DE3736417C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Zünd- und Überwachungseinrichtung für Brenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Reaktoren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe unter Druck sowie Reaktoren zur Syn­ thesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe.

Allgemein bekannt ist die Hochspannungszündung für das Zünden von Brennern unter Verwendung von Zündelektroden, welche zumeist in gesonderten Zündbrennern oder Zündlanzen eingebaut sind. Mit DD 2 41 457 liegt eine Brennerzündung vor, die zwar ebenfalls nach dem Prinzip der Hochspannungszündung arbeitet, aber im Brenner integriert ist.

Doch sowohl diese als auch alle anderen bekannten Hochspannungszündungen eignen sich für das Zünden von Brennern für Behälter, welche sich im Moment des Zündens im drucklosen Zustand befinden, beziehungsweise in denen ein nur geringer Überdruck herrscht. Begründet ist dies darin, daß nur eine relativ geringe Menge des zündfähigen Gas-Luft-Gemisches gezündet werden kann. Eine Erhöhung der Mediengeschwindigkeit beziehungsweise des Druckes würde die Zuverlässigkeit der Zündung negativ beeinflussen.

Ein wesentlicher Nachteil gegenüber der Laserzündung 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 lasergezündete Zündkerze vorgestellt, bei der der Laserstrahl nach dessen Erzeugung in einem gepulsten Laser über einen Lichtleiter, eine Sammeloptik und einen Quarzglasstab geleitet und im Verbrennungsraum fokussiert wird.

Für die Brennerzündung ist diese Anordnung nicht geeignet, da für diese eine hohe Energie erforderlich ist, welche zur Zerstörung der laserstrahlführenden Bauelemente führen würde. Der Einsatz von Lichtleitern und Quarzglasstab zur Strahlführung wirkt darüber hinaus leistungsmindernd, so daß die zur Verfügung stehende Energie im Fokus zur Zündung eines Brenners nicht ausreichen würde.

Mit der DE 31 29 919 C2 ist eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der ein Halbleiterlaser, welcher aus Stapeln von Laser-Diodenplättchen besteht, den Laserstrahl erzeugt. Durch die im Brennpunkt entstehende Energie von ca. 100 Millÿoule ist das Zünden eines Brenners nicht möglich.

Darüber hinaus sind die Vorrichtungen der beiden Patente nicht druckfest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahles in den Brennraum eine für die Brennerzündung ungeeignete konstruktive Lösung auf, da die Optik an der Eintrittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen würde.

Besonders die extremen Bedingungen in Staubdruckvergasungsgeneratoren stehen bisher dem Einsatz von Laser-Zündanlagen in Kohlenstaubbrennern oder generell als Zündquelle für diese Brenner im Wege, da die für diese Systeme geforderte hohe Sicherheit nicht gewährleistet werden kann. Gleichzeitig können alle bekannten Lösungen zur Zündung von Brennstoff-Sauerstoff- oder Luftgemischen nicht mit Überwachungssystemen kombiniert werden.

Nach DE 35 18 232 und DD 1 48 672 sind bei gattungsgemäßen kombinierten Zünd- und Überwachungseinrichtungen Vorrichtungsteile bekannt, die die Zünd- oder Überwachungselemente einschließen und u. U. zur Zuführung und Aufrechterhaltung von Gasströmungen dienen. Diese Teile können allgemein als Hüllrohre bezeichnet werden.

Ziel der Erfindung ist neben der Verbesserung der Ökonomie der Vergasungsprozesse eine Erhöhung der Effektivität und der Si­ cherheit beim Zünden und Überwachen von Brennern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe mittels einer Zündeinrichtung zu zünden und gleichzeitig eine ständige sicherheitstechnisch relevante optische Überwachung der Flamme des Reaktionsraumes zu realisieren, insbesondere in unter Druck von 0,1 bis 5 MPa stehenden Reaktoren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Hüllrohr stellt die äußere Begrenzung der Einrichtung dar und ist vom Reaktionsraum nach außen durchgeführt. Im Hüllrohr befindet sich asymmetrisch - aber koaxial angeordnet, der innen verspiegelte oder polierte Tubus, der an seinem reak­ tionsraumseitigem Ende mit einer Sammellinse verschlossen ist. Am gegenüberliegenden Ende besitzt der Tubus ein optisches Fenster und ist mit einem in drei Achsen justierbaren Laser mit einer Kontrolleinrichtung verbunden. Parallel zum Tubus sind im Hüllrohr ein oder mehrere Überwachungselemente angeordnet, die ebenfalls über einen Flansch des Hüllrohres nach außen geführt sind. Die Überwachungselemente sind rohrförmig gestaltet, das reaktionsraumseitige Ende ist mit einer Quarzglasscheibe verschlossen. Im Überwachungselement ist ein opto- elektronischer Wandler vorhanden, der entweder über Lichtwellenleiter mit der Quarzglasscheibe verbunden oder unmittelbar hinter dieser angeordnet ist. Der Wandler ist über elektrische Anschlüsse mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden. Ein im Überwachungselement zwischen Wandler und Quarzglasscheibe oder hinter dem Wandler vorhandener druckfreier Raum ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden.

Das Hüllrohr ist am reaktionsraumseitigen Ende als Düse aus­ gebildet, wobei die Mündung so groß gewählt ist, daß der Laserstrahl und auch der Strahlengang des vom Überwachungsele­ ment empfangenen Flammensignales nicht behindert ist. Der Zwischenraum zwischen Hüllrohr und Einbauten ist mit einem Spülgasanschluß versehen.

Erfindungsgemäß 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 Übertragungsverluste der Tubus verspiegelt oder poliert ausgeführt ist. Zur Überwachung des Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht im Überwachungselement über Lichtleiter, die mit einer Quarzglas­ scheibe druckfest gefaßt sind, erfaßt und optisch- elektronischen Wandlern zugeführt, die mit einer separaten selektiven Auswerteeinheit verbunden sind.

Erfindungsgemäß werden die zwischen der Sammellinse und dem optischem Fenster und zwischen Quarzglasscheibe und druckfester Durchführung vorhandenen druckfreie Räume als wesentliches sicherheitstechnisches Element ständig überwacht.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist die Einleitung von Spülgas in den Zwischenraum zwischen Tubus und Hüllrohr. Durch diese Maßnahme und die spezielle Gestaltung der Mündung in Form einer Düse werden die optischen Einbauten gekühlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschützt.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß die gefundene technische Lösung ein Anfahren von zum Beispiel Reaktoren unter Druck ermöglicht, was entscheidenden Einfluß auf die Ökonomie des Verfahrens hat und die Sicherheit der Zündung sowie der Signalübertragung und -auswertung wesentlich erhöht.

Weitere Vorteile sind, daß sich in der Reaktorzone keine Ver­ schleißteile befinden, daß keine aufwendigen elektrischen Druckdurchführungen vorhanden sind, daß es möglich ist, den Zündzeitpunkt exakt zu bestimmen und daß die Zündenergie dosierbar auf die Zündmedien abgestimmt werden kann. Die Zünd- und Überwachungseinrichtung muß nicht integraler Bestandteil des Brenners sein, sondern sie kann auch an einem anderen, für die Zündung günstigen Ort, angeordnet werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 schematische Darstellung der Zünd- und Überwachungs­ einrichtung,

Fig. 2 Überwachungselement mit Lichtwellenleiter,

Fig. 3 Überwachungselement ohne Lichtwellenleiter,

Fig. 4 in Brenner eingesetzte Zündeinrichtung.

Im Ausführungsbeispiel ist die Zünd- und Überwachungsein­ richtung an zentraler Stelle in einen Brenner 17 eingesetzt.

Eingangsseitig befindet sich axial an einem 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 Hüllrohr 3 befinden sich Überwachungselemente 6. Diese bestehen aus einer mündungsseitig angeordneten Quarzglasscheibe 7, Lichtwellenleitern 14, ausgangsseitig plaziertem opto-elektronischen Wandler 15, druckfesten Durchführungen 9 und elektrischen Anschlüssen 16.

Nach der Erfindung ist es ebenfalls möglich, den opto- elektronischen Wandler 15 mündungsseitig hinter der Quarzglasscheibe 7 anzuordnen. Ein zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befindlicher Zwischenraum 18 ist mit einem Spülgasanschluß 8 zur Zuführung von Spülgas versehen. Das reaktionsraumseitige Ende des Hüllrohres 3 ist als Düse 19 mit Mündung 10 so gestaltet, daß eine Verschmutzung der Sammellinse 4 ausgeschlossen ist und der Strahlengang nicht behindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden.

Der Laserstrahl wird in dem axial am Tubus 2 justierbar montierten Laser 1 erzeugt und über das optische Fenster 5 in den Tubus 2 eingekoppelt. Die Sammellinse 4 fokussiert den Laserimpuls an einen für die Zündung günstigen Punkt im Reaktionsraum 13. Über einen sich zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befindlichem Zwischenraum 18 wird ein trockenes, staub-öl- und fettfreies Spülgas eingebracht, welches, bedingt durch die Form der Düse 19 mit Mündung 10, die Sammellinse 4 umspült und von Verschmutzungen freihält.

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

Druckfreie Räume 11 im Tubus 2 und in den Überwachungselementen 6 werden von Kontrolleinrichtungen 12 auf ständige Funktionssicherheit überwacht.

Claims (5)

1. Kombinierte Zünd- und Überwachungseinrichtung für Brenner, vorzugsweise für Brenner zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen innerhalb eines unter Druck stehenden Reaktionsraumes mit einem nach dem Reaktionsraum zu öffnendem Hüllrohr, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hüllrohres (3) ein Tubus (2) angeordnet ist, an dessen oberen Ende über ein druckfestes optisches Fenster (5) außerhalb des Reaktionsraumes (13) ein Laser (1) justierbar angeordnet ist, daß am reaktionsraumseitigen Ende des Tubus (2) eine Sammellinse (4) plaziert ist, daß um den Tubus (2) im Hüllrohr (3) Überwachungselemente (6) installiert sind, daß das reaktionsraumseitige Ende des Hüllrohres (3) die Form einer Düse (19) besitzt und der Zwischenraum (18) zwischen Hüllrohr (3) und den Einbauten, Tubus (2) und Überwachungselemente (6), mit einem Spülgasanschluß (8) verbunden ist.

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

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Überwachungselementen (6) der opto-elektronische Wandler (15) über einen an sich bekannten Lichtwellenleiter (14) mit der Quarzglasscheibe (7) verbunden ist.

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

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckfreien Räume (11) im Tubus (2) und in den Überwachungselementen (6) mit Kontrolleinrichtungen (12) verbunden sind.