Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zum Verbrennen eines Teils eines den
Katalysator durchströmenden, gasförmigen Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere
für einen Brenner einer Kraftwerksanlage, mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der US 5,346,389, der US 5,202,303 und der US 5,437,099 sind Katalysatoren
der eingangs genannten Art bekannt, die jeweils mehrere katalytisch aktive
Kanäle und mehrere katalytisch inaktive Kanäle aufweisen. Die bekannten Katalysatoren
werden mit Hilfe von zick-zack-förmig gewellten oder gefalteten Blechen
hergestellt, die durch spiralförmiges Aufwickeln oder durch Hin- und Herfalten geschichtet
werden. Die Wellen bzw. Falten bilden dann die Kanäle des Katalysators.
Eine Seite des jeweiligen Blechs ist mit Hilfe einer Katalysatorbeschichtung
katalytisch aktiv ausgebildet. Durch die Schichtung werden somit die katalytisch
aktiven Kanäle und die katalytisch inaktiven Kanäle erzeugt. Dabei ist es möglich,
die Katalysatorbeschichtung quer zur Hauptdurchströmungsrichtung streifenförmig
auf dem Blech anzuordnen, so dass in der Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators
zwischen zwei beschichteten Streifen ein unbeschichteter Streifen angeordnet
ist. In den katalytisch aktiven Kanälen erfolgt in den beschichteten Bereichen
die Umsetzung bzw. Verbrennung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs. In
den unbeschichteten Bereichen bzw. in den katalytisch inaktiven Kanälen erfolgt
im wesentlichen keine Umsetzung bzw. Verbrennung des Gemischs, so dass dieser
Teil der Gemischströmung zum Abtransport von Wärme, also zur Kühlung des
Katalysators genutzt werden kann.
Aus der US 4,154,568 ist ein Katalysator einer grundsätzlich anderen Bauart bekannt,
der mit mehreren, in der Hauptdurchströmungsrichtung hintereinander angeordneten
Monolithblöcken ausgestattet ist. Die Monolithblöcke enthalten Kanäle,
die alle katalytisch aktiv sind und parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung
verlaufen. Die Kanäle eines stromab angeordneten Monolithblocks besitzen einen
kleineren Durchströmungsquerschnitt als die des stromauf angeordneten Monolithblocks.
Hierdurch soll eine vollständige Verbrennung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs
innerhalb des Katalysators erreicht werden, während bei den gattungsgemäßen
Katalysatoren lediglich ein Teil des Gasgemischs verbrannt werden soll.
Die Verbrennung von mageren Erdgas-Luft-Mischungen, z.B. mit λ=2, auf der Basis
von Palladium- oder Platin-Katalysatormaterialien benötigt Temperaturen von
etwa 500°C. Bei speziellen Katalysatormaterialien kann die Zündtemperatur auf
450°C oder weniger gesenkt werden. Bei der Zündung ist die Verbrennungsreaktion
kinetisch begrenzt. Eine Erhöhung der katalytischen Aktivität des Katalysators
führt jedoch nach dem Zünden der Verbrennungsreaktion zu sehr hohen Temperaturen,
die für einen dauerhaften Betrieb des Katalysators ungeeignet sind. Dementsprechend
wird bei den bekannten Katalysatoren lediglich ein Teil des Gemischs
verbrannt. Der restliche Brennstoff soll stromab des Katalysators z.B. in
einer geeigneten Brennkammer durch eine homogene Verbrennung konvertiert
werden. Falls jedoch das Brennstoff-Oxidator-Gemisch bereits innerhalb des Katalysators
zu heiß wird, kann auch dort die homogene Verbrennung innerhalb der
Kanäle starten, wodurch der Katalysator zerstört wird.
Durch die einseitige Beschichtung mit Katalysatormaterial und durch eine entsprechende
Stapelung oder Schichtung der zur Ausbildung des Katalysators verwendeten
Bleche läßt sich ein Katalysatoraufbau erzielen, bei dem etwa die Hälfte aller
Kanäle vollständig katalytisch beschichtet ist, während die andere Hälfte der
Kanäle unbeschichtet ist. Hierdurch kann der Temperaturanstieg im Katalysator
effektiv reduziert werden, da die Verbrennung des Gemischs im Katalysator auf
die katalytisch aktiven Kanäle und daher auf etwa 50% begrenzt wird. Während
aus den katalytisch aktiven Kanälen somit nahezu kein Brennstoff austritt, strömt
aus den katalytisch inaktiven Kanälen nahezu unverändertes Gemisch aus. Hierdurch
ergibt sich eine hohe Schwankung der Brennstoffkonzentration am Katalysatoraustritt.
Falls es zu einer Verbrennung des restlichen Brennstoffs kommt, bevor
die aus den katalytisch aktiven Kanälen und aus den katalytisch inaktiven Kanälen
austretenden Teilströme vollständig miteinander vermischt sind, kann es zur
Ausbildung von Temperaturspitzen in Verbindung mit der unerwünschten Produktion
von NOx kommen. Desweiteren kann die Grenzschichtdicke entlang der Kanallänge
zunehmen, so dass die Konversion des Gemischs nur langsam erfolgt.
Bei einem Katalysator mit katalytisch aktiven Kanälen und katalytisch inaktiven
Kanälen kann die Katalysatortemperatur bzw. die Austrittstemperatur des Gasgemischs
so niedrig eingestellt werden, dass der Katalysator eine hinreichende
Stabilität besitzt. Um stromab des Katalysators, z.B. in einer Brennkammer, eine
homogene Verbrennung, wie sie beispielsweise zur Erzeugung von Heißgasen
zum Betrieb einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage erforderlich ist, thermisch
stabilisieren zu können, sind jedoch relativ hohe Temperaturen erforderlich.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Katalysator der
eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben.
Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Katalysator in der
Hauptdurchströmungsrichtung in wenigstens zwei hintereinander angeordnete
Sektoren zu unterteilen, wobei diese Sektoren gemäß einer ersten Variante hinsichtlich
ihrer Durchströmungswiderstände so ausgebildet sind, dass ein die Anströmseite
des Katalysators aufweisender Einlaßsektor einen kleineren Durchströmungswiderstand
besitzt als der oder die nachfolgenden Sektoren. Durch den
reduzierten Druckverlust im Einlaßsektor kann der Gesamtdruckverlust des Katalysators
gesenkt werden. Insgesamt kann dadurch der Katalysator kürzer gebaut
werden.
Gemäß einer zweiten Variante können die Sektoren des Katalysators so ausgebildet
sein, dass der Einlaßsektor eine höhere katalytische Aktivität aufweist als
der oder die nachfolgenden Sektoren. Durch diese Maßnahme ergeben sich im
Einlaßsektor erhöhte Umwandlungsraten für das Brennstoff-Oxidator-Gemisch,
wodurch höhere Temperaturen erreicht werden und die katalytischen Reaktionen
in nachfolgenden Sektoren auch bei einer reduzierten katalytischen Aktivität in
ausreichendem Maße ablaufen können.
Gemäß einer dritten Variante kann stromab des Einlaßsektors ein Mischsektor
angeordnet sein, dessen Kanäle quer zur Hauptdurchströmungsrichtung Löcher
aufweisen, durch die benachbarte Kanäle miteinander kommunizieren und somit
einen Gas- oder Stoffaustausch zwischen den Kanälen ermöglichen. Durch diese
Bauweise kann im Mischsektor eine Vermischung des in den katalytisch aktiven
Kanälen strömenden heißen Verbrennungsabgases mit dem in den katalytisch
inaktiven Kanälen strömenden, relativ kalten, unverbrannten Brennstoff-Oxidator-Gemisch
erfolgen. Hierdurch kann innerhalb des Katalysators der Konversionsgrad,
insbesondere über 50 %, erhöht werden. Des weiteren können durch diese
Maßnahme Konzentrationsgradienten am Katalysatorauslass reduziert werden.
Temperaturspitzen und die Schadstoffbildung, insbesondere die NOx-Bildung,
können dadurch reduziert werden.
Gemäß einer vierten Variante kann ein die Abströmseite des Katalysators aufweisender
Auslaßsektor als Drallerzeuger ausgebildet sein, der das durchströmende
Gasgemisch mit einem Drall beaufschlagt. Durch diese Maßnahme entsteht
stromab des Katalysators eine Drallströmung, die es bei entsprechender Dimensionierung
ermöglicht, stromab des Katalysators, insbesondere in einer Brennkammer,
eine homogene und stabile Verbrennung zu verbessern. Durch die Drallströmung
können in der Brennkammer, insbesondere in Verbindung mit einer abrupten
Querschnittserweiterung Rezirkulationszonen generiert werden, die eine
Flammenfront in der Brennkammer formen und stabilisieren.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich
gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile
beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
- Fig. 1
- eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Brenneranordnung, die
mit einem erfindungsgemäßen Katalysator ausgestattet ist,
- Fig. 2
- eine perspektivische Ansicht auf einen Katalysator nach der Erfindung
und
- Fig. 3
- eine Prinzipdarstellung der Katalysatorstruktur.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Brenneranordnung 1 eine Zuführungsleitung 2
und eine Brennkammer 3, die sich über eine abrupte Querschnittserweiterung 4
an die Zuführungsleitung 2 anschließt. In der Zuführungsleitung 2 ist ein als Brenner
dienender Katalysator 5 nach der Erfindung angeordnet, der durchströmbar
ausgebildet ist und an seiner Anströmseite 6 mit einem durch Pfeile symbolisierten
Brennstoff-Oxidator-Gemisch 7 beaufschlagt ist. Die Brenneranordnung 1 dient
beispielsweise zur Erzeugung von Heißgasen für eine Turbine, insbesondere eine
Gasturbine, einer Kraftwerksanlage.
Entsprechend Fig. 2 weist der erfindungsgemäße Katalysator 5 eine Vielzahl von
Kanälen 8 auf, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und den
Katalysator 5 in seiner, durch einen Pfeil symbolisierten Hauptdurchströmungsrichtung
9 durchsetzen. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass einige der Kanäle
8 als katalytisch aktive Kanäle 8a und die übrigen als katalytisch inaktive Kanäle
8i ausgebildet sind. Beispielsweise kann die katalytische Aktivität durch eine
entsprechende Katalysatorbeschichtung der Katalysatortragstruktur ausgebildet
werden, während die katalytisch inaktiven Bereiche dann unbeschichtet sind.
Zweckmäßig wechseln sich katalytisch aktive Kanäle 8a und katalytisch inaktive
Kanäle 8i möglichst regelmäßig ab, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung
im Katalysator 5 zu erzielen.
Der Katalysator 5 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein gewelltes
oder gefaltetes bandförmiges Bahnmaterial 10, das beispielsweise aus
einem Metallblech besteht, auf eine Spindel 11 spiralförmig aufgewickelt wird. Die
Wicklung kann dann mit Hilfe von Spanndrähten 12 in Form gehalten werden. Der
Katalysator 5 bildet somit eine relativ leicht handhabbare Einheit. Um benachbarte
Kanäle 8 in radialer Richtung eindeutig zueinander positionieren zu können, ist es
zweckmäßig, auf das erste Bahnmaterial ein zweites Bahnmaterial, ebenfalls aus
Metallblech, aufzulegen und diesen Verbund auf die Spindel 11 aufzuwickeln. Das
zweite Bahnmaterial kann ebenfalls gewellt oder gefaltet sein, wobei sich die Wellen-
oder Faltenmuster der Bahnmaterialien voneinander unterscheiden, derart,
daß sich aufeinander liegende Kanäle 8 einmal oder mehrmals schneiden, um
eine formstabile Packung für den Katalysator 5 zu erreichen. Das zweite Bahnmaterial
kann aber auch flach oder glatt ausgebildet sein, um die radiale Positionierung
der Kanäle 8 zu gewährleisten.
In Fig. 3 ist der Aufbau des Katalysators 5 für eine spezielle Ausführungsform
stark vereinfacht dargestellt, wobei sich diese Darstellung beispielsweise durch
einen Schnitt im Inneren des Katalysators 5 in Umfangsrichtung ergibt. Erkennbar
sind demnach einige der einzelnen, benachbarten Kanäle 8 bzw. 8a und 8i.
Entsprechend den Fig. 2 und 3 ist der Katalysator 5 gemäß der Erfindung in mehrere,
hier vier, Sektoren I bis IV unterteilt, wobei die einzelnen Sektoren I bis IV in
der Hauptdurchströmungsrichtung 9 hintereinander angeordnet sind. In Fig. 2 sind
die einzelnen Sektoren I bis IV durch geschweifte Klammern symbolisiert, während
die Sektorengrenzen in Fig. 3 durch vertikale Linien angedeutet sind. Im einzelnen
handelt es sich bei den Sektoren I bis IV um einen vorangehenden Einlaßsektor
I, der die Anströmseite 6 des Katalysators 5 aufweist. Stromab des Einlaßsektors
l schließt unmittelbar ein Zwischensektor II an. An diesen Zwischensektor
II schließt unmittelbar ein Mischsektor III an. Der hinterste Sektor umfasst eine Abströmseite
13 des Katalysators 5 und bildet somit einen Auslaßsektor IV. Der Einlaßsektor
I ist so ausgebildet, dass er einen kleineren Durchströmungswiderstand
besitzt als der unmittelbar nachfolgende Zwischensektor II. Zweckmäßig ist der
Durchströmungswiderstand des Einlaßsektors I außerdem kleiner als der Durchströmungswiderstand
des Mischsektors III sowie des Auslaßsektors IV. Durch diese
Bauweise wird der Druckverlust beim Eintritt in die Kanäle 8 des Katalysators 5
reduziert, wodurch der Gesamtdruckabfall über dem Katalysator 5 reduziert wird.
Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass die Kanäle 8 bzw. 8a des Einlaßsektors
I gegenüber der Hauptdurchströmungsrichtung 9 eine kleinere Neigung
aufweisen, als die Kanäle 8 des nachfolgenden Zwischensektors II oder aller
nachfolgenden Sektoren II bis IV. In einem Sonderfall können die Kanäle 8 bzw.
8a des Einlaßsektors 1 auch eine Neigung mit dem Wert Null aufweisen, das heißt
die Kanäle 8 bzw. 8a des Einlaßsektors I verlaufen dann parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung
9.
In der hier gezeigten Ausführungsform sind im Einlaßsektor I weniger Kanäle 8
bzw. 8a ausgebildet als in den nachfolgenden Sektoren II bis IV. Gleichzeitig können
dadurch die Kanäle 8 bzw. 8a des Einlaßsektors I größere Durchströmungsquerschnitte
besitzen als die Kanäle 8 der nachfolgenden Sektoren II bis IV. Grössere
Durchströmungsquerschnitte erleichtern die Zündung bzw. den Start der katalytischen
Reaktion, da sich der Transport von Wärme und Stoff quer zur katalytisch
aktiven Kanalwand, insbesondere unter laminaren Bedingungen, reziprok
proportional zum Abstand von der Kanalwand verhält. Durch diese Maßnahmen
besitzt der Einlaßsektor I einen kleineren Durchströmungswiderstand als die nachfolgenden
Sektoren II bis IV. Während im Einlaßsektor I die geringere Zellendichte
(Anzahl der Kanäle 8 pro Querschnittsfläche) die Zündung verbessert, erhöht in
den folgenden Sektoren II bis IV die größere Zellendichte den Umsatz oder die
Konversion des Brennstoffs. Zusätzlich oder alternativ können insbesondere im
Zwischensektor II hier nicht dargestellte Turbulatoren angeordnet sein, die zwar
den Strömungswiderstand im Zwischensektor II gegenüber dem Einlaßsektor I erhöhen,
dafür aber in dem Kanälen 8 die Durchmischung der Gase verbessern, mit
der Folge, dass in den katalytisch aktiven Kanälen 8a die katalytische Reaktionsrate
und in den katalytisch inaktiven Kanälen 8i die Wärmeübertragung an die
Strömung erhöht werden.
Um das Zündverhalten des Katalysators 5 zu verbessern und um die katalytische
Verbrennungsreaktion zu stabilisieren, kann der Einlaßsektor I so ausgebildet
sein, dass er eine höhere katalytische Aktivität aufweist als die nachfolgenden
Sektoren II bis IV. Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass für den Einlaßsektor
I ein Katalysatormaterial verwendet wird, das eine höhere katalytische Aktivität
besitzt als das Katalysatormaterial, das für die nachfolgenden Sektoren II bis
IV verwendet wird. Zum Beispiel kann im Katalysatormaterial des Einlaßsektors I
der Edelmetallanteil (z.B. Palladium und/oder Platin) erhöht werden. Des weiteren
ist es möglich, im Einlaßsektor I den Anteil an katalytisch aktiven Kanälen 8a grösser
zu wählen als in den nachfolgenden Sektoren II bis IV. Bei der in Fig. 3 gezeigten
speziellen Ausführungsform sind alle Kanäle 8 des Einlaßsektors I als katalytisch
aktive Kanäle 8a ausgebildet. Alternativ ist es ebenfalls möglich, im Einlaßsektor
I die Gesamtzahl der Kanäle 8 zu erhöhen.
Im Mischsektor III können benachbarte Kanäle 8 bzw. 8a und 8i miteinander kommunizieren,
um einen Gas- oder Stoffaustausch zwischen den Kanälen 8 zu erreichen.
Zu diesem Zweck enthalten die Kanäle 8 quer zur Hauptdurchströmungsrichtung
Löcher 14, durch die der gewünschte Stoff oder Gasaustausch zwischen
benachbarten Kanälen 8 stattfinden kann. Dementsprechend kommt es zu einer
Vermischung des (teilweise) verbrannten Gemischs der katalytisch aktiven Kanäle
8a mit dem (im wesentlichen) unverbrannten Gemisch der katalytisch inaktiven
Kanäle 8i. Sofern auch im Mischsektor III katalytisch aktive Kanäle 8a ausgebildet
sind, kann der Konvertierungsgrad der den Katalysator 5 durchströmenden Strömung
weiter erhöht werden, insbesondere auf Werte oberhalb von 50 %. Im Bereich
der Löcher 14 können Überströmhilfen, z.B. Flügel, ausgebildet sein, die den
Gasaustausch zwischen benachbarten Kanälen 8 unterstützen.
Der Auslaßsektor IV ist bei der hier gezeigten Ausführungsform als Drallerzeuger
ausgebildet, das heißt, der Auslaßsektor IV beaufschlagt das ihn durchströmende
Gasgemisch mit einem Drall. Hierzu verlaufen die Kanäle 8 bzw. 8a und 8i des
Auslaßsektors IV im wesentlichen parallel zueinander und gegenüber der Hauptdurchströmungsrichtung
9 geneigt. Zweckmäßig sind die Kanäle 8 des Auslaßsektors
IV dabei stärker gegenüber der Hauptdurchströmungsrichtung 9 geneigt
als die Kanäle 8 des unmittelbar vorausgehenden Mischsektors III bzw. jedes vorausgehenden
Sektors I bis III.
Diese Drallströmung ist in Fig. 1 durch einen Pfeil 15 symbolisiert. Gemäß Fig. 1
ist der Katalysator 5 unmittelbar vor dem Querschnittssprung 4 angeordnet. Die
Drallströmung 15 kann somit bei ihrem Eintritt in die Brennkammer 3 sofort aufplatzen,
wodurch sich in der Brennkammer 8 eine zentrale Rezirkulationszone 16
sowie eine radial aussenliegende äussere Rezirkulationszone 17 ausbilden können.
Die Rezirkulationszonen 16 und 17 werden dabei durch Wirbelwalzen 18
bzw. 19 gebildet, die in Fig. 1 durch geschlossene Pfeillinien symbolisiert sind.
Diese Rezirkulationszonen 16 und 17 erzeugen bzw. stabilisieren und positionieren
in der Brennkammer 3 eine Flammenfront 20, die eine homogene Verbrennung
des aus dem Katalysator 5 austretenden Gemischs gewährleistet.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind beim Zwischensektor II die Kanäle 8
bezüglich der Hauptdurchströmungsrichtung 9 in einer ersten Richtung, gemäß
Fig. 3 nach unten, geneigt, während die Kanäle 8 bei allen anderen Sektoren I, III
und IV gegenüber der Hauptdurchströmungsrichtung 9 in der entgegengesetzten
Richtung, gemäß Fig. 3 nach oben, geneigt sind. Durch die doppelte Umlenkung
beim Eintritt in den Zwischensektor II und beim Austritt aus dem Zwischensektor II
kann die Vermischung der Gase innerhalb eines Kanals 8 im Katalysator 5, insbesondere
im Zwischensektor II erhöht werden.
Grundsätzlich ist es möglich, einen oder mehrere der Sektoren I bis IV jeweils als
separates Bauteil auszubilden, die dann zusammengebaut werden, um den Katalysator
5 aufzubauen. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausführungsform, bei der
zwei oder mehr, vorzugsweise alle Sektoren I bis IV integral in einem einteiligen
Bauteil ausgebildet sind. Hierdurch ergeben sich eindeutige Geometrien für die
Kanäle 8 sowie reproduzierbare Durchströmungsbedingungen. Des weiteren kann
dadurch die Herstellung des Katalysators 5 erheblich vereinfacht werden.
Bezugszeichenliste
- 1
- Brenneranordnung
- 2
- Zuführungsleitung
- 3
- Brennkammer
- 4
- Querschnittserweiterung
- 5
- Katalysator
- 6
- Anströmseite von 5
- 7
- Brennstoff-Oxidator-Gemisch
- 8
- Kanal
- 8a
- katalytisch aktiver Kanal
- 8i
- katalytisch inaktiver Kanal
- 9
- Hauptdurchströmungsrichtung von 5
- 10
- Bahnmaterial
- 11
- Spindel
- 12
- Spanndraht
- 13
- Abströmseite von 5
- 14
- Loch
- 15
- Drallströmung
- 16
- zentrale Rezirkulationszone
- 17
- äußere Rezirkulationszone
- 18
- Wirbelwalze von 16
- 19
- Wirbelwalze von 17
- 20
- Flammenfront