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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Synthesegas-Erzeugung
von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff durch partielle
Oxidation aus der Verbrennung einer fossilen Brennstoffquelle in
Anwesenheit von Wasser und Sauerstoff. Spezieller betrifft die vorliegende
Erfindung eine Beschichtung für
eine Abschirmeinrichtung, die in einer Brennstoff-Einspritzbrenner-Anordnung
verwendet wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Synthesegasmischungen,
die Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfassen, sind als Quelle für gasförmige Einsatzmaterialien,
wie Wasserstoff, für Hydrierungsreaktionen
und als Quelle von Einspeisungsgas für die Synthese von Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen
organischen Verbindungen oder Ammoniak wichtig.
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Im
Allgemeinen wird in einem Synthesegas-Verfahren ein Brennstoffstrom,
der hauptsächlich
aus einer pumpbaren Aufschlämmung
von feiner teilchenförmiger
Kohle und Wasser besteht, zusammen mit einem Oxidationsmittel in
die hitzebeständig ausgekleidete
Verbrennungskammer des Synthesegas-Generators eingesprüht. Das
Oxidationsmittelgas enthält
beträchtliche
Mengen an freiem Sauerstoff, um die Verbrennungsreaktion der Kohle
zu unterstützen.
Die Verbrennungsreaktionskomponenten Brennstoff und Oxidationsmittel
werden unter signifikantem Druck, typisch etwa 80 Bar, in die Synthesegas-Verbrennungskammer
eingesprüht.
In der Verbrennungskammer wird ein heißer Gasstrom bei einer Temperatur
im Bereich von 700°C
bis 2500°C und
bei einem Druck im Bereich von 1 bis 300 Atmosphären und spezieller 10 bis 100
Atmosphären
erzeugt. Der ausströmende
rohe Gasstrom aus dem Gasgenerator umfasst Gase wie Wasserstoff,
Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und kann andere Gase, wie Methan, Schwefelwasserstoff
und Stickstoff einschließen,
abhängig
von der Brennstoffquelle und den Reaktionsbedingungen.
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Die
partielle Verbrennung eines schwefelhaltigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs,
wie Kohle, mit Sauerstoff-angereicherter Luft oder mit relativ reinem Sauerstoff
zur Produktion von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bereitet
einzigartige Probleme, auf die man normalerweise auf dem Gebiet der
Brenner nicht trifft. Es ist zum Beispiel erforderlich, ein sehr
rasches und vollständiges
Mischen der Reaktanten zu bewirken sowie spezielle Vorkehrungen
zu treffen, um den Brenner oder Mischer vor einer Überhitzung
zu schützen.
Typisch ist die Brennstoff-Einspritzdüse, welche die Verbrennungskammer
versorgt, so konfiguriert, dass der Aufschlämmungs-Brennstoffstrom konzentrisch
einen ersten Oxidationsmittel-Gasstrom entlang dem axialen Kern der
Düse umgibt.
Ein zweiter Oxidationsmittel-Gasstrom umgibt den Brennstoffstrom-Ring
als größerer, im
Wesentlichen konzentrischer Ring. Eine ringförmige Kühlwasserummantelung, die durch
ein im Wesentlichen flaches Endstirnflächen-Wärmeabführelement abgeschlossen ist,
das in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Düsen-Ausstoßachse angeordneten Ebene ausgerichtet
ist, umgibt radial eine Außenwand
des äußeren Oxidationsmittel-Gaskanals.
Kühlwasser
wird von der Außenseite
der Verbrennungskammer in direkten Kontakt mit der Rückseite
der Wärmeabführelement-Endstirnfläche für eine leitende
Wärmeabfuhr
geleitet.
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Wegen
der Reaktivität
von Sauer- und Schwefel-Verunreinigungen iem Brennermetall ist es absolut
erforderlich zu verhindern, dass die Brennerelemente jene Temperaturen
erreichen, bei denen eine rasche Oxidation und Korrosion stattfindet.
In dieser Hinsicht ist es wesentlich, dass die Reaktion zwischen
dem Kohlenwasserstoff und dem Sauerstoff vollständig außerhalb des Brenners selbst
stattfindet und dass eine lokale Konzentration von brennbaren Mischungen
an oder nahe den Oberflächen der
Brennerelemente verhindert wird. Obwohl die Reaktion jenseits des
Auslasspunktes aus dem Brenner stattfindet, unterliegen die Brennerelemente
einer Erwärmung
durch Strahlung aus der Verbrennungszone und durch turbulente Zirkulation
der Brennergase.
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Darüber hinaus
nimmt man an, dass ein Zusammenfluss eines zirkulierenden Gasstroms
mit dem Düsenausstoß-Strom
einen stehenden Wirbel aus heißem,
turbulentem Verbrennungsprodukt erzeugt, welches hoch korrodierende
Schwefel-Verbindungen
umfasst. Diese heißen
korrodierenden Verbindungen umgeben die Düsen-Ausstoßöffnung auf turbulente Weise
und umspülen
die Wärmeabschirmungsfläche am Zusammenfluss.
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Aus
diesen und anderen Gründen
sind Brenner des Standes der Technik durch Ausfälle aufgrund von Metallkorrosion
um die Brennerspitzen herum gekennzeichnet, selbst wenn diese Elemente
wassergekühlt
worden sind und wenn die Reaktanten vorgemischt und aus dem Brenner
mit Fließgeschwindigkeiten über der
Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung ausgestoßen worden
sind.
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Bemühungen,
diese schädlichen
Einwirkungen auf die Einspitzdüse
zu verbessern, sind offenbart worden. Zum Beispiel offenbart das
U.S. Patent Nr. 5,934,206 eine Hitzeabschirmung mit einer Mehrzahl
von Keramikfliesen, von denen jede die Endfläche eines jeweiligen Bogensegments
des Rings um die Düse
herum bedeckt. Die Fliesen sind als einzelne Elemente aus einer
hitzebeständigen
Keramik oder einem anderen Material mit hohem Schmelzpunkt gebildet.
Die einzelnen Fliesen sind durch eine Hochtemperatur-Hartlotverbindung
an der Kühlummantelungs-Endstirnfläche befestigt.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,954,491 offenbart eine Keramik-Hitzeabschirmung,
die mechanisch über
der Wasserummantelungs-Endstirnfläche der Einspritzdüse befestigt
ist. Diese Hitreabschirmung ist als einstückiger Ring oder Kreisring
um die Düsenöffnung herum
gebildet. Die Außenfläche der
Hitzeabschirmung ist im Wesentlichen glatt und ununterbrochen, um
für einen
minimalen Kontakt mit den Reaktionsgasen und eine verringerte Gelegenheit
für eine
reaktive Vereinigung zu sorgen. Die Innenfläche der Hitzeabschirmung, d.h.
die Seite, die an die Wasserummantelungs-Endstirnfläche angrenzt,
umfasst eine Mehrzahl von Buchsenpaaren, wobei jedes Paar in radialer
Ausrichtung um den Hitzeabschirmungsring herum ausgerichtet ist.
Ein Bajonettkanal erstreckt sich vom äußeren Umfang der Hitzeabschirmung zwischen
und parallel zu der äußeren und
inneren Hitzeabschirmungsfläche
und durch jedes Buchsenpaar hindurch. Eine entsprechende Anzahl
von Befestigungsnasen ragt aus der Wasserummantelungs-Endstirnfläche hervor.
Die Nasen sind geeignet angeordnet, um in Passgenauigkeit mit den
Buchsen zu stehen. Jede Nase umfasst eine Öffnung, die axial mit jeweiligen
Bajonettkanal-Bohrungen ausgerichtet ist. Wenn die Hitzeabschirmung
gegen die Wasserummantelungs-Endfläche ausgerichtet ist und die Endstirnflächen-Nasen
die Hitzeabschirmungs-Buchsen durchdringen, werden Bajonettdrähte entlang
der radialen Kanalbohrung eingeführt,
um die Wärmeabschirmung
an mehreren Anbringungspunkten mit der Wasserummantelungs-Endstirnfläche stehend
französisch
zu verriegeln.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,947,716 offenbart eine Hitzeabschirmung mit einem
Ringpaar, bei dem jeder Ring ein vollständiger Ring um die Düsenachse
herum ist, welche nur einem radialen Abschnitt des gesamten Wasserummantelungs-Stirnflächenrings
gegenüberliegt
oder diesen abschirmt. Ein innerer Ring ist mechanisch durch Drahtgewebesegmente
um die Düsenachse
herum an der metallischen Düsenstruktur
befestigt. Die äußeren Elemente
dieser Segmente (Nasen) sind einstückig angeformte Vorsprünge auf der äußeren Konusoberfläche der
Düsenlippe.
Jede der drei Nasen, die von der äußeren Konuslippe hervorspringt,
ist ein gekrümmter
Abschnitt einer unabhängigen
Ringrippe. Der innere Umfang des inneren Hitzeabschirmungsrings
ist mit einem Kanal mit einer entsprechenden Zahl von Einschnitten
in der Wand gebildet, um die äußeren Nasenelemente
aufzunehmen und gleiten zu lassen. Zusammengebaut ist der innere
Hitzeabschirmungsring durch einen punktgeschweißten Metallstab gegen eine
Verdrehung gesichert, welcher der Düsen-Kühlummantelungs-Stirnfläche innerhalb
einer Nute im äußeren Umfang
des inneren Rings zugeführt
wird. Zusätzlich
ist der äußere Umfang
des inneren Hitzeabschirmungsrings mit einem Stufengesims oder einer Überlappung
mit etwa halber Dicke gebildet, welche mit einem entsprechenden
Stufengesims oder einer Überlappung auf
dem inneren Umfang eines äußeren Hitzeabschirmungsrings überlappt.
Der äußere Hitzeabschirmungsring
ist durch einen zweiten Satz äußerer Nasenelemente,
welche aus dem äußeren Umfang
der Wasserummantelungs-Stirnfläche
hervorragen, an der Wasserummantelungs-Stirnfläche befestigt. Eine Dichtmanschettenschelle
um den Umfang des äußeren Hitzeabschirmungsrings
herum stellt einen Strukturkanal für die Aufnahme des äußeren Satzes
der Wasserummantelungs-Nasen bereit. Der äußere Hitzeabschirmungsring
wird auch durch einen heftgeschweißten Stab oder eine heftgeschweißte Stange an
seinem Ort gehalten.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,273,212 offenbart eine abgeschirmte Brennerumhüllung mit
einzelnen Keramik-Plättchen,
die auf mosaikartige oberflächenbedeckende
Weise aneinander angrenzend angeordnet sind.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,941,495 offenbart einen ringförmigen hitzebeständigen Einschub,
der mit der Brennstoff-Einspritzdüse am stromabwärtigen Ende
nahe des Düsenauslasses
verbunden ist. Eine Aussparung, die im stromabwärtigen Ende der Brennstoff-Einspritzdüse angeordnet
ist, nimmt den ringförmigen
hitzbeständigen
Einschub auf.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,934,206 offenbart eine Brennerdüse zum Einspritzen
von Synthesegas-Reaktionsmaterialien, welche eine Hitzeabschirmung aus
einem Hochtemperaturmaterial umfasst.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,277,936 offenbart einen Deckschichtüberzug vom
MCrAlY-Typ, der
für die
Verhütung
des oxidativen Abbaus von Gasturbinenmotoren- Oberflächen, wie Turbinenabschnitts-Schaufeln
und -Flügeln,
in einer extremen Hitzeumgebung nützlich ist.
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Ein
kürzlich
entdecktes Problem bei den vorstehend erwähnten Abschirmungeinrichtungen
ist, dass in dem Fall, in dem die Abschirmeinrichtung aus einem
Hochtemperaturmetall, wie Molybdän,
konstruiert ist, die Abschirmeinrichtung abnormal hohen Geschwindigkeiten
des oxidativen Zerfalls unterliegt, welcher mit der Zeitspanne verbunden
ist, wenn die Synthesegas-Erzeugungskammer auf Temperatur gebracht
wird. Typisch unterliegt die Brenneranordnung bei Temperaturen von
mehr als 600°C
relativ hohen Sauerstoffkonzentrationen. Dieser oxidative Zerfall
des Metalls kann zu einem Versagen der Abschirmeinrichtung führen, was
ein vorzeitiges Versagen der Brenneranordnung zur Folge hat.
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Demgemäß gibt es
einen Bedarf an einem hitzeabgeschirmten Brenner für die Synthesegas-Erzeugung,
der eine Verbesserung gegenüber
den Mängeln
der Vorrichtungen des Standes der Technik darstellt, eine einfache
Konstruktion aufweist und wirtschaftlich im Betrieb ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Kurz
gesagt, ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Schützen einer
Synthesegasgenerator-Brenner-Hitzeabschirmung. Die Hitzeabschirmung,
die zum Schützen
der Brennerdüse
verwendet wird, wird während
des Anfahrens, bei dem eine oxidierende Hochtemperatur-Umgebung
vorliegt, vorteilhaft selbst geschützt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Hitreabschirmung mit einer Deckschicht-Legierungszusammensetzung beschichtet,
die MCrAlY umfasst, worin M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus Eisen, Nickel und Cobalt, und wobei die Beschichtung 20–40 Gew.-% Co,
5–35 Gew.-%
Cr, 5–10
Gew.-% Ta, 0,8–10 Gew.-%
Al, 0,5–0,8
Gew.-% Y, 1–5
Gew.-% Si und 5–15
Gew.-% Al2O3 einschließt.
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Kurz
gesagt, ist die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber den
früheren
Synthesegasbrennerdüsen-Abschirmeinrichtungen.
Die Brennerdüsenanordnung
weist einen Brennerauslass zum Auslassen des Stroms von fluidem
kohlenstoffhaltigem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Strom
in die Synthesegaserzeugungs-Kammer auf und umfasst eine Kühlkammer,
die den Brennerauslass konzentrisch umgibt. Die Kühlkammer
umfasst eine ringförmige
Wärmeabführeinrichtung
mit einer flachen Endstirnfläche,
die in Richtung der Synthesegas-Erzeugungskammer angeordnet ist.
Die ringförmige
Endstirnfläche
ist allgemein in einer Ebene ausgerichtet, die im Wesentlichen senkrecht
zur Düsenausstoßachse steht.
Kühlwasser
wird von außerhalb
der Verbrennungskammer in direkten Kontakt mit der Rückseite
der Wärmeabführeinrichtungs-Endstirnfläche für eine leitende
Wärmeabfuhr zirkuliert.
Die Düsenanordnung
umfasst eine Hitzeabschirmung mit einer inneren Oberfläche, die
eine Oberfläche
aufweist, welche der ringförmigen
Oberfläche
der Wärmeabführeinrichtung
benachbart ist und vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht. Die Hitzeabschirmung
weist eine äußere Oberfläche auf,
die in Richtung auf die Synthesegas-Erzeugungskammer weist. Um die Hitzeabschirmung
auf eine Weise, welche den innigen Kontakt zwischen der ringförmigen Oberfläche der
Wärmeabführeinrichtung
und der inneren Oberfläche
der Hitzeabschirmung erleichtert, an der Brennerdüsenanordnung
zu befestigen, wird ein Befestigungsmittel mit Gewinde verwendet.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine geschützte Hitzeabschirmung
für eine
für die Synthesegas-Erzeugung
verwendete Brenneranordnung bereitzustellen, die eine einfache Konstruktion aufweist
und im Betrieb wirtschaftlich ist.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Synthesegaserzeugungs-Brennerdüsen-Abschirmung
mit einer größeren Betriebslebensdauer-Erwartung
bereitzustellen.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann in Anbetracht der folgenden Beschreibung und der begleitenden
Zeichnungen ersichtlicher, worin ähnliche Teile ähnliche
Bezugszeichen haben. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Konzept
nicht als auf die hierin offenbarten Konstruktionen, sondern stattdessen
durch den Bereich der beigefügten
Ansprüche
beschränkt
angesehen werden sollte.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht einer Synthesegaserzeugungs-Verbrennungskammer
und eines Brenners derselben.
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2 ist
ein Detail der Verbrennungskammer-Gasdynamik an der Brennerdüsen-Stirnfläche.
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3 ist
eine Schnittansicht der Brennerdüse
von 1, die mit einer Hitzeabschirmung ausgestattet
ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Hitzeabschirmung eine schützende Beschichtung, welche
die Verbrennungskammeroberfläche
der Hitzeabschirmung bedeckt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist
eine partiell weggeschnittene Ansicht eines Synthesegas-Erzeugungsgefäßes 10 veranschaulicht.
Das Gefäß 10 umfasst
ein Strukturgehäuse 12 und
eine innere hitzebeständige
Auskleidung 14 um eine eingeschlossene Verbrennungskammer 16 herum.
Ein Brennerbefestigungshals 18 zum Tragen einer länglichen
Brennstoff-Einspritzbrenneranordnung 20 innerhalb des Reaktorgefäßes ragt
von der Gehäusewand
nach außen
hervor. Die Brenneranordnung 20 ist so ausgerichtet und
angeordnet, dass die Stirnfläche 22 des
Brenners im Wesentlichen bündig
mit der inneren Oberfläche
der hitzebeständigen
Auskleidung 40 ist. Ein Brenner-Befestigungsflansch 24 befestigt die
Brenneranordnung 20 an einem Befestigungshalsflansch 19 des
Gefäßes 10,
um zu verhindern, dass die Brenneranordnung 20 während des
Betriebs ausgestoßen
wird.
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Obwohl
man nicht durch irgendeine Theorie gebunden sein will, nimmt man
an, dass die 1 und 2 teilweise
das innere Gaszirkulationsmuster innerhalb der Verbrennungskammer
darstellen. Gasstromrichtungs-Pfeile 26 sind durch die
hohe Temperatur und die Verbrennungsbedingungen innerhalb der Verbrennungskammer 16 angetrieben. Abhängig vom
Brennstoff und der induzierten Reaktionsgeschwindigkeit können Temperaturen
entlang eines Reaktionskerns 28 so viel wie 2500°C erreichen.
Wenn sich das Reaktionsgas in Richtung des Endes der Synthesegas-Erzeugungskammer 16 hin abkühlt, wird
das meiste des Gases in eine Abschreckkammer gezogen, die derjenigen
des Synthesegas-Verfahrens ähnlich
ist, das im U.S. Patent Nr. 2,809,104 beschrieben wird. Jedoch breitet
sich ein kleinerer Prozentsatz des Gases radial vom Kern 28 aus,
um sich an den Reaktionskammer-Einschlusswänden abzukühlen. Die Zirkulations-Gasschicht
wird nach oben zum oberen Zentrum der Reaktionskammer gedrängt, wo
sie in den turbulenten Abwärtsstrom
der Verbrennungssäule
gezogen wird. Mit Bezug auf das Modell des Standes der Technik von 2 wird
am Zusammenfluss des Zirkulationsgases mit dem Hochgeschwindigkeitskern 28 ein ringförmiger Wirbelstrom 29 erzeugt,
der turbulent die Brennerkopf-Stirnfläche 22 umspült, wodurch
die Gelegenheit für
eine chemische Reaktion zwischen dem Brennerkopf-Stirnflächenmaterial und den hoch reaktiven
korrodierenden Verbindungen, die in dem Verbrennungsprodukt-Zirkulationsstrom
getragen werden, erhöht
wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 3 umfasst
eine Einspritzdüsenanordnung 30 drei
konzentrische Düsenschalen
und eine äußere Kühlwasserummantelung 60.
Die innere Düsenschale 32 stößt aus einer
axialen Bohrungsöffnung 33 das
Oxidationsmittelgas aus, das entlang einer oberen Anordnungsachsen-Leitung 42 zugeführt wird.
Eine mittlere Düsenschale 34 führt die
Kohlenaufschlämmung,
die dem oberen Anordnungsstutzen 44 zugeführt wird, in
die Verbrennungskammer 16. Diese Kohlenaufschlämmung wird
als fluidisierter Festkörper
aus dem ringförmigen
Raum 36 ausgestoßen, welcher
durch die innere Schalenwand 32 und die mittlere Schalenwand 34 gebildet
wird. Die äußere Oxidationsmittelgas-Düsenschale 46 umgibt
den äußeren Düsenausstoßring 48.
Der obere Anordnungsstutzen 45 versorgt den äußeren Düsenausstoßring mit
einem zusätzlichen
oxidierenden Gasstrom.
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Zentrierende
Finnen 50 und 52 erstrecken sich seitlich von
der äußeren Oberfläche der
inneren und mittleren Düsenschalenwand 32 bzw. 34,
um ihre jeweiligen Schalen koaxial relativ zu der Längsachse der
Brenneranordnung 20 zentriert zu halten. Man versteht,
dass die Bauweise der Finnen 50 und 52 unterbrochene
Bänder
um die innere und mittlere Schale herum bilden und dem Fluidstrom
innerhalb der jeweiligen ringförmigen
Räume einen
geringen Widerstand bieten.
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Wie
in größerer Einzelheit
im U.S. Patent Nr. 4,502,633 beschrieben, sind die innere Düsenschale 32 und
die mittlere Düsenschale 34 beide
relativ zu der äußeren Düsenschale 46 für den Zweck
der Stromkapazitätsänderung
axial anpassbar. Wenn die mittlere Düse 34 axial von der
konisch verlaufenden inneren Oberfläche der äußeren Düse 46 versetzt wird,
wird der äußere Ausstoßring 48 vergrößert, was einen
größeren Sauerstoffgasstrom
ermöglicht. Ähnlich wird,
wenn die äußere konisch
zulaufende Oberfläche
der inneren Düse 32 axial
in Richtung der inneren konischen Oberfläche der mittleren Düse 34 gezogen
wird, die Kohlenaufschlämmungs-Ausstoßfläche 36 verringert.
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Eine
Kühlfluid-Ummantelung 60 mit
einem ringförmigen
Endabschluss 62 umgibt die äußere Düsenschale 46. Eine
Kühlfluid-Leitung 64 führt ein Kühlmittel,
wie Wasser, aus dem oberen Anordnungs-Zufuhrstutzen 54 direkt
der inneren Oberfläche
der Endabschlussplatte 62 zu. Strömungskanalisierende Ablenkplatten 66 steuern
den Weg des Kühlmittelstroms
um die äußere Düsenschale
herum, um eine im Wesentlichen gleichförmige Wärmeabfuhr sicherzustellen und
zu verhindern, dass das Kühlmittel
Kanäle
bildet und lokale heiße
Orte erzeugt. Der Endabschluss 62 umfasst eine Düsenlippe 70,
welche eine Austrittsöffnung
oder Ausstoßöffnung für das Einspeisen
von Reaktionsmaterialien in die Einspritzbrenneranordnung 20 begrenzt.
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Speziell
mit Bezug auf 3 umfasst das ebene Ende der
Kühlummantelung 62 eine
ringförmige
Oberfläche 72,
die auf die Verbrennungskammer 16 weisend angeordnet ist.
Typisch ist die ringförmige
Oberfläche 72 der
Kühlummantelung
aus Metalllegierungsmaterialen auf Cobalt-Basis zusammensetzt. Ein
Problem mit diesem Material ist, dass, wenn Kohle mit einem hohen
Schwefelgehalt verwendet wird, die in der geschlossenen Verbrennungskammer
umgesetzt wird, schwefelhaltige Verbindungen erzeugt werden. Innerhalb
der Reaktionskammer 16 neigen diese Schwefel-Verbindungen
dazu, mit den Metalllegierungsmaterialien auf Cobalt-Basis zu reagieren,
was eine Korrosion verursacht. Es wird eine verschleißende Korrosion
aufrechterhalten, die letzten Endes in einem Versagen der Brenneranordnung 20 endet.
Obwohl Cobalt das bevorzugte Baumaterial der Düsenanordnung 30 ist, können andere
Legierungen mit einem Hochtemperatur-Schmelzpunkt, wie Molybdän oder Tantal, ebenfalls
verwendet werden.
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Ein
Befestigungsmittel 74 ist vorgesehen, um die Hitzeabschirmung 76 an
der Brennerdüsen-Einspritzanordnung 30 vorzugsweise
an der ringförmigen
Fläche 72 zu
befestigen. Das Befestigungsmittel 74 kann eine Mehrzahl
von Verfahren und Einrichtungen umfassen, die vorteilhaft die Hitzeabschirmung 76 vorzugsweise
in innigem Kontakt mit der ringförmigen
Oberfläche 72 der
Kühlummantelung
halten. Beispielsweise kann das Befestigungsmittel einen Vorsprung
mit Gewinde umfassen, der einstückig
mit der ringförmigen
Oberfläche 72 ausgebildet
ist, oder es kann ein getrenntes Element sein, das an der ringförmigen Oberfläche 72 befestigt
ist. Der Vorsprung 74 kann an der ringförmigen Oberfläche 72 unter
Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren, wie Schweißen, Anschrauben, Hartlöten und
dergleichen, an der ringförmigen
Oberfläche 72 befestigt
sein. Der Vorsprung 74 mit Gewinde, der sich von der ringförmigen Oberfläche 72 erstreckt,
kann ein zusammenhängendes
Element, wie ein Ring, oder bevorzugt eine Mehrzahl von beabstandeten
einzelnen Elementen sein, die eine zylindrische oder sichelförmige Form
aufweisen. Derartige Befestigungsmittel sind in größeren Einzelheiten
in der uns ebenfalls gehörenden
Patentanmeldung beschrieben, die am gleichen Datum wie die vorliegende
eingereicht wurde.
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Alternativ
kann das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von äußeren Nasenelementen umfassen, die
so angepasst sind, dass sie zusammenarbeitend ausgerichtete Kanäle in der
Hitzeabschirmung aufnehmen. Ein derartiger Aufbau ist im U.S. Patent
Nr. 5,947,716 beschrieben.
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Eine
andere Ausführungsform
des Befestigungsmittels ist ein Bajonettkanal, der radial vom äußeren Umfang
der Hitzeabschirmung durch ein Buchsenpaar gebohrt ist. Eine entsprechende
Zahl von Befestigungsnasen ist an der Endstirnfläche der Wasserummantelung befestigt.
Jede Nase umfasst eine Öffnung,
die axial mit jeweiligen Bajonettkanälen ausgerichtet ist. Um die
Hitzeabschirmung an der Wasserummantelung zu befestigen, werden
Bajonettdrähte
durch die radialen Kanäle
eingeführt,
um die Hitzeabschirmung an mehreren Anbringungspunkten mit der Wasseerummantelung
stehend französisch
zu verriegeln. Ein derartiger Aufbau ist im U.S. Patent Nr. 5,954,491
beschrieben.
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Die
Hitzeabschirmung 76 ist aus einem Material mit einem Hochtemperatur-Schmelzpunkt, wie Siliciumnitrit,
Siliciumcarbid, Keramiken auf Zirconiumdioxid-Basis, Molybdän, Wolfram oder Tantal, gebildet.
Repräsentative
Markenmaterialien schließen das
Zirconia TZP-Produkt und Zirconia ZDY-Produkt der Coors Corp, Golden,
CO, ein. Charakteristisch sollten diese Hochtemperaturmaterialien
Temperaturen bis zu 1400°C
standhalten, einen hohen Ausdehnungskoeffizienten einschließen und
in einer hoch reduzierenden/sulfidierenden Hochtemperaturumgebung
im Wesentlichen inert verbleiben. Vorzugsweise schließt die Hitzeabschirmung
Molybdän
ein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Hitzeabschirmung 76 eine korrosionsbeständige Hochtemperaturbeschichtung 78.
Die Beschichtung 78 wird auf eine Dicke von 0,002 bis 0,020
Inch (0,05 mm bis 0,508 mm) und bevorzugt 0,005 bis 0,015 Inch (0,127
bis 0,381 mm) auf die Oberfläche
der Hitzeabschirmung 76 aufgetragen, die zur Verbrennungskammer
hin weist. Um die Auftragung der Beschichtung 78 auf der
Hitzeabschirmung 76 zu unterstützen, kann ein Abschnitt der
Hitzeabschirmung in der Nachbarschaft der Düsenlippe 70 einen
geringen Radius von 0,001 Inch bis 0,50 Inch (0,0254 mm bis 12,7
mm) aufweisen.
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Die
Beschichtung 78 ist eine Legierung mit der allgemeinen
Formel MCrAlY, worin M aus Eisen, Nickel oder Cobalt ausgewählt ist,
die 20–40
Gew.-% Co, 5–35
Gew.-% Cr, 5–10
Gew.-% Ta, 0,8–10 Gew.-%
Al, 0,5–0,8
Gew.-% Y, 1–5
Gew.-% Si und 5–15
Gew.-% Al2O3 einschließt. Eine
derartige Beschichtung ist von Praxair erhältlich.
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Die
Beschichtung kann unter Verwendung verschiedener, dem Fachmann auf
dem Gebiet der Pulverbeschichtung bekannter Verfahren auf die Oberfläche der
Hitzeabschirmung aufgetragen werden. Beispielsweise kann die Beschichtung
als feines Pulver durch ein Plasmasprühverfahren aufgetragen werden.
Das spezielle Verfahren zur Auftragung des Beschichtungsmaterials
ist nicht besonders kritisch, solange eine dichte, gleichförmige, kontinuierliche, haftende
Beschichtung erzielt wird. Andere Beschichtungsabscheidungstechniken,
wie Sputtern oder Elektronenstrahl, können ebenfalls verwendet werden.