DE10228411C1

DE10228411C1 - Porenbrenner mit verringerter Startemission

Info

Publication number: DE10228411C1
Application number: DE2002128411
Authority: DE
Inventors: Gunnar Freitag; Tobias Haas
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-06-26

Abstract

Ein Brenner (10) zum Verbrennen eines an einem Einlass (14) eintretenden Brennstoff-Luftgemischs zur Erzeugung eines heißen Rauchgases an einem Auslass (20), enthaltend ein Gehäuse (12), welches poröse Materialien enthält, wobei das poröse Material in einer ersten einlassseitigen Zone (22) feinporig und in einer zweiten, auslassseitigen Zone (24) grobporig ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines porenfreien Zwischenraums (30) zwischen der feinporigen und der grobporigen Zone (22 bzw. 24) während des Startvorgangs vorgesehen sind.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen eines an einem Einlass eintretenden Brennstoff-Luftgemischs zur Erzeugung eines heißen Rauchgases an einem Auslass, enthaltend ein Gehäuse, welches ein poröses Material enthält, wobei das poröse Material in einer ersten einlassseitigen Zone feinporig und in einer zweiten, auslassseitigen Zone grobporig ausgebildet ist und die Zonen voneinander durch einen porenfreien Zwischenraum getrennt sind.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erzeugen eines Rauchgasstroms mit verringerten Schadstoffemissionen in einem Porenbrenner, bei welchem ein Brennstoff- Luft-Gemisch in eine feinporige erste Zone eingeleitet wird, das Gemisch gezündet wird, das Rauchgas-Brennstoff-Luft-Gemisch weiter in eine grobporige zweite Zone geleitet wird und von der grobporigen Zone als heißes Rauchgas einem Auslass zugeführt wird.

In solchen 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 Kohlenwasserstoffe unter Zufuhr von Sauerstoff oxidiert werden. Das entstehende Rauchgas besteht zu einem wesentlichen Teil aus CO₂ (Kohlendioxid) und H₂O (Wasser). Durch die bei der chemischen Reaktion freiwerdende Energie heizt sich das Rauchgas auf und kann seiner Verwendung zugeführt werden.

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.

Neben den wichtigsten Reaktionsprodukten Kohlendioxid und Wasser 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 sogenannten Stickoxiden der allgemeinen Formel NO_x. Diese sind giftig. Die Bildung von Stickoxiden ist daher möglichst gering zu halten. Dies wird üblicherweise durch möglichst geringe Temperaturen bei der Verbrennung erreicht.

Ein weiteres Reaktionsprodukt 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.

Stand der Technik

Zur Vermeidung von unnötigen Schadstoffemissionen ist es bekannt die Brennertemperatur zu kontrollieren und ein gleichmäßiges Temperaturfeld im gesamten Brennraum zu erzeugen.

Aus der DE 43 22 109 A1 (Durst) ist ein Porenbrenner der eingangs genannten Art 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 Porosität vorliegt. Das poröse Material besteht aus hitzebeständigem Schaumkunststoff, Keramik, Metall oder einer Metalllegierung. Der Einfluss der unterschiedlichen Materialporositäten auf das Verbrennungsverhalten wird durch die Péclet-Zahl wiedergegeben. Diese Zahl gibt das Verhältnis von Wärmestrom infolge Transport zu Wärmestrom infolge Leitung an. Die Porosität der beschriebenen Anordnung ist so ausgelegt, dass in der einlassseitigen Zone eine Péclet-Zahl im Bereich von 40 und in der auslassseitigen Zone eine Péclet-Zahl im Bereich von 90 vorliegt. Im feinporigen einlassseitigen Bereich kann sich keine Flamme ausbilden. An der gut definierten Grenzfläche zwischen den beiden Zonen stabilisiert sich dann die Verbrennungsregion.

Der dort 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 und lässt hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten zu, die zu einer hohen Effizienz führen.

Während der Startphase wird der Brennstoff jedoch nur unzureichend verbrannt, da vor allem der grobporige Verbrennungsbereich seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Die tatsächliche Temperatur liegt daher zunächst unterhalb der optimalen Verbrennungstemperatur. Dadurch liegen während der Startphase vermehrt Schadstoffe im Rauchgas vor.

Aus der DE 197 29 718 A1 ist ein Brenner bekannt, welcher poröses Material unterschiedlicher Porengröße enthält. Die zu dem Material unterschiedlicher Porengröße gehörigen Zonen sind durch einen offenen Raum voneinander getrennt, in dem sich eine Zündvorrichtung befindet. Dieser offene Raum wirkt sich im laufenden Betrieb jedoch nachteilig auf die Schadstoffemissionen aus.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Schadstoffemissionen eines Brenners der eingangs genannten Art während der Startphase zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Verschiebemittel zur Erzeugung des porenfreien Zwischenraums zwischen der feinporigen und der grobporigen Zone nur während des Startvorgangs vorgesehen sind, mit welchen die Zonen für den Startvorgang voneinander trennbar und danach wieder zurückführbar sind. Das Brenngas/Luftgemisch wird während der Startphase in dem porenfreien Zwischenraum gezündet und verbrannt. Die durch die Verbrennung im porenfreien Zwischenraum entstandenen heißen Rauchgase wärmen die grobporige, in der Startphase nicht am Verbrennungsprozess beteiligte Region auf Betriebstemperatur auf. Die Schadstofferzeugung wird dadurch während der Startphase verringert.

Als poröses Material kann Aluminiumoxid-Keramik oder Siliziumcarbid-Keramik verwendet werden. Es können auch metallische oder andere keramische oder eine Verbund aus verschiedenen (metallisch/keramisch) Werkstoffen verwendet werden. Es ist aber auch jedes andere hitzebeständige poröse Material wie Metallschäume, gesintertes Schüttgut oder dergleichen geeignet.

Vorzugsweise sind mit den Verschiebemitteln die grobporige Zone in Richtung des Auslass verschiebbar. Es können auch Verschiebemittel vorgesehen sein, mit welchen die feinporige Zone in Richtung des Einlasses verschiebbar ist. Das Gehäuse kann aus zwei ineinander verschiebbaren Rohrteilen mit einer Spielpassung gebildet sein. Mit dem einen Rohrteil ist das feinporige Material verbunden und mit dem anderen Rohrteil das grobporige Material. Durch Verschieben der Rohre ineinander können die Zonen auf leichte Weise gegeneinander verschoben werden. Dabei kann je nach Anordnung die grobporige Zone oder die feinporige Zone feststehend ausgebildet sein.

Das poröse Material kann in einem Rohr "gecannt" sein. Dabei wird das je nach Auswahl leicht brüchige poröse Material in eine Blechhülse gefasst. Durch diese Blechhülse wird die Handhabung erleichtert. Die Technologie des Canning-Prozesses zur Fassung der porösen Materialien, ggf. mit einer ein- oder mehrlagigen Isolierschicht zwischen porösem Material und dem Rohrmantel, ist aus der Herstellung von Katalysatoren für den automobilen Bereich bekannt. Durch die dämpfende und hochgradig isolierende Schicht wird eine Temperaturverteilung ohne massiven Abfall an den Rändern innerhalb des Brenners erreicht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kanal zur Abgasrückführung vorgesehen ist, welcher in dem Zwischenraum zwischen der feinporigen und der grobporigen Zone gebildet ist. Dann kann das in der Startphase entstehende Abgas nochmals den Brenner durchlaufen, um somit die Schadstoffemissionen weiter zu senken.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Porenbrenner mit zwei Zonen während des laufenden Betriebs.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Porenbrenner mit zwei Zonen während der Startphase

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

In Fig. 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. Das Brennstoff/Luftgemisch wird innerhalb des Brennraums 18 verbrannt und verlässt den Brennraum 18 als heißes Rauchgas am Auslass 20 des Gehäuses. Im vorliegenden Fall erstreckt sich der Auslass 20 über den gesamten Querschnitt des Brennraums 18.

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 ausgebildet. Das feinporige poröse Material ist fest mit dem umgebenden Gehäuseteil 26 des Brennraums 18 verbunden. In einer zweiten Zone 24 ist das poröse Material grobporig ausgebildet. Das grobporige Material ist fest mit einem innerhalb des Gehäuses 12 verschiebbaren Mantel 28 verbunden. 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.

Zur Verringerung von Schadstoffemissionen vor Erreichen des dauerhaften Betriebszustands mit optimalen Verbrennungstemperaturen wird das grobporige Material der zweiten Zone 24 zusammen mit dem umgebenden Mantel 28 von der ersten Zone weg in Richtung des Rauchgasstroms verschoben. Dadurch bildet sich während der Startphase ein Zwischenraum 30. Das Brenngas wird während der Startphase in dem Zwischenraum verbrannt. Durch die heißen Abgase dieser Verbrennung erhitzt sich die grobporige, in der Startphase nicht am Verbrennungsprozess beteiligte Region 24 auf Betriebstemperatur. Die Schadstoffemissionen während der Startphase werden dadurch verringert.

Wenn die optimalen Verbrennungstemperaturen in der zweiten Zone erreicht sind, wird das grobporige Material wieder an das feinporige Material in der ersten Zone 22 heranbewegt. Zur weiteren Verringerung der Schadstoffemissionen während der Startphase ist eine Abgasrückführung vorgesehen. Das abgekühlte Rauchgas, welches noch Schadstoffe enthält, wird über einen Kanal 32 geleitet, welcher in dem Zwischenraum 30 zwischen den Zonen 22 und 24 mündet. Es wird auf diese Weise erneut durch den Brennraum geleitet und die Schadstoffemission wird verringert.

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.

Claims

1. Brenner (10) zum Verbrennen eines an einem Einlass (14) eintretenden Brennstoff- Luftgemischs zur Erzeugung eines heißen Rauchgases an einem Auslass (20), enthaltend ein Gehäuse (12), welches poröse Materialien enthält, wobei das poröse Material in einer ersten einlassseitigen Zone (22) feinporig und in einer zweiten, auslassseitigen Zone (24) grobporig ausgebildet ist und die Zonen voneinander durch einen porenfreien Zwischenraum getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Verschiebemittel zur Erzeugung des porenfreien Zwischenraums (30) zwischen der feinporigen und der grobporigen Zone (22 bzw. 24) nur während des Startvorgangs vorgesehen sind, mit welchen die Zonen (22 bzw. 24) für den Startvorgang voneinander trennbar und danach wieder zurückführbar sind.

2. Brenner (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Verschiebemitteln die grobporige Zone (24) in Richtung des Auslass (20) verschiebbar ist.

3. Brenner (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material Aluminiumoxid-Keramik und/oder Siliziumcarbid-Keramik ist.

4. Brenner (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) aus zwei ineinander verschiebbaren Rohrteilen (26, 28) mit einer Spielpassung gebildet ist.

5. Brenner (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material in einem Rohr (26, 28) gecannt ist.

6. Brenner (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (32) zur Abgasrückführung vorgesehen ist, welcher in dem Zwischenraum (30) zwischen der feinporigen und der grobporigen Zone (22 bzw. 24) gebildet ist.

7. Verfahren zum Erzeugen eines Rauchgasstroms mit verringerten Schadstoffemissionen in einem Porenbrenner (10), bei welchem ein Brennstoff- Luft-Gemisch in eine feinporige erste Zone (22) eingeleitet wird, das Gemisch gezündet wird, das Rauchgas-Brennstoff-Luft-Gemisch weiter in eine grobporige zweite Zone (24) geleitet wird und von der grobporigen Zone (24) als heißes Rauchgas einem Auslass (20) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die grobporige zweite Zone (24) vor dem Zündvorgang gegenüber der feinporigen ersten Zone (22) in eine Startposition verschoben wird, bei welcher sich ein Zwischenraum (30) zwischen der feinporigen und der grobporigen Zone ausbildet.