DE4306980A1 - Mehrstoffbrenner zur Partialoxydation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrstoffbrenner zur Partialoxydation von flüssigen beziehungsweise in einem Trägergas suspendierten staubförmigen Brennstoffen und von gasförmigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel, bestehend aus einer Kombination von konzentrisch angeordneten ringförmigen Austrittskanälen und von rohrförmigen Austrittskanälen zur Erzeugung eines H₂- und CO-haltigen Gases durch Partialoxydation von flüssigen, gegebenenfalls auch staubförmigen und von gasförmigen Brennstoffen mit technischem Sauerstoff. Der Mehrstoffbrenner zur Partialoxydation ist anwendbar in Partialoxydationsreaktoren, die mit staubförmigen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. Unter flüssigen Brennstoffen sind dabei insbesondere flüssige Kohlenwasserstoffe wie schwere Heizöle, Teere, toxisch belastete Altöle, brennbare flüssige Rückstände aller Art einschließlich pumpfähiger Suspensionen von festen Stoffen in einer Kohlenwasserstoffphase verstanden. Unter diesen Begriff fallen jedoch auch Suspensionen von brennbaren festen Brennstoffen in einer öligen oder einer wäßrigen Phase. Staubförmige Brennstoffe sind hier zum Beispiel Kohlenstaub, aber auch staubförmige Abfallstoffe und Entsorgungsgüter wie getrockneter Klärschlamm, die in einem Trägergas suspendiert sind.

Gasförmige Brennstoffe sind beispielsweise Erdgas, Restgase aus der Raffination von Erdölen oder Teeren, Faul- und Deponiegase oder Gase, die bei der Pyrolyse von Brennstoffen oder Abfallstoffen anfallen.

Bei der Gaserzeugung durch Partialoxydation werden kohlenstoff- beziehungsweise kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe mit technischem Sauerstoffin einer Flammenreaktion zu einem CO- und H₂-reichen Gas umgesetzt. Die Gaserzeugung läuft in der Regel bei hohem Druck, beispielsweise bei 25 bar, ab. Das erzeugte Gas wird nach Entfernung von Verunreinigungen und gegebenenfalls Passieren von katalytischen Wandlungsstufen als Stadtgas, für andere energetische Zwecke oder als Synthesegas eingesetzt.

Wegen des hohen Temperaturniveaus dieses Prozesses werden Partialoxydationsverfahren häufig auch zur Entsorgung von schadstoffbelasteten, brennbaren Rest- und Abfallstoffen wie beispielsweise mit chlororganischen Verbindungen und Schwermetallen belastete Altöle herangezogen.

Für die Durchführung von Partialoxydationsprozessen sind Reaktoren mit dickwandiger Auskleidung oder mit einer gekühlten Reaktionsraumkontur innerhalb eines Druckgefäßes bekannt. Die Zuführung der Reaktionspartner erfolgt mit für diesen Zweck speziell ausgelegten Brennern, die den extremen thermischen Belastungen einer Sauerstofflamme gewachsen sind und die deshalb in der Regel speziell für den jeweiligen Brennstoff zugeschnitten sind.

Für Partialoxydationsanlagen, die für die Entsorgung belasteter oder anderweitig nicht verwertbare Kohlenwasserstoffrückstände, Altöle, Teere und ähnliche Produkte eingesetzt sind, muß mit einem schwankenden und in der Qualität wechselnden Angebot von Vergasungsstoffen gerechnet werden, andererseits besteht die Forderung, nachgeschaltete Verwertungsanlagen oder Gasverbraucher bedarfsgerecht mit dem CO- und H₂-haltigen Gas zu versorgen. Das zwingt zu häufiger Substitution des Brennstoffes, beispielsweise zum zeitweisen Einsatz von gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, wenn flüssige Entsorgungsprodukte nicht angeboten werden. Bei vielen bisherigen Lösungen bedeutete das auch den Austausch des für den Einsatz von flüssigen Brennstoffen bestimmten Brenners durch einen Brenner für Erdgaseinsatz, zumindest aber das Auswechseln von Bauteilen des Brenners. In jedem Fall ist das aber mit einer Betriebsunterbrechung und mit erheblichem Montageaufwand verbunden.

Das Anfahren und Aufheizen eines Partialoxydationsreaktors erfolgt in der Regel mit Hilfe eines gasförmigen Brennstoffes. Die Betriebsbedingungen für den Start weichen sehr stark von den Normalbetriebsbedingungen einer Partialoxydationsanlage ab. So herrschen wesentlich andere Bedingungen hinsichtlich Druck, Durchsatz und Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff. Vielfach ist die Startphase auch mit einem Freispülen der Anlage von Luft verbunden, um bei einsetzender Gaserzeugung die explosiblen Gemische in den kälteren Teilen der Anlage zu vermeiden. Die Gesamtheit dieser Betriebsphasen fordert in der Regel bisher ebenfalls den Einsatz spezieller Anfahrbrenner, die nach der Aufheizung des Reaktors demontiert oder gegen den Brenner für den Normalbetrieb ausgetauscht werden müssen.

In DE-OS 25 36 249 ist ein Zweistoffbrenner für die Partialoxydation von wäßrigen Kohlenschlämmen und flüssigen Kohlenwasserstoffen beschrieben, in dem die Zufuhr der Brennstoffe und des Sauerstoffes in einem Reaktionsraum durch konzentrische, ringförmige Austrittsöffnungen erfolgt. Der Brenner ist mit einer Wasserkühlung versehen, aber nicht für die Beherrschung aller Phasen des Anfahr- und Aufheizbetriebes geeignet. Er bedarf ferner einer separaten Einrichtung zur Überwachung der Flammenreaktion im Reaktionsraum.

Mit DD 2 85 523 ist ein wassergekühlter Brenner für Partialoxydationsanlagen bekannt, bei dem ein gasförmiger Brennstoff über einen Zentralkanal, technischen Sauerstoff über einen umhüllenden Ringkanal in den Reaktionsraum austritt. Der Brenner ist mit einer im Zentralkanal angeordneten elektrischen Zündeinrichtung und optoelektronischen Flammenüberwachung ausgerüstet.

Der Brenner ist jedoch ausschließlich für den Einsatz gasförmiger Brennstoffe, in der Regel Erdgas, geeignet.

Ein weiterer Brenner für die Partialoxydation von Erdgas nach DD 2 61 286 fährt Sauerstoff und Erdgas über eine Vielzahl von zylindrischen Einzeldüsen in den Reaktionsraum ein, wobei die einzelnen Düsenöffnungen separat für Sauerstoff und Erdgas über die Frontplatte des Brenners verteilt sind. Der Brenner ist nicht für einen Mehrstoffbetrieb geeignet und fordert den Einsatz separater Anfahrbrenner und Zünd- und Überwachungseinrichtungen.

Zur Verbesserung der Wirbelschicht von Partialoxydationsanlagen besteht deshalb Bedarf nach einem Brenner, der ohne Auswechseln von Bauteilen oder Hilfsbrennern einerseits alle während der Inbetriebnahme auftretenden Betriebsphasen einschließlich der automatischen Zündung beherrscht und der andererseits auch während des Partialoxydationsbetriebes einen Wechsel des Brennstoffes oder den gleichzeitigen Betrieb mit mehreren Brennstoffen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst.

Die Ansprüche 2 bis 11 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mehrstoffbrenners auf.

Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet einen Mehrstoffbrenner, dessen in den Reaktionsraum ragende Mündung, vom Zentrum nach außen gesehen, aus einem rohrförmigen Zentralkanal, mindestens einem den Zentralkanal umhüllenden ringförmigen Kanal sowie einem äußeren Kühlteil besteht, welcher durch eine Bodenplatte begrenzt ist.

Parallel zur Innenfläche der Bodenplatte ist in einem Abstand ein Verdrängungskörper so angeordnet, daß zwischen Bodenplatte und Verdrängungskörper ein Spalt gebildet wird, der mit Einrichtungen zur Zuführung und Abführung einer Kühlflüssigkeit versehen ist.

Die Bodenplatte, der Spalt und der Verdrängungskörper werden von einer Mehrzahl nach dem Reaktionsraum offener Austrittsrohre durchdrungen, deren Außenmäntel dicht mit der Bodenplatte und dem Verdrängungskörper verbunden sind.

Die den Zentralkanal umhüllenden ringförmigen Kanäle sowie die Austrittsrohre sind mit Anschlüssen für die Zuführung der der Partialoxydation zu unterwerfenden Medien versehen.

Erfindungswesentlich ist, daß die Einrichtungen zur Zuführung und Abführung der Kühlflüssigkeit zum Kühlteil so ausgebildet sind, daß der Spalt zwischen Verdrängungskörper und Bodenplatte radial von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

Weiterhin ist erfindungswesentlich, daß der Zentralkanal mit einem an sich bekannten Pilotbrenner mit integrierten Zünd- und Überwachungseinrichtungen und mit Anschlüssen für einen gasförmigen Brennstoff und für ein freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel bestückt ist. Der Zentralkanal ist von zwei ringförmigen Kanälen umhüllt, wobei einer dieser Kanäle mit einem Anschluß für einen gasförmigen Brennstoff, der andere mit einem Anschluß für ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel versehen ist.

Mindestens ein Teil der Austrittsrohre ist mit jeweils einer axialen Lanze für die Zuführung flüssiger Brennstoffe bestückt, die an eine Ringkammer mit einem Anschluß für die Zuführung von flüssigen Brennstoffen angeschlossen sind.

Die ringförmigen Zwischenräume zwischen den Lanzen und den Austrittsrohren sind an eine zweite Ringkammer mit einem Anschluß für die Zuführung eines gas- oder dampfförmigen Mediums angeschlossen. Die nach dem Reaktionsraum gerichteten Enden der Austrittsrohre und der Lanzen sind als Zweistoff-Zerstäubungsdüsen ausgebildet.

Erfindungswesentlich ist es weiterhin, daß mindestens ein Teil der Austrittsrohre mit einem Anschluß für ein in ein Trägergas suspendiertes staubförmiges festes Material versehen ist. Die Achsen der Austrittsrohre sind mit einer radialen Komponente zur Achse des Brenners hin in den Reaktionsraum gerichtet. Die Achsen der Austrittsrohre sind mit einer tangentialen Komponente in den Reaktionsraum gerichtet. Des weiteren ist es erfinderungswesentlich, daß mindestens eine Trennwand zwischen den ringförmigen Kanälen beziehungsweise zwischen einem ringförmigen Kanal und dem Zentralkanal mit Hohlräumen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit und entsprechenden Zu- und Ableitungsanschlüssen vorgesehen ist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Mehrstoffbrenners erweisen sich insbesondere bei Kombination mit einem zum Beispiel durch DD 2 85 523 bekannten Pilotbrenner mit Zünd- und Überwachungseinrichtung, der - für kleine Durchsätze ausgelegt - im Zentralkanal des Mehrstoffbrenners installiert ist und mit diesem eine bauliche Einheit bildet. Mit diesem Pilotbrenner wird der Reaktor in Betrieb genommen und aufgeheizt. Mit Beginn des Normalbetriebes wird dann wahlweise ein gasförmiger Kohlenwasserstoff wie Erdgas in der für den Normalbetrieb üblichen Menge über einen der Ringkanäle oder ein flüssiger beziehungsweise staubförmiger Brennstoff über die Austrittsrohre in den Reaktionsraum geführt. Gleichzeitig wird die für deren Umsetzung benötigte Menge von Vergasungsmitteln, in der Regel technischer Sauerstoff, in der für den Umsatz des jeweiligen Hauptbrennstoffes entsprechenden Menge in den Reaktionsraum geleitet.

Auch im Normalbetrieb bleibt die im zentralen Pilotbrenner installierte optoelektronische Flammenüberwachung wirksam. Es hat sich als vorteilhaft, aber nicht als zwingend erforderlich erwiesen, auch während des Normalbetriebes den Pilotbrenner mit sehr schwacher Last weiter zu betreiben.

Der Mehrstoffbrenner mit integriertem Pilotbrenner gestattet die Beherrschung aller Phasen des Anfahrbetriebes, den Normalbetrieb mit einem flüssigen, staubförmigen oder gasförmigen Brennstoff, den gleichzeitigen Betrieb mit mehreren Brennstoffen und den Wechsel zwischen unterschiedlichen Brennstoffen während des laufenden Betriebes. Umrüstungen sind nicht erforderlich.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von einem, in den Zeichnungen vereinfacht und schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 Schnitt A-A aus Fig. 2 durch einen Mehrstoffbrenner,

Fig. 2 Bodenansicht eines Mehrstoffbrenners,

Fig. 3 Bevorzugte Ausführungsform eines Mehrstoffbrenners bei der Partialoxydation.

Der erfindungsgemäße Mehrstoffbrenner besteht aus dem rohrförmigen Zentralkanal 1, der von einem ringförmigen Kanal 2 mit einem Anschluß 10 für die Zuführung von Erdgas und einem weiteren ringförmigen Kanal 2′ mit einem Anschluß 10′ für die Zuführung von technischem Sauerstoff umhüllt ist. An den ringförmigen Kanal 2′ schließt sich ein äußeres Kühlteil 3 mit ringförmigem Querschnitt an, das an der Mündungsseite des Brenners mit einer Bodenplatte 4 abschließt.

Zwischen Bodenplatte 4 und einem Verdrängungskörper 5 im Inneren des Kühlteils verbleibt ein Spalt 6, der mit Anschlüssen zur Zuführung 7 und zur Abführung 8 für Kühlwasser verbunden ist. Die Anschlüsse sind so gestaltet, daß das Kühlwasser durch einen Ringraum zwischen dem Verdrängungskörper 5 und der inneren Wand des Kühlteils dem Spalt 6 zufließt, den Spalt 6 radial nach außen durchströmt und über einen weiteren Ringraum zwischen Verdrängungskörper 5 und äußerer Wand des Kühlteils über den Abführungsanschluß 8 austritt.

Durch die Bodenplatte 4 und den Verdrängungskörper 5 sind vier an der Brennermündung offene Austrittsrohre 9 eingefügt, die dicht mit der Bodenplatte 4 und dem Verdrängungskörper 5 verbunden sind, so daß sie im Bereich des Spaltes 6 entlang ihres äußeren Umfanges von Kühlwasser umflossen werden. Die Austrittsrohre 9 sind mit einem Anschluß 11 versehen, über den ein Brennstoff, beispielsweise ein in einem Trägergas suspendierter staubförmiger Brennstoff, zugeführt wird.

In den rohrförmigen Zentralkanal 1 ist ein kompletter Pilotbrenner 12 mit integrierter Zünd- und Überwachungseinrichtung eingesetzt. Der Pilotbrenner, dessen Aufbau in der Patentschrift DD 2 85 523 näher beschrieben ist, wird mit Erdgas und technischem Sauerstoff betrieben und verfügt über ein eigenes Kühlsystem.

Der komplette Mehrstoffbrenner ist über den Flansch 13 direkt mit dem Gehäuse des Partialoxydations-Reaktors verbunden und ragt von oben in den Reaktionsraum hinein.

Die Erfindung sei unter Zuhilfenahme der Fig. 3 weiter am Beispiel eines Mehrstoffbrenners für einen Partialoxydationsreaktor erläutert, der bei einem Betriebsdruck von circa 30 bar den Durchsatz von wahlweise 20 t/h feststoffhaltiger Altöle oder circa 20 000 m³/h Erdgas gestattet. Der Brenner entspricht weitgehend dem vorangegangenen Beispiel. Zusätzlich sind in die Austrittsrohre 9 axiale Lanzen 15 für die Zuführung des Heizöls eingesetzt, die an eine Ringkammer 16 mit dem entsprechenden Anschluß 17 für die Zuführung des flüssigen Brennstoffes versehen ist. Die zwischen den Lanzen 15 und den Austrittsrohren 9 verbleibenden ringförmigen Zwischenräume sind an eine zweite Ringkammer 18 angeschlossen, die wiederum mit einem Anschluß 11 für die Zuführung von Dampf versehen ist. Die mündungsseitigen Enden der Austrittsrohre 9 und der Lanzen 15 sind als Zweistoff-Zerstäubungsdüsen ausgebildet, hier mit einer einfachen Lösung in Form eines das rohrförmige Lanzenende umgebenden Drallkörpers 19, der für eine starke Rotationsströmung des austretenden Dampfes sorgt, die zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes führt.

Die Trennwände 20′ und 20 zwischen den ringförmigen Kanälen 2 und 2′ beziehungsweise ringförmigen Kanal 2 und Zentralkanal 1 sind doppelwandig ausgeführt, um eine Wasserkühlung zu ermöglichen. Die entsprechenden Kühlwasseranschlüsse sind in der Figur nicht dargestellt. Durch die Kühlung der Trennwände 20 und 20′ sowie des Kühlteils 3 wird ein Materialabbrand durch technischen Sauerstoff und durch die Berührung mit Flammen, deren Temperatur örtlich 2000°C weit übersteigt, sicher verhindert.

Bei der Inbetriebnahme des Reaktors wird zunächst der Pilotbrenner elektrisch gezündet und mit Erdgas und Sauerstoff betrieben. Durch Einstellen des Erdgas- Sauerstoff-Verhältnisses werden Partialoxydationsbedingungen eingestellt, so daß ein CO- und H₂-haltiges, O₂-freies Gas entsteht. Mit der kleinen Leistung des Pilotbrenners wird der Reaktor aufgeheizt und unter Druck gesetzt. Nach Erreichen des normalen Betriebsdruckes wird wahlweise Erdgas über den ringförmigen Kanal 2 oder Altöl und Zerstäubungsdampf über die Austrittsrohre 9 und mit Verzögerung Sauerstoff über den Kanal 2′ zugegeben und der Normalbetrieb aufgenommen. Die Leistung des Pilotbrenners wird auf einen Minimaldurchsatz heruntergesetzt, hauptsächlich mit dem Ziel, die Kanäle des Pilotbrenners weiterhin zu spülen und den Strahlungsweg für die optische Flammenüberwachung freizuhalten, die nunmehr die Überwachung des Normalbetriebes übernimmt.

Der Partialoxydationsbetrieb läßt sich ohne Unterbrechung von Erdgas aufflüssige Brennstoffe und umgekehrt umstellen, ein Mischbetrieb mit Erdgas und flüssigem Brennstoff ist möglich.

Claims (11)

1. Mehrstoffbrenner zur Partialoxydation von flüssigen beziehungsweise in einem Trägergas suspendierten staubförmigen Brennstoffen und von gasförmigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel, bestehend aus einer Kombination von konzentrisch angeordneten ringförmigen Austrittskanälen und von rohrförmigen Austrittskanälen, in der Weise, daß die in einen Reaktionsraum ragende Mündung des Mehrstoffbrenners vom Zentrum nach außen gesehen aus einem rohrförmigen Zentralkanal (1), mindestens einem den Zentralkanal umhüllenden ringförmigen Kanal (2) sowie einem äußeren Kühlteil (3) besteht, welcher durch eine Bodenplatte (4) begrenzt ist, parallel zur Innenfläche der Bodenplatte (4) in einem Abstand ein Verdrängungskörper (5) so angeordnet ist, daß zwischen Bodenplatte (4) und Verdrängungskörper (5) ein Spalt (6) gebildet wird, der mit Einrichtungen zur Zuführung (7) und Abführung (8) einer Kühlflüssigkeit versehen ist, die Bodenplatte (4), der Spalt (6) und der Verdrängungskörper (5) von einer Mehrzahl nach dem Reaktionsraum offener Austrittsrohre (9) durchdrungen wird, deren Außenmäntel dicht mit der Bodenplatte (4) und dem Verdrängungskörper (5) verbunden sind, und daß die den Zentralkanal (1) umhüllenden ringförmigen Kanäle (2) sowie die Austrittsrohre (9) mit Anschlüssen (10, 11) für die Zuführung der der Partialoxydation zu unterwerfenden Medien versehen sind.

2. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Zuführung (7) und Abführung (8) der Kühlflüssigkeit zum Kühlteil (3) so ausgebildet sind, daß der Spalt (6) zwischen Verdrängungskörper (5) und Bodenplatte (4) radial von Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

3. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (1) mit einem an sich bekannten Pilotbrenner (12) mit integrierten Zünd- und Überwachungseinrichtungen und mit Anschlüssen für einen gasförmigen Brennstoff und für ein freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel bestückt ist.

4. Mehrstoffbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (1) von zwei ringförmigen Kanälen (2) umhüllt wird, wobei einer dieser Kanäle mit einem Anschluß für einen gasförmigen Brennstoff, der andere mit einem Anschluß für ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel versehen ist.

5. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Austrittsrohre (9) mit jeweils einer axialen Lanze (15) für die Zuführung flüssiger Brennstoffe bestückt ist, die an eine Ringkammer (16) mit einem Anschluß für die Zuführung von flüssigen Brennstoffen (17) angeschlossen sind.

6. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Zwischenräume zwischen den Lanzen (15) und den Austrittsrohren (9) an eine zweite Ringkammer (18) mit einem Anschluß (11) für die Zuführung eines gas- oder dampfförmigen Mediums angeschlossen sind.

7. Mehrstoffbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Reaktionsraum gerichteten Enden der Austrittsrohre (9) und der Lanzen (15) als Zweistoff-Zerstäubungsdüsen ausgebildet sind.

8. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Austrittsrohre (9) mit einem Anschluß für ein in ein Trägergas suspendiertes staubförmiges festes Material versehen ist.

9. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Austrittsrohre (9) mit einer radialen Komponente zur Achse des Brenners hin in den Reaktionsraum gerichtet sind.

10. Mehrstoffbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Austrittsrohre mit einer tangentialen Komponente in den Reaktionsraum gerichtet sind.

11. Mehrstoffbrenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Trennwand zwischen den ringförmigen Kanälen (2) beziehungsweise zwischen einem ringförmigen Kanal und dem Zentralkanal (1) mit Hohlräumen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit und entsprechenden Zu- und Ableitungsanschlüssen versehen ist.