DE2841105A1 - Vergasungsbrenner - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 78 P 7 5 4 2 BRD

Vergasungsbrenner

Die Erfindung betrifft einen Vergasungsbrenner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechend der
deutschen Patentanmeldung P 28 11 273.4 (internes
Aktz. VPA 78 P 4001).

In einem derartigen Brenner wird flüssiger Brennstoff in zwei Stufen verbrannt, wobei in der ersten Stufe nur ein Teil der insgesamt eingesetzten Luft als Vergasungsluft (Primärluft) mit dem Brennstoff vermischt und durch katalytische, partielle Oxidation (unterstöchiometrische Verbrennung) zu einem Brenngas umgesetzt wird, das Brenngas in der zweiten Stufe mit der restlichen Luft (Verbrennungsluft, Sekundärluft) vermischt und an einer Brennerplatte verbrannt wird.

KbI 2 Hag / 12.9.1978

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In Haushaltsbrennein üblicher Bauart wird der Brennstoff mit einer Düse versprüht und mit der gesamten Luft in einem Brennraum verbrannt. Da die Zerstäuberleistung der Düse nur innerhalb enger Grenzen variiert werden kann, sind derartige Haushaltsbrenner nicht kontinuierlich bis auf geringe Leistungen herunter regelbar. Vielmehr sind sie auf maximale Leistung angelegt und werden bei geringerem Heizbedarf im Stoßbetrieb mit einer Zweipunktregelung geregelt. Dadurch werden größere Heizkessel als Energiespeicher für die Betriebspausen benötigt, ferner bedingt das wiederholte Anspringen des Brenners eine starke Temperaturwechselbelastung der Materialien, eine erhöhte Ruß- und Schadstoffbelastung von Heizkessel, Kamin und Abgasen sowie einen überhöhten Energiebedarf während des elektrischen Zündens. Der in der genannten Patentanmeldung vorgeschlagene Brenner dagegen muß lediglich zu Beginn einer Heizperiode angelassen werden und kann dann entsprechend dem Heizbedarf kontinuierlich bis auf sehr kleine Leistungen heruntergeregelt werden, wodurch diese Nachteile vermieden werden. Ferner wird bei dem Reaktionsablauf während der Verbrennung eine wesentliche Verminderung der Emission von Schadstoffen, z.B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, erreicht. Dabei kann die insgesamt benötigte Luft auf die zur stöchiometrischen Verbrennung nötige Luft begrenzt werden, wodurch hohe Brenntemperaturen erreicht werden können.

Ein Ausführungsbeispiel des in der genannten Patentanmeldung vorgeschlagenen Brenners ist in Fig. 1 dargestellt und besteht, wie bereits erwähnt wurde, im wesentlichen aus zwei Stufen, nämlich der Vergasungsstufe mit einer zentral angeordneten, einen Katalysator enthaltenden Reaktorkammer 2 (Katalysator-

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einrichtung) und dem Verbrennungsteil, der einen Mischraum 3, eine Zündkammer 7 und einen sich konisch erweiternden Brennraum 8 mit einer abschließenden porösen, gelochten Brennerplatte 9 enthält. Der Katalysatoreinrichtung 2 ist am Einlaß 14 ein Vorraum 1 zum Mischen des Brennstoffes mit Primärluft vorgeschaltet. Dieser Vorraum ist seitlich von einer Ringwand 5 begrenzt und über Radialkanäle 6 mit einem Ringraum 4 verbunden, der den Vorraum, die Katalysatoreinrichtung und den Mischraum konzentrisch umgibt. Durch den Mischraum wird die Primärluft dem Vorraum 1 zugeführt. Zur Zuführung des Brennstoffes ist dem Vorraum 1 ein Frontraum 10 vorgeschaltet, der in einen Ringkanal 11 übergeht, der den Vorraum vollständig und den Ringraum sowie die Katalysatoreinrichtung mindestens auf einem Teil ihrer Länge umgibt. Der Brennstoff wird an einer im Ringkanal angeordneten ersten Wärme quelle 12 wenigstens teilweise verdampft und im Vorraum mit der Primärluft, die an einer im Ringraum angeordneten zweiten Wärmequelle B vorerhitzt wird, im Vorraum 1 an einer ersten Homogenisierungseinrichtung, z.B. einer Drallblende 13, vermischt. Das in der Katalysatoreinrichtung erzeugte Brenngas wird in den Mischraum 3 geleitet und dort an einer zweiten Homogenisierungseinrichtung 24, z.B. einer weiteren Drallblende, mit zugeführter Sekundärluft vermischt.

Als vorteilhafte Weiterbildungen dieses Vergasungsbrenners wird in der erwähnten Anmeldung ferner vorgeschlagen, daß die Reaktorkammer (Katalysatoreinrichtung) einen katalytisch inaktiven Behälter A aufweist, in dessen Stirnflächen Einlaßbohrungen 14 und Auslaßbohrungen 15 angeordnet sind. Zwischen

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Mischraum 3 und Zündkammer 17 wird eine gelochte Scheibe 16 als Rückschlagsicherung angeordnet. Die Zündkammer wird durch eine gelochte Keramikplatte 17 (Lochwand) von dem Brennraum 8 getrennt. Zur Zuführung des Brennstoffes in den Ringkanal 11 (Verdampfungsraum) ist ein Brennstoff-Anschlußstutzen 19, zur Zuführung der Sekundärluft zum Mischraum 3 ein Sekundärluft-Anschluß 23 und zur Zuführung von Primärluft zum Ringraum 4 (Vorerhitzungsraum) ein Primärluft-Zuführungsstutzen 26 vorgesehen. Ferner ist an der Zündkammerwand ein weiterer Stutzen 27 für eine Zündeinrichtung befestigt. Im Mischraum kann vorteilhaft eine katalytisch inaktive Auskleidung C, z.B. aus Keramik, vorgesehen sein.

Das Gehäuse des Vergasungsbrenners ist vorteilhaft aus mehreren Teilen zusammengesetzt, z.B. aus einem die erste Stufe umgebenden zylindrischen ersten Gehäuseteil 18 mit einem Frontdeckel 20, einem zylindrischen, den Mischraum 3 umgebenden Mittelteil 21 und einem zylindrischen Endteil 25, das eine den Brennraum 8 umgebende konische Erweiterung trägt. Diese Gehäuseteile sind vorteilhaft aus Metall, z.B. rostfreiem Stahl, gefertigt. Insbesondere ist die Wand 22 zwischen dem Mischraum und dem Ringraum wärmeleitend ausgebildet, um eine Vorerwärmung der Primärluft im Verbrennungsteil zu erreichen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Betrieb des vorgeschlagenen Brenners in manchen Fällen anfällig für Betriebsstörungen ist. So findet z.B. bei einem vorübergehenden Aussetzen der Brennstoffzufuhr kurzfristig keine Verbrennung im Verbrennungsteil statt.

Die zugeführte Primärluft wird dann nicht ausreichend

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vorerwärmt, so daß der Katalysatorteil von kalter Luft durchspült und abgekühlt wird. Bei Wiedereinsetzen der Brennstoffzufuhr arbeitet die Katalysatoreinrichtung dann nicht zufriedenstellend, so daß der Brennstoff nur unvollständig in Brenngas umgesetzt wird und es zu Brennerstörungen, insbesondere zu Rußbildung im Verbrennungsteil, kommt. Ferner ist es zwar gerade der Vorteil dieses Brenners, daß durch stöchiometrische Luftzufuhr sehr hohe Verbrennungstemperäturen erreicht werden können, jedoch bringen diese hohen Temperaturen die Gefahr mit sich, daß die verwendeten Materialien zerstört werden. So kann z.B. die Brennerplatte oder die gelochte Keramikplatte (Lochplatte) springen und es kann sogar das Metallgehäuse aufgeschweißt werden. Zur Vermeidung dieser Gefahr ist bei dem in der Anmeldung vorgeschlagenen Brenner vorgesehen, die Vorrichtung mit dem an der Brennerplatte befindlichen Ende an der Wand des Heizkessels zu befestigen, so daß das Gehäuse außerhalb des Heizkessel angeordnet ist und von der Umgebungsluft gekühlt wird. Dadurch ist der Brenner jedoch, nicht mehr berührungssicher, da bei Berührung des Brennergehäuses erhebliche Verletzungsgefahr besteht. Auch bedeuten die Wärmeverluste am Gehäuse eine Herabsetzung des Wirkungsgrades des Brenners.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit des eingangs genannten Brenners zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen angegebenen Verbesserungen vorgeschlagen, die einzeln oder in Kombination miteinander bei dem in der erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Brenner ange-

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wendet werden können. Anhand eines in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispieles werden diese Verbesserungen näher erläutert.

Die Verbesserungen betreffen den Verbrennungsteil des Brenners, also nur Mischraum 3, ZUndkammer 7, Brennraum 8, Brennerplatte 9 sowie die dazugehörigen Gehäuseteile nach Fig. 1. In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch diesen Verbrennungsteil gezeigt, in Fig. 3 ein Querschnitt entsprechende der Linie III-III der Fig. 2.

An den in den Figuren nicht gezeigten Vergasungsteil schließt sich der Mischraum an, der durch die Homogenisierungseinrichtung (Drallblende 24' mit Schrägschlitzen 30) in zwei Teilräume 3' und 3¹' unter teilt ist. Dem Mischraum wird vom Vergasungsteil Brenngas entsprechend den Pfeilen 31 zugeführt, das mit Sekundärluft (Pfeile 32) vermischt wird und durch eine Rückschlagsicherung 16', z.B. eine gelochte Scheibe aus poröser Keramik, in den Zündraum 7' geleitet wird. Von dort strömt es durch eine Lochwand 17Ί die vorteilhaft als gelochte Keramikplatte ausgebildet ist, in den sich konisch erweiternden Raum 8' (Brennraum) und durch die Brennerplatte 9¹· Beim Durchströmen der ZUndkammer 7^f und des Brennraumes 8', insbesondere beim Durchtritt durch die Lochwand 16' und die Brennerplatte 9' verbrennt das Brenngas/Luft-Gemisch und tritt entsprechend den Pfeilen 33 in den Innenraum eines Heizkessels. Die Räume sind von einem massiven Gehäuseteil 34 umgeben, in dem ein Ringraum 4' verläuft, dem Primärluft über einen Primärluftzuführungsstutzen 26' zugeführt wird. Die bisher genannten Teile sind bereits bei dem Brenner nach der Hauptanmeldung enthalten.

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Eine erste Verbesserung wird dadurch erreicht, daß der Ringraum 4' auch dia Zündkammer 7' und den Brennraum 8' ringförmig umschließt und sich bis in die Nähe der Brennerplatte 9' erstreckt. Dort ist der Primärluft-Zuführungsstutzen 26' angeordnet, so daß die Primärluft in unmittelbarer Nähe der heißen Brennerplatte mit dem aufgeheizten Gehäuseteil 34 in Berührung kommt und diesen dort kühlt. Im Ringraum 4' sind Wände 35 angeordnet, die den Ringraum zu einem sich spiralförmig oder mäanderförmig um den Brennraum 8' und die Zündkammer 7' windenden Strömungsweg machen. Dieser Strömungsweg kann z.B. dadurch erzeugt werden, daß in das Gehäuseteil 34 eine gewindeartige Nut eingefräst wird und auf dem Gehäuseteil 34 eine konische Abdeckplatte 36 befestigt wird. Die durch den Zuführungsstutzen 26' einströmende Primärluft kommt auf diesem gewundenen Strömungsweg in einen intensiven Wärmekontakt mit dem Gehäuseteil 34 und kühlt diesen, bevor sie durch die in Fig. 1 dargestellten Radialkanäle 6 der Ringwand in den Frontraum eintritt. Diese Ausgestaltung führt einerseits zu einer besseren Vorwärmung der Primärluft, verhindert andererseits eine Überhitzung des Gehäuseteiles 34, das daher aus Metall, z.B. rostfreiem Stahl, gefertigt sein kann, ohne daß die Gefahr einer Materialerweichung bei den hohen Verbrennungstemperaturen auftritt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erweitert sich die Zündkammer konisch. Vorteilhaft ist die Zündkammer vom Brennraum durch die bereits erwähnte gelochte Keramikplatte 17' getrennt, wobei die gelochte Fläche der Brennerplatte größer ist als die gelochte Fläche der Keramikplatte. Da sich somit der Strömungsquerschnitt des Brenngas/Luft-Gemisches zwischen Mischraum

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und Brennerplatte stetig erweitert, ist die thermische Belastung der Keramikplatte geringer als bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und somit die Gefahr einer Zerstörung dieser Platte durch thermische Spannungen vermindert. Es hat sich nämlich gezeigt, daß diese Platte 17' beim Brennerbetrieb besonders hohen Temperaturen ausgesetzt ist, was an einem hellen Glühen erkennbar ist. Zur Vermeidung einer thermischen Zerstörung ist es ferner vorteilhaft wenn die Brennerplatte und gegebenenfalls auch die Keramikplatte aus mehreren Plattenteilen 37, 38 zusammengesetzt ist, die durch Nut und Feder 39 zusammengehalten werden.

Das Brennergehäuse ist, wie bereits erwähnt wurde, vorteilhaft aus Metall gefertigt. Um das Gehäuse vor thermischen Zerstörungen bei hohen Temperaturen zu schützen, kann entsprechend einer anderen erfindungsgemäßen Verbesserung die Zündkammer 7' und der Brennraum 8' eine Keramikauskleidung tragen. Diese Keramikauskleidung besteht vorteilhaft aus einzelnen keramischen Ringen 40, 41, die ebenfalls durch Nut und Feder zusammengehalten werden können.

Eine andere erfindungsgemäße Verbesserung besteht darin, daß am Gehäuse eine auf die Keramikplatte 17' gerichtete optische Flammüberwachungseinrichtung befestigt ist. Zu diesem Zweck kann z*B. an einen Durchbruch der Zündkammerwand das eine Ende eines Beobachtungsrohres 42 befestigt sein, dessen anderes Ende eine (nicht dargestellte/) Fotozelle trägt, die beim Glühen der Keramikplatte 17' ein Signal für störungsfreien Betrieb abgibt und bei Erlöschen der Keramikplatte 17' ein St5rungssignal abgibt, das z.B. zur Abschaltung der 'Brennstoffzufuhr verwendet werden kann. Gegebenenfalls kann zwischen

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dem Beobachtungsrohr 42 und der Fotozelle ein Lichtleiter vorgesehen sein, um die Fotozelle vor der Brennerwärme zu schützen.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Verbesserungsvorschlag sieht vor, das Gehäuseteil 34 an dem an den Vergasungsteil angrenzenden Ende, also auf der Höhe der Mischkammer, mit einem breiten Flansch 50 zu versehen, der seitlich über die anderen Gehäuseteile übersteht. Dieser Flansch kann zur Befestigung des Brenners an der Heizkesselwand dienen, wobei in der Heizkesselwand eine Öffnung vorgesehen ist, in die der Brenner mit dem strömungsmäßig hinter dem Flansch liegenden Gehäuseteil eingeschoben werden kann und die durch den Flansch verschlossen (Gewindebohrungen 43) wird. Der Verbrennungsteil des Brenners ist dann im Inneren des Heizkessels angeordnet, so daß die thermische Abstrahlung des Brennerteils ebenfalls zu Heizzwecken genutzt werden kann. Da die nunmehr im Heizkesselinneren liegenden Gehäuseteile durch den Primärluftstrom gekühlt werden, ist eine Überhitzung dieser Teile nicht zu befürchten. Die Primärluftzuführung geschieht mittels eines den Flansch durchgreifenden, zum Primärluftzuführungsstutzen 26' führenden Zuführungskanal 45. Der im Verbrennungsteil gelegene Teilraum des Ringraumes 4¹ ist über Bohrungen 48 mit dem vorderen Teil-Ringraum verbunden. Die Sekundärluft wird mittels eines ebenfalls den Flansch durchgreifenden, zum Sekundärluftanschluß des Mischraumes 3' führenden Zuführungskanals 46 zugeführt. Ferner sind in diesem Flansch Durchbrüche 47 für die Einführung von Zündelektroden, die an der Zündkammerwand angeordnet werden, und gegebenenfalls der obenerwähnten Flammüberwachung vorgesehen.

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Als Material für die keramischen Teile kann Mullit verwendet werden, vorteilhaft kann dem Mullit zur Erhöhung der Hitzebeständigkeit bis zu 50 Gew.-% Bikovit beigemischt werden. Aluminiumoxid sowie Aluminiumoxid-Schamott-Massen (z.B. sogenannte Siebkern-Masse) ist ebenfalls geeignet. Es können aber auch andere hochwarmfeste Keramiken, z.B. auf Zirkondioxid-Basis, oder auch Sillziumcarbid verwendet werden. Vorteilhaft bestehen die Brennerplatten aus dem gleichen Material wie die keramischen Auskleidungen.

Wird beim Betrieb des Brenners die Primärluftmenge auf Luftzahlen von etwa 0,1 und die Sekundärluftmenge auf Luftzahlen von etwa 1,0 eingestellt, so werden Temperaturen von etwa 17^0⁰C erreicht. Thermische Schädigungen der Brennerbauteile sind trotz der hohen Temperaturen nicht zu befürchten. Darüber hinaus wird durch die bessere Vorwärmung der Primärluft und durch die Herabsetzung der thermischen Abstrahlung der Wirkungsgrad des Brenners verbessert.

10 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (10)

1. VPA 78 P 7 5 4 2 BRD

   Patentansprüche

   Jy Vergasungsbrenner, mit einem Vorraum zum Mischen eines mindestens teilweisen verdampften flüssigem Brennstoffes mit Luft, mit einer sich an den Vorraum anschließenden Katalysatoreinrichtung zum umwandeln des Dampf-Luftgemisches in ein Brenngas, mit einem an die Katalysatoreinrichtung angrenzenden Mischraum zum Mischen des Brenngases mit Sekundärluft, mit einem den Vorraum, die Katalysatoreinrichtung und den Mischraum konzentrisch umgebenden und vom Mischraum durch eine Ringwand getrennten Ringraum sowie mit einem sich konisch erweiternden Raum (Brennraum) und einer dem Brennraum abschließenden gelochten Brennerplatte aus porösem Material, welcher aus dem Mischraum das Brenngas-Luft-Gemisch zuführbar ist, und bei dem ferner sich vor dem Vorräum eine Frontraum befindet, der Frontraum in einen Ringkanal übergeht, der den Vorraum vollständig und den Ringraum sowie die Katalysatoreinrichtung mindestens auf einem Teil ihrer Länge umgibt, bei dem ferner der Ringkanal eine Wärmequelle zum Verdampfen des Brennstoffes und der Ringraum eine Wärmequelle zum Vorwärmen der Primärluft während des Anfahrvorganges und zur Unterstützung bei Lastwechseln enthält, bei dem ferner die Ringwand Radialkanäle besitzt, die den Ringraum mit dem Vorraum verbinden, ferner im Vorraum und im Mischraum je eine Homogenisierungseinrichtung angeordnet ist, ferner zwischen dem Brennraum und dem Mischraum eine Zündkammer angeordnet ist und schließlich die Zündkammer vom Mischraum rückschlagfrei getrennt ist, nach Patent ... (Anmeldung P 28 11 273.4, VPA 78 P 4001), dadurch gekennzeichnet , daß der Ringraum (4*) auch die Zündkammer (7*) und den sich konisch erwei-

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   ternden Raum (8) ringförmig umschließt und sich bis in Nähe der Brennerplatte (9) erstreckt, daß dort ein Primärluft-Zuführungsstutzen (26) in den Ringraum (4) einmündet und daß im Ringraum (4) Leitwände angeordnet sind, die den zuzuführenden Primärluftstrom vom Primärluftzuführungsstutzen (26) in einem spiralförmig oder mäanderförmig um den Brennraum (8) und die Zündkammer (9) gewundenen Strömungsweg zu den Radialkanälen (6) der Ringwand leiten. 10
2. 2. Vergasungsbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Zündkammer in Strömungsrichtung konisch erweitert und der Austrittsquerschnitt der Zündkammer gleich dem Eintrittsquerschnitt des Brennraumes ist.
3. 3. Vergasungsbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zündkammer (7*) zum Brennraum (S) durch eine gelochte Keramikplatte (17*) getrennt ist und daß die gelochte Fläche der Brennerplatte (9*) größer ist als die gelochte Fläche der Keramikplatte (17').
4. 4. Vergasungsbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (9*) und gegebenenfalls die Keramikplatte aus mehreren Plattenteilen zusammengesetzt sind.
5. 5. Vergasungsreaktor mit den im Oberbegriff des An-Spruches 1 genannten Merkmalen nach dem Patent ...

   (Anmeldung P 28 11 273.4, VPA 78 P 4001), dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Zündkammer und des Brennraumes aus Metall sind und eine Keramikauskleidung tragen.

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6. 6. Vergasungsbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Keramikauskleidung aus Keramikringen zusammengesetzt ist.
7. 7· Vergasungsbrenner nach Anspruch 4 oder Anspruch 6 oder den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringe der Keramikauskleidung und/oder die Plattenteile durch Nut und Feder miteinander verbunden sind. 10
8. 8. Vergasungsbrenner mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Merkmalen nach dem Patent ... (Aktz. P 28 11 273.4, VPA 78 P 4001), dadurch gekennzeichnet , daß am Gehäuse eine auf die Keramikplatte gerichtete optische Flammüberwachungseinrichtung befestigt ist.
9. 9. Vergasungsbrenner nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet _f daß das Gehäuse auf der Höhe der Mischkammer einen seitlich über die anderen Gehäuseteile überstehenden Flansch trägt, daß der Flansch von Zuführungskanälen zum Primärluftzuführungsstutzen und zu einem in den Mischraum führenden Sekundärluft-Anschluß sowie von Durchbrüchen für an der Zündkammer angeordnete Zündelektroden und gegebenenfalls für die Flammüberwachung durchgriffen wird.
10. 10. Vergasungsbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Flansch Mittel zur Befestigung an der Wand eines Heizkessels trägt.

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