DE3047734A1

DE3047734A1 - Brenner zum vermischen einzelner einsatzstroeme zur bildung eines mehrphasengemisches zur umsetzung in einem partialoxidations-gaserzeuger

Info

Publication number: DE3047734A1
Application number: DE19803047734
Authority: DE
Inventors: Albert 11743 Huntington N.Y. Brent; Edward Taylor 10591 Tarrytown N.Y. Child; William Bernard 10514 Chappaqua N.Y. Crouch; Charles Parker 10543 Mamaroneck N.Y. Marion; Blake Riverside Conn. Reynolds; George Neal San Marino Calif. Richter
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1981-10-08
Also published as: CA1162046A

Description

Brenner zum Vermischen einzelner Einsatzströme zur
Bildung eines Mehrphasengemisches zur Umsetzung in einem Partialoxidations-Gaserzeuger Brenner zum Vermischen einzelner Einsatzströme zur Bildung eines Mehrphasengemischs zur Umsetzung in einem Partialoxidations-Gaserzeuger Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für die Herstellung von Gasgemischen mit H2 und CO, z. B. Synthesegas, Brenngas und reduzierendem Gas, durch Partialoxidation pumpfähiger Aufschlämmungen von kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffen in einer Trägerflüssigkeit und/oder von flüssigem oder gasförmigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff.
Ringbrenner werden zum Einleiten flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoffe in einen Partialoxidations-Gaserzeuger eingesetzt.
Z. B. zeigt die US-PS 3 528 930 einen Einzelringbrenner, und die US-PS'en 3 758 037 und 3 847 564 zeigen Doppelringbrenner.
Zur Erzielung einer guten Durchmischung, Zerstäubung und Betriebsstabilität ist jeder Brenner für einen bestimmten Durchsatz ausgelegt. Wenn sich bei bekannten Brennern die erforderliche Produktgas-Ausgangsleistung erheblich ändert, muß das System abgeschaltet werden, damit der Brenner durch einen Brenner geeigneter Größe ersetzt werden kann. Dieses Problem wird mit dem Brenner nach der Erfindung beseitigt, da dieser mit verschiedenen Ausgangsleistungen arbeiten kann, wobei der Wirkungsgrad und die Stabilität erhalten bleiben, so daß kostenintensive Abschaltzeiten entfallen können. Der komplizicrtere Vorgang für das Vorheizen eines Gaserzeugers mittels eines Vorwärmbrenners, Ausbauen des Vorwärmbrenners aus dem Gaserzeuger und Einbauen eines gesonderten Produktionsbrenners ist z. B. in der US-PS 4 113 445 erläutert.
Das Unterende des Mundstücks der Mittenleitung bekannter Brenner ist mit der Brennerstirnwand im wesentlichen entweder bündig oder nahe der Stirnwand positioniert, und stromauf von der Brennerstirnwand erfolgt praktisch kein Vormischen der Reaktionsteilnehmer. In solchen Brennern findet also im wesentlichen die gesamte Zerstäubung und Vermischung des Brennstoffstroms mit dem Sauerstoffstrom nach der Brennerstirnwand statt.
Bei der Partialoxidation von Flüssigphase-Aufschlämmungen kohlenstoffhaltiger Festbrennstoffe zur Erzeugung von Synthesegas, Brenngas oder reduzierendem Gas können durch Anwendung des erfindungsgemäßen Brenners Probleme der Verbrennungsinstabilität und eines schlechten Wirkungsgrads, die bei bündig abschließenden Brennern auftreten können, beseitigt werd-en. Der neue Brenner weist eine innere Vormischzone auf, in der zwei oder drei Einsatzströme zur Reaktionszone eines Partialoxidations-Gaserzeugers ohne Entzündung vermischt und wahlweise so vorgewärmt werden, daß 0-100 Vol. -% der Trägerflüssigkeit verdampfbar ist. Der Brenner umfaßt eine zurückgesetzte koaxiale Mitten leitung und eine koaxiale Außenleitung sowie einen Ringkanal zwischen beiden. Ein konvergentes Austrittsmundstück kann das Ende der Außenleitung am Unterende des Brenners bilden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen der j4itten- und der Außenleitung eine koaxiale Zwischenleitung vorgesehen, so daß ein Zwischen-und ein Außen-Ringkanal gebildet sind. Wahlweise kann die Zwischenleitung eine Mehrzahl Löcher oder Kanäle mit kleinem Durchmesser aufweisen, so daß wenigstens ein Teil des in dem äußeren Ringkanal strömenden Gases diese durchsetzt und sich mit den Materialien vermischt, die durch den Zwischen-Ringkanal und/oder die Vormischzone strömen.
Das Unterende der inneren Mittenleitung und ggf. der Zwischenleitung können von der Brennerstirnwand um einen Betrag, der etwa dem zwei- oder mehrfachen, z. B. dem 3-lOfachen, bzw. dem 0-12fachen, z. B. dem 2-5fachen, Mindestdurchmesser des konvergenten Austrittsmundstücks am Brennerende entspricht, so daß eine Vormischzone geschaffen wird, die eine oder mehrere, z. B. 2-5, koaxiale hintereinander angeordnete Vormischkammern umfaßt. Die Vormischzone liegt zwischen dem Unterende der Mittenleitung und der Brennerstirnwand am Brennerunterende. Die Reaktionsmittelströme werden in die Vormischzone gesondert durch die Mittenleitung und den Ringkanal bzw. die Ringkanäle eingeleitet. In der Vormischzone werden die Reaktionsmittel gründlich vermischt, und gleichzeitig können ca. 0-100 Vol.-%, z. B. 2-80 Vol.-%, des flüssigen Trägermediums verdampft werden. Bei einem Ausführunsbeispicl kann sich das aus einer Vormischkammer austretende Gemisch in die nächste Vormischkammer der Reihen anordnung entspannen. Die Änderung der Strömungsgeschwindig keit des durch die aufeinanderfolgenden Vormischkammern strömenden Gemischs gewährleistet ein gründliches Durchmischen der Einsatzströme vor ihrem Austritt aus dem Brenner. Das Mehrphasengemisch kann am Unterende der Außenleitung durch ein konvergentes Austrittsmundstück mit einer Geschwindigkeit geschickt werden, die größer als die Flammengeschwindigkeit ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein stark herunterschaltbarer Brenner, der aufweist: eine Mittenleitung, die in einem freien kreisrunden Austrittsmundstück an der Brennerstirnwand endet; ein mittiges Bündel paralleler Rohre, die sich in Längsrichtung durch die Mittenleitung erstrecken und deren Unterenden von der Brennerstirnwand zurückgesetzt sind, und zwar bevorzugt um einen Betrag, der etwa dem 3-lOfachen Mindestdurchmesser des Austrittsmundstücks der Mittenleitung entspricht; eine mit der Mittenleitung koaxiale Außenleitung, die mit der Mittenleitung einen Ringkanal bildet, der an der Brennerstirnwand in einem freien ringförmigen Austrittsmundstück endet; und ein ringförmiges Bündel paralleler Rohre, die sich in Längsrichtung durch den Ringkanal erstrecken und deren Unterenden von der Brennerstirnwand stromaufwärts um einen Betrag, der etwa der 0-12fachen, z. B. der 3-lOfachen, Mindestweite des ringförmigen Austrittsmundstücks entspricht, zurückgesetzt sind.
Gesonderte Anteile des Brennstoffeinsatzes können durch das mittige Rohrbündel und/oder das ringförmige Rohrbündel geschickt werden, während gleichzeitig der Strom von freien Sauerstoff enthaltendem Gas durch die entsprechende Mittenleitung und/oder den Ringkanal, der das oder die Rohrbündel umgibt, geschickt wird. Temperaturmoderatoren können dem Oxidationsgas und/oder den Brennstoff-Einsatzströmen wahlweise beigemischt sein. Dadurch kann das freien Sauerstoff enthaltende Gas in die Zwischenräume zwischen den Rohren eingeleitet werden, so daß eine wirksamere Vermischung der Reaktionsmittelströme erzielbar ist. Alternativ können gesonderte Mengen des freien Sauerstoff enthaltenden Gases durch das mittige und/oder das ringförmige Rohrbündel geschickt werden, während gleichzeitig der Einsatzbrennstoff durch die entsprechende Mittenleitung und/oder den Ringkanal, die jeweils das oder die Rohrbündel umgeben, geschickt wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Brenners ist ein zusätzliches Vermischen der Reaktionsmittelströme dadurch erzielbar, daß in der Mittenleitung eine oder mehrere koaxiale zy lindrische Vormischkammern hintereinander und/ oder in dem Ringkanal eine oder mehrere ringförmige Vormischkammern hintereinander vorgesehen sind. In den Vormischkammern werden die Einsatzströme zur Reaktionszone eines Partialoxidations-Gaserzeugers ohne Entzündung miteinander vermischt und wahlweise so vorgewärmt, daß 0-100 Vol.-% des flüssigen Trägermediums verdampft werden. Gasstrahlen, z. B. Dampf, freien Sauerstoff enthaltendes Gas, C02, N2, im Kreislauf rückgeführtes Produktgas oder Gemische dieser Gase, können wahlweise in wenigstens eine der Vormischkammern eingeleitet werden. Die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des durch die aufeinanderfolgenden Vormischkammern strömenden Gemischs gewährleisten ein gründliches Vermischen der Einsatzströme vor deren Austritt aus dem Brenner. Das Mehrphasengemisch wird z, B. durch ein konvergentes Austrittsmundstück am Unterende der Mittenleitung und/oder des Ringkanals mit einer Austrittsgeschwindigkeit geschickt, die größer als die Flammengeschwindigkeit ist.
Es können manuelle oder automatische Regeleinrichtungen vorgesehen sein, um die Durchsatzpegel der Brennstoff- und Oxidationsmittelströme durch den Brenner zu erhöhen oder zu vermindern, so daß unter Beibehaltung des Wirkungsgrads und der Brenner stabilität viele Gaserzeuger-Ausgangsleistungspegel erzielbar sind.
Das Anfahren des Partialoxidations-Gaserzeugers wird durch ein neues Verfahren vereinfacht, bei dem nur der Brenner nach der Erfindung eingesetzt wird. Dadurch werden gesonderte Vorwärmbrenner unnötig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein irbelstrombrenner mit Vormischung und/oder der Fähigkeit, stark herunterschaltbar zu sein. Mit diesem Brenner werden gesonderte Wirbel-Einsatzströme gründlich vermischt zur Bildung eines Mehrphasengemischs, das in einem Partialoxidations-Gaserzeuger umgesetzt wird. Dieser Brenner umfaßt ein mittiges Bündel von offenendigen Wendelrohren, deren Längsmittenachse mit der Längsmittenachse des Brenners koaxial ist, wobei das Bündel eines oder mehrere Wendelrohre umfaßt, deren Einlaßabschnitte mit dem oberen Einlaß in Strömungsverbindung stehen, durch den ein erster Reaktionsmittel-Einsatzstrom einleitbar und dann in mehrere gesonderte Ströme aufteilbar ist, abwärts durch das mittige Bündel von Wendelrohren strömt und aus den Unterenden der Rohre austritt; eine mit dem mittigen Bündel von Wendeirohren konzentrische und dieses umgebende erste koaxiale Leitung, die nahe dem stromauf befindlichen Ende geschlossen ist, so daß die Eintrittsabschnitte der Wendelrohre das Ende durchsetzen und damit gasdicht verbunden sind, und die am Brennerunterende ein freies kreisrundes Austrittsmundstück aufweist; einen mit der ersten Leitung in Strömungsverbindung stehenden oberen Einlaß, durch den ein zweiter Einsatzstrom gesondert einleitbar und in mehrere Wirbelströme aufteilbar ist, die durch mehrere miteinander in Verbindung stehende wendelförmige Kanäle, die in dem das mittige Bündel von Wendelrohren umgebenden Zylinderraum gebildet sind, und/oder durch die ggf. vorhandenen Zwischenräume zwischen den Wendelrohren strömen; und Elemente zum Haltern des mittigen Bündels von Wendelrohren in bezug auf die e-rste Leitung und aufeinander. Dabei sind die Unterenden des mittigen Bündels von Wendelrohren von der unteren Brennerstirnwand um einen Betrag entsprechend etwa dem zwei- oder mehrfachen, z. B. etwa dem 3-lOfachen, Mindestdurchmesser des Austrittsmundstücks der ersten Leitung stromaufwärts zurückgesetzt, und der erste und der zweite Reaktionsmittel-Wirbelstrom treffen aufeinander und werden gründlich vermischt Wenn die beiden Reaktionsmittel-Wirbelströme aufeinandertreffen, und zwar entweder stromaufwärts in einer Vormischzone oder stromabwärts von der Brennerstirnwand, kann ein gründliches Durchmischen und Zerstäuben erfolgen. Dadurch wird der Verbrennungs-Wirkungsgrad des Brenners verbessert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brenners weist ein koaxiales ringförmiges Bündel von Wendelrohren auf, die die erste Leitung umgeben; in dem Ringraum, der von diesem ringförmigen Bündel von Wendelrohren gebildet ist, ist eine Mehrzahl miteinander verbundener Ringkanäle gebildet.
Dadurch kann der Durchsatz durch den Brenner in einfacher Weise erhöht oder vermindert werden. Z. B. kann der Brenner so betrieben werden, daß der erste und der zweite Einsatzstrom durch das mittige Bündel von Wendelrohren und die zugehörigen umgebenden Kanäle strömen, und/ oder daß der zweite und der dritte Einsatzstrom durch das ringförmige Bündel von Wendelrohren und die zugehörigen umgebenden Kanäle strömen.
Bei Verwendung einer Vormischzone werden die fleaktionsmittel gründlich vermischt, und gleichzeitig können ca. 0-100 Vol.-%, z. B. ca. 2-80 Vol.-%, des flüssigen Trägermediums verdampft werden. Bei einem Ausführungsbeispiel des Brenners entspannt sich das eine Vormischkammer verlassende Gemisch in die nächstfolgende Vormischkammer der Reihenanordnung.
Anhand der Leichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine allgemeine Ansicht des Brennerdufbaus; Fig. 2 einen Längsschnitt A-A nach Fig. 1 durch das Unterende des Brenners gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 3 ein weiteres Beispiel der Mundstück-Austrittsöffnung am unteren Mund stück der koaxialen Außenleitung 16 von Fig. 2; Fig. 4 eine Ansicht eines weiteren Beispiels des unteren Mundstücks der Außenleitung von Fig. 2, wobei die Austrittsöffnung aus einem erosionsfesten Werkstoff wie Silizium- oder Wolframkarbid besteht; Fig. 5 einen Längsschnitt A-A von Fig. 1 durch das Unterende eines weiteren Ausführungsbeispiels des Brenners, wobei ein Ringkanal vorgesehen ist und die Vormischzone zwei frei durchströmbare koaxiale Kammern in Reihenschaltung umfaßt; Fig. 6 einen Längsschnitt A-A nach Fig. 1 durch das Unterende eines weiteren Ausführungsbeispiels des Brenners mit zwei ringförmigen Kanälen, wobei die Vormischzone drei frei durchströmbare koaxiale Vormischkammern in Reihenschaltung umfaßt; Fig. 7 eine vertikale Längsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 8 einen Querschnitt 8-8 durch den Brenner von Fig. 7; Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Regeleinrichtung zum schnellen Umschalten von Durchsatzpegeln nach oben oder unten; Fig. 10 eine vertikale Längsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Brenners mit zwei zentralen ring förmigen hintereinanderliegenden Vormischkammern und zentralen und ringförmigen Rohrbündeln, deren Enden von der Brennerstirnwand nach oben zurückgezogen sind; Fig. 11 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines irbelstrombreners mit einem zentralen Bündel wendelförmiger Rohre mit zurückgezogenen Enden zur Bildung einer Vormischkammer; Fiy. 12 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des unteren Auslasses der Leitung 16 von Fig. 11; und Fig. 13 eine vertikale Längsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Brenners mit hoher Mindestbelastung, bei dem zentrale und ringförmige Bündel wendelförmiger Rohre mit zurückgezogenen Unterenden zwei zentrale ringförmige hintereinanderliegende Vormischkammern bilden.
Die Erfindung brict sich auf einen neuen Brenner für die Erzeugung von Gasgemischen, die H2, CO, C02 und wenigstens einen der Stoffe H20, N2, A, CH4, H2S oder C0S enthalten, wie Synthesegas, Brenngas und reduzierendes Gas, durch Partialoxidation eines Reaktionsmittelstroms, der eine pumpfähige Auf schlämmung eines kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffs in einem flüssigen Trägermedium, ein Kohlenwasserstoff-Flüssig- oder -Gasbrcnnstoff oder Gemische derselben mit oder ohne Beimischung eines Temperaturmoderators ist, mit einem Reaktionsmittelstrom von freien Sauerstoff enthaltendem Gas mit oder ohne Zumischung eines Temperaturmoderators. Das Produktgasgemisch wird in der Reaktionszone eines nichtkatalytischen, feuerfest ausgekleideten, frei durchströmbaren Partialoxidations-Gaserzeugers (z. B. entsprechend dem Gaserzeuger nach der US-PS 2 809 104) bei Temperaturen im Bereich von ca. 927-1926 OC und einem Druck im Bereich von ca. 0,98-294 bar, z. B. ca. 4,9-245 bar, bevorzugt ca. 9,8-98 bar, erzeugt.
Verbrennungsinstabilitäten und ein schlechter Wirkungsgrad können sich ergeben, wenn für die Vergasung von Flüssigphaseaufsehlämmungen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe herkömmliche Brenner mit bündiger Stirnfläche verwendet werden. Z. B.
könnten beim Einsatz von Kohle-Wasser-Aufschlämmungen in Zeiträumen zwischen dem Anfahren bis zu 10 h nach dem Anfahre folgende Änderungen im Generatorbetrieb auftreten: (1) Die im oberen Teil der Reaktionszone gemessene Temperatur kann sehr schnell ansteigen, wogegen sich im unteren Teil der Reaktionszone kein oder nur ein geringer Temperaturanstieg ergibt; (2) die Produktgasgeschwindigkeit kann abnehmen, gleichzeitig kann sich der C02-Gehalt des Gases erhöhen; (3) die Teilchengröße und die Menge nichtumgesetzter Feststoffe kann zunehmen. Es kann unmöglich sein, den vo-rgenannten Temperaturanstieg in der Reaktionszone oder die weiteren angegebenen Änderungen durch Verminderung der Oxidationsgeschwindigkeit oder Erhöhen der Aufschlämmungsgeschwindigkeit zu korrigieren. Außerdem können die genannten Änderungen bei höheren Drücken noch schneller auftreten.
Die angesprochenen Probleme können ein schlechtes Vermischen der Einsätze anzeigen. Ferner kann ein Teil der Kohle den Gaserzeuger durchsetzen, ohne wesentliche Mengen von Sauerstoff zu kontaktieren, und die Kohle kann nur teilweise von flüchtigen Bestandteilen befreit werden und zusammenschmelzen. In einem solchen Fall kann in der Reaktionszone vorhandener nichtumgesetzter Sauerstoff mit dem Produktgas in Reaktion treten.
Diese und weitere Probleme werden durch Verwendung des neuen Brenners vermieden, bei dem zwei oder drei Einsatzströme zur Reaktionszone eines frei durchströmbaren Partialoxidations-Gaserzeugers in einer inneren Vorlnischzone ohne Lündung miteinander vermischt und ggf. vorerwärmt werden, so daß zwischen 0 und 100 Vol.-% des flüssigen Trägermediums des Aufschlämmungs-Einsatzstroms verdampft werden. Z. B.
wird eine Aufschlämmung eines kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffs in Wasser in der Flüssigphasc in den Brenner yeleitet. Dort wird sie mit einem gesonderten Gasstrom, der freien Sauerstoff enthält, sowie ggf. mit einem Temperaturmoderator gründlich vermischt. Die Einsatzströme werden in einer Vormischzone miteinander vermischt, die in dem Brenner oberhalb des Austrittsmundstücks liegt. Wahlweise wird der Aufschlämmungs-Einsatz gleichzeitig in der Vormischzone des Brenners durch direkten Wärmeaustausch mit den anderen Einsatzströmen und/oder indirekten Wärmeaustausch mit einem Teil der Verbrennungsgase, die an der Brenneraußenseite im Kreislauf zurückgeführt werden, erwärmt. Dadurch sind 0-100 Vol.-%, z. B. ca. 2-80 Vol.-%, also etwa ca.
5-25 Vol.-% der Trägerflüssigkeit in der Aufschlämmung verdampfbar, bevor das Mehrphasengemisch von Reaktionsteilnehmern die Vormischzone durch ein konvergierendes Austrittsmundstück am Unterende des Brenners verläßt und unmittelbar in die Reaktionszone des Partialoxidations-Gaserzeugers eintritt.
Ausführungsbeispiele des Brenners sind vom Einfach- und Doppelringtyp mit einer oder mehreren, z. B. 2-5 hintereinander angeordneten koaxialen zylindrischen Vormischkammern.
Bei einem Ausführungsbeispiel entspannt sich das eine Vormischkammer verlassende Gemisch in die nächstfolgende Vormischkammer der Reihe. Die Geschwindigkeitsänderung des durch die aufeinanderfolgenden Vormischkammern strömenden Gemischs gewährleistet ein gründliches Vermischen der Einsatzströme vor dem Verlassen des Brenners. Das Gemisch wird durch das konvergierende Austrittsmundstück am Unterende des Brenners direkt in die Reaktionszone des Partialoxidations-Gaserzeugers beschleunigt.
Pumpfähige Flüssigphase-Aufschlämmungen mit einem Trockenfeststoffgehalt im Bereich von ca. 30-75 Gew.-%, z. B.
ca. 40-60 Gew.-%, werden durch einen Einlaßkanal des Brenners geleitet. Die Eintrittstemperatur der Aufschlämmung liegt zwischen ca. Umgebungstemperatur und 260 OC, aber unterhalb der Verdampfungstemperatur der Trägerflüssigkeit bei dem vorbestimmten Eintrittsdruck im Bereich von ca.
2 5,3-316, z. B. ca. 10,5-105 kp/cm absoluter Druck.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die Aufschlämmungsflüssigkeit 40-60 Gew.-% kohlenstoffhaltigen Festbrennstoff in flüssigem CO2.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Einzelring-Vormischbrenner verwendet, und der Einsatzstrom umfaßt eine Auf schlämmung aus flüssigem kohlenwasserstoffhaltigem Material und kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff. H20 in der Flüssigphase in einer Menge von ca. 5-95 Gew.-% kann mit der kohlenwasserstoffhaltigen Trägerflüssigkeit z. B.
als Emulsion vermischt sein. Alternativ kann ein Teil des H20, d. h. ca. 0-25 Vo.-%, als Dampf in Mischung mit dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas eingeführt werden.
Bei allen Ausführungsbeispielen des Binzel- und Mehrfachringbrenners mit zurückgezogener Mittenleitung sind die Unterenden der zentralen und Zwischenleitungen von der Stirnfläche des Brenners stromaufwärts um einen Betrag zurückgesetzt, der im Fall der Mittenleitung das 2fache oder mehr, z. B. das 3-lOfache, und im Fall der Zwischenleitung das 0-12fache, z. B. das l-5fache, des Mindestdurchmessers der konvergierenden Austrittsöffnung der Außen leitung an der Brenner spitze beträgt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Vorderende der Zwischenleitung stärker als das Vorderende der Mittenleitung zurückgesetzt.
Durch dieses Zurücksetzen ergibt sich Raum für eine Vormischzone. Die Vormischzone umfaßt eine- oder mehr, z. B. 2-5, koaxiale, hintereinanderliegende Vormischkammern. Wenn als Temperaturmoderator Hilfsdampf eingesetzt wird, kann der gesamte Dampf durch einen Kanal geleitet werden. Alternativ kann ca. 0-25 Vol.-% des Dampfs mit dem freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom vermischt und durch einen Kanal geleitet werden, während der restliche Dampf durch den verbliebenen Kanal geleitet wird.
Die Einfach- und Mehrfachringbrenner mit Vormischung nach der Erfindung können so betrieben werden, daß die Einsatzströme durch abwechselnd aufeinanderfolgende Kanäle im Brenner geleitet werden. Typische Betriebsarten sind in den Tabellen I-III angegeben.
In der Tabelle I sind die in den Veryaser durch den Brenner eingeführten Materialien und ihre entsprechenden Symbole angegeben. Der kohlenstoffhaltige Festbrennstoff (B), Wasser (C) und flüssiges kohlenwasserstoffhaltiges Material (E) sind miteinander in verschiedenen Kombinationen stromauf vom Brennereinlaß vermischbar, so daß eine pumpfähige Aufschlämmung entsteht, die in den Brenner eingeleitet und dann durch einen der mehreren freidurchströmbaren Kanäle des Brenners leitbar ist, wie das in Tabelle II für den Linzelringbrenner mit Vormischung (vgl. die Fig. 2 und 5) und in Tabelle III für den Doppelringbrenner mit Vormischung (vgl. Fig. 6) angegeben ist. Z. B. zeigt die erste Zeile von Tabelle II, daß ein pumpfähiger Aufschlämmungsstrom, umfassend kohlenstoffhaltigen Festbrennstoff (B) in Vermischung mit Wasser (C), durch die zurückgesetzte Mittenleitung 15 eines Einfachringbrenners mit Vormischung (entsprechend den Fiy. 2 und 5) geführt werden kann, während gleichzeitig ein freien Sauerstoff enthaltender Gasstrom durch den Ringkanal 17 geleitet werden kann.
Weitere Betriebsarten des Brenners nach der Erfindung sind zusätzlich zu den in den Tabellen II und III angegebenen möglich.
In bezug auf die Betriebsweise eines Doppelringbrenners nach der Erfindung zeigt die zweite Zeile von Tabelle III, daß freien Sauerstoff enthaltendes Gas (A) durch beide Ringkanäle geführt werden kann. In einem solchen Fall kann jedes der folgenden Materialien gleichzeitig durch eine oder beide Ringkanäle 17 und 51 geleitet werden: Luft, sauerstoffreiche Luft und im wesentlichen reiner Sauerstoff. Entsprechend Zeile 7 in Tabelle III kann freien Sauerstoff enthaltendes Gas (A) im Gemisch mit Dampf (D) (z. B. bis zu 25 Vol.-% der Gesamtmenge an H20) durch die Mittenleitung 15 geschickt werden, und der Rest an H20 in Form von Wasser (C) kann durch den Zwischenringkanal 17 als teil der Trägerflüssigkeit für die Aufschlämmung geschickt werden.
Wenn die Trägerflüssigkeit für die Aufschlämmung aus kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff ein flüssiges kohlenwasserstoffhaltiges Material ist, kann durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen eine vorzeitige Zündung im Brenner vermieden werden: (1) der Brennstoff wird unter seiner Selbstentzündungstemperatur gehalten; (2) der Festbrennstoff-Aufschlämmung wird Wasser beigefügt; (3) es wird Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, d. h.
bis zu ca. 40 Vol.-% 02, eingesetzt; (4) Dampf wird mit der Luft oder de Sauerstoff vermischt; (5) es wird ein Doppelringbrenner mit Vormischung (vgl. Fig.
6) verwendet, bei dem das Vorderende des Zwischenaustrittsmundstücks von der Brennerstirnfläche um etwa Null zurückgesetzt ist. In einem solchen Fall kann das freien Sauerstoff enthaltende Gas, z. B. im wesentlichen reiner Sauerstoff, gesondert durch den äußeren Ringkanal des Brenners und in die Reaktionszone des Gaserzeugers geführt werden, wo es durch Partialoxidation mit dem aus der Vormischzone des Brenners austretenden Mehrphasengemisch reagiert; und (6) das Mehrphasengemisch wird an der Austrittsöffnung am Vorderende des Brenners mit einer Austrittsgeschwindigkeit abgegeben, die größer als die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit ist.
Tabelle 1 Material Symbol freien Sauerstoff enthaltendes Gas A kohlenstoffhaltiger Festbrennstoff B Wasser C Dampf D flüssiges kohlenwasserstoffhaltiges Material E Temperaturmoderator-Gas F T a b e 1 1 e II Einfachringbrenner mit Vormischung (vgl. die Fig. 2 und 5) Mittenleitung 15 Ring 17 B+C A B+C+E A B+E A+D A B+C A B+C+E A+D B+E T a b e 1 1 e III Doppelringbrenner mit Vormischung (vgl. Fiy. 6) Mittenleitung 15 Zwischenring 17 Außenring 51 A B + C A B+C A A B + C A F A B+C+E A A B+C+E A+D D B+C+E . A A A+D B+C+E A B + C + E A A B+C+E D A B+C+E A D A B + E A + D A + D B + E A A + D B + E A + D D B + E A A B + E D B + E A + D A + D B+E A A+D B+E D A B+E A D A B + E F B+C A E A B+C E E B + C A B + C E A Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung können zusätzlich die folgenden Probleme, die während des Betriebs auftreten können, ausschalten. Beim Betrieb eines Partialoxidations-Gaserzeugers kann es erforderlich sein, die Produktion des abströmenden Gases sehr schnell auf ca.
1/8 bis 3/4 der Konstruktionsleistung der Anlage zurückzunehmen, ohne daß der Brenner ersetzt wird. Auswechseln des Brenners macht eine kostenintensive Abschaltzeit mit entsprechender Verzögerung erforderlich. Daher wird im Mehrfachkreislauf-Betrieb zur Energieerzeugung ein dauerhafter Brenne benötigt, bei dem nur ein minimaler Druckabfall eintritt und mit dem die Durchsatzwerte sehr schnell änderbar sind, und zwar nach oben und nach unten, ohne daß Betriebsstabilität und Wirkungsgrad verlorengehen. Ferner sollte der Brenner mit ciner Vielzahl flüssiger, fester und gasförmiger Brennstoffe und deren Gemische arbeiten können. Diese Forderungen werden durch den Brenner nach der Erfindung erfüllt.
Diese und weitere Probleme können mit einem Brenner nach der Erfindung vermieden werden, der aufweist: eine Mittenleitung, die am stromauf befindlichen Ende geschlossen ist und am Brennermund eine freie, kreisrunde untere Austrittsöffnung hat; eine mit der Mittenleitung über ihre Länge koaxiale und konzentrische Außenleitung, die von der Mittenleitung beabstandet ist und zwischen beiden einen Ringkanal bildet, der am stromauf befindlichen Ende geschlossen ist und am Urcnerkopf eine freie untere ringförmige Austrittsöffnung hat;ein mittiges Rohrbündel von symmetrisch beabstandeten Rohren, die durch das geschlossene Ende der Mittenleitung verlaufen und damit gasdicht verbunden sind, wobei die Rohre dieses mittigen Rohrbündels parallel zueinander und zur Brennerachse verlaufen und sich längs der Mittenleitung ohne gegenseitige Berühruny erstrecken und obere Einlaßmittel zum Einführen eines ersten Einsatzstroms und untere Enden haben, durch die der erste Einsatzstrom austritt, und ferner Mittel zum Beabstanden und Haltern des mittigen Rohrbündels in bezug auf die Innenwandung der Mittenleitung und in bezug aufeinander sowie einen oberen Einlaß zum Einleiten eines zweiten Einsatzstroms in die Mittenleitung und die Zwischenräume zwischen dem mittigen Bündel paralleler Rohre haben; ein ringförmiges Bündel von Rohren, die symmetrisch beabstandet sind und das geschlossene Erlde des ringkanals durchsetzen und damit gasdicht verbunden sind, wobei die Rohre in dem ringförmigen Rohrbündel zueinander und zu der Brennerachse parallel sind und längs dem Ringkanal ohne gegenseitige berührung verlaufen und einen oberen Einlaß aufweisen zum Einleiten eines dritten Einsatzstroms in die Rohre und untere Enden haben, durch die der dritte Einsatzstrom abgegeben wird, wobei die Unterenden des ringförmigen Rohrbündels von der Brennerstirnfläche um einen Betrag zurückgesetzt sind, der ca. 0-12mal die Mindestbreite der ringförmigen Austrittsöffnung am opf des Brenners beträgt, und wobei Mittel zum Beabstanden und Haltern des ringförmigcn Rohrbündels in bezug auf die Innenwand des Ringkanals und in bezug aufeinander sowie ein oberer Einlaß zum Einführen eines vierten Einsatzstroms in den Ringkanal und in die Zwischenräumc zwischen dem ringförmigen Bündel von Rohren im Ringkanal vorgesehen sind.
Durch diese Ausführungsformen wird ein großes Volumen des ersten Reaktionsmittelstroms in eine Vielzahl von Einzelströmen von Reaktionsfluid aufgespalten, die durch das zentrale Rohrbündel strömen. Uies ermöglicht die Einleitung des zweiten Reaktionsmittelstroms, der gleichzeitig durch die Mittenleitung strömt, in die das mittige Bündel von Rohren umgebenden Zwischenräume. Gleichermaßen wird ein großes Volumen des dritten Reaktionsmittelstroms in eine Vielzahl von Einzelströmen von Reaktionsfluid aufgespalten, die durch das ringförmige Bündel paralleler Rohre strömen. Der vierte Reaktionsmittelstrom, der gleichzeitig durch den Ringkanal strömt, wird in die das ringförmige Bündel von Rohren umgebenden Lwischenräume eingeleitet. 3e größer die Anzahl Rohre in einem Bündel, umso besser ist die Verteilung eines Reaktionsmittels im jeweils anderen Reaktionsmittel. Das Vermischen der Reaktionsmittelströme, das unterhalb der Enden der Rohre stattfindet, wird durch diese verbesserte Verteilung vereinfacht. Ein solches wirksames Vermischen der Einsatzströme erleichtert eine gleichmäßigere Partialoxidation des Brennstoffs zur Erzeugung von H2 und CO. Damit wird der Verbrennungs-Wirkungsgrad des Prozesses gesteigert.
Ferner sind die vorgenannten Probleme durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brenners nach der Lrfindung vermeidbar; dabei handelt es sich um einen Wirbelstrombrenner mit folgendem Aufbau: Eine erste zylindrische Leitung ist am Oberende geschlossen und weist am stromabwärtigen Ende des Brenners eine freie kreisrunde Austrittsöffnung auf.
Ein mittiges Bündel offenendiger Wendelrohre verläuft in Längsrichtung durch die erste Leitung nach unten. Der obere Einlaßteil jeder einzelnen Wendel in dem mittigen Bündel von Wendelrohren verläuft bevorzugt senkrecht durch eine Rohrwand, die unterhalb des geschlossenen Endes der ersten Leitung liegt, und ist gasdicht damit verbunden. Die oberen offenen Enden des mittigen Bündels von Wendelrohren sind mit einer Kammer, z. B. einem zylindrischen Verteiler, verbunden, durch die ein erster Einsatzstrom eingeführt wird.
Dadurch kann der erste Reaktionsmittel-Einsatzstrom in eine Vielzahl einzelner Ströme aufgespalten werden, die abwärts durch die einzelnen Wendelrohre des mittigen Bündels strömen und dann als eine Vielzahl von Wirbelströmen austreten.
Die einzelnen Wendeln in dem mittigen Bündel von Wendelrohren sind innerhalb der ersten Leitung gehaltert und wahlweise in dieser Leitung und in bezug aufeinander beabstandet mittels herkömmlicher Halterungen und Abstandselemente. Dadurch wird in dem von dem mittigen Bündel von Wendelrohren eingenommenen zylindrischen Raum eine Vielzahl miteinander in Beziehung stehender und frei durchströmbarer wendelförmiger Kanäle gebildet. Lin zweiter Einsatzstrom wird nahe dem oberen Ende der ersten Leitung eingeleitet, wird beim Durchströmen der wendelförmigen Kanäle oder der Zwischenräume zwischen den Wendelrohren in Einzelströme aufgeteilt und tritt dann als Vielzahl von Wirbelströmen aus. Die Vielzahl erster und zweiter Einsatzströme trifft entweder stromab von der Brennerstirnwand oder in einer Vormischzone stromauf von der Brennerstirnwand, in der ein gründliches Vermischen und Zerstäuben erf-olgt, aufeinander.
Das mittige Bündel von Wendelrohren ist mit der zentralen Längsachse des Brenners koaxial und umfaßt wenigstens einen, im Fall größerer Brenner eine Mehrzahl gleichbeabstandeter konzentrischer Ringe von Vielfachwendeln mit einer gemeinsamen Achse, die einen zylindrischen Raum einnehmen. Bevorzugt liegen die Einlässe und Auslässe der Vielzahl von Wendeln des mittigen Bündels an den Schnittpunkten wenigstens eines und bevorzugt einer Mehrzahl gleichbeabstandeter radialer Reihen und der konzentrischen Ringe. Die Seiten der einzelnen Wendeln in benachbarten konzentrischen Ringen können sich berühren. Wenn sie sich berühren, kann wenigstens ein Teil des zweiten Reaktionsmittel-Einsatzstroms durch die Vielzahl von in der ersten Leitung durch die schraubenförmigen Außenflächen des mittigen Bündels von Wendelrohren gebildeten Wendelkanälen strömen. Durch Auftrennen der Wendeln in benachbarte Ringe kann erreicht werden, daß ein größerer Anteil des zweiten Eirlsatzstroms in die Zwischenräume zwischen den Wendeln des mittigen Bündels strömt. In beiden Fällen wird ein gründliches Durchmischen des ersten und des zweiten Einsatzstroms erreicht. Außerdem kann eine Zerstäubung erfolgen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel hat der vorstehend erläuterte Wirbelstrombrenner eine hohe Mindestbelastungs-Leistungsfähigkeit. Dabei ist eine zweite koaxiale zylindrische Leitung von der ersten koaxialen zylindrischen Leitung beabstandet und umgibt diese über deren Länge. Zwischen den beiden koaxialen Leitungen ist dadurch ein Ringraum gebildet. Der Ringraum ist am oberen Ende geschlossen und hat am Unterende des Brenners eine untere freie ringförmige Austrittsöffnung.
Ein ringförmiges Bündel offenendiger Wendelrohre, bestehend aus einer Mehrzahl konzentrischer Wendeln mit einer gemeinsamen Achse, nimmt den Ringraum ein. Der obere Einlaßteil jeder einzelnen Wendel in dem Bündel ringförmiger Wendelrohre verläuft bevorzugt senkrecht durch eine ringförmige Rohrwand, die unterhalb des geschlossenen Endes des Ringraums angeordnet ist, und ist gasdicht damit verbunden. Die oberen offenen Enden des ringförmigen Bündels von Wendelrohren stehen mit einer Kammer in Verbindung, z. B. mit einem ringförmigen Verteiler, durch den ein dritter Einsatzstrom eingeführt wird. Dadurch kann der dritte Einsatzstrom in eine Mehrzahl von Einzelströmen aufgeteilt werden, die abwärts durch die einzelnen Wendelrohre des ring förmigen Rohrbündels strömen und als eine Mehrzahl Wirbelströme austreten.
Die einzelnen Wendeln in dem ringförmigen Bündel von Wendelrohren sind innerhalb des Ringraums sowie in bezug aufeinander durch herkömmliche Halterungen und Abstandselemente gehaltert und beabstandet. Dadurch wird in dem Ringraum, der von dem ringförmigen Bündel von Wendelrohren eingenommen wird, eine Mehrzahl zusammengehöriger wendelförmiger Kanäle gebildet. Ein vierter Einsatzstrom wird nahe dem geschlossenen oberen Ende der zweiten Leitung eingeführt, unterteilt sich in Einzelströme beim Durchströmen der Wendelkanäle oder der Zwischenräume zwischen den Wendelrohren, und tritt als Mehrzahl Wirbelströme aus. Die Mehrzahl dritter und vierter Einsatz-Wirbelströme trifft aufeinander und vermischt sich gründlich. Ferner kann ein Zerstäuben erfolgen.
Das ringförmige Bündel von Wendelrohren ist mit der zentralen Längsachse des Brenners koaxial und umfaßt bevorzugt wenigstens einen, bevorzugt mehrere gleichbeabstandete konzentrische Ringe aus Mehrfachwendeln mit einer gemeinsamen Achse, die den Ringraum einnehmen. Bevorzugt befinden sich die Einlässe und Auslässe von Wendeln in dem ringförmige Bündel an den Schnittpunkten der gleichbeabstandeten radialen Reihe oder Reihen mit den gleichbeabstandeten konzentrischen Ringen. Ebenso wie bei dem mittigen Bündel von Wende irohren können die Seiten einzelner Wendeln in benachbarten konzentrischen Ringen einander berühren oder auch nicht. Wenn sie sich berühren, wird durch die schraubenförmigen Außenflächen des ringförmigen Bündels von Wendelrohren die Mehrzahl von Wendelkanälen innerhalb des Ringraums gebildet. Durch Auftrennen der Wendeln in benachbarte Ringe ist es möglich, einen größeren Anteil des vierten Einsatzstroms in die Zwischenräume zwischen den Wendeln in dem ringförmigen Bündel strömen zu lassen.
In jedem der vorgenannten Ausführungsbeispiele, bei denen ein mittiges Bündel von parallelen oder wendelförmigen Rohren und ein ringförmiges Bündel von parallelen oder wendelförigen Rohren vorgesehen sind, werden der erste und dritte sowie der zweite und vierte Einsatzstrom bevorzugt jeweils von einem Brennstoffstrom und einem gasförmigen Oxidationsmittelstrom abgespalten. Bei einem Ausführungsbeispiel sind jedoch der erste und vierte bzw. der zweite und dritte Einsatzstrom von einem Brennstoffstrom bzw. einem gasförmigen Oxidationsmittelstrom abgespalten. Bei diesen Brennerausführungen können Strömungsregelmittel vorgesehen sein, die das Einströmen der vier Einsatzströme in den Brenner regeln. In jeder Speiseleitung ist dabei ein manuell oder automatisch gesteuerter Strömungsregler angeordnet.
Für die Speise leitungen der Brennstoffaufschlämmung und einiger viskoser Flüssigkeiten, z. . flückstände, wird ein Signal des Reglers einer Geschwindigkeitssteuerung für eine Verdrängerpumpe zugeführt. Bei den meisten Speiseleitungen des flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs oder des Oxidationsmittels wird das Signal des Reglers einem Strömungsregelventil zugeführt. Aufgrund des Signals wird entweder die Fördergeschwindigkeit der Pumpe geändert, oder es wird der Öffnungsgrad des Strömungsregelventils geändert. Auf diese Weise kann das Verhältnis der Brennstoff-und/oder Oxidationsmittelströme, die den Brenner durchsetzen, nach oben oder unten verstellt werden, z. B. bis zu ca. 50 % der Nennbedingungen. Alternativ kann in jeden der vier Einsatzströme ein Strömungsregelventil eingeschaltet werden, um den Strom der Einsätze zu der Mittenleitung und/ oder dem Ringkanal und zu den entsprechenden Rohrbündeln aufzulösen oder zu unterbrechen. Auf diese Weise können drei Strömungsbereiche durch den Brenner erhalten werden.
Außerdem können die beiden Strömungsregel-Methoden kombiniert werden, so daß der Durchsatz jedes Einsatzstroms zwischen 1/8 und 3/4 des Höchstwerts verstellbar ist.
Bei den Brennerausführungen, in denen Wendelrohre verwendet werden, umfaßt das mittige Bündel von Wendelrohren ca. 1-200 oder mehr, z. B. ca. 2-180, bevorzugt ca. 4-48, Wendeln.
Das ringförmige Bündel von Wendelrohren kann ca. 1-600 oder mehr, z. B. 2-580, bevorzugt ca. 8-96, Wendeln umfassen.
In dem mittigen und/oder dem ringförmigen Bündel sind 1-7 oder mehr konzentrische kreisrunde Ringe von Wendelrohren vorhanden. Sämtliche Wendeln sowohl des mittigen als auch des ringförmigen Bündels von Wendelrohren sind in die gleiche Richtung gewunden, d. h. entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn. Bei einem Ausführungsbeispiel jedoch sind sämtliche Wendeln in dem mittigen Wendelrohrbündel in die eine Richtuny, d. h. entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, gewunden, während sämtliche Wendeln des ringförmigen Wendelrohrbündels in Gegenrichtung gewunden sind.
Im allgemeinen gilt für große Brenner, daß die Verteilung des einen Reaktionsmittels im anderen Reaktionsmittel umso besser ist, je größer die Anzahl Rohre in einem Bündel ist.
Das Vermischen der Reaktionsmittelströme, das stromab von den Enden der Rohre stattfindet, wird durch diese verbesserte Verteilung erleichtert. Dieses wirksame Vermischen der Einsatzströme erleichtert eine gleichmäßigere Partialoxidation des Brennstoffs für die Erzeugung von H2 und CO. Damit wird der Verbrennungs-Wirkungsgrad des Prozesses verbessert.
Bei einem Ausführungsbeispiel für einen kleinen Brenner sind das mittige und/oder das ringförmige Bündel von Wendelrohren durch eine einzige mittige Wendel und/oder eine einzige ringförmige Wendel ersetzt.
Durch die vorliegende Erfindung treffen die Reaktionsmittelströme aufeinander und werden gründlich miteinander vermischt zur Bildung eines Wirbelgemischs, das durch Partialoxidation in der Reaktionszone des Gaserzeugers umgesetzt wird. Die Rcaktioncn finden in Bereichen statt, in denen die Gefahr einer Übererwärmung des Brennstoff s durch unzureichende Sauerstoff zufuhr und die daraus resultierende Entstehung von Ruß gering ist. Somit kann die Menge von nichtumgesetzten Kohlenstoffteilchen bei einem bestimmten Atomverhältnis von Sauerstoff und Kohlenstoff in dem Einsatz wesentlich vermindert werden. Außerdem wird die Gefahr einer "Uberhitzung" des Brennstoffs und der daraus folgenden Erzeugung von Kohlendioxid erheblich vermindert. Bevorzugt wird der Brenner aus warm- und korrosionsfesten Metallegierungen hergestellt.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsmittelstroms durch die parallelen oder wendelförmigen mittigen und ringförmigen Rohrbündel oder alternativ durch die Mittenleitung oder den die Rohre umgebenden Ringkanal liegt im Bereich von ca.
1,5-30,5, z. B. 3,05-15,2 m/s an der Brennerstirnwand, wenn der Reaktionsmittelstrom ein flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff oder eine flüssige Auf schlämmung eines kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffs ist, und im Bereich von ca.
45,7 m/s bis Schallgeschwindigkeit, z. B. 60,9-152,4 m/s, wenn der Reaktionsmittelstrom ein Kohlenwasserstoff-Brenngas oder ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas mit oder ohne Beimischung eines Temperaturmoderators ist.
Bei den parallele Rohre verwendenden Ausführungsbeispielen umfaßt das mittige Rohrbündel ca. 2-200 oder mehr, z. B.
ca. 6-36 Rohre. Das ringförmige Rohrbündel kann ca. 4-600 oder mehr, z. B. ca. 12-108, Rohre umfassen. In jedem Bündel können 1-7 oder mehr konzentrische Ringe vorgesehen sein.
Das Verhältnis der Gesamt-Rohrquerschnittsfläche (Grundinnendurchmesser) des ringförmigen Bündels von Rohren (TA) (unabhängig davon, ob parallele oder Wendelrohre verwendet sind) zur Gesamt-Rohrquerschnittsfläche (Grundinnendurchmesser) des mittigen Bündels von Rohren (TC) kann im Bereich von ca. 2-8 liegen. Gleichermaßen kann das Verhältnis der ringförmigen Zwischenraum-Querschnittsfläche (IA), die das ringförmige Rohrbündel umgibt, zur mittigen Zwischenraum-Querschnittsfläche (IC), die das mittige Rohrbündel umgibt, im Bereich von ca. 2-8 liegen.
In jedem Bündel liegt der Innendurchmesser der parallelen Rohre im Bereich von ca. 1,58-50,8 mm. Die Länge der Rohre in dem mittigen und dem ringförmigen Bündel und ihre Abstände sind so bemessen, daß der externe Reaktionsmittelstrom gleichmäßig in die Zwischenräume zwischen den Rohren strömen kann. Z. B. liegt die Länge der Rohre bei beiden Rohrbündeln im Bereich von ca. 12,7-609,6 mm oder mehr, bevorzugt von ca. 101,6-254 mm, wobei größere Längen erforderlich sind, wenn die Anzahl Rohre und die Gesamtgröße des Brenners zunehmen. Bevorzugt ist das Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser der Rohre wenigstens 8. Bevorzugt sind Innendurchmesser und Länge jedes Rohrs für sämtliche Rohre des mittigen Rohrbündels oder des ringförmigen Rohrbündels gleich. Dadurch wird eine gleichmäßige Strömung durch sämtliche Rohre erreicht.
Der Innendurchmesser der Wendelrohre des,nittigen und/oder des ringförmigen Bündels liegt im Bereich von ca. 1,58-50,8 mm oder mehr. Höhe, Abstand und Steigung der einzelnen Wendeln in dem mittigen und dem ringförmigen Bündel von Wendelrohren sind so bemessen, daß sie den Jeweiligen Einsatzströmen die erwünschte Wirbelströmung erteilen und/oder ein gleichmäßiges Ströme des externen Reaktionsmittelstroms in die Zwischenräume zwischen den Rohren erlauben. Z. B. liegt die Gesamthöhe der Wendeln in Jedem Rohrbündel im Bereich von ca. 25,4-914,4, z. B. 101,6-304,8 mm Oder mehr. Größere Höhen können erforderlich sein, wenn die Anzahl Rohre und die Gesamtgröße des Brenners zunehmen. Bevorzugt ist der Innendurchmesser der Rohre für alle Rohre des mittigen und/ oder des ringförmigen Bündels gleich. Dadurch wird ein gleichmäßiges Strömen durch sämtliche Rohre erzielt.
Paßstifte, Rippen, Zentrierstege, Abstandselemente und andere herkömmliche Elemente werden dazu verwendet, die Rohre und Leitungen in bezug aufeinander symmetrisch zu beabstanden und sie in gleichmäßiger Ausrichtung zu halten, ohne daß die freie Strömung der Einsatzströme in den mittigen und ringförmigen Zwischenraum-Zonen behindert wird.
Die stromabwärts befindlichen Austrittsenden der Mehrzahl ringförmiger und mittiger Rohrbündel (parallel oder wendelförmig) weisen bevorzugt Kreisquerschnitt auf und enden in derselben Ebene senkrecht zur Längsmittenachse des Brenners. Die Enden des mittigen und in manchen Fällen des ringförmigen Rohrbündels sind stromauf von der Brennerstirnwand zurückgesetzt, um ein starkes Durchmischen der Reaktionsmittel und Verdampfen des Trägermediums der Auf schlämmung vor dem Austritt aus dem Brenner zu ermöglichen.
Die Mittenleitungs-Austrittsöffnung und/oder die ringförmige Austrittsöffnung können konvergierende Abschnitte aufweisen; Z. B. kann die Mittenleitungs-Austrittsöffnung einen kegelstumpfförmigen Hinterabschnitt mit einem lEonvergenzwinkel von ca. 15-90° von der Längsmittenachse des Brenners aufweisen. Der Hinterabschnitt kann in einen normalen zylindrischen oder einen divergierenden kegelstumpfförmigen (z. B. mit einem Halbwinkel von ca.
15-90°) Vorderabschnitt übergehen, der an der unteren Brennerwand endet. Der zylindrische Vorderabschnitt kann eine Höhe haben, die etwa das 0-l,Sfache seines Eigendurchmessers beträgt. Ebenso kann die ringförmige Austrittsöffnung einen erzeugten konvergenten kegelstumpfförmigen ringförmigen Hinterabschnitt mit einem Konvergenzwinkel von ca. 15-90° von der Mittenachse des Kegelstumpfabschnitts aufweisen, wobei die Mittenachse mit der Längsmittenachse des Brenners parallel verläuft. Der Hinterabschnitt kann in einen erzeugten normalzylitldrischen oder einen divergierenden kegelstumpfförmigen (z. B. unter einem Halbwinkel von ca. 15-90°) ringförmigen Vorder abschnitt überyehen, der an der unteren Stirnwand des Brenners endet. Die Höhe des zylindrischen Vorderabschnitts kann etwa das 0-l,Sfache seiner Eigenbreite betragen.
Bei einer Ausführungsform ist die Flittenleitungs-Austrittsöffnung und/oder die ringförmige Austrittsöffnung geformt wie bzw. erzeugt durch ein Mundstück mit langem Radius entsprechend einer Norm der American Society of Mechanical Engineers. Eine Erläuterung des genannten Mundstücks ist in "Thermodynamicx Fluid Flow and Heat Transmission" von Huber 0. Croft, S. 155, 1. Aufl., 1938, McGraw-Hill Book Company, zu finden.
Die Brenneraußenseite wird durch Kühlschlangen gekühlt, die den Außenzylinder des Brenners über seine Länge umgeben.
Das in Strömungsrichtung untere Ende des Brenners kann eine Kanäle aufweisende Endplatte umfassen, durch die ein Kühlmittel im Kreislauf geführt wird. Z. B. kann eine ringförmige Kühlkammer die ringförmige Austrittsöffnung und/ oder die Mittenleitungs-Austrittsöffnung umschließen. Die Kühlkammer, die littenleitungs-Austrittsöffnung und/oder die ringförmige Austrittsöffnung können einstückig aus warm- und verschleißfestem Werkstoff, z. B. Wolfram- oder Siliziumkarbid, hergestellt sein. Jedes geeignete Kühlmittel, z. B. Wasser, ist einsetzbar.
Bei einer Ausführunysform des Brenners wird eine Mehrzahl Hochdruck-Hochgeschwindigkeits-Strahlströmc eines gasförmigen Materials in die Mittenleitung und/oder den Ringkanal an verschiedenen Stellen über deren Länge eingeleitet. Dadurch wird die Zerstäubung des Brennstoff-Speisestroms und wahlweise dessen Vermischung mit dem Oxidationsmittelstrom erleichtert. Z. B. wird das gasförmige Material durch eine Mehrzahl Kanäle oder Löcher mit kleinem Durchmesser, d. h.
mit einem Durchmesser von ca. 0,8-12,7 mm, geschickt, die in die Mittenleitung und/oder den Ringkanal führen.
Das eingesetzte Gas ist Dampf, freien Sauerstoff enthaltendes Gas, C02, N2, Brenngas, ein im Kreislauf rückgeführter Teil des Produktgases oder Gemische dieser Gase. Das Gas kann in den Brenner mit einer Temperatur zwischen Umgebungstemperatur und 816 OC und einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 30,5 m/s bis Schallgeschwindigkeit eingeleitet werden. Der Druck des Gases kann im Bereich von ca.
2 5,3-316 kp/cm2 absoluter Druck liegen und ist höher als der Druck der anderen den Brenner durchsetzenden Einsatzströme.
Die Austrlttsgeschwindigkeit des aus der mittleren Austrittsöffnung ausströmenden Materials beträgt etwa das 0,5-1,Sfache, bevorzugt entspricht sie, der Ausströmgeschwindigkeit des durch die Ringraum-Austrittsöffnung ausströmenden Materials. Die die beiden Austrittsöffnungen verlassenden Ströme vermischen sich, und eine Zerstäubung kann unmittelbar nach der Brennerstirnwand erfolgen.
Bei einer anderen Ausführungsform des Brenners erfolgt ein zusätzliches Vermischen der Reaktionsmittelströme in wenigstens einer, z. B. 2-5, koaxialen zylindrischen Vormischkammern, die in der Mittenleitung hintereinander angeordnet sind, und/oder in wenigstens einer, z. B. 2-5, ringförmigen Vormischkammern, die in dem Ringkanal hintereinander angeordnet sind. In einem solchen Fall sind die Unterenden des mittigen Bündels von Rohren von der Brennerstirnwand nach oben um einen Betrag zurückgesetzt, der das 2- oder mehrfache, z. B. ca. 3-10-fache, des kleinsten Durchmessers der kreisförmigen Austrittsöffnung beträgt, und/oder die Unterenden des ringförmigen Bündels von Rohren sind von der Brennerstirnwand nach oben um einen Betrag zurückgesetzt, der das 0-12fache, z. B. das 2-oder mehrfache, bevorzugt etwa das 3-lOfache, der kleinsten Weite der Ringraum-Austrittsöffnung beträgt. Bevorzugt sind die unteren Enden des mittigen und des ringförmigen Bündels von Rohren stromaufwärts vom Eintritt in die erste Vormischkammer der Reihe zurückgesetzt. Z. B. sind die Enden der Rohre vom Eintritt in die erste Vormischkammer um etwa den 0,l-2,Ofachen Durchmesser der ersten Vormischkammer zurückgesetzt.
Bei einer Ausführungsform ist Jede Vormischkammer in der littenleitung mit Ausnahme der ersten zylindrisch und umfaßt einen koaxialen zylindrischen Hauptteil, auf den ein koaxialer, wenigstens teilweise konvergenter Auslaßteil folgt Die erste zylindrische Vormischkammer in der Mittenleitung umfaßt einen normalen koaxialen zylindrischen Hauptteil, der sich direkt in die darauffolgende koaxiale zylindrische Vormischkammer der Anordnung öffnet. Jede Vormischkammer in der Ringleitung mit Ausnahme der ersten ist ringförmig und umfaßt einen koaxialen normalen zylindrischen ringförmigen Hauptteil, auf den ein koaxialer konvergenter kegelstumpfförmiger ringförmiger Auslaßteil folgt. Die erste ringförmige Vormischkammer umfaßt einen koaxialen normalen zyl-indrischen ringförmigen Hauptteil, der sich direkt in die nachfolgende koaxiale ringförmige Vormischkammer öffnet. Die konvergenten Auslaßteile der Vormischkammern können aus Wolfram- oder Siliziumkarbid bestehen, so daß sie erhöhte Verschleißfestigkeit haben.
Die Größenbeziehung zwischen aufeinanderfolgenden Vormischkammern in den Brennern kann wie folgt angegeben werden: Bei Brennern, in denen die Vormischkammern in der Mittenleitung aufeinanderfolgend mit 1-5 numeriert sind, und/oder bei denen die Vormischkammern in dem Ringkanal nacheinander mit 6-10 numeriert sind, ist das Verhältnis des Durchmessers jeder einzelnen der mittigen Kammern zum Durchmesser der jeweils nächstfolgenden Kammer in der Reihe, d. h. D1:D2, D2:D3, D3:D4 oder D4:D5, im Bereich von ca. 0,2-1,2. Das Verhältnis der Länge Jeder einzelnen mittigen Vormischkammer in der Mittenleitung zur Länge der nächstfolgenden mittigen Vormischkammer in der Reihe, d. h. L1:L2, L2:L3, L3:L4 oder L4:L5, kann im Bereich von ca. 0,1-1,0 liegen. Das Verhältnis der Ringbreite jeder einzelnen ringförmigen Vormischkammer zur Breite der Jeweils nächstfolgenden Ringkammer in der Reihe, d. h. W6:W7, W7:W8, W8:W9 oder W9:W10, kann im Bereich von ca. 0,1-1,2 liegen. Das Verhältnis der Länge jeder einzelnen ringförmigen Vormischkammer in dem ringkanal zur Länge der nächstfolgenden ringförmigen Vormischkammer in der Reihe, c. h. L6:L7, L7:L8, L8:Lg oder L9:Llo, kann im Bereich von ca. 0,1-1,0 liegen.
Im übrigen entspricht die Konstruktion dieses Brenners mit Vormischung, einschließlich der Rohre, Kanäle, Öffnungen, wassergekühlten Endplatte und Kühlschlangen, Hochdruck-Hochgeschwindigkeits-Strahlen eines Gases, die in die mittigen und/oder ringförmigen Vormischkammern eintreten, und Strömungsregelvorrichtungen im wesentlichen der vorher erläuterten Konstruktion. Ferner sind die Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsbereiche für die durch die verschiedenen Kanäle des Brenners geführten Materialströme im wesentlichen die gleichen wie vorher erläutert.
Beim Betrieb des Brenners mit Vormischkammern können Strömungsregelvorrichtunyen verwendet werden, um die Strömung der vier Einsatzströme zu den Rohren und Kanälen im Brenner in der bereits erläuterten Weise zu regeln. Die in den Brenner eintretenden Einsatzströme, die gleichzeitig und miteinander den Brenner mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchsetzen, treffen in den ersten Vormischkammern aufeinander und vermischen sich. Das Auftreffen eines Reaktionsmittelstroms, z. B. der flüssigen Aufschlämmung kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffs in einer Trägerflüssigkeit, wahlweise im Gemisch mit einem Temperaturmoderator, auf einen weiteren Reaktionsmittelstrom, z. B. einen Gasstrom von freien auerstoff enthaltendem Gas, wahlweise in lischung mit einem Temperaturmoderator, wobei der zweite Strom eine höhere Geschwindigkeit hat, bewirkt das Aufbrechen der flüssigen Auf schlämmung in einen feinen Sprühnebel. Das erzeugte Mehrphasengemisch durchströmt dann nacheinander alle übrigen Vormischkammern, in denen ein weiteres Vermischen stattfindet. Während das Gemisch den durchgehenden Brenner frei durchsetzt, ändert sich seine Geschwindigkeit mehrmals. Z. B. kann an verschiedenen Punkten des Brenners die Geschwindigkeit des Gemischs zwischen ca. C,l und 183 m/s liegen. Während das Gemisch aus einer Vormischkammer in die nächste strömt, sind die Geschwindigkeitsänderungen hauptsächlich das Ergebnis von Änderungen des Durchmessers der Strömungsbahn sowie der Menge und Temperatur des Gemischs. Dadurch wird ein gründliches Durchmischen der Bestandteile sowie eine Verwirbelung im Fall der Verwendung von Wendelrohren beschleunigt. Durch den Betrieb im Bereich einer Wirbelströmung ist die Vermischung maximierbar. Ferner findet im Brenner ein direkter Wärmeaustausch zwischen den Materialien statt. 0-100 Vol.-%, z. B. 5-25 Vol.-X der Flüssigkeiten in den Einsatzströmen können verdampft werden, bevor die Linsatzströme den Brenner verlassen. Aufgrund der konvergenten Austrittsöffnungen können die Einsatzströme direkt in die Reaktionszone des Partialoxidations-Vergasers beschleunigt werden.
Eine Verbrennung der brennbaren Materialien während des Durchströmens der Vormischzone des Brenners kann dadurch verhindert werden, daß die Mehrphasengemische an den mittigen und ringförmigen Austrittsmundstücken am Unterende des Brenners mit einer Austrittsgeschwindigkeit austreten, die größer als die Flammengeschwindigkeit ist. Flammengeschwindigkeiten sind eine Funktion von Faktoren wie Gemischzusammensetzung, Temperatur und Druck. Sie können entweder mit herkömmlichen Methoden berechnet oder experimentell bestimmt werden. Das Verhältnis der Austrittsgeschwindigkeit des durch das mittige Austrittsmundstück abgegebenen 11ehrphasengemischs zu dem durch das ringförmige Austrittsmundstück abgegebenen Mehrphasengemisch kann im Bereich von ca. 0,5-1,5, z. B. bei 1,0, liegen.
In Abhängigkeit von Faktoren wie der Temperatur, der Geschwindigkeit, der Verweilzeit und Zusammensetzung des Einsatzstroms, des erwünschten Verdampfungsgrads des flüssige gen Trägermediums sowie der erwünschten Standzeit des Brenners können Kühlschlangen den Außenmantel des Brenners über dessen Länge umschließen. Aus entsprechenden Gründen kann der Brenner erwünschtenfalls eine ringförmige Kühlkammer an seinem Unterende aufweisen.
Die Mehrphasengemische, die gleichzeitig aus dem mittigen und/oder dem ringförmigen Mundstück am Unterende des Brenners austreten, vermischen sich unterhalb der Brennerstirnwand.
Vorteilhafterweise finden bei dem Brenner nach der Erfindung die exothermen Partialoxidations-Reaktionen nach der Brennerstirnwand statt, so daß der Brenner gegen Hitzebeschädigungen geschützt ist.
Flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe und/oder pumpfähige Aufschlämmungen von kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffen mit einem Trockenfeststoffgehalt von ca. 30-75 Gew.-%, z. B. ca. 40-70 Gew.-%, können durch die Eintrittskanäle des Brenners geschickt werden. Z. B. können die Brennstoffströme durch das mittige und/oder das ringförmige Rohrbündel geschickt werden. Die Eintrittstemperatur des flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs oder der Aufschlämmung liegt zwischen Umgebungstemperatur und 260 OC, aber bevorzugt unterhalb der Verdampfungstemperatur des flüssigen Kohlenwasserstoffs bei dem gegebenen Eintrittsdruck von ca.
0,98-294, z. B. ca. 9,8-98 bar.
Die Bezeichnung kohlenstoffhaltige Festbrennstoffe, die hier für die Beschreibung geeigneter kohlenstoffhaltiger Feststoff-Einsätze verwendet wird, umfaßt verschiedene Materialien und deren Gemische, und zwar Kohle, Koks, Halbkoks, Kohleverflüssigungs-Rückstände, Petrolkoks, Rußteilchen sowie Feststoffe aus Ölschiefer, Teersanden und Pech. Alle Arten von Kohle sind einsetzbar, z. B.
Anthrazit, Fettkohle, Glanzbraunkohle und Braunkohle.
Die Kohlenstoffteilchen können z. B. als Nebenprodukt des hier angesprochenen Partialoxidations-Prozesses oder durch Verbrennung mineralischer Brerlnstoffe anfallen. Die Bezeichnung kohlenstoffhaltige Festbrennstoffe umfaßt im vorliegenden Fall auch Teilchen von Abfallstoffen, entwässerten Klärrückständen sowie halbfeste organische Materialien wie Asphalt, Gummi und gummiartige Stoffe einschließlich Kraftfahrzeug-Gummireifen, die zur erwünschten Teilchengröße vermahlen oder pulverisiert werden. Jedes geeignete Zerkleinerungssystem ist einsetzbar, um die kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffe oder deren Gemische zur geeigneten Teilchengröße zu zerkleinern.
Bevorzugt werden die kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffe auf eine Teilchengröße zerkleinert derart, daß 100 % des Materials ein Sieb mit einer Maschenweite von 1,4 mm passiert und wenigstens 80 % ein Sieb mit einer Maschenweite von 425 jim passiert (ASTM E 11-70-Siebe Nr. 14 bzw. Nr. 40).
Der Feuchtegehalt der kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffteilchen liegt im Bereich von ca. 0-40 Gew.-%, z. », von 2-20 Gew.-%. In manchen Fällen kann ein Vortrocknen erforderlich sein, um diese Werte zu erreichen.
Die Bezeichnung freien Sauerstoff enthaltendes Gas bedeutet im vorliegenden Zusammenhang Luft, sauerstoffreiche Luft, d. h. mehr als 21 Mol-% Sauerstoff, und im wesentlichen reinen Sauerstoff, d. h. mehr als 95 Mol-X Sauerstoff (Rest N2 und Edelgase).
Gleichzeitig wird der Reaktionszone des Gaserzeugers ein Strom von freien Sauerstoff enthaltendem Gas durch einen freien Kanal im Brenner zugeführt, z. B. durch die Mittenleitung und/oder, falls vorhanden, den Ringkanal, und zwar mit einer Temperatur im Bereich von Umgebungstemperatur und 816 OC, bevorzugt im Bereich von etwa Umgebungstemperatur und 149 OC, im Fall von sauerstoffreicher Luft, und im Bereich von ca. 260-649 OC im Fall von Luft, und mit einem Druck im Bereich von mehr als ca. 0,98-294, z. B.
4,9-245, bevorzugt 9,8-98 bar. Die Atome von freiem Sauerstoff plus die Atome von organisch gebundenem Sauerstoff in dem kohlenstoffhaltigen Festbrennstoff je Kohlenstoffatom in dem kohlenstoffhaltigen Festbrennstoff (O/C-Atomverhältnis) können im Bereich von 0,5-1,95 liegen.
Mit freien Sauerstoff enthaltendem Gas in der Reaktionszone kann das O/C-Atomverhältnis in dem weiten Bereich von ca.
0,5-1,7, z. B. ca. 0,7-1,4, liegen. Wenn der Reaktionszone Luft zugeführt wird, beträgt das O/C-Atomverhältnis ca.
0,7-1,6, z. B. ca. 0,9-1,4.
Die hier verwendete Bezeichnung Temperaturmoderator umfaßt Wasser, Dampf, CO2, t42 und einen im Kreislauf rückgeführten Teil des Produktgasstroms. Der Temperaturmoderator kann dem Brennstoffstrom und/oder dem Oxidationsmittelstrom beigemischt sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt z. B. der Einsatzstrom eine Aufschlämmung aus flüssigem Kohlenwasserstoff-Material und kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff. H20 in der Flüssigphase kann mit dem flüssigen Kohlenwasserstoffträger z. B.
in Form einer Emulsion vermischt sein. Ein Teil des H20, d. h. ca. 0-25 Gew.-X der Gesamtmenge an H20, kann als Dampf im Gemisch mit dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas eingeführt werden. Das Gewichtsverhältnis H20/Brennstoff kann im Bereich von ca. 0-5, z. B. ca. 0,1-3, liegen.
Die hier verwendete Bezeichnung Trägerflüssigkeit, die als Suspensionsmedium für die Erzeugung pumpfähiger Aufschlämmungen kohlenstoffhaltiger Festbrennstoffe eingesetzt wird, umfaßt verschiedene Materialien wie Wasser, flüssige Kohlenwasserstoff-Materialien und Gemische derselben. Wasser ist jedoch das bevorzugte Trägermedium für die kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffteilchen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Trägerflüssigkeit flüssiges Kohlendioxid. In diesem Fall kann die flüssige Aufschlämmung 40-70 Gew. -% kohlenstoffhaltigen Festbrennstoff enthalten, während der Rest flüssiges C02 ist. Die C02-Festbrennstoff-Aufschlämmung kann in den Brenner mit einer Temperatur von ca. -55-37,8 C in Abhängigkeit vom Druck eingeleitet werden.
Die Bezeichnung flüssiges Kohlenwasserstoff-Material zur Beschreibung geeigneter Trägerflüssigkeiten umfaßt verschiedene Materialien wie verflüssigtes Petroleumgas, Erdöldestillate und -rückstände, Fahrbenzin, Naphtha, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl und Schieferöl, aus Kohle erhaltenes Ö1, aromatischen Kohlenwasserstoff (z. B. Benzol-, Toluol-, Xylolfraktionen), Kohlenteer, Kreislaufgasöl aus FCC-Anlagen, Furfurolextrakt von Kokergasöl, Methanol, Ethanol und andere Alkohole, sowie Nebenproduktsauerstoff, der flüssige Kohlenwasserstoffe aus der Oxo- oder Oxylsynthese enthält, und Gemische dieser Materialien.
Die Brenner nach den Fig. 7-13 können so betrieben werden, daß die Einsatzströme durch abwechselnd aufeinanderfolgende Kanäle im Brenner strömen. Typische Betriebsarten sind in den nachstehenden Tabellen IV und V angegeben.
In der Tabelle IV sind die in den Vergaser durch den Brenner eingeleiteten Materialien und ihre jeweiligen Symbole angegeben. Der kohlenstoffhaltige Festbrennstoff (B), Wasser (C) und flüssiges Kohlenwasserstoff-Material (E) können in verschiedenen Kombinationen oberhalb des Brennereinlasses vermischt werden zur Erzeugung einer pumpfähigen Aufschlämmung, die in den Brenner eingeleitet und dann durch einen der mehreren freidurchströmbaren Kanäle des Brenners geschickt wird (vgl. die Tabelle V). Z. B. zeigt die erste Zeile in der Tabelle.V, daß ein pumpfähiger Aufschlämmungsstrom aus kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff (B) in Mischung mit Wasser (C) durch das mittige und/oder das ringförmige Rohrbündel im Brenner geschickt werden kann (vgl. die Fig.
7 oder 10 oder 11 oder 13). Wenn ein Brennstoffstrom in den Brenner eingeführt wird, wird ein entsprechender Strom von freien Sauerstoff enthaltendem Gas gleichzeitig durch die zugehörige Mittenleituny und/oder den Ringkanal geschickt. Weitere Beispiele sind: (1) Gesonderte Ströme von freien Sauerstoff enthaltendem Gas werden durch das mittige und/oder das ringförmige Rohrbündel geschickt, und gleichzeitig werden gesonderte entsprechende Ströme einer pumpfähigen Auf schlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in einem flüssigen Trägermedium durch die zugehörige Mittenleitung und/oder den Ringkanal geschickt.
(2) Gesonderte Ströme von freien Sauerstoff enthaltendem Gas werden durch die Mittenleitung und den Ringkanal geschickt; gleichzeitig wird ein entsprechender Strom von flüssigem Kohlenwasserstoff-Material durch die zugehörigen mittigen und/oder ringförmigen Rohrbündel geschickt; und gleichzeitig wird eine pumpfähige Aufschlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in einer Trägerflüssigkeit durch das freie Bündel von Rohren, falls vorhanden, geschickt.
(3) Gesonderte Ströme von freien Sauerstoff enthaltendem Gas werden durch das mittige und/oder das ringförmige Rohrbündel geschickt; gleichzeitig wird ein entsprechender Strom eines flüssigen Kohlenwasserstoff-Haterials durch die zugehörige Hittenleitung und/oder den Ringkanal geschickt; und gleichzeitig wird eine pumpfähige Auf schlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in einem flüssigen Trägermedium durch den freien Kanal, falls vorhanden, geschickt.
T a b e 1 1 e IV Material Symbol freien Sauerstoff enthaltendes Gas A kohlenstoffhaltiger Festbrennstoff B Wasser C Dampf D flüssiges Kohlenwasserstoff-Material E Temperaturmoderator-Gas F gasförmiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff G Tabelle V mittiges ringförmiges Mittenleitung Rohrbündel Ringkanal Rohrbündel A B+C A B+C A+D B+C A+D B+C B+C A B+C A A B+C B+C A B+C A A B+C A B+C+E A B+C+E B+C+E A+D B+C+E A+D A E A E A+D B+E A+D B + E B+E A+D B+E A+D A+D E A B+C E A E A B+C A E A E A B+C A A G A B+C A G A+D E A E+F A E+F E+F A+D E+F A + D Außer den in der Tabelle V angegebenen Betriebsarten sind natürlich auch noch andere Betriebsarten möglich.
Z. B. können Gasstrahiströme gleichzeitig in die Mittenleitung und/oder den Ringkanal eingeleitet werden, wie bereits erläutert wurde.
\send einer der Brennstoffströme ein flüssiger Kohlenwasserstoff ist, oder wenn die Trägerflüssigkeit für die Aufschlämmung des kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffs ein flüssiges Kohlenwasserstoff-Material ist, kann eine vorzeitige Verbrennung innerhalb des Brenners durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen verhindert werden: (1) Der Brennstoff wird unterhalb seiner Selbstentzündungstemperatur gehalten; (2) der Festbrennstoff-Aufschlämmung wird Wasser zugesetzt; (3) es wird Luft oder sauerstoffreiche Luft, d. h. mit bis zu ca. 40 Vol.-% 02, eingesetzt; (4) Wasserdampf wird mit der Luft oder Sauerstoff vermischt; (5) die Enden des mittigen und des ringförmlgen llohrbündels werden von der Brennerstirnwand nicht zurückgesetzt; in diesem Fall kann das freien Sauerstoff enthaltende Gas, z. B. im wesentlichen reiner Sauerstoff, aus dem Brenner austreten, ohne vorher den Brennstoffstrom zu kontaktieren; (6) das Mehrphasengemisch wird an den mittigen und ringförmigen Austrittsöffnungen am Brennerkopf mit Geschwindigkeiten abgegeben, die die Flammengeschwindigkeit übersteigen.
Die Brenner-Baueinheit wird durch eine obere Einlaßöffnung eines kompakten ungepackten freidurchströmbaren nichtkatalytischen warmfest ausgekleideten Synthesegaserzeugers (z. t3. entsprechend demjenigen nach der US-PS 3 544 291) von oben nach unten eingesetzt. Der Brenner erstreckt sich längs der Längsmittenachse des Gaserzeugers, und sein Unterende öffnet sich direkt in die Reaktionszone.
Die relativen Anteile der Reaktlonsmittel-Einsatzströme und ygf. des Temperaturmoderators, die in den Gaserzeuger eingeleitet werden, sind sorgfältig so eingestellt, daß ein großer Teil des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs, z. B. bis zu ca. 90 Gew.-% oder mehr, in Kohlenoxide umgesetzt wird und eine autogene Reaktionszonen-Temperatur im Bereich von ca. 927-1926 OC, bevorzugt von 1093-1538 °C, unterhalten wird.
Die Verweilzeit in der Reaktionszone liegt im Bereich von ca. 1-10 s, bevorzugt ca. 2-8 s. Wenn dem Gaserzeuger im wesentlichen reiner Sauerstoff zugeführt wird, kann die Zusammensetzung des aus dem Gaserzeuger austretenden Gases in Mol-% auf Trockenbasis wie folgt sein: H2 10-60, CO 20-60, C02 5-40, CH4 0,01-5, H2S+COS 0-5, N2 0-5 und A 0-1,5. Bei Luftzufuhr zum Gaserzeuger kann die Zusammensetzung des aus dem Gaserzeuger abgezogenen Gases in Mol-% auf Trockenbasis wie folgt sein: H2 2-30, CO 5-35, C02 5-25, CH4 0-2, H2S+COS 0-3, N2 45-80 und A 0,5-1,5. In dem austretenden Gasstrom sind nichtumgesetzter Kohlenstoff und Asche enthalten.
Der heiße Gasstrom aus der Reaktionszone des Synthesegaserzeugers wird durch direktes Abkühlen in Wasser oder durch indirekten Wärmeaustausch, z. B. mit Wasser für die Erzeugung von Dampf in einem Gaskühler, unter die Reaktionstemperatur auf eine Temperatur von ca. 121-371 OC abgekühlt.
Vorteilhafterweise kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Brenners dieser während des Anfahrens des Gaserzeugers sowohl als Vorwärm-Brenner als auch als Produktionsbrenner eingesetzt werden. Dadurch wird das Anfahren vereinfacht. Bisher ging Zeit verloren, wenn der Gasvorwärm-Brenner durch den Produktionsbrenner ersetzt wurde, und der Gaserzeuger kühlte dabei ab. Nunmehr kann der Gaserzeuger auf die Betriebstemperatur gebracht und dort gehalten werden, indem gleichzeitig Brenngas durch das mittige oder das ringförmige Rohrbündel und Luft durch die zugehörige ilittenleitung oder den Ringkanal geschickt wird. Alternativ kann das Brenngas durch die Mittenleituny oder den Ringkanal im Brenner und die Luft durch die zugehörigen mittigen oder ringförmigen Rohrbündel geschickt werden. Das Brenngas und die Luft werden vermischt, so daß ein gründlich verteiltes Gemisch erhalten wird. Anschließend erfolgt die Verbrennung des Gemischs mit im wesentlichen vollständiger Verbrennung in der Reaktionszone des Gaserzeugers bei einem dbsoluten Druck im Bereich von ca. 0,55-294 bar, bevorzugt bei einem Druck von 0,98 bar. Die Produkte der vollständigen Verbrennung werden von der Reaktionszone abgezogen. Z. B.
können sie zur atmosphäre abgegeben werden. Dadurch wird die Reaktionszonc auf die Temperatur crwärmt, die für die Zündung der autothermen Partialoxidations-Reaktion des Hauptbrennstoffs erforderlich ist, der eine pumpfähige Aufschlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff, ein flüssiger oder qdsförmiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Gemische derselben mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas und mit oder ohne Temperaturmoderator ist. Z. B. kann die Selbstentzündungstemperatur im Bereich von ca. 1093-1482 OC liegen.
An diesem Punkt wird der Hauptbrennstoff, und zwar mit oder ohne Beimischung eines Temperaturmoderators, entweder durch das mittige oder das ringförmige Rohrbündel oder alternativ durch die littenleitung oder den Ringkanal in Abhängigkeit davon, welcher von dem Brenngas und der Luft eingenommen wird, geschickt. Gleichzeitig wird ein Strom von freien Sauerstoff enthaltendem Gas mit oder ohne Beimischung eines Temperaturmoderators entweder durch die Mittenleitung oder den Ringkanal des Brenners oder alternativ entweder durch das mittige oder das ringförmige Rohrbünden geschickt in Abhängigkeit davon, welches mit dem Rohrbündel oder mit der Leitung bzw. dem Kanal, durch den der Hauptbrennstoff strömt, in Beziehung steht.
Der Hauptbrennstoffstrom und der freien Sauerstoff enthaltende Gasstrom werden vermischt zur Erzeugung eines gut verteilten Gemischs. Das Gemisch entzündet sich durch Selbstentzündung und verbrennt durch Partialoxidsltion stromab in der Reaktionszone des freidurchströmbaren nichtkatalytischen Gaserzeugers bei einer autogenen Temperatur im Bereich von ca. 927-1926 OC, einem Druck von ca. 0,98-294 bar, cinem Atomverhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff im Bereich von ca. 0,5-1,7 und einem H20/Brennstoff-Gewichtsverhältnis im Bereich von ca. 0-5,0, z. B. 0,1-3.
In dem Moment, in dem die Partialoxidation des Hauptbrennstoffs beginnt, kann die Zufuhr von Brenngas und zugehöriger Luft erwünschtenfalls abgestellt werden. Z. B. kann das Brenngas und die zugehörige Oxidatiosmittelzufuhr entweder mit demselben Durchsatz oder mit vermindertem Durchsatz, d. h. mit ca. 1/8 bis 3/4 des Höchstdurchsatzes, fortgesetzt werden. Wenn die Zufuhr von Brenngas zum Brenner fortgesetzt wird, wird der Durchsatz des Brenngasstroms und des zugehörigen Oxidationsmittelstroms so eingestellt, daß ein O/C-Atomverhältnis im Bereich von 0,5-1,7 und die Partialoxidation des Brenngases anstatt der vollständigen Verbrennung desselben erreicht werden. In Abhängigkeit von der erwünschten Zusammensetzung des Produktgases kann yyf. die Luft durch ein anderes freien Sauerstoff enthaltendes Gas ersetzt werden. Z. B. wird für die Herstellung von Synthesegas sauerstoffreiche Luft oder im wesentlichen reiner Sauerstoff bevorzugt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Brenngasstrom im Brenner durch einen alternativen Brennstoff strom ersetzt, der eine pumpfähige Aufschlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in einem flüssigen Trägermedium, z. B. Wasser, Kohlenwasserstoff, mit Sauerstoff angereicherter Kohlenwasserstoff, flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff oder Gemische dieser Materialien, ist.
Ebenso kann der Luftstrom durch einen Strom eines anderen freien Sauerstoff enthaltenden Gases ersetzt werden. Die Reaktionsmittelströme werden vermischt zur Bildung eines wohlverteilten Gemischs in den erwünschten Mengenanteilen, so daß der alternative Brennstoff durch Partialoxidation umsetzbar ist. Nach der Selbstentzündung verbrennt das Gemisch durch Partialoxidation stromabwärts in der Reaktionszone des Gaserzeugers gleichzeitig mit der Partialoxidation des Hauptbrennstoffs und unter denselben Betriebsbedingungen.
Der alternative Brennstoff und die zugehörigen freien Sauerstoff enthaltenden Gas ströme können durch die gleichen oder andere Kanäle im Brenner geschickt werden, die vorher von dem Brenngasstrom und dem zugehörigen Luftstrom eingenommen wurden.
Ein Rohgasstrom von Synthesegas, Brenngas oder reduzierendem Gas (je nach der Zusammensetzung des Produktgases) wird erzeugt und aus der Reaktionszone abgezogen. Der heiße Rohgasstrom wird dann mit herkömmlichen Methoden gekühlt, gereinigt und aufbereitet.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das vorgenannte Brenngas in der Vorwärmstufe durch einen flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff ersetzt werden. Ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas kann als Oxidationsmittel eingesetzt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen.
In Fig. 1 ist eine Brenner-Baueinheit 1 für einen Brenner mit Vormischung und zurückgezogener Mittenleituny mit einem einzigen Ringkörper und einer Vormischkammer gezeigt. Eine kühlkammer 2 für die Brennerstirnwand ist am stromab befindlichen Brennerkopf angeordnet. Umlaufendes Kühlwasser tritt durch eine Einlaßleitung 3 ein. Das Kühlwasser tritt durch kohrschlangen 4 aus, die den Außendurchmesser des Brenners über seine Länge umschließen, sowie durch ein Auslaßrohr 5.
Mit Hilfe der Kühlkammer 2 und der Kühlschlangen 4 wird der Brenner 1 vor wärme bedingten Beschädigungen geschützt.
Die Brennerstirnwand 6 liegt an dem äußersten untersten Ende des Brenners 1. Der Brenner 1 wird durch eine Öffnung im Oberende eines freidurchströmbaren Partialoxidations-Synthesegaserzeugers (nicht gezeigt) nach unten eingesetzt.
Die Längsmittenachse des Brenners 1 wird bevorzugt mittels eines Befestigungsflanschs 7 längs der Mittenachse des Synthesegaserzeugers ausgerichtet. Reaktionsmittelströme strömen durch Einlässe 8 und 9 in den Brenner.
Fig. 2 zeigt das Unterende des Brenners 1 im Querschnitt längs der Schnittlinie A-A von Fig. 1. Der Brenner umfaßt eine kontinuierliche innere koaxiale zurückgesetzte Mittenleitung 15 und eine konzentrische koaxiale Außenleitung 16, die in Längsrichtung um die innere Mittenleitung 15 herum angeordnet ist. Abstandselemente 18 bilden einen freidurchströmbaren Rir.gkanal 17 zwischen dem Außendurchmesser der zylindrischen Mittenleitung 15 und dem Innendurchmesser der zylindrischen Außenleitung 16. Eine Austrittsöffnung 20 am Unterende der Mittenleitung 15 ist bevorzugt gerade, hat Kreisquerschnitt und verläuft senkrecht zur Längsachse des Brenners. Die Austrittsöffnung 20 kann aber auch konvergent oder divergent ausgebildet sein. Die Außenleitung 16 endet am Unterende des Brenners mit einem konvergenten Mundstück 21. Ein Querschnitt in Vertikalrichtung des Mundstücks 21 kann kegelstumpfförmig sein, wobei dieser Kegelstumpf erwünschtenfalls in einen geraden Zylinder übergehen kann. Bevorzugt weist das Mund stück 21 aus Gründen der Verschleißfestigkeit einen kegelstumpfförmigen Hinterabschnitt 22 auf, der in einen als gerader Zylinder ausgebildeten Vorderabschnitt 23 übergeht, der an der unteren Stirnwand 6 des Brenners endet. Der zylindrische Austrittsabschnitt ermöglicht folgendes: (1) längere Standzeit des Brenners aufgrund der größeren für den Abrieb verfügbaren Fläche und ( die Fertigung eines keramischen oder feuerfesten Einsatzes oder einer vollständigen Kühlkammer aus einem warm- und verschleißfesten Werkstoff, z. B. Wolfram- oder Siliziumkarbid, um Beschädigungen zu verringern und die Standzeit des Brenners zu verlängern.
Die Höhe des zylindrischen Vorderabschnitts 23 des Austrittsmundstücks 21 beträgt etwa das 0-1,5fache, z. B. ca. das 0,1-1 ,Ofacie des tigendurchmessers, d. h. des kleinsten Durchmessers des konvergenten Mundstücks 21. Der Durchmesser des Austrittsmundstücks 20 der Mittenleitung 15 beträgt etwa das 0,2-1,Sfache, z. B. etwa das 0,5-0,8fache des kleinsten Durchmessers des konvergenten Mundstücks 21.
Das untere Ende des Brenners kann gekühlt sein. Bevorzugt ist das Austrittsmundstück 21 am Brennerkopf von einer koaxialen ringförmigen Kühlkammer 2 (vgl. die Fig. 2, 4, 5 und 6) umgeben. Indem Wasser durch den Hohlraum 24 der kühlkammer 2 geschickt wird, kann der Brennerkopf 1 vor Überhitzung geschützt werden. Wahlweise kann aus denselben Gründen die Außenleitung 16 gekühlt werden, indem Wasser durch die Kühischlangen 4 geschickt wird. Geeignete Konvergenzwinkel für das Mundstück 21 liegen im Bereich von ca. 15-90° von der Längsmittenachse des Brenners. Das untere Ende des Austrittsmundstücks 20 der Mittenleitung 15 ist von der Brennerstirnwand 6 nach oben erheblich zurückgesetzt, und zwar um einen Betrag, der dem zwei- oder mehrfachen Mindestdurchmesser des konvergenten Austrittsmundstücks 21 entspricht. Z. B. liegt die Zurücksetzung der Spitze 20 der Mittenleitung 15 von der Brennerstirnwand 6 im Bereich etwa des 3-lOfachen Mindestdurchmessers des konvergenten Austrittsmundstücks 21. Der Zwischenraum zwischen dem Vorderende 20 der Mittenleitung 15 und der Brennerstirnwand 6 bildet die kontinuierliche Vormischzone 25.
Beim Betrieb des Brenners 1 kann einer der Reaktionsmittelströme (vgl. die Tabelle II) in den Brenner 1 durch den Einlaß 9 von Fig. 1 eintreten und rickt vom oberen Abschnitt nach unten durch die frei durchströmbare Mittenleituny 15, das Austrittsmundstück 20 und in die Vormischzone 25 (vgl.
Fig. 2) gelangen. Gleichzeitig damit kann der zweite Reaktionsmittelstrom in den Brenner 1 durch den Einlaß 8 von Fig. 1 eintreten und direkt vom stromauf befindlichen Abschnitt 30 der Außenleitung 16 nach unten durch den freidurchströmbaren Ringkanal 17 und in die Vormischzone 25 strömen, wo ein gründliches Vermischen der beiden Reaktionsmittelströme stattfindet. Ferner findet in der Vormischzone 25 ein direkter Wärmeaustausch zwischen den beiden Strömen statt. Die Temperatur in der Vormischzone ist so eingestellt, daß eine kontrollierte Menge der Trägerflüssigkeit, d. h.
von 0-100 Vol.-%, z. B. ca. 2-80 Vol.-X, ohne Verbrennung verdampft werden kann. Die Temperaturregelung in der Vormischzone erfolgt durch Einstellen von Faktoren wie der Verweilzeit und des Wärmege halts der eintretenden Ströme sowie dem Grad der externen Kühlung z. B. durch Kühlschlangen 4, falls dies erwünscht ist. Die Vormischzone 25 enthält im wesentlichen keine Hindernisse, die dem ungehinderten Durchfluß der durch sie geschickten Materialien entgegenstehen.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Aufschlämmung von kohlenstoffhaltigem Scstbrcnnstoff in der Trägerflüssigkeit, die dds Austrittsmundstück 20 der Mittcnlcitung 15 durchströmt oder aus dem Ringkanal 17 austritt, beträgt ca. 0,15-22,8 m/s, z. B. ca. 0,6-6 m/s, während die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, das gleichzeitig durch den anderen Kanal im Brenner geschickt wird, und zwar wahlweise im Gemisch mit Wasserdampf, im Bereich von ca. 25,9 m/s bis Schallgeschwindigkeit, z. B.
von ca. 30,5-182 m/s liegt. Die Aufschlämmung aus kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in der Trägerflüssigkeit tritt in dic Vormischzone in flüssiger Phase mit einer Temperatur zwischen Umgebungstemperatur und 260 °C und unterhalb der Verdampfungstemperatur der Trägerflüssigkeit sowie mit einem absoluten Druck von ca. 5,34-316 kp/cm2 ein. Gleichzeitig tritt der freien Sauerstoff enthaltende Gasstrom, wahlweise im Gemisch mit Wasserdampf, in die Vormischzone mit einer Temperatur von ca. Umgebungstemperatur bis 649 °C, z. B.
von ca. 37,8-316 °C, und einem absoluten Druck von ca.
2 5,34-316 kp/cm2 ein. In der Vormischzone findet ein gründliches Vermischen der beiden Reaktionsmittelströme und direkter Wärmeaustausch zwischen beiden statt. Die Verdampfung der Trägerflüssigkeit in der Vormischzone kann ca. 0-100 Vol.-L, z. B. ca. 20-35 Vol.-% betregen, wenn das freien Sauerstoff enthaltende Gas mit einer Temperatur von ca l49-3160C eingeleitet wird, oder sie kann ca.
70-100 Vol.-% betragen, wenn dieses Gas in Form von Luft eingeführt wird, die auf eine Temperatur von ca.
538-649 OC vorgewärmt wurde. Das Mehrphasengemisch in der Vormischzone hat eine Temperatur, die unterhalb seiner Selbstentzündunstemperatur liegt. Das Mehrphasengemisch verläßt den Brenner 1 aus dem Austrittsmundstück 21 mit einer Austrittsgeschwindigkeit von ca. 22,8-182 m/s, z. B. von ca. 45,7-106,6 m/s, die oberhalb der Flammengeschwindigkeit liegt, und strömt abwärts direkt in die freie Reaktionszone des Partialoxidations-Gaserzeugers.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des unteren Endes der Auenleitung 16 von Fig. 2. In Fig. 3 hat das konvergente Austrittsmundstück 21 die Form eines Mundstücks mit langem Radius entsprechend einem A.S.M.E.-Standard, Es kann erwünschtenfalls durch eine ringförmige Kühlkammer 2 entsprechend Fig. 2 gekühlt werden.
Nach Fig. 4, die eine andere Ausführungsform des Unterendes der Außenleitung 16 von Fig. 2 zeigt, besteht das Austrittsmund stück 35 am Brennerkopf aus einem verschleißfesten Wer<-stoff wie Wolfram- oder Siliziumkarbid. Das Austrittsmundstück 35 umfaßt einen kegelstumpfförmigen Hinter abschnitt 22, der in einen koaxialen geradzylindrischen Vorderabschnitt 23 übergeht. Der Kegelstumpf-Außendurchmesser des Mundstücks 35 ist in einer damit koaxialen kegelstumpfförmigen passenden Ausnehmung 36 in der ringförmigen Kühlkammer 2 gelagert.
Z. B. ist das aus Wolframkarbid bestehende Austrittsmundstück 35 mit dem Unterende der Außenleitung 16 dadurch verbunden, daß die rückwärtige Fläche 37 der Kühikammer 2 mit der Vorderfläche eines Endflanschs 38 am Unterende der Außenleitung 16 verbunden ist. Kühlwasser wird in den Hohlraum 24 der Kühlkammer 2 durch das Einlaßrohr 3 von Fig. 1 geleitet. Wahlweise kann die Außenleitung 16 von einer Kühlschlange entsprechend der Kühischlange 4 von Fig. 1 umgeben sein. Heiße Hochgeschwindigkeits-Aufschlämmungen von Festbrennstoff verursachen Abrieb. Die Stand zeit des Brenners kann erheblich verlängert werden, wenn das Austrittsmundstück 35 aus einem verschleißfesten Werkstoff besteht.
Bei dem Brenner nach Fig. 5, der ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brenners mit Vormischung nach den Fig. 1 und 2 ist, werden Ströme verschiedener Materialien, die gleichzeitig durch die koaxiale zurückgesetzte Mittenleitung 15 und durch den Ringkanal 17 strömen, nacheinander in Vormischkammern 25 und 40 vermischt. Während die Vormischzone nach Fig. 5 zwei gesonderte koaxiale Vormischkammern 25 und 40 umfaßt, die hintereinander angeordnet sind, kann die Vorrnischzone bei anderen Urcnncrausführunyen eine oder mehrere, z. B. 2-5, koaxiale Vormischkammern umfassen.
Z. U. hat der Brenner nach den Fig. 1 und 2 eine Vormischkammer 2b, während der Brenner nach Fig. 6 drei Vormischkammern 25, 40 und 41 aufweist. Jede Vormischkammer in den Fig. 5 und 6 mit Ausnahme der ersten Vormischkammer der Reihe umfaßt einen koaxialen zylindrischen Hauptteil 45, auf den ein koaxialer, wenigstens teilweise konvergenter Auslaßteil 22 oder 46 in Fig. 6 folgt, der wahlweise in einen geradzylindrischen Teil 49 übergehen kann. Wahlweise bestehen diese Auslässe aus einem warm- und verschleißfesten Werkstoff, z. B. Silizium- oder Wolframkarbid, wie bereits in Verbindung mit Fig. 4 angegeben wurde. Bei Brennerausführungen mit mehreren Vormischkammern kann die erste Vormischkammer der Reihe einen geraden koaxialen zylindrischen Hauptteil 47 aufweisen, aus de der Einsatzstrom durch eine kreisrunde Austrittsöffnung 39 direkt in die nächste koaxiale Vormischkammer 40 der Reihe austritt.
Bevorzugt entspannt sich das aus einer Vormischkammer austretende Gemisch in die nächstfolgende Vormischkammer. Wenn das Gemisch durch ein letztes Austrittsmundstück am Brennerkopf in die Verbrennungskammer beschleunigt wird und sich in diese entspannt, ergibt sich ein stabilerer und wirksamerer Verbrennungsverlauf. Die Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsbereiche für die tlaterlaiströme, die durch die verschiedenen Brennerkanäle geschickt werden, entsprechen im wesentlichen den bereits erwähnten Werten. Der Einlaß in die erste Vormischkammer 25 kann ein konvergenter Einlaß 48 entsprechend Fig. 5 oder Fig. 2 sein. Eine oder mehrere Vormischkammern können im Schnitt kegelstumpfförmig konvergierend ausgebildet sein.
Fig. 6 zeigt einen Vertikalschnitt durch das Unterende eines Brenners mit Vormischung mit einer zurückgesctzten Mittenleitung 15 (ähnlich dem Brenner 1 nach Fig. 1), wobei zwei koaxiale Ringkanäle vorgesehen sind, und zwar ein Zwischen-Ringkanal 17 und einer äußerer Ringkanal 51. Die Vormischzone umfaßt drei aufeinanderfolgende freidurchströmbare koaxiale Vormischkammern 25, 40 und 41. Mit Abstandselementen 18 sind die konzentrische koaxiale Außenleitung 52, die zurückgesetzte koaxiale Zwischenleitung 53 und die zurückgesetzte koaxiale Mittenleitung 15 radial voneinander beabstandet, so daß die gesonderten Ringkanäle und Vormischkammern gebildet sind, die im wesentlichen freidurchströmbar sind. Das Unterende 20 der Mittenleitung 15 ist in bezug auf die Stirnwand 6 des Brenners um einen Betrag zurückgesetzt, der dem zwei- oder mehrfachen, z.B. dem 3-lOfachen Mindestdurchmesser des konvergenten Austrittsmundstücks 21 entspricht. Das Unterende 54 der Zwischenleitung 53 ist von der Brennerstirnwand 6 um einen Betrag zurückgesetzt, der dem O-12fachen, z. B. dem l-5fachen Mindestdurchmesser des konvergenten Austrittsmundstücks 21 entspricht. Die Mittenleitung 15 sowie die Ringkanäle 17 und 51 sind stromaufwärts jeweils an gesonderte Einlässe angeschlossen, ähnlich wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Brenner kopf kann mittels der ingkühlkammer 2 gekühlt werden, die mit der Längsmittenachse des Brenners an dessen Unterende koaxial ist. Alternativ kann die Kühikammer 2 entfallen.
Beim Betrieb des Brenners nach Fig. 6 treffen die Einsatzströme, die gleichzeitig die Mittenleitung 15 und den Zwischen-Ringkanal 17 mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchströmen, aufeinander und werden in der ersten Vormischkammer 25 miteinander vermischt. Das Zusammentreffen eines Reaktionsmittelstroms, z. B. der flüssigen Aufschlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in einer Trägerflüssigkeit, mit einem zweiten Reaktionsmittelstrom, z. B.
einem freien Sauerstoff enthaltenden Gasstrom, einem Dampfstrom oder einem Temperaturmoderatorstrom mit höherer Strömungsgeschwindigkeit bewirkt ein Aufbrechen der Aufschlämmuny in einen feinen Sprühnebel. Das Mehrphasengemisch strömt dann in die zweite Vormischkammer 40, wo es weiter vermischt wird. Das Mehrphasengemisch tritt aus der Vormischkammer 40 durch das konvergente Austrittsmundstück 46 mit kreisrunder Öffnung 54 am Unterende der Vormischkammer 40 aus und strömt in die dritte Vormischkammer 41. Der dritte Einsatzstrom tritt stromaufwärts in den Brenner durch einen gesonderten Einlaß (nicht gezeigt) ein und strömt durch den äußeren Ringkanal 51 abwärts. Wenn d-as Mundstück 54 am Vorderende der Zwischenleitung 53 um mehr als 0, z. B.
um etwa den 1,0- bis Sfachen Mindestdurchmesser des -Austrittsmundstücks 21, von der Brcnnerstirnwand 6 zurückgesetzt ist, kann sich der dritte Linsatzstrom mit dem ersten und dem zweiten Einsatzstrom in der Vormischkammer 41 vermischen, so daß ein Vielphasengemisch erzeugt wird. Bei dieser Ausfuhrungsform können zwei oder mehr, z. B. 2-5, zylindrische koaxiale Vormischkammern hintereinander angeordnet sein.
Das Mehrphasengemisch strömt durch das konvergente Austrittsmund stück 21 am Unterende des Brenners in die Reaktionszone des Gaserzeugers.
Bei einem Brenner, dessen Mundstück 54 nicht zurückgesetzt ist, kontaktiert der durch den dutScrcn Ringkanal geschickte dritte Einsatzstrom das Mehrphasengemisch aus den beiden anderen Einsatzströmen aus der Vormischzone unterhalb der Brennerstirnwand 6 und vermischt sich damit, und zwar etwa in einer Entfernung von 2,54-60,9 cm von der Stirnwand 6.
Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können eine oder mehr, z. B. 2-5, zylindrische koaxiale Vormischkammern hintereinander angeordnet sein. 1. B. wird der freien Sauerstoff cnthaltende Gasstrom entweder durch den Mittenkanal oder den äußeren Ringkanal und der flüssige Kohlenwasserstoffstrom durch den jeweils anderen, freien Kanal, d. h. entweder die Mittenleitung oder den äußeren Ringkanal, geschickt.
Gleichzeitig wird ein Aufschlämmungsstrom von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff und Wasser durch die I4ittenleitung geschickt. Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeiten entsprechen im wesentlichen den bereits erörterten Werten (vgl. z. B. die Erläuterungen bezüglich Fig. 2). Die Bedingungen für das flüssige Kohlenwasserstoffmaterial entsprechen im wesentlichen denjenigen für die Aufschlämmung aus kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff. Der durch die Außenleitung des Brenners strömende Einsatzstrom vermischt sich mit dem Mehrphasengemisch der beiden anderen Einsatzströme aus der Vormischzone. Dieses Mischen erfolgt jedoch stromab von der Brennerstirnwand in der Reaktionszone des frei durchströmbaren Partialoxidations-Gaserzeugers.
Ein Verbrennen der Aufschlämmung auf ihrem Weg durch die Vormischzone des Brenners wird dadurch verhindert, daiS das Mehrphasengemisch am Austrittsmundstück am Brennerkopf mit einer Austrittsgeschwindigkeit abgegeben wird, die größer als die Flammengeschwindigkeit ist. Flammengeschwindigkeiten sind eine Funktion von Faktoren wie der Zusammensetzung des Gemischs, seiner Temperatur und seines Drucks.
Sie können mit herkömmlichen Methoden berechnet oder experimentell bestimmt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt mit dem Brenner mit Vormischung, der eine zurückgesetzte tllttenleitung aufweist, die exotherme Partialoxidationsreaktion ausreichend weit nach der Brennerstirnwand 6, d. h. ca. 15,2-61 cm weiter abwärts, so daß der Brenner vor Hitzeschäden geschützt ist.
nährend das Gemisch frei durch den kontinuierlich durchströmbaren Brenner strömt, ändert sich seine Strömungsgeschwindigkeit mehrfach. An verschiedenen Stellen im Brenner kann die Geschwindigkeit des Gemischs zwischen ca.
6,1 und 182 m/s liegen. Während das Gemisch aus einer Vormischkammer in die nächste strömt, ergeben sich die Geschwindigkei tsänderunqen hauptsächlich aufgrund von Änderungen des Durchmessers der Strömungsbahn sowie der Menge und Temperatur des Gemischs. Dies trägt zu einem gründlichen Vermischen der Bestandteile bei. Durch Betreiben des Brenners im Bereich von Wirbeiströmungen kann das Vermischen außerdem maximiert werden. Weitere Parameter für die Brennerkonstruktion, z. B. Größe, Länge und Anzahl von Kammern sowie externe Kühlung, können aus Faktoren wie Menge, Temperatur und Zusammensetzung der Einsatzströme sowie des erwünschten Verdampfungsgrads der Trägerflüssigkeit, d. h. zwischen 0 und 100 Vol.-%, berechnet werden.
Das Größenverhältnis zwischen aufeinanderfolgenden Vormischkammern in den Brennern kann wie folgt angegeben werden: Bei Brennern mit 1-5 Vormischkammern, die fortlaufend mit 1 bis 5 bezeichnet sind, wobei Kammer Nr. 5 dem Unterende des Brenners am nächsten liegt, liegt das Durehmesserverhält nie jeder der Kammern zur stromabwärts nächstliegenden Kammer der Reihe, d. h. D1:D2, D2:D3, D3:D4 und D4:D5, im Bereich von ca. 0,2-1,2. Ebenso liegt das Längenverhältnis jeder Vormischkammer zur stromabwärts nächsten Vormischkammer in der Reihe, d. h. L1:L2 L2:L3, L3:L4 und L4:L5, im Bereich von ca. 0,1-1,0.
Vorteilhafterweise wird bei dem Brenner nach Fig. 6 das durch den äußeren Ringkanal 51 geschickte Material (vgl.
die Tabelle III) durch indirekten Wärmeaustausch mit den heißen gasförmigen Reaktionsprodukten erwärmt, die im Kreislauf in der Reaktionszone an der Brenneraußenseite rückgeführt werden. Durch indirekten und direkten Wdrmeaustausch kann dann das erwärmte Material im Ringkanal S1 die anderen Reaktionsmittel erwärmen, die gleichzeitig durch den Brenner geschickt werden. In einem solchen Fall können entweder sämtliche Kühlschlangen 4 oder ein Teil derselben weggelassen werden. Die Reaktionsmittel können vorgewärmt und der flüssige Träger kann in einer Menge von 0-100 Vol.-% verdampft werden.
Bei einer anderen Ausführungsform des Brenners nach Fig. 6 wird ein Gas durch den äußeren Ringkanal 51 geschickt. Wenigstens ein Teil, d. h. ca. 5-100 Vol.-%, des gasförmigen Einsatzstroms, der durch die Ringleitung 51 strömt, wird durch eine Mehrzahl Kanäle mit kleinem Durchmesser von z. B.
ca. 0,81-12,7 mm oder entsprechend kleine Löcher entnommen, die in einer Mehrzahl Umfangsringe in den Wandungen der Zwischenleitung 53 an einer oder mehreren Stellen 60-62 über deren Länge vorgesehen sind. In einem solchen Fall kann der untere Auslaß 56 des äußeren Ringkanals 51 vollständig oder teilweise blockiert sein. In Fig. 6 ist eine ringförmige Platte 57 gezeigt, die wahlweise eine Ilehrzahl kleiner Löcher 58 mit einem Durchmesser von 1,5-19 mm aufweist, die in die Vormischkammer 41 führen.
Die Ringplatte 57 kann senkrecht zur Längsmittenachse des Brenners angeordnet sein. Dadurch kann wenigstens ein Teil des im äußeren Ringkanal 51 strömenden dritten Einsatzstroms mit den Materialien vermischt werden, die gleichzeitig durch wenigstens einen oder sämtliche der folgenden Kanäle im Brenner mit niedrigerem Druck strömen: Zwischenkanal 17 und Vormischkammern 25, 40 und 41. Z. B. kann die Zerstäubung der Aufschlämmung von kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff und deren Vermischung mit den anderen Einsatzströmen durch Hochgeschwindigkeits-Hochdruck-Gasstrahlen erleichtert werden, die durch die genannten Kanäle an einer oder mehreren Stellen 58 und 60-62 strömen. Das Gas kann Dampf, freien Sauerstoff enthaltendes Gas, C02, N2, ein im Kreislauf rückgeführter Teil des Produktgases oder Mischungen dieser Materialien sein. Das Gas kann in den Brenner mit einer Temperatur von ca. Umgebungstemperatur bis 816 OC und einer Geschwindigkeit von ca. 30 m/s bis Schallgeschwindigkeit eingeführt werden. Der absolute Druck des Gases kann im 2 Bereich von ca. 5,34-316 kp/cm liegen und ist größer als der Druck der Einsatzströme, die durch die Mitten- und Zwischenleitungen geschickt werden.
Bei anderen Ausführungsformen bestehen der konvergente Einlaß 48 und der konvergente Abschnitt 22 des Austrittsmundstücks 21 der Brenner nach den Fig. 5 und 6 sowie der konvergente Abschnitt 46 des Brenners nach Fig. 6 aus einem verschleißfesten Werkstoff wie Wolfram- oder Siliziumkarbid.
Der verschleißfeste Werkstoff kann in der Weise geformt sein, wie dies in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 erläutert wurde.
Das nachstehende Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung, wobei die Partialoxidation einer Aufschlämmung aus Kohle und Wasser- mit Luft beschrieben wird.
Beispiel 1 Brenngas wird in einem vertikalen zylindrischen warmfest ausgekleideten Druckbehälter aus Stahl, der keinen Katalysator enthält und von den Materialien frei durchströmbar ist, erzeugt. Das Volumen der Reaktionszone beträgt ca. 4,5 m3.
Die Einsatzströme werden in die Reaktionszone durch einen Einzelringkörper-Brenner mit Vormischung eingeführt, der eine zurückgesetzte Mittenleitung und zwei koaxiale zylindrische Vormischkammern aufweist, die hintereinander angeordnet sind (vgl. Fig. 5). Der Brenner mit Vormischung ist vertikal in einer geflanschten Öffnung im Oberende des Gaserzeugers und längs dessen Längsmittenachse verlaufend angeordnet.
Das Austrittsmundstück 20 des Brenners ist um ca. 66 cm von der unteren Brennerstirnwand zurückgesetzt und um ca.
15,2 cm von der kreisförmigen Austrittsöffnung 39 am Ende der ersten Vormischkammer 25 zurückgesetzt. Die Länge der zweiten Vormischkammer 40 beträgt 50,8 cm, und die Länge des zylindrischen Abschnitts 23 des Austrittsmundstücks 21 beträgt 3,8 cm. Die Durchmesser der Austrittsmundstücke 39 bzw. 23 sind jeweils 7,87 cm. Der Außen- bzw. der Innendurchmesser der Mittenleitung 15 beträgt 3,34 cm bzw.
2,66 cm. Der Innendurchmesser des Kanals 17 und der Durchmesser der Vormischkammer 40 sind jeweils 11,59 cm.
Eine Aufschlämmung von bituminöser Kohle und Wasser mit einen Feststoffgehalt von 65 Gew.-% wird hergestellt und durch die Mitltenleitung 15 des Brenners in flüssiger Phase mit einer Temperatur von 37,8 OC, einem Überdruck von 42,18 kg/cm2 und einer Geschwindigkeit von 3,17 m/s geschickt. Die Aufschlämmung wird mit einem Durchsatz von ca. 4665 kg/h Kohle und ca. 2477 kg/h Wasser durch den Brenner geschickt. Die Kohle ist so zerkleinert, daß 100 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 1,4 mm und wenigstens 80 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 425 jim passieren. Die Elementaranalyse der Kohle in Gewichts-% (Trockenbasis) ist wie folgt: Kohlenstoff 69,2; Wasserstoff 5,33; Stickstoff 1,25; Schwefel 3,86; Sauerstoff 10,02; und Asche 10,02.
Gleichzeitig werden ca. 0,33 m3/s Luft mit 21 Mol-% Sauerstoff bei einer Temperatur von 538 OC, einem Überdruck 2 von 42,18 kg/cm und einer Geschwindigkeit von 34,4 m/s durch den Ringkanal 17 des Brenners geschickt. Ein Vermischen der beiden Einsatzströme erfolgt in der Vormischkammer 25. Das Gemisch tritt aus dem Mundstück 39 mit einer Ceschwindisgke3t von 82,6 m/s aus und entspannt sich in die Vormischkammer'40, in der ein gründliches Vermischen der Bestandteile erfolgt. Ca. 100 Vol.-% des Wassers in der Aufschlämmung verdampft im Brenner, und das Gemisch durchströmt die Vormischkammer 40 mit einer Geschwindigkeit von 38,1 m/s. Das Mehtphasengemisch tritt durch das Austrittsmundstück 21 an Unterende des Brenners mit einer Temperatur von ca. 218 OC und einer Geschwindigkeit von 59,1 m/s aus und tritt direkt in die Reaktionszone des Partialoxidations-Gaserzeugers ein.
In der Reaktionszone findet eine nichtkatalytische Partialoxidation des Festbrennstoffs bei einer autogenen Temperatur von 1538 °C und einem Überdruck von 35,15 kg/cm2 statt.
Es werden ca. 651.360 m3 (23 Millionen cu.ft. unter txiormalbedingungen) je Arbeitstag Brenngas mit geringem Wärmewert erzeugt, das die folgende Zusammensetzung (in Mol-%) hat: CO 17,1, H2 10,1, C02 6,7, H2/ 12,4, N2 52,6, A 0,6, H2S 0,5. Der Heizwert der gereinigten Gasströme beträgt etwa 979 kcal/m3 (110 BTU/standard cubic foot)..
Vorteilhafterweise wird durch Verwendung des Brenners nach der Erfindung anstelle eines herkömmlichen Brenners der spezifische Verbrauch an Sauerstoff um 10 % verringert, und Probleme der Verbrennungsinstabilität werden vermieden.
Fig. 7 zeigt eine Brenner-Einheit mit hoher tlindestbelastung.
Ein Brenner 111 ist durch eine Öffnung im Oberende eines freidurchströmbaren Partialoxidations-Gaserzeugers (Fig. 9) nach unten eingesetzt. Die Längsmittenachse des Brenners 111 ist bevorzugt längs der Mittenachse des Synthesegaserzeugers mit Hilfe eines Befestigungsflanschs ausgerichtet. Der Brenner 111 umfaßt eine Mittenleitung 112, ein mittiges Bündel paralleler Rohre 113, die sich in Längsrichtung durch den Mittenkanal 114 der Mittenleitung 112 erstrecken, eine koaxiale konzentrische Außenleitung 115, einen Ringkanal 116 zwischen dem Außendurchmesser der Mittenleitung 112 und dem Innendurchmesser der Außenleitung 115 längs der ganzen Länge und ein ringförmiges Bündel paralleler Rohre 117, die den Ringkanal 116 in Längsrichtung durchsetzen. Die Leitung 112 ist eine Zylinderwand, die den Mittenkanal 114 und den Ringkanal 116 voneinander trennt. Die Unterenden 118 des mittigen Rohrbündels 113 und bei einigen Ausführungsformen auch die Unterenden 119 des ringförmigen Rohrbündels 117 sind von der Brennerstirnwand 1110 nach oben zurückgesetzt.
Ein kreisrundes Mundstück 1111 und ein ringförmiges Mundstück 1112 sind durch die zur Mittenachse des Brenners an der Stirnwand 1110 senkrecht verlaufende gedachte Ebene bestimmt. Das mittige Mundstück 1111 hat einen Durchmesser, der gleich dem Mindestinnendurchmesser der Mittenleitung 112 oder dem an der Stirnwand 1110 eventuell vorhandenen Mundstück ist. Die Weite des ringförmigen Mundstücks 1112 ist gleich dem Mindestinnendurchmesser der Außenleitung 115 oder des eventuell vorhandenen Mundstücks, abzüglich des größten Außendurchmessers der Mittenleitung 112 oder des eventuell an der Stirnfläche 1110 vorhandenen Mundstücks.
Wandhalterungen oder Rohr-Abstandshalter 1113 halten die Rohre 113 in einer unveränderlichen parallelen berührungsfreien Lage in bezug aufeinander und auf die Innenwandung der Mittenleitung 112.
Das mittige Rohrbündel 113 ist durch eine scheibenförmige festgelegte Rohrwand 1115 geführt und dicht darin angeordnet.
Die Rohrwand 1115 schließt das obere Ende der Mittenleitung 112 ab. Ebenso ist das ringförmige Rohrbündel 117 durch eine ringförmige Rohrwand 1116 geführt und darin dicht angeordnet.
Die Rohrwand 1116 schließt das Oberende der Außenleitung 115 und des Ringkanals 116 ab. Herkömmliche Mittel, z. B.
Schweißen, Drehen, Sicken, Gewinde oder Walzen, können angewandt werden, um eine gasdichte Verbindung vorzusehen, wo die ringförmigen Rohre in die jeweiligen Rohrmäntel eintreten. Die Festlegung kann auch durch mechanische Preßpassung oder Kupplungsvorrichtungen erfolgen.
Die oberen Enden 1117 des mittigen Rohrbündels 113 sind mit einem Auslaß 1118 eines zentralen zylindrischen Verteilers 1119 verbunden. Eine Einlaßspeiseleitung 1120 ist an den Verteiler 1119 angeschlossen und damit verbunden.
Dadurch kann z. B. ein Teil eines ersten lleaktionsmittel-Einsatzstroms in der Speiseleitung 1120 in den zentralen Verteiler 1119 eingeleitet, in eine Mehrzahl Ströme unterteilt werden, die durch den Auslaß 1118 austreten und in die einzelnen Rohre des mittigen Rohrbündels 113 gelangen, und an der Brennerstirnwand 1110 abgegeben werden. Gleichzeitig kann z. B. ein Teil eines zweiten Reaktionsmittel-Einsatzstroms durch die Einlaßleitung 1125 geleitet werden. Diese ist mit der Mittenleitung 112 nahe deren Oberende und unterhalb des Rohrmantels 1115 in Strömungsverbindung. Dadurch kann der Teil des zweiten Einsatzstroms die Zwischenräume zwischen sämtlichen Rohren in dem mittigen Rohrbündel 113 ausfüllen, während er frei nach unten durch die Mittenleitung 112 strömt und an der Stirnwand 1110 des Brenners aus dem mittigen Mundstück 1111 austritt.
Die oberen Enden 1126 des ringförmigen Bündels von Rohren 117 sind mit einem Auslaß 1127 eines ringförmigen Verteilers 1128 verbunden. Wenigstens eine Einlaßleitung 1129 ist mit dem ringförmigen Verteiler 1128 verbunden. Dadurch kann z. B.
der verbliebene Teil des ersten Reaktionsmittel-Einsatzstroms in den ringförmigen Verteiler 1128 eingeleitet werden, in eine Mehrzahl STröme aufgeteilt werden, die durch den Auslaß 1127 und die einzelnen Rohre des ringförmigen Rohrbündes 117 strömen und an der Brennerstirnwand 1110 austreten.
Gleichzeitig kann z. B. der übrige Teil des zweiten Reaktionsmittel-Einsatzstroms durch die Einlaßleitung 1135 geleitet werden. Diese ist in Strömungsverbindung mit der Ri-ngleitung 116 nahe deren Oberende und unterhalb des ltohrmantels 1116. Dadurch kann der übrige Teil des zweiten Einsatzstroms die Zwischenräume, die zwischen sämtlichen Rohren 117 vorhanden sind und diese umgeben, ausfüllen, während er frei abwärts durch den Ringkanal 116 strömt und an der Brennerstirnwand 1110 durch das ringförmige Mund stück 1112 austritt. Die Mehrphasengemische des ersten und des zweiten Reaktionsmittel-Einsatzstroms werden unterhalb der Brennerstirnwand entzündet.
Wandarme oder Rohrabstandshalter 1136 halten die Rohre 117 in unveränderlicher paralleler berührungsfreier Lage in bezug aufeinander und auf die Innenwand der Außenleitung 115 und die Außenwand der Mittenleitung 112. Die Mittenleitung 112 und die Außenleitung 115 können durch ähnliche Elemente und durch die Rohrwand 1116 radial beabstandet sein.
Kühlschlangen 1137, durch die ein Kühlmittel strömt, umschließen das äußere untere Ende der Außenleitung 115.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt eine Löcher aufweisende wassergekühlte Endplatte mit konvergenten ldundstücken, die an den Enden der Mittenleitung 114 und des Ringkanals 116 angeordnet sind, den Vorderabschnitt am äußersten Ende des Brenners, wie dies unter Bezugnahme auf die Löcher aufweisende Endplatte 2107 von Fig. 10 erläutert wird.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch den Brenner von Fig. 7 längs der Schnittlinie 8-8. Das mittige Rohrbündel 113 ist hier von der Mittenleitung 112 umschlossen. Die Querschnittsfläche der mittigen Zwischenräume, die eine geeignete Anordnung von sechs parallelen Rohren umgeben, ist mit 1c bezeichnet. Die Reaktionsmittel-Einsatzströme, die in Längsrichtung abwärts durch den Mittenkanal strömen, strömen frei durch den Zwischenraumbereich, der das mittige Bündel gleichbeabstandeter Rohre 113 umgibt. Somit ergibt sich ein gründlicher Vermischen derdurch das mittige Rohrbündel und den mittigen Zwischenraumbereich für die Mittenleitung strömenden Einsatzströme an der Brennerstirnwand. Das ringförmige Rohrbündel 117 von Fig. 8 ist durch zwölf parallele Rohre in einem einzigen Ring dargestellt. In dem Ringkanal 116 und auch in dem Mittenkanal 114 können 1-7 konzentrische koaxiale, radial beabstandete Rohrringe angeordnet sein.
Bevorzugt haben alle Rohre gleichen Innendurchmesser. Der in Längsrichtung abwärts durch den Ring kanal 116 strömende Reaktionsmittel-Einsatzstrom strömt ungehindert in dem ringförmigen Querschnittsbereich IA der Zwischenräume, die die gleichbeabstandeten Rohre 117 des ringförmigen Bündels umgeben. Somit ergibt sich ein gründliches Vermischen der frei durch das ringförmige Rohr bündel 117 und den ringförmigen Zwischenraum-Querschnittsbereich, der die Rohre umgibt, strömenden Einsatzströme an der Brennerstirnwand 1110.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer Reyeleinrichtung zum schnellen Umschalten bzw. Ändern von Durchsätzen der vier Einsatzströme zum Brenner nach Fig. 7, und zwar aufwärts oder abwärts über den Strömungsbereich, für den der Brenner ausgelegt ist, so daß eine Anpassung an einen geänderten Bedarf an Produktgas erfolgen kann. Eine weitere Einsatzmöglichkeit für die Regeleinrichtung besteht darin, die erwünschte Zusammensetzung des Produktgases durch Verstellen der Durchsätze eines oder beider Reaktionsmittel zu unterhalten.
Mit dem Durchsatzregelsystem werden die Durchsätze aller vier Reaktionsmittelströme gesondert eingestellt, so daß das Atomverhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff in der Reaktionszone innerhalb eines Sollbereichs gehalten wird und eine bestimmte Menge von Rohgas erzeugt wird.
Das Regelsystem nach Fig. 9 ist zwar speziell für eine Auf schlämmung aus kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff ausgelegt, durch einfache Änderungen an den Vorrichtungen zum Andern des Durchsatzes des Brennstoffstroms sind jedoch auch flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe regelbar. Diese Änderungen sind nachstehend erläutert.
Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 bereits erläutert wurde, ist der Brenner 111 in einem mittigen geflanschten Einlaß 1140a montiert, der im oberen Teil des herkömmlichen warmfest ausgekleideten freidurchströmbaren Synthesegaserzeugers 1141 liegt, und zwar längs der Längsmittenachse des Gaserzeugers. Der Brenner 111 ist so aufgebaut, daß die erwünschte Ausgangsleistung für Dauerbetrieb erreicht oder sogar um einen bestimmten Betrag überschritten werden kann, wenn der Durchsatz durch sämtliche Kanäle in beiden Abschnitten des zweiteiligen Brenners maximal ist. Das Regelsystem kann den Durchsatz von bis zu vier Reaktionsströmen erforderlichenfalls ändern. Gleichzeitig wird das Verhältnis von Oxidationsmittel zu Brennstoff in beiden Teilen des Brenners gleichbleibend gehalten.
Der dosierte Einsatzstrom von kohlenstoffhaltiger Festbrennstoff-Aufschlämmung, d. h., die Kohle-Wasser-Aufschlämmung in der Leitung 1142, wird in zwei Einsatzströme 1143 und 1144 aufgeteilt, und zwar durch gesonderte Strömungsregeleinheiten in Jeder Leitung. Das Gewicht oder der Volumenstrom der durch Jede Speiseleitung strömenden Aufschlämmung ist eine Funktion der Brennerkonstruktion.
Z. B. können die Brennerkanäle so ausgelegt sein, daß 1/3 der Gesamtmenge an kohlenstoffhaltiger Festbrennstoff-Aufschlämmung, die durch die Leitung 1142 strömt, durch das mittige Rohrbündel 113 im angegebenen Geschwindigkeitsbereich austreten kann. Gleichzeitig werden die restlichen 2/3 der Gesamtmenge der Aufschlämmung durch das ringförmige Rohrbündel 117 im angegebenen Geschwindigkeitsbereich abgegeben. Ventile 1176 und 1177 sind normalerweise geöffnet, sie können aber manuell oder automatisch so betätigt werden, daß sie den durch eines oder beide Ventile fließenden Strom vollstdndig absperren. Dies kann z. B. bei einer Ausführunysform, die noch erläutert wird, der Fall sein, wenn der Brenner dadurch heruntergeschaltet werden soll, daß er entweder im ittenabschnitt, d. h. in den mittigen Rohren und dem Ringkanal 114, oder im äußeren Ringabschnitt, d. h. den ringförmigen Rohren 117 und dem Ringkanal 116, betrieben wird.
Der Teil des Aufschlämmungs-Einsatzstroms in der Leitung 1143 wird von einer Verdrängerpumpe 1145 mit einer Drehzahlstelleinheit 1146 in die Reaktionszone des Synthesegaserzeugers 1141 gefördert, und zwar durch eine Leitung 1147, eine Durchsatzmeß- und -meßwertgeber-Einheit 1148, eine Leitung 1149, ein normalerweise geöffnetes Ventil 1177, eine Leitung 1150, einen Einlaß 1120 des Brenners 111, einen zentralen Verteiler 1119 und das mittige Rohrbündel 113.
Der Durchsatz der Aufschlämmung durch die Leitung 1143 wird durch die Drehzahl der Verdrängerpumpe 1145 bestimmt. Der Aufschlämmungs-Durchsatz wird erfaßt, und die Meßwertgeber-Einheit 1148 erzeugt ein Signal a, das dem Aufschlämmungs-Durchsatz in der Leitung 1143 entspricht. Ein schreibender Durchsa.tzregler 1151 empfängt das Signal a und erzeugt ein Signal, das der Drehzahlstelleinheit 1146 zugeführt wird, um die Drehzahl der Verdrängerpumpe 1145 zu verringern oder zu erhöhen, wenn dies notwendig ist, so daß der Durchsatz der Einsatzaufschlämmung einen Sollwert annimmt. Dadurch kann die Einstellung des Durchsatzes z. B. auf bis zu 50 % des Höchstdurchsatzes, für den der Brenner ausgelegt ist, erfolgen. Der Soll-Durchsatz kann in jedem Fall mittels herkömmlicher Berechnungen auf der Grundlage von Wärme-und Gewichts-Ausgleichswerten für das Gesamtsystem bestimmt werden. Alternativ können die Parameter für diese 3erechnungen mit herkömmlichen Erfassern gemessen werden, und die sich daraus ergebenden Signale einschließlich z. B. des Signals a werden einer Gesamtsteuereinrichtung oder einem Rechner 1140 zugeführt. Der rechner-ermittelte Wert oder der manuell eingestellte Sollwert für den Aufschlämmungs-Durchsatz wird mit dem Signal verglichen, und der Vergleicher erzeugt ein Signal c für die Einstellung der Drehzahl der Verdrängerpumpe 1145. Das Signal c kann der Drehzahlstelleinheit 1146 entweder direkt oder indirekt über den schreibenden Durchsatz-Regler 1151 zugeführt werden. Alternativ kann das Signal a der Meßwertgeber-Einheit 1148 und das Signal c der Steuereinrichtung 1140 dem schreibenden Durchsatz-Regler 1151 zugeführt werden, der das Drehzahl-Stellsignal für den Drehzahlsteller 1146 berechnet.
Gleichzeitig wird der restliche Aufschlämmungs-Einsatzstrom in der Leitung 1144 von einer Verdrängerpumpe 1155 mit einem Drehzahlsteller 1156 zur Reaktionszone des Synthesegaserzeugers 1141 gefördert, und zwar durch die Leitung 1157, die Durchsatzmeß- und -meßwertgeber-Einheit 1158, ein normalerweise geöffnetes Ventil 1176, eine Leitung 1160, den Einlaß 1129 des Brenners 111, einen ringförmigen Verteiler 1128 und das ringförmige Rohrbündel 117.
Der Aufschlämmungs-Durchsatz durch die Leitung 1144 wird durch die Drehzahl der Verdrängerpumpe 1155 bestimmt. Der Aufschlämmungs-Durchsatz wird von der Durchsatzmeß- und -meßwertgeber-Einheit 1158 erfaßt, die ein Signal d erzeugt, das dem Aufschlämmungs-Durchsatz in der Leitung 1144 entspricht. Ein schreibender Durchsatz-Regler 1161 erhält das Signal d und führt dem Drehzahlregler 1156 ein Signal a zu, um erforderlichenfalls die Drehzahl der Verdrängerpumpe 1155 zu vermindern oder zu erhöhen, so daß der Aufschlämmungs-Durchsatz einen Sollwert annimmt. Dadurch kann z. B. der Durchsatz bis zu 50 % des Höchstdurchsatzes, für den der Brenner ursprünglich ausgelegt ist, verstellt werden. Alternativ kann die Regelung des Aufschlämmungs-Durchsatzes in der Leitung 1144 dadurch erfolgen, daß ein Signal d an die Steuereinrichtung 1140 gegeben wird. Deren Ausgangssignal f wird entweder dem schreibenden Durchsatz-Regler 1161 oder direkt dem Drehzahlsteller 1156 für die Verdrängerpumpe 1155 in der vorher erläuterten Weise unter Bezugnahme auf die Durchsatzeinstellung in der Leitung 1143 zugeführt.
Gleichzeitig wird die in der Leitung 1162 enthaltene richtige Menge von freien Sauerstoff enthaltendem Gas für die Partialoxidation der entsprechenden Menge von kohlenstoffhaltiger Festbrennstoff-Aufschlämmung in der Leitung 1142 in zwei Ströme 1163 und 1164 durch in jeder Leitung angeordnete Durchsatzstelleinheiten aufgeteilt. Der Durchsatz des durch jede der Speiseleitungen zum Brenner strömenden freien Sauerstoff enthaltenden Gases ist eine Funktion der Brennerkonstruktion. Z. B. können die Brennerkanäle so ausgelegt sein, daß 1/3 der Gesamtmenge des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, das durch die Leitung 1162 strömt, durch den Ringkanal 114 mit dem angegebenen Geschwindigkeitsbereich austritt. Ventile 1165 und 1166 sind manuell oder automatisch betätigbar, um den Durchsatz in den Leitungen 1163 und 1164 jeweils einzustellen. Z. B.
kann eine Justierung von bis zu 50 % des Höchstdurchsatzes, für den der Brenner ursprünglich ausgelegt ist, erfolgen.
Gleichzeitig werden die übrigen 2/3 der Gesamtmenge des freien Sauerstoff enthaltenden Gases durch den Ringkanal 116 des zweiten Abschnitts des Brenners mit dem angegebenen Geschwindigkeitsbereich abgegeben. Ventile 1165 und 1166 sind normalerweise geöffnet, sie können aber entweder von Hand oder automatisch so betätigt werden, daß der durch eines oder beide Ventile fließende Strom teilweise abgesperrt wird. Bei der noch zu erläuternden Ausführungsform kann der Brenner entweder im zentralen Abschnitt oder im äußeren Abschnitt betrieben werden, indem das Ventil 1166 bzw. das Ventil 1165 vollständig geschlossen und das jeweils andere Ventil geöffnet oder teilweise geschlossen gehalten wird. Die Ventile 1165 und 1166 werden normalerweise gleichzeitig betätigt, so daß die Durchsatzänderung durch die Leitungen 1163 und 1164 dieselbe ist. Gleichzeitig werden die Drehzahlsteller 1146 und 1156 verstellt, um eine entsprechend Änderung des Aufschlämmungs-Durchsatzes durch die Leitungen 1143 und 1144 zu bewirken. Dadurch wird das Sauerstoff-/Kohlenstoff-Atomverhältnis in der Reaktionszone auf dem Sollwert gehalten.
Der Teil des freien Sauerstoff enthaltenden Gasstroms in der Leitung 1163 wird in die Reaktionszone des Synthesegaserzeugers 1141 über den Durchsatzmeßwertgeber 1167, die Leitung 1168, das normalerweise geöffnete Ventil 1165, die Leitung 1170 und den Einlaß 1125 in den Mittenkanal 114 des Brenners 111 geleitet. Der Durchsatz des freien Sauerstoff enthaltenden Gases wird von dem Durchsatzmeßwertgeber 1167 erfaßt, der ein Ausgangssignal b entsprechend dem Durchsatz des Gases in der Leitung 1163 erzeugt. Der schreibende Durchsatz-Regler 1174 empfängt das Signal b und führt dem Ventil 1165 ein Signal zu, um erforderlichenfalls den Durchsatz zu erhöhen oder zu vermindern, so daß der Durchsatz des freien Sauerstoff enthaltenden Gases einen Sollwert erreicht. Dadurch kann die Durchsatzeinstellung z. B. bis zu 50 % des Höchstdurchsatzes, für den der Brenner ursprünglich ausgelegt ist, erfolgen. Wie bereits erläutert, können herkömmliche Berechnungen oder Computer-Berechnungen auf der Grundlage von Wärme- und Gewichtsausgleichswerten für das System zur Bestimmung des Sollwerts durchgeführt werden.
Gleichzeitig wird das übrige freien Sauerstoff enthaltende Gas in der Leitung 1164 in die Reaktionszone des Synthesegaserzeugers 1141 über den Durchsatzmeßwertgeber 1171, die Leitung 1172, das normalerweise geöffnete Ventil 1166, die Leitung 1173 und den Einlaß 1135 zum Ringkanal 116 des Brenners 111 geleitet. Der Durchsatz dieses Gases durch die Leitung 1164 wird vom Ventil 1166 bestimmt. Der Durchsatz des freien Sauerstoff enthaltenden Gases wird vom Durchsatzmeßwertgeber 1171 erfaßt, der ein Siangl e erzeugt, das dem Durchsatz des Gases in der Leitung 1164 entspricht. Der schreibende Durchsatz-egler 1175 empfängt das Signal e und führt dem Ventil 1166 ein Signal zu, um erforderlichenfalls den Durchsatz nach oben oder unten zu verstellen, so daß der Durchsatz des freien Sauerstoff enthaltenden Gases einen Sollwert erreicht. Dadurch kann die Einstellung des Durchsatzes z. B. bis zu 50 % des Höchstdurchsatzes, für den der Brenner ursprünglich ausgelegt ist, durchgeführt werden.
Alternativ kann die Steuereinrichtung 1140 für die Einstellung des Durchsatzes eines oder beider freien Sauerstoff enthaltender Gasströme verwendet werden. Dabei werden ein Signal b vom Durchsatzmeßwertgeber 1167 und/oder ein Signal e vom Durchsatzmeßwertgeber 1171 in der Steuereinrichtung 1140 vergliehen mit dem vom Rechner errechneten Wert oder dem Sollwert. Daraufhin werden ein Signal j und/oder ein Signal h erzeugt, die ein teilweises Öffnen oder Schließen des Ventils 1165 und/oder des Ventils 1166 bewirken. Alternativ können dem schreibenden Durchsatz-Regler 1174 und/oder 1175 die Signale J bzw. h und/oder die Signale b und e zugeführt werden, der dann das Durchsatz-Stellsignai für die Betätigung der Ventile 1165 und/oder 1166 errechnet.
Im Normalbetrieb sind sämtliche Ventile des Systems geöffnet, so daß der Durchsatz durch den Brenner etwa dem Durchsatz unter Konstruktionsbedingungen entspricht. Eine Verringerung der Konstruktionsbedingungen von 50 % für den Brenner 111 wird z. B. dadurch erreicht, daß gleichzeitig die Drehzahl der Verdrängerpumpen 1145 und 1155 verringert wird und die Ventile 1165 und 1166 teilweise geschlossen werden, so daß die Jeweiligen Durchsätze des Aufschlämmungsstroms in den Leitungen 1150 und 1160 und des freien Sauerstoff enthaltenden Gasstroms in den Leitungen 1170 und 1173 um ca. 50 % vermindert werden. Der Konstruktionswert für das Verhältnis von Sauerstoffatomen in dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas zu den Kohlenstoffatomen in der kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffaufschlämmung (O/C-Atomverhältnis) in jedem Abschnitt des Brenners und in der Reaktionszone bleibt unverändert.
Die Drehzahlsteller 1146 und 1156 sowie die Ventile 1165 und 1166 können entweder manuell oder automatisch durch die Steuereinrichtung 140 betätigt werden, wie bereits erläutert wurde. Der Eingang zur Durchsatz-Steuereinrichtung 1140 kann aus einem manuellen oder einem Signal von einem Rechner, einem Auswerter oder einem Fühlelement bestehen. Die Steuereinrichtung 1140 besteht aus herkömmlichen Schaltkreisen und Bauelementen für die Erzeugung von Druckluft- oder elektronischen Signalen, mit denen die Drehzahlregler und die Ventile beaufschlagt werden. Der vorstehende Vorgang zur Verringerung des Gesamtdurchsatzes durch den Brenner kann nur Anwendung finden, wenn die Austrittsgeschwindigkeiten der verschiedenen Einsatzströme nicht unter dne Flammengeschwindigkeit abfallen.
Andere Möglichkeiten zum Herunterschalten des Brenners 111 bestehen darin, den Durchsatz entweder durch die Mittenleitung 114 oder den äußeren Ringkanal 116 und die zugehörigen Rohre aufrechtzuerhalten. Dieses Herunterschaltvqrfahren kann mit dem vorher erläuterten Vorgang kombiniert werden, bei dem der Durchsatz in einem oder in beiden Abschnitten des Brenners verringert wird, und zwar z. B. bis zu 50 %.
Zum Absperren eines Satzes von Rohren und des zugehörigen umgebenden Kanals werden entweder manuelle oder automatische Einstellmittel verwendet. Dadurch können zwei weitere Durchsatzbereiche erhalten werden. Nach Fig. 9 kann z. B.
ein Durchsatz von 1/3 der Konstruktionsbedingungen durch den Brenner 111 erzielt werden, indem nur die Mittenleitung 114 und das zugehörige mittige Rohrbündel 113 verwendet werden. In einem solchen Fall sind die Ventile 1177 und 1165 geöffnet und die Ventile 1176 und 1166 geschlossen. Die Ventile 1176 und 1166, die normalerweise geöffnet sind, können von Hand bzw. durch Signale g und h von der Steuereinrichtung 1140 geschlossen werden. Dieser Durchsatz kann weiter vermindert werden, z. B. bis zu 50 X, indem nunmehr der Drehzahlste-ller 1146 betätigt wird und das Ventil 1165 teilweise geschlossen wird. Bei einem anderen Beispiel wird ein Durchsatz von 2/3 der Konstrukltionsbedingungen durch den Brenner 111 erreicht, indem nur eine Strömung durch den äußeren Ringkanal 116 und das zugehörige ringförmige Rohrbündel 117 verwendet wird. In diesem Fall sind die Ventile 1176 und 1166 geöffnet, und die Ventile 1177 und 1165 sind geschlossen. Die normalerweise geöffneten Ventile 1177 und 1165 können manuell oder durch Signale i und J von der Steuereinrichtung 1140 geschlossen werden. Dieser Durchsatz kann weiter, z. B. bis auf 50 %, vermindert werden, indem nunmehr der Drehzahlregler 1156 betätigt und das Ventil 1166 teilweise geschlossen wird.
Die Größe der Brennerrohre und -leitungen kann für die Zwecke weiterer Aufteilungen geändert werden. Z. B. kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel 1/4 des Nenndurchsatzes der Brennstoff- und Oxidationsmittelströme durch die mittigen Rohre und die Mittenleitung und die übrigen 3/4 des Nenndurchsatzes der Brennstoff- und Oxidationsmittelströme durch die Ringrohre und den Ringkanal geschickt werden.
Bei dem Brenner nach Fig. 10 sind in der Mittenleitung und auch im Ringkanal zwei Vormischkammern hintereinander aneordnet. Die Enden des mittigen und des ringförmigen Rohrbündels sind von der Brennerstirnwand nach oben zurückgesetzt.
Nach Fig. 10 umfaßt der Brenner 280 eine Mittenleitung 281, die teilweise die Wandung 282 zwischen dem Mittenkanal 283 und dem koaxialen radial beabstandeten Ringkanal 284 bildet, zwei Reihen eines mittigen Bündels paralleler Rohre 285, die in Längsrichtung durch den oberen Teil des Mittenkanals 283 verlaufen und deren obere Enden 286 hermetisch gasdicht durch die Rohrwandung 287 geführt sind und deren untere Enden 288 von der Stirnwand 289 am Unterende des Brenners 280 nach oben zurückgesetzt sind, eine koaxiale konzentrische radial beabstandete Außenleitung 290, die den Ringkanal 284 über seine Länge umgibt, zwei Reihen von ringförmig angeordneten parallelen Rohren 295 eines Rohrbündels, die den Ringkanal 284 in Längsrichtung durchsetzen, deren obere Enden 296 gasdicht durch die Rohrwandung 297 geführt sind und deren untere Enden 298 von der Brennerstirnwand 289 nach oben zurückgesetzt sind, einen Ringverteiler 2100, der mit den oberen Enden 296 des ringförmigen Rohrbündels 295 in Strömungsverbindung steht, einen Verteiler 2101, der zylindrisch sein kann und mit den oberen Enden 286 des mittigen Rohrbündels 285 in Strömungsverbindung steht, einen Einlaß 2102 zum Einleiten eines ersten Einsatzstroms in den zentralen Verteiler 2101, einen Einlaß 2103 zum Einleiten eines zweiten Einsatzstroms in den Mittenkanal 283 und in die Zwischenräume, die das mittige Rohrbündel 285 umgeben, einen Einlaß 2104 zum Einleiten eines dritten Einsatzstroms in den Ringverteiler 2100, einen Einlaß 2105 zum Einleiten eines vierten Einsatzstroms in den Ringkanal 284 und in die das ringförmige Rohrbündel 295 umgebenden Zwischenräume, Kühlschlangen 2106, die den Außenmantel der Außenleitung 280 über deren Länge umschließen, und eine hohle Kühlkammer 2107 am unteren Ende des Brenners.
Die scheibenförmige zentrale Rohrwand 287 schließt den Mittenkanal 283 unterhalb seines oberen Endes ab. Ebenso schließt die ringförmige Rohrwand 297 den Ringkanal 284 unterhalb seines Oberendes ab. Herkömmliche Mittel, z. B.
Schweißen, Drehen, Sicken, Gewinde, Walzen, können angewandt werden, um eine druck- und gasdichte hermetische Verbindung dort zu schaffen, wo die mittigen und ringförmigen Rohrbündel die entsprechenden Rohrwandungen durchdringen.
Mechanische Preßpassung und Kupplungsvorrichtungen sind ebenfalls anwendbar.
Eine Platte 2108, die scheibenförmig sein kann, schließt das Oberende der Mittenleitung 281 dicht ab. Der Zwischenraum zwischen der Platte 2108 und der Rohrwand 287 bildet den zentralen Verteiler 2101. Dadurch kann z. B. ein Teil eines ersten Reaktionsmittel-Einsatzstroms in der Speiseleitung 2102 in den zentralen Verteiler 2101 geleitet und dann in mehrere Ströme aufgeteilt werden, die die Rohrwandung 287 und die einzelnen Rohre des mittigen Bündels 285 durchsetzen.
Eine ringförmige Scheibe 2109 schließt das Oberende des Ring kanals 284 dicht ab. Der Raum zwischen der ringförmigen Scheibe 2109 und dem ringförmigen Rohrmantel 297 bildet den Ringverteiler 2100. Gleichzeitig mit der Einleitung des ersten Reaktionsmittel-Einsatzstroms kann der dritte Reaktionsmittel-Einsatzstrom aus der Speiseleitung 2104 in den Ringverteiler 2100 eingeleitet und in eine Mehrzahl Ströme aufgeteilt werden, die die Rohrwandung 297 und die einzelnen Rohre des ringförmigen Rohrbündels 295 durchsetzen.
Wandhaltearme oder Rohrabstandselemente 2115 halten die einzelnen Rohre des ringförmigen Rohrbündels 295 in einer unveränderlichen, parallelen, berührungsfreien Lage in bezug aufeinander und auf die INnenseite der Außenleitung 290.
Ebenso halten Wandhaltearme oder Rohrabstandselemente 2116 die einzelnen Rohre des mittigen Rohrbündels 285 in einer unveränderlichen parallelen, berührungsfreien Lage in bezug aufeinander und auf den Innendurchmesser der Mittenleitung 281 sowie den Außendurchmesser der Mittenleitung 281.
Während die Vormischzone bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 zwei gesonderte koaxiale mittige Vormischkammern 2117 und 2118 hintereinander in der Mittenleitung 283 und zwei gesonderte koaxiale ringförmige Vormischkammern 2119 und 2120 hintereinander im Ringkanal 284 aufweist, kann die Vormischzone weiterer Ausführungsformen des Brenners eine oder menrere, z. B. 2-5, koaxiale mittige und/oder ringförmige Vormischkammern umfassen. Jede mittige Vormischkammer mit Ausnahme der ersten der Reihenanordnung umfaßt einen koaxialen zylindrischen Hauptteil 2121, auf den ein koaxiales, wenigstens teilweise konvergentes kegelstumpfförmiges Austrittsmundstück 2122 folgt, das wahlweise in einen normalzylindrischen Abschnitt 2123 übergehen kann. Dieses Mundstück ist in Fig. 10 als konvergentes mittiges Mundstück 2124 gezeigt, das an der unteren Brennerstirnwand endet. Wahlweise können die Mundstücke 2124 und 2133 (letzteres wird noch erläutert) aus einem warm- und abriebfesten Werkstoff, z. B. Silizium- oder Wolframkarbid, hergestellt sein.
Die erste mittige Vormischkammer der Reihenanordnung kann einen geraden koaxialen zylindrischen Hauptteil 2125 aufweisen, der sich durch ein kreisförmiges Mundstück 2126 direkt in die nächstfolgende mittige koaxiale Vormischkammer 2118 öffnet. Bevorzugt ist der Einlaß zur ersten mittigen Vormischkammer 2117 ein Teil eines konvergenten kegelstumpfförmigen Abschnitts 2127.
Jede koaxiale ringförmige Vormischkammer 2120 mit Ausnahme der ersten ringförmigen Vormischkammer 2119 umfaßt einen koaxialen erzeugten normalzylindr ische n Ringkörperhauptteil 2130, auf den ein koaxialer erzeugter, wenigstens teilweise konvergenter kegelstumpfförmiger ringförmiger Austrittsabschnitt 2131 folgt, der wahlweise in einen koaxialen erzeugten normalzylindrischen Ringabschnitt 2132 übergehen kann. Dieser Austrittsabschnitt ist in Fig. 10 als konvergentes ringförmiges Austrittsmundstück 2133 gezeigt, das an der unteren Brennerstirnwand endet. Die erste koaxiale ringförmige Vormischkammer 2119 umfaßt einen koaxialen erzeugten normalzylindrischen Ringkörperhauptteil 2134, der sich durch eine ringförmige Öffnung 2135 in die nächstfolgende koaxiale ringförmige Vormischkammer 2120 öffnet.
Bevorzugt besteht der Einlaß zur ersten ringförmigen Vormischkammer 2119 aus einem Teil eines koaxialen erzeugten konvergenten kegelstumpfförmigen Abschnitts 2136.
Eine hohle Endplatte 2107 umfaßt einen Vorderabschnitt 2137 am äußersten Ende des Brenners, der eben oder gekrümmt sein kann und der eine koaxiale zentrale ringförmige Kühlkammer 2138 enthält, die das Austrittsmundstück 2124 der tlittenleitung umgibt, und/oder eine koaxiale, radial beabstandete ringförmige KÜhlkammer 2139 enthält, die das ringförmige Austrittsmundstück 2133 am Brennerkopf umgibt.
Die Kühikammer kann mit dem im übrigen ebenen Brennerkopf entsprechend Fig. 7 verbunden sein, oder sie kann eine Verlängerung der Mitten- und der Außenleitung sein. Kaltes Kühlwasser aus der Leitung 2140 tritt in die ringförmige Kühlkammer 2139 ein, wird durch Ablenkkörper aufgeteilt und strömt auf einer Bahn um 1800 und tritt aus einem gegenüberliegenden Auslaß aus, der mit äußeren Schlangen 2106 verbunden ist. Kühlwasser wird in die mittige ringförmige Kühlkammer 2138 aus der Leitung 2145 eingeleitet, die mit einem Kanal 2146 verbunden ist, der sich durch die Wand 282 in der Mittenleitung 281 in Längsrichtung abwärts erstreckt. Das Kühlwasser wird durch Ablenkelemente aufgeteilt, strömt um 1800 um den zentralen Kühlkanal 2138 und tritt aus einem gegenüberliegenden koaxialen Längskanal (nicht gezeigt) entsprechend dem Kanal 2146, jedoch in einer anderen Position in der Wandung 282, wieder aus.
Wahlweise kann ein gasförmiger Einsatzstrom, der entweder Dampf, freien Sauerstoff enthaltendes Gas, CO2, N2, Brenngas, ein im Kreislauf rückgeführter Teil des Produktgases oder Gemische dieser Gase ist, in wenigstens eine entweder der mittigen und/oder der ringförmigen Vormischkammern durch wenigstens eine Einlaßleitung 2149, die mit wenigstens einem Längskanal 2147 in der Wandung 282 der Mittenleitung 281 verbunden ist, und wenigstens einen Zweigkanal 2148, der den Längskanal 2147 mit den Vormischkammern verbindet, eingeleitet werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 entspricht dem Aufbau nach den Fig. 1 und 2, wobei jedoch die innere Mittenleitung 15 durch ein mittiges Bündel von Wendelrohren 15' ersetzt ist. Für dieses Ausführungsbeispiel wurden die gleichen Bezugszeichen wie für dasjenige nach den Fig. 1 und 2 verwendet, und es werden nur die Merkmale erläutert, die anders als in den Fig. 1 und 2 sind.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform des Wirbelstrombrenners als Querschnitt in Längsrichtung. Der Brenner umfaßt ein kontinuierliches mittiges koaxiales zurückgesetztes Bündel von Wendelrohren 15', das von der konzentrischen koaxialen Außenleitung 16 umgeben ist. Es ist ein koaxialer konzentrischer Ring von zwei Rohrschlangen gezeigt. Abstands-und Halteelemente 18 dienen dazu, eine Mehrzahl miteinander verbundener freidurchströmbarer wendelförmiger Kanäle 17 in dem das mittige Bündel von Wendelrohren 15' umgebenden Zylinderraum zu bilden.
Bei einer anderen (nicht gezeigten) Ausführungsform liegen die Ein- und Auslässe der einzelnen Wendelschlangen des mittigen Bündels von Wendelrohren 15' an den Schnittpunkten einer Mehrzahl koaxialer konzentrischer Ringe und einer Mehrzahl gleichbeabstandeter radialer Reihen. Die Seiten der Wendeln in benachbarten konzentrischen Ringen können einander erwünschtenfalls kontaktieren. Dadurch kann der Einsatzstrom, der in die Außenleitung 16 durch den E-inlaß 8 eintritt, durch eine Mehrzahl wendelförmiger Kanäle oder in die Zwischenräume zwischen den Wendeln strömen.
Austrittsmundstücke 20' an den Unterenden der Mehrzahl von Wendelrohren 19 in dem mittigen Bündel von Wendelrohren 15' haben bevorzugt kreisförmigen Querschnitt und enden in einer zur Brennerlängsachse senkrechten Ebene. Die Außenleitung 16 endet an Umterende des Brenners mit einem konvergenten Mundstück 21.
Beim Betrieb des Brenners nach Fig. 11 kann einer der Reaktionsmittelströme (vgl. die Tabelle II) in den Brenner durch den Einlaß 9 eintreten und direkt in den zentralen Verteiler 25a strömen. Der zentrale Verteiler 25a ist eine geschlossene Zylinderkammer mit einem oberen geschlossenen Kopf 26 und einer unteren Rohrwandung 27. Die oberen offenen Enden 28 der Mehrzahl von Wendelrohren 19 verlaufen senkrecht durch die Rohrwandung 27 und sind damit gasdicht verbunden.
Dadurch sind die oberen Enden der Wendelkanäle 17 in der Außenleitung 16 geschlossen.
Der Einsatzstrom im zentralen Verteiler 25a wird in mehrere Ströme unterteilt, die durch die Mehrzahl freidurchströmbarer Wendelschlangen 19 nach unten wirbeln, aus den Austrittsmündungen 20 austreten und in die Vormischzone 25 eintreten (vgl. Fig. 11). Gleichzeitig tritt der zweite Reaktionsstrom in den Brenner aus dem Einlaß 8 ein und wird in mehrere Ströme unterteilt, die vom oberen Teil 30 der Außenleitung 16 durch die Mehrzahl freidurchströmbarer Wendelkanäle 17 oder durch die Zwischenräume zwischen einzelnen beabstandeten Wendelschlangen oder durch beide abwärts wirbeln. Die beiden Reaktionsströme treffen in der Vormischzone 25 aufeinander, in der ein gründliches Vermischen der Ströme erfolgt. Ferner findet in der Vormischzone 25 ein direkter Wärmeaustausch zwischen den beiden Reaktionsmittelströmen statt. Die Temperatur in der Vormischzone ist so geregelt, daß eine kontrollierte Menge der Trägerflüssigkeit ohne Verbrennung verdampft werden kann, d. h. 0-100 Vol.-% der Trägerflüssigkeit, z. B.
ca. 2-80 Vol.-%. Die Temperatureinstellung in der Vormischzone kann dadurch erfolgen, daß Faktoren wie die Verweilzeit und der Wärmeyehalt der eintretenden Ströme sowie das Ausmaß der externen Kühlung, z. B. ggf. durch Kühlschlangen 4, kontrolliert werden. Die Vormischzone 25 behindert das freie Durchströmen der sie durchsetzenden Materialien im wesentlichen nicht.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Aufschlämmung des kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffs in der Trägerflüssigkeit, die durch das Austrittsmundstück 20 des mittigen Wendelrohrbündels 15' oder alternativ aus den Kanälen 17 austritt, liegt im Bereich von 1,5-30,5 m/s, z. B. 3,05-15,2 m/s, bevorzugt ca. 0,61-6,1 m/s. Die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, das gleichzeitig den anderen Kanal im Brenner, wahlweise in Mischung mit Wasserdampf, durchsetzt, liegt im Bereich von ca. 45,7 m/s bis Schallgeschwindigkeit, z. B. ca.
30,5-183 m/s, bevorzugt ca. 61-152 m/s. Die Aufschlämmung aus kohlenstoffhaltigem Festbrennstoff in Trägerflüssigkeit tritt in die Vormischzone in flüssiger Phase mit einer Temperatur von ca. Umgebungstemperatur bis 260 OC, jedenfalls unterhalb der Verdampfungstemperatur der Trägerflüssigkeit, ein. Der Druck kann z. B. ca. 5,34-316,3 kp/cm2 betragen. Gleichzeitig tritt der freien Sauerstoff enthaltende Gasstrom, wahlweise in Mischung mit Wasserdampf, in die Vormischzone mit einer Temperatur von Umgebungstemperatur bis 649 OC, z. U. von ca. 37,8-316 OC, und mit einem Druck im Bereich von ca. 5,34-316,3 kp/cm2 ein. In der Vormischzone erfolgt ein gründliches Vermischen und ein direkter Wärmeaustausch zwischen den beiden Reaktionsmittelströmen.
Die Verdampfung der Trägerflüssigkeit in der Vormischzone kann 0-100 Vol.-%, z. B. ca. 20-35 Vol.-%, betragen, wenn das freien Sauerstoff enthaltende Gas mit einer Temperatur von ca. 149-316 OC eintritt, und kann ca. 70-100 Vol.-% betregen, wenn das Gas in Form von Luft eintritt, die auf eine Temperatur von ca. 538-649 OC vorgewärmt ist. Das Mehrphasengemisch in der Vormischzone hat eine Temperatur, die unter seiner Selbstentzündungstemperatur liegt. Das Mehrphasengemisch verläßt den Brenner 1 durch das Austrittsmund stück 21 mit einer Austrittsgeschwindigkeit von ca.
22,8-183 m/s, z. B. von ca. 45,7-106,7 m/s, die größer als die Flammengeschwindigkeit ist, und strömt direkt abwärts in die freie Reaktionszone des Partialoxidations-Gaserzeugers.
Das Unterende der Außenleitung 16 nach Fig. 11 nach bei einer anderen Ausführungsform die Form von Fig. 3 aufweisen.
Wie Fig. 12 zeigt, umfaßt bei einem weiteren Ausführungsbeispiel das Ende der Außenleitung 16 von Fig. 11, also das Austrittsmundstück 35, das aus einem abriebfesten Werkstoff wie Wolfram- oder Siliziumkarbid besteht, einen kegelstumpfförmigen Hinterabschnitt 22, der in einen divergierenden kegelstumpfförmigen Vorder abschnitt 23 übergeht.
Der kegelstumpfförmig konvergente Außendurchmesser des Austrittsmundstücks 35 ist von einem koaxialen passenden kegelstumpfförmigen Hohlraum 36 in der ringförmigen Kühlkammer 2 gehalten. Z. B. kann das aus Wolframkarbid bestehende Austrittsmundstück 35 mit dem Unterende der Außenleitung 16 dadurch verbunden sein, daß die Rückseite 37 der Kühlkammer 2 mit der Vorderseite des Endflanschs 38 am Unterende der Außenleitung 16 verbunden ist. Kühlwasser kann in den hohlen Abschnitt 24 der Kühlkammer 2 in der Weise eingeleitet werden, wie das für das Einlaßrohr 3 von Fig. 1 erläutert wurde. Wahlweise kann eine Kühlschlange die Außenleitung 16 umschließen (vgl. die Kühlschlange 4 von Fig. 1).
Heiße Hochgeschwindigkeits-Aufschlämmungen aus Festbrennstoff verursachen Abrieb. Die Lebensdauer des Brenners kann erheblich verlängert werden, wenn das Austrittsmundstück 35 aus einem verschleißfesten Werkstoff hergestellt wird.
Fig. 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wirbelstrombrenners, wobei jedoch zusätzlich eine Vormischung vorgesehen ist und der Brenner in hohem Maß drchsatzveränerlich ist.
Dieser Brenneraufbau entspricht in vieler Hinsicht dem Aufbau nach Fig. 10, und für gleiche Teile wurden gleiche Bezugszeichen verwendet; solche Teile werden nicht näher erläutert.
Zwei hintereinanderliegende Vormischkammern liegen in der Mittenleitungund auch im Ringkanal. Die Enden des mittigen und des ringförmigen Bündels von WEndelrohren sind von der Brennerstirnwand stromaufwärts zurückgesetzt. Der Brenner kann so betrieben werden, daß Einsatzströme entweder durch das mittige oder das ringförmige oder beide Wendelrohrbündel und durch die Mehrzahl von Wendelkanälen in den die Rohrbündel umgebenden Leitungen strömen können. Dadurch kann der Durchsatz durch den Brenner erhöht oder vermindert werden. Der Brenner 280 nach Fig. 13 umfaßt einen mittigen Abschnitt und einen Ringabschnitt. Der mittige Abschnitt entspricht dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11. Ein mittiges Bündel von Wendelrohren 285' erstreckt sich nach unten durch den oberen Abschnitt des mittigen Kanals 283. Der mittige Abschnitt nach Fig. 13 umfaßt einen einzigen koaxialen konzentrischen Ring mit zwei Wendelschlangen 289. Bei anderen Brenner-Ausführungsformen weisen jedoch die mittigen Abschnitte erwünschtenfalls eine Mehrzahl von koaxialen konzentrischen Ringen mit jeweils mehreren Wendelrohren auf. Obere Einläase 286' der Wendelschlangen 289 verlaufen durch die Rohrwandung 287 und sind damit gasdicht verbunden.
Diese Einlässe liegen in zwei radialen Reihen, die um 1800 voneinander beabstandet sind. Untere Enden 288' sind von der Stirnwand 2137 des Brenners 280 an dessen Unterende nach oben zurückgesetzt. Halte- und ggf. Abstandselemente 218 bilden eine Mehrzahl miteinander verbundener freidurchströmbarer wendelförmiger Kanäle 217 in dem zylindrischen RAum, der das mittige Bündel von Wendelrohren 285' umgibt.
Im Ringabschnitt des Brenners 280 umgibt die konzentrische, radial beabstandete Außenleitung 290 den Ringkanal 284' über seine Länge. Ein ringförmiges Bündel von Wendelrohren 295' verläuft nach unten durch den Ringkanal 284' und umfaßt vier koaxiale konzentrische Ringe von Wendelschlangen 295'. Nur zwei der mehreren radialen Reihen sind gezeigt. Ferner sind zwei der mehreren Wendelschlangen in Jedem konzentrischen Ring der Übersichtlichleit halber gezeigt. Aus denselben Gründen sind vier der Wendelschlangen nahe den oberen Einlässen weggeschnitten. Die tatsächliche Anzahl WEndelrohre in einem konzentrischen Ring ist eine Funktion der Rohrgröße, des Ringdurchmessers und des Abstands zwischen den radialen Reihen. Abstands- und Halteelemente 291 bilden eine Mehrzahl miteinander verbundener freidurchströmbarer Wendelkanäle 292 in dem Ringraum, der das ringförmige Bündel von Wendelrohren 295' umschließt. Die oberen Einlaßenden 296' der konzentrischen Wendelrohre 295' durchsetzen die Rohrwand 297 und sind damit gasdicht verbunden.
Untere kohrauslaßenden 298' sind von der Brcnnerstirnwand 2137 nach oben zurückgesetzt. Bei einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt), bei der im Ringkanal 284' keine Vormischkammern vorgesehen sind, können die unteren Enden 298' der Wendelrohre 295' mit der Brennerstirnwand 2137 bündig abschließen. Ein Ringverteiler 2100 steht mit den oberen Enden 296' des ringförmigen Bündels von Rohren 295' in Verbindung. Ein Verteiler 2101, der zylindrisch sein kann, steht mit den oberen Enden 286' des mittigen Rohrbündels 285' in Verbindung.
Ein Einlaß 2102 dient zum Einleiten eines ersten Einsatzstroms in den zentralen Verteiler 2101. Ein Einlaß 2103 nahe dem oberen Ende der Mittenleitung 282 dient zur Einleitung eines zweiten Einsatzstroms in das obere Ende des mittigen Kanals 283 und von dort in die Wendelkanäle und/oder Zwischenräume, die das Bündel mittiger Rohre 285' umgeben. Ebenso dient ein Einlaß 2104 zum Einleiten eines dritten Einsatzstroms in den Ringverteiler 2100. Ein Einlaß 2105 nahe dem oberen Ende der Außenleitung 290 dient zum Einleiten eines vierten Einsatzstroms in das obere Ende des Ringkanals 284' und von dort in die Wendelkanäle und/oder Zwischenräume, die das ringförmige Rohrbündel 295' umgeben. Wahlweise können die Einlässe 2103 und/oder 2105 für eine zusätzliche Wirbelbewegung der Ströme so orientiert sein, daß der zweite bzw. der vierte Einsatzstrom tangential in die Mittenleitung 281 bzw. die Außenleitung 290 eingeleitet werden. Wahlweise können die Einlässe 2102 und/oder 2104 so orientiert sein, daß der erste und der dritte Einsatzstrom durch das Oberende der Verteiler 2101 und 2100 eingeleitet werden können. Wandhaltearme oder Rohrabstandselemente 291 halten die einzelnen Rohre des ringförmigen Bündels von Wendelrohren 295' in einer unveränderlichen, kontaktierenden oder berührungsfreien Lage in bezug aufeinander und auf das Innere der Außenleitung 290. Ebenso halten Wandhaltearme oder Rohrabstandselemente 218 die einzelnen Rohre des mittigen Bündels von Wendelrohren 285' in einer unveränderlichen, kontaktierenden oder berührungsfreien Lage in bezug aufeinander und auf das Innere der Mittenleitung 281.
Die Vormischzonen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 umfassen zwar zwei gesonderte koaxiale zentrale Vormischkammern 2117 und 2118 hintereinander in der Mittenleitung 283 und zwei gesonderte koaxiale ringförmige Vormischkammern 2119 und 2120 hintereinander in dem Ringkanal 284; die Vormischzonen anderer Ausführungsformen des Brenners können Jedoch eine oder mehrere, z. B. 2-5, koaxiale mittige und/ oder ringförmige Vormischkammern aufweisen, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert wurde.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Brenner zum Vermischen einzelner Einsatzströme zur Bildung eines tlehrphasengemischs zur Umsetzung in einem Partialoxidations-Gaserzeuger, gekennze tehnet durch - eine mit der Längsmittenachse des Brenners koaxiale mittige Strömungsbahn mit - einem oberen Einlaß (9), durch den ein erster Einsatzstrom bzw. Einsatzströme gesondert einführbar sind, - und einem stromab befindlichen Austritt(20); - eine erste koaxiale Außenleitung (16), die die mittige Strömungsbahn konzentrisch umgibt, - mit einem oberen Einlaß (8), durch die ein zweiter Einsatzstrom gesondert einführbar ist, - und einem Auslaß (21), der die Außenleitung (16) am stromab befindlichen Brennerunterende beendet, - wobei das Unterende t20) der mittigen Strömungsbahn (15) von der Brennerstirnwand (6) um einen Betrag entsprechend dem zwei- oder mehrfachen Mindestdurchmesser des Auslasses (21) der Außenleitung (16) zurückgesetzt ist, so daß eine Vormischzone (25) gebildet ist; und - Elemente (18) zum Haltern der mittigen Strömungsbahn (15) und der Außenleitung (16) in bezug aufeinander zur Bildung eines oder mehrerer Kanäle (17) zwischen beiden, durch die der zweite Einsatzstrom gleichzeitig mit dem (den) ersten Einsatzstrom (-strömen) in die Vormischzone (25) gelangt, - in der das Mehrphasengemisch vor seinem Austritt durch das Austrittsmundstück (21) der Außenleitung (16) erzeugt wird.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die mittige Strömungsbahn eine einzige Mittenleitung (15) ist.
3. Brenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch - eine mit der Mittenleitung (15) und der Außenleitung (52) konzentrische koaxiale Zwischenleitung (53) mit - einem oberen Einlaß, durch die ein dritter Einsatzstrom gesondert einführbar ist, und - einem das Ende der Zwischenleitung (53) bildenden unteren Austrittsmundstück (54), - wobei die Zwischenleitung (53) von der unteren Brenner stirnwand (6) um einen Betrag, der ca. 0-12mal dem Mindestdurchmesser des Austrittsmundstücks (21) der Außenleitung (52) entspricht, zurückgesetzt ist; - Elemente (18) zum radialen Beabstanden der Mittenleitung (15), der Zwischenleitung (53) und der Außenleitung (52) in bezug aufeinander zur Bildung von koaxialen Zwischen-und Außen-Ringkanälen (17 bzw. 51), wobei - der Zwischen-Ringkanal (17) zwischen dem Außendurchmesser der Mittenleitung (15) und dem Innendurchmesser der Zwischenleitung (53) liegt und den Kanal bildet, durch den ein dritter Einsatzstrom gesondert gleichzeitig mit dem ersten Linsatzstrom gelangt und in die Vormischzone (25) austritt, in der ein Mehrphasengemisch aus dem ersten und dem dritten Einsatzstrom erzeugt wird, und - der Außcn-Ringkanal (51) zwischen dem Außendurchmesser der Zwischenleitung (53) und dem Innendurchmesser der Außenleitung (52) liegt und den Kanal bildet, durch den der zweite Einsatzstrom gesondert gleichzeitig mit dem ersten und dem dritten Einsatzstrom gelangt und sich anschließend mit dem Mehrphasengemisch aus dem ersten und dem dritten Einsatzstrom vermischt (Fig. 6).
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - daß die Wandungen der Zwischenleitung (53) eine Mehrzahl Löcher oder Kanäle (60-62) mit kleinem Durchmesser aufweisen, - so daß der in der Außen-Ring leitung (51) strömende Einsatzstrom diese durchsetzen und sich mit einem oder beiden anderen Einsatzströmen vermischen kann, die gleichzeitig mit niedrigerem Druck durch die anderen Kanäle (17) oder die Vormischzone des Brenners strömen.
5. Brenner nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch - BlockLermittel (57) am unteren Auslaß des Außen-Ringkanals (51) zum vollständigen oder teilweisen Verschließen des unteren Auslasses des Außen-Ringkanals (51).
o. Brenner nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, - daß das Vorderende des Austrittsmundstücks (54) der Zwischenleitung (53) von der unteren Brennerstirnwand (6) um einen Betrag entsprechend etwa dem 1,0-5 fachen Mindestdurchmesser des Austrittsmundstücks (21) der Außenleitung stromaufwärts zurückgesetzt ist, und - daß sich der zweite Einsatzstrom mit dem ersten und dem dritten Einsatzstrom in der Vormischzone vermischt, so daß ein Mehrphasengemisch gebildet wird.
7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dual3 die mittige Strömungsbahn ein rnittiges Bündel von symmetrisch beabstandeten Rohren (113) aufweist und ferner eine das mittige Rohrbündel (113) umgebende koaxiale Ilittenleitung (112) vorgesehen ist, die am oberen Ende geschlossen (1115) ist und an der Urenncrstirnwand (1110) ein unteres freies kreisrundes Austrittsmundstück (1111) aufweist, - wobei das mittige Rohrbündel (113) das geschlossene obere Ende (1115) durchsetzt und damit luftdicht verbunden ist, und - die Rohre des mittigen Rohrbündels (113) parallel zueinander und zur Brennerachse sind und längs der Mittenleitung (112) ohne gegenseitige Berührung verlaufen und einen oberen Einlaß (1118) umfassen, durch den der erste Einsatzstrom einleitbar ist, sowie untere Enden (118) aufweisen, aus denen der erste Einsatzstrom austritt, und - ein oberer Einlaß (1125) vorgesehen ist, durch den ein dritter Einsatzstrom in die Mittenleitung (112) und in die Lwischenräume zwischen dem Bündel mittiger Rohre (113) einleitbar ist; - daß die Mittenleitung (112) und die Außenleitung (115) in bezug aufeinander radial beabstandet (1136) sind zur Bildung eines koaxialen Ringkanals (116) zwischen dem Außendurchmesser der Mittenleitung (112) und dem Innendurchmesser der Außenleitung (115); - daß der ringkanal (116) an seinem oberen Ende geschlossen (1127) ist und am Unterende des Brenners ein unteres freies ringförmiges Austrittsmundstück (1112) aufweist; - daß das geschlossene Ende (1127) des Ringkanals (116) von einem ringförmigen Bündel von symmetrisch beabstandeten Rohren (117) durchsetzt ist, die damit gasdicht verbunden sind, - wobei die Rohre des ringförmigen llohrbündels (117) parallel zueinander und zur Brennerachse sind und längs dem Ringkanal (117) ohne gegenseitige Berührung verlaufen und einen oberen Einlaß (1129) zum Einleiten eines vierten Einsatzstroms in die Rohre (117) und Unterenden (119) haben, durch die der vierte Einsatzstrom austritt, und - die Unterenden (119) des ringförmigen Rohrbündels (117) von der Brennerstirnwand (1110) um einen Betrag, der etwa dem 0-12fachen der Mindestweite des ringförmigen Austrittsmundstücks (1112) am Brennerende entspricht, zurückgesetzt sind, - Abstandselemente (113G) das ringförmige llohrbündel (117) in bezug auf die Innenwandung des Ringkanals (116) und in bezug aufeinander beabstanden und haltern, und - ein oberer Einlaß (1135) vorgesehen ist zum Einleiten des zweiten Einsatzstroms in den Ringkanal (116) und in die Zwischenräume zwischen dem ringförmigen Bündel paralleler Rohre (117) im Ringkanal (116) (Fig. 7, 8 und 9).
8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - daß die Auslaßöffnuny der mittigen Strömungsbahn (15; 113) von der Brennerstirnwand (6; 1110) um einen Betrag, der etwa dem 3-lOfachen Mindestdurchmesser des kreisförmigen Austrittsmundstücks entspricht, stromaufwärts zurückgesetzt ist, und/oder die Unterenden des ggf. vorgesehenen ringförmigen rohrbündels (117) von der Brennerstirnwand um einen Betrag, der etwa der 3-lOfachen Mindestweite des ringföriiiiyen Austrittsmundstücks (1112) entspricht, stromaufwärts zurückgesetzt sind.
9. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - Ausbildung der mittigen Strömungsbahn als mittiges Bündel von offenendigen Wendelrohren (15'), deren Längsmittenachse mit der Längsmittenachse des Brenners koaxial ist, - wobei das Bündel eines oder mehrere Wendelrohre umfaßt, deren Einlaßabschnitte (28) mit dem oberen Einlaß (9) in Strömungsverbindung stehen, durch den ein erster Reaktaionsmittel-Einsatzstrom einleitbar und dann in mehrere yesonderte Ströme aufteilbar ist, abwärts durch das mittige Bündel von Wendeirohren (15') strömt und aus den Unterenden (20') der Rohre (15') austritt; - eine mit dem mittigen Bündel von endelrohren (15') konzentrische und dieses umgebende erste koaxiale Leitung (16), die nahe dem stromauf befindlichen Ende geschlossen (27) ist, so daß die Eintrittsabschnitte (28) der Wendelrohre (15'). das Ende durchsetzen und damit gasdicht verbunden sind, und die am Brennerunterende ein freies kreisrundes Austrittsmundstück (21) aufweist; und - einen mit der ersten Leitung (16) in Strömungsverbindung stehenden oberen Einlaß (8), durch den ein zweiter Einsatzstrom gesondert einleitbar und in mehrere Wirbelströme aufteilbar ist, die durch mehrere miteinander in Verbindung stehende wendelförmige Kanäle (17), die in dem das mittige Bündel von Wendelrohren (15') umgebenden Zylinderraum gebildet sind, und/oder durch die ggf. vorhandenen Zwischenräume zwischen den Wendelrohren (15') strömen; und - Elemente (18) zum Haltern des mittigen Bündels von Wendelrohren (15') in bezug auf die erste Leitung (16) und aufeinander (Fig. 11).
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, - daß das mittige Bündel von Wendelrohren (15') 1-200 offenendige Wendelrohre (19) umfaßt.
11. Brenner nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch - eine die erste Leitung (281) wenigstens über einen Teil ihrer Länge umgebende zweite koaxiale zylindrische Leitung (290); - Elemente zum radialen Beabstanden der ersten und der zweiten Leitung (281 und 290) voneinander zur Bildung eines koaxialen Ringkanals (284') zwischen dem Außendurchniesser der ersten Leitung (281) und dem INnendurchmesser der zweiten Leitung (290), - wobei der Ringkanal (284') nahe dem oberen Ende geschlossen (297) ist und am Unterende des Brenners ein freies ringförmiges Austrittsmundstück (2133, 2132) aufweist; - ein ringförmiges Bündel von Wendelrohren (295'), dessen Längsmittenachse mit der Längsmittenachse des Brenners koaxial ist, - wobei diese Wendelrohre das geschlossene Ende (29) des Ringkanals (284') durchsetzen und damit gasdicht verbunden sind und - eines oder mehrere Wendelrohre umfassen, die Einlaßabschnitte (296') aufweisen, die mit einem oberen ringförmigen Einlaß (2116) in Strömungsverbindung stehen, durch den ein dritter Reaktionsmittel-Einsatzstrom einleitbar und in eine Mehrzahl Einzelströme aufteilbar ist, wenn mehrere Wendelrohre (295') vorgesehen sind, um abwärts durch die oberen Enden der Wendelrohre (295') zu strömen und aus den Unterenden (298') der Wendelrohre (295') auszutreten; - einen oberen Einlaß (2105), der mit der zweiten Leitung (290) in Strömungsverbindung steht und durch den ein vierter Reaktionsmittel-Einsatzstrom gesondert einleitbar und in eine Mehrzahl Wirbelströme aufteilbar ist, die abwärts durch eine Mehrzahl miteinander verbundener wendelförmiger Kanäle (292) strömen, die in dem das ringförmige Bündel von Wendelrohren (295') umgebenden Ringkanal (284') gebildet sind, und/oder durch die gf. vorhandenen Zwischenräume zwischen den Wendelrohren (295') strömen; und Elemente (291) zum Haltern des ringförmigen Bündels von Wendelrohren (295') in bezug auf die erste und die zweite Leitung (281 und 290) und in bezug aufeinander; - wobei die Unterenden (298') des ringförmigen Bündels von WEndelrohren (295') von der unteren Brennerstirnwand (2137) um einen Betrag, der etwa der 0-12fachen Mindestweite des unteren ringförmigen Austrittsmundstücks (2133, 2132) am Urennerunterendc entspricht, stromaufwärts zurückgesetzt sind, - so dals der dritte und der vierte Einsatzstrom aufeinandertreffen und gründlich vermischt werden (Fig. 13).
12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - daß die Unterenden (298') des ringförmigen Bündels von Wendelrohren (295') von der Brennerstirnwand (2137) um einen Betrag, der etwa der zwei- oder mehrfachen Mindestweite des unteren ringförriigen Austrittsmundstücks (2133, 2132) entspricht, stromaufwärts zurückgesetzt sind.
13. Brenner nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, - daß das ringförmige Bündel von Wendelrohren (295') 1-600 Wendelrohre umfaßt.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 7, 8, 11-13, gekennzeichnet durch - eine Mehrzahl in Längsrichtung verlaufende Gasleitungen (2147), die parallel zur Brennerachse verlaufen und radial zwischen der ersten Leitung und dem Ringkanal beabstandet sind, J wobei die Gasleitungen (2147) am Unterende nahe dem Brennerunterende geschlossen und am Oberende mit einem Cas-Einsatzstrom verbunden (2149) sind; und - eine Mehrzahl Speiseleitungen (2148), die die Gasleitungen (2147) mit den Vormischkammern (2118, 2120) in der ersten Leitung und/oder im Ringkanal verbinden, so daß ein Gas-Einsatzstrom einführbar ist (Fig. 10, 13).
15. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - wenigstens eine in der Mittenleitung in Reihe liegende koaxiale zylindrische mittige Vormischkammer (25; 40; 2117; 2118) und/oder wenigstens eine in dem ggf. vorgesehenen Ringkanal in Reihe liegende koaxiale ringförmige Vormischkammer (2119; 2120).
16. Brenner nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch - eine Mehrzahl zylindrische Vormischkammern (25, 40; 2117, 2118) in der Mittenleitung und/oder in dem ggf.

vorgesehenen Ringkanal, wobei - jede zylindrische Vormischkammer (40; 2118) mit Ausnahme der ersten zylindrischen Vormischkammer (25; 2117) einen koaxialen zylindrischen Hauptteil, gefolgt von einem wenigstens teilweise konvergenten Austrittsmundstück (21; 2124) aufweist und - die erste zylindrische Vormischkammer (25; 2117) einen geraden koaxialen zylindrischen Hauptteil aufweist, der sich direkt in die nächstfolgende koaxiale zylindrische Vormischkammer (40; 2118) der Reihenanordnung öffnet.
17. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - daß das untere Austrittsmundstück der ersten Leitung einen kegelstumpfförmigen Hinterabschnitt (22,' 2122) mit einem Konvergenzwinkel von ca. 15-90° in bezug auf die Längsmittenachse des Brenners aufweist; - daß der Hinterabschnitt (22; 2122) in einen geradzylindrischen Vorderabschnitt (23; 2123) übergeht, der an der unteren Brennerstirnwand (6; 2137) endet und dessen Höhe etwa das 0-1,Sfache seines Eigendurchmessers beträgt; und / oder - das untere Austrittsmundstück des ggf. vorgesehenen Ringkanals einen erzeugten konvergenten kegelstumpfförmigen ringförmigen Hinterabschnitt (2131) mit einem Konvergenzwinkel von ca. 15-90 in bezug auf die Mittenaohse des kegelstumpfförmigen aufweist, - wobei die mittenachse zur Längsmittenachse des Brenners koaxial verläuft, und in einen erzeugten geradzylindrischen ringförmigen Vorderabschnitt (2132) übergeht, der an der unteren Brennerstirnwand (2137) endet und dessen Höhe etwa das O-i,Sfache seiner eigenen Weite beträgt.
18. Brenner nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, - daß das untere Austrittsmundstück der ersten Leitung und/ oder das ringförmige untere Austrittsmundstück kegelstumpfförmige Vorder- und Hinterabschnitte (z. B. 22, 23) jeweils mit Konvergenz- und Divergenzwinkeln im Bereich von ca. 15-90 in bezug auf die Längsmittenachse des Brenners aufweisen (z. B. Fig. 12).
13. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - Durchsatzregeleinrichtungen zum Ingangsetzen, Unterbrechen oder Ändern des Durchsatzes des ersten und des zweiten Einsatzstroms und/oder des dritten und des vierten Einsatzstroms.
20. Brenner nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch - eine Durchsatzregeleinrichtung, die die Einleitung der vier Einsatzströme in den Brennern und deren Durchsatz so regelt, - daß entweder der erste oder der dritte Einsatzstrom oder beide Einsatzströme in das mittige Rohrbündel, das ringförmige Rohrbündel oder beide Rohrbündel mit einem vorgegebenen Durchsatz einleitbar sind, und - daß nach diesem Einleiten der genannten Einsatz ströme der entsprechende zweite oder der vierte Einsatzstrom oder beide Einsatzströme gleichzeitig in die Mittenleitung, in den Ringkanal oder in beide mit einem vorgegebenen Durchsatz einleitbar sind.
21. Brenner nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, - daß die konvergenten Abschnitte des unteren Austrittsmundstücks der ersten Leitung und/oder ggf. des unteren ringförmigen Austrittsmundstücks aus Wolfram- oder Siliziumkarbid bestehen.
22. Brenner nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch - eine hohle Endplatte am Unterende des Brenners, die eine oder mehrere ringförmige Kühikammern (2; 2139) aufweist, die das untere Austrittsmundstück der ersten Leitung und/oder ggf. das untere ringförmige Austrittsmundstück umschließen.
23. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - das Außere des Brenners über seine Länge umschließende Kühlschlangen (4; 1137; 2106).