EP1213541A1 - Premix burner with catalytic combustion and method of operating - Google Patents

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EP1213541A1
EP1213541A1 EP01128082A EP01128082A EP1213541A1 EP 1213541 A1 EP1213541 A1 EP 1213541A1 EP 01128082 A EP01128082 A EP 01128082A EP 01128082 A EP01128082 A EP 01128082A EP 1213541 A1 EP1213541 A1 EP 1213541A1
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EP
European Patent Office
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premix burner
fuel
air mixture
combustion chamber
catalyst unit
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EP01128082A
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EP1213541B1 (en
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Wolfgang Weisenstein
Timothy Dr. Griffin
Peter Dr. Jansohn
Thomas Ruck
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Power NV
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Publication date
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    • 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
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    • 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 catalytic Combustion for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement and a method aimed at this, with a premix burner, in which at least a fuel addition unit and supply air openings are provided such that gaseous and / or liquid fuel with combustion air within the Premix burner are miscible and form a fuel-air mixture the premix burner downstream towards the combustion chamber, which the Pre-mix burner assembly is downstream, exits and within the Combustion chamber can be brought to ignition.
  • a generic premix burner arrangement is known from EP 0 833 105 A2 remove.
  • the premix burner described in this publication has one central fuel nozzle axially to the swirl generator, on which there is a downstream Mixing section connects within which the atomized fuel is completely with Air mixed into a fuel-air mixture.
  • the combustion chamber is provided, within which during operation of the Premix burner forms a spatially stable flame zone.
  • combustion chamber vibrations also occur during the operation of known premix burner arrangements, as a result of which the flame stability is severely affected.
  • Such combustion chamber vibrations or pulsations have a particularly disadvantageous effect in operating states in which work is carried out with lean fuel-air mixtures. The result is high, lean extinguishing limits, that is to say an extinguishing of the flame despite a relatively high proportion of fuel, as a result of which the operating range of the premix burners is severely limited, particularly with regard to lean operating mode.
  • the invention is based on the object of developing a premix burner arrangement with catalytic combustion for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement in accordance with the preamble of claim 1 in such a way that, on the one hand, measures are taken by which the NO x emission values are to be considerably reduced. Furthermore, the measures are intended to stabilize the flame within the combustion chamber, so that the operating ranges of the premix burner arrangement are to be enlarged, in particular with regard to an improved lean extinguishing limit.
  • the object underlying the invention is achieved in claim 1 specified.
  • the subject of claim 9 is a method for operating a Premix burner assembly with catalytic combustion.
  • the idea of the invention Advantageously further developing features are the subject of the subclaims as well the description with reference to the embodiments.
  • a premix burner arrangement according to the preamble of Claim 1 further developed such that before the fuel-air mixture enters the combustion chamber a catalyst unit is provided, through which a part of the Fuel-air mixture can be introduced and passes before this part together with the rest of the fuel-air mixture in the Combustion chamber flows in.
  • the premix burner moves in the direction Combustion chamber spreading fuel-air mixture through the catalyst unit through, especially since the catalyst unit is preferably concentric at the outlet of the Premix burner or the mixing section shortly before entering the combustion chamber is arranged so that only peripheral partial flows of the in the direction of Combustion chamber spreading fuel-air mixture through the catalyst unit flow through.
  • Fuel-air mixture from the catalyst unit at least partially catalytically implemented material flow in marginal areas, which is within the Combustion chamber forming flame front, which makes the flame itself clear can be stabilized.
  • the effects of through the peripheral material flows Conditional flame stabilization is particularly evident in operating conditions who work with lean mixtures. A particularly important indicator of positive effect of the peripheral flows entering the combustion chamber is noticeable in the lowering of the lean extinguishing limit, whereby the Operating ranges of the premix burner can be increased significantly. Also combustion chamber pulsations form to a much lesser extent.
  • Fig. 1 is a longitudinal section through a premix burner arrangement with a mixing section shown, which in a conventional manner from the following components is composed.
  • an injection nozzle 2 is provided axially preferably atomized liquid fuel to the premix burner arrangement.
  • air inlet slots 3 is inside the premix burner assembly generates a fuel-air mixture that is downstream, i.e. in the drawing plane 1 from left to right.
  • One of the conical Swirl generator 4 connected downstream of the premix burner shapes the fuel-air mixture a critical number of swirls by which within the combustion chamber 6 can form a stable flame front 7.
  • Subordinate to the swirl generator is a Mixing tube 5, within which the fuel-air mixture completely can mix well before it enters the combustion chamber 6.
  • the catalytic converter unit 8 is arranged upstream in the flow direction Mixing tube 5 completely circular branch duct 9 is provided, through which the peripheral portion of the fuel-air mixture within the Mixing tube 5 is derived in the direction of the catalyst unit 8.
  • the main part of the fuel-air mixture passes axially freely through the mixing tube 5 and arrives within the combustion chamber 6 for ignition.
  • the forcibly removed peripheral fuel-air mixture flows which pass through the catalyst unit 8, are at least partially thermally and / or chemically catalytic implemented and get out of the catalyst unit 8 immediately in the Combustion chamber 6, in which it faces the peripheral areas of the flame front 7 hit and are able to stabilize them.
  • the inner contour of the mixing tube 5 is preferably at the inlet areas of the Discharge channels 9 tapered so that the branch of the peripheral Fuel-air mixture proportions are forced.
  • FIG. 2 Another alternative embodiment is shown in FIG. 2. Also in this Case shows the embodiment of the basic arrangement of a known Premix burner arrangement with central fuel injection 2, one conical trained premix burner, this one in the flow direction downstream swirl generator 4 and one to complete the Mixing of the fuel-air mixture downstream of the mixing tube 5.
  • the combustion chamber 6, which is the mixing tube 5, is not shown in detail is connected downstream.
  • a catalyst unit 8 is provided at the downstream end of the mixing tube 5 such that catalyst material projects into the peripheral edge regions into the interior of the mixing tube 5 and reduces the flow cross section through the mixing tube 5.
  • the catalyst unit 8 is formed from a porous material coated with catalyst material, so that peripheral flow components of the fuel-air mixture which is spreading inside the premix burner unit are forced to flow through the catalyst unit 8, in which they are at least partially converted catalytically.
  • the catalytic conversion takes place either thermally and / or chemically and, in addition to a decisive reduction in the NO x emission values, contributes to the stabilization of the flame front which forms within the combustion chamber.

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Abstract

The premixing burner system for operating the combustion chamber (6) of a gas turbine comprises a fuel feed unit (2) and air channel (3) which form an air/fuel mixture in a premixing burner (1). This is fed to the combustion chamber and ignited. Part of the mixture is fed through a catalytic unit (8) mounted in front of the combustion chamber where it is converted to a CO2/H2 mixture which is fed back into the residual mixture. An Independent claim is included for a method for operating the system.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenanordnung sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen 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, die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zu Zündung bringbar ist.The invention relates to a premix burner arrangement with catalytic Combustion for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement and a method aimed at this, with a premix burner, in which at least a fuel addition unit and supply air openings are provided such that gaseous and / or liquid fuel with combustion air within the Premix burner are miscible and form a fuel-air mixture the premix burner downstream towards the combustion chamber, which the Pre-mix burner assembly is downstream, exits and within the Combustion chamber can be brought to ignition.

Stand der TechnikState of the art

Eine gattungsgemäße Vormischbrenneranordnung ist der EP 0 833 105 A2 zu entnehmen. Der in dieser Druckschrift beschriebene Vormischbrenner weist eine zentrale Brennstoffdüse axialwärts zum Drallerzeuger auf, an dem sich stromab eine Mischstrecke anschließt, innerhalb der sich der zerstäubte Brennstoff vollständig mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermengt. Am stromabwärtigen Ausgang des Mischrohrs ist die Brennkammer vorgesehen, innerhalb der sich beim Betrieb des Vormischbrenners eine räumlich stabile Flammenzone ausbildet.A generic premix burner arrangement is known from EP 0 833 105 A2 remove. The premix burner described in this publication has one central fuel nozzle axially to the swirl generator, on which there is a downstream Mixing section connects within which the atomized fuel is completely with Air mixed into a fuel-air mixture. At the downstream exit of the Mixing tube, the combustion chamber is provided, within which during operation of the Premix burner forms a spatially stable flame zone.

Gleichwohl die bekannte Vormischbrenneranordnung nach Gesichtspunkten verbesserter Emissionswerte, d.h. insbesondere reduzierter NOx-Emissionswerte, durch Vorsehen einer Mischstrecke konzipiert worden ist, gilt es insbesondere die Abgaswerte gattungsgemäßer Verbrennungssysteme weiter zu verbessern. Auch treten überdies beim Betrieb bekannter Vormischbrenneranordnungen sogenannte Brennkammerschwingungen auf, wodurch die Flammenstabilität stark in Mitleidenschaft gezogen wird. Derartige Brennkammerschwingungen bzw. - pulsationen wirken sich besonders nachteilhaft in Betriebszuständen aus, bei denen mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen gearbeitet wird. Hohe magere Löschgrenzen, d.h. ein Erlöschen der Flamme trotz verhältnismäßig hohem Brennstoffanteil, sind die Folge, wodurch der Betriebsbereich der Vormischbrenner insbesondere bezüglich magerer Betriebsweise stark begrenzt wird.
Bisherige Ansätze und Versuche, Vormischbrenneranordnungen mit Katalysatoren zu kombinieren, um zumindest die vorstehend erwähnten NOx-Emissionen beim Verbrennungsvorgang zu reduzieren, schlugen fehl bzw. lieferten nur unbefriedigende Resultate, zumal die übliche Verwendung flüssigen Brennstoffes, bspw. Öl, zum Befeuern derartiger Vormischbrenneranordnungen an sich bekannte Katalysatoren durch Zusetzen der Katalysatoröffnungen unbrauchbar macht.Although the known premix burner arrangement has been designed by providing a mixing section according to improved emission values, ie in particular reduced NO x emission values, it is particularly important to further improve the exhaust gas values of generic combustion systems. So-called combustion chamber vibrations also occur during the operation of known premix burner arrangements, as a result of which the flame stability is severely affected. Such combustion chamber vibrations or pulsations have a particularly disadvantageous effect in operating states in which work is carried out with lean fuel-air mixtures. The result is high, lean extinguishing limits, that is to say an extinguishing of the flame despite a relatively high proportion of fuel, as a result of which the operating range of the premix burners is severely limited, particularly with regard to lean operating mode.
Previous approaches and attempts to combine premix burner arrangements with catalysts in order to at least reduce the above-mentioned NO x emissions during the combustion process have failed or have given unsatisfactory results, especially since the customary use of liquid fuel, for example oil, for firing such premix burner arrangements makes known catalysts unusable by clogging the catalyst openings.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer einer Gasturbinenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass einerseits Maßnahmen getroffen werden, durch die die NOx-Emissionswerte erheblich reduziert werden sollen. Ferner sollen die Maßnahmen zu einer Flammenstabilisierung innerhalb der Brennkammer führen, so dass die Betriebsbereiche der Vormischbrenneranordnung insbesondere hinsichtlich einer verbesserten mageren Löschgrenze vergrößert werden sollen.The invention is based on the object of developing a premix burner arrangement with catalytic combustion for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement in accordance with the preamble of claim 1 in such a way that, on the one hand, measures are taken by which the NO x emission values are to be considerably reduced. Furthermore, the measures are intended to stabilize the flame within the combustion chamber, so that the operating ranges of the premix burner arrangement are to be enlarged, in particular with regard to an improved lean extinguishing limit.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 9 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The object underlying the invention is achieved in claim 1 specified. The subject of claim 9 is a method for operating a Premix burner assembly with catalytic combustion. The idea of the invention Advantageously further developing features are the subject of the subclaims as well the description with reference to the embodiments.

Erfindungsgemäß ist eine Vormischbrenneranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer eine Katalysatoreinheit 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.According to the invention is a premix burner arrangement according to the preamble of Claim 1 further developed such that before the fuel-air mixture enters the combustion chamber a catalyst unit is provided, through which a part of the Fuel-air mixture can be introduced and passes before this part together with the rest of the fuel-air mixture in the Combustion chamber flows in.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Verwendung einer Katalysatoreinheit innerhalb eines an sich bekannten Vormischbrenners, der üblicherweise mit Flüssigbrennstoff, wie beispielsweise Öl, betrieben wird, ist das Anbringen der Katalysatoreinheit in einem Bereich stromab der Zerstäubungsdüse des Vormischbrenners, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch vollständig durchmischt ist und der Flüssigbrennstoff räumlich feinst verteilt bzw. bereits weitgehend verdampft ist. Gelangt Brennstoff in der vorstehend bezeichneten Form in einen Katalysator, so ist es möglich, den Brennstoff innerhalb des Katalysators katalytisch wenigstens teilweise umzusetzen, beispielsweise durch thermische und/oder chemische Umsetzung ohne dabei das Katalysatormaterial selbst zu zerstören oder zuzusetzen.An essential aspect when using a catalyst unit within a known premix burner, usually with Liquid fuel, such as oil, is operated by attaching the Catalyst unit in an area downstream of the atomizing nozzle of the Premix burner in which the fuel-air mixture is completely mixed and the liquid fuel is spatially very finely distributed or already largely evaporated is. If fuel in the form described above gets into a catalyst, then it is possible to catalytically at least fuel the fuel within the catalyst partially implemented, for example by thermal and / or chemical Implementation without destroying or clogging the catalyst material itself.

Erfindungsgemäß tritt nur ein Teil des sich durch den Vormischbrenner in Richtung Brennkammer ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Katalysatoreinheit hindurch, zumal die Katalysatoreinheit vorzugsweise konzentrisch am Ausgang des Vormischbrenners bzw. der Mischstrecke kurz vor Eintritt in die Brennkammer angeordnet ist, so dass nur periphere Teilströme des sich in Richtung der Brennkammer ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Katalysatoreinheit hindurchströmen. Nach Austritt des zumindest teilweise katalytisch umgesetzten Brennstoff-Luft-Gemisches aus der Katalysatoreinheit gelangt der wenigstens partiell katalytisch umgesetzter Stoffstrom in Randbereiche, der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flammenfront, wodurch die Flamme selbst deutlich stabilisiert werden kann. Die Auswirkungen der durch die peripheren Stoffströme bedingte Flammenstabilisierung werden besonders in Betriebszuständen deutlich, in denen mit mageren Gemischen gearbeitet wird. Ein besonders wichtiges Indiz zur positiven Auswirkung der peripher in die Brennkammer eintretenden Stoffströme macht sich in der Absenkung der mageren Löschgrenze bemerkbar, wodurch die Betriebsbereiche des Vormischbrenners erheblich vergrößert werden können. Auch bilden sich Brennkammerpulsationen in einem weit geringeren Ausmaß aus.According to the invention, only a portion of the premix burner moves in the direction Combustion chamber spreading fuel-air mixture through the catalyst unit through, especially since the catalyst unit is preferably concentric at the outlet of the Premix burner or the mixing section shortly before entering the combustion chamber is arranged so that only peripheral partial flows of the in the direction of Combustion chamber spreading fuel-air mixture through the catalyst unit flow through. After the at least partially catalytically converted has emerged Fuel-air mixture from the catalyst unit at least partially catalytically implemented material flow in marginal areas, which is within the Combustion chamber forming flame front, which makes the flame itself clear can be stabilized. The effects of through the peripheral material flows Conditional flame stabilization is particularly evident in operating conditions who work with lean mixtures. A particularly important indicator of positive effect of the peripheral flows entering the combustion chamber is noticeable in the lowering of the lean extinguishing limit, whereby the Operating ranges of the premix burner can be increased significantly. Also combustion chamber pulsations form to a much lesser extent.

Durch die periphere Anordnung der Katalysatoreinheit in Bezug auf das sich axial innerhalb des Vormischbrenners ausbreitende Brennstoff-Luft-Gemische ist ein uneingeschränkter Betrieb mit Flüssigbrennstoff, wie beispielsweise Öl, möglich, trotz Gegenwart der der Brennkammer vorgeschalteten Katalysatoreinheit. Da die Brennstoffeindüsung mittig zur Vormischbrennerachse erfolgt, die Katalysatoreinheit jedoch möglichst weit von der Brennstoffeinspeisung und lediglich an der äußeren Peripherie des sich ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen ist, vermag die Katalysatoreinheit unbeschadet eine Ölverbrennung innerhalb des Brennersystems zu überstehen.Due to the peripheral arrangement of the catalyst unit in relation to the axially Fuel-air mixtures spreading within the premix burner is a unrestricted operation with liquid fuel, such as oil, possible, despite Presence of the catalyst unit upstream of the combustion chamber. Since the Fuel injection takes place in the middle of the premix burner axis, the catalytic converter unit however as far as possible from the fuel feed and only on the outer one Periphery of the expanding fuel-air mixture is provided, the catalyst unit is capable of burning oil within the To survive the burner system.

Grundsätzlich ist es möglich, die Katalysatoreinheit um das Mischrohr teilweise oder vollständig zirkular verteilt anzuordnen, wobei ein im Inneren des Mischrohres vorgesehener, zirkular verlaufender Ableitungskanal für die partielle Abtrennung peripherer Teilströme des sich im Inneren des Vormischbrenners ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen ist. Hierbei kann der Innendurchmesser des Mischrohres nahezu unbeeinträchtigt bleiben. Eine andere Ausführungsform sieht vor, die Katalysatoreinheit im Inneren stromab am Austritt des Mischrohrs derart vorzusehen, so dass periphere Teilströmungen des Brennstoff-Luft-Gemisches zwangsgeführt durch Katalysatormaterial hindurchtreten, zumal das Katalysatormaterial den Strömungsquerschnitt innerhalb des Mischrohrs an dessen Austritt zur Brennkammer verjüngt.Basically, it is possible to partially or partially the catalyst unit around the mixing tube to be arranged completely circularly distributed, one inside the mixing tube Intended circular drainage channel for partial separation peripheral partial flows of the spreading inside the premix burner Fuel-air mixture is provided. Here, the inside diameter of the Mixing tube remain almost unaffected. Another embodiment sees before, the catalyst unit inside downstream at the outlet of the mixing tube to be provided so that peripheral partial flows of the fuel-air mixture forced to pass through catalyst material, especially since Catalyst material the flow cross section within the mixing tube at the Tapered outlet to the combustion chamber.

Auch sind Konstruktionen denkbar, bei denen die Katalysatoreinheit zwischen dem Mischrohr und der Brennkammer beispielsweise in Art einer Lochblende ausgeführt ist. Constructions are also conceivable in which the catalyst unit between the Mixing tube and the combustion chamber, for example, executed in the manner of a pinhole is.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

  • Fig. 1 Vormischbrenneranordnung mit außerhalb des Mischrohrs angeordneter Katalysatoreinheit, sowie
  • Fig. 2 Vormischbrenneranordnung mit innerhalb des Mischrohres angeordneter Katalysatoreinheit.
    • The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
  • Fig. 1 premix burner arrangement with a catalyst unit arranged outside the mixing tube, and
  • Fig. 2 premix burner arrangement with a catalyst unit arranged inside the mixing tube.

    • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY

    In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Vormischbrenneranordnung mit Mischstrecke dargestellt, die in an sich bekannter Weise aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist. Im Zentrum eines kegelförmig ausgebildeten, drallerzeugenden Vormischbrenners ist eine Einspritzdüse 2 vorgesehen, die axial zur Vormischbrenneranordnung vorzugsweise Flüssigbrennstoff zerstäubt. Über längs zu den konisch ausgebildeten Teilschalen 1 des Vormischbrenners vorgesehenen Lufteintrittschlitzen 3 wird im Inneren der Vormischbrenneranordnung ein Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt, das sich stromab, d.h. in der Zeichenebene gemäß Fig. 1 von links nach rechts ausbreitet. Ein dem kegelförmigen Vormischbrenner nachgeschalteter Drallerzeuger 4 prägt dem Brennstoff-Luft-Gemisch eine kritische Drallzahl auf, durch die sich innerhalb der Brennkammer 6 eine stabile Flammenfront 7 ausbilden kann. Dem Drallerzeuger nachgeordnet ist ein Mischrohr 5, innerhalb dem sich das Brennstoff-Luft-Gemisch vollständig zu durchmischen vermag, bevor es in die Brennkammer 6 eintritt.In Fig. 1 is a longitudinal section through a premix burner arrangement with a mixing section shown, which in a conventional manner from the following components is composed. At the center of a conical, swirl-generating premix burner, an injection nozzle 2 is provided axially preferably atomized liquid fuel to the premix burner arrangement. about lengthways to the conical part shells 1 of the premix burner provided air inlet slots 3 is inside the premix burner assembly generates a fuel-air mixture that is downstream, i.e. in the drawing plane 1 from left to right. One of the conical Swirl generator 4 connected downstream of the premix burner shapes the fuel-air mixture a critical number of swirls by which within the combustion chamber 6 can form a stable flame front 7. Subordinate to the swirl generator is a Mixing tube 5, within which the fuel-air mixture completely can mix well before it enters the combustion chamber 6.

    Um den stromab gewandten Bereich 51 des Mischrohres 5 ist eine Katalysatoreinheit 8 vorgesehen, die den Mischrohrbereich 51 zirkular vollständig umgibt. Der Katalysatoreinheit 8 in Strömungsrichtung vorgeordnet ist ein ebenfalls innerhalb des Mischrohres 5 vollständig zirkular umlaufender Abzweigungskanal 9 vorgesehen, durch den der periphere Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Mischrohres 5 in Richtung der Katalysatoreinheit 8 abgeleitet wird. Der Hauptanteil des Brennstoff-Luft-Gemisches passiert ungehindert axial das Mischrohr 5 und gelangt innerhalb der Brennkammer 6 zur Zündung. Die zwangsweise abgeführten peripheren Brennstoff-Luft-Gemischströme, die die Katalysatoreinheit 8 durchlaufen, werden durch diese wenigstens teilweise thermisch und/oder chemisch katalytisch umgesetzt und gelangen nach Austritt aus der Katalysatoreinheit 8 unmittelbar in die Brennkammer 6, in der sie auf die peripheren Bereiche der Flammenfront 7 auftreffen und diese zu stabilisieren vermögen.There is a catalyst unit around the downstream area 51 of the mixing tube 5 8 provided, which completely surrounds the mixing tube area 51. The The catalytic converter unit 8 is arranged upstream in the flow direction Mixing tube 5 completely circular branch duct 9 is provided, through which the peripheral portion of the fuel-air mixture within the Mixing tube 5 is derived in the direction of the catalyst unit 8. The main part of the fuel-air mixture passes axially freely through the mixing tube 5 and arrives within the combustion chamber 6 for ignition. The forcibly removed peripheral fuel-air mixture flows which pass through the catalyst unit 8, are at least partially thermally and / or chemically catalytic implemented and get out of the catalyst unit 8 immediately in the Combustion chamber 6, in which it faces the peripheral areas of the flame front 7 hit and are able to stabilize them.

    Vorzugsweise ist die Innenkontur des Mischrohrs 5 an den Eintrittsbereichen der Ableitungskanäle 9 verjüngend ausgebildet, so dass die Abzweigung der peripheren Brennstoff-Luft-Gemischanteile zwangsweise erfolgt.The inner contour of the mixing tube 5 is preferably at the inlet areas of the Discharge channels 9 tapered so that the branch of the peripheral Fuel-air mixture proportions are forced.

    Eine weitere alternative Ausführungsvariante ist in Fig. 2 dargestellt. Auch in diesem Fall zeigt das Ausführungsbeispiel die Grundanordnung einer an sich bekannten Vormischbrenneranordnung mit zentraler Brennstoffeindüsung 2, einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner, einem diesen in Strömungsrichtung nachgeschalteten Drallerzeuger 4 und einem zur Vervollständigung der Durchmischung des Brennstoff-Luft-Gemisches nachgeordneten Mischrohres 5. Nicht im einzelnen dargestellt ist die Brennkammer 6, die dem Mischrohr 5 nachgeschaltet ist.Another alternative embodiment is shown in FIG. 2. Also in this Case shows the embodiment of the basic arrangement of a known Premix burner arrangement with central fuel injection 2, one conical trained premix burner, this one in the flow direction downstream swirl generator 4 and one to complete the Mixing of the fuel-air mixture downstream of the mixing tube 5. The combustion chamber 6, which is the mixing tube 5, is not shown in detail is connected downstream.

    Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist eine Katalysatoreinheit 8 am stromab gewandten Ende des Mischrohres 5 derart vorgesehen, so dass Katalysatormaterial in die peripheren Randbereiche in das Innere des Mischrohres 5 hineinragt und den Strömungsquerschnitt durch das Mischrohr 5 reduziert. Die Katalysatoreinheit 8 ist aus einem, mit Katalysatormaterial beschichteten porösen Material ausgebildet, so dass periphere Strömungsanteile des sich im Inneren der Vormischbrennereinheit ausbreitenden Brennstoff-Luft-Gemisches zwangsweise durch die Katalysatoreinheit 8 hindurchströmen, in der sie zumindest teilweise katalytisch umgesetzt werden. Die katalytische Umsetzung erfolgt entweder thermisch und/oder chemisch und trägt neben einer entscheidenden Reduzierung der NOx-Emissionswerte zur Stabilisierung der sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flammenfront bei. In contrast to the embodiment described above, a catalyst unit 8 is provided at the downstream end of the mixing tube 5 such that catalyst material projects into the peripheral edge regions into the interior of the mixing tube 5 and reduces the flow cross section through the mixing tube 5. The catalyst unit 8 is formed from a porous material coated with catalyst material, so that peripheral flow components of the fuel-air mixture which is spreading inside the premix burner unit are forced to flow through the catalyst unit 8, in which they are at least partially converted catalytically. The catalytic conversion takes place either thermally and / or chemically and, in addition to a decisive reduction in the NO x emission values, contributes to the stabilization of the flame front which forms within the combustion chamber.

    BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

    11
    Kegelförmig ausgebildete Teilschalen des VormischbrennersPartial shells of the premix burner with a conical shape
    22
    Einspritzdüseinjection
    33
    Luftschlitzelouvers
    44
    Drallerzeugerswirl generator
    55
    Mischrohrmixing tube
    5151
    MischrohrbereichMixing tube area
    66
    Brennkammercombustion chamber
    77
    Flammenfrontflame front
    88th
    Katalysatoreinheitcatalyst unit
    99
    Abzweigungskanalbranch channel

    Claims (13)

    Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung zum Betrieb einer Brennkammer (6) einer Gasturbinenanordnung, mit einem Vormischbrenner, in dem wenigstens eine Brennstoffzugabeeinheit sowie Zuluftöffnungen (3) derart vorgesehen sind, dass gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff mit Verbrennungszuluft innerhalb des Vormischbrenner 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 zu Zündung bringbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) eine Katalysatoreinheit (8) 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 (6) einströmt.    Premix burner arrangement with catalytic combustion for operating a combustion chamber (6) of a gas turbine arrangement, with a premix burner in which at least one fuel addition unit and supply air openings (3) are provided in such a way that gaseous and / or liquid fuel can be mixed with combustion supply air within the premix burner and a fuel Form air mixture which emerges from the premix burner housing 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.
    characterized in that a catalyst unit (8) is provided before the fuel-air mixture enters the combustion chamber (6), through which a part of the fuel-air mixture can be introduced and passes before this part together with the rest of the fuel -Air mixture flows into the combustion chamber (6).         Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) am stromabwärtigen Ende des Vormischbrenners in diesem integriert oder an diesem unmittelbar angrenzend vorgesehen ist.    Premix burner arrangement according to claim 1,
    characterized in that the catalyst unit (8) is integrated into the premix burner at the downstream end thereof or is provided directly adjacent to it.         Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die einen Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches ableiten und der Katalysatoreinheit (8) zuleiten, dass die Mittel wenigstens einen Strömungskanal (9) aufweisen, der stromauf offen ausgebildet ist und peripher an das sich innerhalb des Vormischbrenners ausbreitende Brennstoff/Luft-Gemisch angrenzt und einen Teil der dieser Strömung abzweigt und der Katalysatoreinheit (8) zuführt.     Premix burner arrangement according to claim 1 or 2,
    characterized in that means are provided which divert part of the fuel-air mixture and feed the catalyst unit (8), that the means have at least one flow channel (9) which is designed to be open upstream and peripherally to which is inside the premix burner Spreading fuel / air mixture adjoins and a part of this flow branches off and feeds the catalyst unit (8).         Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) mit seiner einseitigen Öffnung das sich innerhalb des Vormischbrenners ausbreitende Brennstoff/Luft-Gemisch wenigstens teilweise zirkular umgibt.    Premix burner arrangement according to claim 3,
    characterized in that the flow channel (9) with its opening on one side at least partially surrounds the fuel / air mixture which is spreading within the premix burner.         Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass an das Vormischbrennergehäuses stromab angrenzend eine den Strömungsquerschnitt des Brennstoff/Luft-Gemisches verjüngende Einheit vorgesehen ist, in der der Strömungskanal sowie die Katalysatoreinheit (8) vorgesehen sind.    Premix burner arrangement according to claim 3 or 4,
    characterized in that a unit tapering the flow cross section of the fuel / air mixture is provided adjacent to the premix burner housing and in which the flow channel and the catalyst unit (8) are provided.         Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) eine, den Strömungsquerschnitt innerhalb des Vormischbrennergehäuses verjüngende Geometrie aufweist, die am Ende des Vormischbrennergehäuses integriert oder stromab am Vormischbrennergehäuse vorgesehen ist, und
    dass die Katalysatoreinheit wenigstens teilweise vom Brennstoff/Luft-Gemisch durchströmbar ist und Katalysatormaterial aufweist.    Premix burner arrangement according to claim 1 or 2,
    characterized in that the catalyst unit (8) has a geometry tapering the flow cross section within the premix burner housing, which is integrated at the end of the premix burner housing or provided downstream of the premix burner housing, and
    that the catalyst unit can be flowed through at least partially by the fuel / air mixture and has catalyst material.         Vormischbrenneranordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) aus porösem Material besteht, deren Oberfläche mit einer Katalysatorschicht überzogen ist.    Premix burner arrangement according to claim 6,
    characterized in that the catalyst unit (8) consists of porous material, the surface of which is coated with a catalyst layer.         Vormischbrenneranordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (8) zirkular das Brennstoff/Luft-Gemisch umgibt.    Premix burner arrangement according to one of claims 1, 2, 6 or 7,
    characterized in that the catalyst unit (8) surrounds the fuel / air mixture in a circular manner.         Verfahren zum Betrieb einer Vormischbrenneranordnung mit katalytischer Verbrennung 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 Vormischbrenner gemischt wird und ein Brennstoff-Luft-Gemisch bilden, das aus dem Vormischbrenner stromab in Richtung Brennkammer (6), die der Vormischbrenneranordnung nachgeordnet ist, austritt und innerhalb der Brennkammer zur Zündung gebracht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches wenigstens teilweise katalytisch umgesetzt wird und nachfolgend zusammen mit dem übrigen, unkatalysierten Anteil des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (6) einströmt.    Method for operating a premix burner arrangement with catalytic combustion with a premix burner, in which at least one fuel addition unit (2) and supply air openings (3) are provided in such a way that gaseous and / or liquid fuel is mixed with combustion supply air within the premix burner and a fuel-air mixture form, which emerges from the premix burner downstream in the direction of the combustion chamber (6), which is arranged downstream of the premix burner arrangement, and is ignited within the combustion chamber,
    characterized in that before the fuel-air mixture enters the combustion chamber (6), part of the fuel-air mixture is at least partially converted catalytically and subsequently together with the remaining, uncatalyzed portion of the fuel-air mixture into the combustion chamber ( 6) flows.         Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass zirkular um das Brennstoff/Luft-Gemisch ein Teil des Gemisches zirkular abgezweigt wird und einer Katalysatoreinheit (8) zugeleitet wird.    Method according to claim 9,
    characterized in that a part of the mixture is branched off circularly around the fuel / air mixture and is fed to a catalyst unit (8).         Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Umsetzung im Wege einer thermischen und/oder chemischen katalytischen Umsetzung erfolgt.    A method according to claim 9 or 10,
    characterized in that the catalytic conversion takes place by means of a thermal and / or chemical catalytic conversion.         Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Umsetzung im Wege einer partiellen Oxidation erfolgt und zumindest teilweise die partiellen Oxidationsprodukte CO und H2 erzeugt.    A method according to claim 11,
    characterized in that the catalytic conversion takes place by means of a partial oxidation and at least partially generates the partial oxidation products CO and H 2 .         Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Umsetzung stromauf nahe einer sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Flammenfront erfolgt.    Method according to one of claims 9 to 12,
    characterized in that the catalytic conversion takes place upstream near a flame front which forms within the combustion chamber.
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