DE19726645C2 - Katalytischer Brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der DE 43 17 554 A1 wird ein zweistufiger kataly­ tischer Brenner beschrieben, der in seiner ersten Stufe aus einer angeströmten Platte in Form eines auf der Außenseite katalytisch beschichteten Rohres be­ steht und als zweite Stufe einen Wabenkatalysator besitzt. Der Hauptumsatz des Brennstoffes geschieht in der ersten Stufe, die über Strahlung einen Teil der Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt. Die rest­ liche Reaktionswärme wird an das Reaktionsgas abgege­ ben. Der Umsatz in der ersten Stufe beträgt je nach Belastung 60 bis 80%. Dabei erweist es sich als un­ günstig, daß der Umsatz in der ersten Stufe mit stei­ gender Belastung abnimmt, so daß der Wabenkatalysator mit steigender Brenngasbelastung überproportional viel Umsatz erzielen muß, um den vollständigen Ausbrand sicherzustellen. Dies kann in der zweiten Stufe zu Materialbelastungen führen. Die Temperaturen in der ersten Stufe sind neben den bereits oben ange­ sprochenen Faktoren auch vom Reaktionsweg abhängig. Das Brenngas wird hauptsächlich im ersten Drittel des Rohres umgesetzt. Eine gleichmäßige Verteilung der Temperaturen über den Reaktionsweg kann man bei einer Auslegung für verschiedene Brennerleistungen nicht erreichen. Diese Faktoren bedingen eine sehr sorgfäl­ tige verfahrenstechnische Auslegung des Gesamtbren­ ners.

Bei katalytischen Brennern muß die Reaktionsdichte an der katalytisch aktiven Zone ausreichend hoch sein, um einen kompakten und leistungsfähigen Brenner zu realisieren, wobei jedoch durch geeignete Stofftrans­ port- bzw. Wärmetransportbedingungen die Reaktions­ temperatur auf einem dem Material zuträglichen Maß gehalten werden muß.

Bei dem Brenner nach DE 43 17 554 A1 wird diese Be­ dingung durch eine Kombination aus einer Begrenzung des Stofftransports (erste Brennerstufe) und Wärme­ abgabe über Strahlung und Konvektion erreicht. Diese Verknüpfung erschwert eine verfahrenstechnische Aus­ legung, die auf eine möglichst hohe Modulationsfähig­ keit abzielt.

Aus JP 4-240 307 A ist ebenfalls ein katalytisher Brenner bekannt, bei dem Luft und ein gasförmiger Brennstoff in eine Mischkammer innerhalb eines Alumi­ niumblocks eingeleitet werden. Von der Mischkammer ausgehend führen mehrere auf der Außenseite mündende Bohrungen durch den Aluminiumblock. Die Bohrungen sind auf der der Mischkammer zugewandten Seite mit Katalysatormaterial gefüllt. Das Mischgas durchströmt dieses, so daß im Katalysatormaterial eine Verbren­ nung stattfindet. Die entstehenden Verbrennungspro­ dukte werden zur Außenseite des Aluminiumblocks abge­ führt.

Die Verbrennungswärme wird vom Aluminiumblock aufge­ nommen. Da das Katalysatormaterial mit diesem in di­ rektem Kontakt ist, findet der Wärmeübergang im we­ sentlichen nur durch Wärmeleitung, dagegen kaum durch Wärmestrahlung statt. Dadurch ist ein stabiler Be­ trieb des Brenners erschwert.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentan­ meldung 196 04 263.1 wird ein katalytischer Brenner mit Brennmittel- und Luftzuführeinrichtungen mit min­ destens einem Katalysator und kühlmitteldurchflosse­ nen Wandteilen offenbart, bei welchem die Wärmeüber­ tragung des Katalysators auf die Wandteile im wesent­ lichen durch Strahlung erfolgt. Dieser Brenner ge­ währleistet einen einfachen verfahrenstechnischen Aufbau und ermöglicht einen Brenngasumsatz an kataly­ tisch aktiven Oberflächen sowie einen hohen Modula­ tionsgrad. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird durch den plattenförmigen Katalysator hindurchgeführt und in diesem weitgehend umgesetzt. Die Katalysatorstruktur ist relativ dünn, die katalytische Oberfläche im Ver­ gleich zu der der ersten Stufe des Brenners nach DE 43 17 554 A1 jedoch groß, so daß ein relativ hoher Umsatz erzielt werden kann. Jedoch ist auch bei die­ sem Brenner die flächen- bzw. volumenbezogene Lei­ stung (Leistungsdichte) häufig nicht ausreichend.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen katalytischen Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in der Weise zu verbes­ sern, daß die Leistungsdichte deutlich erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen katalytischen Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß zumindest eines der Wandteile Vorsprünge aufweist, zwischen denen jeweils ein der Kontur der Vorsprünge angepaßter Teil des Katalysators aufgenom­ men ist, und daß zwischen den Vorsprüngen der Wand­ teile und den deren Kontur angepaßten Teilen des Ka­ talysators ein Spalt vorgesehen ist, kann die Lei­ stungsdichte auf ein Mehrfaches, beispielsweise 3 bis 5-faches der Leitungsdichte des vorerwähnten kataly­ tischen Brenners gemäß Patentanmeldung 196 04 263.1 erhöht werden. Dies bedeutet andererseits, daß ein kompakter Brenner mit hoher Leistung geschaffen wer­ den kann.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung, daß bei stark exothermen oder endothermen katalytischen Reak­ tionen sehr hohe Reaktionsdichten erreicht werden können, ohne daß zu große Temperaturdifferenzen oder Temperaturspitzen in der Reaktionszone und die damit verbundenen Probleme (Materialstabilität und derglei­ chen) auftreten. Auch ist eine große Modulierbarkeit der Leistung und der Luftzahl gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines kataly­ tischen Brenners nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines kataly­ tischen Brenners nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 3 den schematischen Aufbau eines kataly­ tischen Brenners nach einem dritten Ausführungsbeispiel.

Bei dem katalytischen Brenner nach Fig. 1 wird ein durch einen Pfeil A angedeutetes Brennstoff/Luft-Ge­ misch in einen Raum 1 unterhalb einer Kühl/Verteiler- Platte 2 eingeführt, die von Kanälen 3 zur Leitung eines Kühlmittels durchzogen ist. Durch enge Durch­ lässe 4 in Form kleiner Bohrungen oder Schlitze strömt das Gemisch gleichmäßig verteilt in den Raum zwischen der Kühl/Verteiler-Platte 2 und einem Kata­ lysator 5 mit Wabenstruktur.

Die Kühl/Verteiler-Platte 2 ist auf der dem Katalysa­ tor 5 zugewandten Seite mit plattenförmigen Vorsprün­ gen versehen, welche Taschen bilden, in denen ent­ sprechend geformte Vorsprünge des Katalysators 5 auf­ genommen sind. Zwischen den jeweiligen Vorsprüngen der Kühl/Verteiler-Platte 2 und des Katalysators 5 befindet sich ein Spalt von im wesentlichen konstan­ ter Dicke. Die dem Katalysator 5 zugewandte Oberflä­ che der Kühl/Verteiler-Platte 2 ist zudem mit einer infrarotstrahlungsabsorbierenden Schicht 6 überzogen.

Innerhalb des Katalysators 5 findet die Reaktion des Brennstoff/Luft-Gemisches unter Freisetzung von Wärme statt. Durch die verzahnte Anordnung der jeweiligen Vorsprünge dient somit die gesamte Fläche der Vor­ sprünge des Katalysators 5 als Wärmeabstrahlungsflä­ che und die gesamte Fläche der Vorsprünge der Kühl/- Verteiler-Platte 2 dient als Strahlungsaufnahme(Ab­ sorber)-Fläche. Dadurch wird die Wärmeaustauschfläche im Vergleich zu einer flachen Bauweise beträchtlich erhöht. Es kann damit deutlich mehr Wärme abgeführt und hierdurch die Leistungsdichte deutlich erhöht werden, ohne daß sich das Temperaturniveau im Kataly­ sator erhöht.

Besitzt das Material der Kühl/Verteiler-Platte 2 eine gute Wärmeleitfähigkeit, kann ihre Temperatur auch im Bereich der Vorsprünge sehr niedrig gehalten werden. Da sich die Abstrahlung eines Körpers mit der vierten Potenz seiner Temperatur ändert, reguliert sich auf­ grund des Strahlungsaustausches zwischen dem Kataly­ sator 5 und der Kühl/Verteiler-Platte 2 die Wärmeab­ führung in einem weiten Leistungsbereich selbst, so daß der Brenner in der Leistung stark moduliert wer­ den kann, ohne daß eine Überhitzung auftritt.

Darüber hinaus ist der Einfluß der Temperatur der Kühl/Verteiler-Platte 2 aufgrund der von der vierten Potenz der Temperatur abhängigen Kopplung äußerst gering. Dementsprechend hat eine Temperatur der Kühl/Verteiler-Platte 2 im Bereich von zum Beispiel 100 bis 500°C nur einen geringen Einfluß auf den Wärmeaustrag des Katalysators 5 mit einer Temperatur von beispielsweise 900°C. Somit können die Vorsprün­ ge der Kühl/Verteiler-Platte 2 relativ schmal ausge­ bildet sein, da ihre Wärmeleitung bei erhöhter Tempe­ raturdifferenz zum Kühlmedium zunimmt.

Bei niedriger Leistung des Brenners findet die Reak­ tion des Brennstoff/Luft-Gemisches hauptsächlich im in Fig. 1 oberen Bereich des Katalysators 5 statt. Die heiße Abstrahlungsfläche der Reaktionszone ist klein, so daß auch bei geringer Leistung ein stabiler Betrieb mit der für einen vollständigen Umsatz erfor­ derlichen hohen Temperatur gewährleistet ist. Mit zunehmender Leistung dehnt sich die Reaktionszone mehr und mehr nach unten in den Bereich der Vorsprün­ ge des Katalysators 5 aus. Dadurch wird die Abstrah­ lungsfläche deutlich vergrößert, so daß eine Überhit­ zung des Katalysators 5 verhindert wird. Die Reak­ tionszone dehnt sich soweit nach unten aus, bis der hierdurch ansteigende Wärmeaustrag im Gleichgewicht zur Wärmeerzeugung ist.

Da das Brennstoff/Luft-Gemisch durch die engen Durch­ lässe 4 in der Kühl/Verteiler-Platte 2 zugeführt wird, kann ein Rückzünden verhindert werden.

Der Start des katalytischen Brenners erfolgt, indem durch eine über dem Katalysator 5 angeordnete Zünd­ elektrode 7 eine Flamme gezündet wird, welche den Katalysator 5 erwärmt, so daß die katalytische Reak­ tion an den erwärmten Stellen beginnt, wodurch der Katalysator weiter erwärmt wird und er schließlich die gesamte Reaktion übernimmt, so daß die Flamme automatisch erlischt.

Gemäß Fig. 1 besteht der Katalysator 5 aus einem ho­ rizontal verlaufenden Verbindungsteil, von welchem die Vorsprünge senkrecht abstehen. Bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 2 fehlt dieser Verbindungs­ teil, so daß der Katalysator 5 aus einzelnen separa­ ten Segmenten besteht. Da bei dieser Ausbildung die Gefahr nicht ausgeschlossen ist, daß das Brennstoff/- Luft-Gemisch im Katalysator 5 nicht vollständig umge­ setzt wird, kann es zweckmäßig sein, einen weiteren nachgeschalteten Katalysator 8 vorzusehen, der den vollständigen Ausbrand der aus dem Katalysator 5 aus­ getretenen Gase gewährleistet. In diesem Fall ist es auch möglich, die Verbrennung im "Katalysator" 5 nichtkatalytisch durchzuführen, d. h. diesen Teil als nichtkatalytischen Strahlungsbrenner auszubilden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 findet die Flammenverbrennung zum Vorheizen des Katalysators 5 unterhalb von diesem in Räumen 9 zwischen den Vor­ sprüngen der Kühl/Verteiler-Platte 2 statt. Eine nicht dargestellte Verbindung zwischen den einzelnen Räumen 9 ermöglicht die Ausbreitung der Flamme auf diese insgesamt mit nur einer ebenfalls nicht gezeig­ ten Zündelektrode.

Anstelle eines wabenartigen Katalysators kann auch ein aus Schüttgut bestehender Katalysator verwendet werden. Hierbei muß durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß ein ausreichender Abstand zwi­ schen dem Schüttgut und den Vorsprüngen der Kühl/- Verteiler-Platte eingehalten wird. Auch muß beachtet werden, daß der gegenseitige Abstand der Vorsprünge der Kühl/Verteiler-Platte 2 nicht zu groß ist, da anderenfalls im Innern der Schüttung eines zu starke Temperaturerhöhung auftreten kann. Auch empfiehlt sich hier die Anordnung des weiteren Katalysators 8, wobei dann wiederum die Schüttung als einfacher Strahlungsbrenner ohne katalytische Wirkung ausgebil­ det sein kann.

Es sind weitere Ausbildungen möglich. So können die Vorsprünge auch senkrecht zu den Kanälen 3 für das Kühlmittel verlaufen. Die Vorsprünge der Kühl/Vertei­ ler-Platte 2 können kreuzweise angeordnet sein, so daß sich ein Schachbrettmuster ergibt. Der Katalysa­ tor 5 ragt dann mit einzelnen Stiften in die Kühl­ struktur bzw. die Körner der Katalysatorschüttung liegen in den entsprechenden Leerräumen der Kühl­ struktur. Umgekehrt können von der Kühl/Verteiler- Platte 2 abgehende Stifte in die Wabenstruktur des Katalysators 5 hineinragen.

Auch muß die Kühlung des die Verbrennung bewirkenden Katalysators 5 nicht zwingend durch einen Kühlmittel­ strom erfolgen. Endotherme Reaktionen, die zum Bei­ spiel in den Kanälen 3 ablaufen, können ebenfalls als Wärmesenke genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Dampfreformierung von Methanol im Temperaturbe­ reich von ca. 230 bis 300°C.

Belegt man die Vorsprünge der Kühl/Verteiler-Platte 2 beispielsweise mit thermoelektrischen Wandlern, Ther­ mophotovoltaikzellen oder dergleichen, so wird ein Teil der erzeugten Wärme in elektrischen Strom umge­ wandelt und der Rest wird über den Kühlmittelstrom abgeführt.

Claims (16)

1. Katalytischer Brenner mit Brennmittel- und Luftzufüh­ rungseinrichtungen sowie mindestens einem Katalysator (5) und wärmeaufnehmenden Wandteilen (2), wobei die Wärmeübertragung vom Katalysator (5) auf die Wandteile (2) im wesentlichen durch Strahlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Wandteile (2) Vorsprünge auf­ weist, zwischen denen jeweils ein der Kontur der Vor­ sprünge angepaßter Teil des Katalysators (5) aufgenom­ men ist, und daß zwischen den Vorsprüngen der Wandteile (2) und den deren Kontur angepaßten Teilen des Kataly­ sators (5) ein Spalt vorgesehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile (2) Kühlmittelkanäle (3) auf­ weisen.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen den Vorsprüngen des Wandteils (2) aufgenommenen Teile des Katalysa­ tors (5) durch einen quer zu diesen verlaufenden Teil des Katalysators (5) miteinander verbunden sind.

4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen den Vorsprüngen des Wandteils (2) aufgenommenen Katalysatorteile (5) getrennte Segmente sind.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Wandteil (2) als Platte mit auf einer Seite angeordneten, zwi­ schen die Teile des Katalysators (5) ragenden Vorsprüngen ausgebildet und mit Durchlässen (4) für ein auf der den Vorsprüngen entgegengesetz­ ten Seite der Platte zugeführtes Brennstoff/- Luft-Gemisch versehen ist.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (4) enge Kanäle zur gleichmä­ ßigen Verteilung des Brennstoff/Luft-Gemisches sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material des Wand­ teils (2) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die dem Katalysator (5) zugewandte Oberfläche des Wandteils (2) mit einer infrarotstrahlungsabsorbierenden Schicht (6) überzogen ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (7) zum Entflammen des in den Katalysator (5) eintretenden oder aus dem Katalysator (5) aus­ tretenden Brennstoff/Luft-Gemisches für die Vor­ wärmung des Katalysators (5) vorgesehen ist.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Katalysator (5) im Strömungspfad des Brennstoff/Luft-Gemisches ein weiterer Katalysator (8) nachgeschaltet ist.

11. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (7) zwischen dem Wand­ teil (2) und dem Katalysator (5) angeordnet ist.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Katalysator (5) als Wabenkatalysator ausgebildet ist.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Katalysator (5) als Schüttkatalysator ausgebildet ist.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge des Wandteils (2) plattenförmig sind.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge des Wandteils (2) stiftförmig sind.

16. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der zwischen den Vorsprüngen des Wand­ teils (2) aufgenommene Teil des Katalysators (5) zumindest teilweise als nichtkatalytischer Strahlungsbrenner ausgebildet ist.