DE102004049903B4 - Brennervorrichtung mit einem Porenkörper - Google Patents

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Abstract

Brennervorrichtung (10) mit einer dem Brennraum (26) vorgelagerten Verdampfungszone (12) zur Verdampfung von über eine Brennstoffzuleitung (16) zugeführtem Flüssigbrennstoff, mit einer Zündeinrichtung (30) zur Zündung eines Verbrennungsgemisches aus verdampftem Flüssigbrennstoff und über eine Verbrennungsluftzuleitung (18) der Verdampfungszone (12) zugeführten Verbrennungsluft sowie mit einer dem Brennraum (26) nachgelagerten Abgasabführung (38), wobei zwischen der Verdampfungszone (14) und dem Brennraum (26) eine Mischungszone (20) angeordnet ist, in der über eine Brenngaszuleitung (22, 24) der Mischungszone (20) zugeführtes Brenngas mit der Verbrennungsluft und/oder dem Verbrennungsgemisch mischbar ist, und wobei der Brennraum 26 wenigstens teilweise von einem Porenkörper 28 ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flamme einer Flüssigbrennstoffverbrennung in einem Kombinationsbetrieb, in dem Flüssigbrennstoff und Brenngas verbrannt wird, als Pilotflamme für die Brenngasverbrennung dient.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennervorrichtung mit einer dem Brennraum vorgelagerten Verdampfungszone zur Verdampfung von über eine Brennstoffzuleitung zugeführtem Flüssigbrennstoff, mit einer Zündeinrichtung zur Zündung eines Verbrennungsgemisches aus verdampftem Flüssigbrennstoff und über eine Verbrennungsluftzuleitung der Verdampfungszone zugeführten Verbrennungsluft sowie mit einer dem Brennraum nachgelagerten Abgasabführung, wobei zwischen der Verdampfungszone und dem Brennraum eine Mischungszone angeordnet ist, in der über eine Brenngaszuleitung der Mischungszone zugeführtes Brenngas mit der Verbrennungsluft und/oder dem Verbrennungsgemisch mischbar ist, und wobei der Brennraum 26 wenigstens teilweise von einem Porenkörper 28 ausgefüllt ist.
  • Eine dem Stand der Technik angehörende Brennervorrichtung, die auch als Porenbrenner bezeichnet wird, ist aus DE 101 60 837 A1 bekannt. Typisch für den Porenbrenner ist sein Porenkörper, das heißt ein Körper aus porösem Material, der den Brennraum wenigstens teilweise ausfüllt. Als poröses Material für einen solchen Porenkörper kommen vor allem nichtoxidische Materialien wie SiC, SiN oder auch hochschmelzende Oxide wie beispielsweise Al2O3 oder ZrO2 in Frage. Porenkörper werden häufig eingesetzt, um die Abgasqualität einer Brennervorrichtung zu verbessern. Da es in dem Porenkörper zu einer definierten Verbrennung an einer großen Oberfläche kommt, erzielt man durch Einsatz eines Porenkörpers eine stabilisierte, vollständige Verbrennung, so dass der Brenner bei niedrigeren Temperaturen arbeiten kann, was wiederum die NOx-Konzentration im Abgas reduziert. Zugleich werden Bereiche des Porenkörpers, wie etwa in der vorgenannten Druckschrift offenbart, als Flammsperre verwendet, um ein Zurückschlagen der Flamme auf Zuleitungen oder die Verdampfungszone zu verhindern. Dies wird erreicht, indem in demjenigen Bereich des Porenkörpers, der der Zuleitung bzw. der Verdampfungszone zugewandt ist, eine sehr kleine Porengröße vorgesehen ist, so dass sich dort keine Flamme ausbilden kann. Angrenzend an diese kleinporige Zone sind in dem Porenkörper größere Poren vorgesehen, die eine stabile Flammenbildung zulassen. Hierdurch werden die o.g. Ziele der stabilisierten Flammbildung und der Rückschlagsperre erzielt. Allerdings verursacht die kleinporige Zone des Porenkörpers einen erheblichen Druckverlust. Vor allem in instationären Betriebspunkten des Brenners kann es daher trotz Vorhandensein der Rückschlagsperre zu einer Rückzündung kommen, was erhöhte Abgasemissionen und evtl. auch eine Zerstörung des Brenners oder Teile davon zur Folge haben kann.
  • Es sind auch Porenbrenner für die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe oder Brenngase bekannt. Tatsächlich sind die meisten Porenbrenner als Gasbrenner ausgelegt. Ein Beispiel für einen solchen Gas-Porenbrenner ist in DE 199 60 093 A1 offenbart. Dieser Gas-Porenbrenner enthält einen topfartigen Porenkörper, wobei das Topfinnere als Mischzone dient, in welche über eine Brenngaszuleitung brennbares Gas eingeleitet und mit Verbrennungsluft, die ebenfalls in den Topfinnenraum eingeleitet wird, gemischt wird. Der Außenbereich des Topfinnenraums dient außerdem als Reaktions-, das heißt Verbrennungszone, deren Dicke durch Menge und Druck der eingeleiteten Gase gesteuert werden kann. Eine Stabilisierung der in der Reaktionszone entstehenden Flamme erfolgt im Porenkörper. Eine derartige Vorrichtung ist sehr rückschlagempfindlich, so dass die Brenngaszuleitung entsprechende Schutzvorrichtungen aufweisen muss.
  • Porenbrenner für Flüssigbrennstoffe einerseits und Porenbrenner für Brenngase andererseits weisen vollständig unterschiedliche Aufbauten auf, wie sie in den vorgenannten Druckschriften in typischer Weise illustriert sind.
  • Weiterhin beschreibt das Dokument DE 101 18 148 A1 eine Brennervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Das Dokument DE 196 46 957 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennung von Flüssigbrennstoff, insbesondere Öl, wobei der Flüssigbrennstoff durch eine Verteilereinrichtung verteilt und in einen Reaktor mit einem einen kommunizierenden Porenraum aufweisenden porösen Material überführt wird. Eine Verbrennungseinrichtung, die einen Porenkörper, einen Verdampfer, eine Zündeinrichtung und eine Brenngaszufuhr aufweist, ist in dem Dokument DE 100 48 183 A1 beschrieben.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße Brennervorrichtungen derart weiterzubilden, dass eine stabilere Verbrennung stattfindet.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Brennervorrichtung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass zwischen der Verdampfungszone und dem Brennraum eine Mischungszone angeordnet ist, in der über eine Brenngaszuleitung der Mischungszone zugeführtes Brenngas mit der Verbrennungsluft und/oder dem Verbrennungsgemisch mischbar ist. Dem liegt die Idee zugrunde, in einer ersten Zone, nämlich der Verdampfungszone aus dem Flüssigbrennstoff und der Verbrennungsluft ein vorzugsweise zündfähiges Verbrennungsgemisch zu erzeugen, welches, je nach Bedarf, in einer sich anschließenden Mischzone weiter mit Brenngas angereichert wird. Das so angereicherte Verbrennungsgemisch wird dann gezündet und bildet im Porenkörper eine definierte und stabilisierte Flamme aus. Man beachte, dass der Begriff "Verbrennungsluft" im Rahmen dieser Beschreibung weit zu verstehen ist und nicht nur atmosphärisches Luftgemisch, sondern jede andere Art sauerstoffhaltigen Gases, das durch Mischung mit verdampften Flüssigbrennstoff oder mit Brenngas ein zündfähiges Gemisch bilden kann, umfasst.
  • Vorzugsweise ist die Verdampfungszone wenigstens teilweise von einem porösen Verdampferelement ausgefüllt.
  • Als besonders vorteilhaft wird dabei die Verwendung eines metallischen Vlieses als poröses Verdampferelement angesehen. Allerdings ist es auch möglich, hierfür keramische Vliese oder poröse Festkörper zu verwenden. Durch die große Oberfläche des porösen Verdampferelementes wird die Verdampfung des Flüssigbrennstoffes unterstützt. Eine weitere Unterstützung kann die Verdampfung durch Vorheizung des Verdampferelementes oder dessen katalytische Beschichtung sein. Zwar ist es auch möglich, die Verdampferzone als Zerstäubungskammer auszubilden; aufgrund der einfacheren technischen Umsetzung wird jedoch die Verwendung eines Verdamp ferelementes bevorzugt. Grundsätzlich ist es jedoch ebenfalls möglich, den flüssigen Brennstoff über eine Düse zuzuführen, also ohne Vlies.
  • Bei einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brenngaszuleitung in der Mischzone als, vorzugsweise stirnseitig, abgeschlossenes Rohr mit radialen Öffnungen in seiner Rohrwand ausgebildet ist. Ein solches Rohr wird von dem aus der Verdampfungszone in die Mischzone strömenden Verbrennungsgemisch umspült, so dass eine besonders gute Vermischung des Brenngases und des Verbrennungsgemisches zu dessen Anreicherung erzielt wird.
  • Alternativ kann die Brenngaszuleitung in der Mischzone auch als poröser Keramikkörper ausgebildet sein. Aufgrund der größeren Oberfläche eines solchen Keramikkörpers gegenüber einem Rohr mit durchbrochener Rohrwand kann die Vermischung von Brenngas und Verbrennungsgemisch hier noch besser erfolgen.
  • Die Zündeinrichtung zur Zündung des ggf. angereicherten Verbrennungsgemisches befindet sich vorzugsweise in der Brennkammer und ragt besonders bevorzugt in den Porenkörper hinein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass erst in den Porenkörper eingedrungene (angereichertes) Verbrennungsgemisch gezündet wird, so dass sich eine Flamme erst im Porenkörper ausbildet und ein Rückschlag auch ohne spezielle Flammsperre verhindert wird.
  • Wird der erfindungsgemäße Brenner, wie zuvor beschrieben, im Kombinationsbetrieb genutzt, kann die Flamme der Flüssigbrennstoffverbrennung als Pilotflamme für die Brenngasverbrennung dienen. Auf diese Weise können auch Brenngase verbrannt werden, die in einem reinen Gasbrenner nicht brennbar wären. Mit qualitativ hochwertigen Brenngasen bzw. Flüssigbrennstoffen ist der erfindungsgemäße Brenner jedoch auch im Reinbetrieb, das heißt als Gas- oder Flüssigbrennstoffbrenner einsetzbar.
  • Vorteilhafterweise ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die Zuleitung von Brenngas, Flüssigbrennstoff und Verbrennungsluft in Abstimmung aufeinander steuert. Eine solche Steuereinrichtung ermöglicht es unter unterschiedlichen Versorgungs- oder Qualitätsbedingungen stets eine optimierte Verbrennung zu erzielen.
  • Da es sehr aufwendig wäre, die einzelnen Komponenten der Verbrennung vorab auf ihre chemischen Eigenschaften zu prüfen und die Steuerparameter entsprechend einzustellen, wird die Abstimmung bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung geregelt. Das heißt es ist vorgesehen, die Abstimmung in Abhängigkeit von einem mittels eines Sensors im Bereich der Abgasabführung und/oder im Brennraum erfassten Parameters zu steuern. Hierzu kann beispielsweise eine sogenannte λ-Sonde im Bereich der Abgasführung und/oder ein Temperaturfühler im gleichen Bereich oder im Bereich des Brennraumes dienen. Auf diese Weise kann die Verbrennung selbst überwacht und bei Abweichung gemessener Parameter von vorgegebenen Sollwerten kann die Abstimmung der einzelnen Verbrennungskomponenten aufeinander verändert werden, um zu einer optimalen Verbrennung zu gelangen.
  • Eine solche ergebnisorientierte Regelung ist insbesondere günstig, wenn davon auszugehen ist, dass verfügbare Mengen und/oder Qualitäten einzelner Verbrennungskomponenten stark schwanken. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn, wie bei einer besonderes bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, der erfindungsgemäße Brenner als Nachbrenner einer Brennstoffzellenanordnung verwendet wird, wobei verbrauchtes Anodengas der Brennstoffzellenanordnung der Brennervorrichtung als Brenngas zugeführt wird.
  • Brennstoffzellen sind bekanntermaßen Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie, bei denen im Wesentlichen wasserstoffhaltiges Anodengas und sauerstoffhaltiges Kathodengas an einem Brennstoffzellenmodul katalytisch zur Erzeugung elektrischer Energie in Wasser umgesetzt werden. Meist bestehen solche Brennstoffzellenanordnungen aus einer Mehrzahl miteinander verbundener Brennstoffzellenmodule. Man spricht von einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack. Ein Problem solcher Brennstoffzellenanordnungen ist die unvollständige Umsetzung des wasserstoffhaltigen Anodengases. Daher wird (unvollständig) verbrauchtes Anodengas häufig in einem Nachbrenner nachverbrannt, wobei die dabei entstehende wärme über einen Wärmetauscher abgeführt und genutzt wird. Da der Grad der katalytischen Umsetzung in der Brennstoffzelle aber von deren aktuellem Betriebspunkt abhängt, kann die "Qualität" des dem Nachbrenner zugeführten Brenngases stark schwanken. Dies führt zum Brennerversagen oder zumindest zu suboptimaler Verbrennungsqualität. Dieses Problem wird durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung als Nachbrenner einer Brennstoffzellenanordnung behoben.
  • Zur effizienten Nutzung der bei der Verbrennung entstehenden Wärme ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Brennraum mit einem Wärmetauscherelement in thermischem Kontakt steht.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Brennervorrichtung in Querschnittsansicht.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ein Brennstoffzellenmodul 42 aufweisenden Brennstoffzellenanordnung, der als Nachbrenner eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung 10 zugeordnet ist. In eine Verdampfungszone 12, die vorzugsweise als metallisches Verdampfungselement 14, insbesondere als metallisches Vlies ausgebildet ist, wird über eine Brennstoffzuleitung 16 Flüssigbrennstoff und über eine Verbrennungsluftzuleitung 18 Verbrennungsluft zugeführt. An der Oberfläche des Verdampferelementes 14, das katalytisch beschichtet sein kann, verdampft der zugeführte Flüssigbrennstoff und wird mit der Verbrennungsluft gemischt.
  • Von der Verdampfungszone strömt das entstandene Verbrennungsgemisch in eine Mischungszone 20. In die Mischungszone 20 wird über eine Brenngaszuleitung 22 Brenngas eingeleitet, im dargestellten Fall Anodenabgas des Brennstoffzellenmoduls 42. Die Brenngaszuleitung 22 hat in der Mischungszone 20 vorzugsweise die Form eines perforierten Rohres oder eines porösen Körpers, insbesondere eines porösen Keramikkörpers. Dieser Endbereich der Brenngaszuleitung 22 wird nachfolgend als Brenngasverteiler 24 bezeichnet. Der Brenngasverteiler 24 wird von dem Verbrennungsgemisch aus der Verdampfungszone umströmt, so dass es zu einer gleichmäßigen Durchmischung von Brenngas und Verbrennungsgemisch, das heißt zu einer Anreicherung des Verbrennungsgemisches kommt. Das (angereicherte) Verbrennungsgemisch strömt dann weiter in den Brennraum 26, der bei der gezeigten Ausführungsform vollständig von einem Porenkörper 28 ausgefüllt ist. In den Porenkörper 28 hinein ragt ein Zünder 30, der beispielsweise als elektrischer Glühstift ausgebildet sein kann. Der Zünder 30 zündet das in den Porenkörper 28 eingedrungene (angereicherte) Verbrennungsgemisch, was zur Ausbildung einer stabilisierten Flamme und zur nahezu vollständigen Verbrennung des Verbrennungsgemisches führt. Im hinteren Bereich des Brennraumes ist ein Wärmetauscher 32 angeordnet, der beispielsweise als schlangenförmiges Rohr mit Anschlüssen für eine Wärmefluidzuleitung 34 und eine Wärmefluidableitung 36 aufweist. Als Warmefluide kommen alle hierfür bekannten Fluide, wie Wasser, Glykol, Thermoöle etc. in Frage. Gegebenenfalls können jedoch auch gasförmige Stoffe, beispielsweise Luft, als Wärmeträgermedium dienen.
  • An den hinteren Bereich des Brennraumes 26 schließt sich eine Abgasabführung 38 an, durch welche die Abgase der Verbrennung nach außen abgeführt werden.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist im Bereich der Abgasabführung eine λ-Sonde 40 vorgesehen, mit deren Hilfe durch Messung bestimmter Abgasparameter die Verbrennungsqualität bestimmt werden kann. Die mittels der λ-Sonde 40 ermittelten Parameter können in eine Steuereinrichtung 44 eingespeist werden, welche die Abstimmung der Verbrennungskomponenten Flüssigbrennstoff, Verbrennungsluft und Brenngas variiert, um die Verbrennung im Brennraum 26 zu optimieren.
  • Natürlich stellt das in der speziellen Beschreibung und den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel lediglich eine illustrative Ausführungsform der Erfindung dar, die keines falls beschränkend gedacht ist. Änderungen und Modifikationen durch den Fachmann sind möglich. Insbesondere können zusätzliche oder andere Sensoren als die gezeigte λ-Sonde 40 verwendet werden. Es kann auch auf jegliche Sensoren verzichtet werden. Weiter ist die spezielle geometrische Anordnung der einzelnen Brennerbereiche nicht notwendig gleich der in 1 beschriebenen. Zur Kühlung von Abgasen oder zur Vorwärmung von Brenngas, Flüssigbrennstoff und/oder Verbrennungsluft kann das Abgas oder Teile davon zur Umspülung der entsprechenden Zuleitungen 16, 18, 22 rückgeführt werden. Auch eine Rückführung in den Wärmetauscher zur Verbesserung von dessen Wirkungsgrad ist möglich.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 10
    Brennervorrichtung
    12
    Verdampfungszone
    14
    Verdampfungselement
    16
    Brennstoffzuleitung
    18
    Verbrennungsluftzuleitung
    20
    Mischungszone
    22
    Brenngaszuleitung
    24
    Brenngasverteiler
    26
    Brennraum
    28
    Porenkörper
    30
    Zünder
    32
    Wärmetauscher
    34
    Wärmefluidzuleitung
    36
    Wärmefluidableitung
    38
    Abgasabführung
    40
    λ-Sonde
    42
    Brennstoffzellenmodul
    44
    Steuereinrichtung

Claims (11)

  1. Brennervorrichtung (10) mit einer dem Brennraum (26) vorgelagerten Verdampfungszone (12) zur Verdampfung von über eine Brennstoffzuleitung (16) zugeführtem Flüssigbrennstoff, mit einer Zündeinrichtung (30) zur Zündung eines Verbrennungsgemisches aus verdampftem Flüssigbrennstoff und über eine Verbrennungsluftzuleitung (18) der Verdampfungszone (12) zugeführten Verbrennungsluft sowie mit einer dem Brennraum (26) nachgelagerten Abgasabführung (38), wobei zwischen der Verdampfungszone (14) und dem Brennraum (26) eine Mischungszone (20) angeordnet ist, in der über eine Brenngaszuleitung (22, 24) der Mischungszone (20) zugeführtes Brenngas mit der Verbrennungsluft und/oder dem Verbrennungsgemisch mischbar ist, und wobei der Brennraum 26 wenigstens teilweise von einem Porenkörper 28 ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flamme einer Flüssigbrennstoffverbrennung in einem Kombinationsbetrieb, in dem Flüssigbrennstoff und Brenngas verbrannt wird, als Pilotflamme für die Brenngasverbrennung dient.
  2. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungszone (12) wenigstens teilweise von einem porösen Verdampferelement (14) ausgefüllt ist.
  3. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Verdampferelement (14) ein metallisches Vlies ist.
  4. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaszuleitung (22, 24) in der Mischzone (20) als Rohr mit radialen Öffnungen in seiner Rohrwand ausgebildet ist.
  5. Brennervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaszuleitung (22, 24) in der Mischzone (20) als poröser Keramikkörper (24) ausgebildet ist.
  6. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (30) im Bereich des Brennerraums (26) angeordnet ist und in den Porenkörper (28) hineinragt.
  7. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (44) vorgesehen ist, die die Zuleitung von Brenngas, Flüssigbrennstoff und Verbrennungsluft in Abstimmung aufeinander steuert.
  8. Brennervorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) geeignet ist, die Abstimmung in Abhängigkeit von einem mittels eines Sensors (40) im Bereich der Abgasabführung (38) und/oder im Brennraum (26) erfassten Parameters zu steuern.
  9. Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (28) mit einem Wärmetauscherelement (32) in thermischem Kontakt steht.
  10. Verwendung der Brennervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Nachbrenner einer Brennstoffzellenanordnung, wobei verbrauchtes Anodengas der Brennstoffzellenanordnung der Brennervorrichtung (10) als Brenngas zugeführt wird.
  11. Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie durch katalytische Umsetzung von wasserstoffhaltigem Anodengas und sauerstoffhaltigem Kathodengas an wenigstens einem Brennstoffzellenmodul (42), wobei verbrauchtes Anodengas einem Nachbrenner zur weiteren Verbrennung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet dass als Nachbrenner eine Brennervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist.
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