EP1536887A1 - Katalysator - Google Patents

Katalysator

Info

Publication number
EP1536887A1
EP1536887A1 EP03790604A EP03790604A EP1536887A1 EP 1536887 A1 EP1536887 A1 EP 1536887A1 EP 03790604 A EP03790604 A EP 03790604A EP 03790604 A EP03790604 A EP 03790604A EP 1536887 A1 EP1536887 A1 EP 1536887A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
inlet
sector
catalyst
catalytically active
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Withdrawn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
EP03790604A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Carroni
Timothy Griffin
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology 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 Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1536887A1 publication Critical patent/EP1536887A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • 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
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13001—Details of catalytic combustors

Definitions

  • the present invention relates to a catalyst for burning part of a gaseous fuel-oxidizer mixture flowing through the catalyst, in particular for a burner of a power plant, with the features of the preamble of claim 1.
  • a catalyst of the type mentioned is known, the body of which is composed of several partial bodies arranged one behind the other in a main flow direction of the catalyst.
  • the individual partial bodies are each designed as monoliths, each of which forms a sector of the catalyst.
  • the first flowing through monolith thus contains an inlet of the catalyst and thus forms an inlet sector, while the subsequent monoliths form subsequent sectors.
  • the individual monoliths contain channels that are also called cells.
  • the cell density increases in the main flow direction, while the cell size decreases.
  • the inlet channels which are formed in the inlet sector and are present in a smaller number each have larger internal cross-sectional areas than the subsequent channels which are present in a larger number of the subsequent sectors.
  • this configuration is intended to ensure that improved ignition takes place at the inlet and complete combustion of the fuel-oxidizer mixture takes place within the catalytic converter.
  • a catalyst is known from US Pat. No. 5,346,389 which has a plurality of catalytically active channels and a plurality of catalytically inactive channels.
  • This catalyst will with the help of zigzag-shaped corrugated or folded sheets, which are layered by stacking, spiral winding or by folding back and forth. The waves or folds then form the channels of the catalyst.
  • One side of the respective sheet is made catalytically active with the aid of a catalyst coating. The layering thus creates the catalytically active channels and the catalytically inactive channels.
  • the conversion or combustion of the fuel-oxidizer mixture takes place in the catalytically active channels. There is essentially no conversion or combustion of the mixture in the uncoated or in the catalytically inactive channels, so that this part of the mixture flow can be used to remove heat, that is to say to cool the catalyst.
  • the known catalysts generally require a relatively large installation space, which is not available in certain installation situations, in particular in a burner of a power plant.
  • a higher degree of conversion of the fuel carried in the mixture is to be achieved when flowing through the catalyst, this regularly leads to a relatively long construction in the main direction of flow.
  • a relatively short design combined with a relatively high degree of conversion is desirable.
  • the invention wants to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, deals with the problem of specifying an improved embodiment for a catalyst of the type mentioned at the outset, which in particular has a comparatively compact construction and with the aid of which a comparatively high degree of conversion in the fuel-oxidizer mixture is achieved can.
  • the invention is based on the general idea of designing the secondary ducts equipped with the smaller inner cross-sectional areas by introducing partition walls into ducts in the subsequent sector which extend into the inlet sector and form the inlet ducts there. In this way, the channels provided with the partition walls in the subsequent sector are divided into two or more subsequent channels, each of which has a smaller internal cross-sectional area than the inlet channels.
  • the effort for producing such a catalyst is relatively low, since the partition walls can be integrated into the subsequent sector relatively easily with a corresponding construction.
  • the proposed design also enables a comparatively high cell density to be achieved, which increases the conversion rate and reduces the dimensions of the catalytic converter.
  • An embodiment is preferred in which the length of the inlet sector in the main flow direction is selected such that a diffusion-controlled reaction on the catalytic surfaces of the catalytically active inlet channels occurs within the inlet sector in a nominal operating state of the catalytic converter, in particular the burner equipped therewith.
  • This embodiment takes into account that only a comparatively small increase in the conversion rate can be achieved when the reaction process, which is controlled by the diffusion, that is to say limited, is achieved with a greater length of the inlet sector, whereas the conversion rate becomes clear in the subsequent sector, in particular due to the larger catalytically active surface with a greater length increases.
  • a state with a thermally limited reaction can be achieved in the subsequent sector, in which a limitation of the reaction by diffusion processes has no or only a minor meaning, so that the conversion rate is essentially determined by the prevailing temperature.
  • the catalytic converter can also be designed such that the length of the inlet sector in the main flow direction is greater than the development length of a hydrodynamic channel that forms in the channels in a nominal operating state of the catalytic converter, in particular of the burner equipped with it Boundary layer.
  • This interpretation takes into account the fact that a diffusion-limited or diffusion-controlled reaction (rather) forms in a developed boundary layer flow.
  • the knowledge is used here that with larger internal cross-sectional areas, due to the faster conversion from laminar to turbulent, the development length of the boundary layer is shorter and that in a developed boundary layer only a reduced heat dissipation is possible compared to a boundary layer that is still developing. Accordingly, a heterogeneous catalyst reaction can be ignited along a short length in the inlet ducts with the larger internal cross-sectional areas. The catalytic converter is therefore comparatively short.
  • the dimensioning of the catalytic converter is specifically selected so that between the point from which the diffusion-controlled surface reaction occurs in the nominal operating state of the catalytic converter and / or from which a developed hydrodynamic boundary layer is present in the nominal operating state of the catalytic converter, and a transition from the input sector to the subsequent sector predetermined distance is present, which is selected so that the heterogeneous combustion reaction in the catalytically active secondary channels does not go out in the nominal operating state of the catalyst.
  • a particularly inexpensive construction can be achieved for the catalyst according to the invention in particular if the channels are formed by corrugated and / or folded channel plates, which are stacked on top of one another transversely to the main flow direction and whose waves and / or folds extend in the main flow direction.
  • the dividing walls are then formed by dividing plates which are arranged transversely to the main flow direction between two adjacent duct plates in the subsequent sector.
  • the sheets are catalytically active on at least one side, such that when built catalyst are catalytically active inlet channels and catalytically active secondary channels.
  • the separating plates are also corrugated and / or folded, the corrugations and / or folds of the separating plates extending parallel to the corrugations and / or folds of the channel plates and the corrugations and / or folds of the Partitions have smaller amplitudes than the waves and / or folds of the channel plates.
  • This design ensures that the separating sheets form separate following channels with smaller internal cross-sectional areas when the sheets are stacked or stacked on top of one another in the waves or folds of the channel sheets.
  • catalytically active channels and catalytically inactive channels can be arranged alternately both in the area of the inlet channels and in the area of the subsequent channels.
  • the flow passed through the catalytically inactive channels is then used for cooling, ie to dissipate the heat that is formed in the catalytically active channels during the reaction.
  • follow-up channels which are equipped with the smaller inner cross-sectional area.
  • the catalytic converter has catalytically inactive follow-up channels with a smaller internal cross-sectional area.
  • the flow resistance of the catalytically inactive follow-up channels can be influenced, as a result of which the distribution of the flow fed to the catalytic converter is divided between the catalytic converters. can influence lytically active and on the catalytically inactive channels. For example, a distance from the catalyst inlet to the start of the catalytically inactive secondary channels with a smaller internal cross-sectional area can be greater, ie a distance from the catalyst inlet to the beginning of the catalytically active secondary channels with a smaller internal cross-sectional area.
  • the pressure drop in the catalytically active follow-up channels is smaller than in the corresponding catalytically inactive follow-up channels. Accordingly, the mass flow of the combustible fuel-oxidizer mixture through the catalytically active channels is greater, with the result that a higher conversion rate of the fuel can be achieved.
  • the pressure drop in the catalytically inactive secondary channels is smaller. This leads to reduced flow velocities in the catalytically active secondary channels, which enables the heterogeneous reaction to ignite at comparatively low temperatures.
  • the partitions for forming the catalytically inactive secondary channels with smaller internal cross-sectional areas can improve the dissipation of the heat generated in the catalytically active secondary channels, since the partition walls are heated by the heat radiated by the walls of the adjacent catalytically active channels and at the same time by the cooling mixture flow around.
  • Narrower secondary channels i.e. those secondary channels with smaller internal cross-sectional areas, also hinder the self-ignition of a homogeneous combustion reaction in the fuel-oxidizer mixture within the secondary channels, since radicals which form during the heterogeneous combustion reaction can be better bound in smaller internal cross-sectional areas, which is also an improvement of "RADICAL QUENCHING" (elimination of radicals).
  • FIG. 1 is a front view of a section of a catalyst according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a catalytic converter according to the invention in accordance with section lines II in FIG. 1, but in another embodiment,
  • FIG. 3 shows a longitudinal section as in FIG. 2, but with a detail in the region of a transition between an inlet channel and two subsequent channels,
  • Fig. 4 is a view as in Fig. 2, but in another embodiment.
  • a catalytic converter 1 has a structure 2 which has or forms a plurality of channels 3 running parallel to one another, which run parallel to a main flow direction 4 of the catalytic converter 1 indicated by arrows in FIG. 2.
  • the channels 3 also run in a straight line.
  • the catalytic converter 1 or its structure 2 is divided into at least two sectors in the main flow direction 4, namely a preceding first sector 5 and a subsequent second sector 6.
  • the sectors 5, 6 are characterized in FIG. 2 by curly brackets, it becoming clear that the two sectors 5, 6 overlap one another in a transition region 7, which is also identified by a curly bracket.
  • the preceding first sector 5 contains an inlet 8 of the catalytic converter 1 and is therefore also referred to below as the inlet sector 5, while the subsequent second sector 6 is also referred to below as the following sector 6.
  • the inlet sector 5 contains inlet channels 9, while the following sector 6 contains slave channels 10.
  • Inlet sector 5 and subsequent sector 6 differ from one another in that some of the following channels 10 each have a smaller inner cross-sectional area than the inlet channels 9.
  • all the following channels 10 have a smaller inner cross-sectional area than the inlet channels 9.
  • the Embodiment according to FIG. 1 also provided such follow channels, designated 10 ′, which have the same inner cross-sectional area as the inlet channels 9.
  • the following channels 10, which are equipped with a smaller inner cross-sectional area, are also referred to below as small or narrow following channels 10, while the others are referred to as large or wide inlet channels 9 or following channels 10 '(FIG. 1).
  • the small secondary channels 10 are produced in that, in the secondary sector 6, partitions 11 are introduced into the channels 3 which pass through the entire structure 2 of the catalytic converter 1.
  • These partition walls 11 subdivide the respective channel 3 within the following sector 6 into a plurality, that is to say into at least two parallel, separate subchannels, which form the narrow following channels 10. Since the partition walls 11 only extend within the following sector 6, the continuous channels 3 in the inlet sector 5 form the large inlet channels 9. Accordingly, the inlet channels 9 have the same large internal cross-sectional area as the continuous channels 3.
  • the catalytic converter 1 can preferably be produced by stacking or stacking corrugated and / or folded duct sheets 12 in such a way that their corrugations or folds form the ducts 3.
  • an intermediate plate 13 which is unfolded or not corrugated, is additionally inserted between two adjacent channel plates 12.
  • partition plates 14 are inserted into the structure 2, in each case between two adjacent channel plates 12.
  • the partition plates 14 are each arranged between a channel plate 12 and one of the adjacent intermediate plates 13.
  • sections of the channels 3 lying in the inlet sector 5 thus form the inlet channels 9, while sections of the channels 3 lying in the following sector 6 contain the partition walls 11 and thus form the following channels 10 (cf. FIG. 2).
  • the separating plates 14 are also expediently corrugated and / or folded, the corrugations or folds of the separating plates 14 running within the corrugations or folds of the adjacent duct plate 12. As a result, the waves or folds of the separating plates 14 also extend parallel to the waves or folds of the channel plates 12.
  • the amplitudes are the waves or folds of the separating plates 14 are dimensioned smaller than the amplitudes of the waves or folds of the channel plates 12.
  • the layer structure of structure 2 can be achieved, for example, by stacking a corresponding number of channel plates 12, intermediate plates 13 and separating plates 14 on top of one another.
  • the sheets 12, 13, 14 can be layered on top of one another by folding back and forth or by spiral winding.
  • the catalytic converter 1 thus has a common structure 2 or support structure 2 for all its channels 3, 9, 10, which forms a one-piece unit for the inlet sector 5 and the subsequent sector 6.
  • the catalyst 1 is used to burn part of a gaseous fuel-oxidizer mixture flowing through the catalyst 1.
  • a catalyst 1 is preferably used in a burner of a power plant.
  • the channel, intermediate and separating plates 12, 13, 14 are each catalytically active on one side, in particular coated with a catalytically active layer or catalyst layer 15.
  • the orientation of the sheets 12, 13, 14 expediently takes place when the structure 2 is assembled in such a way that catalytically active channels and catalytically inactive channels alternate both in the inlet sector 5 and in the subsequent sector 6.
  • the catalytically active channels differ from the catalytically inactive channels in that at least one boundary wall is provided with the catalyst layer 15 in the catalytically active channels, while in the catalytically inactive channels none of the boundary walls is provided with the catalyst layer 15.
  • all narrow following channels 10 are catalytically active, while the wide following channels 10 'are catalytically inactive.
  • the inlet channels 9 and the subsequent channels 10 in the upper and in the lower channel are catalytically active, while in the middle channel 3 the inlet channel 9 and the subsequent channels 10 are catalytically inactive. It is essential, however, that appropriately catalytically active follow-up channels are each formed not by wide but by close follow-up channels 10.
  • the length of the partition walls 11 denoted by Umaii.u in the catalytically inactive secondary channels 10 is greater than the length denoted by Um a ii , c of the partition walls 11 in the catalytically active secondary channels 10.
  • ar g e , u designated distance between the beginning of the catalytically inactive small secondary channels 10 and the inlet 8 of the catalytic converter 1 is smaller than one with L
  • the back pressure in the catalytically inactive secondary channels 10 increases, as a result of which the incoming mixture flow is distributed more proportionally to the catalytically active secondary channels 10.
  • the length Um a ii, u of the partition walls 11 of the catalytically inactive secondary channels 10 can also be smaller than the length L srna ⁇ , c of the partition walls 11 in the catalytically active secondary channels 10.
  • the result in the catalytic active channels 3 reduced flow speeds, which enables reliable ignition of the heterogeneous combustion reaction with a shortened barrel length, in particular in the catalytically active inlet channels 9.
  • hydrodynamic boundary layers 16 develop on the walls of the inlet channels 9 and the subsequent channels 10. Such a boundary layer 16 begins to develop on a leading edge 19, which is indicated in FIG. 3 on the partition 11. After a certain run length, which depends on the respective channel cross-section, a fully developed limit Build up layer 16. The length until the developed boundary layer 16 is present is also referred to as the development length, which is denoted by 17 in FIG. 3. A broken line symbolizes the end of the development length 17 or the beginning of the developed boundary layer 16.
  • the dimensioning of the catalyst 1 is expediently such that the partition walls 11 only begin downstream of the development length 17. It is taken into account here that a developed boundary layer 16 favors the formation of a diffusion-controlled reaction on the catalytically active surfaces. In the presence of the diffusion-controlled reaction, the fuel-oxidizer mixture ignited, so that there is heterogeneous combustion.
  • a possible position, from which a diffusion-controlled reaction is present is identified by a further broken line and designated 18.
  • the dimensioning of the catalytic converter 1 is expediently such that the partition walls 11 only begin downstream of this point 18, that is to say in an area in which a diffusion-controlled reaction is already present.
  • the transition between the inlet channel 9 and the subsequent channels 10 or between the inlet sector 5 and the subsequent sector 6 takes place within the catalytically active channels 9, 10.
  • the catalyst 1 is dimensioned such that a first distance 20 between the leading edge 19 or the transition 19 and the beginning 18 of the diffusion-controlled reaction and a second distance 21 between the leading edge 19 or the transition 19 and the beginning of the developed boundary layer 16 is observed.
  • the boundary line between the developing boundary layer and the developed boundary layer 16 is designated by 22 in FIG. 3.
  • the dimensioning conditions mentioned each relate to a nominal operating state of the catalytic converter 1, that is to say in particular to a nominal operating state of the burner equipped with the catalytic converter 1. Further dimensioning criteria can be:
  • the length of the inlet sector 5 in the catalytically active channels 3, i.e. the distance from the inlet 8 to the leading edge 19 of the partition walls 11, is approximately 30 times greater than an average channel cross section in the inlet sector 5.
  • the Distance between the partition walls 11 and the inlet 8 also be about 10-60% of the total length of the catalyst 1.
  • this distance can be selected to be 10-60 mm in size.
  • a further peculiarity that results from the construction of the present catalytic converter 1 according to the invention is seen in the fact that the inlet channels 9 can transmit heat to the partition 11 by radiation at least in the vicinity of the transition to the subsequent channels 10, as a result of which the cooling takes place of the catalyst 1 improved at least at the end of the inlet sector 5. Calculations show that up to 30% of the heat generated by the hot walls can be radiated onto the cooler surfaces. Furthermore, the catalytic activity at the beginning of the partition 11 can be supported.
  • a mixing zone 23 can be formed at the transition between inlet sector 5 and subsequent sector 6 or, as here directly in subsequent sector 6, in which flows can flow over from one channel to the adjacent channel. This is achieved through overflow openings 24 which are formed in the channel walls. For example, these overflow openings 24 can be left free in the channel plates 12 and the intermediate plates 13. Through these overflow openings 24, the adjacent channels, that is to say the following channels 10 here, can communicate with one another. Since the fuel-oxidizer mixture used for cooling of the catalytically inactive channels 3 passes into the catalytically active channels 3 as a result of this design, the overall conversion rate of the fuel can be increased. In order to increase the residence time of the fuel-oxidizer mixture in the catalytically active channels 3 and / or to improve the heat transport, at least some of the small catalytically active secondary channels 10 can be equipped with turbulators (not shown here).
  • the partition walls 11 have the same length in the catalytically active and in the catalytically inactive secondary channels 10, as a result of which the transition region 7 goes to zero and the successive sectors 5, 6 accordingly do not overlap.
  • the catalytically active coating or catalyst layer 15 can be designed in different ways.
  • the catalyst material can be applied in a punctiform manner in order to produce the largest possible catalytically active surfaces. It is also possible to apply the catalyst material in strips which extend transversely to the direction of flow and are spaced apart from one another. Furthermore, zones with different activities can be arranged distributed. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator (1) zum Verbrennen zumindest eines Teils eines den Katalysator (1) durchströmenden gasförmigen Brennstroff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für einen Brenner einer Kraftwerksanlage. Ein Einlasssektor (5) weist Einlasskanäle (9) auf. Ein Folgesektor (6) weist Folgekanäle (10) auf. Die Folgekanäle (10) haben kleinere Innenquerschnittsflächen als die Einlasskanäle (9).Um die Herstellung des Katalysators (1) zu verbessern, werden Kanäle (3) vorgeschlagen, die sich durch den Einlasssektor (5) und durch den Folgesektor (6) erstrecken und die die Innenquerschnittsfläche der Einlasskanäle (9) aufweisen. Die Einlasskanäle (9) sind durch im Einlasssektor (5) liegende Abschnitte der Kanäle (3) gebildet. Die Folgekanäle (10) sind dadurch gebildet, dass bei den Kanälen (3) in im Folgesektor (6) liegenden Abschnitten Trennwände (11) angeordnet sind, die im Folgesektor (6) die jeweiligen Kanalabschnitte jeweils in zwei Folgekanäle (10) unterteilen.

Description

Katalysator
Technisches Gebiet
Die vorliegende 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 4,154,568 ist ein Katalysator der eingangs genannten Art bekannt, dessen Körper aus mehreren, in einer Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators hintereinander angeordneten Teilkörpern zusammengesetzt ist. Die einzelnen Teilkörper sind dabei jeweils als Monolithen ausgebildet, die jeweils einen Sektor des Katalysators bilden. Der zuerst durchströmte Monolith enthält somit einen Einlass des Katalysators und bildet somit einen Einlasssektor, während die nachfolgenden Monolithen Folgesektoren bilden. Die einzelnen Monolithen enthalten dabei Kanäle, die auch als Zellen bezeichnet werden. In der Hauptdurchströmungsrichtung nimmt beim bekannten Katalysator die Zellendichte zu, während die Zellengröße abnimmt. Mit anderen Worten, die im Einlasssektor ausgebildeten und in einer kleineren Anzahl vorliegenden Einlasskanäle besitzen jeweils größere Innenquerschnittsflächen als die in einer größeren Anzahl vorliegenden Folgekanäle der daran anschließenden Folgesektoren. Durch diese Ausgestaltung soll beim bekannten Katalysator erreicht werden, dass am Einlass eine verbesserte Zündung und innerhalb des Katalysators eine vollständige Verbrennung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs erfolgt.
Aus der US 5,346,389 ist ein Katalysator bekannt, der mehrere katalytisch aktive Kanäle und mehrere katalytisch inaktive Kanäle aufweist. Dieser Katalysator wird mit Hilfe von zick-zack-förmig gewellten oder gefalteten Blechen hergestellt, die durch Aufeinanderlegen, 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. In den katalytisch aktiven Kanälen erfolgt die Umsetzung bzw. Verbrennung des Brennstoff-Oxidator- Gemischs. In den unbeschichteten 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.
Die bekannten Katalysatoren benötigen in der Regel einen relativ großen Bauraum, der bei bestimmten Einbausituationen, insbesondere bei einem Brenner einer Kraftwerksanlage, nicht zur Verfügung steht. Insbesondere dann, wenn ein höherer Konversionsgrad des im Gemisch mitgeführten Brennstoffs bei der Durchströmung des Katalysators erreicht werden soll, führt dies regelmäßig in der Hauptdurchströmungsrichtung zu einer relativ langen Bauweise. Gerade bei Gasturbinenanwendungen ist jedoch eine relativ kurze Bauweise in Verbindung mit einem relativ hohen Konversionsgrad erwünscht.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Er indung 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 vergleichsweise kompakt baut und mit deren Hilfe ein vergleichsweise hoher Konvertierungsgrad im Brennstoff-Oxidator-Gemisch erzielt werden kann.
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 mit den kleineren Innen- querschnittsflächen ausgestatteten Folgekanäle dadurch auszubilden, dass im Folgesektor Trennwände in Kanäle eingebracht werden, die sich bis in den Einlasssektor erstrecken und dort die Einlasskanäle bilden. Auf diese Weise werden die mit den Trennwänden versehenen Kanäle im Folgesektor in zwei oder mehr Folgekanäle unterteilt, die jeweils eine kleinere Innenquerschnittsfläche besitzen als die Einlasskanäle. Der Aufwand zur Herstellung eines derartigen Katalysators ist relativ gering, da die Trennwände bei einer entsprechenden Bauweise relativ einfach in den Folgesektor integriert werden können. Durch die vorgeschlagene Bauweise lässt sich außerdem eine vergleichsweise hohe Zellendichte erreichen, was die Konvertierungsrate erhöht und die Abmessungen des Katalysators reduziert.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Länge des Einlasssektors in der Hauptdurchströmungsrichtung so gewählt ist, dass in einem Nennbetriebszustand des Katalysators, insbesondere des damit ausgestatteten Brenners, innerhalb des Einlasssektors eine diffusionskontrollierte Reaktion an den katalytischen Oberflächen der katalytisch aktiven Einlasskanäle vorliegt. Diese Ausführungsform berücksichtigt, dass bei Erreichen des durch die Diffusion kontrollierten, also begrenzten Reaktionsvorgangs bei einer größeren Länge des Einlasssektors nur noch ein vergleichsweise geringer Anstieg der Konvertierungsrate erzielbar ist, während im nachfolgenden Folgesektor insbesondere durch die größere katalytisch aktive Oberfläche bei größere Länge die Konvertierungsrate deutlich ansteigt. Insbesondere kann im Folgesektor ein Zustand mit thermisch begrenzter Reaktion erreicht werden, in dem eine Begrenzung der Reaktion durch Diffusionsvorgänge keine oder nur eine untergeordnete Bedeutung hat, so dass die Umwandlungsrate im wesentlichen durch die vorherrschende Temperatur bestimmt ist.
Der Katalysator kann auch so gestaltet werden, dass die Länge des Einlasssektors in der Hauptdurchströmungsrichtung größer ist als die Entwicklungslänge einer sich in einem Nennbetriebszustand des Katalysators, insbesondere des damit ausgestatteten Brenners, in den Kanälen ausbildenden hydrodynamischen Grenzschicht. Diese Auslegung berücksichtigt, dass sich eine diffusionsbegrenzte bzw. diffusionskontrollierte Reaktion (eher) in einer entwickelten Grenzschichtströmung ausbildet. Desweiteren wird hier die Erkenntnis genutzt, dass bei größeren Innenquerschnittsflächen aufgrund der schnelleren Umwandlung von laminar in turbulent die Entwicklungslänge der Grenzschicht kürzer ist und dass in einer entwickelten Grenzschicht im Vergleich zu einer sich noch entwickelnden Grenzschicht nur eine reduzierte Wärmeableitung möglich ist. Dementsprechend kann bei den Einlasskanälen mit den größeren Innenquerschnittsflächen bereits entlang einer kurzen Länge eine heterogene Katalysatorreaktion gezündet werden. Der Katalysator baut dadurch vergleichsweise kurz.
Bei einer Weiterbildung wird die Dimensionierung des Katalysators gezielt so gewählt, dass zwischen derjenigen Stelle, ab der im Nennbetriebszustand des Katalysators die diffusionskontrollierte Oberflächenreaktion vorliegt und/oder ab der im Nennbetriebszustand des Katalysators eine entwickelte hydrodynamische Grenzschicht vorliegt, und einem Übergang vom Eingangssektor zum Folgesektor ein vorbestimmter Abstand vorliegt, der so gewählt ist, dass die heterogene Verbrennungsreaktion in den katalytisch aktiven Folgekanälen im Nennbetriebszustand des Katalysators nicht erlischt. Da beim Übergang in die Folgekanäle eine sehr viel größere Oberfläche und - je nach Ausführungsform - eine erheblich verbesserte Kühlung vorhanden ist, könnte ein Übergang, der zu nahe an der Entwicklungslänge der Grenzschicht bzw. zu nahe an der Zündstelle der heterogenen Katalysatorreaktion liegt, zu einem Erlöschen der heterogenen Reaktion führen.
Für den erfindungsgemäßen Katalysator kann insbesondere dann ein besonders preiswerter Aufbau erreicht werden, wenn die Kanäle durch gewellte und/oder gefaltete Kanalbleche gebildet sind, die quer zur Hauptdurchströmungsrichtung aufeinander geschichtet sind und deren Wellen und/oder Falten sich in der Hauptdurchströmungsrichtung erstrecken. Die Trennwände sind dann durch Trennbleche gebildet, die quer zur Hauptdurchströmungsrichtung zwischen zwei benachbarten Kanalblechen im Folgesektor angeordnet sind. Die Bleche sind wenigstens an einer Seite katalytisch aktiv ausgebildet, derart, dass bei zusammen- gebautem Katalysator katalytisch aktive Einlasskanäle sowie katalytisch aktive Folgekanäle vorliegen. Bei dieser Bauweise können die Trennwände in Form der Trennbleche bereits beim Aufbau des Katalysators in diesen integriert werden. Die Herstellung der Sektoren mit Kanälen unterschiedlicher Innenquerschnittsflächen wird dadurch erheblich vereinfacht.
Von besonderem Interesse ist dabei eine Weiterbildung, bei der die Trennbleche ebenfalls gewellt und/oder gefaltet sind, wobei sich die Wellen und/oder Falten der Trennbleche parallel zu den Wellen und/oder Falten der Kanalbleche erstrecken und wobei die Wellen und/oder Falten der Trennbleche kleinere Amplituden aufweisen als die Wellen und/oder Falten der Kanalbleche. Durch diese Bauweise ist gewährleistet, dass die Trennbleche beim Stapeln bzw. Aufeinanderschichten der Bleche im Folgesektor innerhalb der Wellen bzw. Falten der Kanalbleche separate Folgekanäle mit kleineren Innenquerschnittsflächen ausbilden.
Um zur Erzielung einer erhöhten Umsatzrate den Katalysator besser kühlen zu können, können sowohl im Bereich der Einlasskanäle als auch im Bereich der Folgekanäle katalytisch aktive Kanäle und katalytisch inaktive Kanäle einander abwechselnd angeordnet sein. Die durch die katalytisch inaktiven Kanäle geführte Strömung dient dann zur Kühlung also zur Abfuhr der Wärme, die sich während der Reaktion in den katalytisch aktiven Kanälen ausbildet. Für eine hohe Umsatzrate ist es dabei zweckmäßig, die katalytisch aktiven Folgekanäle jeweils durch solche Folgekanäle zu bilden, die mit der kleineren Innenquerschnittsfläche ausgestattet sind. Für die Kühlung ist es dabei nicht zwingend erforderlich, die katalytisch inaktiven Folgekanäle mit den reduzierten Innenquerschnittsflächen, also mit den Trennwänden auszustatten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung besitzt der Katalysator jedoch katalytisch inaktive Folgekanäle mit kleinerer Innenquerschnittsfläche. Durch den Einbau der Trennwände auch in die katalytisch inaktiven Folgekanäle kann der Durchströmungswiderstand der katalytisch inaktiven Folgekanäle beeinflusst werden, wodurch sich die Aufteilung der dem Katalysator zugeführten Strömung auf die kata- lytisch aktiven und auf die katalytisch inaktiven Kanäle beeinflussen lässt. Beispielsweise kann ein Abstand vom Katalysatoreinlass zum Beginn der katalytisch inaktiven Folgekanäle mit kleinerer Innenquerschnittsfläche größer sein also ein Abstand vom Katalysatoreinlass zum Beginn der katalytisch aktiven Folgekanäle mit kleinerer Innenquerschnittsfläche. Bei dieser Ausführungsform ist der Druckabfall in den katalytisch aktiven Folgekanälen kleiner als in den entsprechenden katalytisch inaktiven Folgekanälen. Dementsprechend ist der Massenstrom der brennbaren Brennstoff-Oxidator-Mischung durch die katalytisch aktiven Kanäle größer, mit der Folge, dass eine größere Konvertierungsrate des Brennstoffs erzielt werden kann. Wenn im Unterschied dazu der Abstand vom Katalysatoreinlass zum Beginn der katalytisch inaktiven Folgekanäle mit kleinerer Innenquerschnittsfläche kleiner ist als der Abstand vom Katalysatoreinlass zum Beginn der katalytisch aktiven Folgekanäle, ist der Druckabfall in den katalytisch inaktiven Folgekanälen kleiner. Hierdurch kommt es in den katalytisch aktiven Folgekanälen zu reduzierten Strömungsgeschwindigkeiten, was das Entzünden der heterogenen Reaktion bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ermöglicht. Unabhängig von ihrer Länge können die Trennwände zur Ausbildung der katalytisch inaktiven Folgekanäle mit kleineren Innenquerschnittsflächen die Ableitung der in den katalytisch aktiven Folgekanälen gebildeten Wärme verbessern, da sich die Zwischenwände durch die von den Wänden der benachbarten katalytisch aktiven Kanäle abgestrahlte Wärme erhitzen und gleichzeitig vom kühlenden Gemisch umströmt werden.
Engere Folgekanäle, also diejenigen Folgekanäle mit kleineren Innenquerschnittsflächen, behindern außerdem die Selbstentzündung einer homogenen Verbrennungsreaktion im Brennstoff-Oxidator-Gemisch innerhalb der Folgekanäle, da bei kleineren Innenquerschnittsflächen Radikale, die sich während der heterogenen Verbrennungsreaktion bilden, besser gebunden werden können, was auch als Verbesserung des „RADICAL QUENCHING" (Eliminierung von Radikalen) bezeichnet wird. 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 Frontansicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Katalysators,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Katalysator nach der Erfindung entsprechend den Schnittlinien II in Fig. 1 , jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
Fig. 3 einen Längsschnitt wie in Fig. 2, jedoch bei einem Detail im Bereich eines Übergangs zwischen einem Einlasskanal und zwei Folgekanälen,
Fig. 4 eine Ansicht wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 und 2 besitzt ein erfindungsgemäßer Katalysator 1 eine Struktur 2, die mehrere, parallel zueinander verlaufende Kanäle 3 aufweist oder ausbildet, die parallel zu einer, in Fig. 2 durch Pfeile angedeuteten Hauptdurchströmungsrichtung 4 des Katalysators 1 verlaufen. Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform, verlaufen die Kanäle 3 außerdem geradlinig. Entsprechend Fig. 2 ist der Katalysator 1 bzw. seine Struktur 2 in der Hauptdurchströmungsrichtung 4 in wenigstens zwei Sektoren, nämlich einen vorangehenden ersten Sektor 5 und einen nachfolgenden zweiten Sektor 6 unterteilt. Die Sektoren 5, 6 sind in Fig. 2 durch geschweifte Klammern charakterisiert, wobei deutlich wird, dass sich die beiden Sektoren 5, 6 in einem ebenfalls durch eine geschweifte Klammer gekennzeichneten Übergangsbereich 7 gegenseitig überlappen. Der vorangehende erste Sektor 5 enthält einen Einlass 8 des Katalysators 1 und wird daher im folgenden auch als Einlasssektor 5 bezeichnet, während der nachfolgende zweite Sektor 6 im folgenden auch als Folgesektor 6 bezeichnet wird. In entsprechender Weise enthält der Einlasssektor 5 Einlasskanäle 9, während der Folgesektor 6 Folgekanäle 10 enthält.
Einlasssektor 5 und Folgesektor 6 unterscheiden sich dadurch voneinander, dass einige der Folgekanäle 10 jeweils eine kleinere Innenquerschnittsfläche aufweisen als die Einlasskanäle 9. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besitzen alle Folgekanäle 10 eine kleinere Innenquerschnittsfläche als die Einlasskanäle 9. Im Unterschied dazu sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auch solche, mit 10' bezeichnete Folgekanäle vorgesehen, die die gleiche Innenquerschnittsfläche wie die Einlasskanäle 9 aufweisen. Die Folgekanäle 10, die mit einer kleineren Innenquerschnittsfläche ausgestattet sind, werden im folgenden auch als kleine oder enge Folgekanäle 10 bezeichnet, während den anderen als große oder weite Einlasskanäle 9 oder Folgekanäle 10' (Fig. 1) bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß werden die kleinen Folgekanäle 10 dadurch hergestellt, dass im Folgesektor 6 in die, die ganze Struktur 2 des Katalysators 1 durchsetzenden Kanäle 3 Trennwände 11 eingebracht werden. Diese Trennwände 11 unterteilen den jeweiligen Kanal 3 innerhalb des Folgesektors 6 in mehrere, also in wenigstens zwei parallele, separate Teilkanäle, welche die engen Folgekanäle 10 bilden. Da sich die Trennwände 11 nur innerhalb des Folgesektors 6 erstrecken, bilden die durchgehenden Kanäle 3 im Einlasssektor 5 die großen Einlasskanäle 9. Dementsprechend besitzen die Einlasskanäle 9 dieselbe große Innenquerschnittsfläche wie die durchgehenden Kanäle 3. Entsprechend Fig. 1 kann der Katalysator 1 vorzugsweise dadurch hergestellt werden, dass gewellte und/oder gefaltete Kanalbleche 12 so aufeinander gestapelt oder geschichtet werden, dass ihre Wellen oder Falten die Kanäle 3 bilden. Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist zwischen zwei benachbarten Kanalblechen 12 zusätzlich jeweils ein Zwischenblech 13 eingelegt, das ungefaltet bzw. ungewellt ist. Hierdurch wird insbesondere bei dem exemplarisch in Fig. 1 gezeigten Wellen- bzw. Faltenmuster das Ausbilden separater Kanäle 3 erheblich vereinfacht, da die Zwischenbleche 13 die benachbarten Kanalbleche 12 quer zur Hauptdurchströmungsrichtung 4 voneinander trennen und somit ein Ineinanderschieben aneinander grenzender Berge und Täler der Wellen bzw. Falten verhindern. Um bereits bei diesem Schichtaufbau die Trennwände 11 zur Ausbildung der engen Folgekanäle 10 zu berücksichtigen, werden Trennbleche 14 in die Struktur 2 eingelegt und zwar jeweils zwischen zwei benachbarten Kanalblechen 12. Bei der hier gezeigten, mit den Zwischenblechen 13 ausgestatteten Ausführungsform sind die Trennbleche 14 jeweils zwischen einem Kanalblech 12 und einem der benachbarten Zwischenbleche 13 angeordnet.
Bei dieser Bauweise bilden somit im Einlasssektor 5 liegende Abschnitte der Kanäle 3 die Einlasskanäle 9, während im Folgesektor 6 liegende Abschnitte der Kanäle 3 die Trennwände 11 enthalten und somit die Folgekanäle 10 bilden (vgl. Fig. 2).
Zweckmäßig sind auch die Trennbleche 14 gewellt und/oder gefaltet, wobei die Wellen bzw. Falten der Trennbleche 14 innerhalb der Wellen oder Falten des benachbarten Kanalblechs 12 verlaufen. Hierdurch erstrecken sich auch die Wellen bzw. Falten der Trennbleche 14 parallel zu den Wellen bzw. Falten der Kanalbleche 12. Um innerhalb der durch die Wellen bzw. Falten der Kanalbleche 12 gebildeten Kanäle 3 erfindungsgemäß die schmalen Folgekanäle 10 ausbilden zu können, sind die Amplituden der Wellen bzw. Falten der Trennbleche 14 kleiner dimensioniert als die Amplituden der Wellen bzw. Falten der Kanalbleche 12. Der Schichtaufbau der Struktur 2 kann beispielsweise durch ein Aufeinanderstapeln einer entsprechenden Anzahl Kanalbleche 12, Zwischenbleche 13 und Trennbleche 14 erfolgen. Ebenso können die Bleche 12, 13, 14 durch Hin- und Herfalten oder durch spiralförmiges Aufwickeln aufeinander geschichtet werden. Der Katalysator 1 besitzt somit nach seinem Zusammenbau für alle seine Kanäle 3, 9, 10 eine gemeinsame Struktur 2 oder Tragstruktur 2, die eine einteilige Einheit für den Einlasssektor 5 und den Folgesektor 6 bildet.
Der Katalysator 1 wird zum Verbrennen eines Teils eines den Katalysator 1 durchströmenden gasförmigen Brennstoff-Oxidator-Gemischs verwendet. Ein derartiger Katalysator 1 kommt vorzugsweise in einem Brenner einer Kraftwerksanlage zur Anwendung. Um seine katalytische Wirkung entfalten zu können, sind bei der hier gezeigten Ausführungsform die Kanal-, Zwischen- und Trennbleche 12, 13, 14 jeweils einseitig katalytisch aktiv ausgebildet, insbesondere mit einer katalytisch aktiven Schicht oder Katalysatorschicht 15 beschichtet. Die Orientierung der Bleche 12, 13, 14 erfolgt beim Zusammenbau der Struktur 2 zweckmäßig so, dass sich alternierend sowohl im Einlasssektor 5 als auch im Folgesektor 6 katalytisch aktive Kanäle und katalytisch inaktive Kanäle abwechseln. Die katalytisch aktiven Kanäle unterscheiden sich von den katalytisch inaktiven Kanälen dadurch, dass bei den katalytisch aktiven Kanälen wenigstens eine Begrenzungswand mit der Katalysatorschicht 15 versehen ist, während bei den katalytisch inaktiven Kanälen keine der Begrenzungswände mit der Katalysatorschicht 15 versehen ist. Beispielsweise sind in Fig. 1 alle engen Folgekanäle 10 katalytisch aktiv, während die weiten Folgekanäle 10' katalytisch inaktiv sind. Im Unterschied dazu sind in Fig. 2 im oberen und im unteren Kanal die Einlasskanäle 9 und die Folgekanäle 10 katalytisch aktiv, während im mittleren Kanal 3 der Einlasskanal 9 und die Folgekanäle 10 katalytisch inaktiv sind. Wesentlich ist jedoch, dass zweckmäßig katalytisch aktive Folgekanäle jeweils nicht durch weite, sondern durch enge Folgekanäle 10 gebildet sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind demnach auch katalytisch inaktive enge Folgekanäle 10 vorhanden, die im mittleren Kanal 3 ausgebildet sind. Bemer- kenswert ist hierbei, dass die Trennwände 11 der katalytisch inaktiven Folgekanäle 10 in der Hauptdurchströmungsrichtung 4 eine andere Länge aufweisen können als die Trennwände 11 der katalytisch aktiven Folgekanäle 10. Durch die unterschiedlichen Längen der Trennwände 11 wird die Überlappung der Segmente 5, 6 im Übergangsbereich 7 bestimmt. Es ist klar, dass die Trennwände 11 bei den katalytisch aktiven und bei den katalytisch inaktiven Folgekanälen 10 grundsätzlich auch gleich groß sein können.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist jedoch die mit Umaii.u bezeichnete Länge der Trennwände 11 in den katalytisch inaktiven Folgekanälen 10 größer als die mit Umaii, c bezeichnete Länge der Trennwände 11 in den katalytisch aktiven Folgekanälen 10. Mit anderen Worten, ein mit L|arge, u bezeichneter Abstand zwischen dem Beginn der katalytisch inaktiven kleinen Folgekanäle 10 und dem Einlass 8 des Katalysators 1 ist hier kleiner als ein mit L|arge, c bezeichneter Abstand zwischen dem Einlass 8 und dem Beginn der katalytisch aktiven kleinen Folgekanäle 10. Durch diese Ausführungsform steigt der Gegendruck in den katalytisch inaktiven Folgekanälen 10, wodurch die ankommende Gemischströmung sich anteilsmäßig stärker auf die katalytisch aktiven Folgekanäle 10 verteilt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann auch die Länge Umaii, u der Trennwände 11 der katalytisch inaktiven Folgekanäle 10 kleiner sein, als die Länge Lsrnaιι, c der Trennwände 11 in den katalytisch aktiven Folgekanälen 10. Bei dieser Variante ergeben sich in den katalytisch aktiven Kanälen 3 reduzierte Strömungsgeschwindigkeiten, die insbesondere in den katalytisch aktiven Einlasskanälen 9 eine sichere Zündung der heterogenen Verbrennungsreaktion bei einer verkürzten Lauflänge ermöglicht.
Entsprechend Fig. 3 entwickeln sich an den Wänden der Einlasskanäle 9 und der Folgekanäle 10 hydrodynamische Grenzschichten 16 aus. Eine derartige Grenzschicht 16 beginnt sich an einer Anströmkante 19 zu entwickeln, was in Fig. 3 an der Trennwand 11 angedeutet ist. Nach einer bestimmten Lauf länge, die vom jeweiligen Kanalquerschnitt abhängt, kann sich eine vollständig entwickelte Grenz- Schicht 16 aufbauen. Die Länge, bis zum Vorhandensein der entwickelten Grenzschicht 16 wird auch als Entwicklungslänge bezeichnet, die in Fig. 3 mit 17 benannt ist. Eine unterbrochene Linie symbolisiert dabei das Ende der Entwicklungslänge 17 bzw. den Beginn der entwickelten Grenzschicht 16.
Die Dimensionierung des Katalysators 1 erfolgt entsprechend Fig. 3 zweckmäßig so, dass die Trennwände 11 erst stromab der Entwicklungslänge 17 beginnen. Hierbei wird berücksichtigt, dass eine entwickelte Grenzschicht 16 die Ausbildung einer diffusionskontrollierten Reaktion an den katalytisch aktiven Oberflächen begünstigt. Bei Vorliegen der diffusionskontrollierten Reaktion hat das Brennstoff- Oxidator-Gemisch gezündet, so dass eine heterogene Verbrennung vorliegt. In Fig. 3 ist eine mögliche Position, ab welcher eine diffusionskontrollierte Reaktion vorliegt, durch eine weitere unterbrochene Linie gekennzeichnet und mit 18 bezeichnet. Die Dimensionierung des Katalysators 1 erfolgt zweckmäßig so, dass die Trennwände 11 erst stromab dieser Stelle 18, also in einem Bereich beginnen, in dem bereits eine diffusionskontrollierte Reaktion vorliegt.
An der Anströmkante 19 der gezeigten Trennwand 11 erfolgt der Übergang zwischen Einlasskanal 9 und Folgekanälen 10 bzw. zwischen Einlasssektor 5 und Folgesektor 6 innerhalb der katalytisch aktiven Kanäle 9, 10. Damit die im Einlasskanal 9 entzündete Reaktion beim Übergang in die Folgekanäle 10 nicht erlischt, erfolgt die Dimensionierung des Katalysators 1 so, dass zwischen der Anströmkante 19 bzw. dem Übergang 19 und dem Beginn 18 der diffusionskontrollierten Reaktion ein erster Abstand 20 und zwischen der Anströmkante 19 bzw. dem Übergang 19 und dem Beginn der entwickelten Grenzschicht 16 ein zweiter Abstand 21 eingehalten wird. Die Grenzlinie zwischen sich entwickelnder Grenzschicht und entwickelter Grenzschicht 16 ist in Fig. 3 mit 22 bezeichnet.
Die genannten Dimensionierungsbedingungen beziehen sich dabei jeweils auf einen Nennbetriebszustand des Katalysators 1 , also insbesondere auf einen Nennbetriebszustand des mit dem Katalysator 1 ausgestatteten Brenners. Weitere Dimensionierungskriterien können sein:
Entsprechend den Fig. 2 und 3 ist die Länge des Einlasssektors 5 in den katalytisch aktiven Kanälen 3, also der Abstand vom Einlass 8 bis zur Anströmkante 19 der Trennwände 11 etwa 30 mal größer als ein mittlerer Kanalquerschnitt im Einlasssektor 5. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen den Trennwänden 11 und dem Einlass 8 auch etwa 10-60% der Gesamtlänge des Katalysators 1 betragen. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Abstand 10-60 mm groß gewählt sein.
Eine weitere Besonderheit, die sich durch den erfindungsgemäßen Aufbau des vorliegenden Katalysators 1 ergibt, wird darin gesehen, dass die Einlasskanäle 9 zumindest in der Nähe des Übergangs zu den Folgekanälen 10 Wärme durch Ab- strahlung an die Trennwand 11 übertragen können, wodurch sich die Kühlung des Katalysators 1 zumindest am Ende des Einlasssektors 5 verbessert. Berechnungen zeigen, dass bis zu 30% der von den heißen Wänden erzeugten Wärme auf die kühleren Oberflächen abgestrahlt werden kann. Desweiteren kann dadurch die katalytische Aktivität am Anfang der Trennwand 11 unterstützt werden.
Entsprechend Fig. 4 kann am Übergang zwischen Einlasssektor 5 und Folgesektor 6 oder wie hier direkt im Folgesektor 6 eine Mischzone 23 ausgebildet sein, in der Strömungen von einem Kanal zum benachbarten Kanal überströmen können. Erreicht wird dies durch Überströmöffnungen 24, die in den Kanalwänden ausgebildet sind. Beispielsweise können diese Überströmöffnungen 24 in den Kanalblechen 12 und den Zwischenblechen 13 ausgespart sein. Durch diese Überströmöffnungen 24 können die benachbarten Kanäle, also hier die Folgekanäle 10 miteinander kommunizieren. Da durch diese Bauweise das zur Kühlung verwendete Brennstoff-Oxidator-Gemisch der katalytisch inaktiven Kanäle 3 in die katalytisch aktiven Kanäle 3 übertritt, kann insgesamt die Umsetzungsrate des Brennstoffs gesteigert werden. Um die Verweildauer des Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den katalytisch aktiven Kanälen 3 zu erhöhen und/oder zur Verbesserung des Wärmetransports können zumindest einige der kleinen katalytisch aktiven Folgekanäle 10 mit hier nicht dargestellten Turbulatoren ausgestattet sein.
Um die in der Gasphase der katalytisch inaktiven Kanäle bei hohen Temperaturen entstehenden Radikale besser neutralisieren zu können, kann es außerdem vorgesehen sein, wenigstens einige der engen katalytisch inaktiven Folgekanäle 10 mit einem Material, beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierung, zu versehen, das für diese Radikale absorbierend wirkt. Durch diese Neutralisierung oder Deaktivierung der Radikale wird die Zündung einer homogenen Verbrennung im Gasgemisch behindert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die Trennwände 11 bei den katalytisch aktiven und bei den katalytisch inaktiven Folgekanälen 10 gleich lang, wodurch der Übergangsbereich 7 gegen Null geht und sich die aufeinander folgenden Sektoren 5, 6 dementsprechend nicht überlappen.
Die katalytisch aktive Beschichtung oder Katalysatorschicht 15 kann auf unterschiedliche Wiese ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Katalysatormaterial punktförmig aufgetragen sein, um möglichst große katalytisch aktive Oberflächen zu erzeugen. Ebenso ist es möglich, das Katalysatormaterial in Streifen aufzutragen, die sich quer zur Strömungsrichtung erstrecken und die Strömungsrichtung voneinander beabstandet sind. Desweiteren können Zonen mit unterschiedlichen Aktivitäten verteilt angeordnet sein. Bezugszeichenliste
Katalysator
Struktur
Kanal
Hauptdurchströmungsrichtung
Einlasssektor
Folgesektor
Übergangsbereich
Einlass
Einlasskanal
Folgekanal
Trennwand
Kanalblech
Zwischenblech
Trennblech
Katalysatorbeschichtung
Grenzschicht
Entwicklungslänge
Beginn diffusionskontrollierter Reaktion
Anströmkante
Abstand
Abstand
Beginn entwickelter Grenzschicht
Mischzone
Überströmöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Katalysator zum Verbrennen zumindest eines Teils eines den Katalysator (1) durchströmenden gasförmigen Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für einen Brenner einer Kraftwerksanlage,
- mit einem einen Einlass (8) des Katalysators (1) aufweisenden Einlasssektor (5), der parallel durchströmbare Einlasskanäle (9) aufweist,
- mit einem den Einlasssektor (5) in einer Hauptdurchströmungsrichtung (4) des Katalysators (1) nachfolgenden Folgesektor (6), der parallel durchströmbare Folgekanäle (10) aufweist,
- wobei zumindest einige der Folgekanäle (10) eine kleinere Innenquerschnittsfläche aufweisen als die Einlasskanäle (9), dadurch gekennzeichnet,
- dass die Einlasskanäle (9) und die Folgekanäle (10) aus Kanälen (3) gebildet sind, welche sich durch den Einlasssektor (5) und durch den Folgesektor (6) erstrecken und welche die Innenquerschnittsfläche der Einlasskanäle (9) aufweisen,
- dass die Einlasskanäle (9) durch im Einlasssektor (5) liegende Abschnitte der Kanäle (3) gebildet sind,
- dass die Folgekanäle (9) mit kleinerer Innenquerschnittsfläche dadurch ausgebildet sind, dass bei mehreren oder allen Kanälen (3) in im Folgesektor (6) liegenden Abschnitten der Kanäle (3) Trennwände (11) angeordnet sind, die im Folgesektor (6) die jeweiligen Kanalabschnitte jeweils in wenigstens zwei Folgekanäle (10) unterteilen.
2. Katalysator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei katalytisch aktiven Kanälen (3, 9, 10) die Länge des Einlasssektors (5) in der Hauptdurchströmungsrichtung (4) so gewählt ist, dass in einem Nennbetriebszustand des Katalysators (1), insbesondere des damit ausgestatteten Brenners, innerhalb des Einlasssektors (5) eine diffusionskontrollierte Reaktion an den katalytischen Oberflächen katalytisch aktiver Einlasskanäle (9) vorliegt.
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei katalytisch aktiven Kanälen (3, 9, 10) die Länge des Einlasssektors (5) in der Hauptdurchströmungsrichtung (4) größer ist als eine Entwicklungslänge (17) einer sich in einem Nennbetriebszustand des Katalysators (1), insbesondere des damit ausgestatteten Brenners, in den Einlasskanälen (9) ausbildenden hydrodynamischen Grenzschicht (16).
4. Katalysator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen derjenigen Stelle (18; 22), ab der im Nennbetriebszustand des Katalysators (1) die diffusionskontrollierte Oberflächenreaktion vorliegt und/oder ab der im Nennbetriebszustand des Katalysators (1) eine entwickelte hydrodynamische Grenzschicht (16) vorliegt, und einem Übergang (19) vom Einlasssektor (5) zum Folgesektor (6) ein vorbestimmter Abstand (20; 21) vorliegt, der so gewählt ist, dass die heterogene Verbrennungsreaktion in den katalytisch aktiven Folgekanälen (10) im Nennbetriebszustand des Katalysators (1) nicht erlischt.
5. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den katalytisch aktiven Kanälen (3, 9, 10) die Länge des Einlasssektors (5) in der Hauptdurchströmungsrichtung (4)
- etwa 30 mal einem mittleren Kanalquerschnitt im Einlasssektor (5) entspricht und/oder
- etwa 10-60% der Gesamtlänge des Katalysators (1) entspricht und/oder
- etwa 10-60 mm entspricht.
6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kanäle (3) durch gewellte und/oder gefaltete Kanalbleche (12) gebildet sind, die quer zur Hauptdurchströmungsrichtung (4) aufeinander geschichtet sind und deren Wellen und/oder Falten sich in der Hauptdurchströmungsrichtung (4) erstrecken,
- dass die Trennwände (11) durch Trennbleche (14) gebildet sind, die quer zur Hauptdurchströmungsrichtung (4) zwischen zwei benachbarten Kanalblechen (12) im Folgesektor (6) angeordnet sind, - dass die Bleche (12, 14) wenigstens an einer Seite katalytisch aktiv ausgebildet sind, derart, dass bei zusammengebautem Katalysator (1) katalytisch aktive Einlasskanäle (9) und katalytisch aktive Folgekanäle (10) vorliegen.
7. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Trennbleche (14) ebenfalls gewellt und/oder gefaltet sind,
- dass sich Wellen und/oder Falten der Trennbleche (14) parallel zu den Wellen und/oder Falten der Kanalbleche (12) erstrecken,
- dass die Wellen und/oder Falten der Trennbleche (14) kleinere Amplituden aufweisen als die Wellen und/oder Falten der Kanalbleche (12).
8. Katalysator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass jeweils zwischen zwei benachbarten Kanalblechen (12) ein ungewelltes und/oder ungefaltetes Zwischenblech (13) angeordnet ist,
- dass die Trennbleche (14) dann jeweils zwischen einem Kanalblech (12) und einem dazu benachbarten Zwischenblech (13) angeordnet sind.
9. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Katalysator (1) katalytisch aktive Einlasskanäle (9) und katalytisch aktive Folgekanäle (10) sowie katalytisch inaktive Einlasskanäle (9) und katalytisch inaktive Folgekanäle (10) aufweist, die sich abwechselnd angeordnet sind,
- dass die katalytisch aktiven Folgekanäle jeweils durch Folgekanäle (10) mit kleinerer Innenquerschnittsfläche gebildet sind.
10. Katalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (1) katalytisch inaktive Folgekanäle (10) mit kleinerer Innenquerschnittsfläche aufweist.
11. Katalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (Liarge, u) vom Einlass (8) des Katalysators (1) zum Beginn der katalytisch inaktiven Folgekanäle (10) mit kleinerer Innenquerschnittsfläche größer oder klei- ner ist als ein Abstand (L|arge, c) vom Einlass (8) des Katalysators (1) zum Beginn der katalytisch aktiven Folgekanäle (10) mit kleinerer Innenquerschnittsfläche.
12. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im Folgesektor (6) oder am Übergang vom Einlasssektor (5) zum Folgesektor (6) eine Mischzone (23) ausgebildet ist, in welcher benachbarte Kanäle (10) miteinander kommunizierend verbunden sind.
13. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Folgekanäle (10) mit kleinerer Innenquerschnittsfläche mit Turbulatoren ausgestattet sind.
14. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der katalytisch inaktiven Folgekanäle (10) mit einem für Radikale, die im Nennbetriebszustand des Katalysators (1) in der Gasphase entstehen, absorbierend wirkenden Material ausgestattet sind.
15. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (9) und die Folgekanäle (10) in einer gemeinsamen Tragstruktur (2) ausgebildet sind, so dass Einlasssektor (5) und Folgesektor (6) eine einteilige Einheit bilden.
16. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Kanäle (9, 10) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (15) ausgestattet sind, die kontinuierlich, flächig, punktförmig und/oder in mehreren, in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Streifen aufgetragen ist.
EP03790604A 2002-08-30 2003-06-23 Katalysator Withdrawn EP1536887A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US40697502P 2002-08-30 2002-08-30
US406975P 2002-08-30
PCT/CH2003/000406 WO2004020094A1 (de) 2002-08-30 2003-06-23 Katalysator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1536887A1 true EP1536887A1 (de) 2005-06-08

Family

ID=31978393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP03790604A Withdrawn EP1536887A1 (de) 2002-08-30 2003-06-23 Katalysator

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1536887A1 (de)
AU (1) AU2003232573A1 (de)
WO (1) WO2004020094A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10329162A1 (de) * 2003-06-27 2005-01-13 Alstom Technology Ltd Katalytischer Reaktor und zugehöriges Betriebsverfahren

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4154568A (en) * 1977-05-24 1979-05-15 Acurex Corporation Catalytic combustion process and apparatus
JPS57115609A (en) * 1981-01-09 1982-07-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Combustion apparatus for catalyst
US4397356A (en) * 1981-03-26 1983-08-09 Retallick William B High pressure combustor for generating steam downhole
JPH03181338A (ja) * 1989-12-11 1991-08-07 Gebr Sulzer Ag 触媒エレメントおよび触媒反応用反応器
EP1255078A1 (de) * 2001-04-30 2002-11-06 ALSTOM (Switzerland) Ltd Katalysator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004020094A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004020094A1 (de) 2004-03-11
AU2003232573A1 (en) 2004-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1532395B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum vermischen von fluidströmungen
EP2014883B1 (de) Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen
DE69920682T2 (de) Stützstruktur für ein katalysatorelement
EP1830042B1 (de) Statischer Mischer und Abgasbehandlungseinrichtung
EP0151229B1 (de) Matrix für einen katalytischen Reaktor
DE2902779C2 (de) Matrix für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen
DE69825408T2 (de) Wärmeaustauscher und dessen gebrauchsverfahren
EP0845074B1 (de) Katalysator zur verringerung von kohlenwasserstoff in abgasen eines kraftfahrzeuges
DE112004001696T5 (de) Verdampfer und Verfahren zum Verdampfen
EP2557288B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Abgasreinigung für Verbrennungskraftmaschinen
WO1997049905A1 (de) Konischer wabenkörper mit longitudinalstrukturen
DE69003404T2 (de) Mehrrohrtypwärmetauscher.
EP1251314A2 (de) Katalytisch arbeitender Brenner
EP0152560B1 (de) Matrix für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung
EP2664886B1 (de) Wärmetauscher
EP2150690B1 (de) Elektrisch beheizbarer wabenkörper mit zonen erhöhter widerstände
EP1359377B1 (de) Katalytischer Brenner
DE3923094C2 (de) Katalysator-Trägerkörper
EP1255079A1 (de) Katalysator
EP1536887A1 (de) Katalysator
DE69526212T2 (de) Verbesserte verfahren und katalytische, struktur, benutzend integralen wärmeaustausch mit wahlweise vorgeschaltetem flammenhalter
EP0959988B1 (de) Wabenkörper mit im inneren eingerahmtem querschnittsbereich, insbesondere für kleinmotoren
DE10225278A1 (de) Abgaskatalysator und Katalysatorkörper, vorzugsweise für die Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren
EP1255078A1 (de) Katalysator
WO2023061746A1 (de) Wabenkörper zum zwecke der abgasnachbehandlung mit geschlitzten metallfolien

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20050221

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE GB

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20071231