DE102011082305A1

DE102011082305A1 - Brenner mit stufenlos variierbarem Drall mittels Rohrraum

Info

Publication number: DE102011082305A1
Application number: DE201110082305
Authority: DE
Inventors: Andreas Meissner; Friedemann Mehlhose; Dietmar Degenkolb; Tino Just
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vergasungsbrenner zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter hohen Drücken und hohen Temperaturen. Der Brenner besitzt in dem Oxidationsmittel-Ringkanal Führungen in Richtung der Zentralachse und Führungen mit Drall zur Zentralachse. Durch Veränderung der Aufteilung der dem Brenner insgesamt zuzuführenden Oxidationsmittelmenge auf die geraden Führungen und die Führungen mit Drall kann der Drall des Oxidationsmittels insgesamt, das aus dem Brenner austritt, stufenlos variiert werden. Den geraden Führungen und den Führungen mit Drall können unterschiedliche Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Sauerstoff beziehungsweise Wasserdampf, zugeführt werden. Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht im laufenden Betrieb den Drall des am Brennermund austretenden Oxidationsmittels und damit die Flammenform zu verändern in Reaktion auf die Rohgaszusammensetzung, den Druckverlust des Schlackeablaufs oder der Kühlschirmtemperatur.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner und Verfahren zu dessen Betrieb mit stufenlos variierbarem Drall des Oxidationsmittelstromes.
Für die Flugstromvergasung mit verschiedenen aschehaltigen Brennstoffen werden Reaktoren mit Kühlschirm eingesetzt. Der Kühlschirm begrenzt innerhalb des Druckmantels den Reaktionsraum.
Es wird ein sogenannter Kombibrenner, der mit einem Hauptbrenner und einem zentral angeordneten Pilotbrenner gebildet ist, eingesetzt. Durch den Hauptbrenner werden Brennstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf dem Reaktionsraum so zugeführt, dass sie intensiv vermischt werden und sich unter reduzierenden Bedingungen zu einem wasserstoff- und CO-reichen Synthesegas umsetzen.
Der für die erforderliche Vermischung notwendige Sauerstoffdrall wird bisher durch einen Drallkörper im Sauerstoffkanal erzeugt. Der Drallwinkel wird konstruktiv durch das Brennerdesign festgelegt. Je nach Brennstoff und Reaktionsraumgestaltung wird dazu der Sauerstoff durch die Einbauten mehr oder weniger stark in Rotation versetzt, um die Vermischung und Flammenausbildung zu optimieren.
Sollten sich während des Betriebes Änderungen ergeben, so ist dies nur durch konstruktive Änderungen des Anstellwinkels des Drallkörpers möglich.
Der optimale Winkel des Rotationswinkels ist nur bedingt im Voraus zu berechnen. Daher sind oft aufwändige konstruktive Anpassungen am Brenner während der Inbetriebnahme erforderlich.
Die Zufuhr des Sauerstoff-Dampfgemisches erfolgt bisher durch zwei 180 Grad versetzte Anschlussstutzen, welche jeweils 50% des erforderlichen Volumenstromes dem Brenner zuführen. Der Sauerstoff wird anschließend durch einen gemeinsamen Sauerstoffkanal über den oben genannten festen Drallkörper in Rotation versetzt und dem Reaktionsraum zugeführt. Der Drallwinkel beeinflusst entscheidend die Flammenform und -länge und somit den Wärmeeintrag in den Kühlschirm.
Die fixe Konstruktion kann nur ein Kompromiss zwischen den einzelnen Betriebszuständen darstellen. Vorteilhaft und erforderlich wäre eine stetige Anpassung der Verdrallung an die momentane Leistung des Brenners zwecks optimaler Gasausbeute.
In der DE2007015537 ist bereits für einen Vergasungsbrenner mit einem das Oxidationsmittel führenden Ringkanal vorgeschlagen worden, im laufenden Betrieb die Drallzahl des Oxidationsmittels dadurch zu verändern, dass über ein Stellventil ein variabler Bruchteil der gesamten Oxidationsmittelmenge in die übrige Menge an Oxidationsmittel, die der Richtung des Ringkanals folgend geführt ist, tangential eingedüst wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Vergasungsbrenner und Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die den Stand der Technik um weitere Varianten mit im laufenden Betrieb stufenlos einstellbarem Drall bereichern.
Das Problem wird bei einem durch einen Vergasungsbrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Je nach Erfordernis kann der Austrittswinkel des Oxidationsmittels am Brennermund zwischen senkrechtem Austritt und dem Austrittswinkel des Drallkörpers ohne konstruktive Änderung variiert werden.
Durch einfache Aufteilung der Sauerstoffströme mittels Regelventil kann sowohl auf Abweichungen beim Design als auch auf unterschiedliche Lastfälle und Brennstoffe stufenlos während des Betriebes reagiert werden.
Neben der Optimierung der Vergasungsreaktion kann durch Verändern des Sauerstoffdralls auch gezielt auf erhöhte Druckverluste über den Schlackeaustrittskörper durch anwachsende Schlackeschichten reagiert werden.
Mit dieser Lösung ist es ebenfalls möglich, den Dampf bzw. Spülstickstoff nur über einen der beiden Sauerstoffkanäle zu zuführen, was je nach erforderlicher Dampfmenge gegebenenfalls die Kondensationsprobleme vermindert. Es ist auch möglich, die drallfreie oder verdrallte Komponente nur mit dem Dampfstrom zu erzeugen.
Gegebenenfalls kann die Verteilung auch über die Temperaturdifferenz über den Kühlschirm oder den Schlackeablauf sowie über andere Parameter wie Rohgaszusammensetzung als Führungsgröße gesteuert werden.
Erfindungsgemäß kann also durch eine Veränderung des Dralls des gesamten Oxidationsmittels die Flammform beeinflusst werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Vergasungsbrenners
2 eine Seitenansicht des Sauerstoffdrallkörpers und
3 eine Draufsicht des Sauerstoffdrallkörpers.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Einem Vergasungsreaktor mit einer Bruttoleistung von 1.000 MW werden 210 Mg/h Braunkohlenstaub zugeführt und mit Sauerstoff zu Rohsynthesegas umgesetzt. Zum Einsatz kommt ein Vergasungsbrenner nach 1. Der Braunkohlenstaub wird über Kohlenstaubförderleitungen 5 pneumatisch mit Kohlendioxid als Fördergas dem Brenner zugeführt, somit 18 Mg/h. Der Vergasungsdruck beträgt 4 MPa.
Der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner umfasst einen zentral angeordneten Pilotbrenner 1, der mit einem Brenngas 11 und Sauerstoff 12 betrieben wird, eine elektrische Hochspannungszündung mit integrierter optischer Flammenüberwachung 2, einen Oxidationsmitte-Ringkanal 18 mit Führungen in Richtung der Zentralachse 3 (z. B. für Sauerstoff) und Führungen mit Drall zur Zentralachse 4 (z. B. für Dampf und/oder Kohlendioxid), sowie die durch das Kühlteil 6 geführten Kohlestaubförderleitungen 5. Das Kühlteil 6 umschließt konzentrisch den Oxidationsmittel-Ringkanal 18. Das Kühlteil weist auf seiner, die Außenseite des Brenners bildenden Oberfläche in Opposition stehende Stutzen zur Zu- beziehungsweise Abführung 14 von Kühlwasser auf.
Durch Veränderung der Aufteilung der dem Brenner insgesamt zuzuführenden Oxidationsmittelmenge auf die geraden Führungen und die Führungen mit Drall kann der Drall des Oxidationsmittels insgesamt, das aus dem Brenner austritt, stufenlos variiert werden.
Zur Lösung des Problems wird der Sauerstoffstrom bzw. der Sauerstoff-Dampf Strom geteilt.
Ein Teil des Stromes wird über den einen Anschlussstutzen weiterhin zum Sauerstoffdrallkörper 4 geführt. Der andere Teil des Sauerstoffes wird über zusätzlich im Sauerstoffkanal anzubringende Einbauten, wie Rohre 3, dem Brenner ohne Drall zugeführt.
Mit Regelventilen 16, 17 kann der Anteil der beiden Teilströme variabel aufgeteilt werden.
Beide Oxidationsmittelteilströme treffen nach dem Drallkörper im Sauerstoffringspalt 18 aufeinander, bevor sie aus dem Brenner am Brennermund austreten.
Je nach Volumenstromverhältnis ergibt sich ein veränderlicher Austrittswinkel. Dadurch kann der Drallwinkel am Brenneraustritt durch einfache Aufteilung zwischen dem Volumenstrom ohne Drall und dem Volumenstrom mit Drall zwischen 0° und dem festen Winkel des Drallkörpers variiert werden.
Der zu vergasende Kohlenstoffhaltige Brennstoff, insbesondere Kohlenstaub, und das Oxidationsmittel werden im Brenner bis zum Brennermund 10 separiert geführt. Nach Austritt aus dem Brenner vermischen sich der Brennstoff und das Oxidationsmittel für die Partialoxidations-Flammenreaktion.
Bezugszeichenliste

1: Pilotbrenner
2: Flammenüberwachung und Zündvorrichtung
3: gerader Kanal
4: Drall-Kanal
5: Kohlenstaubförderleitung
6: Kühlteil
7
8
9
10: Brennermund
11: Brenngas/Erdgas
12: Pilotbrenner-Sauerstoff
13
14: Zu- bzw. Abführung von Kühlmittel
15: Zentralachse des Brenners
16: Regelventil
17: Regelventil
18: Oxidationsmittel-Ringkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2007015537 [0009]

Claims

Brenner für eine Vergasungseinrichtung aufweisend einen Ringkanal (18) zur Zuführung eines Oxydationsmittels und eine Zuführung (5) für den Kohlenstoff-haltigen Brennstoff getrennt von dem Ringkanal, bei dem – in dem Ringkanal mehrere gerade Kanäle (3) angeordnet sind, die im Wesentlichen in Richtung der Zentralachse des Brenners (15) ausgerichtet sind, – in dem Ringkanal mehrere Drall-Kanäle (4) mit Dralleinrichtungen angeordnet sind, die eine Ablenkung mit einem vorgegebenen Winkel gegenüber der Richtung der Zentralachse des Brenners (15) bewirken, – die geraden Kanäle (3) mit einer gemeinsamen Zuführung verbunden sind, über die ein erster Teil der dem Brenner insgesamt zuzuführenden Oxidationsmittelmenge zuführbar ist, – die Drall-Kanäle (4) mit einer gemeinsamen Zuführung verbunden sind, über die der zweite Teil der dem Brenner insgesamt zuzuführenden Oxidationsmittelmenge zuführbar ist, – eine Stelleinrichtung (16, 17) zur variablen Aufteilung der dem Brenner insgesamt zuzuführenden Oxidationsmittelmenge auf die geraden Kanäle (3) und die Drall-Kanäle (4) angeordnet ist, – der Ringkanal (18) derart ausgestaltet ist, dass der erste Teil der Oxidationsmittelmenge aus den geraden Kanälen (3) und der zweiter Teil der Oxidationsmittelmenge aus den Drall-Kanälen (4) interagieren, bevor sie am Brennermund (10) aus dem Brenner austreten.
Brenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Kanäle (3) und die Drall-Kanäle (4) im Wesentlichen auf gleicher Höhe in dem Ringkanal angeordnet sind.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel durch Sauerstoff und/oder Wasserdampf gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass den geraden Kanälen (3) als Oxidationsmittel Sauerstoff und den Drall-Kanälen (4) als Oxidationsmittel Wasserdampf zuführbar ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass den geraden Kanälen (3) als Oxidationsmittel Wasserdampf und den Drall-Kanälen (4) als Oxidationsmittel Sauerstoff zuführbar ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Drall-Kanäle (4) und die geraden Kanäle (3) auf den Umfang des Ringkanals gleich verteilt sind.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Drall-Kanäle (4) und die geraden Kanäle (3) derart gebildet sind, dass Drallkörper auf den Umfang des Ringkanals verteilt sind und die geraden Kanäle (3) durch gerade Rohre gegeben sind, die zwischen den Drallkörpern angeordnet sind.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem zentral angeordneten Pilotbrenner (1) einen Kombibrenner bildet.
Verfahren zur Durchführung in einem Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz des Brenners in einem Flugstromvergaser, der einen Flüssigkeits-gekühlten Kühlschirm aufweist, die Aufteilung der Oxidationsmittelmenge zwischen den Drall-Kanälen (4) einerseits und den geraden Kanälen (3) andererseits nach Maßgabe der Temperaturdifferenz über den Kühlschirm als Führungsgröße gesteuert wird.
Verfahren zur Durchführung in einem Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz des Brenners in einem Flugstromvergaser, der einen Flüssigkeits-gekühlten Schlackeablauf aufweist, die Aufteilung der Oxidationsmittelmenge zwischen den Drall-Kanälen (4) einerseits und den geraden Kanälen (3) andererseits nach Maßgabe der Temperaturdifferenz über den Schlackeablauf als Führungsgröße gesteuert wird.
Verfahren zur Durchführung in einem Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz des Brenners in einem Flugstromvergaser, der einen Flüssigkeits-gekühlten Schlackeablauf aufweist, die Aufteilung der Oxidationsmittelmenge zwischen den Drall-Kanälen (4) einerseits und den geraden Kanälen (3) andererseits nach Maßgabe des Druckverlustes über dem Schlackeablauf als Führungsgröße gesteuert wird.
Verfahren zur Durchführung in einem Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Oxidationsmittelmenge zwischen den Drall-Kanälen (4) einerseits und den geraden Kanälen (3) andererseits nach Maßgabe des Parameters der Rohgaszusammensetzung als Führungsgröße gesteuert wird.