DE60125412T2 - Katalytische verbrennungsvorrichtung mit flüssigbrennstoffverdampfung auf heissen wänden - Google Patents

Katalytische verbrennungsvorrichtung mit flüssigbrennstoffverdampfung auf heissen wänden Download PDF

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/40Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Verbrennungsvorrichtung mit Verdampfung des flüssigen Brennstoffs auf einer warmen Wand, die es dadurch ermöglicht, die Herstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs in einer Verbrennungszone zu optimieren.
  • Die herkömmliche Verbrennung, die in Gegenwart einer Flamme erfolgt, die üblicherweise in den Verbrennungsverfahren verwendet wird, ist ein schwer kontrollierbarer Prozess.
  • Sie vollzieht sich im Bereich von genau festgelegten Luft/Brennstoff-Konzentrationen und führt, neben der Bildung von Kohlendioxid und Wasser, zur Produktion von Schadstoffen, wie etwa Kohlenmonoxid und Stickoxiden.
  • In Anbetracht der immer schnelleren Verschärfung der Umweltauflagen für Schadstoffe, die von Verbrennungsverfahren emittiert werden (Stickoxide, unverbrannte Brennstoffe, Kohlenmonoxid), wird es notwendig, neuartige Technologien zu finden, die es ermöglichen, deren Emissionen stark zu verringern.
  • Mehrere herkömmliche Lösungen sind dem Fachmann bekannt:
    • – Die selektive katalytische Verringerung der Stickoxide durch Ammoniak ermöglicht es, die NOx-Konzentrationen in den Rauchgasen auf ungefähr 10 ppm zu verringern. Aber diese Lösung erfordert das Bereitstellen eines besonderen Reaktors stromabwärts der Verbrennungskammer, die Speicherung und Verwendung von Ammoniak, und die Kosten der Einrichtung und des Betriebs einer solchen Lösung sind hoch.
    • – Die Einspritzung von Wasser oder Wasserdampf, was die Temperatur absenkt, die von den Verbrennungsgasen erreicht wird, wodurch die NOx-Gehalte signifikant auf ungefähr 50 ppm verringert werden. Die Kosten einer solchen Vorrichtung sind gering, aber die Kosten des Betriebs sind, in Anbetracht der gründlichen Reinigung des Wassers vor der Einspritzung und des übermäßig hohen Brennstoffverbrauchs aufgrund der Abnahme des energetischen Wirkungsgrads, hoch. Auch wenn die Einspritzung von Wasser ausreicht, um vor den aktuellen Normen zu bestehen, ermöglicht sie es nicht, die künftigen NOx-Normen zu erfüllen.
    • – Die Verbrennung eines mageren Gemischs. Genau wie die vorliegende Erfindung basiert diese Technologie auf der Absenkung der Verbrennungstemperaturen. Sie ermöglicht es, das NOx auf ungefähr 20 ppm sinken zu lassen, aber diese Senkung erfolgt häufig auf Kosten der Kohlenmonoxidemissionen und unverbrannter Brennstoffe, die ansteigen.
  • Die katalytische Verbrennung ist eine bestechende Lösung, um auf die zunehmende Verschärfung der Schadstoffnormen zu antworten. Die katalytische Verbrennungskammer ersetzt nämlich vorteilhafterweise die herkömmlichen Brenner, da sie eine bessere Kontrolle der vollständigen Oxidation des Brennstoffs in einem sehr großen Bereich der Werte für das Luft/Brennstoff-Verhältnis erlaubt, das so ermöglicht, unter optimalen Bedingungen zu arbeiten, die die Emissionen an Stickoxiden, unverbrannten Brennstoffen und Kohlenmonoxid stark verringern. Es ist bekannt, dass das wesentliche Merkmal dieser besonderen Art von Verbrennung ist, die vollständige Oxidation der Brennstoffe bei einer relativ niedrigen Temperatur (unterhalb von 1.000 °C), im Vergleich mit einer herkömmlichen Verbrennung, zu gewährleisten.
  • Es kann ebenfalls erwähnt werden, dass die katalytische Verbrennung es ermöglicht, ein breites Spektrum an Verbindungen zu verbrennen. Die Verwendungen der katalytischen Verbrennung sind somit vielfältig: Strahlplatten und Strahlrohre, katalytische Kocher, Gasturbinen, Kraft-Wärme-Kopplung, Brenner für Heizkessel, katalytische Verbinder für röhrenförmige Reaktionssysteme, Produktion von Heißgas im Bereich der Heizung durch direkten Kontakt und katalytische Plattenreaktoren usw. Die möglichen Verwendungsbereiche der katalytischen Verbrennung sind in der Literatur beschrieben, zum Beispiel in „Catalytic Combustion: Current Status and Implications for Energy Efficiency in the Process Industries, Heat recovery system & CHP, 13, n°5, pp 383-390,1993".
  • Die Verbrennungskatalysatoren werden im Allgemeinen aus einem monolithischen Substrat aus Keramik oder aus Metall hergestellt, auf dem eine feine Trägerschicht abgelagert wird, die aus einem oder mehreren refraktären Oxiden besteht, mit einer Oberfläche und einer Porosität, die größer ist als jene des monolithischen Substrats. Auf dieser Trägerschicht wird die aktive Phase dispergiert, die am häufigsten im Wesentlichen Metalle der Platingruppe umfasst.
  • Bezüglich der katalytischen Verbrennungsverfahren in den Bereichen der Energieherstellung und der Kraft-Wärme-Kopplung ist die häufigste Reaktorkonfiguration ein Reaktor, der mehrere Katalysatorzonen umfasst: den (die) Eingangskatalysator(en), der (die) spezifischer der Zündung der Verbrennungsreaktion gewidmet ist (sind), den Folgenden, die dazu dienen, die Hochtemperatur-Verbrennungsreaktion zu stabilisieren; wobei die Anzahl der Katalysatorabschnitte (oder Katalysatorzonen) abhängig von den Bedingungen angepasst ist, die von der beabsichtigten Verwendung vorgeschrieben wird. Es ist ebenfalls möglich, die erste Zündkatalysatorzone der Reaktion durch einen Zündbrenner zu ersetzen, der es ermöglicht, die Reaktion auszulösen.
  • In der klassischen Version der katalytischen Verbrennungskammer, d. h. mit einer Mischzone, gefolgt von einem Katalysatorabschnitt, ist die Herstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs einer der kritischsten Punkte.
  • Dieses Gemisch muss so schnell wie möglich und auf eine so homogene Weise wie möglich erfolgen, wobei die Risiken der Selbstentzündung begrenzt werden müssen.
  • Es gibt ebenfalls Fälle, in denen die Temperatur der Luft am Auslass des Verdichters zu niedrig ist, um eine schnelle Verdampfung des Brennstoffs zu ermöglichen.
  • Um die Verdampfung eines flüssigen Brennstoffs zu erhalten, besteht eine der am einfachsten durchzuführenden Prozeduren darin, diese mit großer Geschwindigkeit auf eine Oberfläche, bevorzugt auf eine ebene Oberfläche und senkrecht zu dieser, aufzuspritzen. Solche Einspritzungsarten werden zum Beispiel beim katalytischen Cracken benutzt, aber die erhaltenen Korngrößen bleiben eher grob (mittlerer Durchmesser der Tröpfchen in einer Größenordnung von mehreren Hundert Mikron).
  • Es ist ebenfalls möglich (JP11-264514), den Brennstoff in einen Verdampfungstopf einzuführen, in dessen Inneren eine Temperatur herrscht, die ausreicht, um die Verdampfung des Brennstoffs in feinen Tröpfchen zu gewährleisten.
  • Die vom Anmelder geleisteten Arbeiten haben gezeigt, dass es möglich ist, die Homogenität des Luft/Brennstoff-Gemischs wesentlich zu verbessern, und in der Folge die Kontrolle der katalytischen Oxidation der Brennstoffe zu optimieren und die Emission von gasförmigen Schadstoffen zu beschränken, wobei die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs verbessert wird, um feinere Tröpfchen zu erhalten.
  • Genauer betrifft die Erfindung eine katalytische Verbrennungsvorrichtung umfassend eine Hauptverbrennungszone, umfassend mindestens einen Katalysatorabschnitt, mindestens eine Luft/Brennstoffmischzone, wobei die Mischzone mindestens eine Druckluftzuleitung umfasst, und Mittel zum Ein spritzen von flüssigem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmittel den flüssigen Brennstoff auf eine Wand ausspritzen, die durch die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Hauptverbrennungszone erwärmt wird, so dass die Verdampfung des Brennstoffs bei Kontakt mit der Wand ermöglicht wird.
  • Dank der Erfindung ist es möglich, den Durchmesser der flüssigen Tröpfchen sehr wesentlich zu verringern, indem ein primärer flüssiger Strahl auf eine Oberfläche abgefeuert wird, deren Temperatur höher ist als die höchste Siedetemperatur des Brennstoffs unter den Druckbedingungen der Verbrennungszone.
  • Dieser primäre Flüssigkeitsstrahl kann vorteilhafterweise von jedem Einspritzer oder einem Zerstäubungssystem ausgestoßen werden, das dem Fachmann bekannt ist.
  • Im Allgemeinen werden Einspritzer verwendet, die eine primäre Zerstäubung des Brennstoffs mit flüssigen Tröpfchen ermöglichen, deren mittlerer Durchmesser zwischen 5 und 60 μm (10–6 Meter), vorzugsweise zwischen 10 und 40 μm liegt.
  • Der Anmelder hat herausgefunden, dass vorteilhafterweise die Temperatur der Oberfläche der Wand, auf die der primäre Strahl auftrifft, beim betrachtete Druck im Wesentlichen gleich oder höher ist als eine erste Temperatur TN der Wand, die einer höchsten Siedetemperatur der Flüssigkeit entspricht.
  • Bei dieser Temperatur TN bringt der intensive thermische Austausch zwischen der Wand und dem Brennstoff eine starke Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs (auch Nukiyama-Temperatur genannt) mit sich. Unter im Wesentlichen gleich ist eine Temperatur zu verstehen, die um 100 °C höher oder niedriger ist als die Temperatur, vorzugsweise eine Tempe ratur, die um 50 °C höher oder niedriger ist als die Temperatur, und am stärksten bevorzugt eine Temperatur, die um 20 °C höher oder niedriger ist als die Temperatur.
  • Er wurde vom Anmelder ebenfalls herausgefunden, dass es, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, im übrigen möglich wäre, vorteilhafterweise eine starke Fragmentierung der flüssigen Tröpfchen zu erhalten, die von dem primären Strahl ausgestoßen werden, indem eine Temperatur angewendet wird, die sich im Wesentlichen zwischen der Nukiyama-Temperatur und einer Temperatur TL bewegt, in deren Nähe und darüber die thermischen Übertragungen, durch die Gegenwart eines Dampffilms zwischen dem Tröpfchen und der Wand, vermindert sind (genannt Leidenfrost-Temperatur).
  • Es ist jedoch ebenfalls möglich, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, eine Temperatur anzuwenden, die größer als die Leidenfrost-Temperatur, oberhalb derer die Verdampfungszeit der flüssigen Tröpfchen abnimmt, als Folge des Anstiegs, mit der Wand, der Wärmeübertragung durch Leitung, Konvektion und Strahlung.
  • Die Kontrolle der Wandtemperatur bedingt somit die Größe der Tröpfchen und kann mittels jeder Technik, die dem Fachmann bekannt ist, erhalten werden.
  • Eine solche Einspritzstrategie weist während der Herstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs für die katalytische Verbrennung zahlreiche Vorteile auf:
    • – Im Vergleich zu einer klassischen Konfiguration der katalytischen Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischer und einem Katalyseabschnitt, ermöglicht eine Anordnung, die einen solchen Einspritzmodus aufweist, eine schnellere Verdampfung des flüssigen Brennstoffs, insbesondere jener, die relativ hohe Endverdampfungstemperaturen haben. Das ist zum Beispiel bei bestimm ten Dieselkraftstoffen der Fall. Unter diesen Bedingungen kann das Luft-Brennstoff-Vorgemisch schneller erhalten werden.
    • – Die Anordnung, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, kann auch zum Abkühlen der Wände der Verbrennung- oder Nachverbrennungszonen beitragen, oder auch der Zone, die die Heißgase zur Entspannungsturbine transportiert.
    • – In den Fällen, in denen die Temperatur der Luft am Auslass des Verdichters, die die katalytische Verbrennungsvorrichtung versorgt, sich als nicht ausreichend erweist, um die vollständige Verdampfung des Brennstoffs zu erhalten, ermöglicht die vorgeschlagene Lösung, dieses Problem dank der Wärmeübertragung zu überwinden, die zwischen der Verbrennungs- oder Nachverbrennungszone und der Brennstoffeinspritzungszone stattfindet.
    • – Sie ermöglicht es, eine signifikante Verringerung des Gesamtvolumens der Verbrennungszone in Betracht zu ziehen, da die Zone, die normalerweise für die Verdampfung und die Vormischung des Brennstoffs reserviert ist, verschwindet.
  • Im Allgemeinen ist die warme Wand, auf der der Brennstoff zerstäubt wird, die Wand der Verbrennungs- oder Nachverbrennungszone oder der Zone, die die Heißgase transportiert, die aus der Verbrennung kommen, oder jene der Starteinrichtung, die zum Beispiel eine Verbrennungskammer mit Flamme, eine elektrische Heizung oder jede andere Vorrichtung sein kann, die dem Fachmann bekannt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel, die die Einspritzung des flüssigen Brennstoffs ermöglichen, Einspritzer, die eine primäre Zerstäubung ausführen, deren Ausrichtung und Merkmale berechnet werden, um die Verteilung des Brennstoffs in der Verbrennungsluft so homogen wie möglich zu machen, und die Größe der Tröpfchen, die aus dem Einspritzer stammen, liegt zwischen 5 und 60 μm, vorzugsweise zwischen 10 und 40 μm und am stärksten bevorzugt zwischen 20 und 30 μm.
  • Vorteilhafterweise weist die warme Wand der gegenüber den Einspritzmitteln gelegenen Zone eine im Wesentlichen ebene Form auf.
  • Es ist ebenfalls möglich, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, dass die warme Wand der gegenüber den Einspritzmitteln gelegenen Zone eine im Wesentlichen gewölbte, zum Beispiel konkave Form aufweist.
  • Es ist vorteilhaft, dass die Zone, die den Ausstoß der Brennstoffstrahlen empfängt, mit Mitteln versehen ist, die die Verstärkung der Wärmeübertragung von der warmen Zone zu der Zerstäubungszone ermöglichen.
  • Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung findet zum Beispiel ihre Verwendung in Gasturbinen, die einen Wärmetauscher enthalten oder in Verbrennungskammern mit ringförmiger Geometrie.
  • 1 und 2 zeigen als nicht beschränkendes Beispiel der Erfindung zwei verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung:
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei die Einspritzung des Brennstoffs auf eine warme Wand, aus einer Verbrennungszündvorrichtung erfolgt, die aus einem Zündbrenner besteht.
  • 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, wobei die Einspritzung des Brennstoffs auf eine warme Wand einer Nachverbrennungszone erfolgt.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung umfasst eine Druckluftzuleitung 1, die von einem Verdichter (in der Figur nicht dargestellt) kommt. Diese Luft zirkuliert in einem peripheren ringförmigen Raum 2 bevor sie in einem Verteilerkasten 3 ankommt, wo sie aufgeteilt wird in einen Strom, der für eine Verbrennungszündungsvorrichtung bestimmt ist, hier ein Zündbrenner 4, und einen Strom, der zu einem Katalysatorabschnitt 5 gelenkt wird.
  • Eine in der Figur nicht dargestellte Vorrichtung kann in Höhe dieses Verteilerkastens 3 platziert werden, um die Luft auf optimale Weise aufzuteilen, unabhängig von der Laufgeschwindigkeit der Maschine.
  • Der in 1 dargestellte Zündbrenner ist ein klassischer Flammenzündbrenner. Er umfasst eine zentrale Brennstoffversorgungsleitung 6, einen Luftkasten 7, Mittel 8, wie zum Beispiel Schaufeln, um die Geschwindigkeit und die Rotation der Verbrennungsluft vor ihrem Eintreten in die Verbrennungszone 9 des Zündbrenners anzupassen, eine Auslasszone 10 für die von dem Zündbrenner produzierten Rauchgase, wobei dieser Auslass quer durch den Katalysatorabschnitt 5 verläuft.
  • Dieser Zündbrenner kann auch eine Apparatur sein, die dem Fachmann bekannt ist, und dafür geschätzt wird, wenige Stickoxide zu emittieren, wie zum Beispiel die Systeme, bei denen die Verbrennungsluft in Schaufeln in Rotation versetzt wird, wobei der Brennstoff ins Innere der Schaufeln eingespritzt wird, oder eines Teils der Schaufeln, oder auch in unmittelbare Nähe dieser Schaufeln.
  • Die Hauptverbrennungszone 20 umfasst eine Luft-Brennstoffmischzone 11, die stromabwärts des Verteilungskastens 3 gelegen ist, mechanische zerstäubende Flüssigbrennstoff-Einspritzer 12, die zum Beispiel auf dem Randbereich der Mischzone 11 und des Katalysatorabschnitts 5 gleichmäßig verteilt sind.
  • Die Einspritzer 12 produzieren einen Flüssigbrennstoffstrahl, der auf die warme Wand 13 des Zündbrenners 4 gelenkt wird, und sie ermöglichen eine primäre Zerstäubung dieses Brennstoffs mit flüssigen Tröpfchen, deren mittlerer Durchmesser zwischen 5 und 60 μm (10–6 Meter) und vorzugsweise zwischen 10 und 40 μm liegt.
  • Dieser Strahl ist vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur warmen Wand. Unter im Wesentlichen senkrecht ist zu verstehen, dass der Winkel zwischen der Oberfläche der warmen Wand im Verhältnis zur Achse des Strahls am stärksten bevorzugt im Bereich zwischen 80° und 100° liegt.
  • Es versteht sich, dass dieser Winkel im Bereich zwischen 40° und 140° und vorzugsweise zwischen 60° und 120° liegen kann.
  • Die Wand 13 wird durch die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs in Abschnitt 5 erwärmt, und beim Kontakt mit der warmen Wand wird der flüssige Brennstoff verdampft, indem er sich in sehr feine Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von einigen Mikron (10–6 m) teilt, die von der Verbrennungsluft mitgeführt werden. Die Anzahl der Einspritzer, ihre Ausrichtung im Verhältnis zur warmen Oberfläche und die Merkmale der Einspritzer werden vom Fachmann berechnet, um eine Verteilung des Brennstoffs in dem gasförmigen Strom zu erhalten, die so homogen wie möglich ist, sobald die feinen Tröpfen zerstäubt sind. Das gasförmige Luft-Brennstoff-Gemisch tritt dann in den Katalysatorabschnitt 5 ein, der meistens aus einem oder mehreren Mono lithen besteht, die parallel oder hintereinander angeordnet sind, um Druckverluste zu begrenzen. Wenn die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs im Katalysatorabschnitt nicht vollständig ist, wird sie in der so genannten Nachverbrennungszone 14 fortgesetzt, die hierfür vorgesehen ist.
  • Die Wand 15, die mit der Nachverbrennungszone 14 oder mit dem Katalysatorabschnitt 5 in Kontakt ist, ist ebenfalls eine Wand, die durch die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs im Katalysatorabschnitt 5 erwärmt wird, und es kann in Betracht gezogen werden, Einspritzer 12 gegenüber dieser Wand anzuordnen.
  • Gemäß einer Variante kann, um die Zerstäubung der Tröpfchen zu optimieren, die Wand 13 des Zündbrenners 4 gegenüber den Einspritzern eine im Wesentlichen ebene, beziehungsweise konkav gewölbte Form aufweisen, damit alle Tröpfchen des flüssigen Brennstoffs, die von dem Einspritzer emittiert werden, so senkrecht wie möglich auf die warme Oberfläche aufprallen, wo sie sich fragmentieren und zerstäuben sollen.
  • Ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen ist es natürlich möglich, jede bekannte Vorrichtung in Betracht zu ziehen, die es ermöglicht, einen solchen Effekt zu erhalten, wie zum Beispiel die Gegenwart von Einsätzen in im Wesentlichen ebener oder konvex gewölbter Form.
  • 2 ist eine andere mögliche Illustration der Erfindung.
  • Es findet sich eine Verbrennungsluftversorgung 101, die aus dem Verdichter (in der Figur nicht dargestellt) kommt, eine Verbrennungszündungsvorrichtung 102 (oder Zündbrenner) und eine Hauptverbrennungszone 200 mit dem eigentlichen Katalysatorabschnitt 103.
  • Die Verbrennungsluft zirkuliert in einem peripheren, im Wesentlichen, ringförmigen Raum 104. Der Brennstoff wird mittels der Einspritzer 105 eingeführt, die an der äußeren Wand 106 der äußeren Wand des ringförmigen Raums 104 befestigt und im Wesentlichen gleichmäßig verteilt sind. Diese Einspritzer können mechanisch (ohne Zerstäubungs-Unterstützung) oder pneumatisch (mit Unterstützung eines Zerstäubungsfluids) sein, oder jede andere äquivalente Vorrichtung. Die Strahlen, die von den Einspritzern produziert werden, werden auf die warme Wand 107 gelenkt, die den ringförmigen Raum 104 von der Zone 108 trennt, die eine Nachverbrennungszone sein kann oder auch einfach eine Verbindungszone zwischen dem Katalysatorabschnitt 103 und der Entspannungsturbine (in der Figur nicht dargestellt) und, in Kontakt mit dieser warmen Wand, wird der flüssige Brennstoff in sehr feine Tröpfchen zerstäubt.
  • Wie zuvor beschrieben, produzieren die Einspritzer 105 einen Brennstoffstrahl mit einer primären Zerstäubung, die flüssige Tröpfchen enthält, deren mittlerer Durchmesser zwischen 5 und 60 μm (10–6 Meter), vorzugsweise zwischen 10 und 40 μm liegt.
  • Vorteilhafterweise können bestimmte Teile der Wand 107 mit Isoliermaterialien bedeckt sein, um heiße Punkte zu vermeiden, die eine vorzeitige Entzündung des Luft-Brennstoff-Gemischs herbeiführen können.
  • Umgekehrt kann die Zone 120 der Wand 107, die den Ausstoß der Strahlen empfängt, mit Vorrichtungen, wie etwa Schaufeln versehen sein, um die Wärmeübertragung von der warmen Zone 108 zur Zerstäubungszone 104 zu erhöhen.
  • Wie im vorherigen Fall werden die Anzahl der Einspritzer, ihre Ausrichtung im Verhältnis zur warmen Oberfläche und die Merkmale vom Fachmann berechnet, um eine Verteilung des Brennstoffs zu erhalten, die so homogen wie möglich ist, sobald die feinen Tröpfen zerstäubt sind.
  • Die ringförmige Zone 104 endet in einem Aufteiler 109, der das Luft-Brennstoff-Gemisch zwischen dem Zündbrenner 102 und dem Hauptkatalysatorabschnitt 103 aufteilt. Diese Aufteilung kann zum Beispiel durch eine bewegliche Absperrklappe 110 erhalten werden, die sich alternativ gegenüber dem Eingang 111 des Katalysatorabschnitts 103 oder gegenüber dem Eingang 112 des Zündbrenners 102, gemäß den Betriebsbedingungen der Maschine, platziert.
  • Der Zündbrenner kann eine Vorrichtung sein, wie in 1 präsentiert. Er kann auch dem in 2 angegebenen System entsprechen, das heißt, aus einem Zündkatalysatorabschnitt 121 bestehen, der über einen Kreislauf 113 versorgt wird, der hinter dem Verteiler 109 liegt. Dieser Katalysatorabschnitt kann ein Metallmonolith sein, der mittels Joule-Effekt vorerwärmt wird, dank einer Stromversorgung, die aus irgendeiner Stromquelle 114 besteht, zwei Metallanschlüssen 115, die an jedem Ende des Monolithen liegen, und einer elektrischen Verbindung 116, die diese Anschlüsse 115 mit der Elektrizitätsquelle 114 verbindet.
  • Der Hauptkatalysatorabschnitt 103 umfasst einen Verteilerkasten 117 für das Luft-Brennstoff-Gemisch, wobei dieser Kasten zum Beispiel mit einer Lochplatte 118 versehen sein kann, die dazu dient, eine homogene Versorgung aller konstituierenden Kanäle des Monolithen zu gewährleisten.
  • Diese Platte 118 kann auch ein Monolith von sehr geringer Dicke sein, der dazu dient, im Falle einer unerwünschten Selbstentzündung des Luft-Brennstoff-Gemischs in dem Raum 119, der zwischen der Platte 118 und dem Hauptkatalysatorabschnitt 103 liegt, jede Flamme zu blockieren. Diese kann aus einem oder mehreren Monolithen bestehen, die hintereinander oder parallel platziert sind.
  • Wie im vorherigen Fall, kann es stromabwärts des Katalysatorabschnitts 103 einen freien Raum 108 geben, vor der Entspannungsturbine (in der Figur nicht dargestellt), der dazu dient, die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs zu vollenden, falls es im Katalysatorabschnitt nicht vollständig verbrannt wurde.
  • Die Katalysatorabschnitte 102 und 103 können Katalysatoren verschiedenen Typs benutzen. Der Katalysator des Zündbrenners 102 kann zum Beispiel einen hohen Gehalt an Edelmetallen aufweisen, die für ihre Effizienz bei der katalytischen Verbrennung bekannt sind, und so den Start der Verbrennung ab 200 oder 250 °C ermöglichen.
  • Die Erfindung kann auch auf Gasturbinenstrukturen angewendet werden, die einen Wärmetauscher oder Verbrennungskammern mit ringförmiger Geometrie enthalten.

Claims (13)

  1. Katalytische Verbrennungsvorrichtung umfassend eine Hauptverbrennungszone (20, 200), umfassend mindestens einen Katalysatorabschnitt (5, 103), mindestens eine Luft/Brennstoffmischzone (11, 117), wobei die Mischzone mindestens eine Druckluftzuleitung (1, 101) umfasst, und Mittel (12, 105) zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmittel (12, 105) den flüssigen Brennstoff auf eine Wand ausspritzen, die durch die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Hauptverbrennungszone (13, 15, 107) erwärmt wird, so dass die Verdampfung des Brennstoffs bei Kontakt mit der Wand ermöglicht wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausspritzen des Brennstoffs im Wesentlichen senkrecht zu der warmen Wand (13, 15, 107) erfolgt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Wand (15) mindestens zum Teil aus mindestens einer der Wände der Hauptverbrennungszone (20) besteht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Verbrennungszündungszone (4, 102), dadurch gekennzeichnet, dass die warme Wand (13) mindestens zum Teil aus mindestens einer der Wände der Verbrennungszündungszone (4) besteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der mindestens eine Nachverbrennungszone (14, 108) stromabwärts von der Hauptverbrennungszone (20, 200) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Wand (15, 107) mindestens zum Teil aus mindestens einer der Wände der Nachverbrennungszone besteht.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln, die die Einspritzung des flüssigen Brennstoffs ermöglichen, um Einspritzer (12, 105) handelt, die eine primäre Zerstäubung bewirken, so dass die Größe der von den Einspritzern (12, 105) ausgestoßenen Tröpfchen zwischen 5 und 60 μm, vorzugsweise zwischen 10 und 40 μm umfasst.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Wand (13, 15, 107) der gegenüber den Einspxitzrnitteln gelegenen Zone eine im Wesentlichen ebene Form aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Wand (13, 15, 107) der gegenüber den Einspritzmitteln gelegenen Zone eine im Wesentlichen konkav gewölbte Form aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der warmen Wand (13, 15, 107) der Vorrichtung im Wesentlichen gleich oder höher als die höchste Siedetemperatur des flüssigen Brennstoffs auf der Wand ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (107), die den Ausstoß der Brennstoffstrahlen empfängt, mit Mitteln versehen ist, die die Verstärkung der Wärmeübertragung von der warmen Zone zu der Zerstäubungszone ermöglichen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (107) mindestens zum Teil, mit Ausnahme einer Zone (120), die den Aus stoß der Brennstoffstrahlen empfängt, mit Isoliermaterial bedeckt ist.
  12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Gasturbinen, die einen Wärmetauscher enthalten.
  13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in Verbrennungskammern mit ringförmiger Geometrie.
DE60125412T 2000-12-11 2001-12-05 Katalytische verbrennungsvorrichtung mit flüssigbrennstoffverdampfung auf heissen wänden Expired - Lifetime DE60125412T2 (de)

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