DE2001933B - Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen und speziell zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen.

Beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3 090 675 sind quaderförmige Vorrichtungen zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen bekannt, wobei ein Röhren-Wärmeaustauscher und eine Brennkammer nebeneinander in dem quaderförmigen Außengehäuse angeordnet sind und sich ein in einer der Außengehäusewände befestigter Brenner bis in die Brennkammer erstreckt. Solche Vorrichtungen mit quaderförmigem Außengehäuse sind auch für katalytische Gasreaktionen bekannt und enthalten die Katalysatorschicht in Form einer oder mehrerer gasdurchlässiger Katalysatorplatten seitlich des Röhren-Wärmeaustauschers. Bei derartigen Vorrichtungen mit quaderförmigem Gehäuse treten jedoch beim Betrieb sehr unterschiedliche Temperaturen auf, die zu verschieden starker Ausdehnung der Innenauskleidung und damit zu Spannungen an den Gehäuseteilen führen, die letztlich Rißbildungen zur Folge haben könnten. Außerdem ist die Innenauskleidung im Bereich der Brennerflamme sehr hohen Strahlungstemperaturen ausgesetzt, da durch den Störmungsverlust nur eine ungenügende Kühlung erfolgt, was im Dauerbetrieb Verzunderungen und damit Beschädigungen verursacht.

Aus der USA.-Patentschrift 3 311456 ist auch bereits eine Vorrichtung zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen mit zylinderförmigem Außengehäuse und einem mittig in einer der Außengehäusewände befestigten Brenner bekannt, doch enthält diese Vorrichtung keinen Röhren-Wärmeaustauscher und keinen Katalysator und erzeugt mit Hilfe entsprechend angeordneter Prellbleche einen spiralförmigen Gasfluß. Es handelt sich außerdem nicht um eine Vorrichtung, mit der katalytische Gasreaktionen durchgeführt werden sollen.

Aus der deutschen Patentschrift 940 977 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen mit einem zylindrischen Außengehäuse und einem mittig angeordneten Röhren-Wärmeaustauscher bekannt, der von ringförmigen Katalysatorschichten umgeben ist. Diese Vorrichtung enthält aber keinen Brenner und ist daher nicht für den gleichen Zweck wie die Vorrichtung nach der Erfindung verwendbar.

Die deutsche Auslegeschrift 1 215 852 zeigt eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen mit einem zylinderförmigen Außengehäuse, einem in der Wand des Außengehäuses befestigten, sich in der Brennkammer erstreckenden Brenner, einem innerhalb des Außengehäuses angeordneten ringförmig ausgebildeten Röhren-Wärmeaustauscher mit Gaseinlaß in die Austauscherröhren an dem vom Brenner abgewandten Ende des Wärmeaustauschers und einem hinter dem Brenner angeordneten Katalysator. Bei dieser Vorrichtung ist jedoch die Brennkammer oberhalb des Röhren-Wärmeaustauschers vorgesehen und wird daher nicht durch strömendes Gas gekühlt. Infolge der hohen Brennerflammentemperatur muß daher die Brennkammer mit einer kostspieligen und hohem Verschleiß unterliegenden thermischen Auskleidung versehen werden. Weiterhin besitzt diese Vorrichtung auf Grund der angegebenen Konstruktion einen recht erheblichen Raumbedarf, und der in ihr untergebrachte Katalysator ist zum Kontrollieren oder Austauschen nur schwer zugänglich. Außerdem ist der Druckverlust der Gase beim Durchströmen der Katalysatorschicht bei dieser bekannten Vorrichtung und infolge der gezeigten Formgebung der Katalysatorschicht verhältnismäßig hoch.

Aufgabe der Erfindung war es daher, die aufgezeigten Nachteile der bekannten Vorrichtungen für katalytische Gasreaktionen zu vermeiden und eine solche Vorrichtung zu erhalten, in der alle Teile raumsparend untergebracht sind, bei der die Brennkammer nicht mit einer keramischen Auskleidung versehen werden muß und bei der der Druckverlust innerhalb der Katalysatorschicht geringer ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen, vorzugsweise zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen, mit einem zylinderförmigen Außengehäuse, einem in einer Wand des Außengehäuses befestigten, sich in eine Brennkammer erstreckenden Brenner, einem innerhalb des Außengehäuses angeordneten ringförmig ausgebildeten Röhren-Wärmeaustauscher mit Gaseinlaß in die Austauscherröhren an dem vom Brenner abgewandten Ende des Wärmeaustauschers und einem hinter dem Brenner angeordneten Katalysator ist dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse den Brenner mittig in einer seiner Stirnwände aufweist, der Röhren-Wärmeaustauscher die Brennkammer umgibt, der Katalysator in der Form einer Schicht oder von Schichten in dem vom Brenner abgewandten Teil der Brennkammer angeordnet ist und der Wärmeaustauscher für Gegenstrombetrieb ausgestaltet ist, wobei zwischen der Brennkammer und dem Röhren-Wärmeaustauscher

ein mit dem vom Brenner abgewandten Ende der Brennkammer in Verbindung stehender Ringraum vorgesehen ist.

Diese Konstruktion mit Gegenstromprinzip ergibt einerseits einen maximalen Kühleffekt für das Außengehäuse und die Innenauskleidung und andererseits eine maximale Energieausnutzung. Infolgedessen braucht man einerseits die Brennkammer nicht mit einer hitzebeständigen keramischen Auskleidung zu versehen, und andererseits kann man mit hohen Raumgeschwindigkeiten und damit geringerem Katalysatorvolumen und größerer Wirtschaftlichkeit arbeiten. Da die Brennkammer von dem Röhren-Wärmeaustauscher umgeben ist, ist die Vorrichtung außerdem äußerst raumsparend, und das Außengehäuse kann zudem leichter als bei bekannten Vorrichtungen ausgebildet sein, da sonst übliche Keramikauskleidungen auch eine starke Ausführung des Außengehäuses erforderten. Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Katalysator leicht zugänglich und ao kann daher in kürzester Zeit kontrolliert oder ausgetauscht werden, so daß die sonst für die Katalysatorwartung erforderlichen Stillstandszeiten der Anlage sehr gering sind. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn im Abgas Staub oder andere Partikeln enthalten sind, die sich auf dem Katalysator ablagern und dessen turnusmäßige Reinigung in kurzen Abständen erfordern.

Die Katalysatorschicht kann unterschiedlich ausgebildet sein, wie beispielsweise in Form eines Hohl-Zylinders, der von den Gasen von außen nach innen oder von innen nach außen durchströmt wird. Vorzugsweise ist die Katalysatorschicht jedoch in Form eines Vollzylinders ausgebildet, der in Richtung der Zylinderachse von den Gasen durchströmt wird. Zweckmäßigerweise ist die Zylinderachse kürzer als der Zylinderdurchmesser, so daß die Katalysatorschicht einen scheibenförmigen Aufbau besitzt. Gegebenenfalls können mehrere derartige scheibenförmige Katalysatorschichten hintereinander angeordnet sein.

Die Katalysatorschicht oder Katalysatorschichten können innerhalb der Brennkammer angeordnet sein. Zum leichteren Austausch des verbrauchten Katalysators ist es jedoch zweckmäßig, die Katalysatorschicht so anzuordnen, daß sie die Brennkammer an dem vom Brenner abgewandten Ende begrenzt. Weiterhin ist es zur leichten Austauschbarkeit der Katalysatorschicht zweckmäßig, den scheibenförmigen Katalysatorschichtzylinder in mehrere Segmente zu unterteilen, sie einzeln herausgenommen und ausgetauscht werden können.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. In dieser bedeutet

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III der Vorrichtung gemäß F i g. 2.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung besitzt ein zylinderförmiges Außengehäuse 1 mit einem Gaseinlaß 2 und einem Gasauslaß 3, vor dem ein Ventilator 4 angeordnet ist. In der Stirnwand 5 des Außengehäuses 1 ist ein Brenner 6 vorgesehen, der in der Brennkammer? mündet. Die Brennkammer? ist von einem Ringraum 8 und dieser von einem ringförmigen Röhren-Wärmeaustauscher 9 umgeben. Das vom Brenner 6 abgewandte Ende der Brennkammer 7 wird von der Katalysatorschicht 10 begrenzt, die die Form eines scheibenförmigen Vollzylinders besitzt und in einzelne Segmente unterteilt ist.

Die Wärmeaustauscherröhren des Röhren-Wärmeaustauschers 9 stehen mit ihrem einen Ende in offener Verbindung mit dem Gaseinlaß 2, und mit ihrem anderen Ende münden sie in einen Ringraum 11, der seinerseits mit der Brennkammer? in Verbindung steht. Der Zwischenraum zwischen den Wärmeaustauscherröhren des Röhrenwärmeaustauschers 9 steht am einen Ende in offener Verbindung mit dem Gasauslaß 3 und am anderen Ende mit dem Ringraum 8.

Beim Betrieb der Vorrichtung gemäß F i g. 1 zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen gelangen die zu reinigenden Abgase über den Gaseinlaß 2 in den Verteilerraum 12 und von dort durch die Wärmeaustauscherröhren in den Ringraum 11, von wo sie in die Brennkammer 7 umgelenkt werden. Dort vermischen sie sich mit den heißen Abgasen des Brenners 6, wobei ihre Temperatur auf die für die katalytische Verbrennung erforderliche Temperatur angehoben wird. Ein Teil der oxydierbaren Bestandteile verbrennt bereits in der Brennkammer 7, während der Rest der oxydierbaren Bestandteile beim Durchströmen durch die Katalysatorschicht 10 verbrannt wird. Nach dem Durchströmen der Katalysatorschicht 10 wird der Gasstrom erneut umgelenkt und strömt durch den Ringraum 8 und anschließend durch den Röhren-Wärmeaustauscher, und zwar durch den Raum zwischen den Wärmeaustauscherröhren zu dem Gasauslaß 3. Dabei strömt die aus der Vorrichtung austretenden Gase im Röhren-Wärmeaustauscher 9 im Gegenstromprinzip zu den in die Vorrichtung eintretenden Gasen und heizen dabei die kalt in die Vorrichtung eintretenden, die Wärmeaustauscherröhren durchströmenden Gase auf.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet. Die Vorrichtung unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten dadurch, daß sie zwei Katalysatorschichten 13 und 14 enthält, die hintereinander innerhalb der Brennkammer angeordnet sind. Am Ende der Brennkammer 7 ist ein Verteilerkopf 15 vorgesehen, der die Abgase nach Durchströmen der Katalysatorschichten in den Ringraum 8 umlenkt.

Der in F i g. 3 gezeigte Querschnitt der Vorrichtung gemäß F i g. 2 zeigt den Aufbau der Katalysatorschicht 14 in Form von vier Segmenten 16, die einzeln aus der Vorrichtung herausnehmbar sind. Die Funktionsweise der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung ist die gleiche, wie die der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen, vorzugsweise zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen, mit einem zylinderförmigen Außengehäuse, einem in einer Wand des Außengehäuses befestigten, sich in eine Brennkammer erstreckenden Brenner, einem innerhalb des Außengehäuses angeordneten ringförmig ausgebildeten Röhren-Wärmeaustauscher mit Gaseinlaß in die Austauscherröhren an dem vom Brenner abgewandten Ende des Wärmeaustauschers und einem hinter dem Brenner angeordneten Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (1) den Brenner (6) mittig in einer seiner Stirnwände (5) aufweist, der Röhren-Wärmeaustauscher (9) die Brennkammer (7) umgibt, der Katalysator in der Form einer Schicht (10) oder von Schichten (13, 14) in dem vom Brenner abgewandten Teil der Brennkammer (7) angeordnet ist und der Wärmeaustauscher für Gegenstrombetrieb ausgestaltet ist, wobei zwischen der Brennkammer (7) und dem Röhren- as Wärmeaustauscher (9) ein mit dem vom Brenner (6) abgewandten Ende der Brennkammer in Verbindung stehender Ringraum (8) vorgesehen ist.