-
Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch katalytische
Oxydation Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum indirekten
Erhitzen von Flüssigkeiten unter Verwendung einer Wirbelschicht eines Oxydationskatalysators.
-
Bei den üblichen Vorrichtungen zum indirekten Erwärmen von Flüssigkeiten,
z. B. für die Erzeugung von Dampf, verbrennt der Brennstoff unter Flammenbildung;
um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, welche dann über Heizrohre oder eine wärmeaustauschende
Fläche, durch welche eine Flüssigkeit fließt, geführt werden, wodurch die Hitze
von den Gasen auf die Flüssigkeit übertragen wird. Es wurde gefunden, daß ein anderes
Verfahren, bei welchem eine Wirbelschicht eines Oxydationskatalysators verwendet
wird, viele Vorteile gegenüber den gewöhnlichen Verfahren, die mit offener Verbrennung
<arbeiten, hat.
-
Nach diesem Verfahren wird eine Mischung aus Luft und Brennstoff aufwärts
durch eine Schicht von verhältnismäßig kleinen Teilchen des Oxydationskatalysators
geführt, wobei die Geschwindigkeit so eingestellt ist, daß eine Wirbelschicht entsteht
und der Brennstoff innerhalb der Schicht katalytisch oxydiert wird. Rohre oder andere
Wärmeaustauschflächen werden in die Schicht eingetaucht, und die zu erhitzende Flüssigkeit
wird durch diese Rohre geleitet und nimmt so die Wärme aus der Schicht auf.
-
Dieses System hat gegenüber den üblichen mit Flammenbildung arbeitenden
Systemen die folgenden Vorteile: 1. Pro Volumeneinheit der Wirbelschicht kann eine
hohe Wärmeleistung erreicht werden, oft 20- bis 30mal soviel wie in einem System,
das mit Flammenbildung arbeitet. Dies ergibt eine wesentliche Verringerung der Ausmaße
der Vorrichtung.
-
2. Innerhalb der Wirbelschicht, in der die Oxvdation des Brennstoffes
stattfindet, kann eine große Wärmeaustauschoberfläche angebracht werden, im Gegensatz
zu dem üblichen System, in welchem das Innere des Feuerraumes im wesentlichen leer
ist. Dies ermöglicht eine weitere Verringerung der Ausmaße der Vorrichtung.
-
3. In der Wirbelschicht werden hohe Wärmeaustauschkoeffiziente erhalten,
die im Durchschnitt 3- bis 7mal so hoch sind wie die, die in dem Übertragungsabschnitt
von gewöhnlichen Boilern erhalten werden. Dies verringert die Ausmaße der wärmeaustauschenden
Oberfläche, die erforderlich ist, und ergibt noch eine weitere Verringerung der
Vorrichtung.
-
4. Im Gegensatz zu der Verbrennung mit Flammenbildung, bei welcher
maximale Temperaturen in der Größenordnung von 1650 bis 1930° C erhalten werden,
kann die Abgabe der Wärme des Brennstoffes in einer Wirbelschicht- des Oxydationskatalysators
bei Temperaturen erreicht werden, die weit unterhalb der Flammentemperatur sind,
gewöhnlich im Bereich von 540 bis 1100° C.
-
Obwohl die oben besprochenen Vorteile vorhanden sind, wurde gefunden,
daß dieses System im Betrieb eine große Anzahl von praktischen Schwierigkeiten zeigt.
Eine der Hauptschwierigkeiten ist es, ein System zu schaffen, welches unter Verwendung
eines verhältnismäßig billigen Katalysators befriedigend arbeitet. Oxydationskatalysatoren
mit einer brauchbaren Aktivität leiden oft unter Abriebverlusten, wenn spie in einer
Wirbelschicht angewendet werden, bei welcher die Katalysatorteilchen dauernd gegeneinander
und gegen die in die Schicht eingetauchten Rohre stoßen. Durch diesen Abrieb entsteht
sehr feines Material, dessen Teilchengröße weit unterhalb der durchschnittlichen,
in der Schicht vorhandenen Teilchen ist, und diese feinen Teilchen werden von dein
Strom der ausströmenden Gase aus der Schicht fortgetragen. Diese unvermeidbaren
Verluste verhindern die Verwendung von hochaktiven teueren, katalytischen Substanzen,
wie z. B. von Katalysatoren, die Platin enthalten, und es ist deshalb notwendig,
weniger aktive, billigere Substanzen zu verwenden, wie z. B. Katalysatoren, die
Silber, Kupfer oder Chrom enthalten.
-
Die Verwendung von billigen Oxydationskatalysatoren mit geringer Aktivität
hat jedoch den Nachteil,
daß diese Katalysatoren. eine höhe Aktivität
nur bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, wie 540 bis 820° C, erreichen. Wegen
dieser Eigenschaft ist die Wärmeabgabe innerhalb der Schicht zu niedrig, wenn die
Schichttemperatur unter diese Temperaturen fällt. Die Verbrennungsluft muß daher
mit verhältnismäßig hohen Temperaturen, z. B. 540° C, in die Schicht eingeführt
werden.
-
Das Erfordernis, daß die eingeführte Verbrennungsluft auf verhältnismäßig
hohe Temperaturen in der Größenordnung von z. B. 540° C vorgewärmt werden muß, gibt
eine starke Beschränkung der praktischen Anwendung des Systems, da diese Vorwärmtemperaturen
praktisch durch Wärmeaustausch mit den ausströmenden Gasen nicht vollkommen erhalten
werden können. Wenn ein Hilfsflammenverbrenner angewendet wird, um genügend heiße
Verbrennungsgase zu liefern, um die Temperatur der Luft in den Bereich von 540°
C zu bringen, ist einer der Hauptvorteile dieses Systems verloren, da ein großer
Hilfsofen vorhanden sein muß, um einen wesentlichen Teil, z. B. in der Größenordnung
von einem Drittel der gesamten Brennstoffmenge, mittels Flammen zu verbrennen. Weiterhin
tritt das Problem auf, ein großes Volumen heißen Gases aus dem Hilfsflammeni erbrenner
mit der Verbrennungsluft zu vermischen, und die Schwierigkeit, die vorgewärmte Mischung
bei einer Temperatur von z. B. 540 bis 650° C über die Fläche der Wirbelschicht
richtig zu verteilen, so daß gleichmäßige Wirbeleigenschaften erhalten werden. Diese
Schwierigkeiten sind in wirtschaftlicher Weise schwer zu lösen.
-
Es ist der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zu schaffen, welche die praktische Verwendung einer Wirbelschicht
mit Oxydationskatalysatoren mit verhältnismäßig niedriger Aktivität in dem oben
beschriebenen System ermöglicht, ohne daß es notwendig ist, auf einen großen Hilfsflammenverbrenner
zurückzugreifen, um die notwendige Wärme zum Vorwärme-ii der Verbrennungsluft zu
schaffen unter Vermeidung der mit dem Mischen der heißen Verbrennungsgase des Hilfsbrenners
mit der Hauptluft und der gleichmäßigen Verteilung der erhaltenen Mischung hoher
Temperatur in der ganzen Wirbelschicht verbundenen Schwierigkeiten.
-
Erfindungsgemäß wird ein System geschaffen, welches aus zwei Schichten
des Oxydationskatalysators besteht, die vorzugsweise übereinander angeordnet sind.
Die untere Schicht hat ein verhältnismäßig kleines Volumen. Sie besteht aus einem
Oxydationskatalysator mit verhältnismäßig hoher Aktivität, wie z. B. einem Platinkatalysator.
Diese Schicht ist so angeordnet, daß sie wenig oder gar nicht in Bewegung ist, so
daß der Katalysator keine Verluste durch Abrieb erleidet. In dieser Schicht ist
im wesentlichen keine Wärmeaustauschfläche angebracht. Die zweite oder obere Schicht
des Katalysators hat ein im Verhältnis größeres Volumen und besteht aus einem Oxydationskatalysator,
der im Verhältnis zu dem der ersten Schicht billiger ist und eine geringere Aktivität
hat. Diese Schicht ist unter normalen Betriebsbedingungen eine Wirbelschicht und
ist mit Rohren oder anderen Wärmeaustauschflächen versehen, die in die Schicht eingetaucht
sind und durch welche eine Flüssigkeit zirkuliert, um die Wärme aus der Schicht
aufzunehmen.
-
Beim Betrieb dieses Systems wird die Hauptluftzufuhr im wesentlichen
nicht vorgewärmt oder nur auf verhältnismäßig niedrige Temperaturen, wie 200 bis
320° C, und wird zusammen mit einem geringen Anteil der Gesamtbrennstoffmenge durch
die erste Schicht aus hoch aktivem Katalysator geleitet. Die Brennstoffmenge soll
hierbei so gering sein, daß sie nur genügt, die Temperatur der Luft in den Bereich
von 480 bis 820° C zu bringen. Die katalytischen Oxydation dieses Teils des Brennstoffes
tritt in der ersten Schicht ein, und die erhaltenen, ausströmenden Gase, die so
auf eine Temperatur vorgewärmt sind, wie sie der richtige Betrieb der zweiten Wirbelschicht
erfordert, werden mit dem Rest des Brennstoffes am Bodenteil der Wirbelschicht gemischt.
Die katalytische Oxydation des größeren Teils des Brennstoffes tritt in der zweiten
Schicht ein, und frei werdende Wärme wird von der Schicht auf die Flüssigkeit übertragen,
die durch die in die Schicht eingetauchten Rohre fließt.
-
Wenn auf diese Art gearbeitet wird, kann die Verteilung der Luftzufuhr
über die Querschnittsfläche der Wirbelschicht am Eingang zu der ersten oder unteren
Schicht bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur durchgeführt werden, und
den notwendigen Grad der Vorwärmung erhält die Luft in einer üblichen und wirtschaftlichen
Weise in einem verhältnismäßig kleinen Volumen hochaktiven Katalysators, bei dem
keine Abriebverluste eintreten, wie dies bei dem Betrieb mit Wirbelschicht der Fall
ist. Wie aus der genaueren folgenden Beschreibung ersichtlich, ergibt diese Art
des Betriebes auch eine Anpassungsmöglichkeit im Betrieb der Wirbelschicht, die
nicht möglich ist, wenn ein System mit einer einzigen Schicht verwendet wird.
-
Mit Bezug auf die Zeichnungen soll die Erfindung nunmehr im einzelnen
beschrieben werden.
-
In den Zeichnungen ist Fig. 1 eine halbschematische Ansicht, die eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt; Fig.2 ist ein rechtwinkliger, senkrechter
Schnitt durch die Mittelachse der Kammer nach Fig. 1; Fig. 3 eine Ansicht einer
anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
-
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Stahlkammer
mit einer feuerfesten Auskleidung 2. In dem unteren Teil der Kammer befindet sich
eine perforierte Verteilungsplatte 3, die von den Stützen 4 getragen wird. Diese
Platte dient dem zweifachen Zweck, die am Boden der Kammer durch .die Leitung 5
eintretende Verbrennungsluft gleichmäßig über den ganzen Querschnitt der Kammer
zu verteilen und die untere Schicht des Oxydationskatalysators, die aus verhältnismäßig
großen Körnern 6 in Zylinderform besteht, zu tragen. Die Katalysatorteilchen haben
z. B. einen Durchmesser und eine Länge von annähernd 1 cm.
-
Um die gleichmäßige Verteilung der Verbrennungsluft zu sichern, ist
es im allgemeinen notwendig, einen wesentlichenDruckabfall durch die Verteilungsplatte3
oder andere gleichartige Mittel zu schaffen. Im Falle einer perforierten Platte
z. B. wurde festgestellt, daß die Verwendung von verhältnismäßig kleiner, in engem
Abstand angebrachter Perforation notwendig ist, um gleichmäßige Verteilung zu sichern.
Perforationen von 1,5 mm Durchmesser, deren Mittelpunkte ungefähr 3 mm voneinander
entfernt sind, wurden z. B. brauchbar befunden, um eine befriedigende Verteilung
eines Luftstromes von ungefähr 6 kg/min über eine Ouerschnittsfläche von annähernd
930 dem zu sichern.
-
Die untere Schicht besteht, wie oben festgestellt, aus einem Oxydationskatalysator
mit verhältnismäßig
hoher Aktivität. Besonders geeignet sind Katalysatoren,
die Platin oder Palladium enthalten, die in sehr fein verteiltem Zustand auf einem
Träger sind, der aus einem-aktivierten Metalloxyd; wie z.. B. aktiviertem Aluminiumoxyd,
Berylliumoxyd, Thoriumoxyd, Magnesiumoxyd oder Ci:rconoxyd,. besteht. Hochaktive
und stabile Oxydationskatalysatoren können z. B. hergestellt werden, indem man Körnchen
aus aktiviertem Aluminiumoxyd mit 0,2 bis 1 Gewichtsprozent feinverteiltem Platin
imprägniert. Die Imprägnierung kann z. B. ausgeführt werden, indem Aluminiumoxydkörnclien
in eine verdünnte Lösung von Platinchlorwasserstoffsäure eingetaucht werden. Dann
werden sie getrocknet, und danach wird das Platinsalz durch Erwärmen zersetzt.
-
Angesichts der verhältnismäßig hohen Kosten dieser l#,'atalysatorenart
ist es erforderlich, Abriebverluste in der unteren Schicht zu vermeiden, und aus
diesem Grunde muß der Katalysator in der unteren Schicht so angeordnet werden, daß
er- bei Betriebsbedingungen wenig oder keine Bewegung erleidet. Wenn z. B. der Katalysator
in der unteren Schicht aus Körnern besteht, wie in der Zeichnung gezeigt, so müssen
diese 9 enügend groß sein oder mechanisch festgehalten werden, damit die
Schicht bei den Betriebsbedingungen nicht in Wirbelung gerät. Die Körnchengröße
in der unteren Schicht ist so im Verhältnis zu der der oberen Schicht, welche unter
Wirbelbedingungen steht, festgelegt, wobei die Körner in der unteren Schicht größer
sind als die in der oberen Schicht, um Wirbelung zu vermeiden. Ganz allgemein wurde
festgestellt, daß Körner irn Größenbereich von 3 bis 13 mm für die untere Schicht
brauchbar sind. Größere Körner sind gewöhnlich nicht erforderlich bzw. brauchbar
wegen des ungünstigen Verhältnisses von Volumen zur Oberfläche und wegen des größeren
Zwischenraumes zwischen den Körnern.
-
Anstatt der Anwendung von Körnern können in der unteren Schicht auch
Katalysatoren mit anderen Formen verwendet werden, wie z. B. katalytische Einheiten,
die aus einem Porzellanrahmen bestehen, der stangenähnliche Teile mit einem dünnen
Film von katalytisch-aktivem Aluminiumoxyd von 0,025 bis 0,16 inin Dicke hat, welcher
wiederum mit einer verhältnismäßig kleinen Menge wie 1 Gewichtsprozent feinverteiltem
Platin imprägniert ist.
-
Hochaktive Katalysatoren, wie die oben beschriebenen Platin- oder
Palladiumkatalysatoren, arbeiten wirksam, obwohl das eintretende Luft-Brennstoff-Gemisch
eine niedrige Temperatur hat. In einigen Fällen zeigte es sich, daß es möglich war,
die Mischung im wesentlichen mit der Umgebungstemperatur oder leicht über dieser
Temperatur, z. B. mit Temperaturen von 90 bis 150° C, einzuführen. Die maximale
Temperatur, auf welche die in die untere Schicht eintretende Luft vorgewärmt werden
muß, liegt in der Größenordnung von 320° C. Die Verbrennungsluft kann leicht auf
diese Temperatur vorgewärmt werden, und mit diesen Temperaturen läßt sich leicht
arbeiten, und sie können über die ganze Fläche der unteren Katalysatorschicht verteilt
werden, z. B., wie gezeigt, durch eine perforierte Platte als Verteiler.
-
Ein 2#,Tetz von Brennstoff verteilenden Leitungen 7 ist in der Nähe
des Bodens in der unteren Katalysatorschicht angeordnet, um einen geringen Anteil
des Gesamtbrennstoffes einzuführen. Der in der unteren Schicht zu oxydierende Brennstoff
kann wahlweise mit der Verbrennungsluft, die durch die Leitung 5 am Boden der Kammer
eintritt, vorgemischt werden. (Die hier gezeigte Methode des Verteilens ist jedoch
im allgemeinen vorzuziehen.) Die Menge des Brennstoffes, die auf diese Art in die
Verbrennungsluft, die in die untere Schicht eintritt, eingeführt wird, muß, wie
oben festgestellt, so eingestellt werden, daß die Lufttemperatur so weit erhöht
wird, wie für eine stabile Betätigung der oberen Wirbelschicht notwendig ist, Diese
Temperatur ist im allgemeinen im Bereich von 480 bis 820° C und meistens in dem
Bereich von 540 bis 650° C. Die Temperaturerhöhung ergibt sich natürlich aus der
durch die katalytische Oxvdation des Brennstoffes in der unteren Schicht frei werdenden
Wärme.
-
Zwischen der ersten und der zweiten Schicht können Trennmittel vorgesehen
sein, wie sie in der Zeichnung gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet
sind. Diese Mittel können, wie gezeigt, die Form einer Reihe von U-förmigen Kanälen
9 haben, die sich quer durch die Schicht erstrecken und die so viel Abstand voneinander
haben, daß eine Schlitzreihe 10 gebildet wird, um den Gasdurchlaß von der ersten
zur zweiten Schicht zu ermöglichen. Die Schlitze 10 sind wiederum mit Kappen in
Form von umgedrehten U-förmigen Kanälen 11 versehen. Diese Anordnung dient hauptsächlich
dazu, zu verhindern, daß die verhältnismäßig kleinen Teilchen der oberen Schicht
in die untere Schicht wandern, und umgekehrt, und bis zu einem gewissen Grade trägt
sie zur Verbesserung des. gleichmäßigen Stromes. der Gase bei, die von der ersten
in die z"veite Schicht ausströmen. In einigen Fällen zeigte es sich als brauchbar,
die Trennmittel. zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht wegzulassen.
Die untere Schicht kann z. B. aus einer Schicht aus verhältnismäßig großen Körnern
bestehen, und zwar von solcher Größe, daß sie höchstens eine beschränkte Vibration
unter dem Einfluß des aufwärts strömenden Gasflusses erleiden, während die zweite
Schicht aus einer darüber angebrachten tieferen Schicht von verhältnismäßig kleinen
Körnern besteht, die so sind, daß sie bei den angewendeten Gasgeschwindigkeiten
Wirbelung erleiden können. Ebenfalls können natürlich auch andere Mittel als die
gezeigten verwendet werden, um die beiden Schichten zu trennen.
-
Die zweite oder obere Katalysatorschicht besteht aus vielen Körnern
oder Teilchen 12, die kleiner sind als die Körner 6 der unteren Schicht. Dieser
Katalysator ist verhältnismäßig billig und hat eine niedrigere Aktivität als der
der unteren Schicht. An Stelle des Platin oder Palladium enthaltenden Katalysators
kann z. B. der Katalysator der oberen Schicht aus weniger aktiven Oxydationskatalysatoren
bestehen, wie z. B. aus Katalysatoren, die Silber, Kupfer, Nickel oder Mangan enthalten,
vorzugsweise in feinverteiltem Zustand auf Trägern verteilt, wobei die Träger aus
aktivierten 1Tetalloxyden bestehen, z. B. aus aktiviertem Aluminiumoxyd oder einem
anderen obenerwähnten aktivierten Oxyd. Zum Beispiel kann ein Katalysator mit guter
Aktivität, obwohl beträchtlich niedrigerer Aktivität als die entsprechenden Platin-
oder Palladiumkatalysatoren, hergestellt werden, indem Körnchen aus aktivem Aluminiumoxyd
mit einer Mischung aus Kupfer und Chrom oder aus Silber und Chrom imprägniert werden
(vorzugsweise indem die Körnchen in Lösung von Nitraten dieser Metalle getaucht
und dann getrocknet werden und worauf die Nitrate thermisch zersetzt werden). Durch
das Imprägnieren werden z. B. 3 bis 6 Gewichtsprozent des gesamten Metalls auf dem
Aluminiumoxyd niedergeschlagen (bezogen auf das Gewicht der Aluminiumoxydkörner).
Diese
billigeren Katalysatoren mit niedrigerer Aktivität arbeiten in dem beschriebenen
System nur befriedigend, wenn eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufrechterhalten
wird und wenn die Einführungstemperatur in die Schicht ebenfalls verhältnismäßig
hoch gehalten wird, nämlich über 48ß° C und vorzugsweise über 540° C. Die maximal
mögliche Betriebstemperatur dieser Katalysatoren schwankt etwas, aber in den meisten
Fällen soll sie 870 bis 980° C nicht überschreiten. Höhere Temperaturen als diese
verursachen einen raschen Abfall der Aktivität des Katalysators und schließlich
sogar einen vollkommenen Verlust der Aktivität.
-
Die Größe der Katalysatorteilchen oder Körnchen in der oberen Schicht
muß, wie festgestellt, so sein, daß die Schicht unter den Betriebsbedingungen in
Wirbelurig gehalten wird; vorzugsweise soll die durchschnittliche Teilchengröße
im Bereich von 1,6 bis 4 mm sein. Die geringsten Wirbelungsgeschwindigkeiten, um
Körnchen dieses Größenbereiches im Wirbelzustand zu erhalten, reichen im allgemeinen
von 60 bis 180 '.l\Tm3/Stunde bei Schichttemperaturen im Bereich von 650 bis 820°
C.
-
Das Phänomen der Wirbelurig ist an sich bekannt. Bei der Wirbelurig
wird dieTeilchenschicht unter dem Einfluß des sie aufwärts durchströmenden Gases
bis zu einem Grad ausgeweitet, so daß die einzelnen Teilchen voneinander losgelöst
werden und frei durch die ganze Schicht zirkulieren, in der Art, wie Konvektionsströme
in einer siedenden Flüssigkeit zirkulieren. Die Schicht als Ganzes ist selbstverständlich
in ihren Eigenschaften pseudoflüssig mit einer turbulenten oberen Fläche, wie in
der Zeichnung mit dem Buchstaben L bezeichnet, und sie übt einen pseudohydrostatischen
Druck auf die Wände und den Boden des Behälters aus.
-
In der Nähe des Bodens der Wirbelschicht ist eine zweite Reihe von
Brennstoff verteilenden Rohren 13 angebracht, damit der größere Teil des Gesamtbrennstoffes
zugegeben werden kann, und dieser mischt sich mit der vorgewärmten Verbrennungsluft
aus der unteren Schicht. Ein wesentlicher Teil des Volumens dieser Schicht wird
durch ein Rohrbündel 14 eingenommen, in dem die zu erwärmende Flüssigkeit zirkuliert.
Es wurde gefunden, daß die vertikale Anordnung der Rohre, wie sie gezeigt ist, in
mancher Beziehung vorteilhaft ist, da sie die geringste Störung der gleichförmigen
Wirbelurig der Schicht verursacht.
-
Die verschiedenen Abschnitte des Rohrbündels, wie in Fig. 1 und 2
gezeigt, können in Reine oder parallel geschaltet sein, oder Teile davon können
in Reihe und andere parallel geschaltet sein, je nach der besonderen Art des Heizsystems
und der zu erwärmenden Flüs-"igkeit. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, tritt die
zu erwärmende Flüssigkeit in das Rohrbündel durch die Leitung 16 ein und wird durch
ein geeignetes System von Kopfstücken (nicht gezeigt) verteilt. Die letzteren können
in dem Raum 17 angebracht sein. Die erwärmte Flüssigkeit wird durch eine ähnliche
Reihe von Kopfstücken (nicht gezeigt) in dem Raum 18 gesammelt und zum Verwendungsort
oder für weiteres Erwärmen durch die Leitung 19 abgezogen.
-
Natürlich kann jede gewünschte Flüssigkeit durch das Rohrbündel 14
zirkulieren. So kann das System zum Erwärmen von Wasser oder zur Erzeugung und bzw.
oder zum überhitzen von Dampf oder für das Erhitzen anderer Flüssigkeiten, wie z.
B. für das Erwärmen von flüssigem Petroleum, wie es in den Ölraffinerien üblich
ist, angewendet werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird die Verbrennungsluft dem System
mittels eines Gebläses 28 zugeführt. Dieses führt die Luft mit der Geschwindigkeit
ein, die für das Verwirbeln der oberen Schicht erforderlich ist, und zwar durch
die Leitung 5, die von dem Ventil 5a gesteuert wird. Die Brennstoffzuführung erfolgt
durch die Hauptzuführungsleitung 29, und der zugeführte Brennstoff fließt durch
eine mit Ventil versehene Zweigleitung 30 in ein Kopfstück 31, durch welches das
Rohrsystem 7 in der unteren Schicht versorgt wird, und fließt durch eine ebenfalls
mit Ventil versehene Zweigleitung 32 in ein Kopfstück 33, welche das Rohrsystem
13 in der oberen Wirbelschicht versorgt.
-
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird die (wenn überhaupt) notwendige Vorwärmung
der Verbrennungsluft, die durch das Gebläse 28 zugeführt wird, mittels eines kleinen
Zusatzbrenners 34 erreicht. Dieser Zusatzbrenner 34 wird durch ein Zusatzgebläse
35 mit Verbrennungsluft und durch die Zweigleitung 36 mit Brennstoff versorgt. Die
heißen Verbrennungsgase aus dem Brenner 34 gehen durch die Leitung 37 und werden
dann mit der Verbrennungsluft in der Leitung 5 gemischt, wodurch eine Mischtemperatur
von nicht mehr als 320° C erhalten wird. Der Zusatzbrenner 34 liefert nur einen
kleinen Bruchteil der im Hauptteil des Systems insgesamt frei werdenden Wärme, nämlich
5 bis 101/e.
-
An Stelle des in Fig. 1 gezeigten Systems kann auch eines, wie in
Fig. 3 gezeigt ist, angewendet werden. Hier wird, anstatt der Verwendung eines Zusatzbrenners
zur Erzeugung der notwendigen Vorerwärmung für die Verbrennungsluft, diese statt
dessen mittels eines Lufterwärmers erreicht, der in ein Wärmeaustauschsystem unterhalb
der Wirbelschicht eingebaut ist.
-
Aus Fig. 3 sieht man, daß die Anordnung der zwei Katalysatorenschichten
im wesentlichen die gleiche ist, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Diese sind in
einer Kammer, die mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet is: und die mit feuerfestem
Material ausgekleidete Wände 20 hat. Die untere Katalysatorschicht 21 lagert auf
einer perforierten Verteilungsplatte 22. Wie oben mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschrieben,
besteht der Katalysator in der unteren Schicht aus Körnchen solcher Größe, daß er
keine oder nur wenig Bewegung unter den Betriebsbedingungen mitmacht, oder er ist
auf andere Weise so aufgebaut oder angeordnet, daß er diese Bedingung erfüllt, und
er ist so zusammengesetzt, daß er verhältnismäßig hohe Aktivität hat.
-
Die zweite Katalysatorschicht 23 besteht aus Katalysatorkörnern mit
verhältnismäßig geringerer Aktivität und solcher Größe, daß sie in Wirbelurig bleiben
können. Treammittel, die mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet sind, bestehen aus
Kanälen, wie bei Fig. 1 und 2 beschrieben, und werden zwischen der oberen und der
unteren Schicht verwendet.
-
Brennstoff wird den beiden Schichten durch die Hauptzufuhrleitung
25 zugeführt und durch die mit Ventil versehene Zweigleitung 26, welche das Netz
der Verteilungsrohre 27 in der unteren. Schicht versorgt, und durch die mit Ventil
versehene Zweigleitung 28, welche das Netz der Brennstoff verteilenden Rohre 29
der oberen Schicht versorgt. Ein Rohrbündel 30 ist in der oberen Schicht angeordnet,
um die Zirkulation der zu erwärmenden Flüssigkeiten zu ermöglichen.
-
Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist nach der Wirbelschicht, aus
welcher die Gase mit Temperaturen, die zwischen 540 und 870° C variieren, austreten
können, eine übliche Vorrichtung für die Abhitzeverwertung
angeordnet.
Der erste Abschnitt dieser Vorrichtung besteht aus einem Rohrbündel 31,
über
welches die heißen Gase. die die Wibelschicht verlassen, auf ihrem Weg zum Kaihin
weggehen, wie mit den gestrichelten Pfeillinien angegeitell ist.
-
Ein zweiter Abschnitt für die Abh.itzegLwinnurlg, bestehend aus einem
rohrförmigen Lufterwärmer 32. ist vorgesehen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich,
besteht der Lulfterwärmer aus mehreren Rohren 33. durch welche die beißen, aus dem
Rohrbündel 31 austretenden Verbrennungsprodukte auf ihrem Weg zum Kamin hindurchgehen.
Verbrennungsluft, die durch das Gebläse 33 geliefert wird, tritt in den Lufterwärmer
durch die Leitung 34 ein und zirkuliert über die Oberflächen der Rohre in einem
kreisförmigen Weg, der durch die Prallwände 35 geschaffen wird.
-
Verbrennungsluft, die aus dem Lufterwärmer kommt, wird durch die Führung
36 zur Verteilungsplatte 22 geführt, durch welche sie in die untere Katalvsatorenschicht
eintritt. In dem Lufterwärmer kann die Verbrennungsluft auf Temperaturen im Bereich
von 90 bis 260° C vorgewärmt werden. Diese Temperatur ist für den Fall, daß ein
aktiver Katalysator in der unteren Schicht verwendet wird, genügend, um einen gleichmäßigen
Betrieb zu sichern und die untere Schicht in dem wirksamen Bereich ihrer Betriebstemperatur
zu halten.
-
Das Wasser oder eine andere zu erwärmende Flüssigkeit wird in das
System durch die Leitung 37 und die Zirkulationspumpe 38 eingeführt. Von dort geht
es in das Konvektionsrohrbündel 31, in welchem es vorgewärmt werden kann, und dann
geht es durch die Leitung 39 in das Rohrbündel 30, wo es durch die Aufnahme der
in der Wirbelschicht des Oxydationskatalysators frei werdenden Wärtne weitererhitzt
wird. `denn Dampf erzeugt werden soll, kann z. B. das Konvektionsbündel 31 als Vorwärmer
und Dampferzeugungsschlange verwendet werden. während in dem Rohrbündel 30 das Überhitzen
des Dampfe: stattfinden kann. Wahlweise kann die Konvektionsschlange 31 vollkommen
als Vorwärmer verwendet werden, während das Rohrbündel 30 in der Wirbelschicht
als Dampferzeugungsschlange verwendet werden kann. Es können natürlich auch andere
Kolnbinationen als diese, die nur als Beispiele erwähnt sind, angewendet werden.
Die erwärmte Flüssigkeit wird aus dem System mittels einer Leitung 40 abgezogen.
-
In der gezeigten Ausführungsform sind die Rohrbündel 30 und 31 in
Reihe geschaltet, und es wird mit Zwangsumlauf gearbeitet. Obwohl dies eine besonders
vorteilhafte Art des Flüssigkeitsumlaufs in dem erfindungsgemäßen System ist, können
natürlich auch andere Umlaufsysteme verwendet werden, einschließlich des Umlaufs
teilweise in Reihenschaltung und teilweise parallel oder nur parallel, wenn gewünscht.
-
Bei der Anordnung von Fig. 3, besonders geeignet für große Vorrichtungen,
wird kein Vorwärmbrenner benötigt, da die notwendige Vorwärmung der Verbrennungsluft
vor ihrem Eintritt in die untere Schicht durch den Lufterwärmer erhalten wird oder
durch ähnliche Mittel, die die Wärme der abgehenden Gase auf die eintretende Verbrennungsluft
übertragen. Deshalb wird in Fig. 3 der gesamte in dem System verbrannte Brennstoff
katalytisch in den zwei Schichten verbrannt.
-
Das oben beschriebene Zweischichtensysteln ermöglicht eine große Anpassungsfähigkeit
des Betriebes der oberen Wirbelschicht des Katalysators, da der Grad der Vorwärmung
der Verbrennungsluft, die in die Wirbelschicht eintritt. je nach Wunsch durch Variieren
der Menge des in die untere Schicht eingeführten Brennstoffes gesteuert werden kann,
wobei durch die Oxydation in der unteren Schicht natürlich die Eintrittstemperatur
der in die obere Schicht eintretenden Verbrennungsluft erhöht wird. Da es möglich
ist. die Vorwärmung der Verbrennungsluft zu verändern, ermöglicht das System die
Betätigung der Wirbelschicht in einem größeren Bereich von Betriebstemperaturen,
was wiederum größere Variationen-der Kapazität der Einheit und auch größere Variationen
der Außentemperatur der in die Schicht eingetauchten Rohre ermöglicht.
-
Da keine wärmeaustauschende Fläche oder sehe wenig in der unteren
Schicht vorhanden ist, kann die darin durch katalytische Oxydation des Brennstoffes
an der Oberfläche des Katalysators erzeugte Wärme vollkommen zum Erwärmen der Verbrennungsluft
verwendet werden, und so kann die Temperatur der aus dieser Schicht ausströmenden
Gase sehr .empfindlich auf die zunehmende oder abnehmende Menge des in die untere
Schicht eingeführten und dadurch oxydierten Brennstoffes ansprechen. Im Gegensatz
dazu sind große Wärmeaustauschflächen in der oberen Wirbelschicht vorhanden, und
ein wesentlicher Anteil der in der unteren Schicht und in der Wibelschicht selbst
erzeugten Wärme wird von der Flüssigkeit in den Rohren oder anderen Wärmeaustauschmitteln,
die in die obere Schicht eingetaucht sind, aufgenommen. Die Betriebstemperatur der
Wirbelschicht wird in einem großen Maße durefh die Außentemperatur der darin eingetauchten
Rohre gesteuert.
-
Da im wesentlichen die gesamte Verbrennungsluft und nur ein geringer
Anteil des Brennstoffes unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen in die untere Schicht
eingeführt werden, enthält das Luft-Brennstoff-Gemisch in der unteren Schicht natürlich
gewöhnlich einen großen Sauerstoffüberschuß im Verhältnis zu dem, der erforderlich
ist, den in der unteren Schicht zugegebenen Brennstoff zu oxydieren. Um eine möglichst
große Wirksamkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, genügend Brennstoff in die obere
Schicht einzuführen, so daß das Luft-Brennstoff-Gemisch in der oberen Schicht einen
möglichst geringen Prozentgehalt an überschüssiger Luft enthält. So ist es wünschenswert,
daß der Luftüberschuß in dem Luft-Brennstoff-Gemisch in der Wirbelschicht so, gesteuert
wird, daß er im Bereich von ungefähr 5 bis 20°/o ist.
-
Geeignete Brennstoffe für die Einführung in die untere Schicht sind
die üblichen gasförmigen und flüssigen Brennstoffe. Eine gleichmäßige Verteilung
des Brennstoffes in dem Luftstrom ist natürlich erforderlich. Im Falle von flüssigen
Brennstoffen ist eine feine Verteilung, z. B. durch Atomisierungsdüsen, erwünscht,
um eine gleichmäßige Verteilung und einen innigen Kontakt zwischen dem Brennstoff
und dem Katalysator zu ermöglichen. In der oberen Schicht können natürlich auch
gasförmige und flüssige Brennstoffe verwendet werden, wobei ähnliche Maßnahmen für
gleichmäßige Verteilung getroffen werden müssen. In einigen Fällen können auch sehr
fein verteilte feste Brennstoffe, wie sehr fein gepulverter Koks oder Kohle, in
die obere Schicht eingeführt und oxydiert werden.
-
Beispiel In diesem Beispiel wird ein System, wie es im wesentlichen
in Fig. 1 und 2 gezeigt wird, verwendet, mit der Ausnahme, daß keine Trennmittel
zwischen der oberen und der unteren Katalysatorschicht vorhanden sind. Die Katalvsatorkammer
hat einen rechteckigen
Querschnitt mit einer Querschnittsfläche
von 0,125 m'-.
-
Die untere Katalysatorschicht wurde von einer perforierten Platte
aus rostfreiem Stahl getragen und bestand aus 9,07 kg Körnchen zylindrischer Form
mit einem Durchmesser und einer Länge von annähernd 9,5 mm. Diese Körner bildeten
eine Schicht von annähernd 9 cm Dicke und bestanden aus aktiviertem Aluminiumoxyd,
das mit annähernd 0,6 Gewichtsprozent feinverteiltem Platin imprägniert war.
-
Die obere Katalysatorschicht bestand aus 32 kg zylindrischer Körner
mit 3,2 mm Durchmesser und Länge, die eine Schicht von annähernd 43 cm Dicke bildeten,
die direkt auf der Schicht aus den 9,5-mm-Körnern ruhte. Die Körner der oberen Schicht
bestanden aus aktivem Aluminiumoxyd, das mit 1,7 Gewichtsprozent Chrom und 3,3 Gewichtsprozent
Kupfer imprägniert war. Diese wurden auf den. Körnern niedergeschlagen, indem die
Aluminiumo@xydkörner nacheinander mit Chrom- und Kupfernitrat imprägniert wurden,
wonach die Nitrate thermisch zersetzt wurden. Eingetaucht in die obere Schicht waren
18,5 m von Rohren mit 1 Zoll äußerem Durchmesser, die eine Oberfläche von annähernd
1,5 m2 hatten. Die Rohre waren in Reihen geschaltet und sollten nur einmal durchflossen
werden. Diese Rohre waren im Vertikalabschnitten, wie im wesentlichen in Fig. 1
und 2 gezeigt, angeordnet.
-
Der Boden des Rohrbündels in der Wirbelschicht war etwa 18 cm über
dem oberen Rand der unteren Schicht großer Körnchen angeordnet, während der obere
Teil der Rohre gerade in die Wirbelschicht eingetaucht war, nachdem diese bei der
Verwirbelung eine Ausbreitung von annähernd 15 bis 20°/o erhalten hatte.
-
Als Brennstoff wurde Propangas angewendet. Annähernd 1,2 Nm3/Stunde
oder 10°/o des Gesamthrennstoffes wurden in einem kleinen Zusatzbrenner verbrannt,
um heiße Verbrennungsgase zu schaffen, die mit 282 Nm3/Stunde Verbrennungsluft gemischt
wurden, um eine Vorwärmtemperatur von annähernd 270° C zu erzeugen. Annähernd 3
Nm3/Stunde Propan oder 30°/o des Gesamtbrennstoffes wurden durch das Netz der Verteilungsrohre,
das für diesen Zweck in der unteren Schicht vorgesehen war, eingeführt. Der Rest
des Propans oder ungefähr 6,6 Nm3/Stunde wurden in die obere Schicht durch die Verteilungsrohre
eingeführt, die in dem unteren Abschnitt dieser Schicht vorgesehen waren. Unter
diesen Bedingungen war der Luftüberschuß in denn System als Ganzes ungefähr 16'%.
-
Die Oxydation des Propans in der unteren Schicht erhöhte die Lufttemperatur
auf annähernd 580° C, während die durchschnittliche Schichttemperatur der zweiten
Schicht annähernd 730° C war. 136 kg/Stunde Wasser (Eintrittstemperatur 16° C) wurden
durch die in die Wirbelschicht eingetauchten Schlangen geleitet und wurden im überhitzten
Dampf mit einem Druck von 0,35 atü und einer Temperatur von 260° C umgewandelt.
Die gesamte in dem System abgegebene Wärme war 198000 kcal/Stunde. Von dieser traten
ungefähr 60°/o in der Wirbelschicht auf. Annähernd 947401-.cal/Stunde wurden von
dem Wasser aufgenommen, das in den Rohren zirkulierte, die in die Wirbelschicht
eingetaucht waren. Die Gasaustrittstemperatur aus der Wirbelschicht war 593° C.
Es ist selbstverständlich, daß die oben beschriebene Erfindung abgeändert werden
kann, z. B. können beide Katalysatorenschichten ebenso inertes Material wie katalytisches
Material enthalten; so kann z. B. die Wirbelschicht zum Teil aus einem Material
bestehen, das eine geringe katalytischeWirksamkeit für die Einleitung der Oxydationsreaktion
hat, und kann teilweise aus Material bestehen, das eine bedeutende oxydative Wirksamkeit
hat. Ein bestimmtes Minimum an Aktivität ist natürlich erforderlich in der Wirbelschicht,
um eine im wesentlichen vollständige Oxydation des Brennstoffes im Bereich der Betriebstemperaturen
zu erreichen.