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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines heißen Rauchgases
mittels eines Brenners, in welchem ein gasförmiger Brennstoff mit einem
gasförmigen
Oxidationsmittel in einem porösen
Material unter Bildung einer innerhalb des porösen Materials liegenden Flammenfront
verbrannt wird.
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In
den Brennern kann zum Beispiel Erdgas oder beliebiger anderer Brennstoff
verbrannt werden. Das Gas wird dem Brennraum zusammen mit Luft oder
Sauerstoff innerhalb des Gehäuses
durch einen Einlaß zugeleitet.
Dort wird das Gas verbrannt. Der Verbrennungsprozeß ist eine
exotherme Reaktion, bei welcher die in dem Gas enthaltenen Brennstoffe unter
Zufuhr von Sauerstoff oxidiert werden. Das entstehende Rauchgas
besteht aus den Reaktionsprodukten. Wenn Kohlenwasserstoffe aus
Erdgas, Methan oder dergleichen verbrannt werden, entstehen im wesentlichen
Kohlendioxid und Wasser. Wenn Wasserstoff verbrannt wird, entsteht
Wasser. Durch die bei der chemischen Reaktion freiwerdende Energie
heizt sich das Rauchgas auf und kann seiner Verwendung zugeführt werden.
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Das
mit einem solchen Brenner erzeugte Rauchgas kann sehr hohe Temperaturen
erreichen. Es wird beispielsweise verwendet, um wasserdurchflossene
Wärmeübertrager
zu beaufschlagen und das Wasser zu erwärmen und ggf. zu verdampfen und
anschließend
zu überhitzen.
Der heiße
Wasserdampf kann dann zum Beispiel in Expansions-Arbeitsmaschinen verwendet werden.
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Neben
den oben aufgeführten
Reaktionsprodukten entstehen auch eine Vielzahl weiterer Reaktionsprodukte,
die häufig
giftig und/oder umweltschädlich
sind. Der in der Luft und im Brenngas enthaltene Stickstoff bzw.
Stickstoffverbindungen führen
zur Bildung von so genannten Stickoxiden der allgemeinen Formel
NOx. Diese sind giftig. Die Bildung von
Stickoxiden ist daher möglichst
gering zu halten. Dies wird üblicherweise
durch möglichst
geringe Temperaturen bei der Verbrennung erreicht.
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Ein
weiteres Reaktionsprodukt bei der Verbrennung von Erdgas ist CO
(Kohlenmonoxid). Kohlenmonoxid ist ebenfalls giftig. Es entsteht
in besonders hohem Maße,
wenn keine ausreichende Sauerstoffzufuhr während des Verbrennungsprozesses
gewährleistet
ist und wenn die Verbrennungstemperaturen zu gering sind.
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Zur
Vermeidung von unnötigen
Schadstoffemissionen ist es bekannt die Brennertemperatur zu kontrollieren
und ein gleichmäßiges Temperaturfeld im
gesamten Brennraum zu erzeugen.
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Aus
der
DE 43 22 109 A1 (Durst)
ist ein Porenbrenner der eingangs genannten An bekannt. Der Porenbrenner
umfaßt
ein Gehäuse,
welches mit porösem
Material gefüllt
ist. Das poröse
Material ist auf zwei oder drei Zonen verteilt, in denen jeweils
eine unterschiedliche Porengröße vorliegt.
Das poröse Material
besteht aus hitzebeständigem
Schaumkunststoff, Keramik, Metall oder einer Metallegierung. Der
Einfluß der
unterschiedlichen Porengröße auf das
Verbrennungsverhalten wird durch die Péclet-Zahl wiedergegeben.
Diese Zahl gibt das Verhältnis
von Wärmeproduktion
infolge der Verbrennungsreaktion zu Wärmeableitung an die Porenoberfläche an.
Es gilt für
die Péclet-Zahl
P
e:
mit der laminaren Flammengeschwindigkeit
der Mischung S
L, dem effektiven Porendurchmesser
d
p,eff und der Temperaturleitfähigkeit
der Mischung a
f. Die Porengröße der beschriebenen
Anordnung ist so ausgelegt, daß in
der einlaßseitigen
Zone eine Péclet-Zahl
im Bereich unterhalb des kritischen Wertes von 65 und in der auslaßseitigen
Zone eine Péclet-Zahl
im Bereich oberhalb des kritischen Wertes von 65 vorliegt. Im feinporigen
einlaßseitigen
Bereich kann sich keine Flamme ausbilden. Im grobporigen auslaßseitigen
Bereich findet die Verbrennung statt und an der gut definierten
Grenzfläche
zwischen den beiden Zonen stabilisiert sich dann die Verbrennungsregion.
Durch die Wahl der Porengröße, die
linear in die Berechnung der Péclet-Zahl
eingeht, kann Einfluß darauf
genommen werden, ob eine Verbrennungsreaktion stattfinden kann.
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Der
beschriebene Brenner arbeitet im laufenden Betrieb bei niedrigen,
gleichförmigen
Verbrennungstemperaturen und ist daher extrem schadstoffarm und
für eine
Vielzahl verschiedener Brennstoffe gut geeignet. Weiterhin hat der
Brenner eine hohe Wärmekapazität, die zu
einer erhöhten
Verbrennungsstabilität
führt,
und läßt hohe
Verbrennungsgeschwindigkeiten zu, die eine hohe Leistungsdichte
und -modulation erlauben.
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Wasserstoff
ist ein Brennstoff, dessen Verwendung große Vorteile aufweist. So wird
bei der Verbrennung nur Wasser und weder giftiges Kohlenmonoxid
noch Kohlendioxid frei, welches den Treibhauseffekt begünstigt.
Lediglich Stickoxide können unter
ungünstigen
Betriebsbedingungen als Schadstoffe entstehen, z.B. wenn die Temperatur
zu hoch ist. Die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff führt jedoch
zu Schwierigkeiten.
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Wasserstoff
hat eine sehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit. Das Verhältnis zwischen
Diffusionsgeschwindigkeit einer Komponente c und dem Wärmetransport
wird durch die Lewis-Zahl Le
c beschrieben:
wobei λ
f die
Wärmeleitfähigkeit
des Fluides ist, D
c der Diffusionskoeffizient
der betrachteten Komponente, ρ
f die Dichte des Fluides und c
P,f die
spezifische Wärmekapazität des Fluides
bezeichnet. Die Lewis-Zahl beschreibt das Verhältnis der Temperaturleitfähigkeit a
f zum Diffusionskoeffizienten D
c.
Gase mit einer geringen Lewis-Zahl verbrennen also derart, daß sich die
Flammenfront im Vergleich zur Temperatur sehr schnell ausbreitet.
Ein Beispiel für
ein Gas mit einer Lewis-Zahl unter eins ist Wasserstoff.
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Die
hohe Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff führt dazu, daß die Flamme
in einem der oben genannten, bekannten Brenner nicht stabil brennt.
Die bekannten Brenner sind daher nicht für die Verbrennung von Wasserstoff
und anderen Brennstoffen mit hoher Diffusionsgeschwindigkeit geeignet.
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In
der Veröffentlichung „Stabilisierung
der Verbrennung in porösen
Medien bei starker Stoffdiffusion" von D. Trimis und K. Wawrzinek in VDI
Berichte Nr. 1750, 2003 5.595 wurde die kritische Péclet-Zahl
für Gase
mit unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten untersucht. Dabei
stellte sich heraus, daß die
kritische Péclet-Zahl,
bei welcher sich eine Flamme ausbildet, sich mit der Diffusionsgeschwindigkeit ändert. Dies
bedeutet, daß die üblicherweise
für die
Auslegung der Flammensperre verwendete kritische Péclet-Zahl
von 65 nicht für
alle Gase verwendet werden kann.
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In
der Veröffentlichung „Flame
Stabilization of Highly Diffusive Gas Mixtures in Porous Inert Media" von Dimosthenis
Trimis und Klemens Wawrzinek, veröffentlicht auf der Conference
on Modelling Fluid Flow (CMFF'03),
The 12th International Conference on Fluid
Flow Technologies, Budapest, Ungarn, 3.–6. September 2003 ist die
Problematik der Flammenstabilisierung ausführlich beschrieben.
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Zur
Lösung
des Problems werden in der Veröffentlichung
folgende Maßnahmen
zur Flammenstabilisierung vorgeschlagen: Konvektive Stabilisierung, Aktive
Kühlung,
Strahlungsstabilisierung und Quenching. Alle diese Maßnahmen
erfordern einen hohen Aufwand und Veränderungen der bereits bekannten Porenbrenner.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Porenbrenner der geschilderten
Art so zu betreiben, daß sich
eine die Abgase schadstoffarm sind und eine stabile Flamme erhalten
wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
daß
- (a) ein Brennstoff verwendet wird, der in einer
oxidationsmittelreichen, überstöchiometrischen Brennstoff/Oxidationsmittel-Mischung
eine Lewiszahl kleiner als 1 und in einer oxidationsmittelarmen,
unterstöchiometrischen
Mischung eine Lewiszahl größer oder
gleich 1 aufweist, und
- (b) das Verhältnis
der zugeführten
Brennstoffmenge zur Menge des zugeführten Oxidationsmittels so
gesteuert wird, daß das
Oxidationsmittel in der Mischung unterstöchiometrisch vorliegt.
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Eine
effektive Verbrennung wird dadurch erreicht, daß in das poröse Material
stromab von der Flammenfront Oxidationsmittel an einer Stelle unterstöchiometrisch
und an wenigstens einer anderen Stelle stromab davon mindestens
stöchiometrisch zugeführt wird.
Dann kann an der letzteren Stelle eine stöchiometrische bis überstöchiometrische
Umsetzung des Brennstoffs erfolgen.
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Durch
die gestufte Zufuhr des Oxidationsmittels erfolgt auch die Wärmefreisetzung
stufenweise. Durch eine geeignete Auslegung kann das Temperaturniveau
der Wärmeauskopplung
eingestellt werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, nachfolgende
Bauteile oder Prozesseinheiten thermisch nicht zu überlasten
oder einen anderen Prozess, der Wärmezufuhr auf einem bestimmten
Temperaturniveau benötigt,
zu betreiben. Der Brenner eignet sich besonders für die Verwendung
zur Erzeugung von Wärme
für einen
Dampfkreisprozess mit externer Verbrennung.
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Bei
der Verwendung eines Brenners, bei welchem das poröse Material
in verschiedene Zonen unterschiedlicher Porosität aufgeteilt ist, wobei die
einlaßseitige Zone
feinporig ist und die Poren sich von Zone zu Zone in Richtung eines
Heizgasauslasses vergrößern, muß die Porengröße des feinporigen
Bereiches nur bezüglich
der höheren
Brenngeschwindigkeit von Wasserstoff angepaßt werden, um eine stabile
Verbrennung sicher zu stellen.
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Mit
einem solchen Verfahren können
bei einem Porenbrenn alle Vorteile der Verwendung von Wasserstoff
genutzt werden, ohne daß der
Nachteil der instabilen Flamme oder die Gefahr eines Flammenrückschlags
auftritt. Es hat sich nämlich überraschenderweise
gezeigt, daß bei
einer unterstöchiometrischen
Menge des oxidierenden Gases eine stabile Flamme ausbildet. Als
oxidierendes Gas sind insbesondere Sauerstoff oder Luft geeignet.
Ein unterstöchiometrisches
Verhältnis
liegt vor, wenn pro Mol molekularem Wasserstoff, das dem Brenner
zugeführt
wird, weniger als 0,5 Mol Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung stehen.
Bei anderen Brennstoffen gelten die dem Reaktionsprozeß entsprechenden
stöchiometrischen
Verhältnisse.
Dann bleibt beim Verbrennungsprozeß Brennstoff übrig. Der
Verbrennungsprozeß kann
auf diese Weise durch die Zufuhr des oxidierenden Gases gesteuert
werden. Wenn die Flamme instabil ist, wird die Sauerstoffzufuhr
gedrosselt, bis die Flamme stabil brennt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß die Temperatur
an wenigstens zwei Stellen in dem porösen Material gemessen und das
Verhältnis
von Brennstoff und Oxidationsmittel als Stellgröße so geregelt wird, daß sich eine
im wesentlichen gleichmäßige Temperatur
in dem porösen
Material ergibt.
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Dann
erfolgt nicht nur eine Steuerung der Flammenstabilität, sondern
auch eine Regelung der Brennertemperatur. Gerade bei der automatischen Regelung überschreiten
die Temperaturen nicht die vorgegebenen Grenzwerte. Dadurch kann
die Schadstoff-Emission
z.B. der Stickoxide besonders gering gehalten werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem porösen Material
zwischen der Flammenfront und einem Heizgasauslaß Wärme ausgekoppelt. Dann wird
dem Brenner Wärme
entzogen und weitere Verbrennungsreaktionen können bei verminderter Temperatur
erfolgen.
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Bei
einem Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners wird vorzugsweise
das Verhältnis
von zugeführter
Brennstoffmenge zur Menge an zugeführtem oxidierenden Gas auf
einen unterstöchiometrischen
Wert eingestellt. Dabei kann die Wärmeauskopplung mit einem einheitlichen
Temperaturniveau erfolgen. Das wird erreicht, indem die Wärmeauskopplung
und die Stufung des Oxidationsmittels entsprechend ausgelegt werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Schnitt durch einen schematisch dargestellten Porenbrenner.
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2 zeigt
einen Dampfkreisprozess mit einem Porenbrenner
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
mit 10 allgemein ein Brenner bezeichnet. Der Brenner 10 umfasst
ein Gehäuse 12 mit
einem Einlass 14. Ein Brennstoff/Luftgemisch kann in Richtung
eines Pfeils 16 am Einlass 14 in einen Brennraum 18 innerhalb
des Gehäuses 12 eintreten.
Brennstoff ist hier molekularer Wasserstoff, der in einem geeigneten
Reservoir 27 vorliegt.
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Das
Brennstoff/Luftgemisch wird innerhalb des Brennraums 18 verbrannt
und verlässt
den Brennraum 18 als heißes Rauchgas am Auslass 20 des
Gehäuses.
Das Rauchgas enthält
das Reaktionsprodukt Wasser. Im vorliegenden Fall erstreckt sich
der Auslass 20 über
den gesamten Querschnitt des Brennraums 18.
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Innerhalb
des Brennraums sind poröse
Materialien vorgesehen. Die porösen
Materialien sind auf zwei Zonen 22 und 24 verteilt.
In der ersten Zone 22 ist das poröse Material feinporig mit einer
Péclet-Zahl
im Bereich < 65
ausgebildet. Im Betrieb durchtritt das Brenngas/Luftgemisch also
zunächst das
feinporige Material und dann das grobporige Material. Die Verbrennung
findet während
des normalen Betriebs ausschließlich
im grobporigen Material statt. Hier weist das Material eine Péclet-Zahl
im Bereich > 65 auf.
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Als
poröse
Materialien werden Keramiken aus Aluminiumoxid und Siliziumcarbid
verwendet, welche in einer Metallform gecannt wurden. Diese Metallform
erleichtert nicht nur die Handhabung, sondern dient gleichzeitig
zur Bildung des Gehäuses 12. Alternativ
kann auch poröses,
hochtemperaturfestes Schüttgut
verwendet werden.
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Mittels
eines Ventils 26 kann die zugeführte Menge an Wasserstoff gesteuert
werden. Die Luft wird mittels eines Gebläses 28 zugeführt. Über eine Steuerungs-
und Regelungseinheit 30 wird die Drehgeschwindigkeit des
Gebläses 28 und
das Ventil 26 eingestellt. Durch geeignete Anpassung der über den Ventilator 28 zugeführten Sauerstoffmenge
zum Verbrennungsprozess wird gewährleistet,
dass die Flamme stabil brennt. Dabei wird die Sauerstoffmenge immer
so eingestellt, dass die maximal mögliche, unterstöchiometrische
Menge zugeführt
wird, die eine stabile Flamme erlaubt. Die hierfür erforderlichen Daten können zuvor
auf geeignete Weise in einem Speicher als Kennfeld hinterlegt werden. Über die
Menge an zugeführtem
Wasserstoff wird die erzeugte Wärmemenge
und die Temperatur eingestellt. Wenn mehr Wasserstoff verbrannt
wird, erhöht
sich die zur Verfügung
gestellte Wärmemenge.
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Mittels
Temperaturfühler
wird die Temperatur an den mit 31 und 33 bezeichneten
Stellen ermittelt. Die Steuerungs- und Regelungseinheit 30 kann
dann mittels eines einfachen Regelungsalgorithmus das Zufuhrventil 26 und
das Gebläse 28 so
einstellen, dass eine gleichmäßige Temperatur
erreicht wird. Auf diese Weise wird ein Temperaturgrenzwert nie überschritten
und die Emissionen an Stickoxiden minimiert.
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Die
Anordnung weist zwei Zuführkanäle 40 und 42 für Oxidationsmittel
in die grobporige Zone 24 des Brenners auf. Diese sind
in 1 dargestellt. Durch die gestufte Zufuhr erfolgt
die Umsetzung des Brennstoffs auch stufenweise bis die gesamte Verbrennungsenergie
frei gesetzt ist. Weiterhin sind Ventile 44 und 46 zur
dosierbaren Zufuhr des Oxidationsmittels vorgesehen. Die Ansteuerung
der Ventile erfolgt durch die Steuerungs- und Regelungseinheit 30.
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Mit 50 und 52 sind
zwei Wärmetauscher
zur Zwischenwärmeauskopplung
bezeichnet. Bei geeigneter Regelung der Zufuhr des Oxidationsmittels
und des Wärmeabtransports
durch die Wärmetauscher 50 und 52 kann
der Brenner besonders schadstoffarm betrieben und eine hohe Lebensdauer
erreicht werden. Nicht dargestellt sind Mittel, die zur Erfassung
der ausgekoppelten Wärme
Q1 und Q2 vorgesehen
sind.
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Der
Brenner 10 wird in einem Dampf-Kreisprozess 60 eingesetzt.
Dieser ist in 2 schematisch dargestellt. Der
Kreisprozess umfasst eine Brenner-Dampferzeuger-Einheit 62.
Das in dem Brenner 10 entstehende heiße Rauchgas umspült die Kanäle eines
Wärmeübertragers 64,
durch welche Wasser fließt.
Das Wasser nimmt die Wärme
aus dem Rauchgas 66 auf und steht in Form von überhitztem
Dampf zur Expansion zur Verfügung.
Die Expansion des Wasserdampfes erfolgt in einer Kolbenexpansionsmaschine 68.
Diese treibt eine Welle an, an welche ein Generator 70 zur
Stromerzeugung angeschlossen ist.
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Der
auf ein niedrigeres Druckniveau expandierte, überhitzte Dampf wird einem
Kondensator 72 zugeleitet. Dort kondensiert das Wasser.
Das kondensierte Wasser wird einem Reservoir 74 zugeführt. Von
dort aus steht es als frisches Arbeitsmedium wieder zur Verfügung und
kann mittels einer Speisewasserpumpe 76 erneut zum Dampferzeuger 62 gepumpt
werden.
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Der
Kreisprozess wird als Hilfsaggregat in Kraftfahrzeugen, als Fahrzeugantrieb
und als Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
verwendet.
