Kompaktbrenner für einen Flugstromvergaser, bar einer

Flüssigkeitskühlung

Die Erfindung betrifft einen Kompaktbrenner für die Druckvergasung von Brennstäuben zur Erzeugung von Synthesegas.

In Reaktoren zur Flugstromvergasung von Brennstäuben unter erhöhtem Druck zu Synthesegas kommen Pilot- und Hauptbrenner für die Zuführung sämtlicher Medien zum Einsatz, die reakti- onsraumseitig mehrfach wassergekühlt sind. Die Wasserkühlun ^¬ gen sind durch Druckräume gegeben, die zum Reaktionsraum hin eine vergrößerte Angriffsfläche für die Brennerflamme und die heißen Gase aus dem Reaktor darstellen. Überwiegend durch An- und Abfahrvorgänge verursacht hat die reaktionsraumseitige Brennerspitze eine begrenzte Lebensdauer. Dabei erfordern be ^¬ sonders die mit Kühlwasser betriebenen und als geschlossene Druckräume ausgebildeten Brennerkühlteile einen hohen

Instandhaltungsaufwand bei den wiederkehrenden Brennerrepara ^¬ turen. Die verschiedenen zuzuführenden Medien, wie zum Beispiel Brenngas, Brennstaub und Oxidationsmittel , haben unter ^¬ schiedliche Temperaturen und erfordern baulich aufwendige Maßnahmen (z. B. Wellrohrkompensatoren) zur Aufnahme der un- terschiedlichen Dehnungen der Brennerkanalwände.

Aus der DE 102007040890 ist ein Kohlenstaubkombinationsbrenner mit integriertem Pilotbrenner bekannt. Aus der CN2688677Y ist eine Vergasungsdüse bekannt, bei der an der Verbindungsstelle zwischen Innenspritzrohr und Außen- spritzrohr eine Gleitdichtung zum Ausgleich von Längenänderungen angeordnet ist. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Brenner für die Druckvergasung von Brennstäuben zur Erzeugung von Synthesegas zu schaffen, dessen Brennerspitze ohne Zuführung einer Kühlflüssigkeit Standzeiten erreicht, wie herkömmliche

Flüssigkeits-gekühlte Brennerspitzen .

Das Problem wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Kühlung der Brennerdüsen durch aufwändige, wassergekühlte, geschlossene Druckteile wird ersetzt durch Betriebsmedien gekühlte Düsen, die konstruktiv entsprechend ausgestaltet sind.

Der für die bisherigen Wasserkühlungen der Brennerspitze erforderliche Aufwand kann anlagenseitig eingespart werden. Die Brennerdüsenteile werden durch generative Verfahren schichtweise aufgebaut und dabei weitgehend endgefertigt.

Das für den schichtweisen Aufbau eingesetzte Verfahren verwendet ein metallisches Pulver, das partiell mittels Laser- strahl verschmolzen wird, das überschüssige Pulver abschlie ^¬ ßend entfernt wird und die gewünschte Bauteilkontur abschlie ^¬ ßend entnommen werden kann.

Bei dem generativen Herstellungsverfahren handelt es sich um das SLM-Verfahren (Selektive Laser Melting) .

Gegenüber dem bisherigen spanenden Herstellungsverfahren aus Schmiedeteilen wird der Fertigungsaufwand für die Brennerdü ^¬ sen um mehr als 80 % gesenkt.

Durch den Einsatz des Laser Melting Prozesses als Fertigungsverfahren für die Düsenteile können durch konventionelle Me ^¬ thoden nicht oder nur sehr schwer herstellbare Konturen in zufriedenstellender Qualität erzeugt werden, wie beispiels- weise enge Medienkanäle oder der ca. 0,7 mm große, der ge ^¬ knickten Düsenkontur folgende Kanal für einen Temperatursensor . Mittels Einbringung von Temperatursensoren an den Brennerdüsenteilen in einer im Normalbetrieb relativ geschützten Position können Rückschlüsse auf die Prozessbedingungen an der Brennerspitze und den Verschleißzustand gewonnen werden.

Durch die Ausführung dünnwandiger Düsenteile wird neben deren guter Kühlung durch die Betriebsmedien eine Optimierung der Vermischung der reagierenden Medien und damit des Umsatzes von Brennstoff und Oxydationsmittel erreicht.

Zur Einstellung auf wechselnde Brennstoffe ist die Anpassung des Dralls des Oxydationsmittels von Vorteil, was hier durch Einbringung einer Trennwand in den Oxydationsmittelkanal er ^¬ reicht wird. Dabei kann in einem Kanal das Medium axial unverdrallt und im anderen durch Leitbleche- oder schaufeln verdrallt der Brennerspitze zugeführt werden. Durch die Men ^¬ genregelung der beiden Teilströme kann an der Brennerdüse der gewünschte resultierende Drall eingestellt werden. Der Einsatz von Gleitführungen mit Abdichtung an den Düsen zwischen den Medien befreit die Bauteile von Spannungen aus behinderter Wärmedehnung und beseitigt den Aufwand für Zu- satzmaßnahmen wie Dehnungskompensatoren in den Medienkanal- wänden .

Durch übliches Anschweißen ohne weitere Druckprüfungen wird im Instandhaltungsfall der Düsenwechsel weitgehend verein ^¬ facht . Die Einhaltung der technischen Regularien des Druckbehälterbaues kann entfallen und somit entsteht eine Kostensenkung für Neubau und Reparaturfall des Brenners.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter- ansprüchen angegeben. Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Fig 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen mediengekühlten Brennerspitze,

Fig 2 die Anordnung eines Sensors (10) nahe der Brennerspit ^¬ ze,

Fig 3 einen Hauptbrenner mit Trennwand (12) in dem Oxydati- onsmittelkanal (14),

Fig 4 eine konisch zulaufende Brennerspitze mit zylindrisch geformten Endstücken (16) der Düsenteile und

Fig 5 eine die Brennerspitze umschließende, Wasser-gekühlte äußere Brennerbaugruppe (13).

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente .

In Fig 1 ist der prinzipielle Aufbau einer mediengekühlten Brennerspitze gezeigt, deren Angriffsfläche (1) reaktions- raumseitig reduziert ist. Die Düsenteile (2, 3, 4, 5) sind so gestaltet, dass sie mittels einer definierten Spülgasmenge, wie zum Beispiel Stickstoff, oder durch ein Betriebsmedium, wie zum Beispiel Brenngas oder Oxidationsmittel , ausreichend gekühlt werden. Sie sind keine Teile eines Druckbehälters mehr und in ihrer Form an die kostengünstige Fertigung mittels generativer Verfahren wie dem SLM-Verfahren (Selektive Laser Melting) angepasst. Die bisherige material- und zeit ^¬ aufwendige, zerspanende Herstellung aus Schmiedeteilen wird weitgehend reduziert. Die medienbedingte unterschiedliche Wärmedehnung der die einzelnen Brennerkanäle abtrennenden Rohre (6) ist unbehindert an den Gleitführungen (7) der Brennerdüsen spannungsfrei möglich und benötigt keine Dehnungs ^¬ ausgleicher zur Kompensation mehr. Über Dichtungen (8) wird eine zu frühe Vermischung der Medien an den Gleitführungen

(7) im Brenner verhindert. Konstruktiv wird durch die kompakten Düsen (2) und (4) gesichert, dass die für die Zuführung des Oxydationsmittels besonders wichtigen reaktionsseitigen Austrittskonturen unabhängig von Änderungen durch thermische Dehnungen der Rohre (6) der Medienkanäle sind.

Durch den Einsatz des SLM-Herstellungsverfahrens der Düsen ist die Erzeugung sehr enger, insbesondere auch geknickter

Kanäle, wie an der Pilotbrennerdüse (2), in ausreichender Ge ^¬ nauigkeit und Oberflächenqualität möglich, wie sie konventio ^¬ nell nicht oder nur sehr aufwendig herstellbar sind. Die An ^¬ ordnung eines integrierten Drallkörpers (9) bringt zum Einen eine Verbesserung der Funktion des Brenners und zum Anderen eine Verlängerung der Standzeit der Düse durch eine gute me- dienseitige Kühlung.

Des Weiteren kann in der Düse in Nähe zur Brennerspitze ein Sensor (10) zur Temperaturüberwachung angeordnet sein, der sowohl Rückschlüsse auf die thermische Belastung und den Ver ^¬ schleißzustand des Brenners als auch auf den aktuellen Be ^¬ triebszustand des Vergasungsreaktors zulässt (Fig 2). Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig 3 die Einführung einer Trennwand (12) in den Oxydationsmittelkanal des Haupt ^¬ brenners gezeigt. Über je einen Zuführungsstutzen im hinteren Brennerbereich wird beiden Kanälen das Medium mengengeregelt zugeführt. Der äußere der beiden Kanäle erhält im Düsenbe- reich eine angepasste Drallvorrichtung (11), die diesem Strom eine drehende Bewegung aufprägt. Der resultieren Winkel des gesamten austretenden Medienstromes zur Brennerachse kann so ^¬ mit über die Regelung der beiden Teilvolumenströme einge ^¬ stellt werden. Als Drallvorrichtung kann dabei beispielsweise ein auf der Trennwand befestigtes, spiralförmig geformtes

Leitblech oder in einem Winkel angestellte Leitschaufeln zum Einsatz kommen.

Als Ausführungsvarianten zur Beeinflussung der Flammenausbil- dung und der Gesamtfunktion des Brenners zeigt Fig 4 in analoger Weise gefertigte Düsenteile mit zylindrisch geformten Endstücken (16). Fig 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gesamten Kompakt ^¬ brenners mit mittels SLM-Verfahren hergestellten, funktions ^¬ bestimmenden Mediendüsenteilen, die von den Betriebsmedien gekühlt werden und einer umschließenden wassergekühlten äuße- ren Brennerbaugruppe 13 für den Einsatz bei der Druckverga ^¬ sung von staubförmig eingetragenen Kohlen 15 und anderen Brennstoffen zur Erzeugung von Synthesegas.

Bezugs zeichenliste

1 Brennerfläche reaktionsraumseitig

2 Pilotbrennerdüse

3, 4, 5 Hauptbrenner-Düsenteile, Konus-förmig

6 Rohre zur Bildung der ringförmigen Medienkanäle

7 Gleitführungen der Düsen

8 Dichtung

9 Drallkörper zur Aufprägung einer Drehbewegung auf gesamten Medienstrom

10 Sensor zur Temperaturmessung

11 Drallkörper für Medien-Teilstrom

12 Trennwand

13 Äußere, wassergekühlte Brennerbaugruppe

14 Oxidationsmittel

15 Zuführung Brennstaub

16 Düsenteile mit zylindrischem Medienaustritt