NL9200996A

NL9200996A - CATALYTIC BURNER, CATALYST AND SUITABLE CATALYST CARRIER.

Info

Publication number: NL9200996A
Application number: NL9200996A
Authority: NL
Original assignee: Produktcentrum T N O
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 1994-01-03
Also published as: WO1993025847A1; AU4587693A

Description

Korte aanduiding: Katalytische brander, alsmede daarvoor geschikte katalysator en katalysator-drager.Short designation: Catalytic burner and suitable catalyst and catalyst support.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een katalytische brander, tenminste omvattende een eventueel op een drager ondersteunde oxydatiekatalysator, toevoermid-delen voor het naar de katalysator voeren van een lucht/ brandstofmengsel, alsmede ontstekingsmiddelen voor het inleiden van de verbrandingsreactie nabij de katalysator. Een dergelijke katalytische brander is algemeen bekend en vindt toepassing in inrichtingen, waarbij explosiegevaar dient te worden vermeden, zoals bijvoorbeeld verwarmingstoestellen in treinen, vliegtuigen en dergelijke, of bijvoorbeeld haardrogers respectievelijk krullers. De verbrandingsreactie van de brandstof vindt nabij het katalysa-toroppervlak plaats bij een temperatuur die beneden de ont-brandingstemperatuur van de brandstof zelf ligt, waardoor elk gevaar voor explosie wordt opgeheven.The present invention relates to a catalytic burner, at least comprising an optional supported oxidation catalyst, feed means for feeding an air / fuel mixture to the catalyst, and ignition means for initiating the combustion reaction near the catalyst. Such a catalytic burner is generally known and is used in devices in which an explosion hazard must be avoided, such as, for example, heating appliances in trains, aircraft and the like, or, for example, hairdryers or curlers. The combustion reaction of the fuel takes place near the catalyst surface at a temperature below the ignition temperature of the fuel itself, thereby eliminating any risk of explosion.

De bekende branders bezitten echter een zeer belangrijk nadeel, doordat tijdens het ontsteken van de katalytische brander doorgaans een open vlam wordt toegepast, die boven het oppervlak van de brander wordt gevormd. De ontsteking vindt veelal plaats door een waakvlam, vonk of dergelijke. Tijdens het ontsteken wordt een lucht/brand-stofmengsel door de katalysator gevoerd en met behulp van ontstekingsmiddelen ontstoken. De open vlam die daarbij boven het oppervlak van de katalysator wordt gevormd, verdwijnt langzaam, tot het moment waarop de katalysator volledig in werking is. Op dat moment vindt de verbrandingsreactie uitsluitend nabij het oppervlak van de katalysator plaats. Het zal duidelijk zijn, dat een zodanige verbranding van de brandstof tijdens het onsteken, die leidt tot een open vlam een aanzienlijk gevaar voor explosie oplevert.The known burners, however, have a very important drawback, because during the ignition of the catalytic burner an open flame is usually used, which is formed above the surface of the burner. The ignition usually takes place by a pilot flame, spark or the like. During ignition an air / fuel mixture is passed through the catalyst and ignited with the aid of ignition means. The open flame formed above the surface of the catalyst slowly disappears until the catalyst is fully operational. At that time, the combustion reaction takes place only near the surface of the catalyst. It will be appreciated that such combustion of the fuel during ignition leading to an open flame presents a significant explosion hazard.

De onderhavige uitvinding beoogt voor bovengenoemd nadeel een oplossing te verschaffen en bezit daartoe als kenmerk, dat de ontstekingsmiddelen zijn uitgevoerd in de vorm van direkt met de katalysator in aanraking zijnde en in hoofdzaak gelijkmatig daarin verdeelde elektrisch geleidende gebieden, die zijn verbonden met aansluitmiddelen, die met een stroombron kunnen worden verbonden, een en ander zodanig, dat voor het ontsteken gedurende een bepaalde tijd stroom door de geleidende gebieden kan worden gevoerd, die een voor het ontsteken geschikte verwarming in die gebieden veroorzaakt.The present invention aims to provide a solution to the above-mentioned drawback and is characterized in that the ignition means are formed in the form of directly contacting the catalyst and substantially uniformly distributed therein electrically conductive regions, which are connected to connecting means. can be connected to a power source, such that current can be passed through the conductive areas for ignition for a certain period of time, causing a suitable ignition in those areas.

Door de aanwezigheid van elektrisch geleidende gebieden in de katalysator kan tijdens het ontsteken door middel van weerstandsverwarming de gehele katalysator gelijkmatig worden verwarmd en blijft te allen tijde de temperatuur beneden de ontbrandingstemperatuur van het lucht/ brandstofmengsel, waardoor elk gevaar voor explosie wordt vermeden.The presence of electrically conductive areas in the catalytic converter allows the entire catalytic converter to be heated evenly during ignition by means of resistance heating and the temperature remains below the ignition temperature of the air / fuel mixture at all times, thus avoiding any risk of explosion.

De elektrisch geleidende gebieden bezitten met voordeel een zeer hoge weerstand, waardoor een goede tempera-tuurweerstandskarakteristiek wordt verkregen, en voorts de mogelijkheid bestaat om de temperatuur van de katalysator te meten door de stroomdoorvoer te meten. De regeling van de ontsteking zal verderop worden besproken.The electrically conductive regions advantageously have a very high resistance, whereby a good temperature resistance characteristic is obtained, and there is furthermore the possibility to measure the temperature of the catalyst by measuring the current throughput. The ignition control will be discussed later.

Verdere verbijzonderingen van de katalytische brander volgens de uitvinding zijn beschreven in de onderconclusies 2-6.Further details of the catalytic burner according to the invention are described in subclaims 2-6.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een katalysator die al dan niet is gedragen en/of van aan-sluitklemmen is voorzien en die kennelijk bestemd is om te worden toegepast in een katalytische brander volgens de uitvinding.The invention furthermore relates to a catalyst which may or may not be supported and / or provided with connection terminals and which is evidently intended for use in a catalytic burner according to the invention.

Tenslotte heeft de uitvinding betrekking op een katalysatordrager, die al dan niet is voorzien van aansluitklemmen en kennelijk bestemd is om te worden toegepast in een katalytische brander of een katalysator volgens de uitvinding.Finally, the invention relates to a catalyst support, which may or may not be provided with connection terminals and is evidently intended for use in a catalytic burner or a catalyst according to the invention.

In het navolgende zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening; daarin toont:The invention will be explained in more detail below with reference to the appended drawing; in it shows:

Fig. 1 een schematische voorstelling van een kataly tische brander volgens de uitvinding;Fig. 1 is a schematic representation of a catalytic burner according to the invention;

Fig. 2 een uitvoeringsvorm van een katalytische brander volgens de uitvinding; enFig. 2 an embodiment of a catalytic burner according to the invention; and

Fig. 3 een bovenaanzicht van een gaasvormige katalysatordrager met aansluit-oren.Fig. 3 is a top view of a mesh-shaped catalyst support with connecting ears.

In Fig. 1 is met 1 schematisch de katalysator getoond, die bijvoorbeeld kan bestaan uit een metaalgaas (Fe, Al etc.), dat als drager voor een oxydatiekatalysator, zoals bijvoorbeeld palladium, platina of een ander edelmetaal dient. Met 2 is een lucht/brandstofmengseltoevoer schematisch aangegeven. Dit mengsel kan bijvoorbeeld bestaan uit een lucht/gas- of lucht/dampmengsel, dat met behulp van de katalysator 1 dient te worden verbrand. Met 3 zijn schematisch de elektrisch geleidende gebieden in de katalysator 1 aangegeven, waardoor via leidingen 4 en 5 met behulp van een stroombron 6 een stroom kan worden gevoerd. Met 7 is een temperatuur-taster aangegeven, die via een leiding 8 eveneens met de regelbare stroombron 6 is verbonden, teneinde de temperatuur te kunnen meten. Voor de gemiddelde vakman liggen vele varianten hiervan voor de hand. Bijvoorbeeld kan ook door stroommeting de temperatuur worden bepaald. Wanneer de geleidende gebieden 3 uit een geleidend materiaal met een zeer hoge temperatuur afhankelijke weerstand bestaan kan dit worden uitgevoerd met behulp van de algemeen bekende temperatuur/weerstandskarakteristiek.In FIG. 1 is a schematic representation of the catalyst, which may for example consist of a metal mesh (Fe, Al, etc.), which serves as a support for an oxidation catalyst, such as, for example, palladium, platinum or another precious metal. An air / fuel mixture supply is schematically indicated by 2. This mixture can for instance consist of an air / gas or air / vapor mixture, which must be burned with the aid of the catalyst 1. 3 indicates schematically the electrically conductive areas in the catalyst 1, so that a current can be supplied via lines 4 and 5 with the aid of a current source 6. 7 indicates a temperature probe, which is also connected via a line 8 to the controllable current source 6, in order to be able to measure the temperature. Many variants of this are obvious to the average skilled person. For example, the temperature can also be determined by current measurement. When the conductive regions 3 consist of a conductive material with a very high temperature-dependent resistance, this can be carried out using the well-known temperature / resistance characteristic.

Bij het ontsteken van een katalytische brander volgens de uitvinding wordt doorgaans allereerst een lucht/brandstofmengsel toegevoerd, waarna stroom door de geleidende gebieden wordt gevoerd, teneinde deze en daarmee de katalysator door weerstandsverwarming op een geschikte temperatuur te brengen, waarna de katalysator zeer snel autonoom kan branden. Hierbij treedt nimmer explosiegevaar op, daar de temperatuur van de katalysator op eenvoudige wijze beneden de ontbrandingstemperatuur van het lucht/brandstofmengsel kan worden gehouden.When igniting a catalytic burner according to the invention, an air / fuel mixture is usually supplied first, after which current is passed through the conductive regions, in order to bring this and thus the catalyst to a suitable temperature by resistance heating, after which the catalyst can be autonomous very quickly. to burn. There is never a danger of explosion, since the temperature of the catalyst can easily be kept below the ignition temperature of the air / fuel mixture.

In Fig. 2 is gedetailleerder een bijzondere uitvoe- ringsvorm van een katalytische brander volgens de uitvinding getoond, welke bijvoorbeeld geschikt is om voor ver-warmingsdoeleinden te worden toegepast. Daarbij kan worden gedacht aan het verwarmen van water of dergelijke op plaatsen waar open vuur ongewenst is. Tevens kan een dergelijke brander bijvoorbeeld in een haardroger respectievelijk kruller of dergelijke worden opgenomen.In FIG. 2 shows in more detail a special embodiment of a catalytic burner according to the invention, which is suitable, for example, for use for heating purposes. This may include heating water or the like in places where open fire is undesirable. Such a burner can also be included, for example, in a hair dryer or curler or the like.

Deze katalytische brander bestaat uit een metalen omhulling 9, waarin nabij de onderzijde door een zijwand een lucht/brandstofmengseltoevoerbuis 10 is ingebracht.This catalytic burner consists of a metal casing 9, into which an air / fuel mixture supply tube 10 is introduced near the underside through a side wall.

Deze lucht/brandstofmengseltoevoerbuis 10 is in dit geval in het bijzonder geschikt voor het toevoeren van een lucht/ gasmengsel, daar luchttoevoeropeningen 11 aanwezig zijn. Hierdoor kan lucht met een gasstroom 12 worden gemengd. De uitstroomopening 13 bevindt zich met voordeel nabij de wand van de omhulling 9, tegenover de opening waardoor de lucht/ brandstofmengseltoevoerbuis 10 is gevoerd. Hierdoor wordt een voor menging van het lucht/gasmengsel belangrijke werveling van de binnenstromende lucht/gasstroom verkregen.This air / fuel mixture supply pipe 10 is in this case particularly suitable for supplying an air / gas mixture, since air supply openings 11 are provided. This allows air to be mixed with a gas stream 12. The outflow opening 13 is advantageously located near the wall of the casing 9, opposite the opening through which the air / fuel mixture supply tube 10 is passed. This produces a swirl of the inflowing air / gas stream, which is important for mixing the air / gas mixture.

Het lucht/gasmengsel treedt vervolgens door een plaat 14, die is voorzien van één of meer openingen 15, waardoor het lucht/gasmengsel gelijkmatig binnen de omhulling wordt verdeeld. Hierna treedt het lucht/gasmengsel door een metaalgaas 16 voor een nog gelijkmatiger verdeling en uiteindelijk door de katalysator 17. De katalysator 17 bestaat in dit geval uit een staalgaas, dat is bekleed met een Pt-oxydatiekatalysator. Het metaalgaas is onder tussenkomst van een elektrisch isolerend materiaal, hier een laag keramisch isolatiepapier 19, ingeklemd in een stalen ring 18.The air / gas mixture then passes through a plate 14, which is provided with one or more openings 15, whereby the air / gas mixture is evenly distributed within the enclosure. After this, the air / gas mixture passes through a metal mesh 16 for an even more uniform distribution and finally through the catalyst 17. The catalyst 17 in this case consists of a steel mesh, which is coated with a Pt-oxidation catalyst. The metal mesh is sandwiched in a steel ring 18 by means of an electrically insulating material, here a layer of ceramic insulating paper 19.

Met 20 en 21 zijn twee aansluitklemmen aangegeven, die met een stroombron kunnen worden verbonden, zodat voor het ontsteken van de katalytische brander de katalysator 17, althans in dit geval het metaalgaas, door weerstands-verwarming op de geschikte temperatuur kan worden gebracht. Deze temperatuur is niet zeer kritisch en bevindt zich doorgaans beneden de eigenlijke werkingstemperatuur van de katalytische brander. Bijvoorbeeld is in het geval van butaangas een temperatuurverhoging tot ± 200 °C voldoende om de katalytische brander te ontsteken. Deze stijgt na ontsteking vanzelf in temperatuur tot 600 - 700 °C.20 and 21 indicate two terminals, which can be connected to a current source, so that before igniting the catalytic burner, the catalyst 17, at least in this case the metal mesh, can be brought to the appropriate temperature by resistance heating. This temperature is not very critical and is usually below the actual operating temperature of the catalytic burner. For example, in the case of butane gas, a temperature increase to ± 200 ° C is sufficient to ignite the catalytic burner. After ignition, it automatically rises in temperature to 600 - 700 ° C.

De door te voeren stroom is niet zeer kritisch, vanzelfsprekend dient deze voordeligerwijs zo hoog mogelijk te zijn, zodat de verwarming zeer snel plaatsvindt.The current to be passed through is not very critical, it should of course be advantageously as high as possible, so that the heating takes place very quickly.

In de katalytische brander volgens Fig. 2 is geen temperatuurtaster getoond, doch deze zou eveneens aanwezig kunnen zijn. Een dergelijke taster zou kunnen dienen om onder toepassing van een besturingsinrichting de stroomtoevoer tijdens het ontsteken van de katalytische brander te kunnen regelen, danwel de gastoevoer aan de brander te kunnen regelen, wanneer de laatste in werking is. Laatstgenoemde regeling voorkomt een overmatige temperatuurstijging van de katalysator tijdens het in bedrijf zijn van de katalytische brander, zodat mogelijke verbranding van de katalysator wordt voorkomen.In the catalytic burner of FIG. 2, no temperature probe is shown, but it may also be present. Such a probe could serve to control the power supply during ignition of the catalytic burner or to control the gas supply to the burner when the latter is in operation using a control device. The latter control prevents an excessive temperature rise of the catalyst during the operation of the catalytic burner, so that possible combustion of the catalyst is prevented.

In Fig.3 is een bovenaanzicht van een uitvoeringsvorm van een katalysatordrager voor een brander volgens de uitvinding getoond. Deze bestaat uit een staalgaas (22) met twee metalen aansluit-oren (22,23) die over een belangrijk deel van de omtrek van het gaas met het gaas zijn verbonden. Deze uitvoering van de aansluitklemmen heeft als voordeel, dat de verwarming van de katalysastordrager en daarmef Te katalysator tijdens het ontsteken van de brander gelijkmatig plaatsvindt met zo min mogelijk plaatselijke temperatuurverhogingen, zoals bij een puntsgewijze bevestiging van de aansluitklemmen zouden optreden. Vanzelfsprekend is deze wijze van bevestigen van de aansluitklemmen niet alleen van voordeel bij een gaasvormige al dan niet gedragen katalysator. Het heeft in het algemeen de voorkeur om de weerstandsverwarming zo gelijkmatig mogelijk te laten plaatsvinden, en derhalve de aansluitklemmen over een aanzienlijk gedeelte van de katalysator met de katalysator te verbinden.Fig. 3 shows a top view of an embodiment of a catalyst support for a burner according to the invention. It consists of a steel mesh (22) with two metal connecting ears (22, 23) which are connected to the mesh over a major part of the circumference of the mesh. The advantage of this embodiment of the connection terminals is that the heating of the catalyst support and therefor Te catalyst takes place uniformly during ignition of the burner with as few local temperature increases as possible, as would occur with a point-by-point connection of the connection terminals. Obviously, this method of fastening the terminals is not only advantageous with a mesh-shaped, supported or unsupported catalyst. It is generally preferred to allow the resistance heating to take place as evenly as possible, and therefore to connect the terminals over a substantial portion of the catalyst to the catalyst.

Het zal duidelijk zijn dat uitgaande van de voorgaande beschrijving vele varianten van de katalytische brander, de katalysator en de katalysatordrager volgens de uitvinding voor de gemiddelde vakman voor de hand zullen liggen. De toepassing van de ontstekingsmiddelen volgens de uitvinding, dat wil zeggen de aanwezigheid van direkt met de katalysator in aanraking zijnde en gelijkmatig daarin verdeelde geleidende gebieden, die van aansluitingen zijn voorzien, om met de stroombron te kunnen worden verbonden kunnen eveneens van toepassing zijn voor allerlei andere katalytische toepassingen, daar een temperatuurverhoging van de katalysator doorgaans een positieve invloed heeft op een katalytische reactie.It will be clear that, based on the foregoing description, many variants of the catalytic burner, the catalyst and the catalyst support according to the invention will be obvious to the average skilled person. The use of the ignition means of the invention, that is, the presence of conductive regions directly contacted with the catalyst and provided therewith with terminals, for connection to the power source may also apply to all kinds of other catalytic applications, since an increase in temperature of the catalyst usually has a positive influence on a catalytic reaction.

Voorts is de afmeting van de brander niet kritisch. Het ontstekingsmechanisme volgens de uitvinding is geschikt voor kleine huishoudelijke branders, zoals campingbranders, branders voor het verwarmen van water e.d. in vliegtuigen of treinen, haardrogers etc., alsook voor grote industriële branders.Furthermore, the size of the burner is not critical. The ignition mechanism according to the invention is suitable for small household burners, such as camping burners, burners for heating water, etc. in airplanes or trains, hairdryers, etc., as well as for large industrial burners.

Claims

Catalytic burner, at least comprising an optionally supported oxidation catalyst, feed means for feeding an air / fuel mixture to the catalyst, and ignition means for initiating the combustion reaction near the catalyst, characterized in that the ignition means are carried out in the form of contacting the catalyst (1; 17; 22) directly and substantially evenly distributed therein electrically conductive regions (3) connected to connection means (20, 21; 22, 23) connected to a power source (6 ), such that prior to ignition, current can be passed through the conductive regions (3) for a period of time, causing a suitable ignition in those regions.

Catalytic burner according to claim 1, characterized in that the conductive regions (3) are in the form of an electrically conductive catalyst support material.

Catalytic burner according to claim 1 or 2, characterized in that the oxidation catalyst itself is electrically conductive.

Catalytic burner according to one or more of the preceding claims, characterized in that the oxidation catalyst contains one or more precious metals, such as, for example, Ru, Rh, Pd, Ir and Pt.

Catalytic burner according to one or more of the preceding claims, characterized in that the catalyst is an oxidation catalyst supported on a steel mesh (22).

Catalytic burner according to claim 5, characterized in that the oxidation catalyst is a Pt oxidation catalyst.

Catalytic burner according to claim 5 or 6, characterized in that the connecting means are in the form of connecting ears (23, 24) which extend over a major part of the circumference of the mesh (22) with the mesh (22 ) are connected.

Catalyst, whether or not supported and / or provided with connection terminals, evidently intended for use in a catalytic burner according to one or more of claims 1 to 7.

Catalyst support, whether or not provided with connecting terminals, evidently intended for use in a catalytic burner according to one or more of claims 1 to 7 or in a catalyst according to claim 8.