WO2009074424A1 - Pilot burner for universal use of combustion gas - Google Patents

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Dietmar Degenkolb
Horst Hoppe
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/22—Pilot burners

Definitions

  • the subject of the application relates to a pilot burner for a reactor, in particular reactor for entrained flow gasification.
  • pilot burners For the commissioning and operation of entrainment gasifiers with cooling shield as well as bricked reactor types, pilot burners must be used for safety reasons.
  • the pilot burner is operated up to 7 MPa overpressure with different fuel gases and oxygen or oxygen-containing gas and is equipped with a special ignition device and a flame monitoring device.
  • the ignition device includes a flameproof and electrically insulated Zundschreibs terme- leadership, laid in the fuel gas chamber of the burner ignition cable and the ignition electrode at the burner mouth. If, due to the type of construction, the ignition voltage lead-in comes into contact with the pilot gas, the temperature of the pilot gas is limited to the operating temperature of the Zundlogiesssel, for example 60-80 ° C. A further limitation arises under these conditions and the use of liquid gas (for example butane) and pressures above 4 MPa (40 bar), since partial condensation must be assumed.
  • the invention is based on the problem of designing a pilot burner in such a way that, with regard to its overall height, a largely reduced temperature load on the ignition voltage feedthrough and its materials as well as a high degree of reliability are achieved.
  • the ignition cable is either (Fig 2) introduced by a suitable sealing unit in the fuel gas channel or (Fig 1) completely laid in a purged with inert gas protective tube in this.
  • the pilot burner can also be used for complicated combustion gases with regard to temperature and material compatibility.
  • the Zündnapsts By arranging the Zündbeginns die element of the pilot burner for all use variants in relation to the respectively available Fuel gas universally applicable.
  • the otherwise desired solution development of a heat-resistant implementation with currently material-side completely open material issues and their regulatory approval can be avoided.
  • FIG. 1 shows a pilot burner according to the invention, in which the ignition cable is completely laid in a purged with inert gas protective tube in this and
  • FIG 2 shows a pilot burner according to the invention, in which the ignition cable is introduced through a sealing unit in the fuel gas channel.
  • the pilot burner for a fly-back reactor shown in FIG. 1 has a central optical channel, which is essentially constructed by a pipe construction and is open on the side facing the burner mouth and carries optical flame monitoring on the side facing away from the burner mouth.
  • the optical channel is enclosed on the burner end by an annular channel, which serves as a fuel gas channel.
  • the fuel gas channel is surrounded by an annulus, the supply of an oxidizing agent, in particular oxygen, serves to form a combustible fuel gas / oxygen mixture using a nozzle arranged on the burner mouth.
  • a first chamber closest to the optical flame monitor is arranged, which is connected in a gas-permeable manner to the optical channel.
  • a second chamber disposed in the burner head is located with respect to the first Chamber closer to the burner mouth and is connected to the fuel gas channel.
  • the pilot burner has a Zundschreibs scrfuh- on the head side, which is able to perform a high voltage from the outside prevailing ambient pressure in the high pressure region of the first chamber.
  • the ignition cable is guided into and connected to the region of the burner mouth facing the end of the optical channel.
  • the end of the optical channel facing the burner mouth is suitably insulated, for example by means of a ceramic tube intermediate piece, from the rest of the pilot burner and has at its tip an ignition electrode which acts according to the principle of a spark plug.
  • the ignition cable is surrounded by a protective tube from the first chamber to the region of the connection to the optical channel, through which a portion of the inert gas located in the first chamber can flow.
  • the pilot burner can be connected pressure-tight with the gasification reactor.

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Abstract

In the case of a pilot burner for starting and operating a flight power reactor, the chamber adjoining the ignition voltage device is subjected to cold nitrogen and not to hot pilot gas, as a result of which the temperature loading of the ignition voltage leadthrough, which receives the difference in pressure between atmospheric pressure and reactor pressure, is minimized. The nitrogen serves as a flushing gas for the optical flame-monitoring channel and is guided into the flame-monitoring channel. The pilot gas is supplied to a second chamber, which is arranged downstream in position from the first chamber with regard to the ignition voltage leadthrough, and is conducted from there into the combustion gas channel. Special refinements relate to the sealing of the ignition cable between the first chamber and the second chamber and to the guiding of the ignition cable in a protective tube flushed with nitrogen.

Description

Beschreibungdescription
Pilotbrenner für universellen BrenngaseinsatzPilot burner for universal fuel gas use
Der Anmeldungsgegenstand betrifft einen Pilotbrenner für einen Reaktor, insbesondere Reaktor zur Flugstromvergasung.The subject of the application relates to a pilot burner for a reactor, in particular reactor for entrained flow gasification.
Für die Inbetriebnahme und Betrieb von Flugstromvergasern mit Kuhlschirm sowie ausgemauerten Reaktortypen sind schon aus Sicherheitsgründen Pilotbrenner einzusetzen. Der Pilotbrenner wird bis 7 MPa Überdruck mit verschiedenen Brenngasen und Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas betrieben und ist mit einer speziellen Zündvorrichtung und einer Flammenuberwa- chungseinrichtung ausgerüstet. Zur Zündvorrichtung gehören eine druckfeste und elektrisch isolierte Zundspannungsdurch- fuhrung, ein im Brenngasraum des Brenners verlegtes Zündkabel und die Zundelektrode am Brennermund. Kommt die Zundspan- nungsdurchfuhrung bauartbedingt mit dem Pilotgas in Berührung, so ist die Temperatur des Pilotgases auf die Einsatz- temperatur der Zundspannungsdurchfuhrung von beispielsweise 60-80°C begrenzt. Eine weitere Einschränkung ergibt sich unter diesen Bedingungen und Verwendung von Flüssiggas (z.B. Butan) sowie Drucken oberhalb 4 MPa (40 bar), da von partieller Kondensation ausgegangen werden muss.For the commissioning and operation of entrainment gasifiers with cooling shield as well as bricked reactor types, pilot burners must be used for safety reasons. The pilot burner is operated up to 7 MPa overpressure with different fuel gases and oxygen or oxygen-containing gas and is equipped with a special ignition device and a flame monitoring device. The ignition device includes a flameproof and electrically insulated Zundspannungsdurch- leadership, laid in the fuel gas chamber of the burner ignition cable and the ignition electrode at the burner mouth. If, due to the type of construction, the ignition voltage lead-in comes into contact with the pilot gas, the temperature of the pilot gas is limited to the operating temperature of the Zundspannungsdurchfuhrung, for example 60-80 ° C. A further limitation arises under these conditions and the use of liquid gas (for example butane) and pressures above 4 MPa (40 bar), since partial condensation must be assumed.
Stand der Technik ist der Einsatz von Brenngasen mit Betriebstemperaturen unterhalb der begrenzenden Auslegungstemperatur der Zundspannungsdurchfuhrung. Diese Vorrichtung stellt eine spezielle Entwicklung für diesen Einsatzfall dar und ist in ihren Einsatzmoglichkeiten (Temperatur, Medienver- traglichkeit) durch die verwendeten Materialien begrenzt.The prior art is the use of fuel gases with operating temperatures below the limiting design temperature Zundspannungsdurchfuhrung. This device represents a special development for this application and is limited in its possible uses (temperature, media compatibility) by the materials used.
Aus der DE 4025852 Al ist eine Zund- und Uberwachungsvorrich- tung für Brenner bekannt, bei der die Zundspannungsdurchfuh- rung reaktorseitig mit Inertgas beaufschlagt ist. Bei dieser Zund- und Uberwachungsvorrichtung erfolgt die Flammenuberwa- chung über ein Bündel von Lichtleitfasern, die wiederum die Zundspannungsleitung elektrisch isolierend aufnehmen. Im Lau- fe des Betriebes kann es auf der der Flamme zugewandten Stirnfläche der Lichtleitfasern durch Verbrennungsrückstände und durch Hitzebeanspruchung zu Trübungen kommen, die die Flammenüberwachung beeinträchtigen .From DE 4025852 Al a Zund- and Uberwachungsvorrich- device for burners is known in which the Zundspannungsdurchfuh- tion reactor side is acted upon with inert gas. In this ignition and monitoring device, the flame monitoring takes place via a bundle of optical fibers, which in turn receive the ignition voltage line in an electrically insulating manner. In the meantime fe of operation may occur on the flame-facing end face of the optical fibers by combustion residues and heat stress turbidity, which affect the flame monitoring.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Pilotbrenner so auszugestalten, dass in Bezug auf seine Bauhöhe eine weitgehend heruntergesetzte Temperaturbelastung der Zündspannungsdurchführung und ihrer Materialien sowie eine hohe Zu- verlässigkeit erzielt werden.The invention is based on the problem of designing a pilot burner in such a way that, with regard to its overall height, a largely reduced temperature load on the ignition voltage feedthrough and its materials as well as a high degree of reliability are achieved.
Das Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved by the features of claim 1.
Durch die konstruktive Gestaltung des Pilotbrenners ist eine Trennung der temperaturbegrenzenden Zündspannungsdurchführung vom „heißen" Pilotgas gegeben. Dies erfolgt durch Beaufschlagung der sich an die Zündspannungsvorrichtung anschließenden Kammer mit „kaltem" Stickstoff, wobei eine Beaufschlagung der Zündspannungsdurchführung mit „heißem" Pilotgas vermieden ist. Der hierfür notwendige Stickstoff dient als Spülgas für den optischen Kanal der Flammenüberwachung und wird durch konstruktive Ausgestaltungen über die sich der Zündspannungsvorrichtung anschließenden Kammer direkt in den optischen Kanal der Flammenüberwachung geführt. Das Pilotgas wird örtlich nachgeordnet über einen zweiten Anschluss und eine zweiteDue to the design of the pilot burner, a separation of the temperature-limiting ignition voltage leadthrough from the "hot" pilot gas is achieved by applying the "cold" nitrogen chamber to the ignition voltage device, avoiding the ignition voltage feed-through with "hot" pilot gas Necessary nitrogen serves as a purge gas for the optical channel of the flame monitoring and is guided by constructive configurations via the chamber adjoining the ignition voltage device directly into the optical channel of the flame monitoring system The pilot gas is locally downstream via a second connection and a second
Kammer in den Brenngaskanal geleitet. Das Zündkabel wird dabei entweder (Fig 2) durch eine geeignete Abdichteinheit in den Brenngaskanal eingeleitet oder (Fig 1) vollständig in einem mit Inertgas gespülten Schutzrohr in diesem verlegt. Durch beide Lösungen ist der Pilotbrenner weitgehend unabhängig vom einzusetzenden Brenngas.Chamber directed into the fuel gas channel. The ignition cable is either (Fig 2) introduced by a suitable sealing unit in the fuel gas channel or (Fig 1) completely laid in a purged with inert gas protective tube in this. Through both solutions, the pilot burner is largely independent of the fuel gas to be used.
Durch die vorgestellte Lösung kann der Pilotbrenner auch für komplizierte Brenngase bzgl. Temperatur und Materialverträg- lichkeit eingesetzt werden. Durch die Anordnung der Zündspannungsdurchführung am Inertgasraum ist der Pilotbrenner für alle Einsatzvarianten in Bezug auf das jeweils verfügbare Brenngas universell einsetzbar. Die ansonsten anzustrebende Lösungsentwicklung einer warmfesten Durchführung mit derzeit materialseitig völlig offenen Materialfragestellungen und deren behördliche Zulassung kann vermieden werden.Due to the presented solution, the pilot burner can also be used for complicated combustion gases with regard to temperature and material compatibility. By arranging the Zündspannungsdurchführung the inert gas space of the pilot burner for all use variants in relation to the respectively available Fuel gas universally applicable. The otherwise desired solution development of a heat-resistant implementation with currently material-side completely open material issues and their regulatory approval can be avoided.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the subject of the application are specified in the dependent claims.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment in a scope necessary for understanding with reference to figures. Showing:
Fig 1 einen erfindungsgemäßen Pilotbrenner, bei dem das Zündkabel vollständig in einem mit Inertgas gespülten Schutzrohr in diesem verlegt ist und1 shows a pilot burner according to the invention, in which the ignition cable is completely laid in a purged with inert gas protective tube in this and
Fig 2 einen erfindungsgemäßen Pilotbrenner, bei dem das Zündkabel durch eine Abdichteinheit in den Brenngaskanal eingeleitet ist.2 shows a pilot burner according to the invention, in which the ignition cable is introduced through a sealing unit in the fuel gas channel.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente .In the figures, like names denote like elements.
Der in Figur 1 dargestellte Pilotbrenner für einen Flugstromreaktor weist einen zentralen, im Wesentlichen durch eine Rohrkonstruktion ausgeführten, optischen Kanal auf, der auf der dem Brennermund zugewandten Seite offen ist und auf der dem Brennermund abgewandten Seite eine optische Flammenüberwachung trägt. Der optische Kanal ist brennermundseitig von einem Ringkanal umschlossen, der als Brenngaskanal dient. Der Brenngaskanal ist von einem Ringraum umgeben, der der Zuführung eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, dient zur Bildung eines brennfähigen Brenngas-/Sauerstoffgemisches unter Verwendung einer am Brennermund angeordneten Düse.The pilot burner for a fly-back reactor shown in FIG. 1 has a central optical channel, which is essentially constructed by a pipe construction and is open on the side facing the burner mouth and carries optical flame monitoring on the side facing away from the burner mouth. The optical channel is enclosed on the burner end by an annular channel, which serves as a fuel gas channel. The fuel gas channel is surrounded by an annulus, the supply of an oxidizing agent, in particular oxygen, serves to form a combustible fuel gas / oxygen mixture using a nozzle arranged on the burner mouth.
In dem Pilotbrennerkopf ist eine der optischen Flammenüberwachung nächstgelegene erste Kammer angeordnet, die mit dem optischen Kanal gasdurchlässig verbunden ist. Eine zweite in dem Brennerkopf angeordnete Kammer liegt bezüglich der ersten Kammer naher am Brennermund und ist mit dem Brenngaskanal verbunden .In the pilot burner head, a first chamber closest to the optical flame monitor is arranged, which is connected in a gas-permeable manner to the optical channel. A second chamber disposed in the burner head is located with respect to the first Chamber closer to the burner mouth and is connected to the fuel gas channel.
Der Pilotbrenner weist kopfseitig eine Zundspannungsdurchfuh- rung auf, die eine Hochspannung aus dem außen herrschenden Umgebungsdruck in den Hochdruckbereich der ersten Kammer durchzufuhren vermag. Das Zündkabel ist bis in den Bereich des dem Brennermund zugewandten Endes des optischen Kanals gefuhrt und mit diesem verbunden. Das dem Brennermund zuge- wandte Ende des optischen Kanals ist in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines keramischen Rohrzwischenstucks gegenüber dem restlichen Pilotbrenner isoliert und weist an seiner Spitze eine Zundelektrode auf, die nach dem Prinzip einer Zündkerze wirkt. Das Zündkabel ist von der ersten Kam- mer bis zum Bereich der Verbindung mit dem optischen Kanal von einem Schutzrohr umgeben, das durch einen Teil des in der ersten Kammer befindlichen Inertgas durchströmt werden kann. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Spannungsdurchfuhrung von der das heiße Brenngas fuhrenden zweiten Kammer durch die das kalte Inertgas fuhrende erste Kammer raumlich getrennt, wodurch die Temperaturbelastung der Zundspannungsdurchfuhrung durch das Brenngas weitgehend reduziert ist.The pilot burner has a Zundspannungsdurchfuh- on the head side, which is able to perform a high voltage from the outside prevailing ambient pressure in the high pressure region of the first chamber. The ignition cable is guided into and connected to the region of the burner mouth facing the end of the optical channel. The end of the optical channel facing the burner mouth is suitably insulated, for example by means of a ceramic tube intermediate piece, from the rest of the pilot burner and has at its tip an ignition electrode which acts according to the principle of a spark plug. The ignition cable is surrounded by a protective tube from the first chamber to the region of the connection to the optical channel, through which a portion of the inert gas located in the first chamber can flow. As can be seen from the figure, the passage of voltage from the hot combustible gas leading second chamber is spatially separated by the cold inert gas leading first chamber, whereby the temperature load of Zundspannungsdurchfuhrung is largely reduced by the fuel gas.
Über einen Brennerflansch, der etwa auf halber Bauhohe des Pilotbrenners angeordnet ist, kann der Pilotbrenner mit dem Vergasungsreaktor druckdicht verbunden werden.About a burner flange, which is located approximately halfway up the pilot burner, the pilot burner can be connected pressure-tight with the gasification reactor.
Bei der Ausfuhrungsform nach Figur 2 ist auf das Schutzrohr verzichtet, wobei an der Durchfuhrungsstelle des Zündkabels zwischen der ersten und der zweiten Kammer eine Abdichteinheit zur Vermeidung von Uberstromungen zwischen den beiden Kammern angeordnet ist. In the embodiment of Figure 2 is dispensed with the protective tube, wherein at the point of execution of the ignition cable between the first and the second chamber, a sealing unit to prevent overcurrents between the two chambers is arranged.

Claims

Patentansprüche claims
1. Pilotbrenner für einen Reaktor, insbesondere Reaktor zur Flugstromvergasung, mit - einer optischen Flammenüberwachung,1. pilot burner for a reactor, in particular reactor for entrained flow gasification, with - an optical flame monitoring,
— einer druckfesten und elektrisch isolierten Zündspannungsdurchführung,- a pressure-resistant and electrically isolated ignition voltage feed-through,
— einer ersten Kammer, die sich der Zündspannungsdurchführung unmittelbar anschließt und die mit einem Inertgas beaufschlagt ist und- A first chamber which immediately adjoins the Zündspannungsdurchführung and which is acted upon with an inert gas and
— einer zweiten Kammer, über die Brenngas einem Brenngaskanal zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass- A second chamber via which fuel gas can be supplied to a fuel gas channel, characterized in that
— die zweite Kammer der ersten Kammer in Richtung des Brennermundes nachgeordnet angeordnet ist,The second chamber of the first chamber is arranged downstream of the burner mouth,
— die Flammenüberwachung mit einem Inertgas-gespülten optischen Kanal gebildet ist,The flame monitoring is formed with an inert-gas-purged optical channel,
— über die erste Kammer das Inertgas dem optischen Kanal zuführbar ist und — die Zündspannungsdurchführung über ein Zündkabel mit dem isolierten Rohrabschnitt des optischen Kanals verbunden ist .- Via the first chamber, the inert gas can be supplied to the optical channel and - the Zündspannungsdurchführung is connected via an ignition cable to the insulated pipe section of the optical channel.
2. Pilotbrenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zündkabel zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer durch eine Abdichteinheit, die eine gasdichte Abdichtung zwischen den Kammern bewirkt, geführt ist.2. pilot burner according to claim 1, characterized in that the ignition cable between the first chamber and the second chamber by a sealing unit, which causes a gas-tight seal between the chambers, is guided.
3. Pilotbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadu rch ge kenn z e i chne t , da s s das Zündkabel zwischen der ersten Kammer und der Kontaktie- rungsstelle des Zündkabels mit dem isolierten Rohrabschnitt des optischen Kanals in einem Schutzrohr geführt ist.3. Pilot burner according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition cable between the first chamber and the contact point of the ignition cable with the insulated pipe section of the optical channel is guided in a protective tube s.
4. Pilotbrenner nach Anspruch 3 dadu rch ge kenn z e i chne t , da s s das Schutzrohr von dem Inertgas durchströmbar ausgebildet ist .4. Pilot burner according to claim 3, characterized in that ss the protective tube is formed by the inert gas permeable.
5. Pilotbrenner nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrenner derart ausgestaltet ist, dass von dem der ersten Kammer zugeführten Inertgas eine erste Teilmenge den optischen Kanal durchströmt und eine zweite Teilmenge das5. pilot burner according to claim 4, characterized in that the pilot burner is configured such that from the first chamber supplied inert gas, a first subset flows through the optical channel and a second subset the
Schutzrohr durchströmt. Protective tube flows through.
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