DE102015226566A1

DE102015226566A1 - Abgeknickter Hauptbrenner

Info

Publication number: DE102015226566A1
Application number: DE102015226566.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meissner; Dietmar Degenkolb; Thomas Fleischer; Matthias Köhler
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017108484A1; US20180363895A1; US10746395B2; CN108431498A; CN108431498B; DE112016005934A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner für eine Mehrbrenneranordnung in einem Flugstromvergaser, bei dem der Vergasungsbrenner 1 sich entlang einer Hauptachse 15 erstreckt und bei dem die Medien für die Vergasungsreaktion im Vergasungsbrenner in gesonderten Medienkanälen 2, 3 geführt sind und am Brennermund 22 in einer Richtung 16 austreten, die einen von Null verschiedenen Winkel 17 zur Hauptachse 15 aufweist. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vergasungsbrenners vereint die Vorteile einer senkrechten Montage mit einer optimal anpassbaren Flammenform. Je nach Ausrichtung der Brenner kann die Flammenform angepasst werden, sei es ein minimierter Gesamtflammendurchmesser für eine Erstbeschlackung des Kühlschirms oder eine Erhöhung des Gesamtdralls der Gesamtflamme für eine erhöhte Partikelabscheidung an der Reaktorwand. Bei vorhandenen Flugstromvergasern ist der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner mit abgeknickter Brennerspitze mit geringem Aufwand im Rahmen einer Nachrüstung einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner für eine Mehrbrenneranordnung in einem Flugstromvergaser zum Betrieb mit staubförmigen oder flüssigen Brennstoffen, bei Drücken zwischen Umgebungsdruck und 8 MPa, Vergasungstemperaturen zwischen 1200 und 1900°C, sowie mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel.
Vergasungsreaktoren mit Kühlschirm werden bei der Flugstromvergasung sowohl mit einzelnem Kombinationsbrenner als auch mit mehreren Einzelbrennern eingesetzt. Bei einem Kombinationsbrenner wird mit zunehmender Reaktorleistung die Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff auf Grund der steigenden Spaltbreiten zunehmend schwieriger. Für große Reaktoren werden daher mehrere Einzelbrenner bevorzugt.
Die Anordnung der Einzelbrenner und die Verdrallung der Vergasungsmedien bei ihrem Austritt am Brennermund beeinflussen die Flammengestalt und die Umsetzung des Brennstoffes sowie die dazu erforderliche Reaktorgeometrie.
Schräg angestellte Einzelbrenner mit Ausrichtung auf die Reaktormitte sind für die Minimierung des Reaktordurchmessers und eine erleichterte Zündbarkeit der Einzelbrenner durch einen zentral angeordneten Pilotbrenner vorteilhaft.
Die Erzeugung einer Drehrichtung der Gesamtflamme zur Optimierung der Schlackeabscheidung an der Kühlschirmwand ist bei mehreren Einzelbrennern durch die zwangsläufig gegenläufige Drehrichtung der Medien benachbarter Einzelbrenner schwierig. Außermittig angestellte Einzelbrenner können den Drehimpuls der Gesamtflammen steigern.
Aus der DE 102006059149 ist ein Flugstromvergaser bekannt, bei dem mehrere Einzelbrenner schräg angestellt und außermittig verkippt angeordnet sind.
Die Montage von schräg angeordneten Einzelbrennern kompliziert sich mit zunehmender Reaktorgröße und birgt die Gefahr, dass der Brenner sich verklemmt aber auch verbogen wird. Aufgrund dieser Nachteile werden bislang senkrecht ausgerichtete und montierbare Brenner eingesetzt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine konstruktive Ausgestaltung für einen Brenner und einen Flugstromvergaser anzugeben, die die Vorteile von schräg ausgerichteten Brennern mit einer einfachen Montierbarkeit vereinen.
Die Aufgabe wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner 1 erstreckt sich mit Masse entlang einer Hauptachse (Englisch: main-axis) 15, wobei die Medien für die Vergasungsreaktion im Vergasungsbrenner in gesonderten Medienkanälen 2, 3 geführt sind und am Brennermund in einer Richtung 16 austreten, die einen von Null verschiedenen Winkel 17 zur Hauptachse 15 aufweist. Der Vergasungsbrenner weist eine Abknickung auf, die einen schrägen Austritt der Medien und damit eine schräge Vergasungsflamme zur Hauptachse des Vergasungsbrenners bewirkt. Das in den Reaktionsraum ragende Ende des Vergasungsbrenners mit Brennermund 22 ragt über den rohrförmigen Innendurchmesser des Brennersitzes 14 nicht hinaus. Auch bei senkrecht montiertem Brenner ist ein schräger Austritt der Medien gegeben. Der Einzelbrenner ist so aufgebaut, dass zum Brennermund 22 hin die Querschnitte der Medienkanäle 2, 3 eingezogen oder verjüngt sind, um die gewünschte Austrittsgeschwindigkeit einzustellen. Um die Druckverluste klein zu halten erfolgt die Einziehung/Verjüngung erst kurz vor dem Austritt in den Reaktionsraum, also kurz vor dem Brennermund. Der schräge Austritt der Medien kann durch eine asymmetrische und schräge Gestaltung der Einziehung/Verjüngung bewirkt sein. Je nach Positionierung von Asymmetrie und Winkel der Abknickung kann die Einzelbrennerflamme mehr oder weniger stark in eine vorgegebene Richtung gelenkt werden. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vergasungsbrenners vereint die Vorteile einer senkrechten Montage und einer verbesserten Flammenform bei herkömmlichen schräg montierten Brennern.
Durch Drehung 24 der Einzelbrenner in ihren Brennersitzen 14 ist eine Ausrichtung zur Erzielung einer für den momentan gewünschten Zweck optimierten Flammenform ohne konstruktive Änderung der Einzelbrenner möglich. Die Einzelbrenner können im Raster der Befestigungs-Bolzen im Einzelbrennerflansch 14 ausgerichtet werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vergasungsbrenner derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Medienaustrittsachsen 16 die Zentralachse des Flugstromvergasers 18 oberhalb der Oberkante des Rohgas- und Schlackeabgangs 6, insbesondere in einem Punkt, schneiden. Hierbei ist eine bauartbedingte Reduktion des Durchmessers des Reaktors möglich.
Mit einer Ausrichtung der Vergasungsbrennerflammen 16 der Einzelbrenner 1 in Richtung Zentralachse 18 des Flugstromvergasers kann die Ausdehnung der Gesamtflamme minimiert werden und so zum Beispiel für eine Erstbeschlackung die thermische Belastung des Kühlschirmes 4 abgesenkt werden.
Mit einer gleichsinnigen Ausrichtung der Einzelbrenner um einen Winkel 25, bei der die Medienaustrittsachsen und damit die jeweiligen Richtungen der Vergasungsbrennerflammen einen gedachten Zylinder 23 um die Zentralachse 18 des Flugstromvergasers nicht durchdringen, kann der Drall der Gesamtflamme und damit die Feststoffabscheidung am Kühlschirm 4 verstärkt werden. Diese Anordnung bringt eine signifikante Reduktion von unerwünschtem Austrag staubförmiger Feinschlacke, der schwer nutzbar ist, mit sich. Der Winkel 25 kann einen Wert zwischen größer Null und 30° Grad, insbesondere 15° Grad aufweisen. Der Winkel 25 kann im Raster der Befestigungsbolzen des Brenners in seinem Brennersitz 14 vorgegeben sein.
Bei bereits vorhandenen Flugstromvergasern ist der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner mit abgeknickter Brennerspitze mit geringem Aufwand im Rahmen einer Nachrüstung einsetzbar.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Vergasungsbrenner in einem gesonderten Brennerflansch 14 angeordnet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft für eine Anordnung der Vergasungsbrenner mit einer Abknickung in einem Winkel 17 von 15° Grad und größer.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Vergasungsbrenner 1 sowie der Zünd- und Pilotbrenner 13 in einem gemeinsamen Brennerflansch angeordnet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft für eine Anordnung der Vergasungsbrenner mit einer Abknickung in einem spitzen Winkel 17 nahe Null Grad.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Flugstromvergaser mit mehreren erfindungsgemäßen Vergasungsbrennern,
2 einen Seitenschnitt eines erfindungsgemäßen Vergasungsbrenners,
3 eine Ansicht auf den Brennermund des Vergasungsbrenners nach 2
4 einen Seitenschnitt eines erfindungsgemäßen Vergasungsbrenners mit abgeknickter Brennerspitze
5 eine Ansicht auf den Brennermund des Vergasungsbrenners nach 4,
6 eine Draufsicht zur Anordnung und Ausrichtung der erfindungsgemäßen Vergasungsbrenner mit minimiertem Gesamtflammendurchmesser und
7 eine Draufsicht zur Anordnung und Ausrichtung der erfindungsgemäßen Vergasungsbrenner mit Maximierung des Gesamtdralls.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
In einem Flugstromreaktor werden 300000 kg/h Kohlenstaub 3 mit Sauerstoff und Dampf 2 als Vergasungsmittel zu Rohsynthesegas umgesetzt. Die Vergasungstemperatur beträgt 1.450°C, der Vergasungsdruck 4 MPa. Am Kopf des Reaktors sind zwei oder drei Vergasungsbrenner 1 angeordnet. Im Falle von drei Vergasungsbrennern 1 sind diese, wie in 6 und 7 dargestellt, mit einem Winkelversatz von 120° Grad symmetrisch um die Zentralachse 18 angeordnet. Als Brennstoff 3 wird Kohlenstaub pneumatisch als Kohlenstaub-Fördergassuspension den Vergasungsbrennern 1 zugeführt, der Umsatz (Konversion) vollzieht sich im Vergasungsraum 5, der durch einen Kühlschirm 4 begrenzt ist, wobei der Kühlschirm mit gasdicht verschweißten und mit Kühlwasser durchströmten Rohren gebildet ist. Das heiße Vergasungsgas verlässt gemeinsam mit der flüssigen Schlacke den Vergasungsraum 5 und gelangt durch den Rohgas- und Schlackeabgang 6 in den Quenchraum 12, in den zur Kühlung von Rohgas und Schlacke über die Quenchdüsen 7 Wasser eingedüst wird. Die Schlacke 11 lagert sich im Wasserbad 8 ab und wird über den Schlackeaustrag 9 abgeführt. Das gequenchte Rohgas verlässt wasserdampfgesättigt den Quenchraum 12 über die Rohgasabführung 10 und gelangt in nachfolgende Reinigungsstufen. Die Vergasungsbrenner 1 sowie der Zünd- und Pilotbrenner 13 sind über jeweilige Einzelbrennerflansche 14 in den Vergasungsraum 5 geführt. Der Zünd- und Pilotbrenner 13 ist senkrecht in der Reaktorachse angeordnet, die Vergasungsbrenner 1 sind mit ihrer Vergasungsbrennerachse 15 parallel zur Reaktorachse 18 angeordnet.
Am Kopf des Reaktors ist ein Zünd- und Pilotbrenner 13 für Brenngasbetrieb in der Reaktorachse 18 angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, den Zünd- und Pilotbrenner 13 in einen oder mehreren Vergasungsbrennern 1 zu integrieren. Diese Ausführungsform erübrigt einen gesonderten Flansch für den Zünd- und Pilotbrenner.
Die Vergasungsbrenner 1 können mit staubförmigen oder mit flüssigen Brennstoffen beaufschlagt werden, wobei unter flüssigen Brennstoffen auch Suspensionen von Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl mit staubförmig zerkleinerten Brennstoffen oder anorganischen Beimengen zu verstehen sind.
Der in 2 dargestellte Vergasungsbrenner weist eine zylinderförmige Außenkontur um die Hauptachse 15 auf. Um einen zentralen Vergasungsmittelkanal 2 ist konzentrisch ein Ringkanal für den Brennstoff 3 angeordnet. Der Vergasungsmittelkanal 2 und der Brennstoffkanal 3 können auch gegenseitig vertauscht sein. Der Vergasungsmittelkanal 2 und der Brennstoffkanal 3, die durch eine Trennwand 21 voneinander getrennt sind, sind im Bereich der Brennerspitze in eine Richtung 16 gegenüber der Hauptachse 15 derart abgeknickt, dass die austretenden Medien und damit auch die Vergasungsbrennerflamme einen von Null verschiedenen Winkel 17 gegenüber der Hauptachse 15 aufweisen. Der Winkel 17 kann zwischen 3° Grad und 30° Grad, vorzugsweise 15° Grad betragen. Im Vergasungsmittelkanal 2 ist nahe dem Brennermund 22 ein Drallkörper 19 angeordnet, der das ausströmende Vergasungsmittel in Rotation versetzt. Bei Austritt des Vergasungsmittels aus dem Brenner wird der Brennstoff eingesaugt und ein Brennstoff-Vergasungsmittel-Wirbel gebildet. Zwischen der Außenwand des Vergasungsbrenners und dem äußeren Medienkanal ist eine Flüssigkeitskühlung 20 angeordnet. Der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner weist einen (nicht dargestellten) Befestigungsflansch auf, der eine druckdichte Montage mittels Befestigungsbolzen im Brennersitz 14 des Gehäuses des Flugstromvergasers gestattet.
3 zeigt eine Ansicht auf die Stirnseite und den Brennermund 22 des Vergasungsbrenners nach 2.
Der erfindungsgemäße Vergasungsbrenner nach 4 weist um die Vergasungsbrennerachse 15 eine rohrförmige Außenkontur auf, die zur Brennerspitze hin in einen abgeknickten Kegelstumpf übergeht, dessen Achse 16 gegenüber der Vergasungsbrennerachse 15 um einen von Null unterschiedlichen Winkel 17 abgeknickt ist. Die Deckfläche des Kegelstumpfes bildet den Brennermund. Die Brennerspitze so ausgestaltet, dass sie nicht über die rohrförmige Außenkontur hinausragt.
5 zeigt eine Ansicht auf die Stirnseite und den Brennermund 22 des Vergasungsbrenners nach 4.
Bei der Ausgestaltung des Vergasungsbrenners nach 4 steht dem heißen Reaktionsraum 5 eine reduzierte Fläche des Brenners gegenüber, wodurch der thermische Eintrag in den Brenner entsprechend reduziert ist.
6 zeigt eine Anordnung von drei Vergasungsbrennern, deren jeweilige Medienaustrittsrichtung 16 zur Zentralachse des Flugstromvergasers 18 hin ausgerichtet sind. Bei dieser Ausrichtung der Vergasungsbrenner ergibt sich ein minimierter Gesamtflammendurchmesser. Der Zünd- und Pilotbrenner 13 ist in der Zentralachse des Flugstromvergasers 18 angeordnet.
7 zeigt eine Anordnung von drei Vergasungsbrennern, deren jeweilige Medienaustrittsrichtung 16 die Zentralachse des Flugstromvergasers 18 in einem vorgegebenen Abstand passieren. Die Vergasungsbrenner sind in ihrem Brennersitz 14 derart gleichsinnig verdreht angeordnet, dass ihre jeweiligen Medienaustrittsrichtungen 16 eine Tangente an einen gedachten Zylinder 23 um die Zentralachse 18 des Flugstromvergasers bilden. Es ist ein Winkel 25 der jeweiligen Medienaustrittsachsen 16 zur Zentralachse des Flugstromvergasers 18 gegeben, der zwischen 3° Grad und 30° Grad, vorzugsweise 15° Grad, betragen kann. Bei dieser Anordnung sind die Vergasungsbrennerflammen gegeneinander verschränkt und der Gesamtdrall der Vergasungsbrennerflammen vergrößert.
Ein erfindungsgemäßer Brenner ist auch durch einen Brenner gegeben, der mit Masse konzentrisch zu einer Hauptachse 15 angeordnet ist und bei dem das Zentrum des Brennermundes 22 außerhalb der Hauptachse des Brenners liegt.
Ein erfindungsgemäßer Brenner ist auch durch einen Brenner gegeben, der einen Befestigungsflansch aufweist und der Brennerteil zwischen Befestigungsflansch und Brennermund durch eine rohrförmige Außenkontur begrenzt ist.
Der erfindungsgemäße Brenner kann auch als abgeknickter Brenner oder als schielender Brenner bezeichnet werden.
Unter Brennstoffen sind Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades sowie Kokse unterschiedlichen Herkommens aber auch brennbare Flüssigkeiten mit bestimmten Feststoff- und Aschegehalten aber auch Wasser-, Kohle- oder Öl-Kohle-Suspensionen, sogenannte Slurries, zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Vergasungsbrenner
2: Vergasungsmittel, Vergasungsmittelkanal
3: Brennstoff, Brennstoffkanal
4: Kühlschirm
5: Vergasungsraum
6: Rohgas- und Schlackeabgang
7: Quenchdüse
8: Wasserbad
9: Schlackeaustrag
10: Rohgasabführung
11: Schlackeablagerung
12: Quenchraum
13: Zünd- und Pilotbrenner mit Pilotflamme
14: Einzelbrennerflansch, Brennersitz
15: Vergasungsbrennerachse
16: Medienaustrittsachse (Richtung der Vergasungsbrennerflamme)
17: Winkel der Medienaustrittsachse 16 zur Vergasungs-brennerachse 15
18: Zentralachse des Flugstromvergasers
19: Drallkörper
20: Flüssigkeitsgekühlte Außenwand des Vergasungsbrenners
21: Trennwand Vergasungsmittelkanal-Brennstoffkanal
22: Brennermund
23: Gedachter Zylinder um die Zentralachse 18 des Flugstromvergasers
24: Vergasungsbrenner drehbar ausgerichtet
25: Winkel der Medienaustrittsachse 16 zur Zentralachse des Flugstromvergasers 18

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006059149 [0006]

Claims

Vergasungsbrenner für eine Mehrbrenneranordnung in einem Flugstromvergaser, bei dem der Vergasungsbrenner (1) sich entlang einer Hauptachse (15) erstreckt, die Medien für die Vergasungsreaktion im Vergasungsbrenner in gesonderten Medienkanälen (2, 3) geführt sind und am Brennermund (22) in einer Richtung (16) austreten, die einen von Null verschiedenen Winkel (17) zur Hauptachse (15) aufweist.
Vergasungsbrenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Medien aus der Gruppe kohlenstoffhaltige Brennstoffe (3) und freien Sauerstoff aufweisende Vergasungsmittel (2) gegeben sind.
Vergasungsbrenner nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltige Brennstoffe aus der Gruppe Brennstaub, Öl, Brennstaub-Öl-Slurrie, Brennstaub-Wasser-Slurrie und das Vergasungsmittel aus der Gruppe Sauerstoffgas und Wasserdampf gegeben sind.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Brennermundes (22) außerhalb der Hauptachse des Vergasungsbrenners (15) liegt.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2, 3) sich zum Brennermund (22) hin verjüngen.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene des Brennermundes (22) von der Austrittsrichtung der Medien (16) senkrecht durchdrungen wird.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Vergasungsbrennern in einem Flugstromvergaser angeordnet sind und die Medienkanäle der Vergasungsbrenner in jeweilige Richtungen (16) austreten derart, dass die Richtungsvektoren einen Zylinder (23) um die Zentralachse (18) des Flugstromvergasers nicht durchdringen.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Vergasungsbrennern in dem Flugstromvergaser angeordnet sind und in der Zentralachse des Flugstromvergasers (18) ein Pilotbrenner (13) angeordnet ist.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsbrenner in seinem Flansch (14) derart drehbar angeordnet ist, dass unterschiedliche Winkel (25) zwischen Medienrichtung (16) und Zentralachse des Flugstromvergasers (18) einstellbar sind.
Vergasungsbrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsbrenner mit seiner Hauptachse (15) parallel zur Zentralachse des Flugstromvergasers (18) angeordnet ist.