Prozessbrenner und Verfahren zum Betreiben eines Reaktors mit einem

Prozessbrenner

Die Erfindung betrifft einen Prozessbrenner zur Beheizung des Reaktionsraums eines Reaktors, mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Hauptzuführungskanal und zumindest zwei innerhalb des ersten Hauptzuführungskanals endenden

Nebenzuführungskanälen, wobei sowohl über die Haupt- als auch die

Nebenzuführungskanäle ein Brenngas und ein Oxidationsmittels jeweils getrennt voneinander geführt werden können.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beheizung des Reaktionsraums eines Reaktors mit einem erfindungsgemäßen Prozessbrenner.

Prozessbrenner und Verfahren der gattungsgemäßen Art werden beispielsweise zur großtechnischen Herstellung von Synthesegasen durch Partielle Oxidation oder Autothermalreformierung eingesetzt. Dabei werden ein vorgewärmter

kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff sowie ein Sauerstoff enthaltendes

Oxidationsmittel über den Prozessbrenner in den Reaktionsraum eines POX- bzw. ATR-Reaktors eingeleitet, um anschließend bei Temperaturen zwischen 900 und 1 600°C und Drücken bis zu 150 bar durch partielle Oxidation, Reformierung und

Wassergas-Shift zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt zu werden. Die hierfür erforderliche Wärme wird im Reaktionsraum des Reaktors durch Oxidationsreaktionen erzeugt, wozu Sauerstoff in einer Menge zugeführt wird, die für eine vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe nicht ausreichend ist. Wird beispielsweise Methan als Brennstoff verwendet, laufen die folgenden Oxidationsreaktionen ab:

CH ₄ + 20 ₂ = CO _z + 2H ₂ 0

2CH ₄ + 0 ₂ => 2CO + 4H ₂

Gewöhnlich besteht sowohl ein POX- als auch ein ATR-Reaktor aus einem mit einer feuerfesten Isolierung ausgekleideten, im Wesentlichen zylindrischen Reaktorgefäß mit senkrechter Achse, das sich nach oben verjüngt. Am höchsten Punkt des Reaktors ist ein senkrecht nach unten feuernder Prozessbrenner angeordnet. Die maximale Betriebstemperatur wird durch die Hitzebeständigkeit der feuerfesten Auskleidung des Reaktors und - im Falie des ATR-Reaktors - durch die des eingesetzten Katalysators begrenzt.

Damit insbesondere seine feuerfeste Auskleidung nicht beschädigt wird, muss ein kalter POX- oder ATR-Reaktor bei Atmosphärendruck sehr langsam und gemäß einer vorgegebenen Zeit/Temperatur-Rampe auf Betriebstemperatur gebracht werden. Weil aber der Prozessbrenner nicht mit der hierzu erforderlichen geringen Leistung betrieben werden kann, wird nach dem Stand der Technik ein Vorheizbrenner installiert, der in den Reaktionsraum feuert und dessen Temperatur bis auf wenigstens 1000°C erhöht. Anschließend wird der Vorheizbrenner aus- und - falls für den

Vorheizbrenner kein eigener Anschlussstutzen verwendet wurde - der Prozessbrenner eingebaut, mit dem der Normalbetrieb gestartet werden kann, wobei Brenngas zunächst bei Atmosphärendruck mit reinem Sauerstoff an der heißen Wand des Reaktionsraums gezündet wird. Insbesondere ATR-Reaktoren können bei der Zündung des Prozessbrenners Schaden nehmen, weil die Aktivität des eingesetzten Katalysators durch den unvermeidlich gebildeten Ruß sowie den im Rauchgas vorliegenden Sauerstoff vermindert wird. Da die Gasmengen nicht proportional zu dem im Reaktionsraum herrschenden Druck reduziert werden können, kann in der

Zündphase eine verhältnismäßig lange Flamme auftreten, die u. U. zu einem

Anschmelzen des Katalysators und der feuerfesten Auskleidung führt. Um zu verhindern, dass bei einem erforderlichen Ausbau des Vorheizbrenners heiße Gase über den geöffneten Anschlussstutzen ausströmen und das für diese Tätigkeit eingesetzte Montagepersonal gefährden, muss im Reaktionsraum des Reaktors ein Unterdruck erzeugt werden, durch den jedoch kalte Luft in den Reaktor gesaugt wird und diesen abkühlt. Damit trotz der Abkühlung eine sichere Zündung an der Wand des Reaktionsraums gewährleisten werden kann, ist es notwendig, den Reaktor mit Hilfe des Vorheizbrenners höher vorzuheizen, als dies allein für einen sicheren Start des Prozessbrenners erforderlich ist. Der Brennerwechsel ist mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden und beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens insbesondere durch den verzögerten Beginn der Synthesegasproduktion. Bekannt ist auch, den Vorheizbrenner nach Beendigung des Vorheizens im Reaktor zu belassen. Dabei kann der Vorheizbrenner in den Prozessbrenner integriert sein, wobei er reaktionsraumseitig mit dem Prozessbrenner abschließt oder wie in den

Veröffentlichungen US2011265379A1 , DE69719688T2, DE20201013005758U1 , DE69822635T2, DE102008033096A1 und US6276611 B1 gegenüber diesem zurückversetzt ist. Dadurch ist zwar ein direkter Übergang von Vorheiz- auf

Normalbetrieb möglich. Um zu verhindern, dass er durch die hohen

Reaktionsraumtemperaturen geschädigt wird, muss aber während des gesamten Normalbetriebes ein kühlender Fremdstrom wie z. B. Dampf durch den Vorheizbrenner geführt werden. Außerdem kann der im Prozessbrenner integrierte Vorheizbrenner zu einem unsymmetrischen Flammenbild und/oder nachteiligen Flammenschwingungen führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Prozessbrenner der eingangs beschriebenen Art sowie ein Verfahren zur Beheizung des Reaktionsraums eines Reaktors mit diesem Prozessbrenner anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.

Die gestellte Aufgabe wird seitens des Prozessbrenners erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass er ein gasdurchlässiges Strömungswiderstandselement aufweist, das am reaktionsraumseitigen Ende des ersten Hauptzuführungskanals angeordnet ist und sich über dessen Strömungsquerschnitt erstreckt.

Die Nebenzuführungskanäle sind so dimensioniert, dass Brenngas und

Oxidationsmittel in einer für das Vorheizen des Reaktors genügend kleinen Menge zugeführt und in einer stabilen Flamme umgesetzt werden können.

Zweckmäßigerweise ist der Abstand zwischen dem reaktionsraumseitigen Ende der Nebenzuführungskanäle und dem gasdurchlässigen Strömungswiderstandselement so groß, dass ein vollständiger Ausbrand der zugeführten Gase innerhalb des ersten Hauptzuführungskanal gewährleistet ist und ein direkter Kontakt von Flamme und Strömungswiderstandselement vermieden wird. Bevorzugt beträgt der Abstand mindestens das Zweifache einer charakteristischen Länge des Querschnitts des ersten Hauptzuführungskanals. Bei der charakteristischen Länge handelt es sich

beispielsweise um den Durchmesser, wenn der Querschnitt kreisförmig ist, oder, im Falle eines ringförmigen Querschnitts, um dessen Breite.

Durch die erfindungsgemäße Konfiguration werden insbesondere die Endbereiche der Nebenzuführungskanäle im Normalbetrieb des Prozessbrenners über das durch den ersten Hauptzuführungskanal strömende Gas gekühlt und durch das

Strömungswiderstandselement vor der Strahlungswärme aus dem Reaktionsraum geschützt. Hierdurch ist es möglich, die zur Vorheizung genutzten

Nebenzuführungskanäle auch während des Normalbetriebs im Reaktor zu belassen, ohne dass sie über eine eigene Einrichtung gekühlt werden müssen.

Außerdem bewirkt das Strömungswiderstandselement während des Normalbetriebs eine Vergleichmäßigung der Strömungsverhältnisse über den gesamten

Strömungsquerschnitt des ersten Hauptzuführungskanals, so dass die Auswirkungen der Nebenzuführungskanäle auf das Flammenbild des Prozessbrenners effektiv unterdrückt werden. Vorzugsweise besteht das Strömungswiderstandselement aus einem thermisch isolierenden und unter den Bedingungen des Brennerbetriebs beständigen Material oder weist zumindest reaktionsraumseitig eine Beschichtung aus einem derartigen Material auf. Bei dem thermisch isolierenden Material handelt es sich beispielsweise um Kugelkorund, Zirkondioxid oder Siliziumdioxid. Als Trägermaterial für die

Beschichtung kann insbesondere Stahl verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Prozessbrenner eine Zündeinrichtung auf, über die durch die Nebenzuführungskanäle in den ersten

Hauptzuführungskanal eingeleitete Gase durch eine elektrische Entladung oder über einen Laserpuls gezündet werden können. Besonders bevorzugt ist die

Zündeinrichtung unmittelbar stromabwärts des Endes der Nebenzuführungskanäle und innerhalb des ersten Hauptzuführungskanals angeordnet. Dadurch kann die

Zündeinrichtung auch im Normalbetrieb an ihrem Platz verbleiben, da sie genauso wie die Nebenzuführungskanäle vor übermäßiger Hitzeeinwirkung geschützt und lediglich den moderaten Temperaturen des durch den ersten Hauptzuführungskanal

strömenden Gases, die in der Praxis 600°C nicht überschreiten, ausgesetzt ist.

Um eine Schädigung der Hauptzuführungskanäle des Prozessbrenners während des Vorheizens zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise zumindest der erste

Hauptzuführungskanal von einer Wand begrenzt, die aus einem thermisch isolierenden und unter den Bedingungen des Brennerbetriebs beständigen Material besteht oder die mit einem derartigen Material beschichtet ist. Bei dem thermisch isolierenden Material handelt es sich beispielsweise um Kugelkorund, Zirkondioxid oder Siliziumdioxid.

Die Nebenzuführungskanäle werden vorzugsweise durch koaxial angeordnete Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern gebildet, wobei sämtliche Rohre einen

kreisförmigen Querschnitt aufweisen, so dass sich ein zentraler Nebenzuführungskanal mit kreisförmigem und wenigstens ein weiterer Nebenzuführungskanal mit einem ringkreisförmigen Querschnitt ergeben. Eine derartige Konfiguration der

Zuführungskanäle ist aus dem Stand der Technik für sog. Koaxialbrenner bekannt.

Der erfindungsgemäße Prozessbrenner kann ebenfalls als Koaxialbrenner ausgeführt sein, dessen Hauptzuführungskanäle durch konzentrische Rohre gebildet sind.

Bevorzugt handelt es sich jedoch bei dem Prozessbrenner um einen als

Flächenbrenner bezeichneten Brenner wie er in einer beim Deutschen Patent- und Markenamt unter dem Aktenzeichen 102014018376.9 eingereichten Patentanmeldung beschrieben ist, deren Inhalt mit ihrer Zitierung vollständig in den vorliegenden Text aufgenommen wird.

Ein Flächenbrenner umfasst vorzugsweise eine Platte aus einem thermisch

isolierenden und unter den Bedingungen des Brennerbetriebs beständigen Material, die, am reaktionsraumseitigen Brennerende angeordnet, den Brennerquerschnitt vollständig ausfüllt und die beiden Hauptzuführungskanäle vom Reaktionsraum des Reaktors trennt. Während des Normalbetriebs treten die über die

Hauptzuführungskanäle führbaren Gase über eine Vielzahl von in der Platte

angeordneten und weitgehend gleichmäßig über den Brennerquerschnitt verteilten Kanälen in den Reaktionsraum ein. Die Nebenzuführungskanäle enden innerhalb des ersten Hauptzuführungskanals, so dass sie im Normalbetrieb durch die thermisch isolierende Platte von der Wärmestrahlung aus dem Reaktionsraum weitgehend abgeschirmt werden. Während des Vorheizbetriebes kann das bei der Verbrennung der über die Nebenzuführungskanäle eingebrachten Gase entstehende heiße

Rauchgas über die Kanäle in der thermisch isolierenden Platte weiter in den

Reaktionsraum strömen und diesen vorheizen.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors, in dessen Reaktionsraum während des Normalbetriebs ein Brenngas und ein Oxydationsmittel über wenigstens einen ersten und einen zweiten Hauptzuführungskanal eines

Prozessbrenners getrennt voneinander eingeleitet und bei Temperaturen von mehr als 750°C umgesetzt werden, wobei zum Vorheizen des Reaktors ein Brenngas und ein Oxidationsmittel über zumindest zwei Nebenzuführungskanäle getrennt in den ersten Hauptzuführungskanal eingeleitet und dort gezündet werden.

Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch den ersten Hauptzuführungskanal geführtes Gas über ein am

reaktionsraumseitigen Ende des ersten Hauptzuführungskanals angeordnetes gasdurchlässiges Strömungswiderstandselement in den Reaktionsraum eingeleitet wird. Um einen direkten Flammenkontakt mit dem Strömungswiderstandselement zu vermeiden, werden die über die Nebenzuführungskanäle in den ersten

Hauptzuführungskanal eingeleiteten Gase bevorzugt mit einem Abstand zum

Strömungswiderstandselement gezündet, der wenigstens dem Zweifachen einer charakteristischen Länge des ersten Hauptzuführungskanals entspricht. Hierzu wird zweckmäßigerweise eine Zündeinrichtung verwendet, über die unmittelbar

stromabwärts der Nebenzuführungskanäle ein Flamme erzeugt werden kann, deren thermische Leistung gering genug ist, um den Reaktor gemäß einer vorgegebenen Zeit/Temperatur-Rampe vorzuheizen. Um während des Vorheizbetriebes die Überhitzung von Teilen des Prozessbrenners zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zumindest den ersten

Hauptzuführungskanal mit einem Kühlmedium zu spülen, sofern er nicht ohnehin von Brenngas oder Oxidationsmittel durchströmt wird. Bei dem Kühlmedium kann es sich beispielsweise um Luft oder Stickstoff oder Wasserdampf handeln. Nach Abschluss des Vorheizbetriebes werden die Nebenzuführungskanäle nicht aus dem Reaktor entfernt. Vielmehr verbleiben sie auch während des Normalbetriebs an Ort und Stelle. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt einen Reaktor mit einem als Flächenbrenner ausgeführten

Prozessbrenner gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung.

Am oberen Ende des Reaktors R, bei dem es sich etwa um einen POX- oder einen ATR-Reaktor handelt, ist der senkrecht nach unten in den Reaktionsraum M feuernde Flächenbrenner F angeordnet, der im Normalbetrieb als Prozessbrenner dient, und über den ein Brenngas 1 sowie ein Oxidationsmittel 2 in den Reaktionsraum M eingeleitet werden können. Der Prozessbrenner F umfasst eine als

Strömungswiderstandselement wirkende Platte P aus einem thermisch isolierenden Material, die den gesamten Brennerquerschnitt ausfüllt und die beiden

Hauptzuführungskanäle G und B vom Reaktionsraum M abtrennt. Das Brenngas 1 , bei dem es sich beispielsweise um Erdgas handelt, kann über den ersten

Hauptzuführungskanal G auf die Brenngaskanäle K der Platte P verteilt werden, über die es in den Reaktionsraum M gelangt. Das Oxidationsmittel 2 ist über den zweiten Hauptzuführungskanal B, der über die Verteilerleitung O mit den

Oxidationsmittelkanälen L der Platte P verbunden ist, ebenfalls in den Reaktionsraum M führbar. Am Kopf des Prozessbrenners F ist der Vorheizbrenner V installiert, dessen Brennerrohre R1 und R2 koaxial angeordnet sind und die beiden auf gleicher Höhe im Hauptzuführungskanal G endenden Nebenzuführungskanäle N1 und N2 bilden. Im Vorheizbetrieb wird über den Nebenzuführungskanal N1 ein Brenngas 3 und über den Nebenzuführungskanal N2 ein Oxidationsmittel 4 zugeführt, die sich im ersten

Hauptzuführungskanal G vermischen, wo sie auch gezündet werden. Das entstehende heiße Rauchgas strömt über die Brenngaskanäle K in den Reaktionsraum M, um diesen aufzuheizen. Geschützt durch die thermisch isolierende Platte P und gekühlt durch das zuströmende Brenngas 1 kann der Vorheizbrenner V auch während des Normalbetriebs des Reaktors R an Ort und Stelle verbleiben. Um die

Hauptzuführungskanäle G und B vor der Hitze der über den Vorheizbrenner V erzeugten Flamme zu schützen, sind sie mit einem thermisch stabilen Isoliermaterial T, bei dem es sich etwa um Kugelkorund, Zirkondioxid oder Siliziumdioxid handelt, verkleidet.