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Dokumentenidentifikation DE102007015537B4 22.01.2009
Titel Vergasungsbrenner mit einstellbarem Drall zur Anpassung an wechselnde Betriebsparameter
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Just, Tino, Dr., 09599 Freiberg, DE;
Prade, Bernd, Dr., 45478 Mülheim, DE
DE-Anmeldedatum 30.03.2007
DE-Aktenzeichen 102007015537
Offenlegungstag 02.10.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse F23D 14/24  (2006.01)  A,  F,  I,  20070330,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse F23D 11/36  (2006.01)  A,  L,  I,  20070330,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Der Anmeldungsgegenstand betrifft einen Brenner für eine Vergasungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Beim Betrieb einer Vergasungseinrichtung, wie zum Beispiel eines Reaktors zur Kohlevergasung oder Synthesegaserzeugung, werden üblicherweise stark unterschiedliche Betriebszustände durchlaufen. Dies können sowohl unterschiedliche Leistungen als auch Änderungen oder Schwankungen in der Brennstoffzusammensetzung sein, die sich dann auch in verändertem Verbrennungs-/Vergasungsverhalten auswirken können. Ein geändertes Verbrennungs-/Vergasungsverhalten kann sich über eine geänderte Wärmefreisetzung z. B. in reduzierter Lebensdauer von Bauteilen, erhöhtem Wärmeverlust, Verstopfung/Verschlackung von Bauteilen und damit verringerter Verfügbarkeit oder verringertem Kohlenstoffumsatz niederschlagen. Weiterhin besteht das Problem, dass bei Auslegung von Reaktoren und Brennern nicht ohne weiteres und exakt voraus berechnet werden kann, welche Strömungsbedingungen exakt erforderlich sind, um einen Betrieb wie angestrebt zu erreichen.

Möglichkeiten, diese Probleme zu lösen, sind zum Beispiel:

• Überdimensionierung des Reaktionsraumes

Durch entsprechende Überdimensionierung kann dem Verbrennungs-/Vergasungsprozess genug Volumen und Verweilzeit gegeben werden, um auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen einen weitgehend vollständigen Kohlenstoffumsetzungsgrad zu erreichen. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass ein überdimensionierter Reaktor in der Regel neben erhöhten Herstellkosten auch erhöhte Wärmeverluste bzw. erhöhten Kühlbedarf haben wird.

• Anpassung des Reaktors und Brenners an die Brennstoffqualität

Dies ist jeweils mit Engineeringaufwand verbunden. Wegen der nicht vollständigen Vorhersagbarkeit des Verbrennungs-/Vergasungsprozesses sind wahrscheinlich Änderungen/Iterationen an der Geometrie erforderlich. Üblich sind z. B. Anpassung der Geometrie des Drallerzeugers an spezifische Bedingungen. Änderung des Sauerstoff –/Brennstoffverhältnisses. Dies führt dann in der Regel zu einer geringeren spezifischen Ausbeute an Produkt-Synthesegas.

Änderung der Pilotflamme, z. B. Erhöhung der zugeführten Pilotbrennstoff- und Sauerstoffmenge. Dies führt ebenso zu einer geringeren Anlagenwirtschaftlichkeit, da der Pilotbrennstoff in der Regel teurer als der Hauptbrennstoff sein wird.

Aus der CA 2428339 A1 ist ein Wirbelstrombrenner für eine Vergasungseinrichtung bekannt, bei der das Vergasungsmittel über genau eine Zuführung tangential in einen Ringkanal geleitet wird, um es in Rotation zu versetzen.

Aus der DE 1751839 A ist es bekannt, bei einem Brenner für gasförmige, flüssige oder staubförmige Brennstoffe der im Wesentlichen konischen Brennkammer Verbrennungsluft über mehrere tangentiale Düsen zuzuführen, wobei mittels Veränderung der Luftzufuhr durch die einzelnen Düsen auch beliebig eine strahlende oder nichtstrahlende Flamme erreichbar ist.

Aus der DE 1014268 A ist es bekannt, bei einer Kohlenstaubfeuerung mit zylindrischer Brennkammer und konzentrischem Rohreinsatz zum Ableiten der Feuergase eine Mehrzahl von blasenden Luftdüsen tangential zur Innenwand der Brennkammer derart anzuordnen, dass der Staubstrom beim Eintritt in den Rohrkörper von den Luftstrahlen erfasst und so in der Schwebe getragen wird, dass zwischen dem Kohlenstaubstrahl und Rohrkörper ein Luftpolster entsteht.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Vergasungsbrenner zu schaffen, bei dem eine Veränderung der Drallzahl ohne Demontage des Brenners vom Reaktor möglich ist.

Das Problem wird bei einem durch die Merkmale des Oberbegriffs umrissenen Gegenstand durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass ein wesentlicher Auslegungsparameter, der in Verbrennungssystemen von Bedeutung ist, die sogenannte Drallzahl ist. Sie ist das mit einer geometrischen Abmessung normierte Verhältnis des Drehimpulsstroms und Axialimpulsstroms. Die Drallzahl im Zusammenspiel mit der Reaktorgeometrie entscheidet über die Länge der Flamme und der Mischungswege. Die meist dominierende Komponente bei der Ermittlung der Drallzahl ist das Oxidationsmedium (hier: Sauerstoff), da hier über große Massenströme und Geschwindigkeiten leicht große Impulsströme zustande kommen.

Die angegebene Erfindung bietet Möglichkeiten, die Drallzahl leicht bzw. sogar während des Betriebes zu verändern und somit den aktuellen Erfordernissen anzupassen.

Die Nutzung von tangentialen Einlässen für Sauerstoff bietet die Möglichkeit, die Drallzahl des Brenners mit geringfügigen Umbauten wie rohrartige Einsätze mit geändertem Querschnitt in den Anschluss (4) der Sauerstoffzufuhr zum Brenner zu ändern. Eine Demontage des Brenners vom Reaktor ist dann nicht erforderlich.

Die Nutzung von mehreren tangentialen Einlässen für Sauerstoff in einen Brenner in Verbindung mit mindestes einem zusätzlichen Stellventil (zusätzlich zum Regelventil) in den Zufuhrleitungen zu diesem Brenner bietet die elegante Möglichkeit, die Drallzahl des Brenners ohne Umbauten sogar während des Betriebes anzupassen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Brenners,

2 eine erfindungsgemäße Variante mit genau einer Zuführung,

3 eine Ausführung mit zwei Sauerstoffanschlüssen, wobei der Sauerstoffstrom zu einem Anschluss durch ein Ventil einstellbar ist und

4 eine mit der Erfindung ermittelte Variationsbreite der Drallzahl.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.

Der Brenner B aus 1 weist einen Pilotbrenner 1 mit Gas- und Sauerstoffzuführung sowie integrierter Flammenüberwachung und Hochspannungszündvorrichtung auf. Der Pilotbrenner wird von einem Ringkanal 2 zur Oxydationsmittelzuführung zentrisch umschlossen. Der Ringkanal 2 zur Oxydationsmittelzuführung ist von Zuführungen 3 für Brennstoff, beispielsweise Kohlenstaub, zentrisch umgeben. Die Zuführungen 3 können beispielsweise durch einen Ringkanal gegeben sein, in dem mehrere Brennstoff-Zuführungsrohre spiralförmig gegeneinander versetzt geführt sind und in einigem Abstand von dem Brennermund enden.

In 2 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur der Ringkanal 2 zur Oxydationsmittelzuführung dargestellt. Der Ringkanal 2 weist, vorzugsweise an der der Flammenseite des Brenners abgewandten Seite, eine Oxydationsmittelzuführung 4 auf, über die das Oxydationsmittel Ox, vorzugsweise Sauerstoff, tangential in den Ringkanal 2 zuführbar ist. Die Achse der Oxydationsmittelzuführung 4 ist im Wesentlichen rechtwinklig zur Zentralachse Z des Brenners. Die Achse der Oxydationsmittelzuführung 4 schneidet den Radius des Ringkanals 2 zwischen 50 v. H. und 85 v. H. der Ringkanalbreite (von der Ringkanalachse aus betrachtet), vorzugsweise bei zwei Drittel der Ringkanalbreite.

Der Volumenstrom des Oxydationsmittels Ox führt in dem Ringkanal 2, wie durch den Pfeil bezeichnet, eine spiralförmige Bewegung um die Ringkanalachse in Richtung auf das flammenseitige Ende des Brenners aus. Der Volumenstrom des Oxydationsmittels Ox weist beim Austritt aus dem Ringkanal – und damit aus dem Brenner – einen Drall auf.

Die Oxydationsmittelzuführung 4 weist einen Dralleinsatz auf, der sich zum Ringkanal 2 hin, vorzugsweise trichter- oder kegelförmig, verjüngt. Der Innendurchmesser des Dalleinsatzes an der Sauerstoffzuführung bestimmt die weiter unten behandelte Drallzahl. Es sind also Dralleinsätze mit unterschiedlichen Innendurchmessern von außerhalb des Brenners einsetzbar, ohne dass eine Demontage des Brenners vom Reaktor erforderlich wäre.

Wie in 3 dargestellt können mehrere, vorzugsweise zwei, Oxydationsmittelzuführungen 4 angeordnet sein. Die mehreren Oxydationsmittelzuführungen 4 sind so ausgerichtet, dass das Oxydationsmittel Ox in den Ringkanal im gleichen Drehsinn, im Beispiel wie durch einen Pfeil bezeichnet im Uhrzeigersinn, eingeführt wird.

In die mehreren Oxydationsmittelzuführungen 4 können Dralleinsätze DE mit unterschiedlichen Innendurchmessern eingebaut sein.

Bei der Ausführungsform mit mehreren Oxydationsmittelzuführungen 4 kann zusätzlich zu dem nicht dargestellten Regelventil zur Bemessung der insgesamt zuzuführenden Oxydationsmittelmenge eine Oxydationsmittelzuführung 4 über ein Stellventil V gespeist sein.

Eine Ausführungsform nach 3 mit zwei Sauerstoffzuleitungen, wobei eine mit einem Stellventil ausgestattet ist, und mit zwei geometrisch (nicht notwendigerweise) identischen Anschlussquerschnitten lässt unter einer spezifischen Geometrie zum Beispiel die in 4 gezeigte Variationsbreite der Drallzahl zu. Der Sauerstoffsplit mOx,1/mOx – also die Öffnung des zusätzlichen Stellventils allein kann also bei dieser Geometrie zu einer Verdoppelung der Drallzahl genutzt werden.


Anspruch[de]
Brenner (B) für eine Vergasungseinrichtung aufweisend einen Ringkanal (2) zur Zuführung eines Oxydationsmittels (Ox) und eine Zuführung (3) für den Brennstoff außerhalb des Ringkanals, wobei der Ringkanal Zuführungen (4) aufweist, deren Achse im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ringkanalachse (Z) ausgerichtet ist und den Radius des Ringkanals innerhalb der Ringkanalbreite (b) im Wesentlichen rechtwinklig schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuführungen gegeben sind und in einer Zuführung ein Dralleinsatz (DE) austauschbar angeordnet ist. Brenner nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zuführung (4) Dralleinsätze (DE) mit unterschiedlichem Innendurchmesser anordenbar sind. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für eine der mehreren Zuführungen (4) ein gesondertes Stellventil (V) zur Beeinflussung der dieser Zuführung zugeführten Oxidationsmittelmenge angeordnet ist. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in verschiedenen Zuführungen (4) Dralleinsätze (DE) mit unterschiedlichem Innendurchmesser anordenbar sind.






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