WO2011095274A2 - Brenner - Google Patents

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Florian Reck
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    • F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
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    • F23D2900/00018—Means for protecting parts of the burner, e.g. ceramic lining outside of the flame tube

Definitions

  • the invention relates to a burner with a burner head in which at least a first and a second feed channel for the supply of reaction medium are arranged in a reaction zone.
  • Such burners are, for example, externally mixing burners, via which a fuel gas with an oxygen-containing gas separated into a
  • the burners are usually cooled by the supplied air. If technically pure oxygen or oxygen-enriched air is used for combustion, the cooling is usually done with cooling water.
  • the burner head usually has a cooling channel at its reaction zone end 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 against excessively high temperatures.
  • the reaction zone is usually in a gas phase reactor, with reactor temperatures of 1300 to 1500 ° C and oxygen generated
  • temperature zones can form, which in typical
  • Thermal expansion of the materials can occur a chipping of the ring and form at the thicker edge flow separation, which leads to a burning of the
  • Burning head can lead.
  • Object of the present invention is therefore to provide a burner available that is resistant to corrosion even at high temperatures.
  • the surface of at least the first supply channel is formed by an aluminum-containing material, while the surface of at least the second supply channel consists wholly or partly of an aluminum-free material.
  • An aluminum-containing material is to be understood as meaning a material whose aluminum content is> 0.5% by weight, while a material with a smaller aluminum content than aluminum-free is addressed.
  • a feed channel is one of stainless steel or iron
  • the aluminum-containing material which is aluminum or an aluminum compound, such as with aluminum oxide (Al 2 0 3 ), or a
  • Aluminum alloy is applied as a layer on the base material.
  • the base material may be uncoated, but then contains aluminum containing more than 0.5 wt% as an alloying element.
  • the aluminum content of the material used provides protection against "metal dusting" and provides sufficient heat resistance.
  • Aluminum-containing material is an oxide dispersion-strengthened superalloy, a so-called ODS material used.
  • Superalloys are Metallic materials which have a particularly high heat resistance, in particular compared to conventional high-temperature alloys.
  • Oxide dispersion strengthened superalloys contain finely divided
  • Hardening particles which up to temperatures of 1300 ° C high mechanical short and long-term strength can be achieved.
  • aluminum as an alloying element in superalloys
  • Corrosion resistance guaranteed even at high temperatures by forming a self-healing aluminum oxide protective layer.
  • a development of the inventive concept provides that the heat resistance of the burner by using the aluminum-containing material in conjunction with a special burner design, which always ensures that only by the gas flow sufficient cooling of the burner takes place, is further increased.
  • a flow stabilizing the flow of the reaction medium is provided in at least one of the supply channels.
  • the wing may be formed by a profiled body or a plane body which is inclined against the flow, for example a baffle.
  • the flow rate is increased, and the flow stabilized with it.
  • the detachment of flow filaments and the formation of vertebrae is thereby prevented.
  • the intensive mixing of different reaction media with vortex formation is delayed, that is at a certain distance from the burner head. Damage to the burner head by sucked with the vertebrae hot reaction gases is prevented.
  • the wing is set back from the exit end of the supply channel. This has the advantage that the wing is completely within the feed channel and thus only in operation by the latter
  • a supply channel is formed from one or two tubes. In the case of two tubes, these are preferably arranged coaxially with each other.
  • An inventive burner has at least one supply channel for the
  • the absolute velocity in the inner tube should be between 10 and 200 m / s, preferably between 20 and 100 m / s, while the velocity in the outer tube should be between 7 and 180 m / s and preferably between 16 and should be 80 m / s.
  • Oxidant stream and fuel gas stream should be in the range 0.8 to 1, 8 and more preferably in the range 1, 0 to 1, 3. Based on the recommended rates for the reaction media, the cross sections of the tubes forming the supply channels are established.
  • Supply channels may include at least one gas supply channel with means for
  • these means preferably flow channels, which are tangentially inclined to the flow direction.
  • the means for generating a swirl flow can be designed to be adjustable, in order to generate different swirling flows.
  • Cooling device via which at least one of the feed channels by means of steam or water is cooled.
  • the burner to the reaction zone z. B. by a diffuser or a cylindrical tubular insulation against
  • the figure shows a section through a burner head.
  • the burner head two concentric tubes for supplying reaction media are arranged.
  • the fuel gas and in the inner tube 2 the oxidizing agent is metered in the present embodiment.
  • the thermally higher loaded inner tube is made of an aluminum-containing material, while the outer tube of a

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkopf, in dem zumindest ein erster (2) und ein zweiter (1) Zuführungskanal für die Zuführung von Reaktionsmedium in eine Reaktionszone angeordnet sind. Die Oberfläche zumindest des ersten Zuführungskanals (2) ist wenigstens im Bereich des reaktionszonenseitigen Endes des Brennerkopfes durch ein Aluminium enthaltendes Material gebildet, während die Oberfläche zumindest des zweiten Zuführungskanals (1) aus einem aluminiumfreien Material besteht.

Description

Beschreibung
Brenner
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkopf, in dem zumindest ein erster und ein zweiter Zuführungskanal für die Zuführung von Reaktionsmedium in eine Reaktionszone angeordnet sind.
Bei derartigen Brennern handelt es sich beispielsweise um außenmischende Brenner, über die ein Brenngas mit einem sauerstoffhaltigen Gas getrennt in eine
Reaktionszone geführt und dort gezündet wird. Beim Einsatz von Luft als
sauerstoffhaltiges Gas werden die Brenner üblicherweise durch die zugeführte Luft gekühlt. Sofern technisch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zur Verbrennung eingesetzt wird, erfolgt die Kühlung meist mit Kühlwasser. Hierzu weist der Brennerkopf in der Regel einen Kühlkanal an seinem reaktionszonenseitigen Ende 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 Reaktionszone befindet sich üblicherweise in einem Gasphasenreaktor, wobei Reaktortemperaturen 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. Da es aus konstruktiven Gründen nicht immer möglich ist, jeden der Zuführungskanäle in einem Brennerkopf mit einer Wasserkühlung
auszuführen, können sich auch während eines störungsfreien Betriebs eines wassergekühlten Brenners Temperaturzonen ausbilden, die bei typischen
Hochtemperaturstählen eine "Metal Dusting" genannte Korrosionsform auftreten lassen, die zu einem Materialabtrag und langfristig zu einer Zerstörung des Brenners führt.
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 zumindest im Bereich des reaktionszonenseitigen Endes des Brennerkopfes die Oberfläche wenigstens des ersten Zuführungskanals durch ein Aluminium enthaltendes Material gebildet ist, während die Oberfläche zumindest des zweiten Zuführungskanals ganz oder teilweise aus einem aluminiumfreien Material besteht.
Unter einem Aluminium enthaltenden Material ist hierbei ein Material zu verstehen, dessen Aluminiumgehalt > 0,5Gew% ist, während ein Material mit einem kleineren Aluminiumgehalt als aluminiumfrei angesprochen wird.
Vorzugsweise ist ein Zuführungskanal von einem aus Edelstahl oder Eisen
bestehenden Grundmaterial umgeben. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Aluminium enthaltende Material, bei dem es sich um Aluminium oder eine Aluminiumverbindung, wie beispielsweise mit Aluminiümoxid (Al203), oder eine
Aluminiumlegierung handelt, als Schicht auf dem Grundmaterial aufgebracht ist.
Alternativ kann das Grundmaterial auch unbeschichtet sein, wobei es dann jedoch Aluminium mit einem Gehalt von mehr als 0,5Gew% als Legierungselement enthält. Der Aluminiumgehalt des verwendeten Materials sorgt für einen Schutz gegen "Metal Dusting" und bietet ausreichende Hitzebeständigkeit.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als
Aluminium enthaltendes Material eine oxiddispersionsverfestigte Superlegierung, ein so genannter ODS-Werkstoff, eingesetzt. Bei Superlegierungen handelt es sich um metallische Werkstoffe, die eine besonders hohe Hitzebeständigkeit, insbesondere im Vergleich zu konventionellen Hochtemperaturlegierungen, aufweisen.
Oxiddispersionsverfestigte 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 darüber hinaus 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 Zuführungskanäle ein die Strömung des Reaktionsmediums stabilisierender Flügel vorgesehen. Der Flügel kann durch einen profilierten Körper oder einen ebenen Körper, der schräg gegen die Strömung angestellt ist, beispielsweise ein Leitblech, gebildet sein. Durch die Verwendung eines solchen Flügels in mindestens einem der Zuführungskanäle kann die Strömung definiert beeinflusst werden. Zwischen dem Flügel und der Wand des Zuführungskanals wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, und die Strömung damit stabilisiert. Das Ablösen von Strömungsfäden und die Entstehung von Wirbeln wird dadurch verhindert. Die intensive Durchmischung unterschiedlicher Reaktionsmedien mit Wirbelbildung erfolgt verzögert, das heißt in einer gewissen Entfernung vom Brennerkopf. Eine Schädigung des Brennerkopfes durch mit den Wirbeln eingesaugte heißen Reaktionsgase wird verhindert.
Vorzugsweise ist der Flügel gegenüber dem Austrittsende des Zuführungskanals zurückversetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich der Flügel vollständig innerhalb des Zuführungskanals befindet und damit im Betrieb nur von dem durch diesen
Zuführungskanal strömenden Medium umspült und dadurch insbesondere an seinem stromabwärts gelegenen Ende gekühlt wird. Weiterhin wird verhindert, dass er mit heißen Reaktionsprodukten in Berührung kommt und dadurch beschädigt wird. Vorteilhafter Weise wird ein Zuführungskanal aus einem oder zwei Rohren gebildet. Im Falle von zwei Rohren sind diese vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet. Ein erfindungsgemäßer Brenner weist mindestens einen Zuführungskanal für die
Zuführung eines Brennstoffes und einen Zuführungskanal für die Zuführung eines Oxidationsmittels auf, wobei die beiden Zuführungskanäle durch zwei koaxial zueinander angeordnete Rohre gebildet sind, und der Spalt zwischen dem Innen- und dem Außenrohr den Zuführungskanal für den Brennstoff darstellt. Falls es sich bei dem Brennstoff um ein Gas handelt, sollte die Absolutgeschwindigkeit im Innenrohr zwischen 10 und 200 m/s, 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 Brenngasstrom sollte im Bereich 0,8 bis 1 ,8 und besonders bevorzugt im Bereich 1 ,0 bis 1 ,3 liegen. Aufgrund der empfohlenen Geschwindigkeiten für die Reaktionsmedien werden die Querschnitte der die Zuführungskanäle bildenden Rohre festgelegt.
Zur besseren Vermischung der Reaktionsmedien nach ihrem Austritt aus den
Zuführungskanälen kann mindestens ein Gaszuführungskanal mit Mitteln zur
Erzeugung einer Drallströmung versehen werden. Dabei weisen diese Mittel bevorzugt Strömungskanäle auf, die tangential gegen die Strömungsrichtung geneigt sind. Die Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung können verstellbar ausgebildet sein, um unterschiedlich starke Drallströmungen zu erzeugen.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners sieht eine
Kühleinrichtung vor, über die zumindest einer der Zuführungskanäle mittels Dampf oder Wasser kühlbar ist. Außerdem kann der Brenner zur Reaktionszone hin z. B. durch einen Diffusor oder eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen
Wärmestrahlung abgeschirmt sein. Aufgrund der Aluminium enthaltenden Materialien ist der erfindungsgemäße Brenner gegen die Korrosionsform des "Metal Dustings" geschützt, so dass die Standzeiten des Brenners gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht sind. Durch die besondere Hochtemperaturbeständigkeit ist auch in einem Störfall ohne Gasdurchströmung gewährleistet, dass der Brenner nicht schmilzt, solange die Reaktortemperaturen unter 1300°C liegen. Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich zur chemischen Umsetzung von
gasförmigen und/oder flüssigen und/oder festen Brennstoffen 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 Rohre zur Zuführung von Reaktionsmedien angeordnet. Im äußeren Ringraum 1 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Brenngas und im Innenrohr 2 das Oxidationsmittel dosiert. Das thermisch höher belastete Innenrohr besteht aus einem Aluminium enthaltenden Material, während das Außenrohr aus einem
aluminiumfreien Material besteht, wie es im Brennerbau zum Stand der Technik gehört. 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 Innenrohr befestigt, dadurch wird gewährleistet, dass allein durch die Gasströmung eine ausreichende Kühlung des Brennerkopfes, insbesondere in den Austrittsbereichen 5 und 6 der Zuführungskanäle, gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner mit einem Brennerkopf, in dem zumindest ein erster und ein zweiter Zuführungskanal für die Zuführung von Reaktionsmedium in eine Reaktionszone angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des reaktionszonenseitigen Endes des Brennerkopfes die Oberfläche wenigstens des ersten Zuführüngskanals durch ein Aluminium enthaltendes Material gebildet ist, während die Oberfläche zumindest des zweiten Zuführungskanals ganz oder teilweise aus einem aluminiumfreien Material besteht.
2. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Aluminium enthaltenden Material um Vollmaterial handelt.
3. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium
enthaltende Material als Schicht auf einem aluminiumfreien Grundmaterial aufgebracht ist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Aluminium enthaltenden Material um eine oxiddispersionsverfestigte Superlegierung (ODS-Material) handelt.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuführungskanal aus einem oder zwei Rohren gebildet ist.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf mit einer Kühleinrichtung versehen ist, über die zumindest einer der
Zuführungskanäle mittels Dampf oder Wasser kühlbar ist.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktionszonenseitige Ende des Brennerkopfes durch einen Diffusor gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktionszonenseitige Ende des Brennerkopfes durch eine zylindrische rohrförmige Isolierung gegen Wärmestrahlung abgeschirmt ist. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zu Umsetzung von gasförmigen und/oder flüssigen und/oder festen Brennstoffen einsetzbar ist.
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