DE4417645A1

DE4417645A1 - Faserbrenner

Info

Publication number: DE4417645A1
Application number: DE4417645A
Authority: DE
Inventors: Martin G Carswell; Robert M Kendall; John D Sullivan
Original assignee: Alzeta Corp
Current assignee: Alzeta Corp
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1994-12-08
Also published as: EP0701673A4; WO1994029646A1; US5326631A; DE69425968D1; EP0701673A1; EP0701673B1; DE69425968T2

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft Brenner aus porösem Fasermaterial, die mit Metallfasern ohne Sintern herge stellt werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die Kombination von Keramikfasern mit Metallfasern, wobei das Fasergemisch unter Anwendung der Technik und von solchen Bindemitteln gebunden wird, die zur Herstellung von Ke ramikfaserbrennern zum Einsatz kommen. Die neuartigen Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung haben eine ver besserte Strahlungsleistung und geringere Emission von Stickstoffoxiden (NO_x).

Zwei Arten von Faserbrennern wurden entwickelt und sind im Handel erhältlich. Metallfaserbrenner aus gesinterten Metallfasern werden in US-Patent Nr. 4.597.734 (McCausland et al.) und EP-Patentanmeldung Nr. 0 390 255, beschrieben. Keramikfaserbrenner werden in vielen Patenten, einschließlich der US-Patente Nr. 3.179.156 (Weiss et al.), 3.383.159 (Smith) und 4.746.287 (Lannutti) offenbart.

Metallfaserbrenner sind teurer als Keramikfaserbrenner, was ihre Verwendung einschränkt. Außerdem offenbart die obengenannte europäische Patentanmeldung, daß große Tem peraturschwankungen zur Bildung von Rissen oder Kratern in der Verbrennungsoberfläche von Metallfaserbrennern führen können.

Der grundlegende Keramikfaserbrenner, der von Weiss et al. entwickelt wurde, war verbesserungsbedürftig, und Pa tente von Smith und Lannutti stellten Additive bereit, mit denen eine deutliche Verbesserung erzielt wurde. Der Metallfaserbrenner hat jedoch einen besseren Emissions grad als der Brenner von Weiss et al., und ist sogar bes ser als die von Smith oder Lannutti verbesserten Brenner.

Demzufolge ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Faserbrenner bereitzustellen, der die Kosten eines Metallfaserbrenners senkt und gleichzeitig seine Neigung zu Riß- und Kraterbildung wesentlich herabsetzt. Hierbei sollen die zur Herstellung von Keramikfaserbrennern hoch entwickelten Technologien und die hierfür vorhandenen An lagen genutzt werden

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden Metall- und Keramikfasern in Was ser suspendiert, das sowohl gelöste als auch suspendierte Mittel enthält, die üblicherweise bei der Herstellung von Keramikfaserbrennern verwendet werden. Diese Mittel umfassen Binde- oder Klebemittel, z. B. eine Dispersion kolloidaler Tonerde, und einen porenbildenden, entfern baren Füllstoff, z. B. feinteiliges Methylmethacrylat. Häufig wird der Suspension ein Metallpulver, wie das von Smith oder Lannutti offenbarte, zugesetzt.

Es wird die wäßrige Suspension aus dem Metall- und Kera mikfasergemisch mit mindestens einem Bindemittel und ei nem Porenbildner eingesetzt, um den Brenner durch Vakuum formen auf einer perforierten Metallfolie herzustellen. Das Verfahren des Vakuumformens bzw. Vakuumformpressung ist im Stand der Technik ausführlich beschrieben worden und bedarf somit hier keiner weiteren Erklärung. Das gleiche gilt auch für die anschließenden Schritte der Trocknung der nassen Faserschicht auf der perforierten Unterlage und der Entfernung des porenbildenden Füll stoffs, die üblicherweise durch eine Hochtemperaturbe handlung zur Verdampfung und Verbrennung des Füllstoffs, z. B. Methylmethacrylat, erreicht wird. Ein Füllstoff wie z. B. Kampfer kann durch Auflösen in einem organischen Lösemittel entfernt werden. Die so erhaltene, poröse Faserschicht auf dem porösen Träger ist als Brenner ver wendungsbereit.

Die für den neuartigen Brenner ausgewählten Metallfasern bestehen aus einem Metall, das gegen die in der Praxis auftretenden hohen Temperaturen und gegen Oxidation beständig ist. Wohl kann die ausgewählte Metallfaser an der Oberfläche oxidieren, muß aber gegen zunehmende Oxidation beständig sein, die zu Zersetzung oder Pulverisierung der Faser führen würde.

Legierungen auf Eisen- und Nickelbasis sind als Fasern für den erfindungsgemäßen Brenner gut geeignet. Von Vorteil sind häufig Eisen-Aluminium-Legierungen. Nickel- Chrom-Legierungen sind eine weitere Art, die für Fasern mit der erwünschten Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Oxidation geeignet sind. Bevorzugte Eisen-Aluminium- Legierungen enthalten 4 bis 10 Gew.-% Aluminium, 16 bis 24 Gew.-% Chrom, 0 bis 26 Gew.-% Nickel und oft Bruch teile Yttrium und Silizium. Bevorzugte Nickel-Chrom-Le gierungen enthalten 15 bis 30 Gew.-% Chrom, 0 bis 5 Gew.- % Aluminium, 0 bis 8 Gew.-% Eisen und oft Bruchteile Yttrium und Silizium. Chromhaltige Legierungen werden be vorzugt.

Der Durchmesser der Metallfaser liegt unter ca. 50 µm, üblicherweise im Bereich von ca. 8 bis 25 µm, während die Faserlänge ca. 0,1 bis 3 mm beträgt. Die Metallfasern können gerade oder gekräuselt sein.

Die am meisten verwendete Keramikfaser besteht aus Ton erde und Kieselerde und ist im Handel unter dem Handels namen Fiberfrax® erhältlich. Eine andere Keramikfaser aus Tonerde ist unter dem Handelsnamen Saffil® erhältlich und für Temperaturen von über 2300°F (1260°C) geeignet, dem Temperaturmaximum für Fiberfrax-Fasern.

Die Dosierung von Metall- und Keramikfasern liegt norma lerweise bei 0,2 bis 2 Gewichtsteilen Keramikfaser pro Gewichtsteil Metallfaser. Da die Dichte von Metallfasern mehr als doppelt so hoch wie die Dichte von Keramikfasern ist, variiert der Anteil der Keramikfaser am Gesamtvolu men der Fasermischung etwa von 30 bis 85% für den oben genannten Bereich der Gewichtsverhältnisse. Metallfasern sind erheblich teurer als Keramikfasern, besonders als solche wie die Fiberfrax-Faser. Daher liegt für die mei sten Verwendungen des neuartigen Brenners das Gewichts verhältnis von Keramikfaser zu Metallfaser über 1 und kann bis zu 2 betragen, um die Brennerkosten niedrig zu halten.

Wie bei Brennern aus Keramikfasern weist der Brenner aus gemischten Fasern eine ca. 0,25 bis 0,50 Zoll (6,35 bis 12,70 mm) dicke Faserschicht auf, die auf einem perfo rierten Träger liegt und haftet, z. B. einem Metallsieb oder einer perforierten Metallfolie. Der Träger kann flach, nach innen oder außen gewölbt oder röhrenförmig sein.

Die Vorzüge des ungesinterten Brenners aus Metallfasern, außer den niedrigeren Kosten als für einen gesinterten Metallfaserbrenner, sind am besten aus den erläuternden Beispielen der Erfindung ersichtlich.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Pro Gallone (3,785 l) der von Lannutti beschriebenen, wäßrigen Bindemittelsuspension (Spalte 4, Zeilen 16 bis 21) werden folgende Stoffe zugegeben:

Fiberfrax-Faser\|10 g
Aluminiumpulver	40 g
Methylmethacrylat	86 g

Der nach dieser Rezeptur hergestellte Brenner erhielt die Bezeichnung: Keramikfaserbrenner "Standard A".

In der obengenannten Rezeptur werden pro Gallone (3,785 l) 8,9 g Metallfaser zugegeben. Die Metallfaser ist eine Eisen-Aluminium-Legierung mit 5,5 Gew.-% Alumi nium, 22 Gew.-% Chrom und weniger als 0,5 Gew.-% Yttrium und Silizium. Der nach dieser modifizierten Rezeptur her gestellte Brenner erhielt die Bezeichnung: Metall- /Keramikfaserbrenner "A neu".

Beide Brenner wurden mit einer Feuerung aus einem Luft-/ Heizgas-Vorgemisch bei 15% Luftüberschuß und einem Durchsatz von 1000 BTU/Std./Fuß² (ca. 1 056 000 Joules/ Std./0,09 m²) getestet. Das Luft-/Heizgas-Vorgemisch wurde auf ca. 475°F (ca. 246°C) vorgewärmt. Die Brenner waren von Wänden umgeben, die eine Temperatur von ca. 1300°F (ca. 704°C) aufwiesen.

Anfangs waren die NO_x-Emissionen beider Brenner praktisch gleich (ppm bei 3% Sauerstoffgehalt):

Brenner "Standard A"
13,5
Brenner "A neu"	13,1

Nach 2000 Betriebsstunden betrugen die Emissionen:

Brenner "Standard A"
18,7
Brenner "A neu"	16,6

Bei längerem Einsatz der Brenner wurde deutlich, daß der Brenner "Standard A" die NO_x-Emissionen nicht mehr so niedrig wie der Brenner "A neu" halten konnte.

Auch die Strahlungsleistung beider Brenner wurde geprüft.

Nach 2000 Betriebsstunden war die Strahlungsleistung des Brenners "A neu" besser als die des Brenners "Standard A". Außerdem zeigte der Brenner "Standard A" nach länge rer Betriebszeit bei visueller Prüfung einen größeren Ab bau als der Benner "A neu".

Die oben beschriebenen, vergleichenden Tests wurden mit dem einzigen Unterschied wiederholt, daß in der Rezeptur für den neuartigen Brenner als Metallfaser eine andere Eisen-Aluminium-Legierung mit 9 Gew.-% Aluminium, 18 Gew.-% Chrom, 25 Gew.-% Nickel und 0,02 Gew.-% Yttrium verwendet wurde. Die Testergebnisse waren praktisch die gleichen wie oben beschrieben.

Beispiel 2

Zu jeder Gallone der Rezeptur für die Herstellung des Ke ramikfaserbrenners "Standard A" wurden 7,25 g der bei der Wiederholung des Beispiels 1 verwendeten, anderen Metall faser gegeben. Der nach dieser modifizierten Rezeptur hergestellte Brenner erhielt die Bezeichnung: Metall/Ke ramikfaserbrenner "B neu".

Für einen Vergleich der Brenner "Standard A" mit "B neu" wurden Verbrennungsversuche durchgeführt.

Das auf ca. 300°F (ca. 149°C) vorgewärmte Luft/Gasge misch wurde bei einem Durchsatz von 1250 BTU/ Std./Fuß² (ca. 1 320 000 Joules/Std./0,09 m²) und 15% Luftüberschuß verfeuert. Beide Brenner waren von 1800°F (ca. 982°C) heißen Wänden umgeben.

Unter diesen verschärften Verbrennungsbedingungen fiel der Brenner "Standard A" nach 1272 Stunden aus. Bei vi sueller Prüfung zeigte die Keramikfaserschicht starken Lochfraß. Der Brenner "B neu" war noch weitere 400 Stun den ohne Ausfall in Betrieb.

Beispiel 3

Die zur Herstellung des Keramikfaserbrenners "Standard A" verwendete Rezeptur wurde dahingehend modifiziert, daß die Fiberfrax-Faser durch Saffil-Faser (gleiche Gewichts basis) ersetzt und die Methylmethacrylatmenge um 50% re duziert wurde. Der nach dieser Rezeptur hergestellte Brenner erhielt die Bezeichnung: Keramikfaserbrenner "Standard B".

Die Rezeptur für den "Standard B" Brenner wurde dann durch Zugabe der in der Wiederholung von Beispiel 1 ver wendeten, anderen Metallfaser modifiziert. Die zugege bene Menge betrug 40 g pro Gallone (3,785 l). Es wurde kein Aluminiumpulver verwendet. Der nach dieser Rezeptur hergestellte Brenner erhielt die Bezeichnung: Metall/Ke ramikfaserbrenner "C neu".

Beim Vergleich der Brenner "Standard B" und "C neu" unter den Verbrennungsbedingungen von Beispiel 2 stellte sich heraus, daß der "Standard B" Brenner innerhalb 1 Stunde infolge von Flammenrückschlag durch die Keramikfaser schicht ausfiel. Bemerkenswert ist, daß der Flammenrück schlag auftrat, obwohl Aluminiumpulver verwendet worden war, das unter normalen Feuerungsbedingungen einen Flam menrückschlag verhindert.

Die Leistung des "C neu" Brenners ohne Aluminiumpulver war jedoch über einen Zeitraum von 1675 Stunden zufrie denstellend. Der "C neu" Brenner bewies deutlich die hohe Flammenrückschlagbeständigkeit des erfindungsgemäßen Me tall/Keramikfaserbrenners.

Die Zusammenfassung der Testergebnisse der vorangegange nen Beispiele zeigt, daß ein Metall/Keramikfaserbrenner vom Typ "C neu", der überwiegend Metallfasern enthält, unter verschärften Feuerungsbedingungen auch ohne die Vorteile des Aluminiumpulvers eine gute Leistung bringt. Im Gegensatz dazu zeigt ein Metall/Keramikfaserbrenner vom Typ "A neu", der überwiegend Keramikfasern enthält, eine bessere Strahlungsleistung und niedrigere NO_x-Emis sionen als ein vergleichbarer Brenner ohne eine kleine Menge Metallfaser. Außerdem hat ein Brenner vom Typ "B neu", der eine zusätzliche, geringe Menge Metallfaser enthält, eine längere Lebensdauer, selbst bei ungewöhn lich hohen Temperaturen. Zu guter Letzt ist der erfin dungsgemäße Metall/Keramikfaserbrenner auch noch preis werter als der gesinterte Metallfaserbrenner.

Dem Fachmann eröffnet die vorangegangene Offenbarung wei tere Abwandlungen der Erfindung, ohne von dem Gedanken oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die zahl reichen Patente, die die Technologie von porösen Kera mikfaserbrenners betreffen, bieten sicherlich genügend Anhaltspunkte für die vielen, möglichen Variationen. Dem zufolge unterliegt die Erfindung nur den in den Ansprü chen aufgeführten Einschränkungen.

Claims

1. Ein Brenner aus ungesintertem Fasermaterial, herge stellt aus Metallfasern gemischt mit Keramikfasern, wobei die Metallfasern beständig gegen hohe Temperaturen und oxidierende Bedingungen sind, welchen der Brenner ausgesetzt wird, und die gemischten Fasern als eine poröse Schicht auf einen perforierten Träger aufgebracht miteinander mittels eines Bindemittel verbunden sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, worin das Metallfasermate rial aus einer Legierung auf Eisen- oder Nickelbasis hergestellt ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, worin das Metallfasermate rial aus einer Eisen-Aluminium-Legierung mit 4 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium, 16 bis 24 Gewichtspro zent Chrom und 0-26 Gewichtsprozent Nickel herge stellt ist.

4. Brenner nach Anspruch 2, worin das Metallfasermate rial aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit 15 bis 30 Gewichtsprozent Chrom, 0 bis 5 Gewichtsprozent Alu minium und 0 bis 8 Gewichtsprozent Eisen hergestellt ist.

5. Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das Gewichtsverhältnis der Keramikfaser zur Metall faser mindestens 0,2 beträgt und vorzugsweise im Be reich von 0,2 bis 2 liegt.

6. Brenner nach Anspruch 5, worin das Gewichtsver hältnis der Keramikfaser zur Metallfaser mindestens 1 ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Brenners aus un gesintertem Fasermaterial mit Metallfasern gemäß ei nes der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern und die Keramikfasern in einer wäßrigen Suspension eines Bindemittels gemischt werden, wobei das Gewichtsverhältnis von Keramikfa sern zu Metallfasern mindestens 0,2 ist, die erhal tene wäßrige Suspension von gemischten Fasern auf einen perforierten Träger im Vakuumformverfahren aufgebracht und die nasse Schicht aus gemischten Fa sern auf dem porösen Träger aufgebracht, getrocknet und dadurch der Brenner aus ungesinterten Faserma terial gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Metallfasern aus einer Legierung auf Eisenbasis oder Nickelbasis, Chrom enthaltend, eingesetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fasermaterial im Gewichtsverhält nis der Keramikfasern zu den Metallfasern von min destens 1 eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fasermaterial im Gewichtsverhält nis der Keramikfasern zu den Metallfasern von höch stens 2 eingesetzt wird.