DE3003519A1

DE3003519A1 - Als kessel ausgebildeter warmwasserbereiter

Info

Publication number: DE3003519A1
Application number: DE19803003519
Authority: DE
Inventors: Richard Patrick Knowles
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1979-02-02
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1980-08-07
Also published as: GB2043851A; GB2043851B; CA1132016A; US4384549A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen als Kessel ausgebildeten Warmwasserbereiter, insbesondere auf Flammrohrkessel und auf Verbesserungen des Betriebes solcher Kessel.

In einem herkömmlichen Kessel findet die Verbrennung in einer Kammer statt, und die Hitze wird durch ein Kühlmittel, wie Wasser, abgeführt, das durch Leitungen geführt wird, die die Brennkammer begrenzen und auch im Strom der Abgase angeordnet sind. Bei Flammrohrkesseln wird der Kraftstoff zumindest teilweise innerhalb der Flammrohre verbrannt, die mit einer Gruppe von Rauchgasrohren verbunden sind, durch die die bei der Verbrennung entstehenden heißen Gase geführt werden, um nach entsprechender Abkühlung in die Atmosphäre entlassen zu werden. Flamm- und Rauchgasrohre sind von Wasser umgeben, das die Hitze von ihnen abführt, so daß das Wasser selbst erhitzt und gegebenenfalls Dampf erzeugt wird.

Ein typischer Flammrohrkessel ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die als Flammrohr ausgebildete lange und enge Brennkammer 1 ist mit einer Anordnung von Rauchgasrohren verbunden. Die Rauchgasrohre sind in zwei Gruppen angeordnet, nämlich einer ersten Gruppe mit den Rauchgasrohren 2-8, und einer zweiten Gruppe mit den Rauchgasrohren 11 - 17.

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Die Brennkammer 1, die erste Gruppe Rauchgasrohre 2-8 und die zweite Gruppe Rauchgasrohre 11 - 17 sind von einer äußeren Verkleidung umgeben, die als Kühlmittel vorzugsweise Wasser enthält, das die Brennkammer und die Rauchgasrohre umgibt. Das Kühlwasser ist beispielsweise das Speisewasser von Dampferzeugern. In der Praxis kann jede Gruppe von Rauchgasrohren aus bis zu 700 Rohren bestehen; zur Vereinfachung sind beim Ausführungsbeispiel nur sieben Rohre je Gruppe angenommen.

Wenn der Kessel in Benutzung ist, erstreckt sich die Flamme im wesentlichen in der Brennkammer 1. Der größere Anteil des Kraftstoffes unterliegt der Verbrennung in der Brennkammer, aber ein kleinerer Anteil ist noch unverbrannt in den Abgasen enthalten, die die erste Gruppe der Rauchgasrohre mit einer Temperatur von etwa 1100° C erreichen. Die Abgase verlassen die erste Gruppe der Rauchgasrohre mit annähernd 550° C, werden durch die zweite Gruppe der Rauchgasrohre geführt und dann in die Luft entlassen. Der unverbrannt in den Abgasen enthaltene Kraftstoff kondensiert bei etwa 250° C in der zweiten Gruppe der Rauchgasrohre, was Niederschläge von Ruß und Kohlenwasserstoffen verursacht.

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Diese Arbeitsweise eines Flammrohrkessels hat eine Reihe von Nachteilen. Da ein kleiner Anteil des gesamten Kraftstoffes nicht der Verbrennung in der Brennkammer unterliegt, wird zuerst keine Hitze von diesem kleinen Teil des gesamten Kraftstoffes erzeugt, so daß die Effektivität des Kraftstoffes vermindert wird. Die Effektivität des Kessels ist im Zusammenhang mit der Erfindung definiert als der Quotient aus Hitze, die tatsächlich beim Erhitzen beispielsweise des Speisewassers von Dampferzeugern gebraucht wird, und der Hitze, die durch die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes, der dem Kessel zugeführt wurde, entstehen würde.

Zweitens kondensiert der kleine Anteil an unverbranntem Kraftstoff in den Abgasen, wenn diese durch die erste Gruppe der Rauchgasrohre in deren zweite Gruppe gelangen, in den Rauchgasrohren der zweiten Gruppe. Dabei bauen sich Niederschläge von Ruß und Kohlenwasserstoffen auf, und diese beeinträchtigen den Wärmeübergang zwischen den Abgasen und den Rauchgasrohren, mit denen das Wasser erwärmt werden soll.

Des weiteren ist der Fluß der Abgase physikalisch behindert, wenn sich solche Niederschläge aufbauen. In regelmäßigen Abständen muß deshalb der Kessel außer Betrieb genommen werden, um wenigstens die Reinigung der zweiten Gruppe der Rauchgasrohre zu ermöglichen. Das bedeutet Zeitverlust und

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und Unkosten, die sehr hoch sind, wenn bis zu 700 Rauchgasrohre gereinigt werden müssen.

Als drittes wird durch das Kohlenwasserstoffkondensat aus dem unverbrannten Kraftstoff etwas Kohlenmonoxid, das in den Abgasen vorhanden ist, in Kontakt mit den Wänden der Rauchgasrohre der zweiten Gruppe gebracht. Das Kohlenmonoxid dringt in das Metall der Rohre ein, was das Metall spröde macht und in extremen Fällen einen Bruch der Rohre zur Folge haben kann.

Als viertes werden Flammrohrkessel normalerweise mit einem Luftüberschuß zwischen 0,1 % und 30 % betrieben in dem Bestreben, die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkammer zu erreichen und so den Niederschlag von unverbranntem Kraftstoff in der zweiten Gruppe der Rauchgasrohre zu verhindern. Hierdurch wird die Effektivität des Kessels vermindert, da mehr Luft erhitzt wird und in die Atmosphäre entlassen wird, als an sich notwendig ist.

Alle genannten Nachteile rühren entweder direkt oder indirekt von der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkammer herkömmlicher Flammrohrkessel her. Die unvollständige Verbrennung hat unverbrannten Kraftstoff am Ende der Brennkammer zur Folge, und es ist Aufgabe der vorliegenden

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Erfindung, die vorhergehend genannten Nachteile ganz oder zumindest weitgehend zu vermeiden.

Zu diesem Zweck sucht man die Verbrennung des Kraftstoffes zu verbessern. Das bedeutet, entweder die Verbrennung des Kraftstoffes vollständig zu machen oder sie zumindest vollständiger zu machen, als es bei bekannten Kesseln der Fall ist, um die Menge an unverbranntem Kraftstoff, der aus der Brennkammer des Flammrohrkessels stammt, zu reduzieren.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein Teil des unverbrannten Kraftstoffes eines Abgasstromes, der aus der Brennkammer eines Flammrohrkessels stammt, einem Katalysator zwischen dem ersten und zweiten Flammrohrsatz des Kessels zugeführt, so daß wenigstens ein Teil dieses unverbrannten Kraftstoffanteiles der Rauchgase bzw. Abgase des Kessels der katalytischen Verbrennung unterliegt. Vorzugsweise umfaßt der Katalysator eine keramische oder metallische Stütze, die von einer Zwischenschicht aus feuerfestem Metalloxid umhüllt ist, auf der katalytisches Material niedergeschlagen ist, das aus der Gruppe stammt, die aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin und Legierungen der erwähnten Metalle untereinander oder mit einem oder mehreren Basismetallen, besteht.

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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Entfernung von wenigstens einem Teil des Kraftstoffanteiles der Abgase der Brennkammer eines Flammrohrkessels das Leiten dieser Abgase über eine oder mehrere katalytische Zonen, die stromaufwärts oder -abwärts der ersten und/oder jeder folgenden Gruppe bzw. Gruppen von Rauchgasrohren angeordnet sind, so daß wenigstens ein Teil des in den Abgasen verbliebenen Kraftstoffes der katalytischen Verbrennung unterliegt. Vorzugsweise umfaßt jede katalytische Zone eine Schicht aus einem feuerfesten Metalloxid, die an der Innenseite eines Rauchgasrohres angebracht und mit einem katalytischen Material beschichtet ist, das aus der Gruppe stammt, die aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin und Legierungen der erwähnten Metalle untereinander oder mit einem oder mehreren Basismetallen besteht.

Vorzugsweise ist die Schicht aus feuerfestem Metalloxid aufgeschlämmt und hat einen hohen Oberflächenanteil. Die Aufschlämmung kann eines oder mehrere der Metalloxide umfassen, die ausgewählt sind aus Beryliumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid oder aus einer oder mehreren Kombinationen von Metalloxiden, wie Boroxid-Aluminiumoxid oder Siliziumoxid-Aluminiumoxid.

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Der nach der Verbrennung des Hauptteiles des Kraftstoffes in der Brennkammer des Flammrohrkessels in den Abgasen unverbrannt gebliebene Brennstoffrest wird der katalytischen Verbrennung unterliegen, wenn er in Gegenwart von nur einer stochxometrischen Menge Sauerstoff mit einem Katalysator in Kontakt kommt. Die Anfangsmischung von Kraftstoff und Luft, die in die Brennkammer eingeführt wird, kann deshalb auf ein stochiometrisehes Maß festgesetzt werden, wodurch die Effektivität des Kessels verbessert wird.

Wie bereits erwähnt, ist das katalytische Material auf einer keramischen oder metallischen Stütze mit einer aufgeschlämmten Zwischenschicht niedergeschlagen, die ein oder mehrere feuerfeste Metalloxide enthält. Die Stütze ist vorzugsweise ein inertes, gleichförmiges, poröses, metallisches oder keramisches Substat mit Wabenstruktur, gewöhnlich ein Block, ein sogenannter Monolith, der eine Anordnung von Gasflußkanälen in der Richtung des Abgasflusses hat.

Zu bevorzugen ist im besonderen ein metallischer Monolith mit den folgenden Ausmaßen:

Länge 25.40 mm

Durchmesser 50.80 mm

Zelldichte 200 Zellen je 6.45 cm²

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Vorzugsweise soll der Monolith zwischen der ersten und zweiten Gruppe von Rauchgasrohren angeordnet sein. Auch soll der "Rückdruck" klein sein, d.h. die Differenz zwischen den Abgasdrücken vor und hinter dem mit katalytischem Material beschichteten Monolithen.

Bei der Herstellung von Rauchgasrohren, wie sie in der Anordnung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu verwenden sind, bei der die katalytischen Zonen in den Rauchgasrohren der ersten und/oder zweiten Gruppe gebildet werden, sind diese Rauchgasrohre vorzugsweise während eines Zeitraumes von zwischen 30 Minuten und 5 Stunden in einem Brenner bei einer Temperatur zwischen 100° C - 800 C angeordnet, um eine Oxidschicht auf der Innenseite der Rauchgasrohre herzustellen, die als Unterlage für die Aufschlämmung dient, ehe beispielsweise eine Legierung als katalytisches Material aufgetragen wird. Ein alternatives Verfahren für eine solche Vorbereitung der Abgasrohre ist in dem am 2.2.78 angemeldeten US-Patent Nr. 3, 876,565 beschrieben. Obwohl die Verwendung eines Katalysators für die katalytische Verbrennung von unverbrannten Kraftstoffanteilen in den Abgasen eines Flammrohrkessels erwähnt wurde, kann die Erfindung auch für die katalytische Verbrennung von Kraftstoffresten in den Abgasen jeder anderen Kesselbauart verwendet werden, wobei diese katalytische Verbrennung der Kraftstoffreste dann an jeder zweckmäßigen Stelle erfolgen kann.

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Die Erfindung kann nochmals wie folgt zusammengefaßt werden. Sie bezieht sich auf Kessel, insbesondere auf Flammrohrkessel und auf Verbesserungen bei ihrem Betrieb. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf einen Kessel, der ein Gehäuse, einen Einlaß für Kraftstoff oder ein Brennstoff/Gas-Gemisch in eine Brennkammer, wenigstens eine Gruppe von Rauchgasrohren in Reihe mit der Brennkammer, einen Ausgang zum Abführen der Abgase aus dem Kessel und Mittel für die Kühlung der Abgasrohre und der Brennkammer aufweist, und der insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Kessel ein Katalysator zugeordnet ist, der in einer solchen Lage angebracht ist, daß wenigstens ein Teil des in der Brennkammer unverbrannt gebliebenen Kraftstoffes katalytischer Verbrennung unterliegt.

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Anmelder: JOHNSON, MATTHEY & CO. , LIMITED,

43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, England

Titel: Als Kessel ausgebildeter Warmwasserbereiter

Patentan Sprüche

Als Kessel ausgebildeter Warmwasserbereiter mit einem Gehäuse, einem Einlaß zur Führung von Kraftstoff oder Kraftstoff/Gasgemisch in eine Brennkammer, wenigstens einer mit der Brennkammer in Reihe angeordneten Gruppe von Abgasrohren, einem Auslaß für das Abführen der Abgase aus dem Kessel und mit Mitteln zur Kühlung der Abgassrohre und der Brennkammer, gekennzeichnet durch einen dem Kessel zugeordneten Katalysator zum katalytischen Verbrennen zumindest eines Teiles des bei der Verbrennung in der Brennkammer unverbrannt gebliebenen Kraftstoffanteiles.

2. Kessel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator dem Bereich des Rauchgasauslasses der Brennkammer zugeordnet ist.

3. Kessel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator zwischen der Brennkammer und den unmittelbar auf die Brennkammer folgenden Rauchgasrohren angeordnet ist.

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4. Kessel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator auf den inneren Rohrwänden von zumindest einer Gruppe von mehreren Gruppen von Rauchgasrohren abgestützt ist.

5. Kessel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine Schicht von feuerfestem Metalloxid auf der inneren Wand eines Rauchgasrohres aufweist, auf der das katalytische Material aus der Gruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin und Legierungen der erwähnten Metalle untereinander oder mit einem oder mehreren Basismetallen niedergeschlagen ist.

6. Kessel gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht von feuerfestem Metalloxid aus wenigstens einem der -folgenden Stoffe ausgewählt ist: Berylliumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid und Boroxid-Aluminiumoxid oder Siliziumoxid-Aluminiumoxid.

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