DE102019103640A1

DE102019103640A1 - Brennstoffdüse mit Dehnungsschlitzen für einen Kohlenstaubbrenner

Info

Publication number: DE102019103640A1
Application number: DE102019103640.2A
Authority: DE
Inventors: Falk Hoffmeister; Reiner Hendricks; Stefan Gernand; Sven Mertin
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH
Current assignee: Mitsubishi Power Europe GmbH
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-13
Also published as: ZA202106708B; WO2020165357A1; EP3924667A1

Abstract

Bei einer Brennstoffdüse (100) für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt (110) und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) vorgesehenen Mündungsabschnitt (120), wobei der Brennstoffrohrabschnitt (110) ein brennstoffrohrseitiges Ende (111) zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) und der Mündungsabschnitt (120) ein mündungsseitiges Ende (121) aufweist, soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, die Standzeiten von Brennern zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff zu optimieren, indem thermische Spannungen im Material, insbesondere im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) bzw. in der Brennstoffdüse (100) reduziert werden.Dies wird dadurch erreicht, dass die Brennstoffdüse (100) entlang ihres Umfangs angeordnete und sich axial in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze (160) zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse (100) aufweist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Brennstoffdüse für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs des Brennstoff- oder Primärluftrohrs vorgesehenen Mündungsabschnitt, wobei der Brennstoffrohrabschnitt ein brennstoffrohrseitiges Ende zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr und der Mündungsabschnitt ein mündungsseitiges Ende aufweist.
Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffdüse für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse.
Schließlich richtet sich die Erfindung auf einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr und einem das Brennstoff- oder Primärluftrohr koaxial umgebenden Mantel- oder Sekundärluftrohr, wobei das Brennstoff- oder Primärluftrohr in einer Brennstoffdüse mündet und die Brennstoffdüse einen dem Brennstoff- oder Primärluftrohr zugeordneten Brennstoffrohrabschnitt und einen einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und einen Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ausbildenden Mündungsabschnitt mit einem mündungsseitigen Ende aufweist.
Bei der Entwicklung von Brennern zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse und im Speziellen Kohlenstaub wird nach wie vor auf eine geringe Rate an bei der Verbrennung frei werdenden Stickoxiden (NO_x) besonderer Wert gelegt. Beispielsweise ermöglicht die Aufteilung der Verbrennungsluft in mehrere Teilströme und die Einstellung der Einzelluftströmungen hinsichtlich Luftmenge, Luftverteilung und Drallintensität eine Reduzierung des Stickoxidausstoßes bei der Verbrennung von staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff.
So ist aus der DE 10 2005 032 109 B4 ein Kohlenstaubbrenner mit einem den Brennstoff, insbesondere Kohlenstaub, fördernden Brennstoff- oder Primärluftrohr bekannt. Um eine gestufte Luftzufuhr zu ermöglichen ist das Brennstoff- oder Primärluftrohr koaxial von einem Mantelluft- oder Sekundärluftrohr umgeben und dieses seinerseits von einem Tertiärluftrohr. Zentral innerhalb des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ist ein mit einer Zündlanze ausgestattetes Kernluftrohr angeordnet. Die Zündung des staubförmigen Brennstoffs erfolgt im Mündungsbereich des Brennstoffohrs und wird hier durch Zündung der bei einer initialen Pyrolyse aus dem festen Brennstoff austretenden flüchtigen Bestandteile mittels der Zündlanze durchgeführt.
Durch eine eindeutige zeitliche und örtliche Definition der Zündbedingungen im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs können die bei der Verbrennung frei werdenden NO_x-Emissionen weiter reduziert werden. Hierzu können im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs verschiedene Strömungselemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann gemäß der EP 1 741 977 B1 ein sich konisch radial nach außen hin erweiternder Abschnitt, eine so bezeichnete Luftleitkehle, an der Außenseite des austrittsseitigen Endes des Brennstoffohrs für einen Zündvorgang sorgen, der ohne eine Beeinflussung der Sekundärluft abläuft und nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen gestört wird. Ein innenseitig angeordneter Stabilisierungsring mit einem radial nach innen ragenden Zahnkranz dient der Erfassung, Verzögerung und Umlenkung des Brennstoffs, um eine Zündung der Brennstoffpartikel vorzugsweise im Bereich des Zahnkranzes des Stabilisierungsrings zu bewirken. Üblicherweise werden das Brennstoff- oder Primärluftrohr und der Stabilisierungsring zum einen und zum anderen das Brennstoff- oder Primärluftrohr und die Luftabweiskehle im Mündungsbereich durch Schweißnähte, geklammerte oder gebolzte Konstruktionen miteinander verbunden. Gerade aufgrund solcher Schweiß- oder Fügeverbindungen kann es jedoch in dem hochbelasteten und von aggressiven Medien durchströmten Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs zu einer erhöhten Reparatur- und Störanfälligkeit und in der Folge zu einer beeinträchtigten Standzeit kommen.
Um eine derart hervorgerufene Beeinträchtigung der Standzeit zu vermeiden schlägt die EP 1 741 977 B1 weiterhin vor, den Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs als separates Bauteil bzw. Brennstoffdüse, einstückig hergestellt und außenseitig die Form eines sich konisch radial nach außen erweiternden Mantelluft- oder Sekundärluftabweisungskonus sowie innenseitig die Form eines Stabilisierungsrings mit radial nach innen weisendem Zahnkranz auszuführen. Dieses vorzugsweise gegossene Bauteil kann dann zum Beispiel mittels einer Rundschweißnaht an die Stirnfläche eines Brennstoff- oder Primärluftrohrs angeschweißt werden, um die Gesamtanzahl der Schweißverbindungen im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs zu reduzieren.
Ein derartiger Brenner mit jeweils konzentrisch zueinander angeordnetem Primär-, Sekundär- und Tertiärrohr sowie einer den Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ausbildenden und einstückig mit einem nach außen weisenden Luftabweisungskonus sowie einem nach innen weisenden Stabilisierungsring versehenen Brennstoffdüse ist ebenfalls aus der WO 2017/008937 A1 bekannt.
Aber auch bei den zuvor beschriebenen, im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs einstückig ausgebildeten Brennstoffdüsen kann es nach mehreren Jahren Betriebszeit und häufigen Lastwechseln zu einer temperaturschwankungsbedingten Rissbildung kommen.
In anderen Fachgebieten ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zum Ausgleich thermisch bedingter Spannungen längliche Ausnehmungen in Form von Schlitzen vorzusehen.
Auf dem Gebiet der Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen ist zum Beispiel in der EP 1 724 443 A1 ein Düsenring offenbart, welcher das Arbeitsmedium auf die Leitschaufeln der Turbine des Abgasturboladers leiten soll. Der Düsenring weist im Wesentlichen einen Außenring und einen Innenring sowie eine Vielzahl dazwischen angeordneter Strömungsleitschaufeln auf. Die Strömungsleitschaufeln sind mit dem Außenring derart verbunden, dass sich diese in radialer Richtung elastisch verformen können. Jeweils zwischen zwei Leitschaufeln des Düsenrings ist ein entlang der Leitschaufelkontur geführter Schlitz in den Außenring eingelassen, um den Leitschaufeln, bei großer thermischer Belastung, eine voneinander und vom Düsenring unabhängige elastische Verformung in radialer Richtung zu ermöglichen.
Auch die EP 1 512 489 A1 betrifft eine ähnliche Aufgabe, nämlich eine Turbinenschaufel zu schaffen, die besonders niedrigen thermischen Spannungen ausgesetzt ist. Im Bereich von Gasturbinen kommt es zusätzlich zu der durch hohe Drehzahlen verursachten mechanischen Belastung auch durch hohe Temperaturen zu einer thermischen Materialbeanspruchung des Schaufelmaterials. Zur Entlastung von thermischen Spannungen, die durch die hohen Temperaturen auftreten, sind in der Schaufelhinterkante der Gasturbinenschaufel Entlastungsschlitze vorgesehen, die sich quer zur Schaufelhinterkante durch diese hindurch erstrecken.
Während die zuvor beschriebenen Turbinenschaufeln zwar hohen, aber im Wesentlichen konstanten Temperaturen ausgesetzt sind, unterliegen NO_x-arme Brenner der eingangs beschriebenen Art, gerade in konventionellen Kraftwerken mit fossil gefeuerten Dampferzeugern einer thermischen Wechselbelastung. Aufgrund der in neuerer Zeit vermehrten Nutzung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen, deren Einspeisung in das Stromnetz nicht gleichmäßig erfolgt, sondern von der Verfügbarkeit von Sonne oder Wind abhängt, ergeben sich auch für fossil befeuerte Kraftwerke höher Anforderungen an die Lastflexibilität. Die jeweils aktuell zur Einspeisung in das Stromnetz erforderliche Dampferzeugungsleistung wird durch Veränderung der Mühlen- bzw. Brennerleistung und durch das Zu- bzw. Abschalten von einzelnen Mahlanlagen und der diesen jeweils zugeordneten Brennern verändert. Das bedeutet, dass bei einem häufigen Lastwechsel ein entsprechendes An- und Abfahren des Brenners und folglich eine erhöhte Anzahl an Zündvorgängen mit damit einhergehenden Temperaturwechseln erfolgen muss.
Bei den bekannten NO_x-armen Brennern besteht die Zündfeuerung in der Regel aus Zündlanzen oder ähnlichen Brennern, mit denen durch Verbrennung von gasförmigem oder flüssigem Hilfsbrennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder Heizöl, die für eine Verbrennung notwendige Zündflamme erzeugt wird. Während des Zündvorgangs wird der zunächst nicht im Betrieb befindliche Brenner („außer Betrieb“) unterschiedlichen, durch die zeitlich aufeinander folgenden Stufen des Zündvorgangs bedingten Temperaturen ausgesetzt. So schließt sich an die Zündung des Hilfsbrenners zur Verbrennung des gasförmigen oder flüssigen Hilfsbrennstoffs die Zündung des Hauptbrenners zur Verbrennung des partikelförmigen, insbesondere staubförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs an. Zum Absenken der Dampferzeugerleistung wird die Verbrennung gestoppt und der Brenner erreicht erneut den „außer Betrieb“-Zustand. Bei häufigen Betriebswechseln des Brenners ergeben sich daher häufig erhebliche Temperaturschwankungen im Bereich zwischen 300°C und 1100°C, deren jeweilige Maximalwerte am feurraumseitigen Ende, d.h. im durch die Brennstoffdüse ausgebildeten Mündungsbereich des auch als Staubrohr bezeichneten Brennstoff- oder Primärluftrohrs erreicht werden. Aufgrund dieser thermischen Wechselbelastung unterliegt das Material der Brennstoffdüse, insbesondere bei einstückigen Brennstoffdüsen, einer erhöhten Gefahr von Rissbildung, welche schließlich zu einem Formverlust der strömungsdefinierenden Bauteile und damit einhergehend zu einer Funktionsminderung bis hin zu einem Funktionsverlust führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht die Standzeiten von Brennern zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff zu optimieren, indem thermische Spannungen im Material, insbesondere im Mündungsbereich des Brennstoffohrs bzw. in der Brennstoffdüse reduziert werden.
Bei einer Brennstoffdüse der eingangs näher bezeichneten Art wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffdüse entlang ihres Umfangs angeordnete und sich axial in Richtung des mündungsseitigen Endes erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche der Brennstoffdüse endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse aufweist.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, eine aufgrund von Temperaturwechseln bedingte thermische Belastung, insbesondere thermisch bedingte Volumenänderung des Materials der Brennstoffdüse, insbesondere im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs auszugleichen, indem die Brennstoffdüse mit Dehnungsschlitzen ausgebildet ist. Diese Dehnungsschlitze sind als axial in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse verlaufende sowie die Brennstoffdüse radial vollständig durchsetzende Materialaussparungen ausgeführt und entlang des Umfangs der Brennstoffdüse derart angeordnet, dass ein Ausgleichsraum für eine, bspw. durch den Zündvorgang des Brenners bedingte, Wärmeausdehnung des Materials der Brennstoffdüse geschaffen wird.
Im Rahmen der Erfindung ist darüber hinaus vorgesehen, dass mittels der Dehnungsschlitze eine Unterteilung des Mündungsabschnitts der Brennstoffdüse und folglich des Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs, in separate Einzelsegmente erfolgt, welche bei temperaturbedingten Volumenänderungen des Materials der Brennstoffdüse unabhängig voneinander beweglich sind. Auf diese Weise kann eine Übertragung thermisch bedingter Spannungen, welche örtlich begrenzt in einem Bereich bzw. an einem Einzelsegment der Brennstoffdüse auftreten, auf andere Bereiche und/oder benachbarte Einzelsegmente der Brennstoffdüse vermieden werden.
Zusammengefasst lassen sich aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Dehnungsschlitze und der Unterteilung des Mündungsabschnitts der Brennstoffdüse in Einzelsegmente thermisch bedingte Wechselbelastungen, wie sie insbesondere beim Betrieb von Dampferzeugern auftreten, und die damit einhergehenden Volumenänderungen im Brennstoffdüsenmaterial kompensieren, sodass Materialspannungen reduziert werden. Hierdurch wird die Bildung von Rissen vermindert oder einer Rissbildung sogar vollständig vorgebeugt, wodurch wiederum die Haltbarkeit der Brennstoffdüse und somit die Standzeit des Brenners erhöht wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Einen für die Initialzündung des Brenners besonders geeigneten Ort stellt das mündungsseitige Ende bzw. der Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse dar. Wie beschrieben sind daher vorzugsweise am mündungsseitigen Ende bzw. im Bereich des Mündungsabschnitts zur Definition der Zündbedingungen außenseitige, d.h. radial nach außen gerichtete und/oder innenseitige, d. h. radial nach innen gerichtete Strömungselemente in Form einer Luftabweiskehle und/oder eines Stabilisierungsrings angeordnet. Gerade am Ort der Initialzündung treten jedoch besonders hohe Temperaturen bzw. Temperaturschwankungen auf, wodurch das Material der Brennstoffdüse dort besonders starken Belastungen ausgesetzt ist.
Aus diesem Grund ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch vorgesehen, dass der Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes radial nach außen erweiternde und aufgrund der Dehnungsschlitze in einzelne Luftabweisungssegmente unterteilte Luftabweiskehle ausgebildet ist.
Entsprechend umfasst gemäß einer anderen vorteilhaften Erfindungsausgestaltung der Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse an dessen mündungsseitigem Ende einen radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen versehenen, und aufgrund der Dehnungsschlitze in einzelne Stabilisierungssegmente unterteilten Stabilisierungsring, wobei der Mündungsabschnitt und die, insbesondere mit Zähnen versehenen, Stabilisierungssegmente als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.
Indem also außenseitig und/oder innenseitig am Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse angeordnete Strömungselemente, wie eine Luftabweiskehle als separate, voneinander unabhängige und radial nach außen weisende Luftabweisungssegmente und/oder ein Stabilisierungsring als separate, voneinander unabhängige und radial nach innen weisende Stabilisierungssegmente ausgeführt sind, lassen sich Spannungen, die aufgrund von thermischer Wechselbelastung in besonderem Maße im Bereich des Mündungsabschnitts der Brennstoffdüse auftreten, auch in den dort angeordneten Strömungselementen reduzieren. Auf diese Weise kann eine Rissbildung gerade innerhalb der zur Definition des Zündortes und der Zündbedingungen maßgeblichen Strömungselemente, den Luftabweisungssegmenten und/oder den Stabilisierungssegmenten reduziert und deren Lebensdauer erhöht werden. In Ihrer Gesamtheit erfüllen die einzelnen Luftabweisungssegmente dann die Funktion der an sich bekannten Luftabweiskehle und die einzelnen Stabilisierungssegmente die Funktion des an sich bekannten Stabilisierungsrings, wodurch eine eindeutige zeitliche und örtliche Definition der Zündbedingungen im Mündungsbereich sichergestellt ist.
In Weiterbildung dieser Ausgestaltung schließt ein radial nach innen weisendes Stabilisierungssegment jeweils in mehreren in der Form eines Zahnkranzbogens ausgebildeten Zähnen ab, d. h. das Stabilisierungssegment wird innenseitig von einem einstückig mit dem jeweiligen Stabilisierungssegment verbundenen Zahnkranzbogen begrenzt. Vorteilhafterweise ist die gesamte Brennstoffdüse als einstückiges Bauteil ausgeführt, wobei die Luftabweisungssegmente und die, insbesondere in einem jeweiligen Zahnkranzbogen abschließenden Stabilisierungssegmente im Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse durch die dort vorgesehenen Dehnungsschlitze jeweils voneinander getrennt sind. Aus diesen Merkmalen resultiert eine für thermische Wechselbelastungen, wie sie an Brennstoffdüsen, im Mündungsbereich eines Brennstoff- oder Primärluftrohres insbesondere beim Betrieb von Dampferzeugern in fossil befeuerten Kraftwerken auftreten optimierte und zur Definition konkreter Zündbedingungen geeignete Brennstoffdüse.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Erfindungsausgestaltung entspricht die axiale Länge der Dehnungsschlitze in etwa 1/3 bis 2/3 der axialen Gesamtlänge der Brennstoffdüse.
Was die Anzahl der Dehnungsschlitze betrifft, ist es nach einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, dass die Anzahl, abhängig vom Umfang der Brennstoffdüse, in einem Bereich zwischen 4 und 8 liegt.
Ein Verhältnis zwischen axialer Länge der Dehnungsschlitze und axialer Gesamtlänge der Brennstoffdüse, welches in einem Bereich zwischen 1/3 und 2/3 liegt, stellt gerade in Kombination mit einer Anzahl an Dehnungsschlitzen, welche in einem Bereich zwischen 4 und 8 liegt, einen optimierten Kompromiss zwischen der zum Ausgleich der thermischen Wechselbelastung erforderlichen Flexibilität und der insgesamt notwendigen Stabilität der Brennstoffdüse dar. Die exakte Anzahl der Dehnungsschlitze richtet sich nach der Größe des Brenners bzw. nach dem Umfang der Brennstoffdüse.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer Ausgestaltung, wonach sich die Dehnungsschlitze in den Bereich des Brennstoffrohrabschnitts der Brennstoffdüse erstrecken und jeweils in einer kreisförmigen Ausnehmung münden.
Aufgrund der stetig verlaufenden, radialen Krümmung der kreisförmigen Ausnehmung lassen sich örtlich im Bereich des Brennstoffrohrabschnitts am jeweiligen Ende der Dehnungsschlitze auftretende Spannungen verringern.
In Weiterbildung dieser Ausgestaltung kann es zweckmäßig sein, dass die jeweiligen Ausnehmungen als kreisförmige Bohrungen ausgeführt sind und die Dehnungsschlitze als von der jeweiligen Ausnehmung ausgehende bis zum mündungsseitigen Ende der Brennstoffdüse verlaufende Einschnitte.
Eine so gestaltete Ausführung der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse bietet vor allem Vorteile unter dem Gesichtspunkt der Fertigung bzw. Herstellung von Brennstoffdüsen. Bei der Fertigung einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse lässt sich die radiale und/oder axiale Position des im Brennstoffrohrabschnitt der Brennstoffdüse angeordneten Endes eines Dehnungsschlitzes exakt festlegen, indem an der gewünschten Position eine radial in Richtung der Längsachse der Brennstoffdüse geführte, kreisförmige Bohrung in den Brennstoffrohrabschnitt eingebracht wird. Ausgehend von der kreisförmigen Bohrungen kann dann der entsprechende Dehnungsschlitz als ein axial in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse geführter Einschnitt ausgeführt werden.
Zur weiteren Vereinfachung der Herstellung und Verringerung der Herstellungskosten ist nach einer bevorzugten Erfindungsausgestaltung vorgesehen, dass die Dehnungsschlitze parallel zu einer Längsachse der Brennstoffdüse verlaufend, insbesondere parallel zueinander und die Längsachse der Brennstoffdüse koaxial umgebend angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft können bei dieser Brennstoffdüsenvariante alle Dehnungsschlitze in einem einzigen bzw. in demselben Fertigungsschritt in die Materialwand der Brennstoffdüse geschnitten werden.
Schließlich ist es für eine Brennstoffdüse, gemäß einer Ausführung der Erfindung auch vorteilhaft, dass diese als Schleudergussbauteil ausgebildet ist.
Eine Ausbildung der Brennstoffdüse als Gussteil, insbesondere als Schleudergussteil, eignet sich besonders zur Herstellung eines einstückigen Bauteils, welches die Form von radial nach außen und/oder radial nach innen gerichteten Strömungselementen, wie beispielsweise radial nach außen weisenden Luftabweisungssegmenten und/oder radial nach innen weisenden, insbesondere Zähne umfassenden, Stabilisierungssegmenten aufweist.
Zur Lösung der eingangs genannten Erfindungsaufgabe eignet sich auch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffdüse, insbesondere einer Brennstoffdüse nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs des Brennstoff- oder Primärluftrohrs vorgesehenen Mündungsabschnitt wobei in einem ersten Fertigungsschritt die Brennstoffdüse mit einem als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes radial nach außen erweiternde Luftabweiskehle ausgebildeten Mündungsabschnitt und einem an dem mündungsseitigen Ende des Mündungsabschnitts radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen versehenen, Stabilisierungsring als einstückiges Bauteil gegossen wird. In einem zweiten, auf den ersten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt werden kreisförmige Ausnehmungen entlang des Umfangs der Brennstoffdüse in den Brennstoffrohrabschnitt gebohrt und in einem dritten, auf den zweiten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt werden, ausgehend von den in den Brennstoffrohrabschnitt gebohrten, kreisförmigen Ausnehmungen, Dehnungsschlitze in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse und eine mündungsseitige Stirnfläche der Brennstoffdüse durchsetzend geschnitten.
Vorzugsweise werden zu Beginn des Herstellungsverfahrens, in dem ersten Fertigungsschritt die Brennstoffdüse mit den radial nach außen weisenden und/oder radial nach innen weisenden Strömungselementen in Form einer Luftabweiskehle und/oder eines, insbesondere mit Zähnen versehenen Stabilisierungsrings in einem Schleudergussverfahren als einstückiges Bauteil hergestellt.
In dem zweiten Fertigungsschritt wird anschließend der Brennstoffrohrabschnitt entlang dessen Umfang mit 4 bis 8 Bohrungen, abhängig vom Umfang der Brennstoffdüse versehen, wobei der Abstand der Bohrungen von einem mündungsseitigen Ende der Brennstoffdüse jeweils in etwa 1/3 bis 2/3 der Brennstoffdüsengesamtlänge entspricht.
Ausgehend von diesen Bohrungen werden dann in einem dritten Fertigungsschritt jeweils parallel zueinander und parallel zu einer Längsachse der Brennstoffdüse verlaufende Dehnungsschlitze in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse geschnitten. Indem die Dehnungsschlitze in Form von die Materialwand und die mündungsseitige Stirnfläche der Brennstoffdüse durchsetzenden Einschnitten ausgebildet werden, wird in dem dritten Fertigungsschritt ferner die sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes radial nach außen erweiternde Luftabweiskehle in einzelne Luftabweissegmente und der radial nach innen weisende, insbesondere mit Zähnen versehene, Stabilisierungsring in einzelne Stabilisierungssegmente unterteilt.
Die erfindungsgemäße Brennstoffdüse eignet sich sowohl zum Nachrüsten oder als Ersatzteil für Brenner, welche insbesondere in bereits bestehenden fossil befeuerten Dampfkraftwerken Verwendung finden. Alternativ ist es aber auch denkbar, das Brennstoff- oder Primärluftrohr eines Brenners direkt bei dessen Herstellung mit erfindungsgemäßen, im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs angeordneten Dehnungsschlitzen zu versehen.
Die eingangs genannte Erfindungsaufgabe wird daher auch durch einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse gelöst, mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr und einem das Brennstoff- oder Primärluftrohr koaxial umgebenden Mantel- oder Sekundärluftrohr, wobei das Brennstoff- oder Primärluftrohr in einer Brennstoffdüse mündet und die Brennstoffdüse einen dem Brennstoff- oder Primärluftrohr zugeordneten Brennstoffrohrabschnitt und einen einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und einen Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ausbildenden Mündungsabschnitt mit einem mündungsseitigen Ende aufweist.
Erfindungsgemäß kennzeichnet sich ein solcher Brenner dadurch, dass die Brennstoffdüse entlang ihres Umfangs angeordnete und sich axial in Richtung des mündungsseitigen Endes erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche der Brennstoffdüse endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse aufweist.
Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf Brenner mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr dessen Brennstoffdüse als separates, einstückiges Bauteil ausgeführt ist beschränkt. So ist es auch denkbar, den Mündungsbereich eines eine integrale Brennstoffdüse aufweisenden Brennstoff- oder Primärluftrohrs erfindungsgemäß mit Dehnungsschlitzen zu versehen, um die dort auftretenden thermisch bedingten Wechselbelastungen auszugleichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners ist dann vorgesehen, dass der Brennstoffrohrabschnitt der Brennstoffdüse ein brennstoffrohrseitiges Ende aufweist und das Brennstoff- oder Primärluftrohr mit dem brennstoffrohrseitigen Ende des Brennstoffrohrabschnitts verbunden, insbesondere, verschweißt ist.
Vorzugsweise sind also der erfindungsgemäße Brenner und dessen Brennstoffdüse als jeweils separate Bauteile hergestellt, wobei die Brennstoffdüse insbesondere bereits bei deren Herstellung mit Dehnungsschlitzen versehen wird. Die Brennstoffdüse kann dann beispielsweise mittels einer Rundschweißnaht an die Stirnfläche des Brennstoff- oder Primärluftrohrs angeschweißt werden. Bei dieser Ausführung ist besonders vorteilhaft, dass auch etwaige, radial nach außen und/oder nach innen weisende Strömungselemente bereits bei der Herstellung der Brennstoffdüse an ihren Mündungsabschnitt und/oder an ihr mündungsseitiges Ende einstückig angeformt werden können.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in

1 eine schematisch perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse mit sieben Dehnungsschlitzen und
2 eine schematische Seitenansicht der beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse aus 1.

Die 1 zeigt in schematisch perspektivischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse 100. Die gezeigte Brennstoffdüse 100 weist einen Brennstoffrohrabschnitt 110 auf, dessen brennstoffrohrseitiges Ende 111 zur Verbindung mit einem anhand der gestrichelten Linie angedeuteten Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 eines nicht weiter dargestellten Brenners geeignet ist. An den Brennstoffrohrabschnitt 110 angrenzend und als einstückiges Bauteil mit diesem ausgebildet weist die Brennstoffdüse 100 ferner einen Mündungsabschnitt 120 auf, dessen mündungsseitiges Ende 121 beim Betrieb des Brenners einem nicht dargestellten Feuerraum zugeordnet ist bzw. in den Feuerraum hineinragt und so einen Mündungsbereich 210 des Brennstoffrohrs 200 ausbildet. Entlang des Umfangs der Brennstoffdüse 100 sind mehrere, hier sieben, Dehnungsschlitze 160 in jeweils gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die Dehnungsschlitze 160 verlaufen sowohl parallel zueinander, als auch parallel zu einer Längsachse z der Brennstoffdüse 100 bzw. umgeben die Längsachse z der Brennstoffdüse 100 koaxial.
Ein erstes Ende eines Dehnungsschlitzes 160 mündet jeweils in einer kreisförmigen Ausnehmung 161, insbesondere einer Bohrung, welche den Brennstoffrohrabschnitt 110 radial durchsetzt. Ausgehend von der zugeordneten Ausnehmung 161 erstreckt sich ein jeweiliger Dehnungsschlitz 160 axial in Richtung des mündungsseitigen Endes 121 der Brennstoffdüse 100. Der Abstand zwischen einer Ausnehmung 161 und dem mündungsseitigen Ende 121 der Brennstoffdüse 100 bzw. die Länge eines Dehnungsschlitzes 160 entspricht in etwa 2/3 der axialen Gesamtlänge der Brennstoffdüse 100. Die Dehnungsschlitze 160 sind die Brennstoffdüse 100 in radialer Richtung vollständig durchsetzend ausgeführt und enden in einer mündungsseitigen Stirnfläche 122 der Brennstoffdüse 100, sodass ein Teil des Brennstoffrohrabschnitts 110 und der Mündungsabschnitt 120 der Brennstoffdüse 100 mittels der Dehnungsschlitze 160 in voneinander getrennte, unabhängig bewegliche Einzelsegmente 130 unterteilt ist. Aufgrund der Dehnungsschlitze 160 lassen sich thermisch bedingte Volumenänderungen des Materials der Brennstoffdüse 100 kompensieren, sodass insgesamt durch thermische Wechselbelastungen verursachte Spannungen reduziert werden, was zu einer Verringerung von Rissbildung und somit hören Haltbarkeit der Brennstoffdüse 100 führt. Mittels der Ausnehmungen 161 lassen sich außerdem Spannungen, die am Ende eines jeweiligen Dehnungsschlitzes 160 aufgrund von Relativbewegungen verschiedener Einzelsegmente 130 zueinander auftreten, reduzieren.
Die Brennstoffdüse 100 ist in ihrem Mündungsabschnitt 120 mit Strömungselementen zur Vorgabe und Definition der Zündbedingungen versehen. Am mündungsseitigen Ende 121 weist der Mündungsabschnitt 120 radial nach innen weisende Stabilisierungssegmente 150 auf, welche jeweils durch einen Dehnungsschlitz 160 voneinander getrennt bzw. beabstandet sind. Jedes Stabilisierungssegment 150 schließt in einem Zahnkranzbogen mit nach innen weisenden Zähnen 151 ab bzw. wird von den Zähnen 151 begrenzt. Die Stabilisierungssegmente 150 mit den zugehörigen Zähnen 151 sind einzeln, voneinander unabhängig beweglich, um thermisch bedingte Spannungen auszugleichen und bilden in ihrer Gesamtheit einen Stabilisierungsring mit Zähnen 151 zur Erfassung, Verzögerung und Umlenkung des im Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 geführten Brennstoffs.
In der 2, welche eine schematische Seitenansicht der beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse 100 aus 1 zeigt, ist gut zu erkennen, dass der Mündungsabschnitt 120 radial außenseitig die Form eines weiteren Strömungselements aufweist. So ist der Mündungsabschnitt 120 in der Form von sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes 121 radial nach außen erweiternden Luftabweisungssegmenten 140 ausgeformt. Die Luftabweisungssegmente 140 sind jeweils mittels eines Dehnungsschlitzes 160 voneinander getrennt bzw. beabstandet und voneinander unabhängig beweglich, um thermisch bedingte Spannungen auszugleichen. In ihrer Gesamtheit bilden die Luftabweisungssegmente 140 ein Strömungselement in Form einer Luftabweiskehle aus. Gemeinsam mit einem hier nicht dargestellten Mantelluft- oder Sekundärluftrohr, welches üblicherweise bei Brennern zur Verbrennung von staubförmigem Kohlenstoff das Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 koaxial umgibt, ermöglichen die Luftabweisungssegmente 140 einen Zündvorgang, der ohne Beeinflussung der Sekundärluft abläuft und nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen gestört wird. Das brennstoffrohrseitige Ende 111, welches den Brennstoffrohrabschnitt 110 der Brennstoffdüse 100 begrenzt, ist zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 (siehe 1) eines Brenners vorgesehen und lässt sich beispielsweise mit der Stirnseite des Brennstoff- oder Primärluftrohrs 200 verschweißen.
Wie den 1 und 2 zu entnehmen, ist die gesamte Brennstoffdüse 100 als einstückiges Bauteil ausgeführt und vorzugsweise im Schleudergussverfahren hergestellt. In Kombination mit den zum mündungsseitigen Ende 121 geführten Dehnungsschlitzen 160 wird somit ein spannungsarmes Bauteil bereitgestellt, welches zur Verwendung als Brennstoffdüse 100 im aufgrund von ausgeprägten Temperaturschwankungen thermisch besonders belasteten Mündungsbereich 210 eines Brennstoff- oder Primärluftrohrs 200 eines Brenners für ein Dampfkraftwerk geeignet ist. Aufgrund der verminderten Rissbildung in der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse 100 kann die Standzeit eines damit ausgestatteten Brenners erheblich erhöht werden.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffdüse
110: Brennstoffrohrabschnitt
111: brennstoffrohrseitiges Ende
120: Mündungsabschnitt
121: mündungsseitiges Ende
122: mündungsseitige Stirnfläche
130: Einzelsegment
140: Luftabweisungssegment
150: Stabilisierungssegment
151: Zähne
160: Dehnungsschlitz
161: Ausnehmung
200: Brennstoff- oder Primärluftrohr
210: Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs
z: Längsachse der Brennstoffdüse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005032109 B4 [0005]
EP 1741977 B1 [0006, 0007]
WO 2017/008937 A1 [0008]
EP 1724443 A1 [0011]
EP 1512489 A1 [0012]

Claims

Brennstoffdüse (100) für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt (110) und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) vorgesehenen Mündungsabschnitt (120), wobei der Brennstoffrohrabschnitt (110) ein brennstoffrohrseitiges Ende (111) zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) und der Mündungsabschnitt (120) ein mündungsseitiges Ende (121) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (100) entlang ihres Umfangs angeordnete und sich axial in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze (160) zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse (100) aufweist.
Brennstoffdüse (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt (120) der Brennstoffdüse (100) als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) radial nach außen erweiternde und aufgrund der Dehnungsschlitze (160) in einzelne Luftabweisungssegmente (140) unterteilte Luftabweiskehle ausgebildet ist.
Brennstoffdüse (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt (120) der Brennstoffdüse (100) an dessen mündungsseitigem Ende (121) einen radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen (151) versehenen, und aufgrund der Dehnungsschlitze (160) in einzelne Stabilisierungssegmente (150) unterteilten Stabilisierungsring aufweist, wobei der Mündungsabschnitt (120) und die, insbesondere mit Zähnen (151) versehenen, Stabilisierungssegmente (150) als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.
Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der Dehnungsschlitze (160) in etwa 1/3 bis 2/3 der axialen Gesamtlänge der Brennstoffdüse (100) entspricht.
Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Dehnungsschlitze (160) in einem Bereich zwischen 4 und 8 liegt.
Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dehnungsschlitze (160) in den Bereich des Brennstoffrohrabschnitts (110) der Brennstoffdüse (100) erstrecken und jeweils in einer kreisförmigen Ausnehmung (161) münden.
Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsschlitze (160) parallel zu einer Längsachse (z) der Brennstoffdüse (100) verlaufend, insbesondere parallel zueinander und die Längsachse (z) der Brennstoffdüse (100) koaxial umgebend angeordnet sind.
Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (100) als Schleudergussbauteil ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffdüse (100), insbesondere einer Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt (110) und einem mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) vorgesehenen Mündungsabschnitt (120), wobei - in einem ersten Fertigungsschritt die Brennstoffdüse (100) mit einem als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) radial nach außen erweiternde Luftabweiskehle ausgebildeten Mündungsabschnitt (120) und einem an dem mündungsseitigen Ende (121) des Mündungsabschnitts (120) radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen (151) versehenen, Stabilisierungsring als einstückiges Bauteil gegossen wird, - in einem zweiten, auf den ersten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt kreisförmige Ausnehmungen (161) entlang des Umfangs der Brennstoffdüse (100) in den Brennstoffrohrabschnitt (110) gebohrt werden, und - in einem dritten, auf den zweiten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt, ausgehend von den in den Brennstoffrohrabschnitt (110) gebohrten, kreisförmigen Ausnehmungen (161), Dehnungsschlitze (160) in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) der Brennstoffdüse (100) und eine mündungsseitige Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) durchsetzend geschnitten werden.
Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) und einem das Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) koaxial umgebenden Mantel- oder Sekundärluftrohr, wobei das Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) in einer Brennstoffdüse (100) mündet und die Brennstoffdüse (100) einen dem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) zugeordneten Brennstoffrohrabschnitt (110) und einen einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und einen Mündungsbereich (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) ausbildenden Mündungsabschnitt (120) mit einem mündungsseitigen Ende (121) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (100) entlang ihres Umfangs angeordnete und sich axial in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze (160) zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse (100) aufweist.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffrohrabschnitt (110) der Brennstoffdüse (100) ein brennstoffrohrseitiges Ende (111) aufweist und das Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) mit dem brennstoffrohrseitigen Ende (111) des Brennstoffrohrabschnitts (110), verbunden, insbesondere verschweißt ist.