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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Partialoxidations-Synthesegaserzeugung
von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff aus der Verbrennung
einer fossilen Brennstoffquelle bei Anwesenheit von Wasser und Sauerstoff.
Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Abschirmmittel
zum Schützen
der der Verbrennung zugewandten Oberfläche einer Brennstoffeinspritzbrenneranordnung,
welche in einer Synthesegasverbrennungskammer verwendet wird. Im Besonderen
betrifft die vorliegende Erfindung ein Mittel zum Befestigen eines
Hitzeschilds an der Oberfläche
des Kühlwassermantels.
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Hintergrund
der Erfindung
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Synthesegasmischungen,
welche Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfassen, sind kommerziell
wichtig als eine Quelle gasförmigen
Ausgangsmaterials, wie beispielsweise Wasserstoff, für Hydrierungsreaktionen
und als eine Quelle von Beschickungsgas für die Synthese von Kohlenwasserstoffen,
sauerstoffenthaltenden organischen Verbindungen oder Ammoniak.
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Allgemein
wird bei einem Synthesegasbetrieb ein Brennstoffstrom, der hauptsächlich aus
einer pumpbaren Aufschlämmung
aus fein gemahlener Kohle und Wasser besteht, zusammen mit einem Oxidiermittel
in die feuerfest ausgekleidete Brennkammer des Synthesegasgenerators
eingesprüht. Das
Oxidationsgas enthält
wesentliche Mengen an freiem Sauerstoff, um die Verbrennungsreaktion
der Kohle zu unterstützen.
Die Verbrennungsreaktionskomponenten des Brennstoffs und des Oxidationsmittels
werden unter einem erheblichen Druck, typischerweise von ca. 80
bar, in die Synthesegasverbrennungskammer eingesprüht. In der
Verbrennungskammer wird ein Heißgasstrom
bei einer Temperatur im Bereich von ca. 700°C bis ca. 2.500°C und bei
einem Druck im Bereich von ca. 1 bis ca. 300 Atmosphären, und
insbesondere von ca. 10 bis ca. 100 Atmosphären, erzeugt. Der ausströmende Rohgasstrom
vom Gaserzeuger umfasst solche Gase wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid, und kann andere Gase umfassen, wie beispielsweise
Methan, Wasserstoffsulfid und Stickstoff, und zwar abhängig von
der Brennstoffquelle und den Reaktionsbedingungen.
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Die
teilweise Verbrennung eines Schwefel enthaltenden Kohlenwasserstoffbrennstoffs,
wie beispielsweise Kohle, mit sauerstoffangereicherter Luft oder
mit relativ reinem Sauerstoff, um Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und
Wasserstoff herzustellen, stellt einmalige Probleme dar, welche
normalerweise auf dem Brennergebiet nicht auftreten. Es ist beispielsweise
notwendig, ein sehr schnelles und vollständiges Mischen der Reaktanten
zu bewirken, als auch spezielle Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, um den Brenner
oder den Mischer vor einem Überhitzen
zu schützen.
Typischerweise ist die Brennstoffeinspritzdüse, welche die Verbrennungskammer
bedient, so angeordnet, dass der Aufschlämmungsbrennstoffstrom einen
ersten Oxidationsgasstrom entlang des axialen Kerns der Düse konzentrisch
umgibt. Ein zweiter Oxidationsgasstrom umgibt den Brennstoffstromring
als ein größerer, im
Wesentlichen konzentrischer Ring. Radial eine äußere Wand des äußeren Oxidationsgaskanals
umgebend befindet sich ein ringförmiger
Kühlwassermantel
mit einer im Wesentlichen flachen endflächigen Wärmesenke, die in einer Ebene
im Wesentlichen senkrecht zur Düsenausgabeachse
ausgerichtet ist. Kühlwasser
wird von der Außenseite
der Verbrennungskammer in direkten Kontakt mit der Rückseite
der Wärmesenkenendfläche zur
Wärmeleitextraktion
geführt.
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Wegen
der Reaktivität
von Sauerstoff- und Schwefel-Kontaminaten mit dem Brennermetall
ist es notwendig, zu verhindern, dass die Brennerelemente solche
Temperaturen erreichen, bei denen eine schnelle Oxidation und Korrosion
stattfindet. Unter diesem Gesichtspunkt ist es essentiell, dass
die Reaktion zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem Sauerstoff vollständig außerhalb
des eigentlichen Brenners stattfindet und eine lokalisierte Konzentration
brennbarer Mischungen an oder in der Nähe der Oberflächen der
Brennerelemente verhindert wird. Obwohl die Reaktion hinter dem
Auslasspunkt vom Brenner stattfindet, sind die Brennerelemente einer Aufheizung
durch Strahlung von der Verbrennungszone und durch turbulente Umwälzung der
Brenngase unterworfen.
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Darüber hinaus
wird angenommen, dass ein Zusammenfluss eines umwälzenden
Gasflussstroms mit dem Düsenemissionsstrom
einen stehenden Wirbel eines heißen, turbulenten Verbrennungsprodukts erzeugt,
welches hoch-korrosive Schwefelverbindungen enthält. Diese heißen, korrosiven
Verbindungen umgeben die Düsenauslassöffnung auf
eine turbulente Art und überstreichen
die Hitzeschildvorderseite am Zusammenfluss.
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Aus
diesen und anderen Gründen
sind Brenner nach dem Stand der Technik gekennzeichnet durch Fehlfunktionen
aufgrund von Metallkorrosion um die Brennerspitzen herum, sogar
dann, wenn diese Elemente wassergekühlt worden sind, und wobei die
Reaktionspartner vorgemischt und von dem Brenner bei Flussraten über der
Rate der Flammenausbreitung herausgespritzt werden.
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Anstrengungen,
um diese schädlichen
Effekte an der Einspritzdüse
zu verbessern, sind offenbart worden. Beispielsweise offenbart
US 5,934,206 ein Hitzeschild
mit einer Vielzahl von Keramikkacheln, von denen jede die Endfläche eines
entsprechenden Bogensegments des Rings um die Düse abdeckt. Die Kacheln werden
aus einer feuerfesten Keramik oder einem anderen Material mit hohem
Schmelzpunkt als separate Elemente gebildet. Die separaten Kacheln werden
an der Kühlmantelendfläche mittels
einer Hochtemperaturlötverbindung
befestigt.
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US 5,954,491 offenbart ein
keramisches Hitzeschild, welches mechanisch über der Wassermantelendfläche der
Einspritzdüse
befestigt ist. Dieses Hitzeschild wird als ein umlaufender Ring
oder Kreisring um die Düsenöffnung herum
ausgebildet. Die äußere Fläche des
Hitzeschildes ist im Wesentlichen glatt und ununterbrochen, um eine
minimale Berührung
mit den Reaktionsgasen zu bewirken, als auch eine verringerte Gelegenheit
für reaktive
Kombinationen. Die innere Fläche
des Hitzeschildes, d.h., diejenige Seite, welche der Wassermantelendfläche benachbart
ist, umfasst eine Vielzahl von Sockelpaaren, wobei jedes Paar sich
in radialer Ausrichtung um den Hitzeschildring befindet. Ein Bajonettkanal
erstreckt sich von dem äußeren Umfang
des Hitzeschildes, zwischen und parallel mit der äußeren und
der inneren Hitzeschildfläche,
und durch jedes Sockelpaar. Eine entsprechende Zahl von Befestigungsstutzen
erstreckt sich von der Wassermantelendfläche. Die Stutzen sind geeignet
angeordnet, um mit den Sockeln einzurasten. Jeder Stutzen umfasst
eine Öffnung,
welche sich axial mit entsprechenden Bajonettkanalbohrungen ausrichtet.
Mit dem Hitzeschild in Position gegen den Wassermantelendfläche, und
mit den Endflächenstutzen
die Hitzeschildsockel durchdringend, werden Bajonettdrähte entlang
der radialen Kanalbohrung eingeführt,
um das Hitzeschild mit der Wassermantelendfläche an vielfachen Befestigungspunkten
zu verriegeln.
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US 5,947,716 offenbar ein
Hitzeschild mit einem Paar von Ringen, wobei jeder Ring ein voller Ring
um die Düsenachse
ist, welcher nur einen radialen Bereich des gesamten Wassermantelflächenrings
gegenüberliegt
oder abschirmt. Ein innerer Ring ist mechanisch an der metallischen
Düsenstruktur
durch Vernetzen von Segmenten um die Düsenachse herum befestigt. Die
externen Elemente dieser Segmente (Stutzen) sind integrale Überstände von der äußeren Kegeloberfläche der
Brennerlippe. Jeder der drei Stutzen, die sich von der äußeren Kegellippe
erstrecken, ist ein gebo gener Bereich einer unabhängigen Ringrippe.
Der innere Umfang des inneren Hitzeschildrings wird mit einem Kanal
gebildet, der eine entsprechende Zahl von Einschnitten in der Wand
aufweist, um die entsprechenden äußeren Stutzenelemente
aufzunehmen und durchzuführen. Wenn
er zusammengesetzt ist, wird der innere Hitzeabschirmring gegen
eine Drehung durch einen punktgeschweißten Metallstab gesichert,
welcher an die Düsenkühlmantelfläche in einer
Aussparung in dem äußeren Umfang
des inneren Rings angelegt wird. Zusätzlich wird der äußere Umfang
des inneren Hitzeschildrings mit einer Stufenkante oder Überlappung
von ungefähr
einer halben Dicke gebildet, welcher eine entsprechende Stufenkante
oder Überlappung
auf dem inneren Durchmesser eines äußeren Hitzeschildrings überlappt.
Der äußere Hitzeschildring
wird mit der Wassermantelfläche
mittels eines zweiten Satzes externer Stutzenelemente befestigt, welche
sich von dem äußeren Umfang
der Wassermantelfläche
erstrecken. Eine Manschettenklammer um den Umfang des äußeren Hitzeschildrings
stellt einen strukturellen Kanal zum Aufnehmen des äußeren Satzes
der Wassermantelstutzen dar. Der äußere Hitzeschildring wird auch
durch einen punktgeschweißten
Stab oder Stange in Position gehalten.
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US 5,273,212 offenbart eine
abgeschirmte Brennerummantelung mit einzelnen keramischen Plättchen,
welche benachbart zueinander in einer mosaikartig oberflächenabdeckenden
Art angeordnet sind.
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US 5,941,459 offenbart einen
ringförmigen feuerfesten
Einsatz, welcher mit der Brennstoffeinspritzdüse an einem flussabwärts gelegenen
Ende in der Nähe
des Düsenauslasses
ineinander greift. Eine am flussabwärts gelegenen Ende der Brennstoffeinspritzdüse gebildete
Aussparung nimmt den ringförmigen
feuerfesten Einsatz auf.
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EP 0 362 997 A1 offenbart
ein Hitzeschild für die
mittige Ausgabeöffnung
einer Zweiflüssigkeitsdüse zum Zerstäuben bzw.
Atomisieren einer Flüssigkeit
mit einem Gas. Das Hitzeschild umfasst einen Haltering zum Halten
einer außenliegenden
Erweiterungsauskleidung für
die Öffnung.
Die Auskleidung ist mit dem Haltering mittels eines geschraubten
Eingriffs befestigt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hitzeabgeschirmten
Brenner für
eine Synthesegaserzeugung bereitzustellen, welcher im Aufbau einfach
und beim Betrieb kostengünstig
ist.
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Um
diese Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung unter
einem Gesichtspunkt eine Brennerdüsenanordnung nach Anspruch
1 bereit. Unter einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende
Erfindung eine Brennerdüsenanordnung nach
Anspruch 9 bereit.
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Eine
erfindungsgemäße Synthesegaserzeugungs-Brennerdüse kann
eine größere Lebensdauererwartung
und eine verringerte Korrosionsrate aufweisen. Ihr Hitzeschild kann
metallische Elemente der Düse
vor korrosiven Verbrennungsgasen schützen.
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In
einer Ausführungsform
weist die Brennerdüsenanordnung
einen Brennerauslass zum Erlauben des Flusses von flüssigem kohlenstoffhaltigem Brennstoff
und Sauerstoff enthaltenden Strömen
in die Synthesegaserzeugungskammer auf und umfasst eine Kühlkammer,
welche den Brennerauslass konzentrisch umgibt. Die Kühlkammer
umfasst eine ringförmige
Hitzesenke mit einer flachen Endfläche, welche in Richtung der
Synthesegaserzeugungskammer angeordnet ist. Die ringförmige Endfläche ist allgemein
in einer Ebene ausgerichtet, welche im Wesentlichen senkrecht zur
Düsenausgabeachse angeordnet
ist. Kühlwasser
wird von außerhalb
der Verbrennungskammer in direktem Kontakt mit der Rückseite
der Wärmesenkenendfläche zur
Wärmeableitung
zirkuliert. Die Düsenanordnung
umfasst ein Hitzeschild mit einer inneren Oberfläche, das eine Oberfläche benachbart
zu, und vorzugsweise in Berührung
mit, der ringförmigen
Oberfläche
der Wärmesenke
aufweist. Das Hitzeschild weist eine äußere Oberfläche auf, welche in Richtung
der Synthesegaserzeugungskammer angeordnet ist. Um das Hitzeschild
der Brennerdüsenanordnung
auf eine Art zu befestigen, welche einen engen Kontakt zwischen der
ringförmigen
Oberfläche
der Wärmesenke
und der inneren Oberfläche
des Hitzeschildes vereinfacht, wird ein Gewindemittel verwendet.
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann bei Betrachtung der folgenden Beschreibung und der
zugehörigen
Zeichnungen klar, wobei gleiche Teile gleichartige Bezugsziffern
aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise Schnittdarstellung einer Synthesegaserzeugungs-Verbrennungskammer und
eines Brenners.
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2 ist
ein Detail der Verbrennungskammergasdynamik an der Brennerdüsenfläche.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Brennerdüse aus 1, welche
mit einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds ausgestattet
ist.
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3A ist
eine vergrößerte Explosionsansicht
der Querschnittsansicht aus 3 entlang
der Achse 3A.
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3B ist
eine vergrößerte Explosionsansicht
einer Ausführungsform
des Hitzeschildes aus 3A, welche die an der inneren
Oberfläche
des Hitzeschild-verbindenden
Kanals angeordneten Gewinde zeigt.
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3C ist
eine vergrößerte Explosionsansicht
einer weiteren Ausführungsform
des Hitzeschilds aus 3A, welche die an der äußeren Oberfläche des
Hitzeschild-verbindenden Kanals angeordneten Gewinde zeigt.
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4 ist
eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei die ringförmige Kühloberfläche, dargestellt
entlang der Linie 4-4 aus 3, eine
Vielzahl von Gewindeüberständen zeigt,
welche sich von der Oberfläche
zum Eingriff mit entsprechenden Gewindekanälen in dem Hitzeschild erstrecken.
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5 ist
eine Querschnittsansicht, welche eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt,
wobei das Hitzeschild einen Gewindeüberstand umfasst, welcher sich
von der Oberfläche
zum Eingriff mit einem zugehörigen
ringförmigen
Gewindekanal in der ringförmigen
Kühloberfläche erstreckt.
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wobei sowohl das Hitzeschild als auch die ringförmige Kühloberfläche einen Kanal aufweisen,
und ein Gewindehaltering daran angepasst ist, in Eingriff mit beiden
Kanälen
gebracht zu werden.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine teilweise Ausschnittsansicht
eines Synthesegaserzeugungsbehälters 10 gezeigt.
Der Behälter 10 umfasst
eine strukturelle Hülle 12 und
ein innerer feuerfester Mantel 14 um eine umfasste Verbrennungskammer 16 herum.
Von der Hüllenwand
sich nach außen
erstreckend befindet sich ein Brennermontagehals 18 zum Tragen
einer länglichen
Brennstoffeinspritz-Brenneranordnung 20 innerhalb des Reaktionsbehälters. Die Brenneranordnung 20 ist
so ausgerichtet und angeordnet, dass die Fläche 22 des Brenners
im Wesentlichen fluchtend mit der inneren Oberfläche des feuerfesten Einsatzes 14 liegt.
Ein Brennermontageflansch 24 befestigt die Brenneranordnung 20 an
einem Montagehalsflansch 19 des Behälters 10, um die Brenneranordnung 20 daran
zu hindern, während des
Betriebs ausgestoßen
zu werden.
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Obwohl
nicht gewünscht
wird, durch irgendeine Theorie festgelegt zu werden, wird angenommen,
dass die
1 und
2 teilweise
das interne Gaszirkulationsmuster innerhalb der Verbrennungskammer
darstellen. Gasflussrichtungspfeile
26 werden durch die
hohe Temperatur und Verbrennungsbedingungen innerhalb der Verbrennungskammer
16 angetrieben.
Abhängig
vom Brennstoff und der angelegten Reaktionsrate können Temperaturen entlang
eines Reaktionskerns
28 bis zu 2.500°C erreichen. Wenn sich das Reaktionsgas
in Richtung des Endes der Synthesegaserzeugungskammer
16 abkühlt, wird
der Hauptteil des Gases in eine Löschkammer gezogen, welche ähnlich zu
der für
das in
US 2,809,104 erzeugte
Synthesegasverfahren ist. Jedoch breitet sich ein kleinerer Prozentanteil
des Gases radial von dem Kern
28 aus, um an den Umgebungswänden der
Reaktionskammer abzukühlen. Die
Umwälzungsgasschicht
wird nach oben zur oberen Mitte der Reaktionskammer gedrückt, wo
sie in den turbulenten Abwärtsfluss
der Verbrennungssäule gezogen
wird. In Bezug auf das Modell nach dem Stand der Technik aus
2 wird
am Zusammenfluss des Umwälzungsgases
mit dem Hochgeschwindigkeitskern
28 ein toroidförmiger Wirbelfluss
27 erzeugt,
welcher die Brennerkopffläche
22 turbulent überstreicht,
wodurch Möglichkeiten
für eine
chemische Reaktion zwischen dem Brennerkopfflächenmaterial und den hoch reaktiven,
korrosiven Bestandteilen erhöht
werden, welche in dem Verbrennungsproduktumwälzungsstrom mitgeführt werden.
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Bezüglich der 1 und 3 umfasst
die Brenneranordnung 20 eine Einspritzdüsenanordnung 30, welche
drei konzentrische Düsenhüllen und einen äußeren Kühlwassermantel
umfasst. Die innere Düsenhülle 32 gibt
von einer axialen Bohrungsöffnung 33 das
Oxidationsgas aus, welches entlang einer oberen Anordnungsachsenleitung 42 zugeführt wird.
Die mittlere Düsenhülle 34 führt die
Kohleaufschlämmung,
welche zum oberen Anordnungsanschluss 44 in die Verbrennungskammer 16 geliefert wird.
Als ein verflüssigter
Feststoff wird diese Kohleaufschlämmung vom ringförmigen Raum 36 extrudiert,
welcher durch die innere Hüllwand 32 und
die mittlere Hüllwand 34 definiert
wird. Die äußere Oxidationsgasdüsenhülle 46 umgibt
den äußeren Düsenausgabering 48.
Der obere Anordnungsanschluss 45 beliefert den äußeren Düsenausgabering
mit einem zusätzlichen
Strom von Oxidationsgas.
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Zentralisierende
Rippen 50 und 52 erstrecken sich seitlich von
der äußeren Oberfläche der
inneren und der mittleren Düsenhüllenwände 32 und 34,
um ihre entsprechenden Hüllen
relativ zur Längsachse
der Brenneranordnung 20 koaxial zentriert zu halten. Es
wird klar sein, dass die Struktur der Rippen 50 und 52 unterbrochene
Bänder
um die innere und die mittlere Hülle
bildet und einen geringen Widerstand gegen den Fluidfluss innerhalb
der entsprechenden ringförmigen
Räume bietet.
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Wie
in größerer Genauigkeit
in
US 4,502,633 beschrieben,
deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezug eingebracht wird, sind
sowohl die interne Düsenhülle
32 und
die mittlere Düsenhülle
34 relativ
zur äußeren Düsenhülle
46 zum
Zweck einer Änderung
der Flusskapazität
axial einstellbar. Wenn die mittlere Düse
34 axial von der
konisch kegelförmigen inneren
Oberfläche
der äußeren Düse
46 verschoben
wird, wird der äußere Ausgabering
48 vergrößert, um
einen größeren Sauerstoffgasfluss
zu erlauben. Wenn auf ähnliche
Weise die äußere konische Oberfläche der
inneren Düse
32 axial
in Richtung der inneren konischen Oberfläche der Zwischendüse
34 gezogen
wird, wird die Kohleaufschlämmungsausgabefläche
36 verringert.
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Die äußere Düsenhülle 46 umgebend
ist ein Kühlfluidmantel 60 mit
einem ringförmigen
Endverschluss 62. Eine Kühlfluidleitung 64 führt Kühlmittel, wie
beispielsweise Wasser, vom oberen Anordnungszuführungsanschluss 64 direkt
zur inneren Oberfläche
der Endverschlussplatte 62. Flusskanalisierende Prallwände 66 steuern
den Pfad des Kühlmittelflusses
um die äußere Düsenhülle, um
eine im Wesentlichen gleichförmige
Hitzeabführung
sicherzustellen und um zu verhindern, dass das Kühlmittel kanalisiert und lokalisierte
heiße
Stellen erzeugt. Der Endverschluss 62 umfasst eine Düsenlippe 70,
welche eine Auslassöffnung
oder Abgabeöffnung
zum Zuführen
von Reaktionsmaterialien in die Einspritzbrenneranordnung 20 definiert.
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Nun
Bezug nehmend auf die 3 bis 4 umfasst
das ebene Ende des Kühlmantels 62 eine ringförmige Oberfläche 72,
welche der Verbrennungskammer 16 gegenüberliegend angeordnet ist. Von
der ringförmigen
Oberfläche 72 erstreckt
sich ein Gewindehaltemittel 74 zum Befestigen eines Hitzeschilds 76 an
der Brennerdüseneinspritzanordnung 30.
Das Gewindehaltemittel 74 umfasst einen Gewindeüberstand
bzw. einen mit einem Gewinde ausgerüsteten Überstand, welcher integral
mit der ringförmigen
Oberfläche 72 ausgeführt sein
kann, d.h., aus einem festen Metallstück ausgearbeitet sein kann, welches
die ringförmige
Oberfläche 72 umfasst.
Alternativ kann das Haltemittel 74 ein getrenntes Element
sein, das mit der ringförmigen
Oberfläche 72 befestigt
ist, in welchem Fall der Überstand 74 an
der ringförmigen
Oberfläche 72 unter
Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren befestigt werden
kann, wie beispielsweise dadurch, dass es geschweißt, angeschraubt,
hartgelötet
und dergleichen wird. Der Gewindeüberstand 74, der sich
von der ringförmigen
Oberfläche 72 erstreckt,
kann ein durchgängiges
Element sein, wie beispielsweise ein Ring oder eine Vielzahl von
beabstandeten, separaten Elementen, welche vorzugsweise zumindest
eine gebogene Oberfläche
umfassen und zylindrisch oder halbkreisförmig geformt sein können.
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Typischerweise
besteht die ringförmige Oberfläche 72 des
Kühlmantels
aus Metalllegierungsmaterialien mit einer Kobaltbasis. Ein Problem bei
diesem Material ist, dass dann, wenn es für eine Kohle mit hohem Schwefelanteil
verwendet wird, welche innerhalb der geschlossenen Verbrennungskammer
reagiert, um Schwefel enthaltende Verbindungen zu erzeugen, diese
Schwefelverbindungen innerhalb der Reaktionskammer 16 dazu
neigen, mit diesen kobaltbasierten Metalllegierungsmaterialien zu
reagieren, wodurch eine Korrosion entsteht. Eine selbsterhaltende
Korrosion wird aufrechterhalten, welche letztendlich mit einer Fehlfunktion
der Brenneranordnung beendet wird. Obwohl Kobalt das zur Konstruktion
der ringförmigen
Oberfläche 72 bevorzugte
Material ist, können
auch andere Legierungen mit einem Hochtemperaturschmelzpunkt verwendet werden,
wie beispielsweise Molybdän
oder Tantal.
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Der
Gewindeüberstand 74 umfasst
eine innere Oberfläche 78 und
eine äußere Oberfläche 80. Wie
hierin verwendet, beschreiben die Ausdrücke "innen" und "außen" eine Position relativ
zur axialen Öffnung 33 der
Brenneranordnung, wobei eine "innere" Oberfläche näher an der Öffnung 33 positioniert ist
und eine "äußere" Oberfläche relativ
weiter von der Öffnung 33 angeordnet
ist. Bezug nehmend auf die 3B und 3C umfasst
der Gewindeüberstand 74 einen
Satz von Gewinden 82 auf zumindest der inneren Oberfläche 78 und/oder
der äußeren Oberfläche 80.
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Das
erfindungsgemäße Hitzeschild 66 umfasst
eine erste Oberfläche 84 und
eine gegenüberliegende
zweite Oberfläche 86.
Die erste Oberfläche 84 ist
daran angepasst, benachbart zur, und vorzugsweise in Berührung mit,
der ringförmigen
Oberfläche 72 des
Kühlmantels 60 angeordnet
zu werden, und die zweite Oberfläche 86 ist
in Richtung der Verbrennungskammer 16 ausgerichtet. Das
Hitzeschild 76 weist einen ringförmigen Kanal 88 auf,
der in der ersten Oberfläche 84 gebildet
ist. Der Kanal 88 wird definiert durch gegenüberliegende,
im Wesentlichen parallele und innere und äußere Wände 90 bzw. 92. Wie
in den 3B und 3C zu
erkennen ist, ist der Kanal 88 in Ausrichtung mit den Gewindeüberständen 74 angeordnet
und weist eine Tiefe auf, welche im Wesentlichen der Höhe H des Überstands 74 ent spricht.
Vorzugsweise ist die Tiefe des Kanals 88 etwas größer als
die Höhe
H des Überstands,
um sicherzustellen, dass die ringförmige Oberfläche 72 des
Kühlmantels
in Kontakt mit der ersten Oberfläche 84 des
Hitzeschildes sein wird. Dies vereinfacht eine Wärmeleitung vom Hitzeschild 76 zum
Kühlwasserumlauf
im Kühlfluidmantel 60.
Zumindest eine der Wände 90 oder 92 des
Kanals 88 umfasst Gewinde 94, die daran angepasst
sind, zusammenwirkend mit den Gewinden 82 an den Überständen in
Eingriff gebracht zu werden, wodurch das Hitzeschild 76 nahe an
der ringförmigen
Oberfläche 72 zu
befestigt und gehalten wird.
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Wünschenswerterweise
umfasst der Gewindeüberstand 74 eine
gebogene äußere Oberfläche. Vorzugsweise
ist der Gewindeüberstand 74 als
kreisförmige
Anordnung ausgebildet. Der Überstand
kann ein Einzelstückelement
sein, wie beispielsweise ein Ring, oder aus einer Vielzahl von Überständen bestehen,
von denen jeder eine gebogene äußere Oberfläche aufweist.
Das/die Gewinde 82 an dem Überstand/den Überständen kann/können an
der inneren Oberfläche 78 angeordnet
sein, jedoch wird die äußere Oberfläche 80 bevorzugt.
Wie in 4 zu erkennen, wird, wenn eine Vielzahl von Gewindeüberständen 74 verwendet
wird, es bevorzugt, dass sie in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind,
so dass die Gewinde 82 der Überstände sich im Eingriff mit den
Gewinden 94 des ringförmigen
Kanals 88 befinden.
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Das
Hitzeschild 76 wird aus einem Material mit Hochtemperaturschmelzpunkt
gebildet, wie beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid,
Zirkonoxid, Molybdän,
Wolfram oder Tantal. Repräsentative proprietäre Materialien
umfassen das Zirkonoxid TZP- und das Zirkonoxid ZDY-Produkt der
Coors Corporation aus Golden, Colorado. Charakteristischerweise
sollten diese Hochtemperaturmaterialien Temperaturen von bis zu
ca. 1.400°C
aushalten, einen hohen Wärmeleitkoeffizienten
aufweisen, und im Wesentlichen inert innerhalb einer Hochtemperatur- und
hochgradig reduzierenden/verschwefelnden Umgebung bleiben.
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Bezug
nehmend auf 5 ist eine Querschnittsansicht
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu
der oben beschriebenen, außer dass
die ringförmige
Oberfläche 72 einen
ringförmigen
Kanal 100 umfasst, und das Hitzeschild 76 einen Gewindeüberstand 102 zum
Befestigen eines Hitzeschilds 76 der Brennerdüseneinspritzanordnung 30 umfasst.
Der Gewindeüberstand 102 erstreckt
sich von der ersten Oberfläche 84 in
Richtung der ringförmigen
Oberfläche 72 zum
Befestigen eines Hitzeschilds 76 an der Brennerdüseneinspritzanordnung 20.
Der Gewindeüberstand 102 kann
ein durchgängiges
Element sein, wie beispielsweise ein Ring, oder aus einer Vielzahl
von beabstandeten einzelnen Elementen bestehen, welche vorzugsweise
in einem Muster angeordnet sind, welches dem ringförmigen Kanal 100 entspricht
und mit diesem ausgerichtet ist. Jedes Element wird typischerweise
zumindest eine gebogene Oberfläche
aufweisen.
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Der
Kanal 100 wird durch gegenüberliegende, im Wesentlichen
parallele und innere und äußere Wände 104 bzw. 106 definiert.
Zumindest eine der Wände 104 oder 106 umfasst
Gewinde 108.
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Der
Gewindeüberstand 102 umfasst
eine innere Oberfläche 110 und
eine äußere Oberfläche 112.
Der Gewindeüberstand 102 umfasst
einen Satz von Gewinden 114 auf zumindest der inneren Oberfläche 110 und/oder
der äußeren Oberfläche 112.
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Um
das Hitzeschild 76 an der ringförmigen Oberfläche 72 zu
befestigen, sind die Gewinde 108 daran angepasst, den Gewinden 114 auf
dem Überstand 102 zu
entsprechen und damit in Eingriff gebracht zu werden.
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Bezug
nehmend auf 6 ist eine Querschnittsansicht
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
dargestellt. In dieser Ausführungsform
umfasst die ringförmige
Oberfläche 72 des
Kühlmantels
einen ringförmigen
Kanal 120. Der ringförmige
Kanal 120 wird definiert durch ein erstes Paar gegenüberliegender,
im Wesentlichen paralleler innerer und äußerer Wände 122 bzw. 124.
Zumindest eine der Wände, 122 und/oder 124,
umfasst Gewinde 126.
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Das
Hitzeschild 76 weist eine erste Oberfläche 128 auf, die daran
angepasst ist, benachbart zur, und vorzugsweise in Kontakt mit,
der inneren Oberfläche 72 angeordnet
zu werden. Das Hitzeschild 76 weist einen ringförmigen Kanal 130 auf,
welcher in der ersten Oberfläche 128 gebildet
ist. Der Kanal 130 wird durch ein zweites Paar gegenüberliegender,
im Wesentlichen paralleler und inner und äußerer Wände 132 bzw. 134 definiert.
Zumindest eine der Wände 132 und/oder 134,
umfasst Gewinde 136. Die Kanäle 120 und 130 sind
in der ringförmigen
Oberfläche 72 bzw.
im Hitzeschild 76 dergestalt angeordnet, dass sie im Wesentlichen
zueinander ausgerichtet sind, wenn ein Gewindehaltemittel 138 mit
den zwei Kanälen 120 und 130 ineinandergreift.
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Das
Gewindehaltemittel 138 ist vorzugsweise ein Ring mit einer
Dicke T, die kleiner ist als die zusammengenommenen Tiefen der Kanäle 120 und 130,
so dass dann, wenn die Gewinde der zwei Kanäle 120 und 130 sich
im Eingriff mit dem Gewinde haltering 138 befinden, die
erste Oberfläche 128 des Hitzeschilds 76 nahe
bei und vorzugsweise in Kontakt mit der ringförmigen Oberfläche 72 des
Kühlmantels
liegen wird. Man wird erkennen, dass die Breite W des Halterings 138 geringer,
und vorzugsweise identisch, der Breiten der Kanäle 120 und 130 sein
kann. Der auf diese Weise ausgestaltete Haltering 138 wird
in der Lage sein, freier in die Gewinde 126 und 136 der
Kanäle 120 bzw. 130 einzugreifen.
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Der
Gewindehaltering 138 umfasst Verbindungsgewinde 140,
welche zusammenwirkend in die Gewinde 126 und 136 der
Kanäle 120 bzw. 130 eingreifen.
Die Gewinde 140 können
sich an einer inneren Oberfläche 142,
an einer äußeren Oberfläche 144 oder
an beiden Oberflächen 142 und 144 des Halterings 138 befinden.
Vorzugsweise befinden sich die Gewinde 140 an der äußeren Oberfläche 144 des Halterings,
da dies eine einfache Herstellung für alle eingreifenden Oberflächen erlaubt.
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Der
Gewindehaltering 138 wird wünschenswerterweise aus einem
Material hergestellt, welches mit dem Material der ringförmigen Oberfläche 72 und dem
Hitzeschild 76 verträglich
ist. Vorzugsweise wird der Gewindehaltering 38 aus einem
Material mit extrem hohem Temperaturwiderstand hergestellt, wie beispielsweise
dem durch das vereinigte Nummerierungssystem für Metalle und Legierungen ("Unified Numbering
System for Metals and Alloys")
definierte R30188. Dieses Material ist ein kobalt-basiertes Material,
welches mit Chrom und Wolfram legiert wird. Andere Legierungen mit
einem Hochtemperaturschmelzpunkt, wie beispielsweise Molybdän oder Tantal,
können
ebenfalls verwendet werden.