DE102012216505A1

DE102012216505A1 - Vergasungsbrenner mit Inertgasschleier zwischen Pilotbrenner und Staubbrenner

Info

Publication number: DE102012216505A1
Application number: DE102012216505.3A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Adler; Norbert Fischer; Manfred Jänig; Jürgen Noack; Manfred Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-03-20
Also published as: US20140076211A1; CN103672877A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kombinationsbrenner für einen Flugstromvergaser, der aus einem Pilotbrenner- und einem Staubbrennerteil besteht, wobei die Vergasungsmedien Brennstaub und Sauerstoff bzw. der Pilotbrennerteil vom Staubbrennerteil durch Inertgasschleier getrennt sind. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit verringert, die Flamme gestreckt, die Flammentemperatur vermindert und die Vergasungsflamme von den Brennerstirnflächen abgerückt. Die Lage und Form der Flamme wird so verändert, dass der Wärmeeintrag in die dem heißen Vergasungsraum zugewandten Stirnflächen der Brenner vermindert wird und somit der thermisch bedingte Verschleiß vermindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur Vergasung von Brennstaub mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa aufweisend einen Staubbrennerteil mit einem Oxidationsmittelkanal und einem Brennstaubkanal sowie einen zentralen Pilotbrennerteil.
Die Erfindung betrifft ferner einen Vergasungsbrenner mit integriertem Pilotbrenner und Zündeinrichtung zur Vergasung von Brennstäuben mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Drücken bis 10 MPa und Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Bestandteile der Brennstäube.
Bekannt sind Kohlenstaubkombinationsbrenner für die Partialoxidation staubförmiger Brennstoffe mit einem zylindrischem wassergekühlten Gehäuse und innen liegenden Ringräumen für die Zuführung des staubförmigen Brennstoffes und des Oxidationsmittels. Der Vergasungsbrenner bildet gemeinsam mit der Reaktionsraumbegrenzung des Vergasers die innere Kontur des Vergasungsraumes. Eine starke thermische Beanspruchung der mit dem Reaktionsrauminneren in Kontakt befindlichen Bauteile ist gegeben. Die Technologie ist ausführlich in „Die Veredelung und Umwandlung von Kohle“, herausgegeben von der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V., Dez 2008, Kapitel „GSP-Vergasung“ beschrieben worden. Der Vergasungsbrenner enthält im Zentrum einen Gas-Sauerstoff-Brenner, der als Zünd- und Pilotbrenner dient und mit einer optischen Flammenüberwachung und einer Hochspannungszündeinrichtung ausgerüstet ist. Er dient zur Inbetriebnahme des Vergasungsbrenners.
Es gibt auch Vergasungsbrenner, bei denen die dem heißen Vergasungsraum zugewandeten Brennerstirnflächen wassergekühlt sind. Die Zuführung des Brennstaubes und des Vergasungsmittels sind so gestaltet, dass es unmittelbar am Brennermund zu intensiver Durchmischung und zur Reaktion kommt, wobei in der Flammenwurzel Temperaturen weit über 2.000°C entstehen. Der Vergasungsdruck kann bis zu 10 MPa betragen. Trotz der indirekten Kühlung mit Wasser unterliegen die Brennerstirnflächen einer extremen thermischen Belastung, was erhöhten Verschleiß durch Korrosion und Materialabtrag zur Folge hat und die Verfügbarkeit der Vergasungsbrenner stark begrenzt. Das Problem wird weiterhin dadurch verschärft, dass der Pilotbrenner im Zentrum des Kombinationsbrenners mit einer Sauerstoffverhältniszahl von 0,3 bis 0,5 betrieben wird und das dabei erzeugte Gas ungehindert mit dem freien Sauerstoff enthaltende Vergasungsmittel verbrennt und dabei sehr hohe Temperaturen erzeugt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Brenner zur Vergasung von Brennstaub derart weiterzubilden, dass der durch die thermische Belastung bedingte Verschleiß am Brennermund reduziert wird.
Das Problem wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Inertgasschleier eingesetzt, um das Vermischen der Reaktionspartner zu verzögern und so die Flamme vom Brennermund fernzuhalten.
Die Lage und Form der Vergasungs- und Pilotbrennerflamme wird so verändert, dass der Wärmeeintrag in die dem heißen Vergasungsraum zugewanden Stirnflächen der Brenner vermindert wird. Dies erreicht man dadurch, dass die Reaktionspartner Oxidationsmittel und Brennstoff durch einen oder mehrere Inertgasschleier getrennt werden. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit verringert, die Flamme gestreckt, die Flammentemperatur vermindert und die Vergasungsflamme von den Brennerstirnflächen abgerückt.
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 rotationssymmetrischen Schnitt eines aus Pilot- und Staubbrennerteil bestehenden Kombinationsbrenners mit Inertgasschleier zwischen dem Pilotbrenner und dem Oxidationsmittelkanal des Staubbrennerteils,
2 einen rotationssymmetrischen Schnitt eines aus Pilot- und Staubbrennerteil bestehenden Kombinationsbrenner mit Intergasschleiern zwischen dem Pilotbrenner und dem Oxidationsmittelkanal des Staubbrennerteiles sowie zwischen dem Oxidationsmittel- und Staubkanal des Staubbrennerteils.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
In einem Vergasungsreaktor mit einer Bruttoleistung von 500MW wird ein Kombinationsbrenner nach 1 eingesetzt, der aus einem Staubbrennerteil 1 und einem Pilotbrennerteil 2 besteht. Der Kombinationsbrenner befindet sich am Kopf des Vergasungsreaktors und schließt den Vergasungsraum nach oben ab. Durch den Staubkanal 3 werden 72 Mg/h Brennstaub und durch den Oxidationsmittelkanal 4 34.000 Nm³/h Sauerstoff dem Vergasungsraum 5 zugeführt und unter einem Druck von 4,2 MPa und Vergasungstemperaturen von 1.750°C zu 123.500 Nm³/h Syntheserohgas umgesetzt, wobei die Temperatur hierbei auf 1.900°C steigen kann. Die Zuführung des Brennstaubes erfolgt im Dichtstrom mit Kohlendioxid als Fördergas bei einer Förderdichte von 380 kg/m³. Im Zentrum des Kombinationsbrenners befindet sich der Pilotbrennerteil 2, dem Brenngas über den Brenngaskanal 6 und Sauerstoff über den Sauerstoffkanal 7 zugeführt werden. Der Pilotbrennerteil 2 wird gezündet und betrieben, um den Vergasungsreaktor unter den erforderlichen Betriebsdruck zu setzen, den Brennstaub zu zünden und damit den Vergasungsbetrieb aufzunehmen. Die einzelnen Kanäle der Staub- und Pilotbrennerteile zur Brennstaub- und Oxidationsmittelzuführung sind durch die Kühlkanäle 8, 9 und 10 getrennt, die von Kühlwasser durchflossen sind. Dabei werden die Kühlwasserdrücke und -temperaturen so gewählt, dass kein siedender Zustand auftritt. Trotz der intensiven Kühlung sind die Kühlkanäle 8, 9 und 10 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, was gleichfalls zu hohen Temperaturgradienten zwischen der inneren und äußeren Oberfläche der Kühlkanäle und damit zu schnellem Verschleiß führt. Durch Anlegen eines Inertgasschleiers 11 wird die direkte Reaktion zwischen dem vom Pilotbrenner erzeugten Gas und dem Sauerstoff aus dem Oxidationsmittelkanal 4 unterbunden oder zumindest verzögert. Das führt zu einer Absenkung der Temperaturen und zur Ablösung der Flamme von den Brennerstirnflächen. Als Inertgas können Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und ihre Mischungen oder Wasser eingesetzt werden.
In einem Vergasungsreaktor wird unter den gleichen Bedingungen wie im vorstehenden Beispiel ein Kombinationsbrenner nach 2 eingesetzt. Zusätzlich zum Inertgasschleier 11 zwischen dem Pilotbrennerteil 2 und dem Oxidationsmittelkanal 4 wird ein zusätzlicher Inertgasschleier 12 zwischen dem Brennstaubkanal 3 und dem Oxidationskanal 4 des Staubbrennerteiles 1 eingesetzt, um die Flammentemperatur weiter abzusenken und die Vergasungsflamme von der Brennerstirnfläche abzuheben. Es können die gleichen inerten Mittel wie im vorstehenden Beispiel genutzt werden. Auch ist es möglich, die Intergasschleier aus unterschiedlichen inerten Mitteln zu bilden.
Die Erfindung ist auch gegeben durch einen Brenner zur Vergasung von Brennstaub mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa, bei dem zwischen dem Ringkanal für das Oxidationsmittel (4) und dem Austritt für den Brennstaub (3) ein Ringkanal zum Austritt eines inerten Mittels (12) angeordnet ist. In einer besonderen Weiterbildung kann dieser Brenner durch einen zentral angeordneten Pilotbrenner (2) zu einem Kombinationsbrenner ausgestaltet sein.
Bezugszeichenliste

1: Staubbrennerteil
2: Pilotbrennerteil
3: Brennstaubkanal
4: Oxidationsmittelkanal
5: Vergasungsraum
6: Brenngaskanal
7: Sauerstoffkanal
8: Kühlkanäle
9: Kühlkanäle
10: Kühlkanäle
11: Inertgasschleier zwischen dem Pilotbrennerteil 2 und dem Oxidationsmittelkanal 4
12: Inertgasschleier zwischen dem Oxidationsmittelkanal 4 und dem Brennstaubkanal 3

Claims

Brenner zur Vergasung von Brennstaub mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa aufweisend einen Staubbrennerteil (1) mit einem Oxidationsmittelkanal (4) und einem Brennstaubkanal (3) sowie einen zentralen Pilotbrennerteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass am Brennermund zwischen dem Pilotbrennerteil (2) und dem Staubbrennerteil (1) ein Ringkanal zum Austritt eines inerten Mittels (11) angeordnet ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsmittelkanal (4) des Staubbrennerteils (1) unmittelbar benachbart zu dem Ringkanal zum Austritt des inerten Mittels (11) angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oxidationsmittelkanal (4) und dem Brennstaubkanal (3) ein Ringkanal zum Austritt eines inerten Mittels (12) angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Mittel durch Stickstoff gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Mittel durch Kohlendioxid gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Mittel durch Wasserdampf gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Mittel durch Wasser gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Mittel durch eine beliebige Mischung aus der Gruppe Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Wasser gegeben ist.
Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ringkanal zum Austritt eines inerten Mittels (11) zwischen Pilotbrenner und Staubbrennerteil (1) sowie den Ringkanal zum Austritt eines inerten Mittels (12) zwischen dem Oxidationsmittelkanal (4) und dem Brennstaubkanal (3) des Staubbrennerteils (1) unterschiedliche inerte Mittel aus der Gruppe Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Wasser gegeben sind.