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Die Erfindung betrifft eine Brennerspitze für einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs und einen Pilotbrenner für einen Vergasungsreaktor mit einer solchen Brennerspitze.
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Gattungsgemäße Brenner werden beispielsweise bei der Herstellung von Synthesegas durch Partialoxidation von Kohlenstoff in einem Flugstromvergaser verwendet. Dabei wird eine Reaktionskammer mit Hilfe von Pilotbrennern (auch als Zünd- oder Startbrenner bezeichnet), die mit einem Brenngas (Erdgas, Synthesegas) betrieben werden, auf Reaktionstemperatur aufgeheizt und danach wird der exotherme Vergasungsprozess eingeleitet, indem beispielsweise staubförmiger Festbrennstoff (Kohle) und Sauerstoff in Vergasungsbrennern (auch als Haupt- oder Staubbrenner bezeichnet) zusammengeführt werden und nach der Zündung durch den Pilotbrenner miteinander reagieren. In der Flammenzone der Vergasungsbrenner und der anschließenden Reaktionszone erfolgt dann die partielle Oxidation des Festbrennstoffes, wobei der Pilotbrenner nach der Stabilisierung des Vergasungsprozesses abgeschaltet werden kann. Als Kohlenstoffträger für die Vergasung werden Kohlestaub, Biokoks oder biologische Reststoffe eingesetzt. Der Sauerstoff wird üblicherweise in reiner Form oder mit Anteilen von Wasserdampf zugeführt. Die Vergasungstemperatur beträgt bei der Vergasung von Kohlestaub zwischen 1200°C und 1800°C, der Vergasungsdruck 40–80 bar.
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Pilotbrenner werden entweder zentral zwischen den Vergasungsbrennern angeordnet oder in diese integriert. Ein Pilotbrenner wird von einer elektrischen Zündeinrichtung gezündet.
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Bekannte Pilotbrenner und Vergasungsbrenner weisen im Allgemeinen ein langgestrecktes zylindrisches, zumindest an der Brennerspitze wassergekühltes Gehäuse mit einem Zentralrohr und weiteren koaxial zum Zentralrohr angeordneten konzentrischen Ringkanälen für die Zuführung der Medien auf.
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Der Pilotbrenner und die Vergasungsbrenner tauchen zumindest mit ihren Brennerspitzen (Brennermund) in den Reaktionsraum ein und sind dort hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Daher ist es üblich, die Brenner zumindest im Brennerspitzenbereich doppelwandig auszuführen und mit Kühlwasser zu kühlen. Der erhebliche Wärmeeintrag im Bereich der Frontplatte kann damit über das Kühlwasser abgeführt werden, so dass der thermische Verschleiß erheblich reduzierbar ist.
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Die Brenner werden in der Regel aus mehreren konzentrischen Rohren und einer die Rohre stirnseitig miteinander verbindenden Frontplatte aufgebaut. Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers sind teilweise Verdrängungskörper im Kühlwasserkanal an der Brennerspitze eingesetzt, die den Wärmeübergang intensivieren und dadurch die abführbare Wärmemenge erhöhen.
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Der Gestaltung der Kühlwasserkanäle in der Frontplatte sind zahlreiche Veröffentlichungen gewidmet.
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Die Brenner weisen daher an ihrer Front (Brennermund) eine komplexe Struktur auf. Nachteilig ist der hohe Fertigungsaufwand für eine konventionelle Fertigung derartiger Brenner.
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Aus fertigungstechnischen Gründen betragen die Wandstärken der Rohre bzw. der Frontplatte typischerweise mindestens 3 mm, wodurch die maximal erreichbare Wärmeabfuhr begrenzt wird.
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Die verschleißhemmenden Materialien, aus denen die Brennerspitzen hergestellt sind, und deren Verarbeitung sind kostenintensiv. Weiterhin ist das Verschweißen der Teile an der Brennerspitze nicht nur durch die aufwändige Struktur kompliziert, sondern auch dadurch, dass die verwendeten Superlegierungen auf Nickelbasis spezielle Schweißprozeduren erfordern.
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Aus der
DE 38 37 586 A1 ist ein Kombibrenner bekannt, der einen Vergasungsbrenner mit einem zentral angeordneten Pilotbrenner zeigt, wobei der Pilotbrenner und der Vergasungsbrenner jeweils einen wassergekühlten Außenmantel aufweisen. Die Stirnseite des Kombi-Brenners ist im ringförmigen Außenbereich des Vergasungsbrenners konkav geformt und die Sauerstoff- und Moderatorgasdüsen in der konkaven Zone nach innen geneigt, so dass eine Vermischung mit dem axial austretenden Festbrennstoffstrom gefördert wird. Der Sauerstoff-Ringkanal des Vergasungsbrenners endet in einem Ring von Sauerstoffdüsen, der konzentrisch zum Brennstoffringkanal in der Brennerspitze angeordnet ist. Im Zentralkanal des Pilotbrenners ist eine Zündelektrode vorhanden, ein Flammenwächter ist hier im Sauerstoffringkanal des Vergasungsbrenners vorgesehen. Auf welche Weise die aufwändig gestaltete und gerundete Brennerspitze gefertigt werden soll, ist darin nicht beschrieben.
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In der
DE 34 40 088 A1 ist ein Vergasungsbrenner mit konkavem Brennermund offenbart, der zum Schutz der Brennerspitze vor den heißen Reaktionsgasen eine sich zur Spitze nach innen erweiternde ringförmige Brennerkühlkammer und nach innen geneigte Sauerstoffdüsen mit optionaler Neigung in tangentialer Richtung aufweist, so dass eine Drallwirkung erzielbar ist. Nachteilig ist die Bildung von Rückwirbeln, wodurch die Gefahr der Flammenzonenverlagerung zur Brennermündung besteht.
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Die
US 4.865.542 A beschreibt einen Staubbrenner mit einem zusätzlichen, auf den Brennermund aufgesetzten ebenen Frontring, der einen inneren spiralförmigen Strömungskanal mit konstantem Querschnitt enthält, wobei das Kühlwasser zunächst einen Kühlwasserringkanal an der zylindrischen Brenneraußenfläche durchströmt, danach im Frontring spiralförmig nach innen strömt und in einem inneren Kühlwasserringkanal des Brenners zurückgeführt wird. Die Wandstrukturen des Frontrings greifen in entsprechende Nuten einer innenliegenden Brennerfrontplatte ein. Problematisch erscheint die Gewährleistung einer wasserdichten Verbindung zwischen dem Frontring und der Brennerfrontplatte.
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Die
JP 47 39 090 B2 offenbart eine innengekühlte ebene Frontplatte an einem Brenner mit konischem Düseneinsatz, wobei der Kühlwasserkanal an der Brennerspitze einen Verdrängungsköper enthält, der mit zylinderförmigen Abstandsstücken zu den benachbarten Oberflächen mittig im Strömungskanal positioniert ist.
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In der
WO 2014/090476 A1 und
WO 2014/090481 A1 sind Brennerspitzen beschrieben, die zur Vermeidung der aufwändigen Herstellung aus Einzelkomponenten mit einem generativen Fertigungsverfahren (SLM, Laserschmelzen) gefertigt und somit einstückig ausgebildet sind. Die Brennerspitzen umfassen einen innengekühlten Außenmantel und einen darin angeordneten und als Hohlkörper ausgebildeten Verdrängungskörper, der mit der Brennerspitze über Stützstrukturen verbunden und so lagefixiert ist. Der Verdrängungskörper ist vom Kühlmittel durchströmbar ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist die Brennerspitze kammerartig in Strömungskanäle unterteilt, wobei an der abgeflachten Frontseite parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle mit Umlenkung an der Frontseite oder ringförmige Kühlmittelkanäle und axiale Kühlmittelzuführungen zwischen steg- oder pfeilerartigen Stützstrukturen vorgesehen sind. Die einstückige Brennerspitze ist in einer Ebene mit dem Brenneroberteil verschweißbar. Die Brennerspitzenwand kann in Bereichen mit höherer Dichte an Stützstrukturen zur Verbesserung der Wärmeableitung dünner ausgebildet sein.
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Nachteilig an den beschriebenen Lösungen für die Brennerspitzen ist, dass entweder eine komplizierte konventionelle Fertigung und Montage mit Schweißnähten in der Nähe von Zonen mit hoher thermischer Belastung erforderlich ist oder dass bei kostengünstigeren generativen Herstellungsverfahren geringere Druckfestigkeiten der Brennerspitze toleriert werden müssen, wenn im Interesse eines maximalen Wärmeübergangs geringe Wandstärken im Frontbereich vorgesehen sind. Die offenbarten Brennerspitzen basieren auch bei einem generativen Fertigungsverfahren auf dem Vorhandensein von Verdrängungskörpern, die für konventionell gefertigte mehrteilige Brennerspitzen charakteristisch sind. Aufgrund des traditionellen Gestaltungskonzeptes für die Brennerspitzen kann das Potential von generativen Herstellungsverfahren hinsichtlich hoher Druckfestigkeiten bei geringen Wandstärken nicht ausgeschöpft werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch eine konstruktive und thermische Optimierung der Brennerspitze für den Einsatz generativer Herstellungsverfahren eine höhere mechanische Festigkeit zu erzielen, die höhere Differenzdrücke zwischen Kühlsystem und Reaktorkammer ermöglicht. Eine weitere Aufgabe bei der konstruktiven Optimierung der Brennerspitze zur Erhöhung der Lebensdauer von Brennern soll in der Vermeidung von Verbindungsschweißnähten an der Brennerspitze in thermisch exponierten Zonen bestehen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennerspitze mit den Merkmalen des ersten Anspruchs oder einen Pilotbrenner mit einer solchen Brennerspitze nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Brennerspitze und des Pilotbrenners sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die vorgeschlagene einteilige Brennerspitze umfasst eine doppelwandige kreisringförmige Frontplatte mit einer zentralen Öffnung und vier mit der Frontplatte verbundene Rohrstutzen, die die Endabschnitte eines Zentralrohrs, eines zweiten und dritten Rohrs und eines Außenrohrs bilden, wobei die Rohre den Zentralkanal und drei Ringkanäle des Brenners umschließen.
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Die Außenwand der Frontplatte geht an der zentralen Öffnung mit einer Krümmung in den Rohrstutzen des Zentralrohres und an ihrem Außenumfang mit einer Krümmung in den Rohrstutzen des Außenrohres über und die Innenwand der Frontplatte geht mit ebensolchen Krümmungen in die Rohrstutzen des zweiten und dritten Rohres über, wobei der innere Ringkanal und der äußere Ringkanal zusammen mit dem Kühlmittelraum der Frontplatte einen zusammenhängenden Strömungsraum für das Kühlmittel bilden und der dazwischen liegende mittlere Ringkanal von der Innenwand der Frontplatte stirnseitig verschlossen ist.
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Im Kühlmittelraum zwischen der Innenwand und der Außenwand der Frontplatte sind radiale Strömungsleitlamellen angeordnet, die sich nach außen erweiternde Strömungskanäle mit näherungsweise rechteckförmigen Querschnitten für das Kühlmittel ausbilden. Den Öffnungen in der Frontplatte sind Durchgangskanäle zugeordnet, die sich im Bereich des mittleren Ringkanals von der Innenwand zur Außenwand erstrecken und einen Düsenring für das im mittleren Ringkanal zugeführte Medium bilden, wobei die Durchgangskanäle vollständig innerhalb der Strömungsleitlamellen angeordnet sind.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die geringen Querschnitte der Stütz- und Leitelemente in den Kühlwasserkanälen der Frontplatte die ungekühlten Flächenanteile der Frontplatte, d.h. der Bereiche, in denen die Außenwand in keinem direkten Kontakt mit dem Kühlmittel steht, gegenüber den bekannten Frontplattengestaltungen erheblich reduziert werden und dies zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofil in der Frontplatte beiträgt. Die Stützelemente zwischen Innen- und Außenwand in Gestalt von Stützrippen, Strömungsleitlamellen sowie Stützstifte sorgen für eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitigem geringen hydraulischen Druckverlust im Kühlmittelstrom. Aufgrund der minimierten Querschnitte der Stützstrukturen in den Kühlmittelkanälen gelingt es, die Wärmeabfuhr von der Frontplatte durch die große Kontaktfläche zum Kühlmittel zu intensivieren sowie die Formgebung beim generativen Herstellungsverfahren, beispielsweise dem selektiven Laserschmelzen, zu vereinfachen.
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Mit der besonderen Anordnung der schräggestellten Strömungsleitlamellen wird in der Frontplatte der primären radialen Strömung eine sekundäre Umfangskomponente zur Verlängerung des Strömungsweges und Erhöhung der an der Frontplatte abgeführten Wärmemenge hinzugefügt. Zusätzlich dient der in radialer Richtung nach außen abnehmende Querschnitt der Strömungskanäle dazu, höhere Strömungsgeschwindigkeiten und somit eine höhere Wärmeableitung in das Kühlmittel im besonders belasteten Kantenbereich der Frontplatte zu schaffen.
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Ein wesentliches Merkmal der vorgeschlagenen Brennerspitze besteht darin, dass es durch den Verzicht auf das traditionelle Verdrängungskörperkonzept gelingt, alle Kanäle in den Stützstrukturen (Strömungsleitlamellen, Stützrippen) anzuordnen, so dass keine Schwächung der Druckfestigkeit der Frontplattenstruktur durch Durchgangskanäle und Düsenöffnungen eintritt und auch kein zusätzlicher Kühlflächenverlust im Bereich der Durchgangskanäle entsteht. Die Strömungsleitlamellen sind so geformt, dass eine möglichst große Kühlwasser kontaktierte Frontplatten-Fläche verbleibt. Aus der vorgeschlagenen Schrägstellung der Strömungsleitlamellen ergibt sich eine höhere Stabilität der Frontplatte bei größerer Kontaktfläche zum Kühlmittel und dadurch intensiverer Wärmeableitung von der erhitzten Außenfläche.
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Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Brennerspitze besteht in der Neigung der Durchgangskanäle und Düsenöffnungen in Richtung auf die zentrale Brennerachse und deren zusätzlichen Neigung in Umfangsrichtung, wodurch eine bessere Kontaktierung und Durchmischung des aus den Düsen austretenden Mediums mit dem zentralen Brennstoffstrom erreichbar ist.
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Durch die einteilige Ausführung der Frontplatte mit den angeformten Ringkanal-Rohrstutzen und deren abgestuften Längen wird erreicht, dass die Schweißnähte an den Brennerrohren im zylindrischen Teil des Brenners und nicht mehr im thermisch belasteten Bereich der Frontplatte angeordnet sind und infolge ihrer höhenmäßigen Abstufung auch nicht mehr in einer Ebene ausgeführt werden müssen, wodurch die Zugänglichkeit und Schweißqualität verbessert wird.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung der Brennerspitze erlaubt eine Auslegung für hohe Differenzdrücke zwischen Vergaserdruck und Kühlsystem bis zu 100 bar.
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Weiterhin besteht bei ebenen Frontplatten ein Gefährdungspotenzial bzgl. des Anhaftens von Schlacke durch Rückströmungen aus dem Reaktionsraum. Durch die Ausführung der Frontplatte mit konkaver Kontur werden die störenden Rückströmungen deutlich reduziert und damit ein Anbacken von Schlacke an der Frontplatte im Austrittsbereich der Medien verhindert.
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Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines Pilotbrenners in einem Vergasungsreaktor in einem zum Verständnis der vorgeschlagenen Lösung erforderlichen Umfang erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
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1: Längsschnitt durch die Brennerspitze
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2: Querschnitt der Brennerspitze
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Ein Brenner für Synthesegasanlagen besteht im Wesentlichen aus mehreren konzentrischen Rohren mit abgestuften Durchmessern für die Zuführung der Medien zu einer Brennerspitze, wobei zwischen einem Zentralrohr und einem Außenrohr weitere Rohre angeordnet sind. Im Falle eines Pilotbrenners, dessen Brennerspitze in 1 dargestellt ist, umfasst der Brenner vier Rohre.
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Das Zentralrohr 1 schließt einen Zentralkanal 1K ein und die weiteren drei Rohre 2, 3, 4 bilden dazu konzentrische Ringkanäle 2K, 3K, 4K zur Zuführung der Medien und des Kühlmittels zur Brennerspitze aus. Die Brennerspitze umfasst eine stirnseitige kreisringförmige Frontplatte 5 mit einer zentralen Öffnung 6 für den Zentralkanal 1K und mit der Frontplatte 5 verbundene vier konzentrische Rohrstutzen 1E, 2E, 3E, 4E, die die Endabschnitte der vier Rohre 1, 2, 3, 4 bilden. Die Frontplatte 5 ist zwecks Innenkühlung doppelwandig mit einer Innenwand 5i und einer Außenwand 5a ausgeführt, wobei zwischen der Innenwand 5i und der Außenwand 5a zumindest ein Kühlmittelraum 7 ausgebildet ist. Die Frontplatte 5 weist mehrere äquidistant auf einer konzentrischen Kreislinie um die zentrale Öffnung 6 angeordnete Düsenöffnungen 8 auf.
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Wie aus der 1 ersichtlich, umfasst die Brennerspitze die Frontplatte 5 und vier mit der Frontplatte 5 verbundene Rohrstutzen 1E, 2E, 3E, 4E, die die Endabschnitte des Zentralrohrs 1, eines zweiten und dritten Rohrs 2, 3 und eines Außenrohrs 4 bilden, wobei die Rohre 1, 2, 3, 4 den Zentralkanal 1K und drei Ringkanäle 2K, 3K, 4K des Brenners umschließen.
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Die Außenwand 5a der Frontplatte 5 geht an der zentralen Öffnung 6 mit einer stetigen Krümmung in den Rohrstutzen 1E des Zentralrohres 1 über und geht an ihrem Außenumfang ebenfalls mit einer stetigen Krümmung in den Rohrstutzen 4E des Außenrohres 4 über. Die Innenwand 5i der Frontplatte 5 geht analog in die Rohrstutzen des zweiten und dritten Rohres 2E, 3E zwischen dem Zentralrohr 1 und dem Außenrohr 4 über, wobei der innere Ringkanal 2K und der äußere Ringkanal 4K zusammen mit dem Kühlmittelraum 7 der Frontplatte 5 einen zusammenhängenden Strömungsraum für Kühlmittel bilden und der dazwischen liegende mittlere Ringkanal 3K von der Innenwand 5i der Frontplatte 5 stirnseitig verschlossen ist.
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Zwischen der Innenwand 5i und der Außenwand 5a der Frontplatte 5 sind im Kühlmittelraum 7 radiale Strömungsleitlamellen 9 angeordnet, die sich – wie in den 1 und 2 dargestellt ist – von der Innenkrümmung an der zentralen Öffnung 6 bis zur Außenkrümmung am Außenrohr erstrecken und sich nach außen erweiternde Strömungskanäle 10 mit näherungsweise rechteckförmigen Querschnitten für das Kühlmittel ausbilden. Die Strömungsleitlamellen 9 sind schmal gestaltet, so dass dadurch nur eine geringe Verminderung der gekühlten Frontplattenfläche bewirkt wird.
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Den Düsenöffnungen 8 in der Frontplatte 5 sind Durchgangskanäle 11 durch die Frontplatte 5 zugeordnet, die sich im ringförmigen Bereich des mittleren Ringkanals 3K von der Innenwand 5i zur Außenwand 5a erstrecken und einen Düsenring für das im mittleren Ringkanal 3K zugeführte Medium bilden. Die Durchgangskanäle 11 sind vollständig innerhalb der Strömungsleitlamellen 9 angeordnet (2).
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Der Ringkanal 2K zwischen dem Zentralrohr 1 und dem zweiten Rohr 2 ist einer Kühlmittelzuführung und der Ringkanal 4K zwischen dem dritten Rohr 3 und dem Außenrohr 4 ist einer Kühlmittelabführung zugeordnet.
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Die Seitenflächen der radialen Strömungsleitlamellen 9 sind in einem spitzen Winkel zur axialen Richtung ausgerichtet, d.h. sie sind über ihre gesamte Länge – vergleichbar mit dem Leitschaufelkranz eines Axialventilators – zur axialen Richtung gedreht, so dass der Kühlmittelstrom beim axialen Eintritt in den Kühlmittelraum 7 auf schräggestellte Leitflächen trifft und dadurch die radiale Hauptströmung durch den Kühlmittelraum 7 eine zusätzliche Tangentialströmungskomponente erhält. Auf diese Weise wird eine Verlängerung des Kühlmittelströmungsweges in der Frontplatte 5 erzielt und somit die Wärmeableitung von der Frontplatte gefördert. In 2 ist die Schrägstellung der Strömungsleitlamellen 9 an einer dritten (mittleren) sichtbaren Körperkante der Strömungsleitlamellen 9 erkennbar, die jeweils eine Stirnfläche von einer Seitenfläche trennt.
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Es hat sich bewährt, den Kühlmittelrückstrom im äußeren Ringkanal 4K, durch entsprechende (nicht dargestellte) Einbauten/Leitbleche in einer wendelförmigen Strömungsbahn von der Brennerspitze wegzuführen. Die spiralförmige Strömung in der vorgeschlagenen Frontplatte 5 ist dazu kompatibel, so dass im Übergangsbereich von der Frontplatte 5 zum Ringkanal 4K keine Drehrichtungsänderung im Kühlmittelstrom erzwungen wird und somit eine druckverlustarme Kühlmittelpassage von der Frontplatte 5 in den äußeren Ringkanal 4K der Brenneraußenwand gefördert wird.
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Die Breite der Strömungskanäle 10 zwischen den Strömungsleitlamellen 9 nimmt von innen nach außen zu, gleichzeitig nimmt die Höhe der Strömungskanäle 10 in der Frontplatte 5 in radialer Richtung von innen nach außen derart ab, dass nach außen abnehmende Kanalquerschnitte geschaffen werden und damit zunehmende Strömungsgeschwindigkeiten zur Intensivierung der Wärmeabführung aus dem Außenkantenbereich der Frontplatte 5 erzielt werden.
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Die Durchgangskanäle 11 sind gemäß 2 radial nach innen und zusätzlich in Umfangsrichtung geneigt, so dass die daraus austretenden Medienstrahlen einerseits zum Zentralkanal 1K hin gerichtet sind zur Förderung einer intensiven Vermischung mit dem aus dem Zentralkanal 1K austretenden Medium und andererseits auch eine Drallkomponente erhalten zur Aufspreizung der Pilotflamme zwecks sicherer Zündung eines Hauptbrenners.
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Im Kühlmittelraum 7 der Frontplatte 5 können zusätzliche Stützstege 12 oder Stützrippen 15 angeordnet sein, insbesondere in den Krümmungsbereichen zwischen der Frontplatte 5 und den Rohrstutzen 1E, 2E, 3E, 4E, die den höchsten Spannungen ausgesetzt sind. Mit den kleinen Stützstegen 12 werden die tragenden Strukturen in der doppelwandigen Frontplatte 5 zur Verbesserung der Druckfestigkeit der Brennerspitze an der äußeren Krümmung verstärkt und der Herstellungsprozess der Frontplatte vereinfacht. Die Stützrippen 15 dienen der Druckfestigkeit im Bereich der inneren Krümmung. Die beschriebenen Stützstrukturen können ergänzt werden durch weitere Stütz- und Leitlamellen zwischen den Rohrstutzen 1E und 2E sowie zwischen 3E und 4E, die entsprechend der jeweiligen Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet sind. Die zusätzlichen Stützstrukturen verbessern die Wärmeübertragung in das Innere der Brennerspitze.
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Für die Reduzierung von Feststoffanlagerungen auf der Frontplatte 5, die von den unerwünschten Reaktionsgasrückströmungen aus dem Reaktor an die Brennerspitze transportiert werden, ist diese konkav geformt und in Strömungsrichtung der austretenden Medien radial nach außen geneigt (1). Mit dem zurückgesetzten Zentralkanal wird eine Strömungsbarriere am Außenrand der Frontplatte 5 geschaffen, die die Frontplatte 5 gegenüber der Rückströmung abschirmt.
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Die Rohrstutzen 1E, 2E, 3E, 4E besitzen von innen nach außen stufenförmig abnehmende Längen und entsprechen den Abmessungen der zugeordneten Rohre 1–4. Durch die Höhenstaffelung der Verbindungsstellen wird eine einfache Montage des gesamten Brenners beim Verschweißen der Rohre 1 bis 4 mit den zugeordneten Rohrstutzen 1E–4E der Brennerspitze unterstützt. Die Schweißnähte an den Verbindungsstellen zwischen den Endstücken 1E bis 4E und den Rohren 1 bis 4 sind somit auf mehrere Ebenen verteilt und befinden sich außerhalb des thermisch am höchsten beanspruchten Frontplattenbereiches.
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Die optimierte Struktur der vorgeschlagenen Brennerspitze aus Frontplatte 5, daran angesetzten Rohrstutzen 1E, 2E, 3E, 4E und den integrierten Kühlmittelleit- und Stützelementen ist am wirtschaftlichsten herstellbar, wenn sie einstückig mit einem generativen Herstellungsverfahren gefertigt wird, vorteilhaft mittels selektivem Laserschmelzen. Dieses Verfahren ermöglicht die Verarbeitung der für Brennerspitzen erforderlichen hochtemperaturfesten Legierungen. Auf diesem Wege können eine aufwändige spanende Bearbeitung und nachteilige Schweißnähte im Frontplattenbereich entfallen. Nur wenige Montageschritte sind für die Verbindung von Brennerspitze und Brennerrohren notwendig. Ein Austausch der Brennerspitze bei Verschleiß ist wegen der Höhenabstufung der Schweißnähte und der Einteiligkeit der Brennerspitzen-Baugruppe kostengünstig und reparaturfreundlich durchführbar.
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Die Haltbarkeit der Brennerspitze ist aufgrund der verbesserten Frontplattenstruktur und optimierten Kühlmittelführung höher als beim vergleichbaren Stand der Technik.
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Die vorstehend beschriebene Brennerspitze eignet sich insbesondere für Pilotbrenner, die in Vergasungsreaktoren zum Aufheizen des Reaktorinnenraumes bis auf Reaktionstemperatur und zum Zünden der Hauptbrenner für die Synthesegaserzeugung eingesetzt werden.
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Im Zentralkanal 1K des Pilotbrenners ist in bekannter Weise ein Brenngas und im Ringkanal 3K zwischen dem zweiten Rohr 2 und dem dritten Rohr 3 das Sauerstoff enthaltende Gas der Frontplatte 5 zuführbar. Eine Vertauschung der Medien ist möglich.
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Falls die optionalen Stützrippen 15 in der Frontplatte 5 vorgesehen sind, erfüllen diese eine vorteilhafte Zusatzfunktion. Sie können mehrere radiale Kanäle 16 zwischen dem mittleren Ringkanal 3K und dem Zentralkanal 1K aufnehmen. Über die Kanäle 16 ist ein Sauerstoff-Teilstrom aus dem mittleren Ringkanal 3K in Höhe der Zündelektrode 14 dem Brenngasstrom im Zentralkanal 1K zuführbar. Vorzugsweise sind 4 radiale Stützrippen 15 und damit auch vier Kanäle 16 in Winkeln von 90° zueinander versetzt zwischen dem dritten Rohr 3 und dem Außenrohr 4 angeordnet. Die Kanäle 16 sind in einem Winkel von 0 bis 90°, vorzugsweise 30–60°, zur Brennerachse geneigt.
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Im Zentralkanal 1K sind das Periskoprohr 13 einer Flammenüberwachungseinrichtung mit einer ringförmigen Hochenergie-Zündelektrode 14 am Ende des Periskoprohrs 13 angeordnet.
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Während des Brennerbetriebes wird das Kühlmittel, bevorzugt Wasser, über eine (nicht dargestellte) Kühlmittel- Zuleitung außerhalb des Reaktors dem inneren Ringkanal 2K des Brenners zugeführt, durchströmt diesen in Richtung auf die Brennerspitze, tritt danach in den Kühlmittelraum 7 der Frontplatte 5 ein, wobei es an den Strömungsleitlamellen 9 eine Tangentialströmungskomponente erhält, so dass das Kühlmittel innerhalb der Strömungskanäle 10 in einer Spiralbahn nach außen strömt, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit nach außen erhöht, so dass an der Außenkante der Brennerspitze der Wärmeübergang entsprechend der Temperaturverteilung an der Brennerspitze ebenfalls am höchsten ist. Mit dem Eintritt des Kühlmittelstroms in den äußeren Ringkanal 4K und dem Aufsteigen im Ringspalt wird die Außenwand des Brenners gekühlt. Das erwärmte Kühlmittel verlässt den äußeren Ringkanal 4K durch einen (nicht dargestellten) Kühlmittel-Rücklaufstutzen im oberen Bereich des Brenners, der nicht mehr in den Reaktor-Innenraum eintaucht. Die Gestaltung der Kühlwasser-Ringkanäle ist nicht Gegenstand der vorgeschlagenen Lösung.
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Inertgas gespülte Periskoprohre von Flammenüberwachungseinrichtungen werden bevorzugt im Zentralkanal von Pilotbrennern angeordnet, wenn die Pilotbrenner in den Hauptbrennern zentral integriert sind. Mit Flammenüberwachungseinrichtungen werden die Zündung, Zündflammenausbildung, das Flammenspektrum und die Flammenhomogenität beurteilt und auf deren Grundlage entsprechende Prozesssteuerungs- oder –regelungsmaßnahmen zur Stabilisierung des Aufheiz- oder Vergasungsprozesses ausgelöst.
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Mit Hochenergie-Zündeinrichtungen kann die Zündung von Brenngas-Sauerstoff-Gemischen mit höherer Zuverlässigkeit und auch unter schwierigen Bedingungen erfolgen. Der Zündvorgang läuft infolge einer höheren Energiedichte im Plasma auf der Oberfläche einer Hochenergie-Zündelektrode stabiler ab und im Gegensatz zu traditionellen Hochspannungszündeinrichtungen, die einen Zündfunken im Gasvolumen ausbilden, ist auch eine Neuzündung unter Prozessdruck unmittelbar nach Prozessstörungen möglich, ohne dass eine Druckentlastung und Gas-Spülung des gesamten Reaktors erfolgen muss. Besonders vorteilhaft gestaltet sich die Kombination der ringförmigen Hochenergie-Zündelektrode 14 mit den Zündsauerstoff zuführenden Kanälen 16. Die Hochenergie-Zündelektrode 14 erhält über die Kanäle 16 an mindestens vier Orten, die gleichmäßig auf dem gesamten Kanalumfang verteilt sind, zusätzlichen Zündsauerstoff, so dass sich mehrere Brenngas-Sauerstoff-Mischzonen um die Zündelektrode 14 ausbilden und im Ergebnis die gesamte Zündelektrode von einem zündwilligen Gasgemisch umspült wird. Dadurch läuft die Zündung im gesamten Querschnitt des Brenngaskanals ab und erhöht die Zuverlässigkeit einer Zündung des Pilotbrenners.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentralrohr, Rohr
- 1E
- Rohrstutzen des Zentralrohrs
- 1K
- Zentralkanal
- 2
- zweites Rohr
- 2E
- Rohrstutzen des zweiten Rohrs
- 2K
- innerer Ringkanal
- 3
- drittes Rohr
- 3E
- Rohrstutzen des dritten Rohrs
- 3K
- mittlerer Ringkanal
- 4
- Außenrohr, Rohr
- 4E
- Rohrstutzen des Außenrohrs
- 4K
- äußerer Ringkanal
- 5
- Frontplatte
- 5i
- Innenwand der Frontplatte
- 5a
- Außenwand der Frontplatte
- 6
- zentrale Öffnung
- 7
- Kühlmittelraum
- 8
- Düsenöffnung
- 9
- Strömungsleitlamelle
- 10
- Strömungskanal
- 11
- Durchgangskanal
- 12
- Stützsteg
- 13
- Periskoprohr
- 14
- Hochenergie-Zündelektrode
- 15
- Stützrippe
- 16
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3837586 A1 [0011]
- DE 3440088 A1 [0012]
- US 4865542 A [0013]
- JP 4739090 B2 [0014]
- WO 2014/090476 A1 [0015]
- WO 2014/090481 A1 [0015]
