DE2260586C3 - Strahlungsbrenner zur vollständigen Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsbrenner zur vollständigen Verbrennung eines flüssigen. Kohlenwasserstoff enthaltenden Brennstoffes mit einer Einrichtung zur Brennstoffaufbereitung, in der aus Brennstoff unter Zugabe eines primären Sauerstoffträgers ein kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltiges Brenngemisch erzeugt wird, einem Strahlungsplattensystem aus mindestens einer mit einer Vielzahl von Durchtrittskanälen versehenen Brennerplatte und einer Zuführung eines sekundären Sauerstoffträgers.

Die zunehmende Verunreinigung der Luft führt, besonders in den Ballungsgebieten, zu einer ständig steigenden gesundheitlichen Gefährdung der Bevölkerung. Abgase von Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen sowie von Wärmeerzeugern sind daran in erheblichem Umfang beteiligt. Infolge ungleichmäßiger Verdampfung und Durchmischung der Kohlenwasserstoffe mit der Verbrennungsluft kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung. Die Folgen davon sind unverbrannte bzw. teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, kondensierte Produkte, Benzpyrene, Teer, Ruß und Aldehyde im Abgas, die an die Umgebungsluft abgegeben werden. Von schwerwiegender Bedeutung ist die gleichzeitige Emission von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden, da sich daraus, besonders unter dem Einfluß des Sonnenlichts, stark toxische Verbindungen bilden.

Aus der US-PS 17 95 037 und der DTPS 5 62 559 ist es bereits bekannt, daß beim Betrieb von Brennkraftmaschinen das eingesetzte Benzin besser verbrannt und damit dessen Energieeinhalt besser ausgenutzt werden kann, wenn das flüssige Benzin vor seiner Einspeisung in die Brennkraftmaschine in einem der Brennkraftmaschine vorgeschalteten Gasgenerator in ein Brenngas umeesetzt wird.

Die schädlichen Nebeneffekte der Abgase, die Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen entstammen, lassen sich durch Verwendung eines sogenannten Spaltgasgenerators ganz erheblich vermindern. Das Prinzip eines derartigen Spaitgasgenerators ist in den deutschen Offenlegungsschriften 2103 008 und 2135 650 beschrieben. Dabei wird ein flüssiger. Kohlenwasserstoffe enthaltender Brennstoff (z. B. Benzin) verdampft, vergast oder versprüht und der auf diese Weise erhaltene gas- oder dampfförmige Brennstoff wird zur Umwandlung in ein im wesentlichen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch (sogenanntes Spaltgas) mit einem primären Sauerstoffträger (z. B. Luft und/oder rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine) vermischt und zur praktisch vollständig rußfreien Umsetzung in das Spaltgas über einen Katalysator geleitet Dieser kann vorteilhaft in Form hochporöser Sintersteine mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittsöffnungen für das Gas vorliegen. Schließlich wird dem Spaltgas vor der Einspeisung in die Brennräume der Brennkraftmaschine ein weiterer (sekundärer) Sauerstoffträger (z. B. Verbrennungsluft) beigemischt. Der Katalysator wird zur Umsetzung auf einer erhöhten Temperatur gehalten, die einerseits über der Anspringtemperatur des Katalysators, bei der der Katalysator seine katalytische Aktivität zu entfalten beginnt, und andererseits unter der Temperatur liegt, bei der der Katalysator thermisch geschädigt werden kann. Um ein Spaltgas mit einem hohen Heizwert zu erhalten, wird ferner die Katalysatortemperatur nicht allzu hoch gewählt.

Aus der US-PS 32 54 695 ist eine Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen unter Bildung stiller, rußfreier blauer Flammen bekannt, wobei die Verbrennungswärme weitgehend in Form von Wärmestrahlung abgegeben werden soll (Strahlungsbrenner). Diese Vorrichtung enthält eine Einrichtung zur Brennstoffaufbereitung, die aus einem Diffusionsraum und einer heißen Vergasungsfläche besteht. Als Vergasungsfläche dient bevorzugt ein die Einspritzdüse für den Brennstoff tragender, in den Diffusionsraum hineinragender Hohlzylinder, an dem der Brennstoff teilweise vernebelt und teilweise vergast wird. In Nähe der Einspritzdüse können öffnungen zur Zuführung von Primärluft und eine Zündvorrichtung zur flammenden Verbrennung des Brennstoffes mit Primärluft vorgesehen sein. Jedoch wird im Vergaser stets ein derartiger Luftmangel aufrechterhalten, daß nur ein Teil des Brennstoffes verbrennt und an der Vergasungsfläche stets ein Aerosol aus Brennstoffdampf und unverdampften Brennstofftröpfchen entsteht, das bei flammender Verbrennung auch Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthalten kann. Die den Diffusionsraum begrenzende Wand enthält mehrere Durchtrittskanäle, durch die das Aerosol anschließend geleitet und hinter welcher es unter Zuführung von Verbrennungsluft verbrannt wird. Die Wand kann aus keramischem Material bestehen und dient als Brennerplatte einmal zur Abstrahlung der Verbrennungswärme an die Umgebung, andererseits zum Aufheizen der Vergasungsfläche mittels Wärmerückstrahlung.

Aus der DT-OS 19 39 535 ist es bekannt, als Brennerplatten für Strahlungsbrenner poröse, mit Durchtrittsöffnungen versehene Sintersteine zu verwenden, die einen Oxidationskatalysator enthalten. Wird beim Betrieb eines Strahlungsbrenners ein Kohlenwasserstoff/Luft-Gemisch durch einen derarti-

gen heißen Sinterstein geleitet, so wird das Gemisch schon beim Durchströmen der Kanäle und Poren stark erhitzt und im Inneren des Steines flammlos verbrannt. Bei einer derartigen Verbrennung glüht der Sinterstein hell auf und die entstehende Verbrennungswärme wird s weitgehend in Form von Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben. Der Betrieb eines derartigen Strahlungsbrenners erfordert jedoch ein gasförmiges, nahezu homogenes Brennstoff/Luft-Gemisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ι ο Strahlungsbrenner anzugeben, in dem flüssiger, kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit einem hohen Wirkungsgrad so verbrannt werden kann, daß der Schadstoffgehalt im Abgas erheblich herabgesetzt ist

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Strahlungsbrenner der eingangs angegebenen Art vorgeschlagen, bei dem zur Brennstoffaufbereitung ein Spaltgasgenerator dient, d.h. ein Gasgenerator, in dem der Brennstoff vergast oder vernebelt, mit dem primären Sauerstoffträger vermischt und zur praktisch vollständigen rußfreien Umsetzung in ein Spaltgas über einen Katalysator geleitet wird. Ferner ist erfindungsgemäß die Brennerplatte aus porösem Material gefertigt und zwischen Spaltgasgenerator und Brennerplatte eine Mischeinrichtung angeordnet, in der das Spaltgas mit dem sekundären Sauerstoffträger vermischt wird.

Das im Spaltgasgenerator entstehende Spaltgas weist hervorragende Brenneigenschaften auf, insbesondere kann es anschließend in der Mischeinrichtung gut mit Sekundärluft vermischt werden, wobei ein Gemisch entsteht, das beim Durchströmen der porösen Brennerplatte gleichmäßig und praktisch vollständig verbrannt werden kann.

In der Mischeinrichtung wird einerseits der zur Verbrennung nötige Sauerstoff dem Spaltgas bereits vor dem Eintritt in die Brennerplatte zugemischt, andererseits wird der Spaltgasgenerator thermisch gegenüber Wärmerückstrahlung der heißen Brennerplatten isoliert, so daß seine Temperatur entsprechend den Bedingungen beim Betrieb eines Spaltgasgenera- 4" tors gewählt werden kann.

Vorzugsweise sind am Spaltgasgenerator Mittel zur Erzeugung eines Überdruckes im entstehenden Spaltgas angeordnet. Derartige Mittel können z. B. Ventilatoren für die eingesetzte Primärluft oder Einspritzpumpen für den Brennstoff sein.

Die Mischeinrichtung kann vorteilhaft aus Mischdüsen, die zwischen Spaltgasgenerator und Strahlungsplattensystem ringförmig angeordnet sind, oder aus einer zwischen Spaltgasgenerator und Strahlungsplat- 5" tensystem angeordneten Kammer bestehen.

Vorzugsweise ist der Spaltgasgenerator derart mit dem Strahlungsplattensystem verbunden, daß ihm ein Teil der Abgase periodisch oder kontinuierlich zugeführt wird. Dies ermöglicht es, einen Teil der im Spaltgasgenerator zugeführten Luft durch Abgas zu ersetzen. Abgas enthält Sauerstoff in gebundener Form (CO2 und H2O), der Brennstoff kann daher neben der exothermen Umsetzung mit Luft auch endotherm mit Abgas umgesetzt werden, wobei die im Abgas fx> enthaltene Wärme einerseits zur Aufheizung des Katalysators ausgenutzt, andererseits direkt in chemische Energie verwandelt werden kann. Auch für die Rußfreiheit der Umsetzung ist die Anwesenheit von Abgas vorteilhaft. <>-,

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Strahlungsbrenners,

F i g. 2 eine Draufsicht auf das Strahlungsplattensystem und

Fi g. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Strahlungsbrenners.

Bei dem in F i g. 1 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit 1 der Spaltgasgenerator bezeichnet, der einen oder mehrere Sintersteine mit Durchtrittsöffnungen enthält. Die Sintersteine können mit einer besonderen, katalytisch aktiven Komponente getränkt sein; da aber keramisches Sintermaterial häufig bereits katalytisch aktiv ist, kann auch auf die Verwendung gesonderter Komponenten verzichtet werden. Mit 2 ist das Strahlungsplattensystem bezeichnet, das eine Vielzahl von Durchtrittskanälen 4 aufweist Zwischen dem Spaltgasgenerator 1 und dem Strahlungsplattensystem 2 mündet eine Vielzahl von Mischdüsen 3 in den Strömungsweg für das Spaltgas, die als Mischeinrichtung dient Die Pfeile 5 deuten Teilströme von Sekundärluft an, die von dem strömenden Spaltgas angesaugt werden. Mit 6 ist die Brennstoffzufuhr bezeichnet, mit 7 ein Zünder, mit 8 ein Brennstoffverteiler und mit 9 ein Ventilator zur Erzeugung eines Überdruckes im entstehenden Spaltgas.

In F i g. 2 ist eine Draufsicht auf das Strahlungsplattensystem 2 dargestellt, in dem die Vielzahl von Durchtrittskanälen 4 zu sehen ist. Im Strahlungsplattensystem (Brennerplatte) 2 erfolgt die Umsetzung des mit Sekundärluft vermischten, im Spaltgasgenerator 1 erzeugten Spaltgases. Die Brennerplatte 2 kann eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und hochporös ausgeführt werden (ohne Katalysatoren). Es kann aber auch ein fein verteilter Katalysator im porösen Material enthalten sein, das dann eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Im letzten Fall erreicht man wesentlich höhere Temperaturen als im ersten Fall.

Fig.3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungsbrenners. Der eigentliche Spaltgasgenerator ist wiederum mit 1 bezeichnet, die Brennstoffzufuhr mit 6, der Zünder mit 7 und der Ventilator mit 9. Die gesamte zum Betrieb des Strahlungsbrenners benötigte Luft ist in zwei Teilströme aufgespalten. Der Teilstrom 52 wird dem Spaltgasgenerator 1 als Primärluft durch den Ventilator 9 über den Brennstoffverteiler 8 direkt zugeführt, während die gesamte zu verbrennende Kohlenwasserstoffmenge dem Spaltgasgenerator über die Brennstoffzufuhr 6 zugeführt wird. Der außen am Spaltgasgenerator 1 entlanggeführte Teilstrom 51 wird als Sekundärluft mit dem im Spaltgasgenerator gebildeten Spaltgas in einer Mischeinrichtung aus einer Mischkammer und Vermischungsklappen tO gründlich vermischt und tritt in Pfeilrichtung in das Strahlungsplattensystem 2 ein.

In jedem Fall ist es günstig, einen Teil der Abgase des Strahlungsplattensystems durch eine (nicht dargestellte) Leitung periodisch oder kontinuierlich zuzuführen.

Das im Spaltgasgenerator gebildete Gas entsteht in jedem Fall mit einem Überdruck zur Überwindung der noch folgenden Strömungswiderstände in der Brennerplatte, in der das Gas/Luft-Gemisch mit hoher Umsetzungsgeschwindigkeit bei hoher Temperatur unter intensiver Wärmestrahlung umgesetzt wird.

Die Umwandlung des flüssigen Brennstoffes in Spaltgas und die gute Vermischung dieses Spaltgases mit Luft vor der Verbrennung ermöglichen eine vollständige Verbrennung mit einer vernachlässigbaren Schadstoffemission. Die Wärmeübertraeunesverhält-

nisse und der Wirkungsgrad werden durch die hohen Verbrennungstemperaturen verbessert. Bei Verwendung von Brennerplatten zur flammlosen Verbrennung werden die Wärmeübertragungsverhältnisse durch die höhere Strahlungszahl der Brennerplatten gegenüber s der Flamme noch weiter verbessert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Strahlungsbrenner zur vollständigen Verbrennung eines flüssigen, Kohlenwasserstoff enthaltenden Brennstoffes mit einer Einrichtung zur Brennstoffaufbereitung, in der aus Brennstoff unter Zugabe eines primären Sauerstoffträgers ein kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltiges Brenngemisch erzeugt wird, einem Strahlungsplattensystem aus mindestens einer mit einer Vielzahl von Durchtrittskanälen versehenen Brennerplatte und einer Zuführung eines sekundären Sauerstoff trägers, dadurch gekennzeichnet, daß zur Brennstoffaufbereitung ein Spaltgasgenerator (1) vorgesehen ist, in dem der Brennstoff vergast oder vernebelt, mit dem primären Sauerstoffträger vermischt und zur praktisch vollständigen rußfreien Umsetzung in ein Spaltgas über einen Katalysator geleitet wird, daß die Brennerplatte (2) aus porösem Material gefertigt ist und daß zwischen Spaltgasgenerator (i) und Brennerplatte (2) eine Mischeinrichtung (3) angeordnet ist, in der das Spaltgas mit dem sekundären Sauerstoffträger vermischt wird.

2. Strahlungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Spaltgasgenerator (1) Mittel (9) zur Erzeugung eines Überdruckes im entstehenden Spaltgas angeordnet sind.