DD261290A3

DD261290A3 - Kombinierte zuend- und ueberwachungseinrichtung fuer brenner

Info

Publication number: DD261290A3
Application number: DD86296161A
Authority: DD
Inventors: Klaus Loetsch; Roland Bianchin; Werner Franke; Guenter Berndt; Christian Riedel; Manfred Schingnitz; Ernst Heumann; Wolfgang Zschocke; Mario Ledig
Original assignee: Freiberg Brennstoffinst
Priority date: 1986-11-11
Filing date: 1986-11-11
Publication date: 1988-10-26
Also published as: CS271099B1; DE3736417C2; AU8093687A; CS699887A1; JPS63135718A; AU601503B2; DE3736417A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Zuend- und Ueberwachungseinrichtung fuer Brenner fuer fluessige, gas- und staubfoermige Brennstoffe, insbesondere fuer Brenner fuer die Vergasung von staubfoermigen Brennstoffen unter Druck. Ziel ist die Erhoehung der Sicherheit und Effektivitaet von Anfahr- und Reaktionsprozessen. Erfindungsgemaess sind in einem Huellrohr ein Tubus und Ueberwachungselemente angeordnet, die zum Reaktionsraum hin mit einer Sammellinse beziehungsweise Quarzglasscheiben verschlossen sind. Ausserhalb des Reaktors ist ein Laser auf den Tubus aufgesetzt, durch den der Laserstrahl in den Reaktionsraum eingekoppelt wird. Die Ueberwachungselemente sind mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zünden von Brennern für flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe und die sicherheitstechnische Bewertung der Brennerflamme.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Reaktoren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe unter Druck sowie Reaktoren zur Synthesegaserzeugung auf der Basis der Vergasung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Allgemein bekannt ist die Hochspannungszündung für das Zünden von Brennern unter Verwendung von Zündelektroden, w eiche zumeist in gesonderten Zündbrennern oder Zündlanzen eingebaut sind.

Mit der Patentanmeldung F 23 D/281 2863 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 drucklosem Zustand befinden, beziehungsweise in denen ein nur geringer Überdruck herrscht.

Begründet ist dies darin, daß nur eine relativ geringe Menge des zündfähigen Gas-Luft-Gemisches gezündet werden kann. Eine Erhöhung der Mediengeschwindigkeit beziehungsweise 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.

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.

Mit der DE 3129919C2 ist eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen bekannt, bei derein Halbleiterlaser, welcher aus Stapeln vonLaser-Diodenplättchen besteht, den Laserstrahl erzeugt. Durch die im Brennpunkt entstehende Energie von ca. 100 Millijoule ist das Zünden eines Brenners nicht möglich.

. Darüber hinaus sind beide Patente nicht druckfest ausgelegt und weisen an der Eintrittsstelle des Laserstrahles in den Brennraum eine für die Brennerzündung ungeeignete konstruktive Lösung auf, da die Optik an der Eintrittsstelle durch den Verbrennungsvorgang sofort verschmutzen würde.

Besonders die extremen Bedingungen in Staubdruckvergasungsgeneratoren stehen bisher dem Einsatz von Laser-Zündanlagen in Kohlenstaubbrennern oder generell als Zündquelle für diese Brenner im Wege, da die für diese Systeme geforderte hohe Sicherheit nicht gewährleistet werden kann.

Gleichzeitig können alle bekannten Lösungen zur Zündungvon Brennstoff-, Sauerstoff- oder Luftgemischen nicht mit Überwachungssystemen kombiniert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist neben der Verbesserung der Ökonomie der Vergasungsprozesse eine Erhöhung der Effektivität und der Sicherheit beim Zünden und Überwachen von Brennern.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe mittels einer Zündeinrichtung zu zünden und gleichzeitig eine ständige sicherheitstechnisch relevante optische Überwachung der Flamme des Reaktionsraumes zu realisieren, insbesondere in unter Druck von 0,1 bis 5 MPa stehenden Reaktoren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Brenner eine Einrichtung eingesetzt ist, die hauptsächlich aus einem Tubus mit druckfestem optischem Fenster, einer drucktragenden Sammellinse und aus zwischen Tubus und Hüllrohr angeordneten Überwachungselementen und einem Laser besteht.

Das Hüllrohr stellt die äußere Begrenzung der Einrichtung dar und ist vom Reaktionsraum nach außen durchgeführt. Im Hüllrohr befindet sich asymmetrisch — aber koaxial angeordnet, der innen verspiegelte oder polierte Tubus, der an seinem reaktionsraumseitigen Ende mit einer Sammellinse verschlossen ist. Am gegenüberliegendem Ende besitzt der Tubus ein optisches Fenster und ist mit einem in drei Achsen justierbaren Laser axial gekoppelt. Der druckfreie Raum zwischen Sammellinse und optischem Fenster ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden.

Parallel zum Tubus sind im Hüllrohr ein oder mehrere Überwachungselemente angeordnet, die ebenfalls über einen Flansch des Hüllrohres nach außen geführt sind. Die Überwachungselemente sind rohrförmig gestaltet, das reaktionsraumseitige Ende ist mit einer Quarzglasscheibe verschlossen.

Im Überwachungselement ist ein opto-elektronischer Wandler vorhanden, der entweder über Lichtwellenleiter mit der Quarzgiasscheibe verbunden oder unmittelbar hinter dieser angeordnet ist. Der Wandler ist über elektrische Anschlüsse mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden. Ein im Überwachungselement zwischen Wandler und Quarzglasscheibe oder hinter dem Wandler vorhandener druckfreier Raum ist mit einer Kontrolleinrichtung verbunden.

Das Hüllrohr ist am reaktionsraumseitigen Ende als Düse ausgebildet, wobei die Mündung so groß gewählt ist, daß der Laserstrahl und auch der Strahlengang des vom Überwachungselement empfangenen Flammensignalen nicht behindert ist. Der Zwischenraum zwischen Hüllrohr und Einbauten ist mit einem Spülgasanschluß versehen.

Erfindungsgemäß wird ein Laserimpuls aus dem axial am Tubus angeordneten Laser in den Tubus eingekoppelt und von der Sammellinse in den Reaktionsraum fokussiert, wobei zur Verminderung der Übertragungsverluste der Tubus verspiegelt oder poliert ausgeführt ist. Zur Überwachung des Brenners wird das von der Brennerflamme emittierte Licht im Überwachungselement über Lichtleiter, die mit einer Quarzglasscheibe druckfest gefaßt sind, erfaßt und optisch-elektronischen Wandlern zugeführt, die mit einer separaten selektiven Auswerteeinheit verbunden sind.

Erfindungsgemäß werden die zwischen der Sammellinse und dem optischen Fenster und zwischen Quarzglasscheibe und druckfester Durchführung vorhandenen druckfreien Räume als wesentliches sicherheitstechnisches Element ständig überwacht.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist die Einleitung von Spülgas in den Zwischenraum zwischen Tubus und Hüllrohr.

Durch diese Maßnahme und die spezielle Gestaltung der Mündung in Form einer Düse werden die optischen Einbauten gekühlt und gezielt vor Verschmutzungen aus dem Reaktionsraum beziehungsweise dem Eindringen anderer im Brenner vorhandener Medien geschützt.

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.

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.

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.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung der Zünd-und Überwachungseinrichtung

Fig.2: Überwachungselement mit Lichtwellenleiter

Fig. 3: Überwachungselement ohne Lichtwellenleiter

Fig. 4: In Brenner eingesetzte Zündeinrichtung

Im Ausführungsbeispiel ist die Zünd- und Überwachungseinrichtung an zentraler Stelle in den Brenner 17 eingesetzt. Eingangsseitig befindet sich axial am Tubus 2 ein Laser 1. Die Verbindung zwischen Laser 1 und Tubus 2 bildet ein druckfestes optisches Fenster 5. Am reaktionsraumseitigen Ende des Tubus 2 ist eine druckfeste Sammellinse 4 angeordnet. Im Raum zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befinden sich die Überwachungselemente 6. Diese bestehen aus der mündungsseitig angeordneten Quarzglasscheibe 7, Lichtwellenleitern 14, ausgangsseitig plaziertem opto-elektronischem Wandler 15, druckfesten Durchführungen 9 und elektrischen Anschlüssen 16.

Nach der Erfindung ist es ebenfalls möglich, den opto-elektronischen Wandler 15 mündungsseitig hinter der Quarzglasscheibe 7 anzuordnen. Der zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 existente Zwischenraum 18 ist mit einem Spülgasanschluß 8 zur Zuführung von Spülgas versehen. Das reaktionsrau mseitige Ende des Hü 11 roh res 3 ist als Düse 19 mit Mündung 10 so gestaltet, daß eine Verschmutzung der Sammellinse 4 ausgeschlossen und der Strahlengang nicht behindert wird. Die Arbeitsweise der Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden.

Der Laserstrahl wird in dem axial am Tubus 2 justierbar montierten Laser 1 erzeugt und über das optische Fenster 5 in den Tu bus 2 eingekoppelt. Die Sammellinse 4fokussiert den Laserimpuls an einen für die Zündung günstigen Punkt im Reaktionsraum 13.

Über einen sich zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befindlichem Zwischenraum 18 wird ein trockenes, staub-, öl- und fettfreies Spülgas eingebracht, welches; bedingt durch die Form der Düse 19 mit Mündung 10, die Sammellinse 4 umspült und von Verschmutzungen freihält.

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.

Die sich zwischen Tubus 2 und Hüllrohr 3 befindlichen Übertragungselemente 6 dienen der Überwachung des Brenners. Das von der Brennerflamme emittierte Licht wird über die Quarzglasscheibe 7 und Lichtwellenleitern 14 einem opto-elektronischen Wandler 15 zugeleitet, der mit einer dezentral angeordneten selektiven Auswerteeinheit gekoppelt ist. In einer Ausführungsform befindet sich der opto-elektronische Wandler direkt hinter der Quarzglasscheibe.

Die druckfreien Räumen imTubus2undinden Überwachungselementen 6 werden von Kontrolleinrichtungen 12 aufständige Funktionssicherheit überwacht.

Claims

1. Kombinierte Zünd- und Überwachungseinrichtung für Brennerfürflüssige, gas- und staubförmige Brennstoffe, vorzugsweise zur Vergasung von staubförmigen Brennstoffen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem in einem Hüllrohr (3) angeordneten Tubus (2) besteht, an dessen oberen Ende über ein druckfestes optisches Fenster (5) außerhalb des Reaktionsraumes ein Laser (1) justierbar angeordnet ist, daß am reaktionsraumseitigen Ende des Tubus (2) eine Sammellinse (4) plaziert ist, daß um den Tubus (2) im Hüllrohr (3) Überwachungselemente (6) installiert sind, daß das reaktionsraumseitige Ende des Hüllrohres (3), die Form einer Düse (19) besitzt, der Zwischenraum (18) zwischen Hüllrohr (3) und den Einbauten Tubus (2) und Überwachungselemente (6) mit einem Spülgasanschluß (8) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungselemente (6) über eine Quarzglasscheibe (7) druckdicht gegen den Reaktionsraum (13) verschlossen sind und einen opto-elektronischen Wandler (15) besitzen, der über elektrische Anschlüsse (16) mit druckfester Durchführung (9) mit einer dezentralen Auswerteeinheit verbunden ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Überwachungselementen (6) der optoelektronische Wandler (15) über Lichtwellenleiter (14) mit der Quarzglasscheibe (7) verbunden ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Überwachungseinrichtungen (6) der opto-elektronische Wandler (15) unmittelbar hinter der Quarzglasscheibe (7) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckfreien Räume (11) im Tubus (2) und in den Überwachungselementen (6) mit Kontrolleinrichtungen (12) verbunden sind.