EP1213536A2 - Vormischbrenneranordnung mit katalytischem Pilotbrenner - Google Patents

Vormischbrenneranordnung mit katalytischem Pilotbrenner Download PDF

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EP1213536A2
EP1213536A2 EP01128081A EP01128081A EP1213536A2 EP 1213536 A2 EP1213536 A2 EP 1213536A2 EP 01128081 A EP01128081 A EP 01128081A EP 01128081 A EP01128081 A EP 01128081A EP 1213536 A2 EP1213536 A2 EP 1213536A2
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EP
European Patent Office
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premix burner
combustion chamber
fuel
pilot fuel
air mixture
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EP01128081A
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EP1213536A3 (de
EP1213536B1 (de
Inventor
Christian Dr. Steinbach
Timothy Dr. Griffin
Peter Dr. Jansohn
Thoams Ruck
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Power NV
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Publication of EP1213536A3 publication Critical patent/EP1213536A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a premix burner arrangement and to a Method for operating such a pilot fuel feed for Operation of a combustion chamber of a gas turbine arrangement, with a Premix burner housing in which at least one fuel addition unit and Supply air openings are provided such that they are more gaseous and / or more liquid Fuel with combustion air inside the premix burner housing are miscible and form a fuel-air mixture that from the Premix burner housing downstream towards the combustion chamber, which the Pre-mix burner assembly is downstream, exits and within the Combustion chamber in the form of a spatially largely stationary one Flame can be brought to ignition.
  • a premix burner of the aforementioned type is the subject of German patent application DE 196 54 009 A1.
  • the well-known premix burner has a conically widening housing within which through appropriate provision of air inlet slots a fuel / air mixture formed.
  • a swirl generator is provided downstream, which is the fuel / air mixture after passing the premix burner, a certain critical Gives swirl number, which is required for a spatially stable flame, the inside the combustion chamber after igniting the fuel / air mixture formed. To start or ignite such premix burners it is necessary a targeted pilot gas supply in the premix burner.
  • pilot gas fed into the premix burner forms a diffusion flame which for igniting the fuel / air mixture that forms axially in the premix burner serves that ideally spatially within the burner chamber forms a stable flame front near the backflow zone.
  • the pilot gas supply also serves to increase the flame stability in the lower part load range of the Premix burner in operating states in which the premix burner lean mixtures is driven.
  • Premix burners with a downstream mixing section have become known, inter alia for reasons of reduction of NO x emissions, as can be seen, for example, from EP 0 83 105 A2.
  • the fuel / air mixture is able to mix completely within the mixing section downstream of the premix burner before the mixture reaches the combustion chamber for ignition.
  • burner systems optimized in this way for starting up and also in operating states with only a lean mixture supply require piloting which is known per se, as is used in particular in the lower part-load operation of gas turbine systems.
  • the additional pilot gas supply has a lasting effect on the NO x emissions caused by the combustion, despite the additional mixing section.
  • the invention is based on the object of a premix burner arrangement with a pilot fuel feed for operating a combustion chamber in a gas turbine arrangement, with a premix burner in which at least one fuel addition unit and supply air openings are provided in such a way that gaseous and / or liquid fuel can be mixed and mixed with combustion supply air within the premix burner Form a fuel / air mixture that emerges from the premix burner downstream in the direction of the combustion chamber, which is arranged downstream of the premix burner arrangement, and can be ignited within the combustion chamber in the form of a flame that is largely spatially stationary, so that, on the one hand, those that occur during combustion NO x emission values are to be decisively reduced, on the other hand the stability of the flame forming within the combustion chamber is to be further maintained or optimized.
  • the design measures required for this should be as cost-effective as possible and can also be retrofitted to premix burner arrangements which are already in operation.
  • a premix burner arrangement with a Pilot fuel feed for operating a combustion chamber Gas turbine arrangement designed in accordance with the preamble of claim 1, that a catalyst unit is provided outside the premix burner by through which the pilot fuel is fed in such a way that a pilot fuel-air mixture flows through and at least partially in the catalyst unit is catalytically implementable and as a flame stabilizing material flow into the Combustion chamber flows in.
  • premix burner refers to a premix burner arrangement that is made up of a preferably conical premix burner housing in which contain at least one fuel injection device and supply air openings are, through the supply air to form a fuel-air mixture inside the
  • the premix burner housing flows to the premix burner housing downstream swirl generator as well as optionally from a Swirl generator subsequent mixing section is composed.
  • the idea according to the invention moves away from the pilot gas supply known per se within the premix burner, for example using a pilot gas lance, and basically provides for a catalytic conversion of a pilot fuel even before it reaches the area of the combustion chamber. Due to the at least partial catalytic conversion of the supplied pilot fuel, which mixes with air before entering the catalyst unit and flows through the catalyst unit in the form of a pilot fuel / air mixture, at least a large proportion of the pilot fuel is thermally and / or catalytically converted, as a result of which a Combustion chamber entering material flow is formed, which is designed as an ignitable gas mixture or as a kind of hot gas flow.
  • the material flow which is in the form of an ignitable gas mixture, then arrives directly in the area of the flame front within the combustion chamber, causing it to ignite and producing only minimal NO x emissions. Even in the case of a complete chemical conversion of the pilot fuel, which leads, for example, to a material flow in the form of a hot gas, preferably consisting of the full oxidation products CO 2 and H 2 , only minimal amounts of NO x are produced .
  • the catalyst unit is preferably immediately downstream of the premix burner Entry into the combustion chamber or downstream of the swirl generator Mixing section arranged such that the catalyst unit the mixing section at least partially surrounds circularly. It has proven to be particularly advantageous for one circularly arranged around the mixing section catalyst unit found that the catalytically converted flowing from the catalyst unit into the combustion chamber Material flow within the combustion chamber in the area of the backflow zone forming flame front can stabilize decisively.
  • the catalytic converted material flow preferably meets in marginal areas within of the combustion chamber paraboloid-like flame front, whereby how Experiments confirm that the stability of the flame can be increased. This is especially true when operating with lean fuel / air mixtures, such as the one below Partial load range is the case.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a premix burner arrangement with a cone-shaped premix burner housing 1, in which a Fuel addition unit 2, for example in the form of an atomizer nozzle, via the Liquid fuel can be atomized, is provided.
  • a Fuel addition unit 2 for example in the form of an atomizer nozzle, via the Liquid fuel can be atomized, is provided.
  • incoming air enters the interior of the Premix burner, in which in the presence of swirl-generating agents 3 ', the so-called swirl generator, a fuel / air mixture is formed which for Complete mixing flows downstream into the mixing tube 4.
  • the combustion chamber 5 Downstream of the Mixing tube 4, the combustion chamber 5 is provided, within itself a stable flame front 7 within the backflow zone 8 formed.
  • the catalyst unit 6 is made of one, the mixing tube 4 on its combustion chamber 5 facing end completely formed cylinder jacket 9, the one encloses limited volume with the outer wall of the mixing tube 4, in whose the catalyst material 10 facing the combustion chamber 5 is provided.
  • the catalyst 10 adjoins the combustion chamber 5 downstream, so that a material flow penetrating the catalyst 10 directly into the combustion chamber 5 (see arrow display) can open.
  • the catalyst 10 within the A mixing area 11 is provided upstream of the catalyst unit 6, Mix completely with air within the supplied pilot fuel can.
  • the supply of pilot fuel preferably in gaseous form, for example. Butane or methane takes place via an integrated inside the mixing tube 4 Pilot fuel supply line 12, the immediately before entering the mixing section 11 of the Catalyst unit 6 is provided.
  • the pilot fuel enters the Premixing section 11 of the catalyst unit and flows through as a pilot fuel / air mixture the catalyst 10. At least within the catalyst 10 Parts of the pilot fuel are converted catalytically and / or thermally, so that after Passing through the catalyst unit 10 preferably as an ignitable Gas mixture formed material stream 14 opens into the combustion chamber 5.
  • the Material flow 14 meets in edge areas on the flame front 7, in which the material flow 14 can contribute significantly to the stabilization of the flame front.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment for the pilot fuel feed for a Premix burner arrangement shown in Figure 1. Similar to the Embodiment of Figure 1 has that shown in Figure 2 Premix burner arrangement a conical premix burner 1, which is connected downstream to a mixing tube 4, which in turn is connected downstream to a adjacent combustion chamber, not shown.
  • the mixing tube 4 is a circular surrounding completely the mixing tube Arranged outer housing 15, which includes a pilot fuel supply line 12.
  • the outer housing 15 includes an intermediate gap 16 with the mixing tube 4 the supply air can flow into a mixing section 11 designed as a Venturi tube.
  • pilot fuel enters the mixing section 11 and is mixed with the supply air to form a pilot fuel / air mixture. This occurs downstream Mixture through the catalyst 10 in which the pilot fuel is at least partially is implemented thermally and / or catalytically and as preferably ignitable Gas mixture enters the combustion chamber 5.
  • the inventive measure of catalytic piloting immediately before entering the combustion chamber makes it possible, on the one hand, to significantly reduce the increases in NO x emission values usually associated with pilot gas supplies, and on the other hand, the pilot gas supply flowing into the combustion chamber in the edge regions of the flame front is capable of the flame decisive stabilization, especially in critical load areas of the gas turbine plant.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vormischbrenneranordnung (1) mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer (5) einer Gasturbinenanordnung sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit (2) sowie Zuluftöffnungen (3) derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenners mischbar sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer (5), die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer (5) zu Zündung bringbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer eine Katalysatoreinheit (6) vorgesehen ist, durch die ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches einleitbar ist und hindurchtritt bevor dieser Teil zusammen mit dem übrigen Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer einströmt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vormischbrenneranordnung sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen mit einer Pilotbrennstoffeinspeisung zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenanordnung, mit einem Vormischbrennergehäuse, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrennergehäuses mischbar sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrennergehäuse stromab in Richtung Brennkammer, die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer in Form einer sich räumlich weitgehend stationär ausbildenden Flamme zu Zündung bringbar ist.
Stand der Technik
Ein Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung ist Gegenstand der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 54 009 A1. Der bekannte Vormischbrenner weist ein sich kegelförmig aufweitendes Gehäuse auf, innerhalb dem sich durch entsprechendes Vorsehen von Lufteintrittsschlitzen ein Brennstoff-/Luftgemisch ausbildet. Ferner ist stromab ein Drallerzeuger vorgesehen, der dem Brennstoff-/Luftgemisch nach Passieren des Vormischbrenners eine bestimmte kritische Drallzahl verleiht, die für eine räumlich stabile Flamme erforderlich ist, die sich innerhalb der Brennkammer nach Entzünden des Brennstoff-/Luftgemisches ausbildet. Zum Anfahren bzw. Zünden derartiger Vormischbrenner bedarf es zur einer gezielten Pilotgaszufuhr in den Vormischbrenner. Nach Zündung des in den Vormischbrenner eingespeisten Pilotgases bildet sich eine Diffusionsflamme aus, die zur Entzündung des sich axial im Vormischbrenner ausbildenden Brennstoff-/Luftgemisch dient, das innerhalb der Brennerkammer eine im Idealfall räumlich stabile Flammenfront nahe der Rückströmzone bildet. Auch dient die Pilotgaszufuhr zur Erhöhung der Flammenstabilität im unteren Teillastbereich des Vormischbrenners also in Betriebszuständen in denen der Vormischbrenner mit mageren Gemischen gefahren wird.
Besondere Aufmerksamkeit beim Betrieb derartiger Vormischbrennersysteme gilt den während der Verbrennung entstehenden Abgaswerten, und insbesondere den NOx-Emissionen, die sich jedoch im Wege der zusätzlichen Pilotierung und der sich dabei ausbildenden Diffusionsflamme erheblich durch ansteigende Flammentemperaturen verschlechtern.
Unter anderem aus Gründen der Reduzierung von NOx-Emissionen sind Vormischbrenner mit einer nachgeschalteten Mischstrecke bekannt geworden, wie sie beispielsweise aus der EP 0 83 105 A2 hervorgehen. Innerhalb der, dem Vormischbrenner nachgeschalteten Mischstrecke vermag sich das Brennstoff-/Luftgemisch vollständig zu durchmischen, bevor das Gemisch in die Brennkammer zur Zündung gelangt. Jedoch bedürfen auch derartig optimierte Brennersysteme zum Anfahren sowie auch in Betriebszuständen mit nur magerer Gemischzuführung einer an sich bekannten Pilotierung, wie sie insbesondere im unteren Teillastbetrieb von Gasturbinenanlagen Verwendung findet. Auch hier wirkt sich die zusätzliche Pilotgaszuführung nachhaltig auf die durch die Verbrennung entstehenden NOx-Emissionen trotz zusätzlicher Mischstrecke aus.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vormischbrenneranordnung mit einer Pilotbrennstoffeinspeisung zum Betrieb einer Brennkammer in einer Gasturbinenanordnung, mit einem Vormischbrenner in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen derart vorgesehen sind, dass gasförmige und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenners mischbar sind und ein Brennstoff-/Luftgemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer, die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer in Form einer sich räumlich weitgehend stationär ausbildenden Flamme zur Zündung bringbar ist, derart auszubilden, dass einerseits die während der Verbrennung entstehenden NOx-Emissionswerte entscheidend reduziert werden sollen, andererseits die Stabilität der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flamme weiter aufrecht bzw. optimiert werden soll. Die hierfür notwendigen konstruktiven Maßnahmen sollen möglichst kostengünstig und auch bei bereits in Betrieb befindlichen Vormischbrenneranordnungen nachrüstbar sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Im Anspruch 11 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Vormischbrenneranordnung mit Pilotbrennstoffeinspeisung angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vormischbrenneranordnung mit einer Pilotbrennstoffeinspeisung zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass außerhalb des Vormischbrenners eine Katalysatoreinheit vorgesehen ist, durch die hindurch die Pilotbrennstoffeinspeisung derart erfolgt, dass ein Pilotbrennstoff-Luft-Gemisch die Katalysatoreinheit durchströmt und in dieser wenigstens teilweise katalytisch umsetzbar ist und als ein die Flamme stabilisierender Stoffstrom in die Brennkammer einströmt.
Der Begriff "Vormischbrenner" betrifft eine Vormischbrenneranordnung, die sich aus einem vorzugsweise kegelförmig ausgebildeten Vormischbrennergehäuse, in dem wenigstens eine Brennstoffeindüsungvorrichtung sowie Zuluftöffnungen enthalten sind, durch die Zuluft zur Bildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches im Inneren des Vormischbrennergehäuses strömt, einem sich an das Vormischbrennergehäuse stromab anschließenden Drallerzeuger sowie optional aus einer sich an den Drallerzeuger anschließenden Mischstrecke zusammensetzt.
Ungeachtet der Tatsache, ob die Vormischbrenneranordnung eine dem Drallerezeuger nachgeschaltete Mischstrecke aufweist oder nicht, rückt die erfindungsgemäße Idee von der an sich bekannten Pilotgaszuführung innerhalb des Vormischbrenners, beispielsweise unter Verwendung einer Pilotgaslanze ab, und sieht grundsätzlich eine katalytische Umsetzung eines Pilotbrennstoffes vor, noch bevor dieser in den Bereich der Brennkammer gelangt. Durch die wenigstens teilweise katalytische Umsetzung des zugeführten Pilotbrennstoffes, der vor Eintritt in die Katalysatoreinheit mit Luft vermischt und in Form eines Pilotbrennstoff/Luft-Gemisches die Katalysatoreinheit durchströmt, wird zumindest ein großer Anteil des Pilotbrennstoffes thermisch und/oder katalytisch umgesetzt, wodurch ein in die Brennkammer eintretender Stoffstrom entsteht, der als ein zündfähiges Gasgemisch oder aber als eine Art Heißgasstrom ausgebildet ist. Der in Form eines zündfähigen Gasgemisches ausgebildete Stoffstrom gelangt anschließend unmittelbar in den Bereich der Flammenfront innerhalb der Brennkammer wodurch dieser zur Zündung gebracht wird und nur geringste NOx-Emissionen erzeugt. Auch im Falle einer vollständigen chemischen Umsetzung des Pilotbrennstoffes, die beispielsweise zu einem als Heißgas ausgebildeten Stoffstrom, vorzugsweise bestehend aus den Volloxidationsprodukten CO2 und H2 führt, entstehen nur geringste Anteile von NOx.
Da die katalytische Umsetzung des Pilotbrennstoffes stofflich vollständig getrennt von dem sich innerhalb des Vormischbrenners ausbildenden Brennstoff-/Luftgemisches vollzieht, ist eine freie Pilotbrennstoffwahl nach Art und Menge der Zuführung durch die Katalysatoreinheit möglich.
Die Katalysatoreinheit ist vorzugsweise stromab am Vormischbrenner unmittelbar vor Eintritt in die Brennkammer bzw. stromab der dem Drallerzeuger nachgeschalteten Mischstrecke derart angeordnet, so dass die Katalysatoreinheit die Mischstrecke wenigstens teilweise zirkular umgibt. Als besonders vorteilhaft hat es sich bei einer zirkular um die Mischstrecke angeordnete Katalysatoreinheit herausgestellt, dass der aus der Katalysatoreinheit in die Brennkammer einströmende katalytisch umgesetzte Stoffstrom die sich innerhalb der Brennkammer im Bereich der Rückströmzone ausbildenden Flammenfront entscheidend zu stabilisieren vermag. Der katalytisch umgesetzte Stoffstrom trifft vorzugsweise in Randbereichen auf die sich innerhalb der Brennkammer paraboloidartig ausbildende Flammenfront, wodurch sich, wie Versuche bestätigen, die Stabilität der Flamme steigern lässt. Dies gilt insbesondere beim Betrieb mit mageren Brennstoff-/Luftgemischen, wie es im unteren Teillastbereich der Fall ist.
Ausführungsbeispiele zur konstruktiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pilotbrennstoffeinspeisung sind den nachstehenden Figuren zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
Längsschnitt durch eine Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Pilotbrennstoffeinspeisung sowie
Fig. 2
Längsschnitt durch eine Vormischbrenneranordnung mit alternativer Pilotbrennstoffeinspeisung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vormischbrenneranordnung mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrennergehäuse 1, in dem eine Brennstoffzugabeeinheit 2, beispielsweise in Form einer Zerstäuberdüse, über die Flüssigbrennstoff zerstäubt werden kann, vorgesehen ist. Über Zuluftöffnungen 3 längs des Vormischbrennergehäuses 1 gelangt Zuluft in das Innere des Vormischbrenners, in dem sich in Gegenwart von drallerzeugenden Mitteln 3', dem sogenannten Drallerzeuger, ein Brennstoff-/Luftgemisch ausgebildet wird, das zur Vollständigen Durchmischung stromab in das Mischrohr 4 gelangt. Stromab des Mischrohrs 4 ist die Brennkammer 5 vorgesehen, innerhalb der sich in an sich bekannter Weise eine stabile Flammenfront 7 innerhalb der Rückströmzone 8 ausbildet.
Außerhalb des Mischrohrs 4 ist eine das Mischrohr 4 zirkular vollständig umgebende Katalysatoreinheit 6 vorgesehen.
Die Katalysatoreinheit 6 ist aus einem, das Mischrohr 4 an seinem der Brennkammer 5 zugewandten Ende vollständig umgebenden Zylindermantel 9 ausgebildet, das ein mit der Außenwand des Mischrohrs 4 begrenztes Volumen einschließt, in dessen, der Brennkammer 5 zugewandten Bereich Katalysatormaterial 10 vorgesehen ist. Der Katalysator 10 grenzt stromab unmittelbar an die Brennkammer 5, so dass ein den Katalysator 10 durchdringender Stoffstrom unmittelbar in die Brennkammer 5 (siehe Pfeildarstellung) einmünden kann. Der Katalysator 10 innerhalb der Katalysatoreinheit 6 stromauf vorgeschaltet ist ein Mischbereich 11 vorgesehen, innerhalb dem sich zugeführter Pilotbrennstoff mit Luft vollständig durchmischen kann. Die Zufuhr von Pilotbrennstoff, vorzugsweise in gasförmiger Form, bspw. Buthan oder Methan, erfolgt über eine, innerhalb des Mischrohrs 4 eingearbeitete Pilotbrennstoffzuleitung 12, die unmittelbar vor Eintritt in die Mischstrecke 11 der Katalysatoreinheit 6 vorgesehen ist. Über eine Pilotbrennstoffzerstäubungsvorrichtung 13 gelangt der Pilotbrennstoff in die Vormischstrecke 11 der Katalysatoreinheit und durchströmt als Pilotbrennstoff-/Luftgemisch den Katalysator 10. Innerhalb des Katalysators 10 werden zumindest Teile des Pilotbrennstoffes katalytisch und/oder thermisch umgesetzt, so dass nach Durchtritt durch die Katalysatoreinheit 10 ein vorzugsweise als zündfähiges Gasgemisch ausgebildeter Stoffstrom 14 in die Brennkammer 5 einmündet. Der Stoffstrom 14 triff in Randbereiche auf die Flammenfront 7, in denen der Stoffstrom 14 zur Stabilisierung der Flammenfront erheblich beizutragen vermag.
In Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform zur Pilotbrennstoffeinspeisung für eine Vormischbrenneranordnung gemäß Figur 1 dargestellt. Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist die in Figur 2 dargestellte Vormischbrenneranordnung einen kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner 1 auf, der stromab mit einem Mischrohr 4 verbunden ist, das seinerseits stromab an eine nicht dargestellte Brennkammer angrenzt.
Um das Mischrohr 4 ist ein das Mischrohr zirkular vollständig umgebendes Außengehäuse 15 angeordnet, das eine Pilotbrennstoffzuleitung 12 einschließt. Das Außengehäuse 15 schließt mit dem Mischrohr 4 einen Zwischenspalt 16 ein, über den Zuluft in eine als Venturirohr ausgebildete Mischstrecke 11 einströmen kann. Innerhalb der Mischstrecke 11, an der Stelle, an der das Venturirohr den engsten Strömungsquerschnitt aufweist, tritt Pilotbrennstoff in die Mischstrecke 11 ein und wird mit der Zuluft zu einem Pilotbrennstoff-/Luftgemisch vermengt. Stromab tritt das Gemisch durch den Katalysator 10, in dem der Pilotbrennstoff wenigstens teilweise thermisch und/oder katalytisch umgesetzt wird und als vorzugsweise zündfähiges Gasgemisch in die Brennkammer 5 eintritt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme der katalytischen Pilotierung unmittelbar vor Eintritt in die Brennkammer ist es zum einen möglich, die üblicherweise bei Pilotgaszuführungen verbundenen Anstiege der NOx-Emissionswerte entscheidend zu verringern, zum anderen vermag die in den Randbereichen der Flammenfront in die Brennkammer einströmende Pilotgaszufuhr die Flamme entscheidend zu stabilisieren, insbesondere in kritischen Lastbereichen der Gasturbinenanlage.
Bezugszeichenliste
1
Vormischbrennergehäuse
2
Brennstoffzugabeeinheit
3
Zuluftöffnung
3'
Drallerzeugende Mittel, Drallerzeuger
4
Mischrohr
5
Brennkammer
6
Katalysatoreinheit
7
Flammenfront
8
Rückströmzone
9
Katalysatorgehäuse
10
Katalysator
11
Mischvolumen, Mischstrecke
12
Pilotbrennstoffzuleitung
13
Pilotbrennstoffzerstäubungsvorrichtung
14
Katalytisch umgesetzter Stoffstrom
15
Außengehäuse
16
Zwischenspalt

Claims (15)

  1. Vormischbrenneranordnung mit einer Pilotbrennstoffeinspeisung zum Betrieb einer Brennkammer (5) einer Gasturbinenanordnung, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit (2) sowie Zuluftöffnungen (3) derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenners (1) mischbar sind und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer (5), die dem Vormischbrenner nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer (5) in Form einer sich räumlich weitgehend stationär ausbildenden Flamme zu Zündung bringbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Vormischbrenners eine Katalysatoreinheit (6) vorgesehen ist, durch die hindurch die Pilotbrennstoffeinspeisung derart erfolgt, dass ein Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch die Katalysatoreinheit (6) durchströmt und in der Katalysatoreinheit (6) wenigstens teilweise katalytisch umsetzbar ist und als ein die Flamme stabilisierender Stoffstrom in die Brennkammer (5) einströmt.
  2. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (6) den Vormischbrenner stromab an dessen Ausgang vor Eintritt in die Brennkammer (5) wenigstens teilweise zirkular umgibt.
  3. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Pilotbrennstoffeinspeisung eine Pilotbrennstoffzuleitung (12) sowie eine Pilotbrennstoffzerstäubungsvorrichtung (13) vorgesehen sind, die den Pilotbrennstoff in eine Mischstrecke (11) einbringt, in der der eingebrachte Pilotbrennstoff mit Zuluft mischbar ist und das durch die Katalysatoreinheit (6) hindurchtretende Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch bilden.
  4. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Katalysatoreinheit (6) austretende Stoffstrom in unmittelbarer Nähe zum, aus dem Vormischbrenner austretenden Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer (5) einmündet.
  5. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Katalysatoreinheit (6) austretende Stoffstrom das, aus dem Vormischbrenner austretende Brennstoff-Luft-Gemisch zirkular vollständig umgibt und in die Brennkammer (5) eintritt.
  6. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotbrennstoffzuleitung (12), die Pilotbrennstoffzerstäubungsvorrichtung (13), die Mischstrecke (11) sowie die Katalysatoreinheit (6) zirkular um den Vormischbrenner angeordnet und von diesem einseitig begrenzt sind.
  7. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner ein kegelförmig ausgebildetes Vormischbrennergehäuse (1) mit Drallerzeuger (3') vorsieht sowie ein Mischrohr (4) umfasst, das sich stromab an den Drallerzeuger (3') anschließt und stromab mit der Brennkammer (5) verbunden ist.
  8. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass das kegelförmige Vormischbrennergehäuse (1), der Drallerzeuger (3') und das Mischrohr (4) als getrennte Bauteile ausgebildet sind.
  9. Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (6) im Bereich des stromabgewandten Endes des Mischrohrs (4) vorgesehen ist.
  10. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrennstoff gasförmig ist.
  11. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Katalysatoreinheit (6) austretende Stoffstrom ein zündfähiges Gasgemisch ist.
  12. Verfahren zum Betrieb einer Vormischbrenneranordnung mit einer Pilotbrennstoffeinspeisung zum Betrieb einer Brennkammer (5) einer Gasturbinenanordnung, mit einem Vormischbrenner, in dem gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch gemischt werden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer, die dem Vormischbrenner nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zu Zündung gebracht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass getrennt vom Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb des Vormischbrenners ein Pilotbrennstoff mit Zuluft zu einem Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch außerhalb des Vormischbrenners gebildet wird, das durch eine Katalysatoreinheit geleitet und in dieser wenigstens teilweise katalytisch umgesetzt wird und in die Brennkammer eintritt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch nach Austritt aus der Katalysatoreinheit das Brennstoff-Luft-Gemisch zirkular umschließt und innerhalb der Brennkammer zusammen mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch nach Durchlaufen einer Mischstrecke innerhalb eines Mischrohrs in die Brennkammer gelangt und mit dem Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch zusammengeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch derart fett eingestellt wird, dass nach Durchtritt durch die Katalysatoreinheit ein H2/CO-Gemisch gebildet wird, wodurch die Flammenfront chemisch stabilisiert wird.
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