NL1004051C2 - Catalytic radiation burner. - Google Patents
Catalytic radiation burner. Download PDFInfo
- Publication number
- NL1004051C2 NL1004051C2 NL1004051A NL1004051A NL1004051C2 NL 1004051 C2 NL1004051 C2 NL 1004051C2 NL 1004051 A NL1004051 A NL 1004051A NL 1004051 A NL1004051 A NL 1004051A NL 1004051 C2 NL1004051 C2 NL 1004051C2
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- combustion
- catalytic
- combustion chamber
- gases
- catalyst
- Prior art date
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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/12—Radiant burners
- F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion
-
- 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
- F23C13/08—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by the catalytic material
-
- 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
- F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
- F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
- F23D14/66—Preheating the combustion air or gas
-
- 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
- F23C2900/13002—Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Gas Burners (AREA)
Description
Titel: Katalytische stralingsbranderTitle: Catalytic radiation burner
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het katalytisch verbranden van brandbare gassen, zoals koolwaterstoffen (aardgas en dergelijke), CO en/of H2. Meer in het bijzonder is de uitvinding gericht op een werkwijze voor 5 het katalytisch verbanden van brandbare gassen of gasmengsels onder afgifte van indirecte warmte (stralingswarmte), waarbij de te verbranden gassen in één of meer stappen katalytisch verbrand worden, waarna in een laatste stap een homogene gasfase verbranding plaats vindt. Met name vanuit deze laatste 10 stap wordt de stralingswarmte afgegeven.The invention relates to a method for catalytic combustion of flammable gases, such as hydrocarbons (natural gas and the like), CO and / or H2. More particularly, the invention is directed to a method for catalytically burning flammable gases or gas mixtures with the production of indirect heat (radiant heat), wherein the gases to be burned are catalytically burned in one or more steps, after which in a last step a homogeneous gas phase combustion takes place. Radiant heat is emitted from this last step in particular.
Indirecte verhitting, bijvoorbeeld in ovens, onder toepassing van stralingsbranders is een geschikte techniek als zowel een hoge temperatuur als een schone verhitting nodig is. Voor dit doel zijn gasgestookte gesloten straalbuis-15 branders bekend, bijvoorbeeld uit toepassingen in de metaalindustrie. Daarbij is de gasvlam in een hittebestendige gesloten buis geplaatst en wordt de warmte afgegeven als warmtestraling door het oppervlak van de gesloten buis.Indirect heating, for example in ovens, using radiant burners is a suitable technique when both high temperature and clean heating are required. Gas-fired closed jet tube burners are known for this purpose, for example from applications in the metal industry. In addition, the gas flame is placed in a heat-resistant closed tube and the heat is released as heat radiation through the surface of the closed tube.
Het is bekend, dat katalytische verbranding van 20 brandbare gassen een aantal voordelen heeft, vooral ten aanzien van het verminderen van de vorming van ongewenste nevenprodukten in de verbrandingsgassen. Het zou derhalve interessant zijn als de verbranding in een straalbuisbrander ten minste gedeeltelijk katalytisch uitgevoerd zou kunnen 25 worden.It is known that catalytic combustion of combustible gases has a number of advantages, especially with regard to reducing the formation of undesired by-products in the combustion gases. It would therefore be interesting if the combustion in a jet burner could be at least partially catalytic.
Gebleken is echter dat dit niet zonder meer te realiseren is, aangezien de verbranding niet stabiel geschiedt, dat wil zeggen, dat de temperatuur sterk fluctueert.However, it has been found that this cannot simply be realized, since the combustion is not stable, that is to say that the temperature fluctuates strongly.
30 Het is een doel van de uitvinding te voorzien in een methode voor het uitvoeren van een ten minste gedeeltelijke 1 0 0 40 5 1 2 katalytische verbranding in een gasgestookte stralingsbrander, waarbij enerzijds de voordelen van een katalytische verbranding, zoals laag gehalte aan stikstofoxiden, en anderzijds een stabiele verbranding verkregen worden.It is an object of the invention to provide a method for performing at least partial 1 0 0 40 5 1 2 catalytic combustion in a gas-fired radiant burner, whereby on the one hand the advantages of a catalytic combustion, such as low nitrogen oxides content, and on the other hand a stable combustion is obtained.
5 Tevens heeft men het voordeel van een laag geluidsniveau en een betere warmte overdracht naar het stralend oppervlak.5 It also has the advantage of a low noise level and better heat transfer to the radiant surface.
De onderhavige uitvinding betreft een werkwijze voor het katalytisch verbranden van gasvormig koolwaterstof, CO of H2 met behulp van een zuurstof bevattend gas, waarbij de 10 gassen achtereenvolgens in ten minste één katalytische verbrandingssectie in aanwezigheid van daartoe geschikte katalytische materialen verbrand worden en waarbij de eindtemperatuur van de gassen na de laatste sectie ligt tussen 700 en 1000°C, de gassen na de laatste sectie toegevoerd 15 worden aan een verbrandingskamer, die voorzien is van middelen voor het afgeven van stralingswarmte, in welke verbrandingskamer in aanwezigheid van een hoge temperatuurkatalysator een homogene, ten minste gedeeltelijk niet katalytische, complete verbranding optreedt.The present invention relates to a process for the catalytic combustion of gaseous hydrocarbon, CO or H2 using an oxygen-containing gas, wherein the gases are successively burned in at least one catalytic combustion section in the presence of suitable catalytic materials and in which the final temperature of the gases after the last section is between 700 and 1000 ° C, the gases after the last section are fed to a combustion chamber, which is provided with means for emitting radiant heat, in which combustion chamber in the presence of a high temperature catalyst produces a homogeneous, at least partially non-catalytic, complete combustion occurs.
20 Verrassenderwijs is gebleken, dat op deze wijze een efficiënte, stabiele verbranding verkregen kan worden, waarbij slechts weinig ongewenste verbindingen gevormd worden.Surprisingly, it has been found that in this way an efficient, stable combustion can be obtained, whereby only a few undesirable compounds are formed.
De uitvinding bestaat derhalve daaruit, dat na een eventuele voorverwarming van het verbrandingsgasmengsel 25 (lucht, brandbaar gas) in een katalytisch deel van de brander in aanwezigheid van één of meer verbrandingskatalysatoren het brandbare gas gedeeltelijk verbrand wordt, waarbij de temperatuur stijgt tot een waarde van ongeveer 850°C tot 1000°C. Na deze katalytische sectie ontsteekt het gas en 30 treedt er een volledige, homogene gasfase verbranding op.The invention therefore consists in that after a possible preheating of the combustion gas mixture (air, combustible gas) in a catalytic part of the burner in the presence of one or more combustion catalysts, the combustible gas is partially burned, the temperature rising to a value of about 850 ° C to 1000 ° C. After this catalytic section, the gas ignites and a complete, homogeneous gas phase combustion occurs.
De katalytische sectie kan bestaan uit één sectie, waarin de gewenste eindtemperatuur bereikt wordt. Dit kan in het geval de begintemperatuur van het gas/gasmengsel al in de buurt van 700°C is. In dat geval kan volstaan worden met de 35 toepassing van één type katalysator, een hoge-temperatuur verbrandingskatalysator. Als de begintemperatuur lager is, zal het nodig zijn meer dan één type katalysator te gebruiken.The catalytic section can consist of one section in which the desired final temperature is reached. This is possible if the initial temperature of the gas / gas mixture is already close to 700 ° C. In that case, it is sufficient to use one type of catalyst, a high-temperature combustion catalyst. If the initial temperature is lower, it will be necessary to use more than one type of catalyst.
1 o ü s 0 j 1 31 o ü s 0 y 1 3
Zoals bekend is, hebben verbrandingskatalysatoren door de aard van de toegepaste dragermaterialen en de structuur van het katalytische actieve materiaal een vrij beperkt bereik van optimale werkingstemperatuur. De zogenaamde 5 lage-temperatuur katalysatoren hebben een optimale werking in het bereik van 300 tot 750°C. Dit zijn veelal gedragen palladium of platina/palladium katalysatoren, waarbij de drager een keramisch materiaal is, zoals alumina, zirconia, silica, titania en dergelijke. Eventueel is de drager 10 gestabiliseerd tegen thermische en/of chemische degradatie met behulp van lanthaan of silicium.As is known, combustion catalysts have a rather limited range of optimum operating temperature due to the nature of the support materials used and the structure of the catalytically active material. The so-called 5 low-temperature catalysts have an optimal effect in the range of 300 to 750 ° C. These are usually supported palladium or platinum / palladium catalysts, the support being a ceramic material such as alumina, zirconia, silica, titania and the like. Optionally, the support 10 is stabilized against thermal and / or chemical degradation using lanthanum or silicon.
Katalysatoren voor het bereik van 500 tot 1000°C zijn onder meer platina op gestabiliseerde keramische dragers, of overgangsmetaaloxiden, zoals van koper, mangaan, ijzer, 15 nikkel en/of cobalt, op gestabiliseerde keramische dragers. De stabilisatie van genoemde dragers betreft vooral stabilisatie tegen degradatie van de drager door de hoge temperatuur en tegen reactie van de katalysator metaal-component met het dragermateriaal onder toepassing van bijvoorbeeld lanthaan.Catalysts in the range of 500 to 1000 ° C include platinum on stabilized ceramic supports, or transition metal oxides, such as copper, manganese, iron, nickel and / or cobalt, on stabilized ceramic supports. The stabilization of said carriers mainly concerns stabilization against degradation of the carrier by the high temperature and against reaction of the catalyst metal component with the carrier material using, for example, lanthanum.
20 Een dergelijke katalysator is beschreven in Europees octrooischrift nr. 327177.Such a catalyst is described in European Patent No. 327177.
Als katalysatoren voor het bereik van 700 tot 1200°C zijn ook genoemde gestabiliseerde gedragen overgangsmetaaloxiden bruikbaar, evenals overgangsmetaal 25 aluminaten (zoals Cu(II)aluminaat, Mn(II)aluminaat,As stabilized supported transition metal oxides, catalysts for the range from 700 to 1200 ° C can also be used, as well as transition metal aluminates (such as Cu (II) aluminate, Mn (II) aluminate,
Mg-aluminaat, maar ook CuO/Mg-aluminaat), perosvkieten (zoals verbindingen van het type Lai-XAXB03, waarin A - Sr, Ba, Ca en/of Ce, en B - Co, Mn en/of Fe) en metaal hexa-aluminaten (zoals BaMyAli2-yOi9-a,, waarin M = Al, Cr, Mn, Fe, Co en/of 30 Ni))Mg-aluminate, but also CuO / Mg-aluminate), perosites (such as compounds of the type Lai-XAXB03, in which A - Sr, Ba, Ca and / or Ce, and B - Co, Mn and / or Fe) and metal hexa-aluminates (such as BaMyAli2-yOi9-a ,, where M = Al, Cr, Mn, Fe, Co and / or 30 Ni))
Het katalytisch actieve materiaal kan op gebruikelijke wijze in de katalytische secties aangebracht zijn. Het is daarbij uiteraard van belang, dat enerzijds een voldoende hoeveelheid katalysator aanwezig is, terwijl 35 anderzijds de drukval over de katalysatoren gering is en het contact tussen het gasmengsel en het katalysator oppervlak goed is.The catalytically active material can be arranged in the catalytic sections in the usual manner. It is of course important here that on the one hand a sufficient amount of catalyst is present, while on the other hand the pressure drop across the catalysts is small and the contact between the gas mixture and the catalyst surface is good.
100*051 4100 * 051 4
Op grond van onder meer deze overwegingen heeft het derhalve de voorkeur dat de katalysatoren aangebracht zijn op het oppervlak van poreuze structuren zoals monolieten, metaal of keramische schuimen, gazen of gasmixers.For these reasons, among others, it is therefore preferred that the catalysts be applied to the surface of porous structures such as monoliths, metal or ceramic foams, gauzes or gas mixers.
5 Zoals aangegeven is, kan men gebruik maken van een aantal katalytische secties. Deze secties bevinden zich, gezien in de stromingsrichting van het gas, achter elkaar, waarbij eventueel tussen twee secties een niet katalytisch actief materiaal bevindt om de reactie ,te stabiliseren. Het is 10 echter ook mogelijk, dat combinaties van twee of meer verschillende typen katalysatoren min of meer homogeen met elkaar gemengd toegepast worden. Afhankelijk van de heersende temperatuur zal op een bepaalde plek in het katalysatorbed één type het meest stabiel zijn, terwijl een ander type in een 15 ander deel van het bed stabieler zal zijn.As indicated, a number of catalytic sections can be used. Seen in the direction of flow of the gas, these sections are arranged one behind the other, optionally between two sections being a non-catalytically active material to stabilize the reaction. However, it is also possible for combinations of two or more different types of catalysts to be used more or less homogeneously mixed together. Depending on the prevailing temperature, one type will be the most stable at a certain location in the catalyst bed, while another type will be more stable in another part of the bed.
Aan de uitgang van het katalysatorbed (de katalysatorbedden) bevindt zich de verbrandingskamer, waarin de homogene gasfase verbranding plaats vindt. Ter bevordering van de stabiliteit van de verbranding kan het de voorkeur 20 genieten tussen het laatste katalysatorbed en de verbrandingskamer een inert poreus materiaal, bijvoorbeeld een monoliet van een niet katalytisch actief materiaal, aan te brengen. Gebleken is, dat een dergelijke constructie bevorderlijk is voor de stabiliteit van de verbranding en 25 terugslag van de vlam voorkomt.At the outlet of the catalyst bed (catalyst beds) is the combustion chamber, in which the homogeneous gas phase combustion takes place. In order to promote combustion stability, it may be preferable to provide an inert porous material, for example a monolith of a non-catalytically active material, between the last catalyst bed and the combustion chamber. It has been found that such a construction is conducive to the stability of the combustion and prevents flashback.
De verbrandingskamer is voorzien van ten minste één wand van een materiaal dat door straling warmte af kan geven aan de omgeving. Dit is bijvoorbeeld een wand aan het uiteinde van de kamer of rondom de kamer. Het materiaal daarvan dient 30 bestand te zijn tegen de temperatuur in de verbrandingskamer. Geschikte materialen zijn onder meer metalen met een goede hoge-temperatuur bestendigheid en keramische materialen. Meer in het bijzonder past men Hastalloy, Inconel 310, Fecralloy, SiC, S13N4 of corderiet toe.The combustion chamber is provided with at least one wall of a material that can radiate heat to the environment through radiation. This is, for example, a wall at the end of the room or around the room. The material thereof must be able to withstand the temperature in the combustion chamber. Suitable materials include metals with good high temperature resistance and ceramic materials. More specifically, Hastalloy, Inconel 310, Fecralloy, SiC, S13N4 or corderite are used.
35 In de verbrandingskamer treedt een homogene gasfase verbranding op. Deze verbranding kan plaats vinden door spontane ontsteking van het gas -luchtmengsel, hetgeen gebeurt j o ol) Q ^ ^ 5 als de temperatuur van het gasmengsel na het laatste katalysatorbed voldoende hoog is. Het heeft echter de voorkeur dat in de verbrandingskamer een hoge temperatuur verbrandingkatalysator aanwezig is, die voor de ontsteking en 5 de stabilisatie zorg draagt. Deze katalysator kan bijvoorbeeld op de wand van de kamer aangebracht zijn, of, en dit heeft de voorkeur, als op een gaas in de verbrandingskamer aanwezig zi jn.A homogeneous gas phase combustion occurs in the combustion chamber. This combustion can take place by spontaneous ignition of the gas-air mixture, which happens when the temperature of the gas mixture after the last catalyst bed is sufficiently high. It is preferred, however, that a high-temperature combustion catalyst is provided in the combustion chamber, which ensures ignition and stabilization. This catalyst may, for example, be applied to the wall of the chamber, or, and this is preferred, if present on a mesh in the combustion chamber.
Ter nadere toelichting van de uitvinding dienen de 10 navolgende figuren, waarin in de figuren 1, 4 en 7 diverse uitvoeringsvormen van de uitvinding weergegeven worden, terwijl de figuren 2, 3, 5 en 6 resultaten grafisch weergegeven zijn.The following figures serve to further illustrate the invention, in which various embodiments of the invention are shown in figures 1, 4 and 7, while figures 2, 3, 5 and 6 show graphical results.
In figuur 1 is een eenvoudige uitvoeringsvorm van 15 een stralingbrander weergegeven. Lucht wordt in electrische voorverwarmer 1 voorverwarmd. Na toevoer van aardgas worden lucht en aardgas gemengd in gasmenger 2 en het verkregen mengsel wordt via lage temperatuur-katalysator 3 (monoliet met Pd/ZrC>2), midden temperatuur katalysator 4 (monoliet met 20 Pt/Zr02), blanco monoliet 5 en hoge temperatuur katalysator 6 (monoliet met BaMnAlnOig) toegevoerd aan verbrandingskamer 7 die voorzien is van een Sic stralingplaat. De rookgassen worden via afvoeren uit de verbrandingskamer 7 afgevoerd.Figure 1 shows a simple embodiment of a radiation burner. Air is preheated in electric preheater 1. After supplying natural gas, air and natural gas are mixed in gas mixer 2 and the resulting mixture is passed via low temperature catalyst 3 (monolith with Pd / ZrC> 2), medium temperature catalyst 4 (monolith with 20 Pt / ZrO 2), blank monolith 5 and high temperature catalyst 6 (monolith with BaMnAlnOig) fed to combustion chamber 7 fitted with a Sic radiation plate. The flue gases are discharged from the combustion chamber 7 via discharge.
De figuren 2 en 3 geven proefresultaten verkregen 25 onder toepassing van de opstelling volgens figuur 1.Figures 2 and 3 give test results obtained using the arrangement according to figure 1.
In figuur 4 wordt een andere uitvoeringsvorm van de stralingsbrander volgens de uitvinding getoond. Deze verschilt van de uitvoering volgens figuur 1, doordat de hoge temperatuur katalysator aangebracht is op een gaas 9, 30 bijvoorbeeld van FeCrAlloy dat in de verbrandingskamer aangebracht is tussen de toevoer van het gas en de afvoer van de rookgassen.Figure 4 shows another embodiment of the radiant burner according to the invention. This differs from the embodiment according to figure 1 in that the high-temperature catalyst is applied to a mesh 9, for example of FeCrAlloy, which is arranged in the combustion chamber between the supply of the gas and the discharge of the flue gases.
De figuren 5 en 6 geven proefresultaten verkregen onder toepassing van de opstelling volgens figuur 4.Figures 5 and 6 give test results obtained using the arrangement according to figure 4.
35 Figuur 7 geeft een toepassing van de brander volgens de uitvinding, waarbij het oppervlak voor afgifte van stralingswarmte gevormd wordt door een gesloten buis 8, welke • J \ 6 zich om de verbrandingskamer 7 bevindt. Het mengsel lucht/aardgas kan in een opstartbrander 10 gedeeltelijk verbrand worden ter verkrijgen van een geschikte begintemperatuur, waarna in warmtewisselaar 11 de gassen ver 5 verwarmd worden.Figure 7 shows an application of the burner according to the invention, in which the surface for radiant heat emission is formed by a closed tube 8, which is situated around the combustion chamber 7. The air / natural gas mixture can be partially burned in a start-up burner 10 to obtain a suitable initial temperature, after which the gases are heated in heat exchanger 11.
In deze figuur is een reeds bestaand concept van een straalbuisbrander (zgn. SER; Single Ended Recuparator) met een hoog rendement omgebouwd tot een katalytisch werkend systeem.In this figure, an already existing concept of a jet burner (so-called SER; Single Ended Recuparator) has been converted with high efficiency into a catalytic operating system.
Verdere verbeteringen in de brander volgens de 10 uitvinding zijn mogelijk door de warmte overdracht te verhogen tussen het katalysator oppervlak en het gasmengsel in katalysatoren 3 en 4 door: 1) Lineaire snelheid verhogen in monoliet kanalen:Further improvements in the burner according to the invention are possible by increasing the heat transfer between the catalyst surface and the gas mixture in catalysts 3 and 4 by: 1) Increasing linear speed in monolith channels:
Hoge lineaire gassnelheden in katalysator 3 en 4 15 (5-50 m/sec). Deze hoge snelheid verzorgt een betere warmte en massa overdracht tussen katalysator en het gasmengsel waardoor de kans op oververhitting in de katalysatoren kleiner wordt. Wil men echter dezelfde conversie bereiken dan zal de lengte van het systeem ook aangepast moeten worden.High linear gas velocities in catalyst 3 and 4 15 (5-50 m / sec). This high speed provides better heat and mass transfer between the catalyst and the gas mixture, which reduces the risk of overheating in the catalysts. However, if you want to achieve the same conversion, the length of the system will also have to be adjusted.
20 2) Verhogen turbulentie van het gasmengsel in de monolietkanalen:20 2) Increase turbulence of the gas mixture in the monolith channels:
Een hogere turbulentie van het gasmengsel in het katalytische systeem verzorgt een betere warmte en massa overdracht. Dit kan bereikt worden door verschillende manie-25 ren:Higher turbulence of the gas mixture in the catalytic system ensures better heat and mass transfer. This can be accomplished by several ways:
Gebruik maken van het zgn. "entrance" effect. Bij het binnentreden van het gasmengsel in de monoliet ontstaat een verhoogde turbulentie van het gasmengsel. Tengevolge van deze verhoogde turbulentie ontstaat een betere warmte en massa 30 overdracht in het begin van de monoliet kanalen, hetgeen resulteert in een verlaging van de katalysator temperatuur.Using the so-called "entrance" effect. When the gas mixture enters the monolith, an increased turbulence of the gas mixture is created. As a result of this increased turbulence, better heat and mass transfer occurs in the beginning of the monolith channels, resulting in a lowering of the catalyst temperature.
Deze verhoogde turbulentie kan men creëren door bijvoorbeeld:This increased turbulence can be created by, for example:
Katalysator 3 en 4 verdelen in kleine monoliet 35 segmenten van bv. 1-2 cm lengte en deze met een onderlinge afstand van bv. 0.5 cm in serie te plaatsen.Divide catalysts 3 and 4 into small monolith 35 segments of eg 1-2 cm length and place them in series with a distance of eg 0.5 cm.
77
In plaats van een onderlinge afstand kan men ook de segmenten onderling draaien om de axiale as met een hoek van bv 45 graden.Instead of a mutual distance, the segments can also be rotated about the axial axis with an angle of, for example, 45 degrees.
Gebruik maken van een andere geometrie dan van 5 monolieten, zoals gasmixers (met name de zogenaamde Sulzer Mixer: Katapak), poreus sintermetaal, poreus keramisch/metallisch schuim en gaas.Using a geometry other than 5 monoliths, such as gas mixers (especially the so-called Sulzer Mixer: Katapak), porous sintered metal, porous ceramic / metallic foam and gauze.
Het rendement van het systeem is te verhogen door 1) Verhogen stralingsrendement: 10 Het verhogen van het stralingsrendement kan door het verhogen van de emissie factor van het stralende oppervlak.The efficiency of the system can be increased by 1) Increasing the radiation efficiency: 10 Increasing the radiation efficiency can be done by increasing the emission factor of the radiating surface.
SiC bezit echter al een emissie factor van 0.9 ± 0.05 2) Het kan ook door de temperatuur van het stralende oppervlak te verhogen. Dit laatste kan verkregen 15 worden door een betere warmte overdracht tussen het gasmengsel en de SiC-plaat te creëren door bv vinnen te bevestigen aan de binnenkant van de plaat waarlangs het gasmengsel wordt geleid.SiC already has an emission factor of 0.9 ± 0.05 2) It can also be done by increasing the temperature of the radiant surface. The latter can be achieved by creating a better heat transfer between the gas mixture and the SiC plate by eg attaching fins to the inside of the plate along which the gas mixture is guided.
3) Een andere mogelijkheid is het katalysator.3) Another possibility is the catalyst.
20 actieve gaas zo dicht mogelijk bij de SiC-plaat te brengen.Bring active mesh as close to the SiC plate as possible.
4) Het beste resultaat wordt bereikt door de hoge temperatuur katalysator rechtstreeks aan de binnenzijde van de SiC plaat aan te brengen.4) The best result is achieved by applying the high temperature catalyst directly to the inside of the SiC plate.
5) Verhogen totale rendement: 25 Met behulp van een warmtewisselaar tussen het uittredende gasmengsel en de inkomende (eventueel voorgemengd met aardgas) koude lucht, kan deze lucht worden opgewarmd tot de vereiste aanslag temperatuur van de eerste katalysator.5) Increase total efficiency: 25 With the aid of a heat exchanger between the exiting gas mixture and the incoming (possibly premixed with natural gas) cold air, this air can be heated to the required stop temperature of the first catalyst.
Het rendement kan nog verder verhoogd worden door 30 een warmtewisselaar systeem toe te passen waarbij het inkomende mengsel verhit wordt tot de aanslag temperatuur van de midden of hoge temperatuur katalysator. De voorgeschakelde lage temperatuur katalysator wordt hierdoor overbodig.The efficiency can be further increased by using a heat exchanger system in which the incoming mixture is heated to the attack temperature of the medium or high temperature catalyst. This makes the upstream low-temperature catalyst superfluous.
35 De brander kan opgestart worden bij een lage luchtfactor (1.1 < n <1.6) door een ontstekings mechanisme in de verbrandingskamer. Op het moment dat de temperatuur na de 8 warmtewisselaar de aanslag temperatuur van katalysator 3 heeft bereikt, kunnen de vereiste temperaturen in het totale systeem worden ingeregeld door de luchttoevoer te regelen.35 The burner can be started at a low air factor (1.1 <n <1.6) by an ignition mechanism in the combustion chamber. Once the temperature after the heat exchanger has reached the stop temperature of Catalyst 3, the required temperatures in the overall system can be adjusted by controlling the air supply.
Een andere mogelijkheid is een opstartbrander voor 5 de warmtewisselaar te plaatsen en nadat de aanslagtemperatuur van katalysator 3 is bereikt, kan de brander uitgeschakeld worden.Another possibility is to place a start-up burner in front of the heat exchanger and after the attack temperature of catalyst 3 has been reached, the burner can be switched off.
Het bewakingssysteem kan bestaan uit thermokoppels op de meest kritische plaatsen, zoals na de warmtewisselaar en 10 in de verbrandingskamer.The monitoring system can consist of thermocouples in the most critical places, such as after the heat exchanger and 10 in the combustion chamber.
De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van een vergelijkend voorbeeld (Voorbeeld 1) en een voorbeeld volgens de uitvinding (Voorbeeld 2).The invention is illustrated by means of a comparative example (Example 1) and an example according to the invention (Example 2).
15 Voorbeeld 115 Example 1
Onder toepassing van de brander volgens figuur 1 werd de navolgende test uitgevoerd.The following test was carried out using the burner according to Figure 1.
In voorverwarmde lucht (600 Nl/min) van 400°C wordt 20 aardgas tot 3.5 vol.% opgemengd en na het passeren van een gasmenger wordt het verbrandingsmengsel met een lineaire snelheid van 20 m/s door een katalytisch systeem geleid met daarachter een cilindrische gesloten verbrandingskamer.In preheated air (600 Nl / min) at 400 ° C, 20 natural gas is mixed to 3.5 vol.% And after passing a gas mixer, the combustion mixture is passed through a catalytic system at a linear speed of 20 m / s, followed by a cylindrical closed combustion chamber.
Voordat het gasmengsel de verbrandingskamer verlaat wordt een 25 gedeelte van de warmte overgedragen aan een SiC plaat. Het katalytisch systeem bestaat uit drie in serie geschakelde katalysatoren. Om de temperatuur te meten van de katalysatoren en van het uitkomende gasmengsel zijn thermokoppels geplaatst in de katalysatoren en tevens is een thermokoppel geplaatst in 30 een blanco monoliet aanwezig tussen katalysator 4 en 6 om de temperatuur van het gasmengsel op die plaats te meten. Ook wordt na katalysator 6 de gastemperatuur gemeten.Before the gas mixture leaves the combustion chamber, part of the heat is transferred to a SiC plate. The catalytic system consists of three series-connected catalysts. To measure the temperature of the catalysts and of the effluent gas mixture, thermocouples are placed in the catalysts and a thermocouple placed in a blank monolith is also present between catalysts 4 and 6 to measure the temperature of the gas mixture at that location. The gas temperature is also measured after catalyst 6.
De resultaten zijn weergegeven in figuur 2.The results are shown in Figure 2.
Het aardgas wordt voor 54 % katalytisch omgezet in 35 katalysator 3 en 4. De temperatuur van deze katalysatoren stijgt daardoor tot 800 C en 1000°C respectievelijk. De temp. van uitkomende gasmengsel is dan 860°C. Dit gasmengsel wordt daarna verder katalytisch omgezet tot een conversie van 64 % 1 Ö ö 4 0 j 1 9 en verlaat het katalytisch systeem met een temperatuur van 940°C. De temperatuur van katalysator 6 is hierbij 1000°C.The natural gas is 54% catalytically converted into catalysts 3 and 4. As a result, the temperature of these catalysts increases to 800 ° C and 1000 ° C, respectively. The temp. the outgoing gas mixture is then 860 ° C. This gas mixture is then further catalytically converted to a conversion of 64% 1 ö 4 0 1 1 9 9 and leaves the catalytic system at a temperature of 940 ° C. The temperature of catalyst 6 is 1000 ° C.
De resterende hoeveelheid aardgas wordt daarna tot 99,9 % omgezet in de verbrandingskamer via de homogene gasfase 5 reactie en een gedeelte van de gecreëerde warmte wordt overgedragen aan de SiC stralingsplaat. De gemiddelde uitwendige temperatuur van de plaat is hierbij 650°C.The residual amount of natural gas is then converted to 99.9% in the combustion chamber via the homogeneous gas phase 5 reaction and part of the heat created is transferred to the SiC radiation plate. The average external temperature of the plate is 650 ° C.
Het nadeel van dit systeem is dat een onregelmatig, oscillerend verbrandingspatroon ontstaat. Dit is weergegeven 10 in figuur 3. Het resultaat is dat in de katalysatoren temperaturen kunnen ontstaan tot 1200°C. Deze temperaturen zijn met name voor katalysator 3 en 4 veel te hoog, hetgeen resulteert in een afname van de activiteit van de katalysatoren veroorzaakt door sintering en verdamping van het katalytisch 15 materiaal.The drawback of this system is that it produces an irregular, oscillating combustion pattern. This is shown in figure 3. The result is that temperatures can rise to 1200 ° C in the catalysts. These temperatures are much too high, in particular for catalysts 3 and 4, which results in a decrease in the activity of the catalysts caused by sintering and evaporation of the catalytic material.
Dit oscillerend gedrag kan worden veroorzaakt door verschillende effecten waaronder de in de literatuur bekende overgang van het actieve palladium oxide naar het inactieve metallisch palladium.This oscillatory behavior can be caused by various effects, including the transition known from literature from the active palladium oxide to the inactive metallic palladium.
20 Een ander effect is het zogenaamde terugslag effect van de vlam in de katalysator. Deze inslag van de vlam kan veroorzaakt worden door terugstraling van warmte, afkomstig van de verbrandingskamer, naar de katalysatoren. De katalysatoren worden daardoor zo heet, dat de homogene gasfase 25 reactie al in de katalysator plaatsvindt. Hierdoor kan een run-away effect ontstaan.Another effect is the so-called blowback effect of the flame in the catalyst. This impact of the flame can be caused by the radiation of heat from the combustion chamber back to the catalysts. The catalysts thereby become so hot that the homogeneous gas phase reaction already takes place in the catalyst. This can create a run-away effect.
Voorbeeld 2 30 Om dit laatste effect te onderdrukken zijn in voorbeeld 2 de volgende veranderingen aangebracht (zie figuur 4) ·Example 2 30 To suppress this last effect, the following changes have been made in example 2 (see figure 4) ·
Tussen katalysator 4 en de verbrandingskamer is een blanco monoliet geplaatst. De hoge temperatuur katalysator 6 35 is aangebracht op een gaas en geplaatst in de verbrandingskamer .A blank monolith is placed between Catalyst 4 and the combustion chamber. The high temperature catalyst 6 is mounted on a mesh and placed in the combustion chamber.
Het resultaat is weergegeven in figuur 5.The result is shown in figure 5.
1 ü 0 -·. o j -j 101 ü 0 -. o j-y 10
De temperaturen van katalysatoren 3 en 4 zijn nu 780°C en 860°C respectievelijk. Dit is aanzienlijk lager dan in voorbeeld 1.The temperatures of catalysts 3 and 4 are now 780 ° C and 860 ° C, respectively. This is considerably lower than in example 1.
Het uitkomende gasmengsel heeft een temperatuur van 5 740°C en een conversie van 35 % is bereikt. Dit resterende gasmengsel komt in de verbrandingskamer in contact met het katalytische actieve gaas en wordt volledig omgezet door zowel het gaas alsook de homogene gasfase reactie. De temperatuur van het gaas (katalysator 6) is daarbij' 1050°C en de 10 temperatuur in de verbrandingskamer is gemiddeld 950°C. De uitwendige temperatuur van de Sic plaat is 650°C.The outgoing gas mixture has a temperature of 5740 ° C and a conversion of 35% has been reached. This residual gas mixture comes into contact with the catalytically active mesh in the combustion chamber and is completely converted by both the mesh and the homogeneous gas phase reaction. The temperature of the gauze (catalyst 6) is 1050 ° C and the temperature in the combustion chamber is on average 950 ° C. The external temperature of the Sic plate is 650 ° C.
Het oscillerende gedrag van de temperatuur in het katalytische systeem bestaande uit katalysator 3 en 4 is tengevolge van deze aanpassingen sterk terug gebracht (zie 15 figuur 6 ) .The oscillatory behavior of the temperature in the catalytic system consisting of catalysts 3 and 4 has been greatly reduced as a result of these adaptations (see figure 6).
- i- i
Claims (16)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NL1004051A NL1004051C2 (en) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | Catalytic radiation burner. |
AU42247/97A AU4224797A (en) | 1996-09-17 | 1997-09-16 | Catalytic radiant heater |
PCT/NL1997/000522 WO1998012476A1 (en) | 1996-09-17 | 1997-09-16 | Catalytic radiant heater |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NL1004051 | 1996-09-17 | ||
NL1004051A NL1004051C2 (en) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | Catalytic radiation burner. |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NL1004051C2 true NL1004051C2 (en) | 1998-03-18 |
Family
ID=19763528
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NL1004051A NL1004051C2 (en) | 1996-09-17 | 1996-09-17 | Catalytic radiation burner. |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU4224797A (en) |
NL (1) | NL1004051C2 (en) |
WO (1) | WO1998012476A1 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2791419B1 (en) * | 1999-03-25 | 2001-05-04 | Sunkiss Aeronautique | SURFACE EMISSION EQUIPMENT OF INFRARED RADIATION, OF THE TUNNEL TYPE, COMPRISING CATALYTIC COMBUSTION DEVICES |
CN100445646C (en) * | 2006-05-31 | 2008-12-24 | 太原亚乐士新技术有限公司 | Flame transmission igniter |
CN103394359A (en) * | 2013-07-26 | 2013-11-20 | 中国计量学院 | Compound catalyst used for hydrogen catalytic combustion, and preparation method thereof |
CN103398378A (en) * | 2013-07-26 | 2013-11-20 | 中国计量学院 | Spontaneous combustion type hydrogen-catalysis combustor |
FR3031771B1 (en) * | 2015-01-20 | 2017-03-03 | Commissariat Energie Atomique | COMBUSTION SYSTEM HAVING ENHANCED TEMPERATURE |
CN107300169B (en) * | 2016-04-14 | 2019-12-27 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Catalytic flameless combustion device and combustion method with extremely low pollutant emission |
CN114110658A (en) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | Hydrogen fuel staged flameless combustion method and combustion device |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4154568A (en) * | 1977-05-24 | 1979-05-15 | Acurex Corporation | Catalytic combustion process and apparatus |
JPS62252811A (en) * | 1985-11-22 | 1987-11-04 | Toa Nenryo Kogyo Kk | Method and device for burning liquid fuel |
US4730599A (en) * | 1986-09-04 | 1988-03-15 | Gas Research Institute | Radiant tube heating system |
JPH02238206A (en) * | 1989-03-10 | 1990-09-20 | Sakai Chem Ind Co Ltd | Method and device for catalytic combustion |
WO1992009849A1 (en) * | 1990-11-26 | 1992-06-11 | Catalytica, Inc. | Multistage process for combusting fuel mixtures |
DE4202018C1 (en) * | 1992-01-25 | 1993-04-29 | Abb Patent Gmbh, 6800 Mannheim, De | Combustion chamber for gas turbine plant - has two catalyst holders consisting of honeycomb segments with flame holder downstream of them. |
WO1994020790A1 (en) * | 1993-03-01 | 1994-09-15 | Engelhard Corporation | Improved catalytic combustion system including a separator body |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL8800252A (en) | 1988-02-02 | 1989-09-01 | Veg Gasinstituut Nv | Carrier catalyst for non-selective oxidation of organic compounds, process for non-selective oxidation of, in particular, organic compounds. |
US5593299A (en) * | 1991-01-09 | 1997-01-14 | Pfefferle; William C. | Catalytic method |
DE4439619A1 (en) * | 1994-11-05 | 1996-05-09 | Abb Research Ltd | Method and device for operating a premix burner |
-
1996
- 1996-09-17 NL NL1004051A patent/NL1004051C2/en not_active IP Right Cessation
-
1997
- 1997-09-16 WO PCT/NL1997/000522 patent/WO1998012476A1/en active Application Filing
- 1997-09-16 AU AU42247/97A patent/AU4224797A/en not_active Abandoned
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4154568A (en) * | 1977-05-24 | 1979-05-15 | Acurex Corporation | Catalytic combustion process and apparatus |
JPS62252811A (en) * | 1985-11-22 | 1987-11-04 | Toa Nenryo Kogyo Kk | Method and device for burning liquid fuel |
US4730599A (en) * | 1986-09-04 | 1988-03-15 | Gas Research Institute | Radiant tube heating system |
JPH02238206A (en) * | 1989-03-10 | 1990-09-20 | Sakai Chem Ind Co Ltd | Method and device for catalytic combustion |
WO1992009849A1 (en) * | 1990-11-26 | 1992-06-11 | Catalytica, Inc. | Multistage process for combusting fuel mixtures |
DE4202018C1 (en) * | 1992-01-25 | 1993-04-29 | Abb Patent Gmbh, 6800 Mannheim, De | Combustion chamber for gas turbine plant - has two catalyst holders consisting of honeycomb segments with flame holder downstream of them. |
WO1994020790A1 (en) * | 1993-03-01 | 1994-09-15 | Engelhard Corporation | Improved catalytic combustion system including a separator body |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 126 (M - 687) 19 April 1988 (1988-04-19) * |
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 556 (M - 1057) 11 December 1990 (1990-12-11) * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1998012476A1 (en) | 1998-03-26 |
AU4224797A (en) | 1998-04-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5993192A (en) | High heat flux catalytic radiant burner | |
US5419121A (en) | Method and apparatus for reduction of pollutants emitted from automotive engines by flame incineration | |
KR100975101B1 (en) | Device and method for providing a homogeneous mixture of fuel and oxidant | |
US5147201A (en) | Ultra-low pollutant emissions radiant gas burner with stabilized porous-phase combustion | |
US5094611A (en) | Catalyst structures and burners for heat producing devices | |
CN105899876A (en) | Method for operating a combustion system including a perforated flame holder | |
NL1004051C2 (en) | Catalytic radiation burner. | |
US20080090188A1 (en) | Catalytic Burner | |
EP1898153A1 (en) | Gas burner for cooking appliances | |
KR100261783B1 (en) | Multistage process for combustion fuel mixtures | |
JPH1026315A (en) | Catalytic combustor and method for catalytic combustion | |
EP1899642B1 (en) | Method for burning hydrogen and burner therefor | |
US6736634B2 (en) | NOx reduction with a combination of radiation baffle and catalytic device | |
EP0777085A2 (en) | Catalytic insert for NOx reduction | |
EP1800056B1 (en) | A gas catalytic combustion element and a gas powered heating device | |
JPS6380848A (en) | Catalytic system for combustion of high pressure methane based fuel and combustion method using the same | |
JPH02268830A (en) | Catalyst for combustion of kerosene type fuel | |
JP4226143B2 (en) | Catalytic combustion apparatus and combustion control method thereof | |
JPH0545293B2 (en) | ||
JPS6280420A (en) | Combustion catalyst system for low class hydro-carbon fuel and combustion method of using same | |
NL9001366A (en) | PREMIX GAS BURNER WITH WIDE CONTROL RANGE. | |
RU2350839C1 (en) | Two-stage combustion method of gaseous hydrocarbon fuel and device for realisation thereof | |
JP3672601B2 (en) | Catalytic combustion method | |
US4364727A (en) | Heat treatment of foodstuff | |
JP3732034B2 (en) | Hybrid catalytic combustion apparatus and combustion method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD2B | A search report has been drawn up | ||
V1 | Lapsed because of non-payment of the annual fee |
Effective date: 20100401 |