EP0789188A2 - Catalytic burner - Google Patents

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EP0789188A2
EP0789188A2 EP19970101303 EP97101303A EP0789188A2 EP 0789188 A2 EP0789188 A2 EP 0789188A2 EP 19970101303 EP19970101303 EP 19970101303 EP 97101303 A EP97101303 A EP 97101303A EP 0789188 A2 EP0789188 A2 EP 0789188A2
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fuel
catalytic
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catalytic burner
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Abstract

The burner has equipment (1) to supply fuel and air, and has at least one catalyser (3). It also has wall components through which coolant can flow. The heat transmission from the first catalyser onto the wall components results mainly from radiation. The components may be separated from a first catalyser by a space (2) through which a mixture of fuel and air flows in the direction of the catalyser. They may also be separated from the first catalyser by a space (2a) through which a partly-burnt mixture of fuel and air flows in a direction which is largely not onto the wall component (5).

Description

Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus DE 4204320 C1 bekannt ist. Die vorgeschlagene technische Ausgestaltung eines katalytischen Brenners ist geeignet für Heizsysteme, deren Wärmegut Temperaturen bis circa 700°C erreichen muß. Das größte Anwendungspotential stellen dabei Heizgeräte zur Warmwassererzeugung dar. Die einzusetzenden Brennstoffe können gasförmig, aber auch flüssig und nach einer Aufbereitung auch Festbrennstoffe sein.The invention relates to a catalytic burner according to the preamble of claim 1, as is known from DE 4204320 C1. The proposed technical design of a catalytic burner is suitable for heating systems whose heat must reach temperatures of up to approximately 700 ° C. The greatest application potential is represented by heaters for hot water production. The fuels to be used can be gaseous, but also liquid and, after treatment, can also be solid fuels.

Stand der TechnikState of the art

Die Erzeugung von Heizwärme geschieht heute in kommerziell erhältlichen Geräten nahezu ausschließlich durch den Einsatz von Flammenbrennern. Durch die verschärften Anforderungen an die Emissionseigenschaften dieser Gerate sind in den letzten Jahren einige Anstrengungen unternommen worden, katalytische Verbrennungssysteme einzusetzen. Diese katalytischen Verbrennungssysteme zeichnen sich insbesondere durch extrem niedrige Stickoxid-Emissionen aus. Die Anforderungen des Gütezeichens "Blauer Engel" für Gasheizungen werden bezogen auf die NOx-Emissionen um den Faktor 100, für die CO-Emissionen um den Faktor 25-50 unterboten. Gleichzeitig bieten katalytische Verbrennungssysteme deutliche Vorteile bei nahezu stöchiometrischen Brennstoff/Luftgemischen. Solche Brennstoffmischungen sind in Flammenbrennern nur mit erhöhten CO-Emissionen umzusetzen. Für die katalytischen Brenner werden mehrere Systemausgestaltungen diskutiert. Zum einen sind dies katalytisch beschichtete Metall oder Keramikstrukturen, die häufig zylindrisch oder halbkugelförmig ausgestaltet sind. Als Beispiel seien die katalytisch beschichteten Matrix-Brenner oder auch die Alzeta-Brenner genannt. Neben einigen materialtechnischen Schwierigkeiten zeigen die Stickoxid-Emissionen dieser Brennersysteme, daß neben der heterogenen Reaktion der Edukte an der Katalysatoroberfläche auch homogene Gasphasenreaktionen stattfinden. Ein deutliches Indiz ist der Einsatz von Ionisationsdetektoren zur Überwachung des Brenners, die nur bei einer vorhandenen homogenen Reaktion (Flamme) ansprechen. Solche Brennersysteme erreichen im allgemeinen NOx-Werte von etwa 5 mg/kWh. Sowohl der katalytisch beschichtete Matrix-Brenner als auch das Alzeta-System sind Brenner, die man als katalytisch-unterstützt bezeichnet. Sie sind, vor allen Dingen auch in Emissionseigenschaften, nicht mit den katalytischen Brennern zu vergleichen.The generation of heating heat in commercially available devices takes place almost exclusively through the use of flame burners. Due to the stricter requirements for the emission properties of these devices, some efforts have been made in recent years to use catalytic combustion systems. These catalytic combustion systems are particularly characterized by extremely low nitrogen oxide emissions. The requirements of the "Blue Angel" quality label for gas heating systems are undercut by a factor of 100 in relation to NOx emissions and by a factor of 25-50 for CO emissions. At the same time, catalytic combustion systems offer significant advantages with almost stoichiometric fuel / air mixtures. Such fuel mixtures can only be implemented in flame burners with increased CO emissions. Several system configurations are discussed for the catalytic burners. On the one hand, these are catalytically coated metal or ceramic structures, which are often cylindrical or hemispherical. Examples include the catalytically coated matrix burner or the Alzeta burner. In addition to some material-technical difficulties, the nitrogen oxide emissions of these burner systems show that in addition to the heterogeneous reaction of the starting materials on the catalyst surface, homogeneous gas-phase reactions also take place. A clear indication is the use of ionization detectors to monitor the burner, which only respond when there is a homogeneous reaction (flame). Such burner systems generally achieve NOx values of around 5 mg / kWh. Both the catalytically coated matrix burner and the Alzeta system are burners that are referred to as catalytically supported. They are not to be compared with the catalytic burners, especially in terms of emission properties.

Als weitere Ausgestaltung werden Hintereinanderschaltungen von Wabenkatalysatoren diskutiert. Das Anwendungsgebiet dieser technischen Möglichkeit liegt im Gasturbinenbau. Ziel der Brennersysteme dort ist die Darstellung heißer Gasmischungen bei möglichst hohem Druck und großem Massenstrom. Damit die einzelnen Wabenelemente nicht aufgrund der hohen Brennstoffkonzentration durch zu hohe Materialtemperaturen leiden, sind Brennstoff- oder Luftstufungen vorgesehen. Dies bedeutet, daß ein Gasstrom auf die Brennerstufen aufgeteilt wird, so daß eine Überhitzung der Waben vermieden werden kann. Die Reaktionswärmeabgabe erfolgt hauptsächlich an das Reaktionsgas. Eine Übertragung dieses Verfahrens in den Heizkesselbau ist nur möglich durch das Einbringen von Wärmetauschern zwischen den einzelnen Katalysatorstufen. Fehlt eine gezielte Wärmeabfuhr, wird auch bei einer gestuften Einbringung die adiabatische Verbrennungstemperatur von 1800 °C erreicht.In a further embodiment, series connection of honeycomb catalysts is discussed. The field of application of this technical possibility is in gas turbine construction. The aim of the burner systems there is the representation of hot gas mixtures at the highest possible pressure and large mass flow. So that the individual honeycomb elements do not suffer due to the high fuel concentration due to excessive material temperatures, fuel or air gradations are provided. This means that a gas flow is divided between the burner stages so that overheating of the honeycomb can be avoided. The heat of reaction is mainly released to the reaction gas. This process can only be transferred to boiler construction by introducing heat exchangers between the individual catalyst stages. If there is no targeted heat dissipation, the adiabatic combustion temperature of 1800 ° C is reached even with a graded introduction.

Als dritte Ausgestaltung sei auf das Patent DE 42 04 320 C1 hingewiesen. In Patent DE 42 04 320 C1 wird ein zweistufiger katalytischer Brenner beschrieben, der in seiner ersten Stufe aus einer angeströmten Platte in Form eines auf der Außenseite katalytisch beschichteten Rohres besteht und als zweite Stufe einen Wabenkatalysator besitzt. Der Hauptumsatz des Brennstoffes geschieht in der ersten Stufe, die über Strahlung einen Teil der Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt. Die restliche Reaktionswärme wird an das Reaktionsgas abgegeben. Der Umsatz in der ersten Stufe beträgt je nach Belastung 60 - 80 %. Dabei erweist es sich als ungünstig, daß der Umsatz in der ersten Stufe mit steigender Belastung abnimmt, so daß der Wabenkatalysator mit steigender Brenngasbelastung überproportional viel Umsatz erzielen muß, um den vollständigen Ausbrand sicherzustellen. Dies kann in der zweiten Stufe zu Materialbelastungen fuhren. Die Temperaturen in der ersten Stufe sind neben den bereits oben angesprochenen Faktoren auch vom Reaktionsweg abhängig. Das Brenngas wird hauptsächlich im ersten Drittel des Rohres umgesetzt. Eine gleichmäßige Verteilung der Temperaturen über den Reaktionsweg kann man bei einer Auslegung für verschiedene Brennerleistungen nicht erreichen. Diese Faktoren bedingen eine sehr sorgfältige verfahrenstechnische Auslegung des Gesamtbrenners.As a third embodiment, reference is made to the patent DE 42 04 320 C1. Patent DE 42 04 320 C1 describes a two-stage catalytic burner which in its first stage consists of a flow plate in the form of a tube catalytically coated on the outside and has a honeycomb catalyst as the second stage. The main turnover of the fuel takes place in the first stage, which emits part of the heat to a water cycle via radiation. The remaining heat of reaction is given off to the reaction gas. The turnover in the first stage is 60 - 80% depending on the load. It proves to be unfavorable that the turnover in the first stage decreases with increasing load, so that the honeycomb catalyst has to achieve a disproportionately high turnover with increasing fuel gas load in order to ensure complete burnout. This can lead to material loads in the second stage. In addition to the factors already mentioned above, the temperatures in the first stage also depend on the reaction route. The fuel gas is mainly converted in the first third of the pipe. A uniform distribution of the temperatures over the reaction path cannot be achieved with a design for different burner capacities. These factors require a very careful process engineering design of the overall burner.

Wesentliche Aufgabe bei katalytischen Brennern ist die Einstellung einer geeigneten Reaktionsdichte an der katalytisch aktiven Zone. Folgende Forderungen sind dabei zu berücksichtigen :

  • 1. Die Reaktionsdichte muß ausreichend hoch sein, um einen kompakten leistungsfähigen Brenner zu realisieren.
  • 2. Dabei muß jedoch durch geeignete Stofftransport- bzw. Wärmetransportbedingungen die Reaktionstemperatur auf ein dem Material zuträglichen Maß gehalten werden.
An essential task with catalytic burners is the setting of a suitable reaction density at the catalytically active zone. The following requirements have to be considered:
  • 1. The reaction density must be sufficiently high to realize a compact, powerful burner.
  • 2. However, the reaction temperature must be kept to a level that is beneficial to the material by suitable mass transfer or heat transfer conditions.

In Patent DE 4204320 wird Bedingung 2 durch eine Kombination aus einer Begrenzung des Stofftransports (1. Brennerstufe) und Wärmeabgabe über Strahlung und Konvektion erreicht. Diese Verknüpfung erschwert eine verfahrenstechnische Auslegung, die auf eine möglichst hohe Modulationsfähigkeit abzielt.In patent DE 4204320, condition 2 is achieved by a combination of a limitation of mass transport (1st burner stage) and heat emission via radiation and convection. This combination complicates a process engineering design that aims for the highest possible modulation capability.

Mit der Erfindung gelöste AufgabeObject achieved with the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner zu schaffen, der den Brenngasumsatz an katalytisch aktiven Oberflächen ermöglicht, der einen einfachen verfahrenstechnischen Aufbau gewährleistet und eine hohe Modulationsgrad ermöglicht. Dabei sollen die Emissionseigenschaften wesentlich besser als bei den bekannten Flammenbrennern bzw. katalytisch unterstützten Brennern (Matrix-Brenner, Alzeta-Brenner) sein. Der Brenner soll weiterhin ohne deutlichen verfahrenstechnischen Aufwand auch mit anderen zu beheizenden Komponenten, wie thermoelektrische Wandlern, ausrüstbar sein.The object of the invention is to provide a burner which enables the fuel gas conversion on catalytically active surfaces, which ensures a simple process engineering structure and which enables a high degree of modulation. The emission properties are said to be significantly better than in the known flame burners or catalytically assisted burners (matrix burners, Alzeta burners). The burner should also be able to be equipped with other components to be heated, such as thermoelectric converters, without significant process engineering effort.

LösungswegSolution

Erfindungsgemäß wird dieses Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention, this object is achieved by claim 1. Advantageous refinements are characterized in the subclaims.

Im Unterschied zum Patent DE 4204320 wird auf eine Reduktion des Stofftransportes zur Kontrolle der Reaktionsrate weitestgehend verzichtet. Die Wärmeauskopplung geschieht im wesentlichen durch Strahlung über die Stirnseiten eines katalytisch aktiven, gasdurchlässigen Körpers. Dabei wird der größere Anteil über die Eintrittsstirnseite entgegen der Strömungsrichtung des Gases abgegeben.In contrast to patent DE 4204320, a reduction in mass transport to control the reaction rate is largely avoided. The heat is decoupled essentially by radiation from the end faces of a catalytically active, gas-permeable body. The larger part is released via the inlet end against the direction of flow of the gas.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abbildungen 1 - 3 erläutert.The invention is explained below with reference to FIGS. 1-3.

Abbildung 1 zeigt eine erste Ausgestaltung des katalytischen Brenners.Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird durch eine Zuführung (1) mit Düse (1a) in einen Verteilerraum (2) geführt, der auf der einen Seite durch einen Katalysator (3) und auf der anderen Seite durch eine gekühlte Wand (4) berandet ist. Die Düse (1a) dient bei flüssigen Werkstoffen zur Zerstäubung des Brennstoffes und zur Erzeugung einer gleichmäßigen Strömung durch den Verteilerraum (2) hin zum Katalysator (3). Das Gas wird durch diesen Katalysator geführt und bei einer ausreichenden katalytischen Aktivität der Struktur dort teilweise umgesetzt. Der Gasweg durch die Struktur des Katalysators ist kurz, die Struktur relativ dünn. Die angebotene katalytische Oberflache im Vergleich zur ersten Stufe des Brenners nach DE 4204320 jedoch relativ groß. Es wird deshalb ein großer Umsatz erzielt.Figure 1 shows a first embodiment of the catalytic burner. The fuel / air mixture is fed through a feed (1) with nozzle (1a) into a distribution space (2), which is guided on one side by a catalyst (3) and on the other the other side is bordered by a cooled wall (4). In liquid materials, the nozzle (1a) serves to atomize the fuel and to generate a uniform flow through the distributor space (2) to the catalyst (3). The gas is passed through this catalyst and partially implemented there if the structure has sufficient catalytic activity. The gas path through the structure of the catalyst is short, the structure is relatively thin. The catalytic surface offered, however, is relatively large compared to the first stage of the burner according to DE 4204320. A large turnover is therefore achieved.

Die Reaktionswärme entsteht vor allen Dingen im Einströmbereich der katalytisch aktiven Struktur. Die Struktur erwärmt sich und gibt über zwei Wege ihre Reaktionswärme ab: ein Teil wird über Strahlung der Eintritts- und Austrittsflächen (3a und 3b) abgegeben, ein weiterer Teil wird an das teilverbrannte Reaktionsgas abgegeben.The heat of reaction arises above all in the inflow area of the catalytically active structure. The structure heats up and releases its heat of reaction in two ways: a part is emitted via radiation from the inlet and outlet surfaces (3a and 3b), another part is released to the partially burned reaction gas.

Das Verhältnis dieser beiden Wärmeströme verschiebt sich mit steigender Temperatur sehr deutlich zugunsten der Wärmeabgabe über Strahlung, womit eine Überhitzung des Katalysators vermieden werden kann.The ratio of these two heat flows shifts significantly with increasing temperature in favor of heat emission via radiation, which can prevent the catalyst from overheating.

Damit die Strahlungsabgabe möglichst vollständig erfolgen kann, muß dem strahlenden Katalysator zumindest gegenüber der Eintrittsfläche (3a) eine Kühlplatte (4) gegenüberstehen. Unter bestimmten Randbedingungen kann in dem Verteilerraum (2a) auch eine Kühlplatte (5) der Austrittsfläche (3b) des Katalysators gegenübergestellt werden.So that the radiation can be emitted as completely as possible, the radiating catalyst must be opposite a cooling plate (4) at least opposite the inlet surface (3a). Under certain boundary conditions, a cooling plate (5) can also be juxtaposed with the outlet surface (3b) of the catalyst in the distributor space (2a).

Diese Kühlplatten sind mit einer IR-strahlungsabsorbierenden Schicht (4a,5a), deren Emissionszahl in weiten Bereichen einstellbar ist, versehen. Für die Anwendung in einem Heizkessel ist die Kühlplatte schwarz beschichtet und mit Heizwasser durchflossen. Dadurch wird die Temperatur der Kühlplatte auf Werte unter 100 °C begrenzt, wenn die Heizwassertemperatur etwa 50 - 90 °C beträgt. Der Katalysator kann aufgrund der großen Temperaturdifferenz sehr viel Wärme an diese Kühlplatte abgeben. Der Anteil, der über diese Strahlung abgegeben wird, steigt gemäß dem T4-Gesetz überproportional mit der Temperatur, so daß eine Temperaturüberhitzung des Katalysators bei geeigneten Leistungsdichten vermieden werden kann. Gleichzeitig wird über diese Gesetzmäßigkeit sichergestellt, daß bei niedrigerer Brennstoffbelastung die Katalysatortemperatur nicht soweit absinkt, daß die Katalysatorstufe keinen Umsatz mehr erzielen kann.These cooling plates are provided with an IR radiation-absorbing layer (4a, 5a), the emission number of which can be set over a wide range. For use in a boiler, the cooling plate has a black coating and heating water flows through it. This limits the temperature of the cooling plate to values below 100 ° C when the heating water temperature is around 50 - 90 ° C. The catalytic converter can give off a lot of heat to this cooling plate due to the large temperature difference. According to the T 4 law, the proportion that is emitted via this radiation increases disproportionately with temperature, so that temperature overheating of the catalyst can be avoided with suitable power densities. At the same time, this law ensures that the catalyst temperature does not drop to such an extent that the catalyst stage can no longer achieve sales at lower fuel loads.

Das Gas wird durch den Katalysator geführt und erwärmt sich. Der Umsatz ist aufgrund des kurzen Reaktionsweges in der Regel unvollständig. Die fühlbare Wärme des Gases dient nun dazu in einer zweiten Katalysatorstufe, dem Abgaskatalysator (6), den vollständigen Ausbrand zu gewährleisten. Damit die fühlbare Wärme dem Gas nicht an der zweiten Kühlplatte entzogen wird, kann ein IR-transparentes Fenster vor der zweiten Kühlplatte (5) vorgesehen werden, so daß ein direkter Kontakt mit der Kühlplatte unterbunden wird.The gas is passed through the catalyst and warms up. Due to the short reaction path, sales are usually incomplete. The sensible heat of the gas now serves to ensure complete burnout in a second catalytic converter stage, the exhaust gas catalytic converter (6). So that the sensible heat is not extracted from the gas on the second cooling plate, an IR-transparent window can be provided in front of the second cooling plate (5), so that direct contact with the cooling plate is prevented.

Das Gas wird bei Raumtemperatur in den Verteilerraum (2) eingeführt. Ein Aufwärmen des Brenngases vor der Katalysatorstruktur wird durch die kurze Verweilzeit im Verteilerraum weitestgehend ausgeschlossen. Wird jedoch flüssiger Brennstoff mit dem notwendigen Luftanteil in den Raum vor dem Katalysator eingedüst, so bilden sich Flüssigkeitströpfchen, die aufgrund des großen Emissionsfaktors Strahlungswärme aufnehmen. Diese Wärmeaufnahme führt zur Verdampfung, so daß das Brennstoff/Luftgemisch weitestgehend gasförmig in den Katalysator geführt wird.The gas is introduced into the distribution space (2) at room temperature. Warming up of the fuel gas in front of the catalyst structure is largely excluded by the short dwell time in the distribution room. However, if liquid fuel with the necessary amount of air is injected into the space in front of the catalytic converter, liquid droplets form which absorb radiant heat due to the large emission factor. This heat absorption leads to evaporation, so that the fuel / air mixture is largely gaseous in the catalyst.

Wird Wärme bei einer erhöhten Temperatur der Kühlplatten abgeführt (z. Bsp. 600 °C bei thermoelektrischen Wandlern oder chemischen Reaktionen), kann es eventuell notwendig sein, das Brenngas seitlich in den Verteilerraum (2) zu zuführen und durch den Einsatz eines zusätzlichen IR-durchlässigen Filters vor der Kühlplatte (4) ein Aufheizen des Frischgases zu verhindern. Die Anordnung entspricht dann dem analogen Aufbau vor der zweiten Kühlplatte.If heat is dissipated at an elevated temperature in the cooling plates (e.g. 600 ° C for thermoelectric converters or chemical reactions), it may be necessary to supply the fuel gas to the side of the distribution space (2) and use an additional IR permeable filter in front of the cooling plate (4) to prevent heating of the fresh gas. The arrangement then corresponds to the analog structure in front of the second cooling plate.

Für einige Brennstoffe (z. B. Erdgas, Propan) ist ein vorgeheizter Katalysator für einen Reaktionsstart notwendig. Dies ist zum einen durch eine elektrische Beheizung möglich, besonders vorteilhaft ist es jedoch, den Brennstoff durch eine Startflamme zu verbrennen und dadurch die Katalysatoren zu erwärmen. Dabei wird in der vorgestellten Ausgestaltung die Flamme oberhalb des Katalysators auf dessen Stirnseite durch eine Zündelektrode (8) gestartet. Die Flamme bewirkt eine Erwärmung des ersten Katalysators (3) durch Wärmeleitung und des Abgaskatalysators (6) durch Konvektion. Besitzt der Katalysator (3) eine ausreichende Temperatur für eine katalytische Umsetzung, findet die Reaktion zunehmend im Katalysator (ohne Flammenbildung) statt. Die Flamme auf der Katalysatorstirnseite erlischt aufgrund des dann auftretenden Brennstoffmangels automatisch.For some fuels (e.g. natural gas, propane), a preheated catalyst is required to start the reaction. This is possible on the one hand by means of electrical heating, but it is particularly advantageous to burn the fuel by means of a starting flame and thereby heat the catalysts. In the embodiment presented, the flame is started above the catalytic converter on its end face by an ignition electrode (8). The flame heats the first catalytic converter (3) by heat conduction and the exhaust gas catalytic converter (6) by convection. If the catalyst (3) has a sufficient temperature for a catalytic reaction, the reaction takes place increasingly in the catalyst (without flame formation). The flame on the front of the catalytic converter goes out automatically due to the lack of fuel.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit zeigt Abbildung 2.
Durch die Zuführung (1) wird Brennstoff/Luft-Gemisch einem Verteilerraum (22) zugeführt. Verteilerraum und Kühl/Verteilerplatte (4) sind so ausgestaltet, daß eine gleichmäßige Durchströmung in den Raum (2) zwischen Kühl/Verteilerplatte (4) und Katalysator (3) erreicht wird. In dem Katalysator (3) wird das Brennstoff/Luft-Gemisch aufgrund der größeren Katalysatorlänge vollständig umgesetzt. Die entstehende Reaktionswärme wird zum einen an das Reaktionsgas aber zu einem großen Teil durch Strahlung abgegeben. Aus dem Inneren des Katalysators wird die Strahlung in Kanalrichtung abgeführt. Für diese spezielle Ausgestaltung des Brenners ist somit ein Wabenkatalysator von Vorteil, da eine unregelmäßige Struktur einen Wärmeaustrag durch Strahlung vom Inneren des Katalysators nach außen beieinträch tigt. Die Emissionszahl solcher Kanalstrukturen ist größer als die des Wandmaterials, so daß auch aus längeren Wabenkatalysatoren effektiv Wärme durch Strahlung ausgekoppelt werden kann. Der Hauptteil der Strahlung wird entgegen der Strömungsrichtung an die Kühl-/Verteilerplatte (4) abgegeben. Für die Anwendung des Brenners in einem Heizkessel wird die Platte (4) mit Wasser aus dem Heizkreislauf durchflossen. Dadurch ist ein guter Wärmeübergang aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen Reaktionsort und Kühl-/Verteilerplatte gewährleistet. Der Brenner ermöglicht auch eine Strahlungswärmeabgabe in Strömungsrichtung. Dieser Anteil ist aber deutlich geringer.Another design option is shown in Figure 2.
The fuel / air mixture is fed to a distributor space (22) through the feed (1). The distributor space and the cooling / distributor plate (4) are designed in such a way that a uniform flow into the space (2) between the cooling / distributor plate (4) and the catalyst (3) is achieved. The fuel / air mixture is completely converted in the catalyst (3) due to the longer catalyst length. The resulting heat of reaction is released to the reaction gas but largely by radiation. The radiation in the channel direction is removed from the interior of the catalytic converter. A honeycomb catalytic converter is therefore advantageous for this special design of the burner, since an irregular structure interferes with heat being emitted by radiation from the inside of the catalytic converter to the outside does. The emission number of such channel structures is greater than that of the wall material, so that heat can be effectively extracted by radiation even from longer honeycomb catalysts. Most of the radiation is emitted to the cooling / distribution plate (4) against the direction of flow. To use the burner in a boiler, the plate (4) is flowed through with water from the heating circuit. This ensures good heat transfer due to the high temperature difference between the reaction site and the cooling / distribution plate. The burner also enables radiant heat to be emitted in the direction of flow. However, this proportion is significantly lower.

In der oben gezeigten Ausgestaltung wird der Startvorgang durch eine Flamme im Raum (2a) zur Erwärmung des Katalysators (3) eingeleitet, dann kann auf bzw. vor den Katalysator eine Brennerplatte (9) mit Löchern zum Passieren des teilverbrannten Brenngases vorgesehen sein. Die Flamme wird durch die Zündelektrode (8) gezündet und durch einen geeigneten Flammendetektor (11) überwacht. Bei Erreichung einer ausreichenden Katalysatortemperatur wird für eine kurze Zeit die Brennstoff/Luftzufuhr unterbrochen. Daraufhin erlischt sofort die Flammenreaktion. Dies ist durch den Flammendetektor nachzuweisen. Nach dem Flammenerlöschen kann die Brennstoff/Luftzufuhr wieder geöffnet werden. Die katalytische Reaktion beginnt ohne Ausbildung einer Flamme sofort, und die Startgasemissionen sind durch diese Art des Startens sehr gering. Diese Startphase kann auch bei den anderen Vorrichtungen nach Abb. 1 bzw. 3 verwendet werden, wenn dies die Ausgestaltung des Katalysators zuläßt. Die Erwärmung mittels Flamme kann auch im Raum (2) stattfinden, dann muß die Zündelektrode (8) und der Flammendetektor (11) ebenfalls in diesem Raum angeordnet sein. Die Brennerplatte kann dann, sofern sie für nötig erachtet wird, auf der Kühlerplatte (4a) angeordnet sein bzw. gemäß Abb. 2 auf oder vor der Verteilerplatte (4a). Statt der Vorwärmung mittels einer Flamme kann auch eine elektrische Heizung zur Vorwärmung des Brenngases vorgesehen sein, die dann abgeschaltet wird, sobald der Katalysator seine Idealtemperatur erreicht hat. In diesem Fall würde dann der Katalysator (3) mit einer Temperaturregelung versehen sein, die die elektrische Heizung, die in den Abbildungen nicht dargestellt ist, entsprechend regelt. Die Heizung konnte in dem Zuführungsrohr (1) oder im Verteilerraum (2) angeordnet sein.In the configuration shown above, the starting process is initiated by a flame in the room (2a) for heating the catalyst (3), then a burner plate (9) with holes for passing the partially burned fuel gas can be provided on or in front of the catalyst. The flame is ignited by the ignition electrode (8) and monitored by a suitable flame detector (11). When a sufficient catalyst temperature is reached, the fuel / air supply is interrupted for a short time. The flame reaction then goes out immediately. This has to be proven by the flame detector. After the flame has been extinguished, the fuel / air supply can be opened again. The catalytic reaction starts immediately without the formation of a flame, and the starting gas emissions are very low due to this type of starting. This starting phase can also be used in the other devices according to FIGS. 1 and 3, if this allows the design of the catalyst. Heating by flame can also take place in room (2), then the ignition electrode (8) and the flame detector (11) must also be arranged in this room. If necessary, the burner plate can then be arranged on the cooler plate (4a) or, as shown in Fig. 2, on or in front of the distributor plate (4a). Instead of preheating by means of a flame, an electric heater for preheating the fuel gas can also be provided, which is then switched off as soon as the catalytic converter has reached its ideal temperature. In this case, the catalytic converter (3) would then be provided with a temperature control which regulates the electrical heating, which is not shown in the figures, accordingly. The heating could be arranged in the feed pipe (1) or in the distribution space (2).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 3.Another embodiment is shown in Fig. 3.

Dieses Ausführungsbeispiel dient dazu den modularen Aufbau für die Anwendung in einem Heizkessel zu verdeutlichen. Dabei sind zwei Module aneinander gekoppelt. Für die experimentell ermittelten Leistungsdichten ergibt sich für einen Katalysatordurchmesser von 30 cm bei zwei Modulen eine Gesamtleistung von etwa 20 kW.This embodiment serves to illustrate the modular structure for use in a boiler. Two modules are linked together. For the experimentally determined power densities, for a catalyst diameter of 30 cm with two modules, the total power is about 20 kW.

Dem Abgaskatalysator nachgeschaltet ist ein in den Abbildungen nicht dargestellter Abgaswärmetauscher zur Erzielung eines möglichst weitgehenden Brennwerteffektes.Downstream of the exhaust gas catalytic converter is an exhaust gas heat exchanger, not shown in the figures, in order to achieve the greatest possible calorific value effect.

Weitere AspekteOther aspects

Der Erfindung - und damit den entsprechenden Vorrichtungen - liegen folgende Prinzipien zugrunde:

  • 1. Vollständiger oder weitestgehender Brennstoffumsatz an einer gasdurchlässigen Katalysatorstruktur
  • 2. Wärmeabfuhr über eine oder beide Stirnseiten der Katalysatorstruktur durch Strahlung.
Hieraus folgt, daß derTemperaturgradient über die Struktur gering und das Temperaturniveau in der Struktur über die Eigenschaften der Wärmesenke und der Brennstoffbelastung einstellbar ist.The invention - and thus the corresponding devices - are based on the following principles:
  • 1. Complete or extensive fuel conversion on a gas-permeable catalyst structure
  • 2. Heat dissipation via one or both end faces of the catalyst structure by radiation.
It follows that the temperature gradient across the structure is small and the temperature level in the structure is adjustable via the properties of the heat sink and the fuel load.

Ermöglicht wird hierdurch eine gute Leistungsmodulation, da die Wärmeabgabe über Strahlung dem T4-Gesetz gehorcht. Eine Überhitzung wird vermieden, da bei höheren Temperaturen die Wärmeabgabe überproportional ansteigt. Ein zu starkes Abkühlen bei niedriger Leistung wird ebenso vermieden. Die Struktur bleibt daher ausreichend warm.
Je nach Dicke des Katalysators und der Kanalgeometrie sowie der Brennstoffbelastung kann vollständiger oder teilweiser Umsatz eingestellt werden. Bei unvollständigem Ausbrand im Katalysator ist ein nachgeschalteter Abgaskatalysator notwendig.This enables good power modulation, since the heat given off by radiation obeys the T 4 law. Overheating is avoided since the heat output increases disproportionately at higher temperatures. Excessive cooling at low power is also avoided. The structure therefore remains sufficiently warm.
Depending on the thickness of the catalytic converter and the channel geometry as well as the fuel load, complete or partial conversion can be set. If the catalytic converter is not fully burned out, a downstream catalytic converter is necessary.

Um die Betriebstemperatur im Abgaskatalysator sicherzustellen, darf das Gas nicht zu kalt in den Abgaskatalysator einströmen. Dies kann bedeuten, daß ein Abkühlen des Gasstromes durch Konvektion an der oberen Kühlplatte eingeschränkt werden muß. Eine mögliche Ausgestaltung kann durch ein IR-strahlungsdurchlässiges Glasfenster erreicht werden, das vor der Kühlplatte angeordnet ist.To ensure the operating temperature in the catalytic converter, the gas must not flow into the catalytic converter too cold. This can mean that cooling of the gas stream must be restricted by convection on the upper cooling plate. A possible embodiment can be achieved by an IR radiation-permeable glass window which is arranged in front of the cooling plate.

Ausgestaltung des KatalysatorsDesign of the catalyst

Die Katalysatorstruktur kann zum Beispiel eine Wabe oder ein Schaum sein, wobei der Katalysatorträger aus Keramik oder Metall sein kann. Das katalytisch aktive Material ist abhängig vom Prozeß und ist vorteilhafterweise zum Beispiel Platin.The catalyst structure can be, for example, a honeycomb or a foam, and the catalyst support can be made of ceramic or metal. The catalytically active material depends on the process and is advantageously, for example, platinum.

BrennerausgestaltungBurner design

Zum Starten der katalytischen Reaktion mit fossilen Brennstoffen muß vorgeheizt werden.Um die Katalysatorstruktur vorzuheizen, bietet es sich an, entweder die Kühl-/Verteilerplatte (4) oder die obere Stirnseite (3b) des Katalysators (3) als Brennerblech für eine Flammenreaktion aufzufassen. Die Zündung erfolgt durch eine geeignet installierte Zündelektrode (8). Durch die Flammenreaktion heizt sich die Katalysatorstruktur soweit auf, daß die katalytische Reaktion erfolgen kann.Preheating is required to start the catalytic reaction with fossil fuels. To preheat the catalyst structure, it is advisable to consider either the cooling / distributor plate (4) or the upper end face (3b) of the catalyst (3) as a burner plate for a flame reaction. The ignition is carried out by a suitably installed ignition electrode (8). The flame reaction heats up the catalyst structure to such an extent that the catalytic reaction can take place.

Alternativ kann der Katalysator auch durch eine elektrische Beheizung auf die Reaktionstemperatur gebracht werden. Als weitere Möglichkeit bietet sich die Vorwärmung der Luft bzw. des Brennstoff/Luftgemisches an.Alternatively, the catalyst can also be brought to the reaction temperature by electrical heating. Preheating the air or the fuel / air mixture is another option.

Die Einströmung des Brennstoff/Luftgemisches kann - wie in den Abbildungen ausgeführt - sowohl von unten als auch von der Seite erfolgen. Ein gleichmäßiges Anströmen der Katalysatorstruktur ist zu gewährleisten.The inflow of the fuel / air mixture can - as shown in the figures - take place both from below and from the side. A steady flow against the catalyst structure must be ensured.

Durch die Ausgestaltung der Seitenwände (gekühlt, verspiegelt etc.) kann die Wärmeabfuhr weiter beeinflußt werden.The heat dissipation can be further influenced by the design of the side walls (cooled, mirrored, etc.).

KühlplattenausgestaltungCold plate design

Die Kühlplatten sind mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen.
Der Strahlungsübergang ist dabei sowohl von der Temperatur als auch von der Beschichtung der Kühlplatten abhängig und bei den entsprechenden Brennstoffen durch Wahl der Beschichtung optimierbar.The cooling plates are provided with a radiation-absorbing layer.
The radiation transition is dependent both on the temperature and on the coating of the cooling plates and can be optimized for the corresponding fuels by selecting the coating.

Neben der Anwendung zur Warmwasserbereitung ist als Kühlplatte auch eine endotherme chemische Reaktion (z.B. Crackreaktionen, Vergasung, Reformierung) oder zum Beispiel ein thermoelektrischer Wandler einsetzbar.In addition to the application for hot water preparation, an endothermic chemical reaction (e.g. cracking reactions, gasification, reforming) or, for example, a thermoelectric converter can also be used as a cooling plate.

Die Kühlplattentemperatur ist so zu begrenzen, daß eine Überhitzung der Katalysatorstruktur bei gegebener Leistungsdichte und Materialauswahl vermieden wird.The cooling plate temperature must be limited in such a way that overheating of the catalyst structure is avoided with a given power density and material selection.

Auch sind infolge der erhöhten Kühlplattentemperatur von etwa 100° Möglichkeiten zur Luftvorwarmung oder Verdampfung eines flüssigen Brennstoffes gegeben.Due to the increased cooling plate temperature of approximately 100 °, there are also possibilities for air preheating or vaporization of a liquid fuel.

BrennstoffauswahlFuel selection

Das Konzept ist einsetzbar für alle brennbaren Gase aber auch zur Umsetzung flüssiger Brennstoffe, wobei die Verwendung der Kühlplatten zur Verdampfung flüssiger Brennstoffe (Öl, Diesel, Methanol) besonders vorteilhaft ist.The concept can be used for all flammable gases but also for the conversion of liquid fuels, the use of the cooling plates for the evaporation of liquid fuels (oil, diesel, methanol) being particularly advantageous.

Aber auch der Raum unterhalb des Katalysators kann als Verdampfungsraum genutzt werden, da die Strahlungsabsorption durch Flüssigkeitströpfchen relativ gut ist (im Vergleich zur reinen Gasphase).But the space below the catalyst can also be used as an evaporation space, since the radiation absorption by liquid droplets is relatively good (compared to the pure gas phase).

Sicherheit / Überwachung der katalytischen ReaktionSafety / monitoring of the catalytic reaction

Die katalytische Reaktion kann durch eine Temperaturkontrolle überwacht werden.The catalytic reaction can be monitored by a temperature control.

Bei fehlerhaftem Katalysebetrieb entstehen größere Brenngaskonzentrationen, die durch die Zündung einer Flamme umgesetzt werden können, so daß ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.If the catalytic converter is operated incorrectly, larger concentrations of fuel gas are produced, which can be implemented by igniting a flame, so that safe operation is ensured.

Möglicher Aufbau für einen HeizkesselPossible construction for a boiler

Da gemäß Abb. 3 ein modularer Aufbau eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, sind Heizkessel verschiedener Leistungsstufen einfach und preiswert herzustellen.Since a modular structure according to Fig. 3 is an advantageous embodiment of the invention, boilers of different power levels are easy and inexpensive to manufacture.

Claims (9)

Katalytischer Brenner mit Brennmittel- und Luftzuführeinrichtungen (1) mit mindestens einem Katalysator (3) und kühlmitteldurchflossenen Wandteilen (4, 5),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeübertragung des ersten Katalysators (3) auf die Wandteile (4, 5) im wesentlichen durch Strahlung erfolgt.Catalytic burner with fuel and air supply devices (1) with at least one catalyst (3) and wall parts (4, 5) through which coolant flows,
characterized by
that the heat transfer from the first catalyst (3) to the wall parts (4, 5) takes place essentially by radiation. Katalytischer Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit Kühlmittel durchflossenen Wandteile (4 ) von dem ersten Katalysator (3) durch einen mit einem Brennmittel/Luftgemisch durchströmten Raum (2) getrennt sind, und die Stromung des Brennmittel/Luftgemisches in Richtung des Katalysators erfolgt.Catalytic burner according to claim 1,
characterized by
that the wall parts (4) through which coolant flows are separated from the first catalyst (3) by a space (2) through which a fuel / air mixture flows, and the flow of the fuel / air mixture takes place in the direction of the catalyst. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandteile (5) von dem ersten Katalysator (3) durch einen mit einem teilverbrannten Brennmittel/Luftgemisch durchströmten Raum (2a) getrennt sind und die Strömung des Brennmittel/Luftgemisches im wesentlichen nicht auf das Wandteil (5) gerichtet ist.Catalytic burner according to one of claims 1-2,
characterized by
that the wall parts (5) are separated from the first catalytic converter (3) by a space (2a) through which a partially burned fuel / air mixture flows and that the flow of the fuel / air mixture is essentially not directed onto the wall part (5). Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens teilweise vor den Wandteilen (4, 5) eine strahlungsdurchlässige Glasschicht (7) vorgesehen ist.Catalytic burner according to one of claims 1-3,
characterized by
that a radiation-permeable glass layer (7) is provided at least partially in front of the wall parts (4, 5). Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Brennerplatte (9) mit Zündelektrode (8) und Flammendetektor (11) oder eine elektrische Heizung zur Vorwärmung des Katalysators vorgesehen sind.Catalytic burner according to one of claims 1-2,
characterized by
that a burner plate (9) with ignition electrode (8) and flame detector (11) or an electric heater for preheating the catalyst are provided. Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein zweiter Katalysator (6) in Strömungsrichtung hinter dem ersten Katalysator (3) vorgesehen ist.Catalytic burner according to one of claims 1-5,
characterized by
that in addition a second catalytic converter (6) is provided downstream of the first catalytic converter (3). Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brenngas seitlich oder durch Öffnungen in den Wandteilen (4) in den Raum (2) zugeführt wird.Catalytic burner according to one of claims 1-6,
characterized by
that the fuel gas is supplied laterally or through openings in the wall parts (4) in the room (2). Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Flammendetektor (11) in der Nähe der Brennerplatte (9) vorgesehen ist.Catalytic burner according to one of claims 1-7,
characterized by
that a flame detector (11) is provided in the vicinity of the burner plate (9). Katalytischer Brenner nach einem der Ansprüche 1 - 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Katalysator (3) eine Waben- oder Schaumstruktur hat.Catalytic burner according to one of claims 1-8,
characterized by
that the catalyst (3) has a honeycomb or foam structure.
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