DE2001933B

DE2001933B - Device for carrying out catalytic gas reactions

Info

Publication number: DE2001933B
Authority: DE
Inventors: Herbert 6451 Wolfgang Völker
Original assignee: UOP-Kavag, Gesellschaft für Luftreinhaltung mbH, 6461 Gondsroth

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen und speziell zur Verbrennung oxydierbarer Bestandteile in Abgasen.The invention relates to apparatus for carrying out catalytic gas reactions and in particular for the combustion of oxidizable components in exhaust gases.

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.For example, from US Pat. No. 3,090,675, rectangular devices for combustion are disclosed oxidizable constituents in exhaust gases known, a tubular heat exchanger and a Combustion chambers are arranged side by side in the cuboid outer housing and one in a the burner attached to the outer housing walls extends into the combustion chamber. Such devices with a cuboid outer housing are also known for catalytic gas reactions and contain the Catalyst layer in the form of one or more gas-permeable catalyst plates on the side of the tubular heat exchanger. In such devices with a cuboid housing, however, occur during operation very different temperatures, which lead to different degrees of expansion of the inner lining and thus lead to stresses on the housing parts, which ultimately lead to the formation of cracks could. In addition, the inner lining in the area of the burner flame has very high radiation temperatures because of the loss of interference, there is only insufficient cooling, which is the case in continuous operation Scaling and thus damage caused.

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.US Pat. No. 3,311,456 is also already known a device for the combustion of oxidizable components in exhaust gases with a cylindrical Known outer housing and a burner fastened centrally in one of the outer housing walls, but this device does not contain a tubular heat exchanger or a catalyst and generates with the aid appropriately arranged baffle plates a spiral gas flow. It is also not about a device with which catalytic gas reactions are to be carried out.

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.From the German patent specification 940 977 a device for carrying out exothermic is also disclosed catalytic gas reactions with a cylindrical outer casing and a centrally arranged tubular heat exchanger known, which is surrounded by annular catalyst layers. This device but does not contain a burner and is therefore not for the same purpose as the device according to the Invention usable.

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.The German Auslegeschrift 1 215 852 shows a device for cleaning exhaust gases with a cylindrical Outer casing, one fastened in the wall of the outer casing, is located in the combustion chamber extending burner, a ring-shaped arranged inside the outer housing Tubular heat exchanger with gas inlet into the exchanger tubes on the one facing away from the burner End of the heat exchanger and a catalyst arranged behind the burner. With this device however, the combustion chamber is provided above the tubular heat exchanger and is therefore not cooled by flowing gas. As a result of the high burner flame temperature must therefore Combustion chamber with an expensive thermal lining that is subject to high wear and tear be provided. Furthermore, this device has a right due to the specified construction considerable space requirements, and the catalytic converter housed in it is to be checked or replaced difficult to access. In addition, there is the pressure loss of the gases when flowing through the catalyst layer in this known device and due to the shape of the catalyst layer shown relatively high.

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.The object of the invention was therefore to address the disadvantages of the known devices for to avoid catalytic gas reactions and to obtain such a device in which all parts save space are housed, in which the combustion chamber is not provided with a ceramic lining must be and in which the pressure loss within the catalyst layer is lower.

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-WärmeaustauscherThe device according to the invention for carrying out catalytic gas reactions, preferably for Combustion of oxidizable components in exhaust gases, with a cylindrical outer housing, an in one wall of the outer housing, burner extending into a combustion chamber, one inside of the outer housing arranged ring-shaped tubular heat exchanger with gas inlet into the exchanger tubes on the the end of the heat exchanger facing away from the burner and one arranged behind the burner The catalyst is characterized in that the outer housing has the burner centered in one of its Has end walls, the tubular heat exchanger surrounds the combustion chamber, the catalyst in the Arranged in the form of a layer or layers in the part of the combustion chamber facing away from the burner is and the heat exchanger is designed for countercurrent operation, wherein between the Combustion chamber and the tubular heat exchanger

ein mit dem vom Brenner abgewandten Ende der Brennkammer in Verbindung stehender Ringraum vorgesehen ist.an annular space in communication with the end of the combustion chamber facing away from the burner is provided.

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. On the one hand, this construction with the countercurrent principle results in a maximum cooling effect for the outer housing and the inner lining and, on the other hand, maximum energy utilization. Consequently on the one hand, the combustion chamber does not need to be covered with a heat-resistant ceramic lining provided, and on the other hand you can with high space velocities and thus lower catalyst volume and work more economically. Because the combustion chamber from the tubular heat exchanger is surrounded, the device is also extremely space-saving, and the outer housing can also be designed more easily than with known devices, since otherwise usual ceramic linings also required a strong design of the outer casing. Finally, in the case of the invention The catalyst device is easily accessible and ao can therefore be checked or replaced in the shortest possible time so that the system downtimes otherwise required for servicing the catalytic converter are very low. This is particularly important if the exhaust gas contains dust or other particles that are deposited on the catalytic converter and require its regular cleaning at short intervals.

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.The catalyst layer can be designed differently, for example in the form of a hollow cylinder, through which the gases flow from the outside to the inside or from the inside to the outside. Preferably however, the catalyst layer is designed in the form of a solid cylinder that extends in the direction of The cylinder axis is traversed by the gases. The cylinder axis is expediently shorter than the cylinder diameter, so that the catalyst layer has a disk-shaped structure. Possibly several such disk-shaped catalyst layers can be arranged one behind the other.

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.The catalyst layer or layers can be arranged within the combustion chamber. For easier replacement of the used catalyst, however, it is advisable to remove the catalyst layer to be arranged so that it delimits the combustion chamber at the end facing away from the burner. Furthermore it is For easy exchangeability of the catalyst layer, it is advisable to use the disk-shaped catalyst layer cylinder to be divided into several segments, they can be individually removed and exchanged be able.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. In dieser bedeutetThe invention is further explained with reference to the drawing. In this means

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, F i g. 1 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of the device according to the invention,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung undF i g. 2 shows a longitudinal section through another embodiment of a device according to the invention and

F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III der Vorrichtung gemäß F i g. 2.F i g. 3 shows a cross section along the line III-III the device according to FIG. 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.The in F i g. 1 has a cylindrical outer housing 1 with a gas inlet 2 and a gas outlet 3, in front of which a fan 4 is arranged. In the end wall 5 of the outer housing 1, a burner 6 is provided, which in the combustion chamber? flows out. The combustion chamber? is surrounded by an annular space 8 and this by an annular tubular heat exchanger 9. The end of the combustion chamber 7 facing away from the burner 6 is delimited by the catalyst layer 10, which has the shape of a disk-shaped solid cylinder and is divided into individual segments.

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.The heat exchanger tubes of the tubular heat exchanger 9 are open at one end Connection to the gas inlet 2, and at its other end they open into an annular space 11, the in turn with the combustion chamber? communicates. The space between the heat exchanger tubes of the tubular heat exchanger 9 is at one end in open communication with the gas outlet 3 and at the other end with the annular space 8th.

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.When operating the device according to FIG. 1 for the combustion of oxidizable components in exhaust gases, the exhaust gases to be cleaned pass through the gas inlet 2 into the distributor space 12 and from there through the heat exchanger tubes into the annular space 11, from where they are deflected into the combustion chamber 7. There they mix with the hot exhaust gases from the burner 6, their temperature being raised to the temperature required for catalytic combustion. Some of the oxidizable constituents already burn in the combustion chamber 7, while the rest of the oxidizable constituents are burned as they flow through the catalyst layer 10. After flowing through the catalyst layer 10, the gas flow is deflected again and flows through the annular space 8 and then through the tubular heat exchanger, namely through the space between the heat exchanger tubes to the gas outlet 3. The gases emerging from the device flow in the tubular heat exchanger 9 in the countercurrent principle to the gases entering the device and thereby heat the gases entering the device cold and flowing through the heat exchanger tubes.

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.In the case of the in FIG. 2 illustrated embodiment of the device according to the invention are identical parts with the same reference numbers as in FIG. 1 referred to. The device differs from that in F i g. 1 represented by the fact that it contains two catalyst layers 13 and 14, one behind the other within the combustion chamber are arranged. At the end of the combustion chamber 7 a distributor head 15 is provided, which diverts the exhaust gases into the annular space 8 after flowing through the catalyst layers.

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.The in F i g. 3 shown cross section of the device according to FIG. 2 shows the structure of the catalyst layer 14 in the form of four segments 16 which can be individually removed from the device. How it works the in the F i g. The device shown in FIGS. 2 and 3 is the same as that of the device according to FIG Fig. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Device for carrying out catalytic gas reactions, preferably for combustion oxidizable components in exhaust gases, with a cylindrical outer casing, one in one Wall of the outer housing attached, extending into a combustion chamber burner, one inside of the outer housing arranged ring-shaped tubular heat exchanger with Gas inlet into the exchanger tubes at the end of the heat exchanger facing away from the burner and a catalyst arranged behind the burner, characterized in that that the outer housing (1) has the burner (6) centrally in one of its end walls (5), the Tubular heat exchanger (9) surrounding the combustion chamber (7), the catalyst in the form of a Layer (10) or layers (13, 14) in the part of the combustion chamber facing away from the burner (7) is arranged and the heat exchanger is designed for countercurrent operation, with between the combustion chamber (7) and the tubular heat exchanger (9) with that of the burner (6) facing away from the end of the combustion chamber communicating annular space (8) is provided.