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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brenngasen, insbesondere von Brenngasen mit stark schwankenden kalorischen Gehalten. Die beschriebene Erfindung kann in jedem System einen Einsatz finden, bei dem sowohl hochkalorisches als auch niederkalorisches, Brenngas ohne zusätzliche Zuführung von Brenngas und/oder Verbrennungsluft in demselben Verbrennungssystem verbrannt werden sollen. Ein Beispiel dafür ist die Anwendung als Nachverbrennungssystem in Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen, wie beispielsweise SOFC (Festoxid-Brennstoffzelle). Einerseits muss im stationären Zustand des Systems das niederkalorische heiße Anodenrestgas im Brenner umgesetzt werden. Während der Start- und Stoppzyklen des Brennstoffzellensystems muss andererseits das hochkalorische Reformat, welches nicht oder nur unvollständig in der Brennstoffzelle umgesetzt werden kann und bei unterschiedlichen Temperaturen anfällt, emissionsarm nachverbrannt werden.
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Das beschriebene Problem wurde bisher im Wesentlichen mithilfe von vorgemischten Verbrennungssystemen gelöst, wobei teilweise auch ein poröses Medium zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität und zur Senkung der Emissionen in den Brennraum eingebracht wurde. Außerdem wurden Katalysatoren im Brennraum eingesetzt, wobei Brenngas- und Verbrennungsluft nicht, bzw. nicht so stark vorgewärmt waren. Die bekannten Lösungen nutzen eine vorgemischte Verbrennung, wobei ein erhöhter Systemintegrations- und Regelungsaufwand resultiert. Außerdem wird in den bereits bekannten Lösungen häufig auf den Gebrauch von Katalysatoren zurückgegriffen, welche vor allem hinsichtlich des Dauerbetriebs solcher Verbrennungssysteme große Nachteile aufgrund von Degradationserscheinungen aufweisen. Weiterhin werden durch den Einsatz von Katalysatoren zusätzliche Kosten verursacht. Die bisherigen Lösungen beschränken sich auf die Verbrennung von Brenngasen mit bestimmten kalorischen Gehalten.
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Nach
DE 4330130 C1 ist ein katalytisch zweistufiger Brenner für Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas bekannt. Durch die konstruktive Ausgestaltung dieses Brenners soll eine nahezu vollständige Verbrennung insbesondere von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen bei hohem Wirkungsgrad und niedriger Emissionen erreicht werden.
DE 4322198 C2 beinhaltet einen Brenner für ein Gas-/Luftgemisch, dessen Brennraum mit einem porösen Material mit zusammenhängenden Hohlräumen ausgefüllt ist, wobei die Porengröße des Materials längs des Brennraumes vom Einlass zum Auslass zunimmt. Mit diesem Brenner soll die Flamme bei niedriger Temperatur und schadstoffemissionsfrei brennen. Beide Brenner sind für die Verbrennung von heißen Brenngasen mit stark wechselnden kalorischen Gehalten nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine geeignete Brennergeometrie bzw. Prozessführung zu entwickeln, welche ohne aktive Beeinflussung der Brennergeometrie im Fall eines niederkalorischen Brenngases als einstufiger Brenner und im Fall eines hochkalorischen Brenngases als zweistufiger Brenner eingesetzt wird. In beiden Fällen soll keine zusätzliche Zufuhr von Brenngas oder Verbrennungsluft notwendig sein.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verbrennungssystem aus zwei nacheinander geschalteten Verbrennungsstufen bzw. Brennkammern (5, 6), besteht. Diese Brennkammern befinden sich in einem Gehäuse (1). Außerdem besitzt der Brenner eine Brenngaszuführung (2) und eine Verbrennungsluftzuführung (3). In ist das Verfahren für die Verbrennung von hoch- und niederkalorischen Brenngasen in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern dargestellt und zeigt einen, nach diesem Verfahren betriebenen Brenner. Im Fall des niederkalorischen Brenngases findet die vollständige Verbrennung in einer ersten Brennkammer (5) statt, wobei die zur Verfügung stehende Verbrennungsluft mithilfe eines entsprechenden Strömungsteilers (4) so aufgeteilt wird, dass nur so viel Luft in die Brennkammer gelangt wie zur emissionsarmen, vollständigen Brenngasumsetzung notwendig ist. Das Abgas der ersten Stufe/Brennkammer wird dann lediglich mit der restlichen Luft in einer zweiten, nachgeschalteten Brennkammer (6) vermischt.
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Wenn ein hochkalorisches Brenngas im beschriebenen Brenner umgesetzt werden soll, findet in der ersten Brennkammer eine partielle Verbrennung statt, da bei gleicher Geometrie und zur Verfügung stehender Verbrennungsluftmenge die Aufteilung der Luft annähernd gleich bleibt. Das Abgas der ersten Brennkammer, welches noch einen kalorischen Gehalt hat, wird anschließend in der zweiten Brennkammer mit der restlichen Luft vermischt und vollständig umgesetzt.
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Es besteht dabei zu keinem Zeitpunkt des Brennerbetriebs und unabhängig vom kalorischen Gehalt des Brenngases die Notwendigkeit dem Prozess zusätzliches Brenngas oder/und Verbrennungsluft zuzuführen.
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Wie in gezeigt, würde eine vorteilhafte Ausführung des zweistufigen Brenners eine Zündung (9) in der ersten Brennkammer beinhalten, die zur sicheren Zündung von Brenngas und Luft dient. Die Zündung sollte in der ersten Brennkammer erfolgen, da durch das heiße Abgas der ersten Brennkammer automatisch dafür gesorgt wird, dass sich, im Fall des hochkalorischen Brenngases, das Abgas der ersten Kammer, welches noch einen bestimmten kalorischen Gehalt hat, in der zweiten Brennkammer mit der restlichen Verbrennungsluft aufgrund der hohen Temperaturen der Gase selbst entzündet. Wäre die Zündung in der zweiten Brennkammer angebracht, könnte die automatische Zündung in der ersten Brennkammer nicht gewährleistet werden.
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Die Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer ist so zu bemessen, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten Brennkammer zwischen 1000°C und 1600°C liegt. Dabei kann die Verbrennungsluft an Sauerstoff abgereichert sein, wie beispielsweise die Kathodenabluft von SOFC-Brennstoffzellen (Festoxid-Brennstoffzelle). Im letzteren Anwendungsfall fallen sowohl das Brenngas als auch die an Sauerstoff abgereicherte Verbrennungsluft bei Temperaturen über 300°C an. Die Brenngas- und Verbrennungslufttemperarur muss bei der Bemesssung der Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer berücksichtigt werden, um den richtigen Verbrennungstemperaturbereich zu erreichen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung beinhaltet eine Einrichtung zur Flammenüberwachung (10) im Brenner. Übliche Methoden der Flammenüberwachung, wie Flammenionisationsdetektoren und UV-Detektoren, könnten genutzt werden, aber aufgrund der wasserstoffhaltigen Schwachgase als Brenngase wären die Signale zu schwach. Weiterhin sind die Temperaturen im Brennraum teilweise höher als die zulässige maximale Einsatztemperatur solcher Detektoren. Deswegen ist eine Flammenüberwachung durch Überwachung der Verbrennungstemperaturen vorteilhaft. Sowohl das Temperaturniveau also auch der zeitliche Temperaturgradient können überwacht werden, um Zündung und eventuelles Erlöschen der Flamme detektieren zu können. Der Brenner arbeitet beispielsweise sicher, wenn in der ersten Brennkammer eine Flamme detektiert werden kann, weswegen die Flammenüberwachung in Form eines Temperatursensors in dieser Kammer vorteilhaft stattfinden kann. Die Position des Sensors sollte so gewählt werden, dass die Wärmefreisetzung detektiert werden kann, d. h. eine ausreichende Wärmeentwicklung durch den Verbrennungsprozess muss an der gewählten Position bereits gewährleistet sein. Die Flamme der ersten Brennkammer dient ebenfalls als Stützflamme für die zweite Brennkammer, insofern in dieser noch Brennstoff umgesetzt werden muss. Um den Temperatursensor nicht zu hohen Prozesstemperaturen aussetzen zu müssen und einen besseren Zugang zu gewährleisten, kann dieser alternativ auch im Abgasrohr nach beiden Brennkammern angebracht werden, um dort Unterschiede in der Abgastemperatur und das Temperaturniveau zu detektieren, um damit ebenfalls den sicheren Betrieb des Brenners sicherzustellen. Die Möglichkeiten der Positionierung einer Flammenüberwachungseinrichtung (10) sind in (10', 10'') dargestellt.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit den zweistufigen Brenner so auszuführen, dass in der ersten und/oder zweiten Brennkammer ein offenporiges hochtemperaturbeständiges Material (7, 8) enthalten ist, in dem die Brenngase teilweise oder vollständig umgesetzt werden, wie zeigt. Der Einsatz eines porösen Mediums wirkt sich positiv auf den Wärme- und Stofftransport im Brennraum aus, wodurch eine Homogenisierung der Verbrennung, vor allem hinsichtlich der Verbrennungstemperaturen erfolgt. Dadurch wird die Umsetzung der im Brenngas enthaltenen Spezies begünstigt, was zu einer Verringerung der Schadstoffemissionen des Brenners führt.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels erläutert werden:
Der zweistufige Brenner, welcher in dargestellt ist, besteht aus zwei zylindrischen, konzentrisch angeordneten Rohren, von denen das äußere mit einem Durchmesser von 70 mm das Gehäuse 1 des Brenners und das innere mit einem Durchmesser von 26 mm die innere, erste Brennkammer 5 bildet. Der gasförmige Brennstoff gelangt in axialer Richtung von oben über die Brenngaszuführung 2 in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 21 mm in das als erste Brennkammer 5 dienende innere Brennrohr. Die gesamte sauerstoffabgereicherte, heiße Kathodenluft einer Hochtemperaturbrennstoffzelle wird durch die, in radialer Richtung tangential angebrachte Verbrennungsluftzuführung 3 in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 26 mm in den Zwischenraum der ersten Brennkammern 5 und der zweiten Brennkammer 6 gebracht. Die Aufteilung des Kathodenluftstroms wird mithilfe von zwölf Löchern mit einem Durchmesser von 3,5 mm, welche in zwei Reihen übereinander versetzt radial in den oberen Teil der ersten Brennkammer 5 eingebracht sind (Strömungsteiler für Verbrennungsluft 4a, und der kreisrunden Platte mit Löchern 11 zur zweiten Brennkammer 6 (Strömungsteiler für Verbrennungsluft 4b realisiert. Wenn die Luft durch den tangentialen Einlass in den Brenner gelangt, passiert ein Teil von ihr direkt diese Löcher und gelangt somit in das innere Brennerrohr, welches die innere Brennkammer 5 und somit die erste Verbrennungsstufe bildet. Um diesen Effekt noch zu verstärken, wird eine kreisrunde Platte 11 mit zehn, auf einem Kreisbogen angeordneten Löchern mit einem Durchmesser von 8 mm zwischen dem inneren und dem äußeren Brennerrohr, am Ende des inneren Brennerrohres fixiert. In einer vorteilhaften Ausführung wäre der Brenner aus hochwarmfesten Stahl gebaut und die Brennkammern mit feuerfestem Material ausgekleidet/beschichtet.
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Im Fall des niederkalorischen Anodenrestgases der Hochtemperaturbrennstoffzelle als Brenngas findet die vollständige Verbrennung in der ersten Brennkammer 5 statt, welche 114 mm lang ist. Der gesamte Kathodenluftstrom wird mit dem beschriebenen Strömungsteiler für die Verbrennungsluft 4a, 4b so aufgeteilt, dass genau so viel Verbrennungsluft in die erste, innere Brennkammer 5 gelangt wie zur vollständigen, emissionsarmen Verbrennung des niederkalorischen Anodenrestgases notwendig ist. Das Abgas der ersten Verbrennungsstufe wird dann lediglich mit der restlichen Kathodenluft in einer zweiten, nach geschalteten Brennkammer 6 vermischt, bevor es den Brenner in axialer Richtung über die Abgasabführung 12 verlässt.
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Im Fall des hochkalorischen Reformatgases als Brenngas, welches in der Brennstoffzelle im Start- und Stoppbetrieb nicht oder nur unvollständig umgesetzt wird, kommt es zur unterstöchiometrischen, partiellen Verbrennung in der ersten Brennkammer 5, da bei gleicher Geometrie und zur Verfügung stehender Verbrennungsluft die Aufteilung der Luft unverändert bleibt. Das bedeutet, dass das Abgas der ersten Brennkammer 5 immer noch einen kalorischen Gehalt besitzt und deshalb in der zweiten Brennkammer 6, welche eine Länge von 82 mm hat und als Weiterführung des äußeren Brennerrohres bis zur Abgasabführung 12 mit einem Innendurchmesser von 45 mm konisch zuläuft, vollständig umgesetzt wird.
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Es wurde bereits experimentell nachgewiesen, dass sowohl hoch- als auch niederkalorische, heiße Brenngase mit heißer Verbrennungsluft (sauerstoffabgereichert) in dem, die Erfindung betreffenden zweistufigen, nicht vorgemischten Brenner vollständig und sicher umgesetzt werden können. Dabei waren die erzielten Verbrennungstemperaturen in der ersten Brennkammer sowohl für das niederkalorische Anodenrestgas bei vollständiger Verbrennung in der ersten Brennkammer, als auch für das hochkalorische Reformatgas bei partieller Verbrennung nahezu gleich. Somit wurde gezeigt, dass der beschriebene zweistufige Brenner als Nachverbrennungssystem in einem SOFC (Festoxidbrennstoffzelle) basierten Mikro-KWK System verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Brenngaszuführung
- 3
- Verbrennungsluftzuführung
- 4
- Strömungsteiler für die Verbrennungsluft (4a, 4b)
- 5
- Erste Brennkammer
- 6
- Zweite Brennkammer
- 7
- Offenporiges hochtemperaturbeständiges Material in der ersten Brennkammer
- 8
- Offenporiges hochtemperaturbeständiges Material in der zweiten Brennkammer
- 9
- Zündung
- 10
- Flammenüberwachung (10' und 10'')
- 11
- Kreisrunde Platte mit Löchern
- 12
- Abgasabführung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4330130 C1 [0003]
- DE 4322198 C2 [0003]
