DE4330130C1 - Katalytischer Brenner - Google Patents
Katalytischer BrennerInfo
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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.
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