EP0990104A1 - Katalytischer brenner - Google Patents

Katalytischer brenner

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Publication number
EP0990104A1
EP0990104A1 EP98936347A EP98936347A EP0990104A1 EP 0990104 A1 EP0990104 A1 EP 0990104A1 EP 98936347 A EP98936347 A EP 98936347A EP 98936347 A EP98936347 A EP 98936347A EP 0990104 A1 EP0990104 A1 EP 0990104A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
burner according
projections
parts
wall part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98936347A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uli RÖLTGEN
Alexander Schuler
Herwig Kanal
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP0990104A1 publication Critical patent/EP0990104A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion

Definitions

  • the invention relates to a catalytic burner according to the preamble of claim 1.
  • DE 43 17 554 AI 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 to 80% depending on the load. It proves to be unfavorable that the conversion in the first stage decreases with increasing load, so that the honeycomb catalytic converter has to achieve a disproportionate amount of conversion with increasing fuel gas load in order to completely ensure fire. This can lead to material loads in the second stage.
  • 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 of the overall burner.
  • reaction density at the catalytically active zone must be sufficiently high to implement a compact and powerful burner, but the reaction temperature must be kept at a level which is suitable for the material by suitable mass transfer or heat transfer conditions.
  • a catalytic burner is also known from JP 4-240 307 A, in which air and a gaseous one
  • Fuel is introduced into a mixing chamber within an aluminum block. Starting from the mixing chamber, several holes that lead to the outside lead through the aluminum block. The holes are on the side facing the mixing chamber Catalyst material filled. The mixed gas flows through it, so that combustion takes place in the catalyst material. The resulting combustion products are led to the outside of the aluminum block ib.
  • the heat of combustion is absorbed by the aluminum block. Since the catalyst material is in direct contact with it, the heat transfer essentially takes place only by heat conduction, but hardly by heat radiation. This makes stable burner operation difficult.
  • the older, unpublished patent application 196 04 263.1 discloses a catalytic burner with fuel and air supply devices with at least one catalyst and coolant-flowed wall parts, in which the heat transfer from the catalyst to the wall parts takes place essentially by radiation.
  • This burner ensures a simple process engineering structure and enables a combustion gas conversion on catalytically active surfaces as well as a high degree of modulation.
  • the fuel / air mixture is passed through the plate-shaped catalyst and largely implemented in it.
  • the catalyst structure is relatively thin, but the catalytic surface is large compared to that of the first stage of the burner according to DE 43 17 554 AI, so that a relatively high conversion can be achieved.
  • the area or volume-related power (power density) is often not sufficient with this burner.
  • the power density can be provided can be increased to a multiple, for example 3 to 5 times the line density of the aforementioned catalytic burner according to patent application 196 04 263.1.
  • the invention enables very high reaction densities to be achieved in the case of strongly exothermic or endothermic catalytic reactions without excessive temperature differences or temperature peaks occurring in the reaction zone and the associated problems (material stability and the like).
  • the power and air ratio can also be easily modulated.
  • Fig. 2 shows the schematic structure of a catalytic burner according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a catalytic burner according to a third
  • a fuel / air mixture indicated by an arrow A is introduced into a space 1 below a cooling / distributor plate 2, which is traversed by channels 3 for conducting a coolant.
  • a cooling / distributor plate 2 which is traversed by channels 3 for conducting a coolant.
  • narrow passages 4 in the form of small bores or slots, the mixture flows evenly distributed into the space between the cooling / distributor plate 2 and a catalyst 5 with a honeycomb structure.
  • the cooling / distributor plate 2 is provided on the side facing the catalytic converter 5 with plate-shaped projections which form pockets in which correspondingly shaped projections of the catalytic converter 5 are received. There is a gap of essentially constant thickness between the respective projections of the cooling / distributor plate 2 and the catalyst 5.
  • the surface of the cooling / distribution plate 2 facing the catalyst 5 is also coated with an infrared radiation-absorbing layer 6.
  • the reaction of the fuel / air mixture takes place within the catalyst 5 with the release of heat instead of. Due to the toothed arrangement of the respective protrusions, the entire surface of the protrusions of the catalyst 5 thus serves as a heat radiation surface and the entire surface of the protrusions of the cooling / distribution plate 2 serves as radiation absorption (absorber) surface. This increases the heat exchange area considerably compared to a flat design. It can dissipate significantly more heat and thereby significantly increase the power density without increasing the temperature level in the catalytic converter.
  • the material of the cooling / distribution plate 2 has good thermal conductivity, its temperature can also be kept very low in the area of the projections. Since the radiation of a body changes with the fourth power of its temperature, the heat dissipation regulates itself over a wide output range due to the radiation exchange between the catalytic converter 5 and the cooling / distributor plate 2, so that the burner has a high modulation in output without overheating.
  • the influence of the temperature of the cooling / distribution plate 2 is extremely small due to the coupling which is dependent on the fourth power of the temperature. Accordingly, a temperature of the cooling / distribution plate 2 in the range of, for example, 100 to 500 ° C. has only a slight influence on the heat output of the catalyst 5 with a temperature of, for example, 900 ° C. Thus, the projections of the cooling / distribution plate can 2 be made relatively narrow, since their heat conduction increases with an increased temperature difference to the cooling medium. ⁇ to to in o in o in in in
  • the projections can thus also run perpendicular to the channels 3 for the coolant.
  • the projections of the cooling / distribution plate 2 can be arranged crosswise, so that a checkerboard pattern results.
  • the catalyst 5 then projects into the cooling structure with individual pins, or the grains of the catalyst bed lie in the corresponding empty spaces of the cooling structure. Conversely, pins emerging from the cooling / distributor plate 2 can protrude into the honeycomb structure of the catalytic converter 5.
  • thermoelectric converters thermophotovoltaic cells or the like, for example, part of the heat generated is converted into electrical current and the rest is dissipated via the coolant flow.

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Abstract

Es wird ein katalytischer Brenner mit Brennmittel- und Luftzuführeinrichtungen sowie mindestens einem Katalysator (5) und wärmeaufnehmenden Wandteile (2) beschrieben, bei welchem die Wärmeübertragung vom Katalysator auf die Wandteile im wesentlichen durch Strahlung erfolgt. Das Wandteil weist Vorsprünge auf, zwischen dem jeweils ein der Kontur der Vorsprünge angepasster Teil des Katalysators aufgenommen ist. Zwischen den Vorsprüngen der Wandteile und den deren Kontur angepassten Teilen des Katalysators ist ein Spalt vorgesehen. Durch diese Ausbildung kann eine sehr grosse Wärmetauscherfläche erzielt werden. Das Wandteil ist vorzugsweise von Kühlmittelkanälen (3) durchzogen.

Description

Katalytischer Brenner
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der DE 43 17 554 AI 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 rest- liehe Reaktionswärme wird an das Reaktionsgas abgegeben. Der Umsatz in der ersten Stufe beträgt je nach Belastung 60 bis 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 Aus- brand sicherzustellen. Dies kann in der zweiten Stufe zu Materialbelastungen führen. 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 sorgfäl- tige verfahrenstechnische Auslegung des Gesamtbrenners .
Bei katalytischen Brennern muß die Reaktionsdichte an der katalytisch aktiven Zone ausreichend hoch sein, um einen kompakten und leistungsfähigen Brenner zu realisieren, wobei jedoch durch geeignete Stofftrans- port- bzw. Wärmetransportbedingungen die Reaktions- temperatur auf einem dem Material zuträglichen Maß gehalten werden muß.
Bei dem Brenner nach DE 43 17 554 AI wird diese Bedingung durch eine Kombination aus einer Begrenzung des Stofftransports (erste Brennerstufe) und Wärmeabgabe über Strahlung und Konvektion erreicht . Diese Verknüpfung erschwert eine verfahrenstechnische Auslegung, die auf eine möglichst hohe Modulationsfähigkeit abzielt.
Aus JP 4-240 307 A ist ebenfalls ein katalytisher Brenner bekannt, bei dem Luft und ein gasförmiger
Brennstoff in eine Mischkammer innerhalb eines Aluminiumblocks eingeleitet werden. Von der Mischkammer ausgehend führen mehrere auf der Außenseite mündende Bohrungen durch den Aluminiumblock. Die Bohrungen sind auf der der Mischkammer zugewandten Seite mit Katalysatormaterial gefüllt. Das Mischgas durchströmt dieses, so daß im Katalysatormaterial eine Verbrennung stattfindet. Die entstehenden Verbrennungsprodukte werden zur Außenseite des Aluminiumblocks ibge- führt .
Die Verbrennungswärme wird vom Aluminiumblock aufgenommen. Da das Katalysatormaterial mit diesem in direktem Kontakt ist, findet der Wärmeübergang im we- sentliehen nur durch Wärmeleitung, dagegen kaum durch Wärmestrahlung statt. Dadurch ist ein stabiler Betrieb des Brenners erschwert .
In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentan- meidung 196 04 263.1 wird ein katalytischer Brenner mit Brennmittel- und Luftzuführeinrichtungen mit mindestens einem Katalysator und kühlmitteldurchflosse- nen Wandteilen offenbart, bei welchem die Wärmeübertragung des Katalysators auf die Wandteile im wesent- liehen durch Strahlung erfolgt. Dieser Brenner gewährleistet einen einfachen verfahrenstechnischen Aufbau und ermöglicht einen Brenngasumsatz an kataly- tisch aktiven Oberflächen sowie einen hohen Modulationsgrad. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird durch den plattenförmigen Katalysator hindurchgeführt und in diesem weitgehend umgesetzt. Die Katalysatorstruktur ist relativ dünn, die katalytische Oberfläche im Vergleich zu der der ersten Stufe des Brenners nach DE 43 17 554 AI jedoch groß, so daß ein relativ hoher Umsatz erzielt werden kann. Jedoch ist auch bei diesem Brenner die flächen- bzw. volumenbezogene Leistung (Leistungsdichte) häufig nicht ausreichend.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen katalytischen Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in der Weise zu verbessern, daß die Leistungsdichte deutlich erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch jdie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen katalytischen Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß zumindest eines der Wandteile Vorsprünge aufweist, zwischen denen jeweils ein der Kontur der Vorsprünge angepaßter Teil des Katalysators aufgenommen ist, und daß zwischen den Vorsprüngen der Wandteile und den deren Kontur angepaßten Teilen des Ka- talysators ein Spalt vorgesehen ist, kann die Leistungsdichte auf ein Mehrfaches, beispielsweise 3 bis 5-faches der Leitungsdichte des vorerwähnten katalytischen Brenners gemäß Patentanmeldung 196 04 263.1 erhöht werden. Dies bedeutet andererseits, daß ein kompakter Brenner mit hoher Leistung geschaffen werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung, daß bei stark exothermen oder endothermen katalytischen Reak- tionen sehr hohe Reaktionsdichten erreicht werden können, ohne daß zu große Temperaturdifferenzen oder Temperaturspitzen in der Reaktionszone und die damit verbundenen Probleme (Materialstabilität und dergleichen) auftreten. Auch ist eine große Modulierbarkeit der Leistung und der Luftzahl gegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau eines katalytischen Brenners nach einem ersten Ausführungsbeispiel ,
Fig. 2 den schematischen Aufbau eines katalytischen Brenners nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 3 den schematischen Aufbau eines kataly- tischen Brenners nach einem dritten
Ausführungsbeispiel .
Bei dem katalytischen Brenner nach Fig. 1 wird ein durch einen Pfeil A angedeutetes Brennstoff/Luft-Ge- misch in einen Raum 1 unterhalb einer Kühl/Verteiler- Platte 2 eingeführt, die von Kanälen 3 zur Leitung eines Kühlmittels durchzogen ist . Durch enge Durchlässe 4 in Form kleiner Bohrungen oder Schlitze strömt das Gemisch gleichmäßig verteilt in den Raum zwischen der Kühl/Verteiler-Platte 2 und einem Katalysator 5 mit Wabenstruktur.
Die Kühl/Verteiler-Platte 2 ist auf der dem Katalysator 5 zugewandten Seite mit plattenförmigen Vorsprün- gen versehen, welche Taschen bilden, in denen entsprechend geformte Vorsprünge des Katalysators 5 aufgenommen sind. Zwischen den jeweiligen VorSprüngen der Kühl/Verteiler-Platte 2 und des Katalysators 5 befindet sich ein Spalt von im wesentlichen konstan- ter Dicke. Die dem Katalysator 5 zugewandte Oberfläche der Kühl/Verteiler-Platte 2 ist zudem mit einer infrarotstrahlungsabsorbierenden Schicht 6 überzogen.
Innerhalb des Katalysators 5 findet die Reaktion des Brennstoff/Luft-Gemisches unter Freisetzung von Wärme statt. Durch die verzahnte Anordnung der jeweiligen Vorsprünge dient somit die gesamte Fläche der Vorsprünge des Katalysators 5 als Wärmeabstrahlungsflache und die gesamte Fläche der Vorsprünge der Kühl/- Verteiler-Platte 2 dient als Strahlungsaufnähme (Absorber) -Fläche . Dadurch wird die Wärmeaustauschfläche im Vergleich zu einer flachen Bauweise beträchtlich erhöht. Es kann damit deutlich mehr Wärme abgeführt und hierdurch die Leistungsdichte deutlich erhöht werden, ohne daß sich das Temperaturniveau im Katalysator erhöht .
Besitzt das Material der Kühl/Verteiler-Platte 2 eine gute Wärmeleitfähigkeit, kann ihre Temperatur auch im Bereich der Vorsprünge sehr niedrig gehalten werden. Da sich die Abstrahlung eines Körpers mit der vierten Potenz seiner Temperatur ändert, reguliert sich aufgrund des Strahlungsaustausches zwischen dem Katalysator 5 und der Kühl/Verteiler-Platte 2 die Wärmeab- führung in einem weiten Leistungsbereich selbst, so daß der Brenner in der Leistung stark moduliert werden kann, ohne daß eine Überhitzung auftritt.
Darüber hinaus ist der Einfluß der Temperatur der Kühl/Verteiler-Platte 2 aufgrund der von der vierten Potenz der Temperatur abhängigen Kopplung äußerst gering. Dementsprechend hat eine Temperatur der Kühl/Verteiler-Platte 2 im Bereich von zum Beispiel 100 bis 500° C nur einen geringen Einfluß auf den Wärmeaustrag des Katalysators 5 mit einer Temperatur von beispielsweise 900° C. Somit können die Vorsprünge der Kühl/Verteiler-Platte 2 relativ schmal ausgebildet sein, da ihre Wärmeleitung bei erhöhter Temperaturdifferenz zum Kühlmedium zunimmt. ι to to in o in o in in
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Es sind weitere Ausbildungen möglich. So können die Vorsprünge auch senkrecht zu den Kanälen 3 für das Kühlmittel verlaufen. Die Vorsprünge der Kühl/Verteiler-Platte 2 können kreuzweise angeordnet sein, so daß sich ein Schachbrettmuster ergibt. Der Katalysator 5 ragt dann mit einzelnen Stiften in die Kühl- struktur bzw. die Körner der Katalysatorschüttung liegen in den entsprechenden Leerräumen der Kühl- struktur. Umgekehrt können von der Kühl/Verteiler- Platte 2 abgehende Stifte in die Wabenstruktur des Katalysators 5 hineinragen.
Auch muß die Kühlung des die Verbrennung bewirkenden Katalysators 5 nicht zwingend durch einen Kühlmittel - ström erfolgen. Endotherme Reaktionen, die zum Beispiel in den Kanälen 3 ablaufen, können ebenfalls als Wärmesenke genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Dampfreformierung von Methanol im Temperaturbereich von ca. 230 bis 300° C.
Belegt man die Vorsprünge der Kühl/Verteiler-Platte 2 beispielsweise mit thermoelektrischen Wandlern, Ther- mophotovoltaikzellen oder dergleichen, so wird ein Teil der erzeugten Wärme in elektrischen Strom umge- wandelt und der Rest wird über den Kühlmittelström abgeführt .

Claims

Patentansprüche
1. Katalytischer Brenner mit Brennmittel- und Luftzuführeinrichtungen sowie mindestens einem ata- lysator (5) und wärmeaufnehmenden Wandteilen
(2) , wobei die Wärmeübertragung vom Katalysator (5) auf die Wandteile (2) im wesentlichen durch Strahlung erfolgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest eines der Wandteile (2) Vorsprünge aufweist, zwischen denen jeweils ein der Kontur der Vorsprünge angepaßter Teil des Katalysators (5) aufgenommen ist, und daß zwischen den Vorsprüngen der Wandteile (2) und den deren Kontur angepaßten Teilen des Katalysators (5) ein Spalt vorgesehen ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile (2) Kühlmittelkanäle (3) auf- weisen.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Vorsprüngen des Wandteils (2) aufgenommenen Teile des Katalysa- tors (5) durch einen quer zu diesen verlaufenden
Teil des Katalysators (5) miteinander verbunder. sind.
4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekenn- zeichnet, daß die zwischen den Vorsprüngen des
Wandteils (2) aufgenommenen Katalysatorteile (5) getrennte Segmente sind.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, daß das Wandteil (2) als Platte mit auf einer Seite angeordneten, zwischen die Teile des Katalysators (5) ragenden Vorsprüngen ausgebildet und mit Durchlässen (4) für ein auf der den Vorsprüngen entgegengesetz- ten Seite der Platte zugeführtes Brennstoff/-
Luft-Gemisch versehen ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (4) enge Kanäle zur gleichmä- ßigen Verteilung des Brennstoff/Luft-Gemisches sind.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Wand- teils (2) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Katalysator
(5) zugewandte Oberfläche des Wandteils (2) mit einer infrarotStrahlungsabsorbierenden Schicht
(6) überzogen ist.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündvorrichtung (7) zum Entflammen des in den Katalysator (5) eintretenden oder aus dem Katalysator (5) austretenden Brennstoff/Luft-Gemisches für die Vorwärmung des Katalysators (5) vorgesehen ist.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysator (5) im Strömungspfad des Brennstoff/Luft-Gemisches ein weiterer Katalysator (8) nachgeschaltet ist.
11. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (7) zwischen dem Wandteil (2) und dem Katalysator (5) angeordnet ist.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (5) als Wabenkatalysator ausgebildet ist.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (5) als Schüttkatalysator ausgebildet ist.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da- durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge des
Wandteils (2) plattenförmig sind.
15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge des Wandteils (2) stiftförmig sind.
16. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Vorsprüngen des Wandteils (2) aufgenommene Teil des Katalysators (5] zumindest teilweise als nichtkatalytischer
Strahlungsbrenner ausgebildet ist.
EP98936347A 1997-06-18 1998-06-17 Katalytischer brenner Withdrawn EP0990104A1 (de)

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DE19726645 1997-06-18
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PCT/EP1998/003607 WO1998058208A1 (de) 1997-06-18 1998-06-17 Katalytischer brenner

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