Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Brenner zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von flüssigem oder gasförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Oxidati- onsmittels, wobei der Brennstoff, das Oxidationsmittel und ein Moderator getrennt einem Brenner zugeführt werden und wobei der Brennstoff und der Mode- rator in einer Mischkammer des Brenners vermischt werden, bevor sie mit dem Oxidationsmittel in Kontakt gebracht werden.

Als Synthesegase werden allgemein wasserstoffhaltige Gasgemische bezeichnet, welche in verschiedenen Synthesereaktionen Verwendung finden. Beispiele sind die Methanolsynthese, die Herstellung von Ammoniak nach dem Haber- Bosch-Verfahren oder die Fischer-Tropsch-Synthese. Synthesegase können aus festen, flüssigen oder gasförmigen Ausgangsstoffen hergestellt werden.

Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Synthesegas sind prinzipiell im Stand der Technik bekannt. So existieren eine Reihe von unterschiedlichen technischen Ansätzen, bei denen flüssige oder gasförmige, kohlenstoffhaltige Brennstoffe mit einem Moderator bestehend aus Wasserdampf, Kohlendioxid bzw. einer Mischung davon mit einem sauerstoffhaltigen Gas partiell oxidiert werden. Die Austrittsöffnung des verwendeten Brenners ist dabei in eine Brenn- kammer gerichtet.

Die WO 2008/065182 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, bei dem ein Brenner mit mehreren Düsenöffnungen versehen ist, so dass ein Kohlenwasserstoffbrennstoff getrennt von einem Oxidiergas durch den Brenner geführt wird. Der Kohlenwasserstoffbrennstoff und das Oxidiergas werden durch eine Durchführung für ein Moderatorgas voneinander getrennt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Moderatorgases ist dabei größer als die Austrittsgeschwindigkeit des Oxidiergases. Die US 2003/0085385 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Reaktionspartner Kohlenwasserstoffbrennstoff, Dampf, Sauerstoff und rezykliertes Wasser in getrennten Kanälen zur Düse eines Vierstrominjektors geführt werden. Durch die Anordnung soll eine bessere Umsetzung des Kohlenwasserstoffbrennstoffs erreicht werden.

Bei dem aus der WO 95/32148 A bekannten Verfahren zur Herstellung von Synthesegas soll eine Düsenkorrosion dadurch vermieden werden, dass Kohlenwasserstoffbrennstoff und Oxidationsmittel durch einen Moderator getrennt parallel von der Düse weglaufen und keine Vermischung von Moderator und Brennstoff stattfindet.

Bei diesen bekannten Brennern sind mindestens drei Austrittsöffnungen am Brennermund vorhanden und die Zerstäubung des Brennstoffs erfolgt außerhalb des Brenners. Bei einer externen Zerstäubung des Brennstoffs sind am Bren- nermund hohe relative Geschwindigkeitsunterschiede der benachbart austretenden Reaktionspartner notwendig, um die nötige Zerstäubungsarbeit aufzubringen. Diese hohen Austrittsgeschwindigkeiten des Moderators und/oder des Oxidationsmittels erzeugen ausgedehnte Reaktionszonen. Zudem findet ein hoher Energieeintrag über die Förderorgane (z. B. Pumpen) statt. Daher müs- sen die Düsenaustrittsöffnungen insbesondere bei transienten Bedingungen, wie Anfahr- und Abfahrvorgängen, gekühlt werden. Ein großes Problem stellen im Stand der Technik zudem vorzeitiger Materialverschleiß, bzw. Materialabtrag am Brennermund dar. Bei dem in der DE 101 56 980 B4 beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxidation von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in Gegenwart von Sauerstoff werden der Brennstoff, das sauerstoffhaltige Gas und ein Zerstäubungsmedium getrennt dem Brenner zugeführt und das Zerstäubungsmedium wird unmittelbar vor der zentralen Mündungsöffnung für den Brennstoff über eine oder mehrere Düsen entspannt. Das sauerstoffhaltige Gas wird außen an der Zerstäuberdüse vorbeigeführt und tritt konzentrisch um die Mischung aus Brennstoff und Zerstäubungsmedium in den Reaktorraum ein. Daher kommt es zu exothermen Reaktionen in der Nähe des Brennkopfes, was bei transienten Bedingungen zu einer starken thermischen Belastung der Reaktorwandung im Bereich des Brenners führt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen alternativen Brenner vorzuschlagen, der insbesondere beim Betrieb mit transienten Bedingungen geringeren Belastungen ausgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Oxidationsmittel zentral durch eine Austrittsöffnung des Brenners in eine Brennkammer eingeführt wird und dass das Gemisch aus Brennstoff und Moderator durch die Austrittsöffnung konzentrisch um das Oxidationsmittel in die Brennkammer eingeführt wird.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die im Vergleich zum Stand der Technik umgekehrte Medienführung die Temperaturverteilung im Reaktionsraum günstig beeinflusst werden kann und damit die thermische Belastung der Reaktorwandung und der Brennerbauteile verringert wird. . Durch die erfindungsgemäße Medienführung wird das Oxidationsmittel (Sauerstoff, Luft) von dem in der Brennkammer befindlichen Synthesegas abgeschirmt. Dadurch können exotherme Reaktionen in der Nähe des Brennermundes unterdrückt werden.

Um eine ausreichende Zerstäubung und Durchmischung mit dem Brennstoff zu erreichen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, den Moderator mit einer Geschwindigkeit von 30 m/s bis 200 m/s, vorzugsweise 80 m/s bis 140 m/s, in die Mischkammer einzustrahlen. Als Moderator wird vorteilhafterweise Dampf, Kohlendioxid oder eine Mischung daraus, gegebenenfalls unter Zusatz eines brennbaren Gases, verwendet.

Die Durchmischung mit dem Moderator wird erfindungsgemäß dadurch gefördert, dass der Brennstoff in einem Winkel ß von 10° bis 80°, vorzugsweise 40° bis 60°, zur Brennerachse auf den Moderatorstrahl geführt wird. Um eine wirkungsvolle Zerstäubung zu erreichen, beträgt in Ausgestaltung der Erfindung die Austrittsgeschwindigkeit der Mischung aus Brennstoff und Moderator aus der Mischkammer 30 m/s bis 100 m/s.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennstoff der Brennkammer durch mehrere Brenner zugeführt wird, die in ein gemeinsames Gehäu- se integriert sein können. Hierbei besteht die erfindungsgemäße Möglichkeit, jedem Brenner einen anderen Brennstoff zuzuführen, und dadurch die Reaktionsbedingungen in der Brennkammer gezielt zu beeinflussen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Brenner zur Herstellung von Synthesegas, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Ein solcher Brenner weist einen zentralen Zufuhrkanal für die Zufuhr des Oxidationsmittels, eine den zentralen Zufuhrkanal umgebende Mischkammer, in die Zufuhrleitungen für den Brennstoff und einen Moderator münden, und einen Austrittskanal auf, über welchen die Mischung aus Brennstoff und Moderator aus der Mischkammer einer Austrittsöffnung des Brenners zuge- führt wird. Erfindungsgemäß ist der Austrittskanal konzentrisch um den zentralen Zufuhrkanal für das Oxidationsmittel angeordnet.

Um den Moderator zu beschleunigen, mündet die Zufuhrleitung für den Modera- tor vorzugsweise über einen verengten Ringspalt in die Mischkammer.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brenners trifft die Zufuhrleitung für den Brennstoff in einen Winkel ß von 10° bis 80°, vorzugsweise 40° bis 60°, zur Brennerachse auf den koaxial zu dem zentralen Zufuhrkanal für das Oxida- tionsmittel geführten Moderatorstrahl. In der Mischkammer wird der flüssige Brennstoff hierdurch intensiv mit dem Moderator vermischt, wobei er zu feinen/kleinen Tropfen zerteilt wird.

Vorzugsweise verjüngt sich der Austrittskanal zur Austrittsöffnung hin. Dadurch wird der zerstäubte Brennstoff zum zentralen Oxidationsmittelstrahl hin abgelenkt und zudem kurz vor dem Austritt in den Brennraum noch einmal beschleunigt. Durch die Verjüngung der Austrittsöffnung erfolgt zwangsläufig eine Benetzung der äußeren Brennstoffkanalwand, so dass diese intensiv durch den Brennstoff gekühlt wird.

In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sind hierbei ein Winkel γ der äußeren Brennstoffkanalwand zur Brennerachse und ein Winkel δ der inneren Brennstoffkanalwand zu einer Parallelen zur Brennerachse so gewählt, dass der Winkel γ größer ist als der Winkel δ. Beide Winkel liegen vorzugsweise im Be- reich von 0 bis 20 ° und insbesondere zwischen 0 und 10 °.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zentrale Zufuhrkanal für das Oxidationsmittel im Bereich der Austrittsöffnung mit einem Winkel α von 0° bis 45°, vorzugsweise 0° bis 10°, zur Brennerachse aufgeweitet, um eine verbreiterte Einstrahlung in den Brennraum zu erreichen. Erfindungsgemäß wird der Brenner von einem Kühlwassermantel umgeben. Sind mehrere Brenner vorgesehen, können diese auch gemeinsam ummantelt werden.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfin- dung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.

Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Teil eines erfindungsmäßen Brenners.

Der in der Zeichnung ausschnittweise gezeigte Brenner 1 weist einen zentralen Zufuhrkanal (Rohr) 2 auf, durch welchen das Oxidationsmittel, vorzugsweise technisch reiner, komprimierter und vorgewärmter Sauerstoff, zur Austrittsöffnung 3 in der Brennerbodenplatte 4 gelangt. Im vorderen Bereich seiner Mün- dung in die nicht dargestellte Brennkammer des Reaktors zur Herstellung von Synthesegas ist der zentrale Zufuhrkanal 2 mit einem Winkel α von 0° bis 45°, vorzugsweise 0° bis 10° zur Brennerachse A geringfügig aufgeweitet. Damit wird der größte Innendurchmesser des zentralen Zufuhrkanals 2 an der Mündung in die Brennkammer erreicht. Die Austrittsfläche, die der zentrale Zufuhr- kanal 2 für das Oxidationsmittel bietet, wird je nach Anwendungsfall so berechnet, dass eine Austrittsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels von 40 m/s bis 140 m/s, vorzugsweise 60 m/s bis 100 m/s, realisiert wird.

Koaxial zur zentralen Oxidationsmittelzuführung durch den Zufuhrkanal 2 wird Moderator über eine Zufuhrleitung 5 zu einer Zweistoff-Zerstäuberdüse 6 ge- führt. Der Moderator besteht aus Dampf, Kohlendioxid oder einer Mischung daraus. Bei Bedarf und Verfügbarkeit kann dem Moderator auch noch ein brennbares Gas zugefügt werden. In der Zerstäuberdüse 6 wird der Moderator durch einen Ringspalt 7 so beschleunigt, dass er Geschwindigkeiten von 30 m/s bis 200 m/s, vorzugsweise 80 m/s bis 140 m/s, erreicht. Diese Werte sind für reinen Dampf als Moderator berechnet. Bei Verwendung von Kohlendioxid, einer Mischung aus Dampf und Kohlendioxid bzw. bei der Zumischung eines brennbaren Gases berechnet sich die zu erzielende Geschwindigkeit und damit das Spaltmaß des Ringspaltes 7 entsprechend dem Impulsfluss von reinem Dampf bei dem angegebenen, zu erzielenden Geschwindigkeitsbereich.

Der im Ringspalt 7 beschleunigte Moderator tritt stromabwärts in eine den zentralen Zufuhrkanal 2 umgebende Mischkammer 8, wo er auf einen seitlich zugeführten Brennstoffstrahl trifft. Als Brennstoff werden flüssige oder gasförmige kohlenstoffhaltige Medien verwendet, bspw. Heizöl oder Erdgas. Der Begriff Flüssigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung erfasst hierbei auch Suspensionen (Slurries), bei denen Feststoffe in der Flüssigkeit aufgeschlämmt sind.

Der Brennstoffstrahl wird im oberen Teil des Brenners 1 durch eine Zufuhrlei- tung 9 zunächst koaxial zum Moderator geführt, bevor er innerhalb der Zerstäuberdüse 6 durch eine Bohrung oder konischen Zufuhrkanal 10 in einem Winkel ß von 10° bis 80°, vorzugsweise 40° bis 60°, zur Brennerachse A in die Mischkammer 8 eintritt. Erfindungsgemäß werden hierdurch Austrittsgeschwindigkeiten von 10 m/s bis 50 m/s, vorzugsweise von 10 m/s bis 30 m/s, in die Mischkammer 8 erreicht.

Die Mischkammer 8 dient dazu, eine intensive Vermischung zwischen dem flüssigen Brennstoff und dem Moderator herzustellen und dabei den Brennstoff zu Tropfen zu zerteilen. Die Mischkammer 8 führt über einen Austrittskanal 11 zur Austrittsöffnung 3 des Brenners 1 , wobei sich der Austrittskanal 11 vor- zugsweise zur Austrittsöffnung 3 hin verjüngt. Diese Verjüngung erfolgt durch die Wahl der beiden Winkel γ und δ, wobei der Winkel γ größer oder gleich dem Winkel δ ist. γ stellt dabei den Winkel der äußeren Brennstoffkanalwand zur Brennerachse dar und liegt im Bereich von 0 bis 20 °; vorzugsweise von 0 bis 10 °. Der Winkel δ zwischen der inneren Brennstoffkanalwand und einer Parallelen zur Brennerachse liegt ebenfalls in Bereich von 0 bis 20 °, vorzugsweise von

0 bis 10 °. Die axiale Länge der Mischkammer 8 und des Austrittskanals 11 bis zur Austrittsöffnung 3 beträgt zusammen 10 mm bis 300 mm, vorzugsweise 20 mm bis 200 mm. Durch die Verjüngung des Austrittskanals 11 wird der zer- stäubte Brennstoff zum zentralen Oxidationsmittelstrahl hin abgelenkt und zudem kurz vor dem Austritt in die Brennkammer noch einmal beschleunigt. Durch die Verjüngung des Austrittskanals 11 wird zwangsläufig die äußere Brennstoffkanalwand benetzt, so dass diese intensiv durch den Brennstoff gekühlt werden kann. Die Austrittsgeschwindigkeit des Moderator-Brennstoff-Gemischs beträgt 30 m/s bis 100 m/s und liegt damit in ähnlicher Größenordnung wie die Austrittsgeschwindigkeit des Oxidationsmittelstrahls. Üblicherweise ist der Brenner

1 von einem Kühlwassermantel umgeben, der jedoch zur Vereinfachung in der Figur nicht dargestellt ist. Das sich durch die erfindungsgemäße Anordnung und Verfahrensführung an der Brennerbodenplatte 4 und in deren unmittelbarer Umgebung ausbildende Geschwindigkeitsprofil der Reaktionsmedien hat den Vorteil, dass die Rezirkulation von heißem Spaltgas aus der Brennkammer im äußeren Bereich des Brenners nur auf den zerstäubten Brennstoff trifft. Damit sind nur endotherme bzw. weit- gehend thermisch neutrale Reaktionen möglich, die eine direkte Wärmefreisetzung in unmittelbarer Umgebung der Brennerbodenplatte 4 verhindern. Zudem bildet sich im äußeren Bereich der Austrittsöffnung 3 eine Verkokungsschicht, die eine zusätzliche thermische Isolation für die eingetragene Wärmestrahlung darstellt. Um das Geschwindigkeitsprofil an der Austrittsöffnung 11 des Brenners 1 zu variieren, bzw. um den Lastbereich des Brenners 1 zu erweitern, kann eine gewisse Menge Moderator dem Oxidationsmittel schon außerhalb des Brenners 1 zugemischt werden.

Der Brenner 1 der vorliegenden Erfindung ist für Vergasungsdrücke in der Brennkammer von 10 bar bis 120 bar bei Temperaturen in der Brennkammer von durchschnittlich 1000 °C bis 1600 °C ausgelegt. Der Brenner 1 der vorliegenden Erfindung kann alleine oder als eine Anordnung von mehreren Brennern 1 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, wobei durch den oder die Brenner 1 der Brennstoff in die Brennkammer geleitet wird. Als Alternative dazu können mehrere einzelne Brenner 1 nach der vorliegenden Erfindung in der Brennkammer installiert sein, wobei der Brennstoff, der Moderator und das Oxidationsmittel dann in geeigneter Weise auf die einzelnen Brenner 1 verteilt werden.

Als alternative Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einem gasförmigen oder überkritischen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff (z.B. Methan) betrieben werden. Bei dem erfindungsgemäßen Brenner kann dann die Zweistoff-Zerstäuberdüse 6 entfallen, da eine Zerstäubung des Brennstoffs nicht mehr notwendig ist. Für diesen Fall kann der Brenner einfacher aufgebaut werden, da der Moderator und der Brennstoff schon im gemischten Zustand in den Brenner eingeführt werden können. Die Austrittsgeschwindigkeit für das Oxida- tionsmittel und das Reduktionsmittel zum Brennraum sowie die Winkel γ und δ bleiben in dieser alternativen Ausführungsform unberührt.

Durch die Erfindung ist es möglich, flüssige Brennstoffe, insbesondere Schweröle und schwere viskose Rückstände aus Raffinerien, durch partielle Oxidation zu Synthesegas zu verarbeiten. Dabei wird zunächst der Brennstoff zu Tröpfchen zerteilt und intensiv mit dem Moderator gemischt, bevor dieses Gemisch mit dem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel in Kontakt kommt. Durch diese Medienführung wird gewährleistet, dass die der Brennkammer zugewandten Brennerbauteile durch die erwähnten Medien gut gekühlt werden, Diese Kühlung findet insbesondere auch bei Betriebszuständen statt, bei denen ein Kühlmedium nicht verfügbar ist.

Beispiele

Ein erfindungsgemäßer Brenner 1 wurde für einen Nenndurchsatz von bis zu 500 kg/h flüssigem Einsatzstoff ausgelegt und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Versuchsanlage erprobt. Beispiel 1 :

Als flüssiger Brennstoff wurde Heizöl EL (extraleichtes Heizöl) mit einer Einsatztemperatur von 20°C und einer kinematischen Viskosität (bei Einsatzbedingungen) von ca. 6 mm ² /s verwendet. Das Oxidationsmittel war technisch reiner Sauerstoff mit einer Temperatur von 250°C. Als Moderator wurde Dampf mit einer Temperatur von 310°C eingesetzt. In der Brennkammer herrschte ein Druck von 61 bar. Als Spaltgastemperatur am Brennkammeraustritt wurden 1410°C ermittelt. Die Geschwindigkeiten der Reaktionsmedien wurden wie folgt bestimmt: Austrittsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels 90 m/s, Geschwindig- keit des Moderators Dampf in der Zweistoff-Zerstäuberdüse 9 120 m/s, Geschwindigkeit des Brennstoffs Heizöl EL in der Zweistoff-Zerstäuberdüse 9 20 m/s.

Die in diesem Beispiel erzielte Zusammensetzung des Spaltgases ergab 3,9 % CO ₂ , 47,7 % CO und 48,9 % H ₂ (in Molprozent, trocken). Beispiel 2:

Als flüssiger Brennstoff wurde Intermediate Fuel Oil IFO 380 SA (i.d.R. eine Mischung aus Schweröl und Dieselöl) mit einer Einsatztemperatur von 90°C und einer kinematischen Viskosität (bei Einsatzbedingungen) von ca. 120 mm ² /s verwendet. Das Oxidationsmittel war technisch reiner Sauerstoff mit einer Temperatur von 245°C. Als Moderator wurde Dampf mit einer Temperatur von 290°C eingesetzt. In der Brennkammer herrschte ein Druck von 51 bar. Als Spaltgas- temperatur am Brennkammeraustritt wurden 1410°C ermittelt. Die Geschwindigkeiten der Reaktionsmedien wurden wie folgt bestimmt: Austrittsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels 80 m/s, Geschwindigkeit des Moderators Dampf in der Zweistoff-Zerstäuberdüse 9 90 m/s, Geschwindigkeit des Brennstoffs Intermediate Fuel Oil in der Zweistoff-Zerstäuberdüse 9 14 m/s.

Die in diesem Beispiel erzielte Zusammensetzung des Spaltgases ergab 3,5 % CO ₂ , 50,3 % CO und 45,8 % H ₂ (in Molprozent, trocken).

Bezugszeichenliste

1 Brenner

2 zentraler Zufuhrkanal

3 Austrittsöffnung

4 Brennerbodenplatte

5 Zufuhrleitung für Moderator

6 Zweistoff-Zerstäuberdüse

7 Ringspalt

8 Mischkammer

9 Zufuhrleitung für Brennstoff

10 Bohrung / konischer Kanal

11 Austrittskanal

A Brennerachse

α Winkel zwischen Austrittsöffnungsaufweitung und Brennerachse

ß Winkel zwischen Brennstoffstrahl und Brennerachse

γ Winkel zwischen äußerer Austrittskanalwand und Brennerachse

δ Winkel zwischen innerer Austrittskanalwand und einer Parallelen zur Brennerachse