DE69619629T2

DE69619629T2 - Katalytischer Einsatz zur NOx-Reduzierung

Info

Publication number: DE69619629T2
Application number: DE69619629T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Legutko
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: EP0777085A3; DE69619629D1; EP0777085A2; EP0777085B1; US5746194A

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsmittel für einen Gas befeuerten Ofen, wie in Anspruch 1 offenbart.
Bei der vollständigen Verbrennung von gebräuchlichen gasförmigen Brennstoffen verbindet sich der Brennstoff mit Sauerstoff unter Herstellen von Kohlendioxid, Wasser und Hitze. Es kann Zwischenreationen geben, die Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugen. Die Hitze kann jedoch auch andere chemische Reaktionen erzeugen, so wie atmosphärischen Sauerstoff und Stickstoff erzeugen unter sich Verbinden zum Bilden von Oxiden von Stickstoff oder Nox. Während Nox auf verschiedene Weisen hergestellt werden kann, ist thermisches NOx mit hohen Temperaturen verbunden, d. h. über 1727ºC (2000ºK). Die Flamme ist in Zonen unterteilt, so daß verschiedene Teile der Flamme bei verschiedenen Temperaturen sind. Nox Herstellung kann reduziert werden mit dem Erniedrigen der Peakflammentemperatur. Die Reduzierung an Nox wird benötigt, weil es eine Primekomponente bei der Erzeugung von photochemischem Smog ist, und die Reduzierung kann erzielt werden durch Turbulenz der Gase, die verbrannt werden, und/oder durch Hitzetransfer von dem Hochtemperaturteil der Flamme. Zur Verfügung stellen eines katalytischen Überzugs auf Verbrennungsvorrichtung ist bekannt, wie beispielhaft in U. S. Patent 5 437 099 dargestellt, welches die Verwendung eines Katalysators in der ersten Stufe einer Viel- Stufenverbrennungsvorrichtung offenbart, die spezifisch als eine Gasturbine offenbart ist. Allgemeinen, ein Katalysator ermöglicht, daß eine Reaktion stattfindet oder sich beschleunigt oder die Bedingungen ändert, unter denen eine Reaktion stattfindet. Patent Abstracts von Japan Band 9, Nr. 155 (M-392), 29. Juni 1985 & JP 60030909 A (Matsushita Denki Sangyo KK), 16. Februar 1985 offenbart ein Verfahren zum Reduzieren der Herstellung von schädlicher Komponente, wie NOx, CO, enthalten in Abgas von einem Brenner vom Bunsen Typ und einem Brenner vom Schwank Typ, durch Verwenden eines Katalysators, gebildet durch ein Compositeoxid vom Perovskite Typ.
Die gegenwärtige Erfindung zieht die teilweise vorgemischte Struktur einer Einschuß Brenner Flamme in Betracht, die zwei Koni hat. Der Innenkonus hat eine Brennstoff reiche Mischung von Naturgas oder dergleichen, und Sauerstoff, welche durch einen Teiloxidationskatalysator in Kohlenmonoxid und Wasserstoff leicht katalysiert werden kann. Der Außenkonus ist, wo Verbrennung beendet ist, und ist der heißeste Teil der Flamme. Katalytische Teiloxidation umfaßt die Verwendung eines Katalysators zum Ändern der Naturgasbrennstoffeingabe unter Herstellen eines neuen Brennstoffstromes, der mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff angereichert ist. Wenn der neue Brennstoffstrom verbrannt wird, werden die Peakflammentemperaturen erniedrigt, welches thermisches Nox reduziert.
Die Grundprämisse der gegenwärtigen Erfindung ist, daß, damit Katalyse initiiert wird, der Katalysator zuerst auf eine bestimmte Aktivierungstemperatur von der Ordnung 316ºC (600ºF) erhitzt werden muß. Eher als Verwenden einer zusätzlichen Energiequelle, wie Elektrizität, verwendet die gegenwärtige Erfindung die Flamme selbst. Entweder wird die innere oder äußere Flamme zum Liefern der notwendigen Energie zum "Abbrennen" des Katalysators verwendet, welches es dann dem nicht verbrannten Methan und Sauerstoff innerhalb des Innenkonus erlaubt, in Wasserstoff und Kohlenmonoxid katalysiert zu werden. Zusätzlich wirkt der katalytische Einsatz beim Verwenden der Flamme zum Liefern der notwendigen Energie zum "Abbrennen" des Katalysators als ein Wärmetransfermedium, dadurch dazu neigend, die Peakflammentemperatur zu reduzieren und ferner die Herstellung von thermischem Nox zu reduzieren.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Strahlungswärmeschild für die Flamme zu liefern.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, Methan und Sauerstoff in Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch eine katalytische Reaktion umzuwandeln.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Herstellung von thermischem Nox zu reduzieren. Diese Aufgaben und andere, wie hier hier im nachfolgenden offenkundig werden, werden durch die gegenwärtige Erfindung durchgeführt.
Grundsätzlich, ein katalytischer Einsatz ist in oder innerhalb der Flamme eines Einschußbrenners angeordnet. Der Katalysator wird durch die Flamme erhitzt, so daß eine Katalyse initiiert wird, wodurch es nicht verbranntem Brennstoff und Sauerstoff innerhalb des Innenkonus erlaubt wird, in Wasserstoff und Kohlenmonoxid katalysiert zu werden, und der erhitzte Katalysator liefert Strahlungshitzetransfer.
Damit die Anmeldung vollständig verstanden wird, wird Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen genommen, wobei:
Fig. 1 ist eine Endansicht des Einsatzes in dem Glockenöffnungseinlaß des Wärmeaustauschers;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Einsatzes in dem Glockenöffnungseinlaß des Wärmeaustauschers;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den Einsatz an Ort und Stelle zeigt;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen ersten modifizierten Einsatz an Ort und Stelle zeigt;
Fig. 5 ist eine Bildansicht eines zweiten modifizierten Einsatzes; und
Fig. 6 ist eine Bildansicht eines dritten modifizierten Einsatzes.
In Fig. 1-3 bezeichnet die Zahl 10 allgemein den katalytischen Einsatz der gegenwärtigen Erfindung. Der Katalysator kann typischerweise sein: 1) Übergangsmetalloxide, wie diejenigen von Chrom, Mangan oder Vanadium; 2) Edelmetalle, wie Platin, Palladium, Rhodium oder Iridium; 3) Materialien, wie Magnesiumoxid und reines Nickel. Im Falle der Übergangsmetalloxide und Edelmetalle können sie ein Überzug auf einer Keramikmatrix, wie Aluminiumoxid, oder einer Metallmatrix, wie FeCrAlY, eine Legierung von Eisen, Chrom und Yttrium sein. Im Falle von Magnesiumoxid und reinem Nickel kann der gesamte Einsatz 10 aus katalytischem Material hergestellt sein. Einsatz 10 ist im allgemeinen von zylindrischer Form mit einer Vielheit von sich axial erstreckenden, mit Abstand angeordneten Bohrungen 10-1, einen Flußweg dadurch zur Verfügung stellend. Bohrungen 10-1 haben ein Länge zu Breite oder Durchmesser Verhältnis von mindestens zwei, so daß die Bohrungen 10-1 viel größere Oberflächenbereiche als die Querschnitte der Flußwege haben. Der Oberflächenbereich wird eher erhöht durch zur Verfügung stellen von Bohrungen mit rechtwinkeligen Querschnitten 10-1 als zylindrische Bohrungen.
Wenn wir uns jetzt Fig. 3 zuwenden, ist Einsatz 10 in dem Glockenöffnungseinlaß 21 von Wärmeaustauscher 20 durch irgendein geeignetes Mittel angeordnet. Einschußbrenner 30 (inshot burner) ist mit Abstand angeordnet von und liegt Einsatz 10 gegenüber, so daß Einsatz 10 in der Flamme 50 ist, wenn Brenner 30 in Betrieb ist. Der Ort von Einsatz 10 relativ zu der Flamme 50 verlangt, daß mindestens ein Teil im Innenkonus 50-1 angeordnet ist, zum Herstellen von Katalyse. Das Erhitzen des Einsatzes zum Erzielen von Katalyse kann in Innenkonus 50-1 und/oder Außenkonus 50-2 erzielt werden.
Bei Betrieb wird gasförmiger Brennstoff, wie Naturgas, unter Druck zu Öffnung 31 von Einschußbrenner 30 eines Ofens geliefert. Das zu Öffnung 31 gelieferte Gas passiert ringförmige Öffnung 32, atmosphärische Luft ansaugend, die in Brenner 30 gezogen wird. Die Brennstoff-Luft Mischung tritt aus Brenner 30 in Flamme 50. Flamme 50 prallt auf Einsatz 10 und geht durch Bohrungen 10-1 in Wärmeaustauscher 20. Wie veranschaulicht, prallt Innenkonus 50-1 auf Einsatz 10, und in Bohrungen 10-1 beginnt Außenkonus 50-2 sich zu entwickeln, so daß sowohl Innenkonus 50-1 wie Außenkonus 50-2 von Einsatz 10 hervortreten. Die Hitze von Flamme 50, gekoppelt mit Hitzetransfer in Einsatz 10, bewirkt, daß der Einsatz als ein Strahlungswärmeschild für Flamme 50 wirkt. Wenn das Material/Katalysator sich auferhitzt, wird ein Teil der Flammenenergie in Strahlung umgewandelt, die Flammentemperatur erniedrigend und Nox reduzierend. Zusätzlich werden durch Katalyse bei Erhitzen des Katalysators die Brennstoffgase und atmosphärische Luft in dem Brennstoff reichen Innenkonus 50-1 zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt, die bei niedrigerer Temperaturen brennen und ferner helfen, thermisches Nox zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist der Einsatz 110 geeignetermaßen eher an Einschußbrenner 30 gesichert als in dem Wärmeaustauscher, wie in der Fig. 3 Vorrichtung, angeordnet. Zusätzlich ist Einsatz 110 in dem Innenkonus 50-1 von Flamme 50. Wie in der Fig. 3 Vorrichtung erhitzt die Flamme Einsatz 110, der Energie ausstrahlt und Katalyse der an Brennstoff reichen Gase in dem Innenkonus 50-1 erzeugt.
Einsatz 210, der in Fig. 5 veranschaulicht ist, und Einsatz 310, der in Fig. 6 veranschaulicht ist, haben eine Vielheit von sich radial erstreckenden Oberflächen 210-1 bis 210-n und 310-1 bis 310-n. Einsatz 210 und 310 würde wie Einsätze 10 und 110 wirken.

Claims

1. Verbrennungsmittel für einen Gas befeuerten Ofen, umfassend einen Brenner (30), angepaßt zum Verbrennen von gasförmigem Brennstoff, wodurch er eine Flamme erzeugt, die einen an Brennstoff reichen Innenkonus (50-1) hat und einen Außenkonus (50-2), eine Matrix (10), angeordnet im Hinblick auf den Brenner, so daß sie mindestens teilweise in dem Innenkonus angeordnet ist und eine Vielheit von Flußwegen (10-1) für die Flamme definiert, einen Teiloxidationskatalysator, der die Flußwege füllt, wobei der Katalysator entweder mit Übergangsmetalloxiden zusammengesetzt ist wie denjenigen von Chrom, Mangan und Vanadium, oder mit Edelmetallen, wie Platin, Palladium, Rhodium oder Iridium, oder mit derartigen Materialien, wie Magnesiumoxid und reinem Nickel, und der Katalysator erzeugt Katalyse des Brennstoffs in dem Brennstoff reichen Innenkonus unter Herstellen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die bei niedrigerer Temperatur brennen und reduziert dadurch die Peakflammentemperatur und thermisches Nox.

2. Verbrennungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix mindestens teilweise in dem Innenkonus angeordnet ist.

3. Verbrennungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußwege ein Länge zu Breite Verhältnis von mindestens zwei haben.

4. Verbrennungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme die Matrix erhitzt, die Strahlungshitzetransfer liefert.

5. Verbrennungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix in einem Wärmeaustauscher (20), der dem Brenner gegenüberliegt, angeordnet ist.

6. Verbrennungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix an den Brenner gesichert ist.