DE102008006572A1

DE102008006572A1 - Keramische Beschichtung von Vergasungsbrennerteilen

Info

Publication number: DE102008006572A1
Application number: DE200810006572
Authority: DE
Inventors: Dietmar Degenkolb; Norbert Fischer; Frank Hannemann; Matthias Köhler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-07-30
Also published as: WO2009095144A2; WO2009095144A3

Abstract

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen bei einem Brenner für einen mit festem oder flüssigem Brennstoff befeuerten Vergasungsreaktor auf der metallischen Oberfläche eines Brennerteiles, die der Flammenseite zugewandt ist, eine keramische Schicht aufzubringen, wobei besondere Ausgestaltungen das Aufbringen auch mehrerer keramischer Schichten mittels der Auftragstechnologie des Plasmaspritzens, insbesondere der Materialien Zirkon-/Yttriumoxid betreffen. In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Brennerkühlteile die Lebensdauer des Brenners verbessert und somit die Anlagenverfügbarkeit erhöht bei gleichzeitiger Minimierung des Wartungsaufwandes. Zusätzlich können kostengünstigere metallische Werkstoffe eingesetzt werden. Durch eine höhere zulässige Temperatur des zugeführten Oxidationsmittels ist eine Effizienzsteigerung des Vergasungsprozesses möglich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für einen mit festem oder flüssigen Brennstoff befeuerten Reaktor aufweisend einen Zuführungskanal für ein freien Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel und einen Zuführungskanal für den Brennstoff.
Vergasungsstoffbrenner für Flugstromvergaser sind im Bereich der direkt an den Vergasungsraum angrenzenden Brennerteile einer starken Wärmeeinwirkung (> 1000°C) ausgesetzt, welche die Lebensdauer der Bauteile negativ beeinflussen und einen höheren Wartungsaufwand verursachen kann. Weitere die Standzeit der direkt an den Vergasungsraum angrenzenden Brennerteile beeinflussende Faktoren sind die bei der Vergasungsreaktion entstehenden korrosiven Reaktionsprodukte wie z. B. Wasserstoff, Chlorverbindungen etc. Neben diesem hohen Wärmeeintrag reaktionsraumseitig stellt auch die Umlenkung der Sauerstoffzuführung in den Brennerkanal, das Vorbeiströmen des Sauerstoffes an scharfkantigen Konturen sowie mitgeführte feste Partikel und das damit verbundene Risiko eines Sauerstoff-Metallbrandes ein potentielles Risiko für die Standzeit des Brenners dar. Die dabei auftretenden Wärmeeinträge müssen in ausreichender Höhe abgeführt werden bzw. muss die Temperatur der Metalloberfläche in geeigneter Weise begrenzt werden.
Die oben aufgeführten Belastungen der direkt an den Vergasungsraum angrenzenden Brennerteile werden bis jetzt durch eine intensive Kühlung über verschiedene Kühlkreisläufe mittels Kühlwasser (Kühlkammern) bzw. betriebsbedingt durch gasförmige Spül- und Vergasungsmedien minimiert. Zusätzlich kommen Kitze- und korrosionsbeständige Werkstoffe (z. B. Nickelbasislegierungen) zum Einsatz. Trotz dieser Maßnahmen kann nicht ausgeschlossen werden, dass direkt an den Vergasungsraum angrenzende Brennerteile aufgrund der hohen Temperatur- und Korrosionsbelastung geschädigt werden und entsprechend verkürzte Einsatzzeiten in Kauf genommen werden müssen.
Um der Gefahr eines Sauerstoff-Metallbrandes vorzubeugen, wird bisher die Sauerstofftemperatur auf möglichst niedrige Werte begrenzt, was die Effektivität des Verfahrens verringert und zu geringeren Wirkungsgraden führt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Brenner, insbesondere Vergasungsbrenner für die Flugstromvergasung, derart weiterzubilden, dass die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Das Problem wird bei einem gattungsgemäßen Gegenstand durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Um die durch hohen Strahlungsanteil verursachte hohe Oberflächentemperatur der Brennerkühlteile zu reduzieren, wird eine keramische Schutzschicht aufgetragen. Die Schutzschicht reduziert die Oberflächentemperatur der metallischen Bauteile auf weit unter 1000°C und führt somit zu einer verringerten Temperaturdifferenz zwischen Oberflächen- und Kühlwassertemperatur und vergleichsweise geringen Spannungszuständen. Als Schutzschichtmaterial können verschiedene keramische Materialien eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei die Verwendung von Zirkon-/Yttriumoxid-Gemischen. Diese Schutzschicht wird auf die Brennerkühlteile (Pilotbrenner, mittleres und äußeres Kühlteil) aufgebracht. Durch eine spezielle mehrschichtige Auftragstechnologie beim Plasmaspritzen erfolgt die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Grundmaterials und der keramischen Deckschicht. Somit wird eine gute Haftung erreicht und ein Abplatzen der Schutzschicht verhindert.
Eine weitere Verbesserung der Standzeiten des Brenners kann durch die Verwendung von Metallen sehr guter Wärmeleiteigenschaften wie z. B. kupferhaltigen Nickelbasislegierungen im Sauerstoffkanal und/oder an den hoch belasteten Teilen am Brennermund erreicht werden. Neben seiner guten Wärmeleitung besitzen kupferhaltige Nickelbasislegierungen wie z. B. Monel 400 auch ausreichend hohe Festigkeitseigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit, was für die druckbelasteten Brennermundteile wichtig ist. Durch den Einsatz von Metallen mit sehr guter Wärmeleit- und hohen Festigkeitseigenschaften wird eine höhere Medientemperatur im Zuführungskanal für den freien Sauerstoff ermöglicht.
Die keramische Beschichtung der Brennerkühlteile verbessert die Lebensdauer des Brenners und erhöht somit Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Wartungsaufwandes. Zusätzlich können kostengünstigere metallische Werkstoffe eingesetzt werden, da die keramische Schutzschicht über hervorragende Dämmeigenschaften verfügt. Eine weitere Standzeiterhöhung ist durch den Einsatz von gut Wärme leitenden Materialien, wie Monel 400 an den gekühlten Brennermundteilen zu erreichen. Im Falle der Verwendung von sehr gut wärmeleitfähigen Metallen, wie z. B. des unter der Marke vertriebenen Monel 400 kann eine höhere Sauerstofftemperatur im Brenner zugelassen werden und somit eine Erhöhung des Vergasungswirkungsgrades erreicht werden bzw. eine Standzeitverbesserung durch Ausschluss von Sauerstoff-Metallbrand bewirkt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine prinzipielle Darstellung eines Brenners, der eine erfindungsgemäße keramische Beschichtung aufweist.
Der in 1 dargestellte Brenner für einen Flugstromvergasungsreaktor weist einen zentralen Pilotbrenner mit einem zum flammenseitigen Brennermund führenden Brenngaskanal, eine nach dem Prinzip der Zündkerze ausgeführte Zündeinrichtung, die mit einer Zündspannung beaufschlagbar ist und eine optische Flammenüberwachung auf. Der Pilotbrenner ist von einem konzentrischen, Kühlwasser durchströmten inneren Kühlwasserkanal umschlossen. Der innere Kühlwasserkanal ist von einem Ringkanal zur Zuführung eines freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittels, insbesondere eines Sauerstoff/Dampf-Gemisches, der im Bereich des flammenseitigen Brennermundes mündet, konzentrisch umschlossen. Der Oxidationsmittel-Ringkanal weist im Bereich seines Zuführungsanschlusses eine im Wesentlichen rechtwinklige Umlenkung (Umlenkung Sauerstoff) auf, die einer hohen Materialbelastung ausgesetzt ist und die an ihrer inneren Oberfläche mit Monel 400 beschichtet sein mag. Der Oxidationsmittel-Ringkanal ist von einem konzentrischen, Kühlwasser durchströmten mittleren Kühlwasserkanal umschlossen. Der mittlere Kühlwasserkanal ist von einem Ringkanal zur Zuführung eines Brennstoffes, der im Bereich des flammenseitigen Brennermundes mündet, konzentrisch umschlossen. Unter Brennstoffen verstehen sich hierbei zu Brennstaub aufgemahlene Kohlen verschiedenen Inkohlungsgrades, aber auch Abfallstoffe aus Haushalt, Gewerbe und Industrie sowie Rückstände aus Produktionsprozessen, die sich staubfein aufmahlen lassen. Sie können als direkte Brennstaub-Gas-Suspension oder als Brennstaub-Wasser- oder Brennstaub-Öl-Suspension dem Brenner zugeführt werden. Der Brennstoff mag in dem Ringkanal in mehreren spiralförmig geführten Zuführungsrohren zum Brennermund geführt sein. Der Ringkanal zur Zuführung des Brennstoffes ist von einem konzentrischen, Kühlwasser durchströmten äußeren Kühlwasserkanal umschlossen.
Der Brenner ragt mit seinem unten dargestellten Ende, dem flammenseitigen Brennermund in den Reaktorraum hinein. Die direkt an den Vergasungsraum angrenzenden Brennerteile sind einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt.
Zwischen dem Pilotbrenner und dem Oxidationsmittel-Ringkanal ist ein Ringsteg angeordnet, der von einem Kühlwasserkanal hinterströmt wird (inneres Kühlteil). Der Ringsteg des Pilotbrenners bildet ein Brennerteil, dessen Oberfläche erfindungsgemäß mit einer keramischen Beschichtung versehen ist.
Zwischen dem Oxidationsmittel-Ringkanal und dem Ringkanal zur Zuführung des Brennstoffes ist ein dem Reaktorraum zugewandter mittlerer Ringsteg, der von dem mittleren Kühlwasserkanal hinterströmt ist, (mittleres Kühlteil) gebildet. Der Ringsteg bildet ein Brennerteil, dessen Oberfläche erfindungsgemäß mit einer keramischen Beschichtung versehen ist.
Zwischen dem Ringkanal zur Zuführung des Brennstoffes und dem zylindrischen Mantel des Brenners ist ein dem Reaktorraum zugewandter äußerer Ringsteg, der von dem äußeren Kühlwasserkanal hinterströmt ist, (äußeres Kühlteil) gebildet. Der äußere Ringsteg und der zylindrische Mantel bilden Brennerteile, deren Oberflächen erfindungsgemäß mit einer keramischen Beschichtung versehen sind.

Claims

Brenner für einen mit fossilem Brennstoff befeuerten Reaktor aufweisend – einen Zuführungskanal für ein freien Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel und – einen Zuführungskanal für den Brennstoff dadurch gekennzeichnet, dass auf die metallische Oberfläche eines Brennerteiles, das einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist, eine keramische Schicht aufgebracht ist.
Brenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht durch ein Zirkon-/Yttriumoxid-Gemisch gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine keramische Schicht, die mittels der Auftragstechnologie des Plasmaspritzens aufgebracht ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere keramische Schichten aufgebracht sind.
Brenner nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass Schichten unterschiedlichen keramischen Materials aufgebracht sind.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht auf das innere Kühlteil aufgebracht ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht auf das mittlere Kühlteil aufgebracht ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht auf das äußere Kühlteil aufgebracht ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungskanal für das freien Sauerstoff enthaltende Oxidationsmittel, das innere Kühlteil, das mittlere Kühlteil, das äußere Kühlteil gemeinsam oder auch einzeln mit einem gut wärmeleitfähigen Metall ausgeführt sind.
Brenner nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das gut wärmeleitfähige Metall durch eine kupferhaltige Nickelbasislegierung gegeben ist.
Brenner nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass das gut wärmeleitfähige Metall durch Material der Marke Monel 400 gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner durch einen Brenner zur Flugstromvergasung gegeben ist.