EP1213536B1 - Vormischbrenneranordnung mit katalytischem Pilotbrenner - Google Patents

Vormischbrenneranordnung mit katalytischem Pilotbrenner Download PDF

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EP1213536B1
EP1213536B1 EP01128081A EP01128081A EP1213536B1 EP 1213536 B1 EP1213536 B1 EP 1213536B1 EP 01128081 A EP01128081 A EP 01128081A EP 01128081 A EP01128081 A EP 01128081A EP 1213536 B1 EP1213536 B1 EP 1213536B1
Authority
EP
European Patent Office
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premix burner
fuel
pilot
combustion chamber
catalyst unit
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Expired - Lifetime
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EP01128081A
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English (en)
French (fr)
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EP1213536A3 (de
EP1213536A2 (de
Inventor
Christian Dr. Steinbach
Timothy Dr. Griffin
Peter Dr. Jansohn
Thomas Ruck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Publication of EP1213536A3 publication Critical patent/EP1213536A3/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • 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 with a pilot fuel feed for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement, comprising a premix burner housing in which at least one fuel addition unit and supply air openings are provided such that gaseous and / or liquid fuel with combustion air can be mixed within the premix burner housing and a fuel Air mixture form, the downstream of the premix burner housing in the direction of the combustion chamber, which is arranged downstream of the premix burner assembly, and within the combustion chamber in the form of a spatially largely stationary forming flame to ignition can be brought.
  • a premix burner of the aforementioned type is the subject of German patent application DE 196 54 009 A1.
  • the known premix burner has a conically widening housing within which forms a fuel / air mixture by appropriate provision of air inlet slots. Further, a swirl generator is provided downstream of which gives the fuel / air mixture after passing through the premix burner a certain critical swirl number, which is required for a spatially stable flame, which forms within the combustion chamber after ignition of the fuel / air mixture. To start or ignite such Vormischbrenner it requires a targeted pilot gas supply in the premix burner.
  • a diffusion flame forms, which serves to ignite the axially in the premix burner forming fuel / air mixture, which forms an ideally spatially stable flame front near the return flow within the burner chamber.
  • the pilot gas supply serves to increase the flame stability in the lower part load range of the premix burner so in operating conditions in which the premix burner is run with lean mixtures.
  • Vormischbrennersysteme applies the resulting during combustion exhaust gas values, and in particular the NO x emissions, but worsen significantly by way of additional piloting and thereby forming the diffusion flame by increasing flame temperatures.
  • premix burners with a downstream mixing section have become known, as they emerge, for example, from EP 0 83 105 A2.
  • the premix burner downstream mixing section the fuel / air mixture is able to completely mix before the mixture enters the combustion chamber for ignition.
  • the additional pilot gas feed has a lasting effect on the NO x emissions resulting from combustion, despite the additional mixing section.
  • EP 0 909 921 A1 in which a premix burner with downstream mixing section is described, at the end of which a pilot fuel feed unit surrounding the mixing tube is provided at the end before it enters the combustion chamber.
  • the invention has for its object to provide 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 such that gaseous and / or liquid fuel with combustion air are miscible within the premix burner and a Form fuel / air mixture, the downstream of the premix burner in the direction of the combustion chamber, which is the Vormischbrenneranssen exits, and within the combustion chamber in the form of a spatially largely stationary forming flame can be brought to ignition in such a way that on the one hand, the resulting during combustion NO x emission should be reduced significantly, on the other hand, the stability of the forming within the combustion chamber flame should be maintained or optimized.
  • the structural measures necessary for this purpose should be retrofittable as inexpensively as possible and also in premix burner arrangements already in operation.
  • a premix burner arrangement with a pilot fuel feed for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement is designed such that the premix burner provides a conical premix burner housing with swirl generator and comprises a mixing tube which connects downstream of the swirl generator and is connected downstream with the combustion chamber, and a catalyst unit is provided outside the premix burner, through which the pilot fuel feed takes place in such a way that a pilot fuel-air mixture flows through the catalyst unit and at least partially through it catalytically convertible and flows as a flame-stabilizing material flow into the combustion chamber.
  • premix burner refers to a premix burner assembly that flows from a conically shaped premix burner housing containing at least one fuel injection device and supply air through the supply air to form a fuel-air mixture within the premix burner housing, downstream of the premix burner housing subsequent swirl generator and optionally composed of a subsequent to the swirl generator mixing section.
  • the inventive idea departs from the known pilot gas supply within the premix burner, for example using a pilot gas lance, and generally provides catalytic conversion of a pilot fuel even before it enters the area of the combustion chamber. Due to the at least partially catalytic conversion of the supplied pilot fuel, which mixes before entering the catalyst unit with air 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 reacted, creating a in the Combustion entering material flow is formed, which is designed as an ignitable gas mixture or as a kind of hot gas stream.
  • the formed in the form of an ignitable gas mixture material flow then passes directly into the region of the flame front within the combustion chamber whereby it is made to ignite and generates only minimal NO x emissions. Even in the case of a complete chemical reaction of the pilot fuel, which leads, for example, to a stream of hot gas formed, preferably consisting of the Volloxidations occur CO 2 and H 2 , only very small proportions of NO x .
  • the catalyst unit is preferably arranged downstream of the premix burner immediately before entry into the combustion chamber or downstream of the mixing section connected downstream of the swirl generator such that the catalyst unit at least partially surrounds the mixing section in a circular manner. It has proven to be particularly advantageous in the case of a catalyst unit arranged circularly around the mixing section that the catalytically converted material stream flowing into the combustion chamber from the catalyst unit is able to decisively stabilize the flame front forming within the combustion chamber in the region of the backflow zone.
  • the catalytically reacted material flow preferably meets the edge areas on the paraboloid-like flame front forming within the combustion chamber, which, as confirmed by experiments, can increase the stability of the flame. This is especially true when operating with lean fuel / air mixtures, as is the case in the lower part load range.
  • FIG. 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 a spray nozzle via which liquid fuel can be atomized, is provided.
  • a fuel addition unit 2 for example in the form of a spray nozzle via which liquid fuel can be atomized
  • Via supply air openings 3 along the premix burner housing 1 incoming air enters the interior of the premix burner, in which in the presence of swirl-generating means 3 ', the so-called swirl generator, a fuel / air mixture is formed, which passes downstream of the mixing tube 4 for complete mixing.
  • the combustion chamber 5 Downstream of the mixing tube 4, the combustion chamber 5 is provided, within which forms a stable flame front 7 within the remindströmzone 8 in a conventional manner.
  • the mixing tube 4 circularly completely surrounding catalyst unit 6 is provided.
  • the catalyst unit 6 is formed from a cylinder jacket 9 which completely surrounds the mixing tube 4 at its end facing the combustion chamber 5 and which encloses a volume delimited by the outer wall of the mixing tube 4, in the region of which catalyst material 10 is provided facing the combustion chamber 5.
  • the catalyst 10 immediately downstream adjoins the combustion chamber 5, so that a flow of material permeating the catalyst 10 can open directly into the combustion chamber 5 (see arrow illustration).
  • the catalyst 10 upstream of the catalyst unit 6 upstream of a mixing region 11 is provided, within which supplied pilot fuel can completely mix with air.
  • the supply of pilot fuel preferably in gaseous form, for example. Buthan or methane, via a, incorporated within the mixing tube 4 pilot fuel supply line 12, which is provided immediately before entering the mixing section 11 of the catalyst unit 6.
  • the pilot fuel enters the premixing section 11 of the catalyst unit and flows through the catalyst 10 as a pilot fuel / air mixture.
  • the catalyst 10 Within the catalytic converter 10, at least Catalytically and / or thermally converted parts of the pilot fuel, so that after passing through the catalyst unit 10, a preferably designed as an ignitable gas mixture material flow 14 opens into the combustion chamber 5.
  • the stream 14 impinges in edge regions on the flame front 7, in which the stream 14 is able to contribute significantly to stabilize the flame front.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment for pilot fuel feed for a premix burner arrangement according to FIG. Similar to the exemplary embodiment of FIG. 1, the premix burner arrangement shown in FIG. 2 has a cone-shaped premix burner 1, which is connected downstream with a mixing tube 4, which in turn adjoins a combustion chamber (not shown) downstream.
  • an outer housing 15 Arranged around the mixing tube 4 is an outer housing 15 that completely surrounds the mixing tube in a circular manner and that encloses a pilot fuel feed line 12.
  • the outer housing 15 encloses with the mixing tube 4 an intermediate gap 16, via which supply air can flow into a mixing section 11 formed 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.
  • the mixture passes through the catalyst 10, in which the pilot fuel is at least partially reacted thermally and / or catalytically and enters the combustion chamber 5 as a preferably ignitable gas mixture.
  • the measure according to the invention of the catalytic piloting immediately before entry into the combustion chamber makes it possible, on the one hand, to decisively reduce the increases in NO x emission values usually associated with pilot gas feeds, and on the other hand, the pilot gas feed flowing into the combustion chamber in the edge regions of the flame front is able to ignite the flame to stabilize crucial, especially in critical load ranges of the gas turbine plant.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vormischbrenneranordnung 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. In diesem Zusammen2 sei auf die EP 0 909 921 A1 verwiesen, in der ein Vormischbrenner mit nach geschalteter Mischstrecke beschrieben ist, an deren Ende vor Eintritt in die Brennkammer eine das Mischrohr zirkular umgebende Pilotbrennstoffeinspeiseeinheit vorgesehen ist.
  • Aus der JP 06129641 A ist ferner eine Vormischbrenneranordnung mit Pilotbrennstoffzuführung zu entnehmen, bei der der Pilotbrennstoff vor Zuführung in die Brennkammer katalytisch vorbehandelt wird.
    • 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. 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 Anspruch 1 derart ausgebildet, dass der Vormischbrenner ein kegelförmig ausgebildetes Vormischbrennergehäuse mit Drallerzeuger vorsieht sowie ein Mischrohr umfasst, das sich stromab an den Drallerzeuger anschließt und stromab mit der Brennkammer verbunden ist, und dass außerhalb des Vormischbrenners eine Katalysatoreinheit vorgesehen ist, durch die hindurch die Pilotbrennstoffeinspeisung derart erfolgt, dass ein PilotbrennstoffLuft-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 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 Zeichnungen 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 (10)

  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, wobei
    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, und wobei
    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 das kegelförmige Vormischbrennergehäuse (1), der Drallerzeuger (3') und das Mischrohr (4) als getrennte Bauteile ausgebildet sind.
  8. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (6) im Bereich des stromabgewandten Endes des Mischrohrs (4) vorgesehen ist.
  9. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrennstoff gasförmig ist.
  10. Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Katalysatoreinheit (6) austretende Stoffstrom ein zündfähiges Gasgemisch ist.
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