DE4006735A1 - Verfahren zum betreiben eines heizgeraetes fuer gasfoermige brennstoffe unter bildung schadstoffarmer abgase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, bei dem ein gasförmiger Brennstoff einem Brenner zugeführt wird und unter Aufnahme von Luft aus der Umgebung der Brennerflamme verbrennt. Unter gasförmigem Brennstoff sind Brenngase oder auch flüssige und vor der Verbrennung verdampfte Brennstoffe zu verstehen.

Um die Emission von Stickoxiden in den Abgasen von Ver­ brennungsvorgängen abzusenken, sind Maßnahmen bekannt, die mit unterschiedlichen Mitteln zum Ziel haben, die gebildete Brennerflamme zu kühlen, um durch eine Senkung der Verbrennungstemperatur schon der Entstehung von Stickoxiden bei der Brennstoffverbrennung entgegenzu­ wirken. Aus der DE-OS 37 40 997 ist es weiterhin bekannt, allein schon durch eine Abschirmung des Flammenfußes der Brennerflamme gegen Zutritt von Sekundärluft die Bildung von Stickoxiden bei der Brennstoffverbrennung zu vermin­ dern. Bekannt ist nun aber auch die Tatsache, daß bei einer Anwendung der vorerwähnten Maßnahmen zur Kühlung, Führung oder Beeinflussung der gebildeten Brennerflamme zwecks Verminderung der Stickoxidemission umgekehrt ein Anstieg der Kohlenmonoxidemission mit den Verbrennungsab­ gasen in Kauf genommen werden muß. Dies hat in der Praxis die Folge gehabt, daß der Gehalt an schädlichen Stick­ oxiden in den Abgasen mit den bekannten sekundärseitigen Flammenkühlungs- bzw. Flammenbeeinflussungsmaßnahmen nur in dem Umfang vermindert werden konnte, wie es der ver­ fahrenstechnisch bedingte umgekehrte Anstieg des Gehalts an giftigem Kohlenmonoxid in den Abgasen zuließ, der festgesetzte Grenzwerte, die durch Zulassungsprüfungen von Gasgeräten bestimmt werden, nicht überschreiten darf.

Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, beim Betreiben eines Heizgerätes der eingangs genannten Art die Stickoxid­ emission möglichst weit zu vermindern und dabei einen Anstieg der Kohlenmonoxidemission mit den Abgasen zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zunächst in dem den Gasbrenner ent­ haltenden Brennraum des Heizgerätes in an sich bekannter Weise Maßnahmen zur Führung und/oder Beeinflussung der gebildeten Brennerflamme angewendet werden, die unter Inkaufnahme einer Steigerung des Kohlenmonoxidgehaltes in den Verbrennungsabgasen deren Stickoxidgehalt absen­ ken, und daß sodann die Verbrennungsabgase durch einen an den Brennraum sich anschließenden Kanal des Heizge­ rätes geleitet werden, der einen eine Nachoxidation des Kohlenmonoxids in den Verbrennungsabgasen auslösenden Katalysator enthält, wobei die Hindurchführung der Verbrennungsabgase durch den Katalysator an einer solchen Stelle des Kanals vorgenommen wird, an der die Verbren­ nungsabgase am Ende der Durchströmungsstrecke des Kata­ lysators noch eine Temperatur haben, die innerhalb des für die Oxidation von Kohlenmonoxid erforderlichen Arbeitstemperaturbereichs des Katalysators liegt. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise macht es einerseits möglich, die beispielsweise aus der DE-OS 37 40 997 bekannten Maßnahmen, die durch sekundärseitige Kühlung oder anderweitige Beeinflussung der gebildeten Brenner­ flamme eine Absenkung der Stickoxidbildung bewirken, so intensiv anzuwenden, daß sich die mit den Maßnahmen erreichbaren niedrigsten Werte der Stickoxidemission ergeben, und verhindert andererseits, daß die gegen­ sätzlich zur Absenkung der Stickoxidbildung eintretende Zunahme der Kohlenmonoxidbildung zu einer Kohlenmonoxid­ emission mit den Abgasen des Heizgerätes führt, die die zulässigen Grenzwerte überschreitet. Die erfindungsge­ mäße Verfahrensweise ermöglicht sogar eine Absenkung der Kohlenmonoxidemission unter diejenigen Werte, die bislang im Rahmen einer Optimierung der Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Emissionswerte das Optimum waren. Da die Nachoxidation des Kohlenmonoxids mit dem in den Ver­ brennungsabgasen noch enthaltenen Überschuß der gesamten Verbrennungsluftmenge exotherm ist, ist es sinnvoll, den den Oxidationskatalysator enthaltenden Kanal des Heizge­ rätes in den gesamten Wärmeaustauschraum des Heizge­ rätes einzubeziehen, dessen Wärmeaustauschwände von dem aufzuheizenden Medium gekühlt werden. Die Hindurchführung der Verbrennungsabgase durch den Katalysator ist dann bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise an einer solchen Stelle des Kanals vorzunehmen, an der die durch die Wär­ meabgabe sich abkühlenden Verbrennungsabgase, wenn sie am Ende der Durchströmungsstrecke des Katalysators an­ kommen, noch eine Temperatur haben, die noch innerhalb des Arbeitstemperaturbereichs liegt, der für den Kataly­ sator erforderlich ist, um in wirtschaftlicher Weise die Nachoxidation des Kohlenmonoxids bewirken zu können.

Als Beispiel für die Ausbildung eines Heizgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung ein in der Praxis meistens mit einem atmosphä­ rischen Gasbrenner betriebener Gasraumheizer in einem senkrechten Querschnitt dargestellt. Der von Wärmeaus­ tauschwänden, namentlich an der Gerätevorderseite von der Hauptheizfläche 1 begrenzte Wärmetauscherraum des Heizgerätes enthält in seinem unteren Bereich den über die Länge des Heizgerätes sich erstreckenden Brennraum 2, in dem sich der Gasbrenner 3 befindet und dem die gesamte Verbrennungsluft durch einen Frischluftkasten 4 des Heizgerätes zugeführt wird. An die Oberseite des Brennraumes 2 schließt sich ein ebenfalls über die Länge des Heizgerätes reichender Schacht 5 an, von dessen oberem Ende ein Überleitstutzen 6 in einen nochmals von Wärmeaustauschwänden umgebenen Nachschaltheizkasten 7 führt, aus dem die Abgase durch einen Abgasstutzen 8 je nach Anschlußart des Heizgerätes in einen Kamin oder durch eine Gebäudewand ins Freie abströmen. In dem Brennraum 2 oder an dem Brenner 3 werden nicht näher dargestellte Maßnahmen bekannter Art angewendet, die durch Führung oder Beeinflussung der gebildeten Brennerflamme, wie zum Beispiel durch Kühlen der Flamme mit Brennraumeinbauten oder durch Abschirmen des Flammenfußes gegen Zutritt von Sekundärluft, die gewünschte Verminderung der Bildung von Stickoxiden bei der Brennstoffverbrennung bewirken. Hierbei tritt verfahrenstechnisch bedingt mit absinkender Bildung von Stickoxiden ein Anstieg des Kohlenmonoxid­ gehaltes in den Abgasen der Brennerflamme ein. In dem Schacht 5 ist ein die Umwandlung von Kohlenmonoxid und unverbrannter Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid und Wasserdampf auslösender Oxidationskatalysator 9 angeord­ net. Der den Katalysator enthaltende Reaktorraum ist somit einerseits wegen der im Katalysator exotherm ab­ laufenden Reaktion und andererseits auch aus Platzer­ sparnisgründen direkt in den gesamten Wärmeaustauschraum des Heizgerätes einbezogen. In dem Schacht 5 liegt der Katalysator 9 auch an einer solchen Stelle des Abgas­ strömungsweges im Heizgerät, an der die Verbrennungsab­ gase sich noch nicht unter die Temperatur abgekühlt haben, die der Katalysator als Arbeitstemperatur braucht, um in wirtschaftlicher Weise die Nachoxidation des Kohlen­ monoxids der Verbrennungsabgase auszulösen. Weiterhin hat die Anordnung des Katalysators sogleich in dem Schacht 5 des Heizgerätes den Vorteil, daß der Katalysator mit einem sehr großen, über den gesamten Querschnitt des Schachtes 5 reichenden Durchströmungsquerschnitt ausgebildet sein kann, so daß zur Erzielung einer für den Kohlenmonoxidabbau erforderlichen Verweilzeit des gesamten Abgasvolumens im Katalysator eine kurze Durchströmungsstrecke des Katalysators ausreicht, die die bauliche, räumliche Unterbringung des Katalysators in dem Schacht 5 des Heizgerätes begünstigt und an deren Ende die Abkühlung der Verbrennungsabgase noch nicht so weit fortgeschrit­ ten ist, daß die Abgastemperatur die Betriebstemperatur für eine wirtschaftliche Arbeitsweise des Katalysators unterschreitet. Die wirtschaftliche Arbeitstemperatur des Katalysators hängt von der Brennstoffart und von dem Katalysatormaterial ab und liegt im Durchschnitt bei etwa 350 bis 450°C. Der Katalysator 9 kann beispiels­ weise aus in den Schacht 5 eingesetzten wabenförmigen Katalysatorsteinen bestehen, oder aus wabenförmig im Schacht 5 angeordneten, mit geeignetem Katalysatormaterial beschichteten Einbaublechen bestehen oder auch nur von den Außenwänden des Schachtes 5 gebildet sein, die selber mit einem geeigneten Katalysatormaterial beschichtet sind. Maßgebend für die Auslegung der erforderlichen Menge und Geometrie des katalytisch wirkenden Materials sind die aus der Literatur bekannten Kennwerte Linear- Velociti, Aera-Velociti und Space-Velociti, die die Durchströmungsgeschwindigkeit, die Verweilzeit, das dem Gasvolumenstrom zur Verfügung gestellte Katalysatorvolu­ men, die zur Reaktion des Abgasvolumenstroms zur Ver­ fügung stehende geometrische Oberfläche und die freie zu durchströmende Fläche bestimmen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes für gasförmige Brennstoffe unter Bildung schadstoffarmer Abgase, wobei ein gasförmiger Brennstoff einem Brenner zugeführt wird und unter Aufnahme von Luft aus der Umgebung der Brenner­ flamme verbrennt, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in dem den Gasbrenner enthaltenden Brennraum des Heizgerätes in an sich bekannter Weise Maßnahmen zur Führung und/oder Beeinflussung der gebildeten Brennerflamme angewendet werden, die unter Inkaufnahme einer Steigerung des Kohlen­ monoxidgehaltes in den Verbrennungsabgasen deren Stick­ oxidgehalt absenken, und daß sodann die Verbrennungsabga­ se durch einen an den Brennraum sich anschließenden Kanal des Heizgerätes geleitet werden, der einen eine Nachoxi­ dation des Kohlenmonoxids in den Verbrennungsabgasen aus­ lösenden Katalysator enthält, wobei die Hindurchführung der Verbrennungsabgase durch den Katalysator an einer solchen Stelle des Kanals vorgenommen wird, an der die Verbrennungsabgase am Ende der Durchströmungsstrecke des Katalysators noch eine Temperatur haben, die inner­ halb des für die Oxidation von Kohlenmonoxid erforderli­ chen Arbeitstemperaturbereichs des Katalysators liegt.