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.
Oberflächenstrahlungsbrenner sind insbesondere für Raumbeheizungs- 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 Flammenträgerelemente eingesetzt, um die Lebensdauer gegenüber metallischen Flammenträgern zu verbessern, wie es z.B. in DE-A-40 41 061 beschrieben, ist aus der ein keramisches Verbrennungsträgerelement 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 Ungleichmäßigkeit 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 Flammen träger 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-0 382 674 und EP-A-0 397 591 beschriebenen Flammenträgerlösungen 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 Al2O3 als Hauptbinderbestandteil, wie in US-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 Al2O3 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 anfänglich 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 Poren form über längere Betriebsdauer und Zyklen nicht verhindern.
Metallische Faserstrahlungsbrenner, wie z.B. in EP-A-0 157 432, EP-A-0 227 131 und EP-A-0 390 255 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 Verbrennungskörper 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-0 410 569 A1 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 A1, 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 Verbrennungskörper 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 Formkörper aus porösem keramischen Material zu entnehmen, bestehend aus einem aufschäumbaren Ausgangswerkstoff mit einem Gemisch aus Alkalisilikaten, Alkalialuminaten und keramischen Partikeln. Hierbei handelt es sich um einen porösen Körper für verschiedene Verwendungszwecke, unter anderem auch Brennofen.
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 Patentveröffentlichung 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-4 039 480 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.
In der US-A-4 889 481 ist ein Verbrennungsträgerelement beschrieben, bestehend aus einem keramischen Material, das eine Vielzahl Durchlaßöffnungen aufweist, wobei das Verbrennungsträgerelement ein mehrschichtiger Verbundkörper mit zwei oder drei Schichten ist, von denen die dritte Schicht chemisch aufgedampft ist.
Aus der JP-A-62258917 ist ein Verbrennungsträgerelement beschrieben, das aus kugelförmigen Aggregaten aus keramischen Material in einer Schicht aufgebaut ist.
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.
Weitere Ausgestaltungsmerkmale 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.
Eine weitere Forderung für ein Verbrennungsträgerelement besteht darin, daß es sich einfach und kostengünstig mit befriedigender Porosität sowie thermischer und mechanischer Stabilität herstellen läßt.
Anderen Ausgestaltungsmerkmalen liegt der Zweck zugrunde, ein Verbrennungsträgerelement so auszugestalten, daß an seiner Verbrennungsoberfläche ein bestimmtes, insbesondere gleichmäßiges Abströmungsgeschwindigkeitsprofil bzw. eine bestimmte, insbesondere gleichmäßige Flammenverteilung entsteht.
Es ist im weiteren auch noch Zweck weiterer Ausgestaltungsmerkmale, 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 Gasdurchströmung. 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 Flächenbrennern ohne gesonderte Strömungsleit- und Verteilungseinrichtungen festzustellen, daß im Zentrum der Brennstoffströmung sich abstromseitig höhere Strömungsgeschwindigkeiten einstellen, was zu einer ungleichmäßigen Flammenbildung führt.
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.
Durch die Erfindung wird eine Flammenträgerkeramik 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 Einsatz 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 Flammenträgerbereich 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 führen.
Die erfindungsgemäßen Verbrennungsträgerelemente 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:
Bei allen vorbeschrieben Ausführungsbeispielen bestebt 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 Verbundkörper) 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 Ausführungsbeispiel 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 topfförmigen 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 hülsenformigen 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 halbkugelförmig 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 4mm 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/m2 bis etwa 400 kW/m2 (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:
Zur Herstellung eines Grünkörpers 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 Verarbeitungskonsistenz 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) Hochtemperaturfasem oder Fasergemische mit Anwendungstemperaturen etwa oberhalb 1500°C, wie z.B. Al2O3-Fasern mit 95 % AL2O3 oder mit mehr als 99,5 % Al2O3, ZrO2-Fasern oder Siliziumnitrid-Fasern sind unter Einsatz entsprechender kolloidaler Lösungen und Füller möglich. Der Faserdurchmesser soll dabei vorzugsweise in einem engen Spektrum oberhalb 3µm 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
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 Lange von kleiner oder gleich etwa 3 mm zugefügt, z.B. in Form von Kunstfaserschnitt, Naturfaserschnitt oder Holzmehl.
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 1 prozentiger, 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.
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. Mullitfeinkorn, der Binder, z.B. der Al2O3-SiO2 Mischbinder mit 77 % Al2O3, und 23 % SiO2, sowie der organische Verdicker, z.B. Hydroxyethylzellulose in 1 prozentiger, 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 10 prozentiger oder vorzugsweise 30 prozentiger, 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 feinporöse Struktur mit der angestrebten multidirektionalen Faseranordnung 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 funktionellen 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 Faserqualitat, insbesondere in Richtung einer höheren thermischen Belastbarkeit, z.B. Fasern mit 95 % Al2O3 oder 99,5 % Al2O3 und mehr, bzw. Zirkonoxidfasern oder Siliziumnitrid-Fasern oder Fasergemische in Verbindung mit einer Anpassung der oxidischen Füllermaterialien und kolloidalen Bindern auf der Basis Al2O3 und ZrO2, 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
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.
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 1 prozentiger 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 Langen- 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 Al2O3 - SiO2 - Binder und danach der Verdicker in veränderten Gewichtsanteilen zugefügt und gleichmäßig 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 Al2O3 oder ZrO2 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 ZrO2 zugesetzt wird, die die kolloidale SiO2-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 CO-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 verbrennungsfähige Gemisch wird durch eine geeignete Vorrichtung an der Oberfläche gezündet, die Verbrennungsabgase einer Brennkammer zugeführt und eine prozeßabhängig mehr oder wenig intensive Wärmeabnahme realisiert.