DE4306980C2 - Mehrstoffbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrstoffbrenner zur Oxidation eines flüssigen und/oder in einem Trägergas suspendierten staubförmigen Brennstoffes und/oder gasförmigen Brennstoffes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Medium gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Unter flüssigen Brennstoffen sind dabei insbesondere flüssige Kohlenwas­ serstoffe, wie schwere Heizöle, Teere, toxisch belastete Altöle, brennbare flüssige Rückstände aller Art, einschließlich pumpfähiger Suspensionen von festen Stoffen in einer Kohlenwasserstoffphase, zu verstehen. Unter diesen Begriff fallen jedoch auch Suspensionen von brennbaren festen Brennstoffen in einer öligen oder einer wäßrigen Phase.

Staubförmige Brennstoffe sind hier zum Beispiel Kohlenstaub, aber auch staubförmige Abfallstoffe und Entsorgungsgüter, wie getrockneter Klär­ schlamm, die in einem Trägergas suspendiert sind.

Gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise Erdgas, Restgase aus der Raffi­ nation von Erdölen oder Teeren, Faul- und Deponiegase oder Gase, die bei der Pyrolyse von Brennstoffen oder Abfallstoffen anfallen.

Ein gattungsgemäßer Mehrstoffbrenner ist aus der DD 2 04 530 bekannt, dessen Flüssigkeitskühlung ein koaxial zu einer Brennerlanze angeordnetes äußeres Kühlteil aufweist, welches an den in einen Reaktionsraum ragenden Brennermund angrenzt. Im Abstand zur Innenfläche des Brennermundes ist innerhalb des Kühlteils ein Verdrängungskörper so angeordnet, daß ein Spalt für den Durchfluß der Kühlflüssigkeit gebildet wird. Dieser Brenner hat den Nachteil, daß der Verdrängungskörper kompliziert für die Fertigung ist. Die Verwendung eines Dichtringes birgt die Gefahr von Undichtheiten bei Überhitzung des Ringes, so daß ein Kurzschluß im Kühlwasserstrom eintre­ ten kann. Der Einsatz als Mehrstoffbrenner würde zu einem zu großen Durchmesser des Kühlrohres führen.

Bei der Gaserzeugung durch Partialoxidation werden kohlenstoff- bezie­ hungsweise kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe mit technischem Sauer­ stoff in einer Flammenreaktion zu einem CO- und H²-reichen Gas umgesetzt. Die Gaserzeugung läuft in der Regel bei hohem Druck, beispielsweise bei 25 bar, ab. Das erzeugte Gas wird nach Entfernung von Verunreinigungen und gegebenenfalls Passieren von katalytischen Wandlungsstufen als Stadtgas, für andere energetische Zwecke oder als Synthesegas eingesetzt.

Wegen des hohen Temperaturniveaus dieses Prozesses werden Partialoxi­ dationsverfahren häufig auch zur Entsorgung von schadstoffbelasteten, brennbaren Rest- und Abfallstoffen, wie beispielsweise mit chlororganischen Verbindungen und Schwermetallen belastete Altöle herangezogen.

Für Partialoxidationsanlagen, die für die Entsorgung belasteter oder ander­ weitig nicht verwertbarer Kohlenwasserstoffrückstände, Altöle, Teere und ähnlicher Produkte eingesetzt sind, muß mit einem schwankenden und in der Qualität wechselnden Angebot von Vergasungsstoffen gerechnet werden, andererseits besteht die Forderung, nachgeschaltete Verwertungsanlagen oder Gasverbraucher bedarfsgerecht mit dem CO- und H²-haftigen Gas zu versorgen. Das zwingt zu häufiger Substitution des Brennstoffes, beispiels­ weise zum zeitweisen Einsatz von gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie Erdgas, wenn flüssige Entsorgungsprodukte nicht angeboten werden. Häufig bedeutet das auch den Austausch des für den Einsatz von flüssigen Brenn­ stoffen bestimmten Brenners durch einen Brenner für Erdgaseinsatz, zumin­ dest aber das Auswechseln von Bauteilen des Brenners. In jedem Fall ist das aber mit einer Betriebsunterbrechung und mit erheblichem Montageauf­ wand verbunden.

Das Anfahren und Aufheizen eines Partialoxidationsreaktors erfolgt in der Regel mit Hilfe eines gasförmigen Brennstoffes. Die Betriebsbedingungen für den Start weichen sehr stark von den Normalbetriebsbedingungen einer Partialoxidationsanlage ab. So herrschen wesentlich andere Bedingungen hinsichtlich Druck, Durchsatz und Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff. Vielfach ist die Startphase auch mit einem Freispülen der Anlage von Luft verbunden, um bei einsetzender Gaserzeugung explosible Gemische in den kälteren Teilen der Anlage zu vermeiden. Die Gesamtheit dieser Be­ triebsphasen erfordert in der Regel den Einsatz spezieller Anfahrbrenner, die nach der Aufheizung des Reaktors demontiert oder gegen den Brenner für den Normalbetrieb ausgetauscht werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines gattungsgemäßen Mehrstoff­ brenners, der bei Einsatz in einer Partialoxidationsanlage ohne Auswechseln von Bauteilen einerseits alle Phasen der Inbetriebnahme und andererseits auch den Normalbetrieb mit wechselnden Brennstoffen unter Vermeidung von Materialabbrand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Pa­ tentanspruches gelöst.

Die Ansprüche 2 bis 8 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs­ gemäßen Mehrstoffbrenners auf.

Mit der DD 2 85 523 A7 ist ein wassergekühlter Brenner für Partialoxidations­ anlagen bekannt, bei dem ein gasförmiger Brennstoff über einen Zentralka­ nal, technischer Sauerstoff über einen umhüllenden Ringkanal in den Reak­ tionsraum austritt. Der Brenner ist mit einer im Zentralkanal angeordneten elektrischen Zündeinrichtung und einer optoelektronischen Flammenüberwa­ chung ausgerüstet und als Pilot- und Stützbrenner einsetzbar.

Weiterhin ist aus der DD 2 29 473 A1 ein Mehrstoffbrenner bekannt, der eine intensive Verbrennung flüssiger und fester Brennstoffe sowie eine alternative oder gemeinsame Verbrennung mit Schwachgas gewährleistet und dem im zentralen Bereich ein Zündbrenner zugeordnet ist.

Aus der DE 37 26 875 C2 ist ein Brenner für die partielle Oxidation von gas­ förmigen Kohlenwasserstoffen zu CO- und H₂-haltigen Gasen bekannt, der ausschließlich für den Einsatz gasförmiger Brennstoffe, in der Regel Erdgas, geeignet ist und der aus Kühlmantel mit Bodenplatte besteht, mit Kühlwasser gekühlt wird und einen Sauerstoff führenden Ringraum aufweist, wobei Brenngasrohre koaxial von Kühlwasserrohren umgeben sind. Diese Lösung ist als Mehrstoffbrenner wegen ihrer Vielrohrdurchführungen nicht realisier­ bar. Bei einem Mehrfachbrennstoffeinsatz wird die Stirnfläche im Durchmes­ ser sehr groß, so daß der Wärmeeintrag in den Brenner stark ansteigt und kritische Überhitzungen, besonders an den sauerstoffberührten Brennerka­ nälen auftreten können.

Als Vorteile des erfindungsgemäßen Mehrstoffbrenners erweist sich die Kombination mit einem Pilotbrenner, insbesondere mit Zünd- und Überwa­ chungseinrichtung, der - für kleine Durchsätze ausgelegt - im Zentralkanal des Mehrstoffbrenners installiert ist und mit diesem eine bauliche Einheit bil­ det. Mit diesem Pilotbrenner wird der Reaktor in Betrieb genommen und auf­ geheizt. Mit Beginn des Normalbetriebes wird dann wahlweise ein gasförmi­ ger Kohlenwasserstoff, wie Erdgas, in der für den Normalbetrieb üblichen Menge über einen der Austrittsfingkanäle oder ein flüssiger beziehungswei­ se staubförmiger Brennstoff über die Austrittsrohre in den Reaktionsraum geführt. Gleichzeitig wird die für deren Umsetzung benötigte Menge von Vergasungsmitteln, in der Regel technischer Sauerstoff, in der für den Um­ satz des jeweiligen Hauptbrennstoffes entsprechenden Menge in den Reak­ tionsraum geleitet.

Auch im Normalbetrieb bleibt die im zentralen Pilotbrenner installierte opto­ elektronische Flammenüberwachung wirksam. Es hat sich als vorteilhaft, aber nicht als zwingend erforderlich erwiesen, auch während des Normalbe­ triebes den Pilotbrenner mit sehr schwacher Last weiter zu betreiben.

Der Mehrstoffbrenner mit integriertem Pilotbrenner gestattet die Beherr­ schung aller Phasen des Anfahrbetriebes, den Normalbetrieb mit einem flüssigen, staubförmigen oder gasförmigen Brennstoff, den gleichzeitigen Betrieb mit mehreren Brennstoffen und den Wechsel zwischen unterschiedli­ chen Brennstoffen während des laufenden Betriebes. Umrüstungen sind nicht erforderlich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung vereinfacht und schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Schnitt A-A aus Fig. 2 durch einen Mehrstoffbrenner,

Fig. 2 Bodenansicht des Mehrstoffbrenners nach Fig. 1 und

Fig. 3 bevorzugte Ausführungsform eines Mehrstoffbrenners.

Der Mehrstoffbrenner besteht aus einem rohrförmigen Zentralkanal 1, der von einem ringförmigen Kanal 2 mit einem Anschluß 10 für die Zuführung von Erdgas und einem weiteren ringförmigen Austrittskanal 2′ mit einem An­ schluß 10′ für die Zuführung von technischem Sauerstoff umhüllt ist. An den ringförmigen Austrittskanal 2′ schließt sich ein äußeres Kühlteil 3 mit ring­ förmigem Querschnitt an, das an der Mündungsseite des Brenners mit einer Bodenplatte 4 abschließt.

Zwischen Bodenplatte 4 und einem Verdrängungskörper 5 im Inneren des Kühlteils 3 verbleibt ein Spalt 6, der mit Anschlüssen als Einrichtung zur Zu­ führung 7 und zur Abführung 8 für Kühlwasser verbunden ist. Die Anschlüs­ se 7, 8 sind so gestaltet, daß das Kühlwasser durch einen Ringraum zwi­ schen dem Verdrängungskörper 5 und der inneren Wand des Kühlteils 3 dem Spalt 6 zufließt, den Spalt 6 radial nach außen durchströmt und über einen weiteren Ringraum zwischen Verdrängungskörper 5 und äußerer Wand des Kühlteils 3 über den Abführungsanschluß 8 austritt.

Durch die Bodenplatte 4 und den Verdrängungskörper 5 sind vier an der Brennermündung offene Austrittsrohre 9 eingefügt, die dicht mit der Boden­ platte 4 und dem Verdrängungskörper 5 verbunden sind, so daß sie im Be­ reich des Spaltes 6 entlang ihres äußeren Umfanges von Kühlwasser um­ flossen werden.

Die Austrittsrohre 9 sind mit einem Anschluß 11 versehen, über den ein Brennstoff, beispielsweise ein in einem Trägergas suspendierter staubförmi­ ger Brennstoff, zugeführt wird.

In den rohrförmigen Zentralkanal 1 ist ein kompletter Pilotbrenner 12 mit in­ tegrierter Zünd- und Überwachungseinrichtung eingesetzt. Der eingesetzte Pilotbrenner 12 wird mit Erdgas und technischem Sauerstoff betrieben und verfügt über ein eigenes Kühlsystem.

Der komplette Mehrstoffbrenner ist über einen Flansch 13 direkt mit dem Gehäuse eines Partialoxidations-Reaktors verbunden und ragt von oben in den Reaktionsraum hinein.

Der abgewandelte Mehrstoffbrenner für einen Partialoxidationsreaktor nach der Fig. 3 gestattet bei einem Betriebsdruck von circa 30 bar den Durchsatz von wahlweise 20 t/h feststoffhaltiger Altöle oder circa 20 000 m³/h Erdgas. Der Brenner entspricht weitgehend dem vorangegangenen Beispiel. Zusätz­ lich sind in die Austrittsrohre 9 axiale Lanzen 15 für die Zuführung von Heizöl eingesetzt, denen eine Ringkammer 16 mit einem Anschluß 17 für die Zufüh­ rung des flüssigen Brennstoffes zugeordnet ist. Die zwischen den Lanzen 15 und den Austrittsrohren 9 verbleibenden ringförmigen Zwischenräume sind an eine zweite Ringkammer 18 angeschlossen, die wiederum mit einem An­ schluß 11′ für die Zuführung von Dampf versehen ist. Die mündungsseitigen Enden der Austrittsrohre 9 und der Lanzen 15 sind als Zweistoff- Zerstäubungsdüsen ausgebildet, hier mit einer einfachen Lösung in Form eines das rohrförmige Lanzenende umgebenden Drallkörpers 19, der für ei­ ne starke Rotationsströmung des austretenden Dampfes sorgt, die zur Zer­ stäubung des flüssigen Brennstoffes führt.

Die Trennwände 20′ und 20 zwischen den ringförmigen Austrittskanälen 2 und 2′ beziehungsweise dem ringförmigen Austrittskanal 2 und dem Zentral­ kanal 1 sind doppelwandig ausgeführt, um eine Wasserkühlung zu ermögli­ chen. Die entsprechenden Kühlwasseranschlüsse sind in der Figur nicht dargestellt. Durch die Kühlung der Trennwände 20 und 20′ sowie des Kühl­ teils 3 wird ein Materialabbrand durch technischen Sauerstoff und durch die Berührung mit Flammen, deren Temperatur örtlich 2000°C weit übersteigt, sicher verhindert.

Bei der Inbetriebnahme des Reaktors wird zunächst der Pilotbrenner 12 elektrisch gezündet und mit Erdgas und Sauerstoff betrieben. Durch Einstel­ len des Erdgas-Sauerstoff-Verhältnisses werden Partialoxidationsbedingun­ gen eingestellt, so daß ein CO- und H²-haftiges, O²-freies Gas entsteht. Mit der kleinen Leistung des Pilotbrenners wird der Reaktor aufgeheizt und unter Druck gesetzt. Nach Erreichen des normalen Betriebsdruckes wird wahlwei­ se Erdgas über den ringförmigen Austrittskanal 2 oder Altöl und Zerstäu­ bungsdampf über die Austrittsrohre 9 und mit Verzögerung Sauerstoff über den Austrittskanal 2′ zugegeben und der Normalbetrieb aufgenommen. Die Leistung des Pilotbrenners 12 wird auf einen Minimaldurchsatz herunterge­ setzt, hauptsächlich mit dem Ziel, die Kanäle des Pilotbrenners 12 weiterhin zu spülen und den Strahlungsweg für die optische Flammenüberwachung freizuhalten, die nunmehr die Überwachung des Normalbetriebes übernimmt.

Der Partialoxidationsbetrieb läßt sich ohne Unterbrechung von Erdgas auf flüssige Brennstoffe und umgekehrt umstellen, ein Mischbetrieb mit Erdgas und flüssigem Brennstoff ist möglich.

Claims (8)

1. Mehrstoffbrenner zur Oxidation eines flüssigen und/oder in einem Trä­ gergas suspendierten staubförmigen Brennstoffes und/oder gasförmi­ gen Brennstoffes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Medium, der einem Reaktionsraum zugeordnet ist und von konzen­ trisch angeordneten, ringförmigen Austrittskanälen (2, 2′) für jeweils ein Verbrennungsmedium, weiteren Austrittskanälen für Brennstoffe und einem äußeren Kühlteil (3) mit einer Bodenplatte (4) gebildet ist, im Abstand zu deren Innenfläche ein Verdrängungskörper (5) so angeord­ net ist, daß ein Spalt (6) für eine Kühlflüssigkeit gebildet ist, der mit Einrichtungen zur Zuführung (7) und Abführung (8) der Kühlflüssigkeit versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz in einer Partia­ loxidationsanlage die Austrittskanäle (2, 2′) einen rohrförmigen Zentral­ kanal (1) für einen an sich bekannten Pilotbrenner (12) umhüllen und daß die Bodenplatte (4), der Spalt (6) und der Verdrängungskörper (5) von den weiteren Austrittskanälen in Form zum Reaktionsraum offener Austrittsrohre (9) durchdrungen sind, deren Außenmäntel dicht mit der Bodenplatte (4) und dem Verdrängungskörper (5) verbunden sind.

2. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotbrenner (12) mit integrierten Zünd- und Überwachungseinrich­ tungen und mit Anschlüssen für einen gasförmigen Brennstoff und für ein freien Sauerstoff enthaltendes gasförmiges Medium versehen ist.

3. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den Zentralkanal (1) zwei Austriftskanäle (2, 2′) vorgesehen sind, von denen einer (2) mit einem Anschluß (10) für gasförmigen Brenn­ stoff, der andere (2′) mit einem Anschluß (10′) für das freien Sauerstoff enthaltende gasförmige Medium versehen ist.

4. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Austrittsrohre (9) mit jeweils einer axialen Lan­ ze (15) für flüssigen Brennstoff bestückt ist, die an eine Ringkammer (16) mit einem Anschluß (17) für die Zuführung des Brennstoffs ange­ schlossen ist.

5. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Zwischenräume zwischen den Lanzen (15) und den Austrittsrohren (9) an eine zweite Ringkammer (18) mit einem Anschluß (11′) für die Zuführung eines gas- oder dampfförmigen Zerstäubungs­ mediums angeschlossen sind.

6. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Austrittsrohre (9) mit einem Anschluß für staubförmigen Brennstoff versehen ist.

7. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Austrittsrohre (9) mit einer radialen Komponente zur Achse des Brenners hin oder mit einer tangentialen Komponente in den Reaktionsraum gerichtet sind.

8. Mehrstoffbrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit einerseits den Spalt (6) zwischen Verdrängungskör­ per (5) und parallel ausgebildeter Bodenplatte (4) radial durchströmt und andererseits durch Hohlräume leitbar ist, die in mindestens einer der Trennwände (20, 20′) zwischen den Austrittskanälen (2, 2′) und zwischen einem Austrittskanal (2) und dem Zentralkanal (1) vorgese­ hen sind.