WO2012084129A1

WO2012084129A1 - Brennerbefeuerter reaktor

Info

Publication number: WO2012084129A1
Application number: PCT/EP2011/006109
Authority: WO
Inventors: Ulrich Lahne; Michael Nold
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2013-06-21
Also published as: DE102010055453A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor (1) mit einem Feuerraum (2) und darin angeordneten Reaktorrohren (4) sowie wenigstens zwei Brennern (11, 12) zur Befeuerung des Feuerraums (2). Die Brenner (11, 12) sind mit im Wesentlichen parallel ausgerichteten Brennerachsen (8) und gegensinniger Orientierung an zwei sich gegenüber liegenden Wänden (6, 7) des Feuerraums (2) angeordnet.

Description

Beschreibung,

Brennerbefeuerter Reaktor

Die Erfindung betrifft einen Reaktor mit einem Feuerraum und darin angeordneten Reaktorrohren sowie wenigstens zwei Brennern zur Befeuerung des Feuerraums.

Derartige Reaktoren, die seit vielen Jahren Stand der Technik sind, werden in der Industrie zur Durchführung endotherm ablaufender Reaktionen eingesetzt. Sie weisen gewöhnlich einen Behälter auf, der zur Wärmeisolierung mit einer aus mehreren Schichten aufgebauten feuerfesten Innenauskleidung versehen ist, die einen

Feuerraum umschließt. Für große Produktionsleistungen sind sie vorzugsweise in Kastenbauweise ausgeführt; für kleine Kapazitäten ist auch die Topfform Stand der Technik. Bei einem in Kastenbauweise ausgeführten Reaktor ergibt sich ein

Feuerraum, der die Form eines geraden Prismas mit rechteckiger Grundfläche aufweist, während die Topfform zu einem zylindrischen Feuerraum führt. Der

Feuerraum ist von Reaktorrohren durchzogen, in denen die endothermen Reaktionen ablaufen, und denen Einsatzstoffe kontinuierlich zugeführt werden können.

Normalerweise verlaufen die Reaktorrohre waagrecht oder senkrecht durch den Feuerraum und sind in Reihen angeordnet. Die für die Aufrechterhaltung der endothermen Reaktionen erforderliche Energie wird über Brenner zugeführt, die an Wänden des Feuerraums angeordnet sind. Je nachdem, an welcher Wand des

Feuerraums sich die Brenner befinden, unterscheidet man zwischen boden-, decken- und seitengefeuerten Reaktoren. Die Rauchgase, die entlang der Reaktorrohre geführt werden, übertragen auf einer relativ kurzen Strecke einen Großteil der für die endothermen Reaktionen benötigten Wärme sehr effektiv durch Gasstrahlung auf die Reaktorrohre. Bei seitengefeuerten Reaktoren werden Brenner verwendet, die aufgrund der von ihnen erzeugten Flammenformen die Seitenwände des Feuerraums erhitzen. Die Wärmeübertragung auf die Reaktorrohre erfolgt in diesen Fällen vorwiegend durch die Strahlung der heißen Feuerraumwände. Nach ihrem Abzug aus dem Feuerraum wird den abgekühlten Rauchgasen in Wärmetauschern weiter Energie entzogen und z. B. für die Vorwärmung der Einsatzstoffe und/oder zur Erzeugung von Prozessdampf genutzt, so dass sie schließlich mit einer Temperatur von lediglich ca. 200°C über einen Kamin aus der Anlage geleitet werden. Beispiele für solche

Reaktoren sind Reformer, die zur großtechnischen Dampfreformierung kurzkettiger Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Durch Optimierung von Katalysatormenge, Wärmeübertragungsfläche und Druckverlust ergeben sich Rohre von mehr als 10m, was eine Feuerraumgeometrie mit einem großen Verhältnis von Höhe zu Breite bedingt.

Die Reaktorrohre sind während des Betriebs eines derartigen Reaktors erheblichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, da sie in dem sich ausbildenden inhomogenen Temperaturfeld in Quer- und Längsrichtung sehr unterschiedlich thermisch belastet werden. Um die mechanischen Beanspruchungen zu minimieren und die Lebensdauer der Reaktorrohre zu erhöhen, werden die Reaktoren daher mit einer großen Zahl von Brennern ausgeführt, da sich die Inhomogenität des

Temperaturfeldes mit steigender Brennerzahl verringert. Die hohe Brennerzahl wirkt sich jedoch ungünstig auf die Investitionskosten aus und vergrößert die Störanfälligkeit des Reaktors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Reaktor der gattungsgemäßen Art anzugeben, der geeignet ist, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brenner mit im Wesentlichen parallel ausgerichteten Brennerachsen und gegensinniger Orientierung an zwei sich gegenüber liegenden Wänden des Feuerraums angeordnet sind.

Unter der Brennerachse ist dabei eine Linie zu verstehen, entlang der sich die Flamme eines Brenners ohne den Einfluss der Auftriebeskraft ausbreiten würde. Gewöhnlich fällt die Brennerachse mit der Längsachse eines am Kopf des Brenners angebrachten Rohres (Brennerohr) zusammen, durch das Brennstoff und Oxidationsmittel der Reaktionszone zugeleitet werden können. Der Orientierung eines Brenners entspricht die Strömungsrichtung der durch das Brennerrohr strömenden Medien. Dass die im Brenner mit im Wesentlichen parallel ausgerichteten Brennerachsen angeordnet sind, ist so zu verstehen, dass Abweichungen von der Parallelität von bis zu 10° zulässig sind.

Sämtliche Brenner sind so angeordnet, dass die von ihnen erzeugbaren heißen Rauchgase in den Feuerraum entlassen werden. Da die Brenner an zwei sich gegenüberliegenden Wänden des Feuerraums angeordnet sind, können sich ihre Rauchgasströme gegenseitig stark beeinflussen, so dass eine intensive Durchmischung der Feuerraumatmosphäre und damit ein weitgehend homogenes Temperaturfeld im Feuerraum erreichbar ist. Die Brenner können prinzipiell in beliebiger Konfiguration an den Wänden des

Feuerraums angeordnet sein. Ausgenommen sind jedoch alle Konfigurationen, die zur Folge haben, dass während des Reaktorbetriebs ein Reaktorrohr einer direkten Flammeneinwirkung ausgesetzt ist. Vorzugsweise ist entlang einer Brennerachse genau ein Brenner angeordnet.

Die Anzahl der an einer Wand des Feuerraums angeordneten Brenner kann verschieden sein von der Anzahl der Brenner, die an der gegenüberliegenden Wand angeordnet sind. Bevorzugt sind jedoch an jeder der beiden Wände gleich viele Brenner angeordnet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Reaktor als seitengefeuerter Reaktor ausgeführt, wobei wenigstens ein Brenner an einer der Seitenwände des Feuerraumes angeordnet ist, während sich zumindest ein zweiter Brenner an einer dieser gegenüber liegenden Seitenwand befindet. Vorzugsweise sind die Brenner jedoch auf Decke und Boden des Feuerraumes verteilt, so dass zumindest ein Brenner an der Decke und wenigstens ein weiterer Brenner am Boden des Feuerraums angeordnet ist.

Häufig sind die Reaktorrohre in einer oder mehreren Rohrreihen im Feuerraum des Rektors angeordnet, wobei die Achsen der Reaktorrohre einer Rohrreihe alle in derselben als Rohrebene bezeichneten Ebene liegen. Bevorzugt erstreckt sich eine

Rohrebene in einem in Kastenbauweise ausgeführt Reaktor parallel zu einer Wand des Feuerraums, während sie in einem Topfform aufweisenden Reaktor so angeordnet ist, dass die Achse des zylindrischen Feuerraums in der Rohrebene liegt. Andere

Anordnungen von Rohrreihen sind jedoch nicht ausgeschlossen. Sinnvollerweise ist ein an einer Wand des Feuerraums angeordneter Brenner so ausgerichtet, dass seine Brennerachse parallel zu einer Rohrebene und parallel oder senkrecht zu den Achsen der Reaktorrohre in einer Rohrebene verläuft. Dabei sind Abweichungen von der oder den Parallelen und/oder der Senkrechten von bis zu 10° erlaubt. Mehrere an einer Wand des Feuerraums angeordnete Brenner können zu einer Brennerreihe zusammengefasst sein, wobei die Achsen der Brenner einer

Brennerreihe alle in derselben als Brennerebene bezeichneten Ebene liegen.

Vorzugsweise ist eine Brennerebene mit einer Abweichung von bis zu 10° parallel oder senkrecht zu einer Rohrebene angeordnet.

Insbesondere im zylindrischen Feuerraum eines Topfform aufweisenden Reaktors können Reaktorrohre parallel zur Feuerraumachse orientiert und symmetrisch zu dieser angeordnet sein. Zweckmäßigerweise werden in einem solchen Fall Brenner an einer Wand des Feuerraums auf einem als Brennerkreis bezeichneten Kreis angeordnet, wobei sich der Mittelpunkt des Brennerkreises auf der Feuerraumachse befindet, zu der die Brennerachsen parallel gerichtet sind, so dass die Brennerachsen auf einer Zylinderfläche liegen. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zu Brennern, die an einer Wand des Feuerraums in einer Brennerreihe oder einem Brennerkreis angeordnet sind, sich auf der gegenüberliegenden Wand des Feuerraums ein oder mehrere Brenner befinden, wobei die Brennerachsen aller dieser Brenner in derselben Brennerebene bzw. auf derselben Zylinderfläche liegen. Vorzugsweise ist die Anzahl der in einer

Brennerebene oder auf einer Zylinderflächen liegenden Brenner auf jeder der beiden gegenüberliegenden Wände des Feuerraums gleich, so dass sich zwei Brennerreihen bzw. Brennerkreise mit jeweils der gleichen Anzahl von Brennern ergeben. Besonders bevorzugt verläuft zwischen den Brennerachsen von jeweils zwei in einer der beiden Brennerreihen bzw. Brennerkreise benachbarten Brennern genau eine Brennerachse, die zu einem Brenner aus der gegenüberliegenden Brennerreihe bzw. dem

gegenüberliegenden Brennerkreis gehört. Dabei können die Abstände zwischen den Brennerachsen gleich oder unterschiedlich sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Brenner derart an Wänden des Feuerraums angeordnet, dass sich mehr als eine Brennerebene bzw. Zylinderfläche ergibt. Insbesondere sind Brenneranordnungen vorgesehen, bei denen wenigstens zwei Brennerebenen parallel sowohl zueinander als auch zu einer oder mehreren Rohrreihen angeordnet sind. Die Brenner in zwei benachbarten Brennerreihen können in gleicher oder unterschiedlicher Art angeordnet sein. Vorzugsweise sind in zwei benachbarten parallelen Brennerebenen gleich viele Brenner angeordnet. Zeckmäßigerweise ist zu jedem Brenner in einer Brennerebene ein Brenner mit gleicher oder entgegen gesetzter Orientierung in der zweiten Brennerebene so angeordnet, dass die Achsen der beiden Brenner durch eine senkrecht zu den Beiden parallelen Brennerebenen verlaufende Linie verbindbar sind.

Für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Reaktor kommt eine Vielzahl von Brennertypen infrage. Vorzugsweise sind an den Wänden des Feuerraums jedoch gas- oder ölbefeuerte Hochgeschwindigkeitsbrenner angeordnet. Besonders vorteilhaft kommen solche Brenner zum Einsatz, die in einem flammenlosen Modus betrieben werden können, in dem bei Feuerraumtemperaturen oberhalb der Zündgrenze des Brennstoffs keine sichtbare Flamme entsteht.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematiscti dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt in der Ansicht a einen Längs- und in der Ansicht b einen Querschnitt durch einen in Kastenbauweise ausgeführten Reaktor mit einer Rohrreihe.

Der in Figur 1 dargestellte Reaktor 1 weist einen Feuerraum 2 in Form eines geraden Prismas mit rechteckiger Grundfläche auf. Der Feuerraum 2 wird von senkrechten, in einer Rohrreihe 3 angeordneten Reaktorrohren 4 durchzogen, die sich parallel zu den Seitenwänden 5 erstreckt. Am Boden 6 und an der Decke 7 des Feuerraums 2 befinden sich Brenner, deren parallele Brennerachsen 8 parallel in zwei

Brennerebenen liegen. Die beiden Brennerebenen sind sowohl zueinander als auch zu den Reaktorrohren 4 parallel ausgerichtet und umfassen jeweils acht Brenner, von denen vier als Bodenbrenner 11 am Boden 6 und vier als Deckenbrenner 12 an der Decke 7 des Feuerraums 2 angeordnet sind. Die dargestellten Abstände der

Brennerachsen 8 sind in beiden Brennerebenen alle gleich; unterschiedliche Abstände sind jedoch nicht ausgeschlossen. Benachbarte Brenner in einer Brennerebene haben entgegengesetzte Orientierungen. Zu jedem Brenner in einer Brennerebene ist ein Brenner in der parallelen Brennerebene so angeordnet, dass die Achsen der beiden Brenner durch eine senkrecht zu den beiden parallelen Brennerebenen verlaufende Linie verbindbar sind, wobei die beiden Brenner vorzugsweise unterschiedliche Orientierungen aufweisen.

Claims

Patentansprüche

1. Reaktor mit einem Feuerraum und darin angeordneten Reaktorrohren sowie

wenigstens zwei Brennern zur Befeuerung des Feuerraums, dadurch

gekennzeichnet, dass die Brenner mit im Wesentlichen parallel ausgerichteten Brennerachsen und gegensinniger Orientierung an zwei sich gegenüber liegenden Wänden des Feuerraums angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer

Brennerachse genau ein Brenner angeordnet ist.

3. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Wand des Feuerraum gleich oder unterschiedlich viele Brenner angeordnet sind wie an der gegenüberliegenden Wand.

4. Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Brenner am Boden oder an der Decke des Feuerraums angeordnet ist.

5. Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Brenner an einer Seitenwand des Feuerraums angeordnet ist.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einer Wand des Feuerraums angeordneter Brenner so ausgerichtet ist, dass seine Brennerachse parallel zu einer Rohrebene und parallel oder senkrecht zu den Achsen der Reaktorrohre in einer Rohrebene verläuft.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

mehrere an einer Wand des Feuerraums angeordnete Brenner zu einer

Brennerreihe zusammengefasst sind, wobei die Achsen der Brenner einer Brennerreihe alle in derselben Brennerebene liegen.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Brennerreihe an einer Wand des Feuerraums auf der gegenüberliegenden Wand des Feuerraums ein oder mehrere Brenner angeordnet sind, wobei die Brennerachsen aller dieser Brenner in derselben Brennerebene liegen.

9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest zwei parallele Brennerebenen aufweist, wobei zu jedem Brenner in einer Brennerebene ein Brenner mit gleicher oder entgegen gesetzter Orientierung in der parallelen Brennerebene so angeordnet, dass die Achsen der beiden Brenner durch eine senkrecht zu den beiden parallelen Brennerebenen

verlaufende Linie verbindbar sind.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Brennern um gas- oder ölbefeuerte Hochgeschwindigkeitsbrenner handelt, die entweder mit sichtbarer Flamme oder im flammenlosen Modus betrieben werden können.