DE102014218219A1

DE102014218219A1 - Kompaktbrenner für einen Flugstromvergaser, bar einer Flüssigkeitskühlung

Info

Publication number: DE102014218219A1
Application number: DE102014218219.0A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Degenkolb; Wei Fu; Tino Just; Christoph Kiener
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-17
Also published as: DE112015004157A5; CN107076410A; US20170254534A1; WO2016037846A1

Abstract

Es wird ein Kompaktbrenner für die Druckvergasung von Brennstäuben zur Erzeugung von Synthesegas vorgeschlagen, bei dem mehrere konzentrische Medienkanäle in eine konische Brennerspitze übergehen. Diese bietet reaktionsraumseitig eine verminderte Angriffsfläche. Die Düsenteile der Brennerspitze sind mittels Selektive Laser Melting hergestellt, was eine Ausgestaltung zur Kühlung mittels zugeführter Medien, wie zum Beispiel Brenngas, Spülgas oder Oxidationsmittel gestattet. Zwischen den Düsenteilen zweier Medienkanäle ist zum Ausgleich von Temperatur-bedingten Längenausdehnungen eine Gleitführung mit dazwischenliegender Abdichtung angeordnet. Der erfindungsgemäße Kompaktbrenner erübrigt den Aufwand für eine Flüssigkeitskühlung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompaktbrenner für die Druckvergasung von Brennstäuben zur Erzeugung von Synthesegas.
In Reaktoren zur Flugstromvergasung von Brennstäuben unter erhöhtem Druck zu Synthesegas kommen Pilot- und Hauptbrenner für die Zuführung sämtlicher Medien zum Einsatz, die reaktionsraumseitig mehrfach wassergekühlt sind. Die Wasserkühlungen sind durch Druckräume gegeben, die zum Reaktionsraum hin eine vergrößerte Angriffsfläche für die Brennerflamme und die heißen Gase aus dem Reaktor darstellen. Überwiegend durch An- und Abfahrvorgänge verursacht hat die reaktionsraumseitige Brennerspitze eine begrenzte Lebensdauer. Dabei erfordern besonders die mit Kühlwasser betriebenen und als geschlossene Druckräume ausgebildeten Brennerkühlteile einen hohen Instandhaltungsaufwand bei den wiederkehrenden Brennerreparaturen. Die verschiedenen zuzuführenden Medien, wie zum Beispiel Brenngas, Brennstaub und Oxidationsmittel, haben unterschiedliche Temperaturen und erfordern baulich aufwendige Maßnahmen (z. B. Wellrohrkompensatoren) zur Aufnahme der unterschiedlichen Dehnungen der Brennerkanalwände.
Aus der DE 102007040890 ist ein Kohlenstaubkombinationsbrenner mit integriertem Pilotbrenner bekannt.
Aus der CN2688677Y ist eine Vergasungsdüse bekannt, bei der an der Verbindungsstelle zwischen Innenspritzrohr und Außenspritzrohr eine Gleitdichtung zum Ausgleich von Längenänderungen angeordnet ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Brenner für die Druckvergasung von Brennstäuben zur Erzeugung von Synthesegas zu schaffen, dessen Brennerspitze ohne Zuführung einer Kühlflüssigkeit Standzeiten erreicht, wie herkömmliche Flüssigkeits-gekühlte Brennerspitzen.
Das Problem wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Kühlung der Brennerdüsen durch aufwändige, wassergekühlte, geschlossene Druckteile wird ersetzt durch Betriebsmedien gekühlte Düsen, die konstruktiv entsprechend ausgestaltet sind.
Der für die bisherigen Wasserkühlungen der Brennerspitze erforderliche Aufwand kann anlagenseitig eingespart werden.
Die Brennerdüsenteile werden durch generative Verfahren schichtweise aufgebaut und dabei weitgehend endgefertigt.
Das für den schichtweisen Aufbau eingesetzte Verfahren verwendet ein metallisches Pulver, das partiell mittels Laserstrahl verschmolzen wird, das überschüssige Pulver abschließend entfernt wird und die gewünschte Bauteilkontur abschließend entnommen werden kann.
Bei dem generativen Herstellungsverfahren handelt es sich um das SLM-Verfahren (Selektive Laser Melting).
Gegenüber dem bisherigen spanenden Herstellungsverfahren aus Schmiedeteilen wird der Fertigungsaufwand für die Brennerdüsen um mehr als 80 % gesenkt.
Durch den Einsatz des Laser Melting Prozesses als Fertigungsverfahren für die Düsenteile können durch konventionelle Methoden nicht oder nur sehr schwer herstellbare Konturen in zufriedenstellender Qualität erzeugt werden, wie beispielsweise enge Medienkanäle oder der ca. 0,7 mm große, der geknickten Düsenkontur folgende Kanal für einen Temperatursensor.
Mittels Einbringung von Temperatursensoren an den Brennerdüsenteilen in einer im Normalbetrieb relativ geschützten Position können Rückschlüsse auf die Prozessbedingungen an der Brennerspitze und den Verschleißzustand gewonnen werden.
Durch die Ausführung dünnwandiger Düsenteile wird neben deren guter Kühlung durch die Betriebsmedien eine Optimierung der Vermischung der reagierenden Medien und damit des Umsatzes von Brennstoff und Oxydationsmittel erreicht.
Zur Einstellung auf wechselnde Brennstoffe ist die Anpassung des Dralls des Oxydationsmittels von Vorteil, was hier durch Einbringung einer Trennwand in den Oxydationsmittelkanal erreicht wird. Dabei kann in einem Kanal das Medium axial unverdrallt und im anderen durch Leitbleche- oder schaufeln verdrallt der Brennerspitze zugeführt werden. Durch die Mengenregelung der beiden Teilströme kann an der Brennerdüse der gewünschte resultierende Drall eingestellt werden.
Der Einsatz von Gleitführungen mit Abdichtung an den Düsen zwischen den Medien befreit die Bauteile von Spannungen aus behinderter Wärmedehnung und beseitigt den Aufwand für Zusatzmaßnahmen wie Dehnungskompensatoren in den Medienkanalwänden.
Durch übliches Anschweißen ohne weitere Druckprüfungen wird im Instandhaltungsfall der Düsenwechsel weitgehend vereinfacht.
Die Einhaltung der technischen Regularien des Druckbehälterbaues kann entfallen und somit entsteht eine Kostensenkung für Neubau und Reparaturfall des Brenners.
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 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen mediengekühlten Brennerspitze,
2 die Anordnung eines Sensors (10) nahe der Brennerspitze,
3 einen Hauptbrenner mit Trennwand (12) in dem Oxydationsmittelkanal (14),
4 eine konisch zulaufende Brennerspitze mit zylindrisch geformten Endstücken (16) der Düsenteile und
5 eine die Brennerspitze umschließende, Wasser-gekühlte äußere Brennerbaugruppe (13).
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau einer mediengekühlten Brennerspitze gezeigt, deren Angriffsfläche (1) reaktionsraumseitig reduziert ist. Die Düsenteile (2, 3, 4, 5) sind so gestaltet, dass sie mittels einer definierten Spülgasmenge, wie zum Beispiel Stickstoff, oder durch ein Betriebsmedium, wie zum Beispiel Brenngas oder Oxidationsmittel, ausreichend gekühlt werden. Sie sind keine Teile eines Druckbehälters mehr und in ihrer Form an die kostengünstige Fertigung mittels generativer Verfahren wie dem SLM-Verfahren (Selektive Laser Melting) angepasst. Die bisherige material- und zeitaufwändige, zerspanende Herstellung aus Schmiedeteilen wird weitgehend reduziert. Die medienbedingte unterschiedliche Wärmedehnung der die einzelnen Brennerkanäle abtrennenden Rohre (6) ist unbehindert an den Gleitführungen (7) der Brennerdüsen spannungsfrei möglich und benötigt keine Dehnungsausgleicher zur Kompensation mehr. Über Dichtungen (8) wird eine zu frühe Vermischung der Medien an den Gleitführungen (7) im Brenner verhindert. Konstruktiv wird durch die kompakten Düsen (2) und (4) gesichert, dass die für die Zuführung des Oxydationsmittels besonders wichtigen reaktionsseitigen Austrittskonturen unabhängig von Änderungen durch thermische Dehnungen der Rohre (6) der Medienkanäle sind.
Durch den Einsatz des SLM-Herstellungsverfahrens der Düsen ist die Erzeugung sehr enger, insbesondere auch geknickter Kanäle, wie an der Pilotbrennerdüse (2), in ausreichender Genauigkeit und Oberflächenqualität möglich, wie sie konventionell nicht oder nur sehr aufwendig herstellbar sind. Die Anordnung eines integrierten Drallkörpers (9) bringt zum Einen eine Verbesserung der Funktion des Brenners und zum Anderen eine Verlängerung der Standzeit der Düse durch eine gute medienseitige Kühlung.
Des Weiteren kann in der Düse in Nähe zur Brennerspitze ein Sensor (10) zur Temperaturüberwachung angeordnet sein, der sowohl Rückschlüsse auf die thermische Belastung und den Verschleißzustand des Brenners als auch auf den aktuellen Betriebszustand des Vergasungsreaktors zulässt (2).
Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in 3 die Einführung einer Trennwand (12) in den Oxydationsmittelkanal des Hauptbrenners gezeigt. Über je einen Zuführungsstutzen im hinteren Brennerbereich wird beiden Kanälen das Medium mengengeregelt zugeführt. Der äußere der beiden Kanäle erhält im Düsenbereich eine angepasste Drallvorrichtung (11), die diesem Strom eine drehende Bewegung aufprägt. Der resultieren Winkel des gesamten austretenden Medienstromes zur Brennerachse kann somit über die Regelung der beiden Teilvolumenströme eingestellt werden. Als Drallvorrichtung kann dabei beispielsweise ein auf der Trennwand befestigtes, spiralförmig geformtes Leitblech oder in einem Winkel angestellte Leitschaufeln zum Einsatz kommen.
Als Ausführungsvarianten zur Beeinflussung der Flammenausbildung und der Gesamtfunktion des Brenners zeigt 4 in analoger Weise gefertigte Düsenteile mit zylindrisch geformten Endstücken (16).
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gesamten Kompaktbrenners mit mittels SLM-Verfahren hergestellten, funktionsbestimmenden Mediendüsenteilen, die von den Betriebsmedien gekühlt werden und einer umschließenden wassergekühlten äußeren Brennerbaugruppe 13 für den Einsatz bei der Druckvergasung von staubförmig eingetragenen Kohlen 15 und anderen Brennstoffen zur Erzeugung von Synthesegas.
Bezugszeichenliste

1: Brennerfläche reaktionsraumseitig
2: Pilotbrennerdüse
3, 4, 5: Hauptbrenner-Düsenteile, Konus-förmig
6: Rohre zur Bildung der ringförmigen Medienkanäle
7: Gleitführungen der Düsen
8: Dichtung
9: Drallkörper zur Aufprägung einer Drehbewegung auf gesamten Medienstrom
10: Sensor zur Temperaturmessung
11: Drallkörper für Medien-Teilstrom
12: Trennwand
13: Äußere, wassergekühlte Brennerbaugruppe
14: Oxidationsmittel
15: Zuführung Brennstaub
16: Düsenteile mit zylindrischem Medienaustritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007040890 [0003]
CN 2688677 Y [0004]

Claims

Kompaktbrenner für die Druckvergasung von Brennstäuben zur Erzeugung von Synthesegas bei dem – mehrere Rohre (6) konzentrische Kanäle zur Zuführung von Medien, wie zum Beispiel Brenngas, Spülgas und Oxidationsmittel, begrenzen, – die Brennerspitze konisch zuläuft, – die Düsenteile (2, 3, 4) der Brennerspitze mittels Selektive Laser Melting hergestellt sind, – an der Gleitführung (7) zwischen zwei Kanälen eine Abdichtung (8) angeordnet ist.
Kompaktbrenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal für das Oxidationsmittel (14) ein Drallkörper (9, 11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenteil (4) an seinem konisch zulaufenden Ende in ein zylindrisch geformtes Endstück (16) übergeht.