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Die Erfindung betrifft einen Brenner für die Herstellung von Synthesegas durch eine Teiloxidation von staubförmigen Brennstoffen in einem Flugstromvergaser gemäß Oberbegriff des ersten Anspruchs und einen Flugstromvergaser mit derartigen Brennern.
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Unter staubförmigen Brennstoffen sind feste Brennstoffe wie Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades sowie Kokse aus unterschiedlichen organischen Materialien zu verstehen, die bevorzugt auf Partikelgrößen unter 2 mm zerkleinert worden sind.
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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 ist in der Regel ein Startbrenner (auch als Pilotbrenner oder Zündbrenner bezeichnet) zentral im Kopfbereich eines Vergasungsreaktors angeordnet, der von mehreren Vergasungsbrennern (auch als Staubbrenner, Hauptbrenner oder einfach Brenner bezeichnet) umgeben ist. Die Strömung ist bei einer solchen „Top-Burner“-Anordnung nach unten gerichtet. In der Flammenzone der Brenner und der davon ausgehenden Flugstromwolke werden der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff und Wasserstoff in Teiloxidationsreaktionen und weiteren Nebenreaktionen zu einem Syntheserohgas umgesetzt, wobei nichtoxidierbare Schlackepartikel im Gasstrom verbleiben und daraus abgetrennt werden müssen. Der Vergasungsprozess und die grundsätzliche Bauweise von Flugstrom-Vergasungsreaktoren werden beispielsweise in der
DE 41 09 231 C2 beschrieben.
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In den Vergasungsbrennern werden Brennstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf dem Reaktionsraum so zugeführt und intensiv vermischt, dass sie sich möglichst vollständig unter reduzierenden Bedingungen zu einem H2- und CO- reichen Synthesegas umsetzen. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei aus Gründen der Synthesegasqualität so gewählt, dass 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 19922, S.33 und S.73).
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Die Vergasungstemperatur beträgt bei der Vergasung von Kohlenstaub zwischen 1400°C und 1700°C, der Vergasungsdruck 40–80 bar. Am Kopf des Flugstromvergasers sind zumindest ein Startbrenner zum Aufbau des Gasdrucks im Reaktionsraum und zum Zünden des Brennstoffes und zumindest ein Vergasungsbrenner angeordnet. Der Brennstoff wird pneumatisch als Brennstoff-Fördergas-Dichtstrom dem Vergasungsbrenner zugeführt und in der Flammenzone auf Reaktionstemperatur erhitzt, der Umsatz zu Synthesegas vollzieht sich danach im Reaktionsraum, wobei die nicht umsetzbaren Brennstoffanteile als Schlackepartikel im Gasstrom mittransportiert werden. Der Reaktionsraum wird üblicherweise zur Kühlung der druckbeanspruchten Außenwand durch einen Kühlschirm begrenzt, wobei der Kühlschirm durch gasdicht miteinander verschweißte und mit Kühlwasser durchströmte Rohre gebildet wird.
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Das heiße Syntheserohgas wird anschließend zur Abtrennung der Schlacke unter den Schlackeschmelzpunkt abgekühlt und weiteren Gasbehandlungsprozessen unterworfen. In einem letzten Schritt wird das Synthesegas zu dem gewünschten chemischen Enderzeugnis weiterverarbeitet.
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Aus der
DE 10 2014 104 232 A1 ist ein Vergasungsbrenner bekannt, in dem ein tangential in einen Ringkanal eintretender Brennstoffstrom in mehrere axiale Kanäle mit unterschiedlicher Länge aufgeteilt wird. Die Brennstoffströme aus den einzelnen axialen Kanälen werden zum Ausgleich von Konzentrationsschwankungen im Kohlenzustrom vor dem Brennermund in einem spiralförmigen Sammelraum wieder zusammengeführt. Durch die Vermischung des mit einem Drall behafteten Brennstoffstromes mit einem axial oder ebenfalls mit Drallkomponente austretenden Oxidationsmittelstrom soll am Brennermund eine optimale und stabile Flammenausbildung möglich sein mit der Folge einer dementsprechend guten Synthesegasqualität.
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Diese Anordnung ist hinsichtlich des abrasiven Verschleißes entlang des Kohle-Trägergas-Stromes insbesondere im spiralförmigen Sammelraum vor dem Brennermund nicht optimal gestaltet.
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Die
CN 1022 047 420 A offenbart eine Kohleverteilungseinrichtung in einem Vergasungsbrenner, die parallele, axiale und spiralförmige Kohleförderkanäle und wendelförmige Leitbleche umfasst. Der Kohlestaubstrom wird vor dem Brenner auf mehrere geschlossene Kohlekanäle aufgeteilt und zunächst in axialen und daran anschließenden gewendelten Kanälen gefördert. Der aus den Kohlekanälen austretende Kohlestrom wird im letzten offenen Abschnitt zwischen gewendelten radialen Leitblechen bis zum Brennermund geführt. Nachteilig ist der abrasive Verschleiß im Übergangsbereich zwischen den axialen und wendelförmigen Kohlekanalabschnitten und die übergangslose Querschnittserweiterung beim Austritt aus den Kohlekanälen in die offenen Kanäle, die Verwirbelungen und das Absinken der Strömungsgeschwindigkeit verursachen, wodurch Instabilitäten im Kohlestrom vor dem Brennermund entstehen.
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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 inneren Kanal- und Leitelemente der Kohlestaubbrenner sind zusätzlich hohen abrasiven Beanspruchungen durch die Kohlestaubströme 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 konvektiven Wärmeableitung aus dem Brennermundbereich durch eine Wasserkühlung der in den Reaktionsraum ragenden Teile des Brenners. Die Innenkühlung kann ergänzt oder partiell ersetzt werden durch eine Medienkühlung mit einer Mindestströmungsgeschwindigkeit. Die Wärmeableitung kann durch Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit und zusätzliche Schutzmaßnahmen unterstützt werden.
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In der
DE 10 2008 0022 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 0022 572 A1 ,
EP 0 3223 787 A1 ), die Kühlwasserkanäle im Brennermundbereich durch eingeschweißte Kühlwasserverdrängungskörper zu verengen, wobei durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums ein intensiverer Wärmeübergang vom Brenner auf das Kühlmedium erreichbar ist.
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Zur Druckerhöhung im Vergasungsreaktor 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 3223787 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 3223 A1 ,
DE 10 2008 0022 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 vorhanden, der die Brenner aufnimmt und der zwischen den Brenneraufnahmehülsen mit Wärmeisolationsmaterial unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus der
DE 10 2014 104 232 A1 bekannten Brenner zu einem Brenner mit höherer Verschleißfestigkeit, vereinfachtem Herstellungsaufwand und verbesserter Kühlung weiter zu entwickeln.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Brenner mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Anspruchs und einen Flugstromvergaser mit wenigstens drei dieser Brenner gemäß Anspruch 7 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen des Brenners sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Der vorgeschlagene Brenner für die Herstellung von Synthesegas durch eine Teiloxidation von staubförmigen Brennstoffen in einem Flugstromvergaser ist derart ausgebildet, dass der zugeführte Brennstoffstrom zunächst auf bekannte axiale Brennstoffkanäle aufgeteilt wird und jeder axiale Brennstoffkanal in einen neu gestalteten querschnittsgleichen spiralförmigen Brennstoffkanal vor dem Brennermund einmündet, wobei die spiralförmigen Kanäle erfindungsgemäß durch identische, dreieckförmige und austauschbare Drallelemente unterhalb der axialen Brennstoffkanäle für die Brennstaubzuführung gebildet sind, die im Ringkanal und in dessen Umfangsrichtung jeweils um die Breite eines Brennstoffkanals versetzt angeordnet sind. Die Drallelemente sind in Umfangsrichtung gekrümmt und füllen in radialer Richtung den offenen Querschnitt des Ringkanals aus. Jedes Drallelement ist nach oben durch eine horizontale Fläche begrenzt, welche jeweils einen Zwischenraum des Ringkanals zwischen zwei benachbarten Austrittsöffnungen der Brennstoffkanäle nach oben verschließt. Gleichsinnig in einer Umfangsrichtung des Ringkanals gekrümmte Seitenflächen der Drallelemente bilden die in konstantem Abstand zueinander verlaufenden Seitenflächen der spiralförmigen Kanäle.
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Ein derart weiterentwickelter Brenner hat den Vorteil, dass ein hohes Maß an Verschleißfestigkeit der Brennstoffführung durch den Einsatz von verschleißresistenten Drallelementen mit hoher Materialreserve am abrasiv besonders beanspruchten gekrümmten Brennstoffkanalabschnitt vor dem Brennermund erreicht wird.
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Mit der verteilten Brennstoffzufuhr in mehreren parallelen axialen Kanälen wird der Brennstoffzuführungsweg innerhalb des Brenners auf ein Minimum verkürzt. Weiterhin wird durch die Aufteilung des Brennstoffstromes auf mindestens drei Kanäle mit rechteckförmigen Querschnitten der verfügbare Ringkanalquerschnitt besser genutzt als mit den aus dem Stand der Technik bekannten zylinderförmigen Rohren für die Brennstoffzuführung.
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Mit der Drallerzeugung im Brennstoffstrom wird am Brennermund eine intensivere Vermischung mit dem Oxidationsmittelstrom erzielt und damit eine gleichmäßige Brennerflamme gefördert. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Kohlestaubzufuhr besteht im Ausgleich von Brennstoffbeladungsschwankungen durch die Pufferwirkungen des vorgeordneten Verteilerraumes innerhalb des Brenners.
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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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Der gesamte Kohlestaubweg im Brenner (axiale, Drall- und Ringkanäle) weist einen konstant bleibenden Kanalquerschnitt für die Brennstoffzufuhr auf. Somit wird die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffstromes vom Eintritt in den Brenner bis zum Brennermund konstant in einem erosionsarmen Geschwindigkeitsbereich gehalten, in dem keine Entmischungseffekte und Unstetigkeiten im Brennstoff-Dichtstrom auftreten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des vorgeschlagenen Brenners besteht darin, dass jeder axiale Brennstoffkanal eine zusätzliche zweite Rückwand besitzt. Die doppelte Rückwände mit dazwischen befindlichen Luftspalten unterstützen erstens eine thermische Entkoppelung zwischen den Brennstoffkanälen und dem Zentralkanal, in dem der vorgewärmte Oxidationsmittelstrom gefördert wird, so dass thermisch bedingte Spannungen reduziert sind und zweitens wird die Betriebssicherheit des Brenners verbessert, weil ein Durchbrechen des Brennstoffstromes bei fortgeschrittenem Verschleiß der Kanalwandungen infolge einer fehlerhaften Betriebsweise zuerst nach außen in die Zwischenräume zwischen den axialen Kanälen erfolgen wird und somit feststellbar ist, bevor es zu einem kritischen Durchbruch nach innen durch die zweifache Barriere in den zentralen Oxidationsmittelkanal kommen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Brenners weist einen hohlen Verdrängungskörper im Ringspalt der Innenkühlung der äußeren Rohrhülse im Bereich des Brennermundes auf. Mit Hilfe eines Verdrängungskörpers wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels am Brennermund erhöht, um die Wärmeableitung zu intensivieren. Allerdings waren bisher massive Verdrängungskörper üblich, die träger auf Temperaturschwankungen reagieren als die umgebenden Kanalwände und deshalb zu Verformungen und ungleicher Kühlmittelverteilung führen. In Bezug auf das Temperaturverhalten der Brennerspitze sind hohle Verdrängungskörper vorteilhaft, die sich wegen der geringen Wandstärke in gleicher Geschwindigkeit erwärmen bzw. abkühlen wie die umgebenden Brennermundbereiche und somit thermisch bedingte Spannungen reduzieren. Der Verdrängungskörper weist auf der Seite des inneren Ringspaltes eine umlaufende Öffnung zum Hohlraum auf, die gleichzeitig einen Druckausgleich zum Kühlmittelspalt schafft.
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Die Vorteile eines derartigen Brenners werden insbesondere bei einer zentralsymmetrischen Anordnung mehrerer Brenner um einen zentralen Startbrenner genutzt. Bei einer solchen Anordnung wird eine gleichmäßige querschnittsausfüllende Reaktionszone geschaffen, die hohe Synthesegasausbeuten ermöglicht.
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Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines Brenners für einen Vergasungsreaktor und einer Brenneranordnung mit drei peripheren Brennern und einem zentralen Startbrenner im Kopfbereich eines Flugstromvergasers erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
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1: Längsschnittdarstellung eines Brenners mit Drallelementen
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2a: erste Ausführungsform für eine doppelte Rückwand an den axialen Brennstoffkanälen
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2b: zweite Ausführungsform für eine doppelte Rückwand
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3: 3D-Darstellung der Drallelemente
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4a: Längsschnittdarstellung der Brennerspitze mit hohlem Verdrängungskörper im Kühlmittelringspalt
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4b: Querschnittdarstellung der Brennerspitze
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Der erfindungsgemäße Brenner 1 für die Herstellung von Synthesegas durch eine Teiloxidation von kohlenstoffhaltigen und auf Staubkorngröße zerkleinerten Brennstoffen in einem Flugstromvergaser ist vorzugsweise im oberen Boden eines Vergasungsreaktors angeordnet, wobei die Medien von oben zugeführt werden und die Flamme nach unten gerichtet ist.
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Der Brenner 1 ist in der Übersichtszeichnung 1 dargestellt. Er weist eine äußere Rohrhülse 6 auf, die ein Zentralrohr 5 in einem radialen Abstand konzentrisch umschließt, womit ein Zentralkanal 11 für die Zuführung eines Oxidationsmittels zu einem Brennermund und ein Ringkanal 12 für die Förderung des Brennstoffes zum Brennermund geschaffen sind.
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An der äußeren Rohrhülse 6 ist im oberen Abschnitt außerhalb des Reaktors ein seitlicher, in Richtung auf den Brennermund geneigter Anschlussstutzen 2 für die Zuführung des Brennstoffes angeordnet, wobei der Anschlussstutzen 2 eine tangential in den Ringkanal 12 einmündende Eintrittsöffnung für den Brennstoff umschließt.
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Am oberen Ende des Zentralrohrs 5 ist ein beispielsweise koaxialer Anschlussstutzen 3 für das Oxidationsmittel angeordnet, welches Sauerstoff und Wasserdampf in einem regelbaren Verhältnis enthält.
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Die seitlich angeordneten Anschlussstutzen 4 sind für die Zuführung und den Rücklauf des Kühlmittels (Kühlwasser) vorgesehen.
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Unterhalb des tangential einmündenden Anschlussstutzens 2 ist im Ringkanal 12 ein Verteiler 14 für den Brennstoff mit drei im Winkel von 120° angeordneten kreisringabschnittsweise am Umfang verteilten trichterartigen Vertiefungen mit Auslassöffnungen vorhanden.
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Oberhalb des Verteilers 14 befindet sich ein ringförmiger Wirbelbrecher 13 zur Dämpfung der Rotationskomponente des eintretenden Brennstoff-Dichtstromes, der auf der Oberseite ein Wirbel dämpfendes Profil aufweist, beispielsweise eine zahnkranzähnlich gestaltete Kontur.
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Jede der drei Auslassöffnungen des Verteilers 14 mündet in einen achsparallelen geraden Brennstoffkanal 15 für die Brennstoffzuführung zum Brennermund, wobei jeder der drei Brennstoffkanäle 15 einen näherungsweise rechteckigem Querschnitt aufweist und ebenfalls innerhalb des Ringkanals 12 angeordnet ist (2a, 2b).
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Jeder Brennstoffkanal 15 ist durch jeweils ein gerades U- oder C-Profil auf der Außenfläche des Zentralrohrs 5 gebildet, wobei die U- oder C-Schienen mit der offenen Seite zum Zentralrohr 5 aufgeschweißt sind oder auf andere Weise mit dem Zentralrohr 5 gasdicht verbunden sind. Das Kanalprofil kann – wie in den 2a, 2b dargestellt – auf der Außenseite zusätzlich abgewinkelt ausgebildet sein zur konturnahen Anpassung an die Krümmung des Ringkanals 12.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Brenners weist in einer Ausführungsform gemäß 2a jeder Brennstoffkanal 15 eine zusätzliche Rückwand 20 auf, die in einem konstanten Abstand vom Zentralrohr 5 angeordnet ist und mit den Seitenwänden der Brennstoffkanäle 15 verbunden ist. Eine derartige Weiterentwicklung ist beispielsweise realisierbar durch die Verwendung von geschlossenen Vierkantprofilen, die aufgeständert, d.h. mit einem Abstand vom Zentralrohr 5 auf dieses aufgeschweißt sind.
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Besonders zweckmäßig ist der Einsatz einer Rückwand 20, deren Materialdicke höher ist als die Dicke der Seitenflächen der Brennstoffkanäle 15.
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In 2b ist eine vorteilhafte alternative Ausführungsform für eine doppelte Kanalrückwand dargestellt. Anstelle der streifenförmigen zusätzlichen Rückwände 20, die auf die Brennstoffkanäle 15 begrenzt sind, ist ein zusätzliches Rohr 22 vorgesehen, dass das Zentralrohr 5 in einem geringen Abstand umschließt. Der Luftspalt zwischen beiden Rohren 5, 22 dient der thermischen Entkoppelung.
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Die Querschnittsflächen der Brennstoffkanäle 15 entsprechen zusammen der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung für den Brennstoff, so dass im Inneren des Brenners 1 konstante Strömungsgeschwindigkeiten herrschen, die Entmischungserscheinungen im Brennstoff-Dichtstrom weitgehend verhindern.
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Eine höhere Anzahl von Brennstoffkanälen 15 und Kanälen 19 ist ebenso möglich, wobei der Verteiler 14 dann eine entsprechend höhere Anzahl von Auslassöffnungen aufweist.
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Jeder Brennstoffkanal 15 mündet am unteren Ende erfindungsgemäß in einen querschnittsgleichen spiralförmigen Brennstoffkanal 19 vor dem Brennermund ein, wobei die Kanäle 19 durch beabstandete, identische, dreieckförmige und austauschbare Drallelemente 16 unterhalb der axialen Brennstoffkanäle 15 gebildet sind. Eine 3D-Darstellung der Drallelemente 16 ist der 3 zu entnehmen.
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Die Drallelemente 16 sind dabei im Ringkanal 12 und in dessen Umfangsrichtung jeweils um die Breite eines Brennstoffkanals 15 versetzt angeordnet. Die Drallelemente 16 füllen in radialer Richtung den offenen Querschnitt des Ringkanals 12 aus und weisen deswegen Krümmungen in Umfangsrichtung entsprechend dem inneren und äußeren Radius des Ringkanals 12 auf. Jedes Drall-element 16 ist nach oben durch eine gerade horizontale Fläche begrenzt, welche jeweils einen Zwischenraum des Ringkanals 12 zwischen zwei benachbarten Austrittsöffnungen der axialen Brennstoffkanäle 15 verschließt. Spiralförmige, gleichsinnig in einer Umfangsrichtung des Ringkanals 12 gekrümmte Seitenflächen 17, 18 der Drallelemente 16 bilden gleichzeitig die in einem konstantem Abstand zueinander verlaufenden Seitenflächen der spiralförmigen Kanäle 19 aus.
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Die Seitenflächen 17, 18 weisen eine in Strömungsrichtung zunehmende Krümmung auf, d.h. sie sind im eingebauten Zustand zunächst in Richtung der Brennerlängsachse orientiert und krümmen sich dann in einem kontinuierlich zunehmenden Winkel in Umfangsrichtung. Es ist möglich, den Austrittswinkel des austretenden Brennstaubstromes durch eine Veränderung der Seitenflächenkrümmungen oder eine Verringerung der Länge der bereits fertiggestellten Drallelemente 16 zu optimieren.
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Im Allgemeinen wird es sich bei den Drallelementen 16 um Fräßteile handeln, aber auch eine generative Herstellung mit 3D-Druck oder mittels Lasermelting kommt in Betracht. Die Drallelemente 16 sind auf dem Zentralrohr 5 beispielsweise mittels Punktschweißung befestigt.
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Ein Austausch der modularen Drallelemente 16 ist bei fortgeschrittenem Verschleiß oder zur Veränderung der Geometrie oder Abmessungen auf einfache Weise möglich, wenn das Zentralrohr 5 lösbar in der Rohrhülse 6 gelagert ist, so dass die Drallelemente 16 durch Herausziehen des Zentralrohrs 5 schnell freigelegt werden können. Die ebenso wie die axialen Brennstoffkanäle 15 auf dem Zentralrohr 5 befestigten Drallelemente 16 können dann in einfachen Montageschritten erneuert oder bearbeitet werden.
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Beide Rohre sind beispielsweise an einem Brennerflansch (1, zweiter Flansch von oben) gasdicht miteinander verbunden.
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Durch die Verwendung hartmetallischer oder keramischer Werkstoffe für die Drallelemente 16 oder durch das Aufbringen keramischer Verschleißschutzschichten auf den Seitenflächen 17, 18 der Drallelemente 16 kann eine Verlängerung der Wartungsintervalle des Brenners 1 erreicht werden.
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Die drei Brennstoff-Teilströme aus den Kanälen 19 vereinigen sich unterhalb der Drallelemente 16 im Ringkanal 12 zu einem gemeinsamen ringförmigen Brennstoffstrom.
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Am Brennermund verjüngen sich der Zentralkanal 11 und der Ringkanal 12 konisch, so dass ein zentraler Austrittskegel des Oxidationsmittelstromes und ein in den zentralen Austrittskegel gerichteter Ringspaltstrom des Brennstoffes erzeugbar sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Brenners sieht vor, innerhalb des Zentralrohres 5 vor dem Brennermund einen modularen und daher bei Verschleiß oder zur Strömungsoptimierung austauschbaren Drallkörper 8 zur Erzeugung einer tangentialen bzw. rotierenden Strömungskomponente im Oxidationsmittelstrom drehfest anzuordnen.
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Der Drallkörper
8 kann schräggestellte flügelförmige Leitflächen oder gekrümmte Leitschaufeln, wie aus der
DE 20 2014 105 403 U1 bekannt, aufweisen.
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Der Drallwinkel der Leitflächen des Drallkörpers 8 wird verwendungsspezifisch festgelegt.
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Die Leitflächen des Drallkörpers 8 können auch mit einer Krümmung mit zunehmendem Anstellwinkel zum Axialstrom ausgeführt sein. Ebenso kann der Drallkörper 8 eine zentrale Durchgangsöffnung besitzen, um einen Teil des Oxidationsmittelstromes unverdrallt zum Brennermund zu führen.
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Die äußere Rohrhülse 6 und optional auch das Zentralrohr 5 ist doppelwandig mit einem Ringspalt 7 für eine effektive Innenkühlung des Brenners 1 gestaltet, wofür üblicherweise Kühlwasser zum Einsatz kommt. Die Rohrhülse 6 besitzt die Anschlussstutzen 4 für die Zuleitung und Ableitung von Kühlwasser.
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Zur Intensivierung der Kühlung am Brennermund kann es vorteilhaft sein, wenn die Rohrhülse 6 in ihrem Ringspalt 7 eine zusätzliche konzentrische Trennwand 21 enthält, die einen inneren Ringspalt 7.1 für den Zustrom des Kühlmittels zum Brennermund von einem äußeren Ringspalt 7.2 für den Rückstrom vom Brennermund trennt und wenn die Trennwand 21 im Bereich des Brennermundes entlang ihrer unteren Kante mit einem ringförmigen hohlen Verdrängungskörper 9 im Ringspalt 7 der Rohrhülse 6 verbunden ist (4a).
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Der Verdrängungskörper 9 dient der Verengung des Ringspaltes 7 am Brennermund zwecks Erzielung höherer Fließgeschwindigkeiten des Kühlmittels, wobei der Verdrängungskörper 9 für einen Druckausgleich im Hohlraum auf der Seite des inneren Ringspaltes 7.1 eine umlaufende Öffnung 10 aufweist, so dass der innere Hohlraum des Verdrängungskörpers 9 fluidisch mit dem inneren Ringspalt 7.1 verbunden ist.
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Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und somit der Druckfestigkeit der Brennerspitze bis zu 100 bar Differenzdruck zwischen Kühlmittel und Außendruck befinden sich innerhalb des Verdrängungskörpers 9 Versteifungsrippen 9s, die gleichmäßig über den Umfang verteilt den Verdrängungskörper 9 im Innenraum stabilisieren (4b). Sie sind in tangentialer Richtung in einem spitzen Winkel zur Radialrichtung angeordnet, um durch die größere Länge im Vergleich zu radial ausgerichteten Rippen die Wärmeableitung über das Festkörpergerüst aus dem Brennermundbereich zu intensivieren. Die Versteifungsrippen 9s setzen sich nach außen in die Strömungsräume für das Kühlmittel fort und verbinden die Innen- und Außenwand 6 der Brennerspitze miteinander. Die Fortsetzungen der Versteifungsrippen 9s bilden somit auch Leitflächen für die Kühlmittelströmung im Ringspalt 7 entlang des Verdrängungskörpers 9, die dadurch die radiale Strömung mit einer tangentialen Strömungskomponente überlagert. Der im Vergleich zu einer radialen Strömung verlängerte Strömungsweg für das Kühlmittel führt zu einer höheren Wärmemenge, die über das Kühlmittel aus der Brennerspitze abgeführt werden kann.
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Eine effektive Herstellung einer derart strukturierten Brennerspitze ist mit einem generativen Herstellungsverfahren realisierbar, wobei der Verdrängungskörper 9 zusammen mit den anderen Kanalelementen der Brennerspitze monolithisch herstellbar ist. Ein generatives Herstellungsverfahren ermöglicht es auch, zusätzliche Stützstrukturen zwischen dem Verdrängungskörper 9 und der Innen- und Außenwand des Ringkanals 12 vorzusehen, die thermisch bedingte Verformungen der Kühlmittel führenden Strukturen verhindern und infolge des Stabilitätszuwachses geringere Wandstärken und damit eine intensivere Wärmeableitung vom Brennermund ermöglichen. In 4a, 4b sind beispielhaft zusätzliche Stützstifte zwischen dem Verdrängungskörper 9 und der gerundeten Stirnseite der Rohrhülse 6 angedeutet.
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Zusätzlich zur Innenkühlung kann die Verschleißfestigkeit der Brenner 1 alternativ dadurch verbessert werden, dass am Zentralrohr 5 und der Rohrhülse 22 des Ringkanals 12 im Bereich des besonders beanspruchten Brennermundes ringförmige Endstücke aus einer hochtemperaturfesten Stahllegierung anstelle des für den übrigen Brenner 1 eingesetzten, temperaturfesten Stahls angeschweißt sind.
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Weiterhin ist es auch bekannt, das Zentralrohr 5 und die Rohrhülse 6 am Brennermund, der der heißen und korrosiven Reaktor-Innenatmosphäre direkt ausgesetzt ist, mit feuerfesten oder keramischen Verschleißschutzschichten auszustatten. Zur Verbesserung der Haftung von feuerfesten Verschleißschutzschicht werden üblicherweise zusätzliche Haltemittel aufgeschweißt, wie beispielsweise Stifte. Auch das Aufbringen von keramischen Schutzschichten mittels Plasmaspritzen oder Lasersintern ist vorteilhaft. Der schichtweise Aufbau muss dabei durch eine Veränderung der Pulverzusammensetzung so erfolgen, dass ein Übergang vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls zum Ausdehnungskoeffizienten der Keramik stattfindet.
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Die beschriebene Brennergestaltung, insbesondere die Gestaltung der Staubzuführung im Brenner 1, ist prinzipiell auf eine beliebige Anordnung von einem zentralen Brenner 1 oder beliebig vielen ringförmig angeordneten Brennern 1 pro Vergaser anwendbar. Die bevorzugte Brenneranordnung geht jedoch von einem zentralen Startbrenner und drei Brennern 1 aus, die zentralsymmetrisch im Winkel von jeweils 120° auf einer Kreislinie um einen zentralen Startbrenner angeordnet sind. Der Startbrenner ist senkrecht in der Reaktorachse angeordnet, die Brenner 1 können parallel zur Reaktorachse oder in einem solchen radialen Winkel geneigt sein, dass sich ihre Mittellinien auf der Reaktorachse treffen. Alternativ können aber auch Startbrenner in die Brenner 1 integriert sein.
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Die Brenner 1 und der Startbrenner sind bevorzugt im oberen Vergaserboden in einem außengekühlten zylinderförmigen Brennerkasten angeordnet, der in der Regel an einem Deckelflansch des Reaktors lösbar befestigt ist und einen Kühlschirm im Reaktionsraum des Flugstromvergasers nach oben abschließt. Der Kühlschirm ist mit einem Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchströmbar und schützt einen Druckmantel des Flugstromvergasers vor Erwärmung und korrosiven Schlackeablagerungen.
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Zur lagestabilen Halterung der vier Brenner, die in senkrechter Lage und parallel zueinander ausgerichtet sind, sind im Brennerkasten Aufnahmehülsen mit Befestigungsflanschen vorhanden, in welche die Brenner eingeschoben werden bzw. im Reparatur- oder Wartungsfall auch aus diesen herausgezogen werden können.
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Zum thermischen Schutz der Brenner ist der Brennerkasten zwischen den Aufnahmehülsen für die Brenner 1 innerhalb des Mantelrings lückenfrei mit wärmeisolierendem Material gefüllt oder mit Inertgas gespült.
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Ein vorteilhafter Schutz der Brenner vor den heißen Reaktionsgasen ist mit einer Außenkühlung des Brennerkastens erzielbar. Dazu werden mit einem flüssigen Kühlmittel, üblicherweise Kühlwasser, durchströmte Rohre spiralförmig auf der Unterseite des Brennerkastens angeordnet, die ihrerseits ebenso wie der Kühlschirm mit einer thermisch beständigen Schutzschicht beschichtet sein können.
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Der zentral im Deckelflansch angeordnete Startbrenner umfasst in bekannter Weise zumindest einen Brenngas- und einen konzentrischen Sauerstoffkanal, eine Zündelektrode im Brennermundbereich und in einem Zentralrohr einen optischen Flammenbeobachtungskanal mit Inertgasspülung. Zur Kühlung des Startbrenners sind die äußeren Kanalwände doppelwandig ausgeführt und werden von Kühlmittel durchströmt.
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Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung:
In einem Flugstromvergaser werden Brennstoff mit Sauerstoff und Wasserdampf zu Rohsynthesegas umgesetzt. Die Vergasungstemperatur beträgt mehr als 1200 °C, der Vergasungsdruck mindestens 40 bar.
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Mit dem zentral angeordneten Startbrenner erfolgt eine Druckerhöhung im Flugstromvergaser auf Betriebsdruck und eine Zündung der Brenner 1.
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Der zu vergasende kohlenstoffhaltige Brennstoff, insbesondere in Form eines Brennstoff-Fördergas-Dichtstromes, und das Oxidationsmittel werden den Brennern 1 über die Anschlussstutzen 2, 3 zugeführt, in den Brennern 1 jeweils separat im Ringkanal 12 und im Zentralkanal 11 bis zum Brennermund gefördert. Nach dem Austritt aus dem Brenner 1 vermischen sich der Brennstoff und das Oxidationsmittel für die Partialoxidations-Flammenreaktion.
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Das Oxidationsmittel wird dabei im Zentralkanal 11 am Drallkörper 8 in Rotation versetzt und dem Reaktionsraum zugeführt. Über den Anstellwinkel der Drallflächen des Drallkörpers 8 ist die Flammenform und – länge beinflussbar. Durch die Rotationskomponente im axial austretenden Oxidationsmittelstrom wird sich der Freistrahl aufweiten und intensiver mit dem Brennstoffstrom aus dem Ringkanal 12 vermischen und so zu einem homogen ablaufenden Oxidationsprozess in der Flammenzone führen.
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Der Brennstoff wird dem Verteiler 14 tangential zugeführt, verteilt sich mit dem rotierenden Brennstoffstrom gleichmäßig über den Umfang des Ringkanals 12 und setzt sich unter der Wirbel dämpfenden Wirkung des Wirbelbrechers 13 in den ringförmigen Verteiler 14 mit seinen drei trichterförmigen Vertiefungen ab. Durch die Auslassöffnungen in den Vertiefungen gelangt der Brennstoff in die drei um jeweils 120° versetzten Brennstoffkanäle 15 gemäß Ausführungsbeispiel und wird darin geradlinig entlang der Brennerachse in Richtung auf den Brennermund gefördert. Die Drallelemente 16 lenken anschließend die axialen Brennstoff-Teilströme aus den Brennstoffkanälen 15 verlustarm und mit minimal möglichem Verschleiß in eine gemeinsame Spiralströmung um, die am Brennermund als rotierender Brennstoffwirbel austritt und sich in der Flammenzone mit dem gleichsinnig rotierenden Oxidationsmittelstrom intensiv vermischt.
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Die Anteile der Rotationskomponenten des Brennstoff- und des Oxidationsmittelstroms beeinflussen die Aufspreizung der Brennerflamme und bieten damit Optimierungsmöglichkeiten für den Teiloxidationsprozess in der Flammenzone. Zeitliche Schwankungen im zugeführten Brennstoffstrom können infolge der Pufferwirkung des Verteilerraumes in gewissen Grenzen ausgeglichen werden.
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Die zusätzliche Rückwand 20 der axialen Brennstoffkanäle bzw. das zusätzliche Rohr 22 15 schützen einerseits das Sauerstoff führende Zentralrohr 5 vor einem verschleißbedingten Durchbruch des Brennstoffstromes in den Sauerstoffstrom (Brand- und Explosionsgefährdung) und bilden andererseits eine zusätzliche thermische Barriere zwischen dem mit vorgewärmten Oxidationsmittel durchströmten Zentralrohr 5 und dem kalten Kohlenstaubströmen im Ringkanal 12. Dadurch wird das Zentralrohr 5 auf seinem Umfang eine gleichmäßige Temperatur annehmen und es werden thermische Sekundärspannungen in den Kanalwänden reduziert.
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Eine doppelte Rückwand gemäß 2a oder 2b gewährleistet, dass der abrasive pulverförmige Brennstoff bei fortgeschrittenem Abtrag der Kohlekanalwandungen zuerst die Seitenwände durchbrechen und somit zuerst in den Ringkanal 12 austreten würde, bevor die die zweite Rückwand zum Zentralkanal 11 durchbrochen wird. In beiden Fällen wird eine Erkennung des Kanalverschleißes ermöglicht, bevor der Schadenumfang zur Gefährdung der Anlagensicherheit führt.
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Eine weitere Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer der Brennerspitze besteht in der optimierten inneren Kühlung durch den Einbau eines Verdrängungskörpers
9 in den Ringspalt
7 der Innenkühlung. Eine dadurch bedingte Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels bewirkt einen verbesserten Wärmeübergang auf das Kühlwasser. Der Einbau von Verdrängungskörpern ist an sich bekannt. Innerhalb der vorgeschlagenen Lösung wird anstelle eines massiven Verdrängungskörpers ein hohler Verdrängungskörper
9 eingesetzt, dessen Materialquerschnitt wesentlich reduziert ist. Ein hohler Verdrängungskörper
9 folgt im Gegensatz zu einem massiven Verdrängungskörper aus Vollmaterial den Temperaturänderungen im Brennermundbereich ebenso schnell wie die umgebende Rohrhülse und vermeidet Spannungsverformungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen. Hohle Verdrängungskörper sind bereits in der
WO 2014/090481 A2 offenbart. Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform ist der Verdrängungskörper
9 jedoch nicht nach oben geöffnet, sondern auf der Innenseite. Dadurch wird der primär axialen Kühlmittelströmung im Ringspalt
7 eine Querstromkomponente in Umfangsrichtung hinzugefügt, die die Wärmeableitung unterstützt und Temperaturspitzen abbaut. Der Kühlmittelstrom ist auf der Innenseite der Trennwand
21 in der bevorzugten Strömungsvariante nach unten gerichtet.
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Die umlaufende Öffnung 10 des Verdrängungskörpers 9 befindet sich somit auf der Anströmseite in Strömungsrichtung vor der Ringspaltverengung am Brennermund. Der offene Hohlraum des Verdrängungskörpers 9 ist daher zur Aufnahme von unerwünschten Feststoffpartikeln geeignet, die sonst den Strömungsspalt am Brennermund verstopfen könnten.
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Nach dem radialen Umströmen des Verdrängungskörpers 9 am Brennermund steigt das Kühlmittel auf der Außenseite des Verdrängungskörpers 9 nach oben und wird über einen der Anschlussstutzen 4 vom Brenner in die Kühlmittelaufbereitung zurückgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brenner (Staubbrenner, Vergasungsbrenner)
- 2
- Anschlussstutzen für Brennstoff
- 3
- Anschlussstutzen für Oxidationsmittel
- 4
- Anschlussstutzen für Kühlwasser
- 5
- Zentralrohr
- 6
- Rohrhülse
- 7
- Ringspalt
- 7.1
- innerer Ringspalt
- 7.2
- äußerer Ringspalt
- 8
- Drallkörper
- 9
- Verdrängungskörper
- 9s
- Versteifungsrippen
- 10
- Öffnung
- 11
- Zentralkanal
- 12
- Ringkanal
- 13
- Wirbelbrecher
- 14
- Verteiler
- 15
- Brennstoffkanal (axial)
- 16
- Drallelement
- 17
- Seitenfläche
- 18
- Seitenfläche
- 19
- Brennstoffkanal (spiralförmig)
- 20
- Rückwand
- 21
- Trennwand
- 22
- Rohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4109231 C2 [0004]
- DE 102014104232 A1 [0008, 0016]
- CN 1022047420 A [0010]
- DE 1020080022572 A1 [0013, 0014, 0015]
- EP 03223787 A1 [0014]
- EP 03223787 A2 [0015]
- DD 228338 A1 [0015]
- DD 2373223 A1 [0015]
- DE 102008020204 A1 [0015]
- DE 202014105403 U1 [0058]
- WO 2014/090481 A2 [0082]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Carl, P. Fritz, Noell-Konversionsverfahren, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH 19922, S.33 und S.73 [0005]
