DE3604304A1 - Brenner fuer die teilverbrennung eines fluessigen brennstoffes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brenner für die Teilverbrennung von flüssigen Brennstoffen, bei denen der Brennstoff durch eine zentrale Brennerlanze und das zur Verbrennung dienende sauerstoffhaltige Gas in einem Ringspalt, der die Brennerlanze umgibt, zugeführt werden. Derartige Brenner werden z. B. bei der Herstellung von Synthesegas verwendet, wobei das sauerstoffhaltige Gas die für die Erzeugung von Wasserstoff nötige Wasserdampfmenge enthält. Die Reaktion erfolgt bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1700 1C und vorzugsweise bei erhöhten Drücken von 10 bis 150 bar.

Der auf Temperaturen von z. B. 200 bis 300 1C vorgeheizte flüssige Brennstoff, insbesondere Schwer- oder Schwerstöl, wird mittels einer Düse am Ausgangsende der Brennerlanze bei Drücken zerstäubt, die 40 bis 100 bar über dem im Reaktor herrschenden Druck liegen. An die Düse werden daher hohe Anforderungen gestellt, insbesondere wenn der flüssige Brennstoff noch Feststoffe wie Kohle oder Koks enthält. Sie ist daher aus einem verschleißfesten Werkstoff, wie Wolfram- oder Siliciumcarbid (im folgenden "Hartmetall") gefertigt.

Wenn der Düsenkörper die für Düsen übliche zylindrische Form aufweist und mit einer Ringfläche auf einer entsprechenden Ringfläche des Lanzenkörpers aufliegt, neigt die Hartmetalldüse spannungsbedingt zur Rißbildung. Die Form der Düse und die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Düsenmaterials einerseits und des für die Lanze üblicherweise verwendeten austenitischen Stahls andererseits bewirken ein Aufreißen der Lötverbindung zwischen Hartmetalldüse und Lanzenkörper und erzeugen einen Spalt. Durch die spannungsbedingten Risse und den Spalt der aufgerissenen Lötverbindung zwängt sich aufgrund des hohen Differenzdruckes zwischen dem flüssigen Brennstoff und dem im Reaktor herrschenden Druck flüssiger Brennstoff. Da dieser wegen der Enge der Risse und des Spaltes eine relativ geringe Geschwindigkeit besitzt, verbrennt er bereits an der Düse. Die heute für die Synthesegaserzeugung verwendeten Schwerstöle haben einen relativ hohen Metallgehalt, z. B. Vanadin bis 500 ppm, Nickel bis 100 ppm und Natrium bis 40 ppm. Diese Metalle bzw. deren Oxyde führen zusammen mit der lokalen Überhitzung durch die Verbrennung an der Düse zu Hochtemperaturkorrosion, die die Standzeiten der Lanze verringert.

Erfindungsgemäß wird diese Schwierigkeit dadurch behoben und die Standzeit der Lanzen wesentlich erhöht, daß die Hartmetall-Düse eine konisch geformte Anlagefläche gegen die Brennerlanze aufweist. So wird die Düse durch den Druck, unter dem der flüssige Brennstoff gefördert wird, gegen das entsprechend geformte Ende der Brennerlanze gedrückt und die Dichtung, auch bei Ablösung des Lotes, wesentlich verbessert. Die Standzeit derartiger Brennerlanzen wurde durch diese Maßnahme etwa verdreifacht gegenüber der Standzeit von Lanzen, bei denen die Düsen eine Ringauflagefläche aufweisen, die sich gegen eine entsprechende Fläche in der Lanze abstützt.

Aus DE-OS 30 47 734 sind zwar konisch ausgebildete Austrittsmundstücke in Brennern von Partialoxidations-Gaserzeugern bekannt. Dort sind sie jedoch zwischen einem Raum, in dem ein Mehrphasengemisch gebildet wird und dem Reaktionsraum angeordnet, dienen also nicht der Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes. Überdies sind die Flächen gekühlt, auf die sich die Hartmetall-Mundstücke abstützen, so daß die Schwierigkeiten infolge starker Erhitzung der Mundstücke nicht auftreten können. Die Hartmetall-Mundstücke aus DE-OS 30 47 734 konnten daher die Verwendung von Hartmetall-Düsen mit konischer Auflagefläche gegen die ungekühlte Brennerlanze nicht nahelegen.

Eine weitere Verbesserung der Brennerlanzen und eine weitere Erhöhung ihrer Standzeiten läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß zumindest der die Auflage für die Düse bildende Teil der Brennerlanze aus einem Stahl besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich um nicht mehr als 15% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Düsenmaterials unterscheidet. Dieser beträgt etwa 5,3 × 10^-6/K, während austenitische Stähle Ausdehnungskoeffizienten von etwa 18,0 × 10^-6/K aufweisen. Geeignete Stähle, die thermische Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6 × 10^-6/K besitzen, sind z. B. hochnickelhaltige Stähle wie Werkstoffe Nr. 1.3917, 1.3918 und 1.3981 nach SWE 385-57. Die etwa gleichen Ausdehnungskoeffizienten der Hartmetall-Düse und der konischen Auflage in der Brennerspitze verhindern weiter das Aufreißen der Lötverbindung und damit das Durchtreten von flüssigen Brennstoffen außerhalb der Düsenbohrung und erhöhen die Standzeiten der Brennerlanze weiter.

In der zugehörigen Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Brennerlanze schematisch dargestellt. Mit 1 ist der aus austenitischem Stahl gefertigte Teil der Brennerlanze, mit 2 der aus hochnickelhaltigem Stahl mit geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezeichnet. Das Öl strömt durch den Hohlraum 3 der Lanze, die ausgangsseitig durch die Hartmetalldüse 4 mit Düsenbohrung 5 abgeschlossen ist. Der untere Teil 2 der Lanze weist eine konische Auflagefläche für die konisch ausgebildete Hartmetalldüse 4.

Das Rohr 6 bildet mit der zentral angeordneten Lanze 1, 2 den Ringspalt 7, durch den sauerstoffhaltiges Gas und Wasserdampf gefördert werden. Reaktorseitig wird das Rohr 6 durch Wasser im Ringkanal 8 gekühlt.

Kühlmittelzuleitungen und die Befestigung der Hartmetalldüse 4 im Lanzenrohr 2 sind nicht dargestellt. Darüber hinaus kann der Brenner an sich aus DE-OS 26 59 170 bekannte Mittel zur Erzielung einer Rotation des flüssigen Brennstoffes sowie des sauerstoffhaltigen Gases aufweisen.

Claims (2)

1. Brenner für die Teilverbrennung eines flüssigen, ggf. Feststoffe enthaltenden Brennstoffes mit einer zentralen Brennerlanze, die ausgangsseitig eine Düse zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, und einem die Brennerlanze umgebenden, die Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas und ggf. Wasserdampf dienenden Ringspalt, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem verschleißfesten Werkstoff wie Wolfram- oder Siliciumcarbid bestehende Düse 4 eine konisch geformte Anlagefläche gegen die ungekühlte Brennerlanze 2 aufweist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der die Anlagefläche für die Düse 4 bildende Teil 2 der Brennerlanze aus einem Stahl besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich um nicht mehr als 15% von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Düsenmaterials unterscheidet.