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. H ₂ , CO, C0 ₂ 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 H ₂ 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 H ₂ , CO an den Reaktionsrohren nicht auftreten und eine geringe Schadstofferzeugung in Form beispielsweise von NO _x , 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 a ₂ , 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 a ₂ 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 m ³ /s heißes Abgas 13 mit einer Temperatur T ₀ = 2000°C.

Die Geschwindigkeit w _hg dieses erzeugten heißen Abgases 13 kann bei einer stöchiometrischen Verbrennung mit der Impulsgleichung abgeschätzt werden : w _hg = (m _f * w _f + m _air * w _air ) / (m _f + m _air ) wobei m _f , w _f - Massenstrom und Anfangsgeschwindigkeit des Brenngases 8 und m _a ir, w _air - Massenstrom und Anfangsgeschwindigkeit der Luft 9 sind .

Aus dem Volumenstrom 0,13 m ³ /s eines Gasstrahles des Abgases 13 und der ermittelten Geschwindigkeit w _hg kann der Anfangsdurchmesser d ₀ 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 T _u 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 T _x des Strahles des Abgases 13 über die Gleichung

(Tx-Tu)/(T ₀ -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 : w _n

α = arctg

w _v wobei w _v = Σ (m, ^■ W| ^■ cos di) / Σ (m, ^■ w,) die durchschnittliche vertikale und w _h = 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