SE452904B - Katalytisk brennare for foretredesvis ved- eller koleldade spisar, samt anvendning derav - Google Patents

Description

452 904 z. p.g.a. exempelvis minskad livslängd hos katalysatormaterialet från de förbrända bränslena.

Trots att stora framgångar således uppnåtts finns det fortfarande behov av att öka effekten i dylika förbrännings~ system.

Föreliggande uppfinning avser en katalytisk brännare för förbränning av avgaser från olika bränslekällor. Brännaren har lång livslängd och är tålig mot svavel. Den är dessutom mycket mera effektiv än konventionella brännare av denna typ. Bränna- ren innefattar härför enligt uppfinningen en vid hög temperatur stabil lantanstabiliserad aluminiumoxid~ eller magnesiumberikad, lantanstabiliserad aluminiumoxidbärare, som är impregnerad med en mot svavel motståndskraftig förbränningskatalysator av rodium och med hög aktivitet. _ Enligt uppfinningen användes brännaren i en med fast bränsle eldad spis, vilken innefattar en luftinloppssektion, en förbrän- ningssektion, en utloppssektion för förbränd och icke-förbränd gas, varvid brännaren är placerad i utloppssektionen.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka figur l och 2 visar ett typiskt katalytiskt brännarutförande att användas enligt uppfinningen; och figur 3 är en jämförelse av förbränningsaktiviteten hos kom- mersiellt katalysatormaterial resp. katalysatormaterial enligt uppfinningen.

Katalysatormaterialet enligt uppfinningen uppbäres av en vid hög temperaturstæfil bärare. Detta bärar- eller substratma- terial kan vara av vilket som helst känt utförande, t.ex. av bikakestruktur med cylindriskt tvärsnitt (figur l) eller i dos- form (figur 2) med ett metallnätstöd l och partikelformat mate- rial 2, impregnerat med det förbättrade katalytiska materialet, uppburet av nätet.

Detta bärarmaterial är normalt framställt av ett stabilt keramiskt material, t.ex. aluminiumoxid, kordierit, kiseldioxid, zirkoniumoxid eller en stabil metall som rostfritt stål. Lantan- stabiliserad aluminiumoxid eller magnesiumberikad, lantanstabili- serad aluminiumoxid är särskilt lämpliga bärare eller substrat att användas enligt uppfinningen.

Den lantanstabiliserade aluminiumoxidbäraren är ett kommer- siellt katalysatorbärarmaterial från W.R. Grace & Co. (t.ex.

Grace SMR l449). Den magnesiumberikade, lantanstabiliserade alu- 452 904 miniumoxiden beredes genom att impregnera den lantanstabilise- rade aluminiumoxiden med en lösning (företrädesvis vattenhaltig) av ett magnesiumsalt (lämpligen magnesiumnitrat), varefter tork- ning sker för att avlägsna lösningsmedlet, samt kalcinering i luft för att oxidera det avsatta saltet till magnesiumoxid.

Kalcineringstemperaturen kan variera i beroende av det använda saltet, men normalt ligger temperaturen i intervallet kring 982°C för t.ex. magnesiumnitrat. Tillräcklig mängd magnesium- salt avsättes på bärarmaterialet så att efter kalcineringen ca, 3-15% magnesium återfinns i bärarmaterialet, företrädesvis ca. 5 vikt-%.

Ett dylikt bärar- eller substratmaterial föredras p.g.a. detsammas speciella stabilitet vid förhöjd temperatur under för- bränning. Substratmaterialet har visat sig bibehålla en hög B.E.T. (Bruinauer-Emmett-Teller) ytarea substratet bibehåller sin dimensionella stabilitet (t.ex. krympfri, särskilt i pellet- form), samt har en acceptabel tryckhållfasthet, särskilt efter magnesiumberikning. Substratmaterialet har dessutom visat sig medge formering av små metallkristalliter på ytan, vilket är nödvändigt för att fungera katalytiskt enligt uppfinningen. Ma- terialet har även större tolerans mot kolformering än t.ex. icke-modifierad aluminiumoxid.

Det aktiva katalysatormaterialet enligt uppfinningen av- sättes på bärar- eller substratmaterialet på vilket som helst känt sätt och lämpligen från en vattenhaltig lösning. Metall- salter och typiskt nitraterna, löses i antingen vattenhaltiga eller organiska lösningsmedel och torkas på substratet. De av- satta salterna behandlas därefter med väte för att bilda metall- kristalliter. Rodiummetaller har visat sig vara användbara för att uppnå fördelarna med föreliggande uppfinning. Det skall no- teras att vilken som helst väg kan utnyttjas för att gå från salt till metall, t.ex. från saltformen direkt till metall- kristalliterna genom vätereduktion eller oxidering av saltet i luft följt av vätereduktion så länge metallkristalliter bildas pâ substratmaterialet. Mängden använt rodium kan variera mycket, men använd mängd baseras vanligen på katalysator plus bärarmate- rial på ca. 0,01-6% rodium och normalt ca. 0,1-1% rodium.

Emedan dosor, bikakeinsatser, etc. kan ha en storlek som är avpassad till det bestämda ugnsutförandet i vilket de skall användas, har dylika cylindrar normalt en yta på l5,24-60,96 cmz med tillräckligt stora öppningar för att inte påverka rökgaska- 452 904 nalens naturliga drag, men med tillräckligt små öppningar för att bära upp ovanförliggande skikt av pellets. Nät av rostfritt stål med i huvudsak fyrkantiga öppningar med diagonalen 0,159 cm användes normalt. Höjden av partiklar som påföres skärmen ligger normalt på 0,935-5,08 cm, beroende på den rökgaskanal i vilken de skall användas. I en omgivning med naturligt drag erfordras ett mindre tryckfall och katalysatorbäddens djup måste hållas lågt. I en miljö med pâfört drag, där ett större tryckfall kan tolereras, kan katalysatorskiktens djup vara större. Även om uppfinningen beskrivits'för katalytiska brännare för vedeldade spisar, kan densamma också användas i vilken som helst miljö där man önskar öka effekten hos en förbrännings- process, t.ex. vid olje- eller gaseldade ugnar eller spisar. Den är även användbar för avlägsnande av potentiellt skadlig rök ur gasflöden. s Såsom angivits ovan användes företrädesvis bärar- eller substratmaterial i pelletform i berednings- och kostnadssyfte.

I pelletform är partiklarna vanligen 0,159-1,59 cm i diameter.

Ifall andra än sfäriska partiklar användes, skall de ha motsva- rande storlek.

Nämnda pellets kan framställas antingen helt katalysatorimp- regnerade eller “ringimpregnerade". Med ringimpregnerade menas att till skillnad från helt impregnerade pellets, är endast den yttre delen närmast ytan impregnerad. Normalt impregneras den yttersta delen till 25% eller mindre (d.v.s. inträngning 0,0025- 0,254 cm). Den innersta delen impregneras ej. Exakt erforderlig katalysatormängd bestämmes av träets eller kolets i spisen för- bränningshastighet. Bränslenas förbränningshastighet bestämmer mängden bildade rökgaser, vilket i sin tur ger erforderlig mängd av förbränningskatalysatorn. I en ved- eller koleldad spis är dessutom inloppstemperaturen generellt sett 204-482oC och ut- gångstemperaturen 593-87l°C.

De katalysatorimpregnerade bärarmaterialen tjänar till att reducera kolväte- och kolmonoxidmaterialets i gasutflödet antänd- ningstemperatur för förbränning vid 204-3l6°C. Den värme som alst- ras vid förbränningen ökar ytterligare katalysator- och bärarma- terialens temperatur, vilket i sin tur ökar desammas katalytiska aktivitet. De alstrade höga temperaturerna bryter dessutom ned de tunga materialen i rök- eller utloppsflödet och leder till yt- terligare förbränning. Då kolmonoxid- och det tunga kolvätemate- rialet i gasutflödet fortsätter att förbrännas som ett resultat 5. 452 904 av kontakten med det första skiktet av helt katalyserade pellets, stiger temperaturen till 649-7ao°c.

Exempel.

Ett lantanstabiliserat katalysatorbärarmaterial av aluminium- oxid inhandlades från W.R. Grace & Co. i pelletform med storleken 0,3l8 cm i diameter och 0,638 cm i längd. En sats dylika pellets nedsänktes i en vattenlösning av Mg(NO3)3 . 6H20 med en koncent- ration på ca. 57 vikt-%. Efter nedsänkning i 5 min. med ultra- ljudsvibrering och 30 min. utan, avlägsnades pelletsatsen från lösningen. Satsen ugnstorkades i luft under 3 timmar vid ca. ll0°C och kalcinerades vid 98200 under 16 timmar samt avkyldes.

De magnesiumberikade, lantanstabiliserade aluminiumoxidpelletsen nedsänktes därefter i en vattenlösning av Rh(NO3)3 med en kon- centration på ca. ll,l volym-%. Efter doppning under ca. 5 min. med ultraljudsvibrering och 30 min. utan vibrering, avlägsnades nämnda pellets från lösningen och torkades i luft under 3 timmar vid ll0°C, varefter desamma uppvärmdes i en väterik atmosfär till bildande av metallkristalliter på substratmaterialet. Denna process avsätter ett katalysatorskikt om 0,l27 cm på partikelma- terialet. Ifall hel impregnering önskas skall nedsänkningstiden i Rh(NO3)3 utökas, t.ex. fördubblas.

Vätereduktionssteget utfördes som följer. Ovan bearbetade pellets placerades i en skål i en ugn som först spolades med kväve. Ugnstemperaturen höjdes till ca. 3l6°C och atmosfären över nämnda pellets varierades enligt följande schema: %N2 %H2 tid 1 timmar 100 0 0,25 95 5 0,25 90 10 0,25 75 25 0,50 0 100 2,00 Efter avkylning till 93°C, ändras atmosfären över nämnda pellets till l0O% NZ. Pelletsen avkyles därefter till rumstemperatur och atmosfären regleras enligt följande: %N2 &02 tid i timmar 95 5 0,5 90 10 0,5 80 20 0,5 För att ytterligare demonstrera förbränningskatalysatorns enligt uppfinningen ökade kapacitet, utfördes följande test. Medelst 452 904 6' en mikroreaktor med en innerdiameter på 0,953 cm och innehållande 2,54 cm eller 0,5 g katalysatormaterial, tabellfördes reaktions- hastighetskonstanter (synonyma med aktivitet) som en funktion av testtemperaturen. Testet genomfördes under 30 timmar under för- bränning av en blandning av metan innehållande ca. 2250 miljon- delar (vikt)H2S. Reaktionshastighetskonstanten (k) definieras av följande pseudohastighetsekvation av första ordningen: k = (rymdhastigheten) x lnê-ï:É-Bñšäïïïïïš-) (_"ï6í____) I figur 3 är data för kommersiella katalysatorer (15 vikt-% Ni på ot-aluminiumoxid-kurva A) och en katalysator enligt exemplet (kurva B) angivna på ett konventionellt Arrheniusdiagram. Såsom framgår av kurvorna, ger katalysatorerna enligt kurva B större aktivitet vid lägre temperatur. Detta visar att även vid poten- tiell svavelförgiftning (t.ex. från en kolbränslekälla) har brännaren enligt uppfinningen fortfarande tillräckligt stor ka- pacitet för att vara användbar i denna miljö.

För beredning av en katalytisk brännare enligt uppfinningen, föredras en behållare av dostyp med ett bärarnät av rostfritt stål under utnyttjande av tråd med diametern 0,081 cm och 40 hål per cm2 (d.v.s. öppen till 45%). Dosans väggar är normalt av rost- fritt stål ur 300-serien, t.ex. 304 rostfritt stål. Ett flertal skikt av katalysatorimpregnerade pellets med diametern 0,635 cm placeras på bärarnätet. Dosen kan därefter täckas temporärt med .ett plasthölje för att förhindra alltför stor förskjutning under transport. I figur 2 betecknas dosan med l, bärarnätet med 2 och partikelskikten med 3.

Bäddens tjocklek skall hållas så liten som möjligt för att minimera tryckfallet över bädden, speciellt vid en anordning med naturligt drag, t.ex. en kol- eller vedeldad spis. Brännare för industriellt bruk, med fläktar för primärluft, kan utnyttja dju- pare dosor och därav följande större tryckfall. Ifall tryckfallet i endera fallet är alltför stort, d.v.s. flödet hämmas, påverkas träets eller annat fast bränsles förbränningshastighet negativt.

Dock skall det finnas tillräcklig mängd katalysatormaterial för att åstadkomma en gasuppehållstid som tillåter katalysatorn att påverka gasernas förbränning på katalysatorn. Enär draget i van- liga skorstenar på bostadshus uppgår till 0,127-0,254 cm vatten, vilket kan bestämmas medelst "Standard Handbook for Mechanical Engineers", 7:e upplagan McGraw, Hill Book Co., dimensioneras ka-

Claims (1)

7- 452 904 talysatorbäddens i den naturliga gasmiljön frontyta och bäddjup för ett tryckfall på ca. 0,0254 cm för att minimera flödesbegränsningen. Tryckfallet kan mätas med ett känsligt deltatryckmâtt. Ett annat sätt att upptäcka ifall tryckfallet är tillräckligt lågt och inte hämmas, är genom att bestämma om bränsleförbränningshastigheten, i viktenheter förbränt bränsle per timme, är tillfredsställande. Ifall tryckfallet är för lågt d.v.s. bädden är för tunn, kan förbiströmning och ofullständig förbränning av röken ske. Detta kan upptäckas genom att observera röken i spisens rökgaskanal. Vidare bör noteras att emedan uppfinningen beskrivits i samband med en rodiumkatalysator, är även rutenium, nickel, palladium, järnoxid, iridium, platina eller konventionella för- bränningskatalysatorer användbara. Det är för fackmannen uppenbart att föreliggande uppfinning kan ändras och modifieras inom ramen för efterföljande patent- krav utan att frångå uppfinningens idé och ändamål. Patentkrav: nnnunnuunnu l. Katalytisk brännare för företrädesvis ved- eller kol- eldade spisar, k ä n n e t e c k n a d a v att brännaren innefattar en vid hög temperatur stabil, lantanstabiliserad aluminiumoxid- eller magnesiumberikad, lantanstabiliserad alu- miniumoxidbärare, som är impregnerad med en mot svavel motstånds- kraftig förbränningskatalysator av rodium och med hög aktivitet. 2. Katalytisk brännare enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d a v att bäraren har formen av en cylindrisk bikaka. 3. Katalytisk brännare enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d a v att bäraren har formen av pellets. 4. Katalytisk brännare enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d a v att katalysatormängden utgör 0,01-6 vikt-%. 5. Användningen av en katalytisk brännare enligt något av patentkraven

1-4 i en med fast bränsle eldad spis, innefattande en luftinloppssektion, en förbränningssektion, en utloppssektion för förbränd och icke-förbränd gas, varvid den katalytiska brän- naren är placerad i utloppssektionen.