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Dokumentenidentifikation DE10297661T5 14.04.2005
Titel Katalytische Verbrennung von Austrittgasen von Speichertanks
Anmelder General Motors Corp. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Detroit, Mich., US
Erfinder Hermann, Ingo, 55116 Mainz, DE;
Standke, Michael, 65195 Wiesbaden, DE;
Stadie, Martin, 63225 Langen, DE;
Knöting, Nadine, 65187 Wiesbaden, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 10297661
Vertragsstaaten AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZW, AP, EA, EP, OA
WO-Anmeldetag 10.12.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/US02/39382
WO-Veröffentlichungsnummer 0003073000
WO-Veröffentlichungsdatum 04.09.2003
Date of publication of WO application in German translation 14.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.04.2005
IPC-Hauptklasse F23D 14/00
IPC-Nebenklasse F23G 7/08   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft die Speicherung brennbarer Gase in Druckbehältern und insbesondere das Verhindern eines Aufbaus eines Überdrucks in dem Behälter, während der Austrag der brennbaren Gase in die Umgebung verhindert wird.

Es ist bekannt, brennbare Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, Methan, etc. unter Druck in geeigneten Druckbehältern zu speichern. In einigen Fällen werden die Gase in der Gasphase unter mäßig hohen Drücken gespeichert. In anderen Fällen können die Gase in der flüssigen Phase unter höheren Drücken und niedrigeren Temperaturen gespeichert werden.

Druckbehälter besitzen eine maximal zulässige Drucktoleranz, und der Gasdruck in dem Behälter muss unterhalb dieses Drucks gehalten werden, um die Integrität des Behälters sicherzustellen. Der Druck in dem Behälter variiert mit der Wärmemenge, die von außerhalb in den Behälter übertragen wird. Während eine Wärmeisolierung dazu verwendet werden kann, eine derartige Wärmeübertragung zu minimieren, ist es unvermeidbar, dass eine gewisse Wärmemenge in den Behälter übertragen wird und darin einen Druckanstieg zur Folge hat. Bei stationären Anwendungen können die Behälter mit zusätzlichem Material (beispielsweise Metall oder faserverstärktem Kunststoff) ausgebildet werden, um den Druckanstieg anzupassen und im Übrigen eine zusätzliche Behälterfestigkeit ohne größere Nachteile vorzusehen. Bei mobilen Anwendungen (beispielsweise mit Kraft- bzw. Brennstoff betriebenen Fahrzeugen) verbraucht das zusätzliche Material jedoch unerwünscht mehr Raum und trägt stärker zu dem Gewicht des Fahrzeugs bei. Für mobile Anwendungen können kleinere leichtere Behälter verwendet werden, wenn der Druck in dem Behälter so gesteuert werden kann, dass er unterhalb der maximalen Drucktoleranz der leichteren Behälter gehalten werden kann.

Die vorliegende Erfindung (1) steuert den Druck eines brennbaren Gases in einem Druckbehälter durch Entlüften des Behälters, um den Druck darin unterhalb der maximalen Drucktoleranz des Behälters zu halten, während gleichzeitig (2) das Entweichen unerwünschter Emissionen von brennbarem Gas an die Umgebung verhindert wird. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Speicherung eines brennbaren Gases, die umfasst: (i) einen Druckbehälter zum Aufnehmen des Gases unter Druck, wobei der Behälter eine maximal zulässige Drucktoleranz besitzt, (ii) ein Druckentlastungsventil, das mit dem Behälter in Verbindung steht, um das Gas zu entlüften, bevor die Drucktoleranz des Behälters erreicht ist, und (iii) einen katalytischen Reaktor, der mit dem Druckentlastungsventil in Verbindung steht, um das das Entlastungsventil verlassende brennbare Gas katalytisch mit Luft zu verbrennen und damit eine Emission des brennbaren Gases in die Umgebung zu verhindern. Der katalytische Reaktor umfasst bevorzugt zumindest einen katalytischen Diffusionsbrenner und ein Gehäuse, das den Brenner umgibt, wobei (a) der katalytische Brenner einen mikroporösen Körper, einen Verbrennungskatalysator an einer Oberfläche des Körpers und einen ersten Einlass zur Zufuhr des Gases an den mikroporösen Körper zur Diffusion durch den mikroporösen Körper und zur Reaktion mit Luft an dem Katalysator umfasst, und (b) das Gehäuse einen zweiten Einlass zum Zuführen von Luft an den Brenner und einen Auslass zum Austragen von Verbrennungsgasen an die Umgebung umfasst. Genauer umfasst der mikroporöse Körper ein Rohr mit einer mikroporösen Wand, und der Einlass liefert das brennbare Gas an das Zentrum des Rohres zur radialen Diffusion durch die poröse Wand hindurch. Das mikroporöse Rohr umgibt ein perforiertes bzw. mit Durchbrechungen versehenes Gasverteilungsrohr, das das Gas im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Länge des mikroporösen Rohrs verteilt. Genauer umfasst die Vorrichtung einen zweiten katalytischen Brenner unterstromig des einen katalytischen Brenners zur Aufnahme von Abgas von dem einen Brenner und zur katalytischen Verbrennung von nicht verbranntem brennbarem Gas, das darin enthalten sein kann. Gemäß der bevorzugtesten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Zündvorrichtung unterstromig des bzw. der katalytischen Brenner, um nicht verbranntes brennbares Gas, das durch den bzw. die Brenner strömt, zu zünden und damit den Brenner aufzuheizen und den Katalysator in der Startphase anspringen zu lassen, und um im Übrigen jegliches restliches brennbares Gas zu zünden, das in den Verbrennungsgasen von dem bzw. den Brennern verblieben ist.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben, in welchen:

1 ein Seitenaufriss eines Druckbehälters zum Speichern brennbarer Gase in entweder der gasförmigen oder flüssigen Phase ist;

2 ein teilweise geschnittener, vergrößerter Abschnitt von 1 ist;

3 eine isometrische Explosionsansicht eines bevorzugten katalytischen Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und

4 eine Seitenschnittansicht des katalytischen Reaktors von 3 in der Richtung 4-4 von 3 ist.

Die 1 und 2 zeigen einen Druckbehälter 2 mit einer Schutzkuppel 4, die (i) ein Füllventil 6 zum Füllen des Behälters mit brennbarem Gas bzw. brennbarer Flüssigkeit und (ii) ein Druckentlastungsventil 8 zum Entlüften des Behälters 2 bedeckt, wenn der Druck darin die Entlastungsdruckeinstellung des Ventils 8 überschreitet. Ein katalytischer Reaktor 10 ist entfernt von dem Behälter 2 angeordnet, um jegliche Austrittsgase, die den Behälter 2 über das Entlastungsventil 8 verlassen, einer katalytischen Reaktion zu unterziehen. Das Druckentlastungsventil 8 kann eines einer Vielzahl herkömmlicher (beispielsweise über Feder vorgespannter) Ventile sein, die so eingestellt sind, dass sie bei einem Druck öffnen, der unterhalb der maximalen Drucktoleranz des Behälters 2 liegt. Wenn der Druck in dem Behälter 2 die Druckeinstellung des Entlastungsventils 8 überschreitet, öffnet das Ventil 8 und entlüftet Gas von dem Behälter 2, um den Druck darin bei oder unterhalb des Einstelldrucks des Ventils 8 beizubehalten. Anstatt eine Entlüftung direkt an die Umgebung, wird das durch das Ventil 8 entlüftete Gas durch das Rohr 12 an den katalytischen Reaktor 10 geführt, in dem es mit Luft reagiert, um H2O (in dem Fall von H2) oder H2O + CO2 in dem Fall von Methan und anderen brennbaren gasförmigen Kohlenwasserstoffen zu bilden.

3 zeigt eine isometrische Explosionsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines katalytischen Reaktors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt ein Gehäuse mit einem Basisabschnitt 14 und einem Abdeckabschnitt 16, die gemeinsam verbunden einen katalytischen Brenner 18 aufnehmen. Der katalytische Brenner 18 umfasst eines oder mehrere rohrförmige Brennerelemente 20, die das brennbare Gas von dem Entlastungsventil 8 über einen Verteiler bzw. eine Sammelleitung 22 aufnehmen, der bzw. die durch Verbinder 24 mit den Brennerelementen 20 gekoppelt ist. Das Gas tritt in die rohrförmigen Brennerelemente 22 durch ein mit Durchbrechungen versehenes Gasverteilungsrohr 26 ein, das das Gas im Wesentlichen gleichförmig entlang der Länge der rohrförmigen Brennerelemente 20 verteilt. Die Brennerelemente 20 sind in einer (beispielsweise der unteren) Kammer 28 des Gehäuses angeordnet und von einer zweiten Kammer 30 (siehe 4) in dem Abdeckabschnitt 16 durch einen zweiten Brenner in der Form eines mit Katalysator versehenen Schirmes bzw. Siebes 32 getrennt. Der zweite Brenner 32 dient dazu, Gas aufzunehmen, das von dem bzw. den rohrförmigen Brennern ausgetragen wird, und nicht reagiertes brennbares Gas darin mit Luft zu reagieren, um dieses Abgas von restlichem brennbarem Gas zu reinigen. Luft wird an das Gehäuse über Durchbrechungen 34 in der Wand 36 des Basisabschnitts 14 und durch eine poröse Packung 38 zwischen der Basis 14 und Abschnitten der Abdeckung 26 des Gehäuses zugeführt.

Eine Zündeinrichtung (beispielsweise eine Zündkerze) 40 ragt in die Kammer 30 vor, um so brennbares Gas zu zünden, das unreagiert durch die Brenner 20 und 32 strömt. Die Zündeinrichtung 40 ist insbesondere zu Beginn des katalytischen Verbrennungsprozesses nützlich, wenn die Brenner kalt sind, d.h. sich unterhalb der Anspringtemperatur des bzw. der Katalysatoren befinden. Wenn der bzw. die Katalysatoren sich unterhalb ihrer Anspringtemperatur befinden, strömt das brennbare Gas durch den bzw. die Brenner in unreagiertem Zustand und wird durch die Zündeinrichtung 40 gezündet und in einer Flamme verbrannt. Die Wärme, die durch eine solche, die Gase verbrennende Flamme erzeugt wird, heizt den bzw. die Brenner auf den Punkt auf, bei dem die Anspringtemperatur des bzw. der Katalysatoren erreicht ist und die katalytische Verbrennung der Gase beginnen kann. Die Zündeinrichtung kann dann deaktiviert werden oder alternativ dazu weiter zünden, um restliche brennbare Gase zu zünden, die die katalytische Verbrennung durch die mit Katalysatoren versehenen Brenner überdauern.

4 zeigt den katalytischen Reaktor 10 mit seinem Gehäuseabdeckabschnitt 14, der mit dem Gehäusebasisabschnitt 16 zusammengebaut ist und daran durch ein poröses Packmaterial 38 befestigt ist, durch das Luft in die eine Kammer 28 zugeführt wird. Es ist ferner gezeigt, dass die Wand 36, die die eine Kammer 28 definiert, eine Vielzahl von Durchbrechungen 34 umfasst, durch die Luft in die eine Kammer 28 zugeführt wird. Der bzw. die rohrförmigen Brenner 20 umfassen ein Gasverteilungsrohr 26 mit einer Vielzahl von Durchbrechungen 42 darin. Das brennbare Gas tritt in das Gasverteilungsrohr 26 ein und tritt durch die Durchbrechungen 42 entlang der Länge eines porösen Rohres 44, auf dem ein geeigneter Katalysator abgeschieden ist, wieder aus. Ein geeigneter Katalysator zur Verbrennung von Wasserstoff oder Methan umfasst ein Edelmetall (beispielsweise Pt oder Pd), wobei die Anspringtemperatur für H2 in der Nähe von –30°C und die Anspringtemperatur für Methan näher bei 700°C liegt. Das mikroporöse Rohr 44 selbst kann ein mikroporöses (beispielsweise gesintertes) Metall- oder Keramikmaterial sein, das für Fachleute auf dem Gebiet von Katalysatorträgermaterialien gut bekannt ist. Ein zweiter Brenner umfasst einen feinmaschigen, mit Katalysator versehenen Schirm oder Sieb 32, der in der Technik gut bekannt ist und die eine Kammer 28 von der anderen Kammer 30 trennt und in der Strömungsrichtung des Gases unterstromig von dem bzw. den rohrförmigen Brennern 20 liegt. Durch die Packung 38 und die Durchbrechungen 34 tritt ausreichend Luft in die Kammer 28 ein, um die katalytische Verbrennung an sowohl dem bzw. den porösen rohrförmigen Brennern 20 als auch dem feinmaschigen Brenner 32 zu unterstützen. Die Durchbrechungen 46 in dem Gehäuseabdeckabschnitt 16 erlauben, dass die Verbrennungsgase (d.h. grundsätzlich H2O & CO2) in die Umgebung entweichen können.

Zusammengefasst ist eine Vorrichtung zum Speichern eines brennbaren Gases mit einem Druckspeicherbehälter, einem Druckentlastungsventil, das mit dem Speicherbehälter in Verbindung steht, um das Gas von dem Behälter zu entlüften, wenn der Druck darin zu hoch ist, und einem katalytischen Reaktor vorgesehen, der mit dem Druckentlastungsventil in Verbindung steht, um das das Ventil verlassende Gas katalytisch zu verbrennen und dadurch die Menge des Gases, das in die Umgebung eintritt, zu verringern.

Zusammenfassung

Vorrichtung zum Speichern eines brennbaren Gases mit einem Druckspeicherbehälter, einem Druckentlastungsventil, das mit dem Speicherbehälter in Verbindung steht, um das Gas von dem Behälter zu entlüften, wenn der Druck darin zu hoch ist, und einem katalytischen Reaktor, der mit dem Druckentlastungsventil in Verbindung steht, um das das Ventil verlassende Gas katalytisch zu verbrennen und dadurch die Menge des Gases, das in die Umgebung eintritt, zu verringern.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Speichern eines brennbaren Gases mit einem Druckbehälter (2), der derart ausgebildet ist, dass er das Gas unter Druck aufnehmen kann, wobei der Behälter (2) eine maximale zulässige Drucktoleranz aufweist, einem Druckentlastungsventil (8), das mit dem Behälter (2) in Verbindung steht, um das Gas an die Atmosphäre zu entlüften, bevor die Drucktoleranz erreicht ist, und einem katalytischen Reaktor (10), der mit dem Druckentlastungsventil (8) in Verbindung steht, um Gas, das das Entlastungsventil (8) verlässt, mit Luft katalytisch zu verbrennen und dadurch zu verhindern, dass das Gas in die Umgebung ausgetragen wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der katalytische Reaktor (10) zumindest einen katalytischen Brenner (18) und ein den Brenner (18) umgebendes Gehäuse (14, 16) umfasst, wobei (a) der katalytische Brenner (18) einen mikroporösen Körper (44), einen Verbrennungskatalysator auf einer Fläche des Körpers (44) und einen ersten Einlass (22) umfasst, um das Gas an den mikroporösen Körper (44) zum Durchgang durch den Körper und zur Reaktion mit Luft an dem Katalysator zuzuführen, und (b) das Gehäuse einen zweiten Einlass (34) zur Zufuhr von Luft an den Brenner (18) und einen Auslass (46) zum Austrag von Verbrennungsgasen an die Umgebung aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einem zweiten katalytischen Brenner (32) unterstromig des einen katalytischen Brenners (18) zur Aufnahme von Abgas, das von dem einen Brenner (18) austritt, und zur katalytischen Verbrennung von nicht verbranntem, brennbarem Gas, das in dem Abgas enthalten sein kann.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einer Zündeinrichtung (40) unterstromig des einen katalytischen Brenners (18), um das nicht verbrannte Gas, das anfänglich durch den einen Brenner (18) strömt, zu zünden und damit den Brenner (18) zu erhitzen und den Katalysator anspringen zu lassen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, mit einer Zündeinrichtung (40) unterstromig des zweiten katalytischen Brenners (18), um das nicht verbrannte Gas, das anfänglich durch den zweiten Brenner (18) strömt, zu zünden und damit die Brenner (18) zu erhitzen und die Katalysatoren anspringen zu lassen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der mikroporöse Körper (44) ein Rohr mit einer porösen Wand umfasst, und wobei der erste Einlass (22) das Gas an das Zentrum des Rohres für einen radialen Durchfluss durch die poröse Wand hindurch liefert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Einlass (22) ein Gasverteilungsrohr, das sich entlang des Längszentrums des Rohres erstreckt, umfasst, um das brennbare Gas im Wesentlichen gleichmäßig über die poröse Wand zu verteilen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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