Vormischbrenneranordnung mit katalystischer Verbrennung sowie Verfahren zum Betrieb hierzu

Abstract

 Beschrieben wird eine Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer (6) einer Gasturbinenanordnung sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen (3) derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenners mischbar sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer, die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zu Zündung bringbar ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer eine Katalysatoreinheit (8) vorgesehen ist, durch die ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches einleitbar ist und hindurchtritt bevor dieser Teil zusammen mit dem übrigen Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer einströmt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenanordnung sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenners mischbar sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer, die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zu Zündung bringbar ist.

Stand der Technik

[0002] Eine gattungsgemäße Vormischbrenneranordnung ist der EP 0 833 105 A2 zu entnehmen. Der in dieser Druckschrift beschriebene Vormischbrenner weist eine zentrale Brennstoffdüse axialwärts zum Drallerzeuger auf, an dem sich stromab eine Mischstrecke anschließt, innerhalb der sich der zerstäubte Brennstoff vollständig mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermengt. Am stromabwärtigen Ausgang des Mischrohrs ist die Brennkammer vorgesehen, innerhalb der sich beim Betrieb des Vormischbrenners eine räumlich stabile Flammenzone ausbildet.

[0003] Gleichwohl die bekannte Vormischbrenneranordnung nach Gesichtspunkten verbesserter Emissionswerte, d.h. insbesondere reduzierter NO_x-Emissionswerte, durch Vorsehen einer Mischstrecke konzipiert worden ist, gilt es insbesondere die Abgaswerte gattungsgemäßer Verbrennungssysteme weiter zu verbessern. Auch treten überdies beim Betrieb bekannter Vormischbrenneranordnungen sogenannte Brennkammerschwingungen auf, wodurch die Flammenstabilität stark in Mitleidenschaft gezogen wird. Derartige Brennkammerschwingungen bzw. - pulsationen wirken sich besonders nachteilhaft in Betriebszuständen aus, bei denen mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen gearbeitet wird. Hohe magere Löschgrenzen, d.h. ein Erlöschen der Flamme trotz verhältnismäßig hohem Brennstoffanteil, sind die Folge, wodurch der Betriebsbereich der Vormischbrenner insbesondere bezüglich magerer Betriebsweise stark begrenzt wird.
Bisherige Ansätze und Versuche, Vormischbrenneranordnungen mit Katalysatoren zu kombinieren, um zumindest die vorstehend erwähnten NO_x-Emissionen beim Verbrennungsvorgang zu reduzieren, schlugen fehl bzw. lieferten nur unbefriedigende Resultate, zumal die übliche Verwendung flüssigen Brennstoffes, bspw. Öl, zum Befeuern derartiger Vormischbrenneranordnungen an sich bekannte Katalysatoren durch Zusetzen der Katalysatoröffnungen unbrauchbar macht.

Darstellung der Erfindung

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass einerseits Maßnahmen getroffen werden, durch die die NO_x-Emissionswerte erheblich reduziert werden sollen. Ferner sollen die Maßnahmen zu einer Flammenstabilisierung innerhalb der Brennkammer führen, so dass die Betriebsbereiche der Vormischbrenneranordnung insbesondere hinsichtlich einer verbesserten mageren Löschgrenze vergrößert werden sollen.

[0005] Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 9 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

[0006] Erfindungsgemäß ist eine Vormischbrenneranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer eine Katalysatoreinheit vorgesehen ist, durch die ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches einleitbar ist und hindurchtritt, bevor dieser Teil zusammen mit dem übrigen Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer einströmt.

[0007] Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Verwendung einer Katalysatoreinheit innerhalb eines an sich bekannten Vormischbrenners, der üblicherweise mit Flüssigbrennstoff, wie beispielsweise Öl, betrieben wird, ist das Anbringen der Katalysatoreinheit in einem Bereich stromab der Zerstäubungsdüse des Vormischbrenners, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch vollständig durchmischt ist und der Flüssigbrennstoff räumlich feinst verteilt bzw. bereits weitgehend verdampft ist. Gelangt Brennstoff in der vorstehend bezeichneten Form in einen Katalysator, so ist es möglich, den Brennstoff innerhalb des Katalysators katalytisch wenigstens teilweise umzusetzen, beispielsweise durch thermische und/oder chemische Umsetzung ohne dabei das Katalysatormaterial selbst zu zerstören oder zuzusetzen.

[0008] Erfindungsgemäß tritt nur ein Teil des sich durch den Vormischbrenner in Richtung Brennkammer ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Katalysatoreinheit hindurch, zumal die Katalysatoreinheit vorzugsweise konzentrisch am Ausgang des Vormischbrenners bzw. der Mischstrecke kurz vor Eintritt in die Brennkammer angeordnet ist, so dass nur periphere Teilströme des sich in Richtung der Brennkammer ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Katalysatoreinheit hindurchströmen. Nach Austritt des zumindest teilweise katalytisch umgesetzten Brennstoff-Luft-Gemisches aus der Katalysatoreinheit gelangt der wenigstens partiell katalytisch umgesetzter Stoffstrom in Randbereiche, der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flammenfront, wodurch die Flamme selbst deutlich stabilisiert werden kann. Die Auswirkungen der durch die peripheren Stoffströme bedingte Flammenstabilisierung werden besonders in Betriebszuständen deutlich, in denen mit mageren Gemischen gearbeitet wird. Ein besonders wichtiges Indiz zur positiven Auswirkung der peripher in die Brennkammer eintretenden Stoffströme macht sich in der Absenkung der mageren Löschgrenze bemerkbar, wodurch die Betriebsbereiche des Vormischbrenners erheblich vergrößert werden können. Auch bilden sich Brennkammerpulsationen in einem weit geringeren Ausmaß aus.

[0009] Durch die periphere Anordnung der Katalysatoreinheit in Bezug auf das sich axial innerhalb des Vormischbrenners ausbreitende Brennstoff-Luft-Gemische ist ein uneingeschränkter Betrieb mit Flüssigbrennstoff, wie beispielsweise Öl, möglich, trotz Gegenwart der der Brennkammer vorgeschalteten Katalysatoreinheit. Da die Brennstoffeindüsung mittig zur Vormischbrennerachse erfolgt, die Katalysatoreinheit jedoch möglichst weit von der Brennstoffeinspeisung und lediglich an der äußeren Peripherie des sich ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen ist, vermag die Katalysatoreinheit unbeschadet eine Ölverbrennung innerhalb des Brennersystems zu überstehen.

[0010] Grundsätzlich ist es möglich, die Katalysatoreinheit um das Mischrohr teilweise oder vollständig zirkular verteilt anzuordnen, wobei ein im Inneren des Mischrohres vorgesehener, zirkular verlaufender Ableitungskanal für die partielle Abtrennung peripherer Teilströme des sich im Inneren des Vormischbrenners ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen ist. Hierbei kann der Innendurchmesser des Mischrohres nahezu unbeeinträchtigt bleiben. Eine andere Ausführungsform sieht vor, die Katalysatoreinheit im Inneren stromab am Austritt des Mischrohrs derart vorzusehen, so dass periphere Teilströmungen des Brennstoff-Luft-Gemisches zwangsgeführt durch Katalysatormaterial hindurchtreten, zumal das Katalysatormaterial den Strömungsquerschnitt innerhalb des Mischrohrs an dessen Austritt zur Brennkammer verjüngt.

[0011] Auch sind Konstruktionen denkbar, bei denen die Katalysatoreinheit zwischen dem Mischrohr und der Brennkammer beispielsweise in Art einer Lochblende ausgeführt ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0012] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Vormischbrenneranordnung mit außerhalb des Mischrohrs angeordneter Katalysatoreinheit, sowie

Fig. 2 Vormischbrenneranordnung mit innerhalb des Mischrohres angeordneter Katalysatoreinheit.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0013] In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Vormischbrenneranordnung mit Mischstrecke dargestellt, die in an sich bekannter Weise aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist. Im Zentrum eines kegelförmig ausgebildeten, drallerzeugenden Vormischbrenners ist eine Einspritzdüse 2 vorgesehen, die axial zur Vormischbrenneranordnung vorzugsweise Flüssigbrennstoff zerstäubt. Über längs zu den konisch ausgebildeten Teilschalen 1 des Vormischbrenners vorgesehenen Lufteintrittschlitzen 3 wird im Inneren der Vormischbrenneranordnung ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt, das sich stromab, d.h. in der Zeichenebene gemäß Fig. 1 von links nach rechts ausbreitet. Ein dem kegelförmigen Vormischbrenner nachgeschalteter Drallerzeuger 4 prägt dem Brennstoff-Luft-Gemisch eine kritische Drallzahl auf, durch die sich innerhalb der Brennkammer 6 eine stabile Flammenfront 7 ausbilden kann. Dem Drallerzeuger nachgeordnet ist ein Mischrohr 5, innerhalb dem sich das Brennstoff-Luft-Gemisch vollständig zu durchmischen vermag, bevor es in die Brennkammer 6 eintritt.

[0014] Um den stromab gewandten Bereich 51 des Mischrohres 5 ist eine Katalysatoreinheit 8 vorgesehen, die den Mischrohrbereich 51 zirkular vollständig umgibt. Der Katalysatoreinheit 8 in Strömungsrichtung vorgeordnet ist ein ebenfalls innerhalb des Mischrohres 5 vollständig zirkular umlaufender Abzweigungskanal 9 vorgesehen, durch den der periphere Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Mischrohres 5 in Richtung der Katalysatoreinheit 8 abgeleitet wird. Der Hauptanteil des Brennstoff-Luft-Gemisches passiert ungehindert axial das Mischrohr 5 und gelangt innerhalb der Brennkammer 6 zur Zündung. Die zwangsweise abgeführten peripheren Brennstoff-Luft-Gemischströme, die die Katalysatoreinheit 8 durchlaufen, werden durch diese wenigstens teilweise thermisch und/oder chemisch katalytisch umgesetzt und gelangen nach Austritt aus der Katalysatoreinheit 8 unmittelbar in die Brennkammer 6, in der sie auf die peripheren Bereiche der Flammenfront 7 auftreffen und diese zu stabilisieren vermögen.

[0015] Vorzugsweise ist die Innenkontur des Mischrohrs 5 an den Eintrittsbereichen der Ableitungskanäle 9 verjüngend ausgebildet, so dass die Abzweigung der peripheren Brennstoff-Luft-Gemischanteile zwangsweise erfolgt.

[0016] Eine weitere alternative Ausführungsvariante ist in Fig. 2 dargestellt. Auch in diesem Fall zeigt das Ausführungsbeispiel die Grundanordnung einer an sich bekannten Vormischbrenneranordnung mit zentraler Brennstoffeindüsung 2, einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner, einem diesen in Strömungsrichtung nachgeschalteten Drallerzeuger 4 und einem zur Vervollständigung der Durchmischung des Brennstoff-Luft-Gemisches nachgeordneten Mischrohres 5. Nicht im einzelnen dargestellt ist die Brennkammer 6, die dem Mischrohr 5 nachgeschaltet ist.

[0017] Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist eine Katalysatoreinheit 8 am stromab gewandten Ende des Mischrohres 5 derart vorgesehen, so dass Katalysatormaterial in die peripheren Randbereiche in das Innere des Mischrohres 5 hineinragt und den Strömungsquerschnitt durch das Mischrohr 5 reduziert. Die Katalysatoreinheit 8 ist aus einem, mit Katalysatormaterial beschichteten porösen Material ausgebildet, so dass periphere Strömungsanteile des sich im Inneren der Vormischbrennereinheit ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches zwangsweise durch die Katalysatoreinheit 8 hindurchströmen, in der sie zumindest teilweise katalytisch umgesetzt werden. Die katalytische Umsetzung erfolgt entweder thermisch und/oder chemisch und trägt neben einer entscheidenden Reduzierung der NO_x-Emissionswerte zur Stabilisierung der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flammenfront bei.

Bezugszeichenliste

[0018] 

1

Kegelförmig ausgebildete Teilschalen des Vormischbrenners

2

Einspritzdüse

3

Luftschlitze

4

Drallerzeuger

5

Mischrohr

51

Mischrohrbereich

6

Brennkammer

7

Flammenfront

8

Katalysatoreinheit

9

Abzweigungskanal

Ansprüche

1. Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer (6) einer Gasturbinenanordnung, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen (3) derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenner mischbar sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrennergehäuse stromab in Richtung Brennkammer, die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zu Zündung bringbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) eine Katalysatoreinheit (8) vorgesehen ist, durch die ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches einleitbar ist und hindurchtritt bevor dieser Teil zusammen mit dem übrigen Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) einströmt.

2. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) am stromabwärtigen Ende des Vormischbrenners in diesem integriert oder an diesem unmittelbar angrenzend vorgesehen ist.

3. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die einen Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches ableiten und der Katalysatoreinheit (8) zuleiten, dass die Mittel wenigstens einen Strömungskanal (9) aufweisen, der stromauf offen ausgebildet ist und peripher an das sich innerhalb des Vormischbrenners ausbreitende Brennstoff/Luft-Gemisch angrenzt und einen Teil der dieser Strömung abzweigt und der Katalysatoreinheit (8) zuführt.

4. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) mit seiner einseitigen Öffnung das sich innerhalb des Vormischbrenners ausbreitende Brennstoff/Luft-Gemisch wenigstens teilweise zirkular umgibt.

5. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass an das Vormischbrennergehäuses stromab angrenzend eine den Strömungsquerschnitt des Brennstoff/Luft-Gemisches verjüngende Einheit vorgesehen ist, in der der Strömungskanal sowie die Katalysatoreinheit (8) vorgesehen sind.

6. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) eine, den Strömungsquerschnitt innerhalb des Vormischbrennergehäuses verjüngende Geometrie aufweist, die am Ende des Vormischbrennergehäuses integriert oder stromab am Vormischbrennergehäuse vorgesehen ist, und
dass die Katalysatoreinheit wenigstens teilweise vom Brennstoff/Luft-Gemisch durchströmbar ist und Katalysatormaterial aufweist.

7. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) aus porösem Material besteht, deren Oberfläche mit einer Katalysatorschicht überzogen ist.

8. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) zirkular das Brennstoff/Luft-Gemisch umgibt.

9. Verfahren zum Betrieb einer Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit (2) sowie Zuluftöffnungen (3) derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenner gemischt wird und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer (6), die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zur Zündung gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches wenigstens teilweise katalytisch umgesetzt wird und nachfolgend zusammen mit dem übrigen, unkatalysierten Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) einströmt.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass zirkular um das Brennstoff/Luft-Gemisch ein Teil des Gemisches zirkular abgezweigt wird und einer Katalysatoreinheit (8) zugeleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Umsetzung im Wege einer thermischen und/oder chemischen katalytischen Umsetzung erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Umsetzung im Wege einer partiellen Oxidation erfolgt und zumindest teilweise die partiellen Oxidationsprodukte CO und H₂ erzeugt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Umsetzung stromauf nahe einer sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flammenfront erfolgt.

Zeichnung