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WO2004020901A1 - Hybridbrenner und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

Hybridbrenner und zugehöriges betriebsverfahren Download PDF

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WO2004020901A1
WO2004020901A1 PCT/CH2003/000436 CH0300436W WO2004020901A1 WO 2004020901 A1 WO2004020901 A1 WO 2004020901A1 CH 0300436 W CH0300436 W CH 0300436W WO 2004020901 A1 WO2004020901 A1 WO 2004020901A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
partial oxidation
oxidizer
hybrid burner
oxidation catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH2003/000436
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Carroni
Timothy Griffin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG, Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Technology AG
Priority to EP03729789.2A priority Critical patent/EP1532394B1/de
Priority to AU2003240374A priority patent/AU2003240374A1/en
Publication of WO2004020901A1 publication Critical patent/WO2004020901A1/de
Priority to US11/066,735 priority patent/US7717700B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/02—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by arrangements for starting the operation, e.g. for heating the catalytic material to operating temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/02—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in parallel arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/03002—Combustion apparatus adapted for incorporating a fuel reforming device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13002—Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase

Definitions

  • the invention relates to a hybrid burner for a combustion chamber, in particular a power plant.
  • the invention also relates to a method for operating such a hybrid burner.
  • a method for combustion stabilization in which a conventional premix burner is supplied with a fuel-oxidizer mixture and the ignited mixture is introduced into a combustion chamber of a combustion chamber for complete combustion.
  • another fuel-oxidizer mixture is fed to a catalyst that contains a water generated exhaust gas.
  • This hydrogen-containing exhaust gas is then injected directly into the combustion chamber, specifically in zones that are particularly suitable for flame stabilization.
  • No. 6,358,040 B1 shows a method in which a hydrogen-containing exhaust gas can be generated from a rich fuel-oxidizer mixture by means of a catalyst.
  • This hydrogen-containing exhaust gas is diluted with preheated oxidizer to such an extent that a lean fuel-oxidizer mixture is formed which burns completely in a subsequent burner stage.
  • EP 0 710 797 B1 shows a premix burner, in the head of which a lance is arranged. This lance contains a catalyst at its outlet end.
  • the invention deals with the problem of specifying an improved embodiment for a burner or for an associated operating method.
  • a way for such a burner is to be shown to combine a comparatively low-emission catalytic combustion with a chemical flame stabilization in the combustion chamber.
  • the invention is based on the general idea of designing the burner as a hybrid burner, in that the burner comprises a full oxidation catalyst on the one hand and a partial oxidation catalyst on the other, which are accommodated in a common housing so that they can be flowed through in parallel.
  • a partial oxidation catalyst is used Understand catalyst that is designed so that it does not fully oxidize at least a portion of the fuel to CO 2 and H 2 0 in a supplied rich fuel-oxidizer mixture, but only partially, that is, partially to H 2 and CO. It is clear that a different proportion of fuel can also be fully implemented. As a rule, the partial conversion of fuel in the partial oxidation catalytic converter should clearly predominate.
  • a partial oxidation catalyst works with rhodium, for example.
  • the pre-oxidation catalytic converter is designed in such a way that in a supplied lean fuel-oxidizer mixture, a predominant portion of the fuel is regularly completely oxidized or converted to CO 2 and H 2 O.
  • a pre-oxidation catalyst works with palladium, for example.
  • This design makes it possible, in particular, to supply the partial oxidation catalyst with a rich fuel-oxidizer mixture which can be partially oxidized at comparatively low temperatures.
  • This partial oxidation generates heat, which can be used to heat the full oxidation catalyst, so that the ignition temperature for a lean fuel-oxidizer mixture can also be reached comparatively quickly there.
  • the catalytic combustion in the hybrid burner according to the invention can thus be started relatively easily and runs comparatively stably.
  • the partial oxidation catalyst is expediently designed in such a way, e.g. as a lance or in a lance that it discharges its exhaust gases into a central recirculation zone that forms in the combustion chamber.
  • a lance or in a lance that it discharges its exhaust gases into a central recirculation zone that forms in the combustion chamber.
  • the partial oxidation catalytic converter is supplied with a rich fuel-oxidizer mixture, its exhaust gas also has an excess fuel, so that the injection or introduction of this rich exhaust gas into the recirculation zone leads to chemical flame stabilization. This effect can be increased considerably if the partial oxidation catalytic converter is designed in such a way that it generates a hydrogen-containing exhaust gas.
  • the catalytic converter gated volume flows of the fuel-oxidizer mixtures are varied in terms of their fuel content, such that during the course of the starting procedure the fuel portion in the volume stream of the first fuel-oxidizer mixture supplied to the partial oxidation catalyst decreases, while the fuel portion in the volume stream of the second fuel oxidation catalyst supplied Oxidator mixture increases.
  • This procedure takes into account the fact that the partial oxidation of a rich first fuel-oxidizer mixture in the partial oxidation catalyst starts at lower temperatures and proceeds more stably than the full oxidation of the lean second fuel-oxidizer mixture in the pre-oxidation catalyst.
  • the partial oxidation which has started can give off heat to the pre-oxidation catalytic converter, as a result of which the latter quickly heats up and accordingly the conversion in the second fuel-oxidizer mixture starts.
  • the full oxidation catalyst is started up, the heat emission from the partial oxidation catalyst stabilizes the combustion reaction.
  • the partial oxidation catalyst pilot can be deactivated, for which purpose it is necessary to stop the supply of oxidizer before switching off the fuel supply, it being possible in principle to purge with an inert gas, for example N 2 .
  • the fuel proportions in the volume flows of the fuel-oxidizer mixtures are preferably varied during the starting procedure as a function of an inlet temperature of the hybrid burner.
  • a hybrid burner 1 according to the invention has a housing 2 which is connected on the input side to an oxidizer feed 3 symbolized by an arrow and to two separately controllable fuel feeds 4 and 5.
  • natural gas is used as fuel, although other fuels are also possible in principle.
  • the housing 2 is connected via a sudden cross-sectional expansion 6 to a combustion chamber 7, which contains a combustion chamber 8.
  • the combustion chamber 7 expediently supplies the hot exhaust gases generated with the aid of the hybrid burner 1 to a gas turbine of a power plant.
  • the hybrid burner 1 has a pre-oxidation catalytic converter 9 and a partial oxidation catalytic converter 10, both of which are arranged in the housing 2, such that they can be flowed through in parallel.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 is designed such that when it flows through a supplied first fuel-oxidizer mixture 11 symbolized by an arrow, at least if it is a rich fuel-oxidizer mixture, it only partially oxidizes the fuel performs.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 is expediently designed such that its exhaust gas 12 symbolized by an arrow contains hydrogen.
  • the rich fuel-oxidizer mixture has z. B. a fuel / oxidizer ratio of ⁇ ⁇ 1 and preferably of ⁇ ⁇ 0.5.
  • the pre-oxidation catalytic converter 9 is designed in such a way that when it flows through it, a second fuel-oxidizer mixture 13, which is symbolized by arrows, is essentially completely oxidized, at least if it is a lean fuel-oxidizer mixture Exhaust gas 14 symbolized by arrows has an oxidizer excess.
  • the lean fuel-oxidizer mixture has e.g. a fuel / oxidizer ratio of ⁇ > 1 and in particular of ⁇ > 2.
  • the two catalysts 9, 10 are expediently coupled to one another in a heat-transferring manner.
  • the pre-oxidation catalytic converter 9 is arranged in a ring and coaxially around the centrally arranged partial oxidation catalytic converter 10.
  • the catalysts 9, 10 can each have a cylindrical outer contour.
  • Each catalytic converter 9, 10 expediently consists of a catalytic converter body which contains a multiplicity of channels through which parallel flow can occur, the walls of which are catalytically active.
  • the centrally arranged partial oxidation catalytic converter 10 is designed here as a central lance. Accordingly, an outlet end 15 of this lance or of the partial oxidation catalytic converter 10 is positioned in the housing 2 downstream of an outlet end 16 of the full oxidation catalytic converter 9.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 can also be made shorter than the pre-oxidation catalytic converter 9. The outlet end of the partial oxidation catalytic converter 10 is then located upstream of the outlet end 16 of the full oxidation catalytic converter 9. At the same time, it is possible for the outlet end 15 of the then “empty” lance to be positioned in the housing 2 downstream of the outlet end 16 of the full oxidation catalytic converter 9.
  • the configuration of the partial oxidation catalytic converter 10 as a lance simplifies a targeted introduction of the exhaust gases 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 into certain zones within the combustion chamber 8.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 is preferably, e.g. by a corresponding alignment of the lance, so designed that it introduces its exhaust gas 12 into a central recirculation zone 17 which forms in the combustion chamber 8.
  • the combustion in the recirculation zone 17 can be better stabilized by this measure.
  • a stable recirculation zone 17 in turn results in the stabilization of a flame front 18 in the combustion chamber 8.
  • the formation of such a recirculation zone 17 is promoted, for example, with the aid of the cross-sectional jump 6.
  • the combustion chamber 7 works with a so-called “vortex breakdown”, in which a vortex generated in the hybrid burner 1 bursts due to the cross-sectional widening 6 when transitioning into the combustion chamber 8.
  • a swirl generator 19 can be arranged in the housing 2. It is also possible to integrate such a swirl generator into the pre-oxidation catalyst 9. For example, this can be achieved by appropriately orienting the channels of the full oxidation catalyst 9.
  • Such a swirl generator can in principle also be used for the partial oxidation catalyst 10 downstream or integrated into this.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 By introducing or injecting the exhaust gases 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 into the recirculation zone 17, the partial oxidation catalytic converter 10 has a kind of pilot function for initiating and stabilizing the flame front 18.
  • the hybrid burner 1 according to the invention works as follows:
  • a starting procedure is carried out to start the hybrid burner 1.
  • the two catalysts 9, 10 are fed via the oxidizer feed 3, a common oxidizer stream 20 symbolized by arrows, which is divided as a function of the cross-sectional areas and flow resistances between the two catalysts 9, 10.
  • the volume flow of the oxidizer flow 20 can be kept substantially constant during the starting procedure.
  • the first fuel-oxidizer mixture 11 is generated in that a corresponding first fuel volume flow is supplied to the partial oxidation catalytic converter 10 via the first fuel feed 4.
  • the second fuel-oxidizer mixture 13 can be generated by the second fuel feed 5 feeding a second fuel volume flow to the pre-oxidation catalyst 9.
  • the volume flow ratios in the two fuel-oxidizer mixtures 11, 13, that is, the ratio of the fuel portion to the oxidizer portion in the volume flow, are varied.
  • the proportion of fuel in the volume flow of the first fuel-oxidizer mixture 11 decreases from a maximum value to a minimum value during the starting procedure. This minimum value cannot become arbitrarily small, since the first fuel-oxidizer mixture 11 must remain rich in order to avoid overheating and destruction of the partial oxidation catalytic converter 10.
  • an inert gas such as, for example, N 2 .
  • the partial oxidation catalytic converter 10 working as a pilot can also remain switched on during the entire operation of the hybrid burner 1, that is to say also in normal or nominal operation.
  • the oxidizer feed can also be reduced to low values.
  • the proportion of fuel in the volume flow of the second fuel-oxidizer mixture 13 increases during the starting procedure from a minimum value, which can also be zero, to a maximum value.
  • the variation of the volume flow ratios in the two fuel-oxidizer mixtures 11, 13 mainly takes place in that the individual fuel volume flows, which pass through the first fuel feed 4 or the second fuel feed 5 to the catalysts 9,
  • volume flow of the oxidizer stream 20 can also be increased when the system is started up, but this affects both fuel-oxidizer mixtures 11, 13. It is clear that in principle a different procedure for varying the volume flow ratios in the fuel-oxidizer mixtures 11, 13 is also possible, e.g. flow through adjustable oxidizer currents with constant fuel.
  • the volume flows of the fuel-oxidizer mixtures 11, 13 are varied depending on an inlet temperature of the hybrid burner 1. At the beginning of the starting procedure, this inlet temperature has its lowest value, so that the volume flow of the first fuel-oxidizer mixture
  • the first fuel-oxidizer mixture 11 assumes its maximum value, while the volume flow of the second fuel-oxidizer mixture 13 has its minimum value.
  • the first fuel-oxidizer mixture 11 is advantageously chosen so that a first oxidizer fuel ratio ⁇ -i has a value less than 1, preferably less than 1/2, such that the partial oxidation catalyst 10, a rich fuel-oxidizer mixture 11 is supplied.
  • the catalytic reaction in the partial oxidation catalytic converter 10 can already be started at a relatively low temperature. This reaction generates heat, which the partial oxidation catalytic converter 10 radiates into its surroundings on the one hand and, on the other hand, emits it to the pre-oxidation catalytic converter 9 via the heat coupling.
  • the temperature of the full oxidation catalytic converter 9 can be raised relatively quickly.
  • the inlet temperature of the hybrid burner 1 correlates with this.
  • the second fuel-oxidizer mixture 13 is expediently selected such that a second fuel-oxidizer ratio ⁇ 2 is present which is greater than 1, advantageously even greater than 2, so that a lean fuel-oxidizer mixture 13 is present.
  • a lean fuel-oxidizer mixture 13 has a higher ignition temperature, which is reached relatively quickly due to the preheating by the partial oxidation catalytic converter 10, so that the catalytic reaction in the pre-oxidation catalytic converter 9 can also be started. This reaction also generates heat, which further heats up the catalysts 9, 10 and thus the hybrid burner 1.
  • the fuel fraction in the volume flow ratio of the first fuel-oxidizer mixture 11 is further reduced, while the fuel fraction in the volume flow ratio of the second fuel-oxidizer mixture 13 is further increased.
  • the fuel fraction in the volume flow ratio of the first fuel-oxidizer mixture 11 has its minimum value and the fuel fraction in the volume flow ratio of the second fuel-oxidizer mixture 13 has its maximum value.
  • the first fuel volume flow can decrease with a decreasing relative proportion in the volume flow of the first fuel-oxidizer mixture 11 and then increase again or remain constant, or remain constant or increase from the beginning, since the absolute oxidizer volume flow generally increases when starting up.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 can continue to be supplied with a rich mixture 11, for example in order to reduce acoustic pulsations which are disruptive due to chemical stabilization.
  • the fuel is expediently mixed in such a way that the exhaust gases 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 and the exhaust gases 14 of the full oxidation catalytic converter 9 generate a lean exhaust gas mixture overall, which can burn in the combustion chamber 8 with low emissions.
  • the first fuel supply 4 can be configured such that a supply of preheated fuel results for the partial oxidation catalytic converter 10. 2 and 3 show examples of an embodiment of the first fuel feed 4, which enable sufficient preheating of the fuel.
  • the first fuel supply 4 can have a heat exchanger 22.
  • This heat exchanger 22 has, on the one hand, a fuel path and, on the other hand, an oxidizer path, the fuel path and oxidizer path being coupled to one another in a heat-transferring manner.
  • the oxidizer can give off heat to the fuel.
  • the heat exchanger 22 is implemented by a helical line section of the first fuel feed 4, to which the oxidizer flow 20 is applied on its outside.
  • the fuel path is thus inside the screw section, while the oxidizer path is formed by the outside of the screw section. It is also possible to preheat the fuel for the partial oxidation catalytic converter 10 in another way, in particular electrically.
  • sufficient preheating of the fuel is achieved in that the fuel is introduced into the oxidizer stream 20 relatively far upstream of the partial oxidation catalytic converter 10, so that the fuel introduced up to the inlet of the partial oxidation catalytic converter 10 is so far with the oxidizer mixes that there is a temperature equalization between the currents.
  • the desired fuel heating can be achieved.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 is extended on its inlet side with a feed channel 23 against the flow direction in order to obtain a sufficiently long mixing section for the fuel fed via the first fuel feed 4 and the oxidizer stream 20. It is clear that the measures shown in FIGS. 2 and 3 for preheating the fuel supplied to the partial oxidation catalytic converter 10 can also be combined with one another.
  • the hybrid burner 1 in the embodiments of FIGS. 1 to 3 is designed such that the reactive exhaust gases 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 can be introduced into the central recirculation zone 17 of the combustion chamber 7.
  • FIG. 4 now shows an embodiment in which the hybrid burner 1 is designed such that the exhaust gases 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 can also be introduced into a dead water zone 21, which can form in the combustion chamber 8 in the area of the cross-sectional expansion 6.
  • the dead water zone 21 is symbolized here by arrows which are intended to represent an annular vortex roller.
  • the partial oxidation catalytic converter 10 in the variant according to FIG. 4 is designed in such a way that it surrounds the centrally arranged pre-oxidation catalytic converter 9 radially on the outside, in particular in a ring shape.
  • the housing 12 contains an exhaust gas path 24 downstream of the partial oxidation catalytic converter 10, which begins at the outlet end 15 of the partial oxidation catalytic converter 10 and ends at the inlet of the combustion chamber 8.
  • the exhaust gas path 24 contains a main channel 24b, which extends substantially axially, that is in the main flow direction.
  • a plurality of secondary channels 24a branch off from the main channel 24b, which lead to the cross-sectional widening 6 and open into the combustion chamber 8 in the region of the dead water zone 21.
  • the exhaust gas 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 can be divided into a main stream 12b, which follows the main channel 24b, and a secondary stream 12a, which flows through the secondary channels 24a. Consequently, part of the exhaust gases 12 of the partial oxidation catalytic converter 10 can be introduced into the dead water zone 21.
  • the main stream 12b can be at least partially introduced into the recirculation zone 17 by appropriate shaping of the main channel 24b, in particular in connection with suitable flow guiding means.
  • the exhaust gas 12b of the partial oxidation catalytic converter 10 can, however, in principle be directed to any point that appears expedient for such an exhaust gas supply, in particular the central and the lateral recirculation zones 17 and 21.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridbrenner (1) für eine Brennkammer (7), insbesondere einer Kraftwerksanlage, umfassend ein Gehäuse (2), in dem ein Volloxidationskatalysator (9) und ein Teiloxidationskatalysator (10) angeordnet sind. Eine Eingangsseite des Gehäuses (2) ist an wenigstens eine Oxidatorzuführung (3) und an wenigstens eine Brennstoffzuführung (4, 5) angeschlossen. Eine Ausgangsseite des Gehäuses (2) ist an eine Brennkammer (7) angeschlossen.

Description

Hybridbrenner und zugehöriges Betriebsverfahren
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Hybridbrenner für eine Brennkammer, insbesondere einer Kraftwerksanlage. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Hybridbrenners.
Stand der Technik
Aus der EP 0 767 345 A2 ist es grundsätzlich bekannt, mit Hilfe eines Wasserstoff-Generators aus einem Brennstoff-Oxidator-Gemisch ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen und dieses einem Brennstoff-Oxidator-Gemisch beizumischen. Durch den Wasserstoff erhöht sich die Reaktivität des Brennstoff-Oxidator- Gemischs, wodurch die Verbrennung in einer katalytischen Brennerstufe verbessert werden kann. Der hierbei verwendete Wasserstoff-Generator fraktioniert den zugehörigen Brennstoff und erzeugt dadurch den Wasserstoff vorzugsweise mit Hilfe eines Katalysators.
Aus der EP 0 849 451 A2 ist ein Verfahren zur Verbrennungsstabilisierung bekannt, bei dem ein üblicher Vormischbrenner mit einem Brennstoff-Oxidator- Gemisch versorgt und das gezündete Gemisch in einem Brennraum einer Brennkammer zur vollständigen Verbrennung eingeleitet wird. Parallel dazu wird ein anderes Brennstoff-Oxidator-Gemisch einem Katalysator zugeführt, der ein Wasser- stoff enthaltendes Abgas erzeugt. Dieses wasserstoffhaltige Abgas wird dann direkt in den Brennraum eingedüst, und zwar in Zonen, die in besonderer weise für eine Flammenstabilisierung geeignet sind.
Die US 6,358,040 B1 zeigt ein Verfahren, bei dem aus einem fetten Brennstoff- Oxidator-Gemisch mittels eines Katalysators ein Wasserstoff enthaltendes Abgas erzeugt werden kann. Dieses wasserstoffhaltige Abgas wird mit vorgeheiztem Oxidator so weit verdünnt, dass ein mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch entsteht, das in einer nachfolgenden Brennerstufe vollständig verbrennt.
Die EP 0 710 797 B1 zeigt einen Vormischbrenner, in dessen Kopf eine Lanze angeordnet ist. Diese Lanze enthält an ihrem Austrittsende einen Katalysator.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Brenner bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben. Insbesondere soll für einen solchen Brenner ein Weg aufgezeigt werden, eine vergleichsweise emissionsarme kataly- tische Verbrennung mit einer chemischen Flammenstabilisierung im Brennraum zu kombinieren.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Brenner als Hybridbrenner auszubilden, indem der Brenner zum einen einen Volloxdiationskatalysa- tor und zum anderen einen Teiloxidationskatalysator umfasst, die in einem gemeinsamen Gehäuse so untergebracht sind, dass sie parallel durchströmbar sind. Im vorliegenden Zusammenhang wird unter einem Teiloxidationskatalysator ein Katalysator verstanden, der so gestaltet ist, dass er in einem zugeführten fetten Brennstoff-Oxidator-Gemisch zumindest einen Anteil des Brennstoffs nicht vollständig zu C02 und H20 oxidiert, sondern nur teilweise, also partiell zu H2 und CO oxidiert. Es ist klar, dass dabei auch ein anderer Brennstoffanteil vollständig umgesetzt werden kann. Dabei soll in der Regel der nur partiell umgesetzte Brennstoffanteil beim Teiloxidationskatalysator deutlich überwiegen. Ein Teiloxidationskatalysator arbeitet z.B. mit Rhodium. Im Unterschied dazu ist der VoUoxidationskatalysator so gestaltet, dass in einem zugeführten mageren Brennstoff-Oxidator- Gemisch regelmäßig ein überwiegender Brennstoffanteil vollständig zu CO2 und H20 oxidiert oder umgesetzt wird. Ein VoUoxidationskatalysator arbeitet z.B. mit Palladium.
Durch diese Bauweise ist es insbesondere möglich, dem Teiloxidationskatalysator ein fettes Brennstoff-Oxidator-Gemisch zuzuführen, das bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen partiell oxidiert werden kann. Diese partielle Oxidation erzeugt Wärme, die zur Erwärmung des Volloxidationskatalysators verwendet werden kann, so dass auch dort vergleichsweise rasch die Zündtemperatur für ein mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch erreicht werden kann. Die katalytische Verbrennung im erfindungsgemäßen Hybridbrenner kann somit relativ einfach gestartet werden und läuft vergleichsweise stabil.
Zweckmäßig ist der Teiloxidationskatalysator so ausgebildet, z.B. als Lanze oder in einer Lanze, dass er seine Abgase in eine zentrale Rezirkulationszone einleitet, die sich im Brennraum ausbildet. Sofern der Teiloxidationskatalysator mit einem fetten Brennstoff-Oxidator-Gemisch versorgt wird, besitzt auch sein Abgas einen Brennstoffüberschuß, so dass die Eindüsung oder Einleitung dieses fetten Abgases in die Rezirkulationszone zu einer chemischen Flammenstabilisierung führt. Dieser Effekt kann erheblich gesteigert werden, wenn der Teiloxidationskatalysator so ausgebildet ist, dass er ein wasserstoffhaltiges Abgas erzeugt.
Von besonderem Interesse ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der während einer Startprozedur zum Starten des Hybridbrenners die durch die Katalysa- toren geleiteten Volumenströme der Brennstoff-Oxidator-Gemische hinsichtlich ihres Brennstoffgehalts variiert werden, derart, dass im Verlauf der Startprozedur der Brennstoffanteil im Volumenstrom des dem Teiloxidationskatalysator zugeführten ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs abnimmt, während der Brennstoffanteil im Volumenstrom des dem VoUoxidationskatalysator zugeführten zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs zunimmt. Durch diese Vorgehensweise wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die partielle Oxidation eines fetten ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs im Teiloxidationskatalysator bei kleineren Temperaturen startet und stabiler abläuft als die Volloxidation des mageren zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs im VoUoxidationskatalysator. Die gestartete partielle Oxidation kann Wärme an den VoUoxidationskatalysator abgeben, wodurch dieser sich rasch erwärmt und dementsprechend die Konvertierung im zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemisch startet. Beim Hochfahren des Volloxidationskatalysators stabilisiert die Wärmeabgabe des Teiloxidationskatalysators die Verbrennungsreaktion.
Bei dieser Vorgehensweise ist klar, dass der Brennstoffanteil im Volumenstrom des dem Teiloxidationskatalysator zugeführten fetten ersten Brennstoff-Oxidator- Gemischs nicht beliebig reduziert werden kann, da sonst das Brennstoff-Oxidator- Verhältnis λ zu groß werden würde, mit der Folge einer Überhitzung. Der Teiloxidationskatalysator dient dabei als Pilot und kann permanent aktiv sein, beispielsweise bei einem λ = 0,5. Alternativ kann der Teiloxidationskatalysator-Pilot deaktiviert werden, wozu es erforderlich ist, vor dem Ausschalten der Brennstoffzuführung die Oxidatorzuführung zu stoppen, wobei es grundsätzlich möglich ist, mit einem Inertgas, z.B. N2, zu spülen.
Vorzugsweise werden die Brennstoffanteile in den Volumenströmen der Brennstoff-Oxidator-Gemische während der Startprozedur in Abhängigkeit einer Einlaßtemperatur des Hybridbrenners variiert. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 bis 4 jeweils einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hybridbrenner, jedoch bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 besitzt ein erfindungsgemäßer Hybridbrenner 1 ein Gehäuse 2, das eingangsseitig an eine durch einen Pfeil symbolisierte Oxidatorzuführung 3 sowie an zwei separat steuerbare Brennstoffzuführungen 4 bzw. 5 angeschlossen ist. In der Regel wird hierbei Erdgas als Brennstoff verwendet, wobei grundsätzlich auch andere Brennstoffe möglich sind. An seinem Ausgang ist das Gehäuse 2 über eine sprungartige Querschnittserweiterung 6 an eine Brennkammer 7 angeschlossen, die einen Brennraum 8 enthält. Zweckmäßig führt die Brennkammer 7 die mit Hilfe des Hybridbrenners 1 erzeugten heißen Abgase einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage zu.
Erfindungsgemäß weist der Hybndbrenner 1 einen VoUoxidationskatalysator 9 und einen Teiloxidationskatalysator 10 auf, die beide im Gehäuse 2 angeordnet sind, derart, dass sie parallel durchströmbar sind. Der Teiloxidationskatalysator 10 ist so ausgestaltet, dass er bei seiner Durchströmung mit einem zugeführten, durch einen Pfeil symbolisierten ersten Brennstoff-Oxidator-Gemisch 11 , zumindest wenn es sich dabei um ein fettes Brennstoff-Oxidator-Gemisch handelt, nur eine Teiloxi- dation des Brennstoffs durchführt. Zweckmäßig ist der Teiloxidationskatalysator 10 so gestaltet, dass sein durch einen Pfeil symbolisiertes Abgas 12 Wasserstoff enthält. Das fette Brennstoff-Oxidator-Gemisch hat z. B. ein Brennstoff/Oxidator- Verhältnis von λ < 1 und vorzugsweise von λ < 0,5.
Im Unterschied dazu ist der VoUoxidationskatalysator 9 so ausgebildet, dass er bei seiner Durchströmung ein zugeführtes, durch Pfeile symbolisiertes zweites Brennstoff-Oxidator-Gemisch 13, zumindest wenn es sich um ein mageres Brennstoff- Oxidator-Gemisch handelt, im wesentlichen vollständig oxidiert, wobei sein durch Pfeile symbolisiertes Abgas 14 einen Oxidator-Überschuss aufweist. Das magere Brennstoff-Oxidator-Gemisch hat z.B. ein Brennstoff/Oxidator-Verhältnis von λ > 1 und insbesondere von λ > 2.
Die beiden Katalysatoren 9, 10 sind zweckmäßig wärmeübertragend miteinander gekoppelt. Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist der VoUoxidationskatalysator 9 ringförmig und koaxial um den zentral angeordneten Teiloxidationskatalysator 10 angeordnet. Die Katalysatoren 9, 10 können dabei jeweils eine zylindrische Außenkontur aufweisen. Zweckmäßig besteht jeder Katalysator 9, 10 aus einem Katalysatorkörper, der eine Vielzahl parallel durchströmbarer Kanäle enthält, deren Wände katalytisch aktiv sind.
Der zentral angeordnete Teiloxidationskatalysator 10 ist hier als zentrale Lanze ausgebildet. Dementsprechend ist ein Austrittsende 15 dieser Lanze bzw. des Teiloxidationskatalysators 10 stromab eines Austrittsendes 16 des Volloxidations- katalysators 9 im Gehäuse 2 positioniert. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Teiloxidationskatalysator 10 auch kürzer ausgestaltet sein, als der VoUoxidationskatalysator 9. Das Austrittsende des Teiloxidationskatalysators 10 liegt dann stromauf des Austrittsendes 16 des Volloxidationskatalysators 9. Gleichzeitig ist es möglich, dass Austrittsende 15 der dann „leeren" Lanze nach wie vor stromab des Austrittsendes 16 des Volloxidationskatalysators 9 im Gehäuse 2 zu positionieren.
Die Ausgestaltung des Teiloxidationskatalysators 10 als Lanze vereinfacht eine gezielte Einleitung der Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 in bestimmte Zonen innerhalb des Brennraums 8. Vorzugsweise ist der Teiloxidationskatalysator 10, z.B. durch eine entsprechende Ausrichtung der Lanze, so gestaltet, dass er sein Abgas 12 in eine zentrale Rezirkulationszone 17 einleitet, die sich im Brennraum 8 ausbildet. Durch diese Maßnahme kann die Verbrennung in der Rezirkulationszone 17 besser stabilisiert werden. Eine stabile Rezirkulationszone 17 hat ihrerseits eine Stabilisierung einer Flammenfront 18 im Brennraum 8 zur Folge. Die Ausbildung einer solchen Rezirkulationszone 17 wird beispielsweise mit Hilfe des Querschnittssprungs 6 begünstigt. Beispielsweise arbeitet die Brennkammer 7 mit einem sogenannten „vortex-breakdown", bei dem ein im Hybridbrenner 1 erzeugter Wirbel beim Übergang in den Brennraum 8 aufgrund der Querschnittserweite-, rung 6 aufplatzt. Zur Erzeugung eines solchen Wirbels, kann - wie hier - stromab des Volloxidationskatalysators 9 ein Drallerzeuger 19 im Gehäuse 2 angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, einen derartigen Drallerzeuger bereits in den VoUoxidationskatalysator 9 zu integrieren. Beispielsweise kann dies durch eine entsprechende Orientierung der Kanäle des Volloxidationskatalysators 9 realisiert werden. Ein solcher Drallerzeuger kann grundsätzlich auch dem Teiloxidationskatalysator 10 nachgeschaltet oder in diesen integriert werden.
Durch die Einleitung oder Eindüsung der Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 in die Rezirkulationszone 17 besitzt der Teiloxidationskatalysator 10 eine Art Pilotfunktion zur Initiierung und Stabilisierung der Flammenfront 18.
Wenn eine solche Pilotfunktion nicht erforderlich ist, kann es zweckmäßig sein, die Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 möglichst intensiv mit den Abgasen 14 des Volloxidationskatalysators 9 zu vermischen, bevor das so gebildete Abgas- gemisch der homogenen Verbrennung im Brennraum 8 zugeführt wird. Eine entsprechende Durchmischung kann dabei mit einer geeigneten, hier nicht gezeigten Mischeinrichtung erzielt werden.
Der erfindungsgemäße Hybridbrenner 1 arbeitet wie folgt:
Zum Starten des Hybridbrenners 1 wird eine Startprozedur durchgeführt. Hierbei wird den beiden Katalysatoren 9, 10 über die Oxidatorzuführung 3 ein durch Pfeile symbolisierter gemeinsamer Oxidatorstrom 20 zugeführt, der sich in Abhängigkeit der Querschnittsflächen und Durchströmungswiderstände auf die beiden Katalysatoren 9, 10 aufteilt. Der Volumenstrom des Oxidatorstroms 20 kann während der Startprozedur im wesentlichen konstant gehalten werden. Das erste Brennstoff- Oxidator-Gemisch 11 wird dadurch erzeugt, dass über die erste Brennstoffzuführung 4 ein entsprechender erster Brennstoffvolumenstrom dem Teiloxidationskatalysator 10 zugeführt wird. In entsprechender weise kann das zweite Brennstoff- Oxidator-Gemisch 13 erzeugt werden, indem die zweite Brennstoffzuführung 5 einen zweiten Brennstoffvolumenstrom dem VoUoxidationskatalysator 9 zuführt.
Während der Startprozedur werden die Volumenstromverhältnisse in den beiden Brennstoff-Oxidator-Gemischen 11 , 13, also jeweils das Verhältnis des Brennstoffanteils zum Oxidatoranteil im Volumenstrom, variiert. Der Brennstoffanteil im Volumenstrom des ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 11 nimmt während der Startprozedur von einem Maximalwert auf einen Minimalwert ab. Dieser Minimalwert kann dabei nicht beliebig klein werden, da das erste Brennstoff-Oxidator-Gemisch 11 fett bleiben muss, um eine Überhitzung und Zerstörung des Teiloxidationskatalysators 10 zu vermeiden. Um die Brennstoffzufuhr zum Teiloxidationskatalysator 10 auszuschalten, kann es zweckmäßig sein, das System mit einem Inertgas, wie z.B. N2, zu verdünnen. Alternativ kann der als Pilot arbeitende Teiloxidationskatalysator 10 auch während des gesamten Betriebs des Hybridbrenners 1 , also auch im Normal- oder Nennbetrieb eingeschaltet bleiben. Ebenso kann die Oxidatorzuführung auf niedrige Werte reduziert werden. Im Unterschied dazu nimmt der Brennstoffanteil im Volumenstrom des zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 13 während der Startprozedur von einem Minimalwert, der auch Null sein kann, bis zu einem Maximalwert zu.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform erfolgt die Variation der Volumenstromverhältnisse in den beiden Brennstoff-Oxidator-Gemischen 11 , 13 hauptsächlich dadurch, dass die einzelnen Brennstoffvolumenströme, die über die erste Brennstoffzuführung 4 bzw. über die zweite Brennstoffzuführung 5 den Katalysatoren 9,
10 zugeführt werden, variiert werden. Gleichzeitig kann beim Hochfahren der Anlage auch der Volumenstrom des Oxidatorstroms 20 erhöht werden, was sich aber auf beide Brennstoff-Oxidator-Gemische 11 , 13 auswirkt. Es ist klar, dass grundsätzlich auch eine andere Vorgehensweise zur Variierung der Volumenstromverhältnisse in den Brennstoff-Oxidator-Gemischen 11 , 13 möglich ist, z.B. durch einstellbare Oxidatorströme bei konstanten Brennstoff strömen.
Während der Startprozedur werden die Volumenströme der Brennstoff-Oxidator- Gemische 11 , 13 in Abhängigkeit einer Eingangstemperatur des Hybridbrenners 1 variiert. Zu Beginn der Startprozedur besitzt diese Einlaßtemperatur ihren kleinsten Wert, so dass der Volumenstrom des ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs
11 seinen Maximalwert einnimmt, während der Volumenstrom des zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 13 seinen Minimalwert aufweist. Das erste Brennstoff- Oxidator-Gemisch 11 ist zweckmäßig so gewählt, dass ein erstes Brennstoff- Oxidator- Verhältnis λ-i einen Wert kleiner als 1 , vorzugsweise kleiner 1/2, aufweist, so dass dem Teiloxidationskatalysator 10 ein fettes Brennstoff-Oxidator-Gemisch 11 zugeführt wird. Bei einem solchen fetten Brennstoff-Oxidator-Gemisch 11 kann die katalytische Reaktion im Teiloxidationskatalysator 10 schon bei einer relativ niedrigen Temperatur in Gang gesetzt werden. Bei dieser Reaktion entsteht Wärme, die der Teiloxidationskatalysator 10 zum einen in seine Umgebung abstrahlt und zum anderen über die Wärmekopplung an den VoUoxidationskatalysator 9 abgibt. Hierdurch kann relativ schnell die Temperatur des Volloxidationskatalysators 9 angehoben werden. Gleichzeitig korreliert damit die Einlaßtemperatur des Hybridbrenners 1. Mit zunehmender Temperatur wird der Volumenstrom des zweiten Brennstoff- Oxidator-Gemischs 13 ausgehend von seinem Minimalwert erhöht. Zweckmäßig wird das zweite Brennstoff-Oxidator-Gemisch 13 so gewählt, dass ein zweites Brennstoff-Oxidator- Verhältnis λ2 vorliegt, das größer ist als 1 , zweckmäßig sogar größer als 2, so dass ein mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch 13 vorliegt. Ein solches mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch 13 besitzt eine höhere Zündtemperatur, die aufgrund der Vorwärmung durch den Teiloxidationskatalysator 10 relativ rasch erreicht ist, so dass auch die katalytische Reaktion im VoUoxidationskatalysator 9 gestartet werden kann. Auch bei dieser Reaktion entsteht Wärme, welche die Katalysatoren 9, 10 und somit den Hybridbrenner 1 weiter aufwärmt.
Mit zunehmender Temperatur wird der Brennstoffanteil im Volumenstromverhältnis des ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 11 weiter reduziert, während der Brennstoffanteil im Volumenstromverhältnis des zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 13 weiter erhöht wird. Am Ende der Startprozedur besitzt der Brennstoffanteil im Volumenstromverhältnis des ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 11 seinen Minimalwert und der Brennstoffanteil im Volumenstromverhältnis des zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 13 seinen Maximalwert. Dabei kann der erste Brennstoffvolumenstrom absolut gesehen bei abnehmendem Relativanteil im Volumenstrom des ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs 11 zuerst abnehmen und dann wieder zunehmen oder konstant bleiben, oder von Anfang an konstant bleiben oder zunehmen, da der absolute Oxidatorvolumenstrom beim Hochfahren im allgemeinen zunimmt.
Bei dieser Startprozedur muss gewährleistet werden, dass im ersten Brennstoff- Oxidator-Gemisch 11 das erste Brennstoff-Oxidator-Verhältnis λ^ stets < 1 ist, um eine Überhitzung des Teiloxidationskatalysators 10 zu vermeiden. Im Nennbetrieb kann der Teiloxidationskatalysator 10 weiterhin mit einem fetten Gemisch 11 versorgt werde, z.B. um durch eine chemische Stabilisierung störende akustische Pulsationen zu reduzieren. Zweckmäßig erfolgt in allen Betriebsphasen des Hybridbrenners 1 die Zumischung des Brennstoffs so, dass die Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 und die Abgase 14 des Volloxidationskatalysators 9 insgesamt ein mageres Abgas- gemisch erzeugen, das im Brennraum 8 emissionsarm verbrennen kann.
Um die Selbstzündung im Teiloxidationskatalysator 10 zu vereinfachen und um das Hochfahren des Teiloxidationskatalysators 10 zu beschleunigen, kann es zweckmäßig sein, den dem Teiloxidationskataylsator 10 zugeführten Brennstoff vorzuwärmen. Zu diesem Zweck kann die erste Brennstoffzuführung 4 so ausgestaltet werden, dass sich für den Teiloxidationskatalysator 10 eine Zuführung von vorgewärmtem Brennstoff ergibt. In den Fig. 2 und 3 sind Beispiele für eine Ausgestaltung der ersten Brennstoffzuführung 4 gezeigt, die eine hinreichende Vorwärmung des Brennstoffs ermöglichen.
Gemäß Fig. 2 kann die erste Brennstoffzuführung 4 einen Wärmeübertrager 22 aufweisen. Dieser Wärmeübertrager 22 weist zum einen einen Brennstoffpfad und zum anderen einen Oxidatorpfad auf, wobei Brennstoffpfad und Oxidatorpfad wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise kann der Oxidator Wärme an den Brennstoff abgeben. Im vorliegenden Beispiel ist der Wärmeübertrager 22 durch einen schraubenförmigen Leitungsabschnitt der ersten Brennstoffzuführung 4 realisiert, der an seiner Außenseite mit dem Oxidatorstrom 20 beaufschlagt ist. Der Brennstoffpfad befindet sich somit im Inneren des Schraubenabschnitts, während der Oxidatorpfad durch die Außenseite des Schraubenabschnitts gebildet ist. Ebenso ist es möglich, den Brennstoff für den Teiloxidationskatalysator 10 auf andere Weise, insbesondere elektrisch vorzuheizen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird eine hinreichende Vorwärmung des Brennstoffs dadurch erreicht, dass die Einleitung des Brennstoffs in den Oxidatorstrom 20 relativ weit stromauf des Teiloxidationskatalysators 10 erfolgt, so dass sich der eingeleitete Brennstoff bis zum Einlaß des Teiloxidationskatalysators 10 so weit mit dem Oxidator vermischt, dass sich ein Temperaturausgleich zwischen den Strömen ergibt. Bei einer entsprechenden Positionierung der Brennstoffeinleit- stelle kann dadurch die erwünschte Brennstofferwärmung erreicht werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Teiloxidationskatalysator 10 an seiner Eintrittsseite mit einem Zuführungskanal 23 entgegen der Anströmrichtung verlängert, um eine hinreichend große Mischstrecke für den über die erste Brennstoff Zuführung 4 zugeführten Brennstoff und den Oxidatorstrom 20 zu erhalten. Es ist klar, dass die in den Fig. 2 und 3 exemplarisch gezeigten Maßnahmen zur Vorwärmung des dem Teiloxidationskatalysator 10 zugeführten Brennstoffs auch miteinander kombiniert werden können.
Ebenso kommt es zu einer Wärmeübertragung zwischen dem inneren Eintrittsrohr und dem äußeren Eintrittsrohr.
Wie bereits weiter oben erläutert, ist der Hybridbrenner 1 bei den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 so ausgestaltet, dass die reaktiven Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 in die zentrale Rezirkulationszone 17 der Brennkammer 7 eingeleitet werden können.
Fig. 4 zeigt nun eine Ausführungsform, bei welcher der Hybridbrenner 1 so ausgestaltet ist, dass die Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 auch in eine Totwasserzone 21 eingeleitet werden können, die sich im Brennraum 8 im Bereich der Querschnittserweiterung 6 ausbilden kann. Die Totwasserzone 21 ist hierbei durch Pfeile symbolisiert, die eine ringförmige Wirbelwalze darstellen sollen. Durch die Einleitung der reaktiven Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 in die Totwasserzone 21 kann auch dort eine Stabilisierung der Verbrennungsreaktion erreicht werden.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 ist bei der Variante gemäß Fig. 4 der Teiloxidationskatalysator 10 so ausgestaltet, dass er den zentral angeordneten VoUoxidationskatalysator 9 radial außen, insbesondere ringförmig, umgibt. Das Gehäuse 12 enthält stromab des Teiloxidationskatalysators 10 einen Abgaspfad 24, der am Austrittsende 15 des Teiloxidationskatalysators 10 beginnt und am Eintritt des Brennraums 8 endet. Der Abgaspfad 24 enthält einen Haupt- kanal 24b, der sich im wesentlichen axial, also in der Hauptströmungsrichtung erstreckt. Vom Hauptkanal 24b zweigen mehreren Nebenkanäle 24a ab, die zur Querschnittserweiterung 6 führen und im Bereich der Totwasserzone 21 in den Brennraum 8 einmünden. Auf diese Weise kann sich das Abgas 12 des Teiloxidationskatalysators 10 in einen Hauptstrom 12b, der dem Hauptkanal 24b folgt, und einen Nebenstrom 12a aufteilen, der durch die Nebenkanäle 24a strömt. Folglich kann ein Teil der Abgase 12 des Teiloxidationskatalysators 10 in die Totwasserzone 21 eingeleitet werden. Durch eine entsprechende Formgebung des Hauptkanals 24b, insbesondere in Verbindung mit geeigneten Strömungsleitmitteln, kann der Hauptstrom 12b zumindest teilweise in die Rezirkulationszone 17 eingeleitet werden.
Das Abgas 12b des Teiloxidationskatalysators 10 kann jedoch grundsätzlich zu jeder beliebigen Stelle geleitet werden, die für eine derartige Abgaszuführung sinnvoll erscheint, insbesondere die zentrale und die seitlichen Rezirkulations- zonen 17 und 21.
Um eine Überhitzung der Katalysatoren 9, 10, vor allem im Nennbetrieb des Hybridbrenners 1 zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, den jeweiligen Katalysator 9, 10 sowohl mit katalytisch aktiven Kanälen als auch mit katalytisch inaktiven Kanälen auszustatten. Die katalytisch aktiven Kanäle und die katalytisch inaktiven Kanäle sind dann wärmeübertragend miteinander gekoppelt. Zweckmäßig erfolgt eine alternierende Anordnung der Kanäle innerhalb der jeweiligen Katalysatorstruktur. Im Betrieb des Hybridbrenners 1 sind dann sowohl die katalytisch aktiven Kanälen als auch die katalytisch inaktiven Kanäle vom jeweiligen Brennstoff- Oxidator-Gemisch 11 bzw. 13 durchströmt, wobei die Gemischströmung in den katalytisch inaktiven Kanälen die katalytisch aktiven Kanäle und somit dem jeweiligen Katalysator 9, 10 kühlt. Von besonderem Interesse ist die Anordnung katalytisch aktiver Kanäle und katalytisch inaktiver Kanäle beim VoUoxidationskatalysator 9, da dieser im Nennbetriebspunkt des Hybridbrenners 1 die Hauptumsetzung des Brennstoffs bewirkt. Bezugszeichenliste
Hybridbrenner
Gehäuse
Oxidatorzuführung erste Brennstoffzuführung zweite Brennstoffzuführung
Querschnittserweiterung
Brennkammer
Brennraum
VoUoxidationskatalysator
Teiloxidationskatalysator erstes Brennstoff-Oxidator-Gemisch
Abgas von 10 zweites Brennstoff-Oxidator-Gemisch
Abgas von 9
Austrittsende von 10
Austrittsende von 9
Rezirkulationszone
Flammenfront
Drallerzeuger
Oxidatorstrom
Totwasserzone
Wärmeübertrager
Zuführungskanal
Abgaspfad

Claims

Patentansprüche
1. Hybridbrenner für eine Brennkammer (7), insbesondere einer Kraftwerksanlage, mit einem Gehäuse (2), in dem ein VoUoxidationskatalysator (9) und ein Teiloxidationskatalysator (10) parallel durchströmbar angeordnet sind und das im Einbauzustand eingangsseitig an wenigstens eine Oxidatorzuführung (3) sowie an wenigstens eine Brennstoffzuführung (4, 5) und ausgangsseitig an eine Brennkammer (7) angeschlossen ist.
2. Hybridbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaspfad (24) stromab des Teiloxidationskatalysators (10) so ausgebildet ist, dass er im Betrieb des Hybridbrenners (1) Abgas (12) des Teiloxidationskatalysators (10) in eine zentrale Rezirkulationszone (17), die sich in einem Brennraum (8) der Brennkammer (7) stromab des Hybridbrenners (1) ausbildet, und/oder in eine äußere Totwasserzone (21), die sich im Brennraum (8) im Bereich einer sprungartigen Querschnittserweiterung (6) zwischen Hybridbrenner (1) und Brennraum (8) ausbildet, einleitet.
3. Hybridbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teiloxidationskatalysator (10) so ausgebildet ist, dass er im Betrieb des Hybridbrenners (1) ein Abgas (12), das am Austrittsende (15) des Teiloxidationskatalysators (10) austritt, in eine zentrale Rezirkulationszone (17) einleitet, die sich in einem Brennraum (8) der Brennkammer (7) stromab des Hybridbrenners (1) ausbildet.
4. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teiloxidationskatalysator (10) als zentrale Lanze ausgebildet oder in eine solche integriert ist, wobei ein Austrittsende (15) der Lanze im Gehäuse (2) stromab eines Austrittsendes (16) des Volloxidationskatalysators (9) positioniert ist.
5. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der VoUoxidationskatalysator (9) den Teiloxidationskatalysator (10) konzentrisch und/oder ringförmig umgibt.
6. Hybridbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teiloxidationskatalysator (10) den VoUoxidationskatalysator (9) konzentrisch und/oder ringförmig umgibt.
7. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teiloxidationskatalysator (10) so ausgebildet ist, dass er im Betrieb des Hybridbrenners (1) ein Wasserstoff enthaltendes Abgas (12) erzeugt, wenn er mit einem fetten Brennstoff-Oxidator-Gemisch (11) versorgt wird.
8. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Teiloxidationskatalysator (10) so ausgebildet ist, dass er zumindest bei einer Startprozedur des Hybridbrenners (1) Wärme an den VoUoxidationskatalysator (9) abgibt.
9. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridbrenner (1) im Einbauzustand einen Abgaspfad ausbildet, der über eine sprungförmige Querschnittserweiterung (6) von den Austrittsenden (15, 16) der Katalysatoren (9, 10) in einen Brennraum (8) der Brennkammer (7) führt.
10. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) wenigstens ein Drallerzeuger (19) angeordnet ist, der stromab des Teiloxidationskatalysators (10) und/oder des Volloxidationskatalysators (9) angeordnet oder in den Teiloxidationskatalysaltor (10) und/oder in den VoUoxidationskatalysator (9) integriert ist.
11. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine erste Brennstoffzuführung (4) vorgesehen ist, die Brennstoff stromauf des Teiloxidationskatalysators (10) in einen dem Hybridbrenner (1) zugeführten Oxidatorstrom (20) einleitet,
- dass die erste Brennstoffzuführung (4) so ausgestaltet ist, dass dem Teiloxidationskatalysator (10) vorgewärmter Brennstoff zugeführt wird.
12. Hybridbrenner nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzuführung (4) den Brennstoff so weit stromauf des Teiloxidationskatalysators (10) in den Oxidatorstrom (20) einleitet, dass sich der Brennstoff durch Wärmeaustausch mit dem Oxidator bis zum Erreichen des Teiloxidationskatalysators (10) erwärmt.
13. Hybridbrenner nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzuführung (4) einen Wärmeübertrager (22) aufweist, der im Oxidatorstrom (20) angeordnet ist und der einen Brennstoffpfad sowie einen Oxidatorpfad aufweist, die wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind.
14. Hybridbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Katalysatoren (9, 10) katalytisch aktive Kanäle und katalytisch inaktive Kanäle aufweist, die wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind und im Betrieb des Hybridbrenners (1) von einem dem jeweiligen Katalysator (9, 10) zugeführten Brennstoff-Oxidator-Gemisch (11 , 13) durchströmt sind.
15. Verfahren zum Betreiben eines Hybridbrenners (1) für eine Brennkammer (7), insbesondere einer Kraftwerksanlage,
- wobei der Hybridbrenner (1) in einem Gehäuse (2) einen VoUoxidationskatalysator (9) und einen Teiloxidationskatalysator (10) enthält, die parallel durchströmbar sind, - wobei der Teiloxidationskatalysator (10) mit einem ersten Brennstoff-Oxidator-Gemisch (11) versorgt wird, das ein erstes Brennstoff-Oxidator-Verhältnis (λ-i) aufweist,
- wobei der VoUoxidationskatalysator (9) mit einem zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemisch (13) versorgt wird, das ein zweites Brennstoff-Oxidator-Verhältnis (λ2) aufweist, das von dem ersten Brennstoff-Oxidator-Verhältnis (λ-i) verschieden ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
- dass das erste Brennstoff-Oxidator-Verhältnis (λi) kleiner als 1 , insbesondere kleiner als V∑, ist, so dass ein fettes erstes Brennstoff-Oxidator-Gemisch (11) vorliegt,
- dass das zweite Brennstoff-Oxidator-Verhältnis (λ2) größer als 1 , insbesondere größer als 2, ist, so dass ein mageres zweites Brennstoff-Oxidator-Gemisch (13) vorliegt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Teiloxidationskatalysator (10) so ausgebildet ist, dass er ein Wasserstoff enthaltendes erstes Abgas (12) erzeugt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein vom Teiloxidationskatalysator (10) erzeugtes erstes Abgas (12) zumindest teilweise in eine zentrale Rezirkulationszone (17) eingeleitet wird, die sich in einem Brennraum (8) der Brennkammer (7) stromab des Hybridbrenners (1) ausbildet, und/oder
- dass ein vom Teiloxidationskatalysator (10) erzeugtes erstes Abgas (12) zumindest teilweise in eine äußere Totwasserzone (21) eingeleitet wird, die sich im Brennraum (8) im Bereich einer sprungartigen Querschnittserweiterung (6) zwischen Hybridbrenner (1) und Brennraum (8) ausbildet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Teiloxidationskatalysator (10) erzeugtes erstes Abgas (12) zumindest teilweise mit einem vom VoUoxidationskatalysator (9) erzeugten zweiten Abgas (14) vermischt wird, bevor das so gebildete Abgasgemisch (12, 14) in einen Brennraum (8) der Brennkammer (7) eingeleitet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Startprozedur zum Starten des Hybridbrenners (1) die Brennstoffanteile in den Volumenströmen der Brennstoff-Oxidator-Gemische (11 , 13) variiert werden, derart, dass im Verlauf der Startprozedur der Brennstoffanteil im Volumenstrom des ersten Brennstoff-Oxidator-Gemischs (11) abnimmt, während der Brennstoffanteil im Volumenstrom des zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemischs (13) zunimmt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass während der Startprozedur die Brennstoffanteile in den Volumenströmen der Brennstoff- Oxidator-Gemische (11 , 13) in Abhängigkeit einer Einlaßtemperatur des Hybridbrenners (1) variiert werden.
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