NL9200620A

NL9200620A - CERAMIC BURNER.

Info

Publication number: NL9200620A
Application number: NL9200620A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1992-04-02
Publication date: 1993-11-01
Also published as: DE9304989U1; FR2689615B3; BE1006100A6; FR2689615A3

Description

Keramische brander.Ceramic burner.

De uitvinding heeft betrekking op een keramische brander.The invention relates to a ceramic burner.

Het is bekend dat, keramische branders, verkregen uit een keramisch schuim, kunnen worden toegepast voor de energieopwekking uit (aard)gas in huishoudens, gebouwen, industriële- en tuinbouwinstallaties en electriciteits-centrales. De verbranding vindt momenteel plaats met verbrandingssystemen die in een aantal situaties zijn gemoderniseerd om de NOx-emissie (100-200 ppm) te verlagen. Voor het bereiken van een verdere NOx-emissieverlaging (NMP) en brandstofbesparing dienen branders tegen conrurrende prijzen te worden ontwikkeld die: - over een groot gebied geregeld kunnen worden bij volledige voormenging en een constante, lage luchtovermaat; - een lage NOx-emissie bewerkstelligen; - een gewenste en regelmatige V.O.-belasting geven; - tot een compact installatie volume leiden; - goedkoop zijn.It is known that ceramic burners, obtained from a ceramic foam, can be used for the generation of energy from (natural) gas in households, buildings, industrial and horticultural installations and power plants. Combustion is currently taking place with combustion systems that have been modernized in a number of situations to reduce NOx emissions (100-200 ppm). To achieve further NOx Emission Reduction (NMP) and fuel savings, burners at competitive prices should be developed that: - can be controlled over a wide area with full pre-mixing and constant, low air excess; - achieve low NOx emissions; - provide a desired and regular V.O.load; - lead to a compact installation volume; - be cheap.

Aan deze eisen kunnen conventionele branders niet voldoen.Conventional burners cannot meet these requirements.

Uit het Amerikaanse octrooischrift 4.900.245 is een infra-rood verhitter voor vloeistof immersie apparatuur bekend die een cylindrische keramische schuim verbrander omvat, welke brander is vervaardigd uit verknoopt schuim met een porositeit van ongeveer 16-40 poriën per centimeter. Deze brander kan van een bekleding zijn voorzien die het terugslaan van een vlam tegengaat. De brander bestaat uit een kern waardoor het gas wordt aangevoerd en een omringende mantel van keramisch schuim. Door de vorm is de vervaardiging echter verre van eenvoudig. Bij verhitting van grote oppervlakken kan gemakkelijk breuk of vervorming optreden, waardoor afdichtingsproblemen ontstaan.U.S. Patent 4,900,245 discloses an infrared heater for liquid immersion equipment comprising a cylindrical ceramic foam burner, which burner is made of cross-linked foam with a porosity of about 16-40 pores per centimeter. This burner can be provided with a coating that prevents flame back. The burner consists of a core through which the gas is supplied and a surrounding ceramic foam jacket. However, the manufacturing makes it far from simple. When heating large areas, breakage or deformation can easily occur, causing sealing problems.

Gevonden werd nu, dat doelmatig een brander kan worden samengesteld uit segmenten van keramisch schuim. De segmenten zijn kleiner van afmetingen en kunnen daardoor eenvoudiger vormvast worden vervaardigd. De gewenste brander kan dan door een samenvoeging van elementen, zowel horizontaal als verticaal worden samengesteld. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de segmenten zijdelings van een keramische afdichting voorzien, zodat geen zijwaartse uitstroom van de gassen kan plaatsvinden.It has now been found that a burner can efficiently be composed of segments of ceramic foam. The segments are smaller in size and can therefore be made more dimensionally stable. The desired burner can then be assembled by combining elements horizontally and vertically. According to a preferred embodiment, the segments are provided with a ceramic seal laterally, so that no lateral outflow of the gases can take place.

Door de bewegingsvrijheid van de segmenten worden thermische spanningen verminderd, waardoor een hoge sterkte van het materiaal minder noodzakelijk wordt.Due to the freedom of movement of the segments, thermal stresses are reduced, making high strength of the material less necessary.

De keramische schuimen kunnen voorts doelmatig van een bekleding zijn voorzien die het terugslaan van de vlam tegengaat en de straling bevorderd.The ceramic foams can furthermore advantageously be provided with a coating which prevents flame back and promotes radiation.

Bij een opbouw uit lagen met een verschillende porie-grootte kan ook een gewenste verbranding worden bevorderd. De keramische segmenten kunnen aan elkaar zijn gelijmd maar ook tezamen zijn geklemd. Een stevige verbinding kan ook worden verkregen indien platen in horizontaal vlak met een rechte liplas zijn samengevoegd .A desired combustion can also be promoted in the case of a build-up of layers of different pore size. The ceramic segments can be glued together or clamped together. A firm connection can also be obtained if plates are joined horizontally with a straight lip weld.

De brander volgens de uitvinding vertoont een voldoende mechanische sterkte in tegenstelling tot bijvoorbeeld branders uit keramische vezels. De geluidsoverlast is afwezig en de kans vlamterugslag die aanwezig is bij de doorboord keramiek branders is hier afwezig, terwijl een veel groter werkgebied mogelijk is dan bij metaalvezels. Bij de branders volgens de uitvinding treedt geen geluidsoverlast op, geen vlamterugslag, is een zeer groot werkgebied mogelijk (100 -> 2000 kW/m2) bij een con stante luchtovermaat tussen 0,8 en 1,6. De fabricagetechnieken zijn eenvoudig, door middel van het samenvoegen is een flexibele vormgeving t.a-.v. geometrie en stof/warmte-overdracht mogelijk.The burner according to the invention has a sufficient mechanical strength in contrast to, for example, burners of ceramic fibers. The noise nuisance is absent and the risk of flashback that is present with the pierced ceramic burners is absent here, while a much larger working area is possible than with metal fibers. With the burners according to the invention no noise nuisance occurs, no flame recoil, a very large working area is possible (100 -> 2000 kW / m2) with a constant air excess between 0.8 and 1.6. The manufacturing techniques are simple, by means of the joining a flexible design is possible. geometry and dust / heat transfer possible.

De materialen die gebruikt kunnen worden maken zeer hoge temperaturen mogelijk.The materials that can be used allow very high temperatures.

Door het zeer grote werkgebied kunnen de branders volgens de uitvinding als modulerende brander worden toegepast, dit leidt tot een gasbesparing van 10-15% (en dus een reductie van de C02-emissie). De N0X-emissie is laag, d.w.z. ca. 5 ppm bij 200 kW/m2 en n=1,3; de branders kunnen met eenvoudige technieken worden vervaardigd.Due to the very large working area, the burners according to the invention can be used as a modulating burner, which leads to a gas saving of 10-15% (and thus a reduction in CO2 emissions). The NOx emission is low, i.e. about 5 ppm at 200 kW / m2 and n = 1.3; the burners can be manufactured with simple techniques.

Voor de tuinbouw is de dosering van C02 en warmtevoorziening met één brander mogelijk.For horticulture, the dosing of CO2 and heat supply with one burner is possible.

In de industrie is de toepassing van een cylindrische brander voor o.a. retrofittoepassing in een drietreksketel mogelijk. Voor de procesindustrie (fornuizen voor bijvoorbeeld de produktie van Ha en etheen) is een compacte opbouw met een volumereductie van 25-50%, mogelijk.In industry it is possible to use a cylindrical burner for, among other things, retrofit applications in a three-pass boiler. A compact construction with a volume reduction of 25-50% is possible for the process industry (stoves for, for example, the production of Ha and ethylene).

Door een brander volgens de uitvinding (zie fig. 1 en fig. 2) worden gas en lucht volledig voorgemengd en goed verdeeld toegevoerd. Het mengsel stroomt door de brander. Na de brander vindt ontsteking plaats. Afhankelijk van het vermogen: hoog of laag, ontstaan er lange respectie velijk korte vlammen. Bij lange vlammen blijft de plaat relatief koud en is de performance vergelijkbaar met een conventionele voorgemengde brander. Bij korte vlammen wordt het uitstroomoppervlak van de plaat stralend. Daardoor wordt een hoeveelheid warmte door straling afgevoerd, hetgeen leidt tot een verlaging van de over-all-temperatuur in de ver-brandingszone en daarmee ook van de NO^-vormingssnelheid. Door toevoeging van een hoog poreuze laag kan het stralende vermogensgebied worden uitgebreid. De brander kan zoals reeds vermeld over een groot werkgebied met een maximaal omzettingsrendement worden ingezet. De luchtovermaat (n) kan daarbij tussen 0,8 en 1,6 worden ingesteld. De drukvalkarakteristiek van de brander kan al in de ontwerpfase worden bepaald door de keuze van uitgangsmaterialen en bewerkingstechnieken en porie-grootte.Through a burner according to the invention (see fig. 1 and fig. 2), gas and air are supplied completely premixed and well distributed. The mixture flows through the burner. Ignition takes place after the burner. Depending on the power: high or low, long and short flames are created. With long flames, the plate remains relatively cold and the performance is comparable to a conventional premixed burner. With short flames, the outflow surface of the plate becomes radiant. As a result, an amount of heat is dissipated by radiation, which leads to a decrease in the over-all temperature in the combustion zone and thus also in the NO 2 formation rate. The radiant power range can be expanded by adding a highly porous layer. As already mentioned, the burner can be used over a large working area with a maximum conversion efficiency. The air excess (s) can be set between 0.8 and 1.6. The pressure drop characteristic of the burner can already be determined in the design phase by the choice of starting materials and processing techniques and pore size.

Het verbrandingsprincipe kan zowel kleinschalig (geisers, CV-ketels) als grootschalig (industriële ketels en fornuizen) worden ingezet, met als voordelen: verminderde NO^-uitstoot, groot regelbereik en daardoor betere afstembare warmteproduktie, leidend tot energiebesparing. Bij gebruik van keramische branders is ook materiaalbesparing mogelijk door compactere bouw van de installatie. De eigenschappen van een brander volgens de uitvinding op basis van een schuim met 22-26 poriën per centimeter, gemeten onder CV-ketelcondities (n= 1,3) horizontaal geplaatst, naar beneden brandend zijnThe combustion principle can be used both on a small scale (geysers, central heating boilers) and on a large scale (industrial boilers and stoves), with the advantages: reduced NO 2 emissions, large control range and therefore better tunable heat production, leading to energy savings. When using ceramic burners, material savings are also possible due to the compact construction of the installation. The properties of a burner according to the invention based on a foam with 22-26 pores per centimeter, measured horizontally under central heating boiler conditions (n = 1.3), are burning downwards

Specifieke belasting kW/m2 100 - 2000 (n=1,3)Specific load kW / m2 100 - 2000 (n = 1.3)

Drukval over plaat Pa 100 ± 20 (bij 1500 kW/m2, n=1,3)*Pressure drop across plate Pa 100 ± 20 (at 1500 kW / m2, n = 1.3) *

Luchtovermaat % 30 (kan worden geva rieerd)Air excess% 30 (can be varied)

Methaanconversie % >99.99Methane conversion%> 99.99

Oppervlaktetemperatuur °C 1350 (maximaal) NQ„ emissie (0% 02) ppmv 5-30 CO emissie (0% 02) ppmv < 50 emissie (0% 02_ ppmv < 10 * een andere drukval (hoger of lager) kan gerealiseerd worden door verandering van de parameters in het fabricageproces.Surface temperature ° C 1350 (maximum) NQ „emission (0% 02) ppmv 5-30 CO emission (0% 02) ppmv <50 emission (0% 02_ ppmv <10 * another pressure drop (higher or lower) can be achieved by change of parameters in the manufacturing process.

Een keramische schuimbrander volgens de uitvinding kan worden bereid bijvoorbeeld door plaatvervaardiging. De toegepaste techniek is dan de replica-methode, keramisch poeder + toeslagstoffen worden gemengd tot een keramische suspensie die wordt gecombineerd met een poly-urethaan schuim dat wordt geïmpregneerd, wordt nabewerkt, uitgestookt en gesinterd waarna het keramisch schuim wordt verkregen. Variaties in de poriegrootte en het aantal poriën per centimeter in het polyurethaan schuim kunnen door nauwkeurige controle van de aangebrachte hoeveelheid suspensie zodanig gecompenseerd worden dat de platen voldoen aan gewenst drukvalcrite-rium.A ceramic foam burner according to the invention can be prepared, for example, by plate making. The technique then applied is the replica method, ceramic powder + additives are mixed into a ceramic suspension which is combined with a polyurethane foam which is impregnated, is post-processed, fired and sintered, after which the ceramic foam is obtained. Variations in the pore size and the number of pores per centimeter in the polyurethane foam can be compensated by carefully checking the amount of suspension applied so that the plates meet the desired pressure drop criterion.

Een geschikt keramisch schuim ontstaat bijvoorbeeld wanneer een polyurethaan schuim met 24 poriën per centimeter wordt geïmpregneerd met een suspensie waarin klei, aluminiumoxide, en talk de hoo£dbestanddelen vormen. De hoeveelheid suspensie dient zodanig te zijn, dat het keramisch schuim een schijnbare dichtheid krijgt tussen 100 en 700 kg/m3, hetgeen bij een dikte van 1,5 mm van de plaat leidt tot de gewenste drukval. De sintertemperatuur dient zodanig te zijn, dat de kristallijne fasen in het materiaal in hoofdzaak bestaan uit cordierite, mulliet en aluminiumoxide.A suitable ceramic foam is produced, for example, when a polyurethane foam with 24 pores per centimeter is impregnated with a suspension in which clay, aluminum oxide and talc form the main components. The amount of suspension should be such that the ceramic foam has an apparent density of between 100 and 700 kg / m3, which leads to the desired pressure drop at a thickness of 1.5 mm from the plate. The sintering temperature should be such that the crystalline phases in the material mainly consist of cordierite, mullite and aluminum oxide.

Van het keramisch schuim kunnen de volgende parameters worden ingesteld: dikte, vorm, porositeit, drukval, mechanische sterkte, stralende eigenschappen (d.m.v. bekleding), gelaagde constructie met verschillende porositeiten, materiaaltype (temperatuur tot bijvoorbeeld 2200 °C). Het aantal porieën per cm kan, naar gelang de toepassing worden gecorrigeerd tussen de 4 en 40 porieën/cm.The following parameters can be set for the ceramic foam: thickness, shape, porosity, pressure drop, mechanical strength, radiant properties (by means of coating), layered construction with different porosities, material type (temperature up to, for example, 2200 ° C). The number of pores per cm can be corrected, depending on the application, between 4 and 40 pores / cm.

Gewoonlijk worden vlakke platen verkregen, die op maat gezaagd kunnen worden, door boren kunnen uit dergelijke platen kleine cylinders worden verkregen. Ook kunnen cylindersegmenten worden bereid volgens dezelfde bereidingsmethode gevolg door gekromd sinteren. Ook kunnen bolle of ovale geometrien gewenst worden vervaardigd.Usually flat plates are obtained which can be cut to size, small cylinders can be obtained from such plates by drilling. Cylinder segments can also be prepared by the same preparation method followed by curved sintering. Spherical or oval geometries can also be desired.

Als bevestiging- en verbindingstechniek kan een cassette met pakking (zie fig. 3) worden toegepast maar ook worden gelijmd (zie fig, 4 en 5) tenslotte kunnen de platen d.m.v. een zaagsnede met een zogenaamde rechte liplas worden samengevoegd (zie fig. 6a). Bij een dergelijke wijze is elke geometrie en afmeting te realiseren met behulp van 1) een eenvoudig metalen raamwerk, 2) de basis geometrie, 3) de bevestigings/verbindingstechnieken .As a fastening and connection technique, a cassette with gasket (see fig. 3) can be used, but it can also be glued (see fig. 4 and 5). a cut with a so-called straight lip weld can be joined (see fig. 6a). In such a manner, any geometry and size can be realized with the help of 1) a simple metal framework, 2) the basic geometry, 3) the mounting / connection techniques.

Voorbeeld IExample I

Magnesium aluminium silicaat, suspensie 1 8 g dispergeermiddel (2 M HN03) wordt afgewogen en dit wordt met gedemi-neraliseerd water aangevuld tot 287 g. Aan deze oplossing wordt vervolgens 134 g Mg(OH)=, 234 g AL203, en 345 g Si02 toegevoegd. Een suspensie met een gemiddelde deeltjesgrootte kleiner dan 50 mm wordt bereidt. De suspensie wordt gehomogeniseerd door het 3 uur in een kogelmolen te malen.Magnesium aluminum silicate, suspension 1 8 g of dispersant (2 M HNO 3) is weighed and this is made up to 287 g with demineralized water. 134 g of Mg (OH) =, 234 g of AL2 O3, and 345 g of SiO2 are then added to this solution. A suspension with an average particle size of less than 50 mm is prepared. The suspension is homogenized by grinding in a ball mill for 3 hours.

50 g van de bereide suspensie wordt afgewogen en door het toevoegen van salpeterzuur op een viscositeit van 0,12 Pas gebracht. De hoeveelheid suspensie wordt op een stuk PUR-schuim (12 p/en 36p/cm aangebracht en homogeen verdeeld over het schuim. Dit geschiedt doelmatig door het inrollen met een deegrol. Na drogen, uitstoken en sinteren op 1350°C ontstaat een cordiriet schuim, dat geschikt is als branderplaat.50 g of the prepared suspension are weighed out and adjusted to a viscosity of 0.12 Pas by adding nitric acid. The amount of suspension is applied to a piece of PUR foam (12 p / and 36p / cm) and distributed homogeneously over the foam. This is expediently done by rolling in with a rolling pin. After drying, firing and sintering at 1350 ° C, a cordirite foam is formed , which is suitable as a burner plate.

Voorbeeld IIExample II

Magnesium aluminium silicaat, suspensie 2 5 g dispergeermiddel (1 M HN03) en 5 g dispergeermiddel (waterglas, na-triumsilicaat) wordt afgewogen en met gedemineraliseerd water aangevuld tot 300 g. 500 g klei wordt hieraan toegevoegd. Afhankelijk van de chemische samenstelling van de klei en de te bereiken chemische samenstelling wordt hieraan toegevoegd 0-200 g Al202, 0-200 g Mg(OH)2 en 0-200 g Si02. De keuze van de chemische samenstelling van de laatste componenten is niet essentieel. Essentieel is dat de juiste hoeveelheden Al, Mg en Si (hoeveelheid?) worden toegevoegd. Een suspensie met een gemiddelde deeltjesgrootte kleiner dan 50 mm. De suspensie wordt gehomogeniseerd door gedurende 3 uur in een kogelmolen te malen.Magnesium aluminum silicate, suspension 2 5 g of dispersant (1 M HNO 3) and 5 g of dispersant (water glass, sodium silicate) are weighed and made up to 300 g with demineralized water. 500 g of clay is added to this. Depending on the chemical composition of the clay and the chemical composition to be achieved, 0-200 g of Al2O2, 0-200 g of Mg (OH) 2 and 0-200 g of SiO2 are added. The choice of the chemical composition of the latter components is not essential. It is essential that the correct amounts of Al, Mg and Si (amount?) Are added. A suspension with an average particle size of less than 50 mm. The suspension is homogenized by grinding in a ball mill for 3 hours.

Voorbeeld IIIExample III

5 g dispergeermiddel (1M HN02) en 5 g dispergeermiddel (waterglas, natri-umsilicaat) wordt afgewogen en met gedemineraliseerd water aangevuld tot 300 g. 500 g. klei, met de samenstelling van kaolinitet (Al203*2Si-02*2H20)· wordt afgewogen en toegevoegd. Een suspensie met een gemiddelde deeltjesgrootte kleiner dan 50 mm wordt bereidt. De suspensie wordt gehomogeniseerd door het gedurende 3 uur in een kogelmolen te malen. Een geschikt schuim wordt verkregen via de procedure genoemd in voorbeeld I.5 g of dispersant (1M HNO 2) and 5 g of dispersant (water glass, sodium silicate) are weighed and made up to 300 g with demineralized water. 500 g. clay, with the composition of kaolinitet (Al203 * 2Si-02 * 2H20) · is weighed and added. A suspension with an average particle size of less than 50 mm is prepared. The suspension is homogenized by grinding in a ball mill for 3 hours. A suitable foam is obtained by the procedure mentioned in example I.

Claims

Ceramic burner, characterized in that it consists of segments of ceramic foam.

Burner according to claim 1, characterized in that the segments are joined in a horizontal plane.

Burner according to claim 1, characterized in that the segments are joined together in a vertical plane.

Burner according to claims 1-3, characterized in that the segments are joined horizontally and vertically.

Burner according to Claims 1 to 4, characterized in that the burner, in view of the flow direction of the gas, is composed of different layers of different pore size.

Burner according to claims 1 to 5, characterized in that the ceramic segments are glued together.

Burner according to Claims 1 to 6, characterized in that the segments are provided with a ceramic seal on the side.

Burner according to claims 1-7, characterized in that the plates are joined horizontally with a straight lip weld.