DE102006015099A1

DE102006015099A1 - Method for combustion of gaseous fuel with air, involves mixing fuel containing mixture with withdrawn exhaust gas of poor catalytic combustion and converting completely in homogeneous, poor gaseous phase combustion

Info

Publication number: DE102006015099A1
Application number: DE200610015099
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Baldauf; Thomas Dr. Hammer; Thomas Dr. Kappes
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-04

Abstract

The method involves supplying rich and poor fuel-air mixture in two stages and combusting catalytically. A partial oxidation of the rich mixture takes place in one stage of catalytic combustion and poor mixture is guided in a bypass flow. The oxidized rich mixture and the poor mixture are set with each other in a poor catalytic combustion. A fuel containing mixture is mixed with withdrawn exhaust gas of the poor catalytic combustion and converted completely in homogeneous, poor gaseous phase combustion. An independent claim is also included for a device formed as hybrid burner for the execution of the method.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung, mit der ein derartiges Verfahren durchgeführt werden kann.The This invention relates to a method of combusting a fuel-air mixture. Besides The invention also relates to a device with which a carried out such a method can be.

Bei der konventionellen homogenen, d.h. nicht katalytischen, Verbrennung in Gasturbinen erreichen die Temperaturen in der Flamme auf Grund von Inhomogenitäten in der Durchmischung von Luft und Brennstoff lokal Werte über 1650°C, was zur Bildung von Stickstoffoxiden (NO_x) führt. Weiterhin trägt die zur Stabilisierung der Verbrennung bei Teillast notwendige Pilotflamme, eine Diffusionsflamme, erheblich zur NO_x-Bildung bei. Instabile Verbrennung führt u.a. dazu, dass die Reaktion zwischen dem Brennstoff und der Luft nicht vollständig abläuft, so dass im Abgas unverbrannter Brennstoff, teiloxidierte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid zurückbleiben.In the conventional homogeneous, ie non-catalytic, combustion in gas turbines, the temperatures in the flame due to inhomogeneities in the mixing of air and fuel locally reach values above 1650 ° C, resulting in the formation of nitrogen oxides (NO _x ). Furthermore, the necessary for stabilizing the combustion at partial load pilot flame, a diffusion flame, significantly contributes to the formation of NO _x . Unstable combustion causes, inter alia, that the reaction between the fuel and the air is not complete, leaving behind in the exhaust unburned fuel, partially oxidized hydrocarbons and carbon monoxide.

Wird der Brennstoff zumindest teilweise heterogen an katalytischen Oberflächen verbrannt, erreicht man einerseits eine Stabilisierung der Verbrennung über einen größeren Lastbereich, die dann auch vollständig ablaufen kann, andererseits werden lokale Temperaturspitzen vermieden, da der Katalysatorträger für eine Wärmeverteilung sorgt.Becomes the fuel burned at least partially heterogeneously on catalytic surfaces, On the one hand, stabilization of the combustion over one is achieved larger load range, which then completely on the other hand, local temperature peaks are avoided, there the catalyst carrier for one heat distribution provides.

Die wichtigsten Anforderungen an die Katalysatoren sind einerseits die Beständigkeit bei hohen Temperaturen, sowohl was die mechanisch-chemische Stabilität betrifft als auch die katalytische Aktivität, andererseits ist der Einsatz der katalytischen Aktivität bei möglichst niedriger Temperatur erforderlich, um die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches ohne fremde Zündquellen zu erreichen.The The most important requirements for the catalysts are the one hand resistance at high temperatures, both in terms of mechanical and chemical stability as well as the catalytic activity, on the other hand is the use the catalytic activity if possible Low temperature required to ignite the fuel-air mixture without foreign ignition sources to reach.

Das Verfahren der katalytischen Verbrennung muss eine gute Regelbarkeit aufweisen. Es darf insbesondere nicht zu Instabilitäten neigen, die z. B. durch Hysterese der Umsatzraten des Brennstoffes als Funktion der Temperatur ausgelöst werden kann.The Method of catalytic combustion must have good controllability exhibit. In particular, it must not be prone to instabilities the z. B. by hysteresis of the conversion rates of the fuel as a function the temperature triggered can be.

Vom Stand der Technik sind eine Reihe von Problemlösungen für obige Problematik bekannt:
In der US 2003/0192318 A1 wird ein katalytischer Brenner beschrieben, der aus parallel angeordneten Kanälen besteht, wobei nur ein Teil der Kanäle, die Reaktions-Kanäle, mit einer katalytischen Oberfläche versehen ist, in denen die Verbrennung stattfindet, während der andere Teil der Kanäle zur Wärmeabfuhr dient. Zunächst wird Luft durch die Kühl-Kanäle geführt und dabei erwärmt. Danach wird ihr in einer Mischkammer der Brennstoff zugemischt und das Gemisch in entgegengesetzter Strömungsrichtung den Katalysator-Kanälen zugeführt wird, wo die Verbrennung des Gemischs stattfindet. Durch den Wärmeaustausch wird die einströmende Luft vorerhitzt, so dass die Zündung des Gemischs auf dem Katalysator erleichtert wird.The prior art discloses a number of problem solutions to the above problem:
In US 2003/0192318 A1 a catalytic burner is described, which consists of parallel channels, wherein only a part of the channels, the reaction channels, is provided with a catalytic surface, in which the combustion takes place, while the other part of the Channels for heat dissipation is used. First, air is passed through the cooling channels and heated. Thereafter, it is admixed with the fuel in a mixing chamber and the mixture is supplied in the opposite flow direction to the catalyst channels, where the combustion of the mixture takes place. By the heat exchange, the incoming air is preheated, so that the ignition of the mixture is facilitated on the catalyst.

Weiterhin wird in der US 2003/0192318 A1 offenbart, dass am Ausgang dieses in einen Wärmetauscher integrierten katalytischen Brenners dem Verbrennungsabgas (hier mit „auto-ignition air stream" bezeichnet) weiterer Brennstoff zugesetzt und in einem konventionellen, nichtkatalytischen Prozess verbrannt wird.Farther is disclosed in US 2003/0192318 A1, that at the output of this in a heat exchanger integrated catalytic burner the combustion exhaust gas (here with "auto-ignition air stream ") added additional fuel and in a conventional, non-catalytic Process is burned.

Für das beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen ergeben sich folgende Nachteile: Der katalytische Brenner muss zwingend sehr mager (0,1 < λ < 0,3) betrieben werden, um thermische Überlastung zu vermeiden. Dadurch ergibt sich das Risiko einer unvollständigen Verbrennung, das durch die Kühlung des katalytischen Brenners noch verstärkt wird. Dieses Risiko wird durch eine nachfolgende Verbrennung des am Ausgang des katalytischen Brenners zugesetzten Brennstoffes nicht gemindert, vielmehr ergeben sich durch diese Sekundärverbrennung noch Folgerisiken: Um niedrige NOx-Emissionen zu erreichen, wird auch die Sekundärverbrennung so mager betrieben, dass sie ohne den vorgeschalteten katalytischen Brenner und die damit erzielte Ausbildung eines stark vorgewärmten, gegenüber Luft im Sauerstoffgehalt nur leicht reduzierten Verbrennungsabgases (deshalb „auto-ignition air stream") nicht stabil abläuft. Dementsprechend zieht eine unvollständige Verbrennung im katalytischen Brenner eine unvollständige und instabile Verbrennung in der Gasphase nach sich.For the described Methods and devices have the following disadvantages: The catalytic burner must imperatively operate very lean (0.1 <λ <0.3) be to thermal overload to avoid. This results in the risk of incomplete combustion, that by the cooling of the catalytic burner is reinforced. This risk will by a subsequent combustion of the at the exit of the catalytic Brenners added fuel not diminished, rather surrendered still through this secondary combustion Consequential risks: To achieve low NOx emissions, too the secondary combustion operated so lean that they are without the upstream catalytic Brenner and the resulting education of a highly preheated, compared to air in the oxygen content only slightly reduced combustion exhaust gas (therefore "auto-ignition Air stream ") not stable. Accordingly, incomplete combustion in the catalytic draws Brenner an incomplete and unstable combustion in the gas phase.

Die US 5 431 017 A1 offenbart einen Hybridbrenner bestehend aus parallelen, luftgekühlten, katalytischen Brennermodulen gefolgt von Vormischbrennermodulen, wobei für die Kühlung die dem katalytischen Brenner zugeführte Brennluft verwendet und damit gleich vorgewärmt wird. In der Anlaufphase wird die diesen Modulen folgende Hauptbrennkammer als Diffusionsbrenner betrieben und wärmt die den Katalysatormodulen zugeführte Brennluft vor, wodurch diese schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden. Die Brennstoffzufuhr zu den katalytischen Modulen wird erfindungsgemäß so geregelt, dass deren Temperatur unter 1000°C bleibt. Jede der Sektionen, d.h. die katalytischen Brennermodule, die als Drallbrenner ausgelegten Vormischbrennermodule und die Hauptbrennkammer benötigen hier erfindungsgemäß eine eigene Brennstoffzufuhr, und die katalytischen Brennermodule sowie die Vormischbrennermodule sind jeweils mit einer Luftzufuhr ausgestattet. Die Regelbarkeit der einzelnen Brennerstufen gewährleistet zumindest im Prinzip einen stabilen Brennerbetrieb mit geringer NOx-Emission, dies aber um den Preis eines relativ komplexen Aufbaus und einer komplexen Regelstrategie. Weiterhin offenbart diese Druckschrift weder, wie die katalytischen Brennermodule betrieben werden – brennstoffarm oder brennstoffreich – noch was für Klassen von Katalysatoren eingesetzt werden. Es ist jedoch bekannt, dass oxidische Katalysatoren nicht lange stabil unter brennstoffreichen Bedingungen betrieben werden können, und einige metallische Katalysatoren können nicht lange stabil unter brennstoffarmen bzw. Luftreichen Bedingungen be trieben werden. Damit sind der hier vorausgesetzten Regelbarkeit der einzelnen Brennermodule enge Grenzen gesetzt.The US 5 431 017 A1 discloses a hybrid burner consisting of parallel, air-cooled, catalytic burner modules followed by premix burner modules, wherein for the cooling, the combustion air supplied to the catalytic burner is used and thus pre-heated. In the start-up phase, the main combustion chamber following these modules is operated as a diffusion burner and pre-heats the combustion air supplied to the catalyst modules, thereby quickly bringing them up to operating temperature. The fuel supply to the catalytic modules is controlled according to the invention so that their temperature remains below 1000 ° C. According to the invention, each of the sections, ie the catalytic burner modules, the premix burner modules designed as swirl burners and the main combustion chamber, require their own fuel supply, and the catalytic burner modules and the premix burner modules are each equipped with an air supply. The controllability of the individual burner stages ensures at least in principle a stable burner operation with low NOx emission, but at the cost of a relatively complex structure and a complex control strategy. Furthermore, this document discloses neither, as the catalytic Bren nermodule operated - fuel-poor or fuel-rich - yet what classes of catalysts are used. However, it is known that oxidic catalysts can not be operated stably under fuel-rich conditions for long periods, and some metallic catalysts can not be long stable under fuel-lean or air-rich conditions be. Thus, the here presumed controllability of the individual burner modules are narrow limits.

In der EP 0 304 707 A1 wird ein Hybridbrenner bestehend aus einem gasgekühlten katalytischen Brenner gefolgt von einer Gasphasenverbrennung beschrieben, bei dem der katalytische Brenner aus wechselweise beschichteten und unbeschichteten Kanälen besteht, die von demselben Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt werden. In den beschichteten Kanälen läuft katalytische Verbrennung ab, während die unbeschichteten Kanäle der Kühlung dienen. Im Prinzip wird hier eine zweistufige magere Verbrennung durchgeführt, wobei die erste Stufe katalytisch ist und die magere Gasphasen-Verbrennung in der zweiten Stufe thermisch stabilisiert. Deshalb ergibt sich hier das gleiche Risiko einer unvollständigen und instabilen Verbrennung wie in der US 2003/0192318 A1.In the EP 0 304 707 A1 describes a hybrid burner consisting of a gas-cooled catalytic burner followed by a gas phase combustion, in which the catalytic burner consists of alternately coated and uncoated channels through which the same fuel-air mixture flows. Catalytic combustion occurs in the coated channels, while the uncoated channels serve for cooling. In principle, here a two-stage lean combustion is performed, wherein the first stage is catalytic and thermally stabilizes the lean gas phase combustion in the second stage. Therefore, there is the same risk of incomplete and unstable combustion as in US 2003/0192318 A1.

In der WO 2004/020901 A1 wird ein Hybridbrenner beschrieben, der in einem gemeinsamen Gehäuse einen Teiloxidationskatalysator und einen Volloxidationskatalysator enthält, die beide parallel von einem Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt werden. Während im Volloxidationskatalysator ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, wird der Teiloxidationskatalysator mit einem fetten Gemisch betrieben, dessen Produktgas anschließend zusammen mit dem Abgas des Volloxidationskatalysators in einem konventionellen, nichtkatalytischen Prozess verbrannt wird. Bevorzugte Ausführungsformen beinhalten den thermischen Kontakt zwischen einem innen gelagerten Teiloxidationskatalysator, der von einem Volloxidationskatalysator umgeben ist, wobei jeder der Katalysatoren aus einer Vielzahl paralleler Kanäle besteht.In WO 2004/020901 A1 describes a hybrid burner which, in a common housing a partial oxidation catalyst and a full oxidation catalyst contains which are both flowed through in parallel by a fuel-air mixture. While in Volloxidationskatalysator a lean fuel-air mixture is burned, the partial oxidation catalyst with a rich Mixture operated, the product gas then together with the exhaust gas Volloxidationskatalysators in a conventional, non-catalytic Process is burned. Preferred embodiments include the thermal contact between an internally supported partial oxidation catalyst, which is surrounded by a Volloxidationskatalysator, each the catalysts consists of a plurality of parallel channels.

Der Nachteil letzteren Verfahrens ist, dass am Ausgang des Hybridbrenners ein wasserstoffreiches Brenngas und ein gegenüber Luft nur unwesentlich im Sauerstoffgehalt reduziertes Abgas des Volloxidationskatalysators anstehen, die aufgrund des hohen Flammgeschwindigkeit wasserstoffreicher Brenngase dazu tendieren, in einer Diffusionsflamme miteinander zu verbrennen, bevor eine auch nur annähernd vollständige Vormischung stattfinden kann. Die Folge sind hohe Verbrennungstemperatur und damit hohe NOx-Emission. In den offenbarten Ausführungsformen wird dieses Problem dadurch verschärft, dass die unterschiedlichen Gasströme große Querschnitte aufweisen, die Kontaktfläche zwischen ihnen aber sehr klein ist. Weiterhin bergen die offenbarten Ausführungsformen das Risiko, dass im Kontaktbereich beider Katalysatoren ein großer Temperaturgradient entsteht. Dieser führt einerseits zu stark inhomogenen Reaktionsbedingungen innerhalb jedes der beiden Katalysatoren, andererseits kann der Teiloxidationskatalysator aufgrund der hohen Temperatur deaktiviert oder gar zerstört werden.Of the Disadvantage of the latter method is that at the output of the hybrid burner a hydrogen-rich fuel gas and a relative to air only insignificantly Oxygen content reduced exhaust gas of Volloxidationskatalysators due to the high flame speed of hydrogen-rich fuel gases tend to burn together in a diffusion flame, before even a close full Premixing can take place. The result is high combustion temperature and thus high NOx emission. In the disclosed embodiments This problem is aggravated by the fact that the different gas flows large cross sections have, the contact surface between them is very small. Furthermore, the disclosed embodiments the risk that in the contact area of both catalysts a large temperature gradient arises. This leads on the one hand, to strongly inhomogeneous reaction conditions within each the two catalysts, on the other hand, the partial oxidation catalyst be deactivated or even destroyed due to the high temperature.

Ein spezifisches Verfahren zur katalytischen Verbrennung mit zwei voneinander verschiedenen Katalysatorzonen ist in der EP 0 781 603 B1 beschrieben. Dabei wird das Brennstoff-Luft-Gemisch nacheinander durch beide Katalysatorzonen geführt. Die Katalysatoren sind jeweils aus einem monolithischen Substrat, gegebenenfalls mit einem porösen Washcoat zur Erhöhung der spezifischen Oberfläche, sowie einer katalytisch aktiven Komponente aufgebaut. Letztere enthält in der ersten Katalysatorstufe eines der Metalle Platin oder Palladium sowie Cer, Eisen und/oder Zirkonium. Diese Stufe dient der Zündung der Verbrennung, was aufgrund der hohen katalytischen Aktivität der Platinmetalle bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgt. Die aktive Komponente der zweiten Stufe enthält Oxide verschiedener Nichtedelmetalle inklusive Aluminium in einer Kristallstruktur vom Typ Hexaaluminat. In dieser Stufe erfolgt die vollständige Verbrennung auf einem höheren Temperaturniveau. Die serielle Anordnung der beiden Katalysatoren bedingt jedoch, dass beide von demselben mageren Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt werden. Aufgrund der hohen Reaktionswärme des hier eingesetzten, auf die thermische Stabilität von Hexaaluminaten abgestimmten mageren Gemisches besteht jedoch die Gefahr, dass die erste Stufe überhitzt, da Platinmetallkatalysatoren nur bis maximal 900°C beständig sind. Dazu tragen vor allem Instabilitäten bei, die bevorzugt bei mage rer katalytischer Verbrennung auftreten können: Bei niedriger Katalysatortemperatur wird im mageren Betrieb nicht genug Wärme freigesetzt, um eine Verbrennung des angebotenen Brennstoffes zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen geringen Umsatzes wird Brennstoff auf dem Katalysator adsorbiert, bis die Bedingung für nahezu stöchiometrische Verbrennung erfüllt ist. Dann kommt es zu einer schlagartigen Zündung der katalytischen Verbrennung, bei der die Temperatur auf dem Katalysator zumindest lokal 900°C weit überschreiten kann. Dadurch wird der Katalysator lokal geschädigt, und die Instabilität verschärft sich.A specific method for catalytic combustion with two different catalyst zones is in the EP 0 781 603 B1 described. The fuel-air mixture is passed in succession through both catalyst zones. The catalysts are each composed of a monolithic substrate, optionally with a porous washcoat to increase the specific surface, and a catalytically active component. The latter contains in the first catalyst stage of one of the metals platinum or palladium and cerium, iron and / or zirconium. This stage serves to ignite the combustion, which occurs due to the high catalytic activity of the platinum metals at relatively low temperatures. The second stage active component contains oxides of various non-noble metals including aluminum in a hexaaluminate type crystal structure. At this stage, complete combustion occurs at a higher temperature level. However, the serial arrangement of the two catalysts requires that both are flowed through by the same lean fuel-air mixture. Due to the high heat of reaction of the here used, adapted to the thermal stability of hexaaluminates lean mixture, however, there is a risk that the first stage overheated since platinum metal catalysts are only up to 900 ° C maximum. In particular, instabilities contribute to this, which can occur preferentially in mage rer catalytic combustion: At low catalyst temperature, not enough heat is released in lean operation to ensure combustion of the offered fuel. Under these low conversion conditions, fuel is adsorbed on the catalyst until the near stoichiometric combustion condition is met. Then there is a sudden ignition of the catalytic combustion, in which the temperature on the catalyst can exceed at least locally 900 ° C far. As a result, the catalyst is damaged locally and the instability is aggravated.

Darüber hinaus lassen sich mit dem Konzept der mehrstufigen katalytischen Verbrennung nicht die heute mit Gasturbinen üblichen Wirkungsgrade erreichen, weil die Langzeitstabilität des Hexaaluminat-Katalysators bei Betriebstemperaturen über 1300°C deutlich abfällt. Für die Anwendung als Brenner in einer Gasturbine ist es jedoch notwendig, dass die Verbrennungsgase am Turbineneingang im Bereich von ca. 1550°C liegen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.Moreover, with the concept of multi-stage catalytic combustion, the efficiencies customary today with gas turbines can not be achieved because the long-term stability of the hexaaluminate catalyst drops markedly at operating temperatures above 1300 ° C. For use as a burner in a gas turbine, however, it is necessary that the combustion gases at the turbine inlet Be rich of about 1550 ° C to achieve maximum efficiency.

Aus der EP 0 767 345 A2 ist ein Hybridbrenner bekannt, der einen zweistufigen katalytischen Brenner gefolgt von einem Anfahrbrenner und der eigentlichen Brennkammer für die Gasphasenverbrennung enthält. In der ersten katalytischen Stufe wird aus einem Teil des Brennstoffes durch partielle Oxidation Wasserstoff gewonnen (Reformierung). Das Reformat wird dem (mageren) Brenngas-Luft-Gemisch zugesetzt und dem katalytischen Hauptbrenner zugeführt. Nach der hier aus thermischen Gründen mageren katalytischen Verbrennung wird das Heißgas in eine Brennkammer geführt, der z. B. über Lanzen auf dem gesamten Umfang weiterer Brennstoff zugeleitet wird, sich mit dem Heißgas mischt und spontan verbrennt. Zwei Details können die Auslegung hier erschweren: Die Stabilisierung der mageren katalytischen Verbrennung hängt empfindlich von der Wasserstofferzeugung durch Brennstoff-Reformierung in der ersten katalytischen Stufe und von der Eingangstemperatur ab. Voraussetzung für die NOx-arme Verbrennung in der Gasphase ist, dass der zusätzlich über Lanzen in die Brennkammer gebrachte Brennstoff sich in einer Zeit mit dem Heißgas mischt, die deutlich kürzer ist als die Zündverzugszeit der sich dabei einstellenden Brennstoff-Luft-Gemische. Aufgrund der Abmessungen einer z. B. bei Gasturbinen eingesetzten Brennkammer ist das eine schwer zu lösende Aufgabe.From the EP 0 767 345 A2 For example, a hybrid burner is known which includes a two-stage catalytic burner followed by a start-up burner and the actual combustor for gas phase combustion. In the first catalytic stage, hydrogen is recovered from part of the fuel by partial oxidation (reforming). The reformate is added to the (lean) fuel gas-air mixture and fed to the catalytic main burner. After thermal combustion lean catalytic combustion, the hot gas is passed into a combustion chamber, the z. B. over lances on the entire circumference further fuel is supplied, mixes with the hot gas and burns spontaneously. Two details may complicate the design here: the stabilization of lean catalytic combustion is sensitively dependent on hydrogen production by fuel reforming in the first catalytic stage and on the inlet temperature. A prerequisite for the low-NOx combustion in the gas phase is that the fuel additionally introduced via lances into the combustion chamber mixes with the hot gas in a time which is significantly shorter than the ignition delay time of the resulting fuel-air mixtures. Due to the dimensions of a z. B. used in gas turbines combustion chamber is a difficult task to be solved.

In der EP 0 849 451 B1 wird die katalytische Reformierung von Brennstoff durch partielle Oxidation zur Stabilisierung einer Gasphasenverbrennung beschrieben. Damit kann zwar eine im Mittel sehr magere Verbrennung realisiert werden, das Problem niedriger NOx-Emissionen ist damit wegen räumlicher Inhomogenitäten und der hohen Verbrennungsgeschwindigkeit H₂-haltiger Brenngase nicht gelöst.In the EP 0 849 451 B1 describes the catalytic reforming of fuel by partial oxidation to stabilize gas phase combustion. Thus, although a very poor average combustion can be realized, the problem of low NOx emissions is not solved because of spatial inhomogeneities and the high combustion rate of H ₂ -containing fuel gases.

Die US 3 914 091 A1 offenbart einen mehrstufigen Verbrennungsprozess, bei dem ein im Mittel brennstoffreiches Gemisch zuerst in der Gasphase vorverbrannt wird, dann einer ggf. katalytischen Zwischenstufe zugeführt wird, in der durch partielle Oxidation Wasserstoff erzeugt wird, um schließlich nach Zusatz von Luft in der Endstufe eine Gasphasenverbrennung mager und stabil betreiben zu können. Hier besteht wieder das Problem, den Wasserstoffreichen Brennstoff mit der zugesetzten Luft so zu mischen, dass die Verbrennung in der Endstufe homogen und ohne Temperaturspitzen erfolgt, die die NOx-Bildung in die Höhe treiben. Die Frage der Stabilität einer nichtkatalytischen partiellen Oxidation bleibt hier im Wesentlichen offen, ebenso die Frage im Langzeitbetrieb stabiler Katalysatoren.The US 3,914,091 A1 discloses a multi-stage combustion process in which an average fuel-rich mixture is first precombusted in the gas phase, then fed to an optionally catalytic intermediate in which hydrogen is generated by partial oxidation, and finally after the addition of air in the final stage, a gas phase combustion lean and to be able to operate stably. Here again there is the problem of mixing the hydrogen-rich fuel with the added air so that the combustion in the final stage is homogeneous and without temperature peaks, which drive the formation of NOx in the air. The question of the stability of a non-catalytic partial oxidation remains essentially open here, as well as the question in the long-term operation of stable catalysts.

In der US 6 358 040 B1 wird ein Hybridbrenner beschrieben, bei dem der katalytische Brenner die Struktur eines Wärmetauschers hat und Luft durch brennstoffreiche katalytische Verbrennung (partielle Oxidation) vorgewärmt wird, dabei die katalytische Verbrennung kühlt, am Ausgang des katalytischen Brenners mit dem teilverbrannten Brennstoff gemischt wird, wodurch eine stabile Gasphasenverbrennung induziert wird. Das in US 3 914 091 A1 bestehende Risiko unzureichender Mischung des hochreaktiven, weil Wasserstoffhaltigen Brennstoffs mit Luft wird hier durch die Struktur des katalytischen Brenners reduziert, indem sich der Brenner aus vielen Kanälen zusammensetzt, die auf der einen Seite katalytisch beschichtet sind, auf der anderen Seite unbeschichtet. Dadurch wird am Ausgang ein großflächiger Kontakt zwischen Brennstoff und Luft hergestellt, und die Mischungslängen sind klein. Als Nachteil ist zu verbuchen, dass als Katalysatormaterial mit hoher Aktivität und niedriger Zündtemperatur für die partielle Oxidation nur Edelmetalle wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Iridium (Ir) in Frage kommen. Damit hängen die Kosten für ein solches Brennersystem sehr empfindlich von den Kosten für die Edelmetalle ab, die z. B. auch im Automobilbereich für die katalytische Abgasreinigung im großen Maßstab eingesetzt werden. Weiterhin schränkt die Temperaturempfindlichkeit dieser Katalysatoren die in dieser Stufe maximal erreichbare Temperatur auf 900°C ein. Selbst bei dieser Temperatur ist die Langzeitstabilität der Katalysatoren aber offen. Bei niedrigeren Temperaturen von z. B. 800°C am Ausgang des katalytischen Brenners hingegen kann zwar erwartet werden, dass die Katalysatoren langzeitstabil arbeiten, wobei aber in diesem Fall die Stabilität der anschließenden Gasphasenverbrennung deutlich reduziert ist, so dass mit erhöhten Schadstoffemissionen zu rechnen ist.In the US Pat. No. 6,358,040 B1 describes a hybrid burner in which the catalytic burner has the structure of a heat exchanger and air is preheated by fuel-rich catalytic combustion (partial oxidation), thereby cooling the catalytic combustion is mixed at the outlet of the catalytic burner with the partially combusted fuel, whereby a stable gas phase combustion is induced. This in US 3,914,091 A1 Existing risk of insufficient mixing of the highly reactive, because hydrogen-containing fuel with air is reduced here by the structure of the catalytic burner in that the burner is composed of many channels, which are catalytically coated on one side, on the other side uncoated. As a result, a large-area contact between fuel and air is produced at the output, and the mixing lengths are small. A disadvantage is that only noble metals such as platinum (Pt), palladium (Pd) and iridium (Ir) are suitable as catalyst material with high activity and low ignition temperature for the partial oxidation. Thus, the cost of such a burner system are very sensitive to the cost of the precious metals, z. B. also be used in the automotive industry for the catalytic emission control on a large scale. Furthermore, the temperature sensitivity of these catalysts limits the maximum achievable in this stage temperature to 900 ° C. Even at this temperature, however, the long-term stability of the catalysts is open. At lower temperatures of z. B. 800 ° C at the outlet of the catalytic burner, however, can be expected that the catalysts work long-term stable, but in this case the stability of the subsequent gas phase combustion is significantly reduced, so that is to be expected with increased pollutant emissions.

Insgesamt kann festgestellt werden, dass sich beim Stand der Technik für die Praxis geforderte stabile Brennerkonzepte mit sehr niedriger NOx-Emission bei gleichzeitig hohem thermodynamischen Wirkungsgrad für den Betrieb von Gasturbinen noch nicht befriedigend realisieren lassen.All in all It can be stated that in the state of the art for practice required stable burner concepts with very low NOx emission with simultaneously high thermodynamic efficiency for operation of gas turbines can not be satisfactorily realize.

Ausgehend vom obigen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein anderes Verfahren zur verbesserten Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen anzugeben und eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.outgoing From the above prior art, it is an object of the invention, another Method for improved combustion of fuel-air mixtures specify and an associated Apparatus for carrying out of the procedure.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruches 11. Weiterbildungen des Verfahrens und des zugehörigen Brenners sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The Task is according to the invention in a method of the type mentioned by the measures of claim 1 solved. An associated one Apparatus for carrying out of the method is the subject of claim 11. Further developments of the method and the associated Brenners are in the dependent Claims specified.

Gegenstand der Erfindung sind eine spezifische Prozessführung bei einer mehrstufigen Verbrennung und ein Hybrid-Brenner, die beide in erster Linie zur Anwendung in einer Gasturbine vorgesehen sind. Dabei läuft die Verbrennung eines bzw. mehrerer Brennstoff-Luft-Gemische insbesondere in drei Stufen ab. Zwei dieser Stufen sind katalytisch und bilden einen katalytischen Brenner, die dritte dient der homogenen Gasphasenverbrennung, womit insgesamt ein Hybrid-Brenner gebildet ist.The invention relates to a specifi a multi-stage combustion process and a hybrid burner, both of which are primarily intended for use in a gas turbine. The combustion of one or more fuel-air mixtures proceeds in particular in three stages. Two of these stages are catalytic and form a catalytic burner, the third one is for the homogeneous gas phase combustion, making a total of a hybrid burner is formed.

Speziell der katalytische Brenner zeichnet sich erfindungsgemäß gegenüber dem oben eingehend abgehandeltem Stand der Technik durch folgende Merkmale aus:

– Der katalytische Brenner besteht aus zwei Teilen, einem monolithischen Träger mit parallel verlaufenden Kanälen in der zweiten Stufe und einem Bündel von Röhren mit offenem Ende in der ersten Stufe, wobei jeweils eine Röhre in einen Kanal des Monolithträgers ragt und zwischen Röhre und Kanalinnenseite Raum zur Durchströmung eines Gases verbleibt.
– Ein erster Gasraum steht einlassseitig mit den Röhren in Verbindung.
– Ein zweiter Gasraum steht einlassseitig mit den Kanälen des Monolithen in Verbindung.
– Die Röhren sind von innen mit einer katalytisch aktiven Schicht (erstes Katalysatormaterial) versehen, die mindestens eines der Metalle Platin, Palladium oder Rhodium enthält, und werden von einem Gemisch mit Brennstoffüberschuss – verglichen mit einem stöchiometrischen Gemisch – aus dem ersten Gasraum kommend durchströmt.
– Die Kanäle des Monolithen sind von innen mit einer katalytisch aktiven Schicht (zweites Katalysatormaterial) versehen, die ein Oxid eines oder mehrerer Metalle enthält und werden von einem zweiten Gemisch mit Luftüberschuss – verglichen mit einem stöchiometrischen Gemisch – aus dem zweiten Gasraum kommend durchströmt. Als Katalysatormaterial kommen die Oxide von La, Ce, Pr, Nd, Ca, Sr, Ba, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu in Frage. Die Kanäle münden ausgangsseitig in den Brenner für die Gasphasenverbrennung.
– Parallel zu beiden Stufen oder zumindest parallel zur zweiten Stufe des katalytischen Brenners gibt es Leitungen für Brennstoff, fettes Brennstoff-Luft-Gemisch, oder in der ersten Stufe des katalytischen Brenners partiell oxidierten Brennstoff, die am ausgangsseitigen Ende in den Brenner für die Gasphasenverbrennung münden.

In particular, according to the invention, the catalytic burner is distinguished from the state of the art discussed in detail above by the following features:

- The catalytic burner consists of two parts, a monolithic carrier with parallel channels in the second stage and a bundle of open-ended tubes in the first stage, each tube protrudes into a channel of the monolith carrier and space between the tube and channel inside Flow through a gas remains.
- A first gas space communicates with the tubes on the inlet side.
- A second gas space communicates with the channels of the monolith on the inlet side.
- The tubes are provided from the inside with a catalytically active layer (first catalyst material) containing at least one of the metals platinum, palladium or rhodium, and are flowed through by a mixture with excess fuel - as compared with a stoichiometric mixture - coming from the first gas space.
- The channels of the monolith are provided from the inside with a catalytically active layer (second catalyst material) containing an oxide of one or more metals and are from a second mixture with excess air - as compared with a stoichiometric mixture - flows through coming from the second gas space. As the catalyst material, the oxides of La, Ce, Pr, Nd, Ca, Sr, Ba, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu come into question. The channels open on the output side in the burner for the gas phase combustion.
Parallel to the two stages, or at least parallel to the second stage of the catalytic burner, are fuel, rich fuel-air mixture conduits, or partially oxidized fuel in the first stage of the catalytic combustor, which at the exit end terminate in the gas phase combustion burner ,

Das Prinzip des Hybrid-Brenners wird weiter unten in einem Flussdiagramm dargestellt. Bei der Erfindung wird vorzugsweise im Kompressor einer Gasturbine die erforderliche Luft durch adiabatische Kompression auf eine Temperatur von ca. 400°C erhitzt. Dabei wird erfindungsgemäß zur Bereitstellung der beiden Gasmischungen der Luftstrom aufgeteilt und in zwei Mischzonen eingeleitet, wo jeweils soviel Brennstoff zugemischt wird, dass ein fettes und ein mageres Gemisch entstehen. Das fette Gemisch wird in die erste katalytische Stufe des Brenners geleitet. Beim Kontakt des fetten Brennstoff-Luft-Gemischs mit erstem Katalysatormaterial wird in einer mäßig exothermen Reaktion Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid gebildet (Partielle Oxidation; Brennstoffreformierung). Aufgrund der hohen Aktivität vom ersten Katalysatormaterial reicht die Eingangstemperatur der Gasmischung aus, um die Reaktion zu initiieren. Das magere Gemisch wird am ersten katalytischen Brenner vorbeigeleitet und dabei zu dessen Kühlung genutzt. Nach Austritt des Produktgases aus der ersten Stufe des katalytischen Brenners vermischt dieses sich mit dem mageren, vorgewärmten Gemisch, wobei diese Mischung im vorderen Bereich des Monolithen innerhalb der Kanäle erfolgt. Die gemischten Gase haben nun immer noch eine Temperatur, die zur Zündung auf dem zweiten Katalysatormaterial ausreicht. Diese Temperatur liegt im Normalfall im Bereich zwischen 500 und 800°C.The The principle of the hybrid burner is described below in a flowchart shown. In the invention is preferably in the compressor of a gas turbine the required air through adiabatic compression to a temperature of about 400 ° C heated. In this case, according to the invention to provide the two Divided gas mixtures the air flow and introduced into two mixing zones, where in each case so much fuel is added that a fat and create a lean mixture. The fat mixture is in the first passed catalytic stage of the burner. At the contact of the fat Fuel-air mixture with the first catalyst material becomes hydrogen in a moderately exothermic reaction and carbon monoxide formed (partial oxidation, fuel reforming). Due to the high activity from the first catalyst material reaches the inlet temperature of Gas mixture out to initiate the reaction. The lean mixture is conducted past the first catalytic burner and in the process its cooling used. After discharge of the product gas from the first stage of the catalytic burner mixes with the lean, preheated mixture, being this mixture within the front of the monolith within of the channels he follows. The mixed gases are still at a temperature to the ignition sufficient on the second catalyst material. This temperature is normally in the range between 500 and 800 ° C.

Bei der Erfindung wird das Gemisch auf dem zweiten Katalysatormaterial im Anschluss vollständig verbrannt. Das Produktgas dieser Verbrennung kann auf Temperaturen von typisch 1000°C-1200°C vorgeheizt sein und enthält entsprechend der gesamten Stöchiometrie noch Sauerstoff. Durch Vermischung mit Brennstoff oder einem brennstoffreichen Gasgemisch, das z. B. der Mischkammer 15 oder der ersten Stufe des katalytischen Brenners 17 entnommen werden kann, wird eine spontane, magere Vormischverbrennung in der Gasphase erzielt, die die Temperatur des Gases auf Werte von über 1500°C, bevorzugt 1500°C-1600°C anhebt. Die großräumige Mischung des brennstoffreichen Gasgemisches mit dem Abgas des katalytischen Brenners kann in einer Drallströmung erfolgen.In the invention, the mixture is then completely burned on the second catalyst material. The product gas of this combustion can be preheated to temperatures of typically 1000 ° C-1200 ° C and still contains oxygen according to the total stoichiometry. By mixing with fuel or a fuel-rich gas mixture, the z. B. the mixing chamber 15 or the first stage of the catalytic burner 17 can be taken, a spontaneous, lean premix combustion is achieved in the gas phase, which raises the temperature of the gas to values of about 1500 ° C, preferably 1500 ° C-1600 ° C. The large-scale mixture of the fuel-rich gas mixture with the exhaust gas of the catalytic burner can take place in a swirling flow.

Eine andere, bevorzugte Lösung der Erfindung besteht darin, den Monolithen wechselweise mit katalytisch beschichteten und unbeschichteten Kanälen auszustatten. In die beschichteten Kanäle ragen Röhrchen aus der ersten Stufe des katalytischen Brenners, die genug Raum für den Zutritt des mageren Gemisches 2 lassen. In die unbeschichteten ragen Röhrchen aus der ersten Stufe des katalytischen Brenners, die an deren Querschnitt soweit angepasst sind, dass das magere Gemisch nur in vernachlässigbar kleinen Mengen eintreten kann. Diese Röhrchen können wahlweise katalytisch beschichtet oder unbeschichtet sein und dementsprechend einen reformierten Brennstoff oder das fette Brennstoff-Luft Gemisch 1 zur Verfügung stellen. Am Austritt des Monolithen werden das Produktgas der mageren katalytischen Verbrennung und das brennstoffhaltige Gasgemisch aufgrund der kurzen Wege intensiv gemischt und verbrennen spontan in einer mageren Vormischverbrennung.Another preferred solution of the invention is to equip the monoliths alternately with catalytically coated and uncoated channels. In the coated channels, tubes protrude from the first stage of the catalytic burner, leaving enough room for the lean mixture to enter 2 to let. In the uncoated protrude tubes from the first stage of the catalytic burner, which are adapted to the cross section so far that the lean mixture can occur only in negligible amounts. These tubes may optionally be catalytically coated or uncoated and, accordingly, a reformed fuel or the rich fuel-air mixture 1 provide. At the outlet of the monolith, the product gas of the lean catalytic combustion and the fuel-containing gas mixture are mixed intensively due to the short paths and burn spontaneously in a lean premix combustion.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen effizienten und schadstoffarmen Verbrennungsprozess insbesondere in Gasturbinen unter Vermeidung von Nachteilen der Brenner nach dem oben abgehandelten Stand der Technik.All in all allows the invention provides an efficient and low-emission combustion process in particular in gas turbines while avoiding disadvantages of the burner the above-discussed prior art.

Durch die Verwendung von Platin oder anderen Edelmetallkatalysatoren in den Röhren wird eine Zündung bei der Lufteintrittstemperatur erreicht, ohne dass eine zusätzliche Zündquelle notwendig wäre. Gleichzeitig wird durch den Fettbetrieb mit relativ geringer Reaktionswärme und durch den Wärmeübertrag auf das an den Röhren vorbeiströmende Gas die Überhitzung dieses Katalysatormaterials 1 vermieden.By using platinum or other noble metal catalysts in the tubes, ignition at the air inlet temperature is achieved without the need for an additional ignition source. At the same time, the overheating of this catalyst material is caused by the rich operation with relatively low heat of reaction and by the heat transfer to the gas flowing past the tubes 1 avoided.

Auf der anderen Seite erreicht man durch die Vorwärmung des Gases in den Kanälen die für dieses Katalysatormaterial notwendige höhere Zündtemperatur. Hinzu kommt, dass die Reformierung des Brennstoffes durch partielle Oxidation in der ersten Stufe des katalytischen Brenners die Zündtemperatur gegenüber dem ursprünglichen Gasgemisch 1 senkt, weil sowohl Wasserstoff (H₂) und vor allem Kohlenmonoxid (CO) auf den meisten katalytischen Oberflächen bei niedrigeren Temperaturen oxidiert werden als Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan (CH₄). Dadurch läuft die katalytische Verbrennung in der zweiten Stufe stabil und ohne die normalerweise durch Adsorptionseffekte verursachten räumlich-zeitlichen Oszillation in der Konzentrationsverteilung des Brennstoffes auf dem Katalysator und den daraus resultierenden starken Schwankungen von Reaktionsgeschwindigkeit, Wärmefreisetzung und Temperatur.On the other hand, the preheating of the gas in the channels achieves the higher ignition temperature necessary for this catalyst material. In addition, the reforming of the fuel by partial oxidation in the first stage of the catalytic burner, the ignition temperature compared to the original gas mixture 1 because both hydrogen (H ₂ ) and especially carbon monoxide (CO) on most catalytic surfaces are oxidized at lower temperatures than hydrocarbons, especially methane (CH ₄ ). As a result, the catalytic combustion in the second stage proceeds stably and without the spatio-temporal oscillation normally caused by adsorption effects in the concentration distribution of the fuel on the catalyst and the resulting large fluctuations in reaction rate, heat release and temperature.

Da die Röhren keinen direkten Kontakt zum Trägermaterial des Monolithen haben, wird eine Überhitzung der ersten Stufe des katalytischen Brenners aufgrund von Wärmeleitung aus der mit höherer Temperatur betriebenen zweiten Stufe des katalytischen Brenners vermieden. Das zwischen Monolith und Röhren strömende magere Brennstoff-Luft-Gemisch stellt eine wirkungsvolle Wärmeisolation zwischen den beiden Stufen des katalytischen Brenners dar.There the tubes no direct contact with the carrier material of the monolith, becomes overheating the first stage of the catalytic burner due to heat conduction from the higher temperature operated second stage of the catalytic burner avoided. That between monolith and tubes flowing lean fuel-air mixture provides effective heat insulation between the two stages of the catalytic burner.

In das den Monolithen verlassende Gas kann Brennstoff eindosiert werden, um mit dem darin enthaltenen Restsauerstoff verbrannt zu werden. Dadurch werden die zur Erzielung der für einen hohen Turbinenwirkungsgrad notwendigen Temperaturen (1550°C) erreicht, die in einer rein katalytischen Verbren nung aufgrund der nicht ausreichenden Temperaturbeständigkeit der heute bekannten Katalysatormaterialien nicht möglich ist. Aufgrund des gegenüber Luft reduzierten Sauerstoffgehaltes wird dabei das Risiko vermieden, dass die Verbrennung in Diffusionsflammen mit Temperaturspitzen von > 2400°C erfolgt.In the gas leaving the monolith can be metered in fuel, to be burned with the residual oxygen contained therein. This will achieve those for high turbine efficiency necessary temperatures (1550 ° C) achieved in a purely catalytic combustion due to the insufficient temperature resistance of today known Catalyst materials not possible is. Because of the opposite Air reduced oxygen content while avoiding the risk that combustion in diffusion flames with temperature peaks of> 2400 ° C takes place.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigenFurther Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description of the figures of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims. It demonstrate

1 ein Flussschema eines Hybridbrennerkonzeptes, 1 a flow chart of a hybrid burner concept,

2 den Querschnitt durch einen monolithischen Trägerkörper eines katalytischen Brenners, 2 the cross section through a monolithic carrier body of a catalytic burner,

3 den Längsschnitt durch den Hybridbrenner gemäß 2 entlang der Linie II/II, 3 the longitudinal section through the hybrid burner according to 2 along the line II / II,

4 das Flussschema eines alternativen Hybrid-Brennerkonzeptes, 4 the flow diagram of an alternative hybrid burner concept,

5 den Längsschnitt durch den alternativen Hybridbrenner gemäß 4, 5 the longitudinal section through the alternative hybrid burner according to 4 .

6 ein Diagramm mit beispielhaften Betriebsparametern, wie Temperatur, Äquivalenzverhältnis, Massenfluss, zur Verdeutlichung des Prozessablaufes im Flussschema der Hybridbrenner gemäß den 1 oder 4, 6 a diagram with exemplary operating parameters, such as temperature, equivalence ratio, mass flow, to illustrate the process flow in the flow chart of the hybrid burner according to the 1 or 4 .

7 ein 6 entsprechendes Diagramm mit den Konzentrationsveränderungen der Brennstoff- und Abgasbestandteile und 7 one 6 corresponding diagram with the concentration changes of the fuel and exhaust gas components and

8 das Flussschema eines weiteren alternativen Hybrid-Brennerkonzeptes. 8th the flow diagram of another alternative hybrid burner concept.

Die 1 und 4 dienen zur Erläuterung des Verfahrens. 2 und 3 verdeutlichen den Aufbau eines Hybridbrenners, wobei ein Querschnitt durch den monolithischen Teil des katalytischen Brenners und einen Längsschnitt durch den Hybridbrenner in einer möglichen Realisierungsform gezeigt ist. 5 verdeutlicht den Aufbau eines alternativen Hybridbrenners. Die 6 und 7 verdeutlichen die Prozessführung an einem spezifischen Beispiel.The 1 and 4 serve to explain the method. 2 and 3 illustrate the construction of a hybrid burner, wherein a cross section through the monolithic part of the catalytic burner and a longitudinal section through the hybrid burner is shown in a possible embodiment. 5 illustrates the structure of an alternative hybrid burner. The 6 and 7 clarify the process management on a specific example.

Im Einzelnen ist in der Schemadarstellung gemäß 1 ein Hybridbrenner 1 dargestellt, dem eine Mischzone 2 vorangestellt ist. Der Hybridbrenner umfasst einen zweistufigen katalytischen Brenner 3 bestehend aus einer ersten katalytischen Brennerstufe 4 und einer zweiten katalytischen Brennerstufe 5, und einen Gasphasenbrenner 6. In der Mischzone kennzeichnet Bezugszeichen 11 die Brennstoffzufuhr und 12 die Luftzufuhr. Ziffer 13 kennzeichnet einen Gasteiler für Brennstoff und 14 einen Gasteiler für Luft. Damit werden ein Mischer für ein brennstoffreiches Gemisch und ein Mischer für ein brennstoffarmes Gemisch realisiert.Specifically, in the schema representation according to 1 a hybrid burner 1 represented, which is a mixing zone 2 is preceded. The hybrid burner comprises a two-stage catalytic burner 3 consisting of a first catalytic burner stage 4 and a second catalytic burner stage 5 , and a gas phase burner 6 , In the mixing zone, reference number denotes 11 the fuel supply and 12 the air supply. digit 13 features a gas divider for fuel and 14 a gas divider for air. This realizes a mixer for a fuel-rich mixture and a mixer for a fuel-lean mixture.

Die erste katalytische Brennerstufe 4 besteht aus einem katalytischen Brenner 17 für die partielle Oxidation eines fetten Brennstoff-Luft-Gemisches und einem Wärmetauscher 18 zur Kühlung des katalytischen Brenners und Gasvorwärmung des mageren Brennstoff-Luft-Gemisches.The first catalytic burner stage 4 consists from a catalytic burner 17 for the partial oxidation of a rich fuel-air mixture and a heat exchanger 18 for cooling the catalytic burner and gas preheating the lean fuel-air mixture.

Vor der ersten katalytischen Brennerstufe befindet sich ein Gasteiler 24, mit dem über eine Nebenstromleitung 25 ein Teil des brennstoffreichen Gasgemisches abgezweigt und dem Wärmetauscher 19 zugeführt wird.Before the first catalytic burner stage is a gas divider 24 with which via a bypass line 25 a portion of the fuel-rich gas mixture diverted and the heat exchanger 19 is supplied.

Die zweite katalytische Brennerstufe 5 besteht aus einem katalytischen Brenner 20, dem der Wärmetauscher 19 zur Kühlung der katalytischen Verbrennung zugeordnet ist. Im Eingangsbereich des katalytischen Brenners 20 ist ein Mischbereich 21 realisiert, in dem das im ersten katalytischen Brenner 17 partiell oxidierte brennstoffreiche Gasgemisch mit dem durch den Wärmetauscher 18 geleiteten mageren Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt wird. Die Mischzone 21 kann sich über ein längeres Teilstück des katalytischen Brenners 20 hinziehen, sodass Mischung und katalytische Verbrennung parallel zueinander stattfinden.The second catalytic burner stage 5 consists of a catalytic burner 20 to which the heat exchanger 19 assigned to the cooling of the catalytic combustion. In the entrance area of the catalytic burner 20 is a mixed area 21 realized in which the first catalytic burner 17 partially oxidized fuel-rich gas mixture with the through the heat exchanger 18 passed lean fuel-air mixture is mixed. The mixing zone 21 can span a longer section of the catalytic burner 20 pull so that mixing and catalytic combustion take place in parallel.

Am Austritt des katalytischen Brenners folgt eine Misch- und Verbrennungszone 22 für homogene Gasphasen-Verbrennung des aus dem Wärmetauscher 19 austretenden brennstoffreichen Gasgemisches mit dem aus dem katalytischen Brenner 20 austretenden sauerstoffreichen Abgas. Das heiße Verbrennungsabgas verlässt den Hybridbrenner über den Ausgang 23.At the outlet of the catalytic burner follows a mixing and combustion zone 22 for homogeneous gas phase combustion of the heat exchanger 19 leaking fuel-rich gas mixture with that from the catalytic burner 20 exiting oxygen-rich exhaust. The hot combustion exhaust leaves the hybrid burner via the exit 23 ,

In 2 ist ein Querschnitt durch die zweite katalytische Stufe 4 des Hybridbrenners dargestellt. Sie besteht aus einem monolithischen Trägerkörper 31, in dem sich katalytisch beschichtete und unbeschichtete Kanäle 32 und 34 abwechseln. In die katalytisch beschichteten Kanäle ragen die mit einem Edelmetall-Katalysator beschichteten Röhrchen 33 der ersten katalytischen Brennerstufe hinein. In die unbeschichteten Kanäle 34 ragen unbeschichtete Röhrchen 35 hinein, mit denen dem Gasphasenbrenner brennstoffreiches Gasgemisch im Nebenstrom zugeführt wird.In 2 is a cross section through the second catalytic stage 4 of the hybrid burner. It consists of a monolithic carrier body 31 in which there are catalytically coated and uncoated channels 32 and 34 alternate. Into the catalytically coated channels protrude the tubes coated with a noble metal catalyst 33 the first catalytic burner stage into it. In the uncoated channels 34 uncoated tubes protrude 35 into it, with which the gas phase burner fuel-rich gas mixture is supplied in the secondary stream.

Aus der Schnittdarstellung längs der Linie II/II ergibt sich die in 3 gezeigte Anordnung von parallelen Kanälen, über die eine zweistufige katalytische Verbrennung erfolgt. Im Gasraum 36 wird ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt, das ein Äquivalenzverhältnis Φ > 1 besitzt. Unter dem Äquivalenzverhältnis versteht man das Brennstoff-Luft-Verhältnis normiert auf das für stöchiometrische Verbrennung Erforderliche; es ist der Kehrwert der Luftzahl λ. Dieses Gasgemisch verteilt sich in einem Bestimmten Massenfluss-Verhältnis auf Kanäle 33 für die katalytische Verbrennung und 35 für die Brennstoffzuleitung zum Gasphasenbrenner 6. Im Gasraum 37 wird ein sehr mageres Brennnstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt, das im thermischen Kontakt mit der ersten, katalytischen Brennerstufe die Röhrchen 33 des Brenners von außen kühlt und dabei gleichzeitig vorgewärmt wird. Die Katalysator-Röhrchen 33 ragen in diesem Beispiel ein Stück weit in die mit z.B. einem Mischoxid katalytisch beschichteten Kanäle 32 des Monolithen hinein, sodass das magere Gemisch durch die Spalte zwischen Röhrchen 33 und Kanälen 32 in die zweite katalytische Brennerstufe eintritt. Dabei wird auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine laminare Strömung erzwungen, sodass die Mischung zwischen dem teilverbrannten, fetten Brennstoff-Luft-Gemisch im Zentrum und dem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch außen langsam erfolgt und der oxidische Katalysator stets mit Luftüberschuss betrieben wird.From the sectional view along the line II / II results in in 3 shown arrangement of parallel channels, over which a two-stage catalytic combustion takes place. In the gas room 36 a rich fuel-air mixture is provided which has an equivalence ratio Φ> 1. By equivalence ratio is meant the fuel-air ratio normalized to that required for stoichiometric combustion; it is the reciprocal of the air ratio λ. This gas mixture distributes to channels in a certain mass flow ratio 33 for catalytic combustion and 35 for the fuel supply to the gas phase burner 6 , In the gas room 37 For example, a very lean fuel-air mixture is provided which, in thermal contact with the first catalytic burner stage, provides the tubes 33 the burner cools from the outside while being preheated. The catalyst tubes 33 protrude in this example a little way into the example with a mixed oxide catalytically coated channels 32 of the monolith, so that the lean mixture through the gaps between tubes 33 and channels 32 enters the second catalytic burner stage. In this case, a laminar flow is enforced even at high flow rates, so that the mixture between the partially combusted, rich fuel-air mixture in the center and the lean fuel-air mixture outside slowly and the oxide catalyst is always operated with excess air.

Ein alternatives Konzept für einen Hybridbrenner ergibt sich aus 4, wobei dort im Wesentlichen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet werden. Die Schnittdarstellung entspricht der 5. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten Konzept wird im Gasraum 37 statt eines mageren Brennstoff-Luft-Gemisches (Φ < 1) Luft (Φ = 0) bereitgestellt. Weiterhin ist ein zusätzlicher Gasraum 38 vorgesehen, in dem Brennstoff bereitgestellt wird, der über unbeschichtete Röhrchen 39 im Nebenstrom dem Gasphasenbrenner zugeführt wird. Dabei ist diese Variante im Normalfall weniger vorteilhaft als die vorhergehende Grundform des Verfahrens, weil das Risiko hoher Temperaturen bei der abschließenden Gasphasenverbrennung besteht. Sie kann aber dann vorteilhaft zum Einsatz kommen, wenn das Brenngas bereits einen niedrigen Brennwert hat, der wegen der niedrigen Verbrennungs-Temperaturen zu reduziertem thermodynamischen Wirkungsgrad führen würde.An alternative concept for a hybrid burner emerges 4 , where there are substantially the same reference numerals as in 1 be used. The sectional view corresponds to the 5 , Unlike the in 3 Concept presented is in the gas space 37 instead of a lean fuel-air mixture (Φ <1) air (Φ = 0) provided. Furthermore, there is an additional gas space 38 provided in which fuel is provided via uncoated tubes 39 is supplied in the secondary flow to the gas phase burner. In this case, this variant is normally less advantageous than the previous basic form of the method, because there is the risk of high temperatures in the final gas phase combustion. However, it can be advantageously used if the fuel gas already has a low calorific value, which would lead to reduced thermodynamic efficiency because of the low combustion temperatures.

Als Material für die erste katalytische Brennerstufe kommen bevorzugt Edelmetallkatalysatoren mit wenigstens einem der Metalle Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Rhodium (Rh) in Frage.When Material for the first catalytic burner stage are preferred with noble metal catalysts at least one of the metals platinum (Pt), palladium (Pd) or rhodium (Rh) in question.

Als Material für die zweite katalytische Brennerstufe kommen den Metalloxidkatalysatoren mit wenigstens einem der Metalle Lanthan (La), Cer (Ce), Praesodynium (Pr), Neodynium (Nd), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co) oder Kupfer (Cu) in Frage. Bevorzugte Mischoxidkatalysatoren hierfür sind wegen ihrer Temperaturbeständigkeit Perovskite oder Hexaluminate.When Material for the second catalytic burner stage are the metal oxide catalysts with at least one of the metals lanthanum (La), cerium (Ce), praseodynium (Pr), neodynium (Nd), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), Chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or copper (Cu) in question. Preferred mixed oxide catalysts for this purpose are because their temperature resistance Perovskites or hexaluminates.

Der energietechnische Prozess der zweifachen katalytischen Verbrennung und anschließenden homogenen Verbrennung ergibt sich aus den Diagrammen der graphischen Darstellungen gemäßOf the energy-technical process of dual catalytic combustion and subsequent homogeneous Combustion results from the diagrams of the graphic representations according to

6 und 7. In diesen Diagrammen sind auf der Abszisse die Stufen n des Prozessablaufes im Hybridbrenner aufgetragen, wobei im Einzelnen das jeweilige Bezugszeichen aus 1 bzw. 4 angegeben ist. Die Ordinaten in 6 zeigen die Betriebsparameter Temperatur T in Kelvin, Äquivalenzverhältnis und Massenfluss Qm in kg/s entlang dieser Stufen. Die Graphen 51, 52 und 53 verdeutlichen die Änderungen der vorgenannten Betriebsparameter über den Prozessverlauf wobei die Graphen 54 bis 57 weitere Informationen liefern. 6 and 7 , In these diagrams, the stages n of the process flow in the hybrid burner are plotted on the abscissa, wherein in detail the respective reference symbol 1 respectively. 4 is specified. The ordinates in 6 show the operating parameters temperature T in Kelvin, equivalence ratio and mass flow Qm in kg / s along these stages. The graphs 51 . 52 and 53 illustrate the changes in the aforementioned operating parameters over the course of the process where the graphs 54 to 57 provide further information.

Aus 6 können in Verbindung mit 1 bzw. 4 folgende Aussagen abgeleitet werden: Der Mischer 15 liefert ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem Äquivalenzverhältnis von 2. Nach Abschluss der katalytischen Verbrennung in der Stufe des Brenners 17 ist der molekulare Sauerstoff der Luft vollkommen aufgebraucht, während noch Brennstoff vorhanden ist. Daher ist hier das Äquivalenzverhältnis nicht definiert.Out 6 can in conjunction with 1 respectively. 4 following statements are derived: The mixer 15 supplies a rich fuel-air mixture with an equivalence ratio of 2. After completion of the catalytic combustion in the stage of the burner 17 The molecular oxygen in the air is completely consumed while fuel is still present. Therefore, the equivalence ratio is not defined here.

Die bei der katalytischen Umsetzung freigesetzte Wärme verteilt sich auf zwei Gasströme: Das Produktgas der katalytischen Verbrennung (Massenfluss gemäß Graph 53) und die durch den Wärmetauscher 18 in engem thermischen Kontakt dazu geführte Luft (Massenfluss gemäß Graph 54). Dadurch fällt die Temperatur T gemäß Graph 51 am Ausgang der 1. Stufe des Brenners um ca. 700 K niedriger aus als ohne Kühlung, während die Luft um ca. 170 K auf eine Temperatur gemäß Graph 55 von rund 850 K aufgeheizt wird. Aufgrund des großen Massenstromes dominiert die Luft die Mischungstemperatur von rund 890 K im Mischbereich 21 der zweiten Brennerstufe. Im zweiten Brenner 20 wird in einer sehr mageren katalytischen Verbrennung (Äquivalenzverhältnis 0,125) die Temperatur auf 1215 K angehoben. Dabei wird durch den Wärmetauscher 19 gleichzeitig zusätzlicher Brennstoff mit einem Massenfluss gemäß Graph 56, der dem katalytischen Brenner 17 zugeführten vergleichbar ist, auf eine Temperatur von 1087 K gemäß Graph 57 aufgeheizt. Tatsächlich kann für den Temperaturhaushalt auch auf diese Brennstoff-Vorwärmung verzichtet werden, weil die dabei transferierten Wärmemengen weniger als 4 % der bereits umge setzten und weniger als 2 % der gesamten Wärmemenge im System betragen. In der Zone 22 für die Mischung und abschließende homogene Gasphasenverbrennung werden die zwei Massenflüsse zusammengeführt und durch eine aufgrund der guten Vorheizung sehr stabile Gasphasenverbrennung auf eine Temperatur von rund 1830 K gebracht, die optimal als Turbineneintrittstemperatur für hohen Wirkungsgrad geeignet ist.The heat released in the catalytic reaction is distributed over two gas streams: the product gas of the catalytic combustion (mass flow according to graph 53 ) and through the heat exchanger 18 in close thermal contact with guided air (mass flow according to graph 54 ). As a result, the temperature T falls according to the graph 51 at the output of the first stage of the burner by about 700 K lower than without cooling, while the air by about 170 K to a temperature according to graph 55 heated by around 850K. Due to the large mass flow, the air dominates the mixing temperature of around 890 K in the mixing area 21 the second burner stage. In the second burner 20 In a very lean catalytic combustion (equivalence ratio 0.125), the temperature is raised to 1215K. It is through the heat exchanger 19 at the same time additional fuel with a mass flow according to graph 56 , the catalytic burner 17 supplied, to a temperature of 1087 K according to graph 57 heated. In fact, can be dispensed with for the temperature budget on this fuel preheating, because the heat transferred amounts less than 4% of the already set vice and amount to less than 2% of the total amount of heat in the system. In the zone 22 for mixing and final homogeneous gas phase combustion, the two mass flows are brought together and brought by a good pre-heating very stable gas phase combustion to a temperature of about 1830 K, which is optimally suitable as a turbine inlet temperature for high efficiency.

Die Ordinate in 7 zeigt die zum Ablaufdiagramm gemäß 6 zugehörigen Konzentrationen c_i von Brennstoff- und Abgaskomponenten, insbesondere von Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser. Die Graphen 61 bis 65 verdeutlichen die Änderungen dieser einzelnen Komponenten über den Prozessverlauf gemäß Figur bzw. 4.The ordinate in 7 shows the flowchart according to 6 associated concentrations c _i of fuel and exhaust gas components, in particular of methane, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and water. The graphs 61 to 65 clarify the changes of these individual components over the course of the process according to FIG. 4 ,

Folgende Aussagen können aus 7 in Verbindung mit 1 bzw. 4 abgeleitet werden: Der ersten Stufe des katalytischen Brenners 17 wird gemäß Graph 61 Methan (CH₄) als Brennstoff zugeführt, der nur teilweise zu Kohlendioxid (CO₂) gemäß Graph 63 und Wasser (H₂O) gemäß Graph 65 verbrennt. Ein wesentlicher Teil wird in die ebenfalls brennbaren Gase Kohlenmonoxid (CO) gemäß Graph 62 und Wasserstoff (H₂) gemäß Graph 64 umgesetzt, welche die Zündtemperatur auf dem nachfolgenden katalytischen Brenner 20 stark herabsetzen. Dadurch ist trotz der mit dem Luftzusatz verbundenen starken Verdünnung, die an den Konzentrationen im Mischbereich 21 sichtbar wird, eine stabile katalytische Verbrennung im Brenner 20 möglich.The following statements may be made 7 combined with 1 respectively. 4 be derived: the first stage of the catalytic burner 17 becomes according to graph 61 Methane (CH ₄ ) supplied as fuel, which only partially to carbon dioxide (CO ₂ ) according to graph 63 and water (H ₂ O) according to graph 65 burns. A significant part is in the likewise combustible gases carbon monoxide (CO) according to graph 62 and hydrogen (H ₂ ) according to graph 64 implemented the ignition temperature on the subsequent catalytic burner 20 greatly reduce. As a result, despite the strong dilution associated with the air additive, the concentrations in the mixing zone 21 becomes visible, a stable catalytic combustion in the burner 20 possible.

Das über den Wärmetauscher 19 zugeführte reine Methan führt zu einer Anhebung der Methan-Konzentration gemäß Graph 61 im Gasphasenbrenner 22. Die übrigen Konzentrationen ändern sich dadurch jedoch aufgrund des geringen Massenflusses nicht wesentlich. Am Ausgang des Brenners 23 erhält man ein Verbrennungsabgas, das ungefähr 5,2 % CO₂ und 10,4 % H₂O enthält.That over the heat exchanger 19 supplied pure methane leads to an increase in the methane concentration according to graph 61 in the gas phase burner 22 , However, the other concentrations do not change significantly due to the low mass flow. At the exit of the burner 23 A combustion exhaust gas containing about 5.2% CO ₂ and 10.4% H ₂ O is obtained.

Eine weitere Möglichkeit der Prozessführung zeigt die 8: Hier wird zwischen der ersten katalytischen Brennerstufe 4 und der der zweiten katalytischen Brennerstufe 5 das in der ersten Stufe partiell oxidierte brennstoffreiche Gasgemisch durch einen Gasteiler 27 in Teilströme 28 und 29 aufgeteilt, die dem zweiten katalytischen Brenner 20 und dem damit im thermischen Kontakt stehenden Wärmetauscher 19 zugeführt werden. Während der Teilstrom 28 mit magerem Gemisch vermischt und vollständig katalytisch umgesetzt wird, wird der Teilstrom 29 im Nebenstrom dem Brennraum der Gasphasenverbrennung zugeführt und dort mit dem sauerstoffhaltigen Abgas der katalytischen Verbrennung gemischt und umgesetzt.Another possibility of litigation shows the 8th : Here is between the first catalytic burner stage 4 and the second catalytic burner stage 5 the partially oxidized fuel-rich gas mixture in the first stage by a gas divider 27 in sub-streams 28 and 29 split the second catalytic burner 20 and the heat exchanger in thermal contact therewith 19 be supplied. During the partial flow 28 is mixed with a lean mixture and completely catalytically reacted, the partial flow 29 supplied in the side stream to the combustion chamber of the gas phase combustion and mixed there with the oxygen-containing exhaust gas of the catalytic combustion and implemented.

Im Rahmen der vorstehend anhand einzelner Beispiele beschriebenen Erfindung sind auch andere Realisierungsformen des Brenneraufbaus – als in den 2 und 3 bzw. 5 dargestellt – möglich: So kann z.B. bei den dort dargestellten Beispielen auf die vorgelagerten Mischer verzichtet werden, indem in den Gasräumen 36 und 37 reines Brenngas und reine Luft verwendet werden, wobei die Luft im Gasraum 37 mit etwas höherem Druck bereitgestellt wird als das Brenngas im Gasraum 36. Versieht man die Katalysatorröhrchen 33 im Eingangsbereich mit feinen Öffnungen zum Gasraum 37 hin, so kann der kleine Teil der Luft, der für die partielle Oxidation benötigt wird, in diese Röhrchen eintreten. Der verbleibende, wesentlich größere Luftstrom wird über die Kanäle 32 der zweiten katalytischen Brennerstufe der mageren katalytischen Verbrennung und der nachfolgenden Gasphasenverbrennung zugeführt.In the context of the invention described above by means of individual examples, other embodiments of the burner structure - as in the 2 and 3 respectively. 5 shown - possible: Thus, for example, in the examples shown there can be dispensed on the upstream mixer by in the gas chambers 36 and 37 Pure fuel gas and pure air are used, with the air in the gas space 37 is provided with slightly higher pressure than the fuel gas in the gas space 36 , Do you put the catalyst tubes 33 in the entrance area with fine openings to the gas space 37 Thus, the small portion of the air needed for partial oxidation may enter these tubes. The lead Bende, much larger airflow is through the channels 32 the second catalytic burner stage of the lean catalytic combustion and the subsequent gas phase combustion supplied.

Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Mischzone 21 der zweiten Stufe des katalytischen Brenners dadurch vorgelagert wird, dass die Röhrchen 33 nicht mehr in die Kanäle 32 hineinragen sondern bereits ein Stück weit vor den Kanälen enden. Dadurch wird eine turbulente Durchmischung der Gasströme initiiert, die durch Bereitstellung turbulenzerzeugender Strukturen noch verstärkt werden kann.Furthermore, it is possible within the scope of the invention that the mixing zone 21 preceded by the second stage of the catalytic burner, that the tubes 33 no longer in the channels 32 protrude but end a little way in front of the canals. As a result, a turbulent mixing of the gas streams is initiated, which can be enhanced by providing turbulence-generating structures.

Claims

Method for burning a gaseous fuel with air, in which combustion takes place in several, preferably three, individual stages expires, in which - one each catalytic combustion in the first two stages - and in another stage involves homogeneous gas phase combustion, With following process steps: - the first and the second Stage are each a rich and a lean fuel-air mixture supplied and there catalytically burned, where - in the first stage of the catalytic Combustion is carried out a partial oxidation of the first, rich mixture and the second, lean mixture is conducted in the side stream, and wherein - in the second stage that coming from the first stage, partially oxidized rich mixture and fed in the bypass lean mixture with each other in a lean catalytic combustion, - in the third stage, a fuel-containing mixture with the the second stage exiting exhaust gas of the lean catalytic combustion mixed and completely reacted in a homogeneous, lean gas phase combustion.

Method according to claim 1, characterized in that that the catalytic combustion in the first stage of the catalytic Combustion is thermally decoupled from the second stage.

Method according to claim 2, characterized in that that as fuel a hydrocarbon is used and the Product gas of partial oxidation in the first stage hydrogen and carbon monoxide as combustible components.

Method according to claim 3, characterized that the fuel-air mixtures supplied to the catalytic burner stages in an upstream mixing stage of fuel gas and compressed air be generated.

Method according to claim 3, characterized that the mixture formation of fuel gas, air and product gases respectively previous stages in each stage (a hybrid burner) takes place.

Method according to claim 3, characterized that for the production of the lean fuel-air mixture a part of the rich fuel-air mixture is used.

Method according to Claim 6, characterized that the stoichiometry of the lean fuel-air mixture by air supply depending from stoichiometry of the rich fuel-air mixture.

Method according to one of claims 3 to 7, characterized that part of the fuel-rich mixture before the first stage is branched off and passed in a side stream to the catalytic combustion and that this part of the fuel-rich mixture of the third Stage as a fuel-containing mixture for gas phase combustion supplied becomes.

Method according to one of claims 3 to 7, characterized that part of the first stage by partial oxidation branched product gas and branched off to the second Level led and that this part of the product gas of the third stage as Fuel-containing mixture for the gas phase combustion supplied becomes.

Method according to one of claims 3 to 7, characterized that the third stage as a fuel-containing mixture for gas phase combustion supplied pure fuel gas becomes.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the second stage of the catalytic burner as lean gas mixture air is supplied.

Method according to one of the preceding claims, characterized in use with an industrial gas turbine.

A device designed as a hybrid burner for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 12, wherein at least one catalytic burner with parallel channels is present, characterized in that at least two groups (I, II) of the channels ( 32 . 33 ) are catalytically coated and at least one further group (III) of channels ( 34 ) is uncoated.

Apparatus according to claim 13, characterized ge indicates that the two groups (I, II) of catalytically coated channels ( 32 . 33 ) a two-stage catalytic burner ( 3 ) with a level ( 17 ) for the partial catalytic oxidation of a rich fuel-air mixture and a stage ( 20 ) for the catalytic combustion of a lean fuel-air mixture.

Apparatus according to claim 14, characterized in that the two-stage catalytic burner ( 3 ) from a bundle of tubes ( 33 ) with an open end for the first stage and a monolithic carrier ( 31 ) with parallel channels ( 32 ) for the second stage, with one tube each ( 33 ) in an open channel ( 32 ) of the monolithic carrier ( 31 ) protrudes.

Device according to claim 15, characterized in that between the outside of each individual tube ( 33 ) and the inside of the channel ( 32 ) a gap for the supply of gas is present.

Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that two gas spaces ( 36 . 37 ), of which a first gas space ( 36 ) on the inlet side with the tubes ( 33 ) and a second gas space ( 37 ) on the inlet side with the channels ( 32 ) of the monolithic body ( 31 ) keep in touch.

Device according to claim 17, characterized in that the tubes ( 33 ) from the inside with a layer of a first catalytically active material (catalyst material 1 ) are provided.

Device according to claim 18, characterized in that that the first catalyst metal at least one of the metals platinum (Pt), palladium (Pd) or rhodium (Rh).

Device according to claim 17, characterized in that the channels ( 32 ) of the monolithic carrier ( 31 ) from the inside with a layer of a second catalytically active material (catalyst material 2 ) are provided.

Device according to claim 20, characterized in that that the second catalytic material is an oxide of one or more Contains metals, preferably the oxides of lanthanum (La), cerium (Ce), praseodynium (Pr), neodynium (Nd), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), Chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) or Copper (Cu).

Device according to one of claims 13 to 21, characterized in that parallel to at least one stage of the catalytic burner ( 3 ) Cables ( 25 . 26 . 29 ) are present for fuel or for a rich fuel-air mixture.

Apparatus according to claim 22, characterized in that a line ( 25 ) is present for fuel-rich gas mixture, wherein the line ( 25 ) runs in the secondary flow to both catalytic burners and the output side in the burner ( 6 ) for the gas phase combustion.

Apparatus according to claim 22, characterized in that a line ( 26 ) is present for fuel, the line ( 26 ) runs in the secondary flow to both catalytic burners and the output side in the burner ( 6 ) for the gas phase combustion.

Apparatus according to claim 22, characterized in that a line ( 29 ) in the first stage of the catalytic burner ( 4 ) partially oxidized fuel is present, the line ( 29 ) on the output side in the burner ( 6 ) for the gas phase combustion.