DE10042479C2

DE10042479C2 - Vorrichtung und Verfahren zur katalytischen Oxidation von Brennstoffen

Info

Publication number: DE10042479C2
Application number: DE2000142479
Authority: DE
Inventors: Franz Fuder; Hansjuergen Guttmann; Dieter Rausch
Original assignee: Aral AG
Current assignee: Aral AG
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: DE10042479A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur katalytischen Oxidation von Brennstoffen mit einer Strömungsstrecke, einer Mischzone, einem Katalysator und einem Wärmeübertragungsmittel.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene katalytische Brenner bekannt. Die se werden eingesetzt zur Umsetzung von Brennstoff-Luft-Gemischen, beispiels weise für Fahrzeugstandheizungen, für die Vorwärmung von Abgaskatalysatoren, für die Verdampfung von Benzin vor der Zufuhr zu einem Verbrennungsmotor oder für die Verdampfung von Brennstoffen vor chemischen Reaktionen in industriellen chemischen Prozessen. Hierzu gehört die Umsetzung von Brennstoffen mit Luft oder Wasser an heterogenen Katalysatoren, beispielsweise zur Erzeugung von Synthesegas bei zusätzlicher Einleitung von Wasser.

Die DE 195 14 369.8 A1 beschreibt einen katalytischen Brenner für flüssiges Ben zin. Dieser umfaßt eine Benzindüse, ein Rohr, auf das das Benzin gesprüht wird, und einen Katalysator, der im Rohr angeordnet ist. Der Brenner wird durch eine elektrische Vorheizung vorgewärmt, danach wird die Benzin- und Luftzufuhr ge startet. Das Benzin verdampft auf der Wand des Rohres und reagiert im Kataly sator mit der Luft, wobei Wärme entsteht, die durch direkte Wärmeeinstrahlung die Verdampfung des weiter zugeführten Benzins bewirkt. Bei dieser Vorrichtung wird das Benzin durch Verdüsung auf eine Wand im oberen Teil der Vorrichtung ver dampft, wo es mit ebenfalls zugeführter Luft gemischt wird. Dieses Benzin-Dampf- Luft-Gemisch wird dann in der Vorrichtung weitergeleitet und auf den Katalysator geführt, wo die Oxidation stattfindet. Die Kühlung des Katalysators und die Abfüh rung der Verbrennungswärme erfolgt über einen Wärmetauscher.

Die DE 195 29 428.9 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur katalytischen Verbren nung von Brennstoffen. Hierbei wird der Vorrichtung ein vorgemischtes Brennstoff- Luft-Gemisch zugeführt. Das Gemisch durchströmt einen äußeren Ringzylinder und tritt dann in einen ringförmigen Reaktionsspalt ein, in dem es an einer Kataly satorschicht auf dem Hochtemperaturlatentwärmespeicher umgesetzt wird nachdem durch einen Zündbrenner mit offener Flamme eine ausreichende Reaktions temperatur erzielt wurde.

Hier erfolgt die Abführung der Verbrennungswärme über einen Wasserraum, in dem die Brennerstufe angeordnet ist. Weiterhin ist zusätzlich ein Latentwärme speichermaterial vorhanden, das im flüssigen Zustand zirkuliert und so einen Wärmeaustausch bewirkt.

Die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik besitzen erhebliche Nachteile. Auf Grund der Verwendung von Zündbrennern mit offenen Flammen kann es zu Überhitzungen des Katalysators kommen, so daß der Katalysator zer stört wird. Weiterhin besteht bei der Einführung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in den Brenner die Gefahr, daß eine vorherige Zündung des Gemisches erfolgt, was ebenfalls zu einer Zerstörung des Katalysators führen kann.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Verbrennung ist eine niedrige NO_x Emission. Die Voraussetzungen für eine niedrige NO_x Emission sind eine schnelle und homoge ne Vermischung der Verbrennungsgase mit Luft und weiterhin eine ausreichend lange Aufenthaltszeit der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer. Wei terhin hängt der Umwandlungsgrad des brennstoffgebundenen Stickstoffes zu NO_x im starken Maße vom globalen stöchiometrischen Verhältnis der Reaktions komponenten, vom lokalen Mischungsverhältnis und von der Verbrennungstempe ratur ab. Diese Voraussetzungen werden aus den oben erwähnten Gründen bei den Vorrichtungen des Standes der Technik und den mit ihnen durchgeführten Verfahren nicht erfüllt, weshalb sie hohe NO_x-Emissionswerte besitzen.

Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist es, daß der Katalysator bei nicht ausreichender Verdampfung des Brennstoffes durch flüssigen Brennstoff deakti viert werden kann. Es tritt dann eine Verkokung im Katalysator auf, die den Kata lysator schädigt.

Bei den Verfahren des Standes der Technik und den hierfür benutzten Vorrichtungen müssen weiterhin auch zur Verdampfung des Brennstoffes Vergaser und Düsen verwendet werden, die häufig zu warten sind und damit eine teure, kostenintensive, technischen Lösung darstellen.

JP 59208313 A (Patent Abstracts of Japan), FR 2 610 390 A1, DE 20 20 408 C3 und US 3 734 682 beschreiben typische Brenner, bei denen eine Verbrennung und eine damit verbundene Flammenerscheinung außerhalb des eigentlichen Brenners erfolgt. Keine dieser Schriften sieht eine Mischzone vor, in der der verdampfte Brennstoff mit zugeführter Luft gemischt wird und anschliessend einen Katalysator durchströmt. Vielmehr tritt die Luft von außen zu, so dass auch die Verbrennung des ausströmenden brennbaren Gases ausserhalb unter Flammenbildung erfolgt. Bei der JP 600 26206 A (Patent Abstracts of Japan) werden zwar der vergaste Brennstoff und Luft vor dem Verbrennnen miteinander gemischt, jedoch lässt sich dem letzten Satz der Zusammenfassung entnehmen, dass auch hier sich auf der Oberfläche des Katalysators eine Flamme aufbildet. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine solche offene Flamme zu vermeiden.

Die technische Aufgabe der Erfindung lag daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur katalytischen Oxidation von flüssigen Brennstoffen in einem Katalysator zur Verfügung zu stellen, bei dem Vergaser und Düsen für den Brennstoff nicht verwendet werden müssen, eine Überhitzung des Katalysators ausgeschlossen ist, keine vorherige Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches eintreten kann und auch eine Deaktivierung des Katalysators durch flüssigen Brennstoff vermieden wird.

Diese technische Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur katalytischen Oxidation von Brennstoffen gemäß Anspruch 1.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Vorrichtung aus mindestens zwei die Strömungsstrecke bildenden ineinander liegenden Rohren, 1, 2, einem Katalysator 4 und einer im Katalysator angeordneten Mischzone 3, wobei die Rohre 1, 2 einen Ringspalt bilden, der Katalysator 4 am einen Ende der Rohre 1, 2 angeordnet ist und die Rohre 1, 2 in die Mischzone 3 hineinragen.

Durch diese Anordnung ist es möglich, daß Brennstoff und Luft erst im Katalysator vermischt werden und vorher in der gesamten Vorrichtung getrennt geführt werden. Hieraus ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik der erhebliche Vorteil, daß eine vorherige Zündung des Gemisches oder eine Überhitzung des Katalysators durch die vorherige Oxidation ausgeschlossen ist. Ein weiterer Vorteil ist es, daß durch die Führung des Brennstoffes im Ringspalt, eine Verdampfung am Ende der Strömungsstrecke eintritt. Damit hat der gasförmige Brennstoff beim Austritt aus der Strömungsstrecke lediglich seine Verdampfungstemperatur, die jedoch unterhalb der Selbstentzündungstemperatur liegt. Weiterhin wird durch diese Maßnahme verhindert, daß flüssiger Brennstoff in den Katalysator eintritt und damit eine Verkokung und Deaktivierung des Katalysators verursacht wird.

Durch die Zuführung des Kraftstoffes mittels Strömungsstrecke mit Kapillarwirkung direkt in den Katalysator wird dieser durch die Verdampfungswärme des Brennstoffes gekühlt. Damit kann die Temperatur am Ende der Strömungsstrecke nicht über die Siedetemperatur des Brennstoffes ansteigen. Die Kapillarwirkung sorgt dafür dass keine flüssigen Brennstoffe austreten können, da der Brennstoff drucklos an der Strömungsstrecke anliegt. Ein weitere Vorteil diese Systems ist es, daß auf komplexe Verdampfungssysteme wie Düsen und Vergaser vollständig verzichtet werden kann. In bevorzugter Weise wird die Wärme, die bei der Oxidation des Brennstoffes im Katalysator entsteht, durch Wärmeleitung vom Katalysator in die Strömungsstrecke zurückgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher der Katalysator mit Mitteln zur Wärmeübertragung ausgestattet. Hierbei kann es sich um Einbauten aus wärmeleitendem Material handeln. In bevorzugter Weise ist weiterhin der Ringspalt zwischen den beiden Rohren mit für Flüssigkeiten durchlässigem Material, insbesondere Mineral-, Glas- oder Metallwatte gefüllt. In bevorzugter Weise ist der Ringspalt analog eines Wärmerohres geometrisch gestaltet oder durch Einbauten wie Glas- oder Metallwatte gefüllt.

Der Gasstrom wird durch das innere Rohr 1 in den Katalysator geleitet. Hierdurch wird der Gasstrom auf die Verdampfungstemperatur des Brennstoffes gebracht und die Gase werden gemischt. Die Temperatur in der Mischzone im Katalysator liegt unterhalb der Selbstentzündungstemperatur, so dass noch keine Reaktion stattfindet. Die so vorgemischten Gase gelangen dann weiter in den Katalysator, in dem die Reaktion stattfindet.

Als Katalysator wird bevorzugt ein Oxidationskatalysator, vorzugsweise aus Schaumkeramik, insbesondere mit dreidimensional vernetzten Poren, eingesetzt. Der Katalysator besitzt vorzugsweise ein Katalysatorvolumen von 8 × 10⁶ mm³. Derartige Katalysatoren besitzen vorzugsweise Katalysatorgrößen von 20 bis 100 mm. Sie sind mit Edelmetallen, vorzugsweise mit Platinmetallen, belegt, in einer Menge von 0,1 bis 2 Gew.-%. Der Luftdurchsatz beträgt 0,8 bis 4,5 m³/h, vorzugsweise 3,4 m³/h. Der Feuerungswirkungsgrad liegt üblicherweise im Bereich von 91 bis 95%, vorzugsweise bei 94% und der Brennstoffdurchsatz liegt bei 10 bis 250 g/h, vorzugsweise bei 180 g/h.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur katalytischen Oxidation von Brennstoffen gemäß Anspruch 9.

In einer besonderen Ausführungsform wird die zur Verdampfung des Brennstoffes notwendige Verdunstungswärme dem Katalysator entzogen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die durch die Reaktion im Katalysator erzeugte Wärme mittels geeigneter Wärmeübertragungsmedien in den Ringspalt geführt und zur Verdampfung des Brennstoffes eingesetzt. Diese Wärmeübertragungsmittel bestehen bevorzugt aus wärmeleitendem Material, besonders bevorzugt aus Metall.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Austrittstemperatur des Brennstoffes aus der Strömungsstrecke mit Kapillarwirkung, d. h. dem Ringspalt, unterhalb der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffes liegt.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß der Brennstoff durch die Strömungssstrecke direkt in den Katalysator befördert wird, ohne vorher mit Luft vermischt zu werden. Durch diese getrennte Zuführung auf den Katalysator werden die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt, nämlich die Vermeidung einer vorherigen Zündung des Gemisches und die Vermeidung einer Überhitzung des Katalysators. Im Stand der Technik werden die Brennstoff-Luft-Gemische üblicherweise über einen relativ langen Weg innerhalb des Brenners geführt, so daß hier eine erhebliche Gefahr besteht, daß es zu einer vorherigen Zündung des Gemisches kommt.

Ein weiterer wesentlicher Effekt der Erfindung wird erzielt durch die Verdampfung des Brennstoffes aus einer Strömungsstrecke mit Kapillarwirkung direkt in den Katalysator. Hierdurch wird einerseits der Einsatz von Düsen und Vergasern für den Brennstoff entbehrlich, da durch die Kapillarwirkung ein ständiger Zustrom des Brennstoffes erfolgt. Weiterhin wird auch gewährleistet, daß der verdampfenden Brennstoff nicht die Selbstentflammungstemperatur erreicht, sondern lediglich die Verdampfungstemperatur, die üblicherweise unterhalb der Selbstentzündungstemperatur liegt. Darüber hinaus kann die bei der Verdampfung entstehende Verdunstungskälte sinnvoll zur Kühlung des Katalysators bzw. umgekehrt die im Katalysator erzeugte Wärme zur Verdampfung des Brennstoffes in der Strömungsstrecke eingesetzt werden.

Fig. 1 soll die Erfindung näher erläutern. Die Ziffern 1 und 2 zeigen die ineinander liegenden Rohre, die den Ringspalt 5 bilden. Durch den Ringspalt wird der flüssige Brennstoff zugeführt, durch das Innenrohr die Luft. In der Mischzone tritt der anfangs flüssige Brennstoff in gasförmiger Form ein. Erst in der Mischzone 3, die sich im Katalysator befindet, wird der Brennstoff mit der Luft gemischt. Der Transport des Brennstoffes in der Strömungsstrecke erfolgt ohne Pumpen oder Düsen, sondern allein durch die Kapillarwirkung des am Ende der Strömungsstrecke verdampfenden Brennstoffes. Das Katalysatormaterial ist bevorzugt mit Wärmeübertragungsmitteln 6 umgeben, die die im Katalysator entstehende Wärme ableiten und dem oberen Teil des Ringspaltes zuführen, wodurch sie die Verdampfung des Brennstoffes beschleunigen. Die Wärmeübertragungsmittel sind bevorzugt auf die erforderliche Verdampfungsenthalpie des verwendeten Brennstoffes abgestimmt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Katalysators 4 mit der Mischzone 3 und dem Wärmeübertragungsmittel 6.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht, wobei das Innenrohr mit der Ziffer 1 und das Außenrohr mit der Ziffer 2 bezeichnet ist. Das Außen- und Innenrohr sind ineinander geschoben und bilden den Ringspalt 5.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich eine katalytische Oxidation von flüssigen Brennstoffen vorzunehmen, mit geringem NO_x-Anteil im Abgas. Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung keine Düsen oder Pumpen verwendet werden müssen, besteht die Möglichkeit neuartige Brennerkonzepte zu entwickeln.

Es besteht ferner die Möglichkeit, Synthesegas durch zusätzliche Einleitung von Wasser zu erzeugen, wobei dann der Brenner als autothermer Reformer arbeitet. Das Wasser kann dabei beispielsweise durch die Strömungsstrecke, vorzugsweise die Ringspalte, eingeführt werden. Autotherme Reformer werden zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt.

Bezugsziffern

1

Innenrohr

2

Außenrohr

3

Mischzone im Katalysator

4

Katalysator

5

Ringspalt

6

Wärmeübertragungsmittel

Claims

1. Vorrichtung zur katalytischen Oxidation von Brennstoffen bestehend aus

a) mindestens einer Strömungsstrecke mit Kapillarwirkung in Form eines Ringspalts zwischen zwei ineinanderliegenden Rohren 1 und 2, in der ein flüssiger Brennstoff, vorzugsweise ohne äußeren Druck und nur durch die Kapillarwirkung transportiert wird und am Ende der Strömungsstrecke verdampft,
b) einer Mischzone 3, in der der verdampfte Brennstoff mit zugeführter Luft gemischt wird,
c) einem sich der Mischzone 3 anschließenden, für Gase durchströmbaren Katalysator 4, in welchem der gasförmige, mit Luft vermengte Brennstoff durch den Luftsauerstoff oxidiert wird,
d) einem Wärmeübertragungsmittel 6 aus einem wärmeleitenden Material, vorzugsweise Metall, das die notwendige Energie zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffes aus der Strömungsstrecke heraus über das die Strömungsstrecke bildende Material dem Brennstoff zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bestehend aus mindestens zwei die Strömungsstrecke bildenden ineinander liegenden Rohren, 1, 2, einem Katalysator 4 und einer im Katalysator angeordneten Mischzone 3, wobei der Katalysator 4 am einen Ende der Rohre 1, 2 angeordnet ist und die Rohre 1, 2 in die Mischzone 3 hineinragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator 4 Mittel zur Wärmeübertragung 6 besitzt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator 3 Einbauten aus wärmeleitendem Material besitzt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in wärmeleitendes Material eingefaßt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringspalt 5 für Flüssigkeiten durchlässiges Material, insbesondere Mineral-, Glas- oder Metallwatte vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein Oxidationskatalysator, vorzugsweise aus Schaumkeramik, insbesondere mit dreidimensionalen vernetzten Poren ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zuführung von Wasser, gegebenenfalls über einen oder mehrere Ringspalte vorhanden sind.

9. Verfahren zur katalytischen Oxidation von Brennstoffen, wobei ein flüssiger Brennstoff, vorzugsweise ohne äußeren Druck und nur durch die Kapillarwirkung, durch eine Strömungsstrecke mit Kapillarwirkung in Form eines Ringspalts zwischen zwei ineinanderliegenden Rohren 1 und 2 transportiert wird und am Ende der Strömungsstrecke verdampft, der verdampfte Brennstoff in einer Mischzone mit zugeführter Luft gemischt und über einen für Gas durchströmbaren Katalysator geleitet wird, wo der mit Luft vermengte Brennstoff durch den Luftsauerstoff oxidiert wird, wobei die notwendige Energie zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffes aus der Strömungsstrecke heraus über das die Strömungsstrecke bildende Material dem Brennstoff zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verdampfung des Brennstoffes notwendige Verdunstungswärme dem Katalysator entzogen wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Oxidation im Katalysator erzeugte Wärme mittels geeigneter Wärmeübertragungsmittel aus wärmeleitendem Material, vorzugsweise Metall, in den Ringspalt geführt wird und zur Verdampfung des Brennstoffes eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Wasser zugeführt wird, so daß der Brenner als Reformer betrieben werden kann.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittstemperatur des Brennstoffes aus der Strömungsstrecke mit Kapillarwirkung unterhalb der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffes liegt.