DE9304989U1 - Keramischer Brenner - Google Patents

Description

Keramischer Brenner

Die Neuerung betrifft einen keramischen Brenner, der wenigstens ein flaches Segment aus keramischem Schaum umfaßt, aufgenommen in ein Gehäuse.

Ein solcher keramischer Brenner ist aus der französischen Patentveröffentlichung 1.175.620 bekannt. Dabei ist der keramische Brenner aus einer Reihe flacher Segmente aus keramischem Schaummaterial aufgebaut. Diese werden alle von einem Gitter unterstützt, das aus einem Edelstahlmaterial besteht. Bei der Außenbegrenzung werden die äußeren Segmente seitlich und von oben von einer metallenen Begrenzung abgeschirmt.

Es ist bekannt, daß keramische Brenner, die aus einem keramischen Schaum erhalten werden, für die Energieerzeugung aus (Erd-) Gas in haushalten, Gebäuden, Industrie- und Gartenbauanlagen sowie in Elektrizitätswerken verwendet werden können. Die Verbrennung erfolgt zur Zeit mit Verbrennungssystemen, die in einer Anzahl von Situationen modernisiert sind, um die NO^-Emission (100-200 ppm) herabzusetzen. Urr. eine weitere Herabsetzung der &Ngr;&Ogr;,,-Emission (NMP) zu erhalten und um eine Kraftstoffeinsparung zu erwirken, müssen Brenner zu wettbewerbsfähigen Preisen entwickelt werden, die:

Über einen großen Bereich geregelt werden können, bei vollständiger Vormischung und bei einem konstanten, geringen Luftübermaß;

- Einen geringen &Ngr;&Ogr;,,-Ausstoß bewirken;

Eine gewünschte und regelmäßige Belastung der beheitzten Oberfläche ergeben;

Zu einem kompakten Installationsvolumen führen; Preiswert sind;

Diesen Anforderungen können herkömmliche Brenner nicht genügen.

Aus der amerikanischen Patentschrift 4.900.245 ist ein Infraroterhitzer für Flussigkeitsimmersionsgeräte bekannt, der einen zylindrischen keramischen Schaumbrenner umfaßt, welcher Brenner aus verknüpftem Schaum mit einer Porositätswert von etwa 16-40 Poren pro Zentimeter. Dieser Brenner kann mit einer Verkleidung versehen sein, die dem Rückschlag der Flamme entgegenwirkt. Der Brenner besteht aus einem Kern, durch den das Gas zugeführt wird, und einem umgebenden Mantel aus keramischem Schaum. Bedingt durch die Form ist die Herstellung jedoch bei weitem nicht

einfach. Beim Erhitzen großer Flächen kann leicht Bruch oder Verformung eintreten, wodurch Dichtungsprobleme entstehen.

Es hat sich herausgestellt, daß die Befestigung von wenigstens den Umfangssegmenten auf die Weise der französischen Patentschrift 1.175.620 unnötig kompliziert ist und einfaches Ersetzen dieser Segmente erschwert sowie Dichtungsprobleme ergibt.

Der Zweck der Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile. Dieser Zweck wird bei einem vorstehend beschriebenen Brenner dadurch realisiert, daß das Gehäuse eine das Segment an drei Seiten unterstützende Kassette umfaßt und das Segment freitragend angebracht worden ist. Durch die Aufnahme in ein Kassettengehäuse kann der keramische Brenner einfach und schnell ausgewechselt werden.

Nach einer Vorzugsausführungsform der Erfindung besteht das keramische Schaummaterial aus verschiedenen aneinander mit einem flexiblen feuerfesten Kitt befestigten Segmenten aus solchem keramischem Schaummaterial. Diese Segmente sind hinsichtlich ihrer Abmessungen kleiner und können dadurch einfacher formfest hergestellt werden. Der gewünschte Brenner kann dann durch Zusammenfügung mit Elementen, sowohl waagerecht als senkrecht zusammengesetzt werden. Nach einer Vorzugsausführungsform sind die Segmente seitlich mit einer keramischen Abdichtung versehen, so daß kein seitlicher Ausfluß der Gase erfolgen kann.

Bedingt durch die Bewegungsfreiheit der Segmente werden thermische Spannungen herabgesetzt, wodurch eine hohe Festigkeit des Materials weniger notwendig wird.

Die keramischen Schäume können weiter zweckmäßig mit einer Verkleidung versehen sein, die dem Rückschlagen der Flamme entgegenwirkt und die Strahlung fördert.

Bei einem Aufbau mit Schichten mit unterschiedlicher Porengröße kann auch eine gewünschte Verbrennung gefördert werden. Die keramischen Elemente können miteinander verleimt werden, können jedoch auch zusammengeklemmt sein. Eine feste Verbindung kann auch erhalten werden, wenn Platten in der waagerechten Ebene mit einer geraden Überblattung zusammengefügt sind.

Der erfindungsgemäße Brenner weist eine ausreichende mechanische Festigkeit auf, dies im Gegensatz zu beispielsweise Brennern aus keramischen fasern. Lärmbelästigung liegt nicht vor und es gibt hier keine Gefahr des Flammrückschlags, welche Gefahr bei durchbohrter

Keramik wohl besteht. Bei den erfindungsgemäßen Brennern tritt keine Lärmbelästigung auf, kein Flammrückschlag, ist ein sehr großer Wirkungsbereich möglich (100 => 600 kW/m2) bei konstantem Luftübermaß zwischen 0,8 und 1,6. Die Herstellungstechniken sind einfach, durch Zusammenfügen ist eine flexible Gestaltung hinsichtlich der Geometrie und der Stoff/Wärmeübertragung möglich.

Die Materialien, die verwendet werden können, machen sehr hohe Temperaturen möglich.

Durch den sehr großen Wirkungsbereich können die Brenner nach der Erfindung als modulierender Brenner verwendet werden, dies führt zu einer Gaseinsparung von 10-15 % (und somit zur Herabsetzung der CO₂-Emission). Die NO^-Emission ist gering, das heißt 5 ppm bei 200 kw/m2 und n=1,3; die Brenner können mit einfachen Techniken hergestellt werden.

Für den Gartenbau ist die Dosierung von CO₂ und Wärmeversorgung mit einem einzigen Brenner möglich.

In der Industrie ist die Anwendung eines zylindrischen Brenners für unter anderem Retrofit-Anwendung in einem Kessel möglich. Für die Verfahrensindustrie (Herde für die Herstellung von beispielsweise H2 und Ethen) ist ein kompakter Aufbau mit einer Volumeneinsparung um 25-50 % möglich.

Bei einer besonderen Ausführung einer Feuerungsvorrichtung, wie bei einem zentralen Heizkessel, umfaßt diese Vorrichtung einen Brenner, wie vorstehend umschrieben, mit waagerecht angeordneten keramischen Segmenten, wobei die zu verbrennenden Gase über den keramischen Segmenten zugeführt werden, und die Verbrennung an der Unterseite der Segmente erfolgt. Selbstverständlich können die Segmente auch senkrecht oder schräg angeordnet werden.

Von einem Brenner nach der Erfindung (siehe die Figuren 1 und 2) werden Gas und Luft vollständig vorgemischt und gut verteilt zugeführt. Das Gemisch strömt durch den Brenner. Nach dem Brenner erfolgt die Zündung. Je nach der Leistung: hoch oder niedrig, entstehen lange beziehungsweise kurze Flammen. Bei langen Flammen bleibt die Platte relativ kalt und ist die Leistung mit einem herkömmlichen vorgemischten Brenner vergleichbar. Bei kurzen Flammen wird die Ausströmfläche der Platte strahlend. Dadurch wird eine Wärmemenge als Strahlung abgeführt, was zur Herabsetzung der durchschnittlichen Temperatur in der Verbrennungszone führt und damit auch der NO^-Bildungsgeschwindigkeit.

Durch die Hinzufügung einer hochporösen Schicht kann das strahlende Leistungsgebiet erweitert werden. Der Brenner kann, wie bereits angegeben worden ist, über einen großen Wirkungsbereich mit maximalem Umwandlungsertrag eingesetzt werden. Das Luftübermaß (n) kann dabei zwischen 0,8 und 1,6 eingestellt werden. Die Druckabfallcharakteristik des Brenners kann schon im Entwurfsstadium durch die Wahl von Ausgangsmaterialien und Bearbeitungstechniken sowie Porengröße bestimmt werden.

Das Verbrennungsprinzip kann sowohl im kleinen Maßstab (Warmwassergeräte, Zentralheizungskessel) als im großen Maßstab (Industriekessel und Herde) eingesetzt werden, wobei die Vorteile sind: Geringerer NO^-Ausstoß, großer Regelbereich und dadurch besser abstimmbare Wärmeerzeugung, was zur Energieeinsparung führt. Bei der Verwendung keramischer Brenner ist auch die Materialeinsparung durch den kompakteren bau der Anlage möglich. Die Eigenschaften eines Brenners nach der Erfindung auf der Grundlage eines Schaums mit 20-26 Poren pro Zentimeter, gemessen unter Zentralheizungskesselbedingungen (n = 1,3), waagerecht angeordnet, nach unten brennend, sind:

Spezifische Belastung kW/m2 100 - 2000 (n=1,3]

Druckabfall über die Platte

100 t 20 (bei 1500 kW/m², n=1,3) *

Luftübermaß

30 (kann variiert werden)

Me thanumwand1ung

> 99,99

Oberflächentemperatur ⁰C

1350 (maximal) **

NOx-Emission (0 % 02) ppmv 5-30

CO-Emission (0 % 02) ppmv < 50

CxHy-Emission (0 % 02) ppmv < 10

* Ein anderer Druckabfall (höher oder niedriger) kann durch Änderung der Parameter in dem Herstellungsverfahren realisiert werden.

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** Andere Maßnahmen ergeben höhere Maximaltemperaturen.

Ein keramischer Schaumbrenner nach der Erfindung kann beispielsweise durch Plattenherstellung gefertigt werden. Die angewandte Technik ist die Replika-Methode, keramisches Pulver + Zuschlagsstoffe werden zu einer keramischen Suspension kombiniert, die mit einem organischen Schaum vermischt wird, der imprägniert, nachbearbeitet, ausgeheizt und gesintert wird, wonach der keramische Schaum erhalten wird. Variationen in der Porengröße und in der Porenzahl pro Zentimeter in dem organischen Schaum können durch genaue Kontrolle der angebrachten Menge der Suspension derart ausgeglichen werden, daß die Platten dem erforderlichen Druckabfallkriterium entsprechen.

Ein geeigneter keramischer Schaum entsteht beispielsweise, wenn ein keramischer Schaum mit 24 Poren pro Zentimeter mit einer Suspension imprägniert wird, in der Tonerde, Aluminiumoxid und Talk die Hauptbestandteile bilden. Die Suspensionsmenge soll so sein, daß der keramische Schaum eine scheinbare Dichte zwischen 100 und 700 kg/m3 erhält, was bei einer Dicke von 1,5 mm der Platte zu dem gewünschten Druckabfall führt. Die Sintertemperatur muß so sein, daß die kristallinen Phasen in dem Material im wesentlichen aus Cordierit, Mullit und Aluminiumoxid bestehen.

Von dem keramischen Schaum können die nachfolgenden Parameter eingestellt werden: Dicke, Form, Porosität, Druckabfall, mechanische Stärke, strahlende Eigenschaften (mittels Verkleidung), geschichtete Konstruktion mit unterschiedlichen Porisitätswerten, Materialtyp (Temperatur bis beispielsweise 2200 ⁰C). Die Anzahl der Poren pro Zentimeter kann, je nach der Anwendung zwischen 4 und 40 Poren/Zentimeter korrigiert werden.

Für gewöhnlich werden Platten erhalten, die nach Maß gesägt werden können, durch Bohren können aus solchen Platten kleine Zylinder erhalten werden. Auch können Zylindersegmente nach derselben Fertigungsmethode gefertigt werden, mit nachfolgendem gekrümmtem Sintern. Auch können erwünschtenfalls vorwölbende oder ovale geometrische Formen hergestellt werden.

Als Befestigungs- und Verbindungstechnik kann eine Kassette mit Packung (siehe Figur 3) angewendet werden, jedoch kann auch Verleimung (siehe die Figuren 4 und 5) verwendet werden, schließlich können die Platten mittels eines Sägeschnitts mit einer sogenannten Überblattung

zusammengefügt werden (siehe Figur 6a). Bei einer solchen Art und Weise
des Vorgehens ist jede Geometrie und Abmessung mittels 1) einem
einfachen metallenen Rahmen, 2) der Basisgeometrie, 3) der Befestigungs-/Verbindungstechniken realisierbar.
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Beispiel 1

Magnesium Aluminium Silikat, Suspension 1

8 g Dispersionsmittel (2 M HNO3) werden abgewogen und dies mit wird
demineralisiertes Wasser bis 287 g ergänzt. Dieser Lösung werden der

Reihe nach 134 g Mg(OH)2, 234 g A12O3 und 345 g SiO2 hinzugefügt. Eine
Suspension mit einer durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 50
]m wird bereitet. Die Suspension wird homogenisiert, indem sie 3 Stunden lang in einer Kugelmühle vermischt wird.

50g der bereiteten Suspension werden abgewogen und durch Hinzufügen von Salpetersäure auf eine Viskosität von 0,12 Pas gebracht. Die
Suspensionsmenge wird auf ein Stück PUR- Schaum (12 p/en 36 p/cm)
aufgetragen und homogen auf den Schaum verteilt. Dies geschieht
zweckmäßig durch Einrollen mit einer Teigrolle. Nach dem Trocknen,
Ausheizen und Sintern auf 1350 ⁰C entsteht ein Cordierit-Schaum, der als Brennerplatte geeignet ist.

Beispiel II

Magnesium Aluminium Silikat, Suspension 2

5 g Dispersionsmittel (1 M HNO3) und 5 g Dispersionsmittel (Wasserglas,
Natriumsilikat) werde abgewogen und mit demineralisiertem Wasser auf 300 g ergänzt. 500 g Tonerde werden hinzugefügt. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Tonerde und der zu erzielenden chemischen

Zusammensetzung werden dem hinzugefügt: 0-200 g A12O3, 0-200 g Mg(OH)2
und 0-200 g SiO2. Die Wahl der chemischen zusammensetzung der letzten
Komponente ist nicht wesentlich. Wesentlich ist,daß die richtigen mengen Al, Mg und Si beigegeben werden. Eine Suspension mit einer
durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 50nm wird bereitet. Die Suspension wird homogenisiert, indem während drei Stunden in einer

Kugelmühle gemahlen wird. Ein geeigneter Schaum wird mit dem in Beispiel 1 dargelegten verfahren erhalten.

Beispiel III

5 g Dispersionsmittel (1M HN02) und 5 g Dispersionsmittel (Wasserglas, Natriumsilikat) werden abgewogen und mit demineralisiertem Wasser auf 300 g ergänzt. 500 g Tonerde mit der Zusammensetzung von Kaolinitet (A12O3 · SiO2 · 2H2O) werden abgewogen und beigegeben. Eine Suspension mit einer Teilchengröße von 50 &mgr;&idiagr;&eegr; wird aufbereitet. Die Suspension wird homogenisiert, indem sie drei Stunden lang in einer Kugelmühle gemahlen wird. Ein geeigneter Schaum wird mit dem in Beispiel I genannten Verfahren erhalten.

Claims (9)

SCHUTZANSPRÜCHE

1. Keramischer Brenner, der wenigstens ein flaches Segment aus keramischem Schaum umfaßt, aufgenommen in ein Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine das Segment an drei Seiten unterstützende Kassette umfaßt und das Segment freitragend -angebracht worden ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei in der Kassette verschiedene aneinander mit flexiblen feuerfesten Kitt an der kalten Seite befestigten Segmente aus keramischem Material angebracht sind.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Segmente in einer waagerechten Ebene zusammengefügt sind.

4. Brenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Segmente in einer senkrechten Ebene zusammengefügt sind.

5. Brenner nach den Ansprüchen 1-4, wobei die Segmente sowohl waagerecht als auch senkrecht zusammengefügt sind.

6. Brenner nach Anspruch 1-5, wobei der Brenner, in der Strömungsrichtung des Gases gesehen, aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher Porengröße aufgebaut ist.

7. Brenner nach den Ansprüchen 1-6, wobei die Segmente seitlich mit einer keramischen Dichtung versehen sind.

8. Brenner nach den Ansprüchen 1-7, wobei die Platten in einer waagerechten Ebene mit einer geraden Überblattung zusammengefügt sind.

9. Verbrennungsvorrichtung, welche einen Brenner nach einem der

vorigen Ansprüche umfaßt, mit waagerecht angebrachten Segmenten, wobei die zu verbrennenden Gase über dem keramischen Schaum zugeführt werden und die Verbrennung auf der Unterseite der Segmente erfolgt.