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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Versorgung eines Brenners mit Katalysator für Erdgas, das eine
Schwefelverbindung in Form eines Zusatzstoffes enthält, und auf eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Bestimmte natürliche Gase sind praktisch geruchlos und das Gesetz
fordert, ihnen einen Zusatzstoff beizumengen, um sie durch Geruch
wahrnembar zu machen. Diese Zusatzstoffe sind im allgemeinen
Schwefelverbindungen, wie Tetrahydrothiophen (THT). Im klassischen
Flammenbrenner ruft die Hitze die Zersetzung der Verbinung hervor und der
Schwefel wird oxydiert. Da die Verbrennungstemperatur in einem Brenner
mit Katalysator sehr viel niedriger ist als in einen klassischen
Brenner und zwischen 350ºC und 700ºC liegt, kann die Oxydätion des
Schwefels in bestimmten weniger heißen Zonen des Katalysators
unvollständig sein und man stellt daher in diesen Zonen eine Vergiftung des
Katalysators durch den Schwefel fest, die den Katalysator
funktionsunfähig macht. Von diesem Zeitpunkt an dehnt sich die vergiftete Zone aus
und der Katalysator wird rasch betriebsunfähig. Das ist der Grund,
warum Brenner mit Katalysator, welche mit einem Verteilungsnetz für
Naturgas funktionieren, in welchem Geruchsstoffe des Typs THT
beigefügt sind, schwerwiegende Vergiftungsprobleme durch den Schwefel mit
sich bringen.
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Es gibt nun zahlreiche Anwendungen, bei welchen der Brenner mit
Katalysator Vorteile gegenüber anderen Verbrennungsarten aufweist, wobei
es gegeben ist, daß er keine schädlichen Gase, wie CO oder NOx
ausbildet, wodurch es möglich ist, die Luftverschmutzung zu reduzieren,
wobei das Erhitzen in dieser hinsicht einen bedeutenden Faktor für diese
Verschmutzung bildet. Das Fehlen von schädlichen Gasen in den
Verbrennungsgasen, die durch Verbrennung mit Katalysator erzeugt werden,
erlaubt es, diese Gase direkt zur Raumheiznung zu verwenden. Es ist
offensichtlich, daß diese Vorteile in Richtung Umweltschutz gehen und
eine bedeutende Energieersparnis mit sich bringen.
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In der JP-A 61-295403 wurde bereits vorgeschlagen, die schädlichen
Effekte des Schwefels in Metallkatalysatoren zu reduzieren und die
Lebensdauer von Verbrennungskatalysatoren mit Hilfe eines ersten
Katalysators zu erhöhen, der auf einem Träger eine Mischung aus einem
Oxydationskatalysator und einem Entschwefelungskatalysator in Form einer
porösen Verbindung von Keramikfasern und mit Hilfe eines zweiten
Verbrennungskatalysators, der nur den Oxydationskatalysator trägt. Diese
Lösung benötigt zwei Katalysatoren, was merklich den Preis des Gerätes
verteuert.
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Die JP-A 60-54903 bezieht sich ebenfalls auf die Beseitigung eines
Geruchsstoffes, der aus einer Schwefelverbindung stammt und enthält
einen Entschwefelungskatalysator und einen Reformierungskatalysator.
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Die DE-A 2720866 bezieht sich auf einen Katalysator zur Beseitigung
von schädlichen Substanzen in Abgasen. Diese werden durch Einblasen in
ein Ölbad auf eine Temperatur unterhalb der Verbrennungstemperatur
vorerhitzt, unter welchem Ölbad sich ein mit einem Gewebe verbundener
Katalysator befindet. Der Katalysator ernitzt das Gewebe durch
Strahlung derart, daß die Abgase nochmals von 10ºC bis 20ºC erhitzt werden,
wenn sie das Gewebe durchsetzen und auf Verbrennungstemperatur sind,
wenn sie den Katalysator erreichen. Dank dieser Maßnahme vermeidet man
auf überraschende Weise die Vergiftung des Katalysators durch
Schwefelverbinunngen.
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Man stellt fest, daß dieses Problem bereits erörtert wurde, aber daß
die vorgeschlagenen Lösungen entweder von zwei Katalysatoren Gebrauch
machen, was merklich den Preis des Gerätes erhöht, oder nicht an das
Problem der Entschwefelung eines Abgases angepaßt sind.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindng ist es, eine Lösung zu bringen,
die es erlaubt, dieses Problem in einfacher Weise kostengunstig und
effizient zu lösen.
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Zu diesem Zweck hat diese Erfindung ein Verfahren zur Versorgung
eines Brenners mit Katalysator für eine Schwefelverbindng
enthaltendes Erdgas gemäß Anspruch 1 zum Gegenstand. Die Erfindung hat
ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchfchrung des Verfahrens gemaß Anspruch
3 zum Gegenstand.
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Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung sind in dem Maß bedeutend, als
die Effizienz des Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner
Durchführung durch Langzeitversuchen nachgewiesen wurden, die keinerlei
Bildung einer Vergiftung der in den Brennern verwendeten Katalysatoren
erkennen ließen. Die zur Ausführung des Verfahrens notwendige
Vorrichtung ist einfach und kostengünstig in der Herstellung. Die Tatsache,
daß sie keine beweglichen Teile enthält, macht weder Wartung noch
Einstellung notwendig und bringt keine besonderen Kosten mit sich. Die
Verwendung von sehr geringen Mangen an Luft, wobei das Maß oder die
Menge des zu oxydierenden Schwefels, der im Erdas des Netzes
beigesetzt ist, in der Größenordnung von 10 bis 15 ppm ist, verändert
praptisch nicht die Merkmale der Verbrennung. Schließlich wird das
Erhitzen durch den Brenner selbst verwirklicht, wobei der für die Erhitzung
der Mischung aus Gas und Luft notwendige Erergieverbrauch gering ist.
Tatsächlich zeigen die Messungen, daß die Temperatur im Inneren des
katalytischen Materials quasi konstant und höher als die Temperatur
der thermochemischen Zersetzung des den Schwefel enthaltenden Moleküls
bleibt, wie auch immer die Temperatur der äußeren Oberfläche der
katalytischen Materialien ist.
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Dies hat nicht weniger zur Folge, daß die Realisierung dieses
Verfahrens zahlreiche Probleme aufwirft und daß die Vorrichtung zu seiner
Ausführung weit davon entfernt ist, naheliegend zu realisieren zu
sein. Es ist tatsächlich notwendig, geringstmögliche Lufmengen in das
Erdgas einzubringen, dessen Dichte unterhalb jener der Luft liegt und
dessen Versorgungsdruck und damit die Geschwindigkeit sehr gering
sind. Tatsächlich ist dieser Druck in der Erdasversorgungsleitung im
allgemeinen 2,3 kPa derart, so daß es notwendig ist, den Injektor zu
verwenden und die Strome des Erdgases und der Luft bei sehr niedrigen,
unterhalb von 10 000 liegenden Reynolds-Zahlen, basierend auf dem
Durchmesser der Düse zu mischen. Das Ganze wird insofern komplexer,
als dieselbe Vorrichtung, ohne verändert zu werden, bei sich
verändernden Durchsätzen in einem Verhältnis von 1 zu 3 funnktionieren
kann. In der Tat benötigt jede Veränderung der Durchtrittsquerschnitte
ein Regelsystem, wodurch die Kosten des Gerätes in einem inakzeptablen
Verhältnis erhöht werden und seine Zuverlässigkeit verringert wird.
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Die angeschlossenen Zeichnungen zeigen schematisch und als Beispiel
eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchfhrung des Verfahrens,
welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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Die Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht dieser Vorrichtung.
Die Fig. 2 ist ein Diagramm des Druckgewinnes der plötzlichen
Erweiterung der Düse in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl. Die Fig. 3 ist
ein Diagramm der Drucke in der Vorrichtung nach Fig. 1. Die Fig. 4 ist
ein Diagramm über den Gesamtspannungsverlust im Elektroventilsystem.
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Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besitzt eine unter Druck stehende Gasquelle G, deren Durchsatz in diesem
Beispiel von einem Elektroventil EV gesteuert wird, das einen Kolben P
trägt, der von einer Leitung C1 zum Durchgang des Gases durchsetzt
ist. Dieses Elektroventil ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung
und wird hier nicht beschrieben. Der Ausgang dieses Elektroventils
kommuniziert mit einer Düse BG, deren Ausgang in einen Kegel C mündet,
der mit dem Rand der Düse BG eine ringförmige Öffnung BA bildet,
welche verbunden mit der Außenluft als zweite Düse zur Einbringung der
Luft in den Gasstrom dient. Auf den Kegel C folgt von ein
zylindrischer Abschnitt mit dem Querschnitt S1, dann einer plötzlichen
Erweiterung BC nach Borda-Carnot mit dem Querschnitt S2, die in einen
Wärmetauscher EC mundet, der mit einem von einem katalytischen Material
durchsetzten Substrat MC zur Oxydation des brenbaren Gases in Kontakt
ist. Das Verhältnis zwischen der Länge dieses Abschnittes BC und dem
Durchmesser seines Querschnittes S2 muß zwischen 8 und 12 liegen.
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Das erfindunsgemäße Verfahren besteht aus Ansaugen einer geringen
Menge an Luft aufgrund eines Unterdruckes, der durch die plötzliche
Vergrößerung BC, welche stromabwärts der Düse liegt, hervorgerufen
wird. Aus dem gleichen Grund, und wie es in Folge erklärt wird, ruft
die plötzliche Erweiterung starke Turbulenzen in der Strömung selbst
bei relativ geringen Geschwindigkeiten der Strömung hervor und sichert
so eine homogene Mischung zwischen der Luft und dem brennbaren Gas.
Diese Mischung wird dann in den Wärmetauscher eingebracht, wo sie auf
eine Temperatur von mindestens 530ºC erhitzt wird, bei welcher sich
die Moleküle des Tetrahydrothiophens (THT) zersetzen und den Schwefel
freisetzen, der in Kontakt mit dem Sauerstoff, der in der Mischung
vorhandenen Luft oxydiert. Aus diesem Grund befindet sich, wenn die
brennbare Mischung mit einer neuen Luftzufhr, die zur Oxydation des
Brennstoffes bestimmt ist, in Kontakt mit dem Brenner mit Katalysator
gebracht wird, der Schwefel in Form von SO&sub2;, welches den Katalysator
nicht vergiftet.
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Wie zuvor unterstrichen wurde, stellt die Durchfühung des Verfahrens
Probleme zur Lösung, die heikel genug zu lösen sind. Die Dichte des
Mitnahmestromes, welche geringer als jene des mitgenommenen Stromes
ist, die kinematische Viskosität der Gasströme, welche wesentlich
hoher ist als jene von Flüssigkeiten, sowie die geringe Geschwindigkeit
des Gases aufgrund des geringen Versorgungsdruckes des Erdgases
bringen Reynolds-Zahlen mit sich, die geringer als 10 000 sind, wodurch
ganz und gar ungewöhnliche Arbeitsbedingungen gebildet werden.
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Diese Grunde führten die Erfinder dazu, den klassischen kegelförmigen
Diffusor durch eine plötzliche Erweiterung nach Borda-Carnot zu
ersetzen. Tatsächlich erlaubt es bei den betrachteten Reynolds-Zahlen der
kegelförmige Diffusor nicht, die Stabilität der Strömung zu
garantieren, umsoweniger als den Durchsatz und daher sind die Geschwindigkeit
und die Reynolds-Zahl berufen sind, auf 30% des Nominaldurchsatzes
aufgrund der der geforderten reistung des Brenners reduziert
betrachtet werden können. Im Gegensatz dazu ist, wenn die plötzliche
Erweiterung einen weniger guten Wirkungsgrad hat, seine Wirkungsweise bei
niedrigen Reynolds-Zahlen bekannter und, wie das Diagramm der Fig. 2
zeigt, kann man, ausgehend von einer Reynolds-Zahl von um 3000 und für
ein Verhältnis der Querschnitte S1/S2 der plötzlichen Erweiterung von
0,5 bis 0,6 einen ma:aaalen Druckgewinn Δ p/q von ungefähr 0,5 zu
erzielen, wobei g der dynamische Druck im Düsenhals ist und es kann noch
bei einer Reynolds-Zahl von 2000, basierend auf den
Strömungsbedingungen im Hals der Düse funktionieren. Diese Angaben stammen aus dem
Handbuch für Spannungsverluste von Idelcik (Eyrolles).
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Der Diffusor mündet in den Tauscher EC, der mit dem mit katalytischer
Substanz durchsetzten Substrat in Kontakt ist. Hier ist das Substrat
ein Material, das aus feuerfesten, platindurchsetzten Fasern gebildet
wird. Der Tauscher kann durch ein einfaches Rohr mit entsprechendem
Querschnitt und entsprechender Länge gebildet werden oder durch zwei
koaxial ineinander angeordneten Rohren, wobei so in dem ringförmigen
Raum zwischen den Rohren eine Gegenströmung zum zentralen Rohr
gesichert wird. Der Querschnitt dieses Rohres kann gehählt werden, um
einen akzeptablen Leistungsverlust aufgrund des Versorgungsdruckes des
Erdgases zu schaffen.
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Das Diagramm der Fig. 3 zeigt schematisch den Wert der Drücke an
verschiedenen Stellen der Vorrichtung im Verhältnis zum atmosphärischen
Druck, der der X-Achse entspricht. p&sub0; entspricht dem Druck am Eingang
des Eleketroventils EV. ΔpEV ist der Leistungsverlust beim Durchgang
durch das Elektroventil. Pk entspricht dem Druck am Eingang der Düse
und p&sub1; jenem, der im Hals der Düse herrscht und der zum Ansaugen der
Außenluft dient. p&sub2; ist der Druck am Eingang des Wärmetauschers und am
Ausgang herrscht praktisch atmosphärischer Druck.
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Wir werden nunmehr ein Beispiel fur die Abmessungen der Vorrichtung
zur Bearbeitung eines Erdgases geben, das unter einem Druck von
2,3 kPa mit einem Nominaldurchsatz von 0,50 m³/h zugeführt wird und
bestimmt ist, ein Heizgerät mit einem Brenner mit Katalysator von 5 kW
zu versorgen. In diesem Beispiel hat die Leitung C1, welche im Kolben
P des Elektroventiles EV ausgespart ist, einen Durchmesser von 3 mm,
die Hauptdüse BG hat einen Durchmesser von 1,5 mm, der kleine
Durchmesser des Diffusors ist 1,6 mm und jener der plötzlichen Erweiterung
2,2 mm. Die hydraulischen Durchmesser des Gegenstromtauschers sind
ungefähr 3 bis 5 mm und seine Länge ist 34 an. Die folgende Tabelle gibt
die Druckwerte p&sub0;, p&sub1; und p&sub2; bei verschiedenen Gadurchsätzen Q an.
(gemessen)
(errechnet)
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Man stellt fest, daß p&sub1; unterhalb des atmosphärischen Druckes für alle
betrachteten Durchsätze liegt, sowohl für die errechneten als auch für
die gemessenen Wette. Zu dieser Sache muß eine bestimmte Ungenauigkeit
aufgrund der zur Verfügung gestandenen Meßgerätshaft sowie bestimmten
Fluktationen im Druck des Versorgungsnetzes angezeigt werden.
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Bei einer Temperatur des Katalysators in der Größenordnung von 700ºC
wurde die Temperatur der Gasmischung am Ausgang des Warretauschers EC
derart berechnet, daß sie in der Größenordnung von 550ºC ist. Die
Versuche wurden mit einem Heizgerät mit einem Brenner mit Katalysator
ausgeführt, der mit Erdgas versorgt wurde, das THT in der
Größenordnung von 15 ppm enthielt und mit der beschriebenen Vorrichtung
behandelt wurde. Nach 4500 Stunden Betrieb wurde keine Spur von Vergiftung
des Katalysators nachgewiesen. Im Gegensatz stellt man eine beginnende
Vergiftung des Katalysators durch Schwefel fest, sobald der
Lufteingang der zweiten Düse BA verstopft wird, jedoch kann man feststellen,
daß diese Vergiftung verschwindet, wenn die Luftzufhr
wiederhergestellt wird. Dieser Versuch zeigt die unerläßliche Rolle der Luft, ein
einfaches Vorheizen des Brennstoffes ist nicht ausreichend.
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Es ist gewiß, daß das Verhältnis der angesaugten Luft im Falle der
beschriebenen Vorrichtung sehr stark überschüssig in bezug auf die
Stöchiometrie Luft-Schwefel ist unter Berücksichtigung der Menge des
vorhandenen THT. Diese Tatsache verursacht keinerlei meßbare Verringerung
des Wirkungsgrades des Brenners was den Wert dieser Lösung bestärkt.
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Es ist offensichtlich möglich, die beschriebene Vorrichtung an alle
Arten von Geräten für katalytische Verbrennungen verschiedenster
Stärken anzupassen. Für ein Heigerät mit 10 kW, das einen Nominaldurchsatz
in der Größenordnung von 1,0 m3/h benötigt und in gleicher Weise mit
einem Druck von 2,3 kpa versorgt wird, erlaubt es, das Diagramm mit
logarithmischen Maßtab relativ zu den Leistungsverlusten im
Elektroventilsystem, das den Eingangsdurchsatz steuert, zu folgern, daß um in
denselben Bedingungen zu arbeiten, die Durchmesser des Elektroventils
und des Wärmetauschers der Versorgungsvorrichtung im Verhältnis zu dem
Gerät mit 5 kW mit einem Faktor von ungefähr 1,5 multipliziert werden
muß, was zu einem Elektroventil mit einer Leitung C1 von 4,5 mm durch
den Kolben P und einem Wärmetauscher von 9 mm führt. Unter der
Voraussetzung des relativ bedeutenden Durchmessers dieses Wärmetauschers ist
es immer möglich, die Effizienz zu erhöhen, indem die Lösung der
gegenläufigen Strömung in zwei koaxialen Rohren, wie zuvor erwähnt,
aufgenommen wird.
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In dem hier beschriebenen Beispiel wird die Steuerung der
Gasversorgung mit Hilfe eines Elektroventils realisiert, das gewählt wurde, um
an eine elektronische Steuerschaltung angeschlossen zu werden. Es ist
jedoch offensichtlich, daß alle anderen entsprechenden Steuersysteme
das Elektroventil ersetzen können, welches, wie bereits ausgefühft,
nicht Teil der Erfindung ist.