DE3604304C2

DE3604304C2 -

Info

Publication number: DE3604304C2
Application number: DE19863604304
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 4270 Dorsten De Schulz-Wordell; Ulrich Dipl.-Ing. Dr. 4390 Gladbeck De Bimler
Original assignee: Ruhr Oel 4650 Gelsenkirchen De GmbH
Current assignee: Ruhr Oel 4650 Gelsenkirchen De GmbH
Priority date: 1986-02-12
Filing date: 1986-02-12
Publication date: 1988-07-14
Also published as: DE3604304A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen, ggf. Feststoffe enthaltenden Brennstoffes mit einer zentralen ungekühlten Brennerlanze, die ausgangsseitig eine eingesetzte Düse aus einem verschleißfesten Werkstoff wie Wolfram- oder Siliciumcarbid zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, und mit einem die Brennerlanze umgebenden, der Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas und ggf. Wasserdampf dienenden Ringspalt.

Ein derartiger Brenner entspricht dem betriebsinternen Stand der Technik.

Solche Brenner werden bei der Herstellung von Synthesegas verwendet, wobei das sauerstoffhaltige Gas die für die Erzeugung von Wasserstoff nötige Wasserdampfmenge enthält. Die Reaktion erfolgt bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1700°C und vorzugsweise bei erhöhten Drücken von 10 bis 150 bar.

Der auf Temperaturen von z. B. 200 bis 300°C vorgeheizte flüssige Brennstoff, insbesondere Schwer- oder Schwerstöl, wird mittels der Düse am Ausgangsende der Brennerlanze bei Drücken zerstäubt, die 40 bis 100 bar über dem im zugehörigen Reaktor herrschenden Druck liegen. An die Düse werden daher hohe Anforderungen gestellt, insbesondere wenn der flüssige Brennstoff noch Feststoffe wie Kohle oder Koks enthält. Sie ist daher aus einem verschleißfesten Werkstoff, wie Wolfram- oder Siliciumcarbid (im folgenden "Hartmetall") gefertigt und weist zylindrische Form auf.

Die Düse liegt mit einer Ringfläche an einer entsprechenden Ringfläche des Lanzenkörpers an. Die Hartmetalldüse neigt spannungsbedingt zur Rißbildung. Die Form der Düse und die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Düsenmaterials einerseits und des für die Lanze üblicherweise verwendeten austenitischen Stahls andererseits bewirken ein Aufreißen der Lötverbindung zwischen Hartmetalldüse und Lanzenkörper und erzeugen einen Spalt. Durch die spannungsbedingten Risse der Düse und den Spalt der aufgerissenen Lötverbindung zwängt sich aufgrund des hohen Differenzdruckes zwischen dem flüssigen Brennstoff und dem im Reaktor herrschenden Druck flüssiger Brennstoff. Da dieser wegen der Enge der Risse und des Spaltes eine relativ geringe Geschwindigkeit besitzt, verbrennt er bereits an der Düse. Die heute für die Synthesegaserzeugung verwendeten Schwerstöle haben einen relativ hohen Metallgehalt, z. B. Vanadin bis 500 ppm, Nickel bis 100 ppm und Natrium bis 40 ppm. Diese Metalle bzw. deren Oxide führen zusammen mit der lokalen Überhitzung durch die Verbrennung an der Düse zu Hochtemperaturkorrosion, die die Standzeiten der Lanze verringert.

Aus der DE-OS 30 47 734 ist ein Brenner zum Vermischen einzelner Einsatzströme zur Bildung eines Mehrphasengemischs zur Umsetzung in einem Partialoxidations-Gaserzeuger bekannt. Bei diesem bekannten Brenner besteht der Brennerkopf (vgl. Fig. 2) aus einer inneren zurückgesetzten Mittelleitung, einem koaxialen Ringkanal und einer koaxialen zylindrischen Außenleitung, die in ein konvergentes Austrittsmundstück übergeht, das aus einem kegelstumpfförmigen Hinterabschitt und einem geraden zylindrischen Vorderabschnitt besteht und innenseitig an einer ringförmigen Kühlkammer ausgebildet ist. Fig. 4 zeigt eine besondere Ausführungsform des Austrittsmundstücks der Außenleitung, bei der das gesamte Austrittsmundstück als Einsatzteil aus verschleißfestem Werkstoff wie Wolfram- oder Siliciumcarbid bestehen. Hierbei ist das Mundstück mit einem Kegelstumpf-Außenmantel in einer damit koaxialen kegelstumpfförmigen passenden Ausnehmung in der ringförmigen Kühlkammer gelagert, wobei das Austrittsmundstück an dem Unterende der Außenleitung dadurch anliegt, daß die rückseitige Fläche der Kühlkammer mit der Vorderfläche eines Endflansches am Unterende der Außenleitung verbunden ist.

Diese Anordnung ist mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindung zwischen dem vorderen Teil der Brennerlanze und der Hartmetalldüse nicht vergleichbar. Das Austrittsmundstück in Form einer in der Praxis nicht sehr hoch beanspruchten Düse dient lediglich der Strahlreduzierung der in einer Vormischzone vereinigten Reaktionsmittelströme. Dagegen handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Brennerlanze mit der Hartmetalldüse um einen Hochdruckkörper, der die Ausbildung eines in seiner Geometrie und räumlichen Lokalisierung exakten Sprühkegels über die volle Lebensdauer gewährleiten muß. Jeder (spannungsbedingte) Haarriß in der Düse, oder auch jeglicher Spalt in der Lötverbindung zwischen Hartmetalldüse und Lanzenkörper, führt unter den herrschenden Bedingungen zu einer Veränderung der Geometrie des Sprühkegels bzw. zum Durchtritt von flüssigem Brennstoff und zur Hochtemperaturkorrosion der Düse. Ein Wegbrennen der Nase des Kühlkanals der Brennerlanze und ein Reaktorbrand mit Millionenschäden wären die Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Brenner derart auszubilden, daß die Standzeit der Lanze wesentlich erhöht ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Düse eine stromab sich konisch verjüngend geformte äußere Anlagefläche aufweist, die am entsprechend geformten Ende der Brennerlanze anliegt, und daß zumindest der die Anlagefläche für die Düse bildende Teil der Brennerlanze aus einem Stahl besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich um nicht mehr als 15% von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Düse unterscheidet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird die Düse durch den Druck, unter dem der flüssige Brennstoff zugeführt wird, gegen das entsprechend geformte Ende der Brennerlanze gedrückt und die Dichtung, auch bei Ablösung des Lotes, wesentlich verbessert. Die Standzeit derartiger, im Aufbau besonders einfacher, Brennerlanzen wird durch diese Maßnahme etwa verdreifacht gegenüber der Standzeit von Lanzen, bei denen die Düsen eine Ringauflagefläche aufweisen, die sich gegen eine entsprechende Fläche in der Lanze abstützt.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Düsenmaterials beträgt etwa 5,3 × 10^-6/K, während austenitische Stähle Ausdehnungskoeffizienten von etwa 18,0 × 10^-6/K aufweisen. Geeignete Stähle, die thermische Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6 × 10^-6/K besitzen, sind z. B. hochnickelhaltige Stähle. Die etwa gleichen Ausdehnungskoeffizienten der Hartmetall-Düse und der konischen Spitze der Brennerlanze verhindern weiter das Aufreißen der Lötverbindung und damit das Durchtreten von flüssigem Brennstoff außerhalb der Düsenbohrung und erhöhen die Standzeiten der Brennerlanze weiter.

In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Brennerlanze schematisch dargestellt. Mit 1 ist der aus austenitischem Stahl gefertigte Teil der Brennerlanze, mit 2 der Teil aus hochnickelhaltigem Stahl mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezeichnet. Das Öl strömt durch den Hohlraum 3 der Lanze, die ausgangsseitig durch die Hartmetalldüse 4 mit Düsenbohrung 5 abgeschlossen ist. Der untere Teil 2 der Lanze weist eine konische Anlagefläche für die konisch ausgebildete Hartmetalldüse 4 auf.

Das Rohr 6 bildet mit der zentral angeordneten Lanze 1, 2 den Ringspalt 7, durch den sauerstoffhaltiges Gas und Wasserdampf zugeführt werden. Reaktorseitig wird das Rohr 6 durch Wasser im Ringkanal 8 gekühlt.

Kühlmittelzuleitungen und die Befestigung der Hartmetalldüse 4 im Lanzenteil 2 sind nicht dargestellt. Der Brenner kann auch Mittel zur Erzielung einer Rotation des flüssigen Brennstoffes sowie des sauerstoffhaltigen Gases aufweisen.

Claims

Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen, ggf. Feststoffe enthaltenden Brennstoffes mit einer zentralen ungekühlten Brennerlanze, die ausgangsseitig eine eingesetzte Düse aus einem verschleißfesten Werkstoff wie Wolfram- oder Siliciumcarbid zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, und mit einem die Brennerlanze umgebenden, der Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas und ggf. Wasserdampf dienenden Ringspalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) eine stromab sich konisch verjüngend geformte äußere Anlagefläche aufweist, die am entsprechend geformten Ende der Brennerlanze (1, 2) anliegt, und daß zumindest der die Anlagefläche für die Düse (4) bildende Teil der Brennerlanze (1, 2) aus einem Stahl besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich um nicht mehr als 15% von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Düse (4) unterscheidet.