DD261290A3 - COMBINED FUTURE AND MONITORING DEVICE FOR BURNERS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Zuend- und Ueberwachungseinrichtung fuer Brenner fuer fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe, insbesondere fuer Brenner fuer die Vergasung von staubfoermigen Brennstoffen unter Druck. Ziel ist die Erhoehung der Sicherheit und Effektivitaet von Anfahr- und Reaktionsprozessen. Erfindungsgemaess sind in einem Huellrohr ein Tubus und Ueberwachungselemente angeordnet, die zum Reaktionsraum hin mit einer Sammellinse beziehungsweise Quarzglasscheiben verschlossen sind. Ausserhalb des Reaktors ist ein Laser auf den Tubus aufgesetzt, durch den der Laserstrahl in den Reaktionsraum eingekoppelt wird. Die Ueberwachungselemente sind mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden.The invention relates to a combined ignition and monitoring device for burners for liquid, gas and Staubfoermige fuels, especially for burners for the gasification of Staubbofermemigen fuels under pressure. The goal is to increase the safety and effectiveness of start-up and reaction processes. According to the invention, a tube and monitoring elements are arranged in a sheath tube, which are closed to the reaction space with a converging lens or quartz glass panes. Outside the reactor, a laser is placed on the tube, through which the laser beam is coupled into the reaction space. The monitoring elements are connected to a decentralized evaluation unit.
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zünden von Brennern für flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe und die sicherheitstechnische Bewertung der Brennerflamme.The invention relates to a device for igniting burners for liquid, gas and dust-like fuels and the safety assessment of the burner flame.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Reaktoren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe unter Druck sowie Reaktoren zur Synthesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe.Preferred applications are reactors for the gasification of pulverized fuels under pressure and reactors for syngas production based on the gasification of liquid and gaseous hydrocarbons.
Allgemein bekannt ist die Hochspannungszündung für das Zünden von Brennern unter Verwendung von Zündelektroden, w eiche zumeist in gesonderten Zündbrennern oder Zündlanzen eingebaut sind.High-voltage ignition is generally known for igniting burners using ignition electrodes, which are usually installed in separate pilot burners or ignition lances.
Mit der Patentanmeldung F 23 D/281 2863 liegt eine Brennerzündung vor, die zwar ebenfalls nach dem Prinzip der Hochspannungszündung arbeitet, aber im Brenner integriert ist.With the patent application F 23 D / 281 2863 there is a burner ignition, although also works on the principle of high voltage ignition, but is integrated in the burner.
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 drucklosem Zustand befinden, beziehungsweise in denen ein nur geringer Überdruck herrscht.However, both these and all other known high-voltage ignition are only suitable for igniting burners for containers, which are in the moment of ignition in the depressurized state, or in which there is only a slight overpressure.
Begründet ist dies darin, daß nur eine relativ geringe Menge des zündfähigen Gas-Luft-Gemisches gezündet werden kann. Eine Erhöhung der Mediengeschwindigkeit beziehungsweise des Druckes würde die Zuverlässigkeit der Zündung negativ beeinflussen.The reason for this is that only a relatively small amount of the ignitable gas-air mixture can be ignited. Increasing the media speed or pressure would adversely affect the reliability of the ignition.
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.A major disadvantage compared to the laser ignition is that the electrodes are subject to wear and replacement of the integrated in the burner electrodes brings a lot of work with it.
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.In DE 2924910 a laser-ignited spark plug is presented, in which the laser beam is guided after its production in a pulsed laser via a light guide, a collection optics and a quartz glass rod and focused in the combustion chamber. For the burner ignition, this arrangement is not suitable because of this high energy is required, which would lead to the destruction of the laser beam leading components. The use of optical fibers and quartz glass rod for beam guidance also reduces performance, so that the available energy in focus for igniting a burner would not be sufficient.
Mit der DE 3129919C2 ist eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen bekannt, bei derein Halbleiterlaser, welcher aus Stapeln vonLaser-Diodenplättchen besteht, den Laserstrahl erzeugt. Durch die im Brennpunkt entstehende Energie von ca. 100 Millijoule ist das Zünden eines Brenners nicht möglich.DE 3129919C2 discloses an ignition system for internal combustion engines, in which a semiconductor laser, which consists of stacks of laser diode chips, generates the laser beam. Due to the energy of about 100 millijoules in the focal point igniting a burner is not possible.
. Darüber hinaus sind beide Patente nicht druckfest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahles in den Brennraum eine für die Brennerzündung ungeeignete konstruktive Lösung auf, da die Optik an der Eintrittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen würde., In addition, both patents are not designed pressure-resistant and have at the point of entry of the laser beam into the combustion chamber for the burner ignition unsuitable constructive solution, since the optics would contaminate at the entry point by the combustion process immediately.
Besonders die extremen Bedingungen in Staubdruckvergasungsgeneratoren stehen bisher dem Einsatz von Laser-Zündanlagen in Kohlenstaubbrennern oder generell als Zündquelle für diese Brenner im Wege, da die für diese Systeme geforderte hohe Sicherheit nicht gewährleistet werden kann.Especially the extreme conditions in dust pressure gasification generators have hitherto stood in the way of the use of laser ignition systems in pulverized coal burners or generally as an ignition source for these burners, since the high level of safety required for these systems can not be guaranteed.
Gleichzeitig können alle bekannten Lösungen zur Zündungvon Brennstoff-, Sauerstoff- oder Luftgemischen nicht mit Überwachungssystemen kombiniert werden.At the same time, all known solutions for igniting fuel, oxygen or air mixtures can not be combined with monitoring systems.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist neben der Verbesserung der Ökonomie der Vergasungsprozesse eine Erhöhung der Effektivität und der Sicherheit beim Zünden und Überwachen von Brennern.The aim of the invention, besides improving the economics of the gasification processes, is to increase the effectiveness and safety of igniting and monitoring burners.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe mittels einer Zündeinrichtung zu zünden und gleichzeitig eine ständige sicherheitstechnisch relevante optische Überwachung der Flamme des Reaktionsraumes zu realisieren, insbesondere in unter Druck von 0,1 bis 5 MPa stehenden Reaktoren.The invention has for its object to ignite liquid, gas and dust-like fuels by means of an ignition device and at the same time to realize a permanent safety-related optical monitoring of the flame of the reaction chamber, especially in pressurized from 0.1 to 5 MPa reactors.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Brenner eine Einrichtung eingesetzt ist, die hauptsächlich aus einem Tubus mit druckfestem optischem Fenster, einer drucktragenden Sammellinse und aus zwischen Tubus und Hüllrohr angeordneten Überwachungselementen und einem Laser besteht.According to the invention the object is achieved in that a device is used in the burner, which consists mainly of a tube with pressure-resistant optical window, a pressure-bearing converging lens and disposed between the tube and cladding tube monitoring elements and a laser.
Das Hüllrohr stellt die äußere Begrenzung der Einrichtung dar und ist vom Reaktionsraum nach außen durchgeführt. Im Hüllrohr befindet sich asymmetrisch — aber koaxial angeordnet, der innen verspiegelte oder polierte Tubus, der an seinem reaktionsraumseitigen Ende mit einer Sammellinse verschlossen ist. Am gegenüberliegendem Ende besitzt der Tubus ein optisches Fenster und ist mit einem in drei Achsen justierbaren Laser axial gekoppelt. Der druckfreie Raum zwischen Sammellinse und optischem Fenster ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden.The cladding tube is the outer boundary of the device and is performed from the reaction space to the outside. In the cladding tube is asymmetrically - but arranged coaxially, the internally mirrored or polished tube, which is closed at its reaction chamber end with a condenser lens. At the opposite end of the tube has an optical window and is axially coupled with a laser adjustable in three axes. The pressure-free space between the converging lens and the optical window is connected to a control device.
Parallel zum Tubus sind im Hüllrohr ein oder mehrere Überwachungselemente angeordnet, die ebenfalls über einen Flansch des Hüllrohres nach außen geführt sind. Die Überwachungselemente sind rohrförmig gestaltet, das reaktionsraumseitige Ende ist mit einer Quarzglasscheibe verschlossen.Parallel to the tube one or more monitoring elements are arranged in the cladding tube, which are also guided via a flange of the cladding tube to the outside. The monitoring elements are designed tubular, the reaction chamber end is closed with a quartz glass.
Im Überwachungselement ist ein opto-elektronischer Wandler vorhanden, der entweder über Lichtwellenleiter mit der Quarzgiasscheibe verbunden oder unmittelbar hinter dieser angeordnet ist. Der Wandler ist über elektrische Anschlüsse mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden. Ein im Überwachungselement zwischen Wandler und Quarzglasscheibe oder hinter dem Wandler vorhandener druckfreier Raum ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden.In the monitoring element, an opto-electronic transducer is present, which is either connected via optical waveguides with the quartz glass disc or disposed immediately behind this. The converter is connected via electrical connections to a decentralized evaluation unit. A pressure-free space present in the monitoring element between converter and quartz glass pane or behind the converter is connected to a control device.
Das Hüllrohr ist am reaktionsraumseitigen Ende als Düse ausgebildet, wobei die Mündung so groß gewählt ist, daß der Laserstrahl und auch der Strahlengang des vom Überwachungselement empfangenen Flammensignalen nicht behindert ist. Der Zwischenraum zwischen Hüllrohr und Einbauten ist mit einem Spülgasanschluß versehen.The cladding tube is formed at the reaction chamber end end as a nozzle, wherein the mouth is chosen so large that the laser beam and the beam path of the received from the monitoring element flame signals is not hindered. The space between the cladding tube and internals is provided with a purge gas connection.
Erfindungsgemäß wird ein Laserimpuls aus dem axial am Tubus angeordneten Laser in den Tubus eingekoppelt und von der Sammellinse in den Reaktionsraum fokussiert, wobei zur Verminderung der Übertragungsverluste der Tubus verspiegelt oder poliert ausgeführt ist. Zur Überwachung des Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht im Überwachungselement über Lichtleiter, die mit einer Quarzglasscheibe druckfest gefaßt sind, erfaßt und optisch-elektronischen Wandlern zugeführt, die mit einer separaten selektiven Auswerteeinheit verbunden sind.According to the invention, a laser pulse from the axially arranged on the tube laser is coupled into the tube and focused by the converging lens in the reaction chamber, wherein the tube is mirrored or polished to reduce the transmission losses. For monitoring the burner, the light emitted by the burner flame in the monitoring element via optical fibers, which are held pressure-tight with a quartz glass disc, detected and fed to optical-electronic converters, which are connected to a separate selective evaluation.
Erfindungsgemäß werden die zwischen der Sammellinse und dem optischen Fenster und zwischen Quarzglasscheibe und druckfester Durchführung vorhandenen druckfreien Räume als wesentliches sicherheitstechnisches Element ständig überwacht.According to the present invention, the pressure-free spaces present between the converging lens and the optical window and between the quartz glass pane and pressure-resistant passage are constantly monitored as an essential safety-related element.
Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist die Einleitung von Spülgas in den Zwischenraum zwischen Tubus und Hüllrohr.Another feature of the invention is the introduction of purge gas in the space between the tube and cladding tube.
Durch diese Maßnahme und die spezielle Gestaltung der Mündung in Form einer Düse werden die optischen Einbauten gekühlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschützt.By this measure and the special design of the orifice in the form of a nozzle, the optical internals are cooled and specifically protected from contamination from the reaction chamber or the penetration of other present in the burner media.
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.It has proved to be particularly advantageous that the technical solution found enables starting of, for example, reactors under pressure, which has a decisive influence on the economy of the process and substantially increases the safety of the ignition and of the signal transmission and evaluation.
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.Further advantages are that there are no wearing parts in the reactor zone, that no complicated electrical pressure feedthroughs are present, that it is possible to determine the ignition exactly and that the ignition energy can be dosed adjustable to the ignition media.
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.The ignition and monitoring device does not have to be an integral part of the burner, but it can also be arranged at another favorable location for the ignition.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:
Fig. 1: Schematische Darstellung der Zünd-und ÜberwachungseinrichtungFig. 1: Schematic representation of the ignition and monitoring device
Fig.2: Überwachungselement mit Lichtwellenleiter2: monitoring element with optical waveguide
Fig. 3: Überwachungselement ohne LichtwellenleiterFig. 3: monitoring element without optical fiber
Fig. 4: In Brenner eingesetzte ZündeinrichtungFig. 4: used in burner igniter
Im Ausführungsbeispiel ist die Zünd- und Überwachungseinrichtung an zentraler Stelle in den Brenner 17 eingesetzt. Eingangsseitig befindet sich axial am Tubus 2 ein Laser 1. Die Verbindung zwischen Laser 1 und Tubus 2 bildet ein druckfestes optisches Fenster 5. Am reaktionsraumseitigen Ende des Tubus 2 ist eine druckfeste Sammellinse 4 angeordnet. Im Raum zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befinden sich die Überwachungselemente 6. Diese bestehen aus der mündungsseitig angeordneten Quarzglasscheibe 7, Lichtwellenleitern 14, ausgangsseitig plaziertem opto-elektronischem Wandler 15, druckfesten Durchführungen 9 und elektrischen Anschlüssen 16.In the exemplary embodiment, the ignition and monitoring device is inserted at a central location in the burner 17. The input side is located axially on the tube 2, a laser 1. The connection between the laser 1 and tube 2 forms a pressure-resistant optical window 5. At the reaction chamber end of the tube 2 a pressure-resistant converging lens 4 is arranged. In the space between tube 2 and cladding tube 3 are the monitoring elements 6. These consist of the mouth side arranged quartz glass pane 7, optical waveguides 14, the output side placed opto-electronic converter 15, flameproof bushings 9 and electrical connections 16th
Nach der Erfindung ist es ebenfalls möglich, den opto-elektronischen Wandler 15 mündungsseitig hinter der Quarzglasscheibe 7 anzuordnen. Der zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 existente Zwischenraum 18 ist mit einem Spülgasanschluß 8 zur Zuführung von Spülgas versehen. Das reaktionsrau mseitige Ende des Hü 11 roh res 3 ist als Düse 19 mit Mündung 10 so gestaltet, daß eine Verschmutzung der Sammellinse 4 ausgeschlossen und der Strahlengang nicht behindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden.According to the invention, it is also possible to arrange the opto-electronic converter 15 downstream of the quartz glass pane 7. The between the tube 2 and 3 cladding existing gap 18 is provided with a purge gas connection 8 for supplying purge gas. The reaktionsrau mseitige end of Hü 11 roh res 3 is designed as a nozzle 19 with mouth 10 so that contamination of the converging lens 4 excluded and the beam path is not hindered. The operation of the invention will be explained in more detail below.
Der Laserstrahl wird in dem axial am Tubus 2 justierbar montierten Laser 1 erzeugt und über das optische Fenster 5 in den Tu bus 2 eingekoppelt. Die Sammellinse 4fokussiert den Laserimpuls an einen für die Zündung günstigen Punkt im Reaktionsraum 13.The laser beam is generated in the axially adjustable on the tube 2 mounted laser 1 and coupled via the optical window 5 in the Tu bus 2. The converging lens 4 focuses the laser pulse to a point favorable for ignition in the reaction space 13.
Über einen sich zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befindlichem Zwischenraum 18 wird ein trockenes, staub-, öl- und fettfreies Spülgas eingebracht, welches; bedingt durch die Form der Düse 19 mit Mündung 10, die Sammellinse 4 umspült und von Verschmutzungen freihält.About a located between the tube 2 and 3 cladding tube space 18 a dry, dust, oil and fat-free purge gas is introduced, which; due to the shape of the nozzle 19 with the mouth 10, the collecting lens 4 flows around and keeps clear of dirt.
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.The laser 1 used is a solid-state laser operating in pulsed mode, the power supply unit of which is stationed in a decentralized manner by the burner. The laser 1 can be dismantled after ignition.
Die sich zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befindlichen Übertragungselemente 6 dienen der Überwachung des Brenners. Das von der Brennerflamme emittierte Licht wird über die Quarzglasscheibe 7 und Lichtwellenleitern 14 einem opto-elektronischen Wandler 15 zugeleitet, der mit einer dezentral angeordneten selektiven Auswerteeinheit gekoppelt ist. In einer Ausführungsform befindet sich der opto-elektronische Wandler direkt hinter der Quarzglasscheibe.The transmission elements 6 located between the tube 2 and the cladding tube 3 serve to monitor the burner. The light emitted by the burner flame is fed via the quartz glass pane 7 and optical waveguides 14 to an opto-electronic converter 15 which is coupled to a decentrally arranged selective evaluation unit. In one embodiment, the opto-electronic converter is located directly behind the quartz glass pane.
Die druckfreien Räumen imTubus2undinden Überwachungselementen 6 werden von Kontrolleinrichtungen 12 aufständige Funktionssicherheit überwacht.The pressure-free spaces in the tube 2 and the monitoring elements 6 are monitored by control devices 12 for reliable functional safety.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |