DE4330130C1 - Katalytischer Brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen katalyti­ schen zweistufigen Brenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Die Klassifizierung katalytischer Brenner kann ähn­ lich wie bei Flammenbrennern nach Art der Gemischbil­ dung erfolgen. Es wird unterschieden zwischen Bren­ nern ohne und mit Vormischung.

Die Stabilitätsbereiche sind bei der katalytischen Verbrennung im Gegensatz zu Flammbrennern deutlich ausgeweitet, und daher wird die Umsetzung durch Betriebsschwankungen nicht so leicht gestört. Beson­ ders beim Einsatz von Wasserstoff macht sich dieser Vorteil stark bemerkbar, wodurch katalytische H₂- Brenner relativ einfach aufgebaut sein können. Auch aus diesem Grunde und auch wegen der sehr leichten Oxidierbarkeit von Wasserstoff an Katalysatorkontak­ ten sind katalytische Brenner prädestiniert für eine Anwendung im Rahmen der Wasserstoff-Technologie.

Katalytische Brenner ohne Vormischung, auch Diffu­ sionsbrenner genannt, werden für spezielle Anwendun­ gen eingesetzt. Technische Geräte sind am Markt für den Einsatz im Freizeitbereich und als Infrarot- Trockner. Neben der Anwendung als Infrarot-Trockner werden katalytische Brenner hauptsächlich als Heizun­ gen für Camping, Boote, Ferienhäuser und als mobile Heizgeräte eingesetzt.

Der katalytische Brenner ohne Vormischung ist dabei so aufgebaut, daß das reine Brenngas, nachdem es sich in einem Raum verteilt hat, mit homogener Geschwin­ digkeit durch einen ebenen porösen Katalysator strömt. Der zur Verbrennung erforderliche Luftsauer­ stoff diffundiert dann aus der Umgebung in die Kata­ lysatorstruktur ein, und die katalytische Verbrennung läuft in der oberflächennahen Zone ab. Die Reaktions­ wärme wird durch Reflexion und Strahlung abgegeben.

Ein derartiger Diffusionsbrenner für den Betrieb mit Wasserstoff wird in dem Artikel von K. Ledjeff "Was­ serstoffnutzung durch katalytische Verbrennung", BWK, Bd. 39 (1987), Nr.7/8, S. 370-374, beschrieben. Dieser Diffusionsbrenner verfügt über eine annähernd rohr­ förmige Zuführung für das Brenngas und einen sich daran anschließenden Raum für das Brenngas, dessen Wandungen aus einem Sintermetall aufgebaut sind. Die­ se Sintermetalle, z. B. aus Edelstahl, sind kommer­ zielle Produkte.

Für den Betrieb mit kohlenwasserstoffhaltigen Brenn­ gasen ist dieser Brenner jedoch nicht geeignet. Die katalytische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen ist nämlich wesentlich schwieriger als die Verbrennung von Wasserstoff, da die gasförmig vorliegenden Brenn­ gase sehr stabil sind. Beispielsweise ist Methan durch seine Molekülstruktur so stabilisiert, daß die katalytische Aktivierung selbst an Platin erst ab recht hohen Temperaturen von mindestens ca. 300°C beginnt. Für die Erzielung einer vollständigen kata­ lytischen Verbrennung von Methan bzw. Erdgas, das überwiegend aus Methan besteht, ist es erforderlich, hochaktive Katalysatoren, z. B. Edelmetalle auf kera­ mischen Trägern, einzusetzen. Diese Katalysatoren zeigen jedoch Alterserscheinungen, wodurch die Um­ satzraten mit der Zeit nachlassen und die Brenner vermehrt Schadstoffe emittieren. Dies ist der Grund, warum der vorstehend beschriebene Brenner insbesonde­ re für kohlenwasserstoffhaltige Brenngase nicht ge­ eignet ist, da eine unvollständige Verbrennung mit hohen Emissionen oder auch unverbrauchtem Brenngas resultiert.

Ein weiterer Diffusionsbrenner ist in der EP 0 389 652 A1 beschrieben. Dieser Diffusionsbrenner ist so aufgebaut, daß das Brenngas zuerst eine Diffusions­ schicht mit einem relativ großen Strömungswiderstand durchquert und dann in eine katalytisch aktive Schicht, die auf der Diffusionsschicht angeordnet ist, eintritt. Die katalytisch aktive Schicht verfügt dabei über Bereiche unterschiedlicher Aktivität.

Dieser Brenner soll zwar für Wasserstoff und für koh­ lenwasserstoffhaltige Brenngase einsetzbar sein. Es hat sich aber gezeigt, daß auch hier die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht vollständig behoben sind, so daß auch hier eine nur unvollständige Ver­ brennung mit hohen Emissionen resultiert.

Aus der DE-PS 42 04 320 ist ein Warmwasserbereiter be­ kannt, der über einen gattungsgemäßen katalytischen zweistufigen Brenner verfügt, näm­ lich über ein Spaltbrenner und einen monolithischen Brenner als zweite Stufe. Die erste Stufe ist jedoch auf Grund der Vormischung der Gase mit den vorgenann­ ten Nachteilen behaftet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, einen vorstehend beschriebenen katalytischen Brenner ohne Vormischung in der Art weiterzubilden, daß eine nahezu vollständige Verbrennung insbesondere von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen erfolgt, so daß ein hoher Wirkungsgrad und eine niedrige Emission erreicht werden. Der Brenner soll sich dabei weiter­ hin durch eine einfache und kostengünstige Bauweise auszeichnen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1. In den Unter­ ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angege­ ben.

Dadurch, daß erstmalig eine Brennerstruktur vorgese­ hen ist, die selbst aus einem hochporösen, für die Brenngase durchlässigen katalytischen Material be­ steht, erfolgt die katalytische Verbrennung an den durchgehenden katalytischen Strukturen sowohl im Inneren als auch an den Oberflächen der porösen Brennerstruktur. Durch die Integration eines derarti­ gen Diffusionsbrenners in einem zweistufigen Brenner wird eine nahezu vollständige Verbrennung gewährlei­ stet. Damit ist es möglich, nicht nur Wasserstoff, sondern auch besonders Erdgas oder andere kohlen­ stoffhaltige Brennstoffe wie z. B. Propan, Butan, Me­ thanol, Dieselöl oder Benzin nahezu vollständig zu verbrennen, so daß eine gegenüber dem Stand der Tech­ nik deutlich verringerte Emission von CO wie auch von unverbranntem Brenngas erreicht wird.

Die erforderlichen hohen Porositäten von < 50% und die Porengröße zwischen 0,001 und 100 µm können er­ zielt werden, wenn extrem feine Metallpulver mit Par­ tikelgrößen im Bereich von 0,01 bis 10 µm als Aus­ gangsmaterialien eingesetzt werden. Besonders vor­ teilhaft sind dabei Pulver, die aus Metallcarbonyl- Verbindungen hergestellt werden, wie z. B. aus Carbo­ nylnickel. Als Ausgangsmaterialien sind deshalb alle in Form von Matallcarbonylen verfügbare katalytisch aktiven Metalle geeignet. Die Siebgrößen dieser Pul­ ver liegen dabei im µm-Bereich. Die einzelnen Körner bestehen jedoch aus kettenförmigen Gebilden, die vie­ le kleinere einzelne Metallpartikel miteinander ver­ binden. Durch diese spezielle Struktur ist es möglich, sehr feinporige hochporöse Metallschichten herzustellen. Als Ausgangsmaterialien können nicht nur die vorstehend erwähnten Verbindungen wie z. B. Carbonylnickel-Pulver dienen, sondern auch Mischungen solcher Pulver, z. B. mit Carbonyleisenpulver. Diese beiden Materialien sind von besonderem Interesse, da sie großtechnisch hergestellt werden. Jedoch können für Dotierungszwecke und zur Verbesserung der thermi­ schen Stabilität auch andere Metallpulver, die nicht aus Metallcarbonylen hergestellt sein müssen, wie z. B. Chrom, Mangan, Magnesium, Lanthan, Zirkon, Yt­ trium, Aluminium etc., zugemischt werden. Zusätze von Oxidpulvern, wie z. B. Al₂O₃, SrTiO₃, sind geeignet, das Zusammensintern der porösen Nickelstrukturen wäh­ rend des Betriebes der Brenner bei hohen Temperaturen zu verhindern.

Vorteilhaft ist es, wenn die Porosität, ausgehend von dem mit Brenngas gefüllten Raum, nach außen, d. h. zu dem mit dem Verbrennungsgas gefüllten Raum hin, an­ steigt. Dadurch wird eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit in dem inneren Teil der Brennerstrukturen erreicht, die eine endotherme Vorreaktion (Teilreformierung) der Brenngase an der dem Brenngasraum zugewandten Katalysatorschicht begünstigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß nicht nur die Porosität variiert wird, sondern auch die mittlere Porengrößenverteilung. Es hat sich gezeigt, daß es dabei besonders günstig ist, wenn die mittlere Porengrößenverteilung, ausgehend von dem mit Brenngas gefüllten Raum, zum Verbren­ nungsgas enthaltenden Raum hin ansteigt. Die hohe Porosität mit großen Porenradien der Brennerstruktur auf der das Verbrennungsgas enthaltenden Seite ist vorteilhaft für den Austausch mit der Verbrennungs­ luft.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß das hochporöse katalytische Material auf einen für das Brenngas durchlässigen Träger aufgebracht wird. Dadurch ist es möglich, sehr dünne hochaktive Katalysatorschichten herzustellen. Besonders günstig ist die Verwendung von porösen Trägermaterialien wie z. B. Loch- oder Schlitzbleche, Streckmetalle, Sinter­ metallkörper, Gewebe, Netze, Vliese oder Schäume. Vorteilhaft ist es dabei aufgrund der ähnlichen Wär­ meausdehnungskoeffizienten wie die Katalysatorstruk­ tur selbst, wenn metallische Trägermaterialien ver­ wendet werden; geeignet sind aber keramische Träger­ materialien.

Die Herstellung dieser mit dem porösen katalytischen Material beschichteten Träger erfolgt in der Weise, daß aus den vorstehend beschriebenen Metallpulvern mit Wasser und einem organischen Bindemittel ein so­ genannter "Schlicker" angerührt wird, der dann in verschiedener Weise weiterverarbeitet werden kann. Zum einen kann die Beschichtung der Trägermaterialien durch Aufstreichen, Tränken, Sprühen oder andere Auf­ tragstechniken erfolgen. Nach der Auftragung oder Beschichtung wird dann der Schlicker in einem Troc­ kenschrank bei ca. 150°C getrocknet. Das Ausbrennen des Binders und die Ausbildung der zusammenhängenden Metallschicht kann nun in einem separaten Sinterpro­ zeß z. B. bei 900°C über 10 min unter Inertgas-Atmo­ sphäre oder direkt bei der ersten Inbetriebnahme als Brenner erfolgen.

Ein anderer Weg, Schichten aus Metallegierungen her­ zustellen, als der oben beschriebene geht von fertig­ gesinterten Strukturen aus, die ebenfalls aus Carbo­ nylnickelpulvern hergestellt werden. Die Legierungs­ bildung erfolgt in anschließenden Prozessen. Für die meisten katalytisch aktiven Metalle, außer den sehr unedlen, wie z. B. Aluminium, sind Tränkverfahren ge­ eignet. Dabei werden Nitratlösungen der jeweiligen Metalle verwendet, z. B. wäßrige Cobalt-, Magnesium- oder Chromnitratlösung, und die gesinterte Nickel­ struktur wird mit diesen Lösungen getränkt. Anschlie­ ßend kann eine Kalzinierungsphase bei ca. 450°C für 4 h an Luft und eine Diffusionsbehandlung bei 700°C für 30 min unter reduzierender Atmosphäre, z. B. unter Wasserstoff, erfolgen.

Intermetallische Nickel-Aluminium-Phasen können auch noch durch Diffusionsverfahren erzeugt werden, bei denen die porösen Nickelstrukturen in einem Gemisch aus Pulvern von Aluminium, Aluminiumoxid und Ammoni­ umchlorid bei ca. 700°C für mehrere Stunden unter Inertgas-Atmosphäre gesintert werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung be­ vorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie an­ hand der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch den zweistufi­ gen katalytischen Brenner

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der ersten Stufe mit zwei rohrförmige Zuführungen.

Fig. 3 eine zweistufige Ausführungsform mit mehre­ ren parallel angeordneten Brennstäben,

Fig. 4 eine Ausführungsform der Anordnung von Brennstäben in einem Verbrennungsgas ent­ haltenden Raum.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 zeigt eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung. Die erste Verbren­ nungsstufe (15) ist in Form eines rohrförmigen Diffu­ sionsbrenners ausgestaltet und ist der zweiten Ver­ brennungsstufe (16) vorgeschaltet. Besonders günstig ist es nämlich, einen rohrförmigen Brennstab 2 zu verwenden. Dieser rohrförmige Brennstab 2 besteht aus einem annähernd zylindrischen Zufuhrrohr 3 und einer zylindrischen Brennerstruktur 4, die an dem dem Zu­ fuhrrohr 3 gegenüberliegenden Ende geschlossen ist. Zufuhrrohr 3 und der freie Innenraum der Brenner­ struktur 4 bilden einen geschlossenen, vom Brenngas durchströmten Raum 6, der mit einer nicht dargestell­ ten Brenngasversorgung verbunden ist. Die Brenner­ struktur 4 trennt den Trenngas enthaltenden Raum 6 von dem Oxidator, z. B. Luftsauerstoff, der sich in dem Raum 7 befindet, der von der dem Raum 7 zugewand­ ten Seite der Brennerstruktur 4 und der Innenseite der Gehäusewand gebildet wird. Die Gehäuse-Innenwand kann auch zusätzlich die Innenseite eines mit Wärme­ austauschers 8 versehenen Kessels sein. Die Zuführung des Oxidationsmittels (nicht abgebildet) kann konvek­ tiv oder durch Zwangsströmung z. B. mittels eines Ge­ bläses über die Zuführungen 17 erfolgen.

Erfindungswesentlich ist die Ausgestaltung der Bren­ nerstruktur. Die Brennerstruktur stellt eine äußerst katalytisch aktive Schicht mit einer Wandstärke von ca. 0,5 bis 10 mm dar. Die Brennerstruktur ist porös mit Poren im Bereich von 0,001 bis 100 µm und verfügt über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Bevorzugt be­ steht dabei die Brennerstruktur im wesentlichen aus metallischen Werkstoffen. Die Herstellung der Bren­ nerstruktur erfolgt dabei, wie vorstehend beschrie­ ben, bevorzugt aus feinen Metallpulvern mit Partikel­ größen im Bereich von 0,01 bis 10 µm als Ausgangsma­ terialien. Vorteilhaft ist hierbei, daß metallorgani­ sche Verbindungen wie z. B. Carbonylnickel eingesetzt werden. Die Siebgrößen dieser Pulver liegen im Mikro­ meterbereich. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Brennerstruktur dabei auf ein Trägermaterial 5 aufgebracht. Die Brennerstruktur 4 kann dabei den Träger füllen oder sogar durch den Träger hindurch­ reichen und eine den Raum 6 begrenzende Schicht dar­ stellen.

Besonders vorteilhaft für den erfindungsgemäßen kata­ lytischen Brenner ist die Verwendung von Nickel oder nickelhaltigen Legierungen, da Nickel ein sehr guter Reformierungskatalysator und ein guter Oxidationska­ talysator ist.

Die Herstellung der Brennerstruktur 4 erfolgt derart, daß z. B. aus Drahtgewebe, Lochblech, Streckmetall oder ähnlich durchlässigen Strukturen mit einzelnen Öffnungen von < 5 mm ein Träger 5 geformt wird, z. B. ein einseitig geschlossener Zylinder, der nach Be­ schichtung mit aktivem Material die Brennerstruktur 2 darstellt. Besonders günstig ist es, wenn auch die Trägerstruktur 5 aus Nickel oder nickelhaltigen Werk­ stoffen besteht. Ein einfaches Beschichtungsverfahren geht aus von Carbonylnickelpulvern, die in wäßriger Lösung zu einem Schlicker verarbeitet werden, und z. B. durch Eintauchen der Trägerstruktur 5 in den Schlicker kann die Beschichtung erfolgen. Anschlie­ ßend wird ein Sinterprozeß unter Schutzgas bei 1000°C durchgeführt. Diese Art der Herstelltechnik ermög­ licht sehr leicht Variationen in der Porosität, Po­ renverteilung, Schichtdicke und katalytischer Selek­ tivität durch Verwendung unterschiedlicher Nickelpul­ verfraktionen, Wassermengen und Zusätze von Poren­ bildnern, z. B. Kunststoffpulvern, und durch Zugabe von Spuren anderer aktiver Elemente, die z. B. die Aktivität für die Reformierung oder die CO-Oxidation verbessern. Durch mehrfaches Wiederholen der Be­ schichtungsprozedur können katalytisch aktive Gesamt­ schichten mit über die Dicke hinweg veränderlichen strukturellen und katalytischen Eigenschaften aufge­ baut werden.

Besonders vorteilhaft ist es, die Porosität, ausge­ hend von dem mit Brenngas gefüllten Raum 6, nach au­ ßen zu dem mit Luft gefüllten Raum 7 hin ansteigen zu lassen. Dadurch wird eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit in dem inneren Teil erzielt, die eine endotherme Vor­ reaktion (Teilreformierung) der Brenngase an der dem Raum 6 zugewandten Katalysatorschicht begünstigt. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die mittlere Poren­ größenverteilung ebenfalls von innen nach außen zu­ nimmt. Die an der Außenseite der Struktur 4 gewünsch­ te hohe Porosität mit großen Porenradien ist günstig für den Austausch mit der Verbrennungsluft.

Bezüglich der Zusätze von anderen selektivitätsstei­ gernden Materialien ist es günstig, im inneren Be­ reich der Schicht 4 z. B. Cu, Fe, Nb zuzusetzen, um die Reformierungskinetik zu verbessern, und im äuße­ ren Bereich z. B. Co, Pt, Fe, um die selektive CO-Oxi­ dation zu beschleunigen.

Die Technologie der mehrfachen Beschichtungen bietet weiterhin den Vorteil, daß der hydraulische Wider­ stand der Katalysatorstruktur über die Länge, begin­ nend vom Brenngaseintritt, kontinuierlich oder stu­ fenweise modifiziert werden kann, z. B. durch Aufbrin­ gen zusätzlicher Schichten auf Teilbereiche der Struktur. Dadurch läßt sich z. B. der Druckverlust über die Länge der Katalysatorstruktur ausgleichen.

Der zweistufige katalytische Brenner ist in der Weise aufgebaut, daß ein wie vorstehend beschriebener Brennstab 2 einer zweiten Verbrennungsstufe 16, in Strömungsrichtung gesehen, dem Verbrennungsgas ent­ haltenden Raum 7 nachgeordnet ist. Die Integration des Brennstabes 2 in einen zweistufigen katalytischen Brenner erfolgt in der Weise, daß der Brennstab 2 die erste Stufe darstellt, in der ein Umsatz von 70 bis 90% erzielt wird, während eine der ersten Stufe nachgeschaltete zweite Stufe für den vollständigen Umsatz sorgt. Die zweite Stufe ist dabei derart auf­ gebaut, daß der nachgeordnete Raum 9 vorteilhafter­ weise mit keramischem oder metallischem Material oder mit einer Katalysatorwabe, wie sie aus der Pkw-Abgas­ reinigung bekannt ist, gefüllt wird. Diese Anordnung ist außerordentlich günstig, wenn die zugeführte Ver­ brennungsluft bereits vorgeheizt ist, z. B. durch Ab­ gaswärmetauscher oder wie dies bei Gasturbinen der Fall ist. In Gasturbinen wird durch die Luftverdich­ tung auf 10 bis 20 bar eine Erwärmung der Luft auf ca. 400°C erzielt. Durch das Diffusionsprinzip kann die Luft auch über die Selbstentzündungstemperatur des Brenngas/Luft-Gemisches erhitzt werden, ohne - wie im Falle des Vormischbrenners - Zündungen aus zu­ löschen.

Bei sehr hohen Abgastemperaturen nach der ersten Stu­ fe im Bereich von ca. 800°C kann es ausreichend sein, anstatt eines katalysierten Monolithen einen heißen Reaktionsraum bereitzustellen, in dem die Abgase nach dem Verlassen der ersten Brennerstufe eine gewisse Weile, ca. < 1 sec., verbleiben und dort thermisch oxidiert werden. Die thermische Oxidation kann durch Einbau von im wesentlichen keramischen Körpern in dem Raum 9 erheblich verbessert werden. Einsetzbar sind beispielsweise unbeschichtete Mono­ lithe aus Al₂O₃ oder ZrO₂. Da diese Materialien we­ sentlich höhere Temperaturen vertragen als die mei­ sten Katalysatoren, die über 1200°C meist nur be­ grenzte Lebensdauer haben, können die rein thermi­ schen Oxidationsreaktionen auch bei noch höheren Tem­ peraturen durchgeführt werden. Diese hohen Abgastem­ peraturen im Bereich von 1300°C werden von den zu­ künftigen Gasturbinengenerationen gefordert werden.

Bei Gasturbinen erfolgt die Verbrennung unter erhöh­ ten Drücken. Das bedeutet, daß der Druck zwischen der zugeführten Verbrennungsluft und dem innerhalb der Brennerelemente eingespeisten Brenngas eingestellt werden muß. Der Druck muß nahezu gleich sein, denn bei zu hohem Luftdruck würde die Luft durch die Struktur 4 in den Brennstoffraum 6 eingepreßt, bzw. bei zu hohem Brenngasdruck würde Brenngas in den Luftraum unter Flammenbildung emittiert. Der Diffe­ renzdruck ist derart zu regeln, daß die katalytische Verbrennungsreaktion im Bereich der Struktur 4 ab­ läuft, entweder innerhalb oder im oberflächennahen Bereich.

Bei Gasturbinen, die abhängig von der gewünschten Turbineneintrittstemperatur mit definiertem Luftüber­ schuß betrieben werden, kann es bei dem beschriebenen zweistufigen Brenner günstig sein, nur die leicht überstöchiometrische Menge Luft (Luftzahl 1,0 bis 1,2) in den Brenner einzuspeisen, damit die in der ersten Stufe aufzuheizende Gasmenge minimal bleibt und dadurch in der zweiten Stufe sehr hohe Temperatu­ ren - bei Betrieb mit Erdgas bis in den Bereich von 1800°C - erzielbar werden. Um die Heißgase auf die niedrigeren Turbineneintrittstemperaturen zu bringen, kann ein Luftteilstrom aus dem Verdichter in den Heißgasstrom, der den katalytischen Brenner verläßt, eingemischt werden, bis die gewünschte Gastemperatur erreicht wird. Neben der beschriebenen Luftzuführung ist es natürlich auch möglich, die gesamte Luft di­ rekt in die erste Brennerstufe einzuspeisen.

Fig. 2 zeigt ein Schnittbild eines rohrförmigen kata­ lytischen Brenners mit trägergestützter Katalysator­ struktur und Brenngaszufuhr von beiden Seiten. Dieser katalytische Brenner ist nun so aufgebaut, daß zwei Zuführungen 11, 12 vorgesehen sind, die bevorzugter­ weise wieder rohrförmig ausgestaltet sind. Die beiden rohrförmigen Zuführungen sind gegeneinander geführt, berühren sich aber nicht. Der freie Raum zwischen den beiden rohrförmigen Zuführungen bildet nun den Brenn­ gasraum 6. Die Brennerstruktur ist wie vorstehend beschrieben aufgebaut. Dieser Diffusionsbrenner wird analog Fig. 1 als erste Stufe eingesetzt.

Fig. 3 zeigt einen zweistufigen katalytischen Brenner mit parallel angeordneten Brennstäben und einem Luft­ gebläse.

Katalytische zweistufige Brenner sind in verschiede­ nen Geometrien realisierbar, z. B. in planarer Plat­ tenbauweise, als zylindrische Stäbe, als Kugeln etc. Voraussetzung ist jeweils die Trennung von Brenngas­ raum 6 und dem das Verbrennungsgas enthaltenden Raum 7 durch die Brennerstruktur 4. Beispielsweise können Brennstäbe 2 räumlich unterschiedlich orientiert wer­ den, z. B. waagerecht, diagonal oder senkrecht. Die Führung der Luft entlang der verschieden orientierten Brennstäbe 2 kann wiederum parallel, diagonal oder senkrecht zu der Ausrichtung der Stäbe erfolgen. In der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Brennstäbe 2 und der Luftstrom parallel ausgerichtet. Sie können aber auch senkrecht oder in beliebigem Winkel zuein­ ander führen. Das Verbrennungsgas wird dabei über ein Luftgebläse 13 parallel zu den Brennstäben 2 geführt. Das Brenngas (Wasserstoff) wird über eine Zuführungs­ einrichtung 14 zu den Brennstäben 2 geführt. In dem nachgeordneten Bereich 9, der mit keramischem oder metallischem Material oder mit einer Katalysatorwabe gefüllt ist, erfolgt dann eine Nachverbrennung. Vor­ teilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß erheb­ lich größere Leistungen durch die hier parallel an­ geordneten Brennstäbe realisierbar sind.

Fig. 4 zeigt eine einfache parallele Anordnung von Brennstäben 2. Mehrere Brennstäbe 2 werden dabei par­ allel über eine Verteilerstruktur 15 mit Brenngas versorgt. Die erforderliche Verbrennungsluft wird konvektiv oder über ein Gebläse (nicht abgebildet) an den Brennstäben vorbeigeführt. Die zweite Verbrennungsstufe (nicht abgebildet) ist in Strömungsrichtung über der ersten angeordnet. Auch durch diese Ausführungsform wird eine hohe Leistungs­ ausbeute erreicht.

Claims (14)

1. Katalytischer zweistufiger Brenner (1) mit min­ destens einer Brenngaszuführung (3) für ein H₂ und/oder KW-haltiges Brenngas und mindestens einer Zuführung (17) für ein Verbrennungsgas wie Sauerstoff oder Luft, zwei Verbrennungsstufen (15, 16), wobei die zweite Verbrennungsstufe (16) ein von dem die erste Stufe (15) verlassen­ des Gasgemisch durchströmter monolithischer Brenner ist, einem Wärmeaustauscher (8) der mit dem Brenner (1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbren­ nungsstufe (15) ein Diffusionsbrenner ist bei dem ein das Brenngas enthaltender Raum (6) mit­ tels einer für das Brenngas durchlässigen kata­ lytischen Schicht (Brennerstruktur 4) vom Ver­ brennungsgas enthaltenden Raum (7) abgetrennt ist, wobei die Brennerstruktur (4) von einem hochporösen, eine Porosität < 50% und eine Po­ rengröße von 0,001 bis 100 µm aufweisenden kata­ lytisch aktiven Material mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 10 mm gebildet wird, wobei das Brenngas in den Raum (6) und das Verbrennungsgas in den Raum (7) geführt wird.

2. Katalytischer Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Brennerstruktur (4) von der dem Brenngasraum (6) zugewandten Seite zum das Verbrennungsgas ent­ haltenden Raum (7) hin zunimmt.

3. Katalytischer Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Poren­ größenverteilung der Brennerstruktur (4) von der dem Brenngasraum (6) zugewandten Seite zum das Verbrennungsgas enthaltenden Raum (7) hin zu­ nimmt.

4. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material ausgewählt ist aus katalytisch aktiven Metallen, die aus Metallcarbonylen herstellbar sind.

5. Katalytischer Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Metall bevorzugt Ni ist.

6. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerstruktur (4) auf einem für das Brenngas durchlässigen Träger (5) aufgebracht ist.

7. Katalytischer Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) aus­ gewählt ist aus Loch- oder Schlitzblechen, Streckmetallen, Sintermetallkörpern, Geweben, Netzen, Vliesen oder Schäumen.

8. Katalytischer Brenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger (5) me­ tallische Trägermaterialien eingesetzt werden.

9. Katalytischer Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Trä­ germaterial zumindest mit einem der in der kata­ lytischen Brennerstruktur (4) enthaltenen Metal­ le identisch ist.

10. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngaszufüh­ rung (3) bevorzugt über mindestens eine rohrförmige Zuführung erfolgt und daß der das Brenngas enthaltende Raum (6) ein an das freie Ende der rohrförmigen Zuführung anschließender, auf der der rohrförmigen Öffnung gegenüberliegenden Seite geschlossener, annähernd zylindrischer Raum (6) ist (Brennstab 2), und daß der Brenn­ stab (2) von dem das Verbrennungsgas enthalten­ den Raum (7) umgeben ist.

11. Katalytischer Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennstäbe (2), die über eine oder mehrere Zuführungen (14) mit dem Brenngas versorgt werden, in einem das Verbrennungsgas enthaltenden Raum (7) angeordnet sind.

12. Katalytischer Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe (2) parallel angeordnet sind.

13. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verbren­ nungsstufe (16) durch einen Raum (9) gebildet wird, der zumindest teilweise mit metallischen und/oder keramischen und/oder Katalysator-Struk­ turen gefüllt ist.

14. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngaszufüh­ rung über zwei gegeneinander geführte rohrförmi­ ge Zuführungen (11, 12) erfolgt, die sich mit ihren offenen Seiten nicht berühren, und daß der Raub zwischen den Öffnungen der rohrförmigen Zuführungen (11, 12) von annähernd zylindrischer Brennerstruktur umschlossen ist.