WO2014044518A1 - Verfahren zur beeinflussung der wärmestromdichte an den wänden der reaktionsrohre in einem reformer - Google Patents

Verfahren zur beeinflussung der wärmestromdichte an den wänden der reaktionsrohre in einem reformer Download PDF

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Thore Lohmann
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ThyssenKrupp Uhde GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a device for carrying out the method.
  • Another known method to improve the flow and temperature conditions is to increase the air velocity in the outer burners.
  • the combustion air is also fed substantially downwards, usually divided into the so-called primary air, which flows around the fuel nozzles in the burners, and the secondary air, which later mixed with the fuel gas or the flame.
  • fuel gas is preferably fed through a plurality of nozzles obliquely downwards, wherein preferably additionally relatively small fuel nozzles, which provide a stable pilot flame within the burner. ners are used.
  • the obliquely downwardly fed gas jets are mixed and ignited in the burner near zone with the downwardly flowing air.
  • a mass mixing ratio of air / gas of about 20 is required, the direction of the burning gas jets depending on the mixing ratio air / fuel gas.
  • the obliquely downwardly directed fuel gas jets cause a vacuum below the burner head which contracts the oblique downward jets in the burner near zone, forming a round downward jet.
  • the z. As fuel gas is in the reformers in the process of the type mentioned natural gas or a mixture of natural gas and process gases, the z. As H 2 , CO, C0 2 and hydrocarbons used. When these gases are burned in the air, the flame temperature is usually in the range between 1500 and 2200 ° C. Such hot flames must not flow directly to the reaction tubes, so that the reaction tubes and the catalyst are not destroyed by overheating. In order for the hot flames in the ceiling-fired reformers to cool rapidly and without contact with reaction tubes, usually fast, downwardly directed jet flames are used midway between the heated reaction tubes. The flame temperature is thereby reduced predominantly by suction of the colder gases from the environment.
  • the negative pressure in the vicinity of the flames causes the intake and contraction of the adjacent flames, which in turn hot strands and cold circulation areas are formed.
  • the distribution of the heat flow in the furnace space depends on the height of the reformer.
  • the hydrogen reformers naturally gas is decomposed into H 2 and CO
  • reformers for dehydrogenation of hydrocarbons are usually much higher than reformers for dehydrogenation of hydrocarbons.
  • the flames spread in the upper Half of it, so that the lower half is flowed through evenly in the ideal case.
  • the maximum heat flux density occurs approximately at the point where the propagating gas jets reach the reaction tubes, i. E. typically at a distance from the ceiling of 0.3 to 0.5 of the total height.
  • the flames flow to the bottom of the reformer or to the roof of the exhaust tunnel, where they are deflected towards the reaction tubes.
  • the maximum heat flux density is to be expected in the lower half of the reaction tubes.
  • the invention provides that both a part of the fuel gas, which is greater than 60%, and a part of the air, which is greater than 60%, in each case at an angle of at least 30 ° relative to the vertical in the furnace chamber is fed.
  • a basic idea of the invention is not to direct the downward flow of hot gases produced by combustion as fast gas jets through the middle between reaction tubes, but more slowly into the environment of the reaction tubes or in cross section and in co-current with the reformed gas. As a result, below the burners, there are no fast downward flames that attract each other. This avoids concentrated hot strands and colder circulation areas and temperature imbalances.
  • the method according to the invention also ensures that at least a portion of the hot gases flows first downwards in the direction of the reaction tubes and then along the reaction tubes, in direct current with the process gas within the tubes. Since the concentration of the reagents, the rate of endothermic reactions and the absorption capacity of the heat at the beginning of the tubes are particularly high, this area can be heated very intensively, without overheating of the catalyst.
  • the gas flowing down along the reaction tubes cools down, so that the heat flow density is reduced with the length of the reaction tubes, whereby overheating in the further course of the tube is likewise prevented.
  • a further advantage of the invention is that bundling is prevented by producing no fast individual flames, but wide and much slower flames, which mainly suck in their own exhaust gases.
  • An advantageous development of the invention provides that the part of the injected air is fed at a different angle than the fuel gas in the furnace chamber, wherein the proportion of the air is changed. By changing the proportion of air, the axial distribution of the heat flow density can be adjusted to the reaction tubes.
  • a practicable variant of the invention provides that the fuel gas and the air are deflected below the burner. The deflection also achieves an advantageous flow distribution in the furnace chamber.
  • the shape of the flames resulting from the combustion is changed.
  • the flame shape is to be adapted such that the temperature is lowered in the upper region of the reaction tube and increased in the lower region of the reaction tube.
  • the distribution of the fuel gas injected at different angles and the air can be changed, for example by the proportion of obliquely fed air, e.g. is lowered from 100% to 80% to the vertical from 100% to 80% at an angle of 40 ° air and the remaining 20% air is fed in vertically.
  • the deflection of the fuel gas or the air in the burner can be changed by lowering the position of deflection surfaces, which are hit by the fuel gas and the air, in the burner.
  • Fig. 1a and b show a method according to the invention, which is shown in a device designed as a reformer, wherein the device is shown in a side view and in a plan view, and
  • FIG. 2 shows a section of the device from FIG. 1 with burner-near.
  • the device 1 has a furnace chamber 5 enclosed by a circumferential furnace wall and is equipped with a plurality of burners 6 arranged in rows and a plurality of vertical, parallel reaction tubes 2.
  • the fuel feed takes place through a plurality of separate nozzles of the burner 6.
  • the furnace roof 7 represents an end face of the furnace chamber 5.
  • the process begins with the supply of both a portion of the fuel gas 8 and a portion of the air 9, in each case at an angle aa 2 , which is at least 30 ° relative to the vertical 10 of the furnace roof 7 in the furnace chamber 5.
  • the air 9 is fed obliquely downward through a correspondingly arranged gap or more openings in the furnace chamber 5.
  • nozzles or columns for gas and air feed can be arranged in the burner head in several levels and aligned differently, so that both the majority of the fuel gas 8 and the majority of the air 9 in a significantly different from the vertical 10 Direction flows into the furnace chamber 5.
  • the combustion of the fuel gas 8 in air 9 resulting hot exhaust gases 13 flow through the furnace chamber 5 along the reaction tubes 2 in the downward direction.
  • the exhaust gases 13 cool down and flow between the reaction tubes 2 in the upper region of the furnace chamber 5.
  • a corresponding heat demand is transmitted to the reaction tubes 2.
  • the hot exhaust gas 13 heats the catalyst tubes filled with reaction tubes 2, which are acted upon from above with hydrocarbon-containing gas and water vapor.
  • an endothermic removal of the hydrogen from the hydrocarbons is effected by the heating of the flames and hot exhaust gases at an outlet pressure in the furnace chamber of over 200 kPa by the catalyst.
  • the hot exhaust gas 13 is carried down from the furnace chamber 5.
  • the exhaust passage 11, through the opening 12, the exhaust gas 13 is derived from the furnace chamber 5.
  • the gas throughput is 500 kW.
  • the fuel gas 8 is fed at an angle Ch of 50 ° in the furnace chamber 5.
  • the feeding of the air 9 at a speed of 20 m / s takes place at an angle a 2 of 40 °, so that an average angle of 45 ° results in the feed.
  • the burner 6 consumes 20 kg of air per 1 kg of fuel gas 8 in a stoichiometric combustion.
  • the initial diameter d 0 of the jet of the exhaust gas 13 can be given as 62 mm.
  • Such a dimensioned jet of hot exhaust gas 13 sucks gas from his Environment having a temperature T u of 900 ° C.
  • the cooling caused by the suction of the surrounding gas can be estimated using the known free-jet formulas.
  • T x of the jet of exhaust gas 13 via the equation
  • the distance x can in turn be determined by geometric considerations.
  • the distance d between tube row and burner 6, the average angle ⁇ and the angle ß between distance d and the direction r of the beam is taken into account.
  • the selected parameters can be the basis for a proven heat and power distribution or heat transfer.
  • 6 deflecting surfaces 14 are arranged below the burner to deflect in particular vertically fed into the furnace chamber 5 and fed fuel gas 8 to achieve a deviating from the vertical 10 of the furnace roof 7 extending flow direction of the air 9 and the fuel gas 8.
  • the average angle ⁇ for all media fed through the burner 6 can also be calculated using momentum equations using the horizontal and vertical velocity components in the momentum equation: w n
  • the average angle ⁇ is at least 20 ° and at most 70 °.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Wärmestromdichte an Wänden von Reaktionsrohren (2) in einem Reformer (3), in den Brenngas (8) und Luft (9) eingespeist wird, wobei der Reformer (3) mit einem von einer umlaufenden Ofenwand umschlossenen Ofenraum (5) sowie mindestens einem Brenner (6) an der Ofendecke (7) und einer Mehrzahl von vertikalen, parallelen Reaktionsrohren (2) versehen ist, wobei heißes Abgas (13) nach unten aus dem Ofenraum (5) ausgeführt wird und dabei die mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre (2) beheizt, die von oben mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas und Wasserdampf beaufschlagt werden, wobei in den Rohren (12) durch den Katalysator eine endotherme Abspaltung des Wasserstoffes aus den Kohlenwasserstoffen durch die Beheizung durch die entstehenden Flammen und heißen Abgase (13) bei einem Austrittsdruck im Ofenraum (5) von über 200 kPa bewirkt wird. Um das Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die Wärmeverteilung in dem Ofenraum (5) und der Wärmeübertrag auf die Reaktionsrohre (2) stark verbessert wird, sieht die Erfindung vor, dass sowohl ein Teil des Brenngases (8), der größer 60 % ist, als auch ein Teil der Luft (9), der größer 60 % ist, je in einem Winkel von wenigstens 30° bezogen auf die Vertikale (10) der Ofendecke (7) in den Ofenraum (5) eingespeist wird.

Description

Verfahren zur Beeinflussung der Wärmestromdichte an den Wänden der Reaktionsrohre in einem Reformer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der EP 1 085 261 AI bekannt.
Bei Verfahren der eingangs genannten Art werden in den Reaktionsrohren von Reformern Kohlenwasserstoffe in Anwesenheit des Wasserdampfes gespalten, wobei diese Reaktionen stark endotherm sind. Mit der Länge der Reaktionsrohre nehmen dabei die Konzentrationen der zu reformierenden Kohlenwasserstoffe ab und die der Edukte zu. Hierdurch sinken mit der Rohrlänge auch die Reaktionsgeschwindigkeit, die endothermen Effekte und die Aufnahmefähigkeit der Wärme. Am Ende der Reaktionsrohre sind die endothermen Reaktionen häufig abgeschlossen und die Gase in den Reaktionsrohren sind nah dem thermodynamischen Gleichgewicht, weshalb der Wärmebedarf dort gering ist. Werden die Reaktionsrohre intensiv beheizt, wird der Katalysator den Reaktionsrohren überhitzt und beschädigt, was unerwünschte Reaktionen zur Folge hat.
Da die Verbrennung unter der Decke des Reformers und der Abzug der Abgase im Bodenbereich des Reformers stattfinden, ist man im Stand der Technik zunächst von einer intensiven Beheizung der Reaktionsrohre unter der Decke und einer immer schwächeren Beheizung auf dem Weg nach unten ausgegangen, da derartige Profile der Beheizung dem Wärmebedarf in den Reaktionsrohren entsprechen. In dem Ofen der betriebenen Reformer werden jedoch deutlich ungünstigere Beheizungsprofile festgestellt. Beobachtet werden heiße Strähnen und kalte Zirkulationsgebiete, wodurch die Reaktionsrohre lokal überhitzt oder schwach beheizt wurden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, ist man in der WO 2005/053834 dazu übergegangen, ungünstige Strömungs- und Temperaturverhältnisse in einem Reformer mit gleich ausgerichteten Brennern durch veränderte Ausrichtung der Brenner in der Randzone des Ofenraumes zu verbessern. Einen Brenner mit veränderter Ausrichtung in der Randzone offenbart auch die EP 2 369 229 A2.
Eine weitere bekannte Methode, die Strömungs- und Temperaturverhältnisse zu verbessern, ist die Erhöhung der Luftgeschwindigkeit in den äußeren Brennern.
Große Reformer sind jedoch mit mehreren hundert Brennern ausgestattet und die Korrekturen der Flammen in der Randzone des Ofenraumes haben praktisch keine Auswirkungen auf die Verteilung der Strömung und der Temperatur. Trotz Korrekturen der Flammen in der Randzone werden in dem zentralen Bereich Flammen gebündelt und es treten kalte Zirkulationen auf. In Bereichen mit "hot spots" wird dabei der Katalysator überhitzt und beschädigt. Hierdurch wird auch die Selektivität verschlechtert, wohingegen in den kalten Zonen nicht genug Wärme in die Reaktionsrohre übertragen wird, wodurch wiederum der Umsatz verringert wird.
Aus dem Stand der Technik ist ebenfalls bekannt, den Durchsatz der einzelnen Reaktionsrohre entsprechend der individuellen Beheizung der Reaktionsrohre zu regeln. Erfahrungsgemäß verändern jedoch die Zirkulationsgebiete sowohl ihre Lage als auch ihre Größe, wobei diese Veränderungen häufig nicht vorhersehbar und nachvollziehbar sind . Da die Beheizung der einzelnen Reaktionsrohre nicht vorhersehbar ist und eine Messung der Parameter und Regelung der einzelnen Reaktionsrohre wegen der hohen Kosten (z.B. 1000 Rohre /Reformer) nicht in Frage kommt, hat diese Methode daher kaum praktische Bedeutung erlangt.
In Reformerbrennern wird die Verbrennungsluft zudem im Wesentlichen abwärts eingespeist, meistens unterteilt in die sogenannte primäre Luft, die die Brennstoffdüsen in den Brennern umströmt, und die sekundäre Luft, die sich später mit dem Brenngas bzw. der Flamme vermischt. Dabei wird Brenngas vorzugsweise durch mehrere Düsen schräg abwärts eingespeist, wobei vorzugsweise zusätzlich relativ kleine Brennstoffdüsen, die eine stabile Zündflamme innerhalb des Bren- ners bilden, eingesetzt werden. Die schräg abwärts eingespeisten Gasstrahlen werden in der Brennernahzone dabei mit der abwärtsströmenden Luft vermischt und gezündet. Für eine vollständige Verbrennung ist ein Massen-Mischverhältnis Luft/Gas von ca. 20 erforderlich, wobei die Richtung der brennenden Gasstrahlen vom Mischverhältnis Luft/Brenngas abhängt. Je mehr von der vertikal eingespeisten Luft durch den Gasstrahl angesaugt wird, desto steiler abwärts sind die Flammen geneigt. Zusätzlich verursachen die schräg abwärts gerichteten Brenngasstrahlen einen Unterdruck unterhalb des Brennerkopfes, der die schrägen Abwärtsstrahlen in der Brennernahzone zusammenzieht, wodurch ein runder Abwärtsstrahl gebildet wird .
Als Brenngas wird in den Reformern bei Verfahren der eingangs genannten Art Erdgas oder eine Mischung von Erdgas und Prozessgasen, die z. B. H2, CO, C02 und Kohlenwasserstoffe enthalten, verwendet. Bei Verbrennung dieser Gase in der Luft liegt die Flammentemperatur meistens im Bereich zwischen 1500 - 2200°C. Derart heiße Flammen dürfen die Reaktionsrohre nicht direkt anströmen, damit die Reaktionsrohre und der Katalysator nicht durch Überhitzung zerstört werden. Damit die heißen Flammen in den deckenbefeuerten Reformern schnell und ohne Kontakt mit Reaktionsrohren abkühlen, werden üblicherweise schnelle, abwärtsgerichtete Strahl-Flammen in der Mitte zwischen den beheizten Reaktionsrohren verwendet. Die Flammentemperatur wird dabei überwiegend durch Ansaugung der kälteren Gase aus der Umgebung verringert. Je höher die Flammengeschwindigkeit, desto höher ist der Unterdruck im Anfangsbereich eines Strahles und der Massenstrom des aus der Umgebung angesaugten Gases. Der Unterdruck in der Umgebung der Flammen verursacht jedoch das Ansaugen und Zusammenziehen der benachbarten Flammen, wodurch wiederum heiße Strähnen und kalte Zirkulationsgebiete gebildet werden.
Zudem hängt die Verteilung der Wärmeströmung in dem Ofenraum von der Höhe des Reformers ab. Die Wasserstoffreformer (Erdgas wird in H2 und CO zerlegt) sind meistens deutlich höher als Reformer für Dehydrierung der Kohlenwasserstoffe. In den hohen Wasserstoffreformern breiten sich die Flammen in der obe- ren Hälfte aus, so dass die untere Hälfte im Idealfall gleichmäßig abwärts durchströmt wird. Die maximale Wärmestromdichte tritt annähernd an der Stelle auf, wo sich die ausbreitenden Gasstrahlen die Reaktionsrohre erreichen, d .h. typischerweise in einer Entfernung von der Decke von 0.3 bis 0.5 der Gesamthöhe. In den niedrigen Reformern strömen die Flammen bis zum Boden des Reformers oder zu der Decke des Abgastunnels, wo sie in Richtung der Reaktionsrohre umgelenkt werden. Die maximale Wärmestromdichte ist in der unteren Hälfte der Reaktionsrohre zu erwarten. Hiermit ist jedoch ein weiterer Nachteil verbunden, weil die endothermen Reaktionen in der unteren Hälfte deutlich schwächer sind, wodurch der Katalysator unten überhitzt und beschädigt wird, wohingegen der obere Teil der Reaktionsrohre nicht ausgelastet ist, da dort die Aufnahmefähigkeit der Wärme höher als das Wärmeangebot ist.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik resultierenden Nachteilen ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem auf konstruktiv und steuerungstechnisch möglichst einfache Weise die Wärmeverteilung in dem Ofenraum und der gesamte Wärmeübergang auf die Reaktionsrohe stark verbessert wird, wobei insbesondere
- die Wärmestromdichte an den Reaktionsrohren an den Wärmebedarf der
endothermen Reaktionen in einer Katalysatorschüttung angepasst ist;
- Flammen bzw. "hot spots" an den Reaktionsrohren nicht auftreten;
- reduzierende Gase wie H2, CO an den Reaktionsrohren nicht auftreten und eine geringe Schadstofferzeugung in Form beispielsweise von NOx, CO, Ruß gegeben ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung sieht vor, dass sowohl ein Teil des Brenngases, der größer 60 % ist, als auch ein Teil der Luft, der größer 60 % ist, jeweils in einem Winkel von we- nigstens 30° bezogen auf die Vertikale in den Ofenraum eingespeist wird .
Eine grundlegende Idee der Erfindung ist es, die Abwärtsströmung der durch die Verbrennung entstehenden heißen Gase nicht als schnelle Gasstrahlen durch die Mitte zwischen Reaktionsrohren, sondern langsamer in die Umgebung der Reaktionsrohre zu leiten oder im Querschnitt und im Gleichstrom mit dem reformierten Gas stattfinden zu lassen. Hierdurch kommt es unterhalb der Brenner zu keinen schnellen Abwärtsflammen, die sich gegenseitig anziehen. Dadurch werden gebündelte heiße Strähnen und kältere Zirkulationsgebiete und Temperaturschieflagen vermieden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auch gewährleistet, dass zumindest ein Teil der heißen Gase zuerst in Richtung der Reaktionsrohre und dann entlang der Reaktionsrohre abwärts strömt, und zwar im Gleichstrom mit dem Prozessgas innerhalb der Rohre. Da die Konzentration der Reagenten, die Geschwindigkeit der endothermen Reaktionen und die Aufnahmefähigkeit der Wärme am Anfang der Rohre besonders hoch sind, kann dieser Bereich besonders intensiv beheizt werden, ohne eine Überhitzung des Katalysators. Das entlang der Reaktionsrohre abwärts strömende Gas kühlt dabei ab, so dass die Wärmestromdichte mit der Länge der Reaktionsrohre verringert wird, wodurch Überhitzung im weiteren Rohrverlauf ebenfalls verhindert wird .
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass Bündelung dadurch verhindert wird, dass keine schnellen einzelnen Flammen erzeugt werden, sondern breite und deutlich langsamere Flammen, die überwiegend eigene Abgase ansaugen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Teil der eingespeisten Luft unter einem anderen Winkel als das Brenngas in den Ofenraum eingespeist wird, wobei der Anteil der Luft verändert wird . Durch Veränderung des Anteiles der Luft kann die axiale Verteilung der Wärmestromdichte an den Reaktionsrohren eingestellt werden. Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass das Brenngas und die Luft unterhalb des Brenners umgelenkt werden. Durch die Umlenkung wird ebenfalls eine vorteilhafte Strömungsverteilung in dem Ofenraum erreicht.
Vorteilhafterweise wird die Form der durch die Verbrennung entstehenden Flammen verändert. Hierbei soll die Flammenform derart angepasst werden, dass die Temperatur in dem oberen Bereich des Reaktionsrohres abgesenkt und in dem tieferen Bereich des Reaktionsrohres erhöht wird. Hierzu kann die Verteilung des unter unterschiedlichen Winkeln eingespeisten Brenngases und der Luft verändert werden, beispielsweise indem der Anteil der schräg eingespeisten Luft, z.B. unter einem Winkel von 40° Luft von 100 % auf 80 % auf die Vertikale von 100 % auf 80 % gesenkt wird und die restlichen 20 % Luft vertikal eingespeist werden. Alternativ kann die Umlenkung des Brenngases oder der Luft in dem Brenner verändert werden, indem die Lage von Umlenkflächen, auf die das Brenngas und die Luft trifft, in dem Brenner abgesenkt werden. Diese Maßnahmen dienen dazu, die Flammenform so anzupassen, dass die Temperaturverteilung wiederum in den Brennerraum an einen veränderten Wärmebedarf angepasst wird, der vornehmlich aus einer Änderung der lokalen maximalen Wärmestromdichte an den Reaktionsrohren und den axialen Wärmeprofilen resultiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung :
Fig . la und b ein Verfahren gemäß der Erfindung, das in einer als Reformer ausgebildeten Vorrichtung dargestellt ist, wobei die Vorrichtung in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht gezeigt ist und
Fig . 2 einen Ausschnitt der Vorrichtung aus Fig. 1 mit brennernahen
Umlenkflächen.
Aus Fig . 1 geht der Ablauf des Verfahrens in einer Vorrichtung 1 in Gestalt eines Reformers 3 hervor. Die Vorrichtung 1 weist einen von einer umlaufenden Ofenwand umschlossenen Ofenraum 5 auf und ist mit mehreren in Reihen angeordneten Brennern 6 und einer Mehrzahl von vertikalen, parallelen Reaktionsrohren 2 ausgestattet. Die Brennstoffeinspeisung erfolgt durch mehrere separate Düsen der Brenner 6. Die Ofendecke 7 stellt dabei ein stirnseitiges Ende des Ofenraumes 5 dar.
Das Verfahren beginnt mit der Einspeisung sowohl eines Teils des Brenngases 8 als auch eines Teils der Luft 9, und zwar jeweils in einem Winkel a a2, der wenigstens 30° bezogen auf die Vertikale 10 der Ofendecke 7 in dem Ofenraum 5 beträgt. In der in Fig . 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Luft 9 schräg abwärts durch einen entsprechend angeordneten Spalt oder mehrere Öffnungen in den Ofenraum 5 eingespeist.
Abweichend von der in Fig . 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung können Düsen oder Spalten für Gas- und Lufteinspeisung im Brennerkopf in mehreren Ebenen angeordnet und unterschiedlich ausgerichtet sein, so dass sowohl der überwiegende Teil des Brenngases 8 als auch der überwiegende Teil der Luft 9 in einer deutlich von der Vertikalen 10 abweichenden Richtung in den Ofenraum 5 einströmt.
Die durch Verbrennung des Brenngases 8 in Luft 9 entstehenden heißen Abgase 13 durchströmen den Ofenraum 5 entlang der Reaktionsrohre 2 in Abwärtsrichtung . Die Abgase 13 kühlen dabei ab und strömen zwischen den Reaktionsrohren 2 in den oberen Bereich des Ofenraumes 5. Hierbei wird ein entsprechender Wärmebedarf an die Reaktionsrohre 2 übertragen . Das heiße Abgas 13 beheizt die mit Katalysatoren gefüllten Reaktionsrohre 2, die von oben mit kohlenwasser- stoffhaltigem Gas und Wasserdampf beaufschlagt werden . In den Reaktionsrohren 2 wird durch den Katalysator eine endotherme Abspaltung des Wasserstoffes aus den Kohlenwasserstoffen durch die Beheizung der Flammen und heißen Abgase bei einem Austrittsdruck im Ofenraum von über 200 kPa bewirkt. Das heiße Abgas 13 wird nach unten aus dem Ofenraum 5 ausgeführt. Hierzu dient der Abgaskanal 11, durch dessen Öffnung 12 das Abgas 13 aus dem Ofenraum 5 abgeleitet wird.
Für die Durchführung des Verfahrens sowie um eine optimale Wärme- und Leistungsverteilung in der Umgebung der Reaktionsrohre 2 sowie eine Wärmeübertragung auf die Reaktionsrohre 2 abschätzen zu können, erfolgt bei der in Fig . 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Einspeisung des Brenngases 8 über zehn Düsen bei einer Geschwindigkeit von 500 m/s. Der Gasdurchsatz beträgt hierbei 500 kW. Das Brenngas 8 wird dabei in einem Winkel Ch von 50° in den Ofenraum 5 eingespeist. Die Einspeisung der Luft 9 bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s erfolgt bei einem Winkel a2 von 40°, so dass ein durchschnittlicher Winkel von 45° bei der Einspeisung resultiert.
Unter diesen Bedingungen verbraucht der Brenner 6 bei einer stöchiometrischen Verbrennung 20 kg Luft pro 1 kg Brenngas 8. Hierbei erzeugt der Brenner 1,3 m3/s heißes Abgas 13 mit einer Temperatur T0 = 2000°C.
Die Geschwindigkeit whg dieses erzeugten heißen Abgases 13 kann bei einer stöchiometrischen Verbrennung mit der Impulsgleichung abgeschätzt werden : whg = (mf * wf + mair * wair) / (mf + mair) wobei mf, wf - Massenstrom und Anfangsgeschwindigkeit des Brenngases 8 und mair, wair - Massenstrom und Anfangsgeschwindigkeit der Luft 9 sind .
Aus dem Volumenstrom 0,13 m3/s eines Gasstrahles des Abgases 13 und der ermittelten Geschwindigkeit whg kann der Anfangsdurchmesser d0 des Strahles des Abgases 13 mit 62 mm angegeben werden.
Ein derart dimensionierter Strahl des heißen Abgases 13 saugt Gas aus seiner Umgebung, die eine Temperatur Tu von 900°C aufweist. Die durch die Ansaugung des umgebenden Gases verursachte Abkühlung kann dabei mit den bekannten Freistrahlformeln abgeschätzt werden. Um weiter abschätzen zu können, inwieweit eine probate Wärme- und Leistungsverteilung gegeben ist, wird die Temperatur Tx des Strahles des Abgases 13 über die Gleichung
(Tx-Tu)/(T0-Tu) = % * do/0.3/x berechnet, wobei x der Abstand von der Düse des Brenners 6 ist (vgl. Figur lb).
Der Abstand x läßt sich wiederum über geometrische Betrachtungen ermitteln. Hierbei wird der Abstand d zwischen Rohrreihe und Brenner 6, der durchschnittliche Winkel α sowie der Winkel ß zwischen Abstand d und der Richtung r des Strahles berücksichtigt. Nach Ermittlung der Temperatur der Wand der Reaktionsrohre 2 wird geprüft, inwieweit die gewählten Parameter Basis für eine probate Wärme- und Leistungsverteilung bzw. Wärmeübertragung sein können. Wie aus Fig . 2 zudem hervorgeht, sind unterhalb des Brenners 6 Umlenkflächen 14 angeordnet, um insbesondere vertikal in den Ofenraum 5 eingespeiste Luft und eingespeistes Brenngas 8 umzulenken, um eine abweichend von der Vertikalen 10 der Ofendecke 7 verlaufende Stromrichtung der Luft 9 und des Brenngases 8 zu erreichen.
Der durchschnittliche Winkel α für alle durch den Brenner 6 eingespeisten Medien kann ebenfalls mit Impulsgleichungen berechnet werden, indem die waagerechte und die vertikale Geschwindigkeitskomponente in der Impulsgleichung verwendet wird : wn
α = arctg
wv wobei wv = Σ (m, ■ W| ■ cos di) / Σ (m, ■ w,) die durchschnittliche vertikale und wh = Σ (m, ■ w, ■ sin α,) / Σ (m, ■ w,) die durchschnittliche horizontale Geschwindigkeitskomponente sowie m,, w, die Massen und Geschwindigkeiten der Teilchen sind. Gemäß der Erfindung beträgt der durchschnittliche Winkel α mindestens 20°und höchstens 70°.
Bezuaszeichenliste:
1 Vorrichtung
2 Reaktionsrohre
3 Reformer
5 Ofenraum
6 Brenner
7 Ofendecke
8 Brenngas
9 Luft
10 Vertikale
11 Abgaskanal
12 Öffnung
13 Abgas
14 Umlenkfläche

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Beeinflussung der Wärmestromdichte an Wänden von Reaktionsrohren (2) in einem Reformer (3), in den Brenngas (8) und Luft (9) eingespeist wird, wobei der Reformer (3) mit einem von einer umlaufenden Ofenwand umschlossenen Ofenraum (5) sowie mindestens einem Brenner (6) an der Ofendecke (7) und einer Mehrzahl von vertikalen, parallelen Reaktionsrohren (2) versehen ist, wobei heißes Abgas (13) nach unten aus dem Ofenraum (5) ausgeführt wird und dabei die mit Katalysatoren gefüllten Reaktionsrohre (2) beheizt, die von oben mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas und Wasserdampf beaufschlagt werden, wobei in den Rohren (2) durch den Katalysator eine endotherme Abspaltung des Wasserstoffes aus den Kohlenwasserstoffen durch die Beheizung durch die entstehenden Flammen und heißen Abgase (13) bei einem Austrittsdruck im Ofenraum (5) von über 200 kPa bewirkt wird und das Brenngas (8) als auch die Luft (9) bezogen auf die Vertikale (10) der Ofendecke (7) je in einem Winkel in den Ofenraum (5) eingespeist wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass sowohl ein Teil des Brenngases (8) der größer 60 % ist, als auch ein Teil der Luft (9), der größer 60 % ist, je in einem Winkel von wenigstens 30° bezogen auf die Vertikale (10) der Ofendecke (7) in den Ofenraum (5) eingespeist wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Teil der eingespeisten Luft (9) unter einem anderen Winkel als das Brenngas (8) in den Ofenraum (5) eingespeist wird, wobei der Anteil der Luft (9) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mit Impulsgleichungen für alle durch den Brenner (6) eingespeisten Medien berechnete durchschnittliche Winkel α mindestens 20° und höchstens 70° beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass Brenngas (8) und/oder Luft (9) innerhalb eines Brenners (6) höhenversetzt eingespeist werden, wobei der Winkel der obersten Einspeisung um mindestens 10° größer ist als der Winkel der untersten Einspeisung.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Brenngas (8) und die Luft (9) unterhalb des Brenners (6) umgelenkt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Form der Flammen verändert wird .
7. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Ofendecke (7) eine Mehrzahl von Brennern (6) vorgesehen ist mit Brennstoffdüsen oder Öffnungen im Brennerkopf und mit einer oder mehreren Düsen, Kanälen oder Öffnungen zum Einspeisen der Luft (9), die eine Ausrichtung zur Vertikalen (10) der Ofendecke (7) aufweisen, dass sowohl der überwiegende Teil des Brenngases (8) als auch der überwiegende Teil der Luft (9) in einer von der Vertikalen (10) abweichenden Richtung in den Ofenraum (5) einströmen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brenner (6) mit einer im Wesentlichen vertikalen Lufteindüsung versehen sind, wobei zur Umlenkung der vertikalen Strömungen unterhalb des Brenners (6) eine Umlenkfläche (14) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umlenkfläche (14) sowohl von dem Brenngas (8) als auch von der Luft (9) beaufschlagt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Beeinflussung der Flammenform und der Wärmestromdichte an den Rohren (2) die Umlenkfläche (14) unterhalb der Brenner (6) verschiebbar positioniert ist.
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