DE102010006868A1

DE102010006868A1 - Brenner

Info

Publication number: DE102010006868A1
Application number: DE102010006868A
Authority: DE
Inventors: Hanno 82538 Tautz; Florian 80689 Reck
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-04
Also published as: WO2011095274A2; WO2011095274A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkopf, in dem zumindest ein erster (2) und ein zweiter (1) Zuführungskanal für die Zuführung von Reaktionsmedium in eine Reaktionszone angeordnet sind. Die Oberfläche zumindest des ersten Zuführungskanals (2) ist wenigstens im Bereich des reaktionszonenseitigen Endes des Brennerkopfes durch ein Aluminium enthaltendes Material gebildet, während die Oberfläche zumindest des zweiten Zuführungskanals (1) aus einem aluminiumfreien Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkopf, in dem zumindest ein erster und ein zweiter Zuführungskanal für die Zuführung von Reaktionsmedium in eine Reaktionszone angeordnet sind.
Bei derartigen Brennern handelt es sich beispielsweise um außenmischende Brenner, über die ein Brenngas mit einem sauerstoffhaltigen Gas getrennt in eine Reaktionszone geführt und dort gezündet wird. Beim Einsatz von Luft als sauerstoffhaltiges Gas werden die Brenner üblicherweise durch die zugeführte Luft gekühlt. Sofern technisch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zur Verbrennung eingesetzt wird, erfolgt die Kühlung meist mit Kühlwasser. Hierzu weist der Brennerkopf in der Regel einen Kühlkanal an seinem reaktionszonenseitigen Ende auf und kann über eine außen angeschweißte Kühlwasserwendel mit Kühlwasser versorgt werden.
In der EP 0 868 394 B1 ist auch ein gasgekühlter Brenner beschrieben, an dem zum Schutz des Brennerkopfes vor zu hohen Temperaturen ein Ring aus Keramik oder Edelmetall fixiert ist.
Die Reaktionszone befindet sich üblicherweise in einem Gasphasenreaktor, wobei Reaktortemperaturen von 1300 bis 1500°C und eine mit Sauerstoff erzeugte Flammentemperatur von über 2000°C erreicht werden kann.
Wassergekühlte Brenner weisen den Nachteil auf, dass durch hohe Temperaturgradienten zwischen Innen- und Außenseite der wassergekühlten Zone starke Temperaturspannungen im Material auftreten können, deren Folge Rißbildung und Leckagen sein können. Da es aus konstruktiven Gründen nicht immer möglich ist, jeden der Zuführungskanäle in einem Brennerkopf mit einer Wasserkühlung auszuführen, können sich auch während eines störungsfreien Betriebs eines wassergekühlten Brenners Temperaturzonen ausbilden, die bei typischen Hochtemperaturstählen eine ”Metal Dusting” genannte Korrosionsform auftreten lassen, die zu einem Materialabtrag und langfristig zu einer Zerstörung des Brenners führt.
Andererseits ist bei gasgekühlten Brennern das Aufbringen eines Keramikringes auf den Brennerkopf ebenfalls mit Risiken verbunden, da durch die unterschiedliche Wärmedehnung der Materialien ein Abplatzen des Rings erfolgen kann und sich an der dickeren Kante Strömungsablösungen ausbilden, die zu einem Abbrennen des Brennerkopfes führen können.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen Brenner zur Verfügung zu stellen, der auch bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest im Bereich des reaktionszonenseitigen Endes des Brennerkopfes die Oberfläche wenigstens des ersten Zuführungskanals durch ein Aluminium enthaltendes Material gebildet ist, während die Oberfläche zumindest des zweiten Zuführungskanals ganz oder teilweise aus einem aluminiumfreien Material besteht.
Unter einem Aluminium enthaltenden Material ist hierbei ein Material zu verstehen, dessen Aluminiumgehalt > 0,5 Gew% ist, während ein Material mit einem kleineren Aluminiumgehalt als aluminiumfrei angesprochen wird.
Vorzugsweise ist ein Zuführungskanal von einem aus Edelstahl oder Eisen bestehenden Grundmaterial umgeben. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Aluminium enthaltende Material, bei dem es sich um Aluminium oder eine Aluminiumverbindung, wie beispielsweise mit Aluminiumoxid (Al₂O₃), oder eine Aluminiumlegierung handelt, als Schicht auf dem Grundmaterial aufgebracht ist. Alternativ kann das Grundmaterial auch unbeschichtet sein, wobei es dann jedoch Aluminium mit einem Gehalt von mehr als 0,5 Gew% als Legierungselement enthält. Der Aluminiumgehalt des verwendeten Materials sorgt für einen Schutz gegen ”Metal Dusting” und bietet ausreichende Hitzebeständigkeit.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Aluminium enthaltendes Material eine oxiddispersionsverfestigte Superlegierung, ein so genannter ODS-Werkstoff, eingesetzt. Bei Superlegierungen handelt es sich um metallische Werkstoffe, die eine besonders hohe Hitzebeständigkeit, insbesondere im Vergleich zu konventionellen Hochtemperaturlegierungen, aufweisen. Oxiddispersionsverfestigte Superlegierungen enthalten feinverteilte Verfestigungsteilchen, wodurch bis zu Temperaturen von 1300°C hohe mechanische Kurz- und Langzeitfestigkeiten erzielt werden. Durch Verwendung von Aluminium als Legierungselement bei Superlegierungen wird darüber hinaus die Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen durch Ausbildung einer selbstheilenden Aluminiumoxid-Schutzschicht garantiert.
Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens sieht vor, die Hitzebeständigkeit des Brenners durch Verwendung des Aluminium enthaltenden Materials in Verbindung mit einer speziellen Brennerkonstruktion, die stets gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brenners erfolgt, weiter gesteigert wird.
Als wesentliches Element einer solchen Brennerkonstruktion ist in mindestens einer der Zuführungskanäle ein die Strömung des Reaktionsmediums stabilisierender Flügel vorgesehen. Der Flügel kann durch einen profilierten Körper oder einen ebenen Körper, der schräg gegen die Strömung angestellt ist, beispielsweise ein Leitblech, gebildet sein. Durch die Verwendung eines solchen Flügels in mindestens einem der Zuführungskanäle kann die Strömung definiert beeinflusst werden. Zwischen dem Flügel und der Wand des Zuführungskanals wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, und die Strömung damit stabilisiert. Das Ablösen von Strömungsfäden und die Entstehung von Wirbeln wird dadurch verhindert. Die intensive Durchmischung unterschiedlicher Reaktionsmedien mit Wirbelbildung erfolgt verzögert, das heißt in einer gewissen Entfernung vom Brennerkopf. Eine Schädigung des Brennerkopfes durch mit den Wirbeln eingesaugte heißen Reaktionsgase wird verhindert.
Vorzugsweise ist der Flügel gegenüber dem Austrittsende des Zuführungskanals zurückversetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich der Flügel vollständig innerhalb des Zuführungskanals befindet und damit im Betrieb nur von dem durch diesen Zuführungskanal strömenden Medium umspült und dadurch insbesondere an seinem stromabwärts gelegenen Ende gekühlt wird. Weiterhin wird verhindert, dass er mit heißen Reaktionsprodukten in Berührung kommt und dadurch beschädigt wird.
Vorteilhafter Weise wird ein Zuführungskanal aus einem oder zwei Rohren gebildet. Im Falle von zwei Rohren sind diese vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet. Ein erfindungsgemäßer Brenner weist mindestens einen Zuführungskanal für die Zuführung eines Brennstoffes und einen Zuführungskanal für die Zuführung eines Oxidationsmittels auf, wobei die beiden Zuführungskanäle durch zwei koaxial zueinander angeordnete Rohre gebildet sind, und der Spalt zwischen dem Innen- und dem Außenrohr den Zuführungskanal für den Brennstoff darstellt. Falls es sich bei dem Brennstoff um ein Gas handelt, sollte die Absolutgeschwindigkeit im Innenrohr zwischen 10 und 200 m/s, bevorzugt zwischen 20 und 100 m/s liegen, während die Geschwindigkeit im Außenrohr zwischen 7 und 180 m/s und bevorzugt zwischen 16 und 80 m/s betragen sollte. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Oxidationsmittelstrom und Brenngasstrom sollte im Bereich 0,8 bis 1,8 und besonders bevorzugt im Bereich 1,0 bis 1,3 liegen. Aufgrund der empfohlenen Geschwindigkeiten für die Reaktionsmedien werden die Querschnitte der die Zuführungskanäle bildenden Rohre festgelegt.
Zur besseren Vermischung der Reaktionsmedien nach ihrem Austritt aus den Zuführungskanälen kann mindestens ein Gaszuführungskanal mit Mitteln zur Erzeugung einer Drallströmung versehen werden. Dabei weisen diese Mittel bevorzugt Strömungskanäle auf, die tangential gegen die Strömungsrichtung geneigt sind. Die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung können verstellbar ausgebildet sein, um unterschiedlich starke Drallströmungen zu erzeugen.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners sieht eine Kühleinrichtung vor, über die zumindest einer der Zuführungskanäle mittels Dampf oder Wasser kühlbar ist. Außerdem kann der Brenner zur Reaktionszone hin z. B. durch einen Diffusor oder eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt sein.
Aufgrund der Aluminium enthaltenden Materialien ist der erfindungsgemäße Brenner gegen die Korrosionsform des ”Metal Dustings” geschützt, so dass die Standzeiten des Brenners gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht sind. Durch die besondere Hochtemperaturbeständigkeit ist auch in einem Störfall ohne Gasdurchströmung gewährleistet, dass der Brenner nicht schmilzt, solange die Reaktortemperaturen unter 1300°C liegen.
Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich zur chemischen Umsetzung von gasförmigen und/oder flüssigen und/oder festen Brennstoffen in ein Reaktionsprodukt bei sehr hohen Reaktionstemperaturen. Besonders bei der Vergasung von Kohlenwasserstoffen, die bei höheren Temperaturen mit Sauerstoff bzw. mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Reaktion gebracht werden, wird mit der Erfindung eine ausreichende Hochtemperaturbeständigkeit und Beständigkeit gegen Korrosion gewährleistet.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Brennerkopf. Im Brennerkopf sind zwei konzentrische Rohre zur Zuführung von Reaktionsmedien angeordnet. Im äußeren Ringraum 1 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Brenngas und im Innenrohr 2 das Oxidationsmittel dosiert. Das thermisch höher belastete Innenrohr besteht aus einem Aluminium enthaltenden Material, während das Außenrohr aus einem aluminiumfreien Material besteht, wie es im Brennerbau zum Stand der Technik gehört. Zur besseren Vermischung der Ströme werden diese mittels Drallkörper 3 und 4 verdrallt. Damit die Brenngasströmung im Austrittsbereich 6 gut anliegt, wird ein Vorflügel 7 am Innenrohr befestigt, dadurch wird gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brennerkopfes, insbesondere in den Austrittsbereichen 5 und 6 der Zuführungskanäle, gewährleistet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0868394 B1 [0003]

Claims

Brenner mit einem Brennerkopf, in dem zumindest ein erster und ein zweiter Zuführungskanal für die Zuführung von Reaktionsmedium in eine Reaktionszone angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des reaktionszonenseitigen Endes des Brennerkopfes die Oberfläche wenigstens des ersten Zuführungskanals durch ein Aluminium enthaltendes Material gebildet ist, während die Oberfläche zumindest des zweiten Zuführungskanals ganz oder teilweise aus einem aluminiumfreien Material besteht.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aluminium enthaltenden Material um Vollmaterial handelt.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium enthaltende Material als Schicht auf einem aluminiumfreien Grundmaterial aufgebracht ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aluminium enthaltenden Material um eine oxiddispersionsverfestigte Superlegierung (ODS-Material) handelt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuführungskanal aus einem oder zwei Rohren gebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf mit einer Kühleinrichtung versehen ist, über die zumindest einer der Zuführungskanäle mittels Dampf oder Wasser kühlbar ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktionszonenseitige Ende des Brennerkopfes durch einen Diffusor gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktionszonenseitige Ende des Brennerkopfes durch eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zu Umsetzung von gasförmigen und/oder flüssigen und/oder festen Brennstoffen einsetzbar ist.