EP1255080A1 - Katalytischer Brenner - Google Patents

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EP1255080A1
EP1255080A1 EP02405340A EP02405340A EP1255080A1 EP 1255080 A1 EP1255080 A1 EP 1255080A1 EP 02405340 A EP02405340 A EP 02405340A EP 02405340 A EP02405340 A EP 02405340A EP 1255080 A1 EP1255080 A1 EP 1255080A1
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EP
European Patent Office
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injection device
fuel
burner according
burner
channel
Prior art date
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EP02405340A
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English (en)
French (fr)
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Adnan Eroglu
Timothy Griffin
Jaan Hellat
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Publication of EP1255080B1 publication Critical patent/EP1255080B1/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/12—Controlling catalytic burners

Definitions

  • the invention relates to a catalytic burner for or on a combustion chamber, in particular a power plant, with the features of the generic term of claim 1.
  • a catalytic burner which on a Combustion chamber of a gas turbine is arranged.
  • the burner has a central one Secondary injection device for injecting a fuel directly into the Combustion chamber on.
  • the secondary injector is from an inner ring channel encased in a ring that leads to the combustion chamber and in which a vortex generator is arranged. This vortex generator surrounds the secondary injector annular.
  • an outer ring channel is arranged in the combustion chamber, which also leads to the combustion chamber and the inner ring channel and thus surrounds the secondary injector in a ring.
  • a catalyst is arranged, the inner ring channel and thus also surrounds the secondary injector in a ring.
  • a primary injection device is also arranged upstream of the catalytic converter, which is used to inject a fuel into the outer ring channel.
  • the known burner with radially arranged catalysts and radial arranged injection devices equipped via a radial inflow is realizable in the combustion chamber.
  • the present invention addresses the problem for a burner type mentioned above to provide an improved embodiment, in particular increases the stability of the combustion in the combustion chamber.
  • the invention is based on the general idea of designing the burner in such a way that the flow flowing through the catalyst at least when it enters has a swirl in the combustion chamber.
  • the catalyst exiting flow with a swirl can be in the combustion chamber support the formation of a central recirculation zone. This Recirculation zone leads to anchoring of the flame front in the combustion chamber and thus to stabilize the combustion process.
  • a further development is particularly advantageous in the ring channel and combustion chamber are coordinated in terms of their dimensions so that the Transition from the annular channel to the combustion chamber has a cross-sectional expansion is. This measure allows the swirl flow when entering the Combustion chamber practically burst, which creates additional stabilization for the central recirculation zone results.
  • a swirl generating device arranged in the ring channel can expediently be used positioned directly at the transition between the ring channel and the combustion chamber his. With this measure, the swirl flow occurs immediately after its generation the combustion chamber, which reduces friction losses.
  • the secondary injection device for injecting a liquid fuel and for injecting a be formed gaseous fuel, the secondary injection device the liquid fuel regardless of the gaseous fuel in the Can inject the combustion chamber.
  • This design makes it possible to use transients Operating conditions of the burner depending on the need gaseous and / or inject liquid fuel directly into the combustion chamber, for example in order to to reach a desired temperature in the combustion chamber even when the catalytic converter, especially when the burner is started up, its operating temperature has not yet reached.
  • upstream of the primary injection device can additionally in the ring channel an additional reaction zone can be formed, the additional injection device for injecting a fuel or a fuel-oxidizer mixture is assigned to the additional reaction zone.
  • an additional reaction zone can, e.g. To start the burner, select a rapid temperature increase of the catalytic converter can be reached so that it quickly reaches its working temperature reached.
  • the burner can be dependent predetermined parameters, for example between a pilot operation, in which the secondary injector is activated and the primary injector is deactivated, a catalytic converter operation in which the primary injector is activated and the secondary injection device is deactivated and switch to a mixed mode in which both the primary injector as well as the secondary injector more or less active are.
  • the burner can optimally change due to the different operating modes Boundary conditions can be adjusted. For example, the burner can to a performance requirement currently placed on the burner and / or requirements with regard to flame stability and pollutant emissions and / or to the current temperature of the catalyst can be adjusted.
  • the burner 1 to 3 is a burner 1 according to the invention to a combustion chamber 2 connected.
  • the combustion chamber 2 can be a Act annular chamber, silo chamber, can chamber or can ring chamber.
  • the burner-combustor combination shown usually forms a component a power plant and is usually used to generate hot exhaust gases, with which a gas turbine is applied.
  • the burner 1 is equipped with a central secondary injection device 3, with the help of which a fuel is injected directly into the combustion chamber 2 can.
  • the secondary injection device 3 is here coaxial with a central one Longitudinal axis 30 of an annular channel 4 is arranged, which leads to the combustion chamber 2 and communicated with this.
  • the ring channel 4 surrounds the secondary injection device 3 ring-shaped.
  • a ring-shaped Catalyst 5 arranged, which is also the secondary injector 3 surrounds in a ring.
  • the ring channel 4 is upstream of the catalyst 5, a primary injection device 7 is arranged, with the help of a Fuel and / or a fuel-oxidizer mixture can be injected into the ring channel 4 is.
  • the secondary injection device 3 does not have to be arranged centrally; as well an eccentric arrangement to the longitudinal axis 30 is possible.
  • the secondary injector 3 can be designed so that - as here - the fuel centrally and essentially parallel to the longitudinal axis 30 into the combustion chamber 2 brings. Additionally or alternatively, the secondary injection device 3 also be designed so that the fuel is transverse or inclined to the longitudinal axis 30 and / or laterally into the combustion chamber 2.
  • the catalytic converter 5 can be designed, for example, as a ceramic monolith, which is coated with a catalytically active substance. It is also possible the catalyst 5 by suitable layering or stacking one or more to build folded or corrugated sheets, with a corresponding Orientation of the folds and corrugations channels arise that the catalyst 5 penetrate. By a suitable coating of the sheets with a catalytic active material can be catalytically active channels and catalytic inactive Channels are formed. Catalysts that are constructed in this way are known for example from US 5 202 303. In the embodiments of the 1 and 2, the catalyst 5 by a spiral winding or several corresponding sheets are formed, which are appropriate to the Secondary injector 3 are wound. In the embodiment according to 3, the sheets for forming the catalyst 5 on a tube 8 be wound, which delimits the annular channel 4 radially inwards.
  • the swirl generating device 6 acts on the one flowing through the catalytic converter 5 Flow with a swirl.
  • the swirl generating device 6 can as here have a swirl generator 9, which forms a separate component.
  • the difference for this purpose it is also possible to insert the swirl generating device 6 into the catalytic converter 5 to integrate.
  • the ones formed in the catalyst 5 can be used for this purpose Flow guide channels in particular in an axial end section of the catalyst 5, be inclined with respect to the axial direction of the catalyst 5, to create the twist.
  • the swirl generating device 6 is arranged directly at a transition 10 in which the ring channel 4 in the Combustion chamber 2 merges or opens.
  • this transition 10 designed so that there is a jump Cross-sectional expansion 11 forms.
  • the swirl application by the swirl generation device 6, the immediate arrangement of the swirl generating device 6 support at the transition 10 and the cross-sectional expansion 11 at the transition 10 the formation of a central recirculation zone 29 in the combustion chamber 2 and ensure a stabilization of this recirculation zone 29, whereby a stable flame front can be achieved in the combustion chamber 2.
  • the primary injector 7 is in the embodiments shown here Multi-stage, that is, the primary injection device 7 has several Injection stages 12a, 12b, 12c according to FIGS. 1 and 13a, 13b according to FIGS. 2 and 3.
  • 12a to 12c are in each injection stage Injection nozzles, not specified, with respect to the longitudinal axis 30 or with respect to the secondary injection device 3 concentric and ring-shaped in the ring channel distributed.
  • FIGS. 2 and 3 show the injection nozzles at injection stages 13a and 13b with respect to FIG Longitudinal axis 30 or concentric with respect to the secondary injection device 3 and arranged in a star shape in the ring channel 4.
  • the primary injection device 7 for Injecting a fuel-oxidizer mixture can be formed.
  • the secondary injection device 3 is in the embodiments shown here for injecting both a liquid fuel and one gaseous fuel.
  • the secondary injector contains 3 shows a central first injection arrangement 14, which accordingly an arrow 15 is supplied with liquid fuel.
  • a second injection arrangement 16 the corresponding an arrow 17 is supplied with gaseous fuel.
  • a suitable Burner control not shown here, can do these injection arrangements 14 and 16 are operated independently to either liquid Fuel or gaseous fuel or both liquid and gaseous Inject fuel into the combustion chamber 2.
  • It is useful Secondary injection device 3 is designed so that it at least the can inject liquid fuel into the central recirculation zone 29.
  • the second injection arrangement 16 surrounds the central first injection arrangement 14 in a ring shape to avoid overheating is an annular cooling channel between the injection assemblies 14 and 16 18 arranged, which corresponds to an arrow 19 with a cooling gas, e.g. Air is flowing through.
  • a cooling gas e.g. Air
  • a gas flow is supplied to the ring channel 4, which is usually air.
  • This air follows as it flows through the burner 1 a flow path, not specified, which from the ring channel 4 through the catalyst 5 and through the swirl generating device 6 leads into the combustion chamber 2. It is important here that the feed the air or the oxidizer mixture takes place exclusively via this flow path, apart from parasitic effects, e.g. through the cooling gas flow arise through the cooling channel 18.
  • This design means that the entire Oxidator flow inevitably flows through the catalyst 5 before it gets into the combustion chamber 2 and before, if necessary, with the Fuel comes into contact, which is injected via the secondary injector 3 becomes.
  • the secondary injector 3 is the primary injector 7 connected in series.
  • FIGS. 1 and 2 are the secondary injection device 3 and the primary injector 7 to a common Fuel supply device 21 connected to the two injectors 3 and 7 to supply with fuel or fuel-oxidizer mixture.
  • the supply of the injected via the primary injection device 7 Fuel or fuel mixture is symbolized by an arrow 22.
  • an additional ring-shaped reaction zone 23 is also formed the secondary injection device 3 or the longitudinal axis 30 is concentrically enveloped.
  • An additional injection device 24 is assigned to this additional reaction zone 23, with the help of fuel or a fuel-oxidizer mixture in the Additional reaction zone 23 can be injected. In the additional reaction zone 23 can thus initiating a combustion reaction that produces hot exhaust gases, which flow through the catalyst 5 and heat it up.
  • the tube 8 separates the ring channel 4 from one central inner channel 25, in which the secondary injector 3, preferably concentric.
  • this channel 25 is a vortex generator 26 arranged, which is suitably upstream of the injection openings of the secondary injection device 3 is positioned.
  • the Secondary injection device 3 additionally have radial injection openings 27, can be injected into the inner channel 25 via the gaseous fuel.
  • the inner one Channel 25 is open to the combustion chamber 2 and is also used for introduction a gas flow. This gas flow, especially air, is according to one Arrow 28 introduced into the inner channel 25, this flow through the vortex generator 26 is subjected to a swirl. This inner swirl flow too can serve to stabilize the recirculation zone 29.
  • a burner control can now be used as a function of parameters for burner 1, pilot operation, catalyst operation and one Realize mixed operation.
  • the secondary injection device is 3 activated while the primary injector 7 is deactivated.
  • the additional injection device 24 can be used in pilot operation to be activated.
  • the primary injection device is 7 activated while the secondary injector 3 is deactivated.
  • mixed operation both the primary injection device 7 and also the secondary injector 3 activated.
  • the parameters, depending on them the burner control switches between the individual operating modes, can include at least one of the following parameters: one currently on the burner 1 power requirement and / or requirements regarding Flame stability and pollutant emissions and / or current temperature of the catalyst 5th

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner (1) einer Brennkammer (2), insbesondere einer Kraftwerksanlage, umfassend einen zur Brennkammer (2) führenden Ringkanal (4), einen im Ringkanal (4) angeordneten Katalysator (5), eine Primär-Einspritzeinrichtung (7) zum Einspritzen eines Brennstoffs in den Ringkanal (4) stromauf des Katalysators (5), eine Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) zum direkten Einspritzen eines Brennstoffs in die Brennkammer (2). Um in der Brennkammer (2) eine Rezirkulationszone (29) zu stabilisieren, ist eine Drallerzeugungseinrichtung (6) vorgesehen, die stromab des Katalysators (5) im Ringkanal (4) angeordnet ist und eine den Katalysator (5) durchströmende Strömung mit einem Drall beaufschlagt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner für eine oder an einer Brennkammer, insbesondere einer Kraftwerksanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der JP 61-276 627 ist ein derartiger katalytischer Brenner bekannt, der an einer Brennkammer einer Gasturbine angeordnet ist. Der Brenner weist eine zentrale Sekundär-Einspritzeinrichtung zum direkten Einspritzen eines Brennstoffs in die Brennkammer auf. Die Sekundär-Einspritzeinrichtung ist von einem inneren Ringkanal ringförmig umhüllt, der zur Brennkammer führt und in dem ein Wirbelerzeuger angeordnet ist. Dieser Wirbelerzeuger umgibt die Sekundär-Einspritzeinrichtung ringförmig. Des weiteren ist in der Brennkammer ein äußerer Ringkanal angeordnet, der ebenfalls zur Brennkammer führt und der den inneren Ringkanal und somit die Sekundär-Einspritzeinrichtung ringförmig umgibt. Im äußeren Ringkanal ist ein Katalysator angeordnet, der den inneren Ringkanal und somit auch die Sekundär-Einspritzeinrichtung ringförmig umgibt. Im äußeren Ringkanal ist außerdem eine Primär-Einspritzeinrichtung stromauf des Katalysators angeordnet, die zum Einspritzen eines Brennstoffs in den äußeren Ringkanal dient. Darüber hinaus ist der bekannte Brenner mit radial angeordneten Katalysatoren und radial angeordneten Einspritzeinrichtungen ausgestattet, über die eine radiale Einströmung in die Brennkammer realisierbar ist.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Brenner der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die Stabilität der Verbrennung in der Brennkammer erhöht.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Brenner so auszubilden, dass die den Katalysator durchströmende Strömung zumindest bei ihrem Eintritt in die Brennkammer einen Drall besitzt. Durch die Beaufschlagung der aus dem Katalysator austretenden Strömung mit einem Drall kann in der Brennkammer die Ausbildung einer zentralen Rezirkulationszone unterstützt werden. Diese Rezirkulationszone führt zu einer Verankerung der Flammenfront in der Brennkammer und somit zu einer Stabilisierung des Verbrennungsvorgangs.
Von besonderem Vorteil ist eine Weiterbildung, bei der Ringkanal und Brennkammer hinsichtlich ihrer Dimensionierung so aufeinander abgestimmt sind, dass beim Übergang vom Ringkanal zur Brennkammer eine Querschnittserweiterung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann die Drallströmung beim Eintritt in die Brennkammer quasi aufplatzen, wodurch sich eine zusätzliche Stabilisierung für die zentrale Rezirkulationszone ergibt.
Zweckmäßig kann dabei eine im Ringkanal angeordnete Drallerzeugungseinrichtung unmittelbar am Übergang zwischen Ringkanal und Brennkammer positioniert sein. Durch diese Maßnahme tritt die Drallströmung direkt nach ihrer Erzeugung in die Brennkammer ein, wodurch Reibungsverluste reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs sowie zum Einspritzen eines gasförmigen Brennstoffs ausgebildet sein, wobei die Sekundär-Einspritzeinrichtung den flüssigen Brennstoff unabhängig vom gasförmigen Brennstoff in die Brennkammer einspritzen kann. Durch diese Bauweise ist es möglich, bei transienten Betriebszuständen des Brenners bedarfsabhängig gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, beispielsweise um in der Brennkammer auch dann eine gewünschte Temperatur zu erreichen, wenn der Katalysator, insbesondere beim Hochfahren des Brenners, seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat.
Eine weitere Besonderheit wird darin gesehen, dass ein Strömungsweg für einen Oxidator oder ein Oxidator-Gemisch, insbesondere Luft und/oder das Brennstoff-Oxidator-Gemisch, so durch den Brenner geführt ist, dass der Oxidator oder das Oxidator-Gemisch im wesentlichen nur durch den Ringkanal in die Brennkammer gelangt. Bei dieser Ausführungsform sind die Primär-Einspritzeinrichtung und die Sekundär-Einspritzeinrichtung hinsichtlich dieses Strömungswegs und somit hinsichtlich der Oxidatorversorgung in Reihe angeordnet. Damit steht der Oxidator zuerst der katalytischen Verbrennung zur Verfügung und erst danach - soweit vorhanden - in der Brennkammer für die Reaktion mit dem direkt eingespritzten Brennstoff. Das bedeutet, dass für den Brenner ein reiner Katalysatorbetrieb mit einem relativ hohen Volumenstrom darstellbar ist, bei dem der gesamte zugeführte Oxidator, in der Regel Sauerstoff, durch den Katalysator strömt.
Des weiteren kann im Ringkanal stromauf der Primär-Einspritzeinrichtung zusätzlich eine Zusatz-Reaktionszone ausgebildet sein, der eine Zusatz-Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in die Zusatz-Reaktionszone zugeordnet ist. Mit Hilfe einer derartigen Zusatz-Reaktionszone kann, z.B. zum Anfahren des Brenners gezielt eine rasche Temperaturerhöhung des Katalysators erreicht werden, so dass dieser schnell seine Arbeitstemperatur erreicht.
Durch die Verwendung einer geeigneten Steuerung kann der Brenner in Abhängigkeit von vorbestimmten Parametern beispielsweise zwischen einem Pilotbetrieb, bei dem die Sekundär-Einspritzeinrichtung aktiviert ist und die Primär-Einspritzeinrichtung deaktiviert ist, einem Katalysatorbetrieb, bei dem die Primär-Einspritzeinrichtung aktiviert ist und die Sekundär-Einspritzeinrichtung deaktiviert ist, und einem Mischbetrieb umschalten, bei dem sowohl die Primär-Einspritzeinrichtung als auch die Sekundär-Einspritzeinrichtung mehr oder weniger aktiv sind. Der Brenner kann durch die verschiedenen Betriebsarten optimal an sich ändernde Randbedingungen angepaßt werden. Beispielsweise kann der Brenner so an eine aktuell an den Brenner gestellte Leistungsanforderung und/oder an Anforderungen hinsichtlich Flammenstabilität und Schadstoffemission und/oder an die aktuelle Temperatur des Katalysators angepaßt werden.
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, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 bis 3
stark vereinfachte Prinzipdarstellungen eines erfindungsgemäßen Brenners im Längsschnitt bei verschiedenen Ausführungsformen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 bis 3 ist ein Brenner 1 nach der Erfindung an eine Brennkammer 2 angeschlossen. Bei der Brennkammer 2 kann es sich dabei um eine Ringkammer, Silokammer, Dosenkammer oder Dosenringkammer handeln. Die gezeigte Brenner-Brennkammer-Kombination bildet üblicherweise einen Bestandteil einer Kraftwerksanlage und dient in der Regel zur Erzeugung von heißen Abgasen, mit denen eine Gasturbine beaufschlagt wird.
Der Brenner 1 ist mit einer zentralen Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ausgestattet, mit deren Hilfe ein Brennstoff direkt in die Brennkammer 2 eingespritzt werden kann. Die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ist hier koaxial zu einer zentralen Längsachse 30 eines Ringkanals 4 angeordnet, der zur Brennkammer 2 führt und mit dieser kommuniziert. Des weiteren umgibt der Ringkanal 4 die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ringförmig. In diesem Ringkanal 4 ist ein ringförmig ausgestalteter Katalysator 5 angeordnet, der ebenfalls die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ringförmig umgibt. Stromab des Katalysators 5 ist im Ringkanal 4 außerdem eine Drallerzeugungseinrichtung 6 angeordnet, die ebenfalls die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ringförmig umgibt. Des weiteren ist im Ringkanal 4 stromauf des Katalysators 5 eine Primär-Einspritzeinrichtung 7 angeordnet, mit deren Hilfe ein Brennstoff und/oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Ringkanal 4 einspritzbar ist.
Die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 muss nicht zentral angeordnet sein; ebenso ist eine zur Längsachse 30 exzentrische Anordnung möglich. Die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 kann so ausgebildet sein, dass sie - wie hier - den Brennstoff zentral und im wesentlichen parallel zur Längsachse 30 in die Brennkammer 2 einbringt. Zusätzlich oder alternativ kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 auch so gestaltet sein, dass sie den Brennstoff quer oder geneigt zur Längsachse 30 und/oder seitlich in die Brennkammer 2 einbringt.
Der Katalysator 5 kann beispielsweise als keramischer Monolith ausgebildet sein, der mit einer katalytisch wirkenden Substanz beschichtet ist. Ebenso ist es möglich, den Katalysator 5 durch geeignetes Schichten oder Stapeln eines oder mehrerer gefalteter oder gewellter Bleche aufzubauen, wobei durch eine entsprechende Orientierung der Falten und Wellen Kanäle entstehen, die den Katalysator 5 durchdringen. Durch eine geeignete Beschichtung der Bleche mit einem katalytisch aktiven Material können katalytisch aktive Kanäle und katalytische inaktive Kanäle ausgebildet werden. Katalysatoren, die in dieser Art aufgebaut sind, sind beispielsweise aus der US 5 202 303 bekannt. Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 kann der Katalysator 5 durch eine spiralförmige Wicklung eines oder mehrerer entsprechender Bleche gebildet werden, die zweckmäßig auf die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 aufgewickelt sind. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 können die Bleche zur Ausbildung des Katalysators 5 auf ein Rohr 8 aufgewickelt sein, das den Ringkanal 4 radial nach innen begrenzt.
Die Drallerzeugungseinrichtung 6 beaufschlagt die den Katalysator 5 durchströmende Strömung mit einem Drall. Dabei kann die Drallerzeugungseinrichtung 6 wie hier einen Drallerzeuger 9 aufweisen, der ein separates Bauteil bildet. Im Unterschied dazu ist es ebenso möglich, die Drallerzeugungseinrichtung 6 in den Katalysator 5 zu integrieren. Beispielsweise können hierzu die im Katalysator 5 ausgebildeten Strömungsführungskanäle insbesondere in einem axialen Endabschnitt des Katalysators 5, gegenüber der Achsrichtung des Katalysators 5 geneigt sein, um den Drall zu erzeugen.
Von besonderer Bedeutung ist außerdem, dass die Drallerzeugungseinrichtung 6 unmittelbar an einem Übergang 10 angeordnet ist, in dem der Ringkanal 4 in die Brennkammer 2 übergeht bzw. einmündet. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist dieser Übergang 10 so ausgestaltet, dass sich dabei eine sprungartige Querschnittserweiterung 11 ausbildet. Die Drallbeaufschlagung durch die Drallerzeugungseinrichtung 6, die unmittelbare Anordnung der Drallerzeugungseinrichtung 6 am Übergang 10 und die Querschnittserweiterung 11 am Übergang 10 unterstützen die Ausbildung einer zentralen Rezirkulationszone 29 in der Brennkammer 2 und sorgen für eine Stabilisierung dieser Rezirkulationszone 29, wodurch sich eine stabile Flammenfront in der Brennkammer 2 erzielen läßt.
Die Primär-Einspritzeinrichtung 7 ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen mehrstufig ausgebildet, das heißt die Primär-Einspritzeinrichtung 7 besitzt mehrere Einspritzstufen 12a, 12b, 12c gemäß Fig. 1 und 13a, 13b gemäß den Fig. 2 und 3. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind bei jeder Einspritzstufe 12a bis 12c nicht näher bezeichnete Einspritzdüsen bezüglich der Längsachse 30 bzw. bezüglich der Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 konzentrisch und ringförmig im Ringkanal verteilt angeordnet. Im Unterschied dazu sind bei den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 die Einspritzdüsen bei den Einspritzstufen 13a und 13b bezüglich der Längsachse 30 bzw. bezüglich der Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 konzentrisch und sternförmig im Ringkanal 4 verteilt angeordnet.
Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass die Primär-Einspritzeinrichtung 7 zum Einspritzen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs ausgebildet sein kann. Im Unterschied dazu ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 bei den hier gezeigten Ausführungsformen zum Einspritzen sowohl eines flüssigen Brennstoffs als auch eines gasförmigen Brennstoffs ausgebildet. Zu diesem Zweck enthält die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 eine zentrale erste Einspritzanordnung 14, die entsprechend einem Pfeil 15 mit flüssigem Brennstoff versorgt wird. Des weiteren enthält die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 eine zweite Einspritzanordnung 16, die entsprechend einem Pfeil 17 mit gasförmigem Brennstoff versorgt wird. Mit Hilfe einer geeigneten, hier nicht dargestellten Brennersteuerung können diese Einspritzanordnungen 14 und 16 unabhängig voneinander betätigt werden, um entweder flüssigen Brennstoff oder gasförmigen Brennstoff oder sowohl flüssigen als auch gasförmigen Brennstoff in die Brennkammer 2 einzuspritzen. Zweckmäßig ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 dabei so ausgebildet, dass sie zumindest den flüssigen Brennstoff in die zentrale Rezirkulationszone 29 einspritzen kann.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform umgibt die zweite Einspritzanordnung 16 ringförmig die zentrale erste Einspritzanordnung 14. Zur Vermeidung von Überhitzungen ist zwischen den Einspritzanordnungen 14 und 16 ein ringförmiger Kühlkanal 18 angeordnet, der entsprechend einem Pfeil 19 mit einem kühlenden Gas, z.B. Luft durchströmt wird.
Entsprechend einem Pfeil 20 wird dem Ringkanal 4 eine Gasströmung zugeführt, wobei es sich in der Regel hier um Luft handelt. Diese Luft folgt bei der Durchströmung des Brenners 1 einem nicht näher bezeichneten Strömungsweg, der vom Ringkanal 4 durch den Katalysator 5 und durch die Drallerzeugungseinrichtung 6 in die Brennkammer 2 führt. Von Bedeutung ist hierbei, dass die Zuführung der Luft bzw. des Oxidatorgemischs ausschließlich über diesen Strömungsweg erfolgt, abgesehen von parasitären Effekten, die z.B. durch die Kühlgasströmung durch den Kühlkanal 18 entstehen. Diese Bauweise hat zur Folge, dass die gesamte Oxidatorströmung zwangsläufig zuerst durch den Katalysator 5 strömt, bevor sie in die Brennkammer 2 gelangt und bevor sie gegebenenfalls mit dem Brennstoff in Berührung kommt, der über die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 eingespritzt wird. Insoweit ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 der Primär-Einspritzeinrichtung 7 in Reihe nachgeschaltet.
Zumindest bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 sind die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 und die Primär-Einspritzeinrichtung 7 an eine gemeinsame Brennstoffzuführungseinrichtung 21 angeschlossen, um die beiden Einspritzeinrichtungen 3 und 7 mit Brennstoff bzw. Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu versorgen. Die Zuführung des über die Primär-Einspritzeinrichtung 7 eingespritzten Brennstoffs oder Brennstoff-Gemischs ist durch einen Pfeil 22 symbolisiert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist stromauf der Primär-Einspritzeinrichtung 7 zusätzlich eine ringförmige Zusatz-Reaktionszone 23 ausgebildet, welche die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 bzw. die Längsachse 30 konzentrisch umhüllt. Dieser Zusatz-Reaktionszone 23 ist eine Zusatz-Einspritzeinrichtung 24 zugeordnet, mit deren Hilfe Brennstoff oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in die Zusatz-Reaktionszone 23 einspritzbar ist. In der Zusatz-Reaktionszone 23 kann somit eine Verbrennungsreaktion initiiert werden, bei der heiße Abgase entstehen, die den Katalysator 5 durchströmen und dabei aufheizen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 trennt das Rohr 8 den Ringkanal 4 von einem zentralen inneren Kanal 25, in dem die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3, vorzugsweise konzentrisch, angeordnet ist. In diesem Kanal 25 ist ein Wirbelerzeuger 26 angeordnet, der zweckmäßig stromauf von Einspritzöffnungen der Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 positioniert ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 zusätzlich radiale Einspritzöffnungen 27 aufweisen, über die gasförmiger Brennstoff in den inneren Kanal 25 eindüsbar ist. Der innere Kanal 25 ist zur Brennkammer 2 hin offen und dient ebenfalls zur Einleitung einer Gasströmung. Diese Gasströmung, insbesondere Luft, wird gemäß einem Pfeil 28 in den inneren Kanal 25 eingeleitet, wobei diese Strömung durch den Wirbelerzeuger 26 mit einem Drall beaufschlagt wird. Auch diese innere Drallströmung kann zur Stabilisierung der Rezirkulationszone 29 dienen.
Eine hier nicht dargestellte Brennersteuerung kann nun in Abhängigkeit von Parametern für den Brenner 1 einen Pilotbetrieb, einen Katalysatorbetrieb und einen Mischbetrieb realisieren. Beim reinen Pilotbetrieb ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 aktiviert, während die Primär-Einspritzeinrichtung 7 deaktiviert ist. Zusätzlich oder alternativ kann im Pilotbetrieb die Zusatz-Einspritzeinrichtung 24 aktiviert werden. Im Unterschied dazu ist beim reinen Katalysatorbetrieb die Primär-Einspritzeinrichtung 7 aktiviert, während die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 deaktiviert ist. Beim Mischbetrieb sind sowohl die Primär-Einspritzeinrichtung 7 als auch die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 aktiviert. Die Parameter, in deren Abhängigkeit die Brennersteuerung zwischen den einzelnen Betriebs-Modi umschaltet, können wenigstens einen der folgenden Parameter umfassen: eine aktuell an den Brenner 1 gestellte Leistungsanforderung und/oder Anforderungen hinsichtlich Flammenstabilität und Schadstoffemission und/oder aktuelle Temperatur des Katalysators 5.
Bezugszeichenliste
1
Brenner
2
Brennkammer
3
Sekundär-Einspritzeinrichtung
4
Ringkanal
5
Katalysator
6
Drallerzeugungseinrichtung
7
Primär-Einspritzeinrichtung
8
Rohr
9
Drallerzeuger
10
Übergang zwischen 4 und 2
11
Querschnittserweiterung
12a
Einspritzstufe
12b
Einspritzstufe
12c
Einspritzstufe
13a
Einspritzstufe
13b
Einspritzstufe
14
erste Einspritzanordnung
15
Zuführung von flüssigem Brennstoff
16
zweite Einspritzanordnung
17
Zuführung von gasförmigem Brennstoff
18
Kühlkanal
19
Zuführung von Kühlgas
20
Zuführung von Gas
21
Brennstoffzuführungseinrichtung
22
Zuführung von Brennstoff-Oxidator-Gemisch
23
Zusatz-Reaktionszone
24
Zusatz-Einspritzeinrichtung
25
innerer Kanal
26
Wirbelerzeuger
27
radiale Einspritzöffnung
28
Zufuhr von Gas
29
zentrale Rezirkulationszone
30
Längsachse von 4

Claims (21)

  1. Katalytischer Brenner an einer oder für eine Brennkammer (2), insbesondere einer Kraftwerksanlage,
    mit einem zur Brennkammer (2) führenden Ringkanal (4),
    mit einem im Ringkanal (4) angeordneten Katalysator (5),
    mit einer Primär-Einspritzeinrichtung (7) zum Einspritzen eines Brennstoffs und/oder eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in den Ringkanal (4) stromauf des Katalysators (5),
    mit einer Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) zum direkten Einspritzen eines Brennstoffs in die Brennkammer (2),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Drallerzeugungseinrichtung (6) vorgesehen ist, die stromab des Katalysators (5) im Ringkanal (4) angeordnet ist und eine den Katalysator (5) durchströmende Strömung mit einem Drall beaufschlagt.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) so ausgebildet ist, dass sie Brennstoff oder Brennstoff-Oxidator-Gemisch in eine Rezirkulationszone (29) einspritzt, die sich im Betrieb des Brenners (1) in der Brennerkammer (2) ausbildet.
  3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) bezüglich des Ringkanals (4) so angeordnet ist, dass der Ringkanal (4) und der Katalysator (5) die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) ringförmig umgeben.
  4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) bezüglich einer zentralen Längsachse (30) des Ringkanals (4) konzentrisch oder exzentrisch angeordnet ist.
  5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugungseinrichtung (6) in den Katalysator (5) integriert ist.
  6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugungseinrichtung (6) einen als separates Bauteil ausgebildeten Drallerzeuger (9) aufweist, der stromab des Katalysators (5) im Ringkanal (4) angeordnet ist.
  7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (4) und die Brennkammer (2) hinsichtlich ihrer Dimensionierung so aufeinander abgestimmt sind, dass beim Übergang (10) vom Ringkanal (4) zur Brennkammer (2) eine Querschnittserweiterung (11) ausgebildet ist.
  8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallerzeugungseinrichtung (6) unmittelbar am Übergang (10) zwischen Ringkanal (4) und Brennkammer (2) angeordnet ist.
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Einspritzeinrichtung (7) mehrere Einspritzstufen (12a, 12b, 12c; 13a, 13b) aufweist, die unabhängig voneinander zum Einspritzen des Brennstoffs oder des Brennstoff-Oxidator-Gemischs in die Ringkammer (4) betätigbar sind.
  10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Einspritzeinrichtung (7) mehrere Einspritzdüsen aufweist, die bezüglich einer zentralen Längsachse (30) des Ringkanals (4) konzentrisch sowie ringförmig oder sternförmig im Ringkanal (4) angeordnet sind.
  11. Brenner nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einspritzstufe (12a, 12b, 12c; 13a, 13b) mehrere Einspritzdüsen aufweist, die bezüglich der zentralen Längsachse (30) des Ringkanals (4) konzentrisch sowie ringförmig oder sternförmig im Ringkanal (4) angeordnet sind.
  12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) und die Primär-Einspritzeinrichtung (7) zur Versorgung mit Brennstoff und/oder Brennstoff-Oxidator-Gemisch an eine gemeinsame Brennstoffzuführungseinrichtung (21) angeschlossen sind.
  13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) eine mit flüssigem Brennstoff versorgte erste Einspritzanordnung (14) sowie eine mit gasförmigem Brennstoff versorgte zweite Einspritzanordnung (16) aufweist, die unabhängig voneinander betätigbar sind.
  14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsweg für einen Oxidator oder ein Oxidator-Gemisch, insbesondere Luft und/oder Brennstoff-Oxidator-Gemisch, so durch den Brenner (1) geführt ist, dass der Oxidator oder das Oxidator-Gemisch im wesentlichen nur durch den Ringkanal (4) in die Brennkammer (2) gelangt.
  15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (4) einen zur Brennkammer (2) hin offenen, zentralen inneren Kanal (25) umhüllt.
  16. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) im zentralen inneren Kanal (25) angeordnet ist.
  17. Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbelerzeuger (26) vorgesehen ist, der im inneren Kanal (25) stromauf von einer oder mehreren Einspritzöffnungen der Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) angeordnet ist und eine den inneren Kanal (25) durchströmende Strömung mit einem Drall beaufschlagt.
  18. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringkanal (4) stromauf der Primär-Einspritzeinrichtung (7) eine Zusatz-Reaktionszone (23) ausgebildet ist, der eine Zusatz-Einspritzeinrichtung (24) zum Einspritzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in die Zusatz-Reaktionszone (23) zugeordnet ist.
  19. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Einspritzeinrichtung (7) zum Einspritzen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs ausgebildet ist.
  20. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennersteuerung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von vorbestimmten Parametern für den Brenner (1) einen Pilotbetrieb mit aktivierter Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) und deaktivierter Primär-Einspritzeinrichtung (7), einen Katalysatorbetrieb mit aktivierter Primär-Einspritzeinrichtung (7) und deaktivierter Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) sowie einen Mischbetrieb mit aktivierter Primär-Einspritzeinrichtung (7) und aktivierter Sekundär-Einspritzeinrichtung (3) ermöglicht.
  21. Brenner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Parameter wenigstens einen der folgenden Parameter umfassen:
    eine aktuell an den Brenner (1) gestellte Leistungsanforderung,
    Anforderungen hinsichtlich Flammenstabilität und Schadstoffemission,
    Temperatur des Katalysators (5).
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