WO2005017411A1 - Gasbrenner - Google Patents

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    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14241—Post-mixing with swirling means

Definitions

  • the invention relates to a burner with a burner head and gas supply channels arranged in the burner head.
  • Such burners are used, for example, when burning a fuel gas with an oxygen-containing gas in externally mixing burners, ie. H. in burners in which the fuel gas and the oxygen-containing gas are fed separately into a mixing zone and ignited there.
  • the burners are usually cooled by the intake air. If technically pure oxygen or oxygen-enriched air is used for combustion, cooling is usually carried out with cooling water.
  • the burner generally has a cooling channel on its end face and can be supplied with cooling water via an externally welded cooling water coil.
  • EP 0 868 394 B1 also describes a gas-cooled burner to which a ring made of ceramic or precious metal is fixed in order to protect the burner head from excessive temperatures.
  • the mixing zone is usually designed as a gas phase reactor, it being possible to achieve a reactor temperature of 1300 to 1500 ° C. and a flame temperature of more than 2000 ° C. generated with oxygen.
  • Water-cooled burners have the disadvantage that high temperature gradients between the inside and outside of the water-cooled zone can cause strong temperature tensions in the material, which can result in cracking and leakage.
  • temperature zones are formed in which a form of corrosion called "metal dusting" occurs, so that the burner material is removed and thus destroyed.
  • the application of a ceramic ring to the burner head is also associated with risks in gas-cooled burners because of the different Thermal expansion of the materials can cause the ring to flake off and flow separations to form on the thicker edge, which can cause the burner head to burn off.
  • the object of the present invention is therefore to provide a burner which is corrosion-resistant even at high temperatures.
  • the burner head consists of a material containing aluminum, at least in the area of the outlet ends of the gas supply channels.
  • Steel is expediently used as the base material, which is coated with aluminum or an aluminum compound.
  • the material, in particular steel can also contain aluminum as an alloy element.
  • the aluminum content of the material used provides protection against "metal dusting" and offers sufficient heat resistance.
  • a material made of an oxide dispersion strengthened superalloy a so-called ODS material, is used.
  • superalloys are metallic
  • Oxide dispersion hardened superalloys contain finely divided hardening particles, whereby high mechanical short and long-term strengths can be achieved up to temperatures of 1300 ° C.
  • aluminum By using aluminum as an alloying element
  • Superalloys are also guaranteed corrosion resistance even at high temperatures by forming a self-healing aluminum oxide protective layer.
  • a further development of the concept of the invention provides that the heat resistance of the burner is further increased by using the aluminum-containing material in connection with a special burner construction, which always ensures that the burner is adequately cooled by the gas flow alone.
  • a wing stabilizing the gas flow is provided as an essential element of such a burner construction in at least one of the gas supply channels.
  • the wing can be formed by a profiled body or by a flat body that is inclined against the flow, for example a baffle.
  • the flow can be influenced in a defined manner by using such a wing in at least one of the gas supply channels.
  • the flow velocity is increased in the channel between the wing and the wall of the gas feed line, and the flow is thus stabilized.
  • the detachment of flow threads and the formation of vortices when the gas streams meet immediately in front of the burner head are prevented.
  • the wing is preferably set back with respect to the outlet end of the gas supply channel. This has the advantage that the wing is located completely within the gas supply channel and is therefore only washed around by the gas flowing through this gas supply channel during operation. Due to the gas stream flowing around, the wing is cooled, in particular at its downstream end, and the hot reaction mixture of the two gas streams is prevented from coming into contact with the wing and damaging it.
  • Different flow rates are preferably provided for the two gas flows involved, since this promotes the mixing of the two gas flows.
  • the effect of the wing is particularly effective when the gas flow is stabilized at the lower speed by the wing. It has proven to be advantageous if the flow rate of the gases differ by at least 10%, preferably at least 20%.
  • the absolute flow velocities are preferably between 10 and 200 m / s and particularly preferably between 20 and 00 m / s.
  • the gas supply channels are advantageously made coaxial with one another. arranged gas supply pipes formed. At least one fuel gas supply pipe and one oxidant supply pipe are provided.
  • the fuel gas supply pipe preferably forms the outer pipe, which Surrounds oxidant feed pipe.
  • the absolute speed in the inner tube should be between 10 and 200 m / s and particularly preferably between 20 and 100 m / s, while the speed in the outer tube should be between 7 and 180 m / s and preferably between 16 and 80 m / s ,
  • the ratio of the velocities of oxidant flow and fuel flow should be in the range 0.8 to 1.8 and particularly preferably in the range 1.0 to 1.3.
  • At least one gas feed channel can be provided with means for generating a swirl flow. These means preferably have flow channels that are inclined tangentially to the direction of flow.
  • the means for generating a swirl flow can be designed to be adjustable in order to produce swirl flows of different strengths.
  • the burner can have means for cooling by a steam flow in the outside area.
  • the burner to the combustion chamber side z. B. be shielded by a diffuser or cylindrical tubular insulation against heat radiation.
  • the burner Due to the high temperature strength of the burner achieved with the invention, a cooling water circuit can be saved, which also reduces the susceptibility to accidents.
  • the burner is protected against the form of corrosion of "metal dusting" by the aluminum-containing materials, so that the service life of the burner increases significantly.
  • the special high-temperature resistance ensures that the burner does not melt even in the event of a fault without gas flow as long as the reactor temperatures are below 1400 ° C.
  • the burner according to the invention is particularly suitable for the chemical conversion of gaseous starting materials into a reaction product at very high levels
  • the figure shows a section through a burner head.
  • Two concentric gas supply pipes are arranged in the burner head.
  • the fuel is metered in the outer annular space 1 and the oxidant in the inner tube 2.
  • they are swirled by means of swirl bodies 3 and 4. So that the fuel gas flow is well in the outlet area 6, a slat 7 is attached to the inner ear, this ensures that sufficient cooling of the burner head, in particular in the outlet areas 5 and 6 of the gas supply pipes, is ensured solely by the gas flow.

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Abstract

Es wird ein Brenner mit einem Brennerkopf und in dem Brennerkopf angeordneten Gaszuführungskanälen beschrieben. Zur Verbesserung der Hitze und Korrosionsbeständigkeit des Brenners wird vorgeschlagen, dass der Brennerkopf zumindest im Bereich der Austrittsenden (5 und 6) der Gaszuführungskanäle (2 und 1) aus einem Aluminium enthaltenden Material besteht.

Description

Beschreibung
Gasbrenner
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkopf und in dem Brennerkopf angeordneten Gaszuführungskanälen.
Derartige Brenner werden beispielsweise bei der Verbrennung eines Brenngases mit einem sauerstoffhaltigen Gas in außenmischenden Brennern, d. h. in Brennern in denen das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas getrennt in eine Mischzone geführt und dort gezündet werden, verwendet. Beim Einsatz von Luft als sauerstoffhaltiges Gas werden die Brenner üblicherweise durch die angesaugte Luft gekühlt. Sofern technisch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zu Verbrennung eingesetzt wird, erfolgt die Kühlung meist mit Kühlwasser. Hierzu weist der Brenner in der Regel einen Kühlkanal an seiner Stirnseite auf und kann über eine außen angeschweißte Kühlwasserwendel mit Kühlwasser versorgt werden.
In der EP 0 868 394 B1 ist auch ein gasgekühlter Brenner beschrieben, an dem zum Schutz des Brennerkopfes vor zu hohen Temperaturen ein Ring aus Keramik oder Edelmetall fixiert ist.
Die Mischzone ist üblicherweise als Gasphasenreaktor ausgebildet, wobei eine Reaktortemperatur von 1300 bis 1500°C und eine mit Sauerstoff erzeugte Flammentemperatur von über 2000°C erreicht werden kann.
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 bei typischen Hochtemperaturstählen Temperaturzonen aus, in denen eine "Metal Dusting" genannte Korrosionsform auftritt, sodass ein Abtrag und somit eine Zerstörung des Brennermaterials erfolgt.
Andererseits ist bei gasgekühlten Brennern das Aufbringen eines Keramikringes auf den Brennerkopf ebenfalls mit Risiken verbunden, da durch die unterschiedliche Wärmedehnung der Materialien ein Abplatzen des Rings erfolgen kann und sich an der dickeren Kante Strömungsablösungen ausbilden, die zu einem Abbrennen des Brennerkopfes führen können.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen Brenner zur Verfügung zu stellen, der auch bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennerkopf zumindest im Bereich der Austrittsenden der Gaszuführungskanäle aus einem Aluminium enthaltenden Material besteht.
Dabei wird zweckmäßigerweise als Grundmaterial Stahl verwendet, der mit Aluminium oder einer Aluminiumverbindung beschichtet ist. Alternativ kann das Material, insbesondere Stahl auch Aluminium als Legierungselement enthalten. Der Aluminiumgehalt des verwendeten Materials sorgt für einen Schutz gegen "Metal Dusting" und bietet ausreichende Hitzebeständikeit.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Material aus einer oxiddispersionverfestigten Superlegierung, einem sogenannten ODS- Werkstoff, eingesetzt. Bei Superlegierungen handelt es sich um metallische
Werkstoffe, die eine besonders hohe Hitzebeständigkeit, insbesondere im Vergleich zu konventionellen Hochtemperaturlegierungen, aufweisen. Oxiddispersionverfestigte Superlegierungen enthalten feinverteilte Verfestigungsteilchen, wodurch bis zu Temperaturen von 1300°C hohe mechanische Kurz- und Langzeitfestigkeiten erzielt werden.. Durch Verwendung von Aluminium als Legierungselement bei
Superlegierungen wird darüberhinaus die Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen durch Ausbildung einer selbstheilenden Aluminiumoxid-Schutzschicht garantiert.
Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens sieht vor, die Hitzebeständigkeit des Brenners durch Verwendung des Aluminium enthaltenden Materials in Verbindung mit einer speziellen Brennerkonstruktion, die stets gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brenners erfolgt, weiter gesteigert wird. Als wesentliches Element einer solchen Brennerkonstruktion ist in mindestens einer der Gaszufuhrkanäle ein die Gasströmung stabilisierender Flügel vorgesehen. Der Flügel kann durch einen profilierten Körper oder durch einen ebenen Körper, der Schräg gegen die Strömung angestellt ist, beispielsweise ein Leitblech gebildet werden. Durch die Verwendung eines solchen Flügels in mindestens einer der Gaszufuhrkanäle kann die Strömung definiert beeinflusst werden. In dem Kanal zwischen dem Flügel und der Wand der Gaszuleitung wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit die Strömung stabilisiert. Das Ablösen von Strömungsfäden und die Entstehung von Wirbeln beim Zusammentreffen der Gasströme unmittelbar vor dem Brennerkopf wird verhindert. Die intensive
Durchmischung mit Wirbelbildung erfolgt verzögert, das heißt in einer gewissen Entfernung vom Brennerkopf. Eine Schädigung des Brennerkopfes durch mit den Wirbeln eingesaugte heiße Verbrennungsgase wird verhindert.
Vorzugsweise ist der Flügel gegenüber dem Austrittsende des Gaszuführungskanals zurückversetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich der Flügel vollständig innerhalb des Gaszuführungskanals befindet und damit im Betrieb nur von dem durch diesen Gaszufürungskanal strömenden Gas umspült wird. Durch den umspülenden Gasstrom wird der Flügel insbesondere an seinem stromabwärtigen Ende gekühlt und es wird verhindert, dass das heiße Reaktionsgemisch der beiden Gasströme mit dem Flügel in Berührung kommt und diesen schädigt.
Vorzugsweise werden für die beiden beteiligten Gasströme unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen, da dadurch die Vermischung der beiden Gasströme begünstigt wird. Die Wirkung des Flügels kommt insbesondere dann voll zur Geltung, wenn durch den Flügel der Gasstrom mit der geringeren Geschwindigkeit stabilisiert wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit der Gase um mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, unterscheiden. Die absoluten Strömungsgeschwindigkeiten liegen bevorzugt zwischen 10 und 200 m/s und besonders bevorzugt zwischen 20 und 00 m/s.
Vorteilhafter Weise sind die Gaszuführungskanäle aus koaxial zueinander . angeordneten Gaszuführungsrohren ausgebildet. Dabei sind mindestens ein Brenngaszuführungsrohr und ein Oxidationsmittelzuführungsrohr vorgesehen. Das Brenngaszuführungsrohr bildet bevorzugt das Außenrohr, das das Oxidationsmittelzufuhrrohr umgibt. In diesem Fall sollte die Absolutgeschwindigkeit im Innenrohr zwischen 10 und 200 m/s und besonders bevorzugt zwischen 20 und 100 m/s liegen, während die Geschwindigkeit im Außenrohr zwischen 7 und 180 m/s und bevorzugt zwischen 16 und 80 m/s betragen sollte. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Oxidationsmittelstrom und Brennstoffstrom sollte im Bereich 0,8 bis 1,8 und besonders bevorzugt im Bereich 1 ,0 bis 1,3 liegen. Aufgrund dieser empfohlenen Gasgeschwindigkeiten werden die Querschnitte der Gaszuführungsrohre festgelegt. Zur besseren Vermischung der Gasströme nach dem Austritt aus den Gaszuführungskanälen kann mindestens ein Gaszuführungskanal mit Mitteln zur Erzeugung einer Drallströmung versehen werden. Dabei weisen diese Mittel bevorzugt Strömungskanäle auf, die tangenzial gegen die Strömungsrichtung geneigt sind. Die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung können verstellbar ausgebildet sein, um unterschiedlich starke Drallströmungen zu erzeugen.
Zur weiteren Kühlung des Brenners kann der Brenner im Außenbereich, Mittel zur Kühlung durch einen Dampfstrom aufweisen. Außerdem kann der Brenner zur Brennraumseite hin z. B. durch einen Diffusor oder eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt sein.
Aufgrund der mit der Erfindung erzielten Hochtemperaturfestigkeit des Brenners kann ein Kühlwasserkreislauf eingespart werden, wodurch auch die Anfälligkeit bezüglich Störfällen verringert wird. Darüberhinaus ist der Brenner durch die aluminiumhaltigen Werkstoffe gegen die Korrosionsform des "Metal Dustings" geschützt, so dass sich die Standzeiten des Brenners deutlich erhöhen. Durch die besondere Hochtemperaturbeständigkeit ist auch in einem Störfall ohne Gasdurchströmung gewährleistet, dass der Brenner nicht schmilzt, solange die Reaktortemperaturen unter 1400°C liegen.
Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich insbesondere zur chemischen Umsetzung von gasförmigen Ausgangsstoffen in ein Reaktionsprodukt bei sehr hohen
Reaktionstemperaturen. Besonders bei der Vergasung von Kohlenwasserstoffen, die bei höheren Temperaturen mit Sauerstoff bzw. mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Reaktion gebracht werden, wird mit der Erfindung eine ausreichende Hochtemperaturbeständigkeit und Beständigkeit gegen Korrosion gewährleistet. im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Brennerkopf. Im Brennerkopf sind zwei konzentrische Gaszuführungsrohre angeordnet. Im äußeren Ringraum 1 wird im vorliegenden Außführungsbeispiel der Brennstoff und im Innenrohr 2 das Oxidationsmittel dosiert. Zur besseren Vermischung der Ströme werden diese mittels Drallkörper 3 und 4 verdrallt. Damit die Brenngasströmung im Austrittsbereich 6 gut anliegt, wird ein Vorflügel 7 am Innerohr befestigt, dadurch wird gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brennerkopfes, insbesondere in den Austrittsbereichen 5 und 6 der Gaszuführungsrohre, gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner mit einem Brennerkopf und in dem Brennerkopf angeordneten Gaszufuhrkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf zumindest in dem Bereich der Austrittsenden der Gaszufuhrkanäle aus einem Aluminium enthaltenden Material besteht.
2. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit Aluminium oder einer Aluminiumverbindung beschichtet ist.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit Aluminium legiert ist.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einer oxiddispersionsverfestigten Superlegierung (ODS-Material) besteht.
5. Brenner nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Gaszuführungskanäle ein die Gasströmung stabilisierender Flügel vorgesehen ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel gegenüber den Austrittsenden der Gaszuführungskanäle zurückversetzt ist.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Flügels verstellbar ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführungskanäle aus koaxial zueinander angeordneten Gaszuführungsrohren ausgebildet sind.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gaszuführungskanälen Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung vorgesehen sind.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Dralls Strömungskanäle aufweisen die tangenzial gegen die Strömungsrichtung geneigt sind.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte! zur Erzeugung eines Dralls in den Gaszuführungskanälen verstellbar sind, um unterschiedlich starke Drallströmungen zu erzeugen.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner im Außenbereich Mittel zur Kühlung durch einen Dampfstrom aufweist.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Brennraumseite hin durch einen Diffusor gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Brennraumseite hin durch eine zylindrische rohrför ige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.
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