DE10331243A1

DE10331243A1 - Gasbrenner und Verfahren zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs

Info

Publication number: DE10331243A1
Application number: DE10331243A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Volz; Peter Riegger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs (9) mit einer Reaktionszone (24) für das Gas-Luft-Gemisch (9) und mit einem nahe der Reaktionszone (24) angeordneten Reaktorkörper (12) sowie mit einer Zuführleitung (14) zur Zuführung des Gas-Luft-Gemischs (9) zur Reaktionszone (24). DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs (9). DOLLAR A Es wird eine Kühlung der Zuführleitung (14) mittels des zugeführten Gas-Luft-Gemischs (9) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemisches mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Die Bereitstellung von Wasserstoff als Rohstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie in Brennstoffzellen erfolgt bisher in erster Linie großtechnisch. Bei einem derartigen großtechnischen Verfahren werden Kohlenwasserstoffe mittels einer Dampfreformierung zu Wasserstoff beziehungsweise zu wasserstoffreichem Brenngas umgewandelt. Die Verwendung von Brennstoffzellen als dezentrale Energiewandler erfordert in der Regel jedoch eine lokale Erzeugung von Wasserstoff. Zur Umwandlung von Erdgas und zur Bereitstellung von wasserstoffreichem Gas kann ein Reaktor verwendet werden, dem die notwendige Reaktionsenthalpie mittels eines Brenners zugefügt wird. Die bekannten Reformierreaktoren arbeiten mit relativ hohen Brennertemperaturen, die bei kompakten Systemen schwer beherrschbar sind. Oftmals weisen die bekannten Anlagen einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf. Sollen höhere Wirkungsgrade erreicht werden, kann es im Brenner zu einem sog. Flammrückschlag kommen. Die Reformersysteme können auch autotherm arbeiten, was aber einen höheren technischen Aufwand und eine geringere Wasserstoffausbeute mit sich bringt.

Ein Brenner zur flammenlosen Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemischs ist aus der DE 44 30 267 A1 bekannt. Bei diesem Brenner wird Brennstoff und Luft vorgemischt und in ein in den Reaktionsraum führendes Mischrohr eingeblasen. Zum Hineinreißen einer rückgeführten Abgasteilmenge in das Mischrohr wird der Impuls des Brennstoff-Luft-Gemisches im Mischrohr genutzt.

Die US 54 84 577 beschreibt einen Reformer, der mit einem relativ niedrigen Temperatur- und Druckniveau arbeitet. Eine Wärmeübertragung mittels Konvektion zwischen dem heißen Brenngasstrom und einer Reaktorhülle wird durch Verwendung eines Wärmeübertragungsbereichs verbessert, der zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Verbrennungsgasstroms gegen die Reaktorwand führt.

Ein Gasbrenner und ein Verfahren zur flammenlosen Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches ist weiterhin aus der DE 199 60 093 A1 bekannt. Der Gasbrenner umfasst einen Porenkörper, dem eine Zone mit eng bemessenen Durchgangsöffnungen als Rückschlagsicherung vorgeschaltet ist. Zwischen einer Ausströmfläche der Zone und einer Anströmflache des Porenkörpers ist ein festkörperfreier Raum ausgebildet, in dem sich die Reaktionszone ausbildet. In die Reaktionszone wird über die Rückschlagsicherung die erste Verbrennungskomponente zugeleitet, die nur schwer entzündbar ist. Unmittelbar in die Reaktionszone wird die zweite Verbrennungskomponente als Brenngas-Luft-Gemisch eingedüst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Brenner bzw. ein Verfahren zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe wasserstoffreiches Gas bei geringer Abgastemperatur und geringen Schadstoffwerten erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Vorteile der Erfindung

Bei einem Gasbrenner zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist eine gekühlte Zuführleitung zur Zufuhr des Brenngas-Luft-Gemischs in eine Brennzone des Gasbrenners vorgesehen. Hierbei sorgt die Strömung des zugeführten Gas-Luft-Gemischs für eine Kühlung der Zuführleitung. Die Strömung kühlt dabei die Rohrinnenwand, was eine Wärmeleitung entgegen der Strömungsrichtung des Gas-Luft-Gemisches weitgehend verhindert. Die Flamme kann somit den gewünschten Reaktionsort nicht verlassen, wodurch ein sogenannter Flammrückschlag verhindert wird.

Der Gasbrenner kann insbesondere auch für die flammenlose Oxidation des Brenngas-Luft-Gemischs geeignet sein. Durch eine solche flammenlose Oxidation zudem das Entstehen von Stickoxiden weitgehend vermieden werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuführleitung thermisch von einer Mischkammer isoliert ist. Die Mischkammer dient zur Bereitung eines brennbaren Gas-Luft-Gemischs in einem vorgegebenen Ver hältnis. Die thermische Isolation zwischen Zuführleitung und Mischkammer verbessert nochmals den Gesamtwirkungsgrad des Brenners. Weiterhin kann ein Gegenstromwärmetauscher vorgesehen sein, bei dem die im Abgas enthaltene Wärmeenergie teilweise auf das dem Brenner zugeführte Gas-Luft-Gemisch übertragen wird. Auch mit einer solchen Maßnahme lässt sich der Reformerwirkungsgrad steigern.

Vorzugsweise weist der Gasbrenner eine topfförmige Brennkammer auf, in deren inneren oberen Bereich die Zuführleitung mündet. Die Zuführeinleitung kann weiterhin eine Abgasrückführeinrichtung aufweisen. Hierbei wird ein Teil des Abgases der Brennkammer dem zugeführten Gas-Luft-Gemisch beigemischt.

Bei einem Verfahren zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemisches in einer Reaktionszone eines Gasbrenners, bei dem das Gas-Luft-Gemisch über eine Zuführleitung in einen Brennraum gefördert wird, ist eine gekühlte Zuführleitung vorgesehen. Die Kühlung der Zuführleitung erfolgt durch das zugeführte Gas-Luft-Gemisch. Das Verfahren kann insbesondere eine flammenlose Oxidation des Gas-Luft-Gemischs vorsehen. Durch die Kühlung der Zuführleitung kann einerseits ein Flammrückschlag vermieden werden. Zudem sorgt die gekühlte Zuführleitung für einen verbesserten Wirkungsgrad des Oxidationsverfahrens.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Gasbrenners.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in der Figur schematisch dargestellte Gasbrenner 8 dient zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs 9. Der Gasbrenner 8 weist eine topfförmige Brennkammer 10 mit einem ringförmig um diese angeordneten Reaktorkörper 12 auf, der insbesondere als Reaktorwabe ausgebildet sein kann. In einen mittleren oberen Bereich der Brennkammer 10 mündet eine Zuführleitung 14 zur Zufuhr des brennbaren Gas-Luft-Gemisches 9, das in einer Mischkammer 16 aus Erdgas 18 oder einem anderen geeigneten Brenngas und aus Luft 20 zu einem brennbaren Gemisch vereinigt wird.
Die Mischkammer 16 befindet sich unterhalb des Gasbrenners 8. Die Zuführleitung 14 erstreckt sich senkrecht nach oben in den Gasbrenner 8 und mündet in dessen oberem Bereich. Die Reaktionszone 24 befindet sich oberhalb und seitlich um den Mündungsbereich der Zuführleitung 14 im oberen Bereich der Brennkammer 10. Die Abgase 28 strömen seitlich nach unten und werden im unteren Bereich der Brennkammer 10 aus dieser heraus geführt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel können die Abgase 28 außen um die Brennkammer 10 herum strömen und verlassen den Gasbrenner 8 durch einem definierten Abgasauslass.
Zwischen Mischkammer 16 und Brennkammer 10 des Gasbrenners 8 ist eine thermische Isolation 22 vorgesehen, durch die eine Wärmeübertragung von der Brennkammer 10 beziehungsweise von der Reaktionszone 24 verhindert wird. Das einströmende Gas-Luft-Gemisch 9 in der Zuführleitung 14 führt zudem zu deren thermischer Isolierung beziehungsweise Kühlung. Ein Flammenrückschlag kann dadurch verhindert werden. Der Gasbrenner 8 kann insbesondere zur flammenlosen Oxidation des Gas-Luft-Gemischs 9 vorgesehen sein.
Weiterhin ist in einem unteren Bereich der Zuführleitung 14 eine Abgasrückführeinrichtung 26 vorgesehen, über die ein Teilstrom des Abgases 28 dem Gas-Luft-Gemisch 9 zugemischt werden kann. Zu diesem Zweck kann die Zuführleitung 14 doppelwandig ausgeführt sein, wie dies in der Figur dargestellt ist. Ein Teil des Abgasstroms wird hierbei in den äußeren Bereich der doppelwandigen Zuführleitung eingeleitet, so dass der Sog des einströmenden Gas-Luft-Gemischs 9 für ein Mitreißen des Abgasteilstroms und für eine Durchmischung mit dem Brenngas 9 sorgt.
Der Brenner 10 bzw. Strahlrohrbrenner ist so gestaltet, dass die Strömung des Brenngas-Luft-Gemischs die Rohrinnenwand der Zuführleitung 14 kühlt. Zusammen mit der thermischen Isolierung 22 gegenüber der Mischkammer 16 wird somit die Wärmeleitung entgegen der Strömungsrichtung des Brenngases 9 reduziert bzw. verhindert. Die Flamme der Reaktionszone 24 kann somit den gewünschten Reaktionsort nicht verlassen; eine sogenannter Flammrückschlag ist damit verhindert. Durch eine flammenlose Oxidation kann auch das Entstehen von Stickoxiden weitgehend vermieden werden.
Weiterhin kann das Abgas 28 zur Eduktvorwärmung in einem Gegenstromwärmeübertrager (nicht dargestellt) verwendet werden, was den Reformerwirkungsgrad nochmals steigern kann.

Claims

Gasbrenner zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs (9) mit einer Reaktionszone (24) für das Gas-Luft-Gemisch (9) und mit einem, nahe der Reaktionszone (24) angeordneten Reaktorkörper (12) sowie mit einer Zuführleitung (14) zur Zuführung des Gas-Luft-Gemischs (9) zur Reaktionszone (24), gekennzeichnet durch eine gekühlte Zuführleitung (14).
Gasbrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mittels des zugeführten Gas-Luft-Gemischs (9) gekühlte Zuführleitung (14).
Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (14) thermisch von einer Mischkammer (16) isoliert ist.
Gasbrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine topfförmige Brennkammer (10) des Gasbrenners (8), in deren inneren oberen Bereich die Zuführleitung (14) mündet.
Gasbrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (14) eine Abgasrückführeinrichtung (26) aufweist.
Verfahren zur Oxidation eines Gas-Luft-Gemischs (9) in einer Reaktionszone (24) eines Gasbrenners (8), bei dem das Gas-Luft-Gemisch (9) über eine Zuführleitung (14) in einen Brennraum (10) gefördert wird, gekennzeichnet durch eine gekühlte Zuführleitung (14).
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine mittels des zugeführten Gas-Luft-Gemischs (9) gekühlte Zuführleitung (14).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein mittels eines Abgasstroms vorgewärmtes Gas-Luft-Gemisch (9).