EP1255079A1 - Katalysator - Google Patents

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Publication number
EP1255079A1
EP1255079A1 EP02405327A EP02405327A EP1255079A1 EP 1255079 A1 EP1255079 A1 EP 1255079A1 EP 02405327 A EP02405327 A EP 02405327A EP 02405327 A EP02405327 A EP 02405327A EP 1255079 A1 EP1255079 A1 EP 1255079A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
channels
catalytically active
channel
connections
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02405327A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Dr. Carroni
Timothy Dr. Griffin
Verena Dr. Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ansaldo Energia Switzerland AG
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP1255079A1 publication Critical patent/EP1255079A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Definitions

  • the invention relates to a catalyst for burning at least a part a fuel-oxidizer mixture flowing through the catalyst, in particular for a burner of a power plant, with the features of the generic term of claim 1.
  • catalysts of the type mentioned are known, each have a plurality of catalytically active channels and a plurality of catalytically inactive channels.
  • the known catalysts are corrugated with the help of zigzag or folded sheets made by spiral winding or can be layered by folding back and forth. The waves or folds then form the channels of the catalyst.
  • One side of each sheet is with the help of a Catalyst coating catalytically active.
  • the catalytically active channels and the catalytically inactive channels are thus stacked Channels created.
  • the coated or catalytically active channels the implementation or combustion of the fuel-oxidizer mixture.
  • In the uncoated or essentially catalytically inactive channels Implementation or combustion of the mixture so that this part of the mixture flow used to remove heat, i.e. to cool the catalyst can be.
  • the one-sided coating with catalyst material and a corresponding Stacking or layering of those used to form the catalyst Sheets can achieve a catalyst structure in which about half of all channels is completely catalytically coated, while the other half of the Channels is uncoated.
  • the temperature rise in Catalyst can be effectively reduced because the combustion of the mixture in the catalyst is limited to the catalytically active channels and therefore to about 50%. Due to this design, overheating of the catalytic converter can result Destruction could be avoided.
  • No. 4,154,568 discloses a catalytic converter of a fundamentally different type, the one with several, one behind the other in the main flow direction Monolith blocks is equipped.
  • the monolith blocks contain channels which are all catalytically active and parallel to the main flow direction run.
  • the channels of a downstream monolith block have one smaller flow cross-section than that of the upstream monolith block. This is intended to completely burn the fuel-oxidizer mixture can be achieved within the catalyst, while in the generic Catalysts only part of the gas mixture is to be burned.
  • the catalytically active channels and the catalytically inactive channels lead to a reduction in the fuel conversion and thus to a reduction in the operating temperature of the catalyst, as a result of which a sufficiently long service life can be achieved.
  • the maximum achievable degree of conversion of the fuel is reduced to 50%.
  • the fuel concentration at the catalyst outlet is exposed to strong fluctuations over the cross section. Because while almost no fuel emerges from the catalytically active channels, the almost unchanged fuel-oxidizer mixture flows out of the catalytically inactive channels. If the mixture ignites before it has mixed downstream of the catalytic converter, the subsequent combustion reaction can lead to temperature peaks on the catalytic converter, which is associated with pollutant production, in particular NO x .
  • Another problem is that the conversion of the fuel inside of the catalytically active channels only with a sufficiently large channel length achieved the desired degree of conversion. This is attributed to that on the one hand the proportion of fuel decreases in the direction of flow and on the other hand the boundary layer thickness increases. To a high degree of conversion To achieve, therefore, a conventional catalyst must be in the main flow direction build relatively long, what with relatively high pressure drops accompanied.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is concerned with the problem for a catalyst of type mentioned above to provide an improved embodiment, in particular compact build.
  • the invention is based on the general idea that the channels in one by one To design the longitudinal section on the inflow side of the catalytic converter so that that the turbulence is increased at least within the catalytically active channels and / or that between adjacent catalytically active and catalytically inactive Channels a mass or gas exchange is possible.
  • By increasing the turbulence the conversion of fuel is improved, which makes the catalyst can build shorter in the main flow direction. Due to the possibility of Mixing can increase the degree of conversion or the desired level Degree of conversion achieved with a shorter catalyst length become.
  • the invention uses the knowledge that already in the catalytically active channels achieved a relatively high degree of conversion after a relatively short flow path is then only relatively slow over the remaining length of the respective catalytic channel increases. For example, measurements show that after about 13% of the total length of a conventional catalyst already about 50% of the fuel are implemented in the respective catalytically active channel.
  • the invention takes advantage of this finding by following this regarding conversion a lot effective front longitudinal section through turbulators in the channels and / or through cross-connections between adjacent channels the conversion to this subsequent longitudinal section is intensified. As a result, the invention Catalyst can be built shorter overall.
  • connections that an overflow between the catalytically active channels between adjacent channels and allow inactive channels to be formed by holes that the Channel walls of adjacent channels transverse to the main flow direction of the catalyst penetrate, these holes being punched into the channel walls, such that a wall section assigned to the respective hole with the channel wall remains connected and protrudes into one of the channels.
  • the remaining wall sections form turbulators for targeted flow control.
  • the single figure shows a perspective view of a preferred embodiment of the catalyst of the invention.
  • a catalyst 1 according to the invention can e.g. a cylindrical one Own structure.
  • a catalyst 1 is, for example produced that on a first web material 2, which in a predetermined Way is corrugated or folded, a second web material 3 is placed, the can also be corrugated or folded with a certain pattern.
  • the two Patterns for the folding or corrugation of the web materials 2 and 3 are so coordinated with one another that in the case of stacked web materials 2 and 3 the individual folds or waves cannot interlock, but can interlock support each other via their high points.
  • the second web material 3 can also be smooth or flat.
  • the sheet materials 2 and 3 suitably consist of a metal sheet, wherein at least one of the web materials 2 and 3 on one side with a catalytically active Coating can be provided. If both sheet materials 2 and 3 are one-sided are provided with a catalyst layer, the two web materials 2 and 3 so that the coated sides face each other are or are facing away from each other. The two web materials 2 and 3 are then wound up in a spiral on a central spindle 4, whereby radial layering or stacking of web materials 2 and 3 results.
  • the Waves or folds of the web materials 2, 3 run essentially parallel to Spindle 4 and in the rolled-up state form channels 5, of which one is catalytic are active (catalytically active channels 5a), while the others are catalytic are inactive (catalytically inactive channels 5i). Due to the one-sided coating of the Web materials 2,3 is about half of the channels 5 catalytically active, while the other half is catalytically inactive.
  • the winding of the sheet materials 2 and 3 is fixed in shape with the help of tension wires 6.
  • the catalyst 1 can be divided into one Burners are used, the catalyst 1 then corresponding to one main flow direction 7 symbolized by an arrow Fuel-oxidizer mixture can be flowed through.
  • the main flow direction 7 runs parallel to the longitudinal axis of the spindle 4 and thus parallel to the longitudinal axis of the cylindrical catalyst 1.
  • a catalytic catalyst formed in this way Burner can be connected upstream of a combustion chamber, for example Generation of hot gases for a turbine, in particular a gas turbine, one Power plant serves.
  • the catalytic converter 1 has an inflow side 8 and an outflow side 9.
  • the catalyst 1 also has a parallel to the main flow direction 7 extending, removed from the inflow side 8 Longitudinal section 11, which is also characterized by a curly bracket is. Since this longitudinal section 11 removed from the inflow side 8 at the Embodiment shown here contains the outflow side 9, this longitudinal section 11 also referred to below as outlet section 11.
  • the outlet section 11 begins with the total length of the catalyst 1 only in the second half of the catalyst 1
  • the outlet section 9 can be made shorter in the main flow direction 7 than the inlet section 10. It is also possible that the outlet section 11 has a greater axial extent than the inlet section 10.
  • connections 12 are formed in the outlet section 11 via the adjacent channels 5 communicate with each other. Through these connections 12 can therefore overflow and thus a gas or mass transfer between catalytically active channels 5a and catalytically inactive channels 5i take place.
  • This Connections 12 are formed here by holes in the channel walls, ie in the waves or folds of the web materials 2, 3 are incorporated. These holes 12 penetrate the channel walls transversely to the main flow direction 7. The holes 12 can be arranged so that an overflow between Channels 5 takes place, the circumferential direction of the cylindrical catalyst. 1 and / or are arranged adjacent to one another in the radial direction.
  • one wavelength or fold length of the web material 2 or 3 is a basic dimension.
  • expedient have the holes 12 transverse to the longitudinal direction of the channel, that is to say in the circumferential direction or in the radial direction of the cylinder 1, a transverse dimension that is smaller than the wave or pleat length is 13.
  • the transverse dimension of the holes is preferred 12 smaller than half the wavelength or fold length 13.
  • a distance between adjacent ones Holes 12 is in a certain direction, e.g.
  • the Holes 12 have a circular or elliptical basic shape. Basically, however any shape for the holes possible.
  • the holes 12 in the channel walls that is to say punched into the sheet materials 2, 3.
  • This punching process is carried out so that an associated with the respective hole 12 Wall section connected to the channel wall, ie with the respective web material 2, 3 remains and is bent so far that it projects into one of the channels 5.
  • This wall section which is not visible in the figure, forms in the respective Channel 5 is a flow-guiding element and can be used in particular as a turbulator serve.
  • at least turbulators can be arranged in some of the catalytically active channels 5a, generate the cross flows within the respective channels 5. Such turbulators can be formed by projections which protrude into the respective channel 5.
  • such projections can be formed that the web materials 2 one or within their wavelength or fold length 13 have several additional waves or folds that protrude into the respective channel 5.
  • turbulators in the form of a perforation Form channel walls or the web materials 2,3, e.g. by using a pointy one Object relatively small openings are introduced, causing material protrusions comes at the edge of the opening. These openings can be so be small that there is no significant gas exchange between neighboring ones Channels 5 is done.
  • this type of perforation is expediently carried out in such a way that that the formation of holes 12 is unnecessary in this section.
  • a further measures to achieve the desired turbulator function can be included can be seen, the channel walls or the sheet materials 2,3 in the corresponding Provide section with a suitable surface roughness.
  • the catalyst material can be applied in a corresponding manner be, so that the required surface roughness by the Coating with the catalyst material forms.
  • the catalyst 1 is with its Inlet section 10 and integrally formed with its outlet section 11, which forms a unit that is easy and inexpensive to manufacture. Likewise it is possible to separate the inlet section 10 and the outlet section 11 from each other produce, then from these items (inlet section 10 and Outlet section 11) the catalytic converter 1 is assembled to be easy again maintain manageable unit.
  • the catalyst 1 according to the invention works as follows:
  • the catalyst 1 is in use on its upstream side 8 with a Fuel-oxidizer mixture applied, which in the channels 5 of the catalyst 1st penetrates.
  • the conversion of the fuel begins in the catalytically active channels 5a.
  • the heat released in the process is transferred to the catalytically inactive ones Channels 5i present flow at least partially discharged.
  • the outlet section 11 is expediently positioned such that it approximately starts where about 50% to 80% of the in the catalytically active channels 5a transported fuel are already converted. In the outlet section 11 now an intensive mixing between the flows of the catalytically active Channels 5a and the catalytically inactive channels 5i.
  • the Cross currents improves the conversion behavior, whereby within the Outlet section 11 the degree of conversion of the total fuel-oxidizer mixture supplied additionally increased on a relatively short flow path can be. Due to the structure according to the invention, it is thus possible to a catalyst 1 of relatively short construction in the main flow direction 7 quite high degrees of conversion, in particular more than 50% of the total mixture, to achieve.
  • the short overall length of the catalyst 1 reduces it at the same time the pressure loss when flowing through the catalyst 1, which in particular for the combustion processes taking place downstream of the catalytic converter 1 is an advantage.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Katalysator (1) zum Verbrennen zumindest eines Teils eines den Katalysator (1) durchströmenden Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für einen Brenner einer Kraftwerksanlage. Der Katalysator (1) weist mehrere katalytisch aktive Kanäle (5a) und mehrere katalytisch inaktive Kanäle (5i) auf. Ein Längsabschnitt (11) des Katalysators (1) ist in der Hauptdurchströmungsrichtung (7) von einer Anströmseite (8) beabstandet. In diesem Längsabschnitt (11) sind zumindest in mehreren katalytisch aktiven Kanälen (5a) Turbulatoren angeordnet. Zusätzlich oder alternativ sind in diesem Längsabschnitt (11) zwischen mehreren benachbarten Kanälen (5a,5i) Verbindungen (12) ausgebildet, die ein Überströmen zwischen den Kanälen (5a,5i) ermöglichen. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zum Verbrennen zumindest eines Teils eines den Katalysator durchströmenden 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, der US 5,437,099 und der US 5,328,359 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 bzw. Stapelung werden somit die katalytisch aktiven Kanäle und die katalytisch inaktiven Kanäle erzeugt. In den beschichteten bzw. katalytisch aktiven Kanälen erfolgt die Umsetzung bzw. Verbrennung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs. In den unbeschichteten bzw. 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.
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. Bei dieser Ausführung 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. Durch diese Bauweise kann eine Überhitzung des Katalysators, die zu dessen Zerstörung führen könnte, vermieden werden.
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.
Bei den Katalysatoren der eingangs genannten Art führen die katalytisch aktiven Kanäle und die katalytisch inaktiven Kanäle zu einer Reduzierung des Brennstoffumsatzes und somit zu einer Reduzierung der Betriebstemperatur des Katalysators, wodurch sich für diesen hinreichend große Standzeiten erzielen lassen. Bei einem Aufbau mit 50 % katalytisch aktiven Kanälen und 50 % katalytisch inaktiven Kanälen reduziert sich der maximal erzielbare Konvertierungsgrad des Brennstoffs auf 50 %. Des weiteren führt dies dazu, daß die Brennstoffkonzentration am Katalysatoraustritt über dem Querschnitt starken Schwankungen ausgesetzt ist. Denn während aus den katalytisch aktiven Kanälen nahezu kein Brennstoff austritt, strömt aus dem katalytisch inaktiven Kanälen das nahezu unveränderte Brennstoff-Oxidator-Gemisch. Sofern es zu einer Zündung des Gemischs kommt, bevor es sich stromab des Katalysators vermischt hat, kann die nachfolgende Verbrennungsreaktion zu Temperaturspitzen am Katalysator führen, was mit einer Schadstoffproduktion, insbesondere NOX, einhergeht.
Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, daß die Konversion des Brennstoffs innerhalb der katalytisch aktiven Kanäle nur bei einer hinreichend großen Kanallänge den erwünschten Konvertierungsgrad erreicht. Dies wird darauf zurückgeführt, daß in der Durchströmungsrichtung einerseits der Brennstoffanteil abnimmt und andererseits die Grenzschichtdicke zunimmt. Um einen hohen Konvertierungsgrad zu erzielen, muß daher ein konventioneller Katalysator in der Hauptdurchströmungsrichtung relativ lang bauen, was mit relativ hohen Druckverlusten einhergeht.
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, die insbesondere kompakt baut.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Kanäle in einem von einer Anströmseite des Katalysators entfernten Längsabschnitt so auszugestalten, daß zumindest innerhalb der katalytisch aktiven Kanälen die Turbulenz erhöht wird und/oder daß zwischen benachbarten katalytisch aktiven und katalytisch inaktiven Kanälen ein Stoff- bzw. Gasaustausch möglich ist. Durch die Erhöhung der Turbulenz wird die Konvertierung des Brennstoffs verbessert, wodurch der Katalysator in der Hauptdurchströmungsrichtung kürzer bauen kann. Durch die Möglichkeit der Durchmischung kann der Konvertierungsgrad erhöht werden bzw. kann der gewünschte Konvertierungsgrad bereits bei einer kürzeren Katalysatorlänge erzielt werden.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß in den katalytisch aktiven Kanälen bereits nach einem relativ kurzen Strömungsweg ein relativ hoher Konvertierungsgrad erreicht ist, der dann nur noch relativ langsam über die restliche Länge des jeweiligen katalytischen Kanals zunimmt. Beispielsweise zeigen Messungen, daß nach etwa 13 % der Gesamtlänge eines herkömmlichen Katalysators bereits etwa 50 % des Brennstoffs im jeweiligen katalytisch aktiven Kanal umgesetzt sind. Die Erfindung nutzt diese Erkenntnis, indem nach diesem hinsichtlich der Konversion sehr effektiven vorderen Längsabschnitt durch Turbulatoren in den Kanälen und/oder durch Querverbindungen zwischen benachbarten Kanälen die Konvertierung in diesem nachfolgenden Längsabschnitt intensiviert wird. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Katalysator insgesamt kürzer gebaut werden.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die Verbindungen, die zwischen benachbarten Kanälen ein Überströmen zwischen den katalytisch aktiven und inaktiven Kanälen ermöglichen, durch Löcher gebildet sind, welche die Kanalwände benachbarter Kanäle quer zur Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators durchdringen, wobei diese Löcher in die Kanalwände gestanzt sind, derart, daß ein dem jeweiligen Loch zugeordneter Wandabschnitt mit der Kanalwand verbunden bleibt und in einen der Kanäle hineinragt. Bei dieser Ausführungsform bilden die verbleibenden Wandabschnitte Turbulatoren zur gezielten Strömungsleitung. Diese Ausführungsform kann besonders einfach hergestellt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Katalysators ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Katalysators.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend der Figur kann ein erfindungsgemäßer Katalysator 1 z.B. einen zylindrischen Aufbau besitzen. Ein derartiger Katalysator 1 wird beispielsweise dadurch hergestellt, daß auf ein erstes Bahnmaterial 2, das in einer vorbestimmten Weise gewellt oder gefaltet ist, ein zweites Bahnmaterial 3 aufgelegt wird, das ebenfalls mit einem bestimmten Muster gewellt oder gefaltet sein kann. Die beiden Muster für die Faltung oder Wellung der Bahnmaterialien 2 und 3 sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß bei aufeinanderliegenden Bahnmaterialien 2 und 3 die einzelnen Falten oder Wellen nicht ineinander eingreifen können, sondern sich über ihre Hochpunkte aneinander abstützen. Das zweite Bahnmaterial 3 kann auch glatt oder flach ausgebildet sein.
Die Bahnmaterialien 2 und 3 bestehen zweckmäßig aus einem Metallblech, wobei wenigstens eines der Bahnmaterialien 2 und 3 einseitig mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein kann. Wenn beide Bahnmaterialien 2 und 3 einseitig mit einer Katalysatorschicht versehen sind, werden die beiden Bahnmaterialien 2 und 3 so aufeinander gelegt, daß die beschichteten Seiten einander zugewandt sind oder voneinander abgewandt sind. Die beiden Bahnmaterialien 2 und 3 werden dann spiralförmig auf eine zentrale Spindel 4 aufgewickelt, wodurch sich eine radiale Schichtung oder Stapelung der Bahnmaterialien 2 und 3 ergibt. Die Wellen oder Falten der Bahnmaterialien 2,3 verlaufen im wesentlichen parallel zur Spindel 4 und bilden im aufgerollten Zustand Kanäle 5, von denen die einen katalytisch aktiv sind (katalytisch aktive Kanäle 5a), während die anderen katalytisch inaktiv sind (katalytisch inaktive Kanäle 5i). Durch die einseitige Beschichtung der Bahnmaterialien 2,3 ist etwa die Hälfte der Kanäle 5 katalytisch aktiv, während die andere Hälfte katalytisch inaktiv ist. Die Wicklung der Bahnmaterialien 2 und 3 ist mit Hilfe von Spanndrähten 6 in ihrer Form fixiert.
Der Katalysator 1 kann entsprechend einer bevorzugten Verwendungsform in einen Brenner eingesetzt werden, wobei der Katalysator 1 dann entsprechend einer mittels eines Pfeils symbolisierten Hauptdurchströmungsrichtung 7 von einem Brennstoff-Oxidator-Gemisch durchströmbar ist. Die Hauptdurchströmungsrichtung 7 verläuft parallel zur Längsachse der Spindel 4 und somit parallel zur Längsachse des zylindrischen Katalysators 1. Ein auf diese Weise gebildeter katalytischer Brenner kann beispielsweise einer Brennkammer vorgeschaltet sein, die zur Erzeugung von Heißgasen für eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, einer Kraftwerksanlage dient.
Bezüglich der Hauptdurchströmungsrichtung 7 besitzt der Katalysator 1 eine Anströmseite 8 und eine Abströmseite 9. Ein sich in der Hauptdurchströmungsrichtung 7 erstreckender und die Anströmseite 8 enthaltender Längsabschnitt 10 ist durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet und wird im folgenden als Einlaßabschnitt 10 bezeichnet. Der Katalysator 1 besitzt außerdem einen sich parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung 7 erstreckenden, von der Anströmseite 8 entfernten Längsabschnitt 11, der ebenfalls durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist. Da dieser von der Anströmseite 8 entfernte Längsabschnitt 11 bei der hier gezeigten Ausführungsform die Abströmseite 9 enthält, wird dieser Längsabschnitt 11 im folgenden auch als Auslaßabschnitt 11 bezeichnet. Bei der hier gezeigten Ausführungsform beginnt der Auslaßabschnitt 11 bezüglich der Gesamtlänge des Katalysators 1 erst in der zweiten Hälfte des Katalysators 1. Dabei kann der Auslaßabschnitt 9 in der Hauptdurchströmungsrichtung 7 kürzer ausgebildet sein als der Einlaßabschnitt 10. Ebenso ist es möglich, daß der Auslaßabschnitt 11 eine größere axiale Erstreckung aufweist als der Einlaßabschnitt 10.
Erfindungsgemäß sind im Auslaßabschnitt 11 Verbindungen 12 ausgebildet, über die benachbarte Kanäle 5 miteinander kommunizieren. Durch diese Verbindungen 12 kann daher ein Überströmen und somit ein Gas- oder Stoffaustausch zwischen katalytisch aktiven Kanälen 5a und katalytisch inaktiven Kanälen 5i erfolgen. Diese Verbindungen 12 sind hier durch Löcher gebildet, die in die Kanalwände, also in die Wellen oder Falten der Bahnmaterialien 2,3 eingearbeitet sind. Diese Löcher 12 durchdringen dabei die Kanalwände quer zur Hauptdurchströmungsrichtung 7. Die Löcher 12 können dabei so angeordnet sein, daß ein Überströmen zwischen Kanälen 5 erfolgt, die in Umfangsrichtung des zylindrischen Katalysators 1 und/oder in radialer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind.
Beim Bahnmaterial 2 bzw. 3 bildet ein Abstand 13, der quer zur Hauptdurchströmungsrichtung 7 bzw. in Umfangsrichtung des Katalysators 1 gemessen ist und zwischen zwei Hochpunkten 14 oder in entsprechender Weise zwischen zwei Tiefpunkten benachbarter Wellen oder Falten herrscht, eine Wellenlänge oder Faltenlänge des Bahnmaterials 2 bzw. 3. Diese Wellen- oder Faltenlänge 13 bildet für die Dimensionierung und Positionierung der Löcher 12 ein Basismaß. Zweckmässig besitzen die Löcher 12 quer zur Kanallängsrichtung, also in Umfangsrichtung oder in radialer Richtung des Zylinders 1, eine Querabmessung, die kleiner ist als die Wellen- oder Faltenlänge 13. Vorzugsweise ist die Querabmessung der Löcher 12 kleiner als die halbe Wellen- oder Faltenlänge 13. Ein Abstand zwischen benachbarten Löchern 12 ist in einer bestimmten Richtung, z.B. in Kanallängsrichtung und/oder quer dazu, größer als der Lochdurchmesser in dieser Richtung und/oder größer als die Wellen- oder Faltenlänge 13. Vorzugsweise besitzen die Löcher 12 eine kreisförmige oder elliptische Grundform. Grundsätzlich ist jedoch jede beliebige Formgebung für die Löcher möglich.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können die Löcher 12 in die Kanalwände, also in die Bahnmaterialien 2,3 gestanzt sein. Dieser Stanzvorgang wird dabei so durchgeführt, daß ein dem jeweiligen Loch 12 zugeordneter Wandabschnitt mit der Kanalwand, also mit dem jeweiligen Bahnmaterial 2,3 verbunden bleibt und soweit umgebogen wird, daß er in einen der Kanäle 5 hineinragt. Dieser in der Figur nicht sichtbare Wandabschnitt bildet dabei in dem jeweiligen Kanal 5 ein strömungsleitendes Element und kann insbesondere als Turbulator dienen. Zusätzlich oder alternativ zu diesen Wandabschnitten können zumindest in einigen der katalytisch aktiven Kanäle 5a Turbulatoren angeordnet sein, die Querströmungen innerhalb der jeweiligen Kanäle 5 erzeugen. Derartige Turbulatoren können durch Vorsprünge gebildet sein, die in den jeweiligen Kanal 5 hineinragen. Beispielsweise können derartige Vorsprünge dadurch ausgebildet sein, daß die Bahnmaterialien 2 innerhalb ihrer Wellen- oder Faltenlänge 13 eine oder mehrere zusätzliche Wellen bzw. Falten besitzen, die in den jeweiligen Kanal 5 hineinragen. Des weiteren ist es möglich, Turbulatoren in Form einer Perforation der Kanalwände bzw. der Bahnmaterialien 2,3 auszubilden, z.B. indem mit einem spitzen Gegenstand relativ kleine Öffnungen eingebracht werden, wobei es zu Materialausstülpungen am Öffnungsrand kommt. Diese Öffnungen können dabei so klein sein, daß darüber kein nennenswerter Gasaustausch zwischen benachbarten Kanälen 5 erfolgt. Zweckmäßig wird diese Art der Perforation jedoch so ausgeführt, daß sich in diesem Abschnitt die Ausbildung der Löcher 12 erübrigt. Eine weitere Maßnahme zur Erzielung der gewünschten Turbulatorfunktion kann darin gesehen werden, die Kanalwände bzw. die Bahnmaterialien 2,3 im entsprechenden Abschnitt mit einer hierfür geeigneten Oberflächenrauhigkeit auszustatten. Beispielsweise kann das Katalysatormaterial in einer entsprechenden Weise aufgetragen werden, so daß sich die erforderliche Oberflächenrauhigkeit durch die Beschichtung mit dem Katalysatormaterial ausbildet.
Bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Katalysator 1 mit seinem Einlaßabschnitt 10 und mit seinem Auslaßabschnitt 11 einstückig ausgebildet, wodurch sich eine leicht und preiswert herstellbare Einheit bildet. Ebenso ist es möglich, den Einlaßabschnitt 10 und den Auslaßabschnitt 11 separat voneinander herzustellen, wobei dann aus diesen Einzelteilen (Einlaßabschnitt 10 und Auslaßabschnitt 11) der Katalysator 1 zusammengebaut wird, um wieder eine einfach handhabbare Einheit zu erhalten.
Der erfindungsgemäße Katalysator 1 funktioniert wie folgt:
Der Katalysator 1 wird im Anwendungsfall an seiner Anströmseite 8 mit einem Brennstoff-Oxidator-Gemisch beaufschlagt, das in die Kanäle 5 des Katalysators 1 eindringt. In den katalytisch aktiven Kanälen 5a beginnt die Umsetzung des Brennstoffs. Die dabei frei werdende Wärme wird über die in den katalytisch inaktiven Kanälen 5i vorliegende Strömung zumindest teilweise abgeführt. Nach einem relativ kurzen Strömungsweg ist die Konvertierung des Brennstoffs bereits relativ weit fortgeschritten. Zweckmäßig ist der Auslaßabschnitt 11 so positioniert, daß er etwa dort beginnt, wo etwa 50 % bis 80 % des in den katalytisch aktiven Kanälen 5a transportierten Brennstoffs bereits konvertiert sind. Im Auslaßabschnitt 11 erfolgt nun eine intensive Durchmischung zwischen den Strömungen der katalytisch aktiven Kanäle 5a und der katalytisch inaktiven Kanäle 5i. Gleichzeitig wird durch die Querströmungen das Konvertierungsverhalten verbessert, wodurch innerhalb des Auslaßabschnitts 11 der Konvertierungsgrad des gesamten zugeführten Brennstoff-Oxidator-Gemischs auf einem relativ kurzen Strömungsweg zusätzlich gesteigert werden kann. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist es somit möglich, bei einem in der Hauptdurchströmungsrichtung 7 relativ kurz bauenden Katalysator 1 recht hohe Konvertierungsgrade, von insbesondere mehr als 50 % des Gesamtgemischs, zu erzielen. Durch die kurze Baulänge des Katalysators 1 reduziert sich gleichzeitig der Druckverlust bei der Durchströmung des Katalysators 1, was insbesondere für die stromab des Katalysators 1 erfolgenden Verbrennungsvorgänge von Vorteil ist.
Bezugszeichenliste
1
Katalysator
2
Bahnmaterial
3
Bahnmaterial
4
Spindel
5
Kanal
5i
katalytisch inaktiver Kanal
5a
katalytisch aktiver Kanal
6
Spanndraht
7
Hauptdurchströmungsrichtung
8
Anströmseite von 1
9
Abströmseite von 1
10
Längsabschnitt/Einlaßabschnitt
11
Längsabschnitt/Auslaßabschnitt
12
Verbindung/Loch
13
Abstand/Wellenlänge
14
Hochpunkt

Claims (11)

  1. Katalysator zum Verbrennen zumindest eines Teils eines den Katalysator (1) durchströmenden Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für einen Brenner einer Kraftwerksanlage, mit mehreren katalytisch aktiven Kanälen (5a) und mehreren katalytisch inaktiven Kanälen (5i), dadurch gekennzeichnet, daß in einem von einer Anströmseite (8) des Katalysators (1) in der Hauptdurchströmungsrichtung (7) des Katalysators (1) beabstandeten Längsabschnitt (11) des Katalysators (1)
    zumindest in mehreren katalytisch aktiven Kanälen (5a) Turbulatoren angeordnet sind und/oder
    zumindest zwischen mehreren katalytisch aktiven Kanälen (5a) und katalytisch inaktiven Kanälen (5i) Verbindungen (12) ausgebildet sind, die ein Überströmen zwischen katalytisch aktiven Kanälen (5a) und katalytisch inaktiven Kanälen (5i) ermöglichen.
  2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulatoren durch in den jeweiligen Kanal (5a,5i) hineinragende Vorsprünge und/oder durch eine Perforation und/oder durch Ausstülpungen und/oder durch eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit gebildet sind.
  3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen durch Löcher (12) gebildet sind, welche die Kanalwände benachbarter Kanäle (5a,5i) quer zur Hauptdurchströmungsrichtung (7) des Katalysators (1) durchdringen.
  4. Katalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (12) in die Kanalwände gestanzt sind, wobei ein dem jeweiligen Loch (12) zugeordneter Wandabschnitt mit der Kanalwand verbunden bleibt und in einen der Kanäle (5a,5i) hineinragt.
  5. Katalysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Katalysator (1) durch Stapelung oder Schichtung von zick-zack-förmig gewelltem oder gefaltetem Bahnmaterial (2,3) ausgebildet ist,
    wobei die Wellen oder Falten des Bahnmaterials (2,3) die Kanäle (5a,5i) ausbilden,
    wobei ein quer zur Längsrichtung der Kanäle (5a,5i) gemessener Abstand zwischen den Hochpunkten (14) oder Tiefpunkten benachbarter Wellen oder Falten eine Wellenlänge (13) oder Faltenlänge bildet,
    wobei die Löcher (12) quer zur Kanallängsrichtung eine Querabmessung aufweisen, die kleiner ist als die ganze oder halbe Wellen- oder Faltenlänge (13).
  6. Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand benachbarter Löcher (12) quer zur Kanallängsrichtung und/oder in Kanallängsrichtung größer ist als der Lochdurchmesser in dieser Richtung und/oder als die Wellen- oder Faltenlänge (13).
  7. Katalysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte oder gefaltete Bahnmaterial (2,3) bezüglich einer parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung (7) des Katalysators (1) ausgerichteten, zentralen Spindel (4) radial geschichtet oder gestapelt ist sowie spiralförmig oder in konzentrischen Kreisen angeordnet ist.
  8. Katalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in radialer Richtung zwischen zwei Schichten des gewellten oder gefalteten Bahnmaterials (2) eine Schicht aus flachem oder glattem Bahnmaterial (3) angeordnet ist.
  9. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Verbindungen (12) und/oder Turbulatoren ausgestattete Längsabschnitt (11) bei einem Längsabstand von der Anströmseite (8) beginnt, bei dem in den katalytisch aktiven Kanälen (5a) im Normalbetrieb des Katalysators (1) der Brennstoff zu wenigstens 50 % oder 75 % oder 80 % konvertiert ist.
  10. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (1) mit seinem die Verbindungen (12) und/oder die Turbulatoren aufweisenden Längsabschnitt (11) und mit einem die Anströmseite (8) aufweisenden Längsabschnitt (10) einstückig ausgebildet ist.
  11. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die Verbindungen (12) und/oder die Turbulatoren aufweisende Längsabschnitt (11) und ein die Anströmseite (8) enthaltender Längsabschnitt (10) als separate Körper ausgebildet sind, aus denen der Katalysator (1) zusammengebaut ist.
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