DE19547506A1 - Verfahren und Brenner zum Verbrennen von Wasserstoff - Google Patents
Verfahren und Brenner zum Verbrennen von WasserstoffInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbrennen
von Wasserstoff und einen Brenner zur Durchführung des Ver
fahrens.
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 Brenn
kammern moderner Gasturbinen auftreten. Durch Veröffentli
chungen von Heywood und Mikus ist es in der Verbrennungs
technik bekannt, daß im Bereich mit genügend hohen Luftüber
schüssen 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 eigent
lichen Brennzone erzielt werden können. Ein entsprechender
Vorschlag einer homogen vorgemischten Verbrennung von Wasser
stoff existiert von Pratt & Whitney of Canada. Trotz der
Vorteile, die die Vormischung im Hinblick auf die NOx-Redu
zierung bietet, besteht ein wesentlicher Nachteil dieser
Maßnahme darin, daß ein Zurückschlagen der Flamme in den
Mischbereich prinzipiell möglich ist.
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 Haupt
stromrichtung 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 Verteiler
kammer 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 Wasser
stoffleitungen zu den einzelnen Luftleitrohren bzw. Brennzo
nen vermieden werden.
Unter Berücksichtigung der Bedeutung des Mischungsgrades im
Hinblick auf die NOx-Bildung bei der Verbrennung von H2
weisen bekannt gewordene Wasserstoff-Brenner und -Brennkam
mern, 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 Anwen
dung 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. Einer weiteren Verkleinerung
der Brennzonen und damit einer anwachsenden Anzahl der
Injektionsdüsen steht die dann erforderliche große Anzahl
individueller Wasserstoffleitungen entgegen.
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.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren sowie
bei einem entsprechenden Brenner durch die kennzeichnenden
Merkmale der Patentansprüche 1, 4 und 10 gelöst.
Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß der fertigungstech
nische Aufwand trotz einer erheblichen Steigerung der Anzahl
der Brennzonen gering bleibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen angegeben.
So besteht ein Vorteil der Ausgestaltung nach Anspruch 2
darin, daß durch den Wasserstoff eine besonders gute Kühlwir
kung auf die Struktur ausgeübt wird.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt und nach
folgend näher erläutert. 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 zweidimensiona
ler 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 Leitbol
zen,
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 verän
derten axialen Stellung des Leitbolzens,
Fig. 15 eine Darstellung nach Fig. 14 mit einer verän
derten 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 zweidi
mensionaler 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.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Brenner zum Verbrennen von H2
zum Einbau beispielsweise in die Brennkammer einer Gastur
bine. 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-Mustern angeordnet sein. Die erste Lochplatte 2
besteht beispielsweise aus einem geeigneten Metall und ist
gasundurchlässig. 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 Zusammen
halt des Brenners wird im wesentlichen dadurch hergestellt,
daß in jedem Lochpaar ein Führungsrohr 4 als Abstandhalter
eingesetzt und fixiert ist. Die Führungsrohre 4 weisen umlau
fende nach außen gewalzte Sicken 5 auf. 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 Verteiler
kammer. In jedes Führungsrohr 4 ist ein Luftleitbolzen 6
eingesetzt, wie er in den Fig. 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 Beispielaus
führung vier axiale Leitkanäle 7 auf. Die Halterung 8 ist in
Fig. 3 rechts am Führungsteil angesetzt und stellt praktisch
einen Bereich mit reduziertem Durchmesser dar, der die kon
zentrisch 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 Führungs
teils 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 dauer
haft 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 Feinver
teilung 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 aufeinander
prallender 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 erfindungsgemäß ausge
bildeten Brennzonen Mikrobrennzonen genannt.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen 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 winkelför
migem 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 gasförmi
ger Wasserstoff in die Verteilerkanäle 11 eingeleitet.
Gleichzeitig damit wird Luft durch die Bohrungen 14 in die
Brennkammer eingeblasen. Dabei strömt der Wasserstoff inner
halb 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 Brennkam
mer 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.
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 vorbe
schriebenen Brennern innerhalb der Brennkammer eine Wasser
stoffumgebung 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.
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 Keramikwerk
stoff 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.
Die Fig. 8 bis 11 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines
Brenners, der jedoch im Gegensatz zu den vorherigen nicht mit
inverser sondern mit regulärer Diffusionsverbrennung arbei
tet. Dieser Brenner besteht wieder im wesentlichen aus zwei
deckungsgleichen Lochplatten, die hier mit 15 und 16 bezeich
net 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 Austrittsöff
nungen sind mehrere Bohrungen 18 in gleicher Winkelteilung an
den Führungsrohren 17 angebracht. 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 Verteiler
kammer eingeleitet, so daß er durch die einzelnen Bohrun
gen 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 Mikrobrenn
zone, 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 Brennzo
nen. 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 weitge
hend reduziert wird. Durch Drehung und/oder axiale Verschie
bung 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.
Die Fig. 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 Bohrun
gen 18 so eingestellt, daß die Infektion des Wasserstoffs
durch die Bohrungen 18 in die Lücken zwischen den Luftstrah
len 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. In allen diesen Fällen werden feine Wasserstoff
strahlen 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 stabilisie
ren sich die Flammen in vielen Fällen an den Bohrungen 18.
Erwähnt sei, daß der Freistrahl 22 in einer Ausgestaltung der
Erfindung auch weggelassen werden kann, insbesondere bei
Luftinjektion nach Fig. 15.
Die Fig. 16 und 17 zeigen eine Ausgestaltung, wobei die
Wasserstoffstrahlen und die Luftstrahlen bis zu ihrem
Eintritt in die Brennkammer getrennt geführt werden. Hierzu
werden die vorbeschriebenen Führungsrohre 17 mit den Bohrun
gen 18 verwendet. Diese sind wieder in die Lochplatten 15 und
16 eingesetzt, wovon hier nur die mit 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 Materialberei
chen mittig kleine axial verlaufende Leitkanäle 25 ange
bracht. 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 Diffu
sion zwischen Wasserstoff und Luft an einen Bereich stromab
von der Lochplatte 16 gelegt, beispielsweise um exzessive
thermische Strukturbelastungen zu vermeiden. Bei diesen Lösun
gen stabilisieren sich die Flammen an den Mündungen der
Leitkanäle 25.
Die Fig. 18 und 19 zeigen eine Ausgestaltung eines
Brenners, für reguläre Diffusionsverbrennung vom zweidimensi
onalen Typus. Dieser Brenner besteht wieder aus einzelnen für
das H2 vorgesehenen langgestreckten Verteilerkanälen 26, die
jedoch im Gegensatz zu den Verteilerkanälen 11 nach den
Fig. 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 eine Dachkante 26a aufweist. Zu beiden Seiten der
Dachkante sind feine Bohrungen 27 in versetzter Anordnung
angebracht. Die einzelnen Kanäle 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 streifenförmige Lückenbleche 28, in deren
Längskanten Lücken 29 eingearbeitet sind. Die Lückenbleche 28
sind jeweils zwischen zwei Verteilerkanälen 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 Brenn
kammer eine Luftumgebung mit einer Vielzahl von Mikrobrennzo
nen in den jeweiligen Bereichen der Bohrungen 27 gebildet
wird. Nach Zündung der Brennkammer stabilisieren sich die
Flammen an den Bohrungen 27.
Die Fig. 20 und 21 zeigen einen Brenner mit einer einteili
gen Lochplatte 32 mit Löchern 32a, woran mehrere Verteilerka
näle 33 mittels Halterungen 34 befestigt sind. Die Verteiler
kanäle 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.
Bei Inbetriebnahme dieses Brenners wird Luft entsprechend den
Pfeilen 36 durch die Lochplatte 32 in die Brennkammer einge
blasen, wodurch innerhalb der Brennkammer eine Luftumgebung
mit einer Vielzahl von Mikrobrennzonen in den jeweiligen
Bereichen der Bohrungen 35 gebildet wird. Nach Zündung der
Brennkammer stabilisieren sich die Flammen an den Bohrun
gen 35.
Die Fig. 22 und 23 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines
Brenners. Die Teilansicht nach Fig. 22 zeigt gekrümmte Vertei
lerkanäle 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 beispiels
weise 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 Vertei
lerkanal 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
40 bezeichnet sind. Hier kreuzen sich jeweils zwei Wasser
stoffstrahlen 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 Fig. 18 bis 21 beschriebenen.
Claims (21)
1. Verfahren zum Verbrennen von Wasserstoff in einer Diffu
sionsverbrennung, wobei der Wasserstoff und ein Oxidator in
einen Brenner eingeleitet werden, wobei ferner die Haupt
stromrichtung durch die Stromrichtung des Oxidators definiert
wird, und der Wasserstoff in einer im wesentlichen senkrecht
zur Hauptstromrichtung gerichteten Querströmung zu den ein
zelnen Brennzonen verteilt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidator Luft verwendet wird
und die Querströmung mit einer Feinverteilung auf eine Viel
zahl von einzelnen Mikrobrennzonen verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Mikrobrennzonen
Luft in eine Wasserstoffumgebung eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Mikrobrennzonen
Wasserstoff in eine Luftumgebung eingeleitet wird.
4. Brenner zur Durchführung des Verfahrens zum Verbrennen
von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei der Brenner eine
Verteilerkammer von im wesentlichen plattenartiger Gestalt
umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkammer aus einer
ersten Lochplatte (2) und einer zweiten Lochplatte (3)
besteht, die durch eine Vielzahl von Führungsrohren (4) auf
konstantem Abstand (d) gehalten werden und in jedes
Führungsrohr (4) ein Luftleitbolzen (6) mit mehreren axialen
Leitkanälen (7, 23) eingesetzt ist.
5. Brenner nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lochplatte (3) aus
einem gasdurchlässigen porösen Material besteht.
6. Brenner nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatten (15, 16) aus einem
gasundurchlässigen Material bestehen.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luftleitbolzen (6) eine
Halterung (8) mit einer Scheibe (9) aufweist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luftleitbolzen (6, 19) einen
Führungsteil- (21) und einen Freistrahlteil (22) aufweist.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luftleitbolzen (6, 19, 24) vom
Eintrittsquerschnitt bis zum Austrittsquerschnitt des betref
fenden Führungsrohres reicht und hier einen konstanten Durch
messer aufweist und an den zwischen den Nuten (23)
befindlichen Materialbereichen mittig axial verlaufende
Leitkanäle (25) angebracht sind.
10. Brenner zur Durchführung des Verfahrens zum Verbrennen
von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei der Brenner mindestens
einen Verteilerkanal umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkanal (11) einen
U-förmigem Querschnitt aufweist, der zur Brennkammer hin
durch Wandungen (12) aus einem porösen Material abgeschlossen
ist und der Verteilerkanal (11) durch ein Lochprofil (13) von
winkelförmigem Querschnitt in der Weise mit einem benachbar
ten Verteilerkanal verbunden ist, daß die freien Längskanten
des Lochprofils (13) an den Längskanten der benachbarten
Verteilerkanäle (11) befestigt sind.
11. Brenner zur Durchführung des Verfahrens zum Verbrennen
von Wasserstoff nach Anspruch 1, wobei der Brenner mindestens
einen Verteilerkanal umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkanal (11, 26) einen
geschlossenen Querschnitt von im wesentlichen flach rechtecki
ger Form aufweist, der zur Brennkammer hin mit einer Vielzahl
von Bohrungen (27) versehen ist.
12. Brenner nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß Lückenbleche (28) jeweils
zwischen zwei Verteilerkanälen (11, 26) im Bereich der
Bohrungen (27) so fixiert sind, daß jeder Bohrung (27) eine
Lücke (29) zugeordnet ist.
13. Brenner nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner eine einteilige Loch
platte (32) aufweist, woran mehrere Verteilerkanäle (33)
mittels Halterungen (34) befestigt sind und jedem Loch der
Lochplatte (32) eine Bohrung (35) oder eine Gruppe von
Bohrungen (35) zugeordnet ist.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkanal (11, 26, 33, 38)
eine gekrümmte Form aufweist.
15. Brenner nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner einen wellenförmigen
Separator (39) aufweist.
16. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material ein Sinterme
tall ist.
17. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material ein Keramik
material ist.
18. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material ein Material
auf der Basis von Metallfasern ist.
19. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß dem porösen Material ein
Lochblech mit einem definierten feinen Lochraster vorgeschal
tet ist.
20. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material durch ein
Lochblech mit einem definierten feinen Lochraster ersetzt
wird.
21. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luftleitbolzen (6, 19) einen
Anschlag (6a, 20) aufweist.
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