DE69910681T2

DE69910681T2 - Brenner mit verbesserter Einspritzdüse und Herstellungsverfahren für diese Einspritzdüse

Info

Publication number: DE69910681T2
Application number: DE69910681T
Authority: DE
Inventors: Pierre Bodelin; Patrick Recourt; Annie Meyer; Jean-Paul Guedra
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2019-06-12
Also published as: EP0965792A1; US6193173B1; EP0965792B1; FR2779806A1; JP2000035206A; BR9902706A; FR2779806B1; DE69910681D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Beispiel für einen Ofen in der Glasindustrie mit einer Einspritzdüse, deren Endbereich beim Betrieb des Brenners erhöhten Temperaturen ausgesetzt zu werden.
Die Brenner umfassen im allgemeinen eine in einer Wand einer Brennkammer installierte Einspritzdüse, die dazu bestimmt ist ein Oxidationsmittel und/oder einen Brennstoff in diese einzuspritzen, um eine Verbrennung in Gang zu bringen oder zu unterhalten. Die Einspritzdüse ist beim Betrieb des Brenners folglich starken Temperaturgradienten ausgesetzt, da das in die Brennkammer mündende Ende der Einspritzdüse der in der Brennkammer herrschenden Temperatur unterworfen ist, das heißt mehr als 1000°C, während sein anderes Ende auf der Zuleitungsseite sich auf einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur befindet.
Um einen guten Betrieb des Brenners sowie denjenigen der Brennkammer sicherzustellen, muss eine derartige Einspritzdüse regelmäßig inspiziert und gegebenenfalls gereinigt oder ersetzt werden.
Es versteht sich somit, dass diese Einspritzdüsen periodisch starken Wärmeschocks und gelegentlich mechanischen Stößen bei ihrer Handhabung unterliegen.
Es sind Einspritzdüsen bekannt, die aus nicht oxidierbaren, so genannten "hitzebeständigen" Stählen hergestellt, die Verwendungsgrenztemperatur von 1200°C besitzen und einen hohen Nickelprozentsatz enthalten, siehe beispielsweise das Dokument EP 646751 .
Obwohl diese Einspritzdüsen auf zufriedenstellende Weise zugleich Wärmeschocks und mechanischen Stößen widerstehen, werden sie häufig chemisch angegriffen und dies ändert ihre mechanischen Eigenschaften und erfordert ihre Ersetzung.
Zudem hat sich herausgestellt, dass in diesen Stählen vorhandener Nickel ein Katalysator für die Verkokungsreaktion an der Einspritzdüse ist, das heißt dem Wachstum fester Strukturen, die aus Graphitkohlenstoff bestehen und am Ende der Einspritzdüse ihren Ausgang nehmen. Die Bildung dieser Graphitauswüchse führt häufig zu Abweichungen der Brennstoffstrahlen oder der Oxidationsmittelstrahlen und folglich zu Abweichungen der Flamme, die dabei auf die Mündung aufprallen und sie schmelzen können.
Die Erfindung zielt darauf diese verschiedenen Nachteil zu überwinden, indem ein Brenner mit einer Einspritzdüse vorgeschlagen wird, der eine gute Wärmebeständigkeit und mechanische Beständigkeit aufweist, während gleichzeitig eine Verkokung des Endes der Einspritzdüse verhütet wird.
Gegenstand der Erfindung ist hierzu ein Brenner mit einer Einspritzdüse, deren Endbereich beim Betrieb des Brenners auf höhere Temperaturen gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich aus einer Legierung hergestellt ist, die zwischen ungefähr 16 und 22 Gewichtsprozent Cr, zwischen ungefähr 3 und 6 Gewichtsprozent Al, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Ti, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Y₂O₃ und zwischen ungefähr 70 und 80 Gewichtsprozent Fe umfasst, und dass der Endbereich einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur größer als 800°C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre unterzogen wurde.
Der erfindungsgemäße Brenner kann zudem eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– die Legierung umfasst ungefähr 19 Gewichtsprozent Cr, 5,5 Gewichtsprozent Al, 0,5% Gewichtsprozent, 0,5 Gewichtsprozent Y₂O₃ und 74,5 Gewichtsprozent Fe,
– die Länge des Endbereichs in der Injektionsrichtung der Einspritzdüse entspricht dem Teil der Einspritzdüse, der beim Betrieb des Brenners auf eine Temperatur größer als 700°C gebracht werden kann,
– die Länge des Endbereichs liegt zwischen ungefähr 30 und 200 mm,
– der Endbereich wird von einem Stück gebildet, das durch Verschraubung mit der Einspritzdüse zusammengefügt wird,
– die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur nahe 1000°C ausgeführt und die Atmosphäre enthält zumindest 21 Molprozent Sauerstoff.

Gegendstand der Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Einspritzdüse für einen Brenner, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

– zumindest ein Endbereich der Einspritzdüse, der beim Betrieb des Brenners auf höhere Temperaturen gebracht werden kann, wird aus einer Legierung hergestellt, die zwischen ungefähr 16 und 22 Gewichtsprozent Cr, zwischen ungefähr 3 und 6 Gewichtsprozent Al, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Ti, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Y₂O₃ und zwischen ungefähr 70 und 80 Gewichtsprozent Fe umfasst, und
– der Endbereich wird einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur größer als 800°C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre unterzogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zudem das folgende Merkmal aufweisen, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur nahe 1000°C ausgeführt wird und dass die Atmosphäre zumindest 21 Molprozent Sauerstoff enthält.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, nur Beispiele schildernden und keine Einschränkung darstellenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung, die schematisch einen teilweisen Schnitt eines erfindungsgemäßen Brenners wiedergibt.
1 gibt einen erfindungsgemäßen Brenner 1 wieder. Dieser Brenner 1 umfasst zwei Leitungen 3 und 7 zur Gaszufuhr in einen Verbrennungsbereich 9. Diese zwei Leitungen 3 und 7 sind konzentrisch um eine Achse X-X des Brenners 1 angeordnet.
Die Leitung 3 ist an ihrem Gaseintrittsende 11 mit einem Durchflussregelorgan 13 für einen Brennstoff wie beispielsweise Erdgas verbunden.
Die periphere, ringförmige Leitung 7 umfasst einen Eingang 19 für einen Sauerstoffträger. Diese Leitung 7 wird von einem Durchflussregelorgan 21 für einen Sauerstoffträger wie beispielsweise Sauerstoff versorgt.
Wie in der Figur zu sehen ist, wird der Brenner 1 in einen Durchgang 23, der in der Glasindustrie Mündung genannt wird, eines Block 25 aus einem hochtemperturbeständigens Material eingeführt, der in der Wand eines nicht dargestellten Ofens installiert ist. Der Durchgang 23 des Blocks 25 mündet in einen sich erweiternden Durchgang 27, der sich in Richtung des Verbrennungsbereichs 9 öffnet.
Wie in der Figur zu sehen ist, werden die Austrittsenden des Brenners 1 einerseits von dem Durchgang 23 gebildet, der in dem Block 25 ausgebildet ist, und andererseits durch eine Einspritzdüse 31, die zum Beispiel durch ein mittiges Rohr gebildet wird.
Der Endbereich 33 des Brenners 31, der beim Betrieb des Brenners 1 auf höhere Temperaturen über 700°C gebracht werden kann, wird aus einer Legierung hergestellt ist, die zwischen ungefähr 16 und 22 Gewichtsprozent Cr, zwischen ungefähr 3 und 6 Gewichtsprozent Al, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Ti, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Y₂O₃ und zwischen ungefähr 60 und 80 Gewichtsprozent Fe umfasst.
Diese Legierung besteht vorzugsweise aus 19% Cr, 5,5 Gewichtsprozent Al, 0,5% Gewichtsprozent, 0,5 Gewichtsprozent Y₂O₃ und 74,5 Gewichtsprozent Fe.
Diese Legierung ist ein gesintertes Metallprodukt, das eine erhöhte Verwendungsgrenztemperatur nahe 1350°C besitzt.
Da diese Legierung zudem kein Nickel enthält, besteht kein Risiko, dass eine Verkokungsreaktion in dem Endbereich 33 der Einspritzdüse 31 erfolgt.
Diese Legierung kann zudem den Vorteil aufweisen, eine Aluminiumschutzschicht an der Oberfläche auszubilden, wenn sie erhöhten Temperaturen größer als 800°C ausgesetzt ist, welche die Risiken der Aufkohlung des Metalls vermindert. Man beachte, dass diese Aluminiumschutzschicht durch stark reduzierende Umgebungsbedingungen nicht verändert wird. Diese oberflächliche Aluminiumschicht ist schließlich die absolute Oxidationsgrenze dieser Legierung, die sobald sie einmal oxidiert ist, unempfindlich gegen jeden Oxidationsangriff wird.
Diese Aluminiumschutzschicht kann sich entweder spontan während der ersten Betriebsstunden des Brenners oder insbesondere unter Bedingungen bilden, bei denen der Endbereich 33 einer Temperatur unter 800°C und/oder eine sauerstoffarmen Atmosphäre ausgesetzt ist durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur größer als 800°C, vorzugsweise einer Temperatur nahe 1000°C, und in einer sauerstoffreichen Atmosphäre, das heißt einer Atmosphäre, die zumindest 21 – Molprozent Sauerstoff enthält, unterzogen wurde.
Die Länge des aus der oben genannten Legierung hergestellten Endbereichs ist in der Einspritzrichtung der Einspritzdüse 31 vorteilhafterweise auf eine Länge L begrenzt, die dem Teil der Einspritzdüse entspricht, der beim Betrieb des Brenners 1 wahrscheinlich auf eine Temperatur größer als 700°C gebracht wird. Die Länge L dieses Endbereichs 33 liegt vorzugsweise zwischen 30 und 200 mm.
Um die Kosten des Brenners 1 zu reduzieren, wird der Endbereich 33 aus einem zylindrischen Teil gebildet, der zum Beispiel durch Verschraubung mit dem Rest der Einspritzdüse 31 zusammengefügt wird, deren Teile, die geringeren Temperatur ausgesetzt sind, zum Beispiel aus einem Hochtemperaturstahl oder aus hochtemperaturbeständigem Inox hergestellt sind. Falls indessen ein Zusammenbau durch Schweißen notwendig ist, wird eine Laser- oder Elektronenstrahlschweißung empfohlen, die es gestatten, die Risiken eines Bruchs der Schweißnaht zu vermindern.
Die Einspritzdüse weist somit eine erhöhte mechanische und thermische Widerstandsfähigkeit auf, während das Risiko der Bildung von Auswüchsen durch Verkokung vermieden wird, wodurch es möglich wird, die Wartungsintervalle des Benners 3 auszudehnen und die Betriebskosten einer mit einem erfindungsgemäßen Brenner ausgestatten Verbrennungsanlage zu reduzieren.
Die 2 stellt eine Ausführungsvariante der 1 dar, die die Art und Weise zur Ermittlung der minimalen Länge L des Endbereichs erläutert. Die mittige Einspritzdüse 123 für Brennstoff oder Oxidationsmittel (Luft, angereicherte Luft oder Sauerstoff) besteht aus einer im Wesentlichen zylindrischen Leitung 100 mit Innendurchmesser r (er kann auch eine mehr oder weniger elliptische Form aufweisen) und Außendurchmesser R (im Wesentlichen, aber nicht notwendigerweise zylindrisch) die bei 104 endet (Flammenseite); die Vorderseite 110 der Leitung 100 befindet sich in einem Abstand X von der Vorderseite 112 der Mündung 102. Die Temperatur auf Höhe der Seite 110 liegt nahe 1200°C (bei einer Flammentemperatur in der Größenordnung von 2800°C), wobei die Temperatur an der Verbindung 120 des Endbereichs 121 des Körpers 122 der Einspritzdüse (vorzugsweise) kleiner oder gleich etwa 700°C ist.
Um die Einspritzdüse 123 fließt in dem Raum 101 Brennstoff (oder ein Sauerstoffträger, je nach dem, ob der Sauerstoffträger oder der Brennstoff in die Einspritzdüse 123 eingespritzt wird), wobei das Fließen dieses Gases eine Temperatur in der Größenordnung von 20°C zwischen der Brennermündung und der Einspritzdüse (in diesem Kanal 101) aufrechterhält.
Nach zahlreichen Experimenten hat die Anmelderin nachgewiesen, dass falls der Abstand L zwischen der Fontseite 110 der Einspritzdüse 123 und der Verbindung 120 zwischen dem Einspritzdüsenkörper 122 und dem Endbereich 121 größer oder gleich L_mini bleibt, mit:
dass dann bei allen entsprechenden Konfigurationen an der Verbindung 120 des Endbereichs 121 und des Einspritzdüsenkörpers 122 eine Temperatur kleiner oder gleich ungefähr 700°C erhalten wird.
Der oben beschriebene Brenner ist natürlich nur ein Ausführungsbeispiel zur Veranschaulichung und Erläuterung der Erfindung.
So können Brenner vorgesehen werden, die Einspritzdüsen von unterschiedlicher Struktur aufweisen, wobei unter "Einspritzdüse" nicht nur ein mittiges Einspritzohr, sondern jedes Element des Brenners verstanden wird, dass dazu bestimmt ist, ein Fluid, ein Oxidationsmittel oder einen Brennstoff, in den Verbrennungsbereich des Ofens einzuführen.
Es ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass allein der oder die Endbereiche der Einspritzdüse des Brenners auf erhöhte erste Nabe gebracht werden können, insbesondere auf höher als 700°C, das heißt insbesondere die Oberflächenschichten müssen mit der Legierung hergestellt werden, deren Zusammensetzung oben ausführlich beschrieben wurde, um eine Verkokungsreaktion zu verhindern.

Claims

Brenner mit einer Einspritzdüse (31, 123), die aus einem Endbereich (33, 121) und einem Einspritzkörper (122) besteht, wobei der Endbereich (33, 121) beim Betrieb des Brenners auf höhere Temperaturen gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (33, 121) aus einer Legierung hergestellt ist, die zwischen ungefähr 16 und 22 Gewichtsprozent Cr, zwischen ungefähr 3 und 6 Gewichtsprozent Al, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Ti, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Y₂O₃ und zwischen ungefähr 70 und 80 Gewichtsprozent Fe umfasst, und dass der Endbereich (33) einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur größer als 800°C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre unterzogen wurde.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ungefähr 19 Gewichtsprozent Cr, 5,5 Gewichtsprozent Al, 0,5 Gewichtsprozent Ti, 0,5 Gewichtsprozent Y₂O₃ und 74,5 Gewichtsprozent Fe enthält.
Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Endbereichs (33) in der Einspritzrichtung der Einspritzdüse (31) dem Teil der Einspritzdüse (31) entspricht, der beim Betrieb des Brenners auf eine Temperatur größer als 700°C gebracht werden kann.
Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Endbereichs (33) zwischen ungefähr 30 und 200 mm beträgt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (33) von einem Stück gebildet wird, das durch Verschraubung mit der Einspritzdüse (31) zusammengefügt wird.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur nahe 1000°C ausgeführt wird und dass die Atmosphäre zumindest 21 Molprozent Sauerstoff enthält.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich von einer Aluminiumschicht bedeckt ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen der Frontseite des Endbereichs (33, 121) und der Verbindung (120) zwischen dem Endbereich (33, 121) und dem Einspritzdüsenkörper (122) größer oder gleich einem Wert L_MINI ist mit
wobei D der Durchmesser der Brennermündung an ihrem Ende ist, R der Außendurchmesser der Einspritzdüse ist, r der Innendurchmesser der Einspritzdüse ist, X der Abstand zwischen der Frontseite der Einspritzdüse und dem Ende der Brennermündung ist.
Verfahren zur Herstellung einer Einspritzdüse (31) für einen Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: – dass zumindest ein Endbereich (33) der Einspritzdüse, der beim Betrieb des Brenners auf höhere Temperaturen gebracht werden kann, aus einer Legierung hergestellt wird, die zwischen ungefähr 16 und 22 Gewichtsprozent Cr, zwischen ungefähr 3 und 6 Gewichtsprozent Al, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Ti, zwischen ungefähr 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent Y₂O₃ und zwischen ungefähr 70 und 80 Gewichtsprozent Fe umfasst, und – dass der Endbereich (33) einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur größer als 800°C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur nahe 1000°C ausgeführt wird und dass die Atmosphäre zumindest 21 Molprozent Sauerstoff enthält.