DE10000652C2

DE10000652C2 - Brenner mit einem katalytisch aktiven porösen Körper

Info

Publication number: DE10000652C2
Application number: DE10000652A
Authority: DE
Inventors: Juergen Waidner; Marcus Bienzle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: DE10000652A1; NL1017071A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Ein Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 geht aus der DE 43 22 109 A1 hervor. Dieser Brenner weist einen porösen Körper auf, dem der Brennstoff über eine Rückschlagsicherung zugeführt wird. Der poröse Körper weist einen Bereich mit einer katalytisch aktiven Beschichtung und einen unbeschichteten Bereich auf. Die Zündung des Brenngas- Luftgemischs erfolgt innerhalb des katalytisch beschichteten Bereiches, um in diesem Bereich die Flammenfront zu stabilisieren.

Aus der DE 43 24 644 A1 geht ein Porenbrenner einer quasi flammenlosen Oberflächenverbrennung hervor, der aus einem keramischen Material besteht. Das keramische Material ist eine Mehrschichtverbundkeramik, aus einer porösen, hohlkugelförmigen Haufwerkskeramik.

Ein Gasbrenner, der aus mehreren Porenbrennersegmenten besteht, geht aus der DE 197 18 885 A1 hervor. Die Porenbrennersegmente sind einer Rückschlagsicherung nachgeschaltet und einer Kühlvorrichtung zugeordnet.

Ein Brenner für flüssige oder gasförmige fossile Brennstoffe gemäß DE 37 32 656 A1 weist ein die Brennerflamme umschließendes Flammenführungsrohr auf, in dem sich ein poröser Brennkörper befindet, der drei Zonen unterschiedlicher Porosität enthält, die hintereinander angeordnet sind.

Ein weiterer Porenbrenner, der als Strahlungsbrenner eingesetzt wird, geht aus der US 5,249,953 hervor, bei dem der Brennkörper aus zwei porösen Blöcken aus unterschiedlichem Material besteht.

Katalytisch wirksame Porenbrenner gehen ferner aus der US 4,491,640 und der JP 00 61 29 54 08 A hervor. Bei der US 4,491,640 wird als katalytisches Material Rhodium eingesetzt, das sich an der Porenwand anlagert. Bei der JP 00 61 29 54 08 A wird ein erster Katalysator zur Entschwefelung der Verbrennungsgase und ein zweiter Katalysator zur Umsetzung der Oxyde eingesetzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Brenner mit einem katalytisch aktiven, porösen Körper zu schaffen, bei dem die Katalysatoren im porösen Körper stets mit optimaler Arbeitstemperatur arbeiten, so dass aufgrund zu hoher oder zu niedriger Arbeitstemperatur eine Unwirksamkeit oder Zerstörung des Katalysators vermieden wird.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Auslegung des porösen Körpers kann zudem der Schadstoffausstoß gesenkt und der bei vollständig katalytisch beschichtetem, porösen Körper auftretende Brennstoffschlupf und die damit verbundene Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen vermieden werden. Ein Brennstoffschlupf kann z. B. bei einer teilweisen Deaktivierung des Katalysators auftreten.

Dadurch, dass der katalytisch beschichtete Bereich im Anschluss an die Einströmseite des Brennstoffes, des Gas- Luftgemisches, und damit im Anschluss an die Rückschlagsicherung liegt, wird die Rückschlagsicherung gekühlt. Dadurch wird eine Überhitzung des Katalysators in dem anschließenden katalytisch beschichteten Bereich des porösen Körpers verhindert. Dies kann auch schon durch eine Kühlung der Rückschlagsicherung über den ausströmenden Brennstoff erfolgen.

Gezündet wird der Brennstoff im unbeschichteten Bereich des porösen Körpers. Die aus diesem Bereich abgestrahlte Wärme erhitzt den angrenzenden, katalytisch beschichteten Bereich, so dass dieser seine Arbeitstemperatur erhält.

In den katalytisch beschichteten Bereich des porösen Körpers wird ein Teil des Gas-Luftgemisches katalytisch umgesetzt. Der nicht reagierte Teil des Gas-Luftgemisches wird im nicht katalytisch beschichteten, d. h. unbeschichteten Bereich, konventionell verbrannt.

Der Aufbau des porösen Körpers mit den unterschiedlichen Bereichen kann variieren. So kann nach einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die katalytisch beschichteten Bereiche und der unbeschichtete Bereich Bestandteile eines einstückigen porösen Körpers sind oder dass die katalytisch beschichteten Bereiche und der unbeschichtete Bereich als getrennte Schichten eines zusammengesetzten, porösen Körpers ausgebildet sind.

Eine Vereinfachung ergibt sich nach einer Weiterbildung dadurch, dass die Rückschlagsicherung Bestandteil des einstückig porösen Körpers oder als getrennte poröse Schicht des porösen Körpers ausgebildet ist.

Umfasst der katalytisch beschichtete Teil des porösen Körpers mehrere Berei che, dann ist vorgesehen, dass die katalytisch beschichteten Bereiche des porösen Körpers von der Rückschlagsicherung zu dem unbeschichteten Bereich hin in der Arbeitstemperatur an den zunehmenden Temperaturverlauf angepasst sind. Für Brenner mit porösen Körpern, bei denen sich aufgrund ihrer speziellen Auslegung eine von der beschriebenen Temperaturverteilung abweichende Ver teilung einstellt, werden die unterschiedlichen Katalysatorbereiche so ange ordnet, dass der Katalysator mit der höchsten Temperaturbelastbarkeit in der heißesten Zone angeordnet ist. Alle weiteren Zonen sind so anzuordnen, dass sie in einem für sie optimalen Temperaturbereich angeordnet sind. Dabei können entsprechend den Arbeitstemperaturen dieser Bereiche unterschiedliche Kataly satoren, wie keramische oder metallische Katalysatoren, verwendet werden. Zu dem kann vorgesehen sein, dass die katalytisch beschichteten Bereiche, der unbeschichtete Bereich und die Rückschlagsicherung unterschiedliche, an ihre Betriebsbedingungen angepasste Porengröße aufweisen.

Für die Beschichtung der Bereiche sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Kata lysatoren im Tauchverfahren oder durch Aufsprühen, insbesondere im Flamm spritzverfahren in den porösen Körper oder die getrennten Schichten desselben eingebracht oder aufgebracht sind.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spielen poröser Körper mit Rückschlagsicherung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen einstückigen Porenbrenner mit getrennter Rückschlagsiche rung,

Fig. 2 einen aus zwei unterschiedlichen Schichten und eine getrennte Rückschlagsicherungs-Schicht zusammengesetzten Porenbrenner,

Fig. 3 einen aus drei unterschiedlichen Schichten und eine getrennte Rückschlagsicherungs-Schicht zusammengesetzten Porenbrenner und

Fig. 4 einen aus einer unbeschichteten, einer katalytisch beschichteten Schicht und einer Rückschlagsicherungs-Schicht zusammengesetz ten Porenbrenner.

Der Porenbrenner nach Fig. 1 ist aus einem einstückigen porösen Körper 10 und einer getrennten, als Schicht ausgebildeten Rückschlagsicherung 20 zusammen gesetzt, über die das Gas-Luftgemisch als Brennstoff zugeführt wird. Der poröse Körper 10 ist einstückig und weist zwei Bereiche 11 und 15 auf, von denen nur der an die Rückschlagsicherung 20 anschließende Bereich 11 katalytisch be schichtet ist, während der der Rückschlagsicherung 20 abgekehrte Bereich 15 unbeschichtet ist. Die Zündung des Gas-Luftgemisches geschieht in diesem Be reich 15. Dabei kann der Katalysator durch Tauchen des Fußbereiches des porö sen Körpers 10 in den Bereich 11 eingebracht werden. Auch ein Einsprühen des Katalysators in den Bereich 11 ist möglich. Als Katalysatoren kommen edelmetallhaltige und keramische Katalysatoren, wie Perovskite, in Betracht, wobei sich ihre Eigenschaften nach der Arbeitstemperatur im Bereich 11 richtet. Die kera mischen Katalysatoren sind in einem Temperaturbereich von ca. 600°C bis 1000°C geeignet, während die metallischen Katalysatoren schon bei Arbeits temperaturen ab 300°C gut arbeiten, bei etwa 500°C aufgrund von Struktur änderungen schon zerstört werden können.

Wie die Fig. 2 an einem zusammengesetzten Porenbrenner zeigt, können die Be reiche 11 und 15 als getrennte Schichten ausgebildet sein, wie die Rückschlag sicherung 20. Dabei bleibt die Zündung im unbeschichteten Bereich 15 beibe halten und die katalytische Beschichtung des Bereiches 11 wird an den Tempe raturverlauf zwischen Rückschlagsicherung 20 und unbeschichtetem Bereich 20 angepasst. Dabei kann auch die Porosität des als Schicht ausgebildeten Berei ches 11 sich von der Porosität des unbeschichteten Bereiches 15 unterscheiden, insbesondere kleiner sein.

Bei dem Porenbrenner nach Fig. 3 mit zwei unterschiedlich katalytisch beschich teten Bereichen 11 und 12 werden mit unterschiedlichen Katalysatoren die Ar beitstemperaturbereiche an den Temperaturverlauf im zusammengesetzten porö sen Körper 10 angepasst. So kann der als Schicht ausgebildete Bereich 11 z. B. mit einem metallischen Katalysator beschichtet sein, der in einem Temperatur bereich von 300°C bis 500°C gut arbeitet, während der Bereich 12 mit einem keramischen Katalysator und einem Temperaturbereich von 600°C bis 1000°C ausgelegt ist. Das Gas-Luftgemisch wird über die Rückschlagsicherung 20 zuge führt, die zusätzlich gekühlt sein kann. Der unbeschichtete Bereich 15 des Porenbrenners liegt im Bereich der Zündeinrichtung und der Rückschlagsicherung 20 abgekehrt. Die Bereiche 11 und 12 können als Schichten ausgebildet und mit den Katalysatoren beschichtet mit dem unbeschichteten Bereich 15 verbunden sein. Die Rückschlagsicherung 20 kann als getrenntes Teil ausgebildet und mit dem aus den Schichten der Bereiche 11, 12 und 15 gebildeten porösen Körper 10 als Porenbrenner zusammengesetzt sein.

Wie der Porenbrenner nach Fig. 4 zeigt, kann die Rückschlagsicherung 20 auch als katalytisch beschichteter Bereich des porösen Körpers 10 ausgebildet sein, wobei dieser Bereich so gestaltet ist, dass mit niedriger Porosität und einer Arbeitstemperatur von ca. 300°C bis 500°C eine Flammenbildung verhindert ist. Der in Strömungsrichtung erste Bereich des Porenbrenners wirkt daher gleichzeitig als Rückschlagsicherung 20. Dabei kann dieser Bereich als getrennte Schicht ausgebildet oder in den einstückigen, porösen Körper 10 integriert sein. An den als Rückschlagsicherung 20 wirkenden katalytisch beschichteten Bereich schließen sich ein oder mehrere katalytisch beschichtete Bereiche, z. B. 11, an. Der dem unbeschichteten Bereich 15 benachbarte, in Strömungsrichtung des Gas-Luftgemisches letzte katalytisch beschichtete Bereich ist dabei auf eine Ar beitstemperatur von ca. 600°C bis 1000°C angepasst.

Es bleibt noch zu erwähnen, dass alle Bereiche 11, 12 und 15 der gezeigten Po renbrenner einschließlich der Rückschlagsicherung 20 als einstückiger poröser Körper 10 und/oder aus Schichten unterschiedlicher Porosität und/oder unter schiedlicher, an den Temperaturverlauf in Strömungsrichtung angepasster Be schichtungen bestehen kann.

Claims

1. Brenner mit einem katalytisch aktiven, porösen Körper (10), bei dem der Brennstoff über eine Rückschlagsicherung (20) dem porösen Körper (10) zugeführt wird und bei dem im Bereich des porösen Körpers (10) durch Zündung der zugeführte Brennstoff zur Verbren nung gebracht wird, wobei der poröse Körper (10) mindestens einen Bereich mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (11) aufweist, der der Rückschlagsicherung (20) abgekehrt in einen unbeschichte ten Bereich (15) des porösen Körpers (10) übergeht, dadurch ge kennzeichnet, dass der katalytisch aktive Bereich (11) im An schluss an die Rückschlagsicherung (20) angeordnet ist, dass sich der unbeschichtete Bereich (15) in Strömungsrichtung des Gas- Luftgemischs an den katalytisch aktiven Bereich (11) anschließt, dass die Zündung des Brennstoffs im unbeschichteten Bereich (15) stattfindet und der angrenzende katalytisch aktive Bereich (11) seine Arbeitstemperatur durch die aus dem unbeschichteten Bereich (15) übertragene Wärme erhält, und dass innerhalb des katalytisch aktiven Bereichs (11) ein Teil des Gas-Luftgemischs katalytisch umsetzbar ist und der nicht reagierte Teil des Gas-Luftgemischs im nachgeschalteten unbeschichteten Bereich (15) verbrannt wird.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Bereiche (11, 12) und der katalytisch inaktive Bereich (15) Bestandteile eines einstückigen porösen Körpers (10) sind.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Bereiche (11, 12) und der unbeschichtete Bereich (15) als getrennte Schichten eines zusammengesetzten, porösen Körpers (10) ausgebildet sind.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagsicherung (20) Bestandteil des einstückigen porösen Körpers (10) oder als getrennte poröse Schicht des porösen Körpers (10) ausgebildet ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Bereiche (11, 12) des porösen Körpers (10) von der Rückschlagsicherung (20) zu dem unbeschichteten Bereich (15) hin in der Arbeitstemperatur an den Temperaturverlauf angepasst sind.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die getrennten Schichten der katalytisch aktiven Bereiche (11, 12) mit unterschiedlichen Katalysatoren (keramische oder metallische Ka talysatoren) versehen sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch beschichteten Bereiche (11, 12), der unbeschichtete Bereich (15) und die Rückschlagsicherung (20) unterschiedliche, an ihre Betriebsbedingungen angepasste Porengröße aufweisen.