DE102012216557A1

DE102012216557A1 - Brenner, insbesondere Vergasungsbrenner, mit transpirativ wirkender Bauteilkühlung

Info

Publication number: DE102012216557A1
Application number: DE201210216557
Authority: DE
Inventors: Manfred Jänig; Manfred Schingnitz; Guido Schuld; Andreas Wünsche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kombinationsbrenner zur Vergasung von Brennstäuben, der aus einem Pilotbrenner- und einem Vergasungsbrenner besteht. Die einzelnen Kühlteile der Brenner erreichen ihre Kühlwirkung dadurch, dass die als Kühlmittel eingesetzten Inertgase Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf oder Wasser durch die Stirnflächen der Kühlteile hindurchtreten und eine transpirative Kühlwirkung bewirken. Zur weiteren Erhöhung der Kühlwirkung ist es möglich, zwischen den Zuführungskanälen der Reaktionspartner Inert-Fluidschleier anzuordnen, die das Vermischen der Reaktionspartner verzögern und so die Flammen von den hochbelasteten Kühlteilen fernhalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Reduktion (Verbrennung) oder Oxidation (Vergasung) von staubförmig festen oder flüssigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa in einem Reaktionsraum mit den Merkmalen des Oberbegriffes des ersten Anspruches.
Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen zur Kühlung der dem Reaktionsraum eines Hochleistungs-Flugstromvergasers zugewandten Flächen eines Vergasungsbrenners nach dem Prinzip der Transpirationskühlung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Technologie zur Kühlung der dem Reaktionsraum zugewandten Oberfläche eines Vergasungsbrenners, wie er zum Betrieb von Flugstromvergasern eingesetzt wird. Der Vergasungsstoffbrenner bildet gemeinsam mit der Reaktionsraumbegrenzung des Vergasers die innere Kontur des Vergasungsraumes, in der exotherme Reaktionen ablaufen. 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.
Die Vergasungsstoffe festen oder flüssigen Aggregatzustandes werden über den Vergasungsbrenner in den Reaktionsraum des Flugstromvergasers über den Vergasungsbrenner eingebracht und unter Zusatz von einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel unter Drücken bis zu 10 MPa und Temperaturen bis 1.900°C in einer Flammenreaktion zu H2- und CO-reichem Rohgas umgesetzt. Der Reaktionsraum wird durch die Kontur eines Kühlschirms räumlich begrenzt. Der am Kopf des Flugstromvergasers angeordnete Vergasungsbrenner schließt den Reaktionsraum nach oben ab.
Die im Reaktionsraum durch Partialoxidation frei werdende Reaktionswärme wirkt entsprechend der dadurch gegebenen Wärmestromdichte auch auf den Flächenanteil, der auf den hineinragenden Vergasungsbrenner entfällt.
Herkömmlich findet die Bauteilkühlung des Vergasungsbrenners durch einen geschlossenen Wasserkreislauf mit Auskopplung der Wärme in einer Wärmeübertrager-Verschaltung statt. Der Vergasungsstoffbrenner verfügt dazu neben den zum primären Zweck notwendigen Medienkanälen für Vergasungsstoffe, Vergasungsmittel und Spülmedien über Wasser-durchflutete Kühlteile. Zum Zweck der optimierten Strömungsführung und zur Reduzierung der beim Durchströmen entstehenden Druckverluste weisen die Kühlteile eine konstruktiv erforderliche Breite auf. Die Folge ist eine spezifisch nicht unterschreitbare Wärmeeintragsfläche.
Während die übrige innere Reaktionsraumkontur durch eine Wärme-dämmende Schicht aus niedergeschlagener und verfestigter / hochviskoser Schlacke vor hohen Wärmeeinträgen geschützt wird, ist die dem Reaktionsraum zugewandte Stirnfläche des Vergasungsbrenners gegen extreme thermische Belastung nicht geschützt und mithin anfällig für Beschädigungen bzw. Verschleiß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technologie zur Bauteilkühlung am Vergasungsbrenner bereitzustellen, die seine Standzeit im Betrieb erhöht und die es konstruktiv erlaubt, die dem Vergasungsraum zugewandte Stirnfläche des Brenners zu verkleinern, was den absoluten Wärmeeintrag in das Bauteil Brennerstirnfläche verringert.
Das Problem wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die dem Vergasungsraum zugewandte Stirnfläche (Oberfläche) des Vergasungsbrenners mit Transpirationsöffnungen auszurüsten, durch die ein Kühl- bzw. Transpirationsmedium aus den Ringräumen der Brennerkühlteile in Richtung Vergasungsraum dringt.
Diese technische Lösung weist gegenüber der bekannten Lösung den Vorteil auf, dass sich unmittelbar unter der Brennermündung eine Fluidschicht ausbildet, deren Strömung auf die Gasstrahlung innerhalb des Reaktionsraumes gerichtet ist. Der mediengebundene Wärmetransport erfolgt vom zu kühlenden Bauteil weg.
Handelt es sich beim Kühlmedium um eine Flüssigkeit, die infolge der Wärmezufuhr verdampft wird, so kann infolge der Ausnutzung der Verdampfungswärme die auf diese Weise vom Brenner weg transportierte Wärmemenge je Masse Kühlmedium erhöht werden.
Weiterhin verringert sich durch die nunmehr nur noch monodirektionale Durchflutung des Brennerkühlteils und die damit nicht mehr benötigte Stromumkehr der freie Raumbedarf zur Strömungsführung. Die thermisch stark beanspruchte Stirnfläche des Brenners kann konstruktiv reduziert werden.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von 4 Figuren erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines mit einem Pilot- und Staubbrennerteil gebildeten Kombinationsbrenners,
2 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines Kombinationsbrenners mit Transpirationskühlung,
3 eine Darstellung der Kühlteile des Kombinationsbrenners und
4 einen Kombinationsbrenner mit Transpirationskühlung und Inertgasschleier.
Beispiel 1
In einem Vergasungsreaktor mit einer Bruttoleistung von 500 MW wird ein Kombinationsbrenner nach 1 eingesetzt, in dem ein Pilotbrenner 1 und ein Vergasungsbrenner 2 kombiniert sind. Er befindet sich am Kopf des Vergasungsreaktors und schließt den Vergasungsraum nach oben ab. In den Ringkänalen 6 für die Vergasungsmedien befinden sich der Staub- und Oxidationsmittelkanal, durch die 72 Mg/h Brennstaub und 34.000 Nm³/h Sauerstoff dem Vergasungsraum 8 zugeführt und unter einem Druck von 4,2 MPa und Vergasungstemperaturen von 1.750°C zu 123.500 Nm³/h Synthesegas umgesetzt werden. Die Temperatur kann bis auf 1.900°C steigen.
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 Pilotbrenner 1, dem Brenngas und Sauerstoff im Raum 7 für die Medienkanäle zugeführt werden. Der Pilotbrenner 1 wird gezündet und betrieben, um den Vergasungsreaktor unter den erforderlichen Betriebsdruck zu setzten, den Brennstaub zu zünden und damit den Vergasungsbetrieb aufzunehmen. Die Medienkanäle für Pilotbrenngas-, Sauerstoff- und Brennstaubzuführung sind durch Kühlkanäle 4, 5 getrennt, über die durch Zuführung von Kühlmittel die Kombinationsbrennerteile gekühlt werden und das Kühlmittel anschließend durch spezifische Öffnungen in den Stirnflächen (Oberfläche) der Kühlteile in den Vergasungsraum 8 austritt und durch transpirative Wirkung diese Stirnfläche (Oberfläche) kühlt. So zeigt 1, Schnitt A-A das äußere Kühlteil 3 sowie das innere Kühlteil 4 des Vergasungsbrenners 2 und das Kühlteil des Pilotbrenners 5.
In 2 wird der Kühlmittelaustritt 9 und 10 aus dem äußeren beziehungsweise inneren Kühlteil des Vergasungsbrenners sowie der Kühlmittelaustritt 11 aus dem Kühlteil 5 des Pilotbrenners gezeigt. Die Öffnungen zum Austritt des Kühlmittels aus den Stirnflächen werden < 500µm gewählt, um eine Verteilung auf der Oberfläche zu erreichen, eine Verdüsung des Kühlmittels zu bewirken und ein Abspritzen zu verhindern. Die Austrittsöffnungen können schlitzartig oder rund sein, wie 3a und b zeigen. Als Kühlmittel können Inertgase wie Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und auch Wasser eingesetzt werden. Letzteres verstärkt durch die Aufnahme der Verdampfungswärme den Kühleffekt noch.
Beispiel 2
Es gelten die gleichen Bedingungen wie im vorgenannten Beispiel 1. Zur Erhöhung der Kühlwirkung in den Teilen des Kombinationsbrenners werden zusätzliche Inertgasschleier eingesetzt, um das Vermischen der Reaktionspartner zu verzögern und so die Pilotbrenner- und die Vergasungsbrennerflamme vom Brennermund fernzuhalten. 4 zeigt die Anordnung eines Inertfluidkanales 12 im Vergasungsbrenner und einen Inertfluidkanal 13 im Pilotbrenner. Durch Anlegen eines Inertgasschleiers wird die direkte Reaktion zwischen dem vom Pilotbrenner erzeugten Gas und dem Sauerstoff aus dem Oxidationsmittelkanal des Vergasungsbrenners unterbunden oder zumindest verzögert. Die Trennung der Reaktionspartner durch den Inertgasschleier führt zu einer Absenkung der Temperaturen und zur Ablösung der Flamme von der Brennerstirnfläche. Die ausgebildeten Inertgasschleier sind in 4 mit den Nummern 14 (für den Vergasungsbrenner) und 15 (für den Pilotbrenner) bezeichnet. Zum genannten Zweck können die Intergase Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf eingesetzt werden.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist auch gegeben durch einen Kombinationsbrenner zur Vergasung von Brennstaub mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa, bestehend aus einem Pilotbrenner 1 und einem Vergasungsbrenner 2, bei dem die dem Vergasungsraum 8 zugewandten Flächen transpirativ gekühlt werden.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist auch gegeben durch einen Kombinationsbrenner, der von innen nach außen folgenden Aufbau aufweist:
Raum für Medienkanäle 7 des Pilotbrenners 1,
Kühlteil des Pilotbrenners 5,
Ringkanal für Medien Vergasungsbrenner Sauerstoff 6,
Inneres Kühlteil des Vergasungsbrenners 4,
Ringkanal für Medien Brennstaub 6,
Äußeres Kühlteil des Vergasungsbrenners 3.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist auch gegeben durch einen Kombinationsbrenner, der von innen nach außen folgenden Aufbau aufweist:
Raum für die Medienkanäle 7 des Pilotbrenners 1,
Kühlteil 5 des Pilotbrenners,
Inertgaskanal 13 Pilotbrenner,
Ringkanal für Medien Vergasungsbrenner Sauerstoff 6,
Inneres Kühlteil 4 des Vergasungsbrenners,
Inertgaskanal 12 Vergasungsbrenner
Ringkanal 6 für Medium Brennstaub,
Äußeres Kühlteil des Vergasungsbrenners 3.
Bezugszeichenliste

1: Pilotbrenner
2: Vergasungsbrenner
3: äußeres Kühlteil Vergasungsbrenner
4: inneres Kühlteil Vergasungsbrenner
5: Kühlteil Pilotbrenner
6: Ringkanal für Medienkanäle Vergasungsbrenner
7: Ringkanal für Medienkanäle Pilotbrenner
8: Vergasungsraum
9: Kühlmittelaustritt aus äußerem Kühlteil Vergasungsbrenner
10: Kühlmittelaustritt aus innerem Kühlteil Vergasungsbrenner
11: Kühlmittelaustritt aus Kühlteil Pilotbrenner
12: Inertgaskanal Vergasungsbrenner
13: Inertgaskanal Pilotbrenner
14: Inertgasschleier Vergasungsbrenner
15: Inertgasschleier Pilotbrenner

Claims

Brenner für die Reduktion oder Oxidation von staubförmig festen oder flüssigen Brennstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel bei Temperaturen bis 1.900°C und Drücken bis 10 MPa in einem Reaktionsraum (8), dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reaktionsraum zugewandte Fläche (3, 4, 5) des Brenners (1, 2) Transpirationsöffnungen (9, 10, 11) aufweist derart, dass die Fläche durch ein Kühlmittel, das durch die Transpirationsöffnungen in den Reaktionsraum gelangt, kühlbar ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er durch einen Kombinationsbrenner, der einen Pilotbrenner (1) mit einem Vergasungsbrenner (2) vereint, gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch einen am Kopf einer Vergasungseinrichtung angeordneten Vergasungsbrenner gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest einen Kühlkanal aufweist für eine Zuführung des Kühlmittels zu den Transpirationsöffnungen der dem Reaktionsraum zugewandten Fläche (3, 4, 5) zwecks Kühlung.
Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal durch einen Ringkanal gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transpirationsöffnungen schlitzförmig sind.
Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Transpirationsöffnungen eine Breite kleiner 500µm aufweisen.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transpirationsöffnungen rund sind.
Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die runden Transpirationsöffnungen einen Durchmesser kleiner 500µm aufweisen.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch ein Inertgas gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Stickstoff gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Kohlendioxid gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Wasserdampf gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Wasser gegeben ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal zwischen dem Sauerstoff- und Brennstoffkanal des Vergasungsbrenners angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal zwischen dem Sauerstoff- und Brennstoffkanal des Pilotbrenners angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inertgaskanal (12) zwischen dem Sauerstoff- und Brennstaubkanal des Vergasungsbrenners angeordnet ist, zur Ausbildung eines Intergasschleiers (14) und Erhöhung der Kühlwirkung.
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inertgaskanal (13) zwischen dem Pilotbrenner (1) und dem Vergasungsbrenner (2) angeordnet ist, zur Ausbildung eines Intergasschleiers (15) und Erhöhung der Kühlwirkung.