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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Erzeugung eines Gases,
das Wasserstoff und Kohlenstoffoxide (wie Methanol-Synthesegas)
durch Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoff-Eintrags enthält, und
spezieller eine Vorrichtung und ein Verfahren für Verfahren zur Reformierung
von Kohlenwasserstoff, die hochwertige, freie bzw. ungebundene Wärme von
Verbrennungsgasen bzw. Abgasen und Produkt-Synthesegas nutzen, um
zusätzliches Produktgas
zu erzeugen und den Dampf-Export zu minimieren.
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Das
Verfahren zur Reformierung von Dampf ist ein weithin bekanntes chemisches
Verfahren zur Reformierung von Kohlenwasserstoff. Ein Gemisch aus
Kohlenwasserstoff und Dampf (eine "gemischte Einspeisung") reagiert in der
Gegenwart eines Katalysators, um Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid
und Kohlenstoffdioxid zu bilden. Da die Reformierungsreaktion stark
endotherm ist, muss dem Reaktionsgemisch Wärme, zum Beispiel durch Erwärmen der Rohre
in einem Ofen oder einem Reformer, zugeführt werden. Die Größenordnung
der erreichten Reformierung hängt
von der Temperatur des Gases ab, das den Katalysator verlässt, wobei
Austrittstemperaturen im Bereich von 700° – 900°C für eine herkömmliche Reformierung von Kohlenwasserstoff
typisch sind.
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Herkömmliche
Verfahren mit Katalysator-Dampfreformer verbrennen Brennstoff, um
die für die
Reformierungsreaktion erforderliche Energie zur Verfügung zu
stellen. In einem Reformer eines solchen herkömmlichen Verfahrens wird Brennstoff
typischerweise im Gegenstrom mit ankommenden, kaltem Einspeisungsgas
verfeuert, um den Wärmefluss durch
die Rohrwand (Rohrwände)
durch eine Strahlungs-Wärmeübertragung
direkt von der Flamme zu maximieren. Stromabwärts vom Ende des Brenners treten
sowohl das Produktgas als auch die Verbrennungsgase bei relativ
hohen Temperaturen aus. Der Energiegehalt dieser Gase wird in der
Regel durch Vorwärmen
des Reformer-Einspeisungsgases oder durch die Erzeugung von Dampf
zurückgewonnen. Infolgedessen
erzeugt das Verfahren überschüssigen Dampf,
der exportiert werden muss, um den Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens
der Dampfreformierung zu verbessern und das Verfahren angesichts
der Tatsache, dass erhebliche Geräte hinzugefügt wurden, um jenen überschüssigen Dampf
zu erzeugen, ökonomisch
möglich
zu machen.
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Jedes
der in den US Patenten Nr. 5 199 961 (Ohsaki, et al) und 4 830 834
(Stahl, et al) und im europäischen
Patent Nr.
EP 0 911
076 A1 (Stahl) offenbarten Verfahren nutzt einen Teil der
verfügbaren
freien bzw. ungebundenen Energie im Reformer-Behälter,
wodurch es möglich
wird, dass das Produktgas und die Verbrennungsgase bei niedrigeren
Temperaturen austreten als die entsprechenden Austrittstemperaturen
bei der herkömmlichen
Dampfreformierung. Diese Reformierungsverfahren nehmen Wärme vom
verbrennbaren Brennstoff durch die Anwendung einer Kombination von
- (1) einer Ausgleichswand (die aus Ziegeln,
feuerfestem Material oder Metallen besteht), um die Strahlungswärme direkt
von der Flamme aufzunehmen, von der Wärme zum Reformerrohr (zu den
Reformerrohren) durch Strahlungswärme übertragen wird, und
- (2) einer Anordnung aus einer Strömung im Gegenstrom der heißen Verbrennungsgase
mit der ankommenden Einspeisung auf, die die freie Energie zur ankommenden
Einspeisung durch eine Konvektion durch die Rohrwand überträgt. Diese Verfahrensweisen
ermöglichen
es, dass die Temperatur der Außenhaut
des Reformerrohrs innerhalb des Auslegungslimits geregelt werden
kann, wobei die Temperatur ansonsten auf Grund der hohen intensiven
Strahlungswärme
der Flamme unangemessen hoch wird. Diese Verfahren nehmen jedoch
eine Wärmefluss-Begrenzung
in Kauf, indem die direkte Strahlungswärme von der Flamme zum Rohr
vermieden wird, wie sie in herkömmlichen
Reformern üblicherweise
verwendet wird.
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Das
US Patent Nr. 5 945 074 (Waterreus, et al) offenbart Tunnel, um
Verbrennungs-Produktgase aus
einer Verbrennungskammer zu entfernen. Die Tunnel dienen dazu, eine
gleichförmige
Strömung der
Verbrennungsgase durch den Ofen auszugleichen oder aufrechtzuerhalten,
sie nutzen aber nicht die freie Wärme der Verbrennungsgase mit
hoher Temperatur.
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Um
die freie Wärme
des Produktgases wiederzugewinnen, verwenden die Verfahren zur Reformierung
von Kohlenwasserstoff nach dem Stand der Technik eine Anordnung
eines Rohres in einem Rohr (Rohr-in-Rohr) mit einem Katalysator
in den Ringkammern, siehe zum Beispiel EP-A-0 275 549 A. Die kalte
Einspeisung in den Ringkammern fließt im Gegenstrom mit den Verbrennungs-
oder den Abgasen von der Außenseite
und absorbiert die Verbrennungswärme
von sowohl den Strahlungs- als
auch den Konvektionswärme-Übertragungen
durch die äußere Rohrwand.
Die reformierte Gasströmung
wird am Ende des Katalysatorbettes umgekehrt und tritt in den innersten
Durchgang des Rohres ein. Das reformierte Gas gibt dann Wärme an die
im Gegenstrom befindliche Strömung
der ankommenden kalten Einspeisung ab. Das Verfahren der Konvektionswärme-Übertragung
vom heißen
Produktgas zu den Reformierungs-Reaktionen ist jedoch nicht effektiv,
weil es am Umkehrpunkt keine Temperatur-Triebkraft gibt. Infolgedessen
ist ein größerer Wärmeübertragungs-Oberflächenbereich
erforderlich, um die freie Wärme
des Produktgases zu nutzen. Folglich führen der Mangel an einer intensiven
Strahlungswärme-Übertragung
von der Außenseite
und die uneftektive Konvektionswärme-Übertragung
im Inneren zu einer großen
Rohr-in-Rohr-Anforderung.
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Eine
solche Anordnung Rohr-in-Rohr ist von der Druckschrift EP-A-0 275
549 A her bekannt und besonders für kompakte Kraftwerke mit Methanol-Brennstoffzellen
nützlich.
Der Behälter
des Brennstoff/Dampf-Reformers hat eine ringförmige Kammer, die ein Katalysatorbett
enthält.
Die ringförmige
Kammer wird von einer Erwärmungszone
umgeben, wobei sich Wärmerohre
von der Erwärmungszone
durch das Innere des Katalysatorbettes erstrecken, wodurch der Katalysator
gleichzeitig von der Innenseite und von Außenseite des Bettes erwärmt wird.
Koaxial zur ringförmigen
Kammer ist ein Brenner angeordnet, um die benötigte Wärme zuzuführen. In die Verdampfungskammer
unter dem Katalysatorbett wird Rohbrennstoff eingespeist, wobei nach
der Verdampfung der Rohbrennstoff durch das Katalysatorbett zur
Umwandlung in ein wasserstoffreiches Brenngas aufsteigt. Das Brenngas
wird in einer Kammer über
dem Katalysatorbett gesammelt.
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Ein
weiterer Katalysatorreaktor für
endotherme Reaktionen ist von der Druckschrift WO 95/11 745 A her
bekannt. Der Katalysator befindet sich in einem Gehäuse aus
feuerfestem Metall, wobei wenigstens ein röhrenförmiger Katalysatorbehälter in dem
Gehäuse
angeordnet ist. Um Wärmebeschädigungen
am Reaktorbehälter
zu vermeiden, sind mehrere, gegenseitig beabstandete Katalysatorbehälter in
dem Gehäuse
angeordnet, wobei des Weiteren mehrere Brenner in dem Gehäuse derart
positioniert sind, dass die Katalysatorbehälter zwischen den Brennern
liegen und der Flammenbereich der Brenner im Bereich der Wärmeableiter
angeordnet ist, um eine nicht adiabatische Verbrennung zu gewährleisten.
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Schließlich zeigt
die Druckschrift
US
4 714 593 A eine Vorrichtung für eine endotherme Reaktion wie
eine Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffgas mit einem Reaktionsbehälter, der
zwischen einer Wärmeerzeugungsvorrichtung
angeordnet oder von derselben umgeben ist. In der Wärmeerzeugungsvorrichtung
werden ein primäres
Brenngas und Luft zugeführt
und darin vermischt, wobei sie dann in dieser Reihenfolge durch
einen Brenngas-Erwärmungsabschnitt,
ein Verbrennungs-Katalysatorbett, einen Verbrennungsabschnitt und
einen Ausströmabschnitt gelangen.
Ein sekundäres
Brenngas wird typischerweise in mehreren Stufen in die Verbrennungskammer
eingeführt.
Wenigstens ein Teil des Verbrennungsabschnitts ist mit Wärmeübertragungskörpern gepackt,
die Wärme
vom Verbrennungsgas aufnehmen, das dort hindurch durch Konvektion
und Abstrahlung der Wärme
zum Reaktionsbehälter
gelangt. Die Wärme
des Verbrennungsgases wird dadurch zum Reaktionsgas übertragen,
das durch die Redaktionsbehälterwand
durch die Abstrahlung von den Wärmeübertragungskörpern fließt.
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Es
werden eine Vorrichtung und eine Methode für Verfahren zur Reformierung
von Kohlenwasserstoff erwünscht,
die die Schwierigkeiten, Probleme, Beschränkungen, Nachteile und Defizite
nach dem Stand der Technik überwinden,
um bessere und vorteilhaftere Ergebnisse zur Verfügung zu
stellen.
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Es
werden ferner eine Vorrichtung und eine Methode für ein Verfahren
zur Reformierung von Kohlenwasserstoff erwünscht, das hochwertige freie bzw.
ungebundene Wärme
der Verbrennungsgase bzw. Abgase und des Produkt- Synthesegases nutzt, um ein zusätzliches
Produktgas zu erzeugen und den Dampfexport zu minimieren.
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Es
wird noch weiter ein effizienteres und ökonomischeres Verfahren und
eine Vorrichtung für
die Reformierung von Kohlenwasserstoff gewünscht.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
oben erwähnten
Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 9
und 12 erfüllt.
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Geeignete
Ausführungsbeispiele
werden durch die Merkmale der zugehörigen Unteransprüche definiert.
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Die
Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Verfahren
zur Reformierung von Kohlenwasserstoff. Ein erstes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung enthält
einen Behälter
mit wenigstens einer in dem Behälter
angeordneten Trennwand. Die wenigstens eine Trennwand unterteilt
den Behälter
in mehrere Kammern einschließlich
wenigstens einer Verbrennungskammer und wenigstens einer Konvektionskammer.
Jede diese Kammern hat ein erstes Ende und ein zweites Ende, das
dem ersten Ende gegenüberliegt.
In der Verbrennungskammer ist wenigstens ein Brenner angeordnet.
Der Brenner ist angepasst, um ein Brennstoff zu verbrennen, wodurch
Verbrennungsgase bzw. Abgase mit freier bzw. ungebundener Wärme erzeugt
werden. Die Vorrichtung enthält
außerdem
eine Verbindungsanordnung zwischen der Verbrennungskammer und der
Konvektionskammer, wodurch wenigstens ein Teil der Verbrennungsgase
von der Verbrennungskammer zur Konvektionskammer an einer ersten
Stelle in der Nähe
des ersten Endes der Konvektionskammer fließt. Die Vorrichtung enthält außerdem eine Übertragungsanordnung,
wodurch wenigstens ein Teil der Verbrennungsgase zu einer zweiten
Stelle in der Konvektionskammer in der Nähe des zweiten Endes der Konvektionskammer
fließt.
Die Vorrichtung enthält
außerdem
mehrere Reaktionskammern einschließlich einer ersten Reaktionskammer
und einer zweiten Reaktionskammer. Ein wesentlicher Teil der ersten
Reaktionskammer ist in der Verbrennungskammer angeordnet, wobei
ein wesentlicher Teil der zweiten Reaktionskammer in der Konvektionskammer
angeordnet ist.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Reaktionskammern, die vorzugsweise röhrenförmige Anlagen sind, Reformerrohre.
Die röhrenförmigen Anlagen
können
Reformer-Strahlungsrohre oder Rohr-in-Rohr-Anlagen sein.
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Es
gibt viele Variationen des ersten Ausführungsbeispiels. In einer Variation
fließt
ein erster Teil einer gemischten Einspeisung durch die erste Reaktionskammer
im Gleichstrom mit einer Strömung
der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer, wobei ein zweiter
Teil der gemischten Einspeisung durch die zweite Reaktionskammer
im Gegenstrom mit der Strömung
der Verbrennungsgase in der Konvektionskammer fließt.
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In
einer weiteren Variation ist ein wesentlicher Teil der ersten Reaktionskammer
im Wesentlichen vertikal in der Verbrennungskammer. In noch einer
weiteren Variation ist ein wesentlicher Teil einer zweiten Reaktionskammer
im Wesentlichen vertikal in der Konvektionskammer.
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Nach
einer weiteren Variation des ersten Ausführungsbeispiels ist die zweite
Reaktionskammer eine Anordnung Rohr-in-Rohr. Nach einer Variation
dieser Variation fließt
ein erster Teil einer gemischten Einspeisung durch die erste Reaktionskammer
im Gleichstrom mit einer Strömung
der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer, wobei ein zweiter
Teil der gemischten Einspeisung durch die zweite Reaktionskammer
im Gegenstrom mit der Strömung
der Verbrennungsgase in der Konvektionskammer fließt. Nach
einer Variation dieser Variation fließt der erste Teil der gemischten
Einspeisung in einem ringförmigen
Teil der Anordnung Rohr-in-Rohr, wobei
ein Produkt-Synthesegas in einem inneren, röhrenförmigen Teil der Anordnung Rohr-in-Rohr
im Gegenstrom mit dem ersten Teil der gemischten Einspeisung fließt.
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Nach
einer weiteren Variation des ersten Ausführungsbeispiels ist die erste
Reaktionskammer eine Anordnung Rohr-in-Rohr. In einer Variation
dieser Variante fließt
ein erster Teil einer gemischten Einspeisung durch die erste Reaktionskammer im Gleichstrom
mit einer Strömung
der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer, wobei ein zweiter Teil
der gemischten Einspeisung durch die zweite Reaktionskammer im Gegenstrom
mit der Strömung
der Verbrennungsgase in der Konvektionskammer fließt. Nach
einer Variante dieser Variation fließt der erste Teil der gemischten
Einspeisung in einem ringförmigen
Teil der Anordnung Rohr-in-Rohr,
wobei ein Produkt-Synthesegas in einem inneren, röhrenförmigen Teil
der Anordnung Rohr-in-Rohr im Gegenstrom mit dem ersten Teil der
gemischten Einspeisung fließt.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ähnlich
zum ersten Ausführungsbeispiel, enthält aber
eine Verbindungsanordnung zwischen der ersten Reaktionskammer und
der zweiten Reaktionskammer, wodurch ein fluides Medium von oder zu
einer ersten Reaktionskammer zu oder von einer zweiten Reaktionskammer
fließt.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung enthält
die Vorrichtung wenigstens eine Verbrennungskammer und wenigstens
eine Konvektionskammer, wobei jede der Kammern ein erstes Ende und
ein zweites Ende hat, das dem ersten Ende gegenüberliegt. In der Verbrennungskammer
ist wenigstens ein Brenner angeordnet. Der Brenner ist angepasst,
um Brennstoff zu verbrennen, wodurch Verbrennungsgase bzw. Abgase
mit freier bzw. ungebundener Wärme
erzeugt werden. Die Vorrichtung enthält außerdem eine Verbindungsanordnung
zwischen der Verbrennungskammer und der Konvektionskammer, wodurch
wenigstens ein Teil der Verbrennungsgase von der Verbrennungskammer
zur Konvektionskammer an einer ersten Stelle in der Nähe des ersten
Endes der Konvektionskammer fließt. Die Vorrichtung enthält außerdem eine Übertragungsanordnung,
wodurch wenigstens ein Teil der Verbrennungsgase zu einer zweiten
Stelle in der Konvektionskammer in der Nähe des zweiten Endes der Konvektionskammer
fließt.
Die Vorrichtung enthält
außerdem
mehrere Reaktionskammern einschließlich einer ersten Reaktionskammer
und einer zweiten Reaktionskammer. Ein wesentlicher Teil der ersten
Reaktionskammer ist in der Verbrennungskammer angeordnet, wobei
ein wesentlicher Teil der zweiten Reaktionskammer in der Konvektionskammer
angeordnet ist.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
dieses Ausführungsbeispiels
sind die Reaktionskammern, die vorzugsweise röhrenförmige Anlagen sind, Reformerrohre.
Die röhrenförmigen Anlagen
können
Reformer-Strahlungsrohre oder Rohr-in-Rohr-Anlagen sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist eine Zusammenstellung von mehreren Einheiten für ein Verfahren
zur Reformierung von Kohlenwasserstoff, wobei jede Einheit eine
Vorrichtung wie im ersten Ausführungsbeispiel
(oder einem weiteren der Ausführungsbeispiele)
umfasst. Viele Ausführungsbeispiele
dieser Ausführungsform
werden unten erörtert
und in den Zeichnungen veranschaulicht. In einem Ausführungsbeispiel
enthält
die Zusammenstellung zum Beispiel auch wenigstens eine Leitung,
die eine erste Konvektionskammer und eine zweite Konvektionskammer
der wenigstens einen Konvektionskammer in wenigstens einer Einheit
verbindet. Ein weiteres Ausführungsbeispiel
enthält
jene gleichen Merkmale, enthält
aber außerdem
wenigstens einen Konvektionsdurchgang in Verbindung mit der wenigstens
einen Leitung.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Produktes aus
einem Dampfreformierungsverfahren. Ein erstes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens enthält mehrere
Schritte. Der erste Schritt ist es, wenigstens eine Verbrennungskammer,
wenigstens eine Konvektionskammer und eine Verbindungsanordnung zwischen
der Verbrennungskammer und der Konvektionskammer zur Verfügung zu
stellen, wobei jede der Kammern wenigstens ein erstes Ende und ein zweites
Ende hat, das dem ersten Ende gegenüberliegt und die Verbindungsanordnung
angepasst ist, um eine Strömung
der Verbrennungsgase von der Verbrennungskammer zur Konvektionskammer
zu überführen. Der
zweite Schritt ist es, einen Brennstoff in der Verbrennungskammer
zu verbrennen, wodurch auch eine Verbrennungswärme und Verbrennungsgase mit
einer freien Wärme
erzeugt werden. Der dritte Schritt ist es, wenigstens einen Teil
der Verbrennungsgase von der Verbrennungskammer zur Konvektionskammer
zu übertragen,
in der wenigstens ein Teil der übertragenen
Verbrennungsgase von einer ersten Stelle in der Nähe des ersten
Endes der Konvektionskammer zu einer zweiten Stelle in der Nähe des zweiten
Endes der Konvektionskammer fließt. Der vierte Schritt ist
es, einen ersten Teil einer gemischten Einspeisung in eine erste Reaktionskammer
einzuspeisen, wobei ein wesentlicher Teil der ersten Reaktionskammer
in der Verbrennungskammer angeordnet ist, in der der erste Teil
der gemischten Einspeisung wenigstens einen Teil der Verbrennungswärme absorbiert.
Der fünfte
Schritt ist es, einen zweiten Teil der gemischten Einspeisung in eine
zweite Reaktionskammer einzuspeisen, wobei ein wesentlicher Teil
der zweiten Reaktionskammer in der Konvektionskammer angeordnet
ist, in der der zweite Teil der gemischten Einspeisung wenigstens einen
Teil der freien Wärme
der Verbrennungsgase absorbiert, die von der ersten Stelle zur zweiten
Stelle in der Konvektionskammer fließen.
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Es
gibt viele Variationen des ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
In einer Variation fließt
der erste Teil der gemischten Einspeisung im Gleichstrom mit einer
Strömung
der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer. In einer weiteren Variation
fließt
die gemischte Einspeisung im Gegenstrom mit den Verbrennungsgasen,
die von der ersten Stelle zur zweiten Stelle in der Konvektionskammer
fließen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist ähnlich
zum ersten Ausführungsbeispiel des
Verfahrens, enthält
aber einen zusätzlichen Schritt.
Der zusätzliche
Schritt besteht darin, einen Strom des Produktes von der ersten
Reaktionskammer abzuziehen. In einer Variation dieses Ausführungsbeispiels
fließt
der Strom des Produktes im Gegenstrom mit dem ersten Teil der gemischten
Einspeisung.
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Ein
noch weiteres Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist ähnlich
zum ersten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens, enthält
aber einen zusätzlichen Schritt.
Der zusätzliche
Schritt besteht darin, einen Strom des Produktes von der zweiten
Reaktionskammer abzuziehen. In einer Variation dieses Ausführungsbeispiels
fließt
der Strom des Produktes im Gegenstrom mit dem zweiten Teil der gemischten
Einspeisung.
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Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist ähnlich
zum ersten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens, enthält
aber einen zusätzlichen Schritt.
Der zusätzliche
Schritt besteht darin, eine Verbindungsanordnung zwischen der ersten Reaktionskammer
und der zweiten Reaktionskammer zur Verfügung zu stellen, wodurch ein
Strom des Produktes von oder zu der ersten Reaktionskammer zu oder von
der zweiten Reaktionskammer fließt.
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In
allen Ausführungsbeispielen
des Verfahrens sind die Reaktionskammern vorzugsweise röhrenförmige Anlagen
wie Reformerrohre. Die röhrenförmigen Anlagen
können
Reformer-Strahlungsrohre oder Rohr-in-Rohr-Anlagen sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht, im Querschnitt, der Vorrichtung für ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
2 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, des Ausführungsbeispiels
der Erfindung gemäß 1;
-
3, 4 und 5 schematische Draufsichten,
im Querschnitt, der Behälter
der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Formen – quadratisch,
kreisförmig
und sechseckig;
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6 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines weiteren
Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
-
7 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines weiteren
Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
-
8 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines weiteren
Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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9 eine
schematische Draufsicht, im Querschnitt, einer modularen Anordnung
von mehreren quadratischen Einheiten der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung;
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10 eine
schematische Draufsicht, teilweise im Querschnitt, von zwei nebeneinander
liegenden, modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen
die Konvektionskammern von beiden Einheiten mit einem gemeinsamen
Konvektionsdurchgang verbinden, der sich zwischen den Einheiten
befindet;
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11 eine
Draufsicht, teilweise im Querschnitt, von zwei nebeneinander liegenden,
modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen die Konvektionskammern
von beiden Einheiten mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang
verbinden, der sich an einer Seite von einer der Einheiten befindet;
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12 eine
Draufsicht, teilweise im Querschnitt, von zwei nebeneinander liegenden,
modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen an der Außenseite
die Konvektionskammern von beiden Einheiten mit einem gemeinsamen
Konvektionsdurchgang verbinden, der sich zwischen den Einheiten
befindet;
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13 eine
Draufsicht, teilweise im Querschnitt, von zwei nebeneinander liegenden,
modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen an der Außenseite
die Konvektionskammern der Einheiten mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang verbinden,
der sich an einer Seite von einer der Einheiten befindet;
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14 eine
schematische, grafische Darstellung einer Anordnung von vier nebeneinander
liegenden, modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen
an der Innenseite die Konvektionskammern der Einheiten mit einem
gemeinsamen Konvektionsdurchgang verbinden;
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15 eine
schematische, grafische Darstellung einer Anordnung von vier nebeneinander
liegenden, modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen
an der Außenseite
die Konvektionskammern der Einheiten mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang
verbinden;
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16 eine
schematische, grafische Darstellung einer Anordnung von acht nebeneinander liegenden,
modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen an der Innenseite
die Konvektionskammern der Einheiten mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang
verbinden;
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17 eine
schematische, grafische Darstellung einer Anordnung von acht nebeneinander liegenden,
modularen Einheiten der Vorrichtung, wobei Leitungen an der Außenseite
die Konvektionskammern der Einheiten mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang
verbinden;
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18 eine
schematische Draufsicht, im Querschnitt, der Vorrichtung für ein weiteres
Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
-
19 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, des Ausführungsbeispiels der
Erfindung gemäß 18.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung verwendet Wände 14, um den Ofen
oder Reformer in zwei unterschiedliche Arten von Kammern zu unterteilen:
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- (1) eine Verbrennungskammer 16 und
- (2) eine Konvektionskammer 18 gemäß 1 und 2.
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Die
Verbrennungskammer 16 enthält einen oder mehrere Brenner 24 und
herkömmliche
Strahlungsrohre und/oder eine herkömmliche Anordnung Rohr-in-Rohr, die ähnlich zu
der in den herkömmlichen
Reformern direkt zur Brennerflamme freiliegt. Die Strömung im
Gleichstrom des Verfahrens jedoch und die Verbrennungs-Produktgase der vorliegenden Erfindung
stellen einen maximalen Wärmefluss
zu den Reformerrohren ohne die Beschränkungen zur Verfügung, die
nach dem Stand der Technik beobachtet wurden.
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Die
Konvektionskammern 18 enthalten keinen Brenner, nehmen
aber die heißen
Verbrennungsprodukte von der Verbrennungskammer 16 auf.
Die Konvektionskammern enthalten außerdem herkömmliche Reformerrohre und/oder
eine Anordnung Rohr-in-Rohr, um die freie bzw. ungebundene Wärme von
sowohl den Verbrennungsgasen bzw. Abgasen von der Außenseite
als auch dem heißen Produktgas
von der Innenseite zurückzugewinnen. Die
Strömung
im Gegenstrom der gemischten Einspeisung (Dampf plus Kohlenwasserstoff-Einspeisung)
und das heiße
Verbrennungsgas in den Konvektionskammern ermöglichen es, dass das Verbrennungsgas
den Reformer im Vergleich zu einem herkömmlichen Reformer mit einer
wesentlich niedrigeren Temperatur verlässt. Daher ist keine Schockspule
erforderlich, wobei ein viel kleinerer Konvektionsdurchgang benötigt wird,
um die restliche freie Wärme
der Verbrennungsgase zurückzugewinnen.
Zusätzlich
dienen die Konvektionskammern als eine Anordnung, um eine gleichförmige Strömung von Verbrennungsgasen
in der Verbrennungskammer zur Verfügung zu stellen. Außerdem ermöglicht es
die Strömung
im Gegenstrom der gemischten Einspeisung und des Synthese-Produktgases,
dass das Synthesegas den Reformer bei einer relativ niedrigen Temperatur
verlässt,
die eher die Verwendung eines einfachen Kesselboilers als die Verwendung
eines komplexen Verfahrens-Abgas-Wärmeboilers,
wie in den herkömmlichen
Dampfreformierungsverfahren, ermöglicht.
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Mit
Bezug auf 1 und 2 enthält die Vorrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung einen feuerfest ausgekleideten Behälter 12.
Der Behälter
enthält
Trennwände 14,
die das Innere des Behälters
in eine Verbrennungskammer 16 (oder einen Strahlungsabschnitt),
die (einen) Brenner 24 enthält, und in eine oder mehrere
kleinere Konvektionskammern 18 (oder Konvektionsabschnitte)
aufteilt, die als eine Einrichtung verwendet werden, um die Verbrennungsprodukte
aus der Verbrennungskammer zu entfernen. Am entfernten Ende gegenüber dem Brenner-Ende des Behälters, haben
die Trennwände eine
oder mehrere Öffnungen 20,
die es ermöglichen, dass
die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer in die kleineren
Konvektionskammern eintreten und zum Brenner-Ende zurückkehren,
bevor sie den Behälter
verlassen. In den Konvektionskammern können Leitbleche (nicht dargestellt)
verwendet werden, um die konvektive Wärmeübertragung zu verbessern. Die
Konvektionskammern sind so ausgelegt, dass sie eine hohe Geschwindigkeit der
Verbrennungsgase und dadurch eine hohe Konvektions-Wärmeübertragung aufrechterhalten,
bevor die Verbrennungsgase den Behälter verlassen. Jede Trennwand
kann aus einer Tafel aus Metal mit einem hohen Strahlungsvermögen hergestellt
sein, die auf der Verbrennungsseite isoliert ist, oder sie kann
eine feuerfeste Wand sein, die aus einem Verbundmaterial aus herkömmlichen,
feuerfesten Materialien wie bei hoher Temperatur gebrannten Ziegeln
besteht. Im letzteren Fall ist die Konvektionsseite der feuerfesten Wand
mit einem hoch strahlungsfähigen
Material beschichtet.
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In
der Verbrennungskammer 16 werden herkömmliche Reformer-Strahlungsrohre 22 oder
herkömmliche
Anlagen Rohr-in-Rohr mit einem Katalysator in deren Ringkammern
verwendet, um die hochintensive Strahlungswärme direkt von der Flamme des
Brenners (der Brenner) 24 zu nutzen. In den Konvektionskammern 18 werden
herkömmliche
Reformer-Katalysatorrohre 26 – Anlagen Rohr-in-Rohr mit
einem Katalysator in deren Ringkammern oder Anlagen Rohr-in-Rohr,
die mit den Strahlungsrohren von der Verbrennungskammer verbunden
sind, um das heiße
Produktgas von den Strahlungsrohren aufzunehmen – angeordnet, um die freie
Wärme von den
Verbrennungsgasen und dem Produktgas aus der Reformierungsreaktion
zurückzugewinnen.
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3, 4 und 5 zeigen
verschiedene unterschiedliche Formen des Behälters 12, die für die vorliegende
Erifindung verwendet werden können.
Mögliche
Formen enthalten zylindrische, dreieckige, quadratische, rechteckige
und sechseckige Formen, sind aber nicht drauf beschränkt. Es
kann jede Form verwendet werden, die Trennwände 14 zwischen wenigstens
einer Verbrennungskammer 16 (mit wenigstens einem Brenner 24)
und wenigstens einer Konvektionskammer 18 (mit einer Anordnung 32 für einen
Austritt der Verbrennungsgase) berücksichtigt.
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2 zeigt
eine Gestaltung mit einem herkömmlichen
Strahlungsrohr 22 in der Verbrennungskammer 16 und
Anlagen Rohr-in-Rohr 26 in den Konvektionskammern 18.
An dem Ende, das dem Brenner-Ende gegenüberliegt, sind das Strahlungsrohr und
die Anlagen Rohr-in-Rohr mit einer gemeinsamen Sammelleitung (nicht dargestellt)
durch Anschlussleitungen 28 oder durch einzelne Anschlussleitungen 30 verbunden,
die das heiße
Synthesegas vom Strahlungsrohr zu den Anlagen Rohr-in-Rohr direkt übertragen.
In dieser Anordnung tritt die gemischte Einspeisung in das Strahlungsrohr
am Einlass 38 und in die Anlagen Rohr-in-Rohr an den Einlässen 34 ein.
Die Verbrennungsgase treten aus den Konvektionskammern an den Verbrennungsgas-Austritten 32 aus,
wobei das Produkt-Synthesegas aus den Anlagen Rohr-in-Rohr an den
Synthesegas-Auslässen 36 austritt.
Die gemischte Einspeisung im Strahlungsrohr fließt im Gleichstrom mit den Verbrennungsprodukten
in der Verbrennungskammer. Die gemischte Einspeisung in den Ringkammern
der Anlagen Rohr-in-Rohr fließt
im Gegenstrom zu den heißen
Verbrennungsgasen in den Konvektionskammern. Die freie Wärme der
Verbrennungsgase und die freie Wärme
des Produktgases werden genutzt, um mehr Produkt-Synthesegas zu
erzeugen. Die Temperaturen der austretenden Verbrennungsgase und
des Produktgases können
variiert werden, um zusätzlichen
Dampf zu erzeugen, wenn er benötigt wird.
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6 zeigt
eine weitere Gestaltung der Vorrichtung 10 der vorliegenden
Erfindung, die anders als die Gestaltung nach 2 angeordnet
ist. Nach 6 sind die herkömmlichen
Strahlungsrohre 122 in den Konvektionskammern 18 angeordnet,
wobei sich die Anlage Rohr-in-Rohr 126 mit einem Katalysator
in den Ringkammern in der Verbrennungskammer 16 befindet.
Die gemischte Einspeisung tritt in die Strahlungsrohre an den Einlässen 138 und
in die Anlage Rohr-in-Rohr am Einlass 134 ein. Das heiße Synthesegas
fließt
von den Strahlungsrohren in den Konvektionskammern zur Anlage Rohr-in-Rohr
in der Verbrennungskammer. Das Produkt-Synthesegas tritt aus der
Anlage Rohr-in-Rohr am Synthesegas-Auslass 136 aus.
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8 zeigt
eine weitere Gestaltung der Vorrichtung 10, in der die
Anlagen Rohr-in-Rohr 226 mit einem
Katalysator in den Ringkammern sowohl in der Verbrennungskammer 16 als
auch in den Konvektionskammern 18 verwendet werden. Die
gemischte Einspeisung tritt in die Anlagen Rohr-in-Rohr an den Einlässen 234 ein,
wobei das Produkt-Synthesegas am Synthesegas-Auslass 236 austritt.
Diese Gestaltung nutzt die hochangereicherte Wärme des Produktgases in seinem
eigenen Rohr, minimiert die Übertragungsleitungen
für das
heiße
Gas, erleichtert das Hinzufügen
einer zusätzlichen
Kapazität
und erleichtert es, wenn nötig,
den Dampfexport zu variieren.
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7 zeigt
eine weitere Gestaltung der Vorrichtung 10, in der herkömmliche
Strahlungsrohre 322 sowohl in der Verbrennungskammer 16 als
auch in den Konvektionskammern 18 verwendet werden. In
dieser Anordnung wird nur die hochangereicherte, freie Wärme der
Verbrennungsgase genutzt, um mehr Produkte zu erzeugen. Die gemischte
Einspeisung tritt in die Strahlungsrohre an den Einlässen 338 ein,
wobei das Produkt-Synthesegas über
die Anschlussleitungen 28 austritt. Die freie bzw. ungebundene
Wärme des
Produktgases kann verwendet werden, um, wenn nötig, in einer getrennten, herkömmlichen
Vorrichtung gemäß den US
Patenten Nr. 5 122 299 (Le Blanc) und 5 006 131 (Karafian, et al)
von außen
extra Dampf oder ein zusätzliches
Produkt zu erzeugen.
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Alle
Brenner-Anordnungen in den Verbrennungskammern gemäß 2, 6 und 8 können neu
positioniert werden, um ein Abschwächen der Feuerung zu erreichen.
Die Strömung
des Verfahrensgases (oder der gemischten Einspeisung) kann entsprechend
angeordnet werden, um die von der Verbrennung des Brennstoffs absorbierte
Wärme zu
maximieren. Der Fachmann wird erkennen, dass die Brenner auch anders
angeordnet werden können,
als es in den Zeichnungen gezeigt wird, wie zum Beispiel an einem
beliebigen Punkt an den Seitenwänden
der Verbrennungskammer.
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9 zeigt
eine Anordnung eines Reformers, der verschiedene quadratische, modulare
Einheiten der Vorrichtung 10 kombiniert, um die Produktionskapazität für Synthesegas
zu erhöhen.
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10 zeigt
eine Gestaltung mit zwei nebeneinander liegenden, modularen Einheiten
der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40, die
die Konvektionskammern 18 von beiden Einheiten mit einem
gemeinsamen Konvektionsdurchgang 42 verbinden, der sich
zwischen den Einheiten befindet. Zusätzliche Einheiten können über oder
unter den und/oder seitlich der gezeigten Einheiten (z. B. zur linken
oder zur rechten Seite der gezeigten Einheiten) hinzugefügt werden.
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11 zeigt
eine weitere Gestaltung mit zwei nebeneinander liegenden, modularen
Einheiten der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40,
die die Konvektionskammern 18 von beiden Einheiten mit
einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang 42 verbinden, der
sich an einer Seite von einer der Einheiten befindet. Zusätzliche
Einheiten können über oder
unter den und/oder seitlich der gezeigten Einheiten (z. B. zur linken
oder zur rechten Seite der gezeigten Einheiten) hinzugefügt werden.
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12 zeigt
eine weitere Gestaltung mit zwei nebeneinander liegenden, modularen
Einheiten der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40 an
der Außenseite,
die die Konvektionskammern 18 mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang 42 verbinden,
der sich zwischen den Einheiten befindet. Zusätzliche Einheiten können über oder
unter den und/oder seitlich der gezeigten Einheiten (z. B. zur linken
oder zur rechten Seite der gezeigten Einheiten) hinzugefügt werden.
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13 zeigt
eine weitere Gestaltung mit zwei nebeneinander liegenden, modularen
Einheiten der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40 an
der Außenseite,
die alle Konvektionskammern 18 mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang 42 verbinden,
der sich an einer Seite von einer der Einheiten befindet. Zusätzliche
Einheiten können über oder
unter den und/oder seitlich der gezeigten Einheiten (z. B. zur linken
oder zur rechten Seite der gezeigten Einheiten) hinzugefügt werden.
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14 zeigt
eine Gestaltung mit vier nebeneinander liegenden, modularen Einheiten
der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40 an der
Innenseite, die alle Konvektionskammern 18 mit einem gemeinsamen
Konvektionsdurchgang 42 verbinden.
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15 zeigt
eine weitere Gestaltung mit vier modularen, nebeneinander liegenden
Einheiten der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40 an
der Außenseite,
die alle Konvektionskammern 18 mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang 42 verbinden.
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16 zeigt
eine Gestaltung mit acht nebeneinander liegenden, modularen Einheiten
der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40 an der
Innenseite, die alle Konvektionskammern 18 mit einem gemeinsamen
Konvektionsdurchgang 42 verbinden.
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17 zeigt
eine weitere Gestaltung mit acht nebeneinander liegenden, modularen
Einheiten der Vorrichtung 10 mit Verbrennungsgas-Leitungen 40 an
der Außenseite,
die alle Konvektionskammern 18 mit einem gemeinsamen Konvektionsdurchgang 42 verbinden.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass weitere Gestaltungen von modularen
Einheiten und verschiedene weitere Anordnungen der Verbrennungs-
und Konvektionskammern der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Zum Beispiel zeigen 18 und 19 eine
Anordnung, in der es keine Trennwand zwischen der Verbrennungskammer 16 und
der Konvektionskammer 18 gibt, wobei die zwei Kammern durch
eine Leitung 45 verbunden sind. Mit der Leitung 45 kann
mehr als eine Konvektionskammer verbunden sein, um Verbrennungsgase
bzw. Abgase von der Verbrennungskammer 16 aufzunehmen.
Alternativ kann eine weitere Konvektionskammer (weitere Konvektionskammern)
mit der Verbrennungskammer 16 über eine weitere Leitung (weitere
Leitungen) verbunden sein, um Verbrennungsgase von der Verbrennungskammer
aufzunehmen. Zum Beispiel könnte
mit Bezug auf 18 und 19 eine
zweite Konvektionskammer über
eine zweite Leitung mit der Verbrennungskammer auf der linken Seite
der Verbrennungskammer (d. h. direkt gegenüber der gezeigten Konvektionskammer
und der Leitung) verbunden sein, wodurch die Vorrichtung "ausgeglichen" wird.
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Das
Wiedergewinnungsverfahren für
freie bzw. ungebundene Wärme
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
es, (1) die Wärmetauscher-Ausrüstung erheblich
zu verringern, um die freie Wärme
sowohl vom Synthesegas als auch von den Verbrennungsprodukten wiederzugewinnen,
(2) die hochangereicherte Abwärme
von den Verbrennungsgasen für
die Reformierung zu nutzen, anstatt wie nach den herkömmlichen
Dampf-Reformierungsverfahren überschüssigen Dampf
zu erzeugen, (3) kostspielige Reformerrohre wirksamer zu nutzen,
um freie Wärme für die Reformierungsreaktionen
wiederzugewinnen, (4) das heiße
Produktgas vom Reformerrohr in der Verbrennungskammer und in der
Anordnung Rohr-in-Rohr in den Konvektionskammern wirksam zu integrieren,
um die hochangereicherte, freie Wärme für Reformierungsreaktionen zu
nutzen, (5) die konvektive Wärmeübertragung
vom Produktgas durch Erhöhen
der Temperatur-Triebkraft zu verbessern, (6) die Ausstattung und
die Wärmeverluste
auf Grund der Übertragungsleitungen
im Vergleich mit herkömmlichen
Verfahren zu minimieren, (7) den Dampfexport bei Bedarf durch die
Regelung der Verbrennung oder der Austrittstemperaturen des Produktgases
zu variieren, (8) die Strahlungs- und Konvektionsabschnitte in einer
kompakten Einheit zu kombinieren, die in der Werkstatt eingebaut
und als modulare Einheiten in einer Gestaltung verwendet werden
kann, in der verschiedene nebeneinander angeordnete Einheiten mit
einfachen Verbindungen an der Außenseite verbunden sind, um
die Produktionskapazität
für Synthese-Gas
zu erreichen oder zu erweitern, und (9) eine kleine Konvektionskammer
zu verwenden, die ausgelegt sein kann, um die konvektive Wärmeübertragung
durch Aufrechterhaltung einer hohen Verbrennungsgas-Geschwindigkeit
zu maximieren.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf bestimmte spezifische
Ausführungsbeispiele
veranschaulicht und beschrieben wurde, soll sie dennoch nicht auf
die gezeigten Einzelheiten beschränkt werden. Es können eher
verschiedene Modifikationen in den Details vorgenommen werden, ohne
von der Erfindung abzuweichen.