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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine verbesserte Einspeis-Injektordüse oder
einen Verbrenner für
die Verwendung in einer Kohlevergasungsvorrichtung für die Erzeugung
von Synthesegas. Der Einspeis-Injektor ist mit einem zu einem Gewinde
ausgebildeten Hitzeschild ausgestattet, um die Korrosion der Einspeis-Injektor-Fläche zu verhindern,
und schließt
eine Barriere ein, die mit der Fläche des Einspeis-Injektors
eine Einheit bildet, welche die Diffusion von korrosiven Spezies
zu dem gewindeförmigen
Befestigungsring des Hitzeschilds verhindert. Diese Barriere verlängert die
Lebensdauer des Hitzeschilds durch Blockieren des Durchlasses von
korrosiven Spezies, welche das Versagen des Rings verursachen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Synthesegasmischungen,
die im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfassen, sind
kommerziell als eine Quelle von Wasserstoff für Hydrierungsreaktionen und
als eine Quelle von Betriebsgas für die Synthese von Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen
organischen Verbindungen und Ammoniak von Bedeutung. Ein Verfahren
zur Erzeugung von Synthesegas ist die Vergasung von Kohle, welches
die teilweise Verbrennung dieses schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs
mit sauerstoffangereicherter Luft beinhaltet. In dem Vergaser vom Verschlackungs-Typ
werden eine Kohle-Wasser-Aufschlämmung
und Sauerstoff als Brennstoff verwendet. Diese zwei Ströme werden
in den Vergaser über einen
Einspeis-Injektor, manchmal als Brenner bezeichnet, eingespeist,
welcher in den oberen Teil der mit einer feuerfesten Auskleidung
versehenen Reaktionskammer eingeführt ist. Der Einspeis-Injektor
verwendet zwei Sauerstoff- und einen Schlammkohlesstrom, alle konzentrisch,
die in die Reaktionskammer über
einen wassergekühlten
Kopf eingespeist werden. Die Reaktionskammer wird bei viel höherem Druck
als der Injektor-Wassermantel betrieben.
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In
diesem Verfahren werden die Reaktionskomponenten unter signifikantem
Druck, wie etwa 80 Bar, in die Synthesegas-Verbrennungskammer gesprüht. Ein
heißer
Gasstrom wird in der Verbrennungskammer bei einer Temperatur im
Bereich von etwa 700°C
bis etwa 2500°C
und bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bis etwa 300 Atmosphären, und insbesondere
etwa 10 bis etwa 100 Atmosphären
erzeugt. Der Rohgas-Abflussstrom
von dem Gasgenerator schließt
typischerweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ein und
kann weiterhin Methan, Schwefelwasserstoff und Stickstoff einschließen, und
zwar je nach der Brennstoffquelle und den Reaktionsbedingungen.
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Diese
teilweise Verbrennung von schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen
mit Sauerstoff angereicherter Luft bringt Probleme mit sich, die normalerweise
nicht im Fachbereich der Brenner auftreten. Es ist zum Beispiel
erforderlich, ein sehr schnelles und vollständiges Mischen der Reaktanten zu
bewirken, sowie spezielle Vorkehrungen zum Schutz des Brenners oder
Mischers vor Überhitzung zu
treffen. Aufgrund der Tendenz, dass Sauerstoff- und Schwefelverunreinigungen
in Kohle mit dem Metall reagieren, aus welchem ein geeigneter Brenner gefertigt
werden kann, ist es notwendig, zu verhindern, dass die Brennerelemente
Temperaturen erreichen, bei welchen eine rasche Oxidation und Korrosion
erfolgt. Es ist daher von wesentlicher Bedeutung, dass die Reaktion
zwischen dem Kohlenwasserstoff und Sauerstoff vollständig außerhalb
des Brenners selbst erfolgt und dass die lokale Konzentrierung von
brennbaren Mischungen auf den oder nahe der Oberflächen der
Brennerelemente verhindert wird.
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Obgleich
die Reaktion jenseits des Abführungspunktes
aus dem Brenner erfolgt, unterliegen die Brennerelemente einer Strahlungserwärmung von
der Verbrennungszone und durch die turbulente Rückführung der Brenngase. Aus diesen
und anderen Gründen
unterliegen die Brenner einem Versagen infolge von Metallkorrosion
um die Brennerspitzen herum, obwohl diese Elemente wassergekühlt werden
und obgleich die Reaktanten vorvermischt und aus dem Brenner mit
Strömungsraten
ausgestoßen
werden, die höher
sind als die Rate der Flammenausbreitung. Typischerweise entwickeln
sich nach einer kurzen Betriebsdauer Risse infolge von Korrosionsermüdung in
dem Teil des Mantels, welcher der Reaktionskammer gegenüberliegt.
Schließlich
dringen diese Risse in den Mantel ein, wodurch Prozessgas in den
Kühlwasserstrom
entwei chen kann. Wenn es zu einem Leck bzw. Entweichen kommt, muss
der Vergaserbetrieb abgebrochen werden, um den Einspeis-Injektor
zu ersetzen.
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Es
wurden in der Vergangenheit mit unterschiedlichen Erfolgen Versuche
unternommen, dieses Problem auf ein Minimum zu beschränken. Zum Beispiel
offenbart das US-Pat.
Nr. 5 273 212 einen mit einzelnen Keramikkacheln oder Plättchen ausgekleideten
Brenner, die nebeneinanderliegend angeordnet sind und so den Brenner
in der Art eines Mosaiks bedecken.
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Die
US-Patente Nr. 5 934 206 und 6 152 052 beschreiben mehrfache Abschirmungssegmente,
die an der Stirnfläche
des Einspeis-Injektors durch Hartlöten angebracht sind. Diese
Abschirmungssegmente sind typischerweise Keramikkacheln, gleichwohl können andere
Materialien mit hohem Schmelzpunkt ebenfalls verwendet werden. Jede
dieser Kacheln bildet ein ringförmiges
Segment eines Kachelrings um die Düse, wobei die Kacheln an den
radialen Verbindungspunkten überlappt
sind unter Bildung von abgestuften, eine Schäftverbindung bildenden Überlappungen.
Die einzelnen Kacheln sind an der Kühlmantel-Stirnfläche durch
eine Hochtemperatur-Hartlötverbindung
angebracht.
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Das
US-Pat. Nr. 5 954 491 beschreibt eine mit Draht gesicherte Abschirmfläche für eine Brennerdüse. In diesem
Patent wird ein aus einem einzigen Teil bestehendes Keramik-Hitzeschild an dem
Einspeis-Injektor angebracht, indem Hochtemperatur-Legierungsdrähte durch
den Schild und eine Reihe von ineinandergreifenden Laschen geführt werden.
Das Schild wird somit mechanisch über der Wassermantel-Stirnfläche der
Injektordüse
befestigt und wird als ein integraler Ring oder Kreisring um die Düsenöffnung herum
gebildet.
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Das
US-Pat. Nr. 5 947 716 beschreibt eine Verschlussteil-Hitzeschildfläche für eine Brennerdüse. Das
Hitzeschild besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring, von denen jeder
einen vollen Kreisring um die Düsenachse
bildet unter Abschirmung nur eines radialen Teils der gesamten Wassermantelfläche. Der
innere Ring ist mechanisch an der metallischen Düsenstruktur befestigt durch
Ineinandergreifen mit Lappen bzw. Ansätzen, die von der äußeren Kegeloberfläche der
Düsenlippe
hervorragen. Der In nenumfang des inneren Rings ist mit einem Kanal
mit einer Reihe von Einschnitten entsprechend der Anzahl der vorgesehenen
Ansätze
ausgebildet, um das jeweils äußere Ansatzelement
aufzunehmen. Im montierten Zustand ist der innere Ring gegen Drehung
durch einen Punktschweiß-Metallstab,
der auf die Düsen-Kühlmantelfläche innerhalb
einer Kerbung in dem Außenumfang
des inneren Rings aufgebracht ist, gesichert.
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Der
Außenumfang
des inneren Rings wird mit einem stufenartigen vorspringenden Absatz
oder einem Lappen von etwa der halben Gesamtdicke des Rings gebildet,
der einen entsprechenden Stufenabsatz auf dem Innenumfang des äußeren Rings überlappt.
Der äußere Ring
ist auch an der Wassermantelfläche
durch einen Satz von äußeren (Halte-)Laschenelementen
gesichert, die von dem Außenumfang
der Wassermantelfläche
hervorragen. Eine Manschettenklammer um den Umfang des äußeren Rings
sieht einen strukturellen Kanal zur Aufnahme des äußeren Satzes
von Wassermantel-Laschen
vor. Der äußere Hitzeschildring
wird auch durch einen durch Heftschweißen befestigten Stab oder Stange festgehalten.
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Das
US-Pat. Nr. 5 941 459 beschreibt eine Brennstoff-Injektordüse mit einem
ringförmigen
feuerfesten Einsatzstück,
das mit der Düse
am stromabwärts
gelegenen Ende in der Nähe
des Düsenauslasses
ineinandergreift. Eine im stromabwärts gelegenen Ende der Brennstoff-Injektordüse ausgebildete Aussparung
nimmt das ringförmige
feuerfeste Einsatzstück
auf.
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Das
US-Pat. Nr. 6 010 330 beschreibt eine Brennerdüse mit einer lippenförmigen Ausstülpung, eine
Modifikation der Gestalt der Brennerfläche, welche den Strom von Prozessgas
in der Nähe
der Fläche
verändert.
Diese Modifikation führt
zu einer verbesserten Einspeis-Injektor-Lebensdauer. Ein reibungsloser Übergang
des rezirkulierten Gasstroms über
die Düsenfläche in die
Abführsäule für reaktives Material
soll eine statische oder Laminarstrom-Grenzfläche von gekühltem Gas unterstützen, das
die Düsenfläche isoliert
in gewissem Maße
vor der ausstrahlenden Wärme
der Verbrennungsreaktion schützt.
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Das
US-Pat. Nr. 6 284 324 beschreibt eine Beschichtung, die auf die
zuvor beschriebenen Abschirmungen aufgebracht werden kann, um dadurch die
Korrosion bei hoher Temperatur des Abschirmmaterials zu verringern.
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Das
US-Pat. Nr. 6 358 041 beschreibt ein gewindeförmiges Hitzeschild für eine Brennerdüsenfläche. Das
Hitzeschild ist an dem Einspeis-Injektor mittels eines Gewindeansatzes
angebracht, welcher in eine gewindeförmige Vertiefung, die an der
Rückseite
des Schilds maschinell ausgebildet wurde, eingreift. Der Gewindeansatz
kann ein durchgängiges Teil
oder eine Vielzahl von getrennten, einzelnen Teilen sein, die mit
mindestens einer gekrümmten
Oberfläche
versehen sind. Diese Gewindemethode der Befestigung hat sich als
ein zuverlässiger
Weg erwiesen, um das Hitzeschild an dem Einspeis-Injektor zu befestigen.
Es sorgt für
eine größere Festigkeit
und ist leichter anzufertigen als andere Abschirmanbauteile. Dies
trifft besonders zu, wenn die Abschirmung aus einem Metall besteht,
das leicht mechanisch bearbeitet werden kann.
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Obwohl
das eben beschriebene Hitzeschild ein großer Fortschritt in dem Fachbereich
ist, wodurch längere
Betriebszeiten ermöglicht
werden, ist die Betriebsdauer dennoch durch die Korrosion begrenzt,
die im Zentrum der Abschirmung auftritt. Betriebserfahrungen unter
Anwendung der Gewinde-Anbauteil-Methode haben gezeigt, dass eine
lokale Zone von hoher Sauerstoffaktivität eine Korrosion der Molybdän-Abschirmung
verursacht. Diese lokale Zone einer hohen Sauerstoffaktivität wird durch die
Gasströmungsdynamik
des Sauerstoffstroms bewirkt, wenn dieser den Einspeis-Injektor
verlässt. Eine
Fläche
von niedrigem Druck existiert direkt außerhalb der Lippe auf der Fläche des
Injektors. Diese Niederdruckzone saugt Sauerstoff an, was eine Korrosion
der Molybdän-Abschirmung
verursacht.
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Während Molybdän eine extrem
gute Beständigkeit
gegenüber
Korrosion durch reduzierende Gase besitzt, ist es gegenüber einer
Hochtemperatur-Oxidation nicht so beständig. In dem Maße, wie die
Abschirmung korrodiert, geht der Schutz, den diese der Fläche des
Injektors verleiht, allmählich
verloren, was die Lebensdauer des Injektors verkürzt. Wenn es dazu kommt, resultiert
daraus eine Korrosion sowohl der Rückseite der Abschirmung als
auch der Stirnfläche
des Injektors. Diese Korrosion ist an der Basis des Gewindebefestigungsrings,
der von der Oberfläche
des Injektors herausragt, be sonders stark. In einigen Fällen führte die
Korrosion sogar dazu, dass der Gewindering versagte und die Abschirmung
sich loslöste.
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Obwohl
die Hinzufügung
einer der Oberfläche
des Einspeis-Injektors aufbeschichteten Molybdän-Abschirmung die maximale
Laufdauer des Einspeis-Injektors verdoppelte, ist die Laufdauer
immer noch durch die Oxidation der Abschirmung beschränkt, die
in der Nähe
des Zentrums der Abschirmung auftritt, was zu Korrosion und Rissbildung
der Injektorfläche
führt.
Wenn sich der Zustand der Abschirmung weiter verschlechtert, sammelt
sich mehr korrosives Material zwischen der Abschirmung und der Injektorfläche an.
Dies verursacht ein Versagen des Befestigungsrings und schließlich dem
Verlust der Abschirmung.
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Es
bleibt die Notwendigkeit, ein Hitzeschild und einen Brenner für die Synthesegaserzeugung vorzusehen,
die eine Verbesserung gegenüber
den Mängeln
des Stands der Technik bezüglich
der Betriebslebensdauererwartung bedeuten, das einfach gebaut ist
und im Betrieb wirtschaftlich ist.
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Es
ist daher ein Ziel der Erfindung, die Betriebslebensdauererwartung
der eben beschriebenen Gaserzeugungs-Brennerdüse zu verlängern.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Gaserzeugungs-Brennerdüse für die Synthesegaserzeugung
mit einer verminderten Korrosionsrate.
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Ein
weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines Brennerdüsen-Hitzeschilds
zum Schutz der metallischen Elemente der Düse vor den Wirkungen der durch
Verbrennungsgase verursachten Korrosion.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Keramik-Einsatzstücks, das
im Besonderen gegenüber
den Wirkungen von Sauerstoff bei der Entfernung des Molybdän aus der
oxidierenden Zone beständig
ist.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, dadurch die Gewinde, welche
die Abschirmung am Injektor befestigen, vor den Wirkungen der durch
Verbrennungsgase verursachten Korrosion zu schützen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
und andere Ziele der Erfindung werden durch die vorliegende Erfindung
erreicht, welche eine Düse
mit einem zu einem Gewinde ausgebildeten Hitzeschild betrifft und
das eine zwischen einer lippenförmigen
Ausstülpung
der Düse
und dem Gewindering, an welchem die Abschirmung festgemacht ist,
positionierte Barriere aufweist. Die Barriere ist ein Damm oder
ein Vorsprung, der ein integraler Teil der Einspeis-Injektorfläche ist,
der an dem Hitzeschild an der Basis eines angepassten Rilleneinschnitts
in die rückseitige
Fläche
der Abschirmung eingepasst ist. Die Barriere verhindert, dass Prozessgas
den Gewindering erreicht, wodurch die Lebensdauer des Hitzeschilds
und der Düse
verlängert
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 ist
eine Schnittteildarstellung einer Synthesegaserzeugungs-Verbrennungskammer
und eines Brenners;
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Die 2 ist
ein Detail der Verbrennungskammergasdynamik auf der Brennerdüsenoberfläche;
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Die 3 ist
eine Schnittteildarstellung einer Synthesegas-Brennerdüse, die
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist;
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die 3A ist
eine vergrößerte, auseinandergezogene
Querschnittsansicht eines Teils von 3 entlang
der Achse 3A; und
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die 3B ist
ein Duplikat der vergrößerten, auseinandergezogenen
Querschnittsansicht von 3A zur
deutlichen Kennzeichnung weiterer Merkmale gemäß der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezug
nehmend auf die 1 ist eine Schnittteilperspektive
eines Synthesegas-Erzeugungsbehälters 10 veranschaulicht.
Der Behälter 10 schließt eine
strukturelle Hülle 12 und
eine innere feuerfeste Auskleidung 14 um eine eingeschlossene Verbrennungskammer 16 ein.
Aus der Hüllenwand ragt
ein Brenner-Montierhals 18 heraus, welcher eine längliche
Brennstoffeinspritz-Brenneranordnung 20 innerhalb des Reaktorbehälters trägt. Die
Brenneranordnung 20 ist so ausgerichtet und angeordnet,
dass die Fläche 22 des
Brenners in etwa mit der inneren Oberfläche der feuerfesten Auskleidung 14 eben
ist. Eine Brenner-Montierflansch 24 sichert die Brenneranordnung 20 an
einer Montierhalsflansch 19 des Behälters 10, um zu verhindern,
dass die Brenneranordnung 20 während des Betriebs herausgeschleudert
wird.
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Ohne
an eine Theorie gebunden sein zu wollen, nimmt man an, dass die 1 und 2 einen Teil
des internen Gaszirkulationsmusters innerhalb der Verbrennungskammer
repräsentieren.
Der als Pfeile 26 dargestellte Gasstrom wird durch die
Hochtemperatur- und Verbrennungsbedingungen innerhalb der Verbrennungskammer 16 angetrieben.
Je nach dem Brennstoff und der induzierten Reaktionsrate können die
Temperaturen entlang des Reaktorkerns 28 bis 2500°C erreichen.
Wenn das Reaktionsgas zum Ende der Synthesegas-Erzeugungskammer 16 hin
abkühlt,
wird der größte Teil
des Gases in eine Quench- bzw. Abkühlkammer ähnlich derjenigen des in dem
US-Pat. Nr. 2 809 104 beschriebenen Synthesegasverfahrens abgezogen.
Allerdings breitet sich ein kleinerer Prozentsatz des Gases radial
vom Kern 28 aus und kühlt
die die Reaktionskammer umschließenden Wände. Die Umlaufgasschicht wird
nach oben zur oberen Mitte der Reaktionskammer hin gedrückt, wo
sie in den turbulenten Fallstrom der Verbrennungssäule angesaugt
wird. Bezüglich
des in 2 dargestellten Modells soll am Zusammenfluss des
Umlaufgases mit dem Hochgeschwindigkeits-Kern 28 ein Ringwirbelstrom 27 erzeugt
werden, welcher die Brennerkopffläche 22 durch Turbulenzen
reinigt, wodurch die Möglichkeit
der chemischen Reaktivität
zwischen dem Brennerkopf-Oberflächenmaterial
und den hochreaktiven korrosiven Verbindungen, die in dem Verbrennungsprodukt-Umlaufstrom
transportiert werden, erhöht
wird.
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Bezug
nehmend auf die 1 und 3, schließt die Brenneranordnung 20 eine
Injektordüsenanordnung 30 ein,
welche drei konzentrische Düsenhüllen und
einen äuße ren Kühlwassermantel 60 umfasst.
Die innere Düsenhülle 32 führt das
Oxidationsmittelgas ab, das entlang der Leitung 42 der
oberen Anordnungsachse von der axialen Bohrlochöffnung 33 geliefert
wird. Die Zwischendüsenhülle 34 leitet
die zu dem Port 44 der oberen Anordnung transportierte
Schlammkohle in die Verbrennungskammer 16. Als fluidifizierter
Feststoff wird diese Schlammkohle von dem durch die innere Düsenhüllenwand 32 und
die Zwischendüsenhüllenwand 34 definierten
ringförmigen
Hohlraum 36 extrudiert. Die äußere Oxidationsmittelgas-Düsenhülle 46 umgibt den äußeren Düsenaustrittsring 48.
Der Port 45 der oberen Anordnung beliefert den äußeren Düsenaustrittsring 48 mit
einem zusätzlichen
Strom von oxidierendem Gas.
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Die
zentral angeordneten Rippen 50 und 52 erstrecken
sich lateral von der Außenfläche der
inneren und dazwischenliegenden Düsenhüllenwände 32 bzw. 34,
um deren jeweilige Hüllen
koaxial zentriert zu halten in Bezug auf die Längsachse der Brenneranordnung 20.
Die Struktur der Rippen 50 und 52 bildet nicht
durchgängige
Bereiche um die innere und dazwischenliegende Hülle, womit dem Fluidstrom innerhalb
der jeweiligen ringförmigen
Hohlräume
wenig Widerstand geboten wird.
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Wie
ausführlicher
in dem US-Pat. Nr. 4 502 633 beschrieben wird, sind die innere Düsenhülle 32 und
die dazwischen liegende Düsenhülle 34 beide axial
in Bezug auf die äußere Düsenhülle 46 zum Zweck
der Variierung der Strömungskapazität einstellbar.
Da die Zwischendüse 34 axial
von der konisch zulaufenden inneren Oberfläche der äußeren Düse 46 entfernt liegt,
ist der äußere Austrittsring 48 erweitert,
um einen größeren Sauerstoffgasstrom
zu ermöglichen.
Desgleichen wird in dem Maße,
wie sich die äußere, kegelförmig zulaufende
Oberfläche der
inneren Düse 32 axial
in Richtung der innen konischen Oberfläche der Zwischendüse 34 hinzieht,
der Schlammkohle-Austrittsbereich
reduziert.
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Die äußere Düsenhülle 46 umgibt
ein Kühlmittelfluidmantel 60 mit
einem ringförmigen
Endverschluss 62. Eine Kühlmittelfluidleitung 64 liefert
ein Kühlmittel,
wie Wasser, über
den Zufuhrport 54 der oberen Anordnung direkt an die innere
Oberfläche der
Endverschlussplatte 62. Strömungskanalisierungsleitwände 66 steuern
den Strömungsweg
der Kühlmittelströmung um
die äußere Düsenhülle, um eine
im Wesentlichen gleichmäße Wärmeextraktion sicherzustellen
und um zu verhindern, dass das Kühlmittel
kanalisiert und lokale Überhitzungszonen
erzeugt werden. Der Endverschluss 62 schließt eine Düsenlippe 70,
wie die in dem US-Pat. Nr. 6 010 330 beschriebene, ein, welche allgemein
eine Auslassöffnung
oder Abzugsöffnung
für das
Einspeisen von Reaktionsmaterialien in die Einspritzbrenneranordnung 20 definiert.
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Bezug
nehmend auf die 3, 3A und 3B schließt das planare
Ende des Kühlmantels 60 eine
ringförmige
Oberfläche
ein, welche die Injektorfläche 72 bildet,
die gegenüber
liegend der Verbrennungskammer 16 angeordnet ist. Typischerweise
ist die ringförmige
Oberfläche 72,
welche die Injektorfläche 72 des
Kühlmantels 62 bildet,
aus einem Kobaltbasismetall-Legierungsmaterial, wie der Legierung
188, aufgebaut, die für
die Verwendung bei erhöhten
Temperaturen sowohl in oxidierenden als auch in sulfidisierenden
Umgebungen bestimmt ist. Die Legierung 188 schließt Chrom,
Lanthan und Silizium, die zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
vorgesehen sind; und Wolfram zur Verbesserung der Festigkeit bei
erhöhten
Temperaturen ein. Andere Kobaltbasislegierungen, wie die Legierung 25 oder die
Legierung 556, könnten
ebenfalls vorteilhafter Weise verwendet werden. Ein Problem mit
diesem Materialtyp ist, dass, wenn Kohle mit hohem Schwefelgehalt
verwendet wird, die Schwefelverbindungen, die in der Kohle vorhanden
sind, dazu neigen, mit den Kobaltbasismetall-Legierungsmaterialien
zu reagieren, was zu Korrosion führt.
Eine selbstverzehrende Korrosion wird aufrechterhalten, welche letztendlich
mit dem Versagen der Brenneranordnung 20 endet. Obwohl
Kobalt allgemein das bevorzugte Material für die Konstruktion der Düsenanordnung 30 ist, können auch
andere Legierungen mit hohem Schmelzpunkt, wie Legierungen von Molybdän oder Tantal,
verwendet werden.
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Aus
der ringförmigen
Oberfläche 72 ragt
ein Gewindeansatz 74 zum Anbringen eines Hitzeschilds 76 an
der Brennerdüsen-Injektoranordnung 30 hervor.
Das Hitzeschild 76 kann aus einem oder mehreren Hochtemperatur-Materialien
aufgebaut sein, einschließlich
Keramiken, Cermete und feuerfesten Metallen, wie Molybdän, Tantal
oder Niob, die für
die Verwendung in einer reduzierenden Vergasungsumgebung geeignet
sind. Das Hitzeschild 76 ist typischerweise aus Molybdän zusammensetzt.
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Der
Gewindeansatz 74 kann ein integraler Bestandteil der Injektorfläche 72 sein;
d. h. der Gewindeansatz kann aus einem festen Metallstück maschinell
hergestellt werden, welches die die Injektorfläche 72 bildende ringförmige Oberfläche umfasst. Alternativ
können
die Halteeinrichtungen ein an der Injektorfläche 72 festgemachtes
eigenes Bauteil sein, in welchem Fall der Ansatz 74 an
der Injektorfläche 72 unter
Anwendung von bei Fachleuten auf dem Gebiet bekannten Verfahren
befestigt werden kann, wie durch Schweißen, Anschrauben, Hartlöten und
dergleichen. Der von der Injektorfläche 72 sich erstreckende
Gewindeansatz 74 kann ein durchgängiges Bauteil, wie ein Ring,
oder eine Vielzahl von voneinander getrennten, einzelnen Bauteilen
sein, von denen jedes zylindrisch oder sichelförmig sein kann. Der Gewindeansatz 74 schließt eine
innere Oberfläche 78 und
eine äußere Oberfläche 80 ein, von
denen eine oder beide gewindeförmig
sein können.
Die 3B stellt die Gewinde 82 dar, die auf
der äußeren Oberfläche 80 des
Gewindeansatzes 74 vorgesehen sind. Ein Ringkanal 88 ist
in der oberen Oberfläche 84 des
Hitzeschilds 76 vorgesehen. Der Ringkanal 88 ist
auf mindestens einer aus einer inneren Oberfläche 90 und einer äußeren Oberfläche 92 des
Ringkanals 88 gewindeförmig
und ist so ausgelegt, um den Gewindeansatz 74 aufzunehmen.
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Ebenfalls
ragt von der die Injektorfläche 72 bildenden
ringförmigen
Oberfläche
und an der Innenseite des Gewindeansatzes 74 bezüglich der
axialen Bohrlochöffnung 33 eine
ringförmige
Barriere 94 oder ein Damm hervor, der mit der Injektorfläche 72 eine Einheit
bildet. Diese ringförmige
Barriere 94 ist ein ringförmiger Ansatz, der auf der
Fläche
des Injektors 72 zwischen dem konischen Ansatz, welcher
die Innendurchmesseröffnung
bildet, und dem Gewindeansatz 74, an welchem die Abschirmung
befestigt ist, vorgesehen ist. Die ringförmige Barriere 94 wird
von einer Ringnut 95 aufgenommen, welche in der oberen
Oberfläche 84 des
Hitzeschilds vorgesehen ist. Zumindest ein Teil 97, oder
vielleicht eine Fläche
der ringförmigen
Barriere 94 ist mit dem Boden der Nut 95 in Kontakt,
die in die obere Oberfläche 84 des
Hitzeschilds 76 zur Aufnahme des Ansatzes geschnitten ist.
Der Zweck dieser ringförmiger
Ansatz/Nut-Anordnung ist die Schaffung einer Barriere für den Durchgang
von korrosiver Spezies, womit sie als eine labyrinthförmige Versiegelung
dient, um dadurch die Korrosion und das Versagen des Gewindeanbaustücks der
Abschirmung zu verhindern.
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An
der Innenseite der Barriere 94 bezüglich der axialen Bohrlochöffnung 33 ist
ein ringförmiges oder
konisches, oxidationsbeständiges
Einsatzstück 96 vorgesehen.
Dieses oxidationsbeständige
Einsatzstück 96 ist
Gegenstand einer gleichzeitig anhängigen Pa tentanmeldung, die
dem vorliegenden Rechtsnachfolger zugeteilt wurde und am gleichen Datum
wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde. Das oxidationsbeständige Einsatzstück 96 is so
positioniert, um den Teil des Hitzeschilds funktionell zu ersetzen,
der am wahrscheinlichsten durch Korrosion verloren geht. Das oxidationsbeständige Einsatzstück 96 ist
von der Abschirmung getrennt, von konischer Gestalt und wird durch
das Hitzeschild 76 an seiner Position gehalten. Das Einsatzstück wird
typischerweise aus einer oxidationsbeständigen Keramik gefertigt, die
maschinell bearbeitbar ist.
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Das
oxidationsbeständige
Einsatzstück 96 wird
durch Vergrößern des
Durchmessers des Mittenlochs der Abschirmung untergebracht durch
Entfernen eines konisch geformten Teils der Abschirmung. Das oxidationsbeständige Einsatzstück 96 ist typischerweise
eine Keramik und wird positioniert, indem es über die Düsenlippe 70 auf der
Fläche
des Einspeis-Injektors 72 gelegt wird, die typischerweise aus
einer Legierung 188 aufgebaut ist. Das Hitzeschild 76 wird
dann auf der Injektorfläche 72 in
der üblichen
Weise festgeschraubt, um dadurch das Einsatzstück an seiner Position zu halten.
Das Design sieht einen kleinen Zwischenraum zwischen dem Einsatzstück 96,
der ringförmigen
Oberfläche
der Injektorfläche 72 und
dem Hitzeschild 76 vor, um eine Rissbildung der spröden Keramik
zu vermeiden. Bei einem Zusammenbau in dieser Weise besetzt das Einsatzstück die Oxidationszone,
und das Hitzeschild 76, das typischerweise Molybdän umfasst, wird
hauptsächlich
an reduzierende Bedingungen ausgesetzt, um dadurch eine Korrosion
der Abschirmung und der Injektorfläche 72, die von dem
Einsatzstück
bedeckt wird, zu vermeiden.
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Das
Hitzeschild 76 wird aus einem Material mit hohem Schmelztemperaturpunkt,
wie Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Zirkoniumoxid, Molybdän, Wolfram
oder Tantal, gebildet. Repräsentative
Markenmaterialien schließen
die Zirkoniumoxid TZP- und Zirkoniumoxid ZDY-Produkte der Coors
Corp. of Golden, Colorado, ein. Charakteristischerweise halten diese
Hochtemperatur-Materialien Temperaturen bis etwa 1400°C aus, schließen einen
hohen Ausdehnungskoeffizienten ein und bleiben im Wesentlichen innerhalb
einer Hochtemperatur-, hoch reduzierenden/sulfidisierenden Umgebung
inert. Vorzugsweise enthält
das Hitzeschild Molybdän.
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Das
Hitzeschild 76 kann einen korrosionsbeständigen Hochtemperatur-Überzug 98 einschließen, wie
den in dem US-Pat. Nr. 6 284 324 beschriebenen. Der Überzug 98 wird
auf die untere Oberfläche 86 des
Hitzeschilds 76, das der Verbrennungskammer gegenüberliegt,
in einer Dicke von etwa 0,002 bis etwa 0,020 Inch (0,05 mm bis etwa
0,508 mm), und insbesondere von etwa 0,005 bis etwa 0,015 Inch (0,127
bis etwa 0,381 mm) aufgebracht. Um die Aufbringung des Überzugs 98 auf
das Hitzeschild 76 zu unterstützen, kann ein Teil des Hitzeschilds
in der Nähe
der Düsenlippe 70 einen
kleinen Radius von etwa 0,001 Inch bis etwa 0,50 Inch (0,0254 mm
bis etwa 12,7 mm) aufweisen.
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Der Überzug 98 is
eine Legierung der allgemeinen Formel MCrAlY, worin M gewählt ist
aus Eisen, Nickel oder Kobalt. Die Beschichtungszusammensetzung
kann etwa 5–40
Gew.-% Cr, 0,8–35 Gew.-%
Al, bis zu etwa 1 Gew.-% des Seltenerdelements Yttrium und 15–25 Gew.-%
Co einschließen, wobei
der Rest Ni, Si, Ta, Hf, Pt, Rh und Mischungen davon als einen Legierungsbestandteil
enthält.
Eine bevorzugte Legierung schließt etwa 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 ein.
Ein solcher Überzug
ist von Praxair und anderen verfügbar.
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Der Überzug 98 kann
auf die untere Oberfläche 86 des
Hitzeschilds 76 mit Hilfe verschiedener, bei Fachleuten
auf dem Fachgebiet der Pulverbeschichtung bekannten Verfahren aufgebracht
werden. Zum Beispiel kann der Überzug
als ein feines Pulver durch ein Plasmasprühverfahren aufgebracht werden.
Das spezielle Verfahren zur Aufbringung des Beschichtungsmaterials
ist nicht besonders kritisch, solange eine dichte, gleichmäßige, durchgängige haftende
Beschichtung erreicht wird. Andere Beschichtungsabscheidetechniken,
wie durch Sputtern oder Elektronenstrahlen, können ebenfalls zum Einsatz
kommen.