DE1077821B

DE1077821B - Device for the catalytic combustion of difficultly combustible gas mixtures, in particular of poor methane air mixtures

Info

Publication number: DE1077821B
Application number: DES52185A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Pollmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-02-02
Filing date: 1957-02-02
Publication date: 1960-03-17

Description

Vorrichtung zur katalytischen Verbrennung schwer brennbarer Gasgemische, insbesondere von armen Methanluftgemischen Es ist vorgeschlagen, Methanluftgemische mit geringem Methangehalt, beispielsweise der Größenordnung von 1 %, wie sie im Bergbau anfallen und gegebenenfalls durch Mischung schlagender Wetter mit abgesaugten, in größerem Umfang Methan enthaltenden Gasen gewonnen werden, katalytisch bei verhältnismäßig niedrigeren Temperaturen zu verbrennen, um mit den Abgasen beispielsweise eine Gasturbinenanlage zu betreiben. Bei derartigen Anlagen ist eine vollkommene Verbrennung von gewissen Temperaturen innerhalb der die Katalysatoren enthaltenden Brennkammer abhängig.Apparatus for the catalytic combustion of flame-retardant gas mixtures, especially poor methane-air mixtures.It is proposed that methane-air mixtures with a low methane content, for example of the order of 1 %, such as occur in mining and, if necessary, be obtained by mixing beating weather with extracted gases containing larger amounts of methane to burn catalytically at relatively lower temperatures in order to operate a gas turbine system with the exhaust gases, for example. In such systems, complete combustion is dependent on certain temperatures within the combustion chamber containing the catalysts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur möglichst vollkommenen katalytischen Verbrennung sch-,ver brennbarer Gasgemische, insbesondere von Methanluftgemischen mit geringem Methangehalt, in einer die Katalysatorelemente enthaltenden Brennkammer zu schaffen. Gemäß der Erfindung wird das dadurch erreicht, daß die Katalysatorelemente Trennwände zwischen dem zugeführten Gemischstrom und dem abströmenden Gasstrom bilden, so daß die bei Berührung mit dem abströmenden Gasstrom an denKatalysatorelementen entwickelteWärme durch Leitung durch die Trennwand hindurch die vorn zugeführten Gemischstrom berührte Oberfläche erhitzt und dadurch die Wirkung der Katalysatoren erhöht.The invention is based on the object of a device for the possible perfect catalytic combustion of flammable, ver combustible gas mixtures, in particular of methane air mixtures with low methane content, in one of the catalyst elements to create containing combustion chamber. According to the invention this is achieved by that the catalyst elements dividing walls between the supplied mixture stream and form the outflowing gas flow, so that the contact with the outflowing Gas flow on the catalyst elements evolved heat by conduction through the partition heated through the front fed mixed stream touched surface and thereby the effect of the catalysts increases.

Vorzugsweise können die Katalysatorelemente oder die diesen zugeordneten Katalysatorstäbe hohl ausgeführt werden und kann das aus wärmeren Katalysatoren austretende Gas,durch diese Katalysatoren bzw. Katalysatorstäbe hindurchgeleitet werden. Es wird also gewissermaßen bei dieser Lösung durch die Rückführung der durch die katalytische Verbrennung erwärmten Gase eine Erhöhung der Temperatur der Katalysatorelemente erreicht, -,vodurch auch bei niedrigen Eintrittstemperaturen des Gases die vollkommeneVerbrennung der armen methanhaltigen Gase ermöglicht wird.The catalyst elements or those assigned to them can preferably be used Catalyst rods are made hollow and can be made from warmer catalysts escaping gas, passed through these catalysts or catalyst rods will. So it is to a certain extent in this solution through the return of the through the catalytic combustion heated gases increasing the temperature of the catalyst elements Achieves, - by means of the perfect combustion even at low inlet temperatures of the gas the poor methane-containing gases is made possible.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können für die Katalysatorelemente die bei Wärmeaustauschern bekannten Ausführungsformen verwendet werden, die beispielsweise mit Quer- oder Längsstrom, bei Röhrenwärmeaustatischern mit Gleich- oder Gegenstrom arbeiten; ferner kann eine mehrfache Umlenkung sowie eine Reihen- oder Parallelschaltung der bei der Rückführung durch die Katalyten geführten Gasströme angewendet werden.To use the method according to the invention, the embodiments known for heat exchangers can be used for the catalyst elements, which work, for example, with cross or longitudinal flow, with tubular heat exchangers with cocurrent or countercurrent flow; Furthermore, a multiple deflection and a series or parallel connection of the gas flows guided through the catalytes during the return can be used.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführung ,sbeispielen näher erläutert werden.In the following the invention on the basis of execution, sbeispielen are explained in more detail.

Fig. 1 der Zeichnung gibt zunächst im Schema eine Gasturbinenanlage wieder, bei der Gasgemische mit verhältnismäßig geringem Methangehalt verbrannt und einerVerbrennungsturbine zugeführt werden. In Fig. 1 bedeutet 1 einen Verdichter, durch den dasGasgemisch angesaugt wird, welches in der Turbine2 verarbeitet wird. Vor der Turbine liegt zunächst der Wärmeaustauscher 3, in dem das vom Verdichter 1 gelieferte Gas durch die Abgase der Turbine2 vorgewärmt wird. 4 ist die schematisch angeordnete katalytische Brennkammer, in der bei verhältnismäßig geringen Temperaturen das Gasgemisch, das etwa 0,8 bis 1,50/0 Methan enthält, verbrannt wird.Fig. 1 of the drawing initially shows a diagram of a gas turbine plant in which gas mixtures with a relatively low methane content are burned and fed to a combustion turbine. In Fig. 1, 1 represents a compressor, is drawn through the dasGasgemisch which is processed in the Turbine2. In front of the turbine there is first of all the heat exchanger 3, in which the gas supplied by the compressor 1 is preheated by the exhaust gases from the turbine 2. 4 is the schematically arranged catalytic combustion chamber in which the gas mixture, which contains about 0.8 to 1.50 / 0 methane, is burned at relatively low temperatures.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt im einzelnen näher die Ausbildung der katalytischen Brennkammer. Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist zunächst angenommen, daß diese Brennkammer durch einen einzigen Katalytkörper 10 gebildet wird. Der Katalyt weist dabei die hohlen rohrförmigen Katalysatürstäbe 10a auf, die an ihrem Außenumfang mit einem die katalytische Wirkung liervorbringenden Metallbelag, z. B. aus Platinschwamm oder einem anderen geeigneten Metall versehen sind. Die Stäbe 10a sind in den ebenfalls mit Durchtrittskanälen versehenen Endplatten 10 b vorzugsweise wärmebeweglich gehalten. 11 bedeutet den Gaszuführungskanal, 12 den Gasableitungskanal, Der Gasstrom wird nun, wie durch Pfeile angedeutet ist, senkrecht auf die rohrförmigen hohlen Katalytstäbe 10 a geblasen, durchströmt die Zone der Katalytstäbe und tritt nach Umlenkung durch die untere Führungsplatte 10 b in die Kanäle der hohlen Katalytstäbe Iga ein, um nach dem Austritt durch die obere Führungsplatte 10 b in den Ableitungskanal 12 auszutreten. Hat das der katalytischen Brennkammer zugeführte Gas eine gewisse Temperatur, so wird in der von den Katalysatorstäben durchsetzten Brennkammer eine katalytische Verbrennung des Methangehaltes eintreten. Infolgedessen wird der Gasstrom über die Tiefe der Brennkammerzone beträchtlich erwärmt. Durch die Rückführung des aufgeheizten Gases durch die hohlen Katalvtstäbe wird nun erreicht, daß über die gesamte Bremizone betrachtet eine höhere Temperatur erreicht wird. Dies ist insbesondere für die Eintrittszone von Bedeutung. Die auf diesem Weg erreichte erfindungsgemäße Aufheizung des eintretenden Gases bzw. der in dem vorderen Teil- der Brennzone liegenden Katalyten wirkt im Sinne einer Verbesserung der gesamten katalytischen Verbrennung und insbesondere Erzielung einer vollkommenen Verbrennung des armen Gas-,emisches.Fig. 2 of the drawing shows in more detail the design of the catalytic combustion chamber. In the arrangement according to FIG. 2, it is initially assumed that this combustion chamber is formed by a single catalytic body 10 . The catalytic converter has the hollow tubular catalyst door rods 10a, which are coated on their outer circumference with a metal coating which brings the catalytic effect, e.g. B. made of sponge platinum or another suitable metal. The bars 10a are held in the fitted also with passage channels end plates 10 b preferably heat-movable. 11 means the gas supply channel, 12 the gas discharge channel, the gas flow is now, as indicated by arrows , blown perpendicularly onto the tubular, hollow catalytic rods 10 a, flows through the zone of the catalytic rods and, after being deflected by the lower guide plate 10 b, enters the channels of the hollow Catalytic rods Iga in order to exit through the upper guide plate 10 b into the discharge channel 12 after exiting. If the gas fed to the catalytic combustion chamber has a certain temperature, catalytic combustion of the methane content will take place in the combustion chamber through which the catalyst rods pass. As a result, the gas stream is heated considerably over the depth of the combustion chamber zone. As a result of the return of the heated gas through the hollow catalvt rods, it is achieved that a higher temperature is reached over the entire Bremizone. This is particularly important for the entry zone. The inventive heating of the incoming gas or the catalytes in the front part of the combustion zone achieved in this way acts to improve the overall catalytic combustion and in particular to achieve complete combustion of the poor gas mixture.

Die folgenden Figuren zeigen die weitere Ausgestaltung und Anwendung des Erfindungsgedankens bei el ZD Brennkammern, bei denenmehrereKatalysatorelemente hintereinander angeordnet sind. Bei der Anordnung nach Fi g* 3 sind beispielsweise vier Katalysatorelemetite20 21, 22, 23 im Sinne des Strömungsverlaufes hintereinander angeordnet. Der Gasstrom verläuft, wie durch einen ausgezogenen Pfeil angedeutet ist, zunächst nacheinander durch die Katalytkörper20 bis 23, so daß er die Katalysatorstäbe außen umspült. INTach dem Austritt aus dem oberen Katalytkörper 23 wird durch einen Führungsteil 24 der Gasstrom um-"elenkt und nacheinander durch die hohlen Katalysa torstäbe der Elemente 20 bis 23 hindurchgeleitet. Auch hierbei sind zur Umlenkung Führungskammern 25 bis 27 vorgesehen, durch die eine Reihenschaltung der durch die Katalysatorstäbe geführten Rohrkanäle herbeigeführt wird. 28 ist ein Austrittstutzen. Man erkennt, daß der Gasstrom, der nach dem Verlauf durch den oberen Katalysatorkörper 23 seine höchste Temperatur erreicht hat, nunmehr dazu dient, die davorliegenden Katalysatorelemente 20 bis 22 aus dein Innern der Hohlstäbe aufzuheizen, wodurch insbesolidere nach der Seite des Gaseintritts zu die Katalysatortemperatur erhöht wird.The following figures show the further configuration and application of the inventive concept in the ZD combustion chambers in which several catalyst elements are arranged one behind the other. In the arrangement according to FIG. 3 , for example, four catalyst elements 20 21, 22, 23 are arranged one behind the other in the sense of the flow course. As indicated by a solid arrow, the gas stream initially runs through the catalytic bodies 20 to 23 one after the other, so that it washes around the outside of the catalytic converter rods. INTACH exiting the upper Katalytkörper 23 is guided by a guide portion 24 of the gas flow to- "elenkt and successively through the hollow Katalysa torstäbe of the elements 20 to 23 is passed. In this case too guide chambers are provided 25 to 27 for deflecting, by a series circuit formed by 28 is an outlet nozzle. It can be seen that the gas flow, which has reached its highest temperature after passing through the upper catalyst body 23, now serves to heat the catalyst elements 20 to 22 located in front of it from inside the hollow rods , whereby the catalyst temperature is increased in particular towards the side of the gas inlet.

Bei dieser Anordnung werden also die Katalysatorelemente in bezug auf den zur Verbrennung hindurchgeleiteten Strom nach dem Gegenstromprinzip durch den rückgeführten Gasstrom aufgeheizt.In this arrangement, the catalyst elements are related on the flow passed through for combustion according to the countercurrent principle the recycled gas stream is heated.

Fig. 4 zeigt eine etwas abgeänderte Ausführung, bei der nach dem Verlassen des Katalysatorelementes 23 der Gasstrom nacheinander durch die hohlen Katalysatorstäbe der Elemente 20, 21, 22 in der angegebenen Reihenfolge geführt wird. Bei dieser Anordnung ist gewissermaßen das Gleichstromprinzip angewandt, was bezüglich der Aufheizung des in die katalytische Brennkammer eintretenden Gasstromes Vorteile bietet.Fig. 4 shows a somewhat modified embodiment in which, after leaving the catalyst element 23, the gas flow is guided successively through the hollow catalyst rods of the elements 20, 21, 22 in the order given. In this arrangement, the direct current principle is used to a certain extent, which offers advantages with regard to the heating of the gas flow entering the catalytic combustion chamber.

Fig. 5 zeigt eine weitere geänderte Ausführung, bei der das aus dem oberen Katalysator 23 austretende Gas in die Umleitkammer 30 umgelenkt wird und aus dieser in Parallelströmen durch die Rohrkanäle der Katalysatorelemente 20 bis 23 hindurchgeführt wird. Die Ableitung des erwärmten Gases erfolgt durch den Ableitungsstutzen 31. Grundsätzlich kann selbstverständlich der Erfindungsgedanke auch Anwendung finden, wenn - bezogen auf den Strömungsverlauf des außen an den Katalysatorströmen entlanggeführten Gasstromes - senkrecht zu der Gasströrnungsrichtung mehrere Katalysatorelemente nebeneinanderlie-,gend anzgeordnet werden, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist, die nach dem voraufgehenden ohne weiteres verständlich sein dürfte. 5 shows a further modified embodiment in which the gas emerging from the upper catalytic converter 23 is diverted into the bypass chamber 30 and from there is guided in parallel flows through the pipe channels of the catalytic converter elements 20 to 23 . The heated gas is discharged through the discharge nozzle 31. In principle, the concept of the invention can of course also be used if - based on the flow course of the gas flow outside the catalyst flows - several catalyst elements are arranged next to one another perpendicular to the gas flow direction, as shown in FIG Fig. 6 is indicated, which should be readily understandable after the preceding.

Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele können selbstverständlich abgeändert werden; insbesondere kann der Erfindungsgedanke auch dann Anwendung finden, wenn die Katalysatorelernente selbst eine andere abweichende Form aufweisen. Unter Umständen kann es auch Vorteile bieten, für die Katalysatorheizung ganz oder teilweise, wenigstens zeitweise (beim Anfahren) ein fremdes gasförmiges Heizmittel durch die hohlen Katalysatoren durchzuführen.Details of the exemplary embodiments described can of course be modified; In particular, the concept of the invention can also be used when the catalyst elements themselves have another deviating shape. Under Under certain circumstances it can also offer advantages for the catalyst heating in whole or in part, at least temporarily (when starting up) a foreign gaseous heating medium through the to carry out hollow catalysts.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for the catalytic combustion of difficultly combustible gas mixtures, in particular of methane air mixtures with a low methane content in a combustion chamber containing the catalyst elements, characterized in that the catalyst elements help dividing walls between the supplied mixture flow and the outflowing gas flow, so that the contact with the -current gas flow on the catalyst elements, heat developed by conduction through the dividing wall, heated the surface touched by the supplied mixture flow and thereby increased the effectiveness of the catalysts.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the catalyst elements are designed as tubes through which the gas flow and the outside touched by the same. 3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the supplied gas flow touches the tubes from the outside and the outflowing gas flow touches the tubes from the inside. 4. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the tubes are arranged in Rohrbfmdeln which are acted upon by the supplied gas flow in the cross flow. 5. Device according to claim 4, characterized denotes Ge, that a plurality of tube bundles in the gas stream supplied are connected in series. 6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the tube bundles are successively traversed by the outflowing gas stream: A) in countercurrent (Fig. 3 and 6), B) in cocurrent (Fig. 4) to the supplied gas stream. 7. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the tube bundles flowed against one another by the supplied C gas flow are traversed by parallel-connected partial flows of the outflowing gas flow (Fig. 5). 8. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the region of the highest temperatures of the combustion chamber, the heated gas stream is not returned through hollow channels of the catalysts (Fig. 4). 9. The device according to claim 2, characterized in that an external heating medium is passed through the hollow inner channels of the catalytic converters at least at times in whole or in part.