DE4317554C2

DE4317554C2 - Warmwasserbereiter

Info

Publication number: DE4317554C2
Application number: DE4317554A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Dr Ledjeff; Juergen Dr Gieshoff; Alex Schuler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-05-27
Also published as: EP0699289B1; EP0699289A1; US5709174A; DE4317554A1; DE59401664D1; WO1994028359A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er z. B. aus der DE-OS 33 32 572 bekannt ist. Weiterhin wird in dem DE-Patent 42 04 320 der Anmelderin ebenfalls ein Warmwasserbereiter beschrieben, der insbesondere eine erste vorteilhafte Verbrennungsstufe aufweist. Im übrigen wird auf diese Anmeldung Bezug ge nommen zum weiteren Verständnis insbesondere der ersten Verbrennungsstufe sowie auf die ausführlichen Darlegungen zur zweiten Verbrennungsstufe. Zur besseren Übersichtlich keit entsprechen die Bezugszeichen dieser Anmeldung z. T. denen des DE-Patentes 42 04 320.

1. Einleitung

Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehen außer dem Treibhausgas Koh lendioxid noch weitere Schadstoffe wie Schwefeldioxid und Stickoxide. Bei herkömmlichen Flammenbrennern sind die Reduzierungsmöglichkeiten, hauptsächlich der Stickoxide, durch die Flammenstabilität und die Bildung von Kohlenmonoxid eingeschränkt. Eine deutliche Reduzierung der Stickoxidemissionen ist bei der flammenlosen Verbrennung an Oxidationskatalysatoren (z. B. Pt) durch die niedrige Reaktionstemperatur zu erreichen. Katalytische Brenner bieten weiterhin den Vorteil, daß Mischungen aus Brennstoffen mit unterschiedlicher Energiedichte in einem weiten Bereich des Mischungsverhältnisses stabil umgesetzt werden können.

2. Stand der Technik

Brenner für Benzin, Diesel oder z. B. Methanol sind heute nur als herkömmliche Flammen brenner erhältlich. Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur (Flammentemperatur) haben solche Brenner hohe Stickoxidemissionen. Es gibt Möglichkeiten auch bei solchen Brennern die Emissionen zu reduzieren, z. B. Flammenkühlung oder Änderung der Luftzahl, dies führt jedoch dazu, daß die Flammenstabilität abnimmt und die Kohlenmonoxidemissionen zu nehmen.

Dieser Stand der Technik hat den Nachteil, daß er nicht besonders für flüssige Treibstoffe geeignet ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Warmwasserbereiter gem. dem Ober begriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß flüssige Brennstoffe ohne wesentliches Cracken verwendet werden können. Diese Aufgabe wird durch den Warmwasserbereiter nach Anspruch 1 gelöst. Durch die Erfindung ist es möglich, die erste Stufe des zweistufigen katalytischen Brenners thermisch an den Verdampfungsraum anzukoppeln.

Eine vorteilhafte Weiterbildung für den katalytischen Spaltbrenner ist in Anspruch 2 be schrieben.

Gemäß Anspruch 3 ist der Verdampfungsraum als Brennkammer ausgebildet, wozu sie eine Zündeinrichtung aufweist. Als Zündflamme kann ggf. z. B. ein Bypass der Zuführung für den flüssigen Brennstoff dienen. Außerdem weist der Warmwasserbereiter zu diesem Zweck eine Zufuhr von Primärluft zum Verbrennungsraum auf.

Gemäß Anspruch 4 wird der Brennstoff isoliert zugeführt, damit der Brennstoff ohne zu cracken in den Verdampfungsraum gelangt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, zur Zerstäubung des Brennstoffs eine Düse oder andere Einrich tungen vorzusehen (Anspruch 5).

Es kann vorteilhaft sein, einen Teil des Abgases aus der ersten Stufe in den Verdampfungs raum zurückzuführen, da dann der flüssige Brennstoff leichter verdampft wird und das beim Verbrennungsvorgang entstehende Wasser bzw. Wasserdampf ebenfalls mögliche Crackreaktionen minimiert.

Gemäß Anspruch 8 kann es vorteilhaft sein, Einrichtungen zur Lenkung des Gasstromes im Verdampfungsraum vorzusehen, insbesondere können diese Einrichtungen thermisch iso liert sein, wenn sie nicht von der ersten Verbrennungsstufe beheizt sind.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, den Verdampfungsraum rotationssymmetrisch auszubil den und ihn rotieren zu lassen, da dann der Brennstoff an die Wand gedrückt wird und dort im besseren Kontakt mit der Wand kommt, die auf der Rückseite von der ersten Verbren nungsstufe infolge der Umsetzungsreaktion des Brenngas-Luftgemisches an der Katalysa torschicht beheizt wird.

3. Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Gegenstand der Anmeldung ist ein zweistufiger katalytischer Brenner für flüssige Brennstoffe und deren Gemische mit interner Verdampfung bzw. Vergasung. Im Innenraum des Bren ners wird der Brennstoff, eventuell unter Luftzufuhr (Primärluft), verdampft bzw. vergast. Die dafür notwendige Energie wird durch die Verbrennungswärme bereitgestellt. Das Brenn gas/Luft-Gemisch (mit zugegebener Sekundärluft, die nach der Startphase die alleinige Luftzufuhr sein kann) überströmt eine katalytische Fläche und reagiert dort zu ca. 80-85% ab. Die Reaktionstemperaturen liegen bei ca. 800-900°C. Über Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion wird Wärme an das Kühlmedium und an die Verdampfungszone abgege ben. In der zweiten Stufe wird in einem Monolith-Katalysator der restliche Brennstoff umge setzt. Durch die engen Kanäle wird ein guter Stofftransport und somit eine hohe Leistungs dichte erreicht. Damit werden Temperaturen von ca. 1000°C erreicht, welche einen vollstän digen Umsatz ermöglichen. Aus dem Monolith kann ein Teil der Wärme zur Vorheizung der Primärluft abgezogen werden, was z. B. bei intermittierendem Betrieb von Vorteil ist.

Beschreibung

Der katalytische Brenner (Bild 1) besteht aus zwei Stufen 16, 20. Die erste Stufe besteht aus einem an der Außenseite mit Katalysator 13 beschichteten Metallrohr 31 oder auch Keramik rohr. Dieses Katalysatorrohr wird von einem Keramik- oder Metallrohr und einem Kühlmantel umgeben, so daß zwischen dem Katalysatorrohr und dem Keramikrohr 11 ein Gasspalt ent steht. In diesem Gasspalt strömt das Gemisch aus verdampftem, gasförmigem Brennstoff und Luft und reagiert an der katalysierten Oberfläche des Rohrs 31. Die zweite Stufe, die oberhalb der ersten angeordnet ist, besteht aus einer keramischen Wabenstruktur (Monolith), die mit Katalysator beschichtet wird. Das Abgas aus der ersten Stufe mit dem verbliebenen Restbrennstoff strömt durch diesen Monolith und reagiert dabei vollständig ab. Zentrisch in dem Monolith ist die Zuleitung der Primärluft und des flüssigen Brennstoffge mischs angeordnet.

Zwei konzentrisch angeordnete Rohre 8 und 41, die von oben durch den Monolithen durch geführt sind, bilden die Zuleitung des flüssigen Brennstoffs und der Primärluft. Im äußeren Rohr 41 strömt die Primärluft, die durch den angrenzenden Monolithen vorgewärmt wird. Im inneren Rohr fließt der flüssige Brennstoff. Dieses wird nur leicht vorgewärmt, da der Gas spalt zwischen diesem Rohr und dem Monolith isolierend wirkt, so daß im Zuleitungsrohr kein Verdampfen oder Cracken eintreten kann. Diese konzentrischen Rohre enden in Höhe der Oberkante der ersten Brennerstufe. Der flüssige Brennstoff wird mittels einer Düse 42 fein zerstäubt in das Innere des Katalyserohrs der ersten Brennerstufe eingebracht, die so den Verdampfungsraum 40 bzw. Brennkammer bildet. Die konzentrisch zugeführte Primär luft, die durch den Monolithen vorgewärmt wurde, strömt durch ringförmig um die Brenn stoffzuleitung angebrachte Bohrungen ebenfalls in das Innere des Katalyserohrs. Durch einen hohen Anteil an Primärluft wird erreicht, daß der flüssige Brennstoff weit unterhalb sei ner Siedetemperatur verdampft werden kann. Die Zugabe von Primärluft kann im günstigen Fall nach der Startphase abgeschaltet werden. Weiterhin wird durch die feine Zerstäubung des Brennstoffs eine große Verdunstungsoberfläche und durch die Strömung der Primärluft gute Stoffaustauschzahlen erreicht. Die Verdunstungsenergie wird durch die Wärme der vorgeheizten Luft und durch die Wärmezufuhr (Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung) von dem Katalyserohr bereitgestellt.

Das Brenngas/Luft-Gemisch strömt im Inneren des Verdampfungsraumes bzw. Brenner raumes nach unten. Ein auf dem Boden des Brenners aufgebauter Kegel 45 leitet das Gas am unteren Ende des Katalysatorrohrs in den Ringspalt zwischen Keramik- und Katalysator rohr. An dieser Stelle wird die Sekundärluft zugegeben, die direkt von unten in den Ringgas spalt einströmt. Der Kegel hat im wesentlichen zwei Funktionen. Er hat die Aufgabe, das Brenngas/Luft-Gemisch gleichmäßig in den Ringspalt einströmen zu lassen. Ohne diesen Kegel könnten sich leicht Totraumgebiete am Boden des Brenners bilden, an denen sich z. B. evtl. anfallende Crack-Produkte sammeln könnten. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist, daß der Kegel durch die Abstrahlung des Verdampfungsraumes (Rückseite des Katalysator raumes) erwärmt wird. Dadurch kann verhindert werden, daß am Boden des Brenners oder bei der Umlenkung in den Gasspalt Teile des Brennstoffs wieder auskondensieren können.

Das Brenngas/Luft-Gemisch mit der zugegebenen Sekundärluft strömt im Ringspalt zwi schen Keramik- und Katalysatorrohr nach oben. Dabei reagiert ein Teil des Brennstoffs an der katalytischen Oberfläche ab. Die dabei frei werdende Energie verteilt sich wie folgt:

1. das Katalysatorrohr wird aufgeheizt bzw. auf der Reaktionstemperatur gehalten
2. das Reaktionsgas wird aufgeheizt
3. es wird Wärme an das Innere des Katalysatorrohrs abgegeben; diese wird zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffgemisches benötigt; die Wärme wird durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung übertragen
4. vom Katalysatorrohr wird ebenfalls durch Konvektion, Wärmeleitung und Strah lung Wärme an das Keramikrohr abgegeben; von dort wird die Wärme durch Wärmeleitung weiter nach außen an den mit Kühlmedium (Wasser, Luft) durch flossenen Doppelmantel abgegeben.
Das Katalysatorrohr hat eine Temperatur von ca. 700-900°C. In dieser ersten Stufe werden ca. 80% des Brennstoffs umgesetzt.

Aus dem Ringspalt der ersten Stufe strömt das Gasgemisch nach oben in den erweiterten Raum unterhalb der mit Katalysator (z. B. Pt) beschichteten Wabe. Die Querschnittserweite rung führt zu einer Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit und zu einer nochmali gen gründlichen Durchmischung vor der zweiten Brennerstufe. Das Gas strömt nun durch die engen Kanäle der Katalysatorwabe, wobei der verbliebene Brennstoff vollständig umge setzt wird. Der gute Umsatz in dieser zweiten Stufe kommt durch folgende Gegebenheiten zustande:

1. der Stofftransport zum Katalysator ist aufgrund der engen Kanäle sehr gut
2. durch die geringen Wärmeverluste aus der Wabe und die Wärmeproduktion auf grund der Reaktion erreicht die Wabe Temperaturen von ca. 900-1000°C; die Reaktionsgeschwindigkeit ist bei dieser Temperatur so hoch, daß bei der relativ großen Verweilzeit (niedrige Strömungsgeschwindigkeit) der Brennstoff vollstän dig umgesetzt werden kann. Obwohl durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des keramischen Monolithen nur sehr wenig Wärme abgeführt wird, kann damit doch die Primärluft, deren Zufuhr im Zentrum der Wabe angebracht ist, ein we nig vorgeheizt werden. All zu hoch darf die Vorheiztemperatur der Primärluft oh nedies nicht sein, da sonst beim Zusammentreffen mit dem verdüsten Brennstoff Crackreaktionen auftreten könnten.
Die Abluft aus der zweiten Verbrennungsstufe wird dann in einem (nicht darge stellten) Wärmetauscher benutzt, das in der ersten Verbrennungsstufe erwärmte Wasser bzw. Fluid 2 weiter zu erwärmen.

Der Start des gesamten Brenners erfolgt dadurch, daß im Verdampfungsraum eine Flamme entzündet wird. Der Primärluftstrom ist dabei so groß, daß eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist. Die Flamme erhitzt durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion das Katalysatorrohr von innen. Die heißen Abgase strömen nach unten, werden durch den Kegel am Boden in den Gasspalt geleitet und strömen durch diesen nach oben und durch die Wabe. Dabei gibt das heiße Abgas die Wärme ab und heizt somit den Brenner mit der Wabe auf. Hat der Brenner ein Temperaturniveau erreicht, bei dem die katalytische Reaktion mit entsprechend großer Reaktionsgeschwindigkeit ablaufen kann (ca. 600°C), dann wird die Flamme abgeschaltet. Dies kann erfolgen durch ein kurzfristiges Abschalten der Primärluft und/oder der Brennstoffzufuhr.

Evtl. entstandene Crackprodukte, die sich an der heißen Innenseite des Katalysatorrohrs ab scheiden, können dadurch beseitigt werden, daß in gewissen Zeitabständen im Innenraum des Katalysatorrohrs eine Flamme gezündet wird. Diese Flamme wird mit Luftüberschuß be trieben, so daß die Crackprodukte an den Oberflächen ausgebrannt werden können.

In Bild 2 ist der gleiche Brenner nochmal dargestellt, jedoch sind hier Öffnungen 44 vom Gasraum zwischen erster und zweiter Stufe zum Inneren des Katalysatorrohrs (Verdampfungsraum) angebracht. Diese Öffnungen, die als Düsen ausgestaltet sein können, bewirken, daß ein Teil des Abgases aus der ersten Brennerstufe durch den Verdampfungs raum rezirkulieren kann. Dies bringt folgende Vorteile:

1. durch seitliche Zuströmung bzw. Ansaugung des Abgases aus der ersten Stufe erfolgt eine gute Durchmischung und weitere Verdünnung des Brennstoff/Luft- Gemisches im Inneren des Katalysatorrohrs; dies führt zu einer schnelleren Ver dampfung.
2. das heiße Abgas bringt zusätzliche, für die Verdampfung benötigte Wärme in den Verdampferraum.
3. der im rezirkulierten Abgas vorhandene Wasserdampf aus der Verbrennung be wirkt, daß Teile des Brennstoffes zu Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert werden, und somit evtl. auftretende Crackreaktionen minimiert werden können.
4. bei ausreichender Rezirkulation des Abgases kann auf die Primärluft verzichtet werden.

In Bild 3 ist ein Brenner dargestellt, bei dem im Inneren des Katalysatorrohrs eine hochpo röse Struktur 43 angebracht ist. Diese Struktur bewirkt, daß ein Teil der eingedüsten Brenn stoff-Tropfen, besonders die größeren, auf dem porösen Körper abgeschieden werden und somit nicht mit der heißen Wand des Katalysatorrohrs in Berührung kommen. Dadurch, daß die Temperaturen dort niedrig gehalten werden, kann kein Cracken auftreten. Die poröse Struktur kann aus Keramik oder Metall bestehen und als Quader, Zylinder oder auch als Rohr ausgestaltet sein. Die Struktur kann auch mit Katalysatormaterial beschichtet sein, um die Verdampfungsreaktion zu beschleunigen.

Erfindungsgemäß wird die erste Stufe des zweistufigen katalytischen Brenners thermisch an den Verdampfungsraum angekoppelt. Der Verdampfungsraum dient gleichzeitig als Brenn kammer für die Vorheizung. Die thermische Kopplung zwischen der ersten Katalysatorstufe und Verdampfungsraum ermöglicht während der Startphase einen Wärmestrom aus diesem Raum, der dann Brennraum ist, zu der ersten Katalysatorstufe und bei katalytischem Bren nerbetrieb umgekehrt einen Wärmestrom von der ersten Katalysatorstufe zum Verdamp fungsraum, um dort die erforderliche Verdampfungsenthalpie bereitzustellen.

Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Brenners ist nicht auf die skizzierte Rohr geometrie beschränkt, sondern auch auf rechteckige Kanäle oder plattenförmigen Anord nungen übertragbar.

Der Warmwasserbereiter kann vorteilhafterweise auch zur Erwärmung von Warmluft oder ei nes anderen zu erheizenden Fluids verwendet werden.

Claims

1. Warmwasserbereiter mit einem Einlaß (8) für flüssige Brennstoffe, mehreren Einläs sen (41, 46) für Frischluft, einem Einlaß für ein aufzuheizendes Fluid (2), mindestens zwei von dem Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmten Verbrennungsstufen (16, 20) mit katalytischen Brennkammern, die zumindest teilweise von mindestens einer mit dem Fluid (2) gefüllten Fluidkammer (4) umgeben sind und mit einem Abgaswärme tauscher für das zu erwärmende Fluid (2), der von dem aus den Brennkammern ent weichenden Abgas durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbrennungsstufe (16) einen Verdampfungsraum (40) aufweist, der auf der Außenseite seiner Berandung (31) mindestens teilweise die Katalysatorschicht (13) aufweist.

2. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbrennungsstufe (16) als ein katalytischer Spaltbrenner (11) ausge bildet ist.

3. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (40) als Brennkammer zum Starten des Warmwasserbe reiters ausgebildet ist und eine Zufuhr (41) für Primärluft und eine Zündeinrichtung mit ggf. eigener Zuleitung für Brenngas bzw. beheizter Zuleitung für den flüssigen Brennstoff aufweist.

4. Warmwasserbereiter nach einem dem Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr in den Verdampfungsraum thermisch isoliert ausgebildet ist.

5. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse (42) z. B. Piezokristalle, poröse Keramik oder Verwirbelungsdüse, und/oder eine poröse Struktur (43) zur Zerstäubung und/oder Verdampfung des Brennstoffes vorgesehen sind.

6. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung (44) zur Abgasrezirkulation aus dem Ausgang der ersten Verbren nungsstufe in den Verdampfungsraum vorgesehen ist.

7. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbrennungsraum eine Einrichtung (45) zur Lenkung des Gasstroms vorge sehen ist.

8. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum bewegbar, z. B. rotierbar ausgebildet ist.

9. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Berandung (31) des Verdampfungsraums (40) ein Zylinder ist, der auf der äußeren Mantelfläche mindestens teilweise die Katalysatorschicht (13) aufweist.