CH615262A5

CH615262A5 -

Info

Publication number: CH615262A5
Application number: CH1637476A
Authority: CH
Inventors: William C Pfefferle
Original assignee: Engelhard Min & Chem
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1980-01-15
Also published as: US4065917A; IT1075239B; ES454622A1; AU511697B2; DE2659226A1; AU2089876A; BR7608733A; FR2337310A1; AR219486A1; SE426737B; GB1571414A; FR2337310B1; ES465676A1; JPS5293818A; MX3874E; SE7614587L; BE849926A

Description

Die vorliegende Erfindung bezweckt demnach, einige oder alle vorgenannten Schwierigkeiten zu vermeiden und ein 65 Verfahren zum raschen und wirksamen Anlässen von Verbrennungseinrichtungen zu schaffen, in welchen die Verbrennung in Gegenwart eines Katalysators abläuft, ohne dass damit ein wesentlicher Ausstoss von luftverschmutzenden Gasen verbunden ist. Beispielsweise soll mit dem Verfahren das Anlassen von Öfen oder von Turbineneinrichtungen unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Verbrennungsmethode nach der US-PS 3 928 961 möglich sein, in welcher eine möglichst geringe Luftverschmutzung durch unerwünschte Abgaskomponenten erfolgt. Die wirksame Verwendung von Brennstoff und die geringe atmosphärische Verschmutzung sind vom ökologischen Standpunkt aus äusserst wichtig und werden mit der Zeit immer entscheidender. Eine geeignete Einrichtung zum Betrieb beispielsweise von Automobilen, welche diese Vorteile der Gesellschaft ohne wesentliche Nachteile in bezug auf Leistung oder Betriebskosten zur Verfügung stellen, ist von primärem Interesse.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zum Inbetriebsetzen einer Verbrennungseinrichtung unter Verwendung eines Katalysators, gemäss welchem ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff in Gegenwart eines Katalysators mit mindestens einer stöchiometrischen Menge Luft zwecks vollständiger Oxydation des Brennstoffs zu Kohlendioxyd und Wasser verbrannt wird, wobei die Betriebstemperatur des . Katalysators über der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches liegt. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator praktisch in Abwesenheit von unverbrannten Brennstoffen erhitzt wird, um den Katalysator mindestens auf eine Temperatur zu bringen, bei welcher er einen durch den Stofftransport begrenzten Betrieb unterhält, dass ein inniges Gemisch aus kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Luft gebildet wird; und dass frühestens praktisch gleichzeitig, wie der Katalysator die erwähnte Temperatur erreicht, bei welcher der durch den Stofftransport begrenzte Betrieb unterhalten wird, das Brennstoff- und Luftgemisch zwecks Verbrennung dem Verbrennungskatalysator zugeführt wird, wobei das Brennstoff-Luftgemiseh eine adiabatische Flammentemperatur aufweist, bei welcher bei Kontakt mit dem Katalysator die Betriebstemperatur des Katalysators wesentlich über der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches, jedoch unter einer Temperatur, welche zu einer .merklichen Bildung von Stickoxyden führen würde, liegt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei auch auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der

Fig. 1, wie schon erwähnt, eine graphische Darstellung der Geschwindigkeit einer mit einem Katalysator arbeitenden Oxydationsreaktion in Abhängigkeit von der Temperatur ist, und

Fig. 2 eine teilweise schematische und zum Teil geschnittene Darstellung einer regenerativen Gasturbinenanlage zeigt.

Das Verfahren kann auf viele Arten durchgeführt werden, einschliesslich der Erhitzung des Katalysatorkörpers mit elektrischen Mitteln,beispielsweise Widerstands- oder Induktionsheizung, oder durch thermische Verbrennung eines Brenn-stoff-Luftgemîsches und Zufuhr der so erzeugten Wärme zum Katalysatorkörper. Sobald die Katalysatortemperatur, bei welcher der Katalysator den durch den Stofftransport begrenzten Betrieb aufrechterhält, erreicht ist, bringt die Verbrennung von Brennstoff in Gegenwart des Katalysators denselben rasch auf die erförderliche Betriebstemperatur. Sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, sorgt der Katalysator für kontinuierliche Verbrennung des Brennstoffdampfes. Nachdem der Katalysatorkörper eine Temperatur erreicht hat, bei welcher er den durch Stofftransport begrenzten Betrieb unterhält, ist die obenerwähnte Zufuhr von Wärme zum Katalysatorkörper nicht mehr erforderlich, und ein Gemisch aus unverbranntem Brennstoff und aus Luft wird der Einrichtung zugeführt, um die unterstützte Verbrennung, vorzugsweise gemäss der

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genannten US-LS, zu bewirken, z. B. ein Antriebsfluid für eine Turbine zu erzeugen oder einem Ofen Wärme zuzuführen.

Die für die Durchführung der Verbrennung geeigneten Katalysatoren können aus einer Anzahl von Katalysatoren 5 zur Oxydation von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen beliebig ausgewählt werden. Oxydationskatalysatoren, welche ein unedles Metall wie Cer, Chrom, Kupfer, Mangan, Vanadium, Zirconium, Nickel, Kobalt oder Eisen oder ein edles Metall wie Silber oder Metalle der Platingruppe enthalten, können 10 verwendet werden. Der Katalysator kann in der Form eines Festbettes oder eines Fliessbettes vorliegen. Ein oder mehrere Refraktionskörper mit Gasdurchlassöffnungen, oder ein Katalysatorkörper, umfassend ein dichtes Paket von Refraktionskugeln, Refraktionsringen oder dergleichen können sich 15 für diesen Zweck eignen. Bevorzugte Katalysatoren zur Durchführung der oben genannten Verbrennungsmethode gemäss der US-PS 3 928 961, beispielsweise bei Temperaturen in der Grossenordnung von 1100 bis 1650° C sind Körper in der Form einer monolithischen Wabe, gebildet aus einem 20 Kern aus keramischem Refraktionsmaterial. Die Fleisswege in den: Wabenstrukturen verlaufen gewöhnlich parallel und können einen beliebigen, beispielsweise einen dreieckigen oder einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Die Anzahl Kanäle pro cm2 kann je nach Anwendungszweck stark va- 25 riieren, und es sind monolithische Waben im Handel erhältlich, welche zwischen 8 und 300 Kanälen pro cm2 aufweisen. Die Katalysatorsubstratflächen des Wabenkerns sind vorzugsweise mit einem haftenden Überzug in der Form eines kalzinierten Streifens von aktivem Aluminium- 30 oxyd versehen, welcher zwecks Erzielung von guten thermischen Eigenschaften stabilisiert sein kann, und welchem ein katalytisch aktives Metall der Platingruppe, beispielsweise Palladium oder Platin oder eine Mischung davon, einverleibt wurde. Die Art des Katalysators und die verwendete Menge 35 kann in erster Linie von der Form der Verbrennungseinrichtung, von der Art dés verwendeten Brennstoffes und von der Betriebstemperatur abhängen. Das Druckgefälle der durch den Katalysator strömenden Gase kann beispielsweise unter etwa 0,7 kg/cm2, vorzugsweise unter etwa 0,2 kg/cm2 liegen 40 oder weniger als ca. 10 Prozent des Gesamtdruckes betragen.

Wenn das oben beschriebene Verbrennungsverfahren in der Gegenwart eines Katalysators zum Antrieb einer festen-Turbine einer Energieerzeugungsanlage oder zum Heizen eines 4J festen Ofens verwendet wird, ergeben sich normalerweise bei der Inbetriebsetzung keine ernsthaften Probleme. In solchen Anlagen verläuft der Betrieb im wesentlichen kontinuierlich, und es ist notwendig, die Einrichtung nur in grossen Zeitabständen wieder in Betrieb zu setzen. Infolgedessen jo ist der beträchtliche Ausstoss von atmosphärisch-verschmut-zenden Stoffen, welcher bei der Inbetriebsetzung auftritt, infolge der geringen Anzahl von Inbetriebsetzungen nicht von ernsthafter Bedeutung. Während diese Verschmutzung bei stationärem Betrieb, welcher normalerweise kontinuierlich

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und während längerer Zeit abläuft, akzeptiert werden kann,

kann sie bei Verwendung solcher Anlagen in Fahrzeugen, bei welchen die Inbetriebsetzung häufig sind, infolge des intermittierenden Betriebs nicht zugelassen werden. Auch muss die Inbetriebsetzung rasch erfolgen, um ebenso wirksam zu sein wie im herkömmlichen, gegenwärtig gebräuchlichen 60 Automobil. Dies verlangt, dass die Inbetriebsetzung nicht länger als 2 bis 10 Sekunden dauert, und während dieser Zeit sollten die Emissionen bei Anwendung des Verfahrens gemäss vorliegender Erfindung keine grösseren Umweltverschmutzungsprobleme schaffen, sogar wenn es in einer grossen 65 Anzahl von Fahrzeugen angewendet wird. Würde bei der Inbetriebsetzung von Gasturbineneinrichtungen in Fahrzeugen nur die Anwurfmethode angewendet, wäre die erforderliche Zeit übermässig lang; auch wäre die Emission von Schmutzstoffen in die Atmosphäre unzulässig hoch.

Ein rasches Anspringen der Verbrennungseinrichtung wird durch rasche Aufheizung des Katalysatorkörpers zwecks Erreichung einer Temperatur, bei welcher der durch den Stofftransport begrenzte Betrieb aufrechterhalten wird, bewirkt, bevor unverbrannter Brennstoff dem Katalysatorkörper zugeführt wird. Sobald der Katalysatorkörper diese Temperatur erreicht hat, kann ein inniges Gemisch aus Luft und unverbranntem Brennstoff dem Katalysator zugeführt und der normale Betrieb der Einrichtung fortgeführt werden, wobei die Katalysatortemperatur rasch auf die gewünschte Betriebstemperatur ansteigt. Die rasche Erhitzung des Katalysatorkörpers kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch direkte Zufuhr von Wärme zum Katalysatorkörper zwecks Aufheizung desselben auf die obenerwähnte Temperatur, bevor das Gemisch aus Luft und Brennstoff dem Katalysator zugeführt wird. Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Gemisch aus Luft und Brennstoff mittels einer Zündkerze oder mittels eines Glühdrahtes entzündet und thermisch in der Einrichtung verbrannt, um dem Katalysatorkörper Wärme zuzuführen, und bei Aufheizung des Katalysators mindestens auf die Entzündungstemperatur wird sodann ein geeignetes Gemisch aus unverbranntem Brennstoffdampf und Luft mit der Strömung dem aufgeheizten Katalysator zugeführt, so dass die gewünschte Verbrennung beginnen kann. Wenn der Katalysator eine Temperatur erreicht hat, bei welcher der durch den Stofftransport begrenzte Betrieb aufrechterhalten wird, wie dies durch den Bereich Cder Kurve gemäss Fig..l angedeutet ist, welcher bei «x» beginnt, kann die Wärmequelle zur Aufheizung des Katalysators entfernt werden, da die fortlaufende Verbrennung das Katalysatorbett auf der Betriebstemperatur hält. Es sollte natürlich darauf geachtet werden, dass die dem Katalysator während der Inbetriebsetzung zugeführte Wärme nicht ausreicht, üm irgendeine der Katalysatorkomponenten zu beschädigen oder zu schmelzen. Dem Katalysator wird kein unverbrannter Brennstoff zugeführt, bis dass er die oben erwähnte Temperatur erreicht hat.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Gemisch aus unverbranntem Brennstoff und Luft dem Katalysatorkörper nicht zugeführt, bevor er eine Temperatur erreicht hat, bei welcher er die erwünschte rasche Verbrennung unterhält, beispielsweise im Bereich D von Fig. 1, welcher an der mit «y» bezeichneten Stelle beginnt. Dieses bevorzugte Verfahren reduziert die Emission von luftverschmutzenden Stoffen während des Anlassens auf ein Minimum. Wenn das beschriebene Inbetriebsetzungsverfahren angewendet wird, ist es möglich, die Verbrennung in der Katalysatorzone innert 10 Sekunden, und häufig sogar innert 2 Sekunden in Gang zu bringen, ohne dass in den in die Atmosphäre austretenden Abgasen mehr als ca. 10 Teile pro Million Volumeneinheiten (ppmv) an Kohlenwasserstoffen, nicht mehr als 100 ppmv Kohlenmonoxyd und nicht mehr als ca. 15 ppmv Stickoxyde, vorzugsweise weniger als ca. 10 ppmv Stickoxyde aus dem Stickstoff der Luft enthalten sind.

Sobald der Katalysator des Systems die erforderliche Temperatur erreicht, kann die Zufuhr von Wärme zum Katalysator unterbrochen werden. Beispielsweise neigt die thermische Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches zur Ingangsetzung der Verbrennung, wenn sie noch nicht beendet ist, dazu, eine eigene Verschmutzungsquelle für die Abgase zu bilden und bewirkt eine Energieverschwendung, und die fortgesetzte Zufuhr von Hitze zum Katalysator kann eine Überhitzung und Beschädigung des Katalysators bewirken. Jedoch kann es notwendig sein, weiterhin eine verminderte Wärmemenge zwecks Verdampfung gewisser flüssiger Brennstoffe zuzuführen. Auf jeden Fall ist die Einrichtung

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bereit für den normalen Betrieb, sobald der Katalysator die erforderliche minimale Betriebstemperatur erreicht, und die Zufuhr von Wärme von aussen wird darin zweckmässig unterbrochen.

Die gemäss der vorliegenden Erfindung sowohl für die • Inbetriebsetzung als auch für den Normalbetrieb verwendeten Brennstoffe können bei Raumtemperatur Gase oder Flüssigkeiten sein. Wenn flüssige Brennstoffe vorliegen, sollte deren Dampfdruck vorzugsweise so hoch sein, dass sie mittels der verwendeten Luft mit oder ohne Zuhilfenahme der von der Einrichtung gelieferten Wärme praktisch vollständig verdampft werden können. Die Brennstoffe sind gewöhnlich kohlenstoffhaltig und können unter normalen Bedingungen flüssige Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Hexan, Cyclo-hexan" und andere gewöhnliche zyklische und verzweigte Kohlenwasserstoffe, einschliesslich aromatischer Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Xylol, Benzol, Gasolin, Naphtha, Flugzeugtreibstoff, Dieseltreibstoff usw. sein. Gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Äthan oder Propan können ebenfalls verwendet werden. Andere kohlenstoffhaltige Brennstoffe wie Alkanole mit ca. 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, beispielsweise.Methanol, Äthanol, Isopropanol usw. und an-dere-saüerstoffhaltige Verbindungen können verwendet werden. Verschiedene Petrolfraktionen einschliesslich Kerosen, Brennstofföle und sogar Altöl können verwendet werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Turbinensystem ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Gemäss dieser Darstellung tritt Luft durch eine Luftzufuhröffnung 14 in einen Kompressor 12 ein. Die komprimierte Luft wird durch einen Kanal 16 einem Wärmeaustauscher 18 zugeführt. Die Luft verlässt den Wärmeaustauscher 18 und gelangt in eine Kammer 20. Ein Thermoelement 19 ist an diesem Ausgang des Wärmeaustauschers zwecks Messung der Temperatur der mit dem Brennstoff zu vermischenden Luft angeordnet. Die Leitung 21 übermittelt das Messsignal vom Thermoelement zu einem geeigneten Empfänger. Die Kammer 20 wirkt auch als Brehnstoffverteiler der Turbineneinrichtung. Die thermische Verbrennungseinrichtung ist allgemein mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet und ist gemäss dieser Figur im Aufwärtsströmungsteil dieser Kammer 20 angeordnet.

Die thermische Verbrennungseinrichtung besteht aus dem'zylindrischen Schild 24, welches in der Kammer 20 konzentrisch angeordnet ist und dazu dient, zu verhindern, dass die Verbrennung während der Ingangsetzung der Verbrennung durch die Luftströmung ausgelöscht wird und einen Wärmeübertragungspuffer zwischen der thermischen Ver-brennüngszone und den Wänden der Kammer 20 schafft. Das Schild 24 weist in seinen Wänden vorzugsweise Schlitze 25 auf, wie dies in Verbrennungseinrichtungen üblich ist. Dies verhindert die Überhitzung der Wände, welche sich andernfalls' durch das Auftreffen der Flammen ergeben könnte. Am oberen Ende des Schildes 24 befindet sich das Ventil 26.

Das Ventil 26 ist dazu bestimmt, während es Anlaufens der Maschine aktiviert zu werden, um den Durchsatz und daher die Geschwindigkeit der Luft durch das Schild 24 zu begrenzen und zu verhindern, dass die Verbrennung infolge der Luftströmung erlischt. Die Einstellung des Ventils 26 erfolgt mittels des Hebels 28, welcher mittels des Steuergerätes 30 betätigt wird, welches bei Empfang eines elektrischen Signals durch die Leitung 32 das Signal in eine mechanische Bewegung umwandelt. Der thermischen Verbrennungszone wird über die Verteilerdüse 34 Brennstoff zugeführt und nach oben umgelenkt. Die Zündeinrichtung 36 ist so angeordnet, dass-der von der Verteilerdüse herkommende Brennstoff-Sprühnebel entzündet werden kann. Die Zündeinrichtung wird durch Leitung 38 mit elektrischem Strom versorgt.

.Brennstoff für den Brenner wird in der Kammer 20 mittels der Düse 40 verteilt. Der Brennstoff für die thermische Verbrennung bei Ingangsetzung und für die fortgesetzte Verwendung unter Verwendung des Katalysators wird der Leitung 42 entnommen, welche den Brennstoff dem Ventil 44 zuführt. Das Ventil wird elektrisch mittels eines durch die Leitung 46 zugeführten Signals betätigt, um sämtlichen _ Brennstoff durch die Leitung 48 der Verteilungsdüse 34 oder durch die Leitung 50 zu fördern (welche hinter der Kammer eingeführt wird), welche mit der Düse 40 verbunden ist. Der Katalysatorkörper 52 liegt unterhalb der Düse 40 und ist an der Turbinenschaufel 54 anliegend gezeigt. Wie dargestellt ist der Katalysatorkörper so angeordnet, dass das Aufschlagen der Flamme aus dem thermischen Brenner 22 auf dem Katalysator verhindert wird. Die Turbinenschaufel 54 ist mit der Welle 56 verbunden, welche zum Antrieb des Kompressors 12 und zur Lieferung der Bewegungsenergie dient. Thermoelemente 58 und 60 sind vor und hinter der Turbinenschaufel angeordnet, um die Temperatur der Gase . und das Temperaturgefälle an der Turbinenschaufel zu messen.

Die Turbinenteile bestehen vorzugsweise aus Material von hoher Temperaturresistenz, beispielsweise aus Siliziumnitrid oder anderem hochtemperaturfestem Material, um es der Turbine zu ermöglichen, hohen Temperaturen zu widerstehen. Andererseits kann die Temperaturexposition der Turbinenkomponenten durch Luftkühlung nach in der Turbinentechnik allgemein bekannten Verfahren vermindert werden.

Die Abgase werden aus dem Bereich der Turbinenschaufeln mittels der Leitung 62 abgeführt. Die Leitung 62 führt die Abgase dem Wärmeaustauscher 18 zu, wo die Wärme aus den Abgasen zum indirekten Wärmeaustausch zwecks Vorheizung der zugeführten Verbrennungsluft verwendet wird. Die Auspuffleitung 66 wird zur Ableitung der Abgase beispielsweise in die Atmosphäre verwendet und ist mit einem Wärmeaustauscher 68 versehen, welcher den eintretenden Brennstoff in der Leitung durch indirekten Wärmeaustausch erwärmt.

Bei Inbetriebsetzung gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Turbineneinrichtung wie folgt zum Anlaufen vorbereitet: Ein (nicht gezeigter) Elektromotor wird unter Strom gesetzt und bewirkt die Drehung der Antriebswelle 56 . und dadurch den Antrieb des Kompressors 12. Die Antriebswelle dient auch dazu, eine (nicht gezeigte) Brennstoffpump.e anzutreiben, welche der Leitung 42 Brennstoff zuführt. Gleichzeitig mit der Einschaltung des Anlassmotors wird der Zünder 36 durch ein durch die Leitung 38 zugeführtes Signal aus der Leitung 46 betätigt, um sämtlichen Brennstoff, der Verteilungsdüse 34 zuzuführen. Der flüssige Brennstoff wird in die thermische Verbrennungszone eingespritzt und mit der aus dem Kompressor eintretenden Luft entzündet. Die Flammentemperatur beträgt vorzugsweise ca. 2200° G. Bei zunehmender Turbinengeschwindigkeit wird dem Steuergerät 30 ein Signal durch die Leitung 32 zugeführt, um den Hebel 28 zu betätigen und das Ventil in die in der Zeichnung mit einer ausgezogenen Linie angedeutete Stellung zu bringen. Die teilweise geschlossene Stellung des Ventils 26 verhindert das Ausblasen der Flamme durch übermässig hohe Luftgeschwindigkeiten. Andere Mittel wie Ablenkungselemente oder dergleichen können zur Verhinderung von übermässig hohen örtlichen Luftgeschwindigkeiten verwendet werden, welche ein Ausblasen der Flamme bewirken könnten. Die Temperatur der geheizten, dem Katalysator zugeführten Gase liegt in der Grossenordnung von 1650° Celsius. Der Zünder 36 kann ausgeschaltet werden, sobald der Zündvorgang beendigt ist, was gleichzeitig mit Auskupp- \ lung und Ausschaltung des Anlassmotors geschehen kann. Der thermische Brenner kann die anfängliche Anlassdrehung der Turbine unterstützen.

Sobald der Katalysator die Temperatur erreicht hat, bei welcher der durch den Stofftransport begrenzte Betrieb unterstützt wird, und vorzugsweise eine Temperatur über der

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augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brenn-stoff-Luftgemisches, Welches auf den Katalysator gelangt, erreicht, wie sie bestimmt wird, indem das Thermoelement angibt, dass eine vorbestimmte Temperatur erreicht wurde, beispielsweise mittels des Thermoelementes 19, welches ein der Temperatur in Leitung 21 proportionales Signal einer (nicht gezeigten) Empfangseinrichtung zuführt, oder durch den Umstand dass die thermische Vorheizverbrennung während genügend langer Zeit stattgefunden hat, wird ein grösserer Teil der Brennstoffzufuhr von der Verteüungsdüse 34 zur Düse 40 abgelenkt. Hat eine genügende Erhitzung des Katalysators stattgefunden, beispielsweise durch Erreichung einer Katalysatortemperatur von mindestens ca. 680° C, und vorzugsweise von 1100° C, werden gleichzeitig Signale dem Steuergerät 30 und dem Ventil 44 mittels Leitungen 32 und 46 zugeführt, um das Ventil 26 in die durch unterbrochene Linien angedeutete Stellung zu öffnen und den Brennstoffdurchsatz durch Verteildüse 34 wesentlich herabzusetzen und anstattdessen einen gösseren Teil des Brennstoffs zur Düse 40 abzulenken. Vorzugsweise sollte nach Herabsetzung des Brennstoffdurchsatzes durch die Düse 34 vor Zuführung von Brennstoff zur Düse 40 eine kurze, aber bestimmte Verzögerung erfolgen, um die vorzeitige Entzündung des aus der Düse 40 austretenden Brennstoffs zu verhindern, unter Bedingungen, bei welchen der Luftdurchsatz nicht ausreicht, um die thermische Verbrennung des Brennstoffs an der Verteilungsdüse auszulöschen. Tritt keine Verzögerung ein, kann sich der aus der Düse 40 austretende Brennstoff entzünden, bevor die Intensität der aus der Verbrennung von Brennstoff aus der Verteüungsdüse 34 resultierenden Flamme genügend herabgesetzt worden ist. Dies muss vermieden werden.

Die durch den Brennstoff entzündete unterhaltene Flamme, welche weiterhin mit verminderter Intensität aus der Verteilungsdüse 34 austritt, wird für kurze Zeit weiter brennen gelassen, um die Luft zwecks Verdampfung des flüssigen Brennstoffs bei seinem Austritt aus der Düse 40 vorzuer-

wärmen, bis dass die aus dem Wärmeaustauscher 18 austretende Luft genügend heiss ist, um diesen Brennstoff zu verdampfen. Ist der Zündvorgang in der Katalysatorzone beendigt, dient die thermische Verbrennung des aus der Ver-5 teilungsdüse 34 austretenden Brennstoffs einem ganz anderen Zweck. Sie dient nicht mehr zur Erwärmung des Katalysatorkörpers, sondern dazu, den Brennstoff zu verdampfen.

Wenn die Einrichtung voll im Betrieb steht, kann der Wärmeaustauscher alle zur Vorwärmung zwecks Verdamp-10 fung des Brennstoffs notwendige Energie liefern, und die Verteilungsdüse 34 kann abgeschaltet und die rein thermische Vorheizverbrennung beendet werden. Die normalerweise zur Fortsetzung der Vorheizung durch die Verteilungsdüse 34 nach Ableitung des Brennstoffs zur Düse 40 erforderliche 15 Zeit kann in der Grossenordnung von 30 Sekunden oder beträchtlich darüber liegen, je nach der Anfangstemperatur und der Masse des Wärmeaustauschers 18.

Es versteht sich, dass das beschriebene Verfahren mit Turbineneinrichtungen durchgeführt werden kann, in welchen 20 Luft ohne Wärmeaustausch direkt vom Kompressor aus dem Brenner zugeführt wird. In solchen Einrichtungen ist die aus heiss, um die Verdampfung sicherzustellen, sobald die Turbine dem Kompressor stammende Luft in der Regel genügend ihre Betriebsgeschwindigkeit erreicht.

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Sobald die Verbrennung in der den Katalysator enthaltenden Zone beendet ist, wird das Brennstoff-Luftgemisch mit einer Gasgeschwindigkeit dem Katalysator zugeführt, welche die maximale Flammenausbreitungsgeschwindigkeit vor dem oder beim Einlass in den Katalysator übertrifft. Dies verhin-30 dert Flammenrückschläge, welche die Bildung von NOx bewirken. Vorzugsweise wird diese Geschwindigkeit nahe beim Katalysatoreinlass eingehalten. Bevorzugte lineare Gasgeschwindigkeiten liegen gewöhnlich über ca. einem Meter pro Sekunde, jedoch versteht es sich, dass je nach Faktoren wie 35 Temperatur, Druck und Zusammensetzung beträchtlich höhere Geschwindigkeiten erforderlich sein können.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Inbetriebsetzen einer Verbrennungseinrichtung unter Verwendung eines Katalysators, in welcher ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff in Gegenwart des Katalysators mit mindestens einer stöchiometrischen Menge Luft zwecks vollständiger Oxydation des Brennstoffs zu Kohlendioxyd und Wasser verbrannt wird, wobei die Betriebstemperatur des Katalysators über der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator praktisch in Abwesenheit von unverbrannten Brennstoffen erhitzt wird, um den Katalysator mindestens auf eine Temperatur zu bringen, bei welcher er einen durch den Stofftransport begrenzten Betrieb unterhält, dass ein inniges Gemisch aus kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Luft gebildet wird, und dass frühestens praktisch gleichzeitig, wie der Katalysator die erwähnte Temperatur erreicht, bei welcher der durch den Stofftransport begrenzte Betrieb unterhalten wird, das Brennstoff-Luftgemisch zwecks Verbrennung dem Verbrennungskatalysator zugeführt wird, wobei das Brennstoff-Luftgemisch eine adiabatische Flammentemperatur aufweist, bei welcher beim Kontakt mit dem Katalysator die Betriebstemperatur des Katalysators wesentlich über der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches, jedoch unter einer Temperatur, welche zu einer merklichen Bildung von Stickoxyden führen würde, liegt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald die Verbrennung in Gegenwart des Katalysators erreicht ist, die Geschwindigkeit des Gemisches aus kohlenstoffhaltigem Brennstoff und Luft am Katalysa-toreinlass oder davor über der maximalen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit des Gemisches gehalten wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald die Verbrennung in Gegenwart des Katalysators erreicht ist, die Erhitzung des Katalysators unterbrochen wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die adiabatische Flammentemperatur des Brennstoff-Luftgemisches im Bereich von 930 bis 1760° C liegt.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Katalysators durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in einer thermischen Verbrennungszone und durch Zuführung der erzeugten Wärme zum Katalysator erreicht wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Katalysators auf elektrischem Wege erfolgt.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luftgemisch dem Katalysator vor Abbruch der Erhitzung desselben zugeführt wird.
8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luftgemisch dem Katalysator praktisch gleichzeitig mit dem Abbruch der Erhitzung des Katalysators zugeführt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in Gegenwart des Katalysators unter mindestens annähernd adiabatischen Bedingungen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung unter mindestens annähernd adiabatischen Bedingungen durchgeführt wird und dass die Abgase der Verbrennung einer Gasturbine zugeführt werden, um diese anzutreiben.
11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das Erhitzen des Katalysators ein anderes Gemisch von Brennstoff und Luft erzeugt und dieses Gemisch in einer Verbrennungszone verbrannt wird, um eine Wärmequelle zu bilden, und dass

Wärme von dieser Quelle praktisch in Abwesenheit von unverbranntem Brennstoff dem Katalysator zugeführt wird.
12. Verfahren nach Patentansprüchen 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beginn der Zufuhr des erstgenannten Gemisches zum Katalysator die Verbrennung des anderen Gemisches gelöscht wird.
13. Verfahren nach den Patentansprüchen 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens annähernd gleichzeitig mit dem Beginn der Zufuhr des erstgenannten Gemisches zum Katalysator die Verbrennung des anderen Gemisches gelöscht wird.
14. Turbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit einer Gasturbine, Mitteln zur Bildung eines Gemisches aus Druckluft und Brennstoff, einem Brenner mit einem darin angeordneten Katalysator zur Aufnahme und Verbrennung des Gemisches zur Bildung eines Verbrennungsabgases, und Mitteln zur Zufuhr des Verbrennungsabgases zu einer Turbine zwecks Antriebs derselben, gekennzeichnet durch Mittel zur Vorheizung des Katalysators praktisch in Abwesenheit von unverbranntem Brennstoff vor der Einführung des Gemisches in den Brenner.
15. Turbinenanlage nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Vorerhitzung des Katalysators aus einem thermischen Brenner zur Verbrennung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft zwecks Bildung eines heissen, praktisch von unverbranntem Brennstoff freien Abgases und aus Mitteln zur Führung des heissen Abgases über den Katalysator zwecks Vorheizung desselben bestehen.

In herkömmlichen Verbrennungseinrichtungen werden ein Brennstoff und Luft in einem entzündlichen Mengenverhältnis mit einer Zündeinrichtung, beispielsweise einem Funken, in Berührung gebracht, um das Gemisch zu entzünden, welches dann von selbst weiterbrennt. Entzündliche Gemische der meisten Brennstoffe werden üblicherweise bei relativ hohen Temperaturen von der Grössenordnung von etwa 1800° und darüber verbrannt, was zwangsläufig zur Bildung einer bedeutenden Menge von NOx führt. Im Falle von Gasturbinen-Verbrennungseinrichtungen kann die Bildung von NOx durch Begrenzung der Verweilzeit der Verbrennungsprodukte in der Verbrennungszone herabgesetzt werden. Dennoch werden sogar unter diesen Bedingungen unerwünschte Mengen von NOx gebildet.

In Verbrennungseinrichtungen, welche einen Katalysator verwenden, und in welchen der Brennstoff bei relativ niedrigen Temperaturen verbrannt wird, bildet sich wenig oder kein NOx. Jedoch herrschte bisher allgemein die Ansicht vor, dass der praktische Wert zur Schaffung einer Energiequelle infolge der Notwendigkeit der Verwendung so grosser Katalysatormengen, dass eine solche Einrichtung unverhältnismässig gross und platzraubend ausfiel, begrenzt war. Infolgedessen begrenzte sich die Verbrennung unter Verwendung eines Katalysators im allgemeinen auf Verfahren wie die Behandlung von Abgasen von Salpetersäure-Fabrikationseinrichtungen, in welchen eine katalytische Reaktion dazu verwendet wird, Verfahrensabluft, welche ca. 2 #/o Sauerstoff enthält, auf Temperaturen von ca. 750° C zu erhitzen.

In der US-PS 3 928 961 ist die Erfindung einer katalytisch unterstützten thermischen Verbrennung beschrieben. Gemäss diesem Verfahren können kohlenstoffhaltige Brennstoffe sehr wirksam bei Temperaturen von ca. 930 bis 1760° C verbrannt werden, ohne dass sich dabei grössere Mengen von Kohlenmonoxyd oder Stickoxyden bilden. Kurz zusammen-gefsst beschreibt diese US-PS bei der herkömmlichen thermischen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstof-

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feu ein entzündliches Gemisch aus Brennstoff und Luft oder aus Brennstoff, Luft und inerten Gasen, welches mit einer Zündeinrichtung (beispilsweise einem Funken) in Berührung gebracht wird, um das Gemisch zu entzünden. Ist das Gemisch einmal entzündet, brennt das Gemisch ohne weitere Unterstützung durch die Zündeinrichtung weiter. Entzündliche Gemische von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen brennen normalerweise bei relativ hohen Temperaturen (d. h. normalerweise wesentlich über 1800° C). Bei diesen Temperaturen bilden sich zwangsläufig bei Anwesenheit von Stickstoff grössere Mengen von Stickoxyden, wie dies immer der Fall ist, wenn Luft die Sauerstoffquelle für die Verbrennung ist. Gemische aus Brennstoff und Luft oder Brennstoff, Luft und inerten Gasen, welche theoretisch bei Temperaturen von unter etwa 1800° C brennen würden, sind zu brennstoffarm, um eine beständige Flamme zu unterhalten und können deshalb in herkömmlichen thermischen Verbrennungseinrichtungen nicht in befriedigender Weise verbrannt werden.

In der herkömmlichen katalytischen Verbrennung wird andererseits der Brennstoff bei relativ niedrigen Temperaturen verbrannt (vorzugsweise bei Temperaturen von etwa 200° bis etwa 760° C). Vor der in der genannten US-PS beschriebenen Erfindung herrschte jedoch die Ansicht vor,

dass die katalytische Verbrennung als Quelle thermischer Energie begrenzten Wert hat. In erster Linie schreitet die herkömmliche katalytische Verbrennung relativ langsam fort, so dass zur Erzeugung genügender Mengen von Abgasen für den Antrieb einer Turbine oder zur Verbrennung grosser Brennstoffmengen, wie sie in den meisten grossen Öfen erforderlich ist, ungeeignet grosse Mengen von Katalysatoren erforderlich sind. In zweiter Linie sind die Reaktionstemperaturen, wie sie normalerweise bei herkömmlichen katalytischen Verbrennungsverfahren auftreten, zu tief für die wirksame Übertragung von Wärme für zahlreiche Zwecke, beispielsweise für die Übertragung von Wärme auf Wasser in einem Dampfkessel. Bezeichnenderweise ist auch die katalytische Verbrennung relativ unwirksam, so dass bedeutende Anteile der Brennstoffe unvollständig verbrannt werden oder unverbrannt zurückbleiben, es sei denn, dass im Katalysator niedrige Raumgeschwindigkeiten angewendet werden.

Die katalytischen Verbrennungsreaktionen verlaufen gemäss den Bereichen A—C der in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen gezeigten Kurve. Diese Kurve zeigt die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur für einen gegebenen Katalysator und für gegebene Reaktionsbedingungen. Bei relativ niedrigen Temperaturen (d. h. im Bereich A der Fig. 1) nimmt die katalytische Reaktionsmenge exponentiell mit der Tempeatur zu. Steigt die Temperatur weiter an, tritt die Reaktionsgeschwindigkeit in eine Übergangszone (Bereich B in der Kurve gemäss Fig. 1) ein, in welcher die Geschwindigkeit, mit welcher der Brennstoff und der Sauerstoff der Katalysatoroberfläche zugeführt werden, weitere Zunahmen der Reaktionsgeschwindigkeit zu begrenzen beginnt. Nimmt die Temperatur noch weiter zu, tritt die Reaktionsgeschwindigkeit in einen durch den Stofftransport begrenzten Bereich ein (Bereich C in der Kurve gemäss Fig. 1), in welchem die Reagentien der Katalysatoroberfläche nicht genügend rasch zugeführt werden können, um mit der Reaktion der Katalysatoroberfläche Schritt zu halten, und die Reaktionsgeschwindigkeitszunahme flacht sich trotz weiterer Temperatursteigerungen ab. Im durch den Stofftransport begrenzten Bereich kann die Reaktionsgeschwindigkeit nicht durch Steigerung der Aktivität des Katalysators gesteigert werden, da die katalytische Tätigkeit die Reaktionsgeschwindigkeit nicht bestimmt. Vor der in der US-PS 3 928 961 beschriebenen Erfindung bestand der einzige Weg zur Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit in einer durch Stofftransport begrenzten Reaktion in der Steigerung des Stofftransports.

Jedoch verlangt dies eine Erhöhung des Druckgefälles im Katalysator und bewirkt daher einen hohen Energieverlust. Ein genügendes Druckgefälle zur Erreichung der gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit kann unter Umständen nicht einmal erreichbar sein. Selbstverständlich kann der Stofftransport erhöht werden, und daher kann jederzeit durch Ver-grösserung der Katalysatoroberfläche mehr Energie erzeugt werden. In vielen Anwendungen führt dies jedoch zu Katalysatorkörpern von solchen Ausmassen und Kompliziertheit, dass die Kosten prohibitiv sind und der Katalysatorkörper platzraubend ausfällt. Beispielsweise kann im Falle von Gasturbinenmotoren der Katalysatorkörper ohne weiteres grösser als der Motor selbst sein.

Wie in der genannten US-PS beschrieben wurde gefunden, dass es möglich ist, in Gegenwart eines Katalysators bei einer Reaktionsgeschwindigkeit, welche mehrere Male grösser ist als die durch den Stofftransport begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit, eine im wesentlichen adiabatische Verbrennung zu erreichen. Insbesondere wurde gefunden, dass, wenn die Betriebstemperatur des Katalysators wesentlich in den Bereich des begrenzten Stofftransports hinein erhöht wird, die Reaktionsgeschwindigkeit erneut rasch mit der Temperatur anzusteigen beginnt (Bereich D der Kurve gemäss Fig. 1). Dies ist im offensichtlichen Widerspruch zu den Gesetzen der Kinetik des Stofftransports in katalytischen Reaktionen. Diese Erscheinung kann dadurch erklärt werden, dass die Temperatur der Katalysatoroberfläche und die nahe bei der Katalysatoroberfläche liegende! Gasschicht sich über der augenblicklichen Selbstentzündungsiemperatur des Gemisches aus Brennstoff, Luft und eventuell vorhandenen inerten Gasen (wobei mit dieser Temperatur diejenige Temperatur gemeint ist, bei welcher die Zündverzögerung des Gemisches, welches auf den Katalysator auftrifft, im Vergleich zur Verweilzeit des Verbrennungsgemisches in der Verbrennungszone vernachlässigbar ist), und auf einer Temperatur befindet, bei welcher die thermische Verbrennung mit einer höheren Geschwindigkeit als die katalytische Verbrennungsgeschwindigkeit abläuft. Die Brennstoffmoleküle, welche in diese Schicht eintreten, verbrennen spontan, ohne mit der Katalysatoroberfläche in Berührung zu gelangen. Es wird angenommen, dass bei fortschreitender Verbrennung und steigender Temperatur die Schicht, in welcher die thermische Verbrennung abläuft, tiefer wird. Zuletzt erreicht praktisch alles Gas im Bereich des Katalysators eine Temperatur, bei welcher die thermische Verbrennung eher praktisch im gesamten Gasstrom als nur nahe an der Oberfläche des Katalysators stattfindet. Sobald dieser Zustand im Katalysator erreicht ist, scheint die thermische Reaktion sogar ohne weiteren Kontakt des Gases mit dem Katalysator weiter abzulaufen.

Dies ist jedoch nur eine mögliche Erklärung, durch welche der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung in keiner Weise eingeschränkt werden soll.

Unter den einmaligen Vorteilen der oben beschriebenen Verbrennung in Gegenwart eines Katalysators ist der Umstand zu erwähnen, dass Gemische aus Brennstoff und Luft, welche für die übliche thermische Verbrennung zu brennstoffarm sind, einwandfrei verbrannt werden können. Da die Verbrennungstemperatur für einen gegebenen Brennstoff bei jeglichen Bedingungen (beispielsweise Anfangstemperatur und in geringerem Umfang der Druck) weitgehend vom Mengenverhältnis zwischen Brennstoff, von für die Verbrennung verfügbarem Sauerstoff und der inerten Gase im Verbrennungsgemisch abhängig ist, hat es sich als zweckmässig erwiesen, Gemische zu verbrennen, welche wesentlich tiefere Flammentemperaturen aufweisen. Insbesondere können kohlenstoffhaltige Brennstoffe sehr wirksam und bei thermischen Reaktionsgeschwindigkeiten, welche Temperaturen von ca. 930 bis ca. 1760° C entsprechen, verbrannt werden. Bei s

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diesen Temperaturen werden, wenn überhaupt, nur sehr wenig Stickoxyde gebildet. Zusätzlich ist es möglich, die Reaktionstemperatur in einem entsprechend weiten Bereich von Mischungsverhältnissen zu .wählen.-oder: zu steuern, indem die. relativen Anteile der Gase in den. Gemischen ausgewählt oder s gesteuert werden, da die oben beschriebene Verbrennung in einem weiten Bereich von Gemischen stabil verläuft.

Das in der US-PS 3 928 961 beschriebene Verbrennungsverfahren umfasst die im wesentlichen adiabatische Verbrennung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft oder aus io Brennstoff, Luft und inerten Gasen in Gegenwart eines festen Oxydationskatalysators, welcher wesentlich über der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Gemisches, jedoch unter einer Temperatur arbeitet, bei welcher sich unter den im Katalysator herrschenden Bedingungen grosse- 15 re Mengen von Stickoxyden bilden würden. Die Grenzen der . Betriebstemperatur werden weitgehend von der Verweilzeit und vom Druck bestimmt. Die augenblickliche Selbstent- . . Zündungstemperatur ist vorstehend definiert. Im wesentlichen adiabatische Verbrennung bedeutet in diesem Fall, dass die 20 Betriebstemperatur des Katalysators um nicht mehr als 150° C, vorzugsweise um nicht mehr als ca. 80° C von der adiabatischen Flammentemperatur des Gemisches infolge von Wärmeverlusten des Katalysators abweicht.

Obwohl hier .Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er- - 2S findung beschrieben sind, in welchen als Nicht-Brennstoffkomponente eines Brennstoff-Luftgemisches Luft verwendet wird, versteht es sich, dass für die Unterstützung der Verbrennung Sauerstoff unbedingt erforderlich ist. Nötigenfalls kann der Sauerstoffgehàlt der Nicht-Brennstoffkomponente 30 variiert werden, und der Ausdrück «Luft» wird hier erwendet, um die Nicht-Brennstoffkomponenten der Gemische einschliesslich jeglicher Gase oder Gasgemische, welche Sauerstoff für Verbrennungsreaktionen enthalten, zu bezeichnen.

Während Gasturbinenmaschinën, welche mit rein.ther- 35: mischer Verbrennung arbeiten, als Anlassmotoren, insbesondere in Flugzeugen und stationären Energieerzeugungsanlagen weiteste Verwendung gefunden haben, haben sie sich für den Antrieb von Landfahrzeugen, beispielsweise Lastwagen, Autobussen oder Personenautomobilen, als kommerziell unattrak- 40 tiv erwiesen. Ein Grund für diesen Umstand liegt in den Systemen, welche rein auf der thermischen Verbrennung oder der herkömmlichen katalytischen Verbrennung basieren und mit wesentlichen Nachteilen verbunden sind. Jedoch ist mit den Fortschritten in der Verbrennung unter Verwendung 45 eines Katalysators, wie sie in der genannten ÜS-PS beschrieben und beansprucht sind, welche den Betrieb'bei Temperaturen in der Grossenordnung von ca. 93° bis 1760° C ' gestatten, die Verwendung solcher Turbinenäntriebe nun auch für Landfahrzeuge-und dergleichen möglich geworden. Je- 50; doch zeigen sich bei Verwendung zum Antrieb von Landfahrzeugen mit häufigem Abstellen und: intermittierender Verwendung in solchen Systemen beträchtliche Schwierigkeiten beim raschen und verschmutzungsfreien Anlassen. Die Verwendung dieser Turbinensysteme in Landfahrzeugen ist ingo- .55 fern ein besonderes Problem, als ausser bei Verwendung einer geeigneten Anlassmethode während der Zeit bis zum vollen Betrieb der katalysatorhaltigen Verbrennungszone eine beträchtliche Luftverschmutzung stattfindet. Bis zum Augenblick, wo. der Katalysatorkörper eine genügend hohe Tempe- eo ratur erreicht, ist es vorauszusehen, dass grosse Mengen von -unverhrannten kohlenstoffhaltigen Brennstoff en und Kohlen-monoxyd in die Atmosphäre abgegeben werden.