DE102006060669B4

DE102006060669B4 - Katalytische Verdampfung von flüssigen Brennstoffen

Info

Publication number: DE102006060669B4
Application number: DE102006060669A
Authority: DE
Inventors: Lothar Griesser
Original assignee: Individual
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: DE102006060669A1

Abstract

Katalytischer Reaktor zur Verdampfung und Vergasung von flüssigen Brennstoffen mit einem Gehäuse (1), einem Vlies (2) aus saugfähigem Material, einer Brennstoff-Zufuhr (3), einem Katalysator (4), einer Luftzufuhr (5), einem Austritt (6) für den Brennstoffdampf und einer Vorheizung (7), dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (1) senkrecht oder nach unten geneigt angeordnet ist,
dass die Luft dem Gehäuse (1) oben zugeführt wird,
dass der flüssige Brennstoff dem Vlies (2) am oberen Ende desselben zugeführt wird,
so dass der Brennstoff im Vlies (2) unter der Wirkung der Schwerkraft nach unten fliesst und an der Oberfläche des Vlieses (2) verdampft,
dass das Vlies (2) und der Katalysator (4) als ebene Körper ausgebildet sind,
dass das Vlies (2) und der Katalysator (4) parallel zueinander angeordnet sind,
dass das Vlies (2) und der Katalysator (4) einen Abstand voneinander haben,
und dass der erzeugte Brennstoffdampf zwischen dem Vlies...

Description

Die Erfindung betrifft die Verdampfung und Vergasung von flüssigen Brennstoffen, wobei die erforderliche Wärme durch katalytische Oxydation eines Teils des Brennstoffs erzeugt. Mit Hilfe der Erfindung können beispielsweise betriebliche und emissionsseitige Verbesserungen bei Heizölkesseln erreicht werden.
In Brennern von Heizölkesseln üblicher Bauart wird Heizöl durch Sprühdüsen versprüht, mit der Verbrennungsluft vermischt und anschliessend gezündet. Bei Brennern kleiner Leistung ist die zuzuführende Heizölmenge klein. Sprühdüsen für kleine Heizölmengen haben kleine Durchmesser der Bohrung für das Heizöl. Infolge des kleinen Bohrungsdurchmessers verstopfen diese Sprühdüsen häufig. Ein weiterer Nachteil von Sprühdüsen ist, dass die versprühte Brennstoffmenge und damit die Leistung des Heizölkessels nur in einem kleinen Bereich variiert werden kann. Wenn flüssiger Brennstoff vor der Verbrennung verdampft wird, sind keine Sprühdüsen erforderlich. Somit können die betrieblichen Nachteile von Sprühdüsen vermieden werden.
Bei der Verbrennung von Gasen wird häufig eine vorgemischte oder teilvorgemischte Verbrennung durchgeführt. Die Verbrennung nach der Vormischung kann an ausgedehnten Flächen, beispielsweise an einer gelochten Scheibe, durchgeführt werden. Die Flammentemperatur ist dabei kleiner als bei der Verbrennung von versprühtem flüssigem Brennstoff. Dadurch werden die Emissionen von Stickoxyden reduziert. Wenn flüssiger Brennstoff vor der Verbrennung verdampft wird, kann eine vorgemischte oder teilvorgemischte Verbrennung wie bei Gasen durchgeführt werden. Somit können auch bei flüssigen Brennstoffen die Stickoxyd-Emissionen reduziert werden.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere katalytische Verfahren zur Aufbereitung von flüssigen Brennstoffen vor der Verbrennung bekannt. So wird in DE-OS 37 16 187 ein Brenner für eine Fahrzeugheizung beschrieben, bei der einem thermischen Reaktor ein Katalysator vorgeschaltet ist. Es wird angeführt, dass der Brennstoff vor dem Katalysator durch Rückführung von Wärme aus dem thermischen Reaktor verdampft werden kann. Die Verdampfung und Wärmerückführung wird jedoch in DE-OS 37 16 187 nicht weiter beschrieben oder gezeigt.
Ein Brenner für flüssige Brennstoffe mit einem Spaltgasgenerator aus Sintersteinen ist aus DE-P 22 60 586 bekannt. Die Sintersteine wirken als Katalysator bei der Erzeugung des Spaltgases. Der flüssige Brennstoff wird durch einen Verteiler auf die Sintersteine aufgegeben. Beim Starten des Brenners benötigen die Sintersteine infolge ihres Gewichtes eine beträchtliche Zeitdauer, bis sie heiss sind. Daraus resultiert ein Nachteil dieses Spaltgasgenerators, dass die katalytische Wirkung der Sintersteine erst einige Zeit nach dem Start des Brenners einsetzt.
Im katalytischen Brenner von JP 57-104 014 A wird der Brennstoff, der durch einen Zentrifugalverteiler zerstäubt wird, mit der Verbrennungsluft, die durch einen Ventilator gefördert wird, vermischt. Anschliessend wird das Gemisch an einer vorgeheizten Wand erwärmt. Danach folgt eine Flammenzündung mittels einer Zündkerze. Dadurch wird der Katalysator vorgeheizt. Ein Nachteil dieses Brenners ist es, dass der Katalysator durch die hohe Temperatur der Flamme beschädigt werden kann.
In WO-A-92 20963 , in DE-C-585 220 und in FR-A-2 325 815 wird der Brennstoff ohne vorhergehende vollständige Verdampfung, somit mindestens teilweise flüssig, auf einen Katalysator aufgegeben. Wenn Brennstoff in flüssiger Form auf einen Katalysator aufgegeben wird, können Verkrustungen der Katalysatoroberfläche auftreten. Der Katalysator wird dadurch teilweise unwirksam.
In DE-B-28 11 273 wird ein katalytischer Brenner beschrieben, bei dem der Brennstoff anfänglich durch elektrische Beheizung, später durch Wärmedurchgang durch eine keramische Wand verdampft wird. Nachteilig ist dabei, dass eine grosse Wandfläche erforderlich ist infolge der kleinen Wärmeleitfähigkeit von Keramik.
In DE-A-23 59 542 wird ein Startgerät für Spaltgasgeneratoren gezeigt, bei dem mit Hilfe einer unterstöchiometrischen Flamme ein katalytischer Lochstein erhitzt wird. Trotz den angeführten Vorsichtsmassnahmen ist der russfreie Betrieb einer unterstöchiometrischen Flamme nicht gewährleistet, sodass der Katalysator des Lochsteins beschädigt werden kann.
In DE 19947923 A1 wird ein Verdampfer mit einem Verdampferkörper beschrieben. Der Verdampferkörper kann aus einem porösen Katalysatormaterial bestehen. Der Verdampferkörper kann waagrecht oder senkrecht angeordnet werden. Bei senkrechter Anordnung wird die zu verdampfende Flüssigkeit oben auf den Verdampferkörper aufgegeben. Ein gasförmiges Oxydationsmittel wird ebenfalls von oben der Oberfläche des Verdampferkörpers zugeführt. Die erforderliche Wärme für die Verdampfung wird im porösen Verdampferkörper durch katalytische Reaktion zwischen dem Oxydationsmittel und der Flüssigkeit erzeugt, wobei es sich offenbar um oxydierbare Flüssigkeiten handelt. Bei einer anderen Ausführungsform dieses Verdampfers ist der Verdampferkörper in eine poröse Katalysatorschicht und eine poröse Schicht für die zu verdampfende Flüssigkeit aufgeteilt. Durch diese Aufteilung in zwei Schichten soll verhindert werden, dass sich die Poren des Katalysatormaterials mit Flüssigkeit füllen. Dadurch wird nämlich die Funktion des Katalysators beeinträchtigt. Es wird jedoch in DE 19947923 A1 nicht beschrieben, wie das Überströmen von Flüssigkeit von der Flüssigkeitsschicht in die direkt daran angrenzende Katalysatorschicht verhindert wird.
US 7490 580 B2 zeigt einen Verdampfer für flüssige Brennstoffe. Der flüssige Brennstoff und der verdampfte Brennstoff sind durch metallische Wände getrennt. In einem weiteren durch metallische Wände getrennten Strömungsweg wird ein heisses Gas geführt. Die Wärmeerzeugung erfolgt durch einen Katalysator im Strömungsweg des heissen Gases. Die Wärmezufuhr zum flüssigen Brennstoff erfolgt durch Wärmeübergang durch die metallische Wand an den flüssigen Brennstoff. Bei dieser Art der Wärmezufuhr können bei Dieselöl, Heizöl und ähnlichen Brennstoffen Krusten auf der beheizten Wand entstehen.
In EP 0716 225 wird ein katalytischer Verdampfer für flüssige Brennstoffe beschrieben. Er besteht aus einem senkrechten oder nach unten geneigten Rohr. Der Brennstoff wird auf die Innenseite des Verdampferrohres aufgesprüht und fliesst danach als Fallfilm auf der Wand nach unten. Der Katalysator im Innern des Rohres hat die Form eines zylindrischen Mantels mit einem im Vergleich zum Verdampferrohr etwas kleineren Durchmesser. Die erforderliche Verdampfungswärme wird durch katalytische Oxydation eines Teils des Brennstoffs erzeugt. Nachteilig ist bei diesem Verdampfer, dass ein Teil des flüssigen Brennstoffs bei der Versprühung auf den Katalysator gelangen kann. Weiterhin kann sich der flüssige Brennstoff-Film von der Wand lösen und danach mit dem Katalysator in Berührung kommen. Flüssiger Brennstoff auf dem Katalysator führt jedoch zur Zerstörung des Katalysators. Ein weiterer Nachteil des katalytischen Verdampfers von EP 0716 225 ist, dass das Innere des zylindrischen Katalysator-Mantels leer und damit ungenützt ist. Dieser Verdampfer erfordert deshalb ein grosses Bauvolumen.
Unserer Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine katalytische Verdampfung und Vergasung flüssiger Brennstoffe bereit zu stellen, bei der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt sind. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Beim erfindungsgemässen Verdampfer wird der flüssige Brennstoff an einem oder mehreren Punkten in eine Schicht aus saugfähigem Material geführt. Der flüssige Brennstoff verteilt sich in dieser Schicht. Dadurch steht die gesamte Fläche der Schicht für die Verdampfung des Brennstoffs zur Verfügung. Deshalb können mit dem erfindungsgemässen Verdampfer kleine Bauvolumen realisiert werden.
Der Katalysator ist in einem Abstand von der Schicht, in der sich der Brennstoff befindet, angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass flüssiger Brennstoff auf den Katalysator gelangt. Flüssiger Brennstoff auf dem Katalysator könnte zur Zerstörung des Katalysators führen.
Die für die katalytische Reaktion erforderliche Luft wird bei unserer Erfindung oben zugeführt. Die zugeführte Luftmenge beträgt höchstens 25% der für die vollständige Oxydation der zugeführten Brennstoffmenge erforderlichen Luftmenge. Bei einer grösseren Luftmenge würde die Gefahr bestehen, dass der Katalysator überhitzt wird und dadurch thermisch geschädigt wird.
Der erfindungsgemässe Verdampfer funktioniert wie folgt. Zunächst wird der Katalysator mit Hilfe einer Vorheizung auf seine Anspringtemperatur erwärmt. Dann wird die Zufuhr von flüssigem Brennstoff gestartet. Geringe Mengen des Brennstoffs verdampfen beim Eintritt in den katalytischen Verdampfer. Diese reagieren am Katalysator mit der zugeführten Luft, wobei Wärme freigesetzt wird. Diese Wärme wird durch Wärmestrahlung vom Katalysator an die Schicht aus saugfähigem Material übertragen. Dadurch wird die Verdampfung von weiteren Teilen des Brennstoffs bewirkt. Dieser Brennstoffdampf reagiert wiederum am Katalysator. Die entstehende Wärme wird wiederum durch Wärmestrahlung an die Schicht aus saugfähigem Material übertragen. Auf diese Weise wird der gesamte Brennstoff verdampft.
Ausser der Wärmestrahlung findet auch eine Wärmekonvektion vom Katalysator durch den mit Brennstoffdampf und Luft gefüllten Abstand zur Schicht, in der sich der flüssige Brennstoff befindet, statt. Bei den herrschenden Temperaturen des Katalysators ist jedoch die Wärmestrahlung grösser als die Wärmekonvektion.
Beim erfindungsgemässen Verdampfer erfolgt die Verdampfung ohne Bildung von Krusten. Weiterhin hat sich gezeigt, dass beim erfindungsgemässen Verfahren keine Russbildung im katalytischen Verdampfer stattfindet.
Je nach der Art des verwendeten Katalysators, der zugeführten Luftmenge und der Katalysatortemperatur wird durch das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur die Verdampfung des Brennstoffs bewirkt, sondern es findet auch eine chemische Umwandlung statt, die als Vergasung bezeichnet wird. So können beispielsweise aus dem Brennstoff Dieselöl, dessen Zusammensetzung näherungsweise mit C₁₂H₂₄ angegeben werden kann, die folgenden gasförmigen Stoffe produziert werden: C₂H₆; C₂H₄; C₁H₄; H₂.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch den Verdampfer. 2 zeigt den Schnitt von 1 in der Ansicht von rechts. In einem Gehäuse 1 ist ein Vlies 2 angebracht. Die Luftzufuhr ist oben angeordnet. Das Vlies 2 hat die Fähigkeit, den flüssigen Brennstoff aufzusaugen. Der flüssige Brennstoff wird durch die Brennstoff-Zufuhr 3 in das Vlies 2 geführt. Der Katalysator 4 ist parallel zum Vlies 2 angeordnet. Zwischen dem Vlies 2 und dem Katalysator 4 ist ein Abstand vorhanden. Durch die Saugfähigkeit des Vlieses 2 und durch den Abstand zwischen dem Vlies 2 und dem Katalysator 4 wird verhindert, dass flüssiger Brennstoff auf den Katalysator 4 auftrifft. Das Vlies 2 und der Katalysator 4 sind als ebene Körper ausgebildet. Der katalytische Verdampfer gemäss EP 0716 225 besteht demgegenüber aus einem Rohr mit einem zylindrischen Katalysator, wobei das Innere des Katalysators leer und damit ungenützt ist. Durch die Ausbildung des Vlieses 2 und des Katalysators 4 als ebene Körper bei der Anordnung von 1 und 2 wird das gesamte Bauvolumen im Gehäuse 1 ausgenützt. Die Anordnung von 1 und 2 hat deshalb ein kleineres Bauvolumen als der katalytische Verdampfer gemäss EP 0716 225 .
Bei der Anordnung von 1 und 2 ist eine Vorheizung 7 zur Erwärmung des Katalysators 4 auf die Anspringtemperatur vorhanden. Als Vorheizung 7 kann eine elektrische Widerstandsheizung oder eine andere Heizung verwendet werden. Wenn der Katalysator 4 aus einem metallischen Material besteht, kann die Vorheizung auch durch Durchleiten von elektrischem Strom durch den Katalysator 4 bewirkt werden. Zum Starten der katalytischen Verdampfung wird, nach der Erwärmung des Katalysators 4 auf die Anspringtemperatur, die Brennstoff-Zufuhr 3 geöffnet. Geringe Mengen des Brennstoffs verdampfen beim Eintritt in den katalytischen Verdampfer. Diese reagieren am Katalysator 4 mit der zugeführten Luft, wobei Wärme freigesetzt wird. Diese Wärme wird durch Wärmestrahlung vom Katalysator 4 an das Vlies 2 übertragen. Dadurch wird die Verdampfung von weiteren Teilen des Brennstoffs bewirkt. Dieser Brennstoffdampf reagiert wiederum am Katalysator 4. Die entstehende Wärme wird wiederum durch Wärmestrahlung an das Vlies 2 übertragen. Auf diese Weise wird der gesamte Brennstoff verdampft. Nach dem Anspringen der Reaktion am Katalysator 4 kann die Vorheizung 7 abgestellt werden. Der erzeugte Brennstoffdampf wird durch den Austritt 6 abgeführt.
3 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Heizölkessel 8. Das Gehäuse 1 des katalytischen Verdampfers ist oben am Heizölkessel 8 angeordnet. Der Heizölkessel 8 ist mit einem Gebläse 9 versehen. Dieses liefert die Luft für den Heizölkessel 8 und, eingestellt durch die Blende 10, auch die Luft für den katalytischen Verdampfer. Der Start der katalytischen Verdampfung erfolgt wie bei 1 und 2 beschrieben. Der erzeugte Brennstoffdampf wird im Heizölkessel 8 mit der Luft vom Gebläse 9 vermischt und entzündet sich an der im Heizölkessel eingebauten Zündeinrichtung. Das Gehäuse 1 des katalytischen Verdampfers kann auch seitlich am Heizölkessel 8 oder unter dem Heizölkessel 8 eingebaut werden.
4 zeigt die Anwendung der Erfindung als Vorstufe für die Reformierung flüssiger Brennstoffe durch katalytische partielle Oxydation vor der Umsetzung in Brennstoffzellen. Das Gehäuse 1 des katalytischen Verdampfers ist vor dem Reformierreaktor 11 angeordnet. Die Luft für die katalytische partielle Oxydation wird vom Gebläse 9 geliefert. Die Luft für die katalytische Verdampfung wird durch die Blende 10 von diesem Luftstrom abgezweigt. Das erzeugte Gas wird nach dem Reformierreaktor 11 der Brennstoffzelle 12 zugeführt.

Claims

Katalytischer Reaktor zur Verdampfung und Vergasung von flüssigen Brennstoffen mit einem Gehäuse (1), einem Vlies (2) aus saugfähigem Material, einer Brennstoff-Zufuhr (3), einem Katalysator (4), einer Luftzufuhr (5), einem Austritt (6) für den Brennstoffdampf und einer Vorheizung (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) senkrecht oder nach unten geneigt angeordnet ist, dass die Luft dem Gehäuse (1) oben zugeführt wird, dass der flüssige Brennstoff dem Vlies (2) am oberen Ende desselben zugeführt wird, so dass der Brennstoff im Vlies (2) unter der Wirkung der Schwerkraft nach unten fliesst und an der Oberfläche des Vlieses (2) verdampft, dass das Vlies (2) und der Katalysator (4) als ebene Körper ausgebildet sind, dass das Vlies (2) und der Katalysator (4) parallel zueinander angeordnet sind, dass das Vlies (2) und der Katalysator (4) einen Abstand voneinander haben, und dass der erzeugte Brennstoffdampf zwischen dem Vlies (2) und dem Katalysator (4) nach unten strömt und durch den Austritt (6) abgeführt wird.
Heizölkessel mit katalytischem Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft für den katalytischen Reaktor nach dem Gebläse (9) des Heizölkessels abgezweigt wird.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (4) aus einem metallischen Material besteht und dass die Vorheizung durch Durchleitung von elektrischem Strom durch den Katalysator (4) erfolgt.
Reformierreaktor mit katalytischem Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Reaktor dem Reformierreaktor vorgeschaltet ist, dass die Luftmenge, die dem katalytischen Reaktor zugeführt wird, höchstens 25% der für die vollständige Oxydation der zugeführten Brennstoffmenge erforderlichen Luftmenge beträgt, und dass die Luft für den katalytischen Reaktor nach dem Gebläse (9) des Reformierreaktors abgezweigt wird.