DE202017107810U1 - Druckfeste Brennerspitze - Google Patents

Druckfeste Brennerspitze Download PDF

Info

Publication number
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
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
coolant channels
burner
coolant
channel
burner tip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE202017107810.8U
Other languages
English (en)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Choren Industrietechnik GmbH
Choren Industries GmbH
Original Assignee
Choren Industrietechnik GmbH
Choren Industries GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Choren Industrietechnik GmbH, Choren Industries GmbH filed Critical Choren Industrietechnik GmbH
Priority to DE202017107810.8U priority Critical patent/DE202017107810U1/de
Publication of DE202017107810U1 publication Critical patent/DE202017107810U1/de
Priority to CN201821123572.9U priority patent/CN209161972U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D1/00Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F23D1/02Vortex burners, e.g. for cyclone-type combustion apparatus
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F23C1/08Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air liquid and gaseous fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F23C1/10Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air liquid and pulverulent fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F23C1/12Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air gaseous and pulverulent fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38Nozzles; Cleaning devices therefor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48Nozzles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78Cooling burner parts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D17/00Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D17/00Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/005Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or pulverulent fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D17/00Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/007Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel liquid or pulverulent fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2201/00Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/10Nozzle tips
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2214/00Cooling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

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.

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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine generativ herstellbare Brennerspitze mit Innenkühlung vorzuschlagen, die eine hohe Druckfestigkeit, vereinfachte Struktur und verbesserte Wärmeableitung aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennerspitze mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen der Brennerspitze sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1: Längsschnittdarstellung der Brennerspitze
  • 2: 3D-Darstellung der Kühlmittelkanäle
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Brennerrohr
    2
    Endstück
    3
    Mündungskontur
    4
    Kühlmittelkanäle (innere)
    5
    Kühlmittelkanäle (äußere)
    6
    Stützring
    7
    Kanalbogen
    8
    Ansatzstück für Rohrwicklung
    9
    Kanal
    10
    Ansatzring
  • 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 4109231 C2 [0002]
    • DE 102008006572 A1 [0005]
    • EP 1102627 B1 [0006]
    • DE 102015202579 A1 [0007]

Claims (6)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
DE202017107810.8U 2017-12-21 2017-12-21 Druckfeste Brennerspitze Active DE202017107810U1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE202017107810.8U DE202017107810U1 (de) 2017-12-21 2017-12-21 Druckfeste Brennerspitze
CN201821123572.9U CN209161972U (zh) 2017-12-21 2018-07-16 耐高压烧嘴头

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE202017107810.8U DE202017107810U1 (de) 2017-12-21 2017-12-21 Druckfeste Brennerspitze

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE202017107810U1 true DE202017107810U1 (de) 2018-01-26

Family

ID=61197552

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE202017107810.8U Active DE202017107810U1 (de) 2017-12-21 2017-12-21 Druckfeste Brennerspitze

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN209161972U (de)
DE (1) DE202017107810U1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020084076A1 (fr) * 2018-10-25 2020-04-30 Soudobeam Organe d'injection de gaz, four muni d'un tel organe et son utilisation
WO2023036559A1 (en) * 2021-09-08 2023-03-16 Casale Sa Burner for synthesis gas with improved cooling

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4109231C2 (de) 1991-03-21 1995-01-26 Noell Dbi Energie Entsorgung Verfahren zur Verwertung halogenbelasteter kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe
DE102008006572A1 (de) 2008-01-29 2009-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Keramische Beschichtung von Vergasungsbrennerteilen
EP1102627B1 (de) 1998-08-04 2010-11-17 Texaco Development Corporation Feuerfeste schutzabschirmung für vergaser
DE102015202579A1 (de) 2015-02-12 2016-08-18 Siemens Aktiengesellschaft Dünnwandige intensivgekühlte Brennerspitze mit Wasserkühlung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4109231C2 (de) 1991-03-21 1995-01-26 Noell Dbi Energie Entsorgung Verfahren zur Verwertung halogenbelasteter kohlenstoffhaltiger Abfallstoffe
EP1102627B1 (de) 1998-08-04 2010-11-17 Texaco Development Corporation Feuerfeste schutzabschirmung für vergaser
DE102008006572A1 (de) 2008-01-29 2009-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Keramische Beschichtung von Vergasungsbrennerteilen
DE102015202579A1 (de) 2015-02-12 2016-08-18 Siemens Aktiengesellschaft Dünnwandige intensivgekühlte Brennerspitze mit Wasserkühlung

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020084076A1 (fr) * 2018-10-25 2020-04-30 Soudobeam Organe d'injection de gaz, four muni d'un tel organe et son utilisation
US11662145B2 (en) 2018-10-25 2023-05-30 Soudobeam Gas injection system, furnace provided with such a system and use thereof
WO2023036559A1 (en) * 2021-09-08 2023-03-16 Casale Sa Burner for synthesis gas with improved cooling

Also Published As

Publication number Publication date
CN209161972U (zh) 2019-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2204601C3 (de) Brenner zur Synthesegasherstellung
EP0235277B1 (de) Vorrichtung zum verbrennen oxidierbarer bestandteile in einem zu reinigenden trägergas
EP0042028B1 (de) Vorrichtung zum Wärmetausch zwischen einen Ammoniak-Konverter verlassendem Kreislaufgas und Kühlwasser
EP2085731A1 (de) Geradrohrwärmetauscher mit Kompensator
EP1802410A2 (de) Verbundrohr aus einem schleudergussrohr mit einem darin angeordneten pulverrohr mit innenrippen, dessen herstellung und verwendung
DE202017107810U1 (de) Druckfeste Brennerspitze
DE102014104232B4 (de) Brennstaub-Brenner und Flugstromvergaser für die Herstellung von Synthesegas
DE1501979A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffen
WO2011095274A2 (de) Brenner
DE102015013517A1 (de) Wärmeübertrager
EP2459683B1 (de) Vergasungsreactor zur herstellung von co-oder h2-haltigem rohgas
DE4025916A1 (de) Reaktor zur flugstromvergasung
DE2631884A1 (de) Dampf-kohlenwasserstoff-reformiereinrichtung
EP0380192B1 (de) Verfahren zur indirekten Beheizung eines Prozessgasstroms in einem Reaktionsraum für eine endotherme Reaktion und Vorrichtung zu dessen Durchführung
DE102004012980A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur relativen und kontrollierten Abdichtung zwischen einer Leitung und einem Keramikrohr
DE3245636A1 (de) Roehrenspaltofen mit umhuellten spaltrohren
DE2633061A1 (de) Blasverfahren fuer oefen mit schmelzschacht und duese zur durchfuehrung des verfahrens
DE1645865C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Kohlenmonoxid und Wasserstoff als wesentliche Bestandteile enthaltenden Produktgasgemisches
DE10138626A1 (de) Vorrichtung für den Eintritt von Heißgas in ein Heizflächenrohr eines Abhitzekessels
DE102014218219A1 (de) Kompaktbrenner für einen Flugstromvergaser, bar einer Flüssigkeitskühlung
DE19610501A1 (de) Verfahrenstechnische Einrichtung mit perforiertem emaillierten Aufnahmeteil
EP4116623A1 (de) Brenner zum durchführen einer partiellen oxidation
DE2813678A1 (de) Ofenwand fuer hohe temperaturen
DE102022200863A1 (de) Rohrleitungsanordnung zum Stoppen einer in der Rohrleitungsanordnung ablaufenden Reaktion und eine die Rohrleitungsanordnung aufweisende Prozessanlage
DE1069809B (de)

Legal Events

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