WO1995003511A1 - Keramisches verbrennungsträgerelement für flächenbrenner und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Keramisches verbrennungsträgerelement für flächenbrenner und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO1995003511A1
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carrier element
combustion carrier
combustion
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PCT/EP1994/002419
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Bernd Klinge
Michael Gutknecht
Bernd Weise
Ingo Birnkraut
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Gossler Feuerfest- Und Isoliertechnik Gmbh
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/106—Assemblies of different layers

Definitions

  • Ceramic combustion carrier element for surface burner and method for its production
  • the invention relates to a ceramic combustion carrier element, preferably in the form of a ceramic composite body in surface radiation burners for industrial conversion and heating processes in the temperature range up to in particular about 1300 ° C., and a process for its production.
  • Radiant surface burners are used in various versions, in particular for rough heating and drying purposes in the infrared range and as low-emission combustion units in the heating and boiler range. Above all, the possibilities of low-pollutant operation at application temperatures up to 1000 ° C are used.
  • Multi-flame surface burners are characterized by the fact that, starting from the burner surface, many individual flames are formed, which can combine to form a flame front in certain power ranges.
  • stable perforated or slotted flame carrier elements are used to improve the service life compared to metallic flame carriers, as described, for example, in DE-A-4041 061, from which a ceramic combustion carrier element can be found according to the preamble of claim 1.
  • metallic flame carriers as described, for example, in DE-A-4041 061
  • the heat extraction remains relatively low.
  • the nitrogen oxide formation is higher than in comparable quasi-flameless surface burners.
  • the work area is further restricted by a higher CO and CxHy load.
  • porous ceramics as described, for example, in EP-A-0 056 757.
  • the binders, clay or bentonite used here, combined with the required flame retardancy, only allow a sufficient service life in cyclical operation if the temperature gradient across the layer thickness of the ceramic is low. Added to this is the described low pressure loss of the ceramic in the case of the cylinder shape closed on one side an expected irregularity of the flame distribution with increased energy output towards the closed head end.
  • the quasi-flameless surface burners form a second group.
  • this type of burner the flame root sits in a certain power range in the surface layer of the combustion carrier and makes it glow.
  • the combustion temperature of the fuel-air mixtures passed through the flame carrier is lowered and the formation of NOx is significantly suppressed.
  • Above a certain burner output and with a high excess of combustion air the flame also detaches from the surface in these burners and causes a deterioration in the exhaust gas hygiene.
  • An essential form of this type of burner is based on radiation combustion elements made of ceramic fibers, which are preferably deposited on a metal sieve by vacuum shaping in connection with binders. Refinements of this form are e.g. in EP-A-0 382 674, EP-A-0 397 591; US-A-4 416 619; DE-A-3 311 953; US-A-3 179 156;
  • the flame carrier solutions described in EP-A-0382 674 and EP-A-0 397 591 allow a very small control range to be expected.
  • the thick fiber layer crosslinked according to the description with alumina coating is mechanically susceptible, in particular sensitive to any handling, to vibrations and is increasingly prone to erosion during the thermal aging process.
  • the closed shape of the burner head means that a jamming effect with uneven distribution of the flame on the ceramic jacket and thus a deterioration in the exhaust gas hygiene and increased erosion of fibers in this area (formation of hot spots) can be expected.
  • the binder structure with the desired gamma and theta phases of the AI2O3 as the main binder constituent ie described in TJS-A-4 416 619 and DE-A-3 311 953, is used both for the heat treatment for removing the pore former and for the subsequent one
  • Operating temperature of the fiber ceramics limits that are around 1100 ° C.
  • the gas chemical effect is less important, unless the large surface area of the gamma and theta phases is required in connection with catalytic additives.
  • the embrittlement of the surface layer due to the phase transition of the AI2O3 into the alpha phase above approximately 982.2 ° C. is important here (see DE-A-3 311 953).
  • the measures for pre-notching the surface specifically proposed in DE-A-3 311 953 and US-A-4 416 619 are intended to prevent longer cracks and larger formwork, but in the long term are themselves preferred areas for crack growth and erosion.
  • a further disadvantage of this ceramic is the tendency for selective erosion at weak points and in areas of increased pressure, in particular in the head region of cylinders closed on one side.
  • the onset of hot spot formation progresses with thermal aging and worsens the otherwise very favorable exhaust gas hygiene of this type of burner with regard to NOx, CO and CxHy loads and has a negative influence on the burner start behavior.
  • Radiation burner based on ceramic fiber fabrics as a flame carrier on a porous metal carrier as in US-A-4 599 066; US-A-4 721 456 or e.g. described in DE-A-3 504 601, try to avoid the disadvantages of the vacuum-shaped fiber ceramic in terms of strength and long-term stability.
  • US-A-4,721,456 includes metallic fasteners that limit the operating temperature and do not prevent possible changes in the pore shape depending on pressure and performance over a longer operating period and cycles.
  • EP 0 187 508 A3 relates to a combustion carrier element which consists of a porous combustion body which is formed by shaping and sintering a starting material from ceramic powder, binder and inorganic fibers and which, in addition to its porosity, has a multiplicity of preferably drilled through holes, see in particular p 5, last paragraph to p. 7, first paragraph
  • EP-A-0410569 AI relates to a plate-shaped porous combustion body which is supported by a metal sieve and consists of two blocks extending transversely to the direction of passage, of which the second block has a porosity with larger through openings. An explanation of the actual flow resistance cannot be found.
  • the second block can be coated or impregnated with metal oxide, see col. 7, lines 45 to 55.
  • EP-A-0 530 630 AI discloses a porous combustion body with several zones in which the structure or porosity is refined from the inside out. An explanation of the actual flow resistance cannot be found in this publication either.
  • porous combustion body From AU-B-25742/67 a porous combustion body can be found which, in order to avoid a flashback, has a porous layer which is formed by applying a slurry containing aluminum powder and fibers.
  • FR-A-2 222 329 relates to a porous combustion body with different flow resistance, so that a pilot flame results during operation.
  • WO-A-84 04376 describes a porous combustion body containing fibers, the outer surface of which is sealed, see in particular p. 5, last paragraph.
  • US-A-4 189 294 relates to flameless combustion in a catalyst zone and is to be considered as the more distant prior art.
  • US-A-4 889 481 a plate-shaped or sleeve-shaped porous combustion body made of ceramic material is described, wherein the body has two layers of different porosity, see Col. 4, line 22. Furthermore, the outer end face of the first layer and in essentially all surfaces of the second layer have a ceramic coating, see abstract.
  • a molded body made of porous ceramic material consisting of a foamable starting material with a mixture of alkali silicates, alkali metal minates and ceramic particles. This is a porous body for various purposes, including kilns.
  • US-A-4 643 667 describes a porous combustion body consisting of two layers, the first layer having a low and the second layer having a higher thermal conductivity.
  • the two layers are of different porosity, see column 5, line 25 and the following.
  • porous combustion body which consists of essentially spherical particles, the size of the particles increasing from the inside out.
  • the particles are baked together (sintered), see column 4, last paragraph, and they can have a catalytic coating.
  • a porous combustion body which consists of spherical ceramic particles which are connected to one another by a binder to form a solid body.
  • US-A-4 039480 describes a process for producing substantially spherical pelets and their use as a catalyst.
  • the spherical pelets contain a flammable material and they are coated on the outside with a ceramic powder. Due to this coating, they can be sintered together under the influence of heat, whereby the combustible material is burned out and hollow ceramic balls are formed.
  • the ceramic can be an aluminosilicate such as mullite.
  • the object of the invention is to create a combustion carrier element which, while ensuring a high level of corrosion resistance, stability and service life, on the one hand has a good flow through the fuel and on the other hand has a good and trouble-free combustion even at high temperatures, especially up to about 1300 ° C.
  • the invention is also based on the object of achieving a high combustion quality with minimal NOx formation and almost complete avoidance of CO and CxHy formation in a sufficient output range of at least 1: 2.5.
  • the invention is further based on the object of creating a combustion carrier element which can be produced simply and inexpensively with satisfactory porosity and thermal and mechanical stability.
  • the invention is based on the object of designing a combustion carrier element in such a way that a specific, in particular uniform, flow velocity profile or flame distribution arises on its combustion surface.
  • the combustion carrier element according to the invention according to claim 1 has a porous, spherical or hollow spherical bulk ceramic.
  • a porous, spherical or hollow spherical bulk ceramic can be produced simply and inexpensively and, with satisfactory strength, also leads to an advantageous porosity and a trouble-free and uniform gas flow.
  • Combustion carrier element can serve as a post-mixer and mixture distributor for the fuel-air mixture flowing through. Due to the existing porous bulk ceramic, the combustion carrier element has sufficient flow resistance to prevent a flashback. In addition, the porosity is of satisfactory uniformity, which leads to a largely uniform flow velocity profile. It is furthermore advantageous to preburn the ceramic according to the invention, at least up to a temperature such that it has sufficient strength to be able to function as a flame holder with a long service life.
  • the combustion carrier element according to claim 1 and also the multilayer ceramic combustion carrier element according to claim 9 are suitable both for multi-flame surface burners and for quasi-flameless surface burners, the combustion carrier element being particularly suitable for a quasi-flameless surface burner, in particular because the second or one Another layer arranged on the downstream side favors the mounting of the flame root in its surface layer. Due to the design of this combustion carrier element as a composite part, the combustion carrier element according to the invention is not only of great thermal but also mechanical stability.
  • the embodiment according to the invention improves the gas outflow, the risk of flashbacks being eliminated or at least largely reduced.
  • the influencing of the structural layer structure which can be achieved by the features according to the invention can be achieved by combining a gas propulsion process with a burnout process, an open macro and micropore spectrum in the range of equivalent pore diameters of> 0 to approx. 1 mm, which is favorable in terms of combustion technology, being achieved in the layers and at the same time one multidirectional cross-linking (reinforcement) of the pile is brought about by fiber materials, which have a very positive influence on the thermal shock resistance of the layers.
  • the refinements according to the invention are suitable both for a disk-shaped shape and for a sleeve-shaped or pot-shaped shape of the combustion carrier element.
  • the method according to the invention according to claim 30 not only leads to the advantages already mentioned with regard to claim 1, but it also enables simple and inexpensive production of the combustion carrier element, furthermore it favors its properties with regard to porosity, strength, heat radiation and service life.
  • the invention provides a flame-retarding ceramic for a quasi-flameless gas radiant burner, which preferably works according to the premixing principle, which preferably enables heat generation and heat treatment processes up to 1300 ° C. in connection with exhaust gas post-combustion, and additionally the use of hydrocarbon-containing exhaust gases as fuel directly or at lower concentration than combustion air, which is then a common fuel gas, e.g. Natural gas, which is to be added, is permitted and, with a special choice of materials, can also safely thermally re-burn halogen-containing components in the exhaust gas.
  • a common fuel gas e.g. Natural gas, which is to be added
  • the invention also makes corrosion-sensitive, delicate, metallic construction elements, such as e.g. Screen mesh, fine perforated mesh, fine perforated plates and metal fiber fleeces avoided.
  • the subclaims contain further training features which further improve the solution features according to the invention and lead to conditions for better utilization of the advantages achievable by the invention.
  • combustion carrier elements according to the invention and the method according to the invention are preferably suitable for a multi-layer composite ceramic, in particular with two or three layers.
  • FIGS. 2 and 3 modified configurations of the combustion carrier element according to claim 1,
  • FIG. 4 shows a sleeve-shaped combustion carrier element according to the invention in axial section, which is closed at its downstream end
  • 5 shows a sleeve-shaped combustion carrier element according to the invention in a modified configuration.
  • the combustion carrier element E consists of three layers 1, 2 and 3, which lie transversely to one another with respect to the direction of flow and form a composite body.
  • the upstream fuel-air mixture flow is designated by 4.
  • the fuel-air mixture on the downstream combustion surface 5 of the third layer 3 (or the second layer 2 in the case of a two-layer composite body) forms a flame front 6, which is only indicated in FIGS. 1 and 4 and whose outflow velocity profile is uniform, such as the large number of small arrows in the flame front 6 illustrates.
  • a tubular holder 7 can be used to hold the combustion carrier element E, which holder surrounds the combustion carrier element E on its circumference.
  • the combustion carrier element E is preferably tapered in the form of a step or conically towards the outflow side, as a result of which a step surface 8 is formed which can be engaged by the holder 7 in order to prevent the combustion carrier element from slipping out of the holder 7 unintentionally.
  • the fuel-air mixture 4 is supplied to the combustion carrier element E on the upstream side, e.g. in the holder 7, an increased dynamic pressure occurs in the center of the flow 4, which leads to an increased outflow velocity profile on the outflow side without special guiding devices.
  • the flow resistance of the combustion carrier element E is made larger in the center than in the area surrounding the center, the degree of gas permeability increasing radially progressively. This can e.g. can be achieved by a different porosity.
  • this different gas permeability is created by a thickness of the layer 1 that is progressive towards the center.
  • the layer 1 is thickened in the center on the upstream side, and preferably in the sense of a curvature 9.
  • the exemplary embodiment according to FIG 2 and 3 are dimensioned essentially the same thickness and adapted to the thickening of the layer 1, so that according to FIGS. 1 and 2, except for the edge of the layer 3, the layers 2 and 3 are flat and curved according to FIG. 3.
  • the cavity 11 is designed to be convergent, in particular conical, towards the outflow side, so that with a cylindrical shape of the outer surface 12 of the first layer 1, a thickness diverging towards the outflow side d for the first layer 1.
  • the above-described flow pressure in the front region of the cavity 11 likewise leads to an increased outflow velocity profile on the end face 13 flattened with rounded corners (FIG. 4) or on the particular one
  • the end layer 13 (FIG. 5) of the combustion carrier element E is rounded in a hemispherical shape.
  • the first layer 1 can have a thickness d1 which is larger than the thickness d in the region of the first region which adjoins the rear side Layer 1.
  • the shape of the front end of the cavity 11 is adapted to the outer shape of the first layer 1.
  • such a change in flow, in particular reduction, can also be achieved by a compressed region 14 of the first layer 1 in the front end region.
  • a compressed area 14 can be created by a more or less dense application or coating with a suitable means.
  • Such an agent can not only coat layer 1, but can also penetrate into layer 1. 4 and 5, such a compressed region 14 is in each case created on the outside on the layer 1 in the center region of the combustion carrier element E and is covered by the second layer 2.
  • Such a coating or compression need not be completely sealed, it can also have a lower porosity or gas permeability than the first layer 1.
  • This compressed area 14a extends as far as the second layer 2 or possibly also the third layer 3.
  • the compressed area 14a on the back of the first layer 1 preferably also extends radially inward by a few millimeters.
  • This radial section is designated 14b.
  • a corresponding radial section 14c can also be arranged on the outflow side of the first layer 1, as shown in particular in FIG. 3. In such a case, the second layer 2 or the third layer 3 can cover the section 14c.
  • the upstream holding area in the case of a sleeve-shaped layer 1 is also provided with a compressed area 14a, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the sleeve-shaped layer 1 projects over the layer 2 or possibly also layer 3 on the upstream side by a section 15 required for holding, the outer surface of this section 15 being sealed in the sense of the compressed region 14a.
  • the compressed region 14a preferably extends not only with a radial section 14b on the downstream end face of the first layer 1, but also with a section 14d on the inner wall of the cavity 11.
  • a previously described seal 14 or 14a is preferably a slip coating.
  • Preferred layer thicknesses for layer 1 are between approximately 10 and 50 mm, for the second layer 2 between approximately 1 and 4 mm and for the third layer 3 between approximately 1 and 4 mm, depending on the type of fuel, output, design and form of the fuel / air Mixture.
  • the particularly preferred layer thickness for the second layer 2 is 1.5 mm - 2.5 mm and for the third layer 3 1 to 2 mm.
  • the first layer 1 is preferably made of hollow spherical mullite ceramic. Using similar aggregate sizes, grain sizes, binder quantities and types, the manufacture can also be carried out with other hollow sphere materials in the high temperature range, such as corundum, zirconium oxide, titanium oxide, cordierite, etc.
  • a mullite ceramic with the following composition has proven to be advantageous:
  • Aggregate hollow spherical mullite with aggregate sizes of 0.5 - 5 mm, preferably 0.7 - 1, 5 mm
  • Al2 ⁇ 3 content 72-77% by weight; preferably: 72.9% by weight SiO 2 content: 22-27% by weight; preferably: 24.9% by weight
  • Binder Mixed binder based on alumina, pyrogenic silica and silica sol with the main components:
  • Al2 ⁇ 3 content 72-80% by weight; preferably: 72 - 75%
  • SiO 2 content 19-27% by weight; preferably: 23 - 26%
  • Portion in ceramics 5 - 15% by weight, preferably: 7 - 10% by weight
  • a strengthening agent for example up to 1% by weight of monoaluminum phosphate, preferably in a liquid binder, can be added to the binder. 13
  • Additive / filler fine mullite grain with a grain size of 0.15 mm, preferably 0-0.08 mm, e.g. as enamel mullite quality with the
  • Al2 ⁇ 3 content approx. 76% by weight
  • SiO 2 content approx. 23% by weight
  • the binder is stirred, starting with the mixture of the dry components, with the addition of the silica sol until all components are evenly distributed.
  • the water is introduced through the silica sol, possibly also through the phosphate liquid binder and, in an expanded version, through a commercially available organic thickener, e.g. Methyl cellulose, carboxymethyl cellulose or hydroxyethyl cellulose, which can optionally be added to improve the processing consistency.
  • the mixed binder is continuously added to the dry premixed aggregates and additives (fillers) while the mixing process is continued and mixed until a uniform consistency is achieved.
  • the molding is then preferably carried out by shaking into an appropriate mold, stamping or isostatic pressing.
  • the green body is dried for about two hours to about 180 ° C.
  • Sealing areas 14 or 14a, 14b, 14c which are desired in terms of flow technology are covered or penetrated with a slip coating made of binder, mixed with an increased proportion of filler. Then the firing process takes place between about 1200 and 1600 ° C cooking temperature.
  • the second layer 2 explained at the beginning with regard to its functional effect is preferably described according to the invention using the example of a solid-reinforced mullite fiber aggregate.
  • a solid-reinforced mullite fiber aggregate Refinements based on others Crystalline (single and / or polycrystalline) high-temperature fibers or fiber mixtures with application temperatures approximately above 1500 ° C, such as Al2 ⁇ 3 fibers with
  • the fiber diameter should preferably be in a narrow spectrum above 3 / ⁇ m. Fibers with a diameter of 10 ⁇ m and larger are particularly preferred.
  • the fiber length should be in the range 0-5 mm, preferably 0-3 mm.
  • Proportion in the starting material 40-80% by weight, preferably 50-70% by weight
  • Inorganic binders preferably mixed binders, matched to the fiber and filler quality from colloidal solutions / precursors of Al2O3, SiO2 and ZrO2, eg mixed binders made of colloidal Al2O3 and colloidal SiO2 adjusted to a content of main components of 15
  • an addition of clay in the order of 0-30% by weight can be added to the above-mentioned ceramic starting material.
  • a burnout material is added to the ceramic starting material, preferably in a fibrous or splintered form with a diameter of less than about 0.5 mm and a length of less than or equal to about 3 mm, e.g. in the form of synthetic fiber cutting, natural fiber cutting or wood flour.
  • the proportion added is: 30-70% by weight (based on the anhydrous starting material).
  • a commercially available thickener preferably in the form of a cellulose, e.g. in the quality of methyl cellulose, carboxymethyl cellulose or hydroxyethyl cellulose with a proportion of 0.2-5% by weight of dry substance (based on the dry starting material) in 1% aqueous solution.
  • a gas-developing substance is added to the ceramic starting material, which in connection with an increase in temperature causes a blowing reaction in the layer with corresponding porosity.
  • the relative proportion is 10-30% by weight (reactive substance, based on the anhydrous starting material).
  • the elimination of oxygen in the thermal / catalytic decomposition of H2O2 can advantageously be used, preferably about 10-30 percent aqueous solutions being used.
  • the second layer 2 can be produced, for example, by wet dispersing a fiber section of the length 3 mm of the aforementioned mullite fiber in order to gently disintegrate the fibers.
  • the combustible aggregate e.g. as wood flour (sieve passage 0.5 mm) with an elongated, splintered shape, added and stirred again until evenly distributed.
  • the inorganic filler e.g. Mullitfeinkom
  • the binder e.g. the Al2 ⁇ 3_Si ⁇ 2 mixed binder with 77% AI2O3 and 23% Si ⁇ 2, as well as the organic thickener, e.g.
  • Hydroxyethyl cellulose in 1 percent aqueous solution added and evenly distributed with stirring. The mass is kept below 20 ° C if necessary by cooling the individual components.
  • gas evolving substance e.g. H2O2
  • the gas evolving substance e.g. H2O2 in 10% or preferably 30% aqueous solution, added and evenly distributed in the mass. The mass is raised by adding water
  • the ceramic is at
  • the dried second layer 2 is preferably sanded with which the layer thickness is adjusted, e.g. 2 mm. Sanding after drying is also advantageous for the first layer 1.
  • the third layer 3 explained at the beginning with regard to its functional effect as a flame carrier layer is explained here using the example of a mullite fiber pile with a modified structure.
  • the second one Layer 2 described geometric requirements for the fiber materials in terms of diameter and length also apply to the third layer 3.
  • the ceramic starting material from the third layer 3 is formed by
  • Proportion in the starting material 20-60% by weight, preferably 30-50% by weight (based on anhydrous substance)
  • Proportion in the starting material 5-40% by weight, preferably 10-30% by weight (based on anhydrous substance)
  • - inorganic binders preferably mixed binders, matched to the fiber and filler quality from colloidal solutions / precursors of Al2O3, SiO2 and Z1O2, for example mixed binders from colloidal A1 2 ° 3 ' si0 2 ie * ⁇ layer 2
  • Proportion in the starting material 5 - 30% by weight, preferably 10 - 20% by weight (based on anhydrous substance)
  • - radiation-active inorganic aggregate material with a preferred grain size of 0-0.15 mm, e.g. SiC, Cr2 ⁇ 3, Cr2 ⁇ 3 spinels, Fe2 ⁇ 3 spinels etc.
  • the aforementioned ceramic starting material can be added in the order of clay
  • a burnout material preferably in a fibrous or splintered form, is mixed into the ceramic starting material in the geometry and material configuration described for layer 2.
  • the proportion added is: 30-50% by weight
  • the ceramic starting material is also a commercially available thickener of the quality described for layer 2, with a proportion of
  • a gas-developing substance according to the description of layer 2 is also added to the ceramic starting material, the reactive portion
  • Layer 3 is produced in an analogous manner to layer 2.
  • the same type and size of the burnout material is added in the basic version.
  • melt mullite fine grain and SiC fine grain are premixed as solid additives in the weight percentages described for layer 3 and added to the mass and incorporated.
  • the above-mentioned Al2O3-SiO2 binder and then the thickener are then added in modified proportions by weight and uniformly 95/03511
  • a surface formed by sanding after drying is also advantageous for the third layer 3. This improves the gas flow and the layer thickness can also be adjusted.
  • the quality of the burnout material can be varied, e.g. Synthetic fiber section with a length of approximately 3 mm and a diameter of less than approximately 0.5 mm.
  • the mixed binder can be varied, for example by adding a colloidal solution / precursor of Z1 2, which can partially or completely replace the colloidal SiO 2 solution.
  • the ceramic After completion of the driving process and drying, preferably about twelve hours at about 40 ° C, the ceramic is fired between about 1200 ° C and 1600 ° C depending on the material structure of the layers.
  • the layer thickness is reproducibly set, for example to about 2 mm, by sanding the outer layer 3 or possibly also second layer 2.
  • the material selection is determined by the specific requirements of the respective application process, in particular the exhaust gas components in the case of the treatment of gaseous waste products by thermal oxidation. Form and performance requirements have a decisive influence on the geometry. With knowledge of the combustion mechanism, the resistances can be controlled by the three- or possibly also multi-layer structure and reduced by air analog flow tests so that the flame root can be kept in the ceramic of the outer layer over a wide power range and a wide air ratio and thus a NOx -Low and almost CxHy- and C ⁇ -free product leaves the burning surface.
  • the first layer 1 is flowed through and flowed through by the fuel-air mixture 4. It distributes the mixture as evenly as possible over the focal surface 5 according to the flow resistance and causes a slight Preheating and postmixing.
  • preheating is intensified and the flow profile is further homogenized.
  • the mixture is brought up to the reaction temperature.
  • the actual flame sits as a front in or directly on layer 3 and makes it glow.
  • the outflowing exhaust gases are illustrated by reference number 6.
  • Such a ceramic is held in a gastight manner via a suitable media feed including attachment 7.
  • the combustible mixture supplied in the ceramic is ignited by a suitable device on the surface, the combustion exhaust gases are fed to a combustion chamber and, depending on the process, more or less intensive heat removal is realized.

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Abstract

Verbrennungsträgerelement (E), insbesondere für quasi-flammenlose Oberflächenbrenner, bestehend aus einem eine Vielzahl Durchlaßöffnungen aufweisenden keramischen Material, ist das keramische Material, eine poröse hohlkugelförmige Haufwerkskeramik, vorzugsweise als Zwei-, Drei- oder Mehrschichtverbundkeramik (1, 2, 3) ausgebildet.

Description

Keramisches Verbrennungsträgerelement für Flächenbrenner und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein keramisches Verbrennungsträgerelement, vorzugsweise in Form eines keramischen Verbundkörpers in Oberflächenstrahlungsbrennern für industrielle Umwandlungs- und Erwärmungsprozesse im Temperaturbereich bis insbesondere etwa 1300°C und ein Verfahren seiner Herstellung.
Oberflächenstrahlungsbrenner sind insbesondere für Rau beheizungs- und Trocknungszwecke im Infrarotbereich sowie als schadstoffarme Verbrennungseinheiten im Heizungs- und Kesselbereich in vielfältigen Versionen im Einsatz. Hier werden vor allem die Möglichkeiten eines schadstoffarmen Betriebes bei Anwendungstemperaturen bis 1000°C genutzt.
Es lassen sich im allgemeinen zwei Grundtypen unterscheiden, nämlich Vielflammenflächenbrenner und quasi-flammenlose Oberflächenbrenner.
Vielflammenflächenbrenner zeichnen sich dadurch aus, daß sich von der Brenneroberfläche ausgehend viele Einzelflammen bilden, die sich in bestimmten Leistungsbereichen zu einer Flammenfront vereinigen können.
Es werden u. a. stabile gelochte oder geschlitzte Flammen trägerelemente eingesetzt, um die Lebensdauer gegenüber metallischen Flammenträgem zu verbessern, wie z.B. in DE-A-4041 061 beschrieben, aus der ein keramisches Verbrennungsträgerelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu entnehmen ist.. Aus Gründen der Flammenrückschlagsicherheit bleibt die Wärmeauskopplung relativ gering. Die Stickoxidbildung ist höher als in vergleichbaren quasi-flammenlosen Oberflächenbrennern. Der Arbeitsbereich wird durch eine höhere CO- und CxHy- Fracht zusätzlich eingeengt. Das trifft auch für haufwerksporige Keramiken, wie z.B. in EP-A-0 056 757 beschrieben, zu. Die hier eingesetzten Binder, Ton oder Bentonit, lassen in Verbindung mit der erforderlichen Flammenrückschlagsicherheit nur bei geringem Temperaturgefälle über die Schichtdicke der Keramik eine hinreichende Lebensdauer im zyklischen Betrieb erwarten. Hinzu kommt bei dem beschriebenen niedrigen Druckverlust der Keramik im Falle der einseitig geschlossenen Zylinderform eine zu erwartende Ungleic mäßigkeit der Flammenverteilung mit erhöhtem Energieaustrag zum geschlossenen Kopfende hin.
Eine zweite Gruppe bilden die quasi-flammenlosen Oberflächenbrenner. Bei diesem Brennertyp sitzt die Flammenwurzel in einem gewissen Leistungsbereich in der Oberflächenschicht des Verbrennungsträgers und bringt diese zum Glühen. Durch die Auskopplung von erheblichen Anteilen an Strahlungswärme wird die Verbrennungstemperatur der durch den Flammenträger geleiteten Brennstoff- Luftgemische abgesenkt und die NOx-Bildung deutlich unterdrückt. Oberhalb einer bestimmten Brennerleistung und bei hohem Verbrennungsluftüberschuß löst sich auch bei diesen Brennern die Flamme von der Oberfläche ab und bewirkt eine Verschlechterung der Abgashygiene. Eine wesentliche Form dieses Brennertyps basiert auf Strahlungsverbrennungselementen aus keramischen Fasern, die durch Vakuumformgebung in Verbindung mit Bindern vorzugsweise auf einem Metallsieb abgeschieden werden. Ausgestaltungen dieser Form sind z.B. in EP-A-0 382 674, EP-A-0 397 591; US-A-4 416 619; DE-A-3 311 953; US-A-3 179 156;
US-A-3 275 497 und US-A-4 519 770 beschrieben.
Die in EP-A-0382 674 und EP-A-0 397 591 beschriebenen Flam enträgerlösungen lassen einen sehr geringen Regelbereich erwarten. Die gemäß Beschreibung mit Alumina-Coating vernetzte dicke Faserschicht ist mechanisch anfällig, insbesondere empfindlich gegen jegliche Handhabung, gegen Erschütterung und neigt verstärkt zu Erosion beim thermischen Alterungsprozeß. Die geschlossene Brennerkopfform läßt eine Stauwirkung mit ungleicher Verteilung der Flamme auf dem Keramikmantel und damit eine Verschlechterung der Abgashygiene sowie erhöhte Erosion von Fasern in diesem Bereich (Hot-Spot-Bildung) erwarten.
Allgemein setzt die Binderstruktur mit den angestrebten Gamma- und Theta-Phasen des AI2O3 als Hauptbinderbestandteil, ie in TJS-A-4 416 619 und DE-A-3 311 953 beschrieben, sowohl für die Wärmebehandlung zur Beseitigung des Porenbildners als auch für die spätere Einsatztemperatur der Faserkeramiken Grenzen, die bei etwa 1100°C liegen. Es ist weniger die gaschemische Wirkung entscheidend, es sei denn, daß die große Oberfläche der Gamma- und Theta-Phasen in Verbindung mit katalytischen Zusätzen benötigt wird. Wichtig ist hier die Versprödung der Oberflächenschicht durch Phasenübergang des AI2O3 in die Alpha-Phase oberhalb etwa 982,2°C (siehe DE-A-3 311 953). Beim Einsatz von amorphen Aluminium- Silikat-Fasern des z.B. in US-A-3 179 156 und US-A-3 275 497 beschriebenen Typs kommt deren Rekristallisationsreaktion hinzu. In Verbindung mit der durch die Vakuumformgebung bewirkten Ausbildung von Vorzugslagen der Fasern ist bei längerem Betrieb um 1000°C und darüber hinaus Rißbildung bis hin zur Abplatzgefahr in der sich ausbildenden versprödeten Faseroberschicht zu erwarten.
Die speziell in DE-A-3 311 953 und US-A-4 416 619 vorgeschlagenen Maßnahmen zur Vorkerbung der Oberfläche sollen längere Risse und größere Abschalungen verhindern, stellen aber langfristig selbst Vorzugsgebiete für Rißwachstum und Erosion dar.
Ein weiterer Nachteil dieser Keramik ist die Neigung zur punktuellen Erosion an Schwachstellen und in Gebieten erhöhten Drucks, insbesondere im Kopfbereich einseitig geschlossener Zylinder. Die einsetzende Hot-Spot-Bildung schreitet mit der thermischen Alterung fort und verschlechtert die ansonsten anfanglich sehr günstige Abgashygiene dieses Brennertyps hinsichtlich NOx-, CO- und CxHy-Fracht und beeinflußt das Brennerstartverhalten negativ.
Strahlungsbrenner auf der Basis von keramischen Fasergeweben als Flammenträger auf porösem Metallträger, wie in US-A-4 599 066; US-A-4 721 456 oder z.B. in DE-A-3 504 601 beschrieben, versuchen, die Nachteile der vakuumgeformten Faserkeramik hinsichtlich Festigkeit und Langzeitstabilität zu vermeiden.
Bei hohen Leistungen und hohen Betriebstemperaturen wird die Befestigung des Fasergewebes auf dem Metallschirm durch Eigendehnung problematisch. Örtliche Abhebeerscheinungen des Faservlieses mit der Gefahr des Flammenrückschlags sind gegeben. Die mit US-A-4 721 456 angestrebte Verbesserung beinhaltet metallische Befestigungselemente, die die Einsatztemperatur begrenzen und druck- und leistungsabhängige mögliche Veränderungen der Porenform über längere Betriebsdauer und Zyklen nicht verhindern.
Metallische Faserstrahlungsbrenner, wie z.B. in EP-A-0 157 432, EP-A-0227 131 und EP-A-0390255 beschrieben, haben mechanische Vorteile, besitzen aber eine werkstoffbedingte Einsatzgrenze von 1150°C Oberflächentemperatur, sind aufgrund der erforderlichen hochwertigen Sonderstahlfaserqualitäten sehr teuer und erwartungsgemäß heißkorrosionsanfälliger als Keramiken bei kritischen Abgasbestandteilen, wie z.B. Halogenwasserstoffen. EP 0 187 508 A3 bezieht sich auf ein Verbrennungsträgerelement, das aus einem porösen, durch Formen und Sintern eines Ausgangsmaterials aus keramischen Pulver, Binder und anorganischen Fasern gebildeten porösen Verbrennungsköφer besteht, der zusätzlich zu seiner Porosität eine Vielzahl vorzugsweise gebohrter Durchgangslöcher aufweist, siehe insbesondere S. 5, letzter Abs. bis S. 7, erster Abs.
EP-A-0410569 AI bezieht sich sich auf einen plattenförmigen porösen Verbrennungskörper, der von einem Metallsieb getragen ist und aus zwei, sich quer zur Durchgangsrichtung erstreckenden Blöcken besteht, von denen der zweite Block eine Porosität mit größeren Durchgangsöffnungen aufweist. Eine Erklärung über den tatsächlichen Strömungswiderstand ist nicht zu entnehmen. Der zweite Block kann mit Metalloxid beschichtet oder imprägniert sein, siehe Sp. 7, Z. 45 bis 55.
EP-A-0 530 630 AI, offenbart einen porösen Verbrennungskörper mit mehreren Zonen, in denen die Struktur, bzw. Porosität sich von innen nach außen verfeinert. Auch aus dieser Druckschrift ist eine Erklärung über den tatsächlichen Strömungswiderstand nicht zu entnehmen.
Aus der AU-B-25742/67 ist ein poröser Verbrennungskörper zu entnehmen, der zur Vermeidung eines Flammenrückschlags eine poröse Schicht aufweist, die durch Auftrag einer Aluminiumpulver und -fasern aufweisenden Schlämme gebildet ist.
FR-A-2 222 329 bezieht sich auf einen porösen Verbrennungskörper mit unterschiedlichem Strömungswiderstand, so daß sich im Betrieb eine Pilotflamme ergibt.
In WO-A-84 04376 ist ein Fasern enthaltender poröser Verbrennungskörper beschrieben, dessen Mantelfläche abgedichtet ist, siehe insbesondere S. 5, letzter Abs.
Aus US-A-3 208 247 ist ein plattenförmiger, hülsenförmiger oder kugelförmiger poröser Verbrennungskörper schaumförmiger oder faserförmiger Struktur beschrieben, der an seiner Brennfläche beschichtet sein kann, siehe insbesondere Sp. 3. In Z. 16 bis 21 ist ein Ausbrennstoff zur Verbesserung der porösen Struktur beschrieben.
US-A-4 189 294 bezieht sich auf eine flammenlose Verbrennung in einer Katalysatorzone und ist als weiter entfernt liegender Stand der Technik zu werten. In der US-A-4 889 481 sind ein plattenförmiger oder hülsenförmiger poröser Verbrennungsköφer aus Keramikmaterial beschrieben, wobei der Körper zwei Schichten unterschiedlicher Porosität aufweist, siehe Sp. 4, Z. 22. Des weiteren kann die äußere Stirnfläche des der ersten Schicht und im wesentlichen alle Flächen der zweiten Schicht mit einer Keramik-Beschichtung versehen sein, siehe abstract.
Aus der US-A-4 814 300 ist ein Formköφer aus porösem keramischen Material zu entnehmen, bestehend aus einem aufschäumbaren Ausgangswerkstoff mit einem Gemisch aus Alkalisilikaten, Alkalialu minaten und keramischen Partikeln. Hierbei handelt es sich um einen porösen Köφer für verschiedene Verwendungszwecke, unter anderem auch Brennöfen.
US-A-4 643 667 beschreibt einen porösen Verbrennungskörper, bestehend aus zwei Schichten, von denen die erste Schicht eine geringe und die zweite Schicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Außerdem sind die beiden Schichten von unterschiedlicher Porosität, siehe Sp. 5, Z. 25 und folgende.
Aus US-A-3 322 179 ist ein poröser Verbrennungskörper zu entnehmen, der aus im wesentlichen kugelförmigen Partikeln besteht, wobei die Größe der Partikel von innen nach außen zunimmt. Die Partikel sind zusammengebacken (gesintert), siehe Sp. 4, letzter Abs., und sie können einen katalytischen Überzug aufweisen.
In dem Auszug der japanischen Patentverδffentlichung JP-A-62 258 917 ist ein poröser Verbrennungskörper beschrieben, der aus kugelförmigen keramischen Partikeln besteht, die durch einen Binder miteinander zu einem festen Körper verbunden sind.
In der US-A-4 039480 ist ein Verfahren zum Herstellen von im wesentlichen kugelförmigen Pelets und deren Verwendung als Katalysator beschrieben. Die kugelförmigen Pelets enthalten einen brennbaren Stoff, und sie sind außen mit einem keramischen Pulver beschichtet. Sie lassen sich aufgrund dieser Beschichtung unter Hitzeeinwirkung zusammensintern, wobei der brennbare Stoff ausgebrannt wird und hohle Keramikbälle gebildet werden. Die Keramik kann ein Aluminosilikat wie Mullit sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsträgerelement zu schaffen, das bei Gewährleistung einer großen Korrosionsfestigkeit, Stabilität und Lebensdauer zum einen dem Brennstoff eine gute Durchströmung und zum anderen eine gute und störungsfreie Verbrennung auch bei hohen Temperaturen, insbesondere bis etwa 1300°C, ermöglicht.
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, in einem ausreichenden Leistungsbereich von mindestens 1:2,5 eine hohe Verbrennungsgüte mit minimaler NOx-Bildung und nahezu vollständiger Vermeidung von CO- und CxHy-Bildung zu erreichen.
Der Erfindung liegt im weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsträgerelement zu schaffen, das sich einfach und kostengünstig mit befriedigender Porosität sowie thermischer und mechanischer Stabilität herstellen läßt.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsträgerelement so auszugestalten, daß an seiner Verbrennungsoberfläche ein bestimmtes, insbesondere gleichmäßiges Abströmungsgeschwindigkeitsprofil, bzw. Flammenverteilung entsteht.
Es ist im weiteren auch noch ein Ziel der Erfindung, ein Verbrennungsträgerelement zu schaffen, das bei Gewährleistung einer einfachen Ausgestaltung eine einfache Halterung des Verbrennungsträgerelemts mit einem geringen Montage- oder Halterungsaufwand in einem Brenner gestattet.
Das erfindungsgemäße Verbrennungsträgerelement nach Anspruch 1 weist eine poröse, kugel- oder hohlkugelförmige Haufwerkskeramik auf. Eine solche Haufwerkskeramik läßt sich einfach und kostengünstig herstellen und führt außerdem bei zufriedenstellender Festigkeit zu einer vorteilhaften Porosität und einer störungsfreien und gleichmäßigen Gasdurch Strömung. Das erfindungsgemäße
Verbrennungsträgerelement kann als Nachmischer und Gemischverteiler für das durchströmende Brennstoff-Luftgemisch dienen. Aufgrund der vorhandenen porösen Haufwerkskeramik besitzt das Verbrennungsträgerelement einen hinreichenden Strömungswiderstand, um einen Flammenrückschlag zu verhindern. Außerdem ist die Porosität von befriedigender Gleichmäßigkeit, was zu einem weitgehend gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeitsprofil führt. Es ist im weiteren vorteilhaft, die erfindungsgemäße Keramik vorzubrennen und zwar mindestens bis zu einer solchen Temperatur, daß sie ausreichend Festigkeit besitzt, um als Flammenhalter langer Lebensdauer fungieren zu können. Das erfindungsgemäße Verbrennungsträgerelement nach Anspruch 1 und auch das mehrschichtige keramische Verbrennungsträgerlement nach Anspruch 9 eignen sich sowohl für Vielflammenflächenbrenner als auch für quasi-flammenlose Oberflächenbrenner, wobei das Verbrennungsträgerelement sich insbesondere für einen quasi-flammenlosen Oberflächenbrenner eignet und zwar insbesondere deshalb, weil die zweite oder eine weitere, abströmseitig angeordnete Schicht die Halterung der Flammenwurzel in ihrer Oberflächenschicht begünstigt. Aufgrund der Ausbildung dieses Verbrennungsträgerelements als Verbundteil ist das erfindungsgemäße Verbrennungsträgerelement nicht nur von großer thermischer sondern auch mechanischer Stabilität.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 9 verbessert die Gasabströmung, wobei die Gefahr von Flammenrückschlägen beseitigt oder zumindest weitgehend vermindert wird.
Es ist bei Flächenbrennem ohne gesonderte Strömungsleit- und Verteilungseinrichtungen festzustellen, daß im Zentrum der Brennstoffströmung sich abströmseitig höhere Strömungsgeschwindigkeiten einstellen, was zu einer ungleichmäßigen Flammenbildung führt. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 18 behoben.
Die durch die erfindungsgemäßen Merkmale erzielbare Beeinflussung des strukturellen Schichtaufbaus kann durch die Kombination eines Gastreibeprozesses mit einem Ausbrennprozess erfolgen, wobei ein verbrennungstechnisch günstiges offenes Makro- und Mikroporenspektrum im Bereich äquivalenter Porendurchmesser von > 0 bis ca. 1 mm in den Schichten erzielt wird und gleichzeitig eine multidirektionale Vernetzung (Armierung) des Haufwerks durch Faserwerkstoffe bewirkt wird, die die Temperaturwechselbeständigkeit der Schichten sehr positiv beeinflußt.
Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eignen sich sowohl für eine scheibenförmige Form als auch für eine hülsenförmige oder topfförmige Form des Verbrennungsträgerelements .
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 30 führt nicht nur zu den bezüglich Anspruch 1 bereits genannten Vorteilen, sondern es ermöglicht auch eine einfache und kostengünstige Herstellung des Verbrennungsträgerelements, im weiteren begünstigt es dessen Eigenschaften hinsichtlich Porosität, Festigkeit, Wärmeabstrahlung und Lebensdauer.
Durch die Erfindung wird eine Flam enträgerkeramik für einen vorzugsweise nach dem Vormischprinzip arbeitenden quasi-flammenlosen Gas-Strahlungsbrenner bereitgestellt, die vorzugsweise in Verbindung mit einer Abgasnachverbrennung Wärmeerzeugungs- und Wärmebehandlungsprozesse bis 1300°C ermöglicht, dabei zusätzlich den Ensatz kohlenwasserstoffhaltiger Abgase als Brennstoff direkt oder bei niedriger Konzentration als Verbrennungsluft, der dann ein gebräuchliches Brenngas, z.B. Erdgas, beizumischen ist, gestattet und bei spezieller Werkstoffauswahl außerdem halogenhaltige Bestandteile im Abgas sicher thermisch nachverbrennen kann.
Durch die Erfindung werden außerdem im Flammen trägerbereich korrosionsempfindliche, feingliedrige, metallische Konstruktionselemente, wie z.B. Siebgewebe, Feinlochgewebe, Feinlochbleche und Metallfaservliese, vermieden.
In den Unteransprüchen sind Weiterbildungsmerkmale enthalten, die die erfindungsgemäßen Lösungsmerkmale weiter verbessern und Voraussetzungen für eine bessere Ausnutzung der durch die Erfindung erzielbaren Vorteile fuhren.
Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen nach Anspruch 27 bis 29 dienen der Verbesserung der Abdichtung des Verbrennungsträgerelements in seinem Halterungsbereich.
Die erfindungsgemäßen Verbrennungsträgerelemente und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich vorzugsweise für eine Mehrschicht-Verbundkeramik, insbesondere mit zwei oder drei Schichten.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes scheibenförmiges Verbrennungsträgerelement im axialen Schnitt, Fig. 2 und 3 abgewandelte Ausgestaltungen des Verbrennungsträgerelements nach Anspruch 1,
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes hülsenförmiges Verbrennungsträgerelement im axialen Schnitt, das an seinem abströmseitigen Ende geschlossen ist, Fig. 5 ein erfindungsgemäßes hülsenförmiges Verbrennungsträgerelement in abgewandelter Ausgestaltung.
Bei allen vorbeschrieben Ausführungsbeispielen besteht das Verbrennungsträgerelement E aus drei Schichten 1, 2 und 3, die bezüglich der Durchströmungsrichtung quer aufeinanderliegen und einen Verbundkörper bilden. Die anströmseitige Brennstoff-Luftgemisch-Strömung ist mit 4 bezeichnet. Im Brennbetrieb der Verbrennungsträgerelemente E bildet das Brennstoff-Luftgemisch an der abströmseitigen Brennfläche 5 der dritten Schicht 3 (oder der zweiten Schicht 2 bei einem zweischichtigen Verbundköφer) eine nur in den Fig. 1 und 4 andeutungsweise dargestellte Flammenfront 6, deren Abströmungsgeschwindigkeitsprofil gleichmäßig ist, wie die Vielzahl kleiner Pfeile in der Flammenfront 6 verdeutlicht.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 3 kann zur Halterung des Verbrennungsträgerelements E ein rohrförmiger Halter 7 dienen, der das Verbrennungsträgerelement E an seinem Umfang umschließt. Vorzugsweise ist das Verbrennungsträgerelement E zur Abströmseite hin stufenförmig oder konisch verjüngt, wodurch eine Stufenfläche 8 gebildet ist, die vom Halter 7 hintergriffen sein kann, um ein ungewolltes Herausrutschen des Verbrennungsträgerelements aus dem Halter 7 zu verhindern.
Das Brennstoff-Luftgemisch 4 wird dem Verbrennungsträgerelement E anströmseitig zugeführt, z.B. im Halter 7, dabei stellt sich im Zentrum der Strömung 4 ein erhöhter Staudruck ein, der ohne besondere Leiteinrichtungen abströmseitig zu einem in diesem Bereich vergrößerten Abströmungsgeschwindigkeitsprofil führt. Um in einem solchen Fall ein gleichmäßiges Abströmungsgeschwindigkeitsprofil zu erhalten, kann z.B. der Strömungswiderstand des Verbrennungsträgerlements E im Zentrum größer ausgebildet werden, als im das Zentrum umgebenden Bereich, wobei das Maß der Gasdurchlässigkeit radial progressiv zunimmt. Dies kann z.B. durch eine unterschiedliche Porosität erreicht werden.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 wird diese unterschiedliche Gasdurchlässigkeit durch eine zum Zentrum hin progressiv ausgebildete Dicke der Schicht 1 geschaffen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Schicht 1 anströmseitig im Zentrum verdickt und zwar vorzugsweise im Sinne einer Wölbung 9. Im Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine solche Verdickung an der Schicht 1 abströmseitig vorgesehen, vorzugsweise ebenfalls durch eine Wölbung 9. Die Schichten 2 und 3 sind im wesentlichen gleich dick bemessen und an die Verdickung der Schicht 1 angepaßt, so daß gemäß Fig. 1 und 2 bis auf den Rand der Schicht 3 die Schichten 2 und 3 eben und gemäß Fig. 3 gewölbt geformt sind.
Ein ähnliches Problem ergibt sich bei einem hülsen- oder topfför igen Verbrennungsträgerelement nach Fig. 4 und 5. Bei einer solchen Form stellt sich der vergrößerte Strömungsdruck im vorderen Bereich des Verbrennungsträgerelements ein, was durch physikalische Gesetzmäßigkeiten vorgegeben ist.
Um bei einem hülsenförmigen Verbrennungsträgerelement E ein gleichmäßiges Abströmungsgeschwindigkeitsprofil 6 an seiner Umfangsfläche zu erreichen, ist der Hohlraum 11 zur Abströmseite hin konvergent, insbesondere konisch, ausgeführt, so daß bei einer zylindrischen Form der Mantelfläche 12 der ersten Schicht 1 sich eine zur Abströmseite hin divergierende Dicke d für die erste Schicht 1 ergibt.
Bei einer Ausführungsform des Verbrennungsträgerelements E im Sinne einer abströmseitig geschlossenen Hülse gemäß Fig. 4 und 5 führt der vorbeschriebene Strömungsdruck im vorderen Bereich des Hohlraums 11 ebenfalls zu einem vergrößerten Abströmungsgeschwindigkeitsprofil an der mit gerundeten Ecken abgeflachten Stirnseite 13 (Fig. 4) oder an der insbesondere halbkugelformig gerundeten Stirnseite 13 (Fig. 5) des Verbrennungsträgerelements E. Um auch an der Stirnseite 13 ein gleichmäßiges Abströmungsgeschwindigkeitsprofil zu erhalten, kann die erste Schicht 1 eine Dicke dl aufweisen, die größer bemessen ist als die Dicke d im sich rückseitig anschließenden Bereich der ersten Schicht 1. Das vordere Ende des Hohlraumes 11 ist bezüglich seiner Form an die Außenform der ersten Schicht 1 angepaßt.
Wie es die Fig. 4 und 5 zeigen, kann eine solche Strömungsveränderung, insbesondere -reduzierung auch durch einen verdichteten Bereich 14 der ersten Schicht 1 im stirnseitigen Endbereich erreicht werden. Ein solcher verdichteter Bereich 14 kann durch einen mehr oder weniger dichten Auftrag bzw. Überzug mit einem geeigneten Mittel geschaffen werden. Dabei kann ein solches Mittel die Schicht 1 nicht nur überziehen, sondern es kann auch in die Schicht 1 penetrieren. Bei den Ausgestaltungen gemäß Fig. 4 und 5 ist ein solcher verdichteter Bereich 14 jeweils außenseitig auf der Schicht 1 im Zentrumbereich des Verbrennungsträgerelements E geschaffen und durch die zweite Schicht 2 abgedeckt. Ein solcher Überzug bzw. eine solche Verdichtung braucht nicht völlig dicht zu sein, sie kann auch eine geringere Porosität bzw. Gasdurchlässigkeit aufweisen, wie die erste Schicht 1.
Um im Halterungsbereich der Verbrennungsträgerelemente E mit einfachen Mitteln eine Abdichtung am Halter 7 zu verbessern und somit eine quer gerichtete Leckströmung am Halter 7 zu vermeiden, ist jeweils die vom Halter 7 umgebene Umfangsfläche bzw. Halterungsfläche im Sinne eines vorbeschriebenen verdichteten Bereichs abgedichtet, so daß in diesem Flächenbereich ein Austritt des Brennstoff-Luftgemisches nicht möglich ist. Dieser verdichtete Bereich 14a erstreckt sich bis zu der zweiten Schicht 2 oder ggf. auch vorhandenen dritten Schicht 3. Vorzugsweise erstreckt sich der verdichtete Bereich 14a an der Rückseite der ersten Schicht 1 auch um ein paar Millimeter radial einwärts. Dieser radiale Abschnitt ist mit 14b bezeichnet. Ggf. kann ein entsprechender radialer Abschnitt 14c auch abströmseitig an der ersten Schicht 1 angeordnet sein, wie es insbesondere Fig. 3 zeigt. In einem solchen Fall kann die zweite Schicht 2 oder auch die dritte Schicht 3 den Abschnitt 14c überdecken.
In vergleichbarer Weise ist auch der anströmseitige Halterungsbereich bei einer hülsenförmigen Schicht 1 mit einem verdichteten Bereich 14a versehen, wie es die Fig. 4 und 5 zeigen. Hier überragt die hülsenförmige Schicht 1 die Schicht 2 oder ggf. auch Schicht 3 anströmseitig um einen zur Halterung erforderlichen Abschnitt 15, wobei die Mantelfläche dieses Abschnitts 15 im Sinne des verdichteten Bereichs 14a abgedichtet ist. Vorzugsweise erstreckt sich der verdichtete Bereich 14a nicht nur mit einem radialen Abschnitt 14b an der abströmseitigen Stirnseite der ersten Schicht 1, sondern auch mit einem Abschnitt 14d auf der Innenwandung des Hohlraums 11.
Bei einer vorbeschriebenen Abdichtung 14 oder 14a handelt es sich vorzugsweise um einen Schlickerüberzug.
Bevorzugte Schichtstärken liegen für Schicht 1 zwischen etwa 10 und 50 mm, für die zweite Schicht 2 zwischen etwa 1 und 4 mm und für die dritte Schicht 3 zwischen etwa 1 und 4 mm je nach Brennstoffart, Leistung, Bauform und Vordruck des Brennstoff/Luft-Gemisches. Die besonders bevorzugte Schichtstärke für die zweite Schicht 2 beträgt 1,5 mm - 2,5 mm und für die die dritte Schicht 3 1 bis 2 mm. Insbesondere in einem Leistungsbereich von etwa 150 kW/m^ bis etwa 400 kW/m^ (Brennstoffeinsatzleistung bezogen auf die Oberfläche des Verbrennungsträgerelements) und Gemischvordrücken von etwa 20 bis 80 mm WS, bezogen auf Erdgas-, Luftgemische, ergeben sich unter diesen Bedingungen stabile Verbrennungsverhältnisse, die eine große Variationsbreite des Verbrennungsluftverhältnisses gestatten und eine nahezu vollständige oxidative Umsetzung des Brennstoffs gewährleisten.
Die erste Schicht 1 besteht vorzugsweise aus Hohlkugel-Mullitkeramik. Unter Verwendung analoger Aggregatgrößen, Körnungen, Bindermengen und -arten ist die Herstellung auch mit anderen Hohlkugelwerkstoffen des Hochtemperaturbereiches, wie beispielsweise Korund, Zirkonoxid, Titanoxid, Cordierit usw. realisierbar.
In Verbindung mit dem Anwendungsfall Verbrennungstechnik/Abgasbehandlung und vorzugsweise dem vorgenannten Mehrschichtaufbau der Gesamtkeramik hat sich eine Mullitkeramik der folgenden Zusammensetzung als vorteilhaft herausgestellt:
Aggregat: Hohlkugelmullit mit Aggregatgrößen von 0,5 - 5 mm, vorzugsweise 0,7 - 1 ,5 mm
Al2θ3-Gehalt : 72 - 77 Gew.-%; vorzugsweise : 72,9 Gew.-% Siθ2-Gehalt : 22 - 27 Gew.- ; vorzugsweise : 24,9 Gew.-%
Anteil in der Keramik : 75 - 92 % Gew.-% vorzugsweise : 78 - 82 Gew.-%
(bezogen auf wasserfreie Substanz)
Binder: Mischbinder auf der Basis Tonerde, pyrogene Kieselsäure und Kieselsol mit den Hauptbestandteilen:
Al2θ3-Gehalt : 72 - 80 Gew.- ; vorzugsweise : 72 - 75 %
Siθ2-Gehalt : 19 - 27 Gew.-%; vorzugsweise : 23 - 26 %
Anteil in der Keramik : 5 - 15 % Gew.- vorzugsweise : 7 - 10 Gew.-
(bezogen auf wasserfreie Substanz)
zur Verbesserung der Grünfestigkeit kann dem Binder in weiterer Ausgestaltung ein Verfestiger, z.B. bis zu 1 Gew.-% Monoaluminiumphosphat, vorzugsweise in einem Flüssigbinder, zugesetzt werden. 13
Zuschlag¬ stoff/Füller: Mullitfeinkorn mit der Körnung 0, 15 mm vorzugsweise 0 - 0,08 mm, z.B. als Schmelzmullitqualität mit den
Hauptbestandteilen
Al2θ3-Gehalt : ca. 76 Gew.-%
Siθ2-Gehalt : ca. 23 Gew.-
Anteil in der Keramik : 3 - 10 Gew.-% (bezogen auf wasserfreie Substanz)
Zur Herstellung eines Grünköφers wird der Binder, beginnend mit der Mischung der Trockenbestandteile, unter Zugabe des Kieselsols bis zur gleichmäßigen Verteilung aller Bestandteile gerührt. Der Wassereintrag erfolgt über das Kieselsol, ggf. zusätzlich auch durch den Phosphatflüssigbinder und in erweiterter Ausgestaltung durch einen handelsüblichen organischen Verdicker, wie z.B. Methylzellulose, Carboxymethylzellulose oder Hydroxyethylzellulose, der zur Verbesserung der Verarbeitungskonsisteπz wahlweise zugesetzt werden kann.
Den trocken vorgemischten Aggregaten und Zuschlagstoffen (Füllern) wird unter Fortsetzung des Mischvorganges kontinuierlich der angemachte Binder zugesetzt und bis zur Erreichung einer gleichmäßigen Konsistenz fortgemischt.
Danach erfolgt das Abformen vorzugsweise durch Einrütteln in eine entsprechende Form, Stampfen oder isostatisches Pressen. Der Grünkörper wird etwa zwei Stunden bis etwa 180°C getrocknet. Strömungstechnisch erwünschte Dichtgebiete 14 oder 14a, 14b, 14c, werden mit einem Schlickerüberzug aus Binder, versetzt mit einem erhöhten Fülleranteil, überzogen bzw. penetriert. Danach erfolgt der Brennprozeß zwischen etwa 1200 und 1600°C Garbrandtemperatur.
Die eingangs beschriebene Abgleichung des Strömungswiderstandes zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Abströmgeschwindigkeitsprofils der Abgase wird durch eine gezielte Anpassung der Schichtstärke in Verbindung mit der Körpergeometrie gelöst.
Die eingangs hinsichtlich ihrer funktionalen Wirkung erläuterte zweite Schicht 2 wird erfindungsgemäß vorzugsweise am Beispiel eines feststoffverstärkten Mullitfaserhaufwerks beschrieben. Ausgestaltungen unter Zugrundelegung anderer kristalliner (ein- und/oder polykristalliner) Hochtemperaturfasern oder Fasergemische mit Anwendungstemperaturen etwa oberhalb 1500°C, wie z.B. Al2θ3-Fasern mit
95 % AL2O3 oder mit mehr als 99,5 % AI2O3, Zrθ2-Fasern oder Siliziumnitrid- Fasern sind unter Einsatz entsprechender kolloidaler Lösungen und Füller möglich. Der Faserdurchmesser soll dabei vorzugsweise in einem engen Spektrum oberhalb 3/χm liegen. Besonders bevorzugt sind Fasern mit einem Durchmesser von 10μm und größer. Die Faserlänge soll im Bereich 0 - 5 mm liegen, vorzugsweise 0 - 3 mm betragen.
Das keramische Ausgangsmaterial enthält
- kristalline (ein- und/oder polykristalline) Fasern oder Fasergemische des o.g.
Spektrums, z.B. polykristalline Mullitfaser mit der chemischen Zusammensetzung ca. 72 Gew.-% AI2O3 ca. 28 Gew.-% Siθ2 als Hauptbestandteile, mit einem mittleren Faserdurchmesser j>. 3μm und einer Faserlänge von 0 - 3 mm
Anteil im Ausgangsmaterial : 40 - 80 Gew.-% vorzugsweise 50 - 70 Gew.-%
(bezogen auf wasserfreie Substanz)
- anorganische Füller in der chemischen Zusammensetzung, abgestimmt auf die Zusammensetzung der Faserqualität mit einer Körnung von 0 - 0,080 mm
z.B. Schmelzmullit-Feinkorn mit der chemischen Zusammensetzung ca. 76 Gew.-% AI2O3 ca. 23 Gew.-% Siθ2 in den Hauptbestandteilen
Anteil im Ausgangsmaterial : 10 - 40 Gew.-%
(bezogen auf wasserfreie Substanz)
- anorganische Binder, vorzugsweise Mischbinder, abgestimmt auf die Faser- und Füllerqualität aus kolloidalen Lösungen/Vorstufen von AI2O3, Siθ2 und Zrθ2 z.B. Mischbinder aus kolloidalem AI2O3 und kolloidalem Siθ2 eingestellt auf einem Gehalt an Hauptbestandteilen von 15
72 - 95 Gew.- AI2O3, 28 - 5 Gew.-% Siθ2 vorzugsweise:
77 Gew.-% AI2O3, 23 Gew.-% Siθ2
Anteil im Ausgangsmaterial : 10 - 50 Gew.-%
(bezogen auf wasserfreie Substanz)
In einer erweiterten Ausgestaltung kann dem vorgenannten keramischen Ausgangsmaterial ein Zusatz von Ton in einer Größenordnung von 0 - 30 Gew.-% (bezogen auf das wasserfreie keramische Ausgangsmaterial) zugesetzt werden.
Dem keramischen Ausgangsmaterial wird ein Ausbrennstoff in vorzugsweise faseriger oder splittriger Form mit Durchmesser kleiner etwa 0,5 mm und einer Länge von kleiner oder gleich etwa 3 mm zugefügt, z.B. in Form von Kunstfaserschnitt, Naturfaserschnitt oder Holzmehl. Der zugesetzte Anteil beträgt: 30 - 70 Gew.-%, (bezogen auf das wasserfreie Ausgangsmaterial).
Dem keramischen Ausgangsmaterial wird weiterhin ein handelsüblicher Verdicker, vorzugsweise in Form einer Zellulose, z.B. in der Qualität Methylzellulose, Carboxymethylzellulose oder Hydroxyethylzellulose mit einem Anteil von 0,2 - 5 Gew.-% Trockensubstanz (bezogen auf das trockene Ausgangsmaterial) in lprozentiger, wässeriger Lösung zugefügt.
Dem keramischen Ausgangsmaterial wird außerdem ein gasentwickelnder Stoff zugesetzt, der in Verbindung mit einer Temperaturerhöhung eine Treibreaktion in der Schicht mit entsprechender Porosierung bewirkt.
Der relative Anteil beträgt 10 - 30 Gew.-% (reaktive Substanz, bezogen auf das wasserfreie Ausgangsmaterial). Als Treibreaktion kann beispielsweise die Sauerstoffabspaltung bei der thermisch/katalytischen Zersetzung von H2O2 vorteilhaft angewendet werden, wobei vorzugsweise etwa 10 - 30 prozentige, wässerige Lösungen zum Einsatz kommen.
Die zweite Schicht 2 kann beispielsweise hergestellt werden, indem ein Faserschnitt der Länge 3 mm vorgenannter Mullitfaser naß dispergiert wird, um die Fasern schonend aufzuschließen.
Der Faserlösung wird der ausbrennfähige Zuschlagstoff, z.B. als Holzmehl (Siebdurchgang 0,5 mm) mit länglich splittriger Form, zugesetzt und bis zur gleichmäßigen Verteilung wieder gerührt. Danach werden in schrittweiser Folge der anorganische Füller, z.B. Mullitfeinkom, der Binder, z.B. der Al2θ3_Siθ2 Mischbinder mit 77 % AI2O3, und 23 % Siθ2, sowie der organische Verdicker, z.B.
Hydroxyethylzellulose in lprozentiger, wässeriger Lösung zugesetzt und unter Rühren gleichmäßig verteilt. Die Masse wird ggf. durch Kühlung der Einzelkomponenten unter 20°C gehalten. Als letzter Schritt wird der gasentwickelnde Stoff, z.B. H2O2, in lOprozentiger oder vorzugsweise 30prozentiger, wässriger Lösung, zugesetzt und gleichmäßig in der Masse verteilt. Über die Wasserzugabe wird die Masse auf
Verarbeitungskonsistenz gebracht und vorzugsweise durch Spachtel- oder Streich- oder Spritzauftrag auf die vorgebrannte Trägerkeramik aufgetragen . Die Keramik wird bei
40°C ca. 12 Stunden getrocknet. Dabei bildet sich infolge des durch die
Feststoffpartikel in Verbindung mit der Wärmezufuhr induzierten Zerfallsprozesses des H2O2 unter Sauerstoffabspaltung eine gleichmäßige feinporδse Struktur mit der angestrebten multidirektionalen Faserano dnung aus. Vor dem Auftrag weiterer Schichten erhält die getrocknete zweite Schicht 2 vorzugsweise einen Verschliff, mit dem die Schichtstärke eingestellt wird, z.B. 2 mm. Ein Verschliff nach dem Trocknen ist auch für die erste Schicht 1 vorteilhaft.
Die eingangs hinsichtlich ihrer funktioneilen Wirkung als Flammenträgerschicht erläuterte dritte Schicht 3 wird hier am Beispiel eines Mullitfaserhaufwerks mit modifiziertem Aufbau erläutert. Eine erweiterte Ausgestaltung unter Zugrundelegung einer zur zweiten Schicht 2 abweichenden Faserqualität, insbesondere in Richtung einer höheren thermischen Belastbarkeit, z.B. Fasern mit 95 % AI2O3 oder 99,5 % AI2O3 und mehr, bzw. Zirkonoxidfasem oder Siliziumnitrid-Fasern oder Fasergemische in Verbindung mit einer Anpassung der oxidischen Füllermaterialien und kolloidalen Bindern auf der Basis AI2O3 und Zrθ2, sind möglich. Die bezüglich der zweiten Schicht 2 beschriebenen geometrischen Anforderungen an die Fasermaterialien hinsichtlich Durchmesser und Länge gelten auch für die dritte Schicht 3.
Das keramische Ausgangsmaterial von der dritten Schicht 3 wird gebildet durch
- kristalline (ein- und/oder polykristalline) Fasern oder Fasergemische des vorgenannten Spektrums, z.B. polykristalline Mullitfaser mit der für Schicht 2 beschriebenen chemischen Zusammensetzung und Fasergeometrie
Anteil im Ausgangsmaterial : 20 - 60 Gew.-% vorzugsweise 30 - 50 Gew.-% (bezogen auf wasserfreie Substanz)
- anorganische Füller in der chemischen Zusammensetzung, abgestimmt auf die Zusammensetzung der Faserqualität mit einer Körnung von 0 - 0,080 mm z.B. Schmelzmullit-Feinkorn der unter Schicht 2 beschriebenen chemischen Zusammensetzung
Anteil im Ausgangsmaterial: 5 - 40 Gew.-% vorzugsweise 10 - 30 Gew.-% (bezogen auf wasserfreie Substanz)
- anorganische Binder, vorzugsweise Mischbinder, abgestimmt auf die Faser- und Füllerqualität aus kolloidalen Lösungen/Vorstufen von AI2O3, Siθ2 und Z1O2 z.B. Mischbinder aus kolloidalem A12°3 ' si02 ie *∞ Schicht 2 beschrieben
Anteil im Ausgangsmaterial: 5 - 30 Gew.-% vorzugsweise 10 - 20 Gew.- (bezogen auf wasserfreie Substanz)
- strahlungsaktives anorganisches Zuschlagmaterial mit einer bevorzugten Körnung von 0 - 0,15 mm, z.B. SiC, Cr2θ3, Cr2θ3 -Spinelle, Fe2θ3 -Spinelle usw.
Anteil im Ausgangsmaterial: 20 - 60 Gew.-%
(bezogen auf wasserfreie Substanz) In einer erweiterten Ausgestaltung kann dem vorgenannten keramischen Ausgangsmaterial ein Zusatz von Ton in einer Größenordnung von
0 - 10 Gew.-
(bezogen auf das wasserfreie keramische Ausgangsmaterial) zugesetzt werden.
Dem keramischen Ausgangsmaterial wird ein Ausbrennstoff in vorzugsweise faseriger oder splittriger Form in der für Schicht 2 beschriebenen Geometrie und Werkstoffausgestaltung zugemischt.
Der zugesetzte Anteil beträgt: 30 - 50 Gew.-%
(bezogen auf das wasserfreie keramische Ausgangsmaterial).
Dem keramischen Ausgangsmaterial wird weiterhin ein handelsüblicher Verdicker der für Schicht 2 beschriebenen Qualität, mit einem Anteil von
0, 1 - 5 Gew.-% Trockensubstanz (bezogen auf das wasserfreie Ausgangsmaterial) in lprozentiger wässriger Lösung zugefügt.
Dem keramischen Ausgangsmaterial wird außerdem ein gasentwickelnder Stoff gemäß der Beschreibung der Schicht 2 zugesetzt, wobei der reaktive Anteil
1 - 10 Gew.- reaktive Substanz (bezogen auf das wasserfreie keramische
Ausgangsmaterial) beträgt.
Schicht 3 wird in analoger Weise zu Schicht 2 hergestellt. Der aufgeschlossenen Faserlösung mit beispielsweise polykristallinen Mullitfasern des gleichen Längen- und Durchmesserspektrums und der gleichen chemischen Zusammensetzung, wie bei Schicht 2 beschrieben, wird in der Grundausführung der gleiche Ausbrennstoff von Art und Größe, aber variiert in der Menge, zugesetzt. Als feste Zuschlagstoffe werden beispielsweise Schmelzmullit-Feinkorn und SiC-Feinkorn in den für Schicht 3 beschriebenen Gewichtsanteilen vorgemischt und der Masse zugesetzt und eingearbeitet. Analog zu Schicht 2 wird dann beispielsweise der genannte AI2O3 - Siθ2 - Binder und danach der Verdicker in veränderten Gewichtsanteilen zugefügt und gleichmäßig 95/03511
19 verteilt. Dem gasentwickelnden Stoff wird, wie bei Schicht 2, aber in verändertem
Gewichtsanteil, reaktive Substanz zugesetzt und die Keramik bis zum Abschluß des
Trocknungsprozesses analog behandelt. In erweiterter Ausgestaltung kann anstelle der Mullitfaser eine andere beschriebene kristalline Faser des Typs AI2O3 oder Zrθ2 usw. oder ein Gemisch von Fasern einschließlich/ausschließlich Mullitfaser von Vorteil sein.
Eine durch Verschliff nach dem Trocknen gebildete Oberfläche ist für die dritte Schicht 3 ebenfalls vorteilhaft. Hierdurch wird die Gasauströmung verbessert und es kann auch die Schichtdicke eingestellt werden.
In einer weiteren erweiterten Ausgestaltung kann der Ausbrennstoff von seiner Qualität her variiert werden, z.B. Kunstfaserschnitt der Länge von etwa 3 mm mit einem Durchmesser von kleiner als etwa 0,5 mm.
In einer anderen erweiterten Ausgestaltung kann der Mischbinder variiert werden, indem beispielsweise eine kolloidale Lösung/Vorstufe von Z1 2 zugesetzt wird, die die kolloidale Siθ2-Lösung teilweise oder völlig ersetzen kann.
Nach Abschluß des Treibvorgangs und der Trocknung, vorzugsweise etwa zwölf Stunden bei etwa 40°C, wird die Keramik je nach dem stofflichen Aufbau der Schichten zwischen etwa 1200°C und 1600°C gebrannt. Über einen Verschliff der äußeren Schicht 3 oder ggf. auch zweiten Schicht 2 wird die Schichtstärke reproduzierbar, beispielsweise auf etwa 2 mm, eingestellt.
Die konkreten Anforderungen des jeweiligen Anwendungsprozesses, insbesondere die Abgasbestandteile im Falle der Behandlung von gasförmigen Abprodukten durch thermische Oxidation, bestimmen die Werkstoffauswahl. Vordruck und Leistungsanforderungen nehmen entscheidend Einfluß auf die Geometrie. Bei Kenntnis des Verbrennungsmechanismus lassen sich die Widerstände durch den Drei- oder ggf. auch Mehrschichtaufbau so steuern und durch Luftanalogie-Strömungsversuche untersetzen, daß die Flammenwurzel über einen weiten Leistungsbereich und ein breites Luftverhältnis in der Keramik der äußeren Schicht gehalten werden kann und so ein NOx-armes und nahezu CxHy- und CÖ-freies Abprodukt die Brennoberfläche verläßt.
Im Brennbetrieb wird die erste Schicht 1 vom Brennstoff-Luft-Gemisch 4 angeströmt und durchströmt. Sie verteilt dabei entsprechend dem Strömungswiderstand das Gemisch möglichst gleichmäßig über die Brennfläche 5 und bewirkt eine geringfügige Vorwärmung und Nachvermischung. In der Schicht 2 erfolgt die Intensivierung der Vorwärmung und eine weitere Vergleichmäßigung des Strömungsprofils. Das Gemisch wird bis auf Reaktionstemperatur gebracht. Die eigentliche Flamme sitzt als Front in bzw. unmittelbar auf der Schicht 3 und bringt diese zum Glühen. Die abströmenden Abgase sind durch das Bezugszeichen 6 verdeutlicht.
Eine derartige Keramik wird über eine geeignete Medienzuführung inklusive Befestigung 7 gasdicht gehaltert.
Das in der Keramik zugeführte verbrennungsfahige Gemisch wird durch eine geeignete Vorrichtung an der Oberfläche gezündet, die Verbrennungsabgase einer Brennkammer zugeführt und eine prozeßabhängig mehr oder wenig intensive Wärmeabnahme realisiert.

Claims

Neue Ansprüche 1 bis 32
1. Verbrennungsträgerelement (E) für Flächenbrenner, insbesondere für quasi- flammenlose Oberflächenbrenner, bestehend aus einem eine Vielzahl Durchlaßöffnungen aufweisenden keramischen Material, wobei das Verbrennungsträgerelement (E) ein mehrschichtiger Verbundkörper mit zwei oder drei Schichten (1, 2, 3) ist, wobei die erste Schicht (1) aus kugelförmigen oder hohlkugelförmigen Aggregaten aufgebaut ist und eine poröse Haufwerkskeramik bildet, und wobei die zweite und/oder dritte Schicht (2, 3) aus einem feststoffverstärkten Haufwerk aus Mullitfasern oder anderen kristallinen (ein und/oder polykristallinen) temperaturbeständigen Fasern oder Fasergemischen besteht bzw. bestehen.
2. Verbrennungsträgerelement nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine Mullitkeramik ist.
3. Verbrennungsträgerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material aus Kurund, Zirkonoxid, Titanoxid oder Cordierit besteht.
4. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser etwa 3 μm und mehr, vorzugsweise etwa 10 μm und mehr, und die Faserlänge bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 3 mm, beträgt.
5. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Schicht eine größere Temperaturbeständigkeit als die erste Schicht und die dritte Schicht eine größere Temperaturbeständigkeit als die erste oder zweite Schicht aufweist.
6.. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem keramischen Ausgangsmaterial der betreffenden Schicht (1 , 2, 3) ein vorzugsweise faseriger oder splittriger Ausbrennwerkstoff zugemischt ist.
7. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem keramischen Ausgangsmaterial der betreffenden Schicht (1, 2, 3) ein gasentwickelnder Stoff zugemischt ist, der bei einer Temperaturerhöhung, z.B. beim Trocknen, eine Treibreaktion in der Schicht mit entsprechender Porosierung bewirkt.
Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmfläche der ersten und zweiten und/oder dritten Schicht (1, 2, 3) spanabhebend bearbeitet, insbesondere geschliffen ist.
9. Verbrennungsträgerelement (E) für Flächenbrenner, insbesondere für quasi- flammenlose Oberflächenbrenner, bestehend aus einem porösen Verbundkörper, der von einem Brenngas durchströmbar ist und zwei sich quer zur Durchströmungsrichtung erstreckende Schichten aufweist, oder Verbrennungsträgerelement (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2, 3) aus einem porösen keramischen Material bestehen und die bezüglich der ersten Schicht (1) abströmseitig angeordnete zweite Schicht (2) und/oder eine ggf. vorhandene, abströmseitig von der zweiten Schicht (2) angeordnete dritte Schicht (3) einen höheren Strömungswiderstand aufweist als die erste Schicht (1) oder ggf. die dritte Schicht (3) einen höheren Strömungswiderstand aufweist als die zweite Schicht (2).
10. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) und/oder die zweite Schicht (2) eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit bezogen auf die Schichtdicke als die dritte Schicht (3) oder ggf. auch als die zweite Schicht (2) aufweist.
11. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) dicker bemessen ist als die zweite Schicht (2) und/oder die dritte Schicht (3) und insbesondere die zweite Schicht (2) dicker bemessen ist als dritte Schicht (3), wobei vorzugsweise die Dicke der ersten Schicht (1) etwa zwischen 10 und 50mm beträgt, die Dicke der zweiten Schicht (2) zwischen etwa 1 mm und 4mm beträgt und die Dicke der dritten Schicht (3) etwa zwischen 1 mm und 4mm beträgt, wobei eine bevorzugte Schichtdicke für die zweite Schicht (2) 1,5 mm bis 2,5mm beträgt und für die dritte Schicht 1 mm bis 3mm beträgt.
12. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) und/oder die zweite Schicht (2) und/oder die dritte Schicht (3) jeweils aus einem Aggregatmaterial und einem Bindermaterial und vorzugsweise auch einem Zuschlagstoff bzw. Füller besteht bzw. bestehen.
13. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Schicht (2, 3) ein gasentwickelnder Stoff zum Zweck eines Gastreibeprozesses in der Schicht (2, 3) mit entsprechender ggf. zusätzlicher Porosierung enthalten ist.
14. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite oder dritte Schicht (2, 3) ein wärmeabstrahlungsförderndes Material aufweist, z.B. SiC, Cr2θ3, Cr2θ3 -Spinelle, F2O3 -Spinelle usw. vorzugsweise mit einer Körnung von 0 bis 0, 15mm.
15. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und/oder dritte Schicht (3) einen darin verteilt angeordneten Ausbrennstoff in vorzugsweise faseriger oder splittriger Form aufweist bzw. aufweisen.
16. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) und/oder die zweite Schicht (2) und/oder die dritte
Schicht (3) abströmseitig spanabhebend bearbeitet, insbesondere geschliffen ist bzw. sind.
17. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es platten- bzw. scheibenförmig oder hülsenförmig ausgebildet ist, vorzugsweise in Form einer abströmseitig geschlossenen Hülse, insbesondere durch die Schicht (1) oder die Schichten (1 , 2 oder auch 3) geschlossene Hülse.
18. Verbrennungsträgerelement (E) für Flächenbrenner, insbesondere für quasi- flammenlose Oberflächenbrenner, bestehend aus einem porösen, vorzugsweise keramischen Material, das von einem Brenngas durchströmbar ist, oder
Verbrennungsträgerelement (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchlässigkeit bzw. der Strömungswiderstand des Verbrennungsträgerelements (E) in Abhängigkeit der Profilform des Abströmungsgeschwindigkeitsprofils, insbesondere in Abhängigkeit eines gleichmäßigen Abströmungsgeschwindigkeitsprofils, bezüglich der sich quer zur Durchlaßrichtung erstreckenden Fläche des Verbrennungsträgerelements (E) unterschiedlich ist
19. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer platten- oder scheibenförmigen Form des Verbrennungsträgerelements (E) die Strömungsdurchlässigkeit im zentralen Bereich geringer ist als im äußeren Bereich und vorzugsweise nach außen kontinuierlich zunimmt.
20. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in seinem zentralen Bereich dicker bemessen ist als in seinem äußeren Bereich und seine Dicke nach außen vorzugsweise kontinuierlich abnimmt, wobei die Verdickung vorzugsweise durch eine anströmseitige und/oder abströmseitige Wölbung (9) gebildet ist.
21. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer hülsenförmigen Form des Verbrennungselements (E) die Gasdurchlässigkeit der Hülse in Richtung auf die Abströmseite vorzugsweise kontinuierlich zunimmt, insbesondere die Dicke (d) der Hülse vorzugsweise kontinuierlich zunimmt.
22. Verbrennungsträgerelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine achsparallele, insbesondere zylindrische Außenmantelfläche und eine in Richtung auf die Abströmseite vorzugsweise kontinuierlich konvergierende Innenmantelfläche aufweist.
23. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich verringerter Strömungsdurchlässigkeit durch verdichtete oder abgedichtete Bereiche (14) gebildet ist.
24. Verbrennungsträgerelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die abgedichteten oder verdichteten Bereiche (14) durch einen aufgetragenen (Überzug) oder einpenetrierten Stoff gebildet sind, der eine geringere Gasdurchlässigkeit aufweist als das Verbrennungsträgerelement (E) oder strömungsundurchlässig ist.
25. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer abströmseitig geschlossenen Hülsenform ein verdichteter oder abgedichteter Bereich (14) zentral in oder an der Stirnwand (13) innen- oder außenseitig angeordnet ist.
26. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zur unterschiedlichen Strömungsdurchlässigkeit nur an der ersten Schicht (1) angeordnet sind und die zweite Schicht (2) und/oder dritte Schicht (3) vorzugsweise im wesentlichen gleich dick bemessen sind.
27. Verbrennungsträgerelement (E) für Flächenbrenner, insbesondere für quasi- flammenlose Oberflächenbrenner, bestehend aus einem eine Vielzahl
Durchlaßöffnungen aufweisenden oder porösen, insbesondere keramischen Material, wobei das Verbrennungsträgerelement (E) Halterungsflächen zur Aufnahme an oder in einem Halter (7) aufweist, oder Verbrennungsträgerelement (E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsflächen durch einen aufgetragenen oder einpenetrierten Stoff abgedichtet sind, wobei bei einem platten- oder scheibenförmigen
Verbrennungsträgerelement (E) der abgedichtete Bereich (14) an der Außenmantelfläche des Verbrennungsträgerelements (E) angeordnet ist, und wobei vorzugsweise abgedichtete Flächenabschnitte (14b, 14c) sich auch im Umfangsrandbereich an der Anströmseite und/oder Abströmseite angeordnet sind.
28. Verbrennungsträgerelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem hülsenförmigen Verbrennungsträgerelement (E) ein abgedichtete Bereich (14a, 14b, 14d) im anströmungsseitigen Endbereich an der Außenmantelfläche und/oder an der Innenmantelfläche und vorzugsweise auch an der an- und/oder abströmseitigen Stirnfläche angeordnet ist bzw. sind.
29. Verbrennungsträgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgedichtete Bereich (14, 14a) sich bis zu der zweiten und ggf. auch dritten Schicht (2, 3) erstreckt.
30. Verfahren zum Herstellen eines Verbrennungsträgerelements (E) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Form eines aus mehreren, insbesondere zwei oder drei Schichten bestehenden
Verbundkörpers, bei dem zunächst die anströmseitige erste Schicht (1) hergestellt wird, dann die abströmseitige zweite Schicht (2) hergestellt und auf die erste Schicht (1) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) vorzugsweise bei Verwendung eines Kugel und/oder
Hohlkugel-Haufwerks durch Vermischen eines Aggregatmaterials, eines Bindematerials und vorzugsweise auch eines Zuschlagstoffes bzw. Füllmaterials im flüssigen oder teigigen Zustand vermischt wird, in einer Form geformt wird, und dann getrocknet wird, daß dann die zweite Schicht (2) auf die erste Schicht (1) aufgetragen und getrocknet wird, daß ggf. dann die dritte Schicht (3) auf die zweite Schicht (2) aufgetragen und getrocknet wird, und wobei beim oder nach dem Trocknen jeweils jede Schicht (1, 2, 3) oder die soweit gebildeten Schichten gemeinsam als Verbundköφer gebrannt werden oder alle Schichten (12, 3) gemeinsam als Verbundkörper gebrannt werden. .
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) nach ihrer Trocknung vorgebrannt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) und/oder zweite Schicht (2) und/oder weitere Schicht (3) jeweils nach dem Trocknen oder Brennen abströmseitig geschliffen wird.
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