DE4438356C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zweistufigen Verbrennung von gas- oder dampfförmigem Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zweistufigen Verbrennung von gas- oder dampfförmigem Brennstoff mit nachgeschalteter Wärmeauskopplung.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus der Praxis be­ kannt. Die nachgeschaltete Wärmeauskopplung dient vor allen Dingen der Heiz- oder Brauchwassererwärmung.

Zu unterscheiden sind dabei zwei grundsätzlich verschiedene Verfahrensführungen, nämlich zum einen die zweistufige Flammen­ verbrennung und zum anderen die zweistufige katalytische Ver­ brennung.

Bei der zweistufigen Flammenverbrennung ist man im Hinblick auf die NO_x-Bildung bestrebt, die Flammentemperaturen niedrig zu halten. Dies ist allerdings nur in begrenztem Maße möglich, da sonst die CO-Werte zu stark ansteigen. Auch bedingt die Flam­ menstabilität eine gewisse Mindesttemperatur. Insgesamt lassen sich die Schadstoffemissionen nicht beliebig vermindern.

Die flammenlose katalytische Verbrennung arbeitet auf geringe­ rem Temperaturniveau. Zur vollständigen Umsetzung von Methan enthaltenden Brennstoffen sind allerdings derart hohe Tempera­ turen erforderlich, daß es zu einer vorzeitigen Deaktivierung der Katalysatoren kommen kann. Deren Lebensdauer ist dement­ sprechend begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei zweistufiger Ver­ brennung die Möglichkeit zu extrem schadstoffarmer Arbeitsweise bei störungsfreiem Langzeitbetrieb zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verbrennungsstufen nach unterschiedlichen Reaktionsprinzipien betrieben werden, wobei in der Primärstufe eine unterstöchiometrische Flammenverbren­ nung mit Wärmeauskopplung erfolgt, während in der Sekundärstufe eine flammenlose katalytische Verbrennung bei Luftüberschuß durchgeführt wird.

Zwar ist aus der DE 35 03 413 C2 ein zweistufiges Verbrennungsverfahren bekannt, bei dem sich an eine Flammenverbrennung eine katalytische Verbrennung anschließt, jedoch wird hier der Brennstoff zum Teil der ersten und zum Teil der zweiten Stufe zugeführt, wobei die erste Stufe stöchiometrisch oder überstöchiometrisch arbeitet, und zwar ohne Wärmeauskopplung. Es ergeben sich also die vorstehend diskutierten Nachteile.

Ferner beschreibt die AT 387 643 B ein Verfahren, das mit einer Feuerkammer und einer katalytischen Nachbrennkammer arbeitet, wobei allerdings keine Wärme erzeugt, sondern vielmehr Schadstoffe aus einer Ventilationseinrichtung verbrannt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine katalyti­ sche Verbrennung dann mit hoher Temperatur arbeiten muß, wenn der Brennstoff Methan enthält, und zwar wegen der hohen Akti­ vierungsenergie des Methan.

Erfindungsgemäß wird das Methan in der Primärstufe weitestge­ hend umgesetzt, wobei wegen der unterstöchiometrischen Ver­ brennung ein hoher Anteil an CO und H₂ entsteht. Gleichzeitig wird aus der Primärstufe Wärme ausgekoppelt, so daß die Tempe­ ratur der Flammenverbrennung niedrig gehalten werden kann. Die nachgeschaltete sekundäre katalytische Verbrennung zielt nicht mehr auf die Umsetzung von Methan ab, sondern auf die Umsetzung von CO und H₂, deren Aktivierungsenergie vergleichsweise gering ist. Die Temperatur der katalytischen Sekundärstufe kann also ohne weiteres unter derjenigen Grenze gehalten werden, deren Überschreitung die Gefahr einer Deaktivierung der Katalysatoren mit sich bringt. Die Lebensdauer der Katalysatoren wird also nicht verkürzt. Da die Sekundärstufe mit Luftüberschuß arbei­ tet, kommt es zu einer vollständigen Verbrennung des Kohlenmon­ oxyds. NO_x kann aufgrund der niedrigen Arbeitstemperatur nicht entstehen.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine störungsfreie Langzeit­ verbrennung bei extrem geringer Schadstoffbildung.

Besonders günstige Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Luftzahl der Primärstufe auf 0,5 bis 0,95, vorzugsweise auf 0,6 bis 0,9 eingestellt wird und wenn den aus der Primärstufe stam­ menden Gasen Sekundärluft in solcher Menge begemischt wird, daß sich eine Gesamt-Luftzahl von 1,0 bis 4,0, vorzugsweise von 1,05 bis 1,8 einstellt. Die Beimischung der Sekundärluft er­ folgt derart, daß sich möglichst schnell eine homogene, niedri­ ge Gemischtemperatur einstellt und somit keine unkontrollierten weiteren Gasphasenreaktionen (Oxidation des CO und H₂) möglich sind.

Vorzugsweise werden mindestens ein Teil der aus der Primärstufe ausgekoppelten Wärme und die nach der Sekundärstufe ausgekop­ pelten Wärme einem gemeinsamen Wärmeträgermedium zugeführt.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, einen Teil der aus der Pri­ märstufe ausgekoppelten Wärme der Sekundärluft zuzuführen. Dies erhöht die Arbeitstemperatur der Sekundärstufe nur unwesent­ lich, bewirkt aber, daß die Sekundärluft keine Kältezonen bil­ den kann, die den Betrieb der Sekundärstufe stören würden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwischen den Verbrennungsstufen eine zusätzliche Wärmeauskopplung durch­ geführt wird, wobei diese Wärme vorzugsweise ebenfalls dem ge­ meinsamen Wärmeträgermedium zugeführt wird. Die zusätzliche Wärmeauskopplung trägt ebenfalls dazu bei, die Temperatur der Sekundärstufe niedrig zu halten.

Vorzugsweise werden die aus der Primärstufe austretenden Gase einer katalytischen NO-Reduktion unterworfen. Der besondere Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, daß die aus der Primär­ stufe austretenden Gase geeignete Reaktionspartner im Überschuß enthalten, nämlich CO und H₂. Vorhandenes NO kann also zuver­ lässig reduziert werden. Auf diese katalytische NO-Reduktion kann verzichtet werden, wenn schon in der Primärverbrennungszo­ ne ca. 15-30% der Reaktionswärme aus der Verbrennungszone aus­ gekoppelt wird.

Die Primärstufe wird während des Startes vorzugsweise über­ stöchiometrisch betrieben, und zwar solange, bis die Sekundär­ stufe ihre Arbeitstemperatur erreicht hat. Die Sekundärluftzu­ fuhr kann dabei bereits auf den Betriebswert eingestellt wer­ den.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß hinter der Sekundärstufe der CO-Gehalt des Verbrennungsab­ gases erfaßt wird und daß die Primärstufe auf überstöchiometri­ schen Betrieb umgeschaltet wird, wenn der CO-Gehalt unzulässig ansteigt. Dies dient der Sicherheitsüberwachung des Prozesses. Der Betrieb der Primärstufe kann durch einfache Flammenüberwa­ chung abgesichert werden. Diese Maßnahme entfällt bei flammen­ loser katalytischer Verbrennung, wie sie in der Sekundärstufe stattfindet. Bei einer mit Methan beaufschlagten katalytischen Verbrennungsstufe bleibt als einzige Überwachungsmöglichkeit die Erfassung des Methangehaltes im Abgas. Demgegenüber ist die CO- Ermittlung nach der Erfindung nach dem derzeitigen Stand der Sensortechnik wesentlich einfacher und zuverlässiger. Vor allen Dingen erfüllt sie ihren Zweck in vollem Umfange, da die erfin­ dungsgemäße Sekundärstufe nicht mit Methan gespeist wird, son­ dern mit Kohlenmonoxyd und Wasserstoff.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Verbrennung von gas- oder dampfförmigem Brennstoff, mit einer Primärbrennkammer, ei­ ner Sekundärbrennkammer sowie mit einem der Sekundärbrennkammer nachgeschalteten Haupt-Wärmetauscher für ein Wärmeträger­ medium, wobei diese Vorrichtung zur Lösung der gestellten Auf­ gabe dadurch gekennzeichnet ist, daß die Primärbrennkammer als gekühlte Flammenbrennkammer ausgebildet ist, während die Sekun­ därbrennkammer eine flammenlose katalytische Brennkammer ist. Mit dieser Vorrichtung werden diejenigen Vorteile erzielt, die vorstehend anhand des Verfahrens bereits erläutert wurden.

Die Primärkammer ist vorzugsweise von einem Kühlmantel umgeben, der mit dem Haupt-Wärmetauscher in Verbindung steht. Die insge­ samt anfallende Wärme wird also in ein und denselben Heiz- oder Brauchwasserkreis eingeleitet.

Vorteilhafterweise ist zwischen der Primärbrennkammer und deren Kühlmantel eine Sekundärluftführung vorgesehen. Die ausgekop­ pelte Wärme verteilt sich auf die Sekundärluft und den Kühlman­ tel, wobei die Sekundärluft gleichzeitig als konvektiver Wärme­ übertrager wirkt.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Brennkammer als Strahl­ rohr auszubilden, welches den umgebenden Kühlmantel intensiv bestrahlt. Die Wärmeabgabe der Primärbrennkammer kann ferner dadurch gesteigert werden, daß eine Schüttung aus Keramikkör­ pern in der Brennkammer angeordnet wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwischen der Primär- und der Sekundärbrennkammer ein Zwischen-Wärme­ tauscher vorgesehen ist, der vorteilhafterweise ebenfalls mit dem Haupt-Wärmetauscher in Verbindung steht.

Ferner ist es vorteilhaft, der Primärbrennkammer einen NO-Re­ duktionskatalysator nachzuschalten.

Ein CO-Sensor hinter der Sekundärbrennkammer stellt ein beson­ ders vorteilhaftes Merkmal dar, da auf diese Weise eine beson­ ders einfache Überwachung der katalytischen Verbrennung ermög­ licht wird. Störungen in der Sekundärbrennkammer wirken sich als Anstieg des CO-Gehaltes im Abgas aus. Spricht der Sensor hierauf an, so genügt es, die Primärbrennkammer auf über­ stöchiometrischen Betrieb zu schalten, um den Ausfall der Se­ kundärbrennkammer zu kompensieren.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kombina­ tionen und Unterkombinationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den beiliegenden Ansprüchen abweichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels im Zusammenhang mit der bei liegenden Zeich­ nung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 schematisch ein Fließbild des Prozesses;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Gesamt-Brenner.

Nach Fig. 1 ist eine erste Mischeinrichtung 1 vorgesehen, der, wie durch Pfeile angedeutet, Erdgas und Primärluft zugeführt werden. In der Mischeinrichtung 1 findet gleichzeitig eine Ho­ mogenisierung des Gemisches statt. Die Primärluftzahl wird auf einen Wert zwischen 0,65 und 0,90 eingestellt.

Von der Mischeinrichtung 1 gelangt das Gemisch in eine erste Verbrennungsstufe 2, in der eine unterstöchiometrische Flammen­ verbrennung stattfindet. Gleichzeitig wird, wie durch einen Pfeil angedeutet, Wärme ausgekoppelt. Die Flammenverbrennung findet also bei niedriger Temperatur statt und arbeitet dement­ sprechend extrem schadstoffarm.

An die erste Verbrennungsstufe 2 schließt sich ein NO-Redukti­ onskatalysator 3 an. Die Reduktion erfolgt mit den Reaktions­ partnern CO und H₂, die im Überfluß zur Verfügung stehen. Bei ausreichender Wärmeauskopplung in der Primärbrennkammer kann auf diese Katalysatorstufe verzichtet werden.

Die so gereinigten Verbrennungsabgase gelangen in einen Zwi­ schen-Wärmetauscher 4, der, wie durch ein Pfeil angedeutet, zusätzliche Wärme aus den Verbrennungsabgasen entnimmt und de­ ren Temperatur weiter absenkt.

Die Verbrennungsabgase werden sodann in einer zweiten Mischein­ richtung 5 - wie durch einen Pfeil angedeutet - mit Sekundär­ luft gemischt. Die Luftmenge wird so eingestellt, daß sich eine Gesamtluftzahl für den Prozeß von 1,05 bis 1,8 ergibt. Die Beimischung der Sekundärluft erfolgt derart, daß sich möglichst schnell eine homogene, niedrige Gemischtemperatur einstellt, bei der keine Anfoxidation des CO und H₂ in der Gasphase mög­ lich ist.

Der vollständige Umsatz schließlich erfolgt in einer zweiten Verbrennungsstufe 6, in der eine katalytische Verbrennung stattfindet. Diese läuft bei Temperaturen ab, bei denen noch keine Deaktivierung der Katalysatoren zu befürchten ist. Die Temperatur kann deshalb so niedrig liegen, weil die Aktivie­ rungsenergien von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff gering sind, und zwar wesentlich geringer als die Aktivierungsenergie von Methan.

An die zweite Verbrennungsstufe 6 schließt sich ein Haupt-Wärme­ tauscher 7 an, der zur Heiz- oder Brauchwassererwärmung dient. Diesem Wärmeträgermedium wird auch die ausgekoppelte Wärme aus dem Zwischen-Wärmetauscher 4 und aus der ersten Verbrennungs­ stufe 2 zugeführt.

Während des Starts arbeitet die erste Verbrennungsstufe 2 über­ stöchiometrisch, und zwar solange, bis die zweite Verbren­ nungsstufe 6 ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Die Sekun­ därluft wird von Anfang an auf den Betriebswert eingestellt.

Sobald Störungen in der zweiten Verbrennungsstufe 6 auftreten, werden diese von einem im Verbrennungsabgas arbeitenden CO-Sen­ sor erkannt. Der Sensor bewirkt eine Umschaltung der Primär­ stufe 2 auf überstöchiometrischen Betrieb.

Abweichend von den dargestellten und beschriebenen Prozeß kann je nach den Gegebenheiten auf den Reduktionskatalysator 3 und/oder den Zwischen-Wärmetauscher 4 verzichtet werden. Auch kann die in der Primärstufe 2 ausgekoppelte Wärme unabhängig vom Haupt-Wärmetauscher 7 Verwendung finden und die angegebenen Luftzahlen können im Rahmen der Erfindung höher oder niedriger angesetzt werden. Bei den Katalysatoren kann es sich um Waben- oder Schüttungskatalysatoren handeln.

Fig. 2 zeigt eine mit Flammenverbrennung arbeitende Primär­ brennkammer 8, die als Strahlrohr ausgebildet ist und aus Kera­ mik oder Stahl besteht. Als keramische Materialien kommen AL₂O₃, SiC oder SiSiC in frage. Die Primärbrennkammer 8 wird mit einem unterstöchiometrischen Gemisch beschickt, welches an einer Brennerplatte 9 verbrennt. Die Verbrennungsabgase gelan­ gen in eine Mischzone 10 und mischen sich dort mit Sekundär­ luft, die durch eine Sekundärluftführung 11 zugeführt wird. Das Gemisch wird auf eine überstöchiometrische Gesamtluftzahl ein­ gestellt und gelangt anschließend in eine katalytisch arbei­ tende Sekundärbrennkammer 12. In dieser erfolgt die restliche Umsetzung des in der Primärbrennkammer erzeugten Kohlenmonoxyds und Wasserstoffs. Beide Brennkammern arbeiten bei niedrigen Temperaturen und daher extrem schadstoffarm.

An die Sekundärbrennkammer 12 schließt sich der Haupt-Wärme­ tauscher 7 an. Zu diesem gehört ein Kühlmantel 13, welcher gleichzeitig die Außenwand der Sekundärluftführung 11 bildet. Der Primärbrennkammer 8 wird also ebenfalls Wärme entzogen. Diese gelangt zum Teil in die Sekundärluft und zum Teil in den Kühlmantel 13, und zwar letzteres durch Strahlung und Konvek­ tion. Zur Erhöhung der Wärmeabgabe kann die Primärbrennkammer 8 eine Schüttung aus Keramikkörpern enthalten, beispielsweise in Form von Kugeln, Zylindern, Raschig-Ringen und dergleichen.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann die Vor­ richtung nach Fig. 2 außerdem mit einem Zwischen-Wärmetauscher und mit einem NO-Reduktionskatalysator versehen werden. Als Materialien für letzteren kommen Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, N₂O, CeO, CuO und Kombinationen dieser Substanzen in frage. Diese Materialien werden im übrigen auch bevorzugt für den Ka­ talysator der zweiten Verbrennungsstufe eingesetzt.

Im übrigen kann die Anordnung auch so getroffen werden, daß die aus der Primärbrennkammer 8 ausgekoppelte Wärme vollständig in den Kühlmantel 13 gelangt.

Claims (19)

1. Verfahren zur zweistufigen Verbrennung von gas- oder dampfförmigem Brennstoff mit nachgeschalteter Wärmeauskopplung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verbrennungsstufen nach unterschiedlichen Reaktionsprinzipen betrieben werden, wobei in der Primärstufe eine unterstöchiometrische Flammenverbrennung mit Wärmeauskopplung erfolgt, während in der Sekundärstufe eine flammenlose katalytische Verbrennung bei Luftüberschuß durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzahl der Primärstufe auf 0,5 bis 0,95, vorzugsweise auf 0,6 bis 0,9 eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß den aus der Primärstufe stammenden Gasen Sekundärluft in solcher Menge beigemischt wird, daß sich eine Gesamtluftzahl von 1,0 bis 4.0, vorzugsweise von 1,05 bis 1,8 einstellt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der aus der Primärstufe ausgekoppelten Wärme und die nach der Sekundärstufe ausgekoppelte Wärme einem gemeinsamen Wärmeträgermedium zuge­ führt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der aus der Primärstufe ausgekop­ pelten Wärme der Sekundärluft zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche nach 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbrennungsstufen eine zusätzliche Wärmeauskopplung durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den verbrennungsstufen ausgekoppelte Wärme dem gemeinsamen Wärmeträgermedium zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Primärstufe austretenden Gase einer katalytischen NO-Reduktion unterworfen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstufe während des Starts über­ stöchiometrisch betrieben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Sekundärstufe der CO-Gehalt der Verbrennungsabgase erfaßt wird und daß die Primärstufe auf überstöchiometrischen Betrieb umgeschaltet wird, wenn der CO- Gehalt unzulässig ansteigt.

11. Vorrichtung zum Verbrennen von gas- oder dampfförmigem Brennstoff, mit einer Primärbrennkammer und einer Sekundär­ brennkammer sowie mit einem der Sekundärbrennkammer nachge­ schalteten Haupt-Wärmetauscher für ein Wärmeträgermedium, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammer (8) als gekühlte Flammenbrennkammer ausgebildet ist, während die Sekun­ därbrennkammer (12) eine flammenlose katalytische Brennkammer ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammer (8) von einem Kühlmantel (13) umgeben ist, der mit dem Haupt-Wärmetauscher (7) in Verbindung steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Primärbrennkammer (8) und dem Kühlmantel (13) eine Sekundärluftführung (11) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammer (8) als Strahl­ rohr ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammer (8) eine Schüt­ tung aus Keramikkörpern enthält.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Primär- und der Sekun­ därbrennkammer (8, 12) ein Zwischen-Wärmetauscher vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischen-Wärmetauscher mit dem Haupt-Wärmetauscher (7) in Verbindung steht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß der Primärbrennkammer (8) ein NO- Reduktionskatalysator nachgeschaltet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sekundärbrennkammer (12) eine CO- Sonde nachgeschaltet ist.