DE10332860A1 - Gas burner for separately supplied gases has burner head made of aluminum material in region of output end of gas input channel - Google Patents

Gas burner for separately supplied gases has burner head made of aluminum material in region of output end of gas input channel Download PDF

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Abstract

The gas burner has a head, which is made of aluminum-containing material, at least in the region of the output ends (5, 6) of the gas input channels (1, 2) The material containing aluminum may be coated with aluminum or an aluminum compound. This material may itself be alloyed with aluminum, or may be an oxide dispersion bonded super-alloy.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkopf und in dem Brennerkopf angeordneten Gaszuführungskanälen.The The invention relates to a burner with a burner head and in the Burner head arranged gas supply channels.

Derartige Brenner werden beispielsweise bei der Verbrennung eines Brenngases mit einem sauerstoffhaltigen Gas in außenmischenden Brennern, d. h. in Brennern in denen das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas getrennt in eine Mischzone geführt und dort gezündet werden, verwendet. Beim Einsatz von Luft als sauerstoffhaltiges Gas werden die Brenner üblicherweise durch die angesaugte Luft gekühlt. Sofern technisch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zu Verbrennung eingesetzt wird, erfolgt die Kühlung meist mit Kühlwasser. Hierzu weist der Brenner in der Regel einen Kühlkanal an seiner Stirnseite auf und kann über eine außen angeschweißte Kühlwasserwendel mit Kühlwasser versorgt werden.such Burner, for example, in the combustion of a fuel gas with an oxygen-containing gas in external mixing burners, d. H. in burners where the fuel gas and the oxygen-containing gas led separately into a mixing zone and ignited there are used. When using air as oxygenated Gas is the burner usually cooled by the intake air. Provided technically pure oxygen or oxygen-enriched air is used for combustion, the cooling is usually done with cooling water. For this purpose, the burner usually has a cooling channel on its end face up and over an outside welded Cooling water Wendel with cooling water be supplied.

In der EP 0 868 394 B1 ist auch ein gasgekühlter Brenner beschrieben, an dem zum Schutz des Brennerkopfes vor zu hohen Temperaturen ein Ring aus Keramik oder Edelmetall fixiert ist.In the EP 0 868 394 B1 also a gas-cooled burner is described, to which a ring of ceramic or precious metal is fixed to protect the burner head from excessive temperatures.

Die Mischzone ist üblicherweise als Gasphasenreaktor ausgebildet, wobei eine Reaktortemperatur von 1300 bis 1500°C und eine mit Sauerstoff erzeugte Flammentemperatur von über 2000°C erreicht werden kann.The Mixing zone is common formed as a gas phase reactor, wherein a reactor temperature of 1300 to 1500 ° C and reaches an oxygen-generated flame temperature of over 2000 ° C can be.

Wassergekühlte Brenner weisen den Nachteil auf, dass durch hohe Temperaturgradienten zwischen Innen- und Außenseite der wassergekühlten Zone starke Temperaturspannungen im Material auftreten können, deren Folge Rißbildung und Leckagen sein können. Außerdem bilden sich bei typischen Hochtemperaturstählen Temperaturzonen aus, in denen eine "Metal Dusting" genannte Korrosionsform auftritt, sodass ein Abtrag und somit eine Zerstörung des Brennermaterials erfolgt.Water cooled burners have the disadvantage that high temperature gradients between Inside and outside the water-cooled zone strong temperature stresses can occur in the material whose Sequence cracking and leaks can be. Furthermore Temperature zones are formed in typical high-temperature steels, in whom a "Metal Dusting "called Form of corrosion occurs, so that a removal and thus destruction of the Burner material takes place.

Andererseits ist bei gasgekühlten Brennern das Aufbringen eines Keramikringes auf den Brennerkopf ebenfalls mit Risiken verbunden, da durch die unterschiedliche Wärmedehnung der Materialien ein Abplatzen des Rings erfolgen kann und sich an der dickeren Kante Strömungsablösungen ausbilden, die zu einem Abbrennen des Brennerkopfes führen können.on the other hand is at gas-cooled Burners the application of a ceramic ring on the burner head also associated with risks, because of the different thermal expansion the materials can be a chipping of the ring and at the thicker edge form flow separations, the can lead to a burning of the burner head.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen Brenner zur Verfügung zu stellen, der auch bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig ist.task The present invention is therefore to provide a burner available which is resistant to corrosion even at high temperatures.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennerkopf zumindest im Bereich der Austrittsenden der Gaszuführungskanäle aus einem Aluminium enthaltenden Material besteht.These Task is inventively characterized solved, that the burner head at least in the region of the outlet ends of the Gas supply channels from one Aluminum containing material.

Dabei wird zweckmäßigerweise als Grundmaterial Stahl verwendet, der mit Aluminium oder einer Aluminiumverbindung beschichtet ist. Alternativ kann das Material, insbesondere Stahl auch Aluminium als Legierungselement enthalten. Der Aluminiumgehalt des verwendeten Materials sorgt für einen Schutz gegen "Metal Dusting" und bietet ausreichende Hitzebeständikeit.there is expediently used as base material steel, with aluminum or a Aluminum compound is coated. Alternatively, the material may in particular steel also contain aluminum as alloying element. The aluminum content of the material used ensures protection against "Metal Dusting" and offers sufficient Hitzebeständikeit.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Material aus einer oxiddispersionverfestigten Superlegierung, einem sogenannten ODS-Werkstoff, eingesetzt. Bei Superlegierungen handelt es sich um metallische Werkstoffe, die eine besonders hohe Hitzebeständigkeit, insbesondere im Vergleich zu konventionellen Hochtemperaturlegierungen, aufweisen. Oxiddispersionverfestigte Superlegierungen enthalten feinverteilte Verfestigungsteilchen, wodurch bis zu Temperaturen von 1300°C hohe mechanische Kurz- und Langzeitfestigkeiten erzielt werden. Durch Verwendung von Aluminium als Legierungselement bei Superlegierungen wird darüberhinaus die Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen durch Ausbildung einer selbstheilenden Aluminiumoxid-Schutzschicht garantiert.According to one particularly preferred embodiment The invention is a material of an oxide dispersion solidified Superalloy, a so-called ODS material used. For superalloys are metallic materials that are particularly high Heat resistance, in particular compared to conventional high-temperature alloys, exhibit. Oxide dispersion strengthened superalloys included finely divided solidification particles, resulting in temperatures up to from 1300 ° C high mechanical short and long term strength can be achieved. By using aluminum as alloying element in superalloys gets beyond that the corrosion resistance even at high temperatures by forming a self-healing Aluminum oxide protective layer guaranteed.

Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens sieht vor, die Hitzebeständigkeit des Brenners durch Verwendung des Aluminium enthaltenden Materials in Verbindung mit einer speziellen Brennerkonstruktion, die stets gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brenners erfolgt, weiter gesteigert wird.A Development of the inventive concept provides, the heat resistance the burner by using the aluminum-containing material in conjunction with a special burner design, always guaranteed that solely by the gas flow adequate cooling of the Brenners, is further increased.

Als wesentliches Element einer solchen Brennerkonstruktion ist in mindestens einer der Gaszufuhrkanäle ein die Gasströmung stabilisierender Flügel vorgesehen. Der Flügel kann durch einen profilierten Körper oder durch einen ebenen Körper, der Schräg gegen die Strömung angestellt ist, beispielsweise ein Leitblech gebildet werden. Durch die Verwendung eines solchen Flügels in mindestens einer der Gaszufuhrkanäle kann die Strömung definiert beeinflusst werden. In dem Kanal zwischen dem Flügel und der Wand der Gaszuleitung wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit die Strömung stabilisiert. Das Ablösen von Strömungsfäden und die Entstehung von Wirbeln beim Zusammentreffen der Gasströme unmittelbar vor dem Brennerkopf wird verhindert. Die intensive Durchmischung mit Wirbelbildung erfolgt verzögert, das heißt in einer gewissen Entfernung vom Brennerkopf. Eine Schädigung des Brennerkopfes durch mit den Wirbeln eingesaugte heiße Verbrennungsgase wird verhindert.When essential element of such a burner design is in at least one of the gas supply channels a the gas flow stabilizing wing intended. The wing can through a profiled body or by a flat body, the oblique against the current is employed, for example, a baffle are formed. By the use of such a wing in at least one of the gas supply channels, the flow can be defined to be influenced. In the channel between the wing and the wall of the gas supply line becomes the flow velocity elevated and with it the flow stabilized. The detachment of flow threads and the formation of vortices at the confluence of the gas streams immediately in front of the burner head is prevented. The intensive mixing with vortex formation is delayed, this means at a certain distance from the burner head. Damage to the burner head by sucked with the vertebrae hot combustion gases is prevented.

Vorzugsweise ist der Flügel gegenüber dem Austrittsende des Gaszuführungskanals zurückversetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich der Flügel vollständig innerhalb des Gaszuführungskanals befindet und damit im Betrieb nur von dem durch diesen Gaszufürungskanal strömenden Gas umspült wird. Durch den umspülenden Gasstrom wird der Flügel insbesondere an seinem stromabwärtigen Ende gekühlt und es wird verhindert, dass das heiße Reaktionsgemisch der beiden Gasströme mit dem Flügel in Berührung kommt und diesen schädigt.Preferably is the wing across from the outlet end of the gas supply channel set back. This has the advantage that the wing is completely inside the gas supply duct is located and thus in operation only by that through this gas supply channel flowing Gas lapped becomes. By the rinsing Gas flow becomes the wing especially at its downstream Cooled and finished it prevents the hot reaction mixture from the two gas flows with the wing in touch comes and harms this.

Vorzugsweise werden für die beiden beteiligten Gasströme unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen, da dadurch die Vermischung der beiden Gasströme begünstigt wird. Die Wirkung des Flügels kommt insbesondere dann voll zur Geltung, wenn durch den Flügel der Gasstrom mit der geringeren Geschwindigkeit stabilisiert wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit der Gase um mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, unterscheiden. Die absoluten Strömungsgeschwindigkeiten liegen bevorzugt zwischen 10 und 200m/s und besonders bevorzugt zwischen 20 und 100m/s.Preferably be for the two gas streams involved different flow rates provided, as it favors the mixing of the two gas streams. The effect of the grand piano especially comes into its own, if through the wing of the Gas flow is stabilized at the lower speed. It has proved to be advantageous when the flow velocity of the gases differ by at least 10%, preferably at least 20%. The absolute flow rates are preferably between 10 and 200m / s and more preferred between 20 and 100m / s.

Vorteilhafter Weise sind die Gaszuführungskanäle aus koaxial zueinander angeordneten Gaszuführungsrohren ausgebildet. Dabei sind mindestens ein Brenngaszuführungsrohr und ein Oxidationsmittelzuführungsrohr vorgesehen. Das Brenngaszuführungsrohr bildet bevorzugt das Außenrohr, das das Oxidationsmittelzufuhrrohr umgibt. In diesem Fall sollte die Absolutgeschwindigkeit im Innenrohr zwischen 10 und 200m/s und besonders bevorzugt zwischen 20 und 100 m/s liegen, während die Geschwindigkeit im Außenrohr zwischen 7 und 180m/s und bevorzugt zwischen 16 und 80m/s betragen sollte. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Oxidationsmittelstrom und Brennstoffstrom sollte im Bereich 0,8 bis 1,8 und besonders bevorzugt im Bereich 1,0 bis 1,3 liegen. Aufgrund dieser empfohlenen Gasgeschwindigkeiten werden die Querschnitte der Gaszuführungsrohre festgelegt. Zur besseren Vermischung der Gasströme nach dem Austritt aus den Gaszuführungskanälen kann mindestens ein Gaszuführungskanal mit Mitteln zur Erzeugung einer Drallströmung versehen werden. Dabei weisen diese Mittel bevorzugt Strömungskanäle auf, die tangenzial gegen die Strömungsrichtung geneigt sind. Die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung können verstellbar ausgebildet sein, um unterschiedlich starke Drallströmungen zu erzeugen.Favorable Way, the gas supply channels are made coaxial Gas supply pipes arranged to each other educated. At least one fuel gas supply tube and an oxidant supply tube intended. The fuel gas supply pipe preferably forms the outer tube, surrounding the oxidant supply tube. In this case should the absolute velocity in the inner tube between 10 and 200m / s and more preferably between 20 and 100 m / s, while the Speed in the outer tube between 7 and 180m / s and preferably between 16 and 80m / s should. The relationship the rates of oxidant flow and fuel flow should be in the range 0.8 to 1.8 and more preferably in the range 1.0 to 1.3 are. Because of these recommended gas speeds the cross sections of the gas supply pipes are determined. to better mixing of the gas streams after exiting the gas supply channels can at least one gas supply channel be provided with means for generating a swirl flow. there These agents preferably have flow channels that are tangenzial against the flow direction are inclined. The means for generating a swirl flow can be adjustable be configured to different degrees of swirl currents produce.

Zur weiteren Kühlung des Brenners kann der Brenner im Außenbereich, Mittel zur Kühlung durch einen Dampfstrom aufweisen. Außerdem kann der Brenner zur Brennraumseite hin z. B. durch einen Diffusor oder eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt sein.to further cooling of the burner, the burner can be used outdoors, means for cooling by a Have vapor stream. Furthermore can the burner to the combustion chamber side z. B. by a diffuser or a cylindrical tubular Insulation against heat radiation be shielded.

Aufgrund der mit der Erfindung erzielten Hochtemperaturfestigkeit des Brenners kann ein Kühlwasserkreislauf eingespart werden, wodurch auch die Anfälligkeit bezüglich Störfällen verringert wird. Darüberhinaus ist der Brenner durch die aluminiumhaltigen Werkstoffe gegen die Korrosionsform des "Metal Dustings" geschützt, so dass sich die Standzeiten des Brenners deutlich erhöhen. Durch die besondere Hochtemperaturbeständigkeit ist auch in einem Störfall ohne Gasdurchströmung gewährleistet, dass der Brenner nicht schmilzt, solange die Reaktortemperaturen unter 1400°C liegen.by virtue of the high-temperature strength of the burner achieved with the invention can be a cooling water circuit be saved, whereby the susceptibility to accidents is reduced. Furthermore is the burner by the aluminum-containing materials against the Corrosion of the "Metal Dustings "protected, so that the service life of the burner increase significantly. By the special high temperature resistance is also in a major accident without gas flow guaranteed that the burner does not melt as long as the reactor temperatures below 1400 ° C lie.

Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich insbesondere zur chemischen Umsetzung von gasförmigen Ausgangsstoffen in ein Reaktionsprodukt bei sehr hohen Reaktionstemperaturen. Besonders bei der Vergasung von Kohlenwasserstoffen, die bei höheren Temperaturen mit Sauerstoff bzw. mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Reaktion gebracht werden, wird mit der Erfindung eine ausreichende Hochtemperaturbeständigkeit und Beständigkeit gegen Korrosion gewährleistet.Of the burner according to the invention is particularly suitable for the chemical conversion of gaseous starting materials in a reaction product at very high reaction temperatures. Especially at the gasification of hydrocarbons, which at higher temperatures with oxygen or be reacted with an oxygen-containing gas, becomes with the invention a sufficient high temperature resistance and durability guaranteed against corrosion.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:in the The invention is based on a schematic in the figure illustrated embodiment be explained in more detail:

Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Brennerkopf. Im Brennerkopf sind zwei konzentrische Gaszuführungsrohre angeordnet. Im äußeren Ringraum 1 wird im vorliegenden Außführungsbeispiel der Brennstoff und im Innenrohr 2 das Oxidationsmittel dosiert. Zur besseren Vermischung der Ströme werden diese mittels Drallkörper 3 und 4 verdrallt. Damit die Brenngasströmung im Austrittsbereich 6 gut anliegt, wird ein Vorflügel 7 am Innerohr befestigt, dadurch wird gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brennerkopfes, insbesondere in den Austrittsbereichen 5 und 6 der Gaszuführungsrohre, gewährleistet ist.The figure shows a section through a burner head. In the burner head two concentric gas supply pipes are arranged. In the outer annulus 1 is in the present Ausführungsbeispiel the fuel and the inner tube 2 the oxidizing agent is metered. For better mixing of the currents, these are by means of spin bodies 3 and 4 twisted. So that the fuel gas flow in the exit area 6 fits well, becomes a slat 7 attached to the inner ear, thereby ensuring that only by the gas flow sufficient cooling of the burner head, especially in the exit areas 5 and 6 the gas supply pipes, is guaranteed.

Claims (14)

Brenner mit einem Brennerkopf und in dem Brennerkopf angeordneten Gaszufuhrkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf zumindest in dem Bereich der Austrittsenden der Gaszufuhrkanäle aus einem Aluminium enthaltenden Material besteht.Burner with a burner head and disposed in the burner head gas supply channels, characterized in that the burner head consists at least in the region of the outlet ends of the gas supply channels of an aluminum-containing material. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit Aluminium oder einer Aluminiumverbindung beschichtet ist.Burner according to claim 1, characterized that the material is coated with aluminum or an aluminum compound is. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit Aluminium legiert ist.Burner according to claim 1, characterized that the material is alloyed with aluminum. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einer oxiddispersionsverfestigten Superlegierung (ODS-Material) besteht.Burner according to claim 3, characterized that the material of an oxide dispersion strengthened superalloy (ODS material). Brenner nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Gaszuführungskanäle ein die Gasströmung stabilisierender Flügel vorgesehen ist.Burner according to one of claims 1 to 4, characterized in that in at least one of the gas supply channels, a gas flow stabilizing wing is provided. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel gegenüber den Austrittsenden der Gaszuführungskanäle zurückversetzt ist.Burner according to claim 5, characterized in that that the wing across from set back the exit ends of the gas supply channels is. Brenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Flügels verstellbar ist.Burner according to one of claims 5 or 6, characterized that the inclination of the grand piano is adjustable. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführungskanäle aus koaxial zueinander angeordneten Gaszuführungsrohren ausgebildet sind.Burner according to one of claims 1 to 7, characterized that the gas supply channels from coaxial Gas supply pipes arranged to each other are formed. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gaszuführungskanälen Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung vorgesehen sind.Burner according to one of claims 1 to 8, characterized that in the gas supply channels means for generating a swirl flow are provided. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Dralls Strömungskanäle aufweisen die tangenzial gegen die Strömungsrichtung geneigt sind.Burner according to claim 9, characterized the means for generating a swirl have flow channels which are tangenzial against the flow direction are inclined. Brenner nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Dralls in den Gaszuführungskanälen verstellbar sind, um unterschiedlich starke Drallströmungen zu erzeugen.Burner according to one of claims 9 or 10, characterized that the means for generating a twist in the gas supply channels adjustable are to generate different strong swirl flows. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner im Außenbereich Mittel zur Kühlung durch einen Dampfstrom aufweist.Burner according to one of claims 1 to 11, characterized that the burner is outdoors Means for cooling by a vapor stream. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Brennraumseite hin durch einen Diffusor gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.Burner according to one of claims 1 to 12, characterized that the burner towards the combustion chamber side through a diffuser against thermal radiation is shielded. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Brennraumseite hin durch eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.Burner according to one of claims 1 to 13, characterized that the burner to the combustion chamber side through a cylindrical tubular Insulation against heat radiation is shielded.
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Legal Events

Date Code Title Description
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: LINDE AG, 80807 MUENCHEN, DE

8139 Disposal/non-payment of the annual fee