EP1251314A2 - Katalytisch arbeitender Brenner - Google Patents

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Publication number
EP1251314A2
EP1251314A2 EP02405294A EP02405294A EP1251314A2 EP 1251314 A2 EP1251314 A2 EP 1251314A2 EP 02405294 A EP02405294 A EP 02405294A EP 02405294 A EP02405294 A EP 02405294A EP 1251314 A2 EP1251314 A2 EP 1251314A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst structure
catalyst
channels
burner according
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02405294A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1251314A3 (de
Inventor
Timothy Dr. Griffin
Peter Dr. Jansohn
Verena Dr. Schmidt
Dieter Winkler
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.)
GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG, Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1251314A2 publication Critical patent/EP1251314A2/de
Publication of EP1251314A3 publication Critical patent/EP1251314A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • 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
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Definitions

  • the invention relates to a catalytic burner, in particular for a Gas turbine plant with the features of the preamble of claim 1.
  • a catalyst structure which is a heat-resistant Carrier material which has the common walls of a plurality of adjacent Forms channels. These channels penetrate the catalyst structure in Longitudinal direction and allow a flow through the catalyst structure a gaseous reaction mixture. At least part of the walls are with one Coated catalyst. There are some in the known catalyst structure Channels at least partially coated on their inner walls with the catalyst, while other channels are nowhere coated with the catalyst. In this way, parallel flow channels are created, of which the one is catalytically active and the others are catalytically inactive or inert. There in no combustion reaction takes place in the inert channels, these serve for Cooling of the active channels to prevent the catalyst structure from overheating to avoid.
  • a catalyst structure is known, the support material is coated with a catalyst so that there is a gradient in the direction of flow for the reactivity of the catalyst structure.
  • This reactivity gradient is designed so that the catalyst structure has the highest activity at the inlet has and has the least activity at its outlet, the activity decreases continuously or gradually in the direction of flow. Due to the high Catalytic activity at the inlet of the catalyst structure can cause the ignition temperature for the introduced reaction mixture can be reduced, which reduces the effort for measures to increase the temperature of the reaction mixture upstream the catalyst structure becomes smaller. Through the reactivity gradient Temperature peaks in the catalyst structure can be avoided. As a carrier material this catalyst structure becomes metallic or ceramic Monolith used.
  • a catalyst structure is known from US Pat. No. 6,015,285 in which the catalyst layer, which is applied to the carrier material, a diffusion barrier layer is applied to the catalytic effect of the catalyst to reduce. This measure is also intended to overheat the catalyst structure prevent, which arises especially when the catalytic reaction is sufficient, trigger a homogeneous gas phase reaction within the catalyst structure.
  • US 5 850 731 shows a burner for a gas turbine with a conventional one first combustion zone, one of these downstream catalytic second combustion zone and one of these downstream conventional third firing zones. at medium burner loads will be upstream of the catalytic second combustion zone Fuel mixed into the exhaust gases of the conventional first combustion zone Increase burner performance.
  • a structured packing unit is known from WO 99/34911, which is used in systems is used for fluid contacting. Such systems are, for example a distillation tower or a single or multiple mixer.
  • the Packing unit can be used in a catalytic still be formed catalytically.
  • the packing unit is made of right-angled Constructed of sheet material and has a large number of parallel, linear channels that have a rectangular, in particular square, cross-section exhibit. Vortex generators or turbulators are arranged in the channels, which cause the flow to swirl. These vortex generators form openings between adjacent channels and thereby enable one fluidic connection between the channels. In this way it happens too a flow mixture between adjacent channels.
  • this packing unit can also be through a porous Material made of metal fibers (fiber tissue) and with a catalyst be coated.
  • the catalyst layer has a through the fiber fabric very large surface area, which increases its activity.
  • a further structured packing unit is known from WO 99/62629, at of which the channels are formed from a porous material, this being porous Material has turbulators or turbulence generators that are essentially attached to a liquid flow through the entire surface of the packing unit enable the pores of the porous material.
  • Catalytically operating burners with a catalyst structure are used, for example, in the combustion of fossil fuels, for example methane gas, in particular when minimal NO x emissions are to be achieved.
  • Catalytically operating burners can form part of a gas turbine system and are used there to generate hot combustion exhaust gases, which are used to drive a turbine to drive a generator.
  • the main problems with this type of catalytic combustion are on the one hand in the relatively high ignition temperature of the gaseous reaction mixture, e.g. on Air / fuel mixture.
  • the relatively high ignition temperature can be a catalyst with high activity in the inlet region of the catalyst structure to be ordered.
  • the temperature of the reaction mixture upstream of the catalyst structure e.g. with an additional burner.
  • there is a risk of the catalyst structure overheating especially if there is still a homogeneous structure within the catalyst structure Forms gas phase reaction. Under a "homogeneous gas phase reaction" becomes the independently occurring combustion reaction of the reaction mixture understood that no longer requires a catalyst to run.
  • Burnout zone which is downstream of the catalyst structure is arranged, there is insufficient turbulence in the flow of the reaction mixture prevails, so that adequate combustion as well minimal CO emissions within a reasonable dwell time Burnout zone can only be realized with a relatively large or long burnout zone are.
  • Other problems can arise from the fact that in the individual channels the catalytic structure the catalytic reactions or conversions run differently, so that at the outlet of the catalyst structure in the outflowing Mixture no homogeneous reaction state along the flow cross section prevails.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as set out in the claims is concerned with the problem for a catalytic worker Burner of the type mentioned to specify an embodiment which enables improved catalytic combustion.
  • the invention is based on the general idea of adjacent channels of To connect the catalyst structure to one another through connection openings, see above that a flow exchange between these channels is made possible.
  • a flow exchange between these channels becomes possible.
  • This measure becomes a mixture of the gas flows of the individual channels enables, with the result that possibly developing different Reaction states within the channels over the cross section of the catalyst structure balance so that at the outlet of the catalyst structure a relative homogeneous reaction state exists over the entire flow cross-section.
  • This improvement can be followed by a catalyst structure Burnout zone can be made shorter.
  • connection openings can be assigned, which at least part of the flow of a channel into one communicating therewith through the connection opening redirect adjacent channel. These flow guidance means thus support the flow exchange between each other through the connection opening connected channels.
  • connection openings can be in the region a turbulator can be arranged.
  • a turbulator is raining a flow coming into contact with it to generate eddies, whereby form turbulence in the flow downstream of the turbulator.
  • receives the flow direction of the reaction mixture directional components that transversely to the longitudinal direction of the catalyst structure or transversely to the longitudinal extent the channels are directed. This creates a flow exchange between the Channels supported by the connection openings.
  • connection openings can preferably be used as turbulators be trained.
  • a flow exchange through the connection openings can also thereby be improved that the channels at least partially have a tortuous flow path form through the catalyst structure.
  • the coating of the walls be designed with the catalyst so that some of the channels are catalytically active while other channels are catalytically inactive or inert. Through this measure overheating of the catalytically active walls is avoided.
  • the walls with the catalyst so that at least some of the channels flow at least in the direction of flow a catalytically active zone and at least one catalytically inactive or have an inert zone.
  • the reaction state the reaction mixture, e.g. a fuel / air mixture, along the catalyst structure are controlled. This can cause the combustion reaction achieve a higher efficiency.
  • a special embodiment results from the fact that the coating of the Walls with the catalyst is designed so that at least some of the channels in Flow direction have several active zones, their activities are different are trained. This measure also enables targeted adjustment the desired reaction states along the catalyst structure.
  • the catalyst coated carrier material consist of a porous material.
  • the catalyst is relatively large Surface and can be particularly active. This has to As a result, the ignition temperature of the reaction mixture decreases.
  • a particularly high catalytic activity can be achieved if at least a part of the support material coated with the catalyst from a There is fiber tissue.
  • a fiber fabric has a particularly large one Surface that is catalyzed with a low ignition temperature for the reaction mixture results.
  • Embodiments of such a fiber fabric are described, for example, in WO 99/62629 and are by this reference is encompassed by the present invention.
  • a particular advantage of a carrier material formed from a fiber fabric consists in the combination of a low heat storage capacity in combination with good thermal conductivity. Because of these characteristics, it arises on the carrier material a uniform temperature distribution, for example temperature peaks avoids. Similar advantages can be achieved if instead of a fiber fabric a relatively thin metal foil is used as the carrier material.
  • those arranged in the channels can be influenced Turbulators are distributed along the catalyst structure so that the Catalyst structure in the flow direction at least one with the turbulators equipped zone and at least one not equipped with the turbulators Zone.
  • one of the at least one equipped with the turbulators Zones have the outlet end of the catalyst structure.
  • the zone having the outlet end is preferably the catalyst structure formed catalytically inactive or inert to the catalyst structure at this point to avoid overheating.
  • one of the at least one equipped with the turbulators should Zones have the inlet end of the catalyst structure, so the same at the beginning of the catalyst structure, the channel flows are mixed support.
  • An embodiment in which this zone is preferred is formed catalytically inactive or inert. This is how this starting zone works the catalyst structure like a static mixer for intensive mixing of the individual components of the reaction mixture, e.g. Fuel and air. Accordingly can in the burner according to the invention a conventional static Mixers are omitted or can be made smaller.
  • a the zone of the catalyst structure having the inlet end is equipped with turbulators and be formed catalytically inactive or inert, in one area at least between the inlet end and outlet end of the catalyst structure a catalytically active zone is formed, and one having the outlet end Zone of the catalyst structure equipped with turbulators and catalytic is inactive or inert.
  • Intensive mixing is then carried out again in the outlet zone the already burning or reacting partial flows of the individual channels, to prepare the homogeneous gas phase reaction in the burnout chamber.
  • the catalyst structure is not just the actual one Catalyst function, but also the function of a static Mixer at the inlet as well as the function of a mixer or turbulator at the outlet to ensure the homogeneous gas phase reaction in the burnout chamber improve, whereby their overall length can be reduced.
  • the burner according to the invention can have a zone of the catalyst structure which has the inlet end Turbulators equipped and be catalytically highly active, with in a region between the inlet end and outlet end of the catalyst structure a zone equipped without turbulators is catalytically active, wherein a zone of the catalyst structure with turbulators which has the outlet end Is provided.
  • the combustion reaction of the incoming reaction mixture started at the inlet, the high active catalytic converter enables low ignition temperatures. Since in the downstream If no turbulators are arranged in the area, this results in a relative low pressure loss, so that relatively high flow velocities prevail. This measure reduces the risk of being inside the catalyst structure the homogeneous gas phase reaction ignites.
  • the outlet zone there is again an intensive mixing of the emerging individual flows achieved to improve the formation of the homogeneous gas phase reaction.
  • the invention is based on the knowledge that, with appropriate adaptations, especially with regard to the choice of materials and the choice of catalyst, it is possible to use a structure such as from the above WO 99/62629 and WO 99/34911 is known in a catalytically operating Burner, especially for a gas turbine plant, as a catalyst structure to use.
  • a burner 1 according to the invention has a fuel injection device 2, which injects a fuel into an oxidant containing gas flow 3 injected. That symbolized here by an arrow Gas flow 3 can be formed, for example, by an air flow his. Methane can also be injected as fuel.
  • the fuel injector 2 can be designed here as a so-called "venturi injector".
  • the burner 1 Downstream of the fuel injection device 2, the burner 1 contains a catalyst structure 4, which is symbolized here by a rectangular frame.
  • This Catalyst structure 4 is from the fuel / gas mixture or reaction mixture through which a catalyst is arranged inside the catalyst structure 4 is that initiates a combustion reaction of the reaction mixture.
  • a stabilization zone 5 is arranged in the burner 1, which symbolizes here by a sudden increase in cross-section of the burner 1 is. This stabilization zone 5 merges into a burnout zone 6, in which the actual combustion reaction of the reaction mixture, namely the homogeneous gas phase reaction takes place.
  • burner 1 is a component a gas turbine plant, not shown, can in the burnout zone 6 hot combustion gases formed by the homogeneous gas phase reaction a downstream turbine can be supplied. Since the burner 1 initiates and / or stabilizes the combustion reaction by means of the catalyst structure 4, burner 1 works catalytically.
  • the catalyst structure 4 has an inlet end 7 and an outlet end 8 and, according to FIGS. 2 and 3, can be subdivided or divided into several zones 9 which follow one another in the flow direction.
  • An inlet zone 9 I comprises the inlet end 7, while an outlet zone 9 III contains the outlet end 8.
  • a central zone 9 II is formed between inlet end 7 and outlet end 8, which in turn can be divided into several partial zones 9 IIa to 9 IIc or 9 IId .
  • the type and number of subdivisions is given here purely by way of example and without restricting the generality.
  • Fig. 4 shows a section of the catalyst structure 4, the direction of view runs parallel to a flow direction with which the reaction mixture in the Catalyst structure 4 occurs.
  • 4 there is a carrier material 10, from which the catalyst structure 4 is made up of several layers one Material web 11. In the detail shown in FIG. 4, three such layers are made Material webs 11 shown.
  • the material webs 11 are each zigzag-shaped here folded, with apex lines 12 of the individual folds in such material webs 11, which is transverse to the direction of flow, corresponding to Fig. 4 in vertical Direction, are adjacent, are oriented differently.
  • 4 are the Vertex lines 12 of the upper and lower material webs 11 are oriented such that they move away from a vertical axis towards the right.
  • the difference the apex lines 12 of the middle material web 11 are oriented so that they move away from a vertical axis towards the left.
  • the adjacent material webs 11 in the vertical axis lie on the intersecting apex lines 12 to each other.
  • Between adjacent to each other Layers 11 are formed more or less tortuous channels 13, which allow the flow through the catalyst structure 4.
  • the material webs 11 form the walls of these channels 13.
  • connection openings 14 are provided in these walls, through which adjacent channels 13 communicate with each other.
  • connection openings 14 can thus be mixed in the individual Channels 13 guided flows take place.
  • Different degrees of conversion or reaction states that form in the different channels 13 can be by the flow exchange between the channels 13 in essentially balanced.
  • FIG. 5 shows a larger section of the catalyst structure 4, whose carrier material 10 also consists of several layers of the material webs11 is constructed. 5, however, is only a section with four material webs 11 played.
  • Fig. 5 is a flow direction 15, in Fig. 4 with the viewing direction coincides, represented by an arrow. Cut the apex lines 12 in the special embodiment shown here, the flow direction 15 with an angle of about 45 °. The adjacent crest lines 12 Adjacent material webs 11 are then approximately perpendicular to one another.
  • zigzag folded material webs 11 can for the layers also triangular or rectangular folded or corrugated material webs be used.
  • FIG. 6 also shows a section of the catalyst structure 4 in which the support material 10 in contrast to the embodiments of FIGS. 4 and 5 not from several material webs, but from a multi-fold material web 16 exists.
  • the apex lines 12 of the folds of this material web 16 can doing e.g. run in the longitudinal direction of the catalyst structure 4, in particular parallel to the flow direction 15. Between successive apex lines 12 the material web 16 has flat areas which form flat wall sections 17, that run parallel to each other. Between adjacent wall sections 17 the channels 13 are formed. In these flat wall sections 17 are the Connection openings 14 are formed through which the adjacent channels 13 communicate with each other.
  • material for the material web 16 according to FIG. 6 or for the material web 11 4 and 5 for example, one built on metallic fibers Serve fiber tissue, which in the catalytically active sections with a corresponding catalyst is coated. It is also possible to use the material webs 11 and 16 to be formed from a relatively thin metal foil. These materials are characterized by a high thermal conductivity and a low one Heat storage capacity because the combination of these properties into one uniform temperature distribution within the catalyst structure 4 leads and thus temperature peaks and overheating and especially initiation prevent a homogeneous gas phase reaction within the catalyst structure 4.
  • the folded material webs 11, from which the individual Layers of the carrier material 10 are formed with flow guide means e.g. be provided in the form of triangular wings 18.
  • Each wing 18 is one assigned to the connection openings 14. The flow in a corresponding manner Wing 18 support a redirection of the flow from the one channel through the connection opening 14 into the adjacent channel.
  • the vanes 18 also serve as turbulators operating in a flow comes into contact with the wings 18, vortex formation and thus turbulence stimulate.
  • connection openings 14, Flow guide and the turbulators in the form of the wing 18 particularly simple e.g. be produced by punching processes.
  • 18 two triangle sides cut free so that the wing 18 around the third triangle side can be bent over such that the wing 18 projects into one of the channels.
  • By bending the wings 18 out of the material web 11 arise there triangular openings, which form the connecting openings 14.
  • the layers are through according to FIG. 8 Rectangularly folded material webs 11 formed, which instead of apex lines Have apex surfaces 19.
  • connection openings 14 and Wing 18 which serve as flow guide and turbulators, preferably produced by a punching process with cutting free and bending the wing 18.
  • that side of the triangle runs of the wing 18 on which the bending deformation of the wing 18 takes place for example transversely to the direction of extent of the apex surfaces 19 of the associated material web 11.
  • a tip 20 of each wing 18 points upstream, that is, opposite the direction of flow.
  • the wings 18 can be as far from the respective Stick out wall that they are on a parallel, opposite wall come to the plant.
  • FIG. 9 shows an arrangement of seven guide vane structures 21, which are arranged transversely to a flow direction in one of the channels can.
  • a guide vane structure 21 forces one flowing through it Flow a rotation around a parallel to the flow direction Axis on.
  • the guide vane structures 21 have a hexagonal circumference, which creates a corresponding for the adjacent channels Honeycomb structure results.
  • Each of these vane structures 21 has a plurality of blades 22, which are inclined to the direction of flow, and thus are oriented so that the desired rotation occurs downstream of the guide vane structure 21 in the flow.
  • the catalyst structure 4 for example, consist entirely of a fiber fabric, which with a Catalyst is coated.
  • This structure ensures a low thermal Storage capacity for the catalyst structure 4 and leads to an advantageous Ignition characteristics.
  • this structure ensures a favorable Temperature transport and flow exchange between the neighboring ones Channels within the catalyst structure. Due to the surface quality of the fabric material, the walls of the channels have a certain roughness, which causes vortex formation in the flow and thus intensive mixing is promoted.
  • the so formed Catalytic converter structure 4 can sufficiently swirl at outlet end 8 or turbulence can be achieved in the flow, so that the burnout zone 6 relative can be built small.
  • the inlet zone 9 I is catalytically inactive or inert and is equipped with turbulators, not shown here.
  • the inlet zone 9 I works as a static mixer which ensures homogeneous mixing of the gas flow 3 with the injected fuel.
  • the support material is coated with a catalyst.
  • the individual sub-zones 9 IIa to 9 IId can differ from one another in terms of catalytic activity and / or in terms of flow properties (for example turbulator density).
  • the catalyst initiates the combustion reaction of the reaction mixture.
  • this catalytically active region of the catalyst structure 4 is specifically designed in such a way that a low ignition temperature is reached, and in addition the formation of a homogeneous gas phase reaction within the catalyst structure 4 is avoided.
  • one or the other of the partial zones 9 IIa to 9 IId can also be made catalytically inactive or inert.
  • the outlet zone 9 III is again catalytically inactive or inert and has turbulators in order in this way to achieve intensive mixing of the individual channel flows at the outlet 8 of the catalyst structure 4. This intensive swirling also has the consequence here that the burner 1 manages with a relatively short burnout zone 6.
  • the inlet zone 9 I is designed in such a way that a relatively strong mixing is formed between the adjacent channels, which causes a correspondingly intensive temperature compensation. This can be achieved in particular by means of appropriately arranged turbulators. Furthermore, the inlet zone 9 I is designed to be catalytically highly active, so that the inlet zone 9 I serves as an ignition zone. These properties of the inlet zone 9 I can be realized particularly simply by using a metal fiber fabric as the carrier material, which is coated with the highly active catalyst. The middle zone 9 II is also coated with a catalyst, the middle zone 9 II being designed for a minimal pressure drop, which reduces the risk that a homogeneous gas phase reaction is ignited within the catalyst structure 4.
  • the middle zone 9 II can be subdivided into several partial zones 9 IIa to 9 IIc , which differ from one another, for example, in terms of their catalytic activity.
  • active and inert sub-zones can follow one another.
  • the outlet zone 9 III again has turbulators for generating an intensive swirling and mixing at the outlet end 8 of the catalyst structure 4.
  • the outlet zone 9 III can be designed to be catalytically active or inactive.
  • the middle zone 9 II and the outlet zone 9 III can also be made from a porous fiber fabric in this embodiment; alternatively, a thin metal foil or a ceramic carrier material can also be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen katalytisch arbeitenden Brenner, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit einer Katalysator-Struktur (4). Die Katalysator-Struktur (4) weist ein hitzebeständiges Trägermaterial (10) auf, das die Wände mehrerer benachbarter Kanäle (13) bildet. Die Kanäle (13) durchdringen die Katalysator-Struktur (4) in Längsrichtung und ermöglichen eine Durchströmung der Katalysator-Struktur (4) mit einem gasförmigen Reaktionsgemisch. Zumindest ein Teil der Wände ist mit einem Katalysator beschichtet.
Um die katalytische Konversion innerhalb der Katalysator-Struktur (4) zu verbessern, sind zwischen einem Einlassende und einem Auslassende der Katalysator-Struktur (4) Verbindungsöffnung (14) in den Wänden ausgebildet. Durch die Verbindungsöffnungen (14) können benachbarte Kanäle (13) miteinander kommunizieren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen katalytisch arbeitenden Brenner, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der US 5 512 250 ist eine Katalysator-Struktur bekannt, die ein hitzebeständiges Trägermaterial aufweist, das die gemeinsamen Wände einer Vielzahl benachbarter Kanäle bildet. Diese Kanäle durchdringen die Katalysator-Struktur in Längsrichtung und ermöglichen eine Durchströmung der Katalysator-Struktur mit einem gasförmigen Reaktionsgemisch. Zumindest ein Teil der Wände ist mit einem Katalysator beschichtet. Bei der bekannten Katalysator-Struktur sind einige Kanäle an ihren Innenwänden mit dem Katalysator zumindest teilweise beschichtet, während andere Kanäle an keiner Stelle mit dem Katalysator beschichtet sind. Auf diese Weise werden parallel durchströmte Kanäle geschaffen, von denen die einen katalytisch aktiv und die anderen katalytisch inaktiv oder inert sind. Da in den inerten Kanälen keine Verbrennungsreaktion stattfindet, dienen diese zur Kühlung der aktiven Kanäle, um insgesamt eine Überhitzung der Katalysator-Struktur zu vermeiden.
Aus der US 5 248 251 ist eine Katalysator-Struktur bekannt, deren Trägermaterial so mit einem Katalysator beschichtet ist, dass sich in Strömungsrichtung ein Gradient für die Reaktivität der Katalysator-Struktur ergibt. Dieser Reaktivitätsgradient ist dabei so ausgebildet, dass die Katalysator-Struktur am Einlass die höchste Aktivität besitzt und an ihrem Auslass die geringste Aktivität aufweist, wobei die Aktivität in Strömungsrichtung kontinuierlich oder schrittweise abnimmt. Durch die hohe katalytische Aktivität am Einlass der Katalysator-Struktur kann die Zündtemperatur für das eingebrachte Reaktionsgemisch gesenkt werden, wodurch der Aufwand für Massnahmen zur Temperaturerhöhung des Reaktionsgemisches stromauf der Katalysator-Struktur geringer wird. Durch den Reaktivitätsgradienten können Temperaturspitzen in der Katalysator-Struktur vermieden werden. Als Trägermaterial wird bei dieser Katalysator-Struktur ein metallischer oder keramischer Monolith verwendet.
Aus der US 6 015 285 ist eine Katalysator-Struktur bekannt, bei der auf die Katalysatorschicht, die auf das Trägermaterial aufgebracht ist, eine Diffusionssperrschicht aufgebracht ist, um die katalytische Wirkung des Katalysators gezielt zu reduzieren. Auch diese Massnahme soll eine Überhitzung der Katalysator-Struktur verhindern, die insbesondere dann entsteht, wenn die katalytische Reaktion ausreicht, eine homogene Gasphasenreaktion innerhalb der Katalysator-Struktur auszulösen.
Die US 5 850 731 zeigt einen Brenner für eine Gasturbine mit einer konventionellen ersten Brennzone, einer dieser nachgeschalteten katalytischen zweiten Brennzone und einer dieser nachgeschalteten konventionellen dritten Brennzone. Bei mittleren Lasten des Brenners wird stromauf der katalytischen zweiten Brennzone Kraftstoff in die Abgase der konventionellen ersten Brennzone gemischt, um die Leistung des Brenners zu steigern.
Aus der WO 99/34911 ist eine strukturierte Packungseinheit bekannt, die in Systemen zur Fluidkontaktierung zum Einsatz kommt. Derartige Systeme sind beispielsweise ein Destillationsturm oder ein Einfach- oder Mehrfachmixer. Die Packungseinheit kann für den Einsatz in einer katalytischen Destilliereinrichtung katalytisch ausgebildet sein. Die Packungseinheit ist aus rechtwinklig gebogenem Blechmaterial aufgebaut und besitzt eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender, linearer Kanäle, die einen rechtwinkligen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. In den Kanälen sind Wirbelgeneratoren oder Turbulatoren angeordnet, die eine Verwirbelung der Strömung bewirken. Diese Wirbelgeneratoren bilden Öffnungen zwischen benachbarten Kanälen und ermöglichen dadurch eine fluidische Verbindung zwischen den Kanälen. Auf diese Weise kommt es auch zu einer Strömungsmischung zwischen benachbarten Kanälen. Bei einer besonderen Ausführungsform dieser Packungseinheit können die Kanäle auch durch ein poröses Material aus Metallfasern (Fasergewebe) gebildet sein und mit einem Katalysator beschichtet sein. Durch das Fasergewebe besitzt die Katalysatorschicht eine sehr große Oberfläche, wodurch dessen Aktivität erhöht wird. Durch die Integration eines Katalysators in die Packungseinheit kann z.B. nach einer Destillation und nach einer Durchmischung der einzelnen Fluide, insbesondere einer Flüssigkeit und eines Gases, eine chemische Reaktion im Gemisch ablaufen bzw. iniziiert werden.
Aus der WO 99/62629 ist eine weitere strukturierte Packungseinheit bekannt, bei der die Kanäle aus einem porösen Material gebildet sind, wobei dieses poröse Material Turbulatoren oder Turbulenzgeneratoren aufweist, die im wesentlichen an der gesamten Oberfläche der Packungseinheit eine Flüssigkeitsströmung durch die Poren des porösen Materials ermöglichen.
Katalytisch arbeitende Brenner mit einer Katalysator-Struktur kommen beispielsweise bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, z.B. Methangas, zum Einsatz, insbesondere dann, wenn minimale NOx-Emissionen erreicht werden sollen. Katalytisch arbeitende Brenner können dabei einen Bestandteil einer Gasturbinenanlage bilden und dienen dort zur Erzeugung heißer Verbrennungsabgase, mit denen eine Turbine zum Antrieb eines Generators beaufschlagt wird.
Die Hauptprobleme bei dieser Art der katalytischen Verbrennung sind einerseits in der relativ hohen Zündtemperatur des gasförmigen Reaktionsgemischs, z.B. ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, zu sehen. Um diese hohe Zündtemperatur zu erreichen, kann im Einlassbereich der Katalysator-Struktur ein Katalysator mit hoher Aktivität angeordnet werden. Alternativ dazu kann die Temperatur des Reaktionsgemischs stromauf der Katalysator-Struktur, z.B. mit einem Zusatzbrenner, angehoben werden. Andererseits besteht die Gefahr einer Überhitzung der Katalysator-Struktur, insbesondere dann, wenn sich noch innerhalb der Katalysator-Struktur eine homogene Gasphasenreaktion ausbildet. Unter einer "homogen Gasphasenreaktion" wird hierbei die selbständig ablaufende Verbrennungsreaktion des Reaktionsgemischs verstanden, die zu ihrem Ablauf keinen Katalysator mehr benötigt. Ein weiteres Problem beim Betrieb eines katalytisch arbeitenden Brenners wird darin gesehen, dass in einer sogenannten "Ausbrennzone", die stromab der Katalysator-Struktur angeordnet ist, nur eine unzureichende Turbulenz in der Strömung des Reaktionsgemischs herrscht, so dass eine hinreichende Verbrennung sowie minimale CO-Emissionen innerhalb einer angemessenen Verweildauer in dieser Ausbrennzone nur mit einer relativ großen bzw. langen Ausbrennzone realisierbar sind. Weitere Probleme können sich dadurch ergeben, dass in den einzelnen Kanälen der Katalysator-Struktur die katalytischen Reaktionen bzw. Konversionen unterschiedlich ablaufen, so dass am Auslass der Katalysator-Struktur im ausströmenden Gemisch kein homogener Reaktionszustand entlang des Strömungsquerschnitts herrscht.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für einen katalytisch arbeitenden Brenner der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die eine verbesserte katalytische Verbrennung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Katalysator-Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, benachbarte Kanäle der Katalysator-Struktur durch Verbindungsöffnungen miteinander zu verbinden, so dass ein Strömungsaustausch zwischen diesen Kanälen ermöglicht wird. Durch diese Massnahme wird eine Vermischung der Gasströmungen der einzelnen Kanäle ermöglicht, mit der Folge, dass sich gegebenenfalls ausbildende unterschiedliche Reaktionszustände innerhalb der Kanäle über dem Querschnitt der Katalysator-Struktur ausgleichen, so dass am Auslass der Katalysator-Struktur ein relativ homogener Reaktionszustand über dem gesamten Strömungsquerschnitt vorliegt. Durch diese Verbesserung kann eine sich an die Katalysator-Struktur anschliessende Ausbrennzone kürzer ausgestaltet werden.
Bei einer Weiterbildung des Brenners können wenigstens einer der Verbindungsöffnungen Strömungsleitmittel zugeordnet sein, die zumindest einen Teil der Strömung eines Kanals in einen durch die Verbindungsöffnung damit kommunizierenden benachbarten Kanal umleiten. Diese Strömungsleitmittel unterstützen somit den Strömungsaustausch zwischen den durch die Verbindungsöffnung miteinander verbundenen Kanälen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann im Bereich wenigstens einer der Verbindungsöffnungen ein Turbulator angeordnet sein. Ein derartiger Turbulator regt eine damit in Kontakt kommende Strömung zur Wirbelerzeugung an, wodurch sich stromab des Turbulators Turbulenzen in der Strömung ausbilden. Auf diese Weise erhält die Strömungsrichtung des Reaktionsgemischs Richtungskomponenten, die quer zur Längsrichtung der Katalysator-Struktur bzw. quer zur Längserstreckung der Kanäle gerichtet sind. Hierdurch wird ein Strömungsaustausch zwischen den Kanälen durch die Verbindungsöffnungen unterstützt.
Vorzugsweise können die Strömungsleitmittel der Verbindungsöffnungen als Turbulatoren ausgebildet sein.
Ein Strömungsaustausch durch die Verbindungsöffnungen kann auch dadurch verbessert werden, dass die Kanäle zumindest teilweise einen gewundenen Strömungsweg durch die Katalysator-Struktur bilden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann die Beschichtung der Wände mit dem Katalysator so ausgeführt sein, dass einige der Kanäle katalytisch aktiv sind, während andere Kanäle katalytisch inaktiv oder inert sind. Durch diese Massnahme wird eine Überhitzung der katalytisch aktiven Wände vermieden.
Von besonderem Vorteil ist es, die Beschichtung der Wände mit dem Katalysator so auszuführen, dass zumindest einige der Kanäle in Strömungsrichtung mindestens eine katalytisch aktive Zone und mindestens eine katalytisch inaktive oder inerte Zone aufweisen. Durch diese Massnahme kann beispielsweise der Reaktionszustand des Reaktionsgemischs, z.B. einer Kraftstoff/Luft-Mischung, entlang der Katalysator-Struktur kontrolliert werden. Die Verbrennungsreaktion kann dadurch einen höheren Wirkungsgrad erreichen.
Eine besondere Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Beschichtung der Wände mit dem Katalysator so ausgeführt ist, dass zumindest einige der Kanäle in Strömungsrichtung mehrere aktive Zonen aufweisen, deren Aktivitäten unterschiedlich ausgebildet sind. Auch diese Massnahme ermöglicht eine gezielte Einstellung der gewünschten Reaktionszustände entlang der Katalysator-Struktur.
Entsprechend einer besonderen Ausführungsform kann zumindest ein Teil des mit dem Katalysator beschichteten Trägermaterials aus einem porösen Werkstoff bestehen. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Katalysator eine relativ große Oberfläche und kann dadurch besonders aktiv ausgebildet werden. Dies hat zur Folge, dass die Zündtemperatur des Reaktionsgemischs abnimmt. Hierbei ist es außerdem möglich, die Poren des porösen Werkstoffes so zu gestalten, dass diese Poren als Verbindungsöffnungen zwischen benachbarten Kanälen dienen.
Eine besonders hohe katalytische Aktivität kann dann erzielt werden, wenn zumindest ein Teil des mit dem Katalysator beschichteten Trägermaterials aus einem Fasergewebe besteht. Ein derartiges Fasergewebe besitzt eine besonders große Oberfläche, die mit einem Katalysator versehen eine niedrige Zündtemperatur für das Reaktionsgemisch ergibt. Ausführungsformen eines solchen Fasergewebes sind beispielsweise in der obengenannten WO 99/62629 beschrieben und sind durch diese Bezugnahme von der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Ein besonderer Vorteil eines aus einem Fasergewebe gebildeten Trägermaterials besteht in der Kombination einer geringen Wärmespeicherfähigkeit in Verbindung mit einer guten Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund dieser Merkmale stellt sich am Trägermaterial eine gleichmäßige Temperaturverteilung ein, die beispielsweise Temperaturspitzen vermeidet. Ähnliche Vorteile sind erzielbar, wenn anstelle eines Fasergewebes eine relativ dünne Metallfolie als Trägermaterial verwendet wird.
Damit sich innerhalb der Katalysator-Struktur keine homogene Gasphasenreaktion ausbildet, darf die Verweildauer des Reaktionsgemischs in der Katalysator-Struktur einen Höchstwert nicht überschreiten. Dies bedeutet, dass im Mittel eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit herrschen muss, die sich aus dem Druckverlust bei der Durchströmung der Katalysator-Struktur ergibt. Um diesen Druckverlust zu beeinflussen, können bei einer Weiterbildung die in den Kanälen angeordneten Turbulatoren entlang der Katalysator-Struktur so verteilt sein, dass die Katalysator-Struktur in Strömungsrichtung zumindest eine mit den Turbulatoren ausgestattete Zone sowie mindestens eine nicht mit den Turbulatoren ausgestattete Zone aufweist.
Vorzugsweise soll eine der zumindest einen mit den Turbulatoren ausgestatteten Zonen das Auslassende der Katalysator-Struktur aufweisen. Durch diese Massnahme wird gewährleistet, dass am Auslass der Katalysator-Struktur, also beim Übergang in die Ausbrennzone des Brenners eine starke Vermischung der aus den einzelnen Kanälen austretenden Teilströme erzielt wird. Diese starke Vermischung unterstützt die Entstehung der homogenen Gasphasenreaktion und reduziert die Strömungsgeschwindigkeit, wodurch sich die Verweildauer in der Ausbrennzone erhöht. Dies ist zur Erzielung einer kurzen Bauweise für die Ausbrennzone erwünscht.
Vorzugsweise ist die das Auslassende aufweisende Zone der Katalysator-Struktur katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet, um an dieser Stelle der Katalysator-Struktur eine Überhitzung zu vermeiden.
Bei einer Weiterbildung soll eine der zumindest einen mit den Turbulatoren ausgestatteten Zonen das Einlassende der Katalysator-Struktur aufweisen, um so gleich am Anfang der Katalysator-Struktur eine Durchmischung der Kanalströmungen zu unterstützen. Bevorzugt wird hierbei eine Ausführungsform, bei der diese Zone katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet ist. Hierdurch arbeitet diese Anfangszone der Katalysator-Struktur wie ein statischer Mischer zur intensiven Vermischung der einzelnen Komponenten des Reaktionsgemischs, z.B. Kraftstoff und Luft. Dementsprechend kann beim erfindungsgemäßen Brenner ein herkömmlicher statischer Mischer entfallen oder kleiner dimensioniert werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Brenners kann eine das Einlassende aufweisende Zone der Katalysator-Struktur mit Turbulatoren ausgestattet und katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet sein, wobei in einem Bereich zwischen Einlassende und Auslassende der Katalysator-Struktur mindestens eine katalytisch aktive Zone ausgebildet ist und wobei eine das Auslassende aufweisende Zone der Katalysator-Struktur mit Turbulatoren ausgestattet und katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet ist. Durch diese Merkmalskombination wird in der Einlasszone ein homogenes Reaktionsgemisch hergestellt, wobei auch hier die Einlasszone wie ein statischer Mischer arbeitet. Stromab dieser Einlasszone erfolgt dann die katalytische Reaktion, um die Gemischverbrennung gezielt zu starten. In der Auslasszone erfolgt dann nochmals eine intensive Durchmischung der bereits brennenden bzw. reagierenden Teilströmungen der einzelnen Kanäle, um die homogene Gasphasenreaktion in der Ausbrennkammer vorzubereiten. Hier wird besonders deutlich, dass der Katalysator-Struktur nicht nur die eigentliche Katalysator-Funktion zukommt, sondern zusätzlich die Funktion eines statischen Mischers am Einlass sowie die Funktion eines Mischers oder Turbulators am Auslass, um die homogene Gasphasenreaktion in der Ausbrennkammer zu verbessern, wodurch deren Baulänge reduziert werden kann.
Bei einer anderen alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners kann eine das Einlassende aufweisende Zone der Katalysator-Struktur mit Turbulatoren ausgestattet und katalytisch hoch aktiv ausgebildet sein, wobei in einem Bereich zwischen Einlassende und Auslassende der Katalysator-Struktur eine ohne Turbulatoren ausgestattete Zone katalytisch aktiv ausgebildet ist, wobei eine das Auslassende aufweisende Zone der Katalysator-Struktur mit Turbulatoren ausgestattet ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Verbrennungsreaktion des eintretenden Reaktionsgemischs schon am Einlass gestartet, wobei der hoch aktive Katalysator niedrige Zündtemperaturen ermöglicht. Da im stromab nachfolgenden Bereich keine Turbulatoren angeordnet sind, ergibt sich dort ein relativ niedriger Druckverlust, so dass relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten herrschen. Diese Massnahme reduziert das Risiko, dass sich noch innerhalb der Katalysator-Struktur die homogene Gasphasenreaktion entzündet. In der Auslasszone wird auch hier wieder eine intensive Durchmischung der austretende Einzelströme erzielt, um die Ausbildung der homogenen Gasphasenreaktion zu verbessern.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch eine Verwendung gemäß Anspruch 24 gelöst.
Die Erfindung beruht hierbei auf der Erkenntnis, dass es bei entsprechenden Anpassungen, insbesondere hinsichtlich der Materialauswahl sowie der Katalysatorauswahl, möglich ist, eine Struktur, wie sie grundsätzlich z.B. aus den obengenannten WO 99/62629 und WO 99/34911 bekannt ist, in einem katalytisch arbeitenden Brenner, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, als Katalysator-Struktur zu verwenden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1
eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brenners bei einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2
eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3
eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer dritten Ausführungsform,
Fig. 4
eine Ansicht auf einen Ausschnitt einer Katalysator-Struktur nach der Erfindung bei einer ersten Ausführungsform,
Fig. 5
eine perspektivische Ansicht auf einen Ausschnitt der Katalysator-Struktur, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 6
eine Ansicht wie in Fig. 4, jedoch bei einer dritten Ausführungsform,
Fig. 7
eine perspektivische Ansicht auf einen Bestandteil der Katalysator-Struktur,
Fig. 8
eine Ansicht wie in Fig. 7, jedoch bei einer anderen Ausführungsform, und
Fig. 9
eine Ansicht wie in Fig. 7, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 bis 3 weist ein erfindungsgemäßer Brenner 1 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 2 auf, die einen Kraftstoff in eine zugeführte, ein Oxidationsmittel enthaltende Gasströmung 3 einspritzt. Die hier durch einen Pfeil symbolisierte Gasströmung 3 kann beispielsweise durch eine Luftströmung gebildet sein. Als Kraftstoff kann auch Methan eingespritzt werden. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 2 kann hier als sogenannter "Venturi-Injektor" ausgebildet sein.
Stromab der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 2 enthält der Brenner 1 eine Katalysator-Struktur 4, die hier durch einen rechteckigen Rahmen symbolisiert ist. Diese Katalysator-Struktur 4 ist von dem Kraftstoff/Gas-Gemisch oder Reaktionsgemisch durchströmbar, wobei im Inneren der Katalysator-Struktur 4 ein Katalysator angeordnet ist, der eine Verbrennungsreaktion des Reaktionsgemisches initiiert. Stromab der Katalysator-Struktur 4 ist im Brenner 1 eine Stabilisierungszone 5 angeordnet, die hier durch eine sprunghafte Querschnittszunahme des Brenners 1 symbolisiert ist. Diese Stabilisierungszone 5 geht in eine Ausbrennzone 6 über, in welcher die eigentliche Verbrennungsreaktion des Reaktionsgemisches, nämlich die homogene Gasphasenreaktion stattfindet. Sofern der Brenner 1 einen Bestandteil einer im übrigen nicht gezeigten Gasturbinenanlage bildet, können die in der Ausbrennzone 6 durch die homogene Gasphasenreaktion gebildeten heißen Verbrennungsabgase einer nachgeschalteten Turbine zugeführt werden. Da der Brenner 1 die Verbrennungsreaktion mittels der Katalysator-Struktur 4 initiiert und/oder stabilisiert, arbeitet der Brenner 1 katalytisch.
Die Katalysator-Struktur 4 besitzt ein Einlassende 7 sowie ein Auslassende 8 und kann entsprechend den Fig. 2 und 3 in mehrere, in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Zonen 9 unterteilt bzw. gegliedert sein. Dabei umfaßt eine Einlasszone 9I das Einlassende 7, während eine Auslasszone 9III das Auslassende 8 enthält. Zwischen Einlassende 7 und Auslassende 8 ist eine mittlere Zone 9II ausgebildet, die ihrerseits in mehrere Teilzonen 9IIa bis 9IIc bzw. 9IId unterteilt sein kann. Die Art und Anzahl der Unterteilungen ist hierbei rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit wiedergegeben.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt auf die Katalysator-Struktur 4, wobei die Blickrichtung parallel zu einer Anströmrichtung verläuft, mit der das Reaktionsgemisch in die Katalysator-Struktur 4 eintritt. Entsprechend Fig. 4 besteht ein Trägermaterial 10, aus welchem die Katalysator-Struktur 4 aufgebaut ist, aus mehreren Lagen einer Materialbahn 11. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausschnitt sind drei solche Lagen aus Materialbahnen 11 dargestellt. Die Materialbahnen 11 sind hier jeweils zick-zack-förmig gefaltet, wobei Scheitellinien 12 der einzelnen Falten bei solchen Materialbahnen 11, die quer zur Strömungsrichtung, entsprechend Fig. 4 in vertikaler Richtung, benachbart sind, unterschiedlich ausgerichtet sind. In Fig. 4 sind die Scheitellinien 12 der oberen und der unteren Materialbahnen 11 so orientiert, dass sie sich von einer vertikalen Achse in Blickrichtung nach rechts entfernen. Im Unterschied dazu sind die Scheitellinien 12 der mittleren Materialbahn 11 so orientiert, dass sie sich von einer vertikalen Achse in Blickrichtung nach links entfernen. Die in der vertikalen Achse benachbarten Materialbahnen 11 liegen an den sich schneidenden Scheitellinien 12 aneinander an. Zwischen aneinander anliegenden Lagen 11 sind mehr oder weniger stark gewundene Kanäle 13 ausgebildet, welche die Durchströmung der Katalysator-Struktur 4 ermöglichen. Die Materialbahnen 11 bilden dabei die Wände dieser Kanäle 13.
Entsprechend der Erfindung sind in diesen Wänden Verbindungsöffnungen 14 vorgesehen, durch die benachbarte Kanäle 13 miteinander kommunizieren. Durch diese Verbindungsöffnungen 14 kann somit eine Durchmischung der in den einzelnen Kanälen 13 geführten Strömungen stattfinden. Unterschiedliche Konversionsgrade oder Reaktionszustände, die sich in den verschiedenen Kanälen 13 ausbilden können, werden durch den Strömungsaustausch zwischen den Kanälen 13 im wesentlichen ausgeglichen. Die durch die spezielle Ausbildung der Kanäle 13 hergestellten gewundenen Strömungswege durch die Katalysator-Struktur 4 unterstützt dabei den Strömungsaustausch durch die Verbindungsöffnungen 14.
In Fig. 5 ist ein größerer Ausschnitt der Katalysator-Struktur 4 wiedergegeben, dessen Trägermaterial 10 ebenfalls aus mehreren Lagen der Materialbahnen11 aufgebaut ist. In Fig. 5 ist jedoch nur ein Ausschnitt mit vier Materialbahnen 11 wiedergegeben. In Fig. 5 ist eine Anströmrichtung 15, die in Fig. 4 mit der Blickrichtung zusammenfällt, durch einen Pfeil dargestellt. Die Scheitellinien 12 schneiden bei der hier dargestellten speziellen Ausführungsform die Anströmrichtung 15 mit einem Winkel von etwa 45°. Die aneinander angrenzenden Scheitellinien 12 benachbarter Materialbahnen 11 stehen dann etwa senkrecht aufeinander.
Anstelle von zick-zack-förmig gefalteten Materialbahnen 11 können für die Lagen auch dreieckförmig oder rechteckförmig gefaltete oder gewellte Materialbahnen verwendet werden.
Fig. 6 zeigt ebenfalls einen Ausschnitt der Katalysator-Struktur 4, bei dem das Trägermaterial 10 im Unterschied zu den Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 nicht aus mehreren Materialbahnen, sondern aus einer, mehrfach gefalteten Materialbahn 16 besteht. Die Scheitellinien 12 der Falten dieser Materialbahn 16 können dabei z.B. in Längsrichtung der Katalysator-Struktur 4 verlaufen, insbesondere parallel zur Anströmrichtung 15. Zwischen aufeinanderfolgenden Scheitellinien 12 besitzt die Materialbahn 16 ebene Bereiche, die ebene Wandabschnitte 17 bilden, die parallel zueinander verlaufen. Zwischen benachbarten Wandabschnitten 17 sind die Kanäle 13 ausgebildet. In diesen ebenen Wandabschnitten 17 sind die Verbindungsöffnungen 14 ausgebildet, durch welche die benachbarten Kanäle 13 miteinander kommunizieren.
Als Werkstoff für die Materialbahn 16 gemäß Fig. 6 oder für die Materialbahnen 11 gemäß den Fig. 4 und 5 kann beispielsweise ein auf metallischen Fasern aufgebautes Fasergewebe dienen, das in den katalytisch aktiven Abschnitten mit einem entsprechenden Katalysator beschichtet ist. Ebenso ist es möglich, die Materialbahnen 11 bzw. 16 aus einer relativ dünnen Metallfolie auszubilden. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und durch eine geringe Wärmespeicherfähigkeit aus, da die Kombination dieser Eigenschaften zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Katalysator-Struktur 4 führt und somit Temperaturspitzen sowie eine Überhitzung und insbesondere die Initiierung einer homogenen Gasphasenreaktion innerhalb der Katalysator-Struktur 4 verhindern.
Entsprechend Fig. 7 können die gefalteten Materialbahnen 11, aus denen die einzelnen Lagen des Trägermaterials 10 gebildet sind, mit Strömungsleitmitteln z.B. in Form von dreieckigen Flügeln 18 versehen sein. Jeder Flügel 18 ist dabei einer der Verbindungsöffnungen 14 zugeordnet. Die in entsprechender Weise angeströmten Flügel 18 unterstützen eine Umlenkung der Strömung aus dem einen Kanal durch die Verbindungsöffnung 14 in den benachbarten Kanal. Im vorliegenden Fall dienen die Flügel 18 gleichzeitig als Turbulatoren, die in einer Strömung, die mit den Flügeln 18 in Kontakt kommt, eine Wirbelbildung und somit Turbulenzen anregen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 können die Verbindungsöffnungen 14, die Strömungsleitmittel und die Turbulatoren in Form der Flügel 18 besonders einfach z.B. durch Stanzvorgänge hergestellt werden. Dabei werden bei jedem Flügel 18 zwei Dreiecksseiten freigeschnitten, so dass der Flügel 18 um die dritte Dreiecksseite umgebogen werden kann, derart, dass der Flügel 18 in einen der Kanäle hineinragt. Durch das Wegbiegen der Flügel 18 aus der Materialbahn 11 entstehen dort Dreiecksöffnungen, welche die Verbindungsöffnungen 14 bilden.
Bei einer anderen Ausführungsform sind entsprechend Fig. 8 die Lagen durch rechteckwellig gefaltete Materialbahnen 11 gebildet, die anstelle von Scheitellinien Scheitelflächen 19 besitzen. Auch hier sind die Verbindungsöffnungen 14 und die Flügel 18, die als Strömungsleitmittel und Turbulatoren dienen, vorzugsweise durch einen Stanzvorgang mit Freischneiden und Umbiegen der Flügel 18 hergestellt. Bei dieser speziellen Ausführungsform verläuft jedoch diejenige Dreiecksseite des Flügels 18, an der die Biegeverformung des Flügels 18 stattfindet, etwa quer zur Erstreckungsrichtung der Scheitelflächen 19 der zugehörigen Materialbahn 11. Darüber hinaus zeigt eine Spitze 20 jedes Flügels 18 stromauf, also entgegen der Anströmrichtung. Des weiteren können die Flügel 18 so weit von der jeweiligen Wand abstehen, dass sie an einer parallelen, gegenüberliegenden Wand zur Anlage kommen.
In Fig. 9 ist eine Anordnung von sieben Leitschaufelstrukturen 21 wiedergegeben, die quer zu einer Strömungsrichtung in jeweils einem der Kanäle angeordnet sein können. Eine derartige Leitschaufelstruktur 21 zwingt einer durch sie hindurchströmenden Strömung eine Rotation um eine parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Achse auf. Im vorliegenden Fall besitzen die Leitschaufelstrukturen 21 einen sechseckigen Umfang, wodurch sich für die benachbarten Kanäle eine entsprechende Honigwaben-Struktur ergibt. Jede dieser Leitschaufelstrukturen 21 besitzt mehrere geneigt zur Anströmrichtung ausgestellte Schaufeln 22, die so orientiert sind, dass sich stromab der Leitschaufelstruktur 21 die gewünschte Rotation in der Strömung ausbildet.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 kann die Katalysator-Struktur 4 beispielsweise komplett aus einem Fasergewebe bestehen, das mit einem Katalysator beschichtet ist. Dieser Aufbau gewährleistet eine geringe thermische Speicherfähigkeit für die Katalysator-Struktur 4 und führt zu einer vorteilhaften Zündcharakteristik. Darüber hinaus gewährleistet dieser Aufbau einen günstigen Temperaturtransport sowie Strömungsaustausch zwischen den benachbarten Kanälen innerhalb der Katalysator-Struktur. Durch die Oberflächenbeschaffenheit des Gewebematerials besitzen die Wände der Kanäle eine gewisse Rauhigkeit, wodurch die Wirbelbildung in der Strömung und somit eine intensive Durchmischung gefördert wird. Durch eine entsprechende Gestaltung der so gebildeten Katalysator-Struktur 4 kann am Auslassende 8 eine hinreichend Verwirbelung bzw. Turbulenz in der Strömung erzielt werden, so daß die Ausbrennzone 6 relativ klein gebaut werden kann.
Bei einer zweiten Ausführungsform entsprechend Fig. 2 ist die Einlasszone 9I katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet und mit hier nicht gezeigten Turbulatoren ausgestattet. Durch diese Maßnahme arbeitet die Einlaßzone 9I als statischer Mischer, der eine homogene Durchmischung der Gasströmung 3 mit dem eingespritzten Kraftstoff gewährleistet. In der mittleren Zone 9II ist das Trägermaterial mit einem Katalysator beschichtet. Dabei können sich die einzelnen Teilzonen 9IIa bis 9IId hinsichtlich der katalytischen Aktivität und/oder hinsichtlich der Strömungseigenschaften (z.B. Turbulatoren-Dichte) voneinander unterscheiden. In dieser mittleren Zone 9II initiiert der Katalysator die Verbrennungsreaktion des Reaktionsgemisches. Durch den Aufbau der einzelnen Teilzonen 9IIa bis 9IId wird dieser katalytisch aktive Bereich der Katalysator-Struktur 4 gezielt so ausgebildet, dass eine niedrige Zündtemperatur erreicht wird, wobei außerdem die Ausbildung einer homogenen Gasphasenreaktion noch innerhalb der Katalysator-Struktur 4 vermieden wird. Insbesondere kann auch die eine oder andere der Teilzonen 9IIa bis 9IId katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet sein. Die Auslasszone 9III ist bei dieser Ausführungsform wieder katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet und besitzt Turbulatoren, um auf diese Weise eine intensive Vermischung der einzelnen Kanalströmungen am Auslass 8 der Katalysator-Struktur 4 zu erzielen. Diese intensive Verwirbelung hat auch hier zur Folge, dass der Brenner 1 mit einer relativ kurz bauenden Ausbrennzone 6 auskommt.
Entsprechend einer dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die Einlasszone 9I so gestaltet, dass sich zwischen den benachbarten Kanälen eine relativ starke Durchmischung ausbildet, die einen entsprechend intensiven Temperaturausgleich bewirkt. Dies ist insbesondere mittels entsprechend angeordneter Turbulatoren realisierbar. Des weiteren ist die Einlasszone 9I katalytisch hoch aktiv ausgebildet, so dass die Einlasszone 9I als Zündzone dient. Besonders einfach können diese Eigenschaften der Einlasszone 9I dadurch realisiert werden, dass als Trägermaterial ein Metallfaser-Gewebe verwendet wird, das mit dem hoch aktiven Katalysator beschichtet ist. Die mittlere Zone 9II ist ebenfalls mit einem Katalysator beschichtet, wobei die mittlere Zone 9II hinsichtlich eines minimalen Druckabfalls ausgelegt ist, wodurch die Gefahr reduziert ist, daß innerhalb der Katalysator-Struktur 4 eine homogene Gasphasenreaktion gezündet wird. Beispielsweise kann die mittlere Zone 9II in mehrere Teilzonen 9IIa bis 9IIc unterteilt sein, die sich beispielsweise hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität voneinander unterscheiden. Insbesondere können aktive und inerte Teilzonen aufeinander folgen. Die Auslasszone 9III besitzt wieder Turbulatoren zur Erzeugung einer intensiven Verwirbelung und Vermischung am Auslassende 8 der Katalysator-Struktur 4. Die Auslasszone 9III kann katalytisch aktiv oder inaktiv ausgebildet sein. Die mittlere Zone 9II und die Auslasszone 9III können bei dieser Ausführungsform ebenfalls aus einem porösen Fasergewebe hergestellt sein; alternativ kann auch eine dünne Metallfolie oder ein keramisches Trägermaterial verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1
Brenner
2
Kraftstoffeinspritzeinrichtung
3
Gasströmung
4
Katalysator-Struktur
5
Stabilisierungszone
6
Ausbrennzone
7
Einlassende von 4
8
Auslassende von 4
9
Zone von 4
9I
Einlasszone
9II
mittlere Zone
9III
Auslasszone
10
Trägermaterial
11
Materialbahn
12
Scheitellinie
13
Kanal
14
Verbindungsöffnung
15
Anströmrichtung
16
Materialbahn
17
ebener Wandabschnitt
18
Flügel
19
Scheitelfläche
20
Dreieckspitze
21
Leitschaufelstruktur
22
Schaufel

Claims (24)

  1. Katalytisch arbeitender Brenner, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit einer Katalysator-Struktur (4), die ein hitzebeständiges Trägermaterial (10) aufweist, das die Wände von mehreren benachbarten Kanälen (13) bildet, welche die Katalysator-Struktur (4) in Längsrichtung durchdringen und eine Durchströmung der Katalysator-Struktur (4) mit einem gasförmigen Reaktionsgemisch ermöglichen, wobei zumindest ein Teil der Wände mit einem Katalysator beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Einlassende (7) und einem Auslassende (8) der Katalysator-Struktur (4) Verbindungsöffnungen (14) in den Wänden ausgebildet sind, durch die benachbarte Kanäle (13) miteinander kommunizieren.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Verbindungsöffnungen (14) Strömungsleitmittel (18) zugeordnet sind, die zumindest einen Teil der Strömung eines Kanals (13) in einen durch die Verbindungsöffnung (14) damit kommunizierenden benachbarten Kanal (13) umleiten.
  3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Verbindungsöffnungen (14) ein Turbulator (18) zugeordnet ist.
  4. Brenner zumindest nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel als Turbulator (18) ausgebildet sind.
  5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) zumindest teilweise einen gewundenen Strömungsweg durch die Katalysator-Struktur (4) bilden.
  6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Wände mit dem Katalysator so ausgeführt ist, dass einige der Kanäle (13) katalytisch aktiv sind, während andere Kanäle (13) katalytisch inaktiv oder inert sind.
  7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Wände mit dem Katalysator so ausgebildet ist, dass zumindest einige der Kanäle (13) in Strömungsrichtung mindestens eine katalytisch aktive Zone und mindestens eine katalytisch inaktive oder inerte Zone aufweisen.
  8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Wände mit dem Katalysator so ausgeführt ist, dass zumindest einige der Kanäle (13) in Strömungsrichtung mehrere aktive Zonen aufweisen, deren katalytische Aktivitäten unterschiedlich ausgebildet sind.
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des mit dem Katalysator beschichteten Trägermaterials (10) aus einem porösen Werkstoff besteht.
  10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des mit dem Katalysator beschichteten Trägermaterials (10) aus einem Fasergewebe besteht.
  11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des mit dem Katalysator beschichteten Trägermaterials (10) aus einer Metallfolie besteht.
  12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanälen (13) Turbulatoren (18) angeordnet sind, wobei diese Turbulatoren entlang der Katalysator-Struktur (4) so in den Kanälen (13) verteilt sind, dass die Katalysator-Struktur (4) in Strömungsrichtung zumindest eine mit den Turbulatoren ausgestattete Zone sowie mindestens eine turbulatorfreie Zone aufweist.
  13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zumindest einen mit den Turbulatoren (18) ausgestatteten Zonen das Auslassende (8) der Katalysator-Struktur (4) aufweist.
  14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die das Auslassende (8) aufweisende Zone (9III) der Katalysator-Struktur (4) katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet ist.
  15. Brenner nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zumindest einen mit den Turbulatoren (18) ausgestatteten Zonen das Einlassende (7) der Katalysator-Struktur (4) aufweist, wobei diese Zone (9I) außerdem katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet ist.
  16. Brenner nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Einlassende (7) aufweisende Zone (9I) der Katalysator-Struktur (4) mit Turbulatoren (18) ausgestattet und katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet ist, dass in einem Bereich zwischen Einlassende (7) und Auslassende (8) der Katalysator-Struktur (4) mindestens eine katalytisch aktive Zone (9II) ausgebildet ist, dass eine das Auslassende (8) aufweisende Zone (9III) der Katalysator-Struktur (4) mit Turbulatoren (18) ausgestattet und katalytisch inaktiv oder inert ausgebildet ist.
  17. Brenner nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Einlassende (7) aufweisende Zone (9I) der Katalysator-Struktur (4) mit Turbulatoren (18) ausgestattet und katalytisch hoch aktiv ausgebildet ist, dass in einem Bereich zwischen Einlassende (7) und Auslassende (8) der Katalysator-Struktur (4) eine turbulatorfreie Zone (9II) katalytisch aktiv ausgebildet ist, dass eine das Auslassende (8) aufweisende Zone (9III) der Katalysator-Struktur (4) mit Turbulatoren (18) ausgestattet ist.
  18. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (10) zumindest teilweise aus mehreren Lagen besteht, wobei jede Lage aus einer zick-zack-förmig oder dreieckförmig oder rechteckwellig gefalteten und/oder gewellten Materialbahn (11) gebildet ist, wobei die Scheitellinien (12) oder Scheitelflächen (19) der Falten und/oder Wellen bei quer zur Strömungsrichtung benachbarten Materialbahnen (11) unterschiedlich ausgerichtet sind, wobei benachbarte Materialbahnen (11) an den sich schneidenden Scheitellinien (12) oder Scheitelflächen (19) aneinander anliegen und zwischen sich die Kanäle (13) ausbilden.
  19. Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheitellinien (12) oder Scheitelflächen (19) geneigt zur Längsrichtung der Katalysator-Struktur (4) ausgerichtet sind.
  20. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (10) zumindest teilweise aus einer mehrfach gefalteten Materialbahn (16) besteht, wobei die Scheitellinien (12) oder Scheitelflächen der Falten etwa in Längsrichtung der Katalysator-Struktur (4) verlaufen, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Scheitellinien (12) oder Scheitelflächen ebene Wandabschnitte (17) ausgebildet sind, wobei benachbarte ebene Wandabschnitte (17) parallel zueinander verlaufen und wobei zwischen den benachbarten Wandabschnitten (17) die Kanäle (13) ausgebildet sind.
  21. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitmittel und/oder die Turbulatoren in den Wänden durch dreieckige Flügel (18) gebildet sind, wobei zwei Dreiecksseiten des Flügels (18) freigeschnitten sind und wobei der Flügel (18) an der dritten Dreiecksseite umgebogen ist, so dass der Flügel (18) in einen der Kanäle (13) hineinragt, wobei die dabei in den Wänden entstehenden Dreiecksöffnungen die Verbindungsöffnungen (14) bilden.
  22. Brenner nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die umgebogene Dreiecksseite des Flügels (18) etwa quer zur Erstreckungsrichtung der Scheitellinien (12) oder Scheitelflächen (19) der Materialbahn (11) verläuft und dass die Dreiecksspitze (20) des Flügels (18) stromauf zeigt.
  23. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Kanäle (13) entlang der Katalysator-Struktur (4) an mindestens einer Stelle eine quer zur Strömungsrichtung ausgerichtete Leitschaufelstruktur (21) aufweist, die einer durch sie hindurchströmenden Strömung eine Rotation um eine parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Achse aufzwingt.
  24. Verwendung einer Katalysator-Struktur mit einem hitzebeständigen Trägermaterial (10), das die Wände mehrerer benachbarter Kanäle (13) bildet, welche die Katalysator-Struktur (4) in Längsrichtung durchdringen und eine Durchströmung der Katalysator-Struktur (4) mit einem gasförmigen Reaktionsgemisch ermöglichen, wobei zumindest ein Teil der Wände mit einem Katalysator beschichtet ist und wobei zwischen einem Einlassende (7) und einem Auslassende (8) der Katalysator-Struktur (4) Verbindungsöffnungen (14) in den Wänden ausgebildet sind, durch die benachbarte Kanäle (13) miteinander kommunizieren, in einem katalytisch arbeitenden Brenner (1).
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