DE3736442A1

DE3736442A1 - Einrichtung zur kombinierten zuendung und ueberwachung von brennern

Info

Publication number: DE3736442A1
Application number: DE19873736442
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: CS699787A1; ATA251687A; AU8093587A; DD261289A3; CS269800B1; JPS63135717A

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 Synthesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung fluessiger und gasfoermiger Kohlenwasserstoffe.

Charakteristik der bekannten technischen Loesungen

In der DE 29 24 910 wird eine lasergezuendete Zuendkerze vorgestellt, bei der der Laserstrahl nach dessen Erzeugung in einem gepulsten 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 laserstrahlfuehrenden Bauelemente fuehren wuerde. Der Einsatz von Lichtleitern und Quarzglasstab zur Strahlfuehrung wirkt darueber hinaus leistungsmindernd, 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.

Beide Patente sind nicht druckfest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahls in den Brennraum eine fuer die Brennerzuendung ungeeignete konstruktive Loesung auf, da die Eintrittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen wuerde. Die Gefahr der Verschmutzung der optischen Bauteile tritt besonders bei den extremen Bedingungen beim Einsatz von Brennern in Staubdruckvergasungsgeneratoren auf. Durch die Flammenreaktion werden schmelzfluessige Asche- und Schlackepartikel umhergewirbelt, die zu Anbackungen und festen Krusten an Reaktoreinbauten fuehren koennen. In einem solchen Fall ist die Sicherheit bei wiederholt notwendigen Zuendversuchen nicht gegeben.

Allgemein bekannt ist die Hochspannungszuendung fuer das Zuenden von Brennern unter Verwendung von Zuendelektroden, welche zu meist in gesonderten Zuendbrennern oder Zuendlanzen eingebaut sind. Mit F 23 D/2812863 liegt eine Brennerzuendung vor, die zwar ebenfalls nach dem Prinzip der Hochspannungszuendung arbeitet, aber im Brenner integriert ist. Doch sowohl diese als auch alle anderen bekannten Hochspannungszuendungen eignen sich nur fuer das Zuenden von Brennern fuer Behaelter, welche sich im Moment des Zuendens im drucklosen Zustand befinden bzw. in denen ein nur geringer Ueberdruck herrscht.

Begruendet ist dies darin, dass nur eine relativ geringe Menge des zuendfaehigen Gas-Luft-Gemisches gezuendet werden kann. Eine Erhoehung der Mediengeschwindigkeit bzw. 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.

Alle bekannten Systeme der Brennerzuendung sind im uebrigen nicht geeignet, gleichzeitig eine Ueberwachungsfunktion mit zu realisieren.

Ziel der Erfindung

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

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe mittels einer Einrichtung 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 eine Einrichtung eingesetzt ist, die hauptsaechlich aus einem Tubus mit druckfestem optischen Fenster, Sammellinsen, einer dielektrisch beschichteten Platte, einem opto-elektronischen Wandler und einem Laser besteht.

Nach der Erfindung besitzt der Tubus an seinem reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse, zwischen der und einem nachfolgendem optischen Fenster ein druckloser Raum angeordnet ist, der als wesentliches sicherheitstechnisches Element mit einer Kontrolleinrichtung verbunden ist. Nach dem optischen Fenster, das sich im Tubus ausserhalb des Reaktionsraumes befindet, sind nacheinander eine winklig ausgerichtete dielektrisch beschichtete Platte, eine Sammellinse, ein Filter und ein opto-elektronischer Wandler angeordnet. In Hoehe der dielektrisch beschichteten Platte ist seitlich am Tubus ein Laser angeordnet. Die Lage der Platte ist so festgelegt, dass der Laserstrahl genau in Richtung der Achse des Tubus umgelenkt wird.

Erfindungsgemaess ist um den Tubus ein Huellrohr angeordnet, das mit dem Tubus einen ringfoermigen Zwischenraum bildet. In Hoehe des reaktionsraumseitigen Endes des Tubus ist das Huellrohr als Duese ausgebildet, wobei die Minderung der Duese so gross gewaehlt ist, dass der Strahlengang nicht behindert wird.

Durch die Einleitung von Spuelgas in den Zwischenraum zwischen zentralem Tubus und Huellrohr werden die optischen Einbauten gekuehlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschuetzt. Zur Verminderung der Uebertragungsverluste ist die Innenwand des Tubus verspiegelt, mindestens jedoch poliert ausgefuehrt.

Nach der Erfindung wird ein Laserimpuls ueber die dielektrisch beschichtete Platte und das optische Fenster in den Tubus eingekoppelt und von der Sammellinse in den Reaktionsraum fokussiert. Der im Brennpunkt erzeugte Lichtblitz zuendet das aus dem Brenner ausstroemende Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch. Zur Ueberwachung ders Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht ueber das gleiche, den Laserstrahl leitende optische System einer selektiven Auswerteeinheit zugefuehrt, wobei die dielektrisch beschichtete Platte im Wellenlaengenbereich des optischen Flammensignales eine hohe Transmission aufweist.

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 Verschleissteile 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 Beispiel naeher erlaeutert werden. Die zugehoerige Zeichnung zeigt die schematische Anordnung der wichtigsten Bauteile.

Erfindungsgemaess ist ein Tubus 4 an zentraler Stelle im Brenner angeordnet, ueber den sowohl die Zuend- als auch Ueberwachungsfunktion realisiert werden. Ausserhalb des Reaktionsraumes ist aussen am Tubus 4 ein in drei Achsen justierbarer Laser 1 montiert. Im Tubus 4 ist das optische System plaziert, bestehend aus Sammellinse 7, dielektrisch beschichteter Platte 3, optischem Fenster 2, Sammellinse 6, Filter 8 und opto-elektronischem Wandler 9.

Der zwischen Tubus 4 und Huellrohr 11 existente Zwischenraum 15 dient der Zufuehrung des Spuelgases 10. Die Muendung 4 ist in Form einer Duese 16 so gestaltet, dass eine Verschmutzung der Sammellinse 6 verhindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend naeher erlaeutert werden.

Der Laserstrahl wird in dem seitlich am Tubus 4 justierbar angeordneten Laser 1 erzeugt und ueber eine sich im Winkel von 45° befindlichen dielektrisch beschichteten Platte 3 und ein optisches Fenster 2 in den Tubus eingekoppelt. Die Sammellinse 6 fokussiert den Laserimpuls an einen fuer die Zuendung guenstigen Punkt im Reaktionsraum. Ueber einen sich zwischen Tubus 4 und Huellrohr 11 befindlichen Zwischenraum 15 wird ein trockenes, staub-, oel- und fettfreies Spuelgas 10 eingebracht, welches, bedingt durch die Gestaltung des Huellrohrendes in Form einer Duese 16 mit Muendung 14, die Sammellinse 6 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.

Das optische System dient zugleich der Ueberwachung des Brenners. Das von der Brennerflamme emittierte Licht wird ueber die Sammellinse 6, den innen verspiegelten oder polierten Tubus 4, das optische Fenster 2, die dielektrisch beschichtete Platte 3, eine Sammellinse 7 und ein Filter 8 einem opto-elektronischem Wandler 9 zugeleitet, der mit einer dezentral angeordneten selektiven Auswerteeinheit gekoppelt ist. Die dieelektrisch beschichtete Platte 3 ist so ausgelegt, dass der Laserimpuls nahezu verlustfrei reflektiert wird, fuer die Lichtsignale der Brennerflamme aber eine hohe optische Transmission aufweist.

Der drucklose Raum 12, begrenzt von der druckfesten Sammellinse 6 und dem optischen Fenster 2, wird von einer Kontrolleinrichtung 13 auf staendige Funktionssicherheit ueberwacht.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Laser
2 optisches Fenster
3 dielektrisch beschichtete Platte
4 Tubus
5 verspiegelte bzw. polierte Innenwand
6 Sammellinse
7 Sammellinse
8 Filter
9 opto-elektronischer Wandler
10 Spülgasanschluß
11 Hüllrohr
12 druckloser Raum
13 Kontrolleinrichtung
14 Mündung
15 Zwischenraum
16 Düse

Claims

1. Einrichtung zur kombinierten Zuendung und Ueberwachung von Brennern fuer fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe, vorzugsweise zur Vergasung von staubfoermigen Brennstoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus einem im Zentrum eines Huellrohres (13) angeordneten Tubus (4) besteht, in dem am unteren, reaktionsraumseitigen Ende ei ne Sammellinse (6) und ausserhalb des Reaktionsraumes im Tu bus (4) ein druckfestes optisches Fenster (2) und nachfolgend eine winklig angeordnete dielektrisch verspiegelte Platte (3), eine Sammellinse (7), ein optisches Filter (8) sowie ein opto-elektronischer Wandler (9) eingebaut sind, dass der Laser (1) gegenueber der dielektrisch verspiegelten Platte (3) ausserhalb am Tubus (4) justierbar angeordnet ist, dass im Tubus (4) zwischen dem optischen Fenster (2) und der Sam mellinse (6) ein druckloser Raum (12) existiert, der mit einer Kontrolleinrichtung (13) verbunden ist und dass der Tu bus (4) von einem Huellrohr (11) umschlossen und dessen reak tionsraumseitiges Ende als Duese (16) ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tubus (4) eine verspiegelte, mindestens aber polierte Innen wand (5) besitzt.

3. Einrichtung nach den Anspruechen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tubus (4) und dem Huellrohr (13) ein Zwischenraum (15) fuer die Spuelgaszufuehrung vorhanden ist.

4. Einrichtung nach den Anspruechen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrisch beschichtete Platte (3) in einem Winkel angeordnet ist, dass der Strahlengang des La sers (1) in Richtung der Achse des Tubus (4) liegt.