DE69503781T2 - Verfahren zur herstellung von synthesegas durch teiloxidation enes flüssigen kohlenwasserstoff enthaltenden brennstoffes, wobei ein brenner mit mehreren (konzentrisch, ringförmig) auslassöffnungen benutzt wird - Google Patents

Verfahren zur herstellung von synthesegas durch teiloxidation enes flüssigen kohlenwasserstoff enthaltenden brennstoffes, wobei ein brenner mit mehreren (konzentrisch, ringförmig) auslassöffnungen benutzt wird

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Synthesegase durch partielle Oxidation eines flüssigen kohlenwasserstoffhältigen Kraftstoffes unter Verwendung eines Brenners mit mehreren (konzentrisch-ringförmigen) Auslaßöffnungen.
  • Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur partiellen Oxidation eines flüssigen kohlenwasserstoffhältigen Kraftstoffes, wie Ölrückstand, bei welchem ein sauerstoffhältiges Gas, das als Oxidationsmittel angewandt wird, und flüssiger, kohlenwasserstoffhältiger Kraftstoff einer Vergasungszone über einen Brenner mit mehreren (konzentrisch-ringförmigen) Öffnungen zugeführt wird, der eine konzentrische Anordnung aus n-Durchlässen oder Kanälen koaxial zur Längsachse des Brenners aufweist, wobei n eine Ganzzahl ≥3 ist, und wobei autothermisch ein das Synthesegas enthaltender gasförmiger Strom unter geeigneten Bedingungen erzeugt wird.
  • Das sauerstoffhältige Gas, das als Oxidationsmittel angewandt wird, ist üblicherweise Luft oder (reiner) Sauerstoff oder Dampf oder eine Mischung daraus. Um die Temperatur in der Vergasungszone zu steuern, kann ferner ein Moderatorgas (beispielsweise Dampf, Wasser oder Kohlendioxid oder eine Mischung daraus) dieser Zone zugeführt werden.
  • Fachleuten sind die Bedingungen der Anwendung des Oxidationsmittels und des Moderators bekannt.
  • Synthesegas ist ein Gas mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff, und wird beispielsweise als Kraftstoffgas oder als Ausgangsmaterial für die Synthese von Methanol, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen verwendet, welch letztere Synthese gasförmige Kohlenwasserstoffe und flüssige Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Mitteldestillate, Schmieröle und Wachse liefert.
  • In der Beschreibung und in den Ansprüchen wird der Ausdruck "flüssiger, kohlenwasserstoffhältiger Kraftstoff" zur Bezeichnung von kohlenwasserstoffhältigem Kraftstoff verwendet, der bei dem Druck und der Temperatur der Vergaserzufuhr eine Flüssigkeit, eine Emulsion oder eine pumpbare Aufschlämmung ist.
  • Dies inkludiert beispielsweise Butane, Pentane, Hexane und alles im gesamten Flüssigkeitsbereich einschließlich natürlicher Benzine, Kerosine, Gasöle, Naphthas, Dieseltreibstoffe, Rohöle, Rückstände, sei es atmosphärisch oder Vakuumrückstände, Kohlenteere, Teersandöle, Schieferöle, sowie Kohlenwasserstoffe, welche andere Atome enthalten können, wie Sauerstoff; jedoch in solchen Anteilen, daß es nicht die selbsterhaltende Verbrennung beeinträchtigt. Per definitionem eingeschlossen sind Aufschlämmungen von festen kohlenstoffhältigen Treibstoffen in den vorgenannten flüssigen Kohlenwasserstoffen.
  • Gemäß einem anerkannten Verfahren wird Synthesegas hergestellt, indem in einem Reaktorgefäß ein Kraftstoff, wie flüssiger Kohlenwasserstoff, insbesondere Schwerölrückstand, bei einer Temperatur im Bereich von 1000ºC bis 1800ºC und einem Druck im Bereich von 0,1 MPa bis 6 MPa absolut unter Verwendung eines sauerstoffhältigen Gases partiell oxidiert wird.
  • Synthesegas wird häufig in der Nähe oder am Ort einer Rohölraffinerie erzeugt, da das erzeugte Synthesegas direkt als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Mitteldestillaten, Ammoniak, Wasserstoff, Methanol oder als Treibstoffgas, beispielsweise zum Heizen der Öfen der Raffinerie oder noch effizienter zum Befeuern von Gasturbinen zur Erzeugung von Elektrizität und Wärme verwendet werden kann.
  • Bei konzentrisch-ringförmigen Ölbrennern (mit einer Mehrzahl von Öffnungen) hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer des Brenners durch schwerwiegende Korrosion beschränkt ist, die durch das Flammenphänomen verursacht wird, welches an den Brennerspitzen auftritt. Auf Grund dieses Phänomens wird die Temperatur der Innenteile des Brenners zu hoch, und ein ernsthafter Brennerschaden kann auftreten.
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur partiellen Oxidation eines flüssigen kohlenwasserstoffhältigen Kraftstoffes zu schaffen, bei welchem das Vermischen des als Oxidationsmittel verwendeten sauerstoffhältigen Gases und des kohlenwasserstoffhältigen Kraftstoffes an einem Ort stromabwärts über den Ausgang des Brenners hinaus erreicht wird und die Flamme von der Vorderseite des Brenners abgehoben wird, wobei Brennerschäden durch ernsthafte Korrosion (hohe Hitzebelastung) unterbunden werden.
  • Die Erfindung löst das oben genannte Brennerschadenproblem dadurch, daß bei dem Verfahren der Erfindung das als Oxidationsmittel angewandte sauerstoffhältige Gas und der flüssige kohlenwasserstoffhältige Kraftstoff der Vergasungszone über die jeweiligen Kanäle des Brenners in einer solchen Weise zugeführt werden, daß im Betrieb das als Oxidationsmittel verwendete sauerstoffhältige Gas und der flüssige kohlenwasserstoffhältige Kraftstoff stets durch einen Moderator getrennt sind und für einige Zeit außerhalb der Brennerfront als getrennte Ströme strömen.
  • Auf diese Weise werden Flammen, die an den Innenrändern auftreten, beseitigt, die im Inneren des Brenners liegenden Klingen, welche die innere Trennungswand zwischen den Durchlässen des Brenners bilden und eine endliche Dicke haben, bleiben verhältnismäßig kühl und die Kraftstoff/Oxidationsmittel-Mischung nahe dem Brennerausgang ist weniger reaktiv, was die Wärmebelastung an den inneren Rändern reduziert.
  • Die Erfindung schafft daher ein Verfahren für die Herstellung von Synthesegas durch Reagieren von sauerstoffhältigem Gas, das als Oxidationsmitteln angewandt wird und anschließend "X" genannt wird, Moderatorgas, das in der Folge "M" genannt wird, und flüssigem kohlenwasserstoffhältigem Kraftstoff, im folgenden "F" genannt, in einer Reaktionszone eines im wesentlichen nicht-katalytischen Gasgenerators, mit den Schritten des Einspritzens des Kraftstoffes und des genannten Oxidationsmittels in die Reaktionszone über einen Brenner mit mehreren (konzentrisch-ringförmigen) Öffnungen, der eine Anordnung aus n gesonderten Durchlässen oder Kanälen koaxial zur Längsachse des Brenners aufweist, wobei n eine Ganzzahl ≥3 ist, (3, 4, 5 ...), wobei der (n-1)te Durchlaß der innere Durchlaß bezüglich des n-ten Durchlasses ist, gemessen von der Längsachse des genannten Brenners, und wobei
  • F durch einen oder mehrere der Durchlässe geleitet wird, wobei zumindest zwei Durchlässe verbleiben,
  • X durch einen oder mehrere der verbleibenden Durchlässe geleitet wird, wobei zumindest ein Durchlaß verbleibt, und
  • M durch einen oder mehrere der verbleibenden Durchlässe in einer solchen Weise geleitet wird, daß jede zwei Durchlässe, durch welche F bzw. X geleitet werden, durch zumindest einen Durchlaß voneinander getrennt sind, durch den M geleitet wird.
  • Vorteilhafterweise ist der flüssige kohlenwasserstoffhältige Kraftstoff ein Ölrückstand mit einer Viskosität zwischen 1 und 1000 cSt und tritt durch einen oder mehrere der Durchlässe mit einer Geschwindigkeit oder mit Geschwindigkeiten zwischen 2 und 40 m/s hindurch; das sauerstoffhältige Gas (Oxidationsmittel) tritt durch einen oder mehrere der verbleibenden Durchlässe mit einer Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten zwischen 20 und 140 m/s hindurch; und das Moderatorgas tritt durch einen oder mehrere der verbleibenden Durchlässe mit einer Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten zwischen 5 und 140 m/s hindurch.
  • Noch vorteilhafter werden entweder sauerstoffhältiges Gas (Oxidationsmittel) oder Moderatorgas durch den äußersten Durchlaß hindurchgeleitet.
  • Noch vorteilhafter wird im Falle von n ≥ 4 Moderatorgas auch durch den äußersten Durchlaß geleitet.
  • In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit n ≥ 4 wird sauerstoffhältiges Gas (Oxidationsmittel) oder Moderatorgas auch durch den innersten Durchlaß hindurchgeleitet.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die jeweiligen Geschwindigkeiten am Auslaß der jeweiligen Kanäle zur Vergasungszone gemessen oder berechnet. Die Geschwindigkeitsmessung oder -berechnung kann vom Fachmann auf jede für diesen Zweck geeignete beliebige Weise durchgeführt werden und wird daher nicht im Detail beschrieben.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Moderatorgas Dampf und/oder Wasser und/oder Kohlendioxid. In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Vergasungsprozeß bei einem Druck von 0,1-12 MPa absolut durchgeführt.
  • Brenner mit mehrfachen Öffnungen, die Anordnungen aus ringförmigen konzentrischen Kanälen zur Zufuhr von sauerstoffhältigem Gas (Oxidationsmittel), Kraftstoff und Moderator zu einer Vergasungszone aufweisen, sind an sich bekannt (siehe z. B. EP-A-0 545 281 und DE-OS 29 35 754) und ihre mechanischen Strukturen werden daher nicht im Detail beschrieben.
  • Üblicherweise enthalten diese Brenner eine Anzahl von Schlitzen am Brennerauslaß und hohle Wandelemente mit inneren Durchlässen für Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser). Die Durchlässe können am Brennerauslaß konvergieren oder auch nicht. Anstelle des Vorsehens von internen Kühlflüssigkeitsdurchlässen kann der Brenner mit einer geeigneten keramischen oder hitzebeständigen Auskleidung ausgestattet werden, die aufgebracht wird oder mit Hilfe einer Einrichtung nahe der Außenseite der Brenner(stirn)Wand aufgehängt wird, um der Wärmebeanspruchung während des Betriebes oder der Aufheiz- bzw. Abschaltsituationen des Brenners zu widerstehen. Vorteilhafterweise können der bzw. die Ausgänge eines oder mehrerer Durchlässe zurückversetzt oder vorstehend sein.
  • Die Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.
  • Eine Anzahl von Beispielen sind in der Tabelle angegeben.
  • In dieser Tabelle werden die folgenden Abkürzungen verwendet: Speisung 1: Ein Rückstandskraftstoff mit der folgenden typischen Elementzusammensetzung:
  • C 83,7 Gew.-%
  • H 8,6%
  • S 6,8%
  • N 0,5%
  • 0 0,3%
  • Asche 0,1%
  • Die Zuführungstemperatur dieses Ausgangsmaterials ist 210- 290ºC, wobei die Viskosität im Bereich von 25 bis 250 cSt liegt.
  • Speisung 2: Eine Mischung aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit der folgenden typischen Elementzusammensetzung:
  • C 85,5 Gew.-%
  • H 13,2%
  • S 0,5%
  • N 0,2%
  • O 0, 5%
  • Asche 0,1%
  • Die Zuführungstemperatur dieses Ausgangsmaterials ist 100- 180ºC, wobei die Viskosität im Bereich von 10 bis 100 cSt liegt.
  • Speisung 3: Eine Mischung aus schwerem Teer und Wasser (Emulsion) im Massenverhältnis von etwa 1 : 0,4, wobei der Teer die folgende typische Elementzusammensetzung hat:
  • C 84,4 Gew.-%
  • H 10,5%
  • S 3,7%
  • N 0,6%
  • O 0,5%
  • Asche 0,3%
  • Die Zuführungstemperatur dieses Ausgangsmaterials ist 50- 100ºC, wobei die Viskosität im Bereich von 60 bis 600 cSt liegt.
  • Oxidationsmittel 1 99,4% reiner Sauerstoff mit einer Temperatur von 230-250ºC,
  • Oxidationsmittel 2 eine Mischung aus Oxidationsmittel 1 und Dampf im Verhältnis 1 : 0,05
  • Oxidationsmittel 3 eine Mischung aus Oxidationsmittel 1 und Dampf im Verhältnis 1 : 0,4
  • Moderatorgas 1 überhitzter Dampf mit einer Temperatur von 350-380ºC
  • Moderatorgas 2 ein Abgas, hauptsächlich bestehend aus CO&sub2; mit einer Temperatur von 200-250ºC
  • Fünf Beispiele wurden dargestellt. Die folgende Tabelle zeigt die Verteilungen der Reaktanten für diese Beispiele. Die typischen Synthesegaszusammensetzungen sind ebenfalls angegeben. Die Werte von n wie in der Beschreibung und den Ansprüchen angegeben sind angeführt, und der Durchlaß 1 ist der erste bzw. zentrale Durchlaß. TABELLE MIT BEISPIELEN
  • Für n = 6 sind die folgenden Daten anwendbar:
  • Durchlaß 1
  • Art des Reaktanten: Oxidationsmittel 2
  • Massenströmung [kg/s]: 2,8-4,2
  • Geschwindigkeit [m/s]: 80-120
  • Durchlässe 2-6: siehe Daten der Durchlässe 3-7 im Beispiel Nr. 1 (n = 7)
  • Typische Synthesegaszusammensetzung, Reaktordruck und Reaktortemperatur: siehe entsprechende Daten des Beispieles Nr. 1 (n = 7).
  • Für Fachleute ist klar, daß jede für den Zweck geeignete Schlitzbreite verwendet werden kann, abhängig von der Brennerkapazität.
  • Vorteilhafterweise besitzt der erste bzw. zentrale Durchlaß einen Durchmesser bis zu 70 mm, wogegen die verbleibenden konzentrischen Durchlässe Schlitzbreiten im Bereich von 1-20 mm haben.
  • Zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der vorgehenden Beschreibung ersichtlich werden. Es ist beabsichtigt, daß diese Modifikationen in den Rahmender angeschlossenen Ansprüche fallen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen von Synthesegas durch Reagieren von sauerstoffhältigem Gas, das als Oxidationsmittel angewandt wird und im folgenden "X" genannt wird, Moderatorgas, im folgenden "M" genannt, und flüssigem kohlenwasserstoffhältigem Kraftstoff, im folgenden "F" genannnt, in einer Reaktionszone eines im wesentlichen nicht-katalytischen Gasgenerators, mit den Schritten des Einspritzens des Kraftstoffes und des Oxidationsmittels in die Reaktionszone über einen Brenner mit mehreren (konzentrisch-ringförmigen) Öffnungen, der eine Anordnung aus n gesonderten Durchlässen oder Kanälen koaxial zur Längsachse des Brenners aufweist, wobei n eine Ganzzahl ≥3 ist (3, 4, 5 ...), wobei der (n-1)te Durchlaß der innere Durchlaß bezüglich des n-ten Durchlasses ist, gemessen von der Längsachse des Brenners, und wobei
F durch einen oder mehrere der Durchlässe geleitet wird, wobei zumindest zwei Durchlässe verbleiben,
X durch einen oder mehrere der verbleibenden Durchlässe geleitet wird, wobei zumindest ein Durchlaß verbleibt, und
M durch einen oder mehrere der verbleibenden Durchlässe in einer solchen Weise geleitet wird, daß jede zwei Durchlässe, durch welche F bzw. X geleitet werden, durch zumindest einen Durchlaß voneinander getrennt sind, durch den M geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der flüssige kohlenwasserstoffhältige Kraftstoff eine Viskosität zwischen 1 und 1000 cSt hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der flüssige kohlenwasserstoffhältige Kraftstoff mit einer Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten zwischen 2 und 40 m/s durchgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei welchem das sauerstoffhältige Gas (Oxidationsmittel) mit einer Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten zwischen 20 und 140 m/s durchgeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei welchem das Moderatorgas mit einer Geschwindigkeit oder Geschwindigkeiten zwischen 5 und 140 m/s durchgeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei welchem der Verfahrensdruck 0,1-12 MPa absolut ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei welchem der Kraftstoff ein Ölrückstand ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei welchem das sauerstoffhältige Gas (Oxidationsmittel) zumindest 90% reinen Sauerstoff enthält.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei welchem die jeweiligen Geschwindigkeiten am Auslaß der jeweiligen konzentrischen Kanäle in die Vergasungszone gemessen oder berechnet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem das Moderatorgas Dampf, Kohlendioxid oder Wasser oder eine Kombination daraus ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei welchem entweder X oder M durch den äußersten Durchlaß geleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11 mit n größer gleich 4, bei welchem M durch den äußersten Durchlaß geleitet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11 mit n größer gleich 4, bei welchem X oder M durch den innersten Durchlaß geleitet wird.
DE69503781T 1994-05-19 1995-05-16 Verfahren zur herstellung von synthesegas durch teiloxidation enes flüssigen kohlenwasserstoff enthaltenden brennstoffes, wobei ein brenner mit mehreren (konzentrisch, ringförmig) auslassöffnungen benutzt wird Expired - Lifetime DE69503781T2 (de)

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