DE19604263A1

DE19604263A1 - Catalytic burner

Info

Publication number: DE19604263A1
Application number: DE1996104263
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Gieshoff; Alex Dr Schuler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1997-08-14
Also published as: EP0789188A2; EP0789188A3

Description

Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus DE 42 04 320 C1 bekannt ist. Die vorgeschlagene technische Ausgestaltung eines katalytischen Brenners ist geeignet für Heizsysteme, deren Wärmegut Temperaturen bis circa 700°C erreichen muß. Das größte Anwendungspotential stellen dabei Heizgeräte zur Warm wassererzeugung dar. Die einzusetzenden Brennstoffe können gasförmig, aber auch flüssig und nach einer Aufbereitung auch Festbrennstoffe sein.The invention relates to a catalytic burner according to the preamble of claim 1 he is known from DE 42 04 320 C1. The proposed technical design of a Catalytic burner is suitable for heating systems whose heat good temperatures up to approx Must reach 700 ° C. The greatest application potential is provided by heaters for heating The fuels to be used can be gaseous, but also liquid and also be solid fuels after processing.

State of the art

Die Erzeugung von Heizwärme geschieht heute in kommerziell erhältlichen Geräten nahezu ausschließlich durch den Einsatz von Flammenbrennern. Durch die verschärften Anforderun gen an die Emissionseigenschaften dieser Geräte sind in den letzten Jahren einige Anstren gungen unternommen worden, katalytische Verbrennungssysteme einzusetzen. Diese katalytischen Verbrennungssysteme zeichnen sich insbesondere durch extrem niedrige Stickoxid-Emissionen aus. Die Anforderungen des Gütezeichens Blauer Engel" für Gashei zungen werden bezogen auf die NOx-Emissionen um den Faktor 100, für die CO-Emissionen um den Faktor 25-50 unterboten. Gleichzeitig bieten katalytische Verbrennungssysteme deutliche Vorteile bei nahezu stöchiometrischen Brennstoff/Luftgemischen. Solche Brenn stoffmischungen sind in Flammenbrennern nur mit erhöhten CO-Emissionen umzusetzen. Für die katalytischen Brenner werden mehrere Systemausgestaltungen diskutiert. Zum einen sind dies katalytisch beschichtete Metall oder Keramikstrukturen, die häufig zylindrisch oder halbkugelförmig ausgestaltet sind. Als Beispiel seien die katalytisch beschichteten Matrix- Brenner oder auch die Alzeta-Brenner genannt. Neben einigen materialtechnischen Schwie rigkeiten zeigen die Stickoxid-Emissionen dieser Brennersysteme, daß neben der heterogenen Reaktion der Edukte an der Katalysatoroberfläche auch homogene Gasphasenreaktionen stattfinden. Ein deutliches Indiz ist der Einsatz von Ionisationsdetektoren zur Überwachung des Brenners, die nur bei einer vorhandenen homogenen Reaktion (Flamme) ansprechen. Sol che Brennersysteme erreichen im allgemeinen NOx-Werte von etwa 5 mg/kWh. Sowohl der katalytisch beschichtete Matrix-Brenner als auch das Alzeta-System sind Brenner, die man als katalytisch-unterstützt bezeichnet. Sie sind, vor allen Dingen auch in Emissionseigenschaften, nicht mit den katalytischen Brennern zu vergleichen. The generation of heat is almost done today in commercially available devices exclusively through the use of flame burners. Due to the stricter requirements The emission properties of these devices have been some efforts in recent years attempts have been made to use catalytic combustion systems. This Catalytic combustion systems are particularly characterized by extremely low Nitrogen oxide emissions. The Blue Angel quality label requirements for Gashei tongues are based on the NOx emissions by a factor of 100, for the CO emissions undercut by a factor of 25-50. At the same time offer catalytic combustion systems clear advantages with almost stoichiometric fuel / air mixtures. Such burning Substance mixtures can only be implemented in flame burners with increased CO emissions. Several system configurations are discussed for the catalytic burners. On the one hand are these catalytically coated metal or ceramic structures, which are often cylindrical or are designed hemispherical. The catalytically coated matrix Brenner or also called the Alzeta burner. In addition to some material engineering problems The nitrogen oxide emissions of these burner systems show that in addition to the heterogeneous Reaction of the starting materials on the catalyst surface also homogeneous gas phase reactions occur. A clear indication is the use of ionization detectors for monitoring of the burner, which only respond when there is a homogeneous reaction (flame). Sol burner systems generally achieve NOx values of around 5 mg / kWh. Both the Catalytically coated matrix burners as well as the Alzeta system are burners that are called designated catalytically supported. They are, above all, also in emission properties, not to be compared with the catalytic burners.

Als weitere Ausgestaltung werden Hintereinanderschaltungen von Wabenkatalysatoren diskutiert. Das Anwendungsgebiet dieser technischen Möglichkeit liegt im Gasturbinenbau. Ziel der Brennersysteme dort ist die Darstellung heißer Gasmischungen bei möglichst hohem Druck und großem Massenstrom. Damit die einzelnen Wabenelemente nicht aufgrund der hohen Brennstoffkonzentration durch zu hohe Materialtemperaturen leiden, sind Brennstoff- oder Luftstufungen vorgesehen. Dies bedeutet, daß ein Gasstrom auf die Brennerstufen aufgeteilt wird, so daß eine Überhitzung der Waben vermieden werden kann. Die Reaktions wärmeabgabe erfolgt hauptsächlich an das Reaktionsgas. Eine Übertragung dieses Verfahrens in den Heizkesselbau ist nur möglich durch das Einbringen von Wärmetauschern zwischen den einzelnen Katalysatorstufen. Fehlt eine gezielte Wärmeabfuhr, wird auch bei einer gestuften Einbringung die adiabatische Verbrennungstemperatur von 1800°C erreicht.As a further embodiment, series connection of honeycomb catalysts discussed. The field of application of this technical possibility is in gas turbine construction. The aim of the burner systems there is to display hot gas mixtures at the highest possible Pressure and large mass flow. So that the individual honeycomb elements are not due to the high fuel concentration due to excessive material temperatures are fuel or air grading provided. This means that a gas flow to the burner stages is divided so that overheating of the honeycomb can be avoided. The reaction heat is mainly released to the reaction gas. A transfer of this procedure in boiler construction is only possible by inserting heat exchangers between the individual catalyst stages. If there is no targeted heat dissipation, even with a tiered one Introduction reaches the adiabatic combustion temperature of 1800 ° C.

Als dritte Ausgestaltung sei auf das Patent DE 42 04 320 C1 hingewiesen. In Patent DE 42 04 320 C1 wird ein zweistufiger katalytischer Brenner beschrieben, der in seiner ersten Stufe aus einer angeströmten Platte in Form eines auf der Außenseite katalytisch beschichteten Rohres besteht und als zweite Stufe einen Wabenkatalysator besitzt. Der Hauptumsatz des Brenn stoffes geschieht in der ersten Stufe, die über Strahlung einen Teil der Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt. Die restliche Reaktionswärme wird an das Reaktionsgas abgegeben. Der Umsatz in der ersten Stufe beträgt je nach Belastung 60-80%. Dabei erweist es sich als ungünstig, daß der Umsatz in der ersten Stufe mit steigender Belastung abnimmt, so daß der Wabenkatalysator mit steigender Brenngasbelastung überproportional viel Umsatz erzielen muß, um den vollständigen Ausbrand sicherzustellen. Dies kann in der zweiten Stufe zu Materialbelastungen führen. Die Temperaturen in der ersten Stufe sind neben den bereits oben angesprochenen Faktoren auch vom Reaktionsweg abhängig. Das Brenngas wird hauptsächlich im ersten Drittel des Rohres umgesetzt. Eine gleichmäßige Verteilung der Temperaturen über den Reaktionsweg kann man bei einer Auslegung für verschiedene Bren nerleistungen nicht erreichen. Diese Faktoren bedingen eine sehr sorgfältige verfahrenstech nische Auslegung des Gesamtbrenners.As a third embodiment, reference is made to the patent DE 42 04 320 C1. In patent DE 42 04 320 C1 describes a two-stage catalytic burner, which is in its first stage a flow plate in the form of a tube coated catalytically on the outside exists and has a honeycomb catalyst as the second stage. The main sales of the distillery Substance happens in the first stage, which radiates some of the heat to one Releases water cycle. The remaining heat of reaction is given off to the reaction gas. The turnover in the first stage is 60-80% depending on the load. It turns out to be unfavorable that the turnover in the first stage decreases with increasing load, so that the Honeycomb catalytic converter achieve disproportionately high sales with increasing fuel gas load to ensure complete burnout. This can be done in the second stage Lead material loads. The temperatures in the first stage are next to those already The factors mentioned above also depend on the reaction path. The fuel gas will mainly implemented in the first third of the pipe. An even distribution of the Temperatures via the reaction path can be designed for different types of fuel not achieve achievements. These factors require very careful procedural engineering African design of the overall burner.

Wesentliche Aufgabe bei katalytischen Brennern ist die Einstellung einer geeigneten Reakti onsdichte an der katalytisch aktiven Zone. Folgende Forderungen sind dabei zu berücksichti gen:An essential task in catalytic burners is the setting of a suitable reaction density on the catalytically active zone. The following requirements must be taken into account gene:

1. The reaction density must be high enough to be compact and powerful To realize burner.
2. However, the appropriate mass transport or heat transport conditions Reaction temperature are kept to a level that is conducive to the material.

In Patent DE 42 04 320 wird Bedingung 2 durch eine Kombination aus einer Begrenzung des Stofftransports (1. Brennerstufe) und Wärmeabgabe über Strahlung und Konvektion erreicht. Diese Verknüpfung erschwert eine verfahrenstechnische Auslegung, die auf eine möglichst hohe Modulationsfähigkeit abzielt.In patent DE 42 04 320 condition 2 is a combination of a limitation of the Mass transport (1st burner stage) and heat emission via radiation and convection achieved. This link complicates a procedural design that is based on a possible aims for high modulation ability.

Object achieved with the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner zu schaffen, der den Brenngasumsatz an kataly tisch aktiven Oberflächen ermöglicht, der einen einfachen verfahrenstechnischen Aufbau gewährleistet und eine hohe Modulationsgrad ermöglicht. Dabei sollen die Emissionseigen schaften wesentlich besser als bei den bekannten Flammenbrennern bzw. katalytisch unter stützten Brennern (Matrix-Brenner, Alzeta-Brenner) sein. Der Brenner soll weiterhin ohne deutlichen verfahrenstechnischen Aufwand auch mit anderen zu beheizenden Komponenten, wie thermoelektrische Wandlern, ausrüstbar sein.The object of the invention is to provide a burner that catalyzes the fuel gas conversion table active surfaces, the simple process engineering structure guaranteed and enables a high degree of modulation. The emissions own should create much better than with the known flame burners or catalytically under supported burners (matrix burners, Alzeta burners). The burner should continue without significant process engineering effort also with other components to be heated, like thermoelectric converters.

Solution

Erfindungsgemäß wird dieses Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention, this object is achieved by claim 1. Advantageous configurations are marked in the subclaims.

Im Unterschied zum Patent DE 42 04 320 wird auf eine Reduktion des Stofftransportes zur Kontrolle der Reaktionsrate weitestgehend verzichtet. Die Wärmeauskopplung geschieht im wesentlichen durch Strahlung über die Stirnseiten eines katalytisch aktiven, gasdurchlässigen Körpers. Dabei wird der größere Anteil über die Eintrittsstirnseite entgegen der Strömungs richtung des Gases abgegeben.In contrast to patent DE 42 04 320, a reduction in mass transport is used Control of the reaction rate largely avoided. The heat is extracted in the essentially by radiation over the end faces of a catalytically active, gas-permeable Body. The larger part is against the flow through the inlet end direction of the gas emitted.

Presentation of the invention

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abb. 1-3 erläutert.The invention is explained below with reference to FIGS. 1-3.

Abb. 1 zeigt eine erste Ausgestaltung des katalytischen Brenners. Das Brennstoff/Luft- Gemisch wird durch eine Zuführung (1) mit Düse (1a) in einen Verteilerraum (2) geführt, der auf der einen Seite durch einen Katalysator (3) und auf der anderen Seite durch eine gekühlte Wand (4) berandet ist. Die Düse (1 a) dient bei flüssigen Werkstoffen zur Zerstäubung des Brennstoffes und zur Erzeugung einer gleichmäßigen Strömung durch den Verteilerraum (2) hin zum Katalysator (3). Das Gas wird durch diesen Katalysator geführt und bei einer ausrei chenden katalytischen Aktivität der Struktur dort teilweise umgesetzt. Der Gasweg durch die Struktur des Katalysators ist kurz, die Struktur relativ dünn. Die angebotene katalytische Oberfläche im Vergleich zur ersten Stufe des Brenners nach DE 42 04 320 jedoch relativ groß. Es wird deshalb ein großer Umsatz erzielt. Fig. 1 shows a first embodiment of the catalytic burner. The fuel / air mixture is fed through a feed ( 1 ) with nozzle ( 1 a) into a distribution space ( 2 ), which is on one side by a catalyst ( 3 ) and on the other side by a cooled wall ( 4 ) is bordered. In liquid materials, the nozzle ( 1 a) serves to atomize the fuel and to generate a uniform flow through the distributor space ( 2 ) to the catalyst ( 3 ). The gas is passed through this catalyst and partially implemented there if the structure has sufficient catalytic activity. The gas path through the structure of the catalyst is short, the structure is relatively thin. The catalytic surface offered, however, is relatively large compared to the first stage of the burner according to DE 42 04 320. A large turnover is therefore achieved.

Die Reaktionswärme entsteht vor allen Dingen im Einströmbereich der katalytisch aktiven Struktur. Die Struktur erwärmt sich und gibt über zwei Wege ihre Reaktionswärme ab: ein Teil wird über Strahlung der Eintritts- und Austrittsflächen (3a und 3b) abgegeben, ein weiterer Teil wird an das teilverbrannte Reaktionsgas abgegeben.The heat of reaction arises above all in the inflow area of the catalytically active structure. The structure heats up and releases its heat of reaction in two ways: a part is emitted via radiation from the entry and exit surfaces ( 3 a and 3 b), another part is released to the partially burned reaction gas.

Das Verhältnis dieser beiden Wärmeströme verschiebt sich mit steigender Temperatur sehr deutlich zugunsten der Wärmeabgabe über Strahlung, womit eine Überhitzung des Katalysa tors vermieden werden kann.The ratio of these two heat flows shifts a lot with increasing temperature clearly in favor of heat emission via radiation, which overheats the catalytic converter tors can be avoided.

Damit die Strahlungsabgabe möglichst vollständig erfolgen kann, muß dem strahlenden Katalysator zumindest gegenüber der Eintrittsfläche (3a) eine Kühlplatte (4) gegenüberstehen. Unter bestimmten Randbedingungen kann in dem Verteilerraum (2a) auch eine Kühlplatte (5) der Austrittsfläche (3b) des Katalysators gegenübergestellt werden.So that the radiation output can be carried out as completely as possible, the radiant catalyst must at least with respect to the entrance surface (3a) facing a cooling plate (4). Under certain boundary conditions, a cooling plate ( 5 ) of the outlet surface ( 3 b) of the catalytic converter can also be juxtaposed in the distributor space ( 2 a).

Diese Kühlplatten sind mit einer IR-strahlungsabsorbierenden Schicht (4a, 5a), deren Emis sionszahl in weiten Bereichen einstellbar ist, versehen. Für die Anwendung in einem Heizkes sel ist die Kühlplatte schwarz beschichtet und mit Heizwasser durchflossen. Dadurch wird die Temperatur der Kühlplatte auf Werte unter 100°C begrenzt, wenn die Heizwassertemperatur etwa 50-90°C beträgt. Der Katalysator kann aufgrund der großen Temperaturdifferenz sehr viel Wärme an diese Kühlplatte abgeben. Der Anteil, der über diese Strahlung abgegeben wird, steigt gemäß dem T⁴-Gesetz überproportional mit der Temperatur, so daß eine Temperaturüberhitzung des Katalysators bei geeigneten Leistungsdichten vermieden werden kann. Gleichzeitig wird über diese Gesetzmäßigkeit sichergestellt, daß bei niedrigerer Brennstoffbelastung die Katalysatortemperatur nicht soweit absinkt, daß die Katalysatorstufe keinen Umsatz mehr erzielen kann.These cooling plates are provided with an IR radiation-absorbing layer ( 4 a, 5 a), the emission number of which can be adjusted over a wide range. For use in a heating boiler, the cooling plate is coated in black and has heating water flowing through it. This limits the temperature of the cooling plate to values below 100 ° C when the heating water temperature is around 50-90 ° C. The catalytic converter can give off a lot of heat to this cooling plate due to the large temperature difference. The proportion that is emitted by this radiation increases disproportionately with temperature, so that temperature overheating of the catalyst can be avoided with suitable power densities. At the same time, this law ensures that the catalyst temperature does not drop to such an extent that the catalyst stage can no longer achieve sales at lower fuel loads.

Das Gas wird durch den Katalysator geführt und erwärmt sich. Der Umsatz ist aufgrund des kurzen Reaktionsweges in der Regel unvollständig. Die fühlbare Wärme des Gases dient nun dazu in einer zweiten Katalysatorstufe, dem Abgaskatalysator (6), den vollständigen Ausbrand zu gewährleisten. Damit die fühlbare Wärme dem Gas nicht an der zweiten Kühlplatte entzogen wird, kann ein IR-transparentes Fenster vor der zweiten Kühlplatte (5) vorgesehen werden, so daß ein direkter Kontakt mit der Kühlplatte unterbunden wird. The gas is passed through the catalyst and warms up. Due to the short reaction path, sales are usually incomplete. The sensible heat of the gas now serves to ensure complete burnout in a second catalytic converter stage, the exhaust gas catalytic converter ( 6 ). So that the sensible heat is not extracted from the gas on the second cooling plate, an IR-transparent window can be provided in front of the second cooling plate ( 5 ), so that direct contact with the cooling plate is prevented.

Das Gas wird bei Raumtemperatur in den Verteilerraum (2) eingeführt. Ein Aufwärmen des Brenngases vor der Katalysatorstruktur wird durch die kurze Verweilzeit im Verteilerraum weitestgehend ausgeschlossen. Wird jedoch flüssiger Brennstoff mit dem notwendigen Luftanteil in den Raum vor dem Katalysator eingedüst, so bilden sich Flüssigkeitströpfchen, die aufgrund des großen Emissionsfaktors Strahlungswärme aufnehmen. Diese Wärmeaufnahme führt zur Verdampfung, so daß das Brennstoff/Luftgemisch weitestgehend gasförmig in den Katalysator geführt wird.The gas is introduced into the distribution space ( 2 ) at room temperature. Warming up of the fuel gas in front of the catalyst structure is largely excluded by the short dwell time in the distribution room. However, if liquid fuel with the necessary amount of air is injected into the space in front of the catalytic converter, liquid droplets form which absorb radiant heat due to the large emission factor. This heat absorption leads to evaporation, so that the fuel / air mixture is largely gaseous in the catalyst.

Wird Wärme bei einer erhöhten Temperatur der Kühlplatten abgeführt (z. Bsp. 600°C bei thermoelektrischen Wandlern oder chemischen Reaktionen), kann es eventuell notwendig sein, das Brenngas seitlich in den Verteilerraum (2) zuzuführen und durch den Einsatz eines zusätzlichen IR-durchlässigen Filters vor der Kühlplatte (4) ein Aufheizen des Frischgases zu verhindern. Die Anordnung entspricht dann dem analogen Aufbau vor der zweiten Kühl platte.If heat is dissipated at an elevated temperature in the cooling plates (e.g. 600 ° C for thermoelectric converters or chemical reactions), it may be necessary to supply the fuel gas to the side of the distribution space ( 2 ) and use an additional IR-transparent layer Filter in front of the cooling plate ( 4 ) to prevent the fresh gas from heating up. The arrangement then corresponds to the analog structure in front of the second cooling plate.

Für einige Brennstoffe (z. B. Erdgas, Propan) ist ein vorgeheizter Katalysator für einen Reakti onsstart notwendig. Dies ist zum einen durch eine elektrische Beheizung möglich, besonders vorteilhaft ist es jedoch, den Brennstoff durch eine Startflamme zu verbrennen und dadurch die Katalysatoren zu erwärmen. Dabei wird in der vorgestellten Ausgestaltung die Flamme oberhalb des Katalysators auf dessen Stirnseite durch eine Zündelektrode (8) gestartet. Die Flamme bewirkt eine Erwärmung des ersten Katalysators (3) durch Wärmeleitung und des Abgaskatalysators (6) durch Konvektion. Besitzt der Katalysator (3) eine ausreichende Tempe ratur für eine katalytische Umsetzung, findet die Reaktion zunehmend im Katalysator (ohne Flammenbildung) statt. Die Flamme auf der Katalysatorstirnseite erlischt aufgrund des dann auftretenden Brennstoffmangels automatisch.For some fuels (e.g. natural gas, propane), a preheated catalyst is required to start the reaction. This is possible on the one hand by means of electrical heating, but it is particularly advantageous to burn the fuel by means of a starting flame and thereby heat the catalysts. In the embodiment presented, the flame is started above the catalytic converter on its end face by an ignition electrode ( 8 ). The flame heats the first catalytic converter ( 3 ) by heat conduction and the exhaust gas catalytic converter ( 6 ) by convection. If the catalyst ( 3 ) has a sufficient temperature for catalytic conversion, the reaction takes place increasingly in the catalyst (without flame formation). The flame on the front of the catalytic converter goes out automatically due to the lack of fuel.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit zeigt Abb. 2.Another configuration option is shown in Fig. 2.

Durch die Zuführung (1) wird Brennstoff/Luft-Gemisch einem Verteilerraum (22) zugeführt. Verteilerraum und Kühl/Verteilerplatte (4) sind so ausgestaltet, daß eine gleichmäßige Durch strömung in den Raum (2) zwischen Kühl/Verteilerplatte (4) und Katalysator (3) erreicht wird. In dem Katalysator (3) wird das Brennstoff/Luft-Gemisch aufgrund der größeren Katalysator länge vollständig umgesetzt. Die entstehende Reaktionswärme wird zum einen an das Reaktionsgas aber zu einem großen Teil durch Strahlung abgegeben. Aus dem Inneren des Katalysators wird die Strahlung in Kanalrichtung abgeführt. Für diese spezielle Ausgestaltung des Brenners ist somit ein Wabenkatalysator von Vorteil, da eine unregelmäßige Struktur einen Wärmeaustrag durch Strahlung vom Inneren des Katalysators nach außen beeinträch tigt. Die Emissionszahl solcher Kanalstrukturen ist größer als die des Wandmaterials, so daß auch aus längeren Wabenkatalysatoren effektiv Wärme durch Strahlung ausgekoppelt werden kann. Der Hauptteil der Strahlung wird entgegen der Strömungsrichtung an die Kühl- /Verteilerplatte (4) abgegeben. Für die Anwendung des Brenners in einem Heizkessel wird die Platte (4) mit Wasser aus dem Heizkreislauf durchflossen. Dadurch ist ein guter Wärmeüber gang aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen Reaktionsort und Kühl- /Verteilerplatte gewährleistet. Der Brenner ermöglicht auch eine Strahlungswärmeabgabe in Strömungsrichtung. Dieser Anteil ist aber deutlich geringer.The fuel / air mixture is fed to a distributor space ( 22 ) through the feed ( 1 ). Distribution room and cooling / distribution plate ( 4 ) are designed so that a uniform through-flow into the space ( 2 ) between the cooling / distribution plate ( 4 ) and catalyst ( 3 ) is achieved. In the catalyst ( 3 ), the fuel / air mixture is completely implemented due to the larger catalyst length. The resulting heat of reaction is released to the reaction gas but largely by radiation. The radiation in the channel direction is removed from the interior of the catalytic converter. A honeycomb catalytic converter is therefore advantageous for this special design of the burner, since an irregular structure affects the heat discharge by radiation from the inside of the catalytic converter to the outside. The emission number of such channel structures is greater than that of the wall material, so that heat can be effectively extracted by radiation even from longer honeycomb catalysts. Most of the radiation is emitted to the cooling / distribution plate ( 4 ) against the direction of flow. To use the burner in a boiler, the plate ( 4 ) is flowed through with water from the heating circuit. This ensures good heat transfer due to the high temperature difference between the reaction site and the cooling / distribution plate. The burner also enables radiant heat to be emitted in the direction of flow. However, this proportion is significantly lower.

In der oben gezeigten Ausgestaltung wird der Startvorgang durch eine Flamme im Raum (2a) zur Erwärmung des Katalysators (3) eingeleitet, dann kann auf bzw. vor den Katalysator eine Brennerplatte (9) mit Löchern zum Passieren des teilverbrannten Brenngases vorgesehen sein. Die Flamme wird durch die Zündelektrode (8) gezündet und durch einen geeigneten Flam mendetektor (11) überwacht. Bei Erreichung einer ausreichenden Katalysatortemperatur wird für eine kurze Zeit die Brennstoff/Luftzufuhr unterbrochen. Daraufhin erlischt sofort die Flammenreaktion. Dies ist durch den Flammendetektor nachzuweisen. Nach dem Flammener löschen kann die Brennstoff/Luftzufuhr wieder geöffnet werden. Die katalytische Reaktion beginnt ohne Ausbildung einer Flamme sofort, und die Startgasemissionen sind durch diese Art des Startens sehr gering. Diese Startphase kann auch bei den anderen Vorrichtungen nach Abb. 1 bzw. 3 verwendet werden, wenn dies die Ausgestaltung des Katalysators zuläßt. Die Erwärmung mittels Flamme kann auch im Raum (2) stattfinden, dann muß die Zündelektrode (8) und der Flammendetektor (11) ebenfalls in diesem Raum angeordnet sein. Die Brenner platte kann dann, sofern sie für nötig erachtet wird, auf der Kühlerplatte (4a) angeordnet sein bzw. gemäß Abb. 2 auf oder vor der Verteilerplatte (4a). Statt der Vorwärmung mittels einer Flamme kann auch eine elektrische Heizung zur Vorwärmung des Brenngases vorgesehen sein, die dann abgeschaltet wird, sobald der Katalysator seine Idealtemperatur erreicht hat. In diesem Fall würde dann der Katalysator (3) mit einer Temperaturregelung versehen sein, die die elektrische Heizung, die in den Abbildungen nicht dargestellt ist, entsprechend regelt. Die Heizung könnte in dem Zuführungsrohr (1) oder im Verteilerraum (2) angeordnet sein.In the embodiment shown above, the starting process is initiated by a flame in the room ( 2 a) for heating the catalyst ( 3 ), then a burner plate ( 9 ) with holes for passing the partially burned fuel gas can be provided on or in front of the catalyst. The flame is ignited by the ignition electrode ( 8 ) and monitored by a suitable flame detector ( 11 ). When a sufficient catalyst temperature is reached, the fuel / air supply is interrupted for a short time. The flame reaction then goes out immediately. This has to be proven by the flame detector. After extinguishing the flame, the fuel / air supply can be opened again. The catalytic reaction starts immediately without the formation of a flame, and the starting gas emissions are very low due to this type of starting. This starting phase can also be used in the other devices according to FIGS. 1 and 3, if this allows the design of the catalyst. The heating by flame can also take place in room ( 2 ), then the ignition electrode ( 8 ) and the flame detector ( 11 ) must also be arranged in this room. The burner plate can then, if it is deemed necessary, be arranged on the cooler plate ( 4 a) or according to Fig. 2 on or in front of the distributor plate ( 4 a). Instead of preheating by means of a flame, an electric heater for preheating the fuel gas can also be provided, which is then switched off as soon as the catalytic converter has reached its ideal temperature. In this case, the catalytic converter ( 3 ) would then be provided with a temperature control which regulates the electrical heating, which is not shown in the figures, accordingly. The heater could be arranged in the feed pipe ( 1 ) or in the distribution space ( 2 ).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 3.Another embodiment is shown in Fig. 3.

Dieses Ausführungsbeispiel dient dazu den modularen Aufbau für die Anwendung in einem Heizkessel zu verdeutlichen. Dabei sind zwei Module aneinander gekoppelt. Für die experi mentell ermittelten Leistungsdichten ergibt sich für einen Katalysatordurchmesser von 30 cm bei zwei Modulen eine Gesamtleistung von etwa 20 kW.This embodiment serves the modular structure for use in one To clarify the boiler. Two modules are linked together. For the experi mentally determined power densities result for a catalyst diameter of 30 cm with two modules a total output of about 20 kW.

Dem Abgaskatalysator nachgeschaltet ist ein in den Abbildungen nicht dargestellter Abgas wärmetauscher zur Erzielung eines möglichst weitgehenden Brennwerteffektes. An exhaust gas, not shown in the figures, is connected downstream of the exhaust gas catalytic converter heat exchanger to achieve the greatest possible calorific value effect.

Other aspects

Der Erfindung - und damit den entsprechenden Vorrichtungen - liegen folgende Prinzipien zu grunde:The invention - and thus the corresponding devices - are based on the following principles reasons:

1. Complete or extensive fuel conversion on a gas permeable catalytic converter gate structure
2. Heat dissipation via one or both end faces of the catalyst structure by radiation. It follows that the temperature gradient across the structure is low and the temperature level in the structure via the properties of the heat sink and the fuel load is cash.

Ermöglicht wird hierdurch eine gute Leistungsmodulation, da die Wärmeabgabe über Strah lung dem T⁴-Gesetz gehorcht. Eine Überhitzung wird vermieden, da bei höheren Temperatu ren die Wärmeabgabe überproportional ansteigt. Ein zu starkes Abkühlen bei niedriger Lei stung wird ebenso vermieden. Die Struktur bleibt daher ausreichend warm. Je nach Dicke des Katalysators und der Kanalgeometrie sowie der Brennstoffbelastung kann vollständiger oder teilweiser Umsatz eingestellt werden. Bei unvollständigem Ausbrand im Katalysator ist ein nachgeschalteter Abgaskatalysator notwendig.This enables good power modulation, since the heat is emitted via the beam obeyed the T⁴ law. Overheating is avoided because at higher temperatures heat emission increases disproportionately. Too much cooling with a low lei Stress is also avoided. The structure therefore remains sufficiently warm. Depending on the thickness of the catalyst and the channel geometry as well as the fuel load full or partial sales can be discontinued. If the burnout is incomplete A downstream catalytic converter is necessary for the catalytic converter.

Um die Betriebstemperatur im Abgaskatalysator sicherzustellen, darf das Gas nicht zu kalt in den Abgaskatalysator einströmen. Dies kann bedeuten, daß ein Abkühlen des Gasstromes durch Konvektion an der oberen Kühlplatte eingeschränkt werden muß. Eine mögliche Ausgestaltung kann durch ein IR-strahlungsdurchlässiges Glasfenster erreicht werden, das vor der Kühlplatte angeordnet ist.To ensure the operating temperature in the catalytic converter, the gas must not be too cold in flow into the catalytic converter. This can mean cooling of the gas stream must be restricted by convection on the upper cooling plate. A possible Design can be achieved through an IR-radiation-permeable glass window, the front the cooling plate is arranged.

Design of the catalyst

Die Katalysatorstruktur kann zum Beispiel eine Wabe oder ein Schaum sein, wobei der Katalysatorträger aus Keramik oder Metall sein kann. Das katalytisch aktive Material ist abhängig vom Prozeß und ist vorteilhafterweise zum Beispiel Platin.The catalyst structure can be, for example, a honeycomb or a foam, the Catalyst carrier made of ceramic or metal can be. The catalytically active material is depends on the process and is advantageously, for example, platinum.

Burner design

Zum Starten der katalytischen Reaktion mit fossilen Brennstoffen muß vorgeheizt werden. Um die Katalysatorstruktur vorzuheizen, bietet es sich an, entweder die Kühl-/Verteilerplatte (4) oder die obere Stirnseite (3b) des Katalysators (3) als Brennerblech für eine Flammenreaktion aufzufassen. Die Zündung erfolgt durch eine geeignet installierte Zündelektrode (8). Durch die Flammenreaktion heizt sich die Katalysatorstruktur soweit auf, daß die katalytische Reaktion erfolgen kann. Preheating is required to start the catalytic reaction with fossil fuels. In order to preheat the catalyst structure, it makes sense to consider either the cooling / distributor plate ( 4 ) or the upper end face ( 3 b) of the catalyst ( 3 ) as a burner plate for a flame reaction. The ignition is carried out by a suitably installed ignition electrode ( 8 ). The flame reaction heats up the catalyst structure to such an extent that the catalytic reaction can take place.

Alternativ kann der Katalysator auch durch eine elektrische Beheizung auf die Reaktionstem peratur gebracht werden. Als weitere Möglichkeit bietet sich die Vorwärmung der Luft bzw. des Brennstoff/Luftgemisches an.Alternatively, the catalyst can also be heated to the reaction temperature by electrical heating temperature are brought. Preheating the air or of the fuel / air mixture.

Die Einströmung des Brennstoff/Luftgemisches kann - wie in den Abbildungen ausgeführt - sowohl von unten als auch von der Seite erfolgen. Ein gleichmäßiges Anströmen der Kataly satorstruktur ist zu gewährleisten.The inflow of the fuel / air mixture can - as shown in the figures - both from below and from the side. A steady flow towards the Kataly sator structure must be guaranteed.

Durch die Ausgestaltung der Seitenwände (gekühlt, verspiegelt etc.) kann die Wärmeabfuhr weiter beeinflußt werden.Due to the design of the side walls (cooled, mirrored etc.), heat can be removed be further influenced.

Cold plate design

Die Kühlplatten sind mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen. Der Strahlungsübergang ist dabei sowohl von der Temperatur als auch von der Beschichtung der Kühlplatten abhängig und bei den entsprechenden Brennstoffen durch Wahl der Beschich tung optimierbar.The cooling plates are provided with a radiation-absorbing layer. The radiation transition is both from the temperature and from the coating depending on the cooling plates and for the corresponding fuels by choosing the coating can be optimized.

Neben der Anwendung zur Warmwasserbereitung ist als Kühlplatte auch eine endotherme chemische Reaktion (z. B. Crackreaktionen, Vergasung, Reformierung) oder zum Beispiel ein thermoelektrischer Wandler einsetzbar.In addition to the application for hot water preparation, the cooling plate is also an endothermic one chemical reaction (e.g. cracking reactions, gasification, reforming) or for example thermoelectric converter can be used.

Die Kühlplattentemperatur ist so zu begrenzen, daß eine Überhitzung der Katalysatorstruktur bei gegebener Leistungsdichte und Materialauswahl vermieden wird.The cooling plate temperature must be limited so that the catalyst structure overheats with a given power density and material selection is avoided.

Auch sind infolge der erhöhten Kühlplattentemperatur von etwa 100° Möglichkeiten zur Luftvorwärmung oder Verdampfung eines flüssigen Brennstoffes gegeben.Also, due to the increased cooling plate temperature of about 100 °, possibilities are available Air preheating or evaporation of a liquid fuel is given.

Fuel selection

Das Konzept ist einsetzbar für alle brennbaren Gase aber auch zur Umsetzung flüssiger Brennstoffe, wobei die Verwendung der Kühlplatten zur Verdampfung flüssiger Brennstoffe (Öl, Diesel, Methanol) besonders vorteilhaft ist.The concept can be used for all flammable gases but also for converting liquid ones Fuels, using the cooling plates to vaporize liquid fuels (Oil, diesel, methanol) is particularly advantageous.

Aber auch der Raum unterhalb des Katalysators kann als Verdampfungsraum genutzt werden, da die Strahlungsabsorption durch Flüssigkeitströpfchen relativ gut ist (im Vergleich zur reinen Gasphase). But the space below the catalyst can also be used as an evaporation space, since the radiation absorption by liquid droplets is relatively good (compared to the pure Gas phase).

Safety / monitoring of the catalytic reaction

Die katalytische Reaktion kann durch eine Temperaturkontrolle überwacht werden.The catalytic reaction can be monitored by a temperature control.

Bei fehlerhaftem Katalysebetrieb entstehen größere Brenngaskonzentrationen, die durch die Zündung einer Flamme umgesetzt werden können, so daß ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.If the catalytic converter is operated incorrectly, larger concentrations of fuel gas are created, which are caused by the Ignition of a flame can be implemented so that safe operation is guaranteed is.

Possible construction for a boiler

Da gemäß Abb. 3 ein modularer Aufbau eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, sind Heizkessel verschiedener Leistungsstufen einfach und preiswert herzustellen.Since a modular structure according to Fig. 3 is an advantageous embodiment of the invention, boilers of different power levels are easy and inexpensive to manufacture.

Claims

1. Catalytic burner with fuel and air supply devices ( 1 ) with at least one catalyst ( 3 ) and coolant-permeated wall parts ( 4 , 5 ), characterized in that the heat transfer of the first catalyst ( 3 ) to the wall parts ( 4 , 5 ) essentially done by radiation.

2. Catalytic burner according to claim 1, characterized in that the wall parts ( 4 ) through which coolant flows are separated from the first catalytic converter ( 3 ) by a space ( 2 ) through which a fuel / air mixture flows, and the flow of the fuel / air mixture into Direction of the catalyst takes place.

3. Catalytic burner according to one of claims 1-2, characterized in that the wall parts ( 5 ) of the first catalyst ( 3 ) are separated by a flowed through with a partially burned fuel / air mixture ( 2 a) and the flow of the fuel / Air mixture is essentially not directed towards the wall part ( 5 ).

4. Catalytic burner according to one of claims 1-3, characterized in that at least partially in front of the wall parts ( 4 , 5 ) a radiation-permeable glass layer ( 7 ) is provided.

5. Catalytic burner according to one of claims 1-2, characterized in that a burner plate ( 9 ) with ignition electrode ( 8 ) and flame detector ( 11 ) or an electric heater for preheating the catalyst are provided.

6. Catalytic burner according to one of claims 1-5, characterized in that in addition a second catalyst ( 6 ) is provided in the flow direction behind the first catalyst ( 3 ).

7. Catalytic burner according to one of claims 1-6, characterized in that the fuel gas is supplied laterally or through openings in the wall parts ( 4 ) in the room ( 2 ).

8. Catalytic burner according to one of claims 1-7, characterized in that a flame detector ( 11 ) is provided in the vicinity of the burner plate ( 9 ).

9. Catalytic burner according to one of claims 1-8, characterized in that the catalyst ( 3 ) has a honeycomb or foam structure.