring 10 ein Spülgasraum 12 angrenzt. Der Spülgasraum 12 ist mit einer Einrichtung zum Aufrechterhalten des erforderlichen Abstandes zwischen dem Isoliermantelring 10 und der Innenwandung des Außenmantels 9 versehen. Diese Abstandhalteeinrichtung kann jede beliebige Form haben und besteht in einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform aus einer Wendel 11, die sich vom oberen zum unteren Ende des Spülgasraums erstreckt. Jeder Spülgasraum 12 endet in einer RingÖffnung 13» durch welche der Spülgasraum 12 mit dem Innern des Ofens in Verbindung steht. Jeder Spülgasraum 12 hat einen eigenen Spülgaseintritt 20, durch den Spülgas unter einem Druck eintritt, der etwas höher ist als der Druck auf der Verbrennungsgasseite des Reformierofens 2. In der Praxis besteht das Spülgas aus gekühltem Rauchgas des Ofens 2. Jeder Isoliermantelring 10 ist mit einer vorkragenden feuerfesten Zustellung 16 versehen, die eine zu starke Auslenkung der äußeren Behandlungsrohre und eine Kanalbildung des Rauchgases in dem Ofen 2 verhindert.

Die Reformierrohranordnung 6 umfaßt die Rohrwand 22, die Reformierrohre 24 und das zentrale Rohr 26, das in dem Reformierofen 2 axial angeordnet ist, sich

ORIGINAL INSPECTED h 0 f) V. U U I f) 8 S 3

26

durch die Decke des Ofens 2 hindurch aufwärts erstreckt und an seinem oberen Ende den Austritt 27 für das Behandlungsgut bildet· In der Praxis ist das zentrale Rohr 26 auf beliebige geeignete Weise, beispielsweise durch Schweißung, an dem Rand der oberen Öffnung 28 des Ofens 2 befestigt. Wie am besten aus den Figuren 1 und 3 hervorgeht, besteht die Rohrwand 22 aus einer oberen Platte 34, einer unteren Platte 36 und einer zwischen den Platten 34 und 36 vorgesehenen Steganordnung 38. Die Rohrwand 22 besitzt eine zentrale Öffnung 30, die dem Umriß des zentralen Rohrs 26 angepaßt und an dieser mittels einer Schweißnaht hoher Festigkeit befestigt ist, die die obere Platte 34 der Rohrwand mit dem zentralen Rohr 26 verbindet· Eine zusätzliche Abstützung wird erzielt, indem die Rohrwand 22 beispielsweise mittels eines langgestreckten Tragprofils 32 an der Innenwandung des Ofens befestigt ist. Das kontinuierliche Tragprofil 32 ist sowohl an der Ofenwandung als auch an der Rohrwand 22 abgedichtet. Es sind ferner Wärmeabweiser 40 vorgesehen, welche die Rohrwand 22 vor den heißen Rauchgasen schützen. Die Rohrwand ist in der oberen und der unteren Platte 34 bzw. 36 mit Löchern 42 und 44 ausgebildet, die miteinander fluchten.

Jedes Reformierrohr 24 besitzt eine lange mittlere Strecke 50, eine Eintrittsstrecke 46 und eine Austrittsstrecke 48. Die lange mittlere Strecke 50 ist bei weitem der größte Teil des Reformierrohrs 24 und ist die einzige mit Katalysator gefüllte Strecke. Die Eintrittsstrecken 46 erstrecken sich von der oberen Fläche der oberen Rohrplatte durch die Löcher 44 der unteren Rohrplatte 36 und sind mit Schweißnähten hoher Festigkeit an der oberen Rohrplatte der Rohrwand 22 befestigt. Der Durchmesser der Eintrittsstrecke 46 ist beträchtlich kleiner als der der mittleren

INSPECTED b 0 9 H U k I Π ft 5 3

Strecke 50 des Reformierrohrs. Infolgedessen sind die Abstände zwischen den mittleren Strecken 50 der Reformierrohre klein, so daß die Rauchgase im Bereich des Rauchgasaustritts nur minimal gedrosselt werden und in den keinen Katalysator enthaltenden Eintrittsstrecken nur eine minimale Wärmemenge auf das Behandlungsgut übertragen wird.

Die Austrittsstrecken 48 der Reformierrohre 24 sind im Durchmesser ebenfalls viel kleiner als die mittleren Strecken 50 der Reformierrohre. Wie am besten aus der Fig. 5 hervorgeht, erstrecken sich die Austrittsstrecken 48 annähernd schräg oder wendelförmig zu dem zentralen Rohr 26 und in dieses hinein. Diese Wendelform der Austrittsstrecken 48 ermöglicht eine Wärmedehnung der Reformierrohre 24· Infolge ihres kleinen Durchmessers bewirken die Austrittsstrecken 48 nur eine minimale Drosselung der zu den mittleren Strecken 50 der Behandlungsrohre 24 strömenden Verbrennungsgase und wird auf die keinen Katalysator enthaltenden Austrittsstrecken nur eine minimale Wärmemenge übertragen.

Das zentrale Rohr 26 der Rohranordnung 6 ist im wesentlichen ein gerades Rohr, das dazu dient, das aus den Behandlungsrohren 24 austretende Behandlungsgut durch den Austritt 27 aus dem Ofen 2 herauszuführen. Das zentrale Rohr 26 ist mit einer Wäraeabschirmung 29 ummantelt, die den unteren Teil des zentralen Rohrs 26 von den heißen Verbrennungsgasen abschirmt. Die Wärmeabschirmung 29 erstreckt sich an dem zentralen Rohr 26 abwärts bis zu einer Stelle oberhalb des unteren Endes des Rohrs 16. Im Innern des unteren Teils des zentralen Rohrs 26 befindet sich ein zylindrischer Prallkörper 25, der das aus den

6 ο 9 8 u / η 8 s 3 obk»nal <nspect_ED

261608b

Austrittsstrecken 48 der Reformierrohre 24 kommende Behandlungsgut abwärts umlenkt. Infolgedessen bestreicht das aus den Austrittsstrecken 48 kommende Behandlungsgut die Innenwandung des unteren Teils des zentralen Rohrs Diese Anordnung trägt ebenfalls zum Schutz des unteren Teils des zentralen Rohrs 26 vor einer Beschädigung durch heiße Verbrennungsgase bei.

An dem zentralen Rohr 26 sind Rohrführungen 31 angeordnet, die sich von dem zentralen Rohr 26 auswärts in den Bereich der Behandlungsrohre 24 erstrecken. Ähnlich wie die vorkragenden Zustellungen 16 verhindern diese Rohrführungen 3I eine zu starke Auslenkung der Behandlungsrohre 24 und eine Kanalbildung durch die Verbrennungsgase in dem Ofen. Am Außenumfang der Behandlungsrohre 24 sind ferner zahlreiche gegeneinander versetzte kreisförmige Abstandhalteringe 75 angeschweißt, die eine zu starke Auslenkung und zu starke Schwingungen der Behandlungsrohre verhindern.

Die Feuerung 8 des Ofens umfaßt vorzugsweise einen einzigen Brenner 52, der in einem sich verengenden und dann erweiternden Venturi-Rohr 54 angeordnet ist, und mehrere fest angeordnete, gekrümrate Leitschaufeln 56, die dazu dienen, die den Brenner 52 verlassenden Verbrennungsgase längs spiralförmiger Bahnen zu führen, um ein gründliches Vermischen von Brennstoff, Luft und Rauchgas zu unterstützen. Die Feuerung 8 umfaßt ferner einen kalottenförmigen, igluartigen Einsatz 58, der den Innenraura des Ofens knapp oberhalb des Brenners 52 überbrückt. Der aus feuerfestem Material bestehende Einsatz 58 besitzt zwischen seiner Mitte und der Ofenwandung mehrere Öffnungen 60 für den Durchtritt der heißen Verbrennungsgase in den Bereich direkt unter den Reformierrohren 24. Oben auf dem Einsatz 58 ist ein feuerfester

* b 0 9 8 4 A / f) K b 3 QSieiNAL iNc-.?sr^-r-

26 - ίο -

zylindrischer Körper 64 angeordnet, der einerseits zum Schutz des unteren Endes des zentralen Rohrs 26 vor der direkten Beaufschlagung mit den heißesten Verbrennungsgasen und andererseits zur Aufnahme von Beschwerungselementen, wie Keramikkugeln 651 dient, die verhindern, daß der Einsatz 58 von auf seine Unterseite wirkenden Verbrennungsgasen gehoben wird. Der kalottenförmige Einsatz 58 verhindert eine Wärmeabstrahlung von der Feuerung 8 auf die Behandlungsrohre 24, die nur jener geringen Strahlungswärme ausgesetzt sind, die von den Verbrennungsgasen selbst abgestrahlt wird. Die Unterseite des kalottenförmigen Einsatzes 58 kann gemäß Fig. stromlinienförmig ausgebildet sein, damit der Druckabfall an dem Einsatz 58 und die auf ihn von den strömenden Ver— brennungsgasen ausgeübte Auftriebskraft auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Der Ofen 2 besitzt ferner einen oberen Raum 66, der durch die Rohrwand 22 und das zentrale Rohr 26 von dem Konvektionsteil abgedichtet ist. Der obere Raum 66 stellt den Eintrittsraum für den Einsatzkohlenwasserstoff dar, der durch die Eintrittsöffnung 68 in den oberen Raum 66 und aus diesem direkt in die Eintrittsstrecken 46 der Behandlungsrohre 24 tritt.

Der Ofen 2 ist ferner mit einem Rauchgasaustritt 70 versehen, der knapp unterhalb der Rohrwand 22 und knapp oberhalb der den Katalysator enthaltenden Strecken 50 der Reformierrohre angeordnet ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist mit der gemäß Fig. 1 praktisch identisch, und alle gleichen Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der einzige

ORIGINAL INSPECTED 609844/0853

2 6 1 G ü δ

Unterschied besteht darin, daß in dem zentralen Rohr 26 zusätzlich ein Wärmeaustauscher 72 angeordnet ist, der vorzugsweise aus Bajonettrohren 74» einer Eintrittsstrecke 76 und einer Austrittsstrecke 78 "besteht. Die Wärmeaustauscherrohre 72 können jedes beliebige Strömungsmittel fortleiten, dienen jedoch vorzugsweise zum Fortleiten von Kohlenwasserstoffeinsätζ für den Reformierofen und werden von dem aus den Reformierrohren ausgetretenen, aufwärtsströmenden, heißen Effluenten bestrichen. Das zu erhitzende Strömungsmittel, z, B. Rauchgas, Luft, oder Wasser tritt durch den Eintritt 76 des Wärmeaustauschers in diesen ein und strömt in dem konzentrischen ringförmigen äußeren Kanal jedes Bajonettrohrs 72 abwärts und in dem konzentrischen inneren Kanal des Bajonettrohrs 72 aufwärts zum Austritt 73 des Färmeaustauschers. Dabei wird das aus den Reformierrohren 24 ausgetretene Behandlungsgut gekühlt, indem es Wärme an das Strömungsmittel im Innern der Rohre 74 abgibt.

Im Betrieb der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Öfen tritt Kohlenwasserstoffeinsätζ durch den Eintritt 68 ein und strömt dann durch die Eintrittsstrecken der Reformierrohre 24 in deren mittlere Strecken 50, die den Katalysator enthalten und in denen das Reformieren vor allem erfolgt. Der von dem reformierten Gas gebildete Effluent tritt aus der in den mittleren Rohrstrecken 50 befindlichen Katalysatorfüllung aus und strömt in kurzer Zeit durch die Austrittsstrecken 48 der Reformierrohre 24 zum unteren Ende des zentralen Rohrs 26 und danach aufwärts zum oberen Ende des Ofens 2 und aus diesem heraus, um der Weiterverarbeitung zugeführt zu werden. Die für die Reformierreaktion benötigte Wärme wird von einem Gemisch abgegeben, das aus zurückgeführten Rauchgasen und aus Verbrennungsgasen besteht, die durch die Verbrennung von Brennstoff und Druckluft erzeugt worden sind. Bei etwa 565 ⁰O und etwa 10,9 ata

h () Ί H 4 4/085 3 ORIGINAL INSPECTED

-2616ÜÜ.)

treten die Rauchgase durch die in den Figuren 1 und 7 gezeigte Leitung 113 in die Feuerung 8 ein. Durch die zu der Feuerung 8 zurückgeführten Rauchgase wird die Verbrennungstemperatur beeinflußt und ein Teil der Verbrennungswärme zugeführt. Bei etwa 21 ⁰C und etwa 10,9 ata tritt ein Brenngas, beispielsweise Methan, Erdgas oder ein anderes Brenngas, oder ein leichter flüssiger Brennstoff, beispielsweise Kerosin, durch die Leitung 105 in den Brenner 52 ein. Bei etwa 371 ⁰C und etwa 10,9 ata tritt die für die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs erforderliche Luft durch die Leitung 104 ein. Die über die Leitung 113 zurückgeführten Rauchgase und die von dem Brenner 52 kommenden Verbrennungsprodukte strömen dann auf spiralförmigen Bahnen durch den Einsatz 58 und bestreichen danach die Reformierrohre 24. Wie am besten aus der Fig. 6 hervorgeht, sinkt die Temperatur von etwa 1232 ⁰C am Boden des Ofens 2 auf 649 ⁰C am Rauchgasaustritt. Der Druck der Verbrennungsgase kann zwischen 7>0 ata und 16,2 ata und vorzugsweise zwischen 7>0 ata und 12,7 ata, insbesondere zwischen 10,1 ata und 10,9 ata, betragen. Der behandlungsgutseitige Druck ist etwas höher. Der Kohlenwasserstoffeinsatz tritt bei etwa 21,1 ata, vorzugsweise 17,6 ata, in den Ofen 2 ein. Es hat sich aber gezeigt, daß ohne wesentliche Abänderung der Konstruktion des Ofens der Eintrittsdruck auch bis zu 38,7 ata betragen kann. Der reformierte Effluent tritt am Austrittsende des zentralen Rohrs 26 unter einem Druck aus, der um etwa 3,5 ata niedriger ist als der Druck, unter dem der Kohlenwasserstoffeinsatz in den Ofen eintritt. Man kann den Druck des austretenden Behandlungsguts sogar über 38,7 ata erhöhen, wenn die Rohrwandanordnung in der in Fig. 8 dargestellten Weise abgeändert wird. Zu diesem Zweck werden die vertikale Höhe und die Dicke der Stege 38 a vergrößert. Es hat

ORIGINAL INSPECTED 6 0 9 H 4 U I 0 8 5 3

261608b

sich gezeigt, daß für eine Erhöhung des Druckunterschiedes zwischen dem Rohr und dem Mantel von etwa 14» 1 at auf etwa 31,6 at und darüber, die Dicke um 25 ^ und die vertikale Höhe um 40 ^ vergrößert werden müssen. Ferner werden zwischen dem Wärmeabweiser 40 und der Rohrwand Schichten aus dünnen wärmeleitenden Blechen oder Folien angeordnet. In dieser Ausführungsform der Rohrwand 22 sind die Stege 38 a an beiden Enden verjüngt, damit genügende Abstände zwischen den an beiden Enden des Steges vorgesehenen Schweißnähten und den Eintrittsrohrstrecken 46 vorhanden sind. Durch das Einsetzen der dünnen wärmeabweisenden Folien wird die auf freie Konvektion und Strahlung zurückzuführende Wärmeübertragung von dem Rauchgas über die Rohrwand 22 auf das Behandlungsgut unterdrückt und dadurch das axiale Temperaturgefälle in der Rohrwandanordnung 22 herabgesetzt, so daß unzulässig hohe, thermisch bedingte Spannungen und Verformungen verhindert werden.

Der Verlauf der Verbrennungsgastemperatur in dem Ofen ist in Fig. 6 dargestellt.

Wie am besten aus der Fig. 7 hervorgeht, wird in dem erfindungsgemäßen System das heiße Rauchgas des Ofens dazu verwendet, das Gemisch von Einsatzkohlenwasserstoff und Dampf zu erhitzen, Dampf zu erzeugen und die Turbine anzutreiben, mit deren Hilfe die für die Verbrennung erforderliche Druckluft erzeugt wird. Die Rauchgasleitung 112 tritt durch die heiße Seite des Wärmeaustauschers 80, in dem das in der Leitung II4 strömende Einsat zgemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoff erhitzt wird. Die Leitung II4 endet im Einlaß 68 des Ofens. Nach dem Austritt aus dem Wärmeaustauscher 80 strömt das Rauchgas durch

ORIGINAL INSPECTED fa ο 9 ft 4 k I Π Β 5 3

2616Ü8

die heiße Seite des Wärmeaustauschers 82, in dem der von der Leitung 108 kommende Kohlenwasserstoffeinsatζ erhitzt wird. Der erhitzte Kohlenwasserstoffeinsatz tritt dann durch die kalte Seite des Wärmeaustauschers und wird schließlich in die Leitung 114 für das Einsatzgemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoff abgegeben. Nach dem Verlassen der heißen Seite des Wärmeaustauschers 82 wird das Rauchgas in zwei Teilströme geteilt, von denen der eine Teil durch die Leitung 113 dem Wärmeaustauscher 86 zugeführt wird, auf dessen mit Prozeßwasser beschickter, kalter Seite Dampf erzeugt wird. Der andere Teilstrom des Rauchgases wird über die Leitung 112 einem Brenner 88 zugeführt und in diesem mit Brennstoff und Druckluft gemischt. Mit dem auf diese Weise erzeugten Verbrennungsgas wird die Turbine 90 zum Antrieb des Luftverdichters 92 beaufschlagt. Von der Turbine 90 erzeugte Überschußenergie kann in dem von der Turbine 90 angetriebenen Generator 76 zum Erzeugen von elektrischer Energie verwendet werden. Die in der Leitung 104 zugeführte Luft wird vorzugsweise in dem Hauptstufen-Luftverdichter 92 verdichtet und gegebenenfalls in dem Hochdruck-Ifachverdichter 96 nachverdichtet und schließlich dem Brenner 52 des Ofens 2 zugeführt_u Die Verdichter 96 und 98 werden vorzugsweise ebenfalls von der Turbine 90 angetrieben, doch können sie auch von eigenen Motoren oder anderen Antriebseinrichtungen angetrieben werden. Das von der Turbine 90 kommende Rauchgas tritt zusammen mit dem anderen heißen Gas durch einen Wärmeaustauscher 94, in dem zusätzlicher Dampf für das System erzeugt wird. Danach wird das Rauchgas ins Freie abgeblasen.

ORDINAL INSPECTED

6 0 9 ft 4 U I Π 8 S 3

261608b

Der aus dem Austritt 27 des zentralen Rohrs 26 des Ofens 2 austretende Effluent wird durch die Leitung und die heiße Seite des Wärmeaustauschers 100 geführt. Aus der heißen Seite des Wärmeaustauschers 86 ausgetretenes und danach in dem Verdichter 98 verdichtetes Rauchgas tritt durch die kalte Seite des Wärmeaustauschers 100 und wird in diesem erhitzt, ehe es in den Ofen 2 eintritt· Danach kann der in der Leitung 110 strömende Effluent in dem Wärmeaustauscher 102 zur Dampferzeugung verwendet werden.

In dem Ofen 2 wird über die Leitung 105 zugeführter Brennstoff zusammen mit Über die Leitung 104 zugeführter Druckluft verbrannt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für den Betrieb des Ofens und des Systems gemäß der Erfindung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird Methan reformiert, doch kann man den Ofen und das System gemäß der Erfindung auch zum katalytisehen Reformieren von höheren Kohlenwasserstoffen, wie Propan, und von vorverdampften Kohlenwasserstoffen, die normalerweise flüssig sind, wie Hexan, oder von vorverdampften niedrigsiedenden Erdölkohlenwasserstoffen, wie Naphtha, verwenden. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei parallelbetriebene Öfen verwendet.

93 890 kg/h eines GH.-Einsatzes werden bei 38 ⁰C und 18,3 ata von der Leitung 108 der kalten Seite des Wärmeaustauschers 82 zugeführt. 1,8 . 10 kg/h Rauchgas von zwei parallelbetriebenen, identischen Öfen werden zunächst in dem Wärmeaustauscher 80 gekühlt und dann über die Leitung 112 an die heiße Seite des Wärmeaustauschers 82 abgegeben. Nach dem Erhitzen auf 214 ⁰C werden die 93 890 kg/h

INSPECTED 609844/0853

261600

CH. in die Leitung 114 eingeleitet und in dieser mit 379 750 kg/h Dampf gemischt.

In dem Wärmeaustauseher 80 wird das Dampf-CH.-Gemisch auf 538 ⁰C erhitzt.

Das aus der heißen Seite des Wärmeaustauschers ausgetretene Rauchgas wird in zwei Teilströme geteilt. Der eine Teilstrom wird über die Leitung 113 in einer Menge von 1,10 . 10 kg/h pro Ofen zu den beiden Öfen zugeführt. Das in der Leitung 113 auf einer Temperatur von 489 C befindliche Rauchgas tritt zunächst durch die heiße Seite des Wärmeaustauschers 86, in dem es 109 320 kg/h Dampf von 214 ⁰C und 21,1 ata erzeugt, der in die Dampf-Wasser-Leitung 116 abgegeben wird.

Das den Wärmeaustauscher 86 bei 316 ⁰C und 9,5 ata verlassende Rauchgas wird in dem Verdichter 98 auf 11,3 ata verdichtet und in dem Wärmeaustauscher 100 auf 566 ⁰C erhitzt, ehe es in die Öfen eintritt.

Der andere Teilstrom des bei 489 ⁰C und 9,8 ata von der heißen Seite des Wärmeaustauschers 82 ausgetretenen Rauchgases wird in einer Menge von 694 000 kg/h in der Leitung 112 ^ en Brenner 88 zugeführt, in dem er mit 15 880 kg/h OH₄ als Brennstoff und 276 700 kg/h Druckluft gemischt und verbrannt wird. Mit den Verbrennungsgasen wird die Turbine 90 beaufschlagt. Die heißen Verbrennungsgase treten bei 943 ⁰C und 9,8 ata in die Turbine 90 ein und bei 510 ⁰C und 1,06 ata aus der Turbine aus.

ORIGINAL INSPECTED

η 4 A / Π Η 5 3

261600b

Das aus der Turbine 90 ausgetretene Gas dient in dem Wärmeaustauscher 94 zum Erzeugen von 147 420 kg/h Dampf von 21,1 ata. Dieser Dampf wird über die Leitung 116 an die Leitung 114 abgegeben. Nach dem Verlassen des Wärmetauschers 94 wird das Gas ins Freie abgeblasen.

Der Verdichter 92 gibt Druckluft bei 354 ⁰O und 9,8 ata an den Verdichter 96 ab, in dem die Luft auf 371 ⁰G und 10,9 ata gebracht wird. Die von dem Verdichter 96 abgegebene Luft wird in zwei gleichen Teilströmen über die Leitungen 104 den Brennern 52 der zwei parallelgeschalteten Reformieröfen 2 zugeführt.

18 824 kg/h GH₄ bei 21 ⁰C und 11,3 ata werden als Brennstoff über die Leitungen 105 an die Brenner 52 der beiden Öfen 2 abgegeben und mit den 328 850 kg/h Druckluft verbrannt, die jedem Ofen über die Leitung 104 zugeführt werden. Jeder der beiden Öfen wird durch die Verbrennungsgase zusammen mit den 1,10 . 10 kg/h zurückgeführtem Rauchgas von 566 ⁰C (0,55 . 10⁶ kg/h für jeden Ofen) erhitzt.

In jedem Ofen 2 werden die 236 320 kg/h des Gemisches von CH. und Dampf, das bei 538 ⁰G und 17,6 ata in den Ofen eintritt, unter der Einwirkung der durch die heißen Verbrennungsgase und das zurückgeführte Rauchgas zugeführten Eonvektionswärme auf eine Austrittstemperatur von 843 ⁰C erhitzt und dabei an einem Nickeloxidkatalysator reformiert. Der Eintrittsdruck des CH.-Einsatzes beträgt 17,6 ata, sein Austrittsdruck 14,1 ata. Die Verbrennungs— gase und das zurückgeführte Rauchgas stehen an. dem Brenner 8 unter einem Druck von 10,9 ata und an dem Rauchgasaustritt 70 unter einem Druck von 10,2 ata.

ORIQUMAL INSPECTED f> 0 9 HUh/ 0 B 5 3

261608b

In dem Wärmeaustauscher 100 wird die Temperatur des reformierten Behandlungsgutes durch Wärmeaustausch mit dem zurückgeführten Rauchgas auf 599 ⁰G herabgesetzt. Danach wird der von beiden Reformieröfen kommende Effluent in dem Wärmeaustauscher 102 abgekühlt, in dem 134 260 kg/h Dampf erzeugt werden, die an die Leitung 114 für das Kohlenwasserstoff-Dampf -Gemisch abgegeben werden, Wach dem Verlassen der heißen Seite des Wärmeaustauschers 102 wird der Reformereffluent der Weiterverarbeitung zugeführt.

In diesem Beispiel wurden 472 650 kg/h Synthesegas folgender Zusammensetzung erzeugt:

Bestandteil

CH₄	1,42
σο₂	5,65
co	8,75
H₂	48,85
H₂O	35,33

100,00

Die Produktion von Wasserstoff plus CO beträgt 12,46 Tera-.ffin³Aag bei 15 ⁰C.

Wenn das wasserstoffreiche Grasprodukt des Ofens (2) zusammen mit Druckluft verwendet werden soll, kann man das vorstehend besprochene, mit Wärmekonvektion arbeitende Reformiersystem abändern, indem ein Teil der von dem Verdichter 92 abgegebenen Druckluft abgezweigt wird, so daß sie an anderer Stelle verwendet werden kanti. Infolge der Abzweigung der Druckluft werden weniger Verbrennungsprodukte zum Beaufschlagen der Turbine 90 erzeugt. Dieses Manko kann aber ohne weiteres durch Abdampf ausgeglichen werden, der in dem Gesamtsystem anfällt.

ORIGINAL IMSPSCTEi ß 0 9 H 4 U I ΓI B ft 3

26'IGOOb

Bei der Verwendung des wasserstoffreichen Produkts des Reformierofens für die Ammoniakerzeugung ist es vorteilhaft, jedoch nicht unbedingt erforderlich, das vorstehend beschriebene Verfahren abzuändern. In dieser abgeänderten Ausführungsform wird ein Teil der von dem Verdichter 92 abgegebenen Druckluft abgezweigt und einem Nachreformierofen 117 zugeführt, der einer Ammoniakerzeugung vorgeschaltet ist.

Der Effluent des Reformierofens 2 wird über die Leitung 110 dem Nachreformierofen als Einsatz zugeführt. Die Verbrennungsprodukte des Nachreformierofens 117 werden über die Leitung 118 der Ammoniakerzeugung zugeführt und in dieser weiterverarbeitet. Der Nachreformierofen ist von üblicher Art, beispielsweise gemäß der US-PS 3 795 485.

Wenn man von der von dem Verdichter 92 abgegebenen Druckluft einen Teilstrom zur Verwendung in dem Nachreformierofen 117 abzweigt, erzeugen die Brenner 88 weniger Verbrennungsprodukte zum Beaufschlagen der Turbine 90. Zum Ausgleich dieses Mankos wird in den heißen Teil der Gasturbine 90 Dampf eingeleitet. Es hat sich gezeigt, daß in dem System genügend Abdampf anfällt, der in die Gasturbine 90 eingeleitet werden kann.

Die Verwendung der vorstehend beschriebenen, abgeänderten Ausführungsform des mit Konvektionsheizung arbeitenden Reformjersystems in einer integrierten Ammoniakerzeugungsanlage führt zu beträchtlichen Einsparungen, wie nachstehend anhand eines Beispiels für eine An-Ia^czur Erzeugung von etwa 1000 t/Tag Ammoniak erläutert wirdβ Das wasserstoffreiche Produkt des Reformierofens 2

■■: U A / üH H 3

wird über die Leitung 110 bei 31,6 - 33,7 ata einem Nachreformierοfen 117 zugeführt, in dem Ammoniaksynthesegas erzeugt wird und der in einem Druckbereich von 31,6 - 38,7 arbeitet. Der Verdichter 92 gibt 476 3OO kg/h Druckluft ab, von der 447 240 kg/h über die Leitung II8 dein Nachreformierofen 117 zugeführt werden, in den die Druckluft bei 31»6 - 38,7 ata eintritt. Den Brennern 88 werden 123 380 kg/h Druckluft zugeführt. Die für die Verwendung in dem Nachreformierofen bestimmte Druckluft wird von der Druckluft abgezweigt, die von dem Verdichter abgegeben wird und unter einem Druck von 14,5 ata steht. Der Naehreforraierofen arbeitet vorzugsweise unter einem Druck von 33,4 ata. Daher beträgt das Druckverhältnis zwischen der Druckluft, die von dem zur Gasturbine gehenden Luftstrom abgezweigt wird, und dem Druck in dem Nachreformierofen 2,3. Es hat sich gezeigt, daß in einem derartigen System zum Verdichten der Druckluft auf 33,4 ata 2100 PS erforderlich sind. Der Fachmann erkennt, daß dies eine beträchtliche Einsparung gegenüber einer üblichen Ammoniakerzeugungsanlage gleicher Größe darstellt, in der zum Verdichten der Prozeßluft 85OO PS erforderlich sind.

ORIGINAL !NSPEGTED

h ij H HU A / Π Η 5 3

Claims

2616Ü»¹

- 21 -

Patentansprüche:

1, Ofen, gekennzeichnet durch eine Brenneranordnung, durch einen Konvektionsteil für den Betrieb mit heißem Gas von mehr als 7»O ata, durch eine Abschirmung, die verhindert, daß von der Brenneranordnung abgestrahlte Wärme den Konvektionsteil erreicht, durch einen Behandlungsgutteil mit in dem Konvektionsteil angeordneten Behandlungsrohren zur Behandlung eines fließfähigen Behandlungsgutes bei mehr als 38»7 ata, durch ein zentral angeordnetes Austrittsrohr, das mit den Austritts— enden der Behandlungsgutrohre in Verbindung steht und unter einem Druck über 38,7 ata betrieben wird, durch eine Rohrwand mit einer oberen und einer unteren Platte and zwischen ihnen angeordneten, von der oberen Platte getragenen, verjüngten Stegen, wobei die obere und die untere Platte miteinander fluchtende Öffnungen haben und die Stege Öffnungen begrenzen, die mit denöffnungen in der oberen und der unteren Platte fluchten, so daß durch diese Öffnungen Rohre geführt werden können, durch einen auf der einen Seite von der oberen Platte der Rohrwand begrenzten Eintrittsraum für das Behandlungsgut, durch Wärme abweis er zum Fernhalten der heißen G-ase von der Rohrwandanordnung und durch Schichten aus Wärmeisoliermaterial zwischen der Rohrwand und den Wärmeabweisern.

2. Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoff und Dampf unter einem Druck von 14,1 - 42,2 ata durch Behandlungs- bzw. Reformierrohre geführt wird, die einen Katalysator enthalten, daß das Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoff und Dampf in den Behandlungs- bzw. Reformierrohren durch Konvektionswärme auf eine Temperatur

ORIGINAL INSPECTED

ft 0 H η 4 A / Π Β 5 3

261608

im Bereich, von 538 - 843 ⁰C erhitzt wird, daß eine WärmeäbstrahJLung von der Brenneranordnung des Ofens auf die das Einsatzgemisch, aus Kohlenwasserstoff und Dampf enthaltenden Behandlungs- bzw. Reformierrohre verhindert wird und daß in dem Konvektionsteil des Ofens ein Druck über 7»O ata aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, daß das Einsatzgemisch, aus Kohlenwasserstoff und Dampf in den Behandlungs- bzw. Reformierrohren unter einem Druck von 31,6 - 38,7 ata steht.

4. Verfahren nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoff und Dampf durch einen Wärmeaustausch mit Rauchgasen des Ofens vorer— hitzt wird, daß zum Erzeugen von Dampf für das Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoff und Dampf Wasser einem Wärmeaustausch, mit den Rauchgasen des Ofens unterworfen wird, daß zum Erzeugen von Druckluft eine !Turbine zum Antrieb eines Luftverdichters mit Rauchgasen des Ofens und heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird und daß zum Erzeugen elektrischer Energie eine mit einem Generator verbundene Turbine zum Antrieb eines Luftverdichters mit Rauchgasen des Ofens und heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird·

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoffeinsätζ vor seinem Vermischen mit Dampf durch einen Wärmeaustausch mit dem Rauchgas erhitzt wird.

6· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dampferzeugung Wasser einem Wärmeaustausch mit dem reformierten Effluenten des Ofens unterworfen wird.

6 0 9 H 4 k I Π 8 5 3 ORIGINAL INSPEGTED

261608b

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dampferzeugung Wasser einem Wärmeaustausch mit dem Abgas der Turbine unterworfen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rauchgas zu dem Ofen zurückgeführt und zum Erzeugen der Konvektionswärme in dem Ofen mit den heißen Verbrennungsgasen gemischt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas vor seiner Rückführung in den Ofen durch einen Wärmeaustausch mit dem reformierten Effluent en erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvektionsteil bei 7,0 - 16,2 ata betrieben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvektionsteil bei 7_f0 - 12,7 ata betrieben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Druckluft abgezweigt und für andere Verfahrenszwecke verwendet wird und die Turbine zum Antrieb des Verdichters und des Generators sowohl mit den Rauchgasen des Ofens und den heißen Verbrennungsgasen als auch mit Prozeßabdampf beaufschlagt wird.

13. Verfahren zum Erzeugen von Ammoniaksynthese-Rohgas, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus einem Kohlenwasserstoffeinsatz und Dampf unter einem

OWGJNAHNSPECTED

609844/0853

261608

Druck von 31,6 - 38,7 ata durch Behandlungs- "bzw. Reformierrohre geführt wird, die einen Katalysator enthalten, daß das Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoff und Dampf in den Behandlungs- bzw. Reformierrohren durch Konvektionswärme auf eine Temperatur im Bereich von 538 - 843 ⁰C erhitzt wird, daß eine Wärmeabstrahlung von der Brenneranordnung des Ofens auf die das Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoff und Dampf enthaltenden Behandlungs- bzw. Reformierrohre, verhindert wird, daß in dem Konvektionsteil des Ofens ein Druck von 7,0 — 16,2 ata aufrechterhalten wird, daß das Einsatzge— misch aus Kohlenwasserstoff und Dampf durch einen Wärmeaustausch mit Rauchgasen des Ofens vorerhitzt wird, daß V/asser zum Erzeugen von Dampf für das Einsatzgemiseh aus Kohlenwasserstoff und Dampf einem Wärmeaustausch mit dem Rauchgas des Ofens unterworfen wird, daß zum Erzeugen von Druckluft eine Turbine zum Antrieb eines Luftverdichters mit Rauchgas des Ofens und heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird, daß zum Erzeugen von elektrischer Energie eine mit einem Generator verbundene Turbine zum Antrieb eines Luftverdichters mit Rauchgasen des Ofens und heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird, daß ein Teil der Druckluft zu einem Nachreformierofen abgezweigt wird und daß die Turbine zum Antrieb des Luftverdichters sowohl mit den Rauchgasen des Ofens und den heißen Verbrennungsgasen als auch mit Prozeßabdampf beaufschlagt wird.

ORIGINAL INSPECTED 609844/0853

ar

Leerseite