DD241457A1 - Brenner mit zuendeinrichtung fuer gasfoermige brennstoffe und sauerstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit integrierter elektrischer Zuendeinrichtung insbesondere fuer Reaktoren zur Erzeugung von CO- und H2-reichen Gasen durch Partialoxydation unter Druck. Der Brenner kann sowohl fuer die Partialoxydation von gas- beziehungsweise dampffoermigen Kohlenwasserstoffen, als auch als Pilotbrenner in Reaktoren zur Partialoxydation von fluessigen oder staubfoermigen Brennstoffen eingesetzt werden. Der Brenner weist koaxial angeordnete Kanaele fuer Brenngas und fuer Sauerstoff auf. Erfindungsgemaess ist in dem Brenngaskanal elektrisch isoliert zur Wand dieses Kanals ein Zuendrohr angeordnet, das mit einer Hochspannungszuendvorrichtung verbunden ist und mit der Wand des Brenngaskanals eine Funkenstrecke bildet. Das Zuendrohr ist ueber ein Absperrventil mit einer Sauerstoffquelle verbunden und weist in der Umgebung der Funkenstrecke Austrittsoeffnungen fuer Sauerstoff auf. Beim Start des Brenners wird das Zuendrohr voruebergehend mit einer relativ sehr kleinen Sauerstoffmenge beaufschlagt, die innerhalb des Brenngaskanals durch die Funkenzuendung eine Zuendflamme bildet, die wiederum die Flamme im Reaktionsraum zuendet.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmige Brennstoffe und Sauerstoff, die in einem freien Reaktionsraum_%vorzugsweise unter höherem Druck in einer Flammenreaktion umgesetzt werden. Bevorzugtes Einsatzgebiet dieses Brenners ist die Erzeugung von CO- und H₂-reichen Gasen durch Partialoxydation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen mit technischem Sauerstoff. Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet ist seine Anwendung als Zünd- und Stützbrenner in Reaktoren zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen durch Partialoxydation mit Sauerstoff. In diesem Fall wird der Brenner mit einem gasförmigen Hilfsbrennstoff betrieben. Die durch die partielle Oxydation hergestellten CO- und H₂-reichen Gase werden zu Synthesegas, Hydrierwasserstoff, Stadtgas, metallurgischen Reduktionsgasen und für ähnliche Zwecke eingesetzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Technik der Erzeugung CO- und H₂-reicher Gase ist die partielle Oxydation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Erdgas, in der Form einer Flammenreaktion in einem freien Reaktionsraum unter höherem Druck bekannt. Als Oxydationsmittel werden dabei technischer Sauerstoff, Gemische von technischem Sauerstoff mit Dampf und/oder CO₂ und mit Sauerstoff angereicherte Luft angewandt. Zur Einführung der Reaktanten in den Reaktionsraum und zur Lokalisierung der Flamme im Reaktionsraum dienen eine oder mehrere als Brenner bezeichnete Vorrichtungen.

Bei der Inbetriebnahme einer solchen Anlage muß die Flammenreaktion durch eine Zündung des Brenners eingeleitet werden. Als Zündquelle für das Zünden der Brenner werden separate, mit Brenngas und Luft betriebene Zündlunten oder Zündbrenner kleiner Wärmeleistung verwendet, die im allgemeinen nach Zündung des Brenners aus dem Reaktor entfernt werden. Es liegt nahe, die Zündung des Brenners unmittelbar durch einen Hochspannungsfunken zu erwirken. Das ist aber mit Rücksicht auf die Leistung des Brenners und auf die Verwendung von technischen Sauerstoff als Oxydationsmittel mit einem sicherheitstechnischen Risikoverbunden. Außerdem werden dazu benötigte Elektroden anderMündung des Brenners während des Normalbetriebes der Anlage durch thermische Einwirkung zerstört. Mit DD 219 846 ist ein selbstzündender Druckbrenner für gasförmige Brennstoffe bekannt, der zentral in der Brennermündung angeordnet eine besondere Zündkammer aufweist, in der eine elektrische Hochspannungsfunkenstrecke erzeugt werden kann. Dabei wird in der Zündkammer ein Teilstrom des Brenngases mit einer während des Zündvorganges in diese einströmenden dosierten Sauerstoffmenge gemischt und durch Hochspannungsfunken gezündet. Zur Erzeugung des Funkens ist eine in die Zündkammer ragende Elektrode vorgesehen, wobei als Gegenelektrode die benachbarte metallische Wand des Zündbrenners fungiert. Die aus der Zündkammer austretende Flamme zündet das vor der Brennermündung entstehende Gemisch aus Brenngas und Sauerstoff, die beide aus separaten Kanälen des Brenners ausströmen. Ein Nachteil einer solchen im Bereich der Brennermündung liegenden Zündkammer ist, daß sie nach Abschluß des Zündvorganges, also im Normalbetrieb des Brenners, weiter mit einem ständigen Spülgasstrom beaufschlagt werden muß, um das Eindringen von Ruß, Staub oder Schlacke in die Zündkammer und deren Ablagerung auf der Zündelektrode sicher zu verhindern.

In der Technik der Gaserzeugung ist weiter die Vergasung von staubförmigen Brennstoffen durch Partialoxydation bekannt. Beim Betrieb von Reaktoren für eine solche Vergasung von Kohlenstaub ist es zweckmäßig, zur Aufheizung des Reaktors, zur Einleitung der Partialoxydation des Kohlenstaubes und zur ständigen Aufrechterhaltung einer Pilotflamme zur Verbesserung der Stabilität der Kohlenstaubflamme einen Pilotbrenner zu installieren, der während des Startvorganges und während des Normalbetriebes der Anlage mit einer relativ kleinen Menge eines gasförmigen Brennstoffes fremder Herkunft oder ggf. eigener Erzeugung betrieben wird. Auch als Pilotbrenner für einen solchen Staubvergasungsreaktor kann der mit einer Zündkammer ausgerüstete selbstzündende Druckbrenner gemäß oben genannter Patentschrift eingesetzt werden. Es ist dann zusätzlich erforderlich, die in der Ebene der Brennermündung befindliche Zündkammer intensiv mittels Wasser zu kühlen, weil die Wärmebelastung aus dem Reaktionsraum durch die Feststoffstrahlung der Staubpartikel besonders hoch ist und weil zusätzlich ein korrosiver Angriff der Schlacke auf ungekühlte metallische Teile zu befürchten ist. Durch die Wasserkühlung vergrößert sich der Platzbedarf für die Zündkammer zusätzlich, was zu relativ großen Abmessungen des kompletten Pilotbrenners und zu erhöhtem Aufwand für die Fertigung führt. Ein weiterer Nachteil ist die relativ komplizierte konstruktive Gestaltung der Zündkammer mit der Zündelektrode in der Brennerachse und deren Raumbedarf.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Brenner mit integrierter elektrischer Zündeinrichtung insbesondere für Druckreaktoren zur Erzeugung von CO- und H2-reichen Gasen durch Partialoxydation, der mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird und dessen Zündeinrichtung konstruktiv und fertigungstechnisch einfach gelöst ist, mit geringem Platzbedarf auskommt, sowie ohne aufwendige Hilfsmittel vor Verschmutzung, Verschlackung und überhöhter Wärmebelastung geschützt ist. Ziel der Erfindung ist weiter ein Brenner, der bei entsprechender Ausgestaltung, aber ohne Veränderung des Konstruktions- und Funktionsprinzipes direkt für die Erzeugung CO- und H₂-reicher Gase durch Partialoxydation von gas-bzw. dampfförmigen Kohlenwasserstoffen oder als Pilotbrenner in Reaktoren zur Partialoxydation von flüssigen bzw. staubförmigen Brennstoffen geeignet ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Brenner mit integrierter elektrischer Zündeinrichtung für den Umsatz von gasförmigen Brennstoffen mit Sauerstoff, insbesondere für den Einsatz in Druckreaktoren zur Partialoxydation zu schaffen, der bei hoher Funktionssicherheit der Zündung ohne zusätzliche Wasserkühlung der Zündeinrichtung und ohne Spülung mit einem zusätzlichen Spülgas auskommt und der die Installation einer Flammenüberwachungseinrichtung innerhalb des Brenners zuläßt. Die Erfindung geht dabei von einem Brenner aus, der koaxial angeordnete Kanäle für Brenngas und für Sauerstoff aufweist, die nach einem Reaktionsraum hin offen sind, in dem die Flammenreaktion abläuft.

Erfindungsgemäß ist in einem Brenngaskanal ein Zündrohr angeordnet, das gegenüber einer metallischen Wand des

Brenngaskanals elektrisch isoliert ist, das mit der Hochspannungsseite einer elektrischen Hochspannungszündvorrichtung verbunden ist und das an seinem nach dem Reaktionsraum zugewandten, innerhalb des Brenngaskanals befindlichen Ende einen nach der metallischen Wand des Brenngaskanals gerichteten Elektrodenstift trägt, welcher mit dieser metallischen Wand eine Funkenstrecke bildet. Das genannte Zündrohr ist weiter über ein Absperrventil mit einer Sauerstoffquelle verbunden und weist in der Umgebung der Funkenstrecke Austrittsöffnungen für Sauerstoff auf.

Der Brenngaskanal des erfindungsgemäßen Brenners besteht aus einem zylindrischen Abschnitt, an den sich in Richtung Reaktionsraum ein Konfusor und eine zylindrische Brenngasaustrittsdüse verminderten Durchmessers anschließen. Der Brenngaskanal ist, getrennt durch die metallische Wand, von einem ringförmig ausgebildeten Kanal für Sauerstoff umgeben, und das Zündrohr ist exzentrisch so im Brenngaskanal angeordnet, daß sein reaktionsraumseitiges Ende mit dem Elektrodenstift in Strömungsrichtung gesehen vor der Brenngasaustrittsdüse angeordnet ist.

Es ist vorteilhaft für die Erfindung, wenn der Abstand des Elektrodenstiftes von der Achse des Brenners größer als der Radius der Brenngasaustrittsdüse ist. In diesem Fall schützt nämlich die Wand der Brenngasaustrittsdüse den Elektrodenstift vor der intensiven thermischen Strahlung aus dem Reaktionsraum.

Es entspricht weiter der Erfindung, daß mindestens ein Teil der genannten Austrittsöffnungen im Zündrohr in Strömungsrichtung gesehen vor dem Elektrodenstift angeordnet und auf die genannte metallische Wand gerichtet ist.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich das reaktionsraumseitige Ende des Zündrohres mit Austrittsöffnungen versehen, so daß ein Teil des Sauerstoffs in axialer Richtung aus dem Zündrohr austritt.

In an sich bekannter Weise können die Wände von Brenngaskanal und Sauerstoff kanal vor allem im Bereich der Mündung dieser Kanäle in den Reaktionsraum mit einer inneren Wasserkühlung versehen sein. Das gilt insbesondere für die oben genannte, den Brenngaskanal umhüllende metallische Wand. Auf diese Weise wird eine weitere Reduzierung der thermischen Belastung des Brennerwerkstoffes und Elektrodenstiftes sowie ein wirksamer Schutz der Kanalmündungen vor dem Abbrand durch Flammen- und Sauerstoffeinwirkung erreicht.

Als besonderer Vorzug der exzentrischen Anordnung des Zündrohres erweist sich, daß die Achse des Brenners frei von Einbauten für die Zündeinrichtung bleibt. Es ist deshalb ein weiteres Merkmal der Erfindung, in der Achse des Brenngaskanals eine Beobachtungsvorrichtung beziehungsweise eine optische Einrichtung zur Überwachung der sich im Reaktionsraum ausbildenden Flamme anzuordnen, wobei das aus dem Brenngaskanal in den Reaktionsraum austretende Brenngas den optischen Einblick frei von Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum hält und somit als Spülmedium genutzt wird.

Wird der erfindungsgemäße Brenner als Pilotbrenner für einen Reaktor zur Erzeugung von CO- und H₂-reichen Gasen durch Partialoxydation eines flüssigen oder staubförmigen Brennstoffes eingesetzt, dann läßt sich ein solcher Pilotbrenner mit weiteren, in den Reaktionsraum mündenden Zuführungskanälen für flüssige oderstaubförmige Brennstoffe und für Sauerstoff beziehungsweise für einen freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel in der Weise kombiniert, daß die Mündungen der weiteren Zuführungskanäle axialsymmetrisch verteilt den Pilotbrenner umgeben, wobei dieser die Achse für die Anordnung der weiteren Zuführungskanäle bildet. Auf diese Weise wird ein einheitliches, kompaktes Brenneraggregat erreicht, das alle Zuführungskanäle für Sauerstoff, flüssige beziehungsweise staubförmige Brennstoffe und den für die Aufrechterhaltung der Pilotflamme notwendigen gasförmigen Brennstoff sowie Zündeinrichtung und Flammenüberwachungseinrichtung in sich vereint.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brenners ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung des Brenners, Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1.

Der Brenner besteht aus dem zentralen Brenngaskanal 9 mit dem zylindrischen Abschnitt 1, dem sich daran anschließenden Konfusor 2 und der dem Konfusor 2 fortsetzenden Brenngasaustrittdüse 3. Exzentrisch zur Brennerachse ist innerhalb des Brenngaskanals 9 ein Zündrohr 4 kleinen Durchmessers angeordnet, das für die Zufuhr einer relativ sehr kleinen Zündsauerstoffmenge bestimmt ist. Der Zündsauerstoff tritt durch Austrittsöffnungen 5 in Form radialer Bohrungen, die nach der metallischen Wand 11 des Brenngaskanals 9 gerichtet sind und durch eine Austrittsöffnung 6 am Ende des Zündrohres 4 aus. Am Ende des Zündrohres 4, das etwa im Übergangsbereich von Konfusor 2 in Brenngasaustrittsdüse 3 angeordnet ist, ist weiter ein Elektrodenstift 7 angebracht, der nach der metallischen Wand 11 des Brenngaskanals 9 im Bereich des Konfusors 2 gerichtet ist und mit diesem eine Funkenstrecke 8 bildet. Das Zündrohr 4 ist durch den Isolator 12 elektrisch von der metallischen Wand 11 des Brenngaskanals 9 isoliert und mit der Hochspannungsseite einer elektrischen Hochspannungszündvorrichtung 13 leitend verbunden. Das Zündrohr4istweiterüber ein Absperrventil 14miteinerSauerstoffquelle 15verbunden. Um den Brenngaskanal

9 ist der ringförmige Sauerstoffkanal 10 angeordnet. Die metallische Wand 11 des Brenngaskanals 9 und die den Sauerstoffkanal

10 umgebende Wand sind, in den Figuren nicht dargestellt, erforderlichenfalls mit einer inneren Wasserkühlung versehen. Der Brenner arbeitet folgendermaßen:

Bei Normaldruck im Reaktionsraum wird eine bestimmte Menge Sauerstoff oder Sauerstoff/Dampf-Gemisch über den Sauerstoffkanal 10 geleitet. Gleichzeitig strömt durch das Zündrohr 4 eine dosierte Menge Zündsauerstoff, der aus den Austrittsöffnungen 5 und 6 austritt. Durch Betätigung der Hochspannungszündvorrichtung 13 werden an der Funkenstrecke 8 Zündfunken ausgelöst. Gleichzeitig wird der Brenngaskanal 9 mit einer allmählich steigenden Brenngasmenge beaufschlagt, die lokale zündfähige Gemische mit dem aus den Öffnungen 5 und 6 strömenden Sauerstoff bildet. Das bei den Bohrungen 5 gebildete zündfähige Brenngas-Sauerstoff-Gemisch strömt teilweise zwangsläufig an der Funkenstrecke 8 vorbei und entzündet sich hier. Die dabei entstehende Flamme ist gleichzeitig das Zündinitial für das nach der Austrittsöffnung 6 am Ende des Zündrohres 4 entstehende Brenngas-Sauerstoff-Gemisch. Die durch die konfusorartige Einziehung des Brenngaskanals 9 vor der Brenngasaustrittsdüse 3 bewirkte Geschwindigkeitserhöhung des Brenngasstromes in Richtung zum Düsenaustritt, unterstützt durch die gleichzeitige Volumenvergrößerung durch die teilweise Vermischung des unverbrannten Brenngases mit den heißen Flammengasen des Zündinitials sowie das Druckgefälle zunrrReaktionsraum hin, ergeben einen raschen Austritt heißer Gase beziehungsweise von Teilen der Zündflamme aus der Brenngasaustrittsdüse 3, so daß das im Bereich der Brennermündung durch das aus der Brenngasaustrittsdüse 3 austretende Brenngas und den aus dem Sauerstoffkanal 10 austretenden Sauerstoff oder Sauerstoff/Dampf-Gemisch entstehende zündfähige Gemisch gezündet wird. Nach Abschaltung des Zündsauerstoffs und Mengenregulierung der Medien wird der Reaktorraum auf Druck gefahren. Die exzentrische Lage des den Zündsauerstoff führenden Zündrohres 4 einschließlich der Funkenstrecke 8 zur Brennerachse ergeben durch die konfusorartige Einziehung einen Schutz vor der Wärmestrahlung aus dem Reaktorraum, wobei gleichzeitig der ständig umgebende kalte Brenngasstrom als Kühlmedium wirksam ist.

Gleichzeitig verhindert der Brenngasstrom das Eindringen von festen, verschmutzenden Teilchen aus dem Reaktorraum in die Brenngasaustrittsdüse 3.

Der beschriebene Brenner ist als Pilotbrenner für einen Reaktor zur Partialoxydation von Kohlenstaub eingesetzt. Dazu ist der Pilotbrenner axialsymmetrisch zu seiner Achse von weiteren Zuführungskanälen 16,17 für Kohlenstaub beziehungsweise ein Sauerstoff/Dampf-Gemisch als Vergasungmittel umgeben. Weiter ist in der Achse des Brenngaskanals 9 eine Flammenüberwachungseinrichtung 18 angeordnet. So entsteht ein einheitliches, kompaktes Brenneraggregat.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1. Brenner mit Zündeinrichtung für gasförmige Brennstoffe und Sauerstoff, wobei der Brenner in koaxialer Anordnung einen Brenngaskanal und einen Sauerstoffkanal besitzt und beide Kanäle nach einem Reaktionsraum zu offen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brenngaskanal (9) ein gegenüber einer metallischen Wand (11) des Brenngaskanals (9) elektrisch isoliertes Zündrohr (4) angeordnet ist, das mit der Hochspannungsseite einer Hochspannungszündvorrichtung (13) verbunden ist und an seinem reaktionsraumseitigen, im Brenngaskanal (9) befindlichen Ende einen nach der metallischen Wand (11) gerichteten Elektrodenstift (7) trägt, welcher mit dieser metallischen Wand (11) eine Funkenstrecke (8) bildet, und das genannte Zündrohr (4) über ein Absperrventil (14) mit einer Sauerstoffquelle verbunden ist und in der Umgebung der Funkenstrecke (8) Austrittsöffnungen (5,6) für Sauerstoff aufweist.
2. 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenngaskanal (9) aus einem zylindrischen Abschnitt (1) besteht, an den sich in Richtung Reaktionsraum ein Konfusor (2) und eine zylindrische Brenngasaustrittsdüse (3) verminderten Durchmessers anschließen, daß der Brenngaskanal (9), getrennt durch die metallische Wand (11), von einem ringförmig ausgebildeten Sauerstoffkanal (10) umgeben ist und das Zündrohr (4) exzentrisch so angeordnet ist, daß sein reaktionsraumseitiges Ende, in Strömungsrichtung gesehen, vor der Brenngasaustrittsdüse (3) angeordnet ist.
3. 3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Elektrodenstiftes (7) von der Achse des Brenners größer ist, als der Radius der Brenngasaustrittsdüse (3). :
4. 4. Brennernach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Austrittsöffnungen (5) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Elektrodenstift (7) angeordnet und auf die metallische Wand (11) zu gerichtet ist.
5. 5. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der genannten Austrittsöffnungen (6) am reaktionsseitigen Ende des Zündrohres so angeordnet ist, daß ein Austritt in eine Richtung erfolgt, die angenähert der Achsrichtung des Zündrohres (4) entspricht. . ι
6. 6. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Achse des Brenngaskanals (9) eine optische Einrichtung zur Flammenüberwachung (18) angeordnet ist.
7. 7. Brenner nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Brenner mit weiteren, in den Reaktionsraum mündenden Zuführungskanälen für einen flüssigen oder staubförmigen Brennstoff und für Sauerstoff oder ein freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel in der Weise kombiniert ist, daß die Mündungen der weiteren Zuführungskanäle axialsymmetrisch verteilt den Brenner umgeben, wobei der Brenner die Achse für die Anordnung der weiteren Zuführungskanäle bildet. :