EP3924667A1 - Brennstoffdüse mit dehnungsschlitzen für einen kohlenstaubbrenner - Google Patents

Brennstoffdüse mit dehnungsschlitzen für einen kohlenstaubbrenner

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Publication number
EP3924667A1
EP3924667A1 EP20706979.0A EP20706979A EP3924667A1 EP 3924667 A1 EP3924667 A1 EP 3924667A1 EP 20706979 A EP20706979 A EP 20706979A EP 3924667 A1 EP3924667 A1 EP 3924667A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
fuel nozzle
mouth
pipe
nozzle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20706979.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Falk HOFFMEISTER
Reiner Hendricks
Stefan Gernand
Sven Mertin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Power Europe GmbH
Original Assignee
Mitsubishi Power Europe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Power Europe GmbH filed Critical Mitsubishi Power Europe GmbH
Publication of EP3924667A1 publication Critical patent/EP3924667A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2201/00—Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/10—Nozzle tips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2211/00—Thermal dilatation prevention or compensation

Definitions

  • the invention is directed to a fuel nozzle for a burner for the combustion of particulate fuel, in particular powdered, carbonaceous fuel such as coal or biomass, with a fuel pipe section to be assigned to a fuel or primary air pipe of the burner and a fuel pipe section which is integrally connected to the fuel pipe section and to form an opening area of the Fuel or primary air tube provided mouth section, wherein the fuel tube section has a fuel tube-side end for connection to the fuel or primary air tube and the mouth section has a mouth-side end.
  • the invention is directed to a method for producing a fuel nozzle for a burner for the combustion of particulate fuel, in particular pulverulent, carbon-containing fuel such as coal or biomass.
  • the invention is directed to a burner for burning particulate fuel, in particular powdered, carbonaceous fuel such as coal or biomass, with a fuel or primary air pipe and a jacket or secondary air pipe coaxially surrounding the fuel or primary air pipe, the fuel or primary air pipe opens into a fuel nozzle and the fuel nozzle has a fuel pipe section assigned to the fuel or primary air pipe and an orifice section connected in one piece to the fuel pipe section and forming an orifice region of the fuel or primary air pipe with an orifice end.
  • particulate fuel in particular powdered, carbonaceous fuel such as coal or biomass
  • DE 10 2005 032 109 B4 discloses a pulverized coal burner with a fuel pipe or primary air pipe conveying the fuel, in particular pulverized coal.
  • the fuel or primary air pipe is coaxially surrounded by a jacket air or secondary air pipe and this in turn by a tertiary air pipe.
  • a core air tube equipped with an ignition lance is arranged centrally within the fuel or primary air tube. The ignition of the fuel in the form of dust takes place in the opening area of the fuel pipe and is carried out here by means of the ignition lance by means of the ignition lance of the volatile constituents emerging from the solid fuel during an initial pyrolysis.
  • the NOx emissions released during combustion can be further reduced through a clear definition of the ignition conditions in the area of the opening of the fuel or primary air pipe in terms of time and location.
  • various flow elements can be provided in the mouth area of the fuel or primary air pipe.
  • a section that widens conically radially outward, a so-called air guiding throat, on the outside of the outlet end of the fuel pipe can provide an ignition process that takes place without influencing the secondary air and not by air fluctuations or turbulence is disturbed.
  • a stabilizing ring arranged on the inside with a radially inwardly protruding toothed ring serves to capture, delay and deflect the fuel in order to cause the fuel particles to ignite, preferably in the area of the toothed ring of the stabilizing ring.
  • the fuel or primary air pipe and the stabilizing ring on the one hand and the fuel or primary air pipe and the air deflecting throat in the mouth area on the other hand are connected to one another by welds, clamped or bolted structures. Precisely because of such welded or jointed connections, however, it can occur in the highly stressed and aggressive media flow through the mouth area of the fuel or primary air pipe to an increased repair and failure susceptibility and consequently to an impaired service life.
  • EP 1 741 977 B1 also proposes that the mouth area of the fuel or primary air pipe be manufactured in one piece as a separate component or fuel nozzle and, on the outside, the shape of a conical, radially outwardly widening jacket air or secondary air deflection cone as well on the inside the shape of a stabilizing ring with a radially inwardly pointing toothed ring.
  • This preferably cast component can then be welded to the end face of a fuel or primary air pipe, for example by means of a circular weld seam, in order to reduce the total number of welded connections in the opening area of the fuel or primary air pipe.
  • a burner of this type with a primary, secondary and tertiary tube arranged concentrically to one another and a fuel nozzle that forms the mouth area of the fuel or primary air tube and is provided in one piece with an outward-pointing air deflection cone and an inward-pointing stabilization ring is also from WO 2017/008937 A1 known.
  • EP 1 724 443 A1 discloses a nozzle ring which is intended to guide the working medium onto the guide vanes of the turbine of the exhaust gas turbocharger.
  • the nozzle ring points essentially an outer ring and an inner ring and a plurality of flow guide vanes arranged between them.
  • the flow guide vanes are connected to the outer ring in such a way that they can elastically deform in the radial direction.
  • a slot guided along the guide vane contour is embedded in the outer ring in order to enable the guide vanes to undergo elastic deformation in the radial direction independently of one another and from the nozzle ring when there is a high thermal load.
  • EP 1 512 489 A1 also relates to a similar task, namely to create a turbine blade that is exposed to particularly low thermal stresses.
  • a similar task namely to create a turbine blade that is exposed to particularly low thermal stresses.
  • thermal stress on the blade material due to high temperatures.
  • relief slots are provided in the blade trailing edge of the gas turbine blade, which extend transversely to the blade trailing edge through the latter.
  • the ignition system usually consists of ignition lances or similar burners with which the ignition flame required for combustion is generated by burning gaseous or liquid auxiliary fuel, such as natural gas or heating oil.
  • gaseous or liquid auxiliary fuel such as natural gas or heating oil.
  • the burner that is initially not in operation (“out of operation") is exposed to different temperatures resulting from the successive stages of the ignition process.
  • the ignition of the auxiliary burner for the combustion of the gaseous or liquid auxiliary fuel is followed by the ignition of the main burner for the combustion of the particulate, in particular powdered, carbon-containing fuel.
  • the combustion is stopped and the burner returns to the "out of service" state.
  • the invention is therefore based on the object of creating a solution that makes it possible to optimize the service life of burners for burning particulate fuel by reducing thermal stresses in the material, in particular in the mouth area of the fuel pipe or in the fuel nozzle.
  • the above object is achieved according to the invention in that the fuel nozzle is arranged along its circumference and extends axially in its longitudinal direction in the direction of the mouth end and in a mouth face of the fuel nozzle and formed in the form of the material wall of the fuel nozzle penetrating and severing incisions in the radial direction to compensate for a thermally induced alternating load on the fuel nozzle.
  • expansion slots are designed as material cutouts that run axially in the direction of the mouth end of the fuel nozzle and along their longitudinal extent completely penetrate and sever the material wall of the fuel nozzle radially from the outside to the inside of the fuel nozzle in the form of narrow elongated incisions or openings and along the circumference of the fuel nozzle in such a way arranged that a compensation space is created for thermal expansion of the material of the fuel nozzle, for example caused by the ignition process of the burner.
  • the fuel pipe section and the mouth section remain longitudinally and connected to one another by means of an annular, cylindrical section of the fuel pipe section, which has no expansion slots and is formed on the side of the fuel or primary air pipe, or via such a section of the fuel pipe section, so that the fuel nozzle as a whole, but also the fuel pipe section are formed in one piece together with the mouth section cut into individual segments.
  • the opening section of the fuel nozzle and consequently the opening area of the fuel or primary air pipe are subdivided into separate individual segments by means of the expansion slots, which are movable independently of one another in the event of temperature-related volume changes in the material of the fuel nozzle.
  • the expansion slots which are movable independently of one another in the event of temperature-related volume changes in the material of the fuel nozzle.
  • thermally induced alternating loads such as occur in particular when operating burners in steam generators, and the associated changes in volume in the fuel nozzle material can be compensated so that material stresses are reduced. This reduces the formation of cracks or even completely prevents crack formation, which in turn increases the durability of the fuel nozzle and thus the service life of the burner.
  • a particularly suitable location for the initial ignition of the burner is the mouth-side end or the mouth section of the fuel nozzle.
  • the ignition conditions external, i.e. radially outward and / or inward, d. H. arranged radially inwardly directed flow elements in the form of an air deflector and / or a stabilizing ring.
  • particularly high temperatures or temperature fluctuations occur precisely at the location of the initial ignition, as a result of which the material of the fuel nozzle is exposed to particularly heavy loads there.
  • the mouth section of the fuel nozzle is designed as an air deflecting groove that widens conically in the direction of the mouth end and is divided into individual air deflection segments due to the expansion slots.
  • the mouth section of the fuel nozzle comprises, at its mouth-side end, a stabilizing ring pointing radially inward, in particular provided with teeth and subdivided into individual stabilization segments by means of the expansion slots, the mouth section and the stabilization segments, in particular provided with teeth, as one-piece Component are formed.
  • the one-piece structure is realized by / via the connection of the stabilizing segments with the unprotected cylindrical tubular section of the fuel tube section on the side of the fuel tube section facing the fuel or primary tube.
  • flow elements arranged on the outside and / or inside on the mouth section of the fuel nozzle are designed as separate, independent and radially outward-pointing air deflection segments and / or a stabilization ring as separate, independent and radially inward-pointing stabilization segments, stresses can be created which occur due to thermal alternating loading to a particular extent in the area of the mouth section of the fuel nozzle, also reduce in the flow elements arranged there. In this way, the formation of cracks within the flow elements, the air deflection segments and / or the stabilization segments that are decisive for defining the ignition location and the ignition conditions, can be reduced and their service life increased.
  • the individual air deflection segments then fulfill the function of the air deflection throat known per se and the individual stabilization segments the function of the stabilization ring known per se, whereby a clear temporal and spatial definition of the ignition conditions in the mouth area is ensured.
  • a radially inwardly pointing stabilizing segment terminates in a plurality of teeth in the form of a toothed ring arch, ie the stabilizing segment is connected on the inside in one piece with the respective stabilizing segment Crown arch limited.
  • the entire fuel nozzle is advantageously designed as a one-piece component, the air deflection segments and the stabilizing segments in the mouth section of the fuel nozzle, which terminate in a respective toothed ring arch, being separated from one another by the expansion slots provided there.
  • the axial length of the expansion slots corresponds to approximately 1/3 to 2/3 of the total axial length of the fuel nozzle.
  • the number of expansion slots is in a range between 4 and 8.
  • a ratio between the axial length of the expansion slots and the total axial length of the fuel nozzle, which lies in a range between 1/3 and 2/3, represents an optimized compromise, especially in combination with a number of expansion slots, which lies in a range between 4 and 8 between the flexibility required to compensate for the alternating thermal load and the overall stability of the fuel nozzle required.
  • the exact number of expansion slots depends on the size of the burner or the circumference of the fuel nozzle.
  • a further advantage of the invention consists in an embodiment according to which the expansion slots extend into the region of the fuel pipe section of the fuel nozzle and each open into a circular recess. Because of the steadily running, radial curvature of the circular recess, stresses occurring locally in the region of the fuel pipe section at the respective end of the expansion slots can be reduced.
  • the respective recesses prefferably be designed as circular bores and the expansion slots as incisions extending from the respective recess to the mouth end of the fuel nozzle.
  • the radial and / or axial position of the end of an expansion slot arranged in the fuel pipe section of the fuel nozzle can be precisely determined by a radial in the direction of the longitudinal axis of the fuel nozzle extending through the material wall of the fuel nozzle at the desired position, circular bore is made in the fuel pipe section.
  • the corresponding expansion slot can then be designed as an incision guided axially in the direction of the mouth end of the fuel nozzle and cutting through the material wall of the fuel nozzle.
  • a preferred embodiment of the invention provides for the elongation slots to run parallel to a longitudinal axis of the fuel nozzle, in particular to run parallel to one another, and to surround the longitudinal axis of the fuel nozzle coaxially.
  • all expansion slots can particularly advantageously be cut into the material wall of the fuel nozzle in a single or in the same production step.
  • a fuel nozzle it is also advantageous for a fuel nozzle to be designed as a centrifugally cast component.
  • a design of the fuel nozzle as a cast part, in particular as a centrifugally cast part, is particularly suitable for producing a one-piece component that has the shape of radially outwardly and / or radially inwardly directed flow elements, such as radially outwardly pointing air deflection segments and / or radially inwardly , in particular comprising teeth, has stabilizing segments.
  • a second production step following the first production step circular recesses spaced from one another along the circumference of the fuel nozzle are drilled in the fuel pipe section through the material wall of the fuel nozzle and in a third production step following the second production step, starting from the ones drilled in the fuel pipe section , circular recesses, narrow, elongated expansion slots in the form of the material wall of the fuel nozzle in the radial direction penetrating and severing incisions in the direction of a mouth-side end of the fuel nozzle and a mouth-side end face of the fuel nozzle penetrating and severing cut.
  • the fuel nozzle is provided with the radially outwardly pointing and / or radially inwardly pointing flow elements in the form of an air deflecting groove and / or one, in particular one with teeth
  • Stabilization ring manufactured as a one-piece component in a centrifugal casting process.
  • the fuel pipe section is then provided with 4 to 8 bores along its circumference, depending on the circumference of the fuel nozzle, the distance between the bores from an end of the fuel nozzle on the mouth side being approximately 1/3 to 2/3 of the total length of the fuel nozzle.
  • narrow, elongated expansion slots running parallel to one another and parallel to a longitudinal axis of the fuel nozzle are cut in the direction of the mouth-side end of the fuel nozzle.
  • the end face of the fuel nozzle penetrating incisions are formed, in the third production step, the air deflecting throat, which widens conically in the direction of the mouth end, is divided into individual air deflecting segments and the radially inward pointing, in particular provided with teeth, stabilizing ring is divided into individual stabilizing segments.
  • the fuel nozzle according to the invention is suitable both for retrofitting or as a replacement part for burners which are used in particular in already existing fossil-fueled steam power plants.
  • such a burner is characterized in that the fuel nozzle is arranged along its circumference and extends axially in its longitudinal direction in the direction of the mouth-side end and ends in a mouth-side end face of the fuel nozzle and in the form of incisions penetrating and severing the material wall of the fuel nozzle in the radial direction trained
  • the invention is not limited to a burner with a fuel or primary air tube whose fuel nozzle is designed as a separate, one-piece component. It is thus also conceivable to provide the mouth area of a fuel or primary air pipe having an integral fuel nozzle with expansion slots according to the invention in order to compensate for the thermally induced alternating loads occurring there.
  • the fuel pipe section of the fuel nozzle has an end on the fuel pipe side and the fuel or primary air pipe is connected, in particular welded, to the fuel pipe end of the fuel pipe section.
  • the burner according to the invention and its fuel nozzle are therefore preferably manufactured as separate components in each case, the fuel nozzle being provided with expansion slots in particular already during their manufacture.
  • the fuel nozzle can then be welded to the end face of the fuel or primary air pipe, for example by means of a circular weld seam.
  • any flow elements pointing radially outward and / or inward can be molded in one piece onto their mouth section and / or their mouth-side end during the manufacture of the fuel nozzle.
  • Figure 1 is a schematic perspective illustration of an exemplary
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the exemplary embodiment of the fuel nozzle according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of an exemplary embodiment of a fuel nozzle 100 according to the invention.
  • the fuel nozzle 100 shown has a fuel pipe section 110, the fuel pipe-side end 111 of which is suitable for connection to a fuel pipe or primary air pipe 200 of a burner not shown further, indicated by the dashed line is.
  • a carrier gas in particular air
  • a granular, powdery solid fuel such as coal and / or biomass
  • the fuel nozzle 100 Adjacent to the fuel pipe section 110 and designed as a one-piece component with it, the fuel nozzle 100 also has an opening section 120, the opening end 121 of which is assigned to a combustion chamber (not shown) during operation of the burner or protrudes into the combustion chamber and thus an opening area 210 of the fuel pipe 200 trains.
  • the fuel nozzle 100 Along the perimeter of the fuel nozzle 100 are several, here seven, expansion slots 160 in each arranged the same distance from one another.
  • the expansion slots 160 run both parallel to one another and parallel to a longitudinal axis z of the fuel nozzle 100 or surround the longitudinal axis z of the fuel nozzle 100 coaxially.
  • the expansion slots 160 are designed in the form of narrow longitudinal sections and longitudinal slots that extend in the direction along the longitudinal axis z.
  • each expansion slot 160 opens into a circular recess 161, in particular a bore, which radially penetrates the fuel pipe section 110, i. H. Forming a connection from the outside of the fuel nozzle 100 to the interior thereof, passing through the material wall of the fuel nozzle 100.
  • a respective expansion slot 160 extends axially in the direction of the mouth end 121 of the fuel nozzle 100.
  • the distance between a recess 161 and the mouth end 121 of the fuel nozzle 100 or the length of an expansion slot 160 corresponds approximately to 2/3 the total axial length of the fuel nozzle 100.
  • the expansion slots 160 penetrate the fuel nozzle 100 completely in the radial direction, i. H.
  • the recesses 161 can also be used to reduce stresses that occur at the end of a respective expansion slot 160 due to the relative movements of different individual segments 130 with respect to one another.
  • the fuel nozzle 100 is provided with flow elements for specifying and defining the ignition conditions.
  • the mouth section 120 has stabilizing segments 150 pointing radially inward, which overall form a toothed ring and are each separated or spaced apart by an expansion slot 160 which cuts through the material wall of the fuel nozzle 100 in the radial direction.
  • Each stabilization segment 150 terminates in a gear arch with inwardly pointing teeth 151 or is delimited by the teeth 151.
  • the stabilizing segments 150 with the associated teeth 151 can move individually and independently of one another to compensate for thermally induced stresses and, in their entirety, form a stabilizing ring with teeth 151 for detecting, delaying and deflecting the fuel in the fuel or primary air pipe 200.
  • FIG. 2 which shows a schematic side view of the exemplary embodiment of the fuel nozzle 100 according to the invention from FIG. 1, it can be clearly seen that the mouth section 120 has the shape of a further flow element radially on the outside.
  • the mouth section 120 is formed in the form of air deflection segments 140 which expand conically in the direction of the mouth end 121 and expand radially outward.
  • the air deflection segments 140 are each separated or spaced apart from one another by means of an expansion slot 160 and can be moved independently of one another in order to compensate for thermally induced stresses.
  • the air deflection segments 140 form a flow element in the form of an air deflection groove.
  • the air deflection segments 140 enable an ignition process that takes place without influencing the secondary air and is not disturbed by air fluctuations or turbulence.
  • the end 111 on the fuel pipe side which delimits the fuel pipe section 110 of the fuel nozzle 100, is provided for connection to the fuel or primary air pipe 200 (see FIG. 1) of a burner and can be welded, for example, to the end face of the fuel or primary air pipe 200.
  • the entire fuel nozzle 100 is designed as a one-piece component and is preferably manufactured using the centrifugal casting process.
  • a low-stress component is thus provided which is suitable for use as a fuel nozzle 100 in the mouth area 210 of a fuel or primary air pipe 200 of a burner for a steam power plant, which is particularly thermally stressed due to pronounced temperature fluctuations. Due to the reduced formation of cracks in the fuel nozzle 100 according to the invention, the service life of a burner equipped with it can be increased considerably.
  • the fuel pipe section 110 and the mouth section 120 are connected to one another longitudinally and by means of an annular, cylindrical section of the fuel pipe section 110, which has no expansion slots and is formed on the side of the fuel or primary air pipe 200, or via such a section of the fuel pipe section 110, so that the fuel nozzle 100 as a whole , but also the fuel pipe section 110 together with the mouth section 120 cut into individual segments 130 are formed in one piece.
  • the shape of the incisions or expansion slots 160 need not be designed in a straight elongated shape.
  • the incisions or expansion slots 160 can also be curved or corrugated or similar.
  • each expansion slot 160 is formed in the area of the fuel pipe section 110, these, that is, the bores and recesses 161 and the beginning of the expansion slots 160, but also exactly in the transition from the fuel pipe section 110 to the mouth section 120 or exclusively in the mouth section 120.
  • the bores 160 and the expansion slots 161 can be mechanically machined and cut into the material wall or can be formed in the material wall by means of a laser beam.

Abstract

Bei einer Brennstoffdüse (100) für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt (110) und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) vorgesehenen Mündungsabschnitt (120), wobei der Brennstoffrohrabschnitt (110) ein brennstoffrohrseitiges Ende (111) zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) und der Mündungsabschnitt (120) ein mündungsseitiges Ende (121) aufweist, soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, die Standzeiten von Brennern zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff zu optimieren, indem thermische Spannungen im Material, insbesondere im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) bzw. in der Brennstoffdüse (100) reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Brennstoffdüse (100) entlang ihres Umfangs angeordnete und sich in ihrer Längserstreckung axial in Richtung des mündungsseitigen Endes (121) erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze (160) zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse (100) aufweist.

Description

Brennstoffdüse mit Dehnungsschlitzen für einen Kohlenstaubbrenner
Die Erfindung richtet sich auf eine Brennstoffdüse für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs des Brennstoff- oder Primärluftrohrs vorgesehenen Mündungsabschnitt, wobei der Brennstoffrohrabschnitt ein brennstoffrohrseitiges Ende zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr und der Mündungsabschnitt ein mündungsseitiges Ende aufweist.
Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffdüse für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse.
Schließlich richtet sich die Erfindung auf einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr und einem das Brennstoff- oder Primärluftrohr koaxial umgebenden Mantel- oder Sekundärluftrohr, wobei das Brennstoff- oder Primärluftrohr in einer Brennstoffdüse mündet und die Brennstoffdüse einen dem Brennstoff- oder Primärluftrohr zugeordneten Brennstoffrohrabschnitt und einen einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und einen Mündungsbereich des Brennstoff oder Primärluftrohrs ausbildenden Mündungsabschnitt mit einem mündungsseitigen Ende aufweist.
Bei der Entwicklung von Brennern zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse und im Speziellen Kohlenstaub wird nach wie vor auf eine geringe Rate an bei der Verbrennung freiwerdenden Stickoxiden (NOx) besonderer Wert gelegt. Beispielsweise ermöglicht die Aufteilung der Verbrennungsluft in mehrere Teilströme und die Einstellung der Einzelluftströmungen hinsichtlich Luftmenge, Luftverteilung und Drallintensität eine Reduzierung des Stickoxidausstoßes bei der Verbrennung von staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff.
So ist aus der DE 10 2005 032 109 B4 ein Kohlenstaubbrenner mit einem den Brennstoff, insbesondere Kohlenstaub, fördernden Brennstoff- oder Primärluftrohr bekannt. Um eine gestufte Luftzufuhr zu ermöglichen ist das Brennstoff- oder Primärluftrohr koaxial von einem Mantelluft- oder Sekundärluftrohr umgeben und dieses seinerseits von einem Tertiärluftrohr. Zentral innerhalb des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ist ein mit einer Zündlanze ausgestattetes Kernluftrohr angeordnet. Die Zündung des staubförmigen Brennstoffs erfolgt im Mündungsbereich des Brennstoffohrs und wird hier durch Zündung der bei einer initialen Pyrolyse aus dem festen Brennstoff austretenden flüchtigen Bestandteile mittels der Zündlanze durchgeführt.
Durch eine eindeutige zeitliche und örtliche Definition der Zündbedingungen im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs können die bei der Verbrennung freiwerdenden NOx-Emissionen weiter reduziert werden. Hierzu können im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs verschiedene Strömungselemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann gemäß der EP 1 741 977 B1 ein sich konisch radial nach außen hin erweiternder Abschnitt, eine so bezeichnete Luftleitkehle, an der Außenseite des austrittsseitigen Endes des Brennstoffohrs für einen Zündvorgang sorgen, der ohne eine Beeinflussung der Sekundärluft abläuft und nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen gestört wird. Ein innenseitig angeordneter Stabilisierungsring mit einem radial nach innen ragenden Zahnkranz dient der Erfassung, Verzögerung und Umlenkung des Brennstoffs, um eine Zündung der Brennstoffpartikel vorzugsweise im Bereich des Zahnkranzes des Stabilisierungsrings zu bewirken. Üblicherweise werden das Brennstoff- oder Primärluftrohr und der Stabilisierungsring zum einen und zum anderen das Brennstoff- oder Primärluftrohr und die Luftabweiskehle im Mündungsbereich durch Schweißnähte, geklammerte oder gebolzte Konstruktionen miteinander verbunden. Gerade aufgrund solcher Schweiß- oder Fügeverbindungen kann es jedoch in dem hochbelasteten und von aggressiven Medien durchströmten Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs zu einer erhöhten Reparatur- und Störanfälligkeit und in der Folge zu einer beeinträchtigten Standzeit kommen.
Um eine derart hervorgerufene Beeinträchtigung der Standzeit zu vermeiden schlägt die EP 1 741 977 B1 weiterhin vor, den Mündungsbereich des Brennstoff oder Primärluftrohrs als separates Bauteil bzw. Brennstoffdüse, einstückig hergestellt und außenseitig die Form eines sich konisch radial nach außen erweiternden Mantelluft- oder Sekundärluftabweisungskonus sowie innenseitig die Form eines Stabilisierungsrings mit radial nach innen weisendem Zahnkranz auszuführen. Dieses vorzugsweise gegossene Bauteil kann dann zum Beispiel mittels einer Rundschweißnaht an die Stirnfläche eines Brennstoff- oder Primärluftrohrs angeschweißt werden, um die Gesamtanzahl der Schweißverbindungen im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs zu reduzieren.
Ein derartiger Brenner mit jeweils konzentrisch zueinander angeordnetem Primär-, Sekundär- und Tertiärrohr sowie einer den Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ausbildenden und einstückig mit einem nach außen weisenden Luftabweisungskonus sowie einem nach innen weisenden Stabilisierungsring versehenen Brennstoffdüse ist ebenfalls aus der WO 2017/008937 A1 bekannt.
Aber auch bei den zuvor beschriebenen, im Mündungsbereich des Brennstoff oder Primärluftrohrs einstückig ausgebildeten Brennstoffdüsen kann es nach mehreren Jahren Betriebszeit und häufigen Lastwechseln zu einer temperaturschwankungsbedingten Rissbildung kommen.
In anderen Fachgebieten ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zum Ausgleich thermisch bedingter Spannungen längliche Ausnehmungen in Form von Schlitzen vorzusehen.
Auf dem Gebiet der Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen ist zum Beispiel in der EP 1 724 443 A1 ein Düsenring offenbart, welcher das Arbeitsmedium auf die Leitschaufeln der Turbine des Abgasturboladers leiten soll. Der Düsenring weist im Wesentlichen einen Außenring und einen Innenring sowie eine Vielzahl dazwischen angeordneter Strömungsleitschaufeln auf. Die Strömungsleitschaufeln sind mit dem Außenring derart verbunden, dass sich diese in radialer Richtung elastisch verformen können. Jeweils zwischen zwei Leitschaufeln des Düsenrings ist ein entlang der Leitschaufelkontur geführter Schlitz in den Außenring eingelassen, um den Leitschaufeln, bei großer thermischer Belastung, eine voneinander und vom Düsenring unabhängige elastische Verformung in radialer Richtung zu ermöglichen.
Auch die EP 1 512 489 A1 betrifft eine ähnliche Aufgabe, nämlich eine Turbinenschaufel zu schaffen, die besonders niedrigen thermischen Spannungen ausgesetzt ist. Im Bereich von Gasturbinen kommt es zusätzlich zu der durch hohe Drehzahlen verursachten mechanischen Belastung auch durch hohe Temperaturen zu einer thermischen Materialbeanspruchung des Schaufelmaterials. Zur Entlastung von thermischen Spannungen, die durch die hohen Temperaturen auftreten, sind in der Schaufelhinterkante der Gasturbinenschaufel Entlastungsschlitze vorgesehen, die sich quer zur Schaufelhinterkante durch diese hindurch erstrecken.
Während die zuvor beschriebenen Turbinenschaufeln zwar hohen, aber im Wesentlichen konstanten Temperaturen ausgesetzt sind, unterliegen NOx-arme Brenner der eingangs beschriebenen Art, gerade in konventionellen Kraftwerken mit fossil gefeuerten Dampferzeugern einer thermischen Wechselbelastung. Aufgrund der in neuerer Zeit vermehrten Nutzung von elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen, deren Einspeisung in das Stromnetz nicht gleichmäßig erfolgt, sondern von der Verfügbarkeit von Sonne oder Wind abhängt, ergeben sich auch für fossil befeuerte Kraftwerke höher Anforderungen an die Lastflexibilität. Die jeweils aktuell zur Einspeisung in das Stromnetz erforderliche Dampferzeugungsleistung wird durch Veränderung der Mühlen- bzw. Brennerleistung und durch das Zu- bzw. Abschalten von einzelnen Mahlanlagen und der diesen jeweils zugeordneten Brennern verändert. Das bedeutet, dass bei einem häufigen Lastwechsel ein entsprechendes An- und Abfahren des Brenners und folglich eine erhöhte Anzahl an Zündvorgängen mit damit einhergehenden Temperaturwechseln erfolgen muss. Bei den bekannten NOx-armen Brennern besteht die Zündfeuerung in der Regel aus Zündlanzen oder ähnlichen Brennern, mit denen durch Verbrennung von gasförmigem oder flüssigem Hilfsbrennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder Heizöl, die für eine Verbrennung notwendige Zündflamme erzeugt wird. Während des Zündvorgangs wird der zunächst nicht im Betrieb befindliche Brenner („außer Betrieb“) unterschiedlichen, durch die zeitlich aufeinander folgenden Stufen des Zündvorgangs bedingten Temperaturen ausgesetzt. So schließt sich an die Zündung des Hilfsbrenners zur Verbrennung des gasförmigen oder flüssigen Hilfsbrennstoffs die Zündung des Hauptbrenners zur Verbrennung des partikelförmigen, insbesondere staubförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs an. Zum Absenken der Dampferzeugerleistung wird die Verbrennung gestoppt und der Brenner erreicht erneut den „außer Betrieb“-Zustand. Bei häufigen Betriebswechseln des Brenners ergeben sich daher häufig erhebliche Temperaturschwankungen im Bereich zwischen 300°C und 1100°C, deren jeweilige Maximalwerte am feuerraumseitigen Ende, d.h. im durch die Brennstoffdüse ausgebildeten Mündungsbereich des auch als Staubrohr bezeichneten Brennstoff- oder Primärluftrohrs erreicht werden. Aufgrund dieser thermischen Wechselbelastung unterliegt das Material der Brennstoffdüse, insbesondere bei einstückigen Brennstoffdüsen, einer erhöhten Gefahr von Rissbildung, welche schließlich zu einem Formverlust der strömungsdefinierenden Bauteile und damit einhergehend zu einer Funktionsminderung bis hin zu einem Funktionsverlust führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht die Standzeiten von Brennern zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff zu optimieren, indem thermische Spannungen im Material, insbesondere im Mündungsbereich des Brennstoffohrs bzw. in der Brennstoffdüse reduziert werden.
Bei einer Brennstoffdüse der eingangs näher bezeichneten Art wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffdüse entlang ihres Umfangs angeordnete und sich in ihrer Längserstreckung axial in Richtung des mündungsseitigen Endes erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche der Brennstoffdüse endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse aufweist.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, eine aufgrund von Temperaturwechseln bedingte thermische Belastung, insbesondere thermisch bedingte Volumenänderung des Materials der Brennstoffdüse, insbesondere im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs auszugleichen, indem die Brennstoffdüse mit Dehnungsschlitzen ausgebildet ist. Diese Dehnungsschlitze sind als axial in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse verlaufende sowie längs ihrer Längserstreckung die Materialwand der Brennstoffdüse radial von außen zur Innenseite der Brennstoffdüse hin vollständig durchsetzende und durchtrennende Materialaussparungen in Form schmaler länglicher Einschnitte bzw. Durchbrüche ausgeführt und entlang des Umfangs der Brennstoffdüse derart angeordnet, dass ein Ausgleichsraum für eine, bspw. durch den Zündvorgang des Brenners bedingte, Wärmeausdehnung des Materials der Brennstoffdüse geschaffen wird. Der Brennstoffrohrabschnitt und der Mündungsabschnitt bleiben dabei längs und mittels eines kreisringförmigen, keine Dehnungsschlitze aufweisenden und auf der Seite des Brennstoff- oder Primärluftrohres ausgebildeten zylinderrohrförmigen Abschnitts des Brennstoffrohrabschnitts bzw. über einen solchen Abschnitt des Brennstoffrohrabschnitts miteinander verbunden, sodass die Brennstoffdüse insgesamt, aber auch der Brennstoffrohrabschnitt zusammen mit dem in Einzelsegmente geschnittenen Mündungsabschnitt einstückig ausgebildet sind.
Im Rahmen der Erfindung ist somit auch vorgesehen, dass mittels der Dehnungsschlitze eine Unterteilung des Mündungsabschnitts der Brennstoffdüse und folglich des Mündungsbereichs des Brennstoff- oder Primärluftrohrs, in separate Einzelsegmente erfolgt, welche bei temperaturbedingten Volumenänderungen des Materials der Brennstoffdüse unabhängig voneinander beweglich sind. Auf diese Weise kann eine Übertragung thermisch bedingter Spannungen, welche örtlich begrenzt in einem Bereich bzw. an einem Einzelsegment der Brennstoffdüse auftreten, auf andere Bereiche und/oder benachbarte Einzelsegmente der Brennstoffdüse vermieden werden.
Zusammengefasst lassen sich aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Dehnungsschlitze und der Unterteilung des Mündungsabschnitts der Brennstoffdüse in Einzelsegmente thermisch bedingte Wechselbelastungen, wie sie insbesondere beim Betrieb von Brennern in Dampferzeugern auftreten, und die damit einhergehenden Volumenänderungen im Brennstoffdüsenmaterial kompensieren, sodass Materialspannungen reduziert werden. Hierdurch wird die Bildung von Rissen vermindert oder einer Rissbildung sogar vollständig vorgebeugt, wodurch wiederum die Haltbarkeit der Brennstoffdüse und somit die Standzeit des Brenners erhöht wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Einen für die Initialzündung des Brenners besonders geeigneten Ort stellt das mündungsseitige Ende bzw. der Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse dar. Wie beschrieben sind daher vorzugsweise am mündungsseitigen Ende bzw. im Bereich des Mündungsabschnitts zur Definition der Zündbedingungen außenseitige, d.h. radial nach außen gerichtete und/oder innenseitige, d. h. radial nach innen gerichtete Strömungselemente in Form einer Luftabweiskehle und/oder eines Stabilisierungsrings angeordnet. Gerade am Ort der Initialzündung treten jedoch besonders hohe Temperaturen bzw. Temperaturschwankungen auf, wodurch das Material der Brennstoffdüse dort besonders starken Belastungen ausgesetzt ist.
Aus diesem Grund ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch vorgesehen, dass der Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes radial nach außen erweiternde und aufgrund der Dehnungsschlitze in einzelne Luftabweisungssegmente unterteilte Luftabweiskehle ausgebildet ist. Entsprechend umfasst gemäß einer anderen vorteilhaften Erfindungsausgestaltung der Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse an dessen mündungsseitigem Ende einen radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen versehenen, und mittels der Dehnungsschlitze in einzelne Stabilisierungssegmente unterteilten Stabilisierungsring, wobei der Mündungsabschnitt und die, insbesondere mit Zähnen versehenen, Stabilisierungssegmente als einstückiges Bauteil ausgebildet sind. Die Einstückigkeit ist durch/über die Verbindung der Stabilisierungssegmente mit dem ungeschützten zylinderrohrförmigen Abschnitt des Brennstoffrohrabschnitts auf der dem Brennstoff- oder Primärrohr zugewandten Seite des Brennstoffrohrabschnitts realisiert.
Indem also außenseitig und/oder innenseitig am Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse angeordnete Strömungselemente, wie eine Luftabweiskehle als separate, voneinander unabhängige und radial nach außen weisende Luftabweisungssegmente und/oder ein Stabilisierungsring als separate, voneinander unabhängige und radial nach innen weisende Stabilisierungssegmente ausgeführt sind, lassen sich Spannungen, die aufgrund von thermischer Wechselbelastung in besonderem Maße im Bereich des Mündungsabschnitts der Brennstoffdüse auftreten, auch in den dort angeordneten Strömungselementen reduzieren. Auf diese Weise kann eine Rissbildung gerade innerhalb der zur Definition des Zündortes und der Zündbedingungen maßgeblichen Strömungselemente, den Luftabweisungssegmenten und/oder den Stabilisierungssegmenten reduziert und deren Lebensdauer erhöht werden. In Ihrer Gesamtheit erfüllen die einzelnen Luftabweisungssegmente dann die Funktion der an sich bekannten Luftabweiskehle und die einzelnen Stabilisierungssegmente die Funktion des an sich bekannten Stabilisierungsrings, wodurch eine eindeutige zeitliche und örtliche Definition der Zündbedingungen im Mündungsbereich sichergestellt ist.
In Weiterbildung dieser Ausgestaltung schließt ein radial nach innen weisendes Stabilisierungssegment jeweils in mehreren in der Form eines Zahnkranzbogens ausgebildeten Zähnen ab, d. h. das Stabilisierungssegment wird innenseitig von einem einstückig mit dem jeweiligen Stabilisierungssegment verbundenen Zahnkranzbogen begrenzt. Vorteilhafterweise ist die gesamte Brennstoffdüse als einstückiges Bauteil ausgeführt, wobei die Luftabweisungssegmente und die, insbesondere in einem jeweiligen Zahnkranzbogen abschließenden Stabilisierungssegmente im Mündungsabschnitt der Brennstoffdüse durch die dort vorgesehenen Dehnungsschlitze jeweils voneinander getrennt sind. Aus diesen Merkmalen resultiert eine für thermische Wechselbelastungen, wie sie an Brennstoffdüsen, im Mündungsbereich eines Brennstoff- oder Primärluftrohres insbesondere beim Betrieb von Dampferzeugern in fossil befeuerten Kraftwerken auftreten optimierte und zur Definition konkreter Zündbedingungen geeignete Brennstoffdüse.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Erfindungsausgestaltung entspricht die axiale Länge der Dehnungsschlitze in etwa 1/3 bis 2/3 der axialen Gesamtlänge der Brennstoffdüse.
Was die Anzahl der Dehnungsschlitze betrifft, ist es nach einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, dass die Anzahl, abhängig vom Umfang der Brennstoffdüse, in einem Bereich zwischen 4 und 8 liegt.
Ein Verhältnis zwischen axialer Länge der Dehnungsschlitze und axialer Gesamtlänge der Brennstoffdüse, welches in einem Bereich zwischen 1/3 und 2/3 liegt, stellt gerade in Kombination mit einer Anzahl an Dehnungsschlitzen, welche in einem Bereich zwischen 4 und 8 liegt, einen optimierten Kompromiss zwischen der zum Ausgleich der thermischen Wechselbelastung erforderlichen Flexibilität und der insgesamt notwendigen Stabilität der Brennstoffdüse dar. Die exakte Anzahl der Dehnungsschlitze richtet sich nach der Größe des Brenners bzw. nach dem Umfang der Brennstoffdüse.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer Ausgestaltung, wonach sich die Dehnungsschlitze in den Bereich des Brennstoffrohrabschnitts der Brennstoffdüse erstrecken und jeweils in einer kreisförmigen Ausnehmung münden. Aufgrund der stetig verlaufenden, radialen Krümmung der kreisförmigen Ausnehmung lassen sich örtlich im Bereich des Brennstoffrohrabschnitts am jeweiligen Ende der Dehnungsschlitze auftretende Spannungen verringern.
In Weiterbildung dieser Ausgestaltung kann es zweckmäßig sein, dass die jeweiligen Ausnehmungen als kreisförmige Bohrungen ausgeführt sind und die Dehnungsschlitze als von der jeweiligen Ausnehmung ausgehende bis zum mündungsseitigen Ende der Brennstoffdüse verlaufende Einschnitte.
Eine so gestaltete Ausführung der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse bietet vor allem Vorteile unter dem Gesichtspunkt der Fertigung bzw. Herstellung von Brennstoffdüsen. Bei der Fertigung einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse lässt sich die radiale und/oder axiale Position des im Brennstoffrohrabschnitt der Brennstoffdüse angeordneten Endes eines Dehnungsschlitzes exakt festlegen, indem an der gewünschten Position eine sich radial in Richtung auf die Längsachse der Brennstoffdüse zu durch die Materialwand der Brennstoffdüse hindurcherstreckende, kreisförmige Bohrung in den Brennstoffrohrabschnitt eingebracht wird. Ausgehend von der kreisförmigen Bohrung kann dann der entsprechende Dehnungsschlitz als ein axial in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse geführter und die Materialwand der Brennstoffdüse durchtrennender Einschnitt ausgeführt werden.
Zur weiteren Vereinfachung der Herstellung und Verringerung der Herstellungskosten ist nach einer bevorzugten Erfindungsausgestaltung vorgesehen, dass die Dehnungsschlitze in ihrer Längserstreckung parallel zu einer Längsachse der Brennstoffdüse verlaufend, insbesondere parallel zueinander verlaufend, und die Längsachse der Brennstoffdüse koaxial umgebend angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft können bei dieser Brennstoffdüsenvariante alle Dehnungsschlitze in einem einzigen bzw. in demselben Fertigungsschritt in die Materialwand der Brennstoffdüse geschnitten werden. Schließlich ist es für eine Brennstoffdüse, gemäß einer Ausführung der Erfindung auch vorteilhaft, dass diese als Schleudergussbauteil ausgebildet ist.
Eine Ausbildung der Brennstoffdüse als Gussteil, insbesondere als Schleudergussteil, eignet sich besonders zur Herstellung eines einstückigen Bauteils, welches die Form von radial nach außen und/oder radial nach innen gerichteten Strömungselementen, wie beispielsweise radial nach außen weisenden Luftabweisungssegmenten und/oder radial nach innen weisenden, insbesondere Zähne umfassenden, Stabilisierungssegmenten aufweist.
Zur Lösung der eingangs genannten Erfindungsaufgabe eignet sich auch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffdüse, insbesondere einer Brennstoffdüse nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs des Brennstoff- oder Primärluftrohrs vorgesehenen Mündungsabschnitt, wobei in einem ersten Fertigungsschritt die Brennstoffdüse mit einem als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes radial nach außen erweiternde Luftabweiskehle ausgebildeten Mündungsabschnitt und einem an dem mündungsseitigen Ende des Mündungsabschnitts radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen versehenen, Stabilisierungsring als einstückiges Bauteil gegossen wird. In einem zweiten, auf den ersten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt werden beabstandet zueinander kreisförmige Ausnehmungen entlang des Umfangs der Brennstoffdüse in den Brennstoffrohrabschnitt durch die Materialwand der Brennstoffdüse hindurchgehend gebohrt und in einem dritten, auf den zweiten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt werden, ausgehend von den in den Brennstoffrohrabschnitt gebohrten, kreisförmigen Ausnehmungen, schmale, längliche Dehnungsschlitze in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten in Richtung eines mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse und eine mündungsseitige Stirnfläche der Brennstoffdüse durchsetzend und durchtrennend geschnitten. Vorzugsweise werden zu Beginn des Herstellungsverfahrens, in dem ersten Fertigungsschritt die Brennstoffdüse mit den radial nach außen weisenden und/oder radial nach innen weisenden Strömungselementen in Form einer Luftabweiskehle und/oder eines, insbesondere mit Zähnen versehenen
Stabilisierungsrings in einem Schleudergussverfahren als einstückiges Bauteil hergestellt.
In dem zweiten Fertigungsschritt wird anschließend der Brennstoffrohrabschnitt entlang dessen Umfang mit 4 bis 8 Bohrungen, abhängig vom Umfang der Brennstoffdüse, versehen, wobei der Abstand der Bohrungen von einem mündungsseitigen Ende der Brennstoffdüse jeweils in etwa 1/3 bis 2/3 der Brennstoffdüsengesamtlänge entspricht.
Ausgehend von diesen Bohrungen werden dann in einem dritten Fertigungsschritt jeweils parallel zueinander und parallel zu einer Längsachse der Brennstoffdüse verlaufende, schmale, längliche Dehnungsschlitze in Richtung des mündungsseitigen Endes der Brennstoffdüse geschnitten. Indem die
Dehnungsschlitze in Form von die Materialwand und die mündungsseitige
Stirnfläche der Brennstoffdüse durchsetzenden Einschnitten ausgebildet werden, wird in dem dritten Fertigungsschritt ferner die sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes radial nach außen erweiternde Luftabweiskehle in einzelne Luftabweissegmente und der radial nach innen weisende, insbesondere mit Zähnen versehene, Stabilisierungsring in einzelne Stabilisierungssegmente unterteilt.
Die erfindungsgemäße Brennstoffdüse eignet sich sowohl zum Nachrüsten oder als Ersatzteil für Brenner, welche insbesondere in bereits bestehenden fossil befeuerten Dampfkraftwerken Verwendung finden. Alternativ ist es aber auch denkbar, das Brennstoff- oder Primärluftrohr eines Brenners direkt bei dessen Herstellung mit erfindungsgemäßen, im Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs angeordneten Dehnungsschlitzen zu versehen. Die eingangs genannte Erfindungsaufgabe wird daher auch durch einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse gelöst, mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr und einem das Brennstoff- oder Primärluftrohr koaxial umgebenden Mantel- oder Sekundärluftrohr, wobei das Brennstoff- oder Primärluftrohr in einer Brennstoffdüse mündet und die Brennstoffdüse einen dem Brennstoff- oder Primärluftrohr zugeordneten Brennstoffrohrabschnitt und einen einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt verbundenen und einen Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs ausbildenden Mündungsabschnitt mit einem mündungsseitigen Ende aufweist.
Erfindungsgemäß kennzeichnet sich ein solcher Brenner dadurch, dass die Brennstoffdüse entlang ihres Umfangs angeordnete und sich in ihrer Längserstreckung axial in Richtung des mündungsseitigen Endes erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche der Brennstoffdüse endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten ausgebildete
Dehnungsschlitze zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse aufweist.
Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf Brenner mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr dessen Brennstoffdüse als separates, einstückiges Bauteil ausgeführt ist beschränkt. So ist es auch denkbar, den Mündungsbereich eines eine integrale Brennstoffdüse aufweisenden Brennstoff- oder Primärluftrohrs erfindungsgemäß mit Dehnungsschlitzen zu versehen, um die dort auftretenden thermisch bedingten Wechselbelastungen auszugleichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners ist dann vorgesehen, dass der Brennstoffrohrabschnitt der Brennstoffdüse ein brennstoffrohrseitiges Ende aufweist und das Brennstoff- oder Primärluftrohr mit dem brennstoffrohrseitigen Ende des Brennstoffrohrabschnitts verbunden, insbesondere, verschweißt ist. Vorzugsweise sind also der erfindungsgemäße Brenner und dessen Brennstoffdüse als jeweils separate Bauteile hergestellt, wobei die Brennstoffdüse insbesondere bereits bei deren Herstellung mit Dehnungsschlitzen versehen wird. Die Brennstoffdüse kann dann beispielsweise mittels einer Rundschweißnaht an die Stirnfläche des Brennstoff- oder Primärluftrohrs angeschweißt werden. Bei dieser Ausführung ist besonders vorteilhaft, dass auch etwaige, radial nach außen und/oder nach innen weisende Strömungselemente bereits bei der Herstellung der Brennstoffdüse an ihren Mündungsabschnitt und/oder an ihr mündungsseitiges Ende einstückig angeformt werden können.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in
Figur 1 eine schematisch perspektivische Darstellung einer beispielhaften
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse mit sieben Dehnungsschlitzen und
Figur 2 eine schematische Seitenansicht der beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse aus Figur 1.
Die Figur 1 zeigt in schematisch perspektivischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse 100. Die gezeigte Brennstoffdüse 100 weist einen Brennstoffrohrabschnitt 110 auf, dessen brennstoffrohrseitiges Ende 111 zur Verbindung mit einem anhand der gestrichelten Linie angedeuteten Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 eines nicht weiter dargestellten Brenners geeignet ist. In dem Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 wird bei einem Betrieb des Brenners beispielsweise ein Traggas, insbesondere Luft, in Mischung mit einem körnigen, pulverigen festen Brennstoff wie Kohle und/oder Biomasse gefördert. An den Brennstoffrohrabschnitt 110 angrenzend und als einstückiges Bauteil mit diesem ausgebildet weist die Brennstoffdüse 100 ferner einen Mündungsabschnitt 120 auf, dessen mündungsseitiges Ende 121 beim Betrieb des Brenners einem nicht dargestellten Feuerraum zugeordnet ist bzw. in den Feuerraum hineinragt und so einen Mündungsbereich 210 des Brennstoffrohrs 200 ausbildet. Entlang des Umfangs der Brennstoffdüse 100 sind mehrere, hier sieben, Dehnungsschlitze 160 in jeweils gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die Dehnungsschlitze 160 verlaufen sowohl parallel zueinander, als auch parallel zu einer Längsachse z der Brennstoffdüse 100 bzw. umgeben die Längsachse z der Brennstoffdüse 100 koaxial. Die Dehnungsschlitze 160 sind in Form schmaler, sich in Richtung längs der Längsachse z erstreckender Längsabschnitte und Längsschlitze ausgebildet.
Ein erstes Ende eines jeden Dehnungsschlitzes 160 mündet jeweils in einer kreisförmigen Ausnehmung 161 , insbesondere einer Bohrung, welche den Brennstoffrohrabschnitt 110 radial durchsetzt, d. h. durch die Materialwand der Brennstoffdüse 100 hindurchgehend eine Verbindung von der Außenseite der Brennstoffdüse 100 zu deren Innenraum hin ausbildet. Ausgehend von der zugeordneten Ausnehmung 161 erstreckt sich ein jeweiliger Dehnungsschlitz 160 axial in Richtung des mündungsseitigen Endes 121 der Brennstoffdüse 100. Der Abstand zwischen einer Ausnehmung 161 und dem mündungsseitigen Ende 121 der Brennstoffdüse 100 bzw. die Länge eines Dehnungsschlitzes 160 entspricht in etwa 2/3 der axialen Gesamtlänge der Brennstoffdüse 100. Die Dehnungsschlitze 160 sind die Brennstoffdüse 100 in radialer Richtung vollständig durchsetzend, d. h. die Materialwand der Brennstoffdüse 100 vollständig durchtrennend, ausgeführt und enden in axialer Längsrichtung in einer mündungsseitigen Stirnfläche 122 der Brennstoffdüse 100, sodass ein Teil des Brennstoffrohrabschnitts 110 und der Mündungsabschnitt 120 der Brennstoffdüse 100 mittels der Dehnungsschlitze 160 in voneinander getrennte, unabhängig bewegliche Einzelsegmente 130 unterteilt ist. Aufgrund der Dehnungsschlitze 160 lassen sich thermisch bedingte Volumenänderungen des Materials der Brennstoffdüse 100 kompensieren, sodass insgesamt durch thermische Wechselbelastungen verursachte Spannungen reduziert werden, was zu einer Verringerung von Rissbildung und somit einer höheren Haltbarkeit der Brennstoffdüse 100 führt. Mittels der Ausnehmungen 161 lassen sich außerdem Spannungen, die am Ende eines jeweiligen Dehnungsschlitzes 160 aufgrund von Relativbewegungen verschiedener Einzelsegmente 130 zueinander auftreten, reduzieren.
Die Brennstoffdüse 100 ist in ihrem Mündungsabschnitt 120 mit Strömungselementen zur Vorgabe und Definition der Zündbedingungen versehen. Am mündungsseitigen Ende 121 weist der Mündungsabschnitt 120 radial nach innen weisende Stabilisierungssegmente 150 auf, welche insgesamt einen Zahnkranzring ausbilden und jeweils durch einen die Materialwand der Brennstoffdüse 100 in radialer Richtung durchtrennenden Dehnungsschlitz 160 voneinander getrennt bzw. beabstandet sind. Jedes Stabilisierungssegment 150 schließt in einem Zahnkranzbogen mit nach innen weisenden Zähnen 151 ab bzw. wird von den Zähnen 151 begrenzt. Die Stabilisierungssegmente 150 mit den zugehörigen Zähnen 151 sind einzeln, voneinander unabhängig beweglich, um thermisch bedingte Spannungen auszugleichen und bilden in ihrer Gesamtheit einen Stabilisierungsring mit Zähnen 151 zur Erfassung, Verzögerung und Umlenkung des im Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 geführten Brennstoffs.
In der Figur 2, welche eine schematische Seitenansicht der beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse 100 aus Figur 1 zeigt, ist gut zu erkennen, dass der Mündungsabschnitt 120 radial außenseitig die Form eines weiteren Strömungselements aufweist. So ist der Mündungsabschnitt 120 in der Form von sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes 121 radial nach außen erweiternden Luftabweisungssegmenten 140 ausgeformt. Die Luftabweisungssegmente 140 sind jeweils mittels eines Dehnungsschlitzes 160 voneinander getrennt bzw. beabstandet und voneinander unabhängig beweglich, um thermisch bedingte Spannungen auszugleichen. In ihrer Gesamtheit bilden die Luftabweisungssegmente 140 ein Strömungselement in Form einer Luftabweiskehle aus. Gemeinsam mit einem hier nicht dargestellten Mantelluft oder Sekundärluftrohr, welches üblicherweise bei Brennern zur Verbrennung von staubförmigem Kohlenstoff das Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 koaxial umgibt, ermöglichen die Luftabweisungssegmente 140 einen Zündvorgang, der ohne Beeinflussung der Sekundärluft abläuft und nicht durch Luftschwankungen oder Verwirbelungen gestört wird. Das brennstoffrohrseitige Ende 111 , welches den Brennstoffrohrabschnitt 110 der Brennstoffdüse 100 begrenzt, ist zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr 200 (siehe Figur 1 ) eines Brenners vorgesehen und lässt sich beispielsweise mit der Stirnseite des Brennstoff- oder Primärluftrohrs 200 verschweißen. Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen, ist die gesamte Brennstoffdüse 100 als einstückiges Bauteil ausgeführt und vorzugsweise im Schleudergussverfahren hergestellt. In Kombination mit den zum mündungsseitigen Ende 121 geführten Dehnungsschlitzen 160 wird somit ein spannungsarmes Bauteil bereitgestellt, welches zur Verwendung als Brennstoffdüse 100 im aufgrund von ausgeprägten Temperaturschwankungen thermisch besonders belasteten Mündungsbereich 210 eines Brennstoff- oder Primärluftrohrs 200 eines Brenners für ein Dampfkraftwerk geeignet ist. Aufgrund der verminderten Rissbildung in der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse 100 kann die Standzeit eines damit ausgestatteten Brenners erheblich erhöht werden.
Der Brennstoffrohrabschnitt 110 und der Mündungsabschnitt 120 sind längs und mittels eines kreisringförmigen, keine Dehnungsschlitze aufweisenden und auf der Seite des Brennstoff- oder Primärluftrohres 200 ausgebildeten zylinderrohrförmigen Abschnitts des Brennstoffrohrabschnitts 110 bzw. über einen solchen Abschnitt des Brennstoffrohrabschnitts 110 miteinander verbunden, sodass die Brennstoffdüse 100 insgesamt, aber auch der Brennstoffrohrabschnitt 110 zusammen mit dem in Einzelsegmente 130 geschnittenen Mündungsabschnitt 120 einstückig ausgebildet sind.
Die Form der Einschnitte bzw. Dehnungsschlitze 160 muss nicht in einer gerade länglichen Form ausgebildet sein. Die Einschnitte bzw. Dehnungsschlitze 160 könne auch bogenförmig oder gewellt oder ähnlich ausgebildet sein.
Auch wenn im Ausführungsbeispiel die Bohrungen oder Ausnehmungen 161 und damit der Beginn eines jeden Dehnungsschlitzes 160 im Bereich des Brennstoffrohrabschnitts 110 ausgebildet sind, so können diese, d.h. die Bohrungen und Ausnehmungen 161 sowie der Beginn der Dehnungsschlitze 160, aber auch genau im Übergang vom Brennstoffrohrabschnitt 110 zum Mündungsabschnitt 120 oder ausschließlich im Mündungsabschnitt 120 ausgebildet sein. Die Bohrungen 160 und die Dehnungsschlitze 161 können mechanisch spanend in die Materialwand gebohrt und geschnitten werden oder mittels Laserstrahl in der Materialwand ausgebildet werden.
Bezugszeichenliste:
100 Brennstoffdüse
110 Brennstoffrohrabschnitt
1 1 1 brennstoffrohrseitiges Ende
120 Mündungsabschnitt
121 mündungsseitiges Ende
122 mündungsseitige Stirnfläche
130 Einzelsegment
140 Luftabweisungssegment
150 Stabilisierungssegment
151 Zähne
160 Dehnungsschlitz
161 Ausnehmung
200 Brennstoff- oder Primärluftrohr
210 Mündungsbereich des Brennstoff- oder Primärluftrohrs
Längsachse der Brennstoffdüse

Claims

Patentansprüche
1 Brennstoffdüse (100) für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt (110) und einem einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) vorgesehenen Mündungsabschnitt (120), wobei der Brennstoffrohrabschnitt (110) ein brennstoffrohrseitiges Ende (111 ) zur Verbindung mit dem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) und der Mündungsabschnitt (120) ein mündungsseitiges Ende (121 ) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffdüse (100) entlang ihres Umfangs angeordnete und sich in ihrer Längserstreckung axial in Richtung des mündungsseitigen Endes (121 ) erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze (160) zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse (100) aufweist. 2 Brennstoffdüse (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt (120) der Brennstoffdüse (100) als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes (121 ) radial nach außen erweiternde und aufgrund der Dehnungsschlitze (160) in einzelne Luftabweisungssegmente (140) unterteilte Luftabweiskehle ausgebildet ist.
3 Brennstoffdüse (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt (120) der Brennstoffdüse (100) an dessen mündungsseitigem Ende (121 ) einen radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen (151 ) versehenen, und aufgrund der Dehnungsschlitze (160) in einzelne Stabilisierungssegmente (150) unterteilten Stabilisierungsring aufweist, wobei der Mündungsabschnitt (120) und die, insbesondere mit Zähnen (151 ) versehenen, Stabilisierungssegmente (150) als einstückiges Bauteil ausgebildet sind.
4. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der Dehnungsschlitze (160) in etwa 1/3 bis 2/3 der axialen Gesamtlänge der Brennstoffdüse (100) entspricht. 5. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Dehnungsschlitze (160) in einem Bereich zwischen 4 und 8 liegt.
6. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dehnungsschlitze (160) in den Bereich des
Brennstoffrohrabschnitts (110) der Brennstoffdüse (100) erstrecken und jeweils in einer kreisförmigen Ausnehmung (161 ) münden.
7. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsschlitze (160) in ihrer
Längserstreckung parallel zu einer Längsachse (z) der Brennstoffdüse (100) verlaufend, insbesondere parallel zueinander verlaufend, und die Längsachse (z) der Brennstoffdüse (100) koaxial umgebend angeordnet sind.
8. Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (100) als Schleudergussbauteil ausgebildet ist. 9. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffdüse (100), insbesondere einer
Brennstoffdüse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für einen Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) des Brenners zuzuordnenden Brennstoffrohrabschnitt (110) und einem mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und zur Ausbildung eines Mündungsbereichs (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) vorgesehenen Mündungsabschnitt (120), wobei
- in einem ersten Fertigungsschritt die Brennstoffdüse (100) mit einem als eine sich konisch in Richtung des mündungsseitigen Endes (121 ) radial nach außen erweiternde Luftabweiskehle ausgebildeten Mündungsabschnitt (120) und einem an dem mündungsseitigen Ende (121 ) des Mündungsabschnitts (120) radial nach innen weisenden, insbesondere mit Zähnen (151 ) versehenen, Stabilisierungsring als einstückiges Bauteil gegossen wird,
- in einem zweiten, auf den ersten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt kreisförmige Ausnehmungen (161 ) entlang des Umfangs der Brennstoffdüse (100) in den Brennstoffrohrabschnitt (110) durch die Materialwand der Brennstoffdüse (100) hindurchgehend gebohrt werden, und
- in einem dritten, auf den zweiten Fertigungsschritt folgenden Fertigungsschritt, ausgehend von den in den Brennstoffrohrabschnitt (110) gebohrten, kreisförmigen Ausnehmungen (161 ), Dehnungsschlitze (160) in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten in Richtung eines mündungsseitigen Endes (121 ) der Brennstoffdüse (100) und eine mündungsseitige Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) durchsetzend und durchtrennend geschnitten werden.
10. Brenner zur Verbrennung von partikelförmigem Brennstoff, insbesondere staubförmigem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff wie Kohle oder Biomasse, mit einem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) und einem das Brennstoff oder Primärluftrohr (200) koaxial umgebenden Mantel- oder Sekundärluftrohr, wobei das Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) in einer Brennstoffdüse (100) mündet und die Brennstoffdüse (100) einen dem Brennstoff- oder Primärluftrohr (200) zugeordneten Brennstoffrohrabschnitt (110) und einen einstückig mit dem Brennstoffrohrabschnitt (110) verbundenen und einen Mündungsbereich (210) des Brennstoff- oder Primärluftrohrs (200) ausbildenden Mündungsabschnitt (120) mit einem mündungsseitigen Ende (121 ) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffdüse (100) entlang ihres Umfangs angeordnete und sich in ihrer Längserstreckung axial in Richtung des mündungsseitigen Endes
(121 ) erstreckende und in einer mündungsseitigen Stirnfläche (122) der Brennstoffdüse (100) endende sowie in Form von die Materialwand der Brennstoffdüse (100) in radialer Richtung durchsetzenden und durchtrennenden Einschnitten ausgebildete Dehnungsschlitze (160) zum Ausgleich einer thermisch bedingten Wechselbelastung der Brennstoffdüse
(100) aufweist.
11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffrohrabschnitt (110) der Brennstoffdüse (100) ein brennstoffrohrseitiges Ende (111 ) aufweist und das Brennstoff- oder
Primärluftrohr (200) mit dem brennstoffrohrseitigen Ende (111 ) des Brennstoffrohrabschnitts (110), verbunden, insbesondere verschweißt ist.
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