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Die Erfindung betrifft einen Brennstaub-Brenner für die Herstellung von Synthesegas durch Teiloxidation von staubförmigen Brennstoffen in einem Flugstromvergaser gemäß Oberbegriff des ersten Anspruchs und einen Flugstromvergaser.
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Unter staubförmigen Brennstoffen sind feste Brennstoffe wie Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades sowie Kokse unterschiedlichen Herkommens zu verstehen. In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen seit langem bekannt.
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Bei einer Flugstromvergasung sind die Brenner am Kopf des Vergasungsreaktors angeordnet, die Strömung ist nach unten gerichtet. Das bei der Teiloxidation des Kohlenstoffs entstandene Rohgas und die Schlacke treten durch eine zentrale Öffnung am Boden des Vergasungsraumes aus. Solche Vergasungsreaktoren zeigt beispielsweise die
DE 41 09 231 C2 .
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Durch die Vergasungsbrenner werden Brennstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf dem Reaktionsraum so zugeführt, dass sie intensiv vermischt werden und sich unter reduzierenden Bedingungen zu einem H- und CO-reichen Synthesegas umsetzen. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, dass aus Gründen der Synthesegasqualität höhere Kohlenstoffverbindungen zu den Synthesegaskomponenten CO und H2 vollständig aufgespaltet und die anorganischen Bestandteile als schmelzflüssige Schlacke ausgetragen werden (J. Carl, P. Fritz, Noell-Konversionsverfahren, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, S.33 und S.73).
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Die Vergasungstemperatur beträgt bei der Vergasung von Kohlestaub zwischen 1400°C und 1700°C, der Vergasungsdruck 40–80 bar. Am Kopf des Flugstromvergasers sind zumindest ein Startbrenner und zumindest ein Vergasungsbrenner angeordnet. Der Kohlestaub wird pneumatisch als Kohlenstaub-Fördergas-Dichtstrom dem Vergasungsbrenner zugeführt, der Umsatz vollzieht sich im Vergasungsraum, dessen Kontur durch einen Kühlschirm begrenzt wird, wobei der Kühlschirm durch gasdicht miteinander verschweißte und mit Kühlwasser durchströmte Rohre gebildet ist.
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Das heiße Vergasungsgas verlässt gemeinsam mit der flüssigen Schlacke den Vergasungsraum und gelangt durch den Rohgas- und Schlackeabgang in einen Quenchraum, in welchem das Syntheserohgas und die Schlacke abgekühlt werden. Danach wird das abgekühlte und von Schlacke weitgehend befreite Synthesegas weiteren Gasbehandlungsprozessen unterworfen und letztendlich in einem Syntheseverfahren zu einem chemischen Erzeugnis weiterverarbeitet.
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Aus der
DD 237 363 A1 ist ein Kohlestaubbrenner bekannt, der zur besseren Vermischung des Oxidationsmittels mit dem Kohlestaubstrom mehrere Kohlestaubkanäle aufweist, die in Form von Rohrschlangen um ein Zentralrohr gewickelt und in einem Ringkanal eingeschlossen sind, der koaxial zum Zentralrohr liegt. Das Zentralrohr enthält einen Gas- bzw. Startbrenner. Die Kohlestaubströme aus den Kohlekanälen werden in einer Wirbelkammer vor dem Brennermund zusammengeführt. Die Steigung der Kohlekanäle nimmt in Richtung auf die Wirbelkammer ab, so dass die Kohlekanäle tangential in die Wirbelkammer eintreten. Durch die Vermischung mit einem axial austretenden Oxidationsmittelstrom aus nach innen geneigten Düsen im Boden eines äußeren wassergekühlten Ringkanals soll eine optimale und stabile Flammenbildung möglich sein mit der Folge einer dementsprechend guten Synthesegasqualität.
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Nachteilig an dieser Anordnung ist die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kohle-Trägergas-Stromes infolge des eingeschränkten kreisförmigen Kanalquerschnittes im Ringspalt, die einen hohen Verschleiß und Entmischungsproblemen im Kohlekanal verursacht. Pulsationen in der Brennstoffzufuhr aus einem Bunker können schnell zu Verstopfungen in den Kohlekanälen führen, wirken sich aber zumindest auf beide Kohlekanäle gleichzeitig aus und verstärken die Unregelmäßigkeiten im Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis.
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In der
DE 36 28 865 A1 wird ein Kohlestaubbrenner mit einer schneckenförmigen Dralleinrichtung beschrieben, wobei ein Kohlestaubzuführrohr mit kreisförmigem Querschnitt im oberen Brennerabschnitt axial entlang eines Zentralrohrs verläuft und dabei in einen rechteckigen Querschnitt übergeht, welcher am Zentralrohr spiralförmig aufgewickelt ist und tangential in eine Wirbelkammer einmündet. Der Kohlestrom erhält durch eine darin befindliche Drallschnecke die gewünschten Richtungskomponenten und wird schließlich durch einen sich verjüngenden Ringspalt zum wassergekühlten Brennermund gefördert.
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Auch hier ist im Zentralrohr ein Startbrenner, der mit Brenngas gespeist wird, angeordnet. Ein Nachteil an dieser Lösung besteht darin, dass lediglich ein Kohlezuführrohr im Ringkanal vorgesehen ist, wodurch die Brennerleistung limitiert ist. Ein weiterer Nachteil ist in der Verschleißgefährdung des Kohlezuführrohres aufgrund der abrasiven Wirkung des Kohlestaubes im Krümmungsbereich des Kanals zu sehen.
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Kohlestaubbrenner für Flugstromvergaser sind im Bereich der direkt an den Vergasungsraum angrenzenden Brennerteile einer starken Wärmeeinwirkung von mehr als 1000°C ausgesetzt. Eine weitere Beanspruchung entsteht durch den Kontakt des Brennermundes mit den bei der Vergasungsreaktion entstehenden korrosiven Reaktionsprodukten. Die Kanal- und Leitelemente der Kohlestaubbrenner sind zusätzlich hohen abrasiven Beanspruchungen durch den Kohlestaub ausgesetzt und infolge der Zuführung von Sauerstoff in die Flammenzone werden die umströmten Metallteile des Brenners von einer aggressiven oxidierenden Atmosphäre beansprucht.
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Eine übliche Schutzmaßnahme besteht in der intensiven Wärmeableitung aus dem Brennermundbereich durch eine Wasserkühlung des Brenners. Die Wärmeableitung kann durch Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit unterstützt werden. Trotz aller Schutzmaßnahmen muss ein Vergasungsbrenner zumindest im Brennermundbereich aus hitze- und korrosionsbeständigen Werkstoffen gefertigt sein. Dafür werden insbesondere kupferhaltige Nickelbasislegierungen eingesetzt.
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In der
DE 10 2008 006 572 A1 ist ein Brenner für einen Vergasungsreaktor beschrieben, dessen thermisch besonders beanspruchten Teile aus einer Nickelbasislegierung hergestellt sind und der zusätzlich am Brennermund mit einer keramischen Schutzschicht vor der hohen Temperaturbelastung im Reaktor geschützt ist.
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Zur Intensivierung der Wärmeabführung durch das im Brenner zirkulierende Kühlwasser ist es bekannt (
DE 10 2008 006 572 A1 ,
EP 0 363 787 A1 ), die Kühlwasserkanäle im Brennermundbereich durch eingeschweißte Kühlwasserverdrängungskörper zu verengen, um durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums einen intensiveren Wärmeübergang vom Brenner auf das Kühlmedium zu erreichen.
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Zum Aufheizen des Vergasungsreaktors und zur Zündung der Vergasungsbrenner werden auch als Zünd- oder Pilotbrenner bezeichnete Startbrenner eingesetzt, die im Wesentlichen einen Brenngas- und einen Sauerstoffkanal sowie eine Zündelektrode (beispielsweise gemäß
EP 0 363787 A2 ) zur Erzeugung des Zündpotentials für den Startbrenner aufweisen. Die Startbrenner werden üblicherweise in ein Zentralrohr der Vergasungsbrenner integriert (
DD 228 338 A1 ,
DD 237 363 A1 ,
DE 10 2008 006 572 A1 ). Es sind aber auch Brennerkonfigurationen mit separaten Startbrennern bekannt. Zum Beispiel ist in der
DE 10 2008 020 204 A1 ein Mehrbrennersystem beschrieben, bei dem in einem Deckelflansch des Vergasungsreaktors drei Vergasungsbrenner achsparallel im Winkel von 120° um einen zentral angeordneten Startbrenner angeordnet sind. Unterhalb des Deckelflansches ist ein außengekühlter Brennerkasten gelagert, der die Brenner aufnimmt und zwischen den Brenneraufnahmehülsen mit Wärmeisolationsmaterial unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Nachteilen aus dem bekannten Stand der Technik einen Brennstaub-Brenner für die Herstellung von Synthesegas mit höherer Verschleißfestigkeit, geringer Verstopfungsneigung und optimaler Vermischung von Brennstaub und Oxidationsmittel zu schaffen, der zur Verwendung in einem Flugstromvergaser geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst.
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Bei dem vorgeschlagenen Brennstaub-Brenner, welcher der Herstellung von Synthesegas durch Teiloxidation von staubförmigen Brennstoffen in einem Flugstromvergaser dienen, wobei der Brenner Anschlussstutzen aufweist für die Zuführung von pneumatisch gefördertem Brennstaub, von Oxidationsmittel, welches Sauerstoff und Wasserdampf enthält, und von Kühlwasser, Anschlussstutzen für das Oxidationsmittel und für Kühlwasser an einem doppelwandigen Zentralrohr für die Förderung des Oxidationsmittels zu einem Brennermund angeordnet sind, Anschlussstutzen für die Zuführung des Brennstaubes und für Kühlwasser an einer äußeren doppelwandigen Rohrhülse angeordnet sind, die das Zentralrohr in einem radialen Abstand konzentrisch umschließt und um den Zentralkanal einen Ringkanal für die Förderung des Brennstaubes zum Brennermund ausbildet, das Zentralrohr lösbar in der äußeren Rohrhülse gelagert ist, ist für die Brennstaub-Zuführung zum Brennermund unterhalb einer tangential einmündenden Eintrittsöffnung für den Brennstaub im Ringkanal ein Verteiler mit mehreren kreisringabschnittsweise am Umfang verteilten trichterartigen Vertiefungen mit Auslassöffnungen vorhanden. Jede Auslassöffnung mündet in einen achsparallelen Brennstaub-Kanal mit näherungsweise rechteckigem Querschnitt innerhalb des Ringkanals für die Brennstaubzuführung, wobei die Querschnittsfläche der Brennstaub-Kanäle zusammen der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung für den Brennstaub entspricht und jeder Brennstaubkanal durch jeweils ein gerades U-Profil auf der Außenfläche des Zentralrohrs gebildet ist und die U-Profile gasdicht mit dem Zentralrohr verbunden sind. Die Brennstaub-Kanäle münden in einen spiralförmigen Sammelraum vor dem Brennermund ein, der durch eine obere Wendel, welche die Zwischenräume des Ringkanals zwischen den Austrittsöffnungen der Brennstaub-Kanäle verschließt, eine dazu parallel verlaufende untere Wendel zur Drallerzeugung im Brennstaubstrom und einen beide Wendeln verbindenden Steg gebildet ist, wobei der Steg den Sammelraum am kürzesten Brennstaubkanal entgegen der Förderrichtung abschließt und eine Leitfläche in einem spitzen Winkel von weniger als 45° zur Verlängerung der Längsachse des kürzesten Brennstaub-Kanals und somit im Bereich des daraus austretenden Kohlestaubstromes bildet, die zur Umlenkung des Staubstromes in eine tangentiale Richtung dient.
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Die Erfindung hat zunächst den Vorteil, dass ein hohes Maß an Verschleißfestigkeit der Staubführung durch den Einsatz von verschleißresistenten Profilen in Staubstromumlenkungsbereichen erreicht wird. Mit der Verteilung der Staubzufuhr auf mehrere axiale Kanäle wird der Staubzuführungsweg im Brenner auf ein Minimum verkürzt und die Strömungsgeschwindigkeit des Staubstromes bis zum Brennermund konstant gehalten, so dass keine Entmischungseffekte im Dichtstrom auftreten. Die Aufteilung des Kohlestaubstroms auf mindestens drei rechteckige Kanäle nutzt den verfügbaren Ringkanalquerschnitt besser als die aus dem Stand der Technik bekannten Ringkanäle für die Kohlezuführung aus. Mit der Drallerzeugung im Staubstrom-Ringkanal wird eine optimale Verteilung des Kohlestaubes im Vergasungsmittelstrom und damit eine gleichmäßige Brennerflamme gefördert. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Kohlestaubzufuhr besteht im Ausgleich von Staubbeladungsschwankungen durch die Pufferwirkungen des Sammelraumes innerhalb des Brenners. Der erfindungsgemäße Brenner besitzt aufgrund des mehrteiligen Aufbaus und den lösbaren Verbindungen zwischen Zentralrohr und Außenrohr ein hohes Maß an Reparatur- und Wartungsfreundlichkeit.
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Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel einer Brenneranordnung mit drei Brennern und einem Startbrenner im Deckel eines Flugstromvergasers erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
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1: Schnittdarstellung und Ansicht von oben einer Anordnung von drei Brennern und einem zentralen Startbrenner im Deckelflansch eines Flugstromvergasers
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2: Schnittdarstellung eines Brenners
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3: Darstellung der Staubführung in einem Brenner
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4: Abwicklung des Sammelraumes für den Brennstaub
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Wie aus der 1 ersichtlich, schließt ein Deckelflansch 3 den Reaktionsraum eines Flugstromvergasers 1 nach oben druckdicht ab. Die Innenseite des Deckelflansches 3 wird von einem Brennerkasten 4 thermisch geschützt, der eine obere Öffnung eines Kühlschirms 2 verschließt. Der Kühlschirm 2 ist mit Wasser innen gekühlt und schützt einen Druckmantel des Flugstromvergasers 1 vor Erwärmung und Schlackeablagerungen.
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Die Brenneranordnung im Deckelflansch 3 besteht aus drei zentralsymmetrisch verteilten Brennern 5 für die Teiloxidation des Kohlestaubes (Kohlestaubbrenner, Vergasungsbrenner), die im Winkel von jeweils 120° auf einer Kreislinie um einen zentralen Startbrenner 6 in einem gemeinsamen Deckelflansch 3 angeordnet sind. Der Deckelflansch 3 schließt den Vergaserinnenraum nach oben druckdicht ab und ermöglicht den Zugang zum Vergaserinnenraum für Inspektions- oder Reparaturzwecke.
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Der Startbrenner 6 ist senkrecht in der Reaktorachse angeordnet, die Brenner 5 können parallel zur Reaktorachse oder in einem solchen radialen Winkel angeordnet werden, dass sich ihre Mittellinien auf der Reaktorachse treffen.
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Zur Aufnahme der drei Brenner 5 und des Startbrenners 6 ist ein zylinderförmiger Brennerkasten 4 unterhalb des Deckelflansches 3 angeordnet, der mit dem Deckelflansch 3 lösbar verbunden ist. Der Ringspalt zwischen dem käfigförmigen Kühlschirm 2 innerhalb des Vergasers und einem Mantelring 4.4 des Brennerkastens 4 ist zum Schutz des mit Inertgas hinterspülten Kühlschirms 2 vor korrosiven Reaktionsgasen und zur besseren Entfernbarkeit des Deckelflansches 3 nach längerem Vergaserbetrieb mit einem flexiblen Dichtmaterial 4.5, zum Beispiel einer keramischen Dichtschnurpackung, ausgefüllt. Auf diese Weise wird das Eindringen von korrosivem Rohgas und von Kohlestaub in den Zwischenraum zwischen der Druck tragenden Reaktorwand und dem Kühlschirm 2 verhindert. Das Dichtmaterial 4.5 kann mit einem oberen und unteren Stützring am Mantelring 4.4 stabilisiert werden.
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Zur lagestabilen Halterung der vier Brenner 5, 6, die in senkrechter Lage und parallel zueinander ausgerichtet sind, sind im Deckelflansch 3 und Brennerkasten 4 Aufnahmehülsen 4.1 mit Befestigungsflanschen (Gehäuseflansch 5.6) vorhanden, in welche die Brenner 5, 6 eingeschoben werden bzw. im Reparatur- oder Wartungsfall auch aus diesen herausgezogen werden können. Zur Abdichtung gegenüber dem Vergaserinnendruck von ca. 40 bar und zum Schutz vor eindringendem Kohlestaub, der üblicherweise Partikelgrößen unter 200 µm aufweist, sind die Aufnahmehülsen 4.1 und Gehäuseflansche 5.6 mit bekannten Dichtungen 5.15, insbesondere Linsen- oder Doppelkegeldichtungen, ausgestattet.
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Zum thermischen Schutz der Brenner 5 ist der Brennerkasten 4 zwischen den Aufnahmehülsen 4.1 für die Brenner 5 innerhalb des Mantelrings 4.4 lückenfrei mit Isolationsmaterial 4.3 gefüllt. Eine gute Schutzwirkung und gute Demontierbarkeit im Schadensfall kann mit einer Kombination von mehreren feuerfesten oder keramischen Vergussmassen und einer losen Schüttung von Feuerfestmaterial im Inneren des Brennerkastens 4 erreicht werden. Eine Abstufung der Wärmeleitfähigkeit der Isolierschichten ist von Vorteil.
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Ein noch besserer Schutz der Brenner 5 vor den heißen Rohgasen ist mit einer äußeren Wasserkühlung 4.2 des Brennerkastens 4 erzielbar. Dazu werden mit Wasser innen gekühlte Rohre spiralförmig auf der Unterseite des Brennerkastens 4 angeordnet, die ihrerseits mit einer thermisch beständigen Schutzschicht beschichtet sein können. Die Kühlrohre decken nicht nur die dem Vergaserinnenraum zugewandte Unterseite des Brennerkastens 4 nahezu lückenlos ab, sondern umschließen auch die Brennermündungen kragenförmig. Aufgrund der für die Brenner 5, 6 wichtigen Schutzfunktion der Brennerkastenkühlung ist es für die Anpassung der Wasserkühlung 4.2 an die lokale thermische Belastung und aus Gründen der Ausfallsicherheit vorteilhaft, die Wasserkühlung 4.2 flächenabschnittsweise in Teilsysteme aufzuteilen und mit jeweils separaten Kühlwasserzu- und -ableitungen auszustatten.
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Die drei Brenner 5 werden von einem äußeren Kühlkreislauf umgeben. Der Startbrenner 6 ist von einem inneren Kühlkreislauf umgeben. Die Kühlschlangen sind auswechselbar.
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Der zentral im Deckelflansch 3 angeordnete Startbrenner 6 umfasst in bekannter Weise zumindest einen Brenngas- und einen Sauerstoffkanal, eine bis zum Brennermund im Brenngaskanal geführte Zündelektrode und in einem Zentralrohr einen optischen Flammenbeobachtungskanal mit Inertgasspülung. Zur Kühlung des Startbrenners 6 sind die konzentrischen Kanalwände doppelwandig ausgeführt und werden mit Kühlwasser durchströmt. Der Startbrenner 6 weist dazu auch die entsprechenden Anschlussstutzen für das Kühlwasser auf. Zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmedehnungen der Kanalwände sind Kompensatoren in die Brennerkanalrohre eingefügt. Zur Verbesserung der Zündfähigkeit des Startbrenners 6 sind gesonderte radiale Sauerstoffkanäle aus einem Sauerstoff-Ringkanal zur Zündelektrodenspitze im Brenngaskanal eingebracht.
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Im Ausführungsbeispiel sind im Deckelflansch 3 um den mittigen Startbrenner 6 drei Brenner 5 (Staubbrenner) für die Umsetzung des Kohlestaubes zu Syntheserohgas auf einer Kreislinie symmetrisch verteilt angeordnet.
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Jeder der Brenner 5 weist gemäß 2 Anschlussstutzen 5.1, 5.2, 5.3 auf für die Zuführung von pneumatisch gefördertem Brennstaub, von Oxidationsmittel, welches Sauerstoff und Wasserdampf enthält, und von Kühlwasser. Der Anschlussstutzen 5.2 für das Oxidationsmittel ist im Ausführungsbeispiel koaxial am oberen Ende eines doppelwandigen Zentralrohrs 5.4 für die Förderung des Oxidationsmittels zu einem Brennermund angeordnet, der Anschlussstutzen 5.1 für die Zuführung des Brennstaubes befindet sich seitlich am Brenneroberteil und ist tangential und in Richtung auf den Brennermund geneigt an einer äußeren, ebenfalls doppelwandigen Rohrhülse 5.5 angeordnet, die das Zentralrohr 5.4 in einem radialen Abstand konzentrisch umschließt und um den Zentralkanal 5.13 einen Ringkanal 5.14 für die Förderung des Brennstaubes zum Brennermund ausbildet. Das Zentralrohr 5.4 ist lösbar in der äußeren Rohrhülse 5.5 gelagert, so dass es für eine Inspektion aus der äußeren Rohrhülse 5.5 herausgezogen werden kann. Beide Rohrstücken sind beispielsweise an einem Brennerflansch 5.7 mit Dichtung 5.15 (beispielsweise Linsendichtung) miteinander verbunden. Das Zentralrohr 5.4 und die äußere Rohrhülse 5.5 sind doppelwandig gestaltet für eine effektive Innenkühlung des Brenners 5, wofür üblicherweise Kühlwasser zum Einsatz kommt.
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Eine zusätzliche Ummantelung (Gehäuse) dient der Aufnahme weiterer, die Brenner 5 haltenden Komponenten, die auch bezüglich der Temperaturkontrolle Schutzfunktionen übernehmen.
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Am Brennermund verjüngen sich der Zentralkanal 5.13 und der Ringkanal 5.14 konisch, so dass ein Austrittskegel des zentralen Oxidationsmittelstromes und ein zum Brennermund hin konischer und abnehmender Ringspalt für den Brennstaubstrom vorhanden ist und der Austrittskegel des Oxidationsmittelstromes vollständig im Austrittskegel des Brennstaubstromes liegt.
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Für die Brennstaub-Zuführung im Ringkanal 5.14 zum Brennermund, die in 3 separat dargestellt ist, befindet sich unterhalb der tangential einmündenden Eintrittsöffnung für den Brennstaub im Ringkanal 5.14 ein Verteiler 5.17 mit beispielsweise drei kreisringabschnittsweise am Umfang im Winkel von 120° angeordneten trichterartigen Vertiefungen mit Auslassöffnungen.
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Der Verteiler 5.17 ist als Ring mit einer zackenförmig ausgebildeten oberen Stirnseite gestaltet, wobei sich die Spitzen zwischen den Auslassöffnungen befinden und die Auslassöffnungen sich in Aussparungen befinden, die sich trichterförmig nach unten erstrecken. Jede Auslassöffnung mündet in einen von (gemäß Beispiel) drei achsparallelen Brennstaub-Kanälen mit näherungsweise rechteckigem Querschnitt innerhalb des Ringkanals 5.14 für die Brennstaubzuführung zum Brennermund, wobei die Querschnittsfläche der drei Brennstaub-Kanäle zusammen der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung für den Brennstaub entsprechen soll, so dass zumindest auf der Eintrittsseite des Brenners 5 konstante Strömungsgeschwindigkeiten herrschen, die Entmischungserscheinungen im Brennstaub-Dichtstrom weitgehend verhindern sollen.
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Eine höhere Anzahl von Brennstaubkanälen 5.18 ist möglich. Jeder Brennstaubkanal 5.18 ist durch jeweils ein axial ausgerichtetes gerades U- oder C-Profil auf der Außenfläche des Zentralrohrs 5.4 gebildet, wobei die U- oder C-Profile mit der offenen Seite zum Zentralrohr 5.4 aufgeschweißt sind oder auf andere Weise mit dem Zentralrohr 5.4 gasdicht verbunden sind.
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Die drei Brennstaubkanäle 5.18 enden in einem spiralförmigen Sammelraum 5.22 vor dem Brennermund, der durch eine obere Wendel 5.19, welche die Zwischenräume des Ringkanals 5.14 zwischen den Austrittsöffnungen der Brennstaubkanäle 5.18 verschließt, eine dazu parallel verlaufende untere Wendel 5.20 zur Drallerzeugung im Brennstaubstrom und einen beide Wendeln 5.19, 5.20 verbindenden Steg 5.21 begrenzt ist.
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In 4 ist eine Abwicklung des Sammelraumes 5.22 dargestellt.
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Der Steg 5.21 begrenzt den Sammelraum 5.22 am kürzesten Brennstaubkanal 5.18 entgegen der Förderrichtung und bildet eine Leitfläche in einem spitzen Winkel von kleiner 45° zur verlängerten Längsachse des kürzesten Brennstaub-Kanals im Bereich des daraus austretenden Kohlestaubstromes. Ein gerader Abschnitt des Steges 5.21 geht mit einer Krümmung in die untere Wendel 5.20 über. Der schräg gestellte Steg 5.21 bildet eine Leitfläche zur Umlenkung des aus dem Kanal austretenden Staubstromes in eine tangentiale Richtung.
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Die Wendeln 5.19, 5.20 und der Steg 5.21 sind im (dargestellten) einfachsten Fall aus aufgeschweißtem Rundmaterial gefertigt, dass nach dem Aufschweißen auf das Zentralrohr 5.4 zur Beseitigung von Rundlaufabweichungen überdreht wird, damit der Spalt zwischen den Brennstaubführungselementen und der äußeren Rohrhülse 5.5 minimal ist, wodurch eine problemfreie Montage/Demontage des Brenners 5 und eine optimale Staubführung ermöglicht werden. Der Austausch dieser Staubführungselemente bei fortgeschrittenem Verschleiß ist aufgrund der guten Zugänglichkeit nach dem Herausziehen des Zentralrohres 5.4 mit den darauf angeordneten Staubführungselementen auf einfache Weise möglich. Aber auch die Verwendung hartmetallischer Werkstoffe oder der Einsatz keramischer Verschleißschutzelemente in besonders beanspruchten Bereichen (Steg 5.21) oder keramischer Verschleißschutzschichten auf den Staubführungselementen (Wendeln 5.19, 5.20) verlängert die Lebensdauer der Brenner 5.
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Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen der zugeführten Betriebsstoffe dehnen sich das Zentralrohr 5.4 und die äußere Rohrhülse 5.5 unterschiedlich in der Länge. Beispielsweise wird der Brennstaub üblicherweise in kaltem Zustand zugeführt und das oxidierende Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch hat eine Temperatur von etwa 200°C. Die Wärmedehnungsdifferenzen zwischen den Kanälen können auch durch eine Kühlung nicht vollständig kompensiert werden. Deshalb ist es zweckmäßig, Kompensatoren 5.8 zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen in die konzentrischen Rohrhülsen 5.4, 5.5 einzusetzen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 enthält das Zentralrohr 5.4 einen Dehnungen aufnehmenden Kompensator 5.8 in einem Abschnitt außerhalb des Innenraumes des Flugstromvergasers 1.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Brennstaubzuführung ist oberhalb des Verteilers 5.17 ein ringförmiger Wirbelbrecher 5.16 (3) zur Dämpfung der Rotationskomponente des eintretenden Dichtstromes angeordnet, der auf der Dichtstrom-Eintrittseite eine Wirbel dämpfende Kontur, wie beispielsweise eine zahnkranzähnliche oder geschlitzte kammartige Stirnseite aufweist.
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Eine andere strömungstechnisch vorteilhafte Brennergestaltung sieht vor, innerhalb des Zentralrohrs 5.4 vor dem Brennermund einen Drallkörper 5.9 (2) zur Erzeugung einer tangentialen bzw. rotierenden Strömungskomponente im Oxidationsmittelstrom anzuordnen. Der Drallwinkel wird konstruktiv durch das Brennerdesign festgelegt. Je nach Brennstoff und Reaktionsraumgestaltung wird der Sauerstoff/Wasserdampf durch die Einbauten mehr oder weniger stark in Rotation versetzt, um die Vermischung und Flammenausbildung zu optimieren.
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Der Drallkörper 5.9 kann schräggestellte flügelförmige Leitflächen wie im Ausführungsbeispiel aufweisen oder eine spiralförmige Leitfläche besitzen. Durch die Rotationskomponente im axial austretenden Oxidationsmittelstrom wird der Freistrahl sich intensiver mit dem Brennstaubstrom aus dem Ringkanal 5.14 vermischen und zu einem gleichmäßig ablaufenden Oxidationsprozess in der Flammenzone führen.
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Zur Intensivierung der Kühlung am Brennermund ist es vorteilhaft, die Kühlwasserkanäle des doppelwandigen Zentralrohrs 5.4 und der äußeren Rohrhülse 5.5 im Brennermundbereich zu erweitern und mit Hilfe von in die Erweiterungen eingefügten, entsprechend konturnah geformten metallischen Verdrängungskörpern 5.10 sehr engspaltige Kühlwasserkanäle zu schaffen, um darin höhere Fließgeschwindigkeiten zu erzeugen, die den Wärmeübergang zwischen Brennermund und Kühlwasser verbessern (2).
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Zusätzlich zur Innenkühlung kann die Betriebsdauer für die Brenner 5 verbessert werden, indem am Zentralrohr 5.4 und der Rohrhülse 5.5 des Ringkanals 5.14 im Bereich des besonders beanspruchten Brennermundes (2) ringförmige Endstücke 5.11 aus einem hochtemperaturfesten Stahl anstelle des für den übrigen Brenner 5 eingesetzten, weniger temperaturfesten Stahls angeschweißt sind, die ein hochtemperaturfestes Brennermundstück bilden und eine Innenkühlung gemeinsam mit den Rohrhülsen aufweisen. Die hochtemperaturfesten Endstücke 5.11 können je nach Zugänglichkeit und Fertigungsprozess auch jeweils einteilig ausgeführt sein.
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Zusätzlich zu den genannten thermischen Schutzmaßnahmen ist es auch bekannt, das Zentralrohr 5.4 und die Rohrhülse 5.5 am Brennermund, der der heißen und korrosiven Reaktor-Innenatmosphäre direkt ausgesetzt ist, mit feuerfesten oder keramischen Verschleißschutzschichten zu beschichten. Zur Verbesserung der Haftung der feuerfesten Verschleißschutzschicht werden üblicherweise zusätzliche Haltemittel 5.12 aufgeschweißt, wie beispielsweise die dargestellten Stifte. Auch das Aufbringen von keramischen Schutzschichten mittels Plasmaspritzen oder Lasersintern ist bekannt.
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Die für drei Brenner 5 beschriebene Lösung, insbesondere die Gestaltung der Staubzuführung in den Brennern 5, ist ebenso auf eine Anordnung von ein, zwei, vier oder mehr Brennern 5 anwendbar, wobei ein zentraler Startbrenner 6 vorgesehen sein kann, alternativ aber auch die Startbrenner 6 in die Brenner 5 integriert sein können.
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Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung: In einem Flugstromvergaser 1 werden Kohlenstaub mit Sauerstoff und Wasserdampf als Vergasungs- bzw. Oxidationsmittel zu Rohsynthesegas umgesetzt. Die Vergasungstemperatur beträgt mehr als 1400 °C, der Vergasungsdruck mindestens 40 bar.
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Am Kopf des Flugstromvergasers 1 sind ein Startbrenner 6 sowie symmetrisch im Abstand von 120 Grad drei Brenner 5 angeordnet. Der Kohlenstaub wird pneumatisch als Kohlenstaub-Fördergas-Dichtstrom den Brennern 5 zugeführt, der Umsatz (Konversion) vollzieht sich im Vergasungs- bzw. Reaktionsraum, dessen Kontur durch einen Kühlschirm 2 begrenzt wird, wobei der Kühlschirm 2 mit gasdicht verschweißten und mit Kühlwasser durchströmten Rohren gebildet ist. Das heiße Syntheserohgas verlässt gemeinsam mit der flüssigen Schlacke den Vergasungsraum und gelangt durch einen Rohgas- und Schlackeabgang in einen (nicht dargestellten) Quenchraum, in dem die Schlacke unter ihren Schmelzpunkt abgekühlt und aus dem Rohgasstrom abgetrennt wird. Das Rohgas wird weiteren Gasbehandlungsprozessen unterworfen und steht am Ende als gereinigtes Synthesegas mit der erforderlichen H-CO-Zusammensetzung zur Verfügung für verschiedenartige Syntheseverfahren, die zum gewünschten Endprodukt führen.
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Mit dem zentral angeordneten Startbrenner 6, der üblicherweise im Wesentlichen mit Erdgas und Sauerstoff betrieben wird, erfolgt eine Aufheizung des Flugstromvergasers 1 und eine Zündung der drei Kohlestaub-Brenner 5.
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Der zu vergasende kohlenstoffhaltige Brennstaub, insbesondere Kohlestaub, und das Oxidationsmittel werden den Brennern 5 über die Anschlussstutzen 5.1, 5.2 zugeführt, in den Brennern 5 jeweils separat im Zentralkanal 5.13 und im Ringkanal 5.14 bis zum Brennermund gefördert. Nach dem Austritt aus dem Brenner 5 vermischen sich der Brennstaub und das Oxidationsmittel für die Partialoxidations-Flammenreaktion.
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Das Oxidationsmittel wird dabei im Zentralkanal 5.13 über den festen Drallkörper 5.9 in Rotation versetzt und dem Reaktionsraum zugeführt. Der Drallwinkel beeinflusst entscheidend die Flammenform und – länge und somit auch den Wärmeeintrag in den Kühlschirm 2.
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Der Brennstaub wird tangential dem Verteiler 5.17 zugeführt, verteilt sich mit dem rotierenden Brennstaubstrom gleichmäßig über den Umfang des Ringkanals 5.14 und setzt sich unter der Wirbel dämpfenden Wirkung des geschlitzten Wirbelbrechers 5.16 in den ringförmigen Verteiler 5.17 mit seinen drei trichterförmigen Vertiefungen ab. Durch die Auslassöffnungen in den Vertiefungen gelangt der Brennstaub in die drei um jeweils 120° versetzten Brennstaubkanäle 5.18 und wird darin geradlinig entlang der Brennerachse in den Sammelraum 5.22 gefördert. Der schräggestellte Steg 5.21 lenkt den axialen Brennstaubstrom aus dem nächstgelegenen Brennstaubkanal 5.18 in eine Spiralströmung um, die ihrerseits die aus den anderen beiden Brennstaubkanälen 5.18 in den Sammelraum 5.22 austretenden Brennstaubströme ablenkt in eine von den Wendeln 5.19, 5.20 begrenzte Spiralströmung zum Brennermund, wo der Brennstaubstrom rotierend austritt und sich in der Flammenzone mit dem Oxidationsmittel vermischt.
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Die Rotationskomponenten des Brennstaub- und des Oxidationsmittelstroms beeinflussen die Aufspreizung der Brennerflammen und bieten damit Optimierungsmöglichkeiten für den Teiloxidationsprozess in der Flammenzone. Zeitliche Schwankungen im zugeführten Brennstaubstrom können infolge der Pufferwirkung des Sammelraumes 5.22 in gewissen Grenzen ausgeglichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugstromvergaser
- 2
- Kühlschirm
- 3
- Deckelflansch
- 4
- Brennerkasten
- 4.1
- Aufnahmehülse
- 4.2
- Wasserkühlung
- 4.3
- Isoliermaterial
- 4.4
- Mantelring
- 4.5
- Dichtmaterial
- 5
- Brenner (Staubbrenner, Vergasungsbrenner)
- 5.1
- Anschlussstutzen für Brennstaub
- 5.2
- Anschlussstutzen für Oxidationsmittel/Wasserdampf
- 5.3
- Anschlussstutzen für Kühlwasser
- 5.4
- Zentralrohr (Rohrhülse für Zentralkanal 5.13)
- 5.5
- Rohrhülse (für Ringkanal 5.14)
- 5.6
- Gehäuseflansch
- 5.7
- Brennerflansch
- 5.8
- Kompensator
- 5.9
- Drallkörper
- 5.10
- Verdrängungskörper
- 5.11
- Endstücke
- 5.12
- Haltemittel
- 5.13
- Zentralkanal
- 5.14
- Ringkanal
- 5.15
- Dichtung
- 5.16
- Wirbelbrecher
- 5.17
- Verteiler
- 5.18
- Brennstaubkanal
- 5.19
- Wendel
- 5.20
- Wendel
- 5.21
- Steg
- 5.22
- Sammelraum
- 6
- Startbrenner
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4109231 C2 [0003]
- DD 237363 A1 [0007, 0015]
- DE 3628865 A1 [0009]
- DE 102008006572 A1 [0013, 0015]
- DE 102008006572 [0014]
- EP 0363787 A1 [0014]
- EP 0363787 A2 [0015]
- DD 228338 A1 [0015]
- DE 102008020204 A1 [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Carl, P. Fritz, Noell-Konversionsverfahren, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 1996, S.33 und S.73 [0004]
