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DE202017107810U1 - Pressure-resistant burner tip - Google Patents

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DE202017107810U1
DE202017107810U1 DE202017107810.8U DE202017107810U DE202017107810U1 DE 202017107810 U1 DE202017107810 U1 DE 202017107810U1 DE 202017107810 U DE202017107810 U DE 202017107810U DE 202017107810 U1 DE202017107810 U1 DE 202017107810U1
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Abstract

Druckfeste Brennerspitze mit einer Innenkühlung für einen Pilot- oder Vergasungsbrenner zur Herstellung von Synthesegas unter einem Druck bis 200 bar, wobei die Brennerspitze als ein einteiliges, hohlzylinderförmiges und vorzugsweise konisches Endstück (2) eines äußeren Brennerrohrs (1) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– in dem konischen Endstück (2) unter seiner inneren und äußeren Mantelfläche turbulent durchströmbare Kühlmittelkanäle (4, 5) angeordnet sind, wobei zwischen den inneren Kühlmittelkanälen (4) und den äußeren Kühlmittelkanälen (5) ein nicht von Kühlmittelkanälen durchzogener Stützring (6) vorhanden ist,
– die mantelflächennahen Querschnittskonturen der Kühlmittelkanäle (4, 5) parallel zu den Mantelflächenkonturen des Endstücks (2) verlaufen, wobei die Querschnitte der Kühlmittelkanäle (4, 5) entlang des Strömungsweges im Endstück (2) konstant sind,
– die inneren und äußeren Kühlmittelkanäle (4, 5) oberflächennah und in Halb- oder Viertelkreis-Kanalabschnitten in mehreren transversalen und äquidistanten Strömungsebenen verlaufen, wobei mittels 180°-Kanalbogen (7) zwischen den Strömungsebenen zur Umkehrung der Umfangsströmungsrichtung mäanderförmige Strömungskanäle unter der inneren und äußeren Mantelfläche ausgebildet sind.
Pressure-resistant burner tip with internal cooling for a pilot or gasification burner for producing synthesis gas under a pressure of up to 200 bar, the burner tip being formed as a one-piece, hollow-cylindrical and preferably conical end piece (2) of an outer burner tube (1),
characterized in that
- In the conical end piece (2) under its inner and outer circumferential surface turbulent flow through coolant channels (4, 5) are arranged, between the inner coolant channels (4) and the outer coolant channels (5) a non-traversed by coolant channels support ring (6) is
The cross-sectional contours of the coolant channels (4, 5) lie parallel to the lateral surface contours of the end piece (2), the cross-sections of the coolant channels (4, 5) being constant along the flow path in the end piece (2),
- The inner and outer coolant channels (4, 5) near the surface and in semicircle or quadrant channel sections in a plurality of transverse and equidistant flow planes, wherein meandering flow channels through the 180 ° channel arc (7) between the flow planes to reverse the circumferential flow direction under the inner and outer lateral surface are formed.

Figure DE202017107810U1_0001
Figure DE202017107810U1_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine druckfeste Brennerspitze mit einer Innenkühlung für einen Vergasungsbrenner für die Herstellung von Synthesegas unter einem Druck bis 200 bar, wobei die Brennerspitze als ein einteiliges, ringförmiges und vorzugsweise konisches Endstück eines äußeren Brennerrohrs ausgebildet ist.  The invention relates to a flameproof burner tip with an internal cooling for a gasification burner for the production of synthesis gas under a pressure up to 200 bar, wherein the burner tip is formed as a one-piece, annular and preferably conical end of an outer burner tube.

Synthesegas wird aus organischen festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, wie Kohle und Kohlesuspensionen mit unterschiedlichen Inkohlungsgraden, Koksen aus unterschiedlichen organischen Materialien oder Erdöl/Erdgas in einer autothermen Teiloxidationsreaktion bei hohem Druck, im Allgemeinen bis 80 bar, und hohen Temperaturen bis 2000°C gewonnen. Die Vergasungsreaktion kann beispielsweise in einem Flugstromvergasungsreaktor stattfinden, der einen oder mehrere Vergasungsbrenner enthält, in die feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe und Sauerstoff eingespeist werden. Bei einer Flugstromvergasung ist es üblich, einen Startbrenner (auch als Pilotbrenner oder Zündbrenner bezeichnet) zum Druckaufbau im Reaktionsraum und Zünden des zu oxidierenden Brennstoffes zentral im Kopfbereich des Vergasungsreaktors anzuordnen, der von mehreren Vergasungsbrennern (auch als Staubbrenner, Hauptbrenner oder einfach Brenner bezeichnet) umgeben ist. Alternativ sind Startbrenner in den Vergasungsbrennern integriert. Die von den Brennern ausgehende Strömung in einem Flugstrom-Reaktor mit „Top-Burner-Arrangement“ ist nach unten gerichtet. Der Brennstoff wird pneumatisch als Brennstoff-Fördergas-Dichtstrom den Vergasungsbrennern zugeführt. In der Flammenzone der Brenner werden die Reaktanten auf Reaktionstemperatur erhitzt und in der davon ausgehenden Flugstromwolke werden der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff und Wasserstoff zusammen mit dem zugeführten Sauerstoff in Teiloxidationsreaktionen und weiteren Nebenreaktionen zu einem Syntheserohgas umgesetzt. Der Vergasungsprozess und die grundsätzliche Bauweise von Flugstrom-Vergasungsreaktoren werden beispielsweise in der DE 41 09 231 C2 beschrieben. Synthesis gas is recovered from organic solid, liquid or gaseous fuels, such as coal and coal suspensions of varying degrees of coking, cokes of various organic materials or petroleum / natural gas in an autothermal partial oxidation reaction at high pressure, generally up to 80 bar, and high temperatures up to 2000 ° C , The gasification reaction may, for example, take place in an entrainment gasification reactor containing one or more gasification furnaces into which solid, liquid or gaseous fuels and oxygen are fed. In an entrainment gasification, it is common to arrange a starting burner (also referred to as a pilot burner or pilot burner) to build up pressure in the reaction space and ignite the fuel to be oxidized centrally in the head of the gasification reactor, surrounded by several gasification burners (also referred to as dust burners, main burner or simply burners) is. Alternatively, starting burners are integrated in the gasification burners. The flow from the burners in a "Top Burner Arrangement" flow stream reactor is directed downwards. The fuel is pneumatically fed as fuel-feed gas dense stream the gasification burners. In the flame zone of the burners, the reactants are heated to reaction temperature and in the resulting outgoing flow cloud of carbon and hydrogen contained in the fuel are reacted together with the supplied oxygen in partial oxidation reactions and other side reactions to a synthesis gas. The gasification process and the basic design of entrained flow gasification reactors, for example, in the DE 41 09 231 C2 described.

In den Vergasungsbrennern werden Brennstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls Dampf dem Reaktionsraum so zugeführt und intensiv vermischt, dass sie sich möglichst vollständig unter reduzierenden Bedingungen zu einem H2- und CO- reichen Synthesegas umsetzen. Die Vergasungstemperatur beträgt bei der Flugstromvergasung von Kohlenstaub zwischen 1400°C und 1700°C, der Vergasungsdruck üblicherweise 40–80 bar. Eine Erhöhung des Vergasungsdruckes, beispielsweise bis 200 bar, führt zu höheren Umsätzen im Reaktor. In the gasification burners fuel, oxygen and optionally steam are supplied to the reaction space and mixed intensively so that they react as completely as possible under reducing conditions to a H 2 - and CO-rich synthesis gas. The gasification temperature is in the entrained flow gasification of coal dust between 1400 ° C and 1700 ° C, the gasification pressure usually 40-80 bar. An increase in the gasification pressure, for example up to 200 bar, leads to higher conversions in the reactor.

Vergasungsbrenner für Flugstromvergaser sind im Bereich der direkt in den Reaktionsraum eintauchenden Brennerteile einer starken Wärmeeinwirkung von mehr als 1000°C ausgesetzt. Eine weitere Beanspruchung entsteht durch den Kontakt des Brennermundes mit den bei der Vergasungsreaktion entstehenden korrosiven Reaktionsprodukten, die infolge der unvermeidlichen Rückströmung an den Brennermund gelangen. Die Kanal- und Leitelemente der Kohlenstaubbrenner sind zusätzlich hohen abrasiven Beanspruchungen durch den Kohlestaub ausgesetzt und infolge der Zuführung von Sauerstoff in die Flammenzone werden die umströmten Metallteile des Brenners zusätzlich von einer aggressiven oxidierenden Atmosphäre beansprucht. Eine übliche Schutzmaßnahme besteht in der intensiven Wärmeableitung aus dem Brennermundbereich durch eine Wasserkühlung des Brenners. Die Wärmeableitung kann durch Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit unterstützt werden. Trotz aller Schutzmaßnahmen muss ein Vergasungsbrenner zumindest im Brennermundbereich aus hitze- und korrosionsbeständigen Werkstoffen gefertigt sein. Dafür werden insbesondere gut wärmeleitende Nickelbasislegierungen eingesetzt. Gasification burners for entrained-flow gasifiers are exposed to a strong heat of more than 1000 ° C. in the area of the burner parts that directly dip into the reaction space. Another stress arises from the contact of the burner mouth with the resulting in the gasification reaction corrosive reaction products, which arrive due to the inevitable backflow to the burner mouth. The channel and guide elements of the pulverized coal burners are additionally exposed to high abrasive stresses by the coal dust and as a result of the supply of oxygen in the flame zone, the metal parts of the burner flowed around are additionally stressed by an aggressive oxidizing atmosphere. A usual protective measure consists in the intensive heat dissipation from the burner mouth area by a water cooling of the burner. The heat dissipation can be supported by materials with high thermal conductivity. Despite all protective measures, a gasification burner must be made of heat- and corrosion-resistant materials, at least in the burner mouth area. For this purpose, especially good heat-conductive nickel-base alloys are used.

In der DE 10 2008 006 572 A1 ist ein traditionell gestalteter wassergekühlter Brenner für einen Vergasungsreaktor beschrieben, dessen konventionell nach der Druckgeräterichtlinie mit hohen Wandstärken gefertigte Brennerspitze aus einer Nickelbasislegierung hergestellt ist und der zusätzlich zur Ringspaltkühlung der Brennerrohre am Brennermund mit einer keramischen Schutzschicht vor der hohen Temperaturbelastung im Reaktor geschützt ist. In the DE 10 2008 006 572 A1 a traditionally designed water-cooled burner for a gasification reactor is described, which conventionally manufactured according to the Pressure Equipment Directive with high wall thicknesses burner tip is made of a nickel-based alloy and which is protected in addition to the annular gap cooling the burner tubes at the burner mouth with a ceramic protective layer against the high temperature load in the reactor.

Aus der EP 1 102 627 B1 ist ein Brenner bekannt, der nur im Bereich der Brennermündung einen ringförmigen Kühlwasserkanal mit Schutzbeschichtung aufweist, wobei außen am Brenner angeordnete wendelförmige Kühlwasserrohre für die Kühlwasserzu- und – ableitung vorhanden sind. Die traditionell aus Rohrhalbzeugen hergestellten Brenner und Brennerspitzen haben jedoch die folgenden grundsätzlichen Nachteile:

  • – Die Kühlung der Brenner beruht auf einer Ringspalt-Wasserkühlung, die relativ große Kühlmittelmengen im Umlauf benötigt.
  • – Aufgrund des fertigungsbedingten geringen Anteils an Stützstrukturen und der angestrebten geringen Wandstärken für einen effektiven Wärmeübergang sind die Brenner nur für geringe Auslegungsdifferenzdrücke zwischen Kühlsystem und Reaktor bzw. zwischen Kühlmittel und angrenzend zugeführten Vergasungsmedien geeignet.
  • – Eine konventionelle Fertigung der Brennerspitzen ist kompliziert und unvermeidliche Schweißnähte an der Brennerspitze, die einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, verringern die Verschleißfestigkeit.
From the EP 1 102 627 B1 a burner is known which has an annular cooling water channel with protective coating only in the region of the burner mouth, wherein outside of the burner arranged helical cooling water pipes for the Kühlwasserzu- - are available. However, the burners and burner tips traditionally produced from semi-finished tube pipes have the following basic disadvantages:
  • - The cooling of the burner is based on an annular gap water cooling, which requires relatively large amounts of coolant in circulation.
  • - Due to the low production-related fraction of support structures and the desired low wall thicknesses for effective heat transfer, the burners are only suitable for low design differential pressures between the cooling system and reactor or between coolant and adjacent supplied gasification media.
  • - Conventional manufacturing of burner tips is complicated and inevitable welds on the torch tip, which are subjected to high thermal stress, reduce the wear resistance.

Einen neuen Weg des Brennerschutzes beschreibt die DE 10 2015 202 579 A1 , in der eine einteilige, generativ gefertigte Brennerspitze mit minimierten Wandstärken vorgeschlagen wird, wobei durch eine intensivere Wärmeableitung aus der Brennerspitze infolge der Maximierung der vom Kühlmittel benetzten Innenflächen der Brennerspitze eine erhöhte Kühlwirkung erreicht wird, so dass zusätzliche Schutzschichten nicht erforderlich sind. Die Stützstruktur der Brennerspitze ist mittels SLM (Selective Laser Melting) oder 3D-Druck herstellbar. Nachteilig sind die Kompliziertheit der inneren Struktur mit einer Vielzahl an Kühlmittelkanälen und filigranen Stützwänden und die traditionelle, thermisch nicht optimierte Kühlmittelführung in parallel durchströmten Kanälen. A new way of burner protection describes the DE 10 2015 202 579 A1 in which a one-piece, generatively manufactured burner tip is proposed with minimized wall thicknesses, wherein increased heat dissipation from the burner tip as a result of maximizing the coolant wetted inner surfaces of the burner tip increased cooling effect is achieved, so that additional protective layers are not required. The support structure of the burner tip can be produced by means of SLM (Selective Laser Melting) or 3D printing. The disadvantage is the complexity of the inner structure with a variety of coolant channels and filigree support walls and the traditional, not thermally optimized coolant flow in parallel flow channels.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine generativ herstellbare Brennerspitze mit Innenkühlung vorzuschlagen, die eine hohe Druckfestigkeit, vereinfachte Struktur und verbesserte Wärmeableitung aufweist. The invention has for its object to provide a generatively producible burner tip with internal cooling, which has a high pressure resistance, simplified structure and improved heat dissipation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennerspitze mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen der Brennerspitze sind Gegenstand der weiteren Ansprüche. According to the invention the object is achieved by a burner tip with the characterizing features of the first claim. Advantageous embodiments of the burner tip are the subject of the other claims.

Die vorgeschlagene druckfeste Brennerspitze mit einer Innenkühlung für einen Pilot- oder Vergasungsbrenner ist derart ausgebildet, dass in das hohlzylinderförmige, vorzugsweise konische Endstück unter seiner inneren und äußeren Mantelfläche turbulent durchströmbare Kühlmittelkanäle eingebettet sind, wobei zwischen den inneren Kühlmittelkanälen und den äußeren Kühlmittelkanälen ein nicht von Kühlmittelkanälen durchzogener Stützring vorhanden ist. Die mantelflächennahen Querschnittskonturen der Kühlmittelkanäle verlaufen parallel zur äußeren Kontur des Endstücks, wobei die Querschnitte der Kühlmittelkanäle entlang des Strömungsweges im Endstück konstant sind. Die inneren und äußeren Kühlmittelkanäle verlaufen oberflächennah in Halb- oder Viertelkreis-Kanalabschnitten in mehreren transversalen und äquidistanten Strömungsebenen. Mittels 180°-Kanalbogen findet zwischen den Strömungsebenen eine Umkehrung der Strömungsrichtung in Umfangsrichtung statt, so dass mäanderförmige Strömungskanäle unter der inneren und äußeren Mantelfläche ausgebildet sind. Eine derart weiterentwickelte Brennerspitze hat den Vorteil, dass trotz einer einfachen Kanalstruktur eine intensivere und gleichmäßigere Wärmeabfuhr von der Brennerspitze durch Wärmeleitung und Konvektion erzielt wird, als aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die besondere und regelmäßige Anordnung der Kühlmittelkanäle mit axialen und tangentialen Kanalabschnitten in konstantem Abstand und mit konstantem Querschnitt bewirkt, dass der primären axialen Kühlmittelströmung in der Brennerspitze eine sekundäre Umfangskomponente hinzugefügt wird, so dass bidirektionale Kühlmittelströme eine gleichmäßige und lückenlose Kühlung der gesamten Oberfläche des Endstückes bewirken, wodurch keine lokalen Temperaturspitzen mit erhöhtem Verschleiß auftreten. The proposed flameproof burner tip with an internal cooling for a pilot or gasification burner is designed such that are embedded in the hollow cylindrical, preferably conical end under its inner and outer circumferential surface turbulent flow through coolant channels, wherein between the inner coolant channels and the outer coolant channels not one of coolant channels traversed support ring is present. The lateral surface near cross-sectional contours of the coolant channels run parallel to the outer contour of the end piece, wherein the cross sections of the coolant channels along the flow path in the end piece are constant. The inner and outer coolant channels run near the surface in half or quarter circle channel sections in several transverse and equidistant flow planes. By means of 180 ° channel arc, a reversal of the flow direction in the circumferential direction takes place between the flow planes, so that meander-shaped flow channels are formed below the inner and outer circumferential surfaces. Such a further developed burner tip has the advantage that, despite a simple channel structure, a more intensive and uniform heat removal from the burner tip is achieved by heat conduction and convection than is known from the prior art. The particular and regular arrangement of the coolant channels with axial and tangential channel portions of constant pitch and constant cross section causes a secondary circumferential component to be added to the primary axial coolant flow in the torch tip, so that bidirectional coolant flows provide uniform and gapless cooling of the entire surface of the tail , whereby no local temperature peaks with increased wear occur.

Die Kühlmittelkanäle weisen im Vergleich zu den bekannten traditionellen Brennerspitzen geringe Querschnitte auf und sind für eine turbulente Rohrströmung ausgelegt. Dies bildet die Voraussetzung für die erfinderische hydrodynamische Optimierung der Kühlung der Brennerspitze, indem durch zahlreiche 180°-Bogen ein hoher Anteil von thermischen Einlaufströmungsabschnitten mit noch nicht ausgebildetem Geschwindigkeitsprofil am gesamten Strömungsweg erzeugt wird. Thermische Einlaufströmungsbereiche, in denen sich ein stabiles Geschwindigkeitsprofil über den Rohrquerschnitt erst aufbaut, treten nach Unstetigkeiten im Strömungskanal auf, wie beispielsweise nach Strömungsumlenkungen. Die thermischen Vorteile dieser Einlaufströmungen bestehen in dünneren Grenzschichten, höheren Temperaturgradienten und somit höheren Wärmeströmen, die auf das Kühlmittel übertragbar sind. In Kanalbereichen mit einer thermischen Einlaufströmung findet ein intensiverer Wärmeübergang auf das Kühlmittel statt als bei einer ausgebildeten laminaren oder turbulenten Rohrströmung. Der Vorteil von Einlaufströmungen wird bewusst bei der Gestaltung der vorgeschlagenen Brennerspitze genutzt, um den Wärmeübergang auf das Kühlmittel trotz kleinerer Kanalquerschnitte zu verbessern. Mit der optimierten Kühlmittelführung in der Brennerspitze wird eine Verbesserung der Lebensdauer der Brennerspitze erzielt. Gleichzeitig wird die Verbrauchsmenge an Kühlmittel durch kleine Kanalquerschnitte reduziert. The coolant channels have in comparison to the known traditional burner tips small cross-sections and are designed for a turbulent pipe flow. This forms the prerequisite for the inventive hydrodynamic optimization of the cooling of the burner tip by a high proportion of thermal inlet flow sections with not yet formed velocity profile is generated in the entire flow path through numerous 180 ° arc. Thermal inlet flow areas, in which a stable velocity profile builds up over the pipe cross-section, occur after discontinuities in the flow channel, such as, for example, after flow deflections. The thermal advantages of these inlet flows consist in thinner boundary layers, higher temperature gradients and thus higher heat fluxes, which are transferable to the coolant. In channel areas with a thermal inlet flow, there is a more intense heat transfer to the coolant than with a formed laminar or turbulent pipe flow. The advantage of inlet flows is deliberately used in the design of the proposed burner tip to improve the heat transfer to the coolant despite smaller channel cross-sections. With the optimized coolant guide in the burner tip, an improvement in the service life of the burner tip is achieved. At the same time, the consumption of coolant is reduced by small channel cross sections.

Der erfindungsgemäße Brenner besitzt eine sehr hohe Druckfestigkeit bis zu 200 bar aufgrund der geringen Kanalquerschnitte und der erfindungsgemäßen inneren Struktur der Brennerspitze. Diese wird charakterisiert durch oberflächennahe parallele Kanalabschnitte und dadurch realisierbare konstante Wanddicken zwischen den Kanälen, den stabilisierenden Stützring, eine kontinuierliche Anpassung der Kanalform an die Außenkontur, der dadurch realisierbaren konstanten Außenwanddicken und durch die gleichmäßige Verteilung der Umlenkbögen, die Unstetigkeiten in der Wandstruktur bilden, über den Umfang und die Höhe der Brennerspitze. Eine druckfeste Brennerspitze erlaubt es, den Kühlmitteldruck zu erhöhen, die umlaufende Kühlmittelmenge zu reduzieren und die Kühlmittelanlage entsprechend kostensparend auszulegen. The burner according to the invention has a very high compressive strength up to 200 bar due to the small channel cross-sections and the internal structure of the burner tip according to the invention. This is characterized by near-surface parallel channel sections and thereby achievable constant wall thicknesses between the channels, the stabilizing support ring, a continuous adaptation of the channel shape to the outer contour, thereby realizable constant outer wall thicknesses and the uniform distribution of Umlenkbögen that form discontinuities in the wall structure over the circumference and the height of the burner tip. A flameproof burner tip makes it possible to increase the coolant pressure, to reduce the circulating coolant quantity and to design the coolant system accordingly cost-saving.

Eine derartig strukturierte Brennerspitze kann auf dem Wege eines „Rapid Manufacturing“-Herstellungsverfahrens mit generativer bzw. additiver Fertigung geschaffen werden. Beispiele dafür sind selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), selective Heat Sintering (SHS) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Mit einem generativen Fertigungsverfahren wird die Ausbildung der nicht klassischen Kühlmittelkanalstruktur erst ermöglicht, wobei der Fertigungsaufwand im Vergleich zur konventionellen Fertigung wesentlich reduzierbar ist. Ein generatives Herstellungsverfahren ermöglicht es auch, zusätzliche Kanäle für Messfühler zur Temperaturüberwachung in die Brennerspitze zu integrieren. Mit zusätzlichen Temperatur-Kontrollstellen in der Brennerspitze kann nicht nur die Verschleißgefährdung, sondern auch das Brennverhalten von Vergasungsbrennern während der Betriebszeit überwacht werden. Such a structured burner tip can be produced by way of a "rapid manufacturing" production process with additive or additive Manufacturing be created. Examples include selective laser melting (SLM), selective laser sintering (SLS), selective heat sintering (SHS) or electron beam melting (EBM). With a generative manufacturing method, the formation of the non-classical coolant channel structure is made possible, the production cost is significantly reduced compared to conventional production. A generative manufacturing process also makes it possible to integrate additional temperature sensor probes into the torch tip. With additional temperature control points in the burner tip, not only the wear hazard, but also the burning behavior of gasification burners can be monitored during the operating time.

Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel einer Brennerspitze für einen Vergasungsbrenner zur Herstellung von Synthesegas in einem zum Verständnis der Lösung erforderlichen Umfang erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar: In the following, the invention will be explained using the example of a burner tip for a gasification burner for the production of synthesis gas in an extent necessary for understanding the solution. The accompanying drawings represent:

1: Längsschnittdarstellung der Brennerspitze 1 : Longitudinal view of the burner tip

2: 3D-Darstellung der Kühlmittelkanäle 2 : 3D illustration of the coolant channels

Die druckfeste Brennerspitze mit einer Innenkühlung ist für einen Pilot- oder Vergasungsbrenner zur Herstellung von Synthesegas unter einem Druck bis 200 bar und einer Reaktionstemperatur bis 1900°C vorgesehen. Die Brennerspitze ist als ein einteiliges, hohlzylinderförmiges und vorzugsweise konisches Endstück 2 eines äußeren Brennerrohrs 1 ausgebildet. Am Medienaustritt ist das Endstück 2 vorzugsweise mit einer annähernd halbrunden Mündungskontur 3 ausgestattet. In das konische Endstück 2 sind unter seiner inneren und äußeren Mantelfläche turbulent durchströmbare Kühlmittelkanäle 4, 5 mit geringen Querschnitten zur Förderung einer turbulenten Kanalströmung eingebettet, wobei zwischen den inneren Kühlmittelkanälen 4 und den äußeren Kühlmittelkanälen 5 ein nicht von Kühlmittelkanälen durchzogener Stützring 6 vorhanden ist. Der Stützring 6 im zentralen Mantelbereich des Endstücks 2 bildet die maßgebliche festigkeitsgebende Struktur. Zur Verbindung mit dem äußeren Brennerrohr 1 weist das Endstück 2 einen Ansatzring 10 mit kleinerem Radius als der sich anschließende Endstückteil mit den Kühlmittelkanälen 4, 5 auf. Das Brennerrohr 1 kann mit dem Ansatzring 10 in bekannter Weise fest verschweißt oder lösbar verschraubt sein. Die Querschnittskonturen der Kühlmittelkanäle 4, 5 passen sich an die äußere Kontur des Endstücks 2 kontinuierlich an, d.h. die mantelflächennahen Konturen der Kanalquerschnitte verlaufen parallel zu den Mantelflächenkonturen des Endstücks 2, so dass die Materialdicke zwischen Kühlmittelkanal und Endstückoberfläche an jeder Stelle annähernd dieselbe ist. Beispielsweise können Materialdicken zwischen 0,5 und 2,5 mm geeignet sein für Druckfestigkeiten von etwa 50 bar bis 250 bar Druckdifferenz zwischen Reaktordruck und Kühlmitteldruck. Die Strömungsquerschnitte der Kühlmittelkanäle 4, 5 sind entlang des Strömungsweges im Endstück 2 konstant, so dass weder lokale Druck- noch Geschwindigkeitsgradienten im Kühlmittelsystem des Endstücks 2 auftreten. Aufgrund der angestrebten turbulenten Strömungsform des Kühlmittels ist der Druckverlust in der Brennerspitze höher als in konventionellen Brennern. Der Vordruck in der Kühlmittelzuleitung liegt im Bereich von 5 bis 10 bar. The pressure-resistant burner tip with internal cooling is intended for a pilot or gasification burner for the production of synthesis gas under a pressure of up to 200 bar and a reaction temperature of up to 1900 ° C. The burner tip is as a one-piece, hollow cylindrical and preferably conical tail 2 an outer burner tube 1 educated. At the media outlet is the tail 2 preferably with an approximately semicircular estuary contour 3 fitted. Into the conical tail 2 are under its inner and outer circumferential surface turbulent flow through coolant channels 4 . 5 embedded with small cross-sections to promote a turbulent channel flow, wherein between the inner coolant channels 4 and the outer coolant channels 5 a non-traversed by coolant channels support ring 6 is available. The support ring 6 in the central jacket area of the tail 2 forms the relevant structure of strength. For connection to the outer burner tube 1 has the tail 2 a neck ring 10 with a smaller radius than the adjoining end piece part with the coolant channels 4 . 5 on. The burner tube 1 can with the neck ring 10 be firmly welded or releasably screwed in a known manner. The cross-sectional contours of the coolant channels 4 . 5 adapt to the outer contour of the tail 2 continuously, ie the mantle near contours of the channel cross-sections are parallel to the lateral surface contours of the tail 2 so that the material thickness between the coolant channel and tail surface is approximately the same at each location. For example, material thicknesses between 0.5 and 2.5 mm may be suitable for compressive strengths of about 50 bar to 250 bar pressure difference between the reactor pressure and coolant pressure. The flow cross sections of the coolant channels 4 . 5 are along the flow path in the tail 2 constant, so that neither local pressure nor velocity gradients in the coolant system of the tail 2 occur. Due to the desired turbulent flow form of the coolant, the pressure loss in the burner tip is higher than in conventional burners. The pre-pressure in the coolant supply line is in the range of 5 to 10 bar.

Die inneren und äußeren Kühlmittelkanäle 4, 5 verlaufen oberflächennah und in Halb- oder Viertelkreis-Kanalabschnitten in mehreren äquidistanten transversalen Strömungsebenen (senkrecht zur Endstücklängsachse), wobei mittels 180°-Kanalbogen 7 zwischen den Strömungsebenen zur Umkehrung der Umfangsströmungsrichtung parallel verlaufende mäanderförmige Strömungskanäle unter der inneren und äußeren Mantelfläche ausgebildet sind. Die transversalen, viertel- oder halbkreisförmigen Kanalabschnitte der Kühlmittelkanäle 4, 5 zwischen den 180°-Kanalbogen 7 weisen konstante Abstände voneinander auf. Kühlmittelkanäle 4, 5 und 180°-Kanalbogen werden während des schichtenweisen Herstellungsprozesses als Hohlräume ausgespart. Zur Vermeidung von strukturellen Schwachstellen im Endstück 2 sind die 180°-Kanalbogen 7 in den inneren Kühlmittelkanälen 4 gegenüber den 180°-Kanalbogen in den äußeren Kühlmittelkanälen 5 im Ausführungsbeispiel um 90° in Umfangsrichtung versetzt. Für die versetzte Anordnung der Kanalbogen 7 kommen verschiedene Varianten auch mit anderen Versatzwinkeln in Betracht, die jedoch keine erfinderischen Alternativen bedeuten. The inner and outer coolant channels 4 . 5 run near the surface and in half or quarter circle channel sections in several equidistant transversal flow planes (perpendicular to the end piece longitudinal axis), whereby by means of 180 ° channel arc 7 between the flow planes for the reversal of the circumferential flow direction parallel running meandering flow channels are formed under the inner and outer circumferential surface. The transversal, quarter or semicircular channel sections of the coolant channels 4 . 5 between the 180 ° channel arch 7 have constant distances from each other. Coolant channels 4 . 5 and 180 ° channel bends are recessed as cavities during the layered manufacturing process. To avoid structural weaknesses in the tail 2 are the 180 ° channel arch 7 in the inner coolant channels 4 opposite the 180 ° channel bend in the outer coolant channels 5 in the exemplary embodiment offset by 90 ° in the circumferential direction. For the staggered arrangement of the channel arch 7 Different variants come into consideration with other offset angles, but they do not mean inventive alternatives.

Mit der beschriebenen Kanalgestaltung ist eine gleichmäßige Struktur im Endstück 2 geschaffen, die dessen Druckfestigkeit positiv beeinflusst und auch eine gleichmäßige Kühlung der Brennerspitzenoberflächen gewährleistet. With the channel design described is a uniform structure in the tail 2 created, which positively influences the pressure resistance and also ensures a uniform cooling of the burner tip surfaces.

Zum Anschluss der Brennerspitze an das Kühlsystem sind die axial aus dem Endstück 2 herausgeführten Anschlussstücke 8 der Kühlmittelkanäle 4, 5 mit (nicht dargestellten) Strängen einer an sich bekannten Kühlrohrwicklung in einem Abschnitt oberhalb des Endstücks 2 verbunden, die außerhalb oder innerhalb des äußeren Brennerrohrs 1 angeordnet ist, wobei die Rohrwicklung zum Ausgleich von Wärmedehnungen Abstände zwischen den Wicklungen aufweist. Durch die Rohrwicklung wird das Kühlmittel von der Medienanschlussseite des Brenners entlang des Brennerrohrs 1 der Brennerspitze zugeführt und auch von ihr zurückgeführt zu einer externen Kühlmittelaufbereitungseinrichtung, die nicht Gegenstand der vorgeschlagenen Lösung ist. Die Verbindung zwischen den Anschlussstücken 8 und der Rohrwicklung kann fest oder lösbar zur Vereinfachung der Instandhaltung gestaltet sein. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Kanalstruktur des Endstücks 2 mit Anschlussstücken 8 für zwei Kühlmittelzuläufe und zwei Kühlmittelrückläufe, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel jeder Kanalstrang zwischen Zu- und Rücklauf eine Halbschale des Endstücks 2 kühlt. Dementsprechend ist die Rohrwicklung als Vier-Strang-Wicklung, d.h. mit vier parallelen Rohrwendeln, ausgestaltet. To connect the burner tip to the cooling system are the axially from the tail 2 led out fittings 8th the coolant channels 4 . 5 with strands of a per se known cooling tube winding (not shown) in a section above the end piece 2 connected outside or inside the outer burner tube 1 is arranged, wherein the tube winding to compensate for thermal expansion has spacings between the windings. Through the pipe winding, the coolant from the media connection side of the burner along the burner tube 1 fed to the burner tip and also returned from it to an external coolant treatment device that is not subject the proposed solution. The connection between the fittings 8th and the tube winding may be fixed or detachable for ease of maintenance. The embodiment shows a channel structure of the tail 2 with fittings 8th for two coolant inlets and two coolant returns, in the illustrated embodiment, each channel strand between inlet and return a half-shell of the tail 2 cools. Accordingly, the tube winding is designed as a four-strand winding, ie with four parallel tube coils.

Die Anordnung der Kühlmittelkanäle 4, 5 bietet die Möglichkeit, dass mindestens ein Kanal 9 für die Aufnahme eines Temperaturmessfühlers in axialer Richtung im Endstück vorgesehen ist, der oberflächennah an der Mündung oder an einem Kühlmittelkanal 4, 5 im Mündungsbereich endet. Gerade Kanäle 9 für Temperaturmessfühler können in den Materialstegen zwischen den gegenüber angeordneten Kanalbogen Platz finden. Diese Kanäle 9 werden während der Brennerspitzenherstellung als zusätzliche Hohlräume zusammen mit den Kühlmittelkanälen 4, 5 ausgebildet. Nach der Brennervormontage werden ein oder mehrere Messfühler je nach Bedarf in die Kanäle 9 eingeschoben. Nicht genutzte Kanäle 9 werden oberflächlich verschlossen, um das Eindringen von korrosiven Gasen oder Partikeln zu verhindern. Sind die 180°-Kanalbogen von Transversalebene zu Transversalebene versetzt, wie dies in der 2 dargestellt ist, ist kein durchgehender Materialsteg nutzbar, so dass die Kanäle 9 für Messfühler zweckmäßig im Stützring 6 zwischen den inneren und den äußeren Kühlmittelkanälen 4, 5 anzuordnen sind, um das Kreuzen von Kühlmittelkanälen und die damit verbundenen Dichtungsprobleme zu vermeiden. Von besonderem Interesse für die Prozesskontrolle ist die Temperatur an der Brennermündung nahe der Flammenzone. Daher ist es vorteilhaft, wenn sich ein oder mehrere Kanäle 9 bis nahe an die äußere Mündungskontur 3 erstrecken. Im Falle von mehreren Temperaturmessfühlern entlang des Mündungsumfangs des Endstücks 2 ist es möglich, aus der Temperaturverteilung Unregelmäßigkeiten in der Flammenbildung am Brennermund oder dessen Verschleißgrad zu erkennen. Zur Messung der Kühlmitteltemperaturen kann es auch zweckmäßig sein, einen ersten Kanal 9 an oder in einem Kühlmittelkanal für die Kühlmittel-Zuleitung und einen zweiten Kanal 9 an oder in einer Kühlmittel-Rückleitung enden zu lassen. Die T-Messstellen sind dann unmittelbar am Kanal angeordnet oder tauchen in den Kühlmittelstrom ein und erfassen die Kühlmitteltemperatur verzögerungsfrei. The arrangement of the coolant channels 4 . 5 offers the possibility of having at least one channel 9 is provided for receiving a temperature sensor in the axial direction in the tail, the near the surface of the mouth or on a coolant channel 4 . 5 ends in the mouth area. Straight channels 9 for temperature sensors can be found in the material webs between the opposing channel arch space. These channels 9 are used as additional cavities during burner tip production along with the coolant channels 4 . 5 educated. After burner pre-assembly, one or more probes are inserted into the channels as needed 9 inserted. Unused channels 9 are closed on the surface to prevent the penetration of corrosive gases or particles. Are the 180 ° channel arc offset from transversal plane to transversal plane, as in the 2 is shown, no continuous material web is usable, so that the channels 9 suitable for sensors in the support ring 6 between the inner and outer coolant channels 4 . 5 are to be arranged in order to avoid the crossing of coolant channels and the associated sealing problems. Of particular interest for process control is the temperature at the burner mouth near the flame zone. Therefore, it is advantageous if one or more channels 9 close to the outer mouth contour 3 extend. In the case of several temperature sensors along the mouth circumference of the tail 2 it is possible to detect from the temperature distribution irregularities in the flame formation at the burner mouth or its degree of wear. To measure the coolant temperatures, it may also be appropriate to have a first channel 9 on or in a coolant channel for the coolant supply line and a second channel 9 to end at or in a coolant return line. The T measuring points are then arranged directly on the channel or immerse in the coolant flow and detect the coolant temperature without delay.

Zur Anpassung der Eigenschaften des Endstücks 2 kann der in der Basisausführung massive Stützring 6 im Ringkern zwischen den inneren und äußeren Kühlmittelkanälen 4, 5 eine eigene Strukturierung aufweisen, die während der Herstellung des Endstücks 2 erzeugt wird. Hier kann es sich beispielsweise um partielle Hohlraum-Strukturen zur Minderung von thermisch bedingten Spannungen im Endstück 2 oder um Strukturen für zusätzliche Medienkanäle oder für Sensoren zur Prozessüberwachung handeln. In 1 sind derartige Hohlraumstrukturen beispielhaft mit Strichlinien angedeutet. Es ist auch möglich, zu den inneren und äußeren Kühlmittelkanälen 4, 5 nur die zur Gewährleistung der Druckfestigkeit erforderliche Mindestmaterialstärke von beispielsweise 2,5 mm vorzusehen und den verbleibenden Ringkern zwischen den Kühlmittelkanälen 4, 5 überwiegend hohl zu gestalten. To adapt the properties of the tail 2 can the massive support ring in the basic version 6 in the toroid between the inner and outer coolant channels 4 . 5 have their own structuring during the manufacture of the tail 2 is produced. These may be, for example, partial cavity structures for reducing thermally induced stresses in the end piece 2 or structures for additional media channels or sensors for process monitoring. In 1 such cavity structures are indicated by dashed lines by way of example. It is also possible to access the inner and outer coolant channels 4 . 5 to provide only the minimum material thickness of, for example, 2.5 mm required to ensure compressive strength and the remaining toroidal core between the coolant channels 4 . 5 predominantly hollow.

Ein derartig ausgebildetes Endstück 2 kann wirtschaftlich nur mit einem generativen Herstellungsverfahren, beispielsweise Selective Laser Melting, aus einer hochtemperaturfesten Metalllegierung hergestellt sein. Derartige Herstellungsverfahren sind hinreichend bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden. Such a trained tail 2 can be economically produced only with a generative manufacturing process, such as selective laser melting, from a high temperature resistant metal alloy. Such manufacturing methods are well known and therefore need not be explained in detail.

Während des Einsatzes des Brenners im Vergasungsprozess wird ein Kühlmittel, üblicherweise ein aufbereitetes Kühlwasser, über die Zuleitungsstränge der Rohrwicklung und die Ansatzstücke 8 zum Endstück 2 gefördert, durchströmt die mäanderförmigen inneren Kühlmittelkanäle 4 entlang des Innenmantels, strömt im Mündungsbereich in die äußeren Kühlmittelkanäle 5 und wird über die Rückleitungsstränge der Rohrwicklung 8 der Kühlwasseraufbereitungseinrichtung zugeführt. In den Kühlmittelkanälen 4, 5 erfolgt eine sich wiederholende Stromumlenkung in den Kanalbogen 7, wodurch in jedem anschließenden transversalen Kanalabschnitt erneut eine thermale Einlaufströmungsstrecke mit minimalen Temperaturgrenzschichten und intensivem Wärmeübergang von den Außenflächen auf das Kühlmittel ausgebildet wird, die eine höhere Kühlwirkung als bekannte Lösungen aufweisen. During the use of the burner in the gasification process, a coolant, usually a treated cooling water, over the supply strands of the tube winding and the lugs 8th to the tail 2 conveyed, flows through the meander-shaped inner coolant channels 4 along the inner shell, flows in the mouth area in the outer coolant channels 5 and gets over the return strands of the tube winding 8th fed to the cooling water treatment device. In the coolant channels 4 . 5 there is a repetitive current deflection in the channel arc 7 whereby in each subsequent transverse channel section again a thermal inlet flow path with minimum temperature boundary layers and intense heat transfer from the outer surfaces is formed on the coolant, which have a higher cooling effect than known solutions.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Brennerrohr burner tube
2 2
Endstück tail
3 3
Mündungskontur mouth contour
4 4
Kühlmittelkanäle (innere) Coolant channels (inner)
5 5
Kühlmittelkanäle (äußere) Coolant channels (outer)
6 6
Stützring support ring
7 7
Kanalbogen duct bend
8 8th
Ansatzstück für Rohrwicklung Extension piece for pipe winding
9 9
Kanal channel
10 10
Ansatzring neck ring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4109231 C2 [0002] DE 4109231 C2 [0002]
  • DE 102008006572 A1 [0005] DE 102008006572 A1 [0005]
  • EP 1102627 B1 [0006] EP 1102627 B1 [0006]
  • DE 102015202579 A1 [0007] DE 102015202579 A1 [0007]

Claims (6)

Druckfeste Brennerspitze mit einer Innenkühlung für einen Pilot- oder Vergasungsbrenner zur Herstellung von Synthesegas unter einem Druck bis 200 bar, wobei die Brennerspitze als ein einteiliges, hohlzylinderförmiges und vorzugsweise konisches Endstück (2) eines äußeren Brennerrohrs (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem konischen Endstück (2) unter seiner inneren und äußeren Mantelfläche turbulent durchströmbare Kühlmittelkanäle (4, 5) angeordnet sind, wobei zwischen den inneren Kühlmittelkanälen (4) und den äußeren Kühlmittelkanälen (5) ein nicht von Kühlmittelkanälen durchzogener Stützring (6) vorhanden ist, – die mantelflächennahen Querschnittskonturen der Kühlmittelkanäle (4, 5) parallel zu den Mantelflächenkonturen des Endstücks (2) verlaufen, wobei die Querschnitte der Kühlmittelkanäle (4, 5) entlang des Strömungsweges im Endstück (2) konstant sind, – die inneren und äußeren Kühlmittelkanäle (4, 5) oberflächennah und in Halb- oder Viertelkreis-Kanalabschnitten in mehreren transversalen und äquidistanten Strömungsebenen verlaufen, wobei mittels 180°-Kanalbogen (7) zwischen den Strömungsebenen zur Umkehrung der Umfangsströmungsrichtung mäanderförmige Strömungskanäle unter der inneren und äußeren Mantelfläche ausgebildet sind. Pressure-resistant burner tip with internal cooling for a pilot or gasification burner for the production of synthesis gas under a pressure of up to 200 bar, the burner tip being in the form of a one-piece, hollow-cylindrical and preferably conical end piece ( 2 ) of an outer burner tube ( 1 ), characterized in that - in the conical end piece ( 2 ) under its inner and outer circumferential surface turbulent flow through coolant channels ( 4 . 5 ), wherein between the inner coolant channels ( 4 ) and the outer coolant channels ( 5 ) a support ring (not crossed by coolant passages) 6 ), - the close-to-surface cross-sectional contours of the coolant channels ( 4 . 5 ) parallel to the lateral surface contours of the end piece ( 2 ), wherein the cross sections of the coolant channels ( 4 . 5 ) along the flow path in the end piece ( 2 ) are constant, - the inner and outer coolant channels ( 4 . 5 ) run close to the surface and in half or quarter circle channel sections in a plurality of transverse and equidistant flow planes, wherein by means of 180 ° channel bend ( 7 ) between the flow planes for reversing the circumferential flow direction meandering flow channels are formed under the inner and outer circumferential surface. Brennerspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 180°-Kanalbogen (7) in den inneren Kühlmittelkanälen (4) gegenüber den 180°-Kanalbogen in den äußeren Kühlmittelkanälen (5) in Umfangsrichtung vorzugsweise um 90° versetzt sind. Burner tip according to claim 1, characterized in that the 180 ° channel arc ( 7 ) in the inner coolant channels ( 4 ) with respect to the 180 ° channel bends in the outer coolant channels ( 5 ) are preferably offset by 90 ° in the circumferential direction. Brennerspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial aus dem Endstück (2) herausgeführten Anschlussstücke (8) der Kühlmittelkanäle (4, 5) mit Strängen einer Kühlmittel-Rohrwicklung in einem Abschnitt oberhalb der Brennerspitze verbunden sind. Burner tip according to claim 1, characterized in that the axially out of the end piece ( 2 ) led out connectors ( 8th ) of the coolant channels ( 4 . 5 ) are connected to strands of a coolant tube winding in a portion above the burner tip. Brennerspitze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kanal (9) für Temperaturmessfühler in axialer Richtung innerhalb des Stützrings (6) angeordnet ist und oberflächennah an der Mündungskontur (3) oder an einem Kühlmittelkanal (4, 5) endet. Burner tip according to claim 1 or 2, characterized in that at least one channel ( 9 ) for temperature sensors in the axial direction within the support ring ( 6 ) is arranged and close to the surface of the mouth contour ( 3 ) or on a coolant channel ( 4 . 5 ) ends. Brennerspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (6) eine zur Gewährleistung der Druckfestigkeit erforderliche Mindestmaterialdicke zu den Kühlmittelkanälen (4, 5) aufweist und im verbleibenden Ringkern zumindest partiell hohl ist oder eine Strukturierung aufweist. Burner tip according to claim 1, characterized in that the support ring ( 6 ) a minimum material thickness required to ensure compressive strength to the coolant channels ( 4 . 5 ) and in the remaining ring core is at least partially hollow or has a structuring. Brennerspitze nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (2) mit einem generativen Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Selective Laser Melting, aus einer hochtemperaturfesten Metalllegierung hergestellt ist. Burner tip according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the end piece ( 2 ) is made of a high temperature resistant metal alloy by a generative manufacturing method such as Selective Laser Melting.
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Date Code Title Description
R207 Utility model specification
R150 Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years
R151 Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years
R152 Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years