Verfahren und Brenner zum Verbrennen von Wasserstoff

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen von Wasserstoff und einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Wasserstoff (H2) als Brennstoff für Brenner aller Art, beispielsweise für Brennkammern für Gasturbinen, zeichnet sich durch eine besonders hohe Reaktivität und damit auch durch eine außergewöhnlich große Stabilität der Verbrennung aus, und zwar auch bei Luftüberschüssen, wie sie bei Brennkammern moderner Gasturbinen auftreten. Durch Veröffentlichungen von Heywood und Mikus ist es in der Verbrennungstechnik bekannt, dass im Bereich mit genügend hohen Luftüberschüssen die Erhöhung des Mischungsgrades zu einer Reduktion der Bildung von Stickoxid (NOx) führt. Dabei ergibt sich ein Minimum der NOx-Bildung bei vollkommen homogenen Brennstoff-Luftgemischen, wie sie etwa durch Vormischung vor der eigentlichen Brennzone erzielt werden können. Ein entsprechender Vorschlag einer homogen vorgemischten Verbrennung von Wasserstoff existiert von Pratt & Whitney of Canada. Trotz der Vorteile, die die Vormischung im Hinblick auf die NOx-Reduzierung bietet, besteht ein wesentlicher Nachteil dieser Maßnahme darin, dass ein Zurückschlagen der Flamme in den Mischbereich prinzipiell möglich ist.

[0003] Technische Lösungen von entsprechenden Brennern mit Vormischung zeigen einen relativ einfachen Aufbau. Hierbei wird beispielsweise eine Verteilerkammer von plattenförmiger Gestalt für den Wasserstoff quer zur Durchströmrichtung der Luft, im folgenden Hauptstromrichtung genannt, in eine Brennkammer eingesetzt, wobei die Verteilerkammer in Hauptstromrichtung von einer Vielzahl von Luftleitrohren mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung durchsetzt ist. Jedes Luftleitrohr steht über kleine Bohrungen, die in der Nähe der Eintrittsöffnung angeordnet sind, mit der Verteilerkammer in Verbindung. Wird nun H2 in die Verteilerkammer eingeleitet, so strömt dieser quer zur Hauptstromrichtung zu den einzelnen Bohrungen und gelangt so in die Luftleitrohre. Wird nun gleichzeitig Luft durch die Luftleitrohre in die Brennkammer geblasen, so vermischen sich beide Gase innerhalb der Luftleitrohre. Das auf diese Weise erzeugte Gemisch gelangt dann in die Brennkammer und wird gezündet. Durch Anordnung der Verteilerkammer wird der Aufbau des Brenners wesentlich vereinfacht, da hierdurch individuelle Wasserstoffleitungen zu den einzelnen Luftleitrohren bzw. Brennzonen vermieden werden.

[0004] Unter Berücksichtigung der Bedeutung des Mischungsgrades im Hinblick auf die NOx-Bildung bei der Verbrennung von H2 weisen bekannt gewordene Wasserstoff-Brenner und -Brennkammern, die ohne Vormischung, also mit Diffusionsverbrennung arbeiten, eine erhöhte Anzahl von H2-Injektionsdüsen auf. Hierbei handelt es sich in der Regel um konventionelle Dralldüsen. Entsprechende Lösungen wurden in Rußland von TRUD / Kusnetzov und in Deutschland von MTU vorgelegt. Bei Anwendung dieses Prinzips, beispielsweise durch TRUD, lässt sich die Anzahl der Brennzonen um den Faktor fünf oder größer steigern, so dass bei einer bestimmten Brennkammer die Anzahl der Brennzonen von z. B. 30 auf 150 oder mehr gesteigert werden kann. Dabei weisen die einzelnen Brennzonen noch Durchmesser von ca. 20 mm auf.

[0005] Einer weiteren Verkleinerung der Brennzonen und damit einer anwachsenden Anzahl der Injektionsdüsen steht die dann erforderliche große Anzahl individueller Wasserstoffleitungen entgegen.

[0006] Außerdem sind der Fachwelt die beiden Druckschriften: "US-A 1,968,359" und "EP-A 0 334 736" bekannt, die als nächstkommender Stand der Technik angesehen werden, von dem die Erfindung ausgeht.

[0007] Aus der US-A 1,968,359 ist ein plattenförmiger Gasbrenner bekannt. Gemäß den Figuren 1 und 3 dieser Druckschrift weist letzterer 24 Luftkanäle auf, wobei in jedem dieser Luftkanäle vier Kanäle für den Brennstoff einmünden, so dass insgesamt 96 einzelne Brennzonen entstehen. Nach diesen Größenordnungen wird ein Fachmann erkennen, dass diese eingesetzten Brennzonen keineswegs etwas mit Mikrobrennzonen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen eines Verteilungskanals von einem Brenner zum Verbrennen von Wasserstoff, dessen beispielhafte Ausführung er aus den beigegebenen Figuren 18 und 19 sowie 20 und 21 einschließlich deren korrelierenden beispielhaften Erläuterungen nachfolgend entnehmen kann, zu tun haben. Dieser Fachmann wird mit einem dieser Figur 19 gewährten aufmerksamen Blick außerdem beachten, dass wenigstens eine Bohrung zu beiden Seiten einer sogenannten Dachkante vorgesehen wird, wobei auf diesen Seiten seitlich der Dachkante eine Vielzahl von diesen Bohrungen berücksichtigt werden. Eine derartige Denkweise lässt die US-A 1,968,359 vermissen. Außerdem enthält diese Druckschrift keinerlei auf die Problematik der Stickstoffoxide gerichteten Hinweise. Die Einleitung eines Brennstoffs in eine Luftumgebung ist der Fachwelt geläufig. Man kann aber davon ausgehen, dass einem Fachmann die diagonale Einleitung des Wasserstoffs in eine Brennkammer nach dem Vorbild der zitierten Figur 19 und auch die Vorsehung einer Maßnahme, nach der die Luft- und Wasserstoffzufuhr unter einem Mischungswinkel stattfinden wird, der in Kombination mit der Auswahl von Mikrobrennzonen (microcombustion flames pro square inch) eine deutliche Stickstoffoxidreduktion gegenüber bekannten Brennern mit Diffusionsverbrennung umsetzt, nicht geläufig sein wird.

[0008] Auch wenn einem Fachmann aus der EP-A 0 334 736 darüber hinaus die gradlinige Einleitung des Wasserstoffs durch eine Öffnung in eine Brennkammer, wie nach dem Vorbild der beigegebenen Figur 20 vorgesehen, bekannt sein mag, die beabstandete Anordnung von einer Bohrung, die (neben einer Vielzahl weiterer Bohrungen) einem wasserstoffabgebenden Verteilungskanal eingelassen ist, gegenüber einer gelöcherten Lochplatte, welche jeweils dem betreffenden Loch der Lochplatte zugeordnet ist (sind), scheint ihm zu dem beabsichtigten Zweck die Bildung (von einer Vielzahl) von Mikrobrennzonen nicht geläufig zu sein. Jedenfalls lässt sich dem Offenbarungsgehalt der EP-A 0 334 736 kein Verfahrensschritt deutlich entnehmen, nach dem lesbar "bei der Inbetriebnahme des Brenners nach dem Einblasen von Wasserstoff und Luft innerhalb der Brennkammer eine Luftumgebung mit einer Feinverteilung auf eine Vielzahl von Mikrobrennzonen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen gebildet wird.

[0009] Der durch die EP-A 0 334 736 bekannt gewordene Gasbrenner, der über mehrere Stutzen die durch die Verbrennung eines an der Luft brennbaren Druckgases erzeugten Flammen verteilt, umfasst eine Luftkammer, deren eine Wand mit einer Vielzahl nahe beieinander liegenden Öffnungen perforiert ist, an denen die Flamme erzeugt wird.

[0010] Mit der Öffnung des (einzelnen) Stutzens wird der Gasbrenner einen austretenden Gasstrahl in Richtung des diesen Strahl umgebenden Luftstroms ablenken wird, der aber - mit einem Blick auf die Figur 7 dieser Druckschrift - bedingt durch ein mechanisches Hindernis quer durch den mittleren Bereich des Ausgangs einer jeden Öffnung in der Achsverlängerung einer entsprechenden Nadel nicht gradlinig in die Brennkammer geblasen wird. Nach der Lehre der EP-A 0 334 736 werden sicherlich mehrere Brennzonen ausgebildet, aber die Erzielung von Mikrobrennzonen unter der Maßgabe, dass eben ein Wasserstoffstrahl durch die enge Bohrung einer Lochplatte in einen Luftstrahl innerhalb der Brennkammer injiziert wird, lässt sich druckschriftlich nicht entnehmen.

[0011] Demgemäss liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diffusionsverbrennung von H2 und einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens so anzugeben, dass durch eine drastische Vermehrung der Brennzonen eine deutliche Reduzierung der NOx-Bildung gegenüber bisherigen Brennern mit Diffusionsverbrennung erreicht wird.

[0012] Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Maßnahmen nach Anspruch 2 angegeben.

[0013] Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass der fertigungstechnische Aufwand trotz einer erheblichen Steigerung der Anzahl der Brennzonen gering bleibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Wasserstoff eine besonders gute Kühlwirkung auf die Struktur ausgeübt wird.

[0014] Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, werden außerdem im folgenden anhand der nachfolgend angegeben Figuren 1 bis 17 und 22 bis 23 weitere Ausführungsformen eines Brenners zum Verbrennen von Wasserstoff erläutert und beschrieben, die ein Fachmann aufgrund seines Wissens und seiner Erfahrungen dem Stand der Technik zuordnen wird. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen nach den Figuren 18 bis 21 näher erläutert und beschrieben. Es zeigen

Fig. 1

eine Ansicht eines Brenners in Matrix-Bauart für eine Brennkammer,

Fig. 2

den Schnitt II - II nach Fig. 1,

Fig. 3

einen Leitbolzen,

Fig. 4

den Schnitt IV-IV nach Fig. 3,

Fig. 5

ein Führungsrohr mit einem Leitbolzen,

Fig. 6

eine Ansicht eines Brenners in zweidimensionaler Bauart,

Fig. 7

den Schnitt VII-VII nach Fig. 6,

Fig. 8

eine Ansicht eines weiteren Brenners in Matrix-Bauart,

Fig. 9

den Schnitt IX-IX nach Fig. 8,

Fig. 10

ein Führungsrohr nach Fig. 9 mit einem Leitbolzen,

Fig. 11

die Ansicht XI nach Fig. 10,

Fig. 12

den Schnitt XII-XII nach Fig. 10,

Fig. 13

die Einzelheit XIII nach Fig. 10,

Fig. 14

eine Darstellung nach Fig. 13 mit einer veränderten axialen Stellung des Leitbolzens,

Fig. 15

eine Darstellung nach Fig. 14 mit einer veränderten Winkelstellung des Leitbolzens,

Fig. 16

eine Ausgestaltung einer Führungsrohr-Leitbolzen-Anordnung mit Leitkanälen,

Fig. 17

den Schnitt XVII-XVII nach Fig. 16,

Fig. 18

eine Ansicht eines weiteren Brenners in zweidimensionaler Bauart,

Fig. 19

den Schnitt XIX-XIX nach Fig. 18,

Fig. 20

einen Brenner mit einteiliger Lochplatte,

Fig. 21

die Ansicht XXI nach Fig. 20,

Fig. 22

einen Brenner mit gekrümmtem Verteilerkanal und

Fig. 23

den Schnitt XXIII-XXIII nach Fig. 22.

[0015] Die Figuren 1 bis 4 zeigen einen Brenner zum Verbrennen von H2 zum Einbau beispielsweise in die Brennkammer einer Gasturbine. Der Brenner hat eine plattenartige Gestalt und wird quer zur Hauptstromrichtung in die Brennkammer eingebaut. Der Randbereich des Brenners und dessen Verbindung mit dem nicht gezeigten Brennkammergehäuse ist nicht dargestellt und kann beliebig ausgebildet sein. Der Brenner besteht aus einer ersten Lochplatte 2 und einer zweiten Lochplatte 3, die durch eine Vielzahl von Führungsrohren 4 auf konstantem Abstand d gehalten werden. Dabei können die Löcher nach bestimmten Matrix-Mustem angeordnet sein. Die erste Lochplatte 2 besteht beispielsweise aus einem geeigneten Metall und ist gasundurchlässig.

[0016] Die zweite Lochplatte 3 ist demgegenüber gasdurchlässig und besteht aus einem geeigneten porösen Material, beispielsweise aus einem Sintermetall. Dabei sind die Löcher in beiden Platten 2, 3 deckungsgleich angebracht, so dass jedes Loch in der ersten Platte 2 mit dem zugeordneten Loch der zweiten Platte 3 ein Lochpaar bildet. Der Zusammenhalt des Brenners wird im wesentlichen dadurch hergestellt, dass in jedem Lochpaar ein Führungsrohr 4 als Abstandhalter eingesetzt und fixiert ist. Die Führungsrohre 4 weisen umlaufende nach außen gewalzte Sicken 5 auf.

[0017] Die Fixierung der Führungsrohre 4 in der Lochplatte 2 erfolgt beispielsweise durch Löten oder Schweißen, wohingegen die Fixierung in der Platte 3 beispielsweise durch Einwalzen oder Bördeln erfolgen kann. Dabei ergibt sich im Zusammenwirken mit der Sicke 5 zwischen den Führungsrohren 4 und der Lochplatte 3 jeweils eine formschlüssige Verbindung. Damit bilden im wesentlichen die Lochplatten 2, 3 mit den Führungsrohren 4 eine Verteilerkammer. In jedes Führungsrohr 4 ist ein Luftleitbolzen 6 eingesetzt, wie er in den Figuren 3 und 4 vergrößert gezeigt ist. Der Leitbolzen besteht im Grunde aus einem zylindrischen Rotationskörper mit einem Anschlag 6a, einem Führungsteil 6b, einer Halterung 8 und einer Scheibe 9. Der Außendurchmesser des Führungsteils 6b entspricht in etwa dem Innendurchmesser des Führungsrohres 4 und weist in der gezeigten Beispielausführung vier axiale Leitkanäle 7 auf. Die Halterung 8 ist in den Figuren 3 und 5 rechts am Führungsteil angesetzt und stellt praktisch einen Bereich mit reduziertem Durchmesser dar, der die konzentrisch angesetzte Scheibe 9 trägt, deren Außendurchmesser ungefähr dem des Führungsteils 6b entspricht. Der Anschlag 6a wird durch einen in axialer Richtung kurzen Bereich gebildet, dessen Außendurchmesser größer ist als der des Führungsteils 6b. In jedes Führungsrohr 4 ist von der Luftseite des Brenners her ein Leitbolzen 6 eingesetzt bis der Anschlag 6a an der Lochplatte 2 anliegt und ist in dieser Position dauerhaft fixiert. Eine derartige Baugruppe bildet jeweils einen Injektor. Zur Inbetriebnahme des Brenners wird gasförmiger Wasserstoff in die zwischen den Lochplatten 2, 3 bestehende Verteilerkammer eingeleitet. Außerdem wird Luft durch die Führungsrohre in die Brennkammer eingeblasen. Dabei strömt der Wasserstoff innerhalb der Verteilerkammer quer zur Hauptstromrichtung und verteilt sich dabei in einer Feinverteilung auf die örtlichen Bereiche der porösen Lochplatte 3, durch die er in die Brennkammer eintritt und hier eine Wasserstoffumgebung bildet. Dabei entsteht am Austritt jedes Führungsrohres 4 infolge der Umlenkung durch die Scheibe 9 eine Luftströmung nach Art eines Kegelmantels, die in einen Prozess der Gemischbildung mit dem umgebenden Wasserstoff eintritt und dabei eine rotationssymmetrische Diffusionsflamme bildet. Förderlich für die Aktivierung des Mischprozesses ist hier die Wechselwirkung aufeinanderprallender benachbarter Kegelflammen. Die Geometrie der Leitbolzen 6 ist so gewählt, dass sich bei deren Einsetzen bis zum jeweiligen Anschlag 6a eine vorbestimmte Umlenkung, d. h. eine vorbestimmte Flammenform ergibt. Es ist auch denkbar, dass die Anschläge 6a aus Gewichtsgründen weggelassen werden. In diesem Falle erfolgt das Einsetzen der Leitbolzen 6 in die Führungsrohre 4 in eine vorbestimmte axiale Position mittels einer Fertigungsvorrichtung. Durch den äußerst einfachen Aufbau der Injektoren können diese so miniaturisiert werden, dass eine wesentlich größere Anzahl davon je Brennkammer installierbar ist. Infolge der Miniaturisierung in der angegebenen Größenordnung werden die ausgebildeten Brennzonen Mikrobrennzonen genannt.

[0018] Die Figuren 6 und 7 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Brenners, bestehend aus einzelnen für den Wasserstoff vorgesehenen langgestreckten Verteilerkanälen 11 von U-förmigem Querschnitt, die zur Brennkammer hin durch Wandungen 12 aus einem porösen Sintermetall abgeschlossen sind. Die Kanäle 11 sind durch Lochprofile 13 von winkelförmigem Querschnitt in der Weise miteinander verbunden, dass jeweils die freien Längskanten eines Lochprofils 13 an den Längskanten zweier benachbarter Verteilerkanäle 11 befestigt sind. Dabei sind die Löcher 14 in den streifenförmigen Schenkeln der Lochprofile 13 in gleichmäßigem Abstand angebracht. Zur Inbetriebnahme dieses Brenners wird gasförmiger Wasserstoff in die Verteilerkanäle 11 eingeleitet. Gleichzeitig damit wird Luft durch die Bohrungen 14 in die Brennkammer eingeblasen. Dabei strömt der Wasserstoff innerhalb der Verteilerkanäle 11 quer zur Hauptstromrichtung und wird durch eine Feinverteilung auf die örtlichen Bereiche der porösen Wandungen 12 verteilt, durch die er in die Brennkammer eintritt und hier eine Wasserstoffumgebung bildet. Infolge der Luftzufuhr bildet sich im Bereich jeder Bohrung 14 eine stöchiometrische Zone, die bei Zündung des Brenners eine eigene Flamme bildet. Dieser Brenner ist besonders einfach ausgebildet und kann als Blechkonstruktion hergestellt werden. Dabei kann man beispielsweise so vorgehen, dass die U-förmigen Verteilerkanäle 11 aus Blech gebogen werden, wobei jeder U-Schenkel einstückig mit einem schräg abgewinkelten Lochstreifen verbunden ist. Nach dem Einsetzen der porösen Wandungen 12 werden benachbarte Kanäle 11 beispielsweise durch Verschweißen längs der freien Kanten der Lochstreifen miteinander verbunden. Dieser Brenner ist derart miniaturisierbar, dass mehrere Tausend Brennzonen innerhalb einer Brennkammer erreicht werden.

[0019] Bei der in den vorbeschriebenen Brennern stattfindenden Feinverteilung wird das H2 über die Verteilerkammer bzw. über die Verteilerkanäle auf tausende von Mikrobrennzonen verteilt, so dass gleichsam eine Mikrodiffusionsverbrennung des Wasserstoffs stattfindet. Dadurch, dass bei den vorbeschriebenen Brennern innerhalb der Brennkammer eine Wasserstoffumgebung gebildet wird, in die Luftstrahlen injiziert werden, ergibt sich eine inverse Diffusionsverbrennung, die sich in den entstehenden Mischzonen mit meist turbulentem Verlauf stabilisieren kann. Der wesentliche Vorteil dieser inversen Wasserstoff-Diffusionsverbrennung besteht darin, dass eine gute Kühlung der Struktur durch das H2 erreicht wird.

[0020] Bei den vorgenannten Brennern können anstelle der porösen Sintermetalle auch andere poröse metallische Materialien verwendet werden. So kommen auch poröse Materialien auf der Basis metallischer Fasern in Betracht, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung "Felt Metal" bekannt sind. Weiterhin ist es denkbar, dass das poröse Material aus einem Keramikwerkstoff besteht. Um die Auswirkungen von in einem porösen Material möglicherweise vorhandenen Inhomogenitäten zu begrenzen, kann ein Lochblech mit einem definierten feinen Lochraster einer relativ dünnen Schicht eines porösen Materials vorgeschaltet oder allein verwendet werden.

[0021] Die Figuren 8 bis 11 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Brenners, der jedoch im Gegensatz zu den vorherigen nicht mit inverser sondern mit regulärer Diffusionsverbrennung arbeitet. Dieser Brenner besteht wieder im wesentlichen aus zwei deckungsgleichen Lochplatten, die hier mit den Ziffern 15 und 16 bezeichnet sind. Die beiden Lochplatten sind über Führungsrohre 17, die jeweils eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweisen, fest miteinander verbunden, so dass wieder eine Verteilerkammer gebildet wird. In der Nähe der Austrittsöffnungen sind mehrere Bohrungen 18 in gleicher Winkelteilung an den Führungsrohren 17 angebracht.

[0022] In jedes Führungsrohr 17 ist ein Leitbolzen 19, bestehend aus einem Anschlag 20, einem Führungsteil 21 und einem Freistrahlteil 22, eingesetzt, wobei der Freistrahlteil praktisch einen axialen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser darstellt. Der Anschlag 20 und der Führungsteil 21 weisen eine Anzahl axial verlaufender Nuten 23 auf, deren Tiefe bis zum Außendurchmesser des Freistrahlteils 22 reichen kann. Dabei stimmt die Anzahl der Bohrungen 18 mit der der Nuten 23 überein. Bei Inbetriebnahme des Brenners wird Luft durch die Führungsrohre 17 in die Brennkammer geblasen. Gleichzeitig wird H2 in die Verteilerkammer eingeleitet, so dass er durch die einzelnen Bohrungen 18 in die Führungsrohre injiziert und hier von der durch die Nuten 23 ankommenden Luft mitgenommen wird. Dabei entsteht jeweils stromab einer Bohrung 18 eine Mikrobrennzone, in der sich bei Zündung der Brennkammer eine Flamme stabilisiert. Da die Führungsrohre 17 in der gezeigten Beispielausführung jeweils sechs Bohrungen 18 aufweisen, ergeben sich je Führungsrohr sechs Mikrobrennzonen. Damit ergibt sich eine weitere Steigerung der Anzahl der Brennzonen. Eine Anwendung dieses Prinzips auf die eingangs genannte Brennkammer von TRUD würde die Anzahl der installierbaren Brennzonen auf ca. 5000 steigern. Dies wiederum bewirkt, dass auch ohne Vormischung ein sehr hoher Mischungsgrad erreicht wird, was zur Folge hat, dass die Entstehung von NOx weitgehend reduziert wird. Durch Drehung und / oder axiale Verschiebung der Leitbolzen 19 gegenüber den Führungsrohren 17 können verschiedene Einstellungen des Brenners vorgenommen werden. Auch hierbei besteht die Möglichkeit, die Anschläge 20 wegzulassen und die axiale Position der Luftleitbolzen anhand einer entsprechenden Vorrichtung einzustellen.

[0023] Die Figuren 12 bis 15 zeigen verschiedene Einstellungen des vorbeschriebenen Brenners. In Fig. 12 ist der Leitbolzen mit den Nuten 23 gegenüber dem Führungsrohr 17 mit den Bohrungen 18 so eingestellt, dass die Injektion des Wasserstoffs durch die Bohrungen 18 in die Lücken zwischen den Luftstrahlen erfolgt, die durch die Nuten 23 ankommen. Fig. 13 zeigt den Leitbolzen in einer Position, in der der Führungsteil 21 bis dicht an die Bohrungen 18 heranreicht. Hierdurch kann der Wasserstoffstrahl nur stromab umgelenkt werden. Wird der Führungsteil 21 jedoch so in dem Führungsrohr 17 fixiert, dass ein etwas größerer Abstand zu den Bohrungen 18 besteht, wie in Fig. 14 gezeigt, so kann eine gewisse Rezirkulation eintreten. Fig. 15 zeigt schließlich eine Konfiguration, in der die durch die Nuten 23 ankommenden Luftstrahlen genau auf die durch die Bohrungen eintretenden Wasserstoffstrahlen treffen.

[0024] In allen diesen Fällen werden feine Wasserstoffstrahlen mittels der Bohrungen 18 in eine Luftumgebung eingeleitet, so dass sich eine reguläre Diffusionsverbrennung ergibt, wobei die einzelnen Brennzonen nur noch Durchmesser in der Größenordnung von 2 mm aufweisen. Hierbei stabilisieren sich die Flammen in vielen Fällen an den Bohrungen 18. Erwähnt sei, dass der Freistrahl 22 in einerweiteren Ausgestaltung auch weggelassen werden kann, insbesondere bei Luftinjektion nach Fig. 15.

[0025] Die Figuren 16 und 17 zeigen eine Ausgestaltung, nach der die Wasserstoffstrahlen und die Luftstrahlen bis zu ihrem Eintritt in die Brennkammer getrennt geführt werden. Hierzu werden die vorbeschriebenen Führungsrohre 17 mit den Bohrungen 18 verwendet. Diese sind wieder in die Lochplatten 15 und 16 eingesetzt, wovon hier nur die mit Ziffer 16 bezeichnete zu sehen ist. Der hier verwendete Leitbolzen 24 weist zwar wieder die Nuten 23 auf, ist aber sonst mit zwei wesentlichen Änderungen versehen. Zum einen ist der Bolzen mit konstantem Durchmesser annähernd bis zum Austrittsquerschnitt geführt. Zum anderen sind an den zwischen den Nuten 23 befindlichen Materialbereichen mittig kleine axial verlaufende Leitkanäle 25 angebracht. Der jeweilige Leitbolzen 24 ist so in das betreffende Führungsrohr 17 eingesetzt, dass jede Bohrung 18 in einen Leitkanal 25 einmündet. Hierdurch wird der Beginn der Diffusion zwischen Wasserstoff und Luft an einen Bereich stromab von der Lochplatte 16 gelegt, beispielsweise um exzessive thermische Strukturbelastungen zu vermeiden. Bei diesen Lösungen stabilisieren sich die Flammen an den Mündungen der Leitkanäle 25.

[0026] Die Figuren 18 und 19 zeigen eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brenners für reguläre Diffusionsverbrennung vom zweidimensionalen Typus. Dieser Brenner besteht wieder aus einzelnen für das H2 vorgesehenen langgestreckten Verteilungskanälen 26, die jedoch im Gegensatz zu den Verteilerkanälen 11 nach den Figuren 6 und 7 einen geschlossenen Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt wird im wesentlichen durch eine flache Recheckform bestimmt, die jedoch in ihrem im Bild rechten Bereich (Fig. 19) eine Dachkante 26a aufweist. Zu beiden Seiten der Dachkante 26a sind feine Bohrungen 27 in versetzter Anordnung angebracht. Die einzelnen Verteilungskanäle 26 werden durch eine nicht gezeigte Halterung in einem gegenseitigen Abstand gehalten, so dass sie ein Gitter bilden, das gemäß Fig. 19 von links nach rechts von der Luft durchströmt werden kann. Der Brenner umfasst weiterhin nach Fig. 18 eine Lochplatte 28, die aus streifenförmigen Lückenblechen integriert ist, in deren Längskanten Lücken 29 eingearbeitet sind. Die Lückenbleche sind jeweils zwischen zwei Verteilungskanälen 26 im Bereich der Bohrungen 27 durch eine nicht gezeigte Halterung so fixiert, dass jeder Bohrung 27 eine Lücke 29 zugeordnet ist. Dabei können statt der einen gezeichneten Bohrung 27 auch mehrere feinere Bohrungen angeordnet sein. Bei Inbetriebnahme dieses Brenners wird Luft entsprechend den Pfeilen 30 durch die Lücken 29 und H2 durch die Bohrungen 27 gemäß den Pfeilen 31 in die Brennkammer eingeblasen, wodurch innerhalb der Brennkammer eine Luftumgebung mit einer Vielzahl von Mikrobrennzonen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen 27 gebildet wird. Nach Zündung der Brennkammer stabilisieren sich die Flammen an den Bohrungen 27.

[0027] Die Figuren 20 und 21 zeigen einen weiteren erfindungsgemäßen Brenner mit einer einteiligen Lochplatte 32 mit Löchern 32a, woran mehrere Verteilungskanäle 33 mittels Halterungen 34 befestigt sind. Die Verteilungskanäle 33 haben einen Langrundquerschnitt und weisen in ihrem der Lochplatte 32 zugewandten Bereich eine Vielzahl von Bohrungen 35 auf. Die Halterungen 34 können aus Draht oder Blech gebildet sein. Wie Fig. 21 zeigt, sind jedem Loch 32a der Lochplatte 32 zwei Bohrungen 35 zugeordnet, wodurch H2 gemäß den Pfeilen 37 austreten kann.

[0028] Bei Inbetriebnahme dieses Brenners wird Luft entsprechend den Pfeilen 36 durch die Lochplatte 32 in die Brennkammer eingeblasen, wodurch innerhalb der Brennkammer eine Luftumgebung mit einer Vielzahl yon Mikrobrennzonen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen 35 gebildet wird. Nach Zündung der Brennkammer stabilisieren sich die Flammen an den Bohrungen 35.

[0029] Die Figuren 22 und 23 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Brenners. Die Teilansicht nach Fig. 22 zeigt gekrümmte Verteilerkanäle 38, die Bestandteil eines ringförmigen Brenners sind und nach Fig. 23 einen langrunden Querschnitt aufweisen. Hierbei bildet jeder Verteilerkanal einen geschlossenen Ring, der über einen eigenen Anschluss mit der Wasserstoffleitung verbunden ist. Der Zusammenhalt des Brenners wird beispielsweise durch zwischen den einzelnen Verteilerkanälen 38 angeordnete wellenförmige Separatoren 39 hergestellt, die mit den Verteilerkanälen 38 beispielsweise durch Schweißen verbunden sind. Die Separatoren 39 sind jeweils aus einem Blechstreifen gebildet und stellen einen hinreichenden Abstand zwischen den einzelnen Verteilerkanälen 38 für den Luftdurchtritt sicher. Es ist auch denkbar, dass ein Verteilerkanal 38 mit einem Separator 39 durch Wickeln zu einem scheibenförmigen oder ringförmigen Brenner vereinigt wird, so dass der Verteilerkanal 38 eine Spiralform erhält. Zur Schaffung einer Vielzahl von Mikrobrennzonen sind an dem Verteilerkanal 38 wieder Bohrungen angebracht, die hier mit Ziffer 40 bezeichnet sind. Hier kreuzen sich jeweils zwei Wasserstoffstrahlen 41 in einem Punkt. Gemeinsames Merkmal der ringförmigen und der spiralförmigen Verteilerkanäle ist, dass sie eine gekrümmte Form aufweisen. Diese Brenner arbeiten im Prinzip nach der gleichen Wirkungsweise, wie die bereits in Verbindung mit den Figuren 18 bis 21 beschriebenen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Diffusionsverbrennung von Wasserstoff in einem Brenner innerhalb einer Brennkammer einer Gasturbine, bei dem der Wasserstoff und Luft in den Brenner eingeleitet werden, wobei die Hauptstromrichtung durch die primäre Stromrichtung der Luft in der Brennkammer definiert wird, und der in einem Verteilungskanal vorhandene Wasserstoff diesem durch eine Vielzahl von Kanalbohrungen ausströmen und gemeinsam mit einer den Verteilungskanal umgebenden Luftströmung durch jeweils eine Öffnung einer Lochplatte eingeblasen wird, und wobei der Wasserstoff im wesentlichen in einer senkrecht zur Hauptstromrichtung gerichteten Querströmung einer Verteilung auf einzelne Brennzonen unterzogen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme des Brenners Wasserstoff und Luft durch die Bohrungen der Lochplatte in die Brennkammer eingeblasen werden, wodurch innerhalb der Brennkammer eine Luftumgebung mit einer Vielzahl von Mikrobrennzonen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen gebildet wird und nach der Zündung der Brennkammer sich die Flammen an den Bohrungen stabilisieren.

2. Brenner zum Verbrennen von Wasserstoff, der mindestens einen Verteilungskanal (26, 33), welcher einen geschlossenen Querschnitt von flacher rechteckiger oder langer runder Form aufweist, und eine Lochplatte (28, 32) umfasst, welche neben einer Brennkammer angeordnet ist, wobei der einzelne Verteilungskanal (26, 33) mit einer Vielzahl von Bohrungen (27, 35), die zur Brennkammer gerichtet sind, versehen ist, und wobei die Lochplatte (28, 32) dermaßen angeordnet ist, dass jede Bohrung (27, 35) von mehreren Verteilungskanälen (26, 33), die nebeneinander gelegen angeordnet sind, einer ihr mehrfach eingelassenen Öffnung (29, 32a) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der eine flache Rechteckform aufweisenden Verteilungskanäle (26) im zur Lochplatte (28) gerichteten Bereich eine Dachkante (26a) aufweist, in deren beiden Seiten feine Bohrungen (27) in versetzter Anordnung angebracht sind und wobei der Brenner streifenförmige Lückenbleche umfasst, in deren Längskanten Lücken (29) so eingearbeitet sind, dass jeder Bohrung (27) eine Lücke (29) zugeordnet ist, durch die der Wasserstoff austreten kann, oder dass die einen Langrundquerschnitt aufweisenden Verteilungskanäle (33) in ihrem der Lochplatte (32) zugewandten Bereich eine Vielzahl von Bohrungen (35) aufweisen, wobei jedem Loch (32a) der Lochplatte (32) zwei Bohrungen (35) zugeordnet sind, durch die der Wasserstoff austreten kann.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bohrung (35) des den Langrundquerschnitt aufweisenden Verteilungskanals (33) einer als Loch ausgebildeten Öffnung (32a) zugeordnet ist.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Brennkammer eine Luftumgebung mit einer Vielzahl von Mikrobrennzonen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen (27, 35) vorhanden ist, die bei der Brenner-Inbetriebnahme durch Einblasen von Luft, durch die Öffnung (29, 32a), die den einzelnen Verteilungskanal (26, 33) umgebend ist, und von Wasserstoff durch die Bohrung (27, 35), der im einzelnen Verteilungskanal (26, 33) vorhanden ist, in die Brennkammer gebildet wird.

Claims

1. Method for the diffusion combustion of hydrogen in a burner inside a combustion chamber of a gas turbine, in which the hydrogen and air are injected into the burner, wherein the main flow direction is defined by the primary flow direction of the air in the combustion chamber and the hydrogen present in a distribution channel flows out into the latter through a multiplicity of channel bores and, together with an air flow surrounding the distribution channel, is injected through one opening in each case of a perforated plate, and wherein the hydrogen is essentially subjected to a distribution over individual combustion zones in a transverse flow directed perpendicularly to the main flow direction, characterized in that, when the burner is started up, hydrogen and air are injected through the bores of the perforated plate into the combustion chamber, as a result of which an air environment having a multiplicity of microcombustion zones is formed inside the combustion chamber in the respective regions of the bores and, after the ignition of the combustion chamber, the flames stabilize at the bores.

2. Burner for the combustion of hydrogen that has at least one distribution channel (26, 33) that has a closed cross section of flat rectangular or oval shape and comprises a perforated plate (28, 32) that is disposed next to a combustion chamber, wherein the individual distribution channel (26, 33) is provided with a multiplicity of bores (27, 35) that are directed towards the combustion chamber, and wherein the perforated plate (28, 32) is disposed in such a way that each bore (27, 35) of a plurality of distribution channels (26, 33) that are disposed next to one another is assigned to an opening (29, 32a) multiply inset in it, characterized in that each of the distribution channels (26) having a flat rectangular shape has a ridged edge (26a) in the region directed towards the perforated plate (28), in both sides of which ridged edge fine bores (27) are provided in an offset arrangement and wherein the burner comprises strip-shaped sheets with gaps in whose longitudinal edges gaps (29) are incorporated in such a way that there is assigned to each bore (27) a gap (29) through which the hydrogen can escape, or that the distribution channels (33) having an oval cross section have a multiplicity of bores (35) in their region facing the perforated plate (32), wherein two bores (35) through which the hydrogen can escape are assigned to each hole (32a) of the perforated plate (32).

3. Burner according to Claim 2, characterized in that each bore (35) of the distribution channel (33) having the oval cross section is assigned to an opening (32a) designed as a hole.

4. Burner according to Claim 2, characterized in that, inside the combustion chamber, an air environment is present that comprises a multiplicity of microcombustion zones in the respective regions of the bores (27, 35), which multiplicity is formed by injecting, when the burner is started up, air through the opening (29, 32a) that surrounds the individual distribution channel (26, 33) and hydrogen through the bore (27, 35) that is present in the individual distribution channel (26, 33) into the combustion chamber.

Revendications

1. Procédé pour la combustion par diffusion d'hydrogène dans un brûleur situé à l'intérieur d'une chambre de combustion d'une turbine à gaz, l'hydrogène et l'air étant introduits dans le brûleur, la direction d'écoulement primaire de l'air dans la chambre de combustion étant définie, l'hydrogène présente dans le canal de distribution s'écoulant de ce canal via une multitude d'alésages de canal et étant insufflée en même temps qu'un écoulement d'air entourant le canal de distribution à travers une ouverture d'une plaque perforée, l'hydrogène étant essentiellement répartie sur plusieurs zones de combustion individuelles, dans un écoulement transversal perpendiculaire à la direction d'écoulement principale,
et caractérisé en ce que lors de la mise en service du brûleur, l'hydrogène et l'air sont insufflés via les alésages de la plaque perforée dans la chambre de combustion, formant ainsi à l'intérieur de la chambre de combustion, dans les différentes zones des alésages, un environnement d'air tandis qu'après l'allumage de la chambre de combustion, les flammes se stabilisent au niveau des alésages.

2. Brûleur pour la combustion d'hydrogène présentant au moins un canal de distribution (26, 33) présentant une section transversale fermée de forme rectangulaire plate ou ronde allongée et comprenant une plaque perforée (28, 32) disposée à côté d'une chambre de combustion, le canal de distribution (26, 33) étant doté d'une multitude d'alésages (27, 35) orientés
vers la chambre de combustion et la plaque perforée (28, 32) étant disposée de telle sorte que chaque alésage (27, 35) de plusieurs canaux de distribution (26, 33) disposés les uns à côté des autres corresponde à au moins un orifice (29, 32a), caractérisé en ce que chaque canal de distribution (26) de forme rectangulaire plate présente, dans la zone dirigée vers la plaque perforée (28) un bord de recouvrement (26a) sur les deux côtés duquel ont été disposés de manière décalée de fins alésages (27), le brûleur comprenant des tôles perforées lamellaires dans les bords longitudinaux desquelles les trous (29) ont été pratiqués de telle sorte que chaque alésage (27) corresponde à un trou (29) via lequel l'hydrogène peut sortir, ou en ce que les canaux de distribution (33) présentant une section transversale ronde allongée sont dotés, dans la zone orientée vers la plaque perforée (32), d'une multitude d'alésage (35), deux alésages (35) via lesquels l'hydrogène peut sortir étant reliés à chaque trou (32a) de la plaque perforée (32).

3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque alésage (35) du canal de distribution (33) à section transversale ronde allongée a été raccordée à une ouverture (32a) en forme de trou.

4. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un environnement d'air avec une multitude de micro-zones de combustion est présent à l'intérieur de la chambre de combustion, dans les différentes zones des alésages (27, 35), l'environnement d'air étant constitué, dans la chambre de combustion et
lors de la mise en service du brûleur par injection d'air, par l'ouverture (29, 32a) entourant le canal de distribution (26, 33) et lors de la mise en service par injection d'hydrogène, par l'alésage (27, 35) présent dans le canal de distribution (26, 33).

Zeichnung