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J
DIM360 (Ver 1.5 21 Nov 2005) - 1100000/0
1439349
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
20040721
EP
03104559.4
20031205
de
de
de
462003
20030114
CH
20040721
200430
20040721
200430
7
7F 23R 3/40 A
7F 23C 11/00 B
de
Verbrennungsverfahren sowie Brenner zur Durchführung des Verfahrens
en
Combustion method and burner for carrying out the method
fr
Procédé de combustion et brûleur pour sa mise en oeuvre
3
Alstom Technology Ltd
04599180
B02166-0 EP
Brown Boveri Strasse 7
5400 Baden
CH
CARRONI, Richard
Rigistrasse 30
5443, Niederrohrdorf
CH
Flohr, Peter
Chileweg 4
5413, Birmenstorf
CH
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Bei einem Verbrennungsverfahren wird in einem Brenner (12, 20) ein durch einen Strömungskanal (13) strömendes Brennstoff/Luft-Gemisch in einer ersten Verbrennungsstufe in einem Katalysator (15) zur Reaktion gebracht und wird stromabwärts vom Katalysator (15) Brennstoff mit dem Abgas aus dem Katalysator (15) zusammen in einer zweiten Verbrennungsstufe unter Ausbildung einer homogenen Flamme (17) durch Selbstentzündung verbrannt.
Wenn der Brennstoff aus dem Brennstoff/Luft-Gemisch in der ersten Verbrennungsstufe im Katalysator (15) nur teilweise verbrannt wird, und der unverbrannte Rest des Brennstoffes in der zweiten Verbrennungsstufe verbrannt wird, kann die Verbrennung dadurch stabilisiert werden, dass das Brennstoff enthaltende Abgas aus dem Katalysator (15) zwischen dem Ausgang des Katalysators (15) und der homogenen Flamme (17) durch Vorrichtungen (16, 19) geführt wird, welche eine aerodynamische Stabilisierung der homogenen Flamme (17) bewirken.

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verbrennungsverfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK
Die katalytische Verbrennung ist ein Verfahren, das bei Gasturbinen angewendet werden kann, um die Stabilität des Verbrennungsprozesses zu erhöhen und die Emissionen zu verringern (siehe z.B. die US-B1-6,339,925). Grenzen bei der Materialbelastung und Betriebsbedingungen erfordern, dass die eingesetzten Katalysatoren nur einen Teil (typischerweise bis zu 60%) des gesamten durch den Brenner strömenden Brennstoffes umsetzen. Die resultierende Gastemperatur kann deshalb möglicherweise nicht ausreichend erhöht sein, um die Verbrennung des am Ausgang des Katalysators verbleibenden Brennstoffes (eine homogene Mischung aus Brennstoff O_2, N_2, CO, CO_2 und H_2O bei Temperaturen zwischen 600°C und 950°C) thermisch zu stabilisieren. Daher ist eine aerodynamische Stabilisierung notwendig.
Eine einfache Lösung besteht darin, eine plötzliche Ausdehnung stromabwärts vom Katalysator zu verwenden, wobei Rezirkulationszonen an den Ecken der Erweiterung eine Verankerung bewirken (siehe z.B. die US-A-5,626,017). Diese Technik wirkt jedoch nur bei höheren Temperaturen am Katalysatorausgang. Wenn jedoch eine stärkere dynamische Stabilisierung benötigt wird, kann dies durch die Ausbildung von stark verwirbelten Strömungen geschehen, die einen Zusammenbruch der Wirbel ("vortex breakdown") begünstigen. In der US-A-5,433,596 wird ein Doppelkegelbrenner nach dem Stand der Technik beschrieben, der einen solchen Zusammenbruch des Wirbels erzeugt. Eine Anzahl von anderen Konfiguration, wie sie z.B. in der US-A-5,588,826 beschrieben sind, erreichen dieses Ziel ebenfalls. Ein solcher grossräumiger Wirbel erfordert jedoch vergleichsweise komplexe Vorrichtungen, die erhebliche Druckabfälle verursachen.
Ein vereinfachtes Wirbelerzeugungselement ("vortex generator"), das auch als SEV vortex generator bezeichnet wird und sich durch verringerte Druckverluste auszeichnet, ist in der US-A-5,577,378 offenbart worden. Es hat sich als geeignet für die sequentielle Verbrennung bzw. die Verbrennung mit Nachverbrennung erwiesen. Die Wirkung der Vorrichtung basiert auf einer Abgastemperatur am Ausgang des ersten Brenners, die oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des im zweiten Brenner eingedüsten Brennstoffes; die Brennkammer für die Nachverbrennung ist ein brennerloser Raum mit einer Anzahl von Wirbelerzeugungselementen, deren Zweck darin besteht, den Brennstoff der zweiten Stufe mit dem Abgas der ersten Stufe vor der Selbstentzündung zu vermischen. Der Grad der Zirkulation und die Gestalt des axialen Geschwindigkeitsprofils können durch die Wahl der geometrischen Parameter des Wirbelerzeugungselements (Länge, Höhe, Anströmwinkel) auf die Bedürfnisse zugeschnitten werden und können im Extremfall sogar zu einem freistehenden Wirbelzusammenbruch führen, wie er manchmal bei Flugzeugen mit Deltaflügeln bei grossen Anströmwinkeln beobachtet wird.
In der o.g. US-A-5,626,017 ist eine Brennkammer für eine Gasturbine mit zweistufiger, sequentieller Verbrennung beschrieben, bei welcher in der ersten Stufe die in einem Mischer erzeugte Brennstoff/Luft-Mischung in einem Katalysator vollständig verbrannt wird. Das aus dem Katalysator austretende Abgas hat eine vergleichsweise hohe Temperatur von 800°C bis 1100°C. Hinter dem Ausgang des Katalysators sind Wirbelerzeugungselemente ("vortex generators") angeordnet, wie sie beispielhaft in Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben sind. Die Wirbelerzeugungselemente erzeugen eine turbulente Strömung, in die dann stromabwärts Brennstoff eingedüst wird. Die entstehende Abgas/Brennstoffmischung entzündet sich dann selbst und bildet eine Flammenfront, die mittels einer stufenartigen Querschnittserweiterung im Strömungskanal aerodynamisch stabilisiert wird. Den Wirbelerzeugungselementen kommt hierbei ausschliesslich die Funktion zu, die Vermischung von Abgas und eingedüstem Brennstoff zu befördern. Die Stabilisierung der Flammenfront dagegen wird durch die Querschnittserweiterung bewirkt.
Anders ist die Situation bei einer zweistufigen Brennerkonfiguration, bei der das Brennstoff/Luft-Gemisch in der ersten Stufe nicht vollständig verbrannt wird, sondern das Abgas aus dem Katalysator einen Teil unverbrannten Brennstoffs enthält und zugleich eine deutlich verringerte Austrittstemperatur (z.B. 600°C bis 950°C) aufweist. Da in diesem Fall in der zweiten Stufe kein zusätzlicher Brennstoff eingedüst und entsprechend mit dem Abgas aus dem Katalysator auch nicht vermischt werden muss, liegt hier strömungstechnisch und insbesondere im Bezug auf die Stabilisierung der Flammenfront eine andere Situation vor.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein zweistufiges Verbrennungsverfahren mit Katalysator in der ersten Verbrennungsstufe anzugeben, welches einfach und sicher durchzuführen ist und zu geringeren Druckverlusten führt, sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, bei einer Verbrennung, bei der in der zweiten Verbrennungsstufe unverbrannter Brennstoff aus der ersten, mit einem Katalysator ausgerüsteten Verbrennungsstufe nachverbrannt wird, die in der zweiten Stufe erzeugte homogene Flamme aerodynamisch zu stabilisieren, indem das Brennstoff enthaltende Abgas aus dem Katalysator zwischen dem Ausgang des Katalysators und der homogenen Flamme durch Vorrichtungen geführt wird, welche eine aerodynamische Stabilisierung der homogenen Flamme bewirken.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden als aerodynamisch stabilisierende Vorrichtungen Wirbelerzeugungselemente verwendet, welche am Ausgang des Katalysators angeordnet sind.
Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird als aerodynamisch stabilisierende Vorrichtung zusätzlich eine stufenartige Erweiterung im Strömungskanal verwendet welche zwischen den Wirbelerzeugungselementen und der homogenen Flamme angeordnet ist.
Insbesondere enthält das Abgas am Ausgang des Katalysators neben dem unverbrannten Brennstoff O_2, N_2, CO, CO_2 und H_2O, tritt aus dem Katalysator mit einer Strömungsgeschwindigkeit von kleiner gleich 50 m/s aus und hat dabei eine Temperatur zwischen 600°C und 950°C.
Es ist weiterhin denkbar, dass dem Abgas stromabwärts vom Katalysator in einem Bypass am Katalysator aussen vorbeigeführter Brennstoff zugesetzt wird.
Schliesslich ist es denkbar, dass in dem durch den Strömungskanal strömenden Medium H_2/CO aus einem brennstoffreichen katalytischen Pilotbrenner vorhanden ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Brenners ist dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von den Wirbelerzeugungselementen zusätzlich eine stufenartige Erweiterung des Strömungskanals vorgesehen ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Ausbildung der Wirbelerzeugungselemente davon abhängig ist, ob die Wirbelerzeugungselemente hauptsächlich eine Mischung oder einen Zusammenbruch von Wirbeln bewirken sollen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1
in einer perspektivischen Darstellung ein für die erfindungsgemässe Lösung einsetzbares Wirbelerzeugungselement, wie es aus dem Stand der Technik bei SEV-Brennern (siehe die US-A-5,577,378) bereits bekannt ist;
Fig. 2
im schematisierten Längsschnitt einen Brenner gemäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 3
in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemässen Brenner.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Es wird vorgeschlagen, sogenannte SEV-Wirbelerzeugungselemente (SEV vortex generators) einzusetzen, um die homogenen Flammen insbesondere im Bezug auf den katalytischen Brenner aerodynamisch zu stabilisieren. Ergebnis dieser Methode ist, dass:
- eine ausreichende Flammenstabilisierung unabhängig von der Ausgangstemperatur am Katalysator erreicht wird, so dass ein Betrieb auch möglich ist, wenn die Ausgangstemperatur am Katalysator niedrig ist;
- der Druckabfall minimiert ist; und
- zum Eingang der Turbine hin vergleichmässigte Strömungs- und Temperaturfelder erzeugt werden, die von der verstärkten Mischung der Wirbelströmungen profitieren.
Der Einsatz von SEV-Wirbelerzeugungselementen ist darüber hinaus vorteilhaft, weil für diese Elemente bereits ausgedehnte Erfahrungen hinsichtlich ihrer Auslegung (bzgl. Kühlung, Ermüdung, Flammenposition, Pulsationen, Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen) vorliegen, die bei Hochtemperatur-Brennern mit Nachverbrennung gemacht worden sind, und direkt auf Brenner mit katalytischen Elementen angewendet werden können.
Das in Fig. 1 dargestellte und an einer Brennkammerwand 11 anliegende, keilförmige bzw. tetraedrische SEV-Wirbelerzeugungselement 10, das in der US-A-5,577,378 beschrieben ist, eignet sich besonders für den Einsatz bei der vorliegenden Lösung. Der Grad der Zirkulation und die Gestalt des axialen Geschwindigkeitsprofils können durch geeignete Wahl der Parameter (Länge L, Höhe h, Anströmwinkel α, und den aus diesen drei Grössen abgeleiteten Winkel θ) nach Wunsch eingestellt werden. In Abhängigkeit von den genauen Anforderungen können diese Parameter so eingestellt werden, dass sich nur eine Mischung (niedrigster Druckabfall) oder eine Mischung und ein Zusammenbruch der Wirbel (höherer Druckverlust wegen der Ausbildung einer Rezirkulationszone im Nachstrom) ergibt. In jedem Fall wird ein Paar von gegenläufig rotierenden Strömungswirbeln erzeugt.
Fig. 2 zeigt eine Konfiguration eines Brenners 12 mit einem sich entlang einer Achse 18 erstreckenden Strömungskanal 13. In dem Strömungskanal 13 ist ein Katalysator 15 angeordnet. Die Strömung 14 eines Brennstoff/Luft-Gemisches tritt von links in den Katalysator 15 ein. Der Brennstoff wird im Katalysator 15 teilweise verbrannt. Am Ausgang des Katalysators 15 tritt dann ein Abgasstrom aus, der neben dem unverbrannten Brennstoff beispielsweise O_2, N_2, CO, CO_2 und H_2O enthält. Die Zusammensetzung des Abgases ist wegen der guten Mischung sehr gleichmässig. Die Temperaturen des Abgases variieren zwischen 600°C und 950°C. Die Strömungsgeschwindigkeit ist typischerweise kleiner gleich 50 m/s. Stromabwärts vom Katalysator 15 sind Wirbelerzeugungselemente 16 der in Fig. 1 gezeigten Form angeordnet. Die Wirbelerzeugungselemente 16 sind so ausgelegt, dass sich eine ausreichende aerodynamische Stabilisierung ergibt, derart, dass eine homogene Flamme 17 in der in Fig. 2 gezeigten Position stabil lokalisiert ist. Die exakte Auslegung der Wirbelerzeugungselemente 16 hängt von der Betriebseigenschaften des Katalysators 15 ab:
- Eine minimale Zirkulation wird bei einem Katalysator benötigt, der Abgase mit den höchsten Temperaturen (ungefähr 900-950°C) erzeugt.
- Eine maximal Zirkulation und ein Zusammenbruch der Wirbel ist erforderlich, wenn die Austrittstemperatur am Katalysator am niedrigsten ist (ungefähr 600°C).
- Für den Fall, dass die Zusammensetzung des Katalysator-Abgases ungleichmässig ist, dienen die Wirbelerzeugungselemente dazu, vor der Selbstzündung einen hohen Grad an Vormischung zu erreichen.
- Der Katalysator kann so ausgelegt werden, dass er eine gewisse Menge an Syngas (H_2 und CO) produziert. Die höhere Reaktivität dieser Gase verringert das Ausmass der benötigten aerodynamischen Stabilisierung. Allgemeiner gesagt bestimmt der Brennstoffanteil im Abgas des Katalysators die genaue Anforderung and die aerodynamische Stabilisierung.
In den Fällen, in denen eine maximale aerodynamische Stabilisierung wünschenswert ist, können die Wirbelerzeugungselemente so ausgelegt werden, dass die homogenen Flammen daran gehindert werden, sich an die Elemente selbst anzuhängen.
Im Zusammenhang mit einem mager arbeitenden Standard-Vormisch-Brenner hat der an den SEV-Wirbelerzeugungselementen vorbeiströmende Gasstrom typischerweise eine mittlere Geschwindigkeit von bis zu 150 m/s. Trotz des sehr kleinen Druckveriustkoeffizienten ζ bei einer solchen Ausgestaltung resultieren die hohen Geschwindigkeiten in hohen Druckverlusten (bis zu 4%). Brenner mit katalytischen Elementen sind allgemein durch deutlich geringere Austrittsgeschwindigkeiten von etwa 50 m/s gekennzeichnet. Der damit verbundene Druckverlust ist kleiner als 2% und stellt somit eine massgebliche Verringerung dar.
Obgleich die Gasmischung, die aus dem Katalysator austritt, sehr gut vermischt ist, gibt es Brennertypen, bei denen Brennstoff und/oder Luft den Hauptkatalysator im Bypass umströmen und hinterher zugemischt werden. Der Katalysator kann auch einen Pilotbrenner enthalten, der seine eigenen Verbrennungsprodukte (z.B. eine angereicherte Brennstoff/Luft-Mischung oder Syngas) erzeugt, die dann auch zum Hauptgasstrom zugefügt wird. Dies ist eine wichtige Überlegung, weil die Verbrennung inhomogener Mischungen zu hohen lokalen Temperaturen führt und dadurch die Emissionen erhöht. Die Wirbelerzeugungselemente sind ihrer Natur nach auch Mischvorrichtungen und stellen daher sicher, dass die Gasmischungen vor der homogenen Verbrennung gut durchgemischt werden.
Wenn die Wirbelerzeugungselemente 16 genügend steil sind, d.h., wenn der Anströmwinkel gross ist, können sie Rezirkulationszonen in ihren Nachströmungen verursachen. Die Rezirkulationszonen können unerwünscht sein, weil sie zu einer Verankerung der homogenen Flamme an den Wirbelerzeugungselementen führen könnten. Eine solche Verankerung würde an den Vorrichtungen eine erhebliche thermische Belastung hervorrufen und die Lebensdauer reduzieren.
Es ist bekannt, dass eine Erweiterung im Querschnitt des Strömungskanals 13 den Zusammenbruch der Wirbel begünstigt. Wenn ein Wirbelerzeugungselement für vergleichsweise kleine Werte der Zirkulation, d.h., ohne Rezirkulationszone in der unmittelbaren Nachströmung, ausgelegt ist, kann eine nachfolgende Expansion den Wirbel weiter stromabwärts zum Zusammenbruch bringen. Dies stellt sicher, dass eine Verankerung der Flamme am oder in unmittelbarer Nähe des Wirbelerzeugungselements nicht auftreten kann. Eine entsprechende Konfiguration ist in Fig. 3 wiedergegeben. Der in Fig. 3 gezeigte Brenner 20 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Brenner 12 hauptsächlich dadurch, dass zwischen den Wirbelerzeugungselementen 16 und der homogenen Flamme 17 eine stufenartige Erweiterung 19 im Querschnitt des Strömungskanals 13 vorgesehen ist. Diese stufenartige Erweiterung 19 verhindert sicher, dass die Flamme 17 an den Elementen 16 verankert wird und diese gefährdet.

BEZUGSZEICHENLISTE
10,16
Wirbelerzeugungselement (vortex generator)
11
Brennkammerwand
12, 20
Brenner
13
Strömungskanal
14
Strömung
15
Katalysator
17
homogene Flamme
18
Achse (Brenner)
19
Erweiterung
1. Verbrennungsverfahren, bei welchem in einem Brenner (12, 20) ein durch einen Strömungskanal (13) strömendes Brennstoff/Luft-Gemisch in einer ersten Verbrennungsstufe in einem Katalysator (15) zur Reaktion gebracht und stromabwärts vom Katalysator (15) Brennstoff mit dem Abgas aus dem Katalysator (15) zusammen in einer zweiten Verbrennungsstufe unter Ausbildung einer homogenen Flamme (17) durch Selbstentzündung verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus dem Brennstoff/Luft-Gemisch in der ersten Verbrennungsstufe im Katalysator (15) nur teilweise verbrannt wird, dass der unverbrannte Rest des Brennstoffes in der zweiten Verbrennungsstufe verbrannt wird, und dass das Brennstoff enthaltende Abgas aus dem Katalysator (15) zwischen dem Ausgang des Katalysators (15) und der homogenen Flamme (17) durch Vorrichtungen (16, 19) geführt wird, welche eine aerodynamische Stabilisierung der homogenen Flamme (17) bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als aerodynamisch stabilisierende Vorrichtungen Wirbelerzeugungselemente (10, 16) verwendet werden, welche am Ausgang des Katalysators (15) angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als aerodynamisch stabilisierende Vorrichtung zusätzlich eine stufenartige Erweiterung (19) im Strömungskanal (13) verwendet wird, welche zwischen den Wirbelerzeugungselementen (10, 16) und der homogenen Flamme (17) angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas am Ausgang des Katalysators (15) neben dem unverbrannten Brennstoff O_2, N_2, CO, CO_2 und H_2O enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aus dem Katalysator (15) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von kleiner gleich 50 m/s austritt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aus dem Katalysator (15) mit einer Temperatur zwischen 600°C und 950°C austritt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgas stromabwärts vom Katalysator (15) am Katalysator (15) aussen vorbeigeführter Brennstoff zugesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem durch den Strömungskanal (13) strömenden Medium H_2/CO aus einem brennstoffreichen katalytischen Pilotbrenner vorhanden ist.
9. Brenner (12, 20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Strömungskanal (13), in welchem ein Katalysator (15) für die Katalyse eines durch den Strömungskanal (13) strömenden Brennstoff/Luft-Gemisches angeordnet ist, und in welchem stromabwärts vom Katalysator (15) Mittel zum aerodynamischen Stabilisieren einer sich stromabwärts ausbildenden homogenen Flamme (17) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsmittel Wirbelerzeugungselemente (10, 16) umfassen.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von den Wirbelerzeugungselementen (10, 16) zusätzlich eine stufenartige Erweiterung (19) des Strömungskanals (13) vorgesehen ist.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Wirbelerzeugungselemente (10, 16) davon abhängig ist, ob die Wirbelerzeugungselemente (10, 16) hauptsächlich eine Mischung oder einen Zusammenbruch von Wirbeln bewirken sollen.