DE69822635T2

DE69822635T2 - Verfahren und Brenner für die Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE69822635T2
Application number: DE69822635T
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Bedetti
Original assignee: Casale Chemicals SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: DE69822635D1; SA00200869B1; CN1253115A; UA67740C2; EP0997433B1; AU5713199A; RU2221737C2; US6692661B1; BR9904971A; ATE262483T1; CA2287742A1; BR9904971B1; AU769536B2; CA2287742C; CN1224572C; EP0997433A1; ID25970A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen, um gasförmige, Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfassende Gemische, wie beispielsweise Synthesegas und Brennstoff oder Reduktionsgas, zu erzeugen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Teiloxidationsverfahren, das die folgenden Schritte umfasst:

– Zuführen eines Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms in eine Reaktionskammer;
– Zuführen eines freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in diese Reaktionskammer.

In der gesamten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird der Begriff „Kohlenwasserstoff(e)" dazu verwendet, leichten und/oder schweren, gesättigten und/oder ungesättigten Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemische (z. B. C₁-C₆) zu bezeichnen; der Ausdruck „Kohlenwasserstoff umfassender Gasstrom" wird dazu verwendet, um entweder ein Fluid, das gasförmige Kohlenwasserstoffe enthält, wie beispielsweise Methan oder Erdgas, oder einen gasförmigen Strom, der einen suspendierten festen Brennstoff (z. B. Kohlenstaub oder Ruß) umfasst, oder einen Gasstrom, der dispergierte flüssige Kohlenwasserstoffe umfasst (z. B. leichte oder schwere Kohlenwasserstoffe, wie Naphtha oder Heizöle), zu bezeichnen.
Technisch ausgedrückt wird ein Gasstrom, der suspendierte flüssige Kohlenwasserstoffe enthält, gewöhnlich als „Nebel" bezeichnet, während ein Gasstrom, der dispergierte feste Kohlenwasserstoffe enthält, als „Rauch" bezeichnet wird.
Die Erfindung betrifft auch einen Brenner zur Durchführung des obigen Verfahrens.
Wie man weiß, gibt es auf dem Gebiet der Kohlenwasserstoff-Teiloxidation einen dringenden Bedarf an einem Verfahren mit hoher Ausbeute, das leicht durchgeführt werden kann und sowohl energie- als auch kosteneffizient ist.
Stand der Technik
Um den obigen Bedarf zu decken, sind Verfahren entwickelt worden, bei denen die Oxidationsreaktion bei relativ niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1300°C durchgeführt wird, um den Sauerstoffverbrauch signifikant zu reduzieren und Wasserstoff und Kohlenmonoxid wirtschaftlicher herzustellen.
Ein Verfahren dieser Art wird zum Beispiel in der EP-A-0 276 538 beschrieben, bei der ein Kohlenwasserstoff umfassender Gasstrom zuerst mit einer aufbereiteten, Ruß umfassenden Lösung gemischt wird und dann nach der Verdampfung des in der Lösung enthaltenen Wassers mit Sauerstoff in einer Reaktionskammer bei einer Temperatur im Bereich von 927° bis 1316°C gemischt wird, wobei die Verbrennung zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid in dieser Kammer stattfindet.
Obwohl dieses bekannte Verfahren eine Reduzierung des Energieverbrauchs in der Reaktionskammer sowie des in die Reaktionskammer einzuspeisenden Sauerstoffs ermöglicht, weist es eine Reihe von Nachteilen auf, die nachfolgend aufgelistet sind.
Zuerst hat sich der Ruß aus den in der Reaktionskammer pyrolysierten Kohlenwasserstoffen gebildet, die in der Nähe des Brenners in Kontakt mit den heißen, in der Kammer zirkulierenden Gasen gelangen und mit diesen vermischt werden, bevor sie in geeigneter Weise mit Sauerstoff gemischt werden können.
Diese Rußherstellung ist hauptsächlich insofern nachteilig, als eine ganze Reihe von energieintensiven Vorgängen für die Trennung des Rußes von den Reaktionsprodukten und für ihre Rückführung in die Reaktionskammer notwendig ist, als eine kompliziertere Anlage für die Durchführung des Verfahrens benötigt wird und als die Investitions- und die Betriebskosten hoch sind.
Darüber hinaus beeinflusst der Ruß, der in der Reaktionskammer erzeugt wird, die Gesamtausbeute des Teiloxidationsverfahrens, was die Wasserstoff- und Kohlenmonoxidmenge, die pro Einheit verbrannten Kohlenwasserstoffs erhalten werden kann, verringert, selbst wenn der gesamte erzeugte und dem Brenner zurückgeführte Ruß vergast wird.
Andererseits beinhalten bekannte Verfahren, die dahingehend wirksam sind, dass sie geringe Rußkonzentrationen erzeugen, das Betreiben der Reaktionskammer bei sehr hohen Temperaturen (in der Größenordnung von 1400°C) und daher bei einer hohen Sauerstoffverbrauchsrate und geringen Umsetzungsrate, wie zum Beispiel in der EP-A-0 276 538, Seite 2, Zeilen 6–13 beschrieben.
Darüber hinaus haben die Anlagen zur Durchführung der oben angeführten Verfahren den Nachteil, dass sie im Betrieb unflexibel sind, weil sie nicht in der Lage sind, die großen Belastungsänderungen, denen die in die Reaktionskammer eingeleiteten Reaktionspartner unterliegen können, aufzunehmen, mit dem Ergebnis, dass die Änderungen die Bildung von Ruß auslösen oder steigern können.
Aufgrund solcher Beschränkungen bringen die bekannten Verfahren für die Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen große Investitionskosten für ihre praktische Durchführung mit sich, was die Produktionskosten für solche Grundmaterialien, wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid, angesichts einer wachsenden Nachfrage nach ihnen signifikant belastet. Außerdem kann eine akute Nachfrage auf dem Gebiet des Kohlenwasserstoffabfalls als abzubrennende Rückstände der Destillationsverfahren in der Ölindustrie nicht zufrieden stellend durch die zuvor erwähnten bekannten Verfahren abgedeckt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Das zugrunde liegende technische Problem der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen mit hoher Ausbeute zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Wasserstoff- und Kohlenmonoxidproduktion pro Einheit verbrannten Kohlenwasserstoffs ermöglicht, während die Bildung von Ruß drastisch verringert wird, selbst wenn der Betrieb bei niedrigen Temperaturen erfolgt, und mit einem ziemlich niedrigen Energieverbrauch und Betriebskosten flexibel sowie leicht durchzuführen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das obige Problem durch ein oben angeführtes Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es weiter die folgenden Schritte umfasst:

– Mischen und Reagieren eines ersten Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem ersten Strom, der innerhalb der Reaktionskammer zirkulierende, reagierte Gase umfasst;
– Mischen eines zweiten Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom in der Reaktionskammer, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst;
– Mischen und Reagieren des Gasstroms, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise zusammengemischt umfasst, mit einem zweiten Strom, der innerhalb der Reaktionskammer zirkulierende, reagierte Gase umfasst, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst.

Durch die gesamte Beschreibung und die beigefügten Ansprüche wird der Ausdruck „reagierte Gase umfassender Gasstrom" dazu verwendet, einen Gasstrom zu bezeichnen, der N₂O, CO₂, Spuren von Kohlenwasserstoffen, H₂S, COS und möglicherweise N₂ und Ar zusätzlich zu den Teilverbrennungsprodukten, d. h. CO und H₂, enthält, die in der Reaktionskammer zirkulieren.
Günstigerweise ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid pro Einheit verbrannten Kohlenwasserstoffs, die im Hinblick auf bekannten Verfahren wesentlich zu steigern ist.
Tatsächlich kann aufgrund des Schritts des Mischens eines Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom in der Reaktionskammer vor dem Kontaktieren des zuletzt erwähnten Stroms mit den heißen Gasen, die in der Kammer zirkulieren, die Bildung von Ruß während des nachfolgenden Verbrennungsschritts verhindert oder zumindest drastisch reduziert werden.
Auf diese Weise wird die Umwandlungsausbeute der Kohlenwasserstoffe in der Reaktionskammer nur am Rand – wenn nicht sogar überhaupt nicht – durch das Vorhandensein von Ruß beeinflusst, wodurch eine optimale Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidproduktion sichergestellt wird.
Es ist festzustellen, dass aufgrund der vorliegenden Erfindung die Bildung von Ruß in der Reaktionskammer vollständig unterdrückt werden kann, wenn der Strom, der verarbeitet wird, gasförmige Kohlenwasserstoffe umfasst, und auf einem sehr geringen Minimum gehalten werden kann, selbst wenn der Gastrom flüssige und/oder feste Kohlenwasserstoffe umfasst.
Dieses Ergebnis kann günstigerweise erhalten werden, selbst wenn der Betrieb bei niedrigen Temperaturen, vorzugsweise im Bereich von 950° bis 1300°C, und daher bei einer geringen Sauerstoffverbrauchsrate und mit einer höheren Ausbeute (erhöhte Produktion von CO und H₂) als im Stand der Technik erfolgt.
Als Beispiel für die Teiloxidation von Erdgas – in einem Zustand des völligen Fehlens von Ruß – kann der Sauerstoffbedarf unter 210 Mol O₂ pro Kilomol trockenes, erzeugtes Gas gehalten werden, was eine ziemlich überraschende Errungenschaft im Vergleich zu dem Bedarf an Sauerstoff für die bekannten Verfahren darstellt.
Mit anderen Worten verhindert das Verfahren der vorliegenden Erfindung, dass ein Teil der Kohlenwasserstoffe, die durch die Reaktionskammer strömen, bei Fehlen von Sauerstoff direkt mit den in der Kammer zirkulierenden Hochtemperaturgasen (z. B. im Bereich von 1000° bis 1400°C) gemischt werden, wodurch bewirkt wird, dass die Kohlenwasserstoffe pyrolysieren und sich Ruß bildet. Im Gegensatz dazu werden in der Reaktionskammer die Kohlenwasserstoffe zuerst in geeigneter Weise mit dem freien Sauerstoff gemischt und erst später mit den heißen Gasen in Kontakt gebracht, wobei die Gase dann eine vorteilhafte Verbrennungs- und keine Pyroylsereaktion der Reaktionspartner, die zumindest teilweise vorgemischt sind, auslösen, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen.
Weiterhin ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung ganz einfach, wirtschaftlich und leicht durchzuführen und bringt weder einen hohen Energieverbrauch noch hohe Betriebs- und Wartungskosten mit sich.
Es ist zu festzustellen, dass für die Verbrennung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Methan oder Erdgas, die dieses Verfahren ausführende Anlage keinen Rußtrennungs- und Rezirkulationsabschnitt benötigt, wodurch gegenüber bekannten Anlagen größere Ersparnisse bei den Investitionskosten und dem Energieverbrauch erzielt werden.
Günstigerweise hat sich das vorliegende Verfahren als äußerst flexibel erwiesen, da es eine Palette von unterschiedlichen Betriebszuständen vorsehen kann, währen es seine hohe Umwandlungsausbeute beibehält.
Insbesondere kann dieses Verfahren effektiv selbst in dem Fall von großen Änderungen der Rate der in die Reaktionskammer eingeleiteten Ströme, wie beispielsweise im Bereich von 0,2 bis 1,0 (Verhältnis von minimaler zu maximaler Strömungsrate), angewendet werden, ohne dass die Umwandlungsausbeute beeinflusst wird – ein Merkmal, das bei den bekannten Verfahren nicht gefunden werden kann.
Der Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der in der Reaktionskammer mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom gemischt wird, bevor er die rezirkulierten reagierten Gase kontaktiert, auf den in dem Verfahren nach der Erfindung als der zweite Teil Bezug genommen wird, umfasst günstigerweise 10 bis 90%, vorzugsweise 50 bis 70%, des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst dieses Verfahren den Schritt des Zuführens des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms und des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in die Reaktionskammer als entsprechende, im Wesentlichen ringförmige, zueinander koaxiale Strahlen.
Daher kann das Mischen der Kohlenwasserstoffe und des freien Sauerstoffs äußerst wirksam und sofort in der Reaktionskammer erfolgen.
Darüber hinaus ist gefunden worden, dass es zur Förderung des Mischvorgangs günstiger ist, wenn der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom der Reaktionskammer außerhalb und vorzugsweise mit höherer Geschwindigkeit als der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom zugeführt wird.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren dieser Erfindung gemäß der obigen Ausführungsform weiter die folgenden Schritte:

– Bewirken, dass der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom durch ein erstes, im Wesentlichen zylindrisches Rohr von vorbestimmter Länge eines Brenners, das sich in die Reaktionskammer erstreckt, fließt;
– Bewirken, dass der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom durch einen, im Wesentlichen ringförmigen, freien Raum fließt, der zwischen dem ersten Rohr und einem zweiten, zum ersten koaxialen, äußeren Rohr, festgelegt wird, wobei das zweite Rohr länger als das erste Rohr ist und innerhalb der Reaktionskammer – zwischen einem Ende des zweiten Rohrs und einem Ende des ersten Rohrs – eine Mischzone für den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom und den freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom festlegt;
– Leiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von dem im Wesentlichen ringförmigen freien Raum zu einem Bereich der Mischzone, der nahe an der inneren Wand des zweiten Rohrs liegt,
– Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr verlässt, zur inneren Wand des zweiten Rohrs in der Mischzone, um einen ersten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem ersten Strom, der innerhalb und in einer zentralen Zone der Reaktionskammer zirkulierende, reagierte Gase umfasst, zu mischen und zu reagieren, und um einen zweiten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom zu mischen, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst.

Auf diese Weise kann ein gewünschtes Vormischen der Kohlenwasserstoffe und des freien Sauerstoffs in der Reaktionskammer auf äußerst wirksame und zuverlässige Weise erreicht werden, wohingegen während dieses Schritts jeder Kontakt der Kohlenwasserstoffe mit den reagierten Gasen, die in der Kammer zirkulieren, verhindert wird.
Günstigerweise wird dieses Vormischen an einem Teil der inneren Wand des Zuführrohrs für den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom vorgenommen, der zwischen deren Ende und dem Ende der Zuführleitung für den freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom verläuft.
In der Praxis wird günstigerweise ein Teil des freien Sauerstoff umfassenden Stroms dazu gebracht, in den Kohlenwasserstoff umfassenden Strom einzutreten, und es wird in einem sehr kleinen Raum ein ausreichender Grad an Mischung erreicht, um – im Fall von gasförmigen Kohlenwasserstoffen – die Bildung von Ruß während des nachfolgenden Mischens mit heißen, in der Reaktions kammer zirkulierenden Gasen zu verhindern oder – im Fall von flüssigen und/oder festen Kohlenwasserstoffen – drastisch zu reduzieren.
Um die Ausdehnung und den Transport des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms zur inneren Wand des zweiten Rohrs in der Mischzone zu fördern, wird dieser Gasstrom vorzugsweise durch das erste Rohr entlang eines spiralförmigen Flusswegs strömen gelassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brenner für die Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen zur Verfügung gestellt, umfassend:

– ein erstes, im Wesentlichen zylindrisches Rohr von vorbestimmter Länge, das in seinem Inneren einen kreisförmigen Durchflussweg zum Zuführen eines freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in eine Reaktionskammer außerhalb des Brenners festlegt;
– ein zweites Rohr, außerhalb von und koaxial zu, aber nicht länger als das Erste, das einen im Wesentlichen ringförmigen freien Raum in seinem Inneren zwischen den Rohren festlegt, zum Zuführen eines Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms in die Reaktionskammer;

– eine Mischzone, wobei der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom mit dem freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom gemischt wird, die zwischen den entsprechenden Enden des ersten und zweiten Rohrs festgelegt ist;
– Mittel zum Zuleiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von dem im Wesentlichen ringförmigen freien Raum zu einem Bereich der Mischzone, der nahe an der inneren Wand des zweiten Rohrs liegt;
– Mittel zum Expandieren und Zuleiten des den freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr verlässt, zur inneren Wand des zweiten Rohrs in der Mischzone, um einen ersten Teil des den freien Sauerstoff umfas senden Gasstroms mit einem ersten Strom, der innerhalb und in einer zentralen Zone der Reaktionskammer zirkulierende reagierte Gase umfasst, zu mischen und zu reagieren und um einen zweiten Teil des den freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom zu mischen, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung sind besser verständlich durch das Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die als nicht beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen angegeben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Längsschnittansicht durch ein Modell, die schematisch die Flusswege des Reaktionspartners und reagierten Gase in einem hypothetischen Gasgenerator veranschaulicht, wenn das Verfahren zur Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
2 schematisch eine Anlage zur Teiloxidation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchführt;
3 eine Längsschnittansicht eines Details eines Brenners gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Längsschnittansicht eines Details eines Brenners gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Um das Prinzip und den Betrieb dieses Verfahrens zur Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen zu erläutern, wird auf die 1 Bezug genommen, die schematisch die Flusswege der verschiedenen Gasströme durch einen hypothetischen Gasgenerator zeigt, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung arbeitet.
In der 1 wird mit 1 schematisch der Endabschnitt eines Brenners gezeigt, der sich in eine allgemein mit 2 bezeichnete Reaktionskammer eines hypothetischen Gasgenerators erstreckt und speziell in einer zentralen Zone 2A der Kammer 2 angeordnet ist.
Ein freien Sauerstoff umfassender Gasstrom 3 und ein Kohlenwasserstoff umfassender Gasstrom 4 werden von dem Brenner 1 durch entsprechenden Rohre 5 und 6 in die Zone 2A eingeleitet.
Insbesondere werden die Gasströme 3 und 4 in die Reaktionskammer 2 in Form von ringförmigen Strahlen eingeleitet, wie sie vorzugsweise erhalten werden, wenn der Strom 3 in einem spiralförmigen Flussweg durch das Rohr 5 strömen gelassen wird, wie in der 1 durch einen spiralförmigen Pfeil 3A gezeigt ist, und der Strom 4 durch einen ringförmigen freien Raum 7 strömen gelassen wird, der zwischen den Rohren 5 und 6 begrenzt ist.
Günstigerweise spaltet sich dadurch, dass die Gasreaktionspartner zu der Reaktionskammer 2 als ringförmige Strahlen zugeführt werden, der Strom, der die reagierten Gase (z. B. Wasserstoff und Kohlenmonoxid) aus der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe enthält, naturgemäß in zwei Ströme 8A und 8B, die in der zentralen Zone 2A bzw. in einer peripheren Zone 2B der Reaktionskammer 2 zirkulieren.
Da die reagiertes Gas umfassenden Ströme 8A und 8B ziemlich heiß sind und im Allgemeinen bei einer Temperatur von über 1000°C liegen, bewirkt ihr Kontakt oder ihr Vermischen mit den gasförmigen Reaktionspartnerströmen in dem Fall des freien Sauerstoff umfassenden Stroms 3 ein sofortiges Verbrennen mit Flammenbildung und eine Pyrolyse der Kohlenwasserstoffe aus dem Kohlenwasserstoff umfassenden Strom 4.
Um das Auftreten einer solchen Kohlenwasserstoffpyrolyse zu verhindern, die für die Bildung von Ruß in der Reaktionskammer 2 verantwortlich ist, umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung den Schritt des Mischens von mindestens einem Teil der Kohlenwasserstoffe mit dem freien Sauerstoff vor ihrem Mischen mit den heißen verbrannten Gasen, die in der Reaktionskammer 2 zirkulieren.
Für diesen Zweck ist das Rohr 6 länger als das Rohr 5 und wird mit einer kegelstumpfförmigen Spitze 6A ausgebildet, die sich in die Reaktionskammer 2 hinein erstreckt.
In dieser Spitze 6A, insbesondere an einer Stelle nahe der inneren Wand des Rohrs 6, ist eine Mischzone für den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom 4 und den freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom 3 begrenzt, die von dem reagierten Gasstrom, insbesondere den Strom 8B, nicht gestört wird.
Um ein wirksames sofortiges Vermischen der Kohlenwasserstoffe mit dem freien Sauerstoff zu fördern, wird das Rohr 5 an seinem Ende mit einem Expansionskonus 5A versehen.
Erst nachdem die Kohlenwasserstoffe und der freie Sauerstoff mindestens teilweise miteinander vermischt wurden, wodurch ein Kohlenwasserstoffe und freien Sauerstoff aufweisender Gasstrom erhalten wird, der generell mit 9 angegeben ist, wird letzterer mit dem Strom 8B gemischt und zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid reagiert.
Der besondere ringförmige Strahltyp des für die Reaktionspartner vorgesehenen Zuführmusters, wobei der freien Sauerstoff enthaltende Strahl in dem Kohlenwasserstoffstrahl strömen gelassen wird, in Kombination mit der zentralen Zirkulation eines Teils der reagierten Gase ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass ein Teil des freien Sauerstoffs mit den reagierten Gasen, die in der zentralen Zone 2A der Reaktionskammer 2 zirkulieren, gemischt und dann reagiert wird, was da zu führt, dass die in der Kammer 2 erzeugte Flamme in der Mitte nahe der Einströmzone des freien Sauerstoffs in die Reaktionskammer 2 stabil und zuverlässig verwurzelt ist.
Weiterhin kann durch Strömen des Sauerstoffs zentral und der Kohlenwasserstoffe nach außen die Spitze 6A auf dem äußeren Rohr 6 des Brenners 1 zum Mischen der Reaktionspartner verwendet werden, während die Kohlenwasserstoffe vor den heißen Gasen, die in der peripheren Zone 2B der Reaktionskammer zirkulieren, sowie vor der Flamme, die aus der Kernregion des Brenners 1 herauskommen, geschützt werden.
Um die Merkmale dieses Teiloxidationsverfahrens vollständig zu erläutern, ist darauf hinzuweisen, dass es sich dabei um ein völlig unterschiedliches Verfahren zu den Misch- oder Diffusionsverfahren des Standes der Technik handelt.
Der Begriff Mischverfahren bedeutet ein Verfahren, bei dem der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom und der freien Sauerstoff umfassende Gasstrom miteinander vermischt werden – gewöhnlich in dem Brenner –, bevor sie in die Reaktionskammer eingeleitet werden.
Dieses Mischen kann entweder gründlich erfolgen, d. h. bis ein Strom mit gleichförmigen Sauerstoff- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen erhalten wird, oder in teilweiser Form, d. h. mit einem Konzentrationsfeld in dem Zuführstrom zu der Reaktionskammer, was von dem Mischverfahren und -umfang abhängt.
Ein Verfahren dieser Art ist zum Beispiel in der EP-A-0 098 043 offenbart.
Obwohl in der Theorie das Mischverfahren dahingehend wirksam ist, dass es die Produktion von Ruß niedrig hält, hat es wegen seiner inhärenten Gefährlichkeit keine praktische Anwendung gefunden.
Tatsächlich ist bei dem Betrieb des Gasgenerators das Risiko eines Rückschlags in dem Brenner, d. h. der Oxidationsreaktion, die noch in den Brennerleitungen ausgelöst wird, immer latent vorhanden und kann zu einem vorzeitigen Ver schleiß desselben führen. Dies ist aufgrund der hohen Brennbarkeit des Kohlenwasserstoff/Sauerstoff-Gemischs, der hohen Betriebstemperaturen und möglichen Variationen der Strömungsraten der Reaktionspartner ein fast unkontrollierbares Phänomen.
Der Begriff Diffusionsverfahren bedeutet ein Verfahren, bei welchem der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom und der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom stattdessen getrennt in die Reaktionskammer zugeführt werden, wo sie gleichzeitig miteinander und mit den reagierten Gasen, die in der Kammer vorhanden sind und darin zirkulieren, vermischt werden.
Ein Verfahren dieser Art ist zum Beispiel das in der oben erwähnten EP-A-0 276 538 offenbarte.
Die Nachteile dieses herkömmlichen Verfahrens sind oben in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden. Insbesondere ist seine hohe Rußproduktionsrate bemerkenswert, die von den rezirkulierten Hochtemperaturgasen herrührt, welche in die Reaktionskammer einstömende Kohlenwasserstoffe, die keine Gelegenheit hatten, in geeigneter Weise mit dem freien Sauerstoff vermischt zu werden, kontaktieren.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist hervorzuheben, dass das Vorsehen eines vorausgehenden Mischschritts in der Reaktionskammer für den Kohlenwasserstoff umfassenden Gastrom mit dem freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom vor dem Kontaktieren der Kohlenwasserstoffe mit den reagierten Gasen den bekannten Lehren widerspricht, dass die Reaktionspartner entweder vor ihrem Einführen in die Reaktionskammer oder nur nach ihrem Einführen gleichzeitig mit den reagierten Gasen vermischt werden sollten.
Die Forschungsarbeiten der Anmelderin führten zu einer Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen mit hoher Ausbeute bei keiner oder einer deutlich verringerten Rußproduktion.
Im Wesentlichen kann festgestellt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Art Kombination der oben erwähnten Verfahren widerspiegelt, jedoch ohne ihre Probleme und mit einer wesentliche höheren Ausbeute bei der Umwandlung zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter ähnlichen Betriebsbedingungen.
In der 2 ist allgemein bei 10 eine Anlage für die Teiloxidation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Anlage 10 umfasst in vorteilhafter Weise zwei Vorheizer 11 und 12, zum Vorheizen eines Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms bzw. eines freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, einen Gasgenerator 13 für die Teiloxidation der Kohlenwasserstoffe und einen Boiler 24 zur Wiedergewinnung der fühlbaren Wärme aus dem sich ergebenden, Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfassenden Gasstrom.
Die Vorheizer 11 und 12 und der Boiler 24 sind herkömmlich und nachfolgend nicht näher beschrieben.
Der Gasgenerator 13 umfasst eine Düse 14 und ein Gehäuse 15, das zum Schutz seiner inneren Wände mit einem hochtemperaturfesten, feuerbeständigen Material ausgekleidet ist, welches nicht gezeigt wird, da es konventionell ist.
Das Innere des Gehäuses 15 bildet eine Reaktionskammer 16, in der die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff stattfindet.
Ein Brenner 17 verläuft durch die Düse 14, so dass ihr Endabschnitt sich zum Inneren der Reaktionskammer 16 hin öffnet.
Der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom wird dem Gasgenerator 13 mittels eines Rohrs 18, das durch den Vorheizer 12 hindurch führt, zugeführt.
Gleichermaßen wird der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom dem Gasgenerator 13 mittels eines Rohrs 19, das durch den Vorheizer 11 hindurch führt, zugeführt.
In dem Beispiel der 1 umfasst der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom im Wesentlichen gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Erdgas oder Methan und Gemische davon, und Gemische aus diesen Gasen mit Trägergasen, wie beispielsweise Dampf oder Edelgasen.
Darüber hinaus kann der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom vorbestimmte Mengen an Gasen aus Industrieanlagen, z. B. aus der Syntheseschleife einer Ammoniakanlage, aufweisen.
Alternativ kann der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom ein Trägergas – wie beispielsweise ein Edelgas oder Dampf – mit einem fein verteilten flüssigen bzw. festen Brennstoff, der darin dispergiert oder suspendiert ist, aufweisen.
Der Ausdruck „fein verteilt" wird hier verwendet, um Tröpfchen oder feste Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe im Bereich von 0,01 bis 1,0 mm zu bezeichnen.
Beispiele für geeignete flüssige Brennstoffe zur Verwendung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung umfassen: Brennöl, Dieselöl, Naphtha, Rohöl oder Reste aus der Destillationsabschnitten von Ölanlagen und Gemische davon. Beispiele für feste Brennstoffe sind: Asphalte und Kohlen sowie Gemische davon.
Wenn flüssige oder feste Kohlenwasserstoffe verwendet werden, sollte die Anlage der 1 einen Verarbeitungs- und Wiedergewinnungsabschnitt (nicht gezeigt) für jeden erzeugten Ruß aufweisen.
Der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom umfasst im Allgemeinen ein Gas, das aus einer Gruppe, umfassend Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, d. h. Luft mit einem Sauerstoffgehalt im Überschuss von 21 Molprozent, im Wesentlichen rei nen Sauerstoff, d. h. ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt von nicht weniger als 95 Molprozent, und Gemischen davon ausgewählt ist.
Die Gasströme werden unabhängig durch die Vorheizer 2 und 3 beispielsweise durch Konvektion auf eine Temperatur erwärmt, die gewöhnlich niedriger als etwa 600°C ist, und zwar vor dem Zuführen der Gasströme in den Gasgenerator 13.
Die Anlage 10, mit der das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann zum Entfernen von allen Schwefelspuren aus dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom auch mit einer herkömmliche Entschwefelungseinheit ausgestattet sein, die in der 2 nicht gezeigt ist.
Der Arbeitsdruck in dem Gasgenerator 13 liegt im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 150 bar.
Nach dem Vorheizen werden die Gasströme durch entsprechende Rohre des Brenners 17 in den Gasgenerator 13 oder genauer gesagt in die Reaktionskammer 16 eingeleitet.
Insbesondere wird der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom in die Reaktionskammer 16 durch einen kreisförmigen Durchflussweg, der in einem ersten, im Wesentlichen zylindrischen Rohr 20 mit einer vorbestimmten Länge begrenzt ist, eingeleitet.
Der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom wird in die Reaktionskammer 16 durch einen ringförmigen freien Raum eingeleitet, der zwischen dem ersten Rohr 20 und einem zweiten äußeren Rohr 21, das koaxial zu aber länger als das erste ist, gebildet wird.
Der Brenner 17 umfasst weiter in vorteilhafter Weise eine Mischzone 22, die in der Reaktionskammer 16 zwischen jeweiligen Enden der Rohre 20 und 21 begrenzt ist, wo die Reaktionspartner vorgemischt werden, bevor sie mit dem Strom der reagierten Gase, die in der Kammer zirkulieren, gemischt werden.
Sofort nach dem Verlassen der Mischzone 22 wird in der Reaktionskammer 16 das Mischen der Reaktionspartner vollendet und die nachfolgende Teiloxidationsreaktion der Kohlenwasserstoffe durchgeführt, um so einen Gasstrom zu erhalten, der Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält und den Gasgenerator 13 durch das Rohr 23 verlässt.
Das Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Verhältnis kann zwischen 0,5 und 1,2 variieren, je nach dem Reinheitsgrad des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, dem Umfang der Reaktionspartnervorerwärmung und der Art des Kohlenwasserstoffstromgemischs.
Die Reaktionsprodukte werden anschließend – wieder über das Rohr 23 – durch den Boiler 24 strömen gelassen, wo sie durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Wasserstrom gekühlt werden, um Dampf bei einem erhöhten Wärmeniveau (z. B. im Bereich von 20 bis 100 bar) abzugeben.
Für diesen Zweck werden die Rohre 25 und 26 zum Zuführen von Wasser in den Boiler 24 bzw. Abführen von Dampf daraus vorgesehen.
Das Vorsehen des Boilers 24 in der Anlage der 2 hängt grundlegend von der Natur des benutzten Brennstoffs ab. Wenn letzterer ein Rohgas ergibt, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem hohen Gehalt an Verunreinigungen umfasst, wird es durch eine einfache Abschreckeinrichtung unter Verwendung von Wasser (nicht gezeigt) gekühlt.
Die gerade beschriebene Anlage 10 kann vorteilhaft das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchführen, wobei das Verfahren insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst: Mischen und Reagieren eines ersten Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem ersten Strom, der reagierte Gase umfasst, die in der Reaktionskammer 16 zirkulieren, und Mischen eines zweiten Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom in der Mischzone 22 der Reaktionskammer 16, um einen Gasstrom zu erhalten, der sowohl Kohlen wasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst, und Mischen und Reagieren des so erhaltenen Gasstroms in der Reaktionszone 22 mit einem zweiten Strom, der innerhalb der Reaktionskammer 16 zirkulierende, reagierte Gase umfasst, um einen Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfassenden Gasstrom zu erhalten.
Auf diese Weise kann die Herstellung von Ruß unterdrückt oder signifikant abgeschwächt werden, selbst der Betrieb bei niedrigen Temperaturen (unter 1300°C) erfolgt, so dass der Sauerstoffverbrauch in vorteilhafter Weise begrenzt und der Wasserstoff- und Kohlenmonoxidertrag demgemäß verbessert werden kann.
Wie zuvor erwähnt, kann das Verfahren effektiv selbst mit signifikanten Änderungen, die in den Strömungsraten der Reaktionspartnerströme auftreten, durchgeführt werden, ohne dass dadurch die Umwandlungsausbeute negativ beeinflusst wird.
Es ist festzustellen, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Produktion von Ruß vollständig unterdrücken kann, wenn Ströme, die gasförmige Kohlenwasserstoffe umfassen, verwendet werden.
Das Fehlen von Ruß hängt wesentlich von dem Reaktionspartner-Vormisch-Schritt in der Reaktionskammer 16 und daher von der Anwesenheit von freiem Sauerstoff in dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom während des nachfolgenden Mischens mit den heißen zirkulierenden Gasen ab.
Um ein gründliches Mischen der Reaktionspartner und ihre nachfolgende Verbrennung zu fördern, hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom der Reaktionskammer 17 mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 30 bis 300 m/s, vorzugsweise 60 bis 180 m/s, und den freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/s, vorzugsweise 20 bis 60 m/s, zuzuführen.
In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiter die Schrit te des Bewirkens, dass der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom durch das erste Rohr 20 strömt, des Bewirkens, dass der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom durch den ringförmigen freien Raum strömt, der zwischen dem ersten Rohr 20 und dem zweiten Rohr 21 festgelegt wird, des Leitens des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von dem ringförmigen freien Raum zu der Mischzone 22 an einer Stelle nahe einer inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 und des Expandierens und Leitens des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr 20 verlässt, zur inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 in der Mischzone 22.
Auf diese Weise können der freie Sauerstoff und die Kohlenwasserstoffe in geeigneter Weise schnell und effizient vorgemischt werden, während die Kohlenwasserstoffe vor den heißen Gasen, die in der Reaktionskammer 16 zirkulieren, sowie vor der Flamme, die aus dem Kernende des Brenners 17 in der Kammer 16 hervorgeht, geschützt werden.
Wie in der 3 gezeigt ist, umfasst der Brenner 17 vorteilhaft für diesen Zweck – zusätzlich zu den Rohren 20 und 21 – geeignete Mittel zum Leiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von dem ringförmigen freien Raum 31 zu der Mischzone 22 in der Reaktionskammer 17 an einer Stelle nahe der inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 und umfasst geeignete Mittel zum Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr 20 verlässt, zur inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 in der Mischzone 22.
Die 3 ist eine Detailansicht des Brenners 17, insbesondere um den Brennerendabschnitt zu veranschaulichen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In dieser Figur haben baulich und funktional gleichwertige Gegenstände zu den in der 2 gezeigten dieselben Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben.
Es ist zu beachten, dass die Rohre 20 und 21 des Brenners 17 einen hohlen Aufbau für dessen effektivere Kühlung aufweisen, wie nachfolgend beschrieben.
Das Ende des ersten Rohrs 20, der runde Durchflussweg, der in dem ersten Rohr 20 gebildet wird, und der ringförmige freie Raum, der zwischen dem zweiten Rohr 21 und dem ersten Rohr 20 des Brenners 17 begrenzt ist, sind in der 3 durch die Bezugszeichen 28, 29 bzw. 30 angegeben.
Um das Strömen des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms über die innere Wand 27 des zweiten Rohrs 21 an der Mischzone 22 zu beschleunigen, umfassen die Mittel zum Leiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms in vorteilhafter Wiese eine ringförmige Öffnung 31, die dünner als der ringförmige freie Raum 30 ist, der an dem Ende 28 des ersten Rohrs 20 zwischen dem freien Raum 30 und der Mischzone 22 gebildet wird.
Die Mittel zum Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms umfassen vorteilhaft nahe an dem Ende 28 des ersten Rohrs 20 angeordnet einen Teil dieses Rohrs, der sich in geeigneter Weise in Richtung auf die innere Wand 27 des zweiten Rohrs 21 erweitert, um so an diesem Ende 28 eine Gasausströmöffnung 33 zwischen dem Durchflussweg 29 und der Mischzone 22 zu begrenzen, die einen größeren Durchmesser als der Rest des ersten Rohrs 20 hat.
Daher wird der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom in Richtung auf die Wand 27 des zweiten Rohrs 21 abgelenkt und ausgedehnt, wodurch ein optimales Eindringen dieses Stroms in den Kohlenwasserstoffstrom sichergestellt ist.
Der Durchmesser der Öffnung 33 kann zwischen dem 1,25- und 10-Fachen des Durchmessers des ersten Rohrs 20 vor dem Abschnitt 32 betragen, und es sind zufrieden stellende Ergebnisse im Bereich vom 2- bis 4-Fachen erhalten worden.
Wie aus der 3 ersichtlich ist, ist der ausgedehnte Abschnitt 32 des ersten Rohrs 20 vorteilhaft gekrümmt, um eine gesteuerte und so gleichmäßig wie mögliche Expansion des Sauerstoff umfassenden Gasstroms zu ermöglichen, während das Leiten desselben zu der inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 an der Mischzone 22 unterstützt wird.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom vorteilhaft von dem Durchflussweg 29 zu der Mischzone 22 durch die Ausgangsöffnung 33 des ersten Rohrs 20 strömen gelassen. Parallel dazu wird der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom vorteilhaft von dem freien Raum 30 zu der Mischzone 22 durch die ringförmige Öffnung 31 strömen gelassen, die in der Reaktionskammer 16 zwischen dem Ende 28 des ersten Rohrs 20 und dem Ende 34 des zweiten Rohrs 21 in der Nähe seiner inneren Wand 27 begrenzt ist.
Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Abschnitt 32 vorteilhaft kontinuierlich von einer inneren Wand 20A zu einer äußeren Wand 20B des Rohrs 20 in einem konstanten Neigungswinkel von dem Ende der inneren Wand 20A zu dem Ende der äußeren Wand 20B oder vorzugsweise in einem Neigungswinkel, der kontinuierlich von 0° an dem Ende der inneren Wand 20A bis höchstens 90° an dem Ende der äußeren Wand 20B variiert. Daher bildet das Ende der äußeren Wand 20B das Ende 28 des Rohrs 20, und das Ende der äußeren Wand 20B fällt mit dem zylindrischen Ende des Rohrs 20 zusammen.
Diese einzigartige Konfiguration des Abschnitts 32 des Rohrs 20 zum Zuführen des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in die Reaktionskammer 16 ermöglicht, dass die thermische Verschleißrate des Endabschnitts des nahe dem Ende 28 befindlichen Rohrs beträchtlich verlangsamt wird.
Tatsächlich hat eine Studie der Anmelderin gezeigt, dass das Fehlen von jeglichen scharfen Ecken in dem Abschnitt 32, d. h. In dem Abschnitt, der die innere Wand 20A mit der äußeren Wand 20B des Rohrs 20 verbindet, dahingehend wirksam ist, dass die Bildung von Wirbeln oder stehenden Bereichen in dem freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom in diesem Abschnitt 32 verhindert wird, wodurch es vor vorzeitigem thermischem Verschleiß geschützt wird. Im Gegensatz dazu bewegt sich gemäß der Erfindung der Sauerstoff vorteilhaft in einem kontinuierlichen linearen Strom entlang des Abschnitts 32, bevor er das Rohr 20 verlässt, während er vielleicht dessen Oberfläche kühlt.
Insbesondere erfolgt der anfängliche Kontakt des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms, der durch das Rohr 21 strömt, mit dem freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom, der durch das Rohr 20 strömt, vorteilhaft an dem Ende 28 des Rohrs 20.
Es ist zu beachten, dass die mit Sauerstoff gefüllten Rohre des Brenners bei den bekannten Anordnungen eine Lebensspanne von nicht mehr als ein paar Monaten hatten, nach der sie ersetzt werden mussten und als Folge davon die ganze Anlage gestoppt werden musste.
Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist die Lebenserwartung des Endabschnitts von solchen Rohren viel länger und kann mehrere Jahre zwischen dem Austausch betragen, so dass die Anlage über lange Zeiträume hinweg aufeinander folgend betrieben werden kann. Auf diese Weise können die Wartungs- und Betriebskosten für die Anlage sowie die Produktionsverluste reduziert werden.
Insbesondere stellt die gebogene Form des Abschnitts 32 (in der 3 gezeigt) optimale Ergebnisse im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit des Rohrs 20 sicher.
In dieser Hinsicht sind zufrieden stellende Ergebnisse insbesondere durch die Übernahme eines Neigungswinkels von 30° bis 90°, vorzugsweise 45° bis 80°, für den Abschnitt 32 erhalten worden.
Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt des erfindungsgemäßen Brenners wird die Länge der inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 in der Mischzone 22, wie zwischen den entsprechenden Enden 28 und 34 der Rohre 20 und 21 gemessen, durch die Dickendimension (Querschnittsbereich) der ringförmigen Öffnung 31 zwischen den Rohren 20 und 21 eingestellt.
Diese Länge beträgt vorzugsweise 5- bis 15-mal der Dickendimension.
Auf diese Weise ist es möglich, einen gewünschten Betrag an Reaktionspartnervormischung optimal einzustellen (weder zu viel noch zu wenig).
Gemäß einem vorteilhaften weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Brenners hat die innere Wand 27 des zweiten Rohrs 21 an der Mischzone 22 einen Durchmesser, der zum Ende 34 hin zunimmt, so dass die Mischzone 22 eine kgelstumpfförmige Form annimmt.
Insbesondere liegt der Neigungswinkel der inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 in der Mischzone 22 vorteilhaft im Bereich von 0° bis 60°, vorzugsweise 10° bis 30°, von der Längsachse 35.
Die zuvor erwähnte kegelstumpfförmige Form der Mischzone 22, deren größerer Umfang durch die Öffnung 36 des Brenners 17 begrenzt ist und deren kleinerer Umfang durch die innere Wand 27 des zweiten Rohrs 21 an dem Ende 28 des ersten Rohrs 20 begrenzt ist, dient im Wesentlichen der dualen Funktion des Fernhaltens des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von der zentralen Flamme und dem Vergrößern der Breite der inneren Wiedergewinnungszone (Bezugszeichen 2A, 1), um so eine vollständige Stabilisierung (Verwurzelung) für die Flamme zu erreichen.
Der Brenner 17 kann vorteilhaft auch geeignete Mittel zum Drängen des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms einen spiralen Flussweg durch das erste Rohr 20 umfassen, um weiter die Expansion und den Transport dieses Stroms zur inneren Wand 27 des zweiten Rohrs 21 an der Mischzone 22 zu fördern.
In dem Beispiel der 3 umfassen diese Mittel ein oder mehr geeignet geformte Flügelräder 37, die wahlweise in einem Winkel zur Längsachse 35 eingestellt sind und sich in der Nähe des einen Endes von einem stabförmigen Halter befinden, der in der 3 durch das Rohr 38 dargestellt wird, das sich für eine vorbestimmte Länge koaxial durch den Flussweg 29, der durch das Rohr 20 begrenzt ist, erstreckt.
Die Flügelräder 37 sind so geformt, dass sie dem Gasstrom eine gewünschte Wirbelbewegung verleihen. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von solchen Flügelrädern 37 schraubenförmig um das Rohr 38 herum angeordnet.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann es sich bei diesen Mitteln um eine geeignete Formgebung entweder von dem Rohr 20 oder dem Rohr 38 handeln.
In der 3 ist das Rohr 38 offen gezeigt, weil es in vorteilhafter Weise der zusätzlichen Funktion dient, auf einfache, zuverlässige Weise das Steuern des reagiertes Gas umfassenden Gasstroms, der zentral bezüglich der Reaktionskammer 16 zirkuliert, sowie der Flammenverwurzelungsposition zu bieten.
Zu diesem Zweck wird ein Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in einem geraden axialen Strom durch das Innere des Rohrs 38 strömen gelassen, der sich dem reagierten Gasstrom, der durch das zentrale Rohr 20 strömt, entgegenstellt.
Alternativ könnte das Rohr 38 dazu verwendet werden, während der feuerbeständigen Heizstufe in dem Gasgenerator der Kammer 16 Brennstoff zu liefern. Auf diese Weise kann der Brenner 17 vorteilhaft auch für den Gasgeneratorheizbetrieb verwendet werden, was den Bedarf nach einem zusätzlichen, beabsichtigt vorgesehenen Brenner erübrigt.
Bei 38 und 40 sind darüber hinaus Vertiefungen in den Wänden des ersten Rohrs 20 und des zweiten Rohrs 21 zum Eintritt eines flüssigen Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, vorgesehen.
Daher kann die Temperatur der Rohre 20 und 21 insbesondere an ihren Enden 28 und 34 wirksam gesteuert werden, um deren Überhitzen und wahrscheinlich schnelle Zersetzung zu verhindern.
Unter bestimmten Betriebstemperaturzuständen kann diese Kühlung verloren gehen.
Die 4 ist eine Detailansicht eines Brenners gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Figur sind baulich und funktional gleiche Objekte des Brenners 17 zu den in der 3 gezeigten mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform des Brenners 17 wird nun derselbe schützende Effekt, wie er durch die innere Wand 27 des zweiten Rohrs 21 an der Mlschzone 22 (3) vorgesehen ist, durch einen im Wesentlichen ringförmigen Strahl vorgesehen, z. B. einen Edelgasstrom, der außerhalb des Kohlenwasserstoff umfassenden Stroms der Reaktionskammer 16 zugeführt wird.
Dieser zusätzliche oder schützende Strom, wie er in der 4 durch die Pfeile 41 angedeutet ist, ist dahingehend wirksam (ähnlich der Wand 27 in der 3), dass er die Mischzone 22 von dem reagiertes Gas umfassenden Strom (Pfeile 42), der in der peripheren Zone der Reaktionskammer 16 zirkuliert, trennt. Die Pfeile 42 entsprechen den Pfeilen 8B der 1.
Gemäß dieser Ausführungsform werden anstelle des Erhöhens der Länge des zweiten Rohrs 21 bezüglich des ersten Rohrs 20 geeignete Mittel zum Einlassen eines schützenden Gasstroms (Pfeile 41), der vorzugsweise aus Dampf und/oder Edelgasen besteht, vorgesehen.
Zum Beispiel kann es sich bei diesen Einlassmitteln um ein drittes Rohr 43 handeln, das außerhalb und koaxial zu den Rohren 20 und 32 angeordnet ist. Das Bezugszeichen 44 bezeichnet einen ringförmigen freien Raum, der zwischen dem dritten Rohr 43 und dem zweiten Rohr 21 des Brenners 17 begrenzt ist.
Gemäß dem Verfahren dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Gasstrom, der Dampf und/oder Edelgase umfasst, durch das Rohr 43 strömen gelassen, um in die Reaktionskammer 16 in Form eines im Wesentlichen ringförmigen Strahls, der eine Mischzone 22 in seinem Inneren begrenzt, einzutreten. Gleichzeitig wird der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom durch den Flussweg 29 zu der Mischzone 22 über die Ausgangsöffnung 33 des ersten Rohrs 20 strömen gelassen, und parallel dazu wird der Kohlenwasserstoff um fassende Gasstrom durch den freien Raum 30 zu der Mischzone 22 über die ringförmige Öffnung 31, die zwischen dem Ende 28 des ersten Rohrs 20 und dem Ende 34 des zweiten Rohrs 21 begrenzt ist, strömen gelassen.
Das Verfahren zur Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen und insbesondere das Vormischen in der Zone 22 des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms mit einem zweiten Abschnitt des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in einem Zustand der Kontaktlosigkeit mit den heißen Gasen, die in der Reaktionskammer 16 zirkulieren, wird auf ähnliche Weise durchgeführt und bietet dieselben Vorteile, wie oben in Bezug auf die vorherigen Figuren erörtert.
In dem Beispiel der 4 hat der Gasstrom 41, der Dampf und/oder Edelgase umfasst, indem der über die äußere Wand des Rohrs 21 strömt, in vorteilhafter Weise eine kühlende Wirkung auf dieses Rohr, insbesondere an dessen Ende. Demgemäß kann das Rohr 21 massiv anstatt hohl aufgebaut sein, wie in der 3 gezeigt ist.
Die vielfältigen Vorteile, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung bietet, werden in der vorstehenden Beschreibung voll gewürdigt; insbesondere kann eine Reaktion der Teiloxidation der Kohlenwasserstoffe durchgeführt werden:

– bei vollständigem Fehlen von Ruß für gasförmige Kohlenwasserstoffe mit einer vereinfachten, das Verfahren durchführenden Anlage;
– mit einer drastischen Reduzierung des Rußes in dem Fall der flüssigen oder festen Kohlenwasserstoffe;
– bei geringen Sauerstoffverbrauchsraten und einer hohen Ausbeute der Umwandlung zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid pro Einheit verbrannten Kohlenwasserstoffs; und
– mit längeren Lebenserwartungen für die Brenner.

Claims

Verfahren zur Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen, dass die Schritte umfasst: – Zuführen eines Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms in eine Reaktionskammer; – Zuführen eines freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in diese Reaktionskammer; dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: – Mischen und Reagieren eines ersten Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einen ersten Strom, der innerhalb der Reaktionskammer zirkulierendes reagiertes Gas umfasst; – Mischen eines zweiten Teils des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom in der Reaktionskammer, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst; – Mischen und Reagieren des Gasstroms, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise zusammengemischt umfasst, mit einen zweiten Strom, der innerhalb der Reaktionskammer zirkulierende, reagierte Gase umfasst, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom und der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom in die Reaktionskammer als entsprechende, im Wesentlichen ringförmige, zueinander koaxiale Strahlen zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom zum Strömen außerhalb des – und bevorzugt mit einer höheren Geschwindigkeit als – der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms von 10 bis 90% des Stroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms, der in die Reaktionskammer eingeführt wird, im Bereich von 30 bis 300 m/s, bevorzugt 60 bis 180 m/s, liegt und dass die Geschwindigkeit des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der in die Reaktionskammer eingeführt wird, im Bereich von 10 bis 100 m/s, bevorzugt von 20 bis 60 m/s, liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: – Bewirken, dass der freie Sauerstoff umfassende Gasstrom durch ein erstes, im Wesentlichen zylindrisches, Rohr von vorbestimmter Länge eines Brenners, das sich in die Reaktionskammer erstreckt, fließt; – Bewirken, dass der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom durch einen, im Wesentlichen ringförmigen, freien Raum fließt, der zwischen dem ersten Rohr und einem zweiten, zum ersten koaxialen, äußeren Rohr, festgelegt wird, wobei das zweite Rohr länger als das erste Rohr ist und innerhalb der Reaktionskammer – zwischen einem Ende des zweiten Rohrs und einem Ende des ersten Rohrs – eine Mischzone für den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom und den freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom festlegt; – Leiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von dem im Wesentlichen ringförmigen freien Raum zu einem Bereich der Mischzone, der nahe an der inneren Wand des zweiten Rohrs liegt; – Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr verlässt, zur inneren Wand des zweiten Rohrs in der Mischzone, um einen ersten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem ersten Strom, der innerhalb und in einer zentralen Zone der Reaktionskammer zirkulierende reagierte Gase umfasst, zu mischen und zu reagieren, und um einen zweiten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom zu mischen, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: – Bewirken, dass der den freien Sauerstoff umfassende Gasstroms durch ein erstes, im Wesentlichen zylindrisches Rohr von vorbestimmter Länge eines Brenners, das sich in die Reaktionskammer erstreckt, strömt; – Bewirken, dass der den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom durch einen im Wesentlichen ringförmigen freien Raum strömt, der zwischen dem ersten Rohr und einem zweiten äußeren, zum ersten koaxialen, Rohr festgelegt wird; – Bewirken, dass ein Gasstrom, der Dampf und/oder inerte Gase umfasst, durch einen im Wesentlichen ringförmigen freien Raum strömt, der zwischen dem zweiten Rohr und einem dritten, zum zweiten koaxialen, äußeren Rohr festgelegt ist; – Zuführen des Gasstroms, der Dampf und/oder inerte Gase umfasst, in die Reaktionskammer als ein im Wesentlichen ringförmiger Strahl, der eine Mischzone in seinem Inneren für den Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom und den freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom festlegt; – Leiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom von dem im Wesentlichen ringförmigen freien Raum zu einem Bereich der Mischzone, der nahe des im Wesentlichen ringförmigen Strahls des Gasstroms liegt, der Dampf und/oder inerte Gase umfasst; – Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr verlässt, zum im Wesentlichen ringförmigen Strahl des Gasstroms, der Dampf und/oder inerte Gase in der Mischzone umfasst, um einen ersten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem ersten Strom, der innerhalb und in einer zentralen Zone der Reaktionskammer zirkulierende, reagierte Gase umfasst, zu mischen und zu reagieren und einen zweiten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom zu mischen, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der den freien Sauerstoff umfassende Gasstrom entlang eines spiralförmigen Flussweges durch das erste Rohr geströmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom vom Ende des ersten Rohrs vorwärts in Kontakt gebracht wird.
Brenner für eine Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen umfassend: – ein erstes, im wesentlichen zylindrisches Rohr (20) von vorbestimmter Länge, das in seinem Inneren einen kreisförmigen Durchflussweg (29) zum Zuführen eines freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in eine Reaktionskammer (16) außerhalb des Brenners festlegt; – ein zweites Rohr (21), außerhalb von und koaxial zu, aber länger als das Erste, das einen im Wesentlichen ringförmigen freien Raum (30) in seinem Inneren zwischen den Rohren (20, 21) festlegt, zum Zuführen eines Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms in die Reaktionskammer (16); dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: – eine Mischzone (22), worin der Kohlenwasserstoff umfassende Gasstrom mit dem freien Sauerstoff umfassenden Gasstrom gemischt wird, die zwischen den entsprechenden Enden (28, 34) des ersten und zweiten Rohrs (20, 21) festgelegt ist; – Mittel (31) zum Zuleiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms von dem im Wesentlichen ringförmigen freien Raum (30) zu einem Bereich der Mischzone (22), der nahe an der inneren Wand (27) des zweiten Rohrs (21) liegt; – Mittel (32) zum Expandieren und Zuleiten des den freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr (29) verlässt, zur inneren Wand (27) des zweiten Rohrs (21) in der Mischzone (22), um einen ersten Teil des den freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem ersten Strom, der innerhalb und in einer zentralen Zone der Reaktionskammer zirkulierende reagierte Gase umfasst, zu mischen und zu reagieren und um einen zweiten Teil des den freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom zu mischen, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst.
Brenner für die Teiloxidation von Kohlenwasserstoffen umfassend: – ein erstes, im Wesentlichen zylindrisches Rohr (20) von vorbestimmter Länge, das in seinem Inneren einen kreisförmigen Durchflussweg (29) zum Zuführen eines freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in eine Reaktionskammer (16) außerhalb des Brenners festlegt; – ein zweites Rohr (21), außerhalb von und koaxial zum ersten Rohr (20), das einen im Wesentlichen ringförmigen freien Raum (30) in seinem Inneren zwischen den Rohren (20, 21) zum Zuführen eines Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstroms in die Reaktionskammer (16) festlegt; dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: – ein drittes Rohr (43) außerhalb von und koaxial zum zweiten Rohr (21), das einen im Wesentlichen ringförmigen freien Raum (44) in seinem Inneren zwischen dem zweiten und dem dritten Rohr (21, 43) zum Zuführen eines Gasstroms in die Reaktionskammer, der Dampf und/oder inerte Gase umfasst, festlegt; – Mittel (32) zum Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms, der das erste Rohr (20) verlässt, zum Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom, der das zweite Rohr (21) verlässt, um einen ersten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit einem erstem Strom, der innerhalb und in einer zentralen Zone der Reaktionskammer zirkulierende reagierte Gase umfasst, zu mischen und zu reagieren und um einen zweiten Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms mit dem Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom zu mischen, wobei ein Gasstrom erhalten wird, der sowohl Kohlenwasserstoffe als auch freien Sauerstoff zumindest teilweise miteinander vermischt umfasst.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (31) zum Leiten des Kohlenwasserstoff umfassenden Gasstrom eine ringförmige Öffnung (31) umfassen, die dünner als der ringförmige freie Raum (30) ist und nahe des Endes (28) des ersten Rohrs (20) zwischen dem freien Raum (30) und der Mischzone (22) festgelegt ist.
Brenner nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32) zum Expandieren und Leiten des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms in der Nähe zum Ende (28) des ersten Rohrs (20) einen Teil (32) des letzteren umfassen, der zur inneren Wand (27) des zweiten Rohrs (21) so aufgebläht ist, dass an diesem Ende (28) eine Gasausgangsöffnung (33), die einen größeren Durchmesser als der Rest des ersten Rohres (20) hat, festgelegt wird.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Gasausgangsöffnung (33) 1.25- bis 10-fach, bevorzugt 2- bis 4-fach, der Durchmesser des ersten Rohrs (20) stromaufwärts von dem Teil (32) ist.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeblähte Teil (32) des ersten Rohrs (20) gewölbt ist.
Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeblähte Bereich (32) sich kontinuierlich erstreckt von einer inneren Wand (20A) des Rohrs (20) zu einer äußeren Wand (20B) davon mit einem konstanten Neigungswinkel zwischen einem zylindrischen Ende der inneren Wand (20A) und einem Ende (28) der äußeren Wand (20B) oder, alternativ, mit einem Neigungswinkel, der kontinuierlich zwischen 0° am zylindrischen Ende der inneren Wand (20A) bis zu 90° am Ende (28) der äußeren Wand (20B) variiert.
Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel des aufgeblähten Teils (32) im Bereich von 30° bis 90°, bevorzugt 45° bis 80° ist.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der inneren Wand (27) des zweiten Rohrs (21) in der Mischzone (22) 5 bis 15 mal dicker als die ringförmige Öffnung (31) zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr (20, 21) ist.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand (27) des zweiten Rohrs (21) in der Mischzone (22) eine kegelstumpfförmige Form mit zu ihrem Ende (34) hin zunehmenden Durchmesser hat.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der inneren Wand (27) des zweiten Rohrs (21) in der Mischzone (22) im Bereich von 0° bis 60°, bevorzugt von 10° bis 30° von der Längsachse ist.
Brenner nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass er ein weiteres Rohr (38) innerhalb von und koaxial zu, aber kürzer als das erste Rohr umfasst, das in seinem Inneren einen Durchflussweg zum Einführen eines Teil des freien Sauerstoff umfassenden Gasstroms entlang eines rein axialen Strömungsweges in die Reaktionskammer (16) festlegt.
Verwendung eines Brenners, wie in Anspruch 21 beansprucht, zum Vorheizen der Reaktionskammer eines Gasgenerators, wobei das innere Rohr (38) zum Einführen eines Brennstoff umfassenden Stroms in die Reaktionskammer verwendet wird.