Gasbrenner mit optimierter Düsenanordnung

[0001] Die Erfindung ist auf einen Gasbrenner zur Verbrennung von Brenngasen mit Sauerstoff gerichtet, der eine Primärgasdüse und Sekundärgasdüsen umfasst, die mit einer gemeinsamen zentralen Zuleitung verbunden sind. Dabei sind die schräg nach unten gerichteten Nicht-Horizontalöffnungen der Primärgasdüse so ausgerichtet, dass der Gasstrahl diese auf einen Punkt einer Mittellinie zwischen jeweils zwei Sekundärgasdüsen gerichtet ist, und die Mittellinie definiert ist als gedachte Linie, die zur Rotationsachse der Primärgasdüse parallel und mittig zwischen zwei benachbarten Sekundärgasdüsen verläuft.

[0002] Bei der Verbrennung von Brenngasen oder Brenngasgemischen ist es im Stand der Technik bekannt, gestufte Gasbrenner einzusetzen. Dabei wird das Brenngas über die Primärgasdüsen in einem ersten Verbrennungsschritt in den Brennschacht oder Ofenraum entlassen, mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltenden Gas gemischt und verbrannt. Um die Gasbestandteile, welche in der ersten Verbrennungsstufe nur unvollständig verbrannt wurden nach zu verbrennen, sind stromabwärts zu den Primärgasdüsen Sekundärgasdüsen angeordnet, die einen weiteren Anteil an Brenngas in den Brennschacht oder Ofenraum eindüsen und die oxidierbaren Anteile in dem dort vorbeiströmenden Gasgemisch vollständig oxidieren bzw. verbrennen.

[0003] Derartige Gasbrenner sind zum Beispiel industriell im Einsatz bei deckenbefeuerten Synthesegasöfen, zur Herstellung von H ₂ und CO. In diesen Synthesegasöfen werden eine Vielzahl mit Katalysator gefüllte Reaktionsrohre durch den von oben befeuerten Ofenraum geführt. Die in Gassen angeordneten Reaktionsrohre werden durch eine Vielzahl von gestuften Gasbrennern beheizt, die in den Gassenzwischenraum hineinfeuern. In den mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohren strömt das Feedgas, in der Regel ein niedriger Kohlenwasserstoff, wie Methan, Propan, Butan oder ein Gemisch aus diesen Kohlenwasserstoffen. Hierbei ist es ganz entscheidend, dass die Reaktionsrohre gleichmäßig erwärmt werden. In Bereichen der mit Katalysator befüllten Reaktionsrohre, die nicht auf die erforderliche Reaktionstemperatur erhitzt werden, findet keine oder eine verminderte Umsetzung statt, wodurch der Gesamtumsatz des Syntheseverfahrens sinkt. Treten lokale überhitzungen auf, besteht die Gefahr der Materialschädigung.

[0004] Nach wie vor sind in baugleichen Reaktionsrohren eines Synthesegasofens unterschiedliche Umsätze zu beobachten, obwohl in dem Bereich von Primärgasdüse und Sekundärgasdüse sehr hohe Reynoldszahlen vorliegen und somit ein hoch turbulenter Strömungszustand sicher gestellt ist.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es somit ein verbessertes Verfahren und einen Gasbrenner zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Reaktionsrohre möglichst gleichmäßig thermisch belastet werden.

[0006] Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem Hauptanspruch und den abhängigen Ansprüchen die verbesserte Ausführungen beanspruchen, indem ein Gasbrenner zur Verbrennung von Brenngasen oder Brenngasgemischen gemeinsam mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Gasgemische offenbart wird, der mindestens eine Primärgasdüse und mindestens zwei Sekundärgasdüsen umfasst, welche mit einer gemeinsamen zentralen Zuleitung verbunden sind. Die Sekundärgasdüsen sind dabei im Wesentlichen radial und symmetrisch um die Primärgasdüse angeordnet. Stromaufwärts zur Primärgasdüse ist mindestens ein Element zur Strömungsführung angeordnet. Die Primärgasdüse weist eine Vielzahl radial angeordneter öffnungen auf, wobei eine Teilzahl der öffnungen als Horizontalöffnungen ausgebildet sind, deren Achsen lotrecht zur Rotationsachse der Primärgasdüse durch die Wand der Primärgasdüse führen und die andere Teilzahl als Nicht- Horizontalöffnungen ausgebildet sind, deren Achsen in Richtung der vorgesehenen Hauptströmungsrichtung hin zur Rotationsachse der Primärgasdüse geneigt sind. ■

[0007] Dabei soll nachfolgend unter "Achse einer öffnung" immer die Lotrechte auf der freien Querschnittsfläche dieser öffnung verstanden werden, unabhängig davon, ob es sich um eine runde oder anders geformte Querschnittsfläche handelt. Bei runden Querschnittsflächen soll weiterhin hinsichtlich der Position dieser Achse in der Querschnittsfläche verstanden werden, dass diese Achse durch den Mittelpunkt und bei nicht runden Querschnittsflächen, dass die Achse durch den geometrischen Mittelpunkt dieser Querschnittsfläche verläuft.

[0008] Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Gasbrenner ist, dass die Achsen jeder Nicht- Horizontalöffnungen auf einen Punkt einer Mittellinie zwischen jeweils zwei Sekundärgasdüsen gerichtet sind, und die Mittellinie definiert ist als gedachte Linie, die zur Rotationsachse der Primärgasdüse parallel und mittig zwischen zwei benachbarten Sekundärgasdüsen verläuft. Dabei ist idealerweise die Anzahl der Nicht-Horizontalöffnungen mit der Anzahl der Sekundärgasdüsen identisch. Eine verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass die Sekundärgasdüsen stromabwärts zur Primärgasdüse angeordnet sind.

[0009] Der Gasbrenner kann optimiert werden, indem die Primärgasdüse eine oder mehrere Vertikalöffnungen aufweist, so dass im eingebauten Zustand das Brenngas in Richtung der Rotationsachse ausströmen kann.

[0010] Der Gasbrennerkopf beziehungsweise die Düse der Primärgasdüse ist ein Verschleißteil, das regelmäßig gewechselt werden muss. Daher besteht eine optimierte Variante darin, dass am Primärgasbrenner ein lösbarer Düsenkopf vorgesehen wird, in welchen die Nicht-Horizontalöffnungen eingebracht sind, und der Düsenkopf derart geformt ist oder konstruktive Elemente an diesem vorgesehen sind, das die Achse jeder Nicht- Horizontalöffnung auf einen Punkt einer Mittellinie zwischen zwei Sekundärgasdüsen gerichtet ist. Für diese konstruktive Festlegung der öffnungen in der Primärgasdüse zu der Position der Sekundärgasdüse, stehen dem Fachmann sehr viele Möglichkeiten offen. Hier könnte am Zentralrohr die Düse mittels eines Flansches fixiert werden und die Position der Bohrungen verhindert eine Fehllage der öffnungen. Weiterhin könnte der Gasbrennerkopf über eine Verschraubung auf das Zentralrohr aufgebracht werden und mittels einer federnd gelagerten Kugel, einem Kontersplint oder einer Konterschraube die Festlegung der Endposition erfolgen. Weitere konstruktive Varianten sind ebenso denkbar.

[0011] Der Gasbrenner kann weiter verbessert werden, in dem ein stromaufwärts zur Primärgasdüse angeordnetes Element zur Strömungsführung direkt am Düsenkopfes anliegt oder mit diesem verbunden ist.

[0012] Von der Erfindung ist weiterhin ein Reformierofen zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltendem Synthesegas umfasst, bei welchem der Gasbrenner gemäß einem der vorstehenden Ausführungsvarianten zum Einsatz kommt. Ebenfalls ist von der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltendem Synthesegas umfasst, bei dem ein Reformierofen mit einem Gasbrenner gemäß einer der vorgenannten Ausführungsvarianten vorgesehen wird.

[0013] Fig. 1 und Fig. 2 zeigt beispielhaft den erfindungsgemäßen Gasbrenner. Dabei ist die Erfindung nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Fig. 1 zeigt skizzenhaft den erfindungsgemäßen Gasbrenner und die Anordnung von Primär- und Sekundärgasdüsen in einer perspektivischen Ansicht. In dem Brennerkanal 1 wird über den Kanal 2 Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch geleitet. Von der im Brennerkanal 1 mittig angeordneten zentralen Brenngasleitung 3 zweigen vier kleinere Brenngasleitungen 4 ab, die zu den Sekundärgasdüsen 5 führen. Diese Brenngasleitungen 4 sind im Wesentlichen symmetrisch angeordnet und führen radial von der zentralen Brenngasleitung 3 nach außen und verlaufen nach einem abwärts gerichteten Bogen parallel an der Wand des Brennerkanals 1 entlang, nach unten. Am Ende dieser vier Brenngasleitungen sind die Sekundärgasdüsen angeordnet.

[0014] Ohne wesentliche Umlenkung führt die zentrale Brenngasleitung 3 zur Primärgasdüse 6. In Fig. 1 angedeutet und in Fig. 2 im Detail zu erkennen, sind umlaufend

auf der Primärgasdüse die Horizontalöffnungen 7 zu erkennen und die nach unten weisenden Nicht-Horizontalöffnungen 8. Oberhalb der Primärgasdüse 6, ist eine Strömungsumlenkung 9 angeordnet, die in dem vorliegenden Beispiel als Schirm geformt ist.

[0015] Weiterhin ist in Fig. 1 die Mittellinie 10 gezeigt, die zwischen zwei nach unten gerichteten Brenngasleitungen 4 als gestrichelte Linie dargestellt wurde. Die Mittellinie 10 verläuft parallel zur zentralen Brenngasleitung 3. Das Lot auf den öffnungen der Nicht- Horizontalöffnungen ist genau auf diese Mittellinie 10 gerichtet. Dieser Zusammenhang wurde nur für eine Nicht-Horizontalöffnung 8 skizziert, gilt aber für alle anderen Nicht- Horizontalöffnungen 8 in analoger Weise. Die Strömungsrichtung des Brenngases aus der Nicht-Horizontalöffnung 8 ist durch den gestrichelten Pfeil 11 skizziert.

[0016] Fig. 2 zeigt die Detailansicht der Primärgasdüse in einer Vergrößerung und im Schnitt AA, im Bereich der Nicht-Horizontalöffnuπgeπ 8. In der oberen Ansicht ist zu erkennen, dass der Gasbrennerstrahl, der die Primärgasdüse über die Horizoπtalöffnuπgen 7 verlässt, rechtwinklig zur Rotationsachse 12 der zentralen Brenngasleitung 3 steht. Dieser Gasbrennerstrahl ist durch den gestrichelten Pfeil 13 angedeutet. Ebenfalls mittels gestrichelter Pfeile 4 ist die Richtung des Gasbrennergases dargestellt, dass über die Nicht- Horizontalöffnungen 8 in den Brennerkanal 1 geleitet werden.

[0017] Mittels einer Simulationsrechnung wurde der Temperaturverlauf im Bereich der Primärgasdüse ermittelt. Fig. 3a zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen Gasbrenners, wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben wurde. Auf der X-Achse ist der Abstand von der Primärgasdüse in Millimetern aufgetragen und die Diagrammflächen stehen für Bereiche mit gleicher Temperatur.

[0018] Im in Fig. 3b gezeigten Vergleichsbeispiel wurde die Achse der Nicht- Horizontalöffnungen auf die Sekundärgasdüsen gerichtet. Es zeigte sich ein überraschend ausgeprägter Unterschied zwischen dem Vergleichsbeispiel und der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Temperaturfeld der Vergleichsmessung zeigte Bereiche, die über 2050 ⁰ C heiß wurden und einen Bereich nahe der Primärgasdüse, in welchem nur eine Temperatur von ca. 600 ⁰ C erreicht wurde, also eine sehr unvollständige Verbrennung stattfand. Dieses Problem war so nicht zu erwarten, da im Bereich der Primärgasdüse ein hochturbulenter Strömungszustand vorliegt und man immer von einer idealen Durchmischung ausgegangen ist. Neben den vorgenannten Auswirkungen auf gegebenenfalls benachbarte Reaktionsrohre, ist die Folge dieser nicht optimalen Verbrennung eine erhöhte Konzentration von NO _x , N ₂ O und CO im Abgas.

[0019] Das Temperaturfeld der erfindungsgemäßen Vorrichtung war hingegen überraschend homogen beziehungsweise gleichmäßig gestuft, wie in Fig. 3a zu erkennen ist. Es treten keine überhitzungen oder Bereiche mit sehr schlechter Verbrennung auf. Diese führt zu einer optimalen Erwärmung benachbarter Reaktionsrohre und zu einer vollständigeren Verbrennung.