DE1939535A1 - Flammlose katalytische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in poroesen Sintersteinen - Google Patents

Flammlose katalytische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in poroesen Sintersteinen

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Description

Flammlose katalytisch^ Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in porösen Sintersteinen
Die Erfhdung betrifft ein Verfahren zur flammlosen katalytischen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in porösen Sintersteinen sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.
Es ist bereits bekannt, die Wärmestrahlung fester Körper wegen ihrer guten Wärmeabgabe für Heizzwecke einzusetzen. So werden in "Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Chemischer Apparatebau und Verfahrenstechnik" Bd. 1, 1951, Verlag Urban & Schwarzenberg^ München-Berlin, auf Seite 188 Oberflächenbrenner beschrieben, die aus porösen feuerfesten Steinen bestehen, durch die hindurch ein luftsattes Brenngas-Luftgemisch brennt. Dabei kommen die Steine zum Glühen, ohne daß die Flammen selbst sichtbar sind. Ein Nachteil dieser Brenner besteht darin, daß sich mit bestimmten Gas-Luftgemischen, z.B. mit einem Benzindampf-Luftgemisch, sehr hohe Oberflächentemperaturen nicht erzielen lassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur flammlosen Verbrennung von Gasen in porösen Sintersteinen zu finden, durch das die Oberflächentemperatur und die spez. Wärmebelastung wesentlich gesteigert werden können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß ein Kohlenwasser st off -Luft gemisch oder ein Kohlenwasserstoff-Sauerstoffgemisch in einem mit Durchtrittsöffnungen versehenen, Nickel oder Platin enthaltenden, hochporösen Sinterstein katalytisch verbrannt wird.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß durch Einbringen geeigneter Katalysatoren in den porösen Sinterstein die Reaktionsgeschwindigkeit von Kohlenwasserstoff-Luftgemischen derart beschleunigt werden kann, daß die Oberflächentemperatur auf das Doppelte und die Sintersteinbelastung bis auf das Vierzigfache gesteigert wird. So lassen sich mit Benzindampf-Luftgemischen an Nickel enthaltenden Sintereteinen Temperaturen von 900 0C bis 1400 0C erreichen und an Platin enthaltenden Sintersteinen Tempe-.raturen bis zu 1650 0C. Dieses Ergebnis muß durchaus als überraschend bezeichnet werden und konnte aus dem Stand der Technik nicht hergeleitet werden. Verbrennt man ein Benzindampf-Luftgemisch an einem nickel- oder platinfreiem Sinterstein, so erhält man bei erhöhter Durchsatzgeschwindigkeit keine stabile flammlose Verbrennung.
Als Kohlenwasserstoffe werden gemäß der vorliegenden Erfindung gasförmige oder solche Kohlenwasserstoffe eingesetzt, die durch Vorerwärmung leicht verdampft werden können. Als besonders geeignet erwiesen haben sieh Kohlenwasserstoffe der Formel CgH1 . bis C8H1Q, also solche, die bei Raumtemperatur flüssig sind.
Die Ausgangsstoffe werden "bei Verwendung von Nickelkatalysator vorzugsweise im stöchiometrischem Verhältnis, z.B. gemäß der Reaktionsgleichung
C8H18 + 12,5O2 f 8 CO2 + 9 H3O
s owohl eingesetzt, wobei Abweichungen des Sauerstoffgehaltes/nach oben oder unten möglich sind. Ein dauerhafter Überschuß an Sauerstoff sollte bei einem Nickelkatalysator jedoch wegen der Inaktivierungsgefahr aufgrund einer irreversiblen Oxydation vermieden werden. Werden die Kohlenwasserstoffe mit Luftunter-
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schuß verbrannt, so kann das dabei gebildete Brenngas gegebenenfalls mit Sekundärluft nachverbrennt werden.
In platinhaltigen Sintereteinen wird das Verhältnis der Ausgangsprodukte auf die gewünschte Temperatur bzw. den gewünschten Reaktionsablauf eingestellt. Die Verbrennung kann also sowohl mit Unter- als auch Überschuß von luft durchgeführt werden* Sowohl bei der Verbrennung in nickelhaltigen als auch in platinhaltigen Sintersteinen kann die luft auch durch Sauerstoff ersetzt werden, wodurch eine weitere Temperaturerhöhung erzielt werden kann.
Die zur flammlosen Verbrennung eingesetzten Sintersteine bestehen aus einem hochporösen Material, das vorwiegend offenporig ist, z.B. aus gesintertem Magnesium-Aluminiumsilikat. Sie besitzen zusätzliche, vorteilhafterweise parallel angeordnete Durchtrittsöffnungen. Im Anwendungsbeispiel zeigten die Durch-
2 trittsöffnungen einen Porenradius von 0,5 mm, wobei auf 1 cm Sintersteinfläche etwa 40 Durchtrittsöffnungen entfallen. Das gesamte Porenvolumen sollte mindestens 50 Vol.# betragen, liegt jedoch vorteilhafterweise bei etwa 65 Vol.#. Durch die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen wird einmal die Verstopfung des Sintersteines infolge Verschmutzung verhindert, zum anderen wird der Durchsatz des Gasgemisches erleichtert und damit beträchtlich gesteigert.
Das Einbringen des Nickel- oder Platinkatalysators erfolgt in bekannter Weise durch Tränken der Sintersteine mit einer Nickelsalzlösung oder Platinsalzlösung bzw. einer Platinsäurelösung. Geeignete Nickelsalze sind beispielsweise Nickelacetat, Nickel-· carbonat, Nickelformiat u.a. Das Platin wird vorzugsweise in Form einer wässrigen Lösung von H2 [ptClgJin den Sinterstein eingebracht. Anstelle von H2 JPtCIc4I können selbstverständlich
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auch andere Platinverbindungen eingesetzt werden. Die Nickelmenge im Sinterstein kann 1 mg/cm bis 200 mg/cm betragen, kann jedoch auch höher liegen. Eine erhöhte Sintersteinbelastung konnte mit Nickelmengen von 500 mg/cm , 800 mg/cm und mehr nicht beobachtet werden. Als besonders geeignet erwiesen haben sich Nickelmengen von 10 bis 80 mg/cm . Die Platinmenge liegt etwa bei 0,1 bis 100 mg/cm , vorzugsweise jedoch bei 5 bis 10 mg/cm . Pur die Auswahl des Katalysatorsalzes ist es wesentlich, daß das Salz thermisch leicht zersetzbar ist. Nach Trocknung an der luft, gegebenenfalls auch in der Wärme, kann der Sinterstein sofort als Strahlungsfläche in eine geeignete Heizkammer eingebeut werden.
Verbrennt man ein Benzindampf-Luftgemisch in einem Sinterstein, in dem 50 mg/cm Nickel gleichmäßig verteilt sind, im stöchiometrischem Verhältnis, so erhält man je nach Abstrahlungsverhältnis und Gasmischung eine Oberflächentemperatur von etwa 1100 0C bis 1450 0C und bei'Verbrennung in einem 5 bis 10 mg/cm Platin enthaltenden Sinterstein eine Oberflächentemperatur bis zu 1600 0C.
Nach einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung werden die zur Katalysatorbildung eingesetzten Nickel- und Platinsalze zur Erhöhung der Stabilität noch mit Uranverbindungen dotiert, die sich bei der Verbrennung in Uranoxid UO2 umwandeln und in dieser Form die Erhaltung der aktiven Zentren in den Katalysator bewirken. Zur Dotierung genügen bereits Zusätze von 1 bis 3 Gew.# Uranoxid, bezogen auf den Katalysatorgehalt.
Das Benzindampf-Luftgemisch wurde in den Ausführungsbeispielen jeweils von einem Ventilator aus einem Vergaser angesaugt und in einen? renner gedrückt. Nach Zündung der Flamme vor dein Sinferstein wandert die Flamme nach kurzer Zeit in den Sinter-
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stein hinein und kann dort über lange Zeiten ohne Störung (mehrere Wochen) aufrechterhalten werden. Bei Hineinwandern der Flamme in dem Sinterstein glüht dieser hell auf, wobei die Wärme sowohl durch Strahlung als auch durch Konvektion übertragen wird und die zuerstgenannte Art von Wärmeübertragung überwiegt.
Anhand der nachstehenden drei Figuren soll nun das erfindungsgemäße Verfahren zur flammlosen katalytischen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen noch näher erläutert werden, und zwar zeigt
Fig. 1 die Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen plattenförmigen Brenner und Fig. 3 einen Querschnitt durch einen zylinderförmigen Brenner.
In Fig. 1 stellt 1 einen Ventilator dar, der aus einem Vergaser 2 ein Benzin-Luftgemisch ansaugt und in einem plattenförmigen Brenner 4 drückt, der mit eiier Rückschlagsicherung 3 versehen ist. Der Brenner besteht aus einem mit Bohrungen versehenen Sinterstein der als Katalysator entweder Nickel oder Platin enthält.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung besteht die Rückschlagsicherung aus den mit 5 bezeichneten katalysatorfreien Sintersteinen, wobei als Brennerstein 6 wieder eine nickel- oder platinhaltige Sintersteinplatte dient. 7 stellt einen Führungsring zur Einleitung des Benzin-Luftgemisches bzw. Benzin-Sauerstoffgemisches dar. In Fig. 3 ist,noch eine weitere beispielhafte Ausführungeform dargestellt,in/das Benzin-Luftgemisch oder Benzin-Sauerstoffgemisch über den Führungsring 8 und die Rückschlagsicherungen 9 in das Innere eines Hohlzylinders geleitet wird und in der der Hohlzylinder erfindungsgemäß aus katalysatorhaltigem Sinteretein besteht, so daß das zugeführte
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Gasgemisch flammlos verbrannt werden kann. Auf diese Weise
können längs der Zylinderwand auf sehr kleinem Raum hohe Temperaturen erzeugt werden, wie das auf verschiedenen Anwendungsgebieten verlangt wird, z.B. bei der Herstellung von Wasserstoff
durch Benzinrefprmierung für Brennstoffelemente. Mit 11 ist in
Pig. 3 eine mit dem Hohlzylinder 10 verbundene Abdeckplatte bezeichnet.
Die Vorteile gegenüber bekannten flammlosen Strahlkörpern werden vor allem darin gesehen, daß eine vollständige Verbrennung auch auf kleinstem Raum, d.h. ohne oder mit nur sehr geringen Luftüberschuß durchgeführt werden kann. Dadurch können in diesem Raum
wesentlich höhere Temperaturen erzielt werden; der Durchsatz der Gasmenge kann infolge der katalytischen Reaktionabeschleunigung auf etwa das 100-fache gesteigert werden.
3 Figuren
8 Patentansprüche
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Claims (8)

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    Patentansprüche
    •1 .' Flammlose Verbrennung von Gasen in porösen Sintersteinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenwasserstoff-Luftgemisch oder ein Kohlenwasserstoff-Sauerstoffgemisch in einem mit Durchtrittsöffnungen versehenen, Nickel oder Platin enthaltenden hochporösen Sinterstein katalytisch verbrannt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt in den porösen Sintersteinen 1 bis 200 mg/cm , insbesondere jedoch 10 bis 80 mg/cm beträgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Platingehalt in den porösen'Sintersteinen 0,1 bis 100 mg/cm , insbesondere jedoch 5 bis 10 mg/cm beträgt.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Nickel bzw. Platin mit Uranoxid dotiert ist, vorzugsweise mit 1 bis 3 Gew.^, bezogen auf den Katalysator.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff gesättigte aliphatisch^ Verbindungen mit 6 bis 8 C-Atomen eingesetzt werden.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt in dem Kohlenwasserstoff-Gemisch unterhalb der stöchiometrischen Menge liegt und daß das bei der unvollständigen Verbrennung gebildete Brenngas gegebenenfalls mit Sekundärluft verbrannt wird.
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  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 Me 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Verbrennungstemperatur in an sich bekannter Weise über die zugeführte Sauerstoff- bzw. Luftmenge erfolgt.
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerstein aus einem mit Durchtrittsöffnungen versehenen Sinterstein aus hochporösem, Nickel oder Platin enthaltenden Material besteht.
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