NL9200620A - Keramische brander. - Google Patents

Description

Keramische brander.

De uitvinding heeft betrekking op een keramische brander.

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.

Aan deze eisen kunnen conventionele branders niet voldoen.

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.

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.

Door de bewegingsvrijheid van de segmenten worden thermische spanningen verminderd, waardoor een hoge sterkte van het materiaal minder noodzakelijk wordt.

De keramische schuimen kunnen voorts doelmatig van een bekleding zijn voorzien die het terugslaan van de vlam tegengaat en de straling bevorderd.

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 .

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.

De materialen die gebruikt kunnen worden maken zeer hoge temperaturen mogelijk.

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.

Voor de tuinbouw is de dosering van C02 en warmtevoorziening met één brander mogelijk.

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.

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.

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 zijn

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

Drukval over plaat Pa 100 ± 20 (bij 1500 kW/m2, n=1,3)*

Luchtovermaat % 30 (kan worden geva rieerd)

Methaanconversie % >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.

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.

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.

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.

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.

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 .

Voorbeeld 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.

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.

Voorbeeld 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.

Voorbeeld 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.

Claims (8)

1. Keramische brander, gekenmerkt doordat deze uit segmenten keramisch schuim is opgebouwd.

2. Brander volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat de segmenten in een horizontaal vlak zijn samengevoegd.

3. Brander volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat de segmenten in een verticaal vlak aan elkaar zijn gevoegd.

4. Brander volgens conclusies 1-3, gekenmerkt, doordat de segmenten zowel horizontaal als verticaal zijn samengevoegd.

5. Brander volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de brander gezien op de stromingsrichting van het gas uit verschillende lagen met een verschillende porie-grootte is opgebouwd.

6. Brander volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de keramische segmenten aan elkaar zijn gelijmd.

7. Brander volgens conclusie 1-6, gekenmerkt, doordat de segmenten zijdelings van een keramische afdichting zijn voorzien.

8. Brander volgens conclusie 1-7, met het kenmerk, dat de platen in horizontaal vlak met een rechte liplas zijn samengevoegd.