EP1736706A2 - Vorrichtung zum Einleiten von Stoffen in einen Reaktionsraum - Google Patents

Vorrichtung zum Einleiten von Stoffen in einen Reaktionsraum Download PDF

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EP1736706A2 EP06011412A EP06011412A EP1736706A2 EP 1736706 A2 EP1736706 A2 EP 1736706A2 EP 06011412 A EP06011412 A EP 06011412A EP 06011412 A EP06011412 A EP 06011412A EP 1736706 A2 EP1736706 A2 EP 1736706A2
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    • F23D2900/00018—Means for protecting parts of the burner, e.g. ceramic lining outside of the flame tube

Definitions

  • the invention relates to a device for mixing and / or introduction of gases and / or liquids in a hot reaction space, which consists of at least a metal tube, the reaction chamber side end is open and which is connected to a device via which the starting materials of the device can be fed ,
  • Such a device is, for example, a burner for firing a combustion chamber, which has a burner head which consists of at least one outer metal tube and an inner tube arranged concentrically therewith.
  • the inner tube is used for.
  • a fuel gas is passed as the supply of an oxidizing agent, while in the annular gap formed by the two tubes. If air is used as the oxidizing agent, this usually ensures adequate cooling of the burner head.
  • the end of the outer metal tube is often provided with a cooling channel, which is supplied via an externally welded cooling water coil with cooling water.
  • Water-cooled burners have the disadvantage that high temperature gradients between the inside and outside of the water-cooled zone can cause strong temperature stresses in the material, as a result of which cracking and leakage can occur.
  • temperature zones develop in which, in conjunction with a reducing reaction space atmosphere in typical high-temperature steels, a "metal dusting" called corrosion occurs, so that removal and thus destruction of the burner material takes place.
  • metal dusting called corrosion occurs, so that removal and thus destruction of the burner material takes place.
  • Object of the present invention is therefore to provide a device of the type mentioned in such a way that it can be used even at high reaction chamber temperatures, if it is not equipped with a water cooling.
  • This object is achieved in that the outer surface of the metal tube is surrounded by a layer of heat-insulating refractory material which extends from the reaction chamber side end of the metal tube along the tube axis, and that the metal tube at its reaction chamber end end has a wall thickness between 0.1 and 3mm is.
  • the heat insulating refractory material is mounted so as to surround the metal tube over its entire length.
  • the thickness of the heat-insulating layer is dimensioned so that damage to the metal tube at the expected reaction space temperatures is reliably avoided.
  • the heat-insulating refractory material is a casting or ramming mass or a composite of heat-resistant fibers.
  • the refractory material also has a sufficiently high mechanical and chemical stability in order to be resistant under the conditions prevailing in the operating conditions (gas vibrations, aggressive atmosphere in the reaction chamber).
  • the refractory thermal insulation does not protrude beyond the metal tube. This ensures that even then defined flow conditions prevail at the reaction chamber end of the metal tube, if parts of the refractory thermal insulation dissolve during operation and defects occur.
  • its reaction chamber-side end is designed with a small wall thickness, which is smaller by a factor> 10 than the actual wall thickness of the metal tube. Conveniently, the pipe wall thickness increases continuously upstream, whereby a faster removal of heat absorbed at the pipe end is achieved and overheating of the pipe end is avoided.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention provides that at least the metal tube is made of a material which provides sufficient protection against the corrosion form called "metal dusting".
  • at least the metal tube is made of an oxide-dispersion-strengthened alloy, a so-called ODS material.
  • the device according to the invention are starting materials whose temperatures are between 100 and 700 ° C, preferably between 200 and 600 ° C and the pressures between 1 and 100bara, preferably between 10 and 30bara, can be introduced into a reaction space, in which temperatures up to 2000 ° C prevail.
  • the feedstocks are, for example, hydrocarbons and / or air or / and oxygen-enriched air and / or technically pure oxygen and / or water vapor and / or hydrogen and / or carbon dioxide and / or carbon monoxide.
  • the invention is suitable for introducing liquid and gaseous hydrocarbons and preferably hydrocarbons, which consist of more than 80 vol% of methane, together with an oxidizing agent in a reaction space and burn.
  • the oxidizing agent which is air or oxygen-enriched air or technically pure oxygen, is supplied in such an amount that the combustion proceeds with an air ratio of between 0.5 and 1.5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mischung und/oder Einleitung von Gasen und/oder Flüssigkeiten in einen heißen Reaktionsraum, welche zumindest aus einem Metallrohr besteht und nicht mit einer Wasserkühlung ausgestattet ist. Damit die Vorrichtung auch bei hohen Reaktionsraumtemperaturen einsetzbar ist, ist das Metallrohr mit einer Wärmeisolierung aus Feuerfestmaterial umgeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mischung und/oder Einleitung von Gasen und/oder Flüssigkeiten in einen heißen Reaktionsraum, welche zumindest aus einem Metallrohr besteht, dessen reaktionsraumseitiges Ende offen ist und das mit einer Einrichtung verbunden ist, über die die Einsatzstoffe der Vorrichtung zuführbar sind.
  • Bei einer derartigen Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Brenner zur Befeuerung einer Brennkammer, die einen Brennerkopf besitzt, der zumindest aus einem äußeren Metallrohr und einem konzentrisch zu diesem angeordneten inneren Rohr besteht. Das innere Rohr dient z. B. der Zuführung eines Oxidationsmittels, während in dem von den beiden Rohren gebildeten Ringspalt ein Brenngas geführt wird. Wird als Oxidationsmittel Luft verwendet, sorgt diese üblicherweise für eine ausreichende Kühlung des Brennerkopfes. Sofern jedoch technisch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zu Verbrennung eingesetzt wird oder wenn die Gase vorgewärmt in den Brennerkopf eingeleitet werden, ist das Ende des äußeren Metallrohres häufig mit einem Kühlkanal versehen, der über eine außen angeschweißte Kühlwasserwendel mit Kühlwasser versorgt wird.
  • Wassergekühlte Brenner weisen den Nachteil auf, dass durch hohe Temperaturgradienten zwischen Innen- und Außenseite der wassergekühlten Zone starke Temperaturspannungen im Material auftreten können, deren Folge Rissbildung und Leckagen sein können. Außerdem bilden sich Temperaturzonen aus, in denen in Verbindung mit einer reduzierenden Reaktionsraumatmosphäre bei typischen Hochtemperaturstählen eine "Metal Dusting" genannte Korrosionsform auftritt, sodass ein Abtrag und somit eine Zerstörung des Brennermaterials erfolgt. Darüber hinaus kommt es an den gekühlten Brennkopfteilen und ggf. auch an der Kühlwasserwendel zur Bildung von Ruß.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sie auch dann bei hohen Reaktionsraumtemperaturen einsetzbar ist, wenn sie nicht mit einer Wasserkühlung ausgestattet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Außenfläche des Metallrohres mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Feuerfestmaterial umgeben ist, welche sich vom reaktionsraumseitigen Endes des Metallrohres entlang der Rohrachse erstreckt, und dass das Metallrohr an seinem reaktionsraumseitigen Endes eine Wandstärke aufweist, die zwischen 0,1 und 3mm liegt.
  • Vorzugsweise ist das wärmeisolierende Feuerfestmaterial so angebracht, dass es das Metallrohr auf dessen ganzer Länge umgibt. Die Dicke der wärmeisolierenden Schicht ist so bemessen, dass eine Schädigung des Metallrohres bei den zu erwartenden Reaktionsraumtemperaturen sicher vermieden wird.
  • Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem wärmeisolierenden Feuerfestmaterial um eine Gieß- oder Stampfmasse oder um einen Verbund aus hitzebeständigen Fasern. Neben einer guten wärmeisolierenden Wirkung weist das Feuerfestmaterial auch eine ausreichend hohe mechanische und chemische Stabilität auf, um unter den im Betrieb herrschenden Bedingungen (Gasschwingungen, aggressive Atmosphäre im Reaktionsraum) beständig zu sein.
  • Dem Erfindungsgedanken gemäß überragt die feuerfeste Wärmeisolierung das Metallrohr nicht. Dadurch ist gewährleistet, dass auch dann definierte Strömungsverhältnisse am reaktionsraumseitigen Ende des Metallrohres herrschen, wenn sich während des Betriebs Teile der feuerfesten Wärmeisolierung lösen und Fehlstellen entstehen. Um die der Wärmestrahlung direkt ausgesetzte Fläche des Metallrohres klein zu halten, wird sein reaktionsraumseitiges Ende mit einer geringen Wandstärke ausgeführt, die um einen Faktor > 10 kleiner ist als die eigentliche Wandstärke des Metallrohres ist. Zweckmäßiger Weise nimmt die Rohrwandstärke stromaufwärts kontinuierlich zu, wodurch ein schneller Abtransport der am Rohrende absorbierten Wärme erreicht und eine Überhitzung des Rohrendes vermieden wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, das zumindest das Metallrohr aus einem Material besteht, das einen ausreichenden Schutz gegen die als "Metal Dusting" bezeichnete Korrosionsform bietet. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zumindest das Metallrohr aus einer oxiddispersionsverfestigte Legierung, einem sog. ODS-Werkstoff, gefertigt.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Einsatzstoffe, deren Temperaturen zwischen 100 und 700°C, bevorzugt zwischen 200 und 600°C liegen und die Drücke zwischen 1 und 100bara, bevorzugt zwischen 10 und 30bara aufweisen, in einen Reaktionsraum einbringbar, in welchem Temperaturen bis zu 2000°C herrschen. Bei den Einsatzstoffen handelt es sich beispielsweise um Kohlenwasserstoffe oder/und Luft oder/und mit Sauerstoff angereicherte Luft oder/und technisch reinen Sauerstoff oder/und Wasserdampf oder/und Wasserstoff oder/und Kohlendioxid oder/und Kohlenmonoxid. Insbesondere eignet sich die Erfindung dazu, flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe und bevorzugt Kohlenwasserstoffe, die zu mehr als 80Vol% aus Methan bestehen, gemeinsam mit einem Oxidationsmittel in einen Reaktionsraum einzubringen und zu verbrennen. Das Oxidationsmittel, bei dem es sich um Luft oder um mit Sauerstoff angereicherte Luft oder um technisch reinen Sauerstoff handelt, wird hierbei in einer solchen Menge zugeführt, dass die Verbrennung mit einer Luftzahl abläuft, die zwischen 0,5 und 1,5 liegt.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Mischung und/oder Einleitung von Gasen und/oder Flüssigkeiten in einen heißen Reaktionsraum, welche zumindest aus einem Metallrohr besteht, dessen reaktionsraumseitiges Ende offen ist und das mit einer Einrichtung verbunden ist, über die die Einsatzstoffe der Vorrichtung zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Metallrohres mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Feuerfestmaterial umgeben ist, welche sich vom reaktionsraumseitigen Endes des Metallrohres entlang der Rohrachse erstreckt, und dass das Metallrohr an seinem reaktionsraumseitigen Endes eine Wandstärke aufweist, die zwischen 0,1 und 3 mm liegt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Feuerfestmaterial das Metallrohr auf seiner gesamten Länge umgibt.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wärmeisolierenden Feuerfestmaterial um eine Gieß- oder Stampfnasse oder um einen Verbund aus hitzebeständigen Fasern handelt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr aus einem Material bestehen, das einen ausreichenden Schutz gegen die als "Metal Dusting" bezeichnete Korrosionsform bietet.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr aus einer oxiddispersionsverfestigten Legierung (ODS-Werkstoff) bestehen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzstoffe mit Temperaturen in den Reaktionsraum einleitbar sind, die zwischen 100 und 700°C und bevorzugt zwischen 200 und 600°C liegen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Einsatzstoffe Kohlenwasserstoffe oder/und Luft oder/und mit Sauerstoff angereicherte Luft oder/und technisch reinen Sauerstoff oder/und Wasserdampf oder/und Wasserstoff oder/und Kohlendioxid oder/und Kohlenmonoxid in den Reaktionsraum einleitbar sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu mehr als 80Vol% aus Methan bestehender Einsatzstoff in den Reaktionsraum einleitbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Einsatzstoff ein Oxidationsmittel den Reaktionsraum einleitbar ist, bei dem es sich um Luft oder um mit Sauerstoff angereicherte Luft oder um technisch reinen Sauerstoff handelt.
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