DE4041061A1 - Aluminium titanate ceramic burner plater for flat gas burner - has good resistance to corrosion and thermal shock and low thermal conductivity - Google Patents
Aluminium titanate ceramic burner plater for flat gas burner - has good resistance to corrosion and thermal shock and low thermal conductivityInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennerplatte für einen Flächenbrenner mit über der Fläche verteilten Durchlaßöffnungen für das Brenngas und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a burner plate for a Surface burner with through openings distributed over the surface for the fuel gas and a process for its production.
Es ist bereits ein Gasflächenbrenner mit einem metallischen topfförmigen Brennergehäuse bekannt (europäische Patentanmel dung 8 81 04 068.7). Am Boden des Gehäuses ist eine Zuleitung für das Brenngas-Luftgemisch angeschlossen. Auf der der Zu leitung für das Brenngas-Luftgemisch gegenüberliegenden Seite ist eine gleichmäßig mit feinen Durchlaßöffnungen durchsetzte metallische Brennerplatte eingebaut. Durch diese Brennerplatte wird das in das Brennergehäuse einströmende Brenngas-Luftgemisch über die Fläche der Brennerplatte gleichmäßig verteilt. Nach Durchtritt durch die Brennerplatte brennt es in einer Vielzahl von gleichmäßig über die Fläche der Brennerplatte verteilten und sich zu einer Flammenfront vereinigenden Flammen ab. Solche Gasflächenbrenner zeichnen sich dadurch aus, daß ein sehr gleichmäßiges Flammenbild erzeugt wird und auch die Verteilung von Brenngas und Luft über die Fläche der Brennerplatte hinweg extrem gleichmäßig ist. Hierdurch wird es möglich, die Flamm temperatur weiter abzusenken als es sonst möglich wäre. Mit solchen Flächenbrennern lassen sich Betriebstemperaturen unter 900°C einstellen. Auf diese Weise läßt sich die Erzeugung von Stickoxiden minimieren. Es ist jedoch eine Eigenart der bisher verwendeten metallischen Brennerplatten, daß sie einem Ver schleiß unterliegen. Dabei ist es offen, welche Rolle die im Verbrennungsgas enthaltenen Schadstoffe, insbesondere Halogen- Kohlenwasserstoffe, und welche Rolle Thermospannungen dabei spielen.It is already a gas burner with a metallic one Pot-shaped burner housing known (European patent application 8 81 04 068.7). There is a supply line at the bottom of the housing connected for the fuel gas-air mixture. On the the zu Line for the fuel gas-air mixture opposite side is an evenly interspersed with fine openings metallic burner plate installed. Through this burner plate becomes the fuel gas-air mixture flowing into the burner housing evenly distributed over the surface of the burner plate. To Passing through the burner plate burns in a variety of evenly distributed over the surface of the burner plate and flames unite to form a flame front. Such Gas surface burners are characterized by the fact that a very uniform flame pattern is generated and also the distribution of fuel gas and air across the surface of the burner plate is extremely even. This will make the flame possible lower the temperature further than would otherwise be possible. With Such surface burners can be operated at operating temperatures Set at 900 ° C. In this way, the generation of Minimize nitrogen oxides. However, it is a peculiarity of the so far used metallic burner plates that they a Ver subject to wear. It is open what role the Combustion gas containing pollutants, especially halogen Hydrocarbons, and what role thermal stresses play in this play.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Standzeiten der Brennerplatten für Flächenbrenner zu erhöhen. Darüber hin aus sollten die Brennerplatten es ermöglichen, die untere Grenze für die Flammtemperatur noch weiter abzusenken.The invention is therefore based on the object, the service life to increase the burner plates for surface burners. Beyond that from the burner plates should allow the lower limit for lowering the flame temperature even further.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is solved by the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are the See subclaims.
Mit einer Al2TiO5-Keramik ist ein Werkstoff für die Brenner platte gefunden worden, der sich an die dort herrschenden Be triebsbedingungen besonders gut anpassen läßt.With an Al 2 TiO 5 ceramic, a material for the burner plate has been found which can be adapted particularly well to the operating conditions prevailing there.
Die durch höhere Temperaturen auslösbare Umwandlung der Al2TiO5- Keramik läßt sich in besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch einen oder mehreren der Zusätze SiO2, ZiO2, MgO, Fe2O3, Na2O und CaO behindern und bei den in Frage kommen den Betriebstemperaturen sogar ganz unterbinden. Dabei blockie ren die durch diese Zusätze ausgelösten Gitterfehlstellen diese Veränderungen im Kristallgefüge.The conversion of the Al 2 TiO 5 ceramic, which can be triggered by higher temperatures, can be impeded in a particularly advantageous development of the invention by one or more of the additives SiO 2 , ZiO 2 , MgO, Fe 2 O 3 , Na 2 O and CaO and in the Question even come to completely stop the operating temperatures. The lattice defects caused by these additives block these changes in the crystal structure.
In besonders zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung läßt sich bei diesem Material der Wärmeausdehnungskoeffizient auch noch im Bereich von 0 ± 1×10-6 Kelvin einstellen. Des hat zur Fol ge, daß bei Temperaturänderungen keine oder nur minimale Wärme spannungen erzeugt werden, wodurch eine sehr hohe Temperatur wechselbeständigkeit erreichbar ist. Plötzliche Temperaturände rungen können so keine mechanischen Spannungen im Gefüge mehr auslösen und daher auch keine feinen Mikrorisse im Gefüge bil den, die zum Bruch der Brennerplatte führen können. In a particularly expedient development of the invention, the coefficient of thermal expansion can also be set in the range of 0 ± 1 × 10 -6 Kelvin for this material. This has the consequence that no or only minimal thermal stresses are generated in the event of temperature changes, as a result of which a very high thermal shock resistance can be achieved. Sudden changes in temperature can no longer trigger mechanical stresses in the structure and therefore no fine microcracks in the structure which can lead to the burner plate breaking.
Bei der Herstellung der Brennerplatte hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das vorgemischte Al2O3- und TiO2 haltige Material in einer entsprechenden Form eingebracht, verdichtet und gesintert wird. Hierdurch wird eine Minimierung der Arbeitsschritte möglich, weil durch das Vorpressen in der Form gleichzeitig eine Verdichtung und endgültige Formgebung möglich wird.In the production of the burner plate, it has proven to be particularly advantageous if the premixed material containing Al 2 O 3 and TiO 2 is introduced, compressed and sintered in an appropriate form. This makes it possible to minimize the work steps, because the pre-pressing in the mold simultaneously enables compression and final shaping.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ein Ausgangsmaterial verwendet werden, das 50 bis 55 Gew.-% Al2O3, 30 bis 35 Gew.-% TiO2, 5 bis 10 Gew.-% SiO2, 1 bis 5 Gew.-% ZrO2, 0,5 bis 5 Gew.-% MgO, 0 bis 1 Gew.-% Fe2O3, 0 bis 1 Gew.-% Na2O und 0 bis 0,2 Gew.-% CaO enthält. Hierdurch wird sowohl eine thermisch stabile Keramik als auch eine Einstellbarkeit des Temperaturausdehnungskoeffizienten erreicht.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a starting material can be used which contains 50 to 55% by weight of Al 2 O 3 , 30 to 35% by weight of TiO 2 , 5 to 10% by weight of SiO 2 , 1 to 5% by weight. -% ZrO 2 , 0.5 to 5 wt .-% MgO, 0 to 1 wt .-% Fe 2 O 3 , 0 to 1 wt .-% Na 2 O and 0 to 0.2 wt .-% CaO contains . This achieves both a thermally stable ceramic and an adjustability of the coefficient of thermal expansion.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient läßt sich im Bereich von 0 ± 1×10-6 Kelvin einstellen, wenn in Weiterbildung der Er findung das verdichtete, geformte Material 2 bis 3 Stunden lang bei einer Temperatur von 1450 bis 1550°C gesintert wird. Hier durch wird erreicht, daß der Anteil an Al2TiO5, der sich beim Sintern bildet, einen Wert erreicht, der in Verbindung mit den übrigen Bestandteilen der Keramik den gewünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bewirkt.The coefficient of thermal expansion can be set in the range of 0 ± 1 × 10 -6 Kelvin if, in a further development of the invention, the compressed, shaped material is sintered at a temperature of 1450 to 1550 ° C. for 2 to 3 hours. This ensures that the proportion of Al 2 TiO 5 which forms during sintering reaches a value which, in conjunction with the other constituents of the ceramic, brings about the desired coefficient of thermal expansion.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:Further details of the invention are based on two in the figures illustrated embodiments explained. It demonstrate:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Flächenbrenner mit einer eingesetzten erfindungsgemäßen Brennerplatte, Fig. 1 shows a cross section through a surface burner with a burner plate used according to the invention,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Brennerplatte der Fig. 1, Fig. 2 is a plan view of the burner plate of Figs. 1,
Fig. 3 eine Aufsicht auf eine andere, rechteckige Brenner platte, Figure 3 is a top plate. To another rectangular burner,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines zylindrischen Gas durchgangsloches für die Brennerplatte und Fig. 4 is an enlarged view of a cylindrical gas through hole for the burner plate and
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines konischen Gasdurch gangsloches für die Brennerplatte der Fig. 3. Fig. 5 is a schematic representation of a conical gas through hole for the burner plate of FIG. 3.
In der Fig. 1 erkennt man einen Gasflächen-Brenner 1 im Schnitt bestehend aus dem Brennergehäuse 2 mit einem angeform ten Gasanschlußstutzen 4, einer im inneren Randbereich des topfförmigen Brennergehäuses 2 eingeschweißten ringförmigen Auflagekante 6 für eine Brennerplatte 8 und einen die Brenner platte gegen Herausfallen sichernden Überwurfring 10. Der Über wurfring ist am Gehäuserand in hier nicht weiter dargestellter Weise verschraubt. Wie die Aufsicht auf die Bennerplatte 8 in der Fig. 2 zeigt, hat die Brennerplatte einen kreisscheiben förmigen Grundriß und ist über ihre gesamte Fläche gleichmäßig mit Gasauslaßbohrungen 12 versehen. In der Fig. 4 ist eine solche Gasauslaßbohrung 12 vergrößert aufgeschnitten darge stellt. Man erkennt in ihr, daß diese Bohrung einen zylindri schen Querschnitt hat. Dabei kann ihr Durchmesser im Bereich von 1 bis 4, vorzugsweise von 1,5 bis 2,5 mm, liegen.In Fig. 1 you can see a gas surface burner 1 in section consisting of the burner housing 2 with a molded th gas connection piece 4 , a welded in the inner edge region of the pot-shaped burner housing 2 annular support edge 6 for a burner plate 8 and a burner plate to prevent falling out Throwing ring 10 . The over ring is screwed to the housing edge in a manner not shown here. As the top view of the Benner plate 8 in FIG. 2 shows, the burner plate has a circular disk-shaped outline and is evenly provided with gas outlet bores 12 over its entire surface. In Fig. 4, such a gas outlet bore 12 is cut open Darge provides. You can see in it that this bore has a cylindrical cross-section. Their diameter can range from 1 to 4, preferably from 1.5 to 2.5 mm.
Beim Betrieb des Gasflächenbrenners 1 strömt Brenngas, vor zugsweise ein Brenngas-Luftgemisch 14, durch den Gasanschluß stutzen 4 in das Brennergehäuse 2 unterhalb der Brennerplatte 8 ein und strömt aus dem Brennergehäuse gleichmäßig durch die verschiedenen Gasauslaßbohrungen 12 in der Brennerplatte 8 hindurch, um nach dem Durchtritt durch die Brennerplatte 8 in der Hitze der sich dort ausbildenden Flammenfront (nicht dar gestellt) zu verbrennen. Dabei bildet sich über der Brenner platte 8 durch das Ineinanderfließen der aus den einzelnen Gasauslaßbohrungen 12 auströmenden Brenngas-Luftgemische eine gleichmäßige, flächige Flammenfront aus. Diese Flammenfront hat eine geringe Tiefe senkrecht zur Ebene der Brennerplatte, was dazu führt, daß die Gasströmung durch die Flamme vom Weg her und von der Zeit her relativ kurz ist. Das führt dazu, daß die Flammtemperatur relativ kleingehalten werden kann, was wiederum eine verringerte Bildung von Stickoxiden zur Folge hat. Infolge der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit der Al2TiO5-Keramik ist der Temperaturgradient durch die Wand der Brennerplatte hin durch relativ groß, so daß die Brennerplatte auf der der Flam me abgewandten Seite relativ kühl bleibt und das zuströmende Brenngas bei weitem nicht so stark aufgeheizt wird wie dies bei metallischen Brennerplatten sonst der Fall wäre. Dadurch strömt das Brenngas mit einer geringeren Temperatur in die Flamme ein, was zu einer weiteren Absenkung der Flammtemperatur und damit verbunden auch zu einer weiteren Verringerung der NOx-Emission führt.During operation of the gas surface burner 1 , fuel gas flows, preferably before a fuel gas-air mixture 14 , through the gas connection 4 in the burner housing 2 below the burner plate 8 and flows out of the burner housing evenly through the various gas outlet bores 12 in the burner plate 8 to the after Pass through the burner plate 8 in the heat of the flame front forming there (not shown) to burn. This forms over the burner plate 8 by the confluence of the fuel gas-air mixtures flowing out of the individual gas outlet bores 12 from a uniform, flat flame front. This flame front has a shallow depth perpendicular to the plane of the burner plate, which means that the gas flow through the flame is relatively short from the path and the time. This means that the flame temperature can be kept relatively low, which in turn leads to a reduced formation of nitrogen oxides. As a result of the relatively low thermal conductivity of the Al 2 TiO 5 ceramic, the temperature gradient through the wall of the burner plate is relatively large, so that the burner plate remains relatively cool on the side facing away from the flame and the inflowing fuel gas is by no means heated up as much as would otherwise be the case with metallic burner plates. As a result, the fuel gas flows into the flame at a lower temperature, which leads to a further reduction in the flame temperature and, as a result, also a further reduction in the NO x emission.
Ein Zurückschlagen der Flamme durch die Gasauslaßöffnungen 12 in der Brennerplatte hindurch und in das Brennergehäuse 2 hinein wird durch das Unterschreiten der Zündtemperatur des Brenngas- Luftgemisches in den dünnen Bohrungen der Keramikplatte verhin dert. Hier spielt es eine wesentliche Rolle, daß die Keramik platte eine geringe Leitfähigkeit hat und daher auf der der Flammenfront abgewandten Seite verhältnismäßig kühl bleibt.A flashback of the flame through the gas outlet openings 12 in the burner plate and into the burner housing 2 is prevented by falling below the ignition temperature of the fuel gas / air mixture in the thin holes in the ceramic plate. Here it plays an important role that the ceramic plate has a low conductivity and therefore remains relatively cool on the side facing away from the flame front.
Die Fig. 3 zeigt eine Brennerplatte 16 für einen rechteckigen Flächenbrenner. Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine der Gasdurchlaßöffnungen 8 der Brennerplatte 16. Man erkennt hier, daß die Gasdurchlaßöffnungen sich zur Flammenseite hin konisch verjüngen. Dies verringert den durchschnittlichen Strö mungswiderstand durch diese Gaszuführungsbohrungen 18 bei ge gebenem Auslaßquerschnitt, so daß bei einem vorgegebenen Strö mungswiderstand durch die Brennerplatte und einem gegebenen Austrittsquerschnitt stärkere Brennerplatten verwendbar sind. Das führt zu einer weiteren Verminderung der Oberflächentempe ratur der Brennerplatte auf der der Flammenseite abgewandten Seite. Fig. 3 shows a burner plate 16, for a rectangular surface burner. Fig. 6 shows a cross section through one of the gas flow orifices 8 of the burner plate 16. It can be seen here that the gas passage openings taper conically towards the flame side. This reduces the average flow resistance through these gas supply holes 18 at a given outlet cross section, so that stronger burner plates can be used for a given flow resistance through the burner plate and a given outlet cross section. This leads to a further reduction in the surface temperature of the burner plate on the side facing away from the flame side.
Claims (13)
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