DD261289A3 - DEVICE FOR COMBINED ENGAGEMENT AND MONITORING OF BURNERS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zuenden und Ueberwachen von Brennern fuer fluessige, gas- oder staubfoermige Brennstoffe, insbesondere fuer Reaktoren zur Vergasung von staubfoermigen Brennstoffen unter Druck sowie Reaktoren zur Synthesegaserzeugung. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Effektivitaet und der Sicherheit beim Zuenden und Ueberwachen von Brennern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer Einrichtung die Zuendung und die Ueberwachung einer Flamme zu sichern. Erfindungsgemaess besteht die Einrichtung aus einem Tubus, der am reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse besitzt. Ausserhalb des Reaktionsraumes befindet sich am Tubus ein Laser in Hoehe einer dielektrisch beschichteten Platte, der nach aussen eine Sammellinse, ein Filter und ein opto-elektronischer Wandler folgen. Fig. 1The invention relates to a device for igniting and monitoring burners for liquid, gaseous or dusty fuels, in particular for reactors for the gasification of dusty fuels under pressure and reactors for producing synthesis gas. The aim of the invention is to increase the effectiveness and safety of queuing and monitoring of burners. The invention has for its object to secure by means of a device, the Zuendung and the monitoring of a flame. According to the invention, the device consists of a tube which has a converging lens at the end on the reaction chamber side. Outside the reaction space is located on the tube a laser in the amount of a dielectrically coated plate, which follow a convex lens, a filter and an opto-electronic converter to the outside. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zünden von Brennern für flüssige, gas-und staubförmige Brennstoffe und die sicherheitstechnische Bewertung der BVennerflamme.The invention relates to a device for igniting burners for liquid, gas and dust-like fuels and the safety assessment of BVennerflamme.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Reaktoren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe unter Druck sowie Reaktoren zur Synthesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe.Preferred applications are reactors for the gasification of pulverized fuels under pressure and reactors for syngas production based on the gasification of liquid and gaseous hydrocarbons.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

In der DE 2924910 wird eine lasergezündete Zündkerze vorgestellt, bei der der Laserstrahl nach dessen Erzeugung in einem gepulsten Laser über einen Lichtleiter, einer Sammeloptik und einem Quarzglasstab geleitet und im Verbrennungsraum fokussiert wird. Für die Brennerzündung ist diese Anordnung nicht geeignet, da für diese eine hohe Energie erforderlich ist, welche zur Zerstörung der laserstrahlführenden Bauelemente führen würde. Der Einsatz von Lichtleitern und Quarzglasstab zur Strahlführung wirkt darüber hinaus leistungsmindernd, so daß die zur Verfügung stehende Energie im Fokus zur Zündung eines Brenners nicht ausreichen würde.In DE 2924910 a laser-ignited spark plug is presented, in which the laser beam is guided after its production in a pulsed laser via a light guide, a collection optics and a quartz glass rod and focused in the combustion chamber. For the burner ignition, this arrangement is not suitable because of this high energy is required, which would lead to the destruction of the laser beam leading components. The use of optical fibers and quartz glass rod for beam guidance also reduces performance, so that the available energy in focus for igniting a burner would not be sufficient.

Mit der DE 3129919 C2 ist eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen bekannt, bei derein Halbleiterlaser, welcher aus Stapeln von Laser-Diodenplättchen besteht, den Laserstrahl erzeugt. Durch die im Brennpunkt entstehende Energie von ca. 100 Miliijoule ist das Zünden eines Brenners nicht möglich.DE 3129919 C2 discloses an ignition system for internal combustion engines, in which a semiconductor laser, which consists of stacks of laser diode chips, generates the laser beam. Due to the focus energy of about 100 Miliijoule igniting a burner is not possible.

Beide Patente sind nicht druckfest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahls in den Brennraum eine für die Brennerzündung ungeeignete konstruktive Lösung auf, da die Eintrittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen würde.Both patents are designed to be non-pressure resistant and have at the point of entry of the laser beam into the combustion chamber on an unsuitable for the burner ignition constructive solution, since the entry point would be polluted by the combustion process immediately.

Die Gefahr der Verschmutzung der optischen Bauteile tritt besonders bei den extremen Bedingungen beim Einsatz von Brennern in Staubdruckvergasungsgeneratoren auf. Durch die Flammenreaktion werden schmelzflüssige Asche- und Schlackepartikel umhergewirbelt, die zu Anbackungen und festen Krusten an Reaktoreinbauten führen können. In einem solchen Fall ist die Sicherheit bei wiederholt notwendigen Zündversuchen nicht gegeben.The risk of contamination of the optical components occurs especially in the extreme conditions when using burners in dust gasification generators. The flame reaction swirls molten ash and slag particles, which can lead to caking and solid crusts in reactor internals. In such a case, the safety of repeated ignition attempts is not given.

Allgemein bekannt ist die Hochspannungszündung für das Zünden von Brennern unter Verwendung von Zündelektroden, welche zu meist in gesonderten Zündbrennern oder Zündlanzen eingebaut sind.High-voltage ignition is generally known for igniting burners using ignition electrodes, which are mostly installed in separate pilot burners or ignition lances.

Mit F 23 D/2812863 liegt eine Brennerzündung vor, die zwar ebenfalls nach dem Prinzip der Hochspannungszündung arbeitet, aber im Brenner integriert ist. Doch sowohl diese als auch alle anderen bekannten Hochspannungszündungen eignen sich nur für das Zünden von Brennern für Behälter, welche sich im Moment des Zündens im drucklosen Zustand befinden, bzw. in denen ein nur geringer Überdruck herrscht.With F 23 D / 2812863 there is a burner ignition, which also works on the principle of high-voltage ignition, but is integrated in the burner. But both these and all other known high-voltage ignition are only suitable for igniting burners for containers, which are in the moment of ignition in the pressureless state, or in which there is only a slight overpressure.

Begründet ist dies darin, daß nur eine relativ geringe Menge des zündfähigen Gas-Luft-Gemisches gezündet werden kann. Eine Erhöhung der Mediengeschwindigkeit bzw. des Druckes würde die Zuverlässigkeit der Zündung negativ beeinflussen. Ein wesentlicher Nachteil gegenüber der Laserzündung ist, daß die Elektroden verschleißbehaftet sind und der Austausch der im Brenner integrierten Elektroden einen hohen Arbeitsaufwand mit sich bringt.The reason for this is that only a relatively small amount of the ignitable gas-air mixture can be ignited. Increasing the media speed or pressure would adversely affect the reliability of the ignition. A major disadvantage compared to the laser ignition is that the electrodes are subject to wear and replacement of the integrated in the burner electrodes brings a lot of work with it.

Alle bekannten Systeme der Brennerzündung sind im übrigen nicht geeignet, gleichzeitig eine Überwachungsfunktion mit zu realisieren.Incidentally, all known systems of burner ignition are not suitable for simultaneously implementing a monitoring function.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel derErfindung ist neben der Verbesserung der Ökonomie der Vergasungsprozesse eine Erhöhung der Effektivität und der Sicherheit beim Zünden und Überwachen von Brennern.The aim of the invention, in addition to improving the economics of gasification processes, is to increase the effectiveness and safety of igniting and monitoring burners.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe mittels einer Einrichtung zu zünden und gleichzeitig eine ständige sicherheitstechnisch relevante optische Überwachung der Flamme des Reaktionsraumes zu realisieren, insbesondere in unter Druck von 0,1 bis 5MPa stehenden Reaktoren.The invention has for its object to ignite liquid, gaseous and dust-like fuels by means of a device and at the same time to realize a permanent safety-related optical monitoring of the flame of the reaction chamber, especially in pressurized from 0.1 to 5MPa reactors.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Einrichtung eingesetzt ist, die hauptsächlich aus einem Tubus mit druckfestem optischem Fenster, Sammellinsen, einer dielektrisch beschichteten Platte, einem opto-elektronischen Wandler und einem Laser besteht.According to the invention the object is achieved in that a device is used, which consists mainly of a tube with pressure-resistant optical window, converging lenses, a dielectric coated plate, an opto-electronic converter and a laser.

Nach der Erfindung besitzt der Tubus an seinem reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse, zwischen derund einem nachfolgendem optischem Fenster ein druckloser Raum angeordnet ist, der als wesentliches sicherheitstechnisches Element mit einer Kontrolleinrichtung verbunden ist. Nach dem optischen Fenster, das sich im Tubus außerhalb des Reaktionsraumes befindet, sind nacheinander eine winklig ausgerichtet dielektrisch beschichtete Platte, eine Sammellinse, ein Filter und ein opto-elektronischer Wandler angeordnet. In Höhe der dielektrisch beschichteten Platte ist seitlich am Tubus ein Laser angeordnet. Die Lage der Platte ist so festgelegt, daß der Laserstrahl genau in Richtung der Achse des Tubus umgelenkt wird.According to the invention, the tube has at its reaction chamber end end a converging lens, between which and a subsequent optical window, a pressureless space is arranged, which is connected as an essential safety element with a control device. After the optical window, which is located in the tube outside the reaction space, an angularly aligned dielectric coated plate, a converging lens, a filter and an opto-electronic converter are successively arranged. At the level of the dielectric coated plate, a laser is arranged laterally on the tube. The position of the plate is set so that the laser beam is deflected exactly in the direction of the axis of the tube.

Erfindungsgemäß ist um den Tubus ein Hüllrohr angeordnet, das mit dem Tubus einen ringförmigen Zwischenraum bildet. In Höhe des reaktionsraumseitigen Endes des Tubus ist das Hüllrohr als Düse ausgebildet, wobei die Minderung der Düse so groß gewählt ist, daß der Strahlengang nicht behindert wird.According to the invention, a cladding tube is arranged around the tube, which forms an annular gap with the tube. At the level of the reaction chamber-side end of the tube, the cladding tube is formed as a nozzle, wherein the reduction of the nozzle is chosen so large that the beam path is not hindered.

Durch die Einleitung von Spülgas in den Zwischenraum zwischen zentralem Tubus und Hüllrohr werden die optischen Einbauten gekühlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschützt. Zur Verminderung der Übertragungsverluste ist die Innenwand des Tubus verspiegelt, mindestens jedoch poliert ausgeführt.By introducing purge gas into the intermediate space between the central tube and the cladding tube, the optical internals are cooled and specifically protected against contamination from the reaction space or the penetration of other media present in the burner. To reduce the transmission losses, the inner wall of the tube is mirrored, but at least polished executed.

Nach der Erfindung wird ein Laserimpuls über die dielektrisch beschichtete Platte und das optische Fenster in den Tubus eingekoppelt und von der Sammellinse in den Reaktionsraum fokussiert. Der im Brennpunkt erzeugte Lichtblitz zündet das aus dem Brenner ausströmende Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch.According to the invention, a laser pulse is coupled via the dielectrically coated plate and the optical window in the tube and focused by the converging lens in the reaction space. The light flash generated in the focal point ignites the fuel-oxygen mixture flowing out of the burner.

Zur Überwachung des Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht über das gleiche, den Laserstrahl leitende optische System einer selektiven Auswerteeinheit zugeführt, wobei die dielektrisch beschichtete Platte im Wellenlängenbereich des optischen Flammensignales eine hohe Transmission aufweist.For monitoring the burner, the light emitted by the burner flame is supplied via the same optical system guiding the laser beam to a selective evaluation unit, wherein the dielectric-coated panel has a high transmission in the wavelength range of the optical flame signal.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß die gefundene technische Lösung ein Anfahren von zum Beispiel Reaktoren unter Druck ermöglicht, was entscheidenden Einfluß auf die Ökonomie des Verfahrens hat und die Sicherheit der Zündung sowie der Signalübertragung und -auswertung wesentlich erhöht.It has proved to be particularly advantageous that the technical solution found enables starting of, for example, reactors under pressure, which has a decisive influence on the economy of the process and substantially increases the safety of the ignition and of the signal transmission and evaluation.

Weitere Vorteile sind, daß sich in der Reaktorzone keine Verschleißteile befinden, daß keine aufwendigen elektrischen Druckdurchführungen vorhanden sind, daß es möglich ist, den Zündzeitpunkt exakt zu bestimmen und daß die Zündenergie dosierbar auf die Zündmedien abgestimmt werden kann.Further advantages are that there are no wearing parts in the reactor zone, that no complicated electrical pressure feedthroughs are present, that it is possible to determine the ignition exactly and that the ignition energy can be dosed adjustable to the ignition media.

Die Zünd- und Überwachungseinrichtung muß nicht integraler Bestandteil des Brenners sein, sondern sie kann auch an einem anderen, für die Zündung günstigen Ort, angeordnet werden.The ignition and monitoring device does not have to be an integral part of the burner, but it can also be arranged at another favorable location for the ignition.

Ausführungsbeispiel e.Embodiment e.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt die schematische Anordnung der wichtigsten Bauteile.The invention will be explained in more detail below by way of example. The accompanying drawing shows the schematic arrangement of the most important components.

Erfindungsgemäß ist ein Tubus 4 an zentraler Stelle im Brenner angeordnet, über den sowohl die Zünd- als auch Überwachungsfunktion realisiert werden. Außerhalb des Reaktionsraumes ist außen am Tu bus 4 ei η in drei Achsen justierbarer Laser 1 montiert. Im Tubus 4 ist das optische System plaziert, bestehend aus Sammellinse 7, dielektrisch beschichteter Platte 3, optischem Fenster 2, Sammellinse 6, Filter 8 und opto-elektronischem Wandler 9.According to the invention, a tube 4 is arranged at a central point in the burner, via which both the ignition and monitoring functions are realized. Outside the reaction chamber is outside of the Tu bus 4 ei η in three axes adjustable laser 1 mounted. In the tube 4, the optical system is placed, consisting of converging lens 7, dielectrically coated plate 3, optical window 2, converging lens 6, filter 8 and opto-electronic converter. 9

Der zwischen Tubus 4 und Hüllrohr 11 existente Zwischenraum 15 dient der Zuführung des Spülgases 10. Die Mündung 14 ist in Form einer Düse 16 so gestaltet, daß eine Verschmutzung der Sammellinse 6 verhindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden.The between tube 4 and sheath tube 11 existing gap 15 is used to supply the purge gas 10. The mouth 14 is designed in the form of a nozzle 16 so that contamination of the converging lens 6 is prevented. The operation of the invention will be explained in more detail below.

Der Laserstrahl wird in dem seitlich am Tubus 4 justierbar angeordneten Laser 1 erzeugt und bereine sich im Winkel von 45° befindlichen dielektrisch beschichteten Platte 3 und ein optisches Fenster 2 in den Tubus eingekoppelt. Die Sammellinse 6 fokussiert den Laserimpuls an einen für die Zündung günstigen Punkt im Reaktionsraum. Über einen sich zwischen Tubus 4 und Hüllrohr 11 befindlichen Zwischenraum 15 wird ein trockenes, staub-, öl- und fettfreies Spülgas 10 eingebracht, welches, bedingt durch die Gestaltung des Hüllrohrendes in Form einer Düse 16 mit Mündung 14, die Sammellinse 6 umspült und von Verschmutzungen freihält.The laser beam is generated in the laterally adjustable on the tube 4 laser 1 and beree at an angle of 45 ° located dielectrically coated plate 3 and an optical window 2 coupled into the tube. The converging lens 6 focuses the laser pulse to a favorable point for ignition in the reaction space. A dry, dust, oil and grease-free purge gas 10 is introduced via a located between tube 4 and sheath tube 11 gap 15, which, due to the design of the Hüllrohrendes in the form of a nozzle 16 with the mouth 14, the condenser lens 6 lapped and Keeps dirt free.

Als Laser 1 wird ein im Impulsbetrieb arbeitender Festkörperlaser verwendet, dessen Stromversorgungseinheit dezentral vom Brenner stationiert ist. Der Laser 1 kann nach erfolgter Zündung wieder demontiert werden.The laser 1 used is a solid-state laser operating in pulsed mode, the power supply unit of which is stationed in a decentralized manner by the burner. The laser 1 can be dismantled after ignition.

Das optische System dient zugleich der Überwachung des Brenners. Das von der Brennerflamme emittierte Licht wird über die Sammellinse 6, den innen verspiegelten oder polierten Tubus 4, das optische Fenster 2, die dielektrisch beschichtete Platte 3, eine Sammellinse 7 und ein Filter 8 einem opto-elektronischem Wandler 9 zugeleitet, der mit einer dezentral angeordneten selektiven Auswerteeinheit gekoppelt ist.The optical system also serves to monitor the burner. The light emitted by the burner flame is fed via the converging lens 6, the internally mirrored or polished tube 4, the optical window 2, the dielectric coated plate 3, a converging lens 7 and a filter 8 an opto-electronic converter 9, which decentralized arranged selective evaluation unit is coupled.

Die dielektrisch beschichtete Platte 3 ist so ausgelegt, daß der Laserimpuls nahezu verlustfrei reflektiert wird, für die Lichtsignale der Brennerflamme aber eine hohe optische Transmission aufweist.The dielectric coated plate 3 is designed so that the laser pulse is reflected almost lossless, but for the light signals of the burner flame has a high optical transmission.

Der drucklose Raum 12, begrenzt von der druckfesten Sammellinse 6 und dem optischen Fenster 2, wird von einer Kontrolleinrichtung 13 aufständige Funktionssicherheit überwacht.The unpressurized space 12, bounded by the pressure-resistant converging lens 6 and the optical window 2, is supervised by a control device 13 for reliable functional safety.

Claims (4)

1. Einrichtung zur kombinierten Zündung und Überwachung von Brennern für flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe, vorzugsweise zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem im Zentrum eines Hüllrohres (13) angeordneten Tubus (4) besteht, in dem am unteren, reaktionsraumseitigen Ende eine Sammellinse (6) und außerhalb des Reaktionsraumes im Tubus (4) ein druckfestes optisches Fenster (2) und nachfolgend eine winklig angeordnete dielektrisch verspiegelte Platte (3), eine Sammellinse (7) ein optisches Filter (8) sowie ein opto-elektronischer Wandler (9) eingebaut sind, daß der Laser (1) gegenüber der dielektrisch verspiegelten Platte (3) außerhalb am Tubus (4) justierbar angeordnet ist, daß im Tubus (4) zwischen dem optischen Fenster (2) und der Sammellinse (6) ein druckloser Raum (12) existiert, der mit einer Kontrolleinrichtung (13) verbunden ist und daß der Tubus (4) von1. A device for the combined ignition and monitoring of burners for liquid, gaseous and dust-like fuels, preferably for the gasification of dust-like fuels under pressure, characterized in that the device consists of a in the center of a cladding tube (13) arranged tube (4), in the at the bottom, the reaction chamber side end a converging lens (6) and outside the reaction space in the tube (4) a pressure-resistant optical window (2) and subsequently an angularly arranged dielectrically mirrored plate (3), a converging lens (7) an optical filter (8 ) and an opto-electronic converter (9) are installed, that the laser (1) relative to the dielectrically mirrored plate (3) outside the tube (4) is arranged adjustable that in the tube (4) between the optical window (2) and the condenser lens (6) a non-pressurized space (12) exists, which is connected to a control device (13) and that the tube (4) of " einem Hüllrohr (11) umschlossen und dessen reaktionsraumseitiges Ende als Düse (16) ausgebildet ist."A cladding tube (11) enclosed and the reaction chamber-side end is formed as a nozzle (16). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tubus (4) eine verspiegelte, mindestens aber polierte Innenwand (5) besitzt.2. Device according to claim 1, characterized in that the tube (4) has a mirrored, but at least polished inner wall (5). 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tubus (4) und dem Hüllrohr (13) ein Zwischenraum (15) für die Spülgaszuführung vorhanden ist.3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that between the tube (4) and the cladding tube (13) an intermediate space (15) for the purge gas supply is present. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrisch beschichtete Platte (3) in einem Winkel angeordnet ist, daß der Strahlengang des Lasers (1) in Richtung der Achse des Tubus (4) liegt.4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the dielectrically coated plate (3) is arranged at an angle that the beam path of the laser (1) in the direction of the axis of the tube (4).