DD261289A3 - Einrichtung zur kombinierten zuendung und ueberwachung von brennern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zuenden und Ueberwachen von Brennern fuer fluessige, gas- oder staubfoermige Brennstoffe, insbesondere fuer Reaktoren zur Vergasung von staubfoermigen Brennstoffen unter Druck sowie Reaktoren zur Synthesegaserzeugung. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Effektivitaet und der Sicherheit beim Zuenden und Ueberwachen von Brennern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer Einrichtung die Zuendung und die Ueberwachung einer Flamme zu sichern. Erfindungsgemaess besteht die Einrichtung aus einem Tubus, der am reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse besitzt. Ausserhalb des Reaktionsraumes befindet sich am Tubus ein Laser in Hoehe einer dielektrisch beschichteten Platte, der nach aussen eine Sammellinse, ein Filter und ein opto-elektronischer Wandler folgen. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zünden von Brennern für flüssige, gas-und staubförmige Brennstoffe und die sicherheitstechnische Bewertung der BVennerflamme.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Reaktoren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe unter Druck sowie Reaktoren zur Synthesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der DE 2924910 wird eine lasergezündete Zündkerze vorgestellt, bei der der Laserstrahl nach dessen Erzeugung in einem gepulsten Laser über einen Lichtleiter, einer Sammeloptik und einem Quarzglasstab geleitet und im Verbrennungsraum fokussiert wird. Für die Brennerzündung ist diese Anordnung nicht geeignet, da für diese eine hohe Energie erforderlich ist, welche zur Zerstörung der laserstrahlführenden Bauelemente führen würde. Der Einsatz von Lichtleitern und Quarzglasstab zur Strahlführung wirkt darüber hinaus leistungsmindernd, so daß die zur Verfügung stehende Energie im Fokus zur Zündung eines Brenners nicht ausreichen würde.

Mit der DE 3129919 C2 ist eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen bekannt, bei derein Halbleiterlaser, welcher aus Stapeln von Laser-Diodenplättchen besteht, den Laserstrahl erzeugt. Durch die im Brennpunkt entstehende Energie von ca. 100 Miliijoule ist das Zünden eines Brenners nicht möglich.

Beide Patente sind nicht druckfest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahls in den Brennraum eine für die Brennerzündung ungeeignete konstruktive Lösung auf, da die Eintrittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen würde.

Die Gefahr der Verschmutzung der optischen Bauteile tritt besonders bei den extremen Bedingungen beim Einsatz von Brennern in Staubdruckvergasungsgeneratoren auf. Durch die Flammenreaktion werden schmelzflüssige Asche- und Schlackepartikel umhergewirbelt, die zu Anbackungen und festen Krusten an Reaktoreinbauten führen können. In einem solchen Fall ist die Sicherheit bei wiederholt notwendigen Zündversuchen nicht gegeben.

Allgemein bekannt ist die Hochspannungszündung für das Zünden von Brennern unter Verwendung von Zündelektroden, welche zu meist in gesonderten Zündbrennern oder Zündlanzen eingebaut sind.

Mit F 23 D/2812863 liegt eine Brennerzündung vor, die zwar ebenfalls nach dem Prinzip der Hochspannungszündung arbeitet, aber im Brenner integriert ist. Doch sowohl diese als auch alle anderen bekannten Hochspannungszündungen eignen sich nur für das Zünden von Brennern für Behälter, welche sich im Moment des Zündens im drucklosen Zustand befinden, bzw. in denen ein nur geringer Überdruck herrscht.

Begründet ist dies darin, daß nur eine relativ geringe Menge des zündfähigen Gas-Luft-Gemisches gezündet werden kann. Eine Erhöhung der Mediengeschwindigkeit bzw. des Druckes würde die Zuverlässigkeit der Zündung negativ beeinflussen. Ein wesentlicher Nachteil gegenüber der Laserzündung ist, daß die Elektroden verschleißbehaftet sind und der Austausch der im Brenner integrierten Elektroden einen hohen Arbeitsaufwand mit sich bringt.

Alle bekannten Systeme der Brennerzündung sind im übrigen nicht geeignet, gleichzeitig eine Überwachungsfunktion mit zu realisieren.

Ziel der Erfindung

Ziel derErfindung ist neben der Verbesserung der Ökonomie der Vergasungsprozesse eine Erhöhung der Effektivität und der Sicherheit beim Zünden und Überwachen von Brennern.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe mittels einer Einrichtung zu zünden und gleichzeitig eine ständige sicherheitstechnisch relevante optische Überwachung der Flamme des Reaktionsraumes zu realisieren, insbesondere in unter Druck von 0,1 bis 5MPa stehenden Reaktoren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Einrichtung eingesetzt ist, die hauptsächlich aus einem Tubus mit druckfestem optischem Fenster, Sammellinsen, einer dielektrisch beschichteten Platte, einem opto-elektronischen Wandler und einem Laser besteht.

Nach der Erfindung besitzt der Tubus an seinem reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse, zwischen derund einem nachfolgendem optischem Fenster ein druckloser Raum angeordnet ist, der als wesentliches sicherheitstechnisches Element mit einer Kontrolleinrichtung verbunden ist. Nach dem optischen Fenster, das sich im Tubus außerhalb des Reaktionsraumes befindet, sind nacheinander eine winklig ausgerichtet dielektrisch beschichtete Platte, eine Sammellinse, ein Filter und ein opto-elektronischer Wandler angeordnet. In Höhe der dielektrisch beschichteten Platte ist seitlich am Tubus ein Laser angeordnet. Die Lage der Platte ist so festgelegt, daß der Laserstrahl genau in Richtung der Achse des Tubus umgelenkt wird.

Erfindungsgemäß ist um den Tubus ein Hüllrohr angeordnet, das mit dem Tubus einen ringförmigen Zwischenraum bildet. In Höhe des reaktionsraumseitigen Endes des Tubus ist das Hüllrohr als Düse ausgebildet, wobei die Minderung der Düse so groß gewählt ist, daß der Strahlengang nicht behindert wird.

Durch die Einleitung von Spülgas in den Zwischenraum zwischen zentralem Tubus und Hüllrohr werden die optischen Einbauten gekühlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschützt. Zur Verminderung der Übertragungsverluste ist die Innenwand des Tubus verspiegelt, mindestens jedoch poliert ausgeführt.

Nach der Erfindung wird ein Laserimpuls über die dielektrisch beschichtete Platte und das optische Fenster in den Tubus eingekoppelt und von der Sammellinse in den Reaktionsraum fokussiert. Der im Brennpunkt erzeugte Lichtblitz zündet das aus dem Brenner ausströmende Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch.

Zur Überwachung des Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht über das gleiche, den Laserstrahl leitende optische System einer selektiven Auswerteeinheit zugeführt, wobei die dielektrisch beschichtete Platte im Wellenlängenbereich des optischen Flammensignales eine hohe Transmission aufweist.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß die gefundene technische Lösung ein Anfahren von zum Beispiel Reaktoren unter Druck ermöglicht, was entscheidenden Einfluß auf die Ökonomie des Verfahrens hat und die Sicherheit der Zündung sowie der Signalübertragung und -auswertung wesentlich erhöht.

Weitere Vorteile sind, daß sich in der Reaktorzone keine Verschleißteile befinden, daß keine aufwendigen elektrischen Druckdurchführungen vorhanden sind, daß es möglich ist, den Zündzeitpunkt exakt zu bestimmen und daß die Zündenergie dosierbar auf die Zündmedien abgestimmt werden kann.

Die Zünd- und Überwachungseinrichtung muß nicht integraler Bestandteil des Brenners sein, sondern sie kann auch an einem anderen, für die Zündung günstigen Ort, angeordnet werden.

Ausführungsbeispiel e.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die schematische Anordnung der wichtigsten Bauteile.

Erfindungsgemäß ist ein Tubus 4 an zentraler Stelle im Brenner angeordnet, über den sowohl die Zünd- als auch Überwachungsfunktion realisiert werden. Außerhalb des Reaktionsraumes ist außen am Tu bus 4 ei η in drei Achsen justierbarer Laser 1 montiert. Im Tubus 4 ist das optische System plaziert, bestehend aus Sammellinse 7, dielektrisch beschichteter Platte 3, optischem Fenster 2, Sammellinse 6, Filter 8 und opto-elektronischem Wandler 9.

Der zwischen Tubus 4 und Hüllrohr 11 existente Zwischenraum 15 dient der Zuführung des Spülgases 10. Die Mündung 14 ist in Form einer Düse 16 so gestaltet, daß eine Verschmutzung der Sammellinse 6 verhindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden.

Der Laserstrahl wird in dem seitlich am Tubus 4 justierbar angeordneten Laser 1 erzeugt und bereine sich im Winkel von 45° befindlichen dielektrisch beschichteten Platte 3 und ein optisches Fenster 2 in den Tubus eingekoppelt. Die Sammellinse 6 fokussiert den Laserimpuls an einen für die Zündung günstigen Punkt im Reaktionsraum. Über einen sich zwischen Tubus 4 und Hüllrohr 11 befindlichen Zwischenraum 15 wird ein trockenes, staub-, öl- und fettfreies Spülgas 10 eingebracht, welches, bedingt durch die Gestaltung des Hüllrohrendes in Form einer Düse 16 mit Mündung 14, die Sammellinse 6 umspült und von Verschmutzungen freihält.

Als Laser 1 wird ein im Impulsbetrieb arbeitender Festkörperlaser verwendet, dessen Stromversorgungseinheit dezentral vom Brenner stationiert ist. Der Laser 1 kann nach erfolgter Zündung wieder demontiert werden.

Das optische System dient zugleich der Überwachung des Brenners. Das von der Brennerflamme emittierte Licht wird über die Sammellinse 6, den innen verspiegelten oder polierten Tubus 4, das optische Fenster 2, die dielektrisch beschichtete Platte 3, eine Sammellinse 7 und ein Filter 8 einem opto-elektronischem Wandler 9 zugeleitet, der mit einer dezentral angeordneten selektiven Auswerteeinheit gekoppelt ist.

Die dielektrisch beschichtete Platte 3 ist so ausgelegt, daß der Laserimpuls nahezu verlustfrei reflektiert wird, für die Lichtsignale der Brennerflamme aber eine hohe optische Transmission aufweist.

Der drucklose Raum 12, begrenzt von der druckfesten Sammellinse 6 und dem optischen Fenster 2, wird von einer Kontrolleinrichtung 13 aufständige Funktionssicherheit überwacht.

Claims (4)

1. Einrichtung zur kombinierten Zündung und Überwachung von Brennern für flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe, vorzugsweise zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem im Zentrum eines Hüllrohres (13) angeordneten Tubus (4) besteht, in dem am unteren, reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse (6) und außerhalb des Reaktionsraumes im Tubus (4) ein druckfestes optisches Fenster (2) und nachfolgend eine winklig angeordnete dielektrisch verspiegelte Platte (3), eine Sammellinse (7) ein optisches Filter (8) sowie ein opto-elektronischer Wandler (9) eingebaut sind, daß der Laser (1) gegenüber der dielektrisch verspiegelten Platte (3) außerhalb am Tubus (4) justierbar angeordnet ist, daß im Tubus (4) zwischen dem optischen Fenster (2) und der Sammellinse (6) ein druckloser Raum (12) existiert, der mit einer Kontrolleinrichtung (13) verbunden ist und daß der Tubus (4) von

" einem Hüllrohr (11) umschlossen und dessen reaktionsraumseitiges Ende als Düse (16) ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus (4) eine verspiegelte, mindestens aber polierte Innenwand (5) besitzt.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tubus (4) und dem Hüllrohr (13) ein Zwischenraum (15) für die Spülgaszuführung vorhanden ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrisch beschichtete Platte (3) in einem Winkel angeordnet ist, daß der Strahlengang des Lasers (1) in Richtung der Achse des Tubus (4) liegt.