DE3736417A1

DE3736417A1 - Kombinierte zuend- und ueberwachungseinrichtung fuer brenner

Info

Publication number: DE3736417A1
Application number: DE19873736417
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Loetsch; Roland Dipl Ing Bianchin; Werner Dipl Ing Franke; Guenter Dipl Phys Berndt; Christian Riedel; Manfred Dr Ing Schingnitz; Ernst Dr Sc Nat Heumann; Wolfgang Dr Rer Nat Zschocke; Mario Dipl Phys Ledig
Original assignee: Brennstoffinstitut Freiberg
Current assignee: Noell-Dbi Energie- und Entsorgungstechnik O- GmbH
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1988-05-26
Also published as: AU8093687A; DD261290A3; DE3736417C2; JPS63135718A; CS699887A1; CS271099B1; AU601503B2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zuenden von Brennern fuer fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe und die sicherheitstechnische Bewertung der Brennerflamme. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Reaktoren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe unter Druck sowie Reaktoren zur Syn thesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung fluessiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe.

Charakteristik der bekannten technischen Loesungen

Allgemein bekannt ist die Hochspannungszuendung fuer das Zuenden von Brennern unter Verwendung von Zuendelektroden, wel che zu meist in gesonderten Zuendbrennern oder Zuendlanzen ein gebaut sind. Mit der F 23 D/281 2863 liegt eine Brennerzuendung vor, die zwar ebenfalls nach dem Prinzip der Hochspannungszuen dung arbeitet, aber im Brenner integriert ist.

Doch sowohl diese als auch alle anderen bekannten Hochspannungszuendungen eignen sich fuer das Zuenden von Brennern fuer Behaelter, welche sich im Moment des Zuendens im drucklosen Zustand befinden, beziehungweise in denen ein nur geringer Ueberdruck herrscht. Begruendet ist dies darin, dass nur eine relativ geringe Menge des zuendfaehigen Gas-Luft-Gemi sches gezuendet werden kann. Eine Erhoehung der Mediengeschwin digkeit beziehungsweise des Druckes wuerde die Zuverlaessigkeit der Zuendung negativ beeinflussen.

Ein wesentlicher Nachteil gegenueber der Laserzuendung ist, dass die Elektroden verschleissbehaftet sind und der Austausch der im Brenner integrierten Elektroden einen hohen Arbeitsaufwand mit sich bringt.

In der DE 29 24 910 wird eine lasergezuendete Zuendkerze vorgestellt, bei der der Laserstrahl nach dessen Erzeugung in einem gepulstem Laser ueber einen Lichtleiter, einer Sammeloptik und einem Quarzglasstab geleitet und im Verbrennungsraum fokussiert wird. Fuer die Brennerzuendung ist diese Anordnung nicht geeignet, da fuer diese eine hohe Energie erforderlich ist, welche zur Zerstoerung der laserstrahlfuehren den Bauelemente fuehren wuerde. Der Einsatz von Lichtleitern und Quarzglasstab zur Strahlfuehrung wirkt darueber hinaus lei stungsmindernd, so dass die zur Verfuegung stehende Energie im Fokus zur Zuendung eines Brenners nicht ausreichen wuerde.

Mit der DE 31 29 919 C2 ist eine Zuendanlage fuer Brennkraftmaschinen bekannt, bei der ein Halbleiterlaser, welcher aus Stapeln von Laser-Diodenplaettchen besteht, den Laserstrahl erzeugt. Durch die im Brennpunkt entstehende Energie von ca. 100 Millÿoule ist das Zuenden eines Brenners nicht moeglich. Darueber hinaus sind beide Patente nicht druck fest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahles in den Brennraum eine fuer die Brennerzuendung ungeeignete konstruktive Loesung auf, da die Optik an der Ein trittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen wuerde.

Besonders die extremen Bedingungen in Staubdruckvergasungsgene ratoren stehen bisher dem Einsatz von Laser-Zuendanlagen in Kohlenstaubbrennern oder generell als Zuendquelle fuer diese Brenner im Wege, da die fuer diese Systeme geforderte hohe Sicherheit nicht gewaehrleistet werden kann. Gleichzeitig koen nen alle bekannten Loesungen zur Zuendung von Brennstoff- Sauerstoff- oder Luftgemischen nicht mit Ueberwachungssystemen kombiniert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist neben der Verbesserung der Oekonomie der Vergasungsprozesse eine Erhoehung der Effektivitaet und der Si cherheit beim Zuenden und Ueberwachen von Brennern.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe mittels einer Zuendeinrichtung zu zuenden und gleichzeitig eine staendige sicherheitstechnisch relevante optische Ueberwachung der Flamme des Reaktionsraumes zu realisieren, insbesondere in unter Druck von 0,1 bis 5 MPa stehenden Reaktoren.

Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass im Brenner eine Einrichtung eingesetzt ist, die hauptsaechlich aus einem Tubus mit druckfestem optischem Fenster, einer drucktragenden Sammellinse und aus zwischen Tubus und Huellrohr angeordneten Ueberwachungselementen und einem Laser besteht.

Das Huellrohr stellt die aeussere Begrenzung der Einrichtung dar und ist vom Reaktionsraum nach aussen durchgefuehrt. Im Huellrohr befindet sich asymmetrisch - aber koaxial angeordnet, der innen verspiegelte oder polierte Tubus, der an seinem reak tionsraumseitigem Ende mit einer Sammellinse verschlossen ist. Am gegenueberliegenden Ende besitzt der Tubus ein optisches Fenster und ist mit einem in drei Achsen justierbaren Laser axial gekoppelt. Der druckfreie Raum zwischen Sammellinse und optischem Fenster ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden. Parallel zum Tubus sind im Huellrohr ein oder mehrere Ueberwachungselemente angeordnet, die ebenfalls ueber einen Flansch des Huellrohres nach aussen gefuehrt sind. Die Ueberwachungselemente sind rohrfoermig gestaltet, das reaktionsraumseitige Ende ist mit einer Quarzglasscheibe verschlossen. Im Ueberwachungselement ist ein opto- elektronischer Wandler vorhanden, der entweder ueber Lichtwellenleiter mit der Quarzglasscheibe verbunden oder unmittelbar hinter dieser angeordnet ist. Der Wandler ist ueber elektrische Anschluesse mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden. Ein im Ueberwachungselement zwischen Wandler und Quarzglasscheibe oder hinter dem Wandler vorhandener druckfreie Raum ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden.

Das Huellrohr ist am reaktionsraumseitigen Ende als Duese aus gebildet, wobei die Muendung so gross gewaehlt ist, dass der Laserstrahl und auch der Strahlengang des vom Ueberwachungsele ment empfangenen Flammensignales nicht behindert ist. Der Zwischenraum zwischen Huellrohr und Einbauten ist mit einem Spuelgasanschluss versehen.

Erfindungsgemaess wird ein Laserimpuls aus dem axial am Tubus angeordneten Laser in den Tubus eingekoppelt und von der Sammellinse in den Reaktionsraum fokussiert, wobei zur Verminderung der Uebertragungsverluste der Tubus verspiegelt oder poliert ausgefuehrt ist. Zur Ueberwachung des Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht im Ueberwachungselement ueber Lichtleiter die mit einer Quarzglas scheibe druckfest gefasst sind, erfasst und optisch- elektronischen Wandlern zugefuehrt, die mit einer separaten selektiven Auswerteeinheit verbunden sind.

Erfindungsgemaess werden die zwischen der Sammellinse und dem optischem Fenster und zwischen Quarzglasscheibe und druckfester Durchfuehrung vorhandenen druckfreie Raeume als wesentliches sicherheitstechnisches Element staendig ueberwacht.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist die Einleitung von Spuelgas in den Zwischenraum zwischen Tubus und Huellrohr. Durch diese Massnahme und die spezielle Gestaltung der Muendung in Form einer Duese werden die optischen Einbauten gekuehlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschuetzt.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, dass die gefundene technische Loesung ein Anfahren von zum Beispiel Reaktoren unter Druck ermoeglicht, was entscheidenden Einfluss auf die Oekonomie des Verfahrens hat und die Sicherheit der Zuendung sowie der Signaluebertragung und -auswertung wesentlich erhoeht.

Weitere Vorteile sind, dass sich in der Reaktorzone keine Ver schleissteile befinden , dass keine aufwendigen elektrischen Druckdurchfuehrungen vorhanden sind, dass es moeglich ist, den Zuendzeitpunkt exakt zu bestimmen und dass die Zuendenergie dosierbar auf die Zuendmedien abgestimmt werden kann. Die Zuend- und Ueberwachungseinrichtung muss nicht integraler Bestandteil des Brenners sein, sondern sie kann auch an einem anderen, fuer die Zuendung guenstigen Ort, angeordnet werden.

Ausfuehrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuehrungsbeispiel naeher erlaeutert werden. In den zugehoerigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung der Zuend- und Ueberwachungs einrichtung

Fig. 2: Ueberwachungselement mit Lichtwellenleiter

Fig. 3: Ueberwachungselement ohne Lichtwellenleiter

Fig. 4: In Brenner eingesetzte Zuendeinrichtung

Im Ausfuehrungsbeispiel ist die Zuend- und Ueberwachungsein richtung an zentraler Stelle in den Brenner 17 eingesetzt.

Eingangsseitig befindet sich axial am Tubus 2 ein Laser 1. Die Verbindung zwischen Laser 1 und Tubus 2 bildet ein druckfestes optisches Fenster 5. Am reaktionsraumseitigen Ende des Tubus 2 ist eine druckfeste Sammellinse 4 angeordnet. Im Raum zwischen Tubus 2 und Huellrohr 3 befinden sich die Ueberwachungselemente 6. Diese bestehen aus der muendungsseitig angeordneten Quarzglasscheibe 7, Lichtwellenleitern 14, ausgangsseitig plaziertem opto-elektronischen Wandler 15, druckfesten Durchfuehrungen 9 und elektrischen Anschluessen 16.

Nach der Erfindung ist es ebenfalls moeglich, den opto- elektronischen Wandler 15 muendungsseitig hinter der Quarzglasscheibe 7 anzuordnen. Der zwischen Tubus 2 und Huellrohr 3 existente Zwischenraum 18 ist mit einem Spuelgasanschluss 8 zur Zufuehrung von Spuelgas versehen. Das reaktionsraumseitige Ende des Huellrohres 3 ist als Duese 19 mit Muendung 10 so gestaltet, dass eine Verschmutzung der Sammellinse 4 ausgeschlossen und der Strahlengang nicht behindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend naeher erlaeutert werden.

Der Laserstrahl wird in dem axial am Tubus 2 justierbar montierten Laser 1 erzeugt und ueber das optische Fenster 5 in den Tubus 2 eingekoppelt. Die Sammellinse 4 fokussiert den Laserimpuls an einen fuer die Zuendung guenstigen Punkt im Reaktionsraum 13. Ueber einen sich zwischen Tubus 2 und Huellrohr 3 befindlichem Zwischenraum 18 wird ein trockenes, staub-oel- und fettfreies Spuelgas eingebracht, welches, bedingt durch die Form der Duese 19 mit Muendung 10, die Sammellinse 4 umspuelt und von Verschmutzungen freihaelt.

Als Laser 1 wird ein im Impulsbetrieb arbeitender Festkoerperlaser verwendet, dessen Stromversorgungseinheit dezentral vom Brenner stationiert ist. Der Laser 1 kann nach erfolgter Zuendung wieder demontiert werden. Die sich zwischen Tubus 2 und Huellrohr 3 befindlichen Uebertragungselemente 6 dienen der Ueberwachung des Brenners. Das von der Brennerflamme emittierte Licht wird ueber die Quarzglasscheibe 7 und Lichtwellenleitern 14 einem opto-elektronischen Wandler 15 zugeleitet, der mit einer dezentral angeordneten selektiven Auswerteeinheit gekoppelt ist. In einer Ausfuehrungsform befindet sich der opto-elektronische Wandler direkt hinter der Quarzglasscheibe.

Die druckfreien Raeume 11 im Tubus 2 und in den Ueberwachungselementen 6 werden von Kontrolleinrichtungen 12 auf staendige Funktionssicherheit ueberwacht.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen: Fig. 1 1 Laser
2 Tubus
3 Hüllrohr
4 Sammellinse
5 Optisches Fenster
6 Überwachungselement
7 Quarzglasscheibe
8 Spülgasanschluß
9 Druckfeste Durchführung
10 Mündung des Hüllrohres
11 Druckfreier Raum
12 Kontrolleinrichtung
13 Reaktionsraum
14 Lichtwellenleiter
15 Opto-elektronischer Wandler
16 Elektrischer Anschluß
17 Brenner
18 Zwischenraum
19 Düse

Claims

1. Kombinierte Zuend- und Ueberwachungseinrichtung fuer Brenner fuer fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe, vorzugsweise zur Vergasung von staubfoermigen Brennstoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus einem in einem Huellrohr (3) angeordneten Tubus (2) besteht, an dessen oberen Ende ueber ein druckfestes optisches Fenster (5) ausserhalb des Reaktionsraumes ein Laser (1) justierbar angeordnet ist, dass am reaktionsraumseitigen Ende des Tubus (2) eine Sammellinse (4) plaziert ist, dass um den Tubus (2) im Huellrohr (3) Ueberwachungselemente (6) installiert sind, dass das reaktionsraumseitige Ende des Huellrohres (3) die Form einer Duese (19) besitzt, der Zwischenraum (18) zwischen Huellrohr (3) und den Einbauten Tubus (2) und Ueberwachungselemente (6) mit einem Spuelgasanschluss (8) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ueberwachungselemente (6) ueber eine Quarzglasscheibe (7) druckdicht gegen den Reaktionsraum (13) verschlossen sind und einen opto-elektronischen Wandler (15) besitzen, der ueber elektrische Anschluesse (16) mit druckfester Durchfuehrung (9) mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden ist.

3. Einrichtung nach den Anspruechen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ueberwachungselementen (6) der opto-elektronische Wandler (15) ueber Lichtwellenleiter (14) mit der Quarzglasscheibe (7) verbunden ist.

4. Einrichtung nach den Anspruechen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ueberwachungseinrichtungen (6) der opto-elektronische Wandler (15) unmittelbar hinter der Quarzglasscheibe (7) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach den Anspruechen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die druckfreien Raeume (11) im Tubus (2) und in den Ueberwachungselementen (6) mit Kontrolleinrichtungen (12) verbunden sind.