EP1616131A1 - Verfahren und vorrichtung zum verfahren und vorrichtung zum betreiben eines brenners einer warmekraftmaschine, insbesondere einer gasturbinenanlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verfahren und vorrichtung zum betreiben eines brenners einer warmekraftmaschine, insbesondere einer gasturbinenanlage

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Publication number
EP1616131A1
EP1616131A1 EP03735236A EP03735236A EP1616131A1 EP 1616131 A1 EP1616131 A1 EP 1616131A1 EP 03735236 A EP03735236 A EP 03735236A EP 03735236 A EP03735236 A EP 03735236A EP 1616131 A1 EP1616131 A1 EP 1616131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
oxidizer mixture
oxygen
mixture
burner
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Withdrawn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
EP03735236A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Timothy Griffin
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology 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 filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1616131A1 publication Critical patent/EP1616131A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13002—Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07001—Injecting synthetic air, i.e. a combustion supporting mixture made of pure oxygen and an inert gas, e.g. nitrogen or recycled fumes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/32—Direct CO2 mitigation
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a burner of a heat engine, in particular a gas turbine system, with a burner inlet to which a mixture of a fuel and an oxygen-enriched carrier gas is supplied for combustion within a combustion chamber adjoining the burner inlet in the flow direction becomes.
  • the above-mentioned gas turbine concept is based on the combustion of fossil fuels, in particular gaseous fuels, such as methane, in the presence of a mixture of recirculated exhaust gas, in which C0 2 , H 2 0 and oxygen as an oxidizing agent and not, as in conventional combustion processes, under Formation of a fuel-air mixture that contains considerable nitrogen.
  • gaseous fuels such as methane
  • the C0 2 exhaust gas stream is, on the one hand, fed back into the gas turbine process as a C0 2 mass flow for combustion as part of a partial stream recirculation, the remaining residual exhaust gas stream is deposited on the other hand in a suitable recycling or in compressed form for final storage in suitable geological layers of earth and thus to the free atmosphere as harmful greenhouse gas completely removed.
  • oxygen separation devices are suitable for this purpose, which are equipped with a membrane which conducts oxygen ions and electrons, a so-called MCM membrane (mixed conducting membrane).
  • MCM membrane mixed conducting membrane
  • the carrier gas stream enriched with oxygen consists exclusively of C0 2 , H 2 0 and pure oxygen as the oxidizer, this mass flow is also referred to below as the oxidizer mixture.
  • the oxidizer mixture obtained with the aid of the oxygen separation device is further mixed with gaseous fuel, preferably CH 4 , and ignited as a fuel / oxidizer mixture within the combustion chamber and brought to combustion.
  • the recirculated exhaust gas stream to be enriched with oxygen is conducted on the permeate side through the oxygen separation device along to the MCM membrane at high flow velocity, as a result of which the permeate-side oxygen concentration is reduced and the propellant gradient between the retentate side, through which a preheated, oxygen-containing gas flows, and the permeate side is increased.
  • the oxygen enrichment the oxygen content within the carrier gas stream exiting from the oxygen separation device is too low to achieve a stable and effective combustion of the fuel / oxidizer mixture which is formed with the aid of common combustion techniques.
  • Time-delayed ignition behavior also disadvantageously affects the dwell times for the complete combustion of the ignited fuel / oxidizer mixture within the combustion chamber, whereby the CO and unburned hydrocarbon components that are produced during the combustion are also far above those values which are obtained with conventional combustion technology .
  • the reduced ignitability or reactivity of the fuel / oxidizer mixture also has a reducing effect on the flame speed, as a result of which the so-called lean extinguishing limits are reduced.
  • the absolutely critical effects listed above on the combustion behavior when using a fuel / oxidizer mixture are further aggravated if one takes into account the fact that the maximum temperature of the exhaust gas products resulting from the combustion should be relatively low, for example max. 1250 ° C. in order to avoid damage to the components provided along the exhaust gas recirculation, such as, for example, an MCM membrane within the oxygen separation device and the high-temperature heat exchanger for preheating the oxygen-containing gas to be supplied to the oxygen separation device.
  • the catalyst material required for the catalytic oxidation of the fuel typically platinum or palladium
  • support materials such as, for example, aluminum oxide, silicon oxide or zirconium oxide, which is unstable at such high temperatures and a water vapor content of greater than 50% are or will begin.
  • the invention is based on the object of a method and a device for operating a burner of a heat engine, in particular a gas turbine system, with a burner inlet, which has a mixture of a fuel and an oxygen-enriched carrier gas for combustion within a flow adjoining the burner inlet Combustion chamber is supplied to develop such that the disadvantages mentioned above as well as technical difficulties to the prior art are to be avoided.
  • a working gas for the operation of a burner working according to the AZEP principle using common combustion techniques, which enables stable and complete combustion within the combustion chamber, while complying with all the temperature limits required by the components for providing the working gas.
  • a first oxidizer mixture i.e. an oxygen-enriched carrier gas stream is provided, which is obtained in a manner known per se, as mentioned above.
  • This first oxidizer mixture is mixed with fuel, preferably gaseous fossil fuel, such as methane, to form a first fuel / oxidizer mixture.
  • a second oxidizer mixture is also provided, the material composition of which is identical to the first oxidizer mixture.
  • the first fuel / oxidizer mixture is fed to a catalyst unit within which the fuel fraction contained in the first fuel / oxidizer mixture is catalytically oxidized.
  • the catalyst products are hydrogen (H 2 ) and essentially water vapor and carbon dioxide (C0 2 ).
  • the formation of hydrogen also contributes to a drastic increase in the reactivity of the fuel / oxidizer mixture, which has an advantageous effect on shortening the ignition period of the fuel / oxidizer mixture.
  • the method according to the invention thus provides for a combination of catalysis of a fuel-rich or rich fuel / oxidizer mixture with the formation of reactive hydrogen and subsequent combustion of an emaciated fuel / oxidizer mixture, for example by means of a conventional premix burner.
  • the catalyzed, first fuel / oxidizer mixture is emaciated by admixing the second oxidizer mixture provided, as a result of which the fuel fraction per volume fraction is reduced.
  • the ignition temperature of the catalytically oxidized fuel which is fed to a catalyst unit in the form of a rich fuel / oxidizer mixture, is significantly reduced.
  • the reduction in the ignition temperature and also a stabilization of the flame front which forms downstream of a premix burner within a combustion chamber can be attributed to the generation of hydrogen, which is formed by the catalytic oxidation of the fuel CH.
  • the feed means for the oxidizer mixture and the fuel supply unit are arranged in the area of the burner inlet in such a way that a largely complete intermixing between the gaseous fuel and the supplied oxidizer mixture is ensured.
  • a catalyst unit is provided in the area of the burner inlet downstream of the feed means and the fuel supply unit, through which the fuel / oxidizer mixture that forms flows.
  • At least one bypass line which bypasses or penetrates the catalyst unit is provided, which extends the area of the Connects the burner inlet upstream of the catalyst unit with the area of the burner inlet downstream of the catalyst unit. Only pure oxidizer mixture is passed through the at least one bypass line and is mixed downstream of the catalyst unit with the catalyzed fuel / oxidizer mixture for the purpose of deliberately reducing the fuel content.
  • the preparation of the oxidizer mixture is advantageously carried out using means known per se, by means of a recirculation line, a part of the exhaust gases emerging from the combustion chamber is introduced as carrier gas into an oxygen separation device from which the oxygen-enriched carrier gas exits and usually via a heat exchanger for feeding into the Burner entry according to EP 1 197 257 A1 is made available.
  • the oxidizer mixture is provided uniformly both for feeding into the bypass line to bypass the catalyst unit and for introducing it into the feed medium via which part of the oxidizer mixture is mixed with fuel and fed to the catalyst unit as a fuel / oxidizer mixture.
  • Fig. 1 is a schematic representation for the preparation of an ignitable
  • FIG. 2 shows an illustration of a catalytic converter unit with an upstream flow guide means
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of a catalyst unit as well
  • an oxygen separating device with an MCM membrane into which a part of the exhaust gas emerging from the combustion chamber is recirculated, and as an oxygen-enriched carrier stream via a preheating unit, the burner inlet as an oxidizer mixture is used to produce the carrier gas enriched with oxygen, that is to say the oxidizer mixture is fed again.
  • a device can be found, for example, in EP 1 197 257 A1.
  • a burner inlet 1 shown schematically in FIG. 1, of a gas turbine system, not shown, which is flowed through from the left to the right to form an ignitable fuel / oxidizer mixture and opens into the combustion chamber 9 in the right area. It is assumed that an oxidizer mixture is fed as a gaseous stream consisting of C0 2 , H 2 0 and 0 2 at a temperature T between 450 and 600 ° C. into the left inlet opening of the burner inlet 1.
  • a support structure 3 Downstream of the inlet area of the burner inlet 1, a support structure 3 is provided which has a plurality of through channels 4, 5 in the direction of flow, of which a group of flow channels 4 has a thin wall with a Catalyst material, for example Pt or Pd, are lined and the other group of through channels 5 consists of the material of the support structure itself, preferably of an inert material, for example Al0 3 , Si0 2 or ZrO.
  • an inert material for example Al0 3 , Si0 2 or ZrO.
  • a fuel supply unit 6 is provided in the flow area in front of the through-channels 4 lined with catalytic material, through which gaseous, fossil fuel, preferably methane (CH 4 ), is fed into the burner inlet to form a first fuel / oxidizer mixture 7.
  • gaseous, fossil fuel preferably methane (CH 4 )
  • CH 4 methane
  • a first partial flow from the side of the oxidizer mixture 2 provided by the oxygen separation device enters the inflow region of the gaseous fuel provided by the fuel supply unit to form the first fuel / oxidizer mixture 7.
  • the remaining portion of the oxidizer mixture 2 provided flows through the through channels 5 designed as bypass lines.
  • the first fuel / oxidizer mixture 7 which forms has a gas mixture consisting of oxygen, carbon dioxide, water and methane as fuel, the so-called oxygen number ⁇ i, which means the ratio of the actual oxygen supply to the minimum oxygen requirement for complete combustion, less than 1, is preferably 0.25.
  • This relatively fuel-rich or rich gas mixture comes into superficial contact with the catalyst material, for example rhodium (Rh), platinum (Pt), palladium (Pd) or nickel (Ni) within the catalyst unit, consisting of the through channels 4 lined with catalyst material. , whereby the fossil fuel gas is at least partially catalytically oxidized and chemically converted.
  • the chemical secondary products of the exothermic chemical reaction are hydrogen and carbon monoxide or carbon dioxide, whereby the process temperature within the catalyst unit rises to temperatures between 550 and 1000 ° C and the entire material flow, which passes through the catalyst unit and thus also the support structure 3, consisting of the the first fuel / oxidizer mixture and the second oxidizer mixture, which passes through the through channels 5, is heated accordingly.
  • the amount of heat released by the exothermic reaction and the resulting process temperature depend on the oxygen content within the fuel / oxidizer mixture and can be influenced by regulating the oxygen content.
  • the support structure 3 is preferably designed in the manner of a honeycomb body structure and interspersed with a plurality of parallel through-channels, of which, as stated, a first group 4 is lined with catalytic active material are.
  • a first group 4 is lined with catalytic active material are.
  • upper operating temperature limits are set which are in the range between 700 and 900 ° C., preferably 750 ° C. If these are exceeded due to the process, material degradation or detachment of the catalyst material from the corresponding support structure is to be expected, as a result of which the operating life of the catalyst unit is limited.
  • the ratios of the individual components of the chemically reacting fuel / oxidizer mixture within the catalyst unit ie fuel, oxygen, CO 2 and water, must be set in a targeted manner in order to achieve a desired cooling effect.
  • Passive cooling is also possible by selecting the volume fraction of the bypass lines passing through the support structure, within which no exothermic chemical reactions occur, as a result of which the oxidizer mixture flowing through the bypass lines or through channels 5 can be regarded as a cooling flow.
  • the catalyzed first fuel / oxidizer mixture arrives in a mixture with the pure oxidizer mixture fed through the through channels 5, as a result of which the volume fraction of the fuel within the second fuel which forms in the region 8 of the burner inlet 1 / oxidizer Mixture decreases, so that the second fuel / oxidizer mixture is much leaner than the first fuel / oxidizer mixture supplied to the catalyst unit.
  • the mixture of both material flows takes place so effectively and quickly that no ignition phenomena occur before complete mixing is achieved.
  • the aim of the rapid mixing downstream of the support structure 2 is to produce a completely and uniformly mixed, lean, catalyzed fuel / oxidizer mixture with an oxygen number ⁇ 2 > 1, which is ultimately burned within a combustion chamber 9 adjoining the burner inlet 2.
  • the combustion of the lean catalyzed fuel / oxidizer mixture typically takes place in the context of a premix burner which is conventional per se or in the context of a catalytic combustion.
  • a further catalyst unit 10 is provided before entry into the combustion chamber 9, by means of which the catalytic combustion is initiated.
  • the method according to the invention provides for a targeted generation of highly reactive hydrogen by means of a catalytic oxidation of fossil gaseous fuel in the context of a rich fuel / oxidizer mixture, by means of which the reactivity of the catalyzed fuel / oxidizer mixture which forms is considerably increased.
  • the actual combustion process of the catalyzed fuel / oxidizer mixture which is thinned by the additional admixture of an oxidizer mixture takes place through the presence of hydrogen with very short ignition delay times and at temperatures below 1250 ° C.
  • the ignition temperature and the lean extinguishing temperature within the combustion chamber can thus be significantly reduced by the targeted conversion of fossil fuel, preferably CH 4 into hydrogen and carbon monoxide or carbon dioxide / water vapor.
  • fossil fuel preferably CH 4 into hydrogen and carbon monoxide or carbon dioxide / water vapor.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a support structure 3 which has a plurality of through channels which are arranged in columns and rows and have a rectangular cross section.
  • alternating arrangement through channels 4, which are lined with a catalyst material, and through channels 5 made of largely chemically inert material and designed as bypass lines are provided.
  • through channels 4 and 5 are lined with a catalyst material, and through channels 5 made of largely chemically inert material and designed as bypass lines.
  • the flow guide means 11 is directly gas-tight, firmly connected to the left front front of the support structure 3 facing in the direction of flow.
  • the fluid 11 has a fan arrangement which is adapted to the row arrangement of the passage channels 4 and 5 within the support structure 3 and which, in relation to the direction of flow through the passage channels 4 and 5 of the support structure 3, alternately provides laterally open entry side flanks 12, 13.
  • the first fuel / oxidizer mixture 7 is introduced along the inlet side flanks 12 of the flow guide 11, which is deflected by the otherwise trapezoidal design of the flow guide 11 in the direction of the passage channels 4 lined with catalyst material.
  • the flow deflection takes place row by row within the flow guide means 11, corresponding to the passage channels 4 arranged in rows. This ensures that only the fuel / oxidizer mixture 7 flows through the passage channels 4 lined with catalyst material.
  • the pure oxidizer mixture is supplied via the inlet side flanks 13 of the flow guide 11.
  • one closed side wall opposite the open inlet side flanks in each row plane in the inlet flow direction serves to block the respective flows in Deflect the direction of passage through the passage channels 4, 5.
  • the through channels 4, 5 are to be arranged as directly as possible next to one another and the cross-section is to be dimensioned as small as possible.
  • FIG. 3 an embodiment variant of the support structure 3 is provided, through which a particularly effective mixing of the material flows emerging from the through channels 4, 5 is effected.
  • the through-channels 4 lined with the catalyst material and the uncoated through-channels 5 are arranged in the manner of a checkerboard pattern.
  • the through-channels only provide rectangular cross-sections, but these can also have different cross-sectional shapes, such as hexagonal cross-sectional shapes.
  • a perforated plate 14 is provided between the flow guide 11, which is identical to that according to FIG.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4a shows a relatively large proportion of the area of through-channels 4 with catalyst material, especially since the through-channels 4 have four microchannels in the wall.
  • Such an arrangement involves high catalytic reaction fractions, which lead to an increased occurrence of exothermic reactions and ultimately to an increased production of hydrogen.
  • the cross-sectional arrangement according to FIG. 4b provides a larger proportion of through channels 5, along which the oxidizer mixture is fed. Such a cross-sectional arrangement is suitable for better cooling purposes.

Landscapes

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennereintritt, dem ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem mit Sauerstoff angereicherten Trägergas zur Verbrennung innerhalb einer sich in Strömungsrichtung an den Brennereintritt anschließenden Brennkammer zugeführt wird. Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus: Bereitstellen eines ersten mit Sauerstoff angereicherten Trägergasstromes, genannt erste Oxidatormischung, dem der Brennstoff zur Ausbildung eines ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches beigemischt wird, sowie Bereitstellen eines zweiten mit Sauerstoff angereicherten Trägergasstromes, genannt zweite Oxidatormischung; Katalysieren des ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches zur Ausbildung eines katalysierten ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches, in dem der Brennstoff zumindest teilweise oxidiert wird; Mischen des katalysierten ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit der zweiten Oxidatormischung zur Ausbildung eines zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches und Zünden und Verbrennen des zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennereintritt, dem ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem mit Sauerstoff angereicherten Trägergas zur Verbrennung innerhalb einer sich in Strömungsrichtung an den Brennereintritt anschließenden Brennkammer zugeführt wird.
Stand der Technik
Im Bestreben die Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu reduzieren, werden große Anstrengungen insbesondere auf dem Gebiet der Energieerzeugung unternommen, insbesondere den C02-Ausstoß durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu verringern. In diesem Zusammenhang wird an einem Gasturbinenkonzept zur Erzeugung elektrischer Energie gearbeitet, das unter dem Kürzel „AZEP" (advanced zero emissions p wer) für eine nahezu Stickoxid-freie Verbrennung fossiler Brennstoffe steht und darüber hinaus die Möglichkeit einer vollständigen Vermeidung des freien Ausstoßes von C02 in die Atmosphäre bietet.
Vorstehend genanntes Gasturbinenkonzept basiert auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere gasförmiger Brennstoffe, wie bspw. Methan, in Gegenwart eines Gemisches aus rezirkuliertem Abgas, in dem C02, H20 und Sauerstoff als Oxidationsmittel und nicht, wie bei konventionellen Verbrennungsvorgängen, unter Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches, das in beträchtlichem Maße Stickstoff enthält.
Mit dem vorgeschlagenen Verbrennungskonzept nach dem AZEP-Prinzip gelingt es bspw. bei der Verbrennung von Methan (CH ) als eingesetzten, gasförmigen, fossilen Brennstoff in Gegenwart des Sauerstoffes als Oxidationsmittel im wesentlichen nur aus C02 und H20 als Verbrennungsprodukte zu erhalten. Der im Abgasstrom enthaltene Wasseranteil kann mit Hilfe einfacher und kostengünstig realisierbarer Kondensatoren aus dem Abgasstrom nach Bedarf vollständig separiert werden, so dass letztlich ein aus nahezu reinem C02 bestehender Abgasstrom erhalten werden kann, setzt man voraus, dass die Verbrennung vollständig erfolgt und jegliches CO zu C02 in Gegenwart von Sauerstoff oxidiert. Der C02-Abgasstrom wird einerseits im Rahmen einer Teilstromrückführung dem Gasturbinenprozess als C02-Massenstrom für die Verbrennung erneut zugeführt, der verbleibende Restabgasstrom wird anderseits einer geeigneten Verwertung bzw. in komprimierter Form zur Endlagerung in geeigneten geologischen Erdschichten deponiert und somit der freien Atmosphäre als schädliches Treibhausgas völlig entzogen.
Zur erfolgreichen und kostengünstigen Umsetzung des Gasturbinenkonzeptes AZEP bedarf es einer sicheren und kostengünstigen Methode zur Sauerstoffherstellung. Hierzu eignen sich sog. Sauerstofftrenneinrichtungen, die mit einer für Sauerstoffionen und für Elektronen leitenden Membran, eine sog. MCM-Membran (mixed conducting membrane), ausgestattet sind. Eine bevorzugte Vorrichtung zur Herstellung und Aufbereitung eines mit Sauerstoff angereicherten Tragergasstromes, der mit Brennstoff vermischt innerhalb einer Brennkammer zur Zündung und Verbrennung gebracht wird, ist in der EP 1 197 257 A1 beschrieben, bei der ein aus der Brennkammer austretender Teilabgasstrom in eine Sauerstofftrenneinrichtung eingeleitet wird und in Form eines mit Sauerstoff angereicherten Tragergasstromes austritt. Da der mit Sauerstoff angereicherte Trägergasstrom ausschließlich aus C02, H20 und reinem Sauerstoff als Oxidator besteht, wird dieser Massenstrom auch als Oxidatormischung im Weiteren bezeichnet. Die mit Hilfe der Sauerstofftrenneinrichtung gewonnene Oxidatormischung wird im Weiteren mit gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise CH4 vermischt und als Brennstoff/Oxidator-Gemisch innerhalb der Brennkammer gezündet zur Verbrennung gebracht.
Um die Effizienz der Sauerstofftrenneinrichtung zu steigern, gilt es ein möglichst hohes Treibgefälle zwischen der Permeat- und Retentatseite der MCM-Membran herzustellen. So wird der mit Sauerstoff anzureichernde rezirkulierte Abgasstrom permeatseitig durch die Sauerstofftrenneinrichtung längs zur MCM-Membran mit hoher Strömungsgeschwindigkeit geleitet, wodurch die permeatseitige Sauerstoffkonzentration herabgesetzt und das Treibgefälle zwischen der Retentatseite, die von einem vorgewärmten, sauerstoffhaltigen Gas durchströmt wird, und der Permeatseite erhöht wird. Trotz der Sauerstoffanreicherung ist der Sauerstoffanteil innerhalb des aus der Sauerstofftrenneinrichtung austretenden mit Sauerstoff angereicherten Trägergastromes zu gering, um mit Hilfe gängiger Verbrennungstechniken eine stabile und effektive Verbrennung des sich ausbildenden Brennstoff/Oxidator-Gemisches zu erzielen.
Selbst unter Verwendung von Diffusionsbrennern, die für eine hohe Verbrennungsstabilität bereits bei einer Sauerstoffzahl von λ = 1 bekannt sind (λ gibt das Verhältnis aus tatsächlichem Sauerstoffangebot zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung an), sind aufgrund des hochverdünnten Sauerstoffanteils innerhalb der Oxidatormischung nur unbefriedigende Verbrennungsergebnisse erreichbar. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Zündfähigkeit eines derartigen Brennstoff/Oxidator-Gemisches selbst bei Gemischtemperaturen zwischen 400 °C und 750 °C unter Verwendung an sich bekannter Vormischbrennertechniken weitaus geringer ist als in Fällen unter Einsatz herkömmlicher Brennstoffluftgemische. Es zeigte sich überdies, dass die Zündverzögerungszeiten eines Brennstoff/Oxidator-Gemisches nach der AZEP- Technik um wenigstens eine Größenordnung größer sind, als jene, die beim Einsatz konventioneller Verbrennungstechniken gemessen werden. Ferner wirkt sich das zeitlich verzögerte Zündzeitverhalten ebenso auf die Verweilzeiten zur vollständigen Verbrennung des gezündeten Brennstoff/Oxidator-Gemisches innerhalb der Brennkammer nachteilig aus, wobei zudem die im Wege der Verbrennung entstehenden CO- sowie unverbrannten Kohlenwasserstoff-Anteile weit über jenen Werten liegen, die mit konventioneller Verbrennungstechnik erhalten werden. Schließlich wirkt sich die verringerte Zündfähigkeit bzw. Reaktivität des Brennstoff/Oxidator-Gemisches auch in reduzierender Weise auf die Flammengeschwindigkeit aus, wodurch die sogenannte magere Löschgrenzen reduziert werden.
Die vorstehend aufgezählten durchaus kritischen Auswirkungen auf das Verbrennungsverhalten bei Einsatz eines Brennstoff/Oxidator-Gemisches verschlimmern sich überdies, sofern man die Tatsache berücksichtigt, dass die Maximaltemperatur der durch die Verbrennung entstehenden Abgasprodukte verhältnismäßig niedrig sein sollte, bspw. max. 1250°C, um Schädigungen an den längs der Abgasrezirkulation vorgesehenen Komponenten, wie bspw. MCM- Membran innerhalb der Sauerstofftrenneinrichtung sowie dem Hochtemperaturwärmetauscher zur Vorwärmung des der Sauerstofftrenneinrichtung retentatseitig zuzuführenden sauerstoffhaltigen Gases, zu vermeiden.
Auch gilt es die durch den Verbrennungsvorgang hervorgerufene thermische Belastung der einzelnen mit den Abgasen in Kontakt tretenden Komponenten auf einem weitgehend gleichbleibenden und relativ niedrigen (weniger 1250 °C) Temperaturniveau zu halten, um thermisch bedingte Materialdegradationen innerhalb der einzelnen Komponenten weitgehend ausschließen zu können. Aus diesem Grunde sind konventionelle Vormischverbrennungsmethoden, die ausschließlich auf aerodynamischen Stabilisierungseffekten beruhen und den Einsatz von sehr heißen Flammtemperaturen erfordern, ungeeignet.
Zwar vermag der Einsatz katalytischer Verbrennungstechniken die geforderten Temperaturbedingungen mithelfen einzuhalten, doch trägt der innerhalb der Abgase entstehende Wasserdampf unter mageren Brennstoff-Mischungsbedingungen dazu bei, dass die Zündtemperatur für die katalytische Oxidation des Brennstoffes ansteigt. Um dennoch die erhöhten Zündtemperaturen innerhalb des Brennstoff/Oxidator-Gemisches zu erreichen ist dafür zu sorgen, dass die Temperatur der Oxidatormischung, die vor Brennereintritt mit dem Brennstoff vermischt wird, erhöht wird, wodurch automatisch das Temperaturniveau des rezirkulierenden Abgasstromes zu erhöhen ist. Letztlich bleibt in diesem Zusammenhang als kritisch anzumerken, dass das zur katalytischen Oxidation des Brennstoffes erforderliche Katalysatormaterial, typischerweise Platin oder Palladium auf Trägermaterialien aufgebracht ist, wie bspw. Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Zirkoniumoxid, die bei derart hohen Temperaturen und einem Wasserdampfanteil von größer 50% instabil sind oder zu beginnen werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennereintritt, dem ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem mit Sauerstoff angereichertem Trägergas zur Verbrennung innerhalb einer sich in Strömungsrichtung an den Brennereintritt anschließenden Brennkammer zugeführt wird, derart weiterzubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile sowie technischen Schwierigkeiten vermieden werden sollen. Insbesondere soll es möglich sein unter Verwendung gängiger Verbrennungstechniken ein Arbeitsgas für den Betrieb eines nach dem AZEP-Prinzip arbeitenden Brenners bereitzustellen, das eine stabile und vollständige Verbrennung innerhalb der Brennkammer ermöglicht, bei Einhaltung aller durch die zur Bereitstellung des Arbeitsgases erforderlichen Komponenten geforderten Temperaturgrenzen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie Anspruch 10 angeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen. Wie eingangs erwähnt, trägt die reduzierte Zündfähigkeit bzw. Reaktivität des Brennstoff/Oxidator-Gemisches aufgrund des hochverdünnten Sauerstoffanteils innerhalb der Oxidatormischung dazu bei, dass der Verbrennungsvorgang mit Hilfe an sich bekannter Brennertechniken unbefriedigende Ergebnisse liefert. Zur Vermeidung aller vorstehend beschriebener negativer Auswirkungen auf den Verbrennungsvorgang des bereitgestellten Brennstoff/Oxidator-Gemisches sieht das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte vor:
Vor Brennereintritt wird eine erste Oxidatormischung, d.h. ein mit Sauerstoff angereicherter Trägergasstrom bereitgestellt, die in an sich bekannter Weise, wie vorstehend erwähnt, gewonnen wird. Dieser ersten Oxidatormischung wird Brennstoff, vorzugsweise gasförmiger fossiler Brennstoff wie bspw. Methan zur Ausbildung eines ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches beigemischt. Ebenso wird eine zweite Oxidatormischung bereitgestellt, deren stoffliche Zusammensetzung identisch mit der ersten Oxidatormischung ist.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch einer Katalysatoreinheit zugeführt, innerhalb der wenigstens teilweise des in dem ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisch enthaltenen Brennstoffanteils katalytisch oxidiert wird. Im Falle von Methan (CH4) als eingesetzter fossiler gasförmiger Brennstoff entstehen als Katalysatorprodukte Wasserstoff (H2) sowie im wesentlichen Wasserdampf und Kohlendioxid (C02). Insbesondere die Ausbildung von Wasserstoff trägt im Weiteren zur drastischen Erhöhung der Reaktivität des Brennstoff/Oxidator-Gemisches bei, die sich in vorteilhafter Weise auf eine Verkürzung der Zündzeitdauer des Brennstoff/Oxidator-Gemisches auswirkt. Bevor jedoch das katalysierte, erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch zur Zündung und Verbrennung gebracht wird, wird dieses mit der anfänglich bereitgestellten zweiten Oxidatormischung zur Ausbildung eines zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches gemischt. Erst nach Ausbildung des zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches wird dieses gezündet und zur Verbrennung innerhalb der Brennkammer gebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit eine Kombination aus einer Katalyse eines brennstoffreichen bzw. fetten Brennstoff/Oxidator-Gemisches unter Ausbildung von reaktionsfähigem Wasserstoff und einer nachfolgenden Verbrennung eines abgemagerten Brennstoff/Oxidator-Gemisches, bspw. im Wege eines konventionellen Vormischbrenners vor. Die Abmagerung des katalysierten, ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erfolgt durch Zumischung des bereitgestellten zweiten Oxidatorgemisches, wodurch der Brennstoffanteil pro Volumenanteil reduziert wird.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu einer Reihe von Vorteilen: Die Zündtemperatur des katalytisch oxidierten Brennstoffes, der in Form eines fetten Brennstoff/Oxidator-Gemisches einer Katalysatoreinheit zugeführt wird, reduziert sich signifikant. Die Reduzierung der Zündtemperatur sowie auch eine sich ausbildende Stabilisierung der sich stromab eines Vormischbrenners innerhalb einer Brennkammer ausbildenden Flammenfront ist auf die Entstehung von Wasserstoff zurückzuführen, der sich im Wege der katalytischen Oxidation des Brennstoffes CH bildet.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 10, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass im Bereich des Brennereintritts wenigstens ein Einspeisungsmittel für die Oxidatormischung sowie eine Brennstoffzuführungseinheit vorgesehen sind. Das Einspeisungsmittel für die Oxidatormischung sowie die Brennstoffzuführungseinheit sind im Bereich des Brennereintritts derart angeordnet, dass eine weitgehend vollständige Durchmischung zwischen dem gasförmigen Brennstoff und der zugeführten Oxidatormischung gewährleistet wird. Ferner ist im Bereich des Brennereintritts stromab des Einspeisungsmittels sowie der Brennstoffzuführungseinheit eine Katalysatoreinheit vorgesehen, durch die das sich ausbildende Brennstoff/Oxidator- Gemisch hindurchströmt. Schließlich ist wenigstens eine die Katalysatoreinheit umgehende oder durchdringende Bypassleitung vorgesehen, die den Bereich des Brennereintritts stromauf zur Katalysatoreinheit mit dem Bereich des Brennereintritts stromab der Katalysatoreinheit verbindet. Durch die wenigstens eine Bypassleitung wird ausschließlich reine Oxidatormischung hindurchgeleitet, die stromab zur Katalysatoreinheit dem katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisch zu Zwecken der gezielten Abmagerung des Brennstoffanteils zugemischt wird.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Herstellung der Oxidatormischung mit an sich bekannten Mitteln, indem mittels einer Rezirkulationsleitung ein Teil aus der Brennkammer austretenden Abgase als Trägergas in eine Sauerstofftrenneinrichtung eingeleitet wird, aus der das Sauerstoff-angereicherte Trägergas austritt und üblicherweise über einen Wärmetauscher zur Einspeisung in den Brennereintritt gemäß der EP 1 197 257 A1 zur Verfügung gestellt wird.
Die Bereitstellung der Oxidatormischung erfolgt einheitlich sowohl zur Einspeisung in die Bypassleitung zur Umgehung der Katalysatoreinheit als auch zur Einleitung in das Einspeisungsmittel über das ein Teil der Oxidatormischung mit Brennstoff vermischt und als Brennstoff/Oxidator-Gemisch der Katalysatoreinheit zugeführt wird.
Weitere Einzelheiten, sowohl das erfindungsgemäße Verfahrensprinzip als auch die zur Durchführung des Verfahrens erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine betreffend, insbesondere einer Gasturbinenanordnung, sind im Weiteren unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisierte Darstellung zur Aufbereitung eines zündfähigen
Brennstoff/Oxidator-Gemisches nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren; Fig. 2 eine Darstellung einer Katalysatoreinheit mit einem stromauf angeordneten Strömungsleitmittel; Fig. 3 eine alternative Ausbildung einer Katalysatoreinheit sowie
Fig. 4a-d alternative Ausführungsformen der Katalysatoreinheit in
Querschnittsdarstellung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Wie bereits vorstehend erwähnt dient zur Herstellung des mit Sauerstoff angereicherten Trägergases, sprich der Oxidatormischung, eine Sauerstofftrenneinrichtung mit einer MCM-Membran, in die ein Teil des aus der Brennkammer austretenden Abgases rezirkuliert wird und als mit Sauerstoff angereicherter Trägerstrom über eine Vorwärmeinheit den Brennereintritt als Oxidatormischung erneut zugeführt wird. Eine derartige Vorrichtung ist bspw. der EP 1 197 257 A1 zu entnehmen.
Dies vorausgeschickt wird nachfolgend Bezug auf einen in Figur 1 schematisiert dargestellten Brennereintritt 1 einer nicht weiter dargestellten Gasturbinenanlage genommen, der zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff/Oxidator-Gemisches von der linken zur rechten Seite durchströmt wird und im rechten Bereich in die Brennkammer 9 mündet. Es sei angenommen, dass eine Oxidatormischung als gasförmiger Stoffstrom, bestehend aus C02, H20 und 02 bei einer Temperatur T zwischen 450 und 600°C in die linke Eintrittsöffnung des Brennereintritts 1 eingespeist wird.
Stromab zum Eintrittsbereich des Brennereintritts 1 ist eine Trägerstruktur 3 vorgesehen, die in Strömungsrichtung eine Vielzahl von Durchgangskanälen 4, 5 aufweist, von denen eine Gruppe von Strömungskanälen 4 dünnwandig mit einem Katalysatormaterial, bspw. Pt oder Pd, ausgekleidet sind und die andere Gruppe von Durchgangskanälen 5 aus dem Material der Trägerstruktur selbst, vorzugsweise aus einem inerten Material besteht, bspw. AI03, Si02 oder ZrO. Unmittelbar stromauf zur Katalysatoreinheit 3 ist jeweils im Strömungsbereich vor den mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanälen 4 eine Brennstoffzuführungseinheit 6 vorgesehen, durch die gasförmiger, fossiler Brennstoff, vorzugsweise Methan (CH4) in den Brennereintritt zur Ausbildung eines ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches 7 eingespeist wird. Hierbei gelangt ein erster Teilstrom von Seiten der durch die Sauerstofftrenneinrichtung bereitgestellten Oxidatormischung 2 in den Einströmbereich des durch die Brennstoffzuführungseinheit bereitgestellten gasförmigen Brennstoffes zur Ausbildung des ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches 7. Der übrige Anteil an bereitgestellter Oxidatormischung 2 durchströmt die als Bypassleitungen ausgebildeten Durchgangskanäle 5.
Das sich ausbildende erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch 7 weist ein aus Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasser und Methan als Brennstoff bestehendes Gasgemisch auf, dessen sog. Sauerstoffzahl λi, damit ist das Verhältnis aus tatsächlichem Sauerstoffangebot zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung gemeint, kleiner 1 , vorzugsweise 0,25 beträgt. Dieses verhältnismäßig brennstoff reiche bzw. fette Gasgemisch gelangt innerhalb der Katalysatoreinheit, bestehend aus dem mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanälen 4, in oberflächigen Kontakt mit dem Katalysatormaterial, bspw. Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Nickel (Ni), wodurch das fossile Brenngas wenigstens teilweise katalytisch oxidiert und chemisch umgesetzt wird. Als chemische Folgeprodukte der exotherm verlaufenden chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid, wodurch die Prozesstemperatur innerhalb der Katalysatoreinheit auf Temperaturen zwischen 550 und 1000°C ansteigt und der gesamte, die Katalysatoreinheit und damit verbunden auch die Trägerstruktur 3 durchsetzende Stoffstrom, bestehend aus dem ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisch sowie der zweiten Oxidatormischung, die durch die Durchgangskanäle 5 hindurchtritt, entsprechend erwärmt wird. Die durch die exotherme Reaktion frei werdende Wärmemenge und die sich dadurch ergebende Prozesstemperatur hängt vom Sauerstoffanteil innerhalb des Brennstoff/Oxidator-Gemisches ab und kann über eine Regulierung des Sauerstoffanteils beeinflusst werden.
Wie im Weiteren, insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 2 und 3 hervorgeht, ist die Trägerstruktur 3 vorzugsweise in Art einer Wabenkörperstruktur ausgebildet und von einer Vielzahl von parallel verlaufenden Durchgangskanälen durchsetzt, von denen, wie gesagt, eine erste Gruppe 4 inwandig mit katalytischem aktiven Material ausgekleidet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich die Trägerstruktur anderweitig auszubilden, in einem einfachen Fall bspw. durch die Ausgestaltung eines Rohrbündels.
Aufgrund der Materialwahl hinsichtlich Trägerstruktur und Katalysatormaterial werden obere Betriebstemperaturgrenzen gesetzt, die im Bereich zwischen 700 und 900°C, vorzugsweise 750°C liegen. Werden diese prozessbedingt überschritten, ist mit Materialdegradation bzw. mit Ablösungen des Katalysatormaterials von der entsprechenden Trägerstruktur zu rechnen, wodurch die Betriebslebensdauer der Katalysatoreinheit begrenzt ist. Um jedoch eine optimale Betriebstemperatur einzuhalten sind die Verhältnisse der einzelnen Bestandteile des innerhalb der Katalysatoreinheit chemisch reagierenden Brennstoff/Oxidator-Gemisches, d.h. Brennstoff, Sauerstoff, C02 und Wasser, gezielt einzustellen um eine gewünschte Kühlwirkung zu erzielen.
Auch ist eine passive Kühlung durch Wahl des Volumenanteils der die Trägerstruktur durchsetzenden Bypassleitungen möglich, innerhalb der keine exothermen chemischen Reaktionen auftreten, wodurch die die Bypassleitungen bzw. die Durchgangskanäle 5 durchströmende Oxidatormischung als Kühlströmung aufgefasst werden kann.
Unmittelbar in Strömungsrichtung der Trägerstruktur 3 innerhalb des Brennereintritts 1 nachfolgend gelangt das katalysierte erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch in Mischung mit der reinen, durch die Durchgangskanäle 5 zugeführten Oxidatormischung, wodurch der Volumenanteil des Brennstoffes innerhalb des sich im Bereich 8 des Brennereintritts 1 ausbildenden zweiten Brennstoff/Oxidator- Gemisches abnimmt, so dass das zweite Brennstoff/Oxidator-Gemisch weitaus magerer ist als das der Katalysatoreinheit zugeführte erste Brennstoff/Oxidator- Gemisch. Die Mischung aus beiden Stoffströmen erfolgt derart effektiv und schnell, so dass vor Erreichen einer vollständigen Durchmischung keinerlei Zünderscheinungen auftreten.
Das Erfordernis einer möglichst effektiven und schnellen Durchmischung des aus der Katalysatoreinheit austretenden katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit der reinen, über die Bypassleitungen bzw. Durchgangskanäle 5 zugeführten Oxidatormischung rührt von der sehr hohen Reaktivität der durch die katalytische Oxidation gebildeten Wasserstoffanteile her, die mit der zugeführten Oxidatormischung zu vermischen sind.
Würden dennoch Zünderscheinungen vor einer vollständigen Durchmischung beider Stoffströme auftreten, so würden diese zu sog. „Hotspots" führen, durch die sich ein heterogenes Temperaturprofil innerhalb des Bereiches 8 des Brennereintrittes 1 einstellt und die letztlich zu lokalen Materialüberhitzungen an jenen Komponenten führen würden, die in Kontakt mit den entstehenden Abgasströmen gelangen.
Ziel der raschen Durchmischung stromab zur Trägerstruktur 2 ist die Herstellung eines vollständig und gleichmäßig durchmischten, abgemagerten, katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit einer Sauerstoffzahl λ2 >1 , das letztlich innerhalb einer an den Brennereintritt 2 anschließenden Brennkammer 9 verbrannt wird.
Die Verbrennung des mageren katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erfolgt typischerweise im Rahmen eines an sich üblichen Vormischbrenners oder im Rahmen einer katalytischen Verbrennung. Zur Verdeutlichung der letztgenannten Verbrennungsvariante ist vor Eintritt in die Brennkammer 9 eine weitere Katalysatoreinheit 10 vorgesehen, durch die die katalytische Verbrennung initiiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht im Wege einer katalytischen Oxidation fossilen gasförmigen Brennstoffes im Rahmen eines fetten Brennstoff/Oxidator- Gemisches eine gezielte Erzeugung hochreaktiven Wasserstoffs vor, durch den die Reaktivität des sich ausbildenden katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erheblich gesteigert wird. Der eigentliche Verbrennungsvorgang des durch die zusätzliche Beimischung einer Oxidatormischung abgemagerten katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erfolgt durch die Gegenwart von Wasserstoff mit sehr kurzen Zündverzögerungszeiten sowie bei Temperaturen von unter 1250°C.
Somit können durch die gezielte Umwandlung fossilen Brennstoffes, vorzugsweise CH4 in Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxyd/Wasserdampf die Zündtemperatur als auch die magere Löschtemperatur innerhalb der Brennkammer signifikant reduziert werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Brenners ist es möglich die Abgastemperaturen unterhalb jener zu halten, die zur Zerstörung aller Komponenten innerhalb der Sauerstoffanreicherungseinrichtung führen würden.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Trägerstruktur 3 dargestellt, die eine Vielzahl von in Spalten und Reihen angeordnete, im Querschnitt rechteckförmige Durchgangskanäle aufweist. In zeilenweise, abwechselnder Anordnung sind jeweils mit einem Katalysatormaterial inwandig ausgekleidete Durchgangskanäle 4 sowie aus chemisch weitgehend inerten Material bestehende, als Bypassleitungen ausgebildete Durchgangskanäle 5 vorgesehen. Selbstverständlich ist es möglich, Querschnittsform und Anordnung der jeweiligen Durchgangskanäle 4 und 5 nach einem äquivalenten alternativen räumlichen Ordnungsmuster anzuordnen und auszubilden, bspw. gemäß einer Wabenstruktur, Schachbrettanordnung oder ähnlichen Ausbildungsformen.
Zur räumlich getrennten Zuführung der jeweiligen Stoffströme in die nach Gruppen unterteilten Durchgangskanäle 4 und 5 dient ein in Strömungsrichtung der Trägerstruktur 3 vorgeschaltetes Strömungsleitmittel 11 , das lediglich zu Zwecken einer bessern Übersicht getrennt von der Trägerstruktur 3 abgebildet ist. Normalerweise ist das Strömungsleitmittel 11 unmittelbar mit der in Strömungsrichtung zugewandten linken Vorderfront der Trägerstruktur 3 gasdicht, fest verbunden. Das Strömungsmittel 11 weist eine an die Zeilenanordnung der Durchgangskanäle 4 und 5 innerhalb der Trägerstruktur 3 angepasste Fächeranordnung auf, die relativ zur Durchströmungsrichtung durch die Durchgangskanäle 4 und 5 der Trägerstruktur 3 abwechselnd seitlich offene Eintrittsseitenflanken 12, 13 vorsieht. So sei im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 angenommen, dass längs der Eintrittsseitenflanken 12 des Strömungsleitmittels 11 das erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch 7 eingeleitet wird, das durch die ansonsten trapezförmige Ausbildung des Strömungsleitmittels 11 in Richtung der mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 4 umgelenkt wird. Alternativ ist es auch möglich die Zuführung von Brennstoff und Oxidatormischung getrennt durch die Eintrittsseitenflanken 12 des Strömungsleitmittels 11 vorzunehmen. In diesem Fall erfolgt die Durchmischung zwischen Brennstoff und Oxidatormischung innerhalb des Strömungsleitmittels 1 1 , das im Inneren über geeignete Strömungsturbulenzen iniziierende Mittel zu Zwecken der Durchmischung vorsieht.
Die Strömungsumlenkung erfolgt jeweils zeilenweise innerhalb des Strömungsleitmittels 11 korrespondierend zu den zeilenförmig angeordneten Durchgangskanälen 4. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass durch die mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 4 ausschließlich das Brennstoff/Oxidator-Gemisch 7 hindurchströmt. In gleicher weise erfolgt die Zuführung der reinen Oxidatormischung über die Eintrittsseitenflanken 13 des Strömungsleitmittels 11. Zur Strömungsumlenkung der jeweiligen, über die Eintrittsseitenflanken 12, 13 eintretenden Stoffströme dient jeweils eine der offenen Eintrittsseitenflanken in jeder Zeilenebene in Eintrittsströmungsrichtung gegenüberliegende geschlossene Seitenwand, die die jeweiligen Strömungen in Durchgangsrichtung durch die Durchgangskanäle 4, 5 umlenken.
Um eine möglichst effektive und unmittelbar nach Austritt durch die Trägerstruktur 3 der jeweiligen Stoffströme einsetzende Durchmischung des katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit der reinen Oxidatormischung zu erzielen, noch bevor Zünderscheinungen vor der vollständigen Durchmischung auftreten, sind die Durchgangskanäle 4, 5 möglichst unmittelbar benachbart zueinander anzuordnen sowie im Querschnitt kleinstmöglich zu dimensionieren. Bei der Durchmischung gilt es daher die Mischlängen möglichst klein zu wählen, d.h. eine vollständige Durchmischung der aus den Durchgangskanälen 4, 5 austretenden Stoffströme sollte möglichst nahe dem Strömungsaustritt der Trägerstruktur 3 erfolgen.
In Figur 3 ist eine Ausführungsvariante der Trägerstruktur 3 vorgesehen, durch die eine besonders effektive Durchmischung der aus den Durchgangskanälen 4, 5 austretenden Stoffströme bewirkt wird. So sind die mit dem Katalysatormaterial inwandig ausgekleideten Durchgangskanäle 4 sowie die unbeschichteten Durchgangskanäle 5 in Art eines Schachbrettmusters angeordnet. Zwar sehen die Durchgangskanäle im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich rechteckige Querschnitte vor, doch können diese auch abweichende Querschnittsformen aufweisen, wie bspw. hexagonale Querschnittsformen. Zur separierten Strömungszuführung zwischen den jeweiligen Durchgangskanälen 4 und 5 ist zwischen dem Strömungsleitmittel 1 1 , das identisch zu jenem gemäß Figur 2 ausgebildet ist, und der Trägerstruktur 3 eine Lochplatte 14 vorgesehen, die Durchtrittsöffnungen 15 aufweist, die mit den jeweiligen Durchgangskanälen 4, 5 korrespondieren. Mit Hilfe der Lochplatte 14 ist eine gezielte Zuführung des Brennstoff/Oxidator-Gemisches ausschließlich durch die mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 4 gewährleistet, gleiches gilt entsprechend für die Zuführung der reinen Oxidatormischung für die Zuführung durch die Durchgangskanäle 5. Auch die in Figur 3 dargestellten Komponenten, bestehend aus Strömungsleitmittel 11 , Lochplatte 14 sowie Trägerstruktur 3 sind lediglich aus Gründen einer besseren Übersicht getrennt voneinander dargestellt. In einer realistischen Ausführungsform befinden sich die drei Komponenten in einer gegenseitigen, gasdichten Verbindung, durch die eine gewünschte Stoffströmungszuführung durch die jeweiligen Durchgangskanäle 4, 5 gewährleistet ist. In den Figuren 4a - d sind Ausschnitte von Querschnitten durch die Trägerstruktur 3 abgebildet, die Bereiche von Durchgangskanälen 4 mit inwandig ausgekleideten Katalysatormaterial sowie Durchgangskanäle 5 zeigen, deren Kanalwände lediglich aus dem Material der Trägerstruktur 3 selbst bestehen und insofern keine katalytische Wirkung auf den die Durchgangskanäle 5 durchsetzenden Stoffstrom haben. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der katalysierenden Oberfläche zu den inerten Oberflächen längs der Durchgangskanäle kann der Anteil der katalysierenden Reaktionen und die damit verbundene Freisetzung exothermer Energie innerhalb der Trägerstruktur 3 beeinflusst werden.
So zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a einen verhältnismäßig großen Flächenanteil an Durchgangskanälen 4 mit Katalysatormaterial, zumal die Durchgangskanäle 4 inwandig vier Mikrokanäle aufweisen. Mit einer derartigen Anordnung sind hohe katalytische Reaktionsanteile verbunden, die zu einem verstärkten Auftreten exothermer Reaktionen und letztlich zur gesteigerten Herstellung von Wasserstoff führen. Demgegenüber sieht die Querschnittsanordnung gemäß Figur 4b einen größeren Anteil an Durchgangskanälen 5 vor, längs derer die Oxidatormischung zugeführt wird. Eine derartige Querschnittsanordnung eignet sich zu Zwecken besserer Kühlung.
Vergleicht man letztlich die Anordnung an Durchgangskanälen gemäß den Ausführungsbeispielen 4c und 4d so ist festzustellen, dass der Querschnittsanteil zwischen den mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanälen relativ zu den chemisch inerten Durchgangskanälen 5 gleich ist, doch vermag die Anordnung gemäß Figur 4d die aus der Trägerstruktur austretenden Stoffströme mit einer größeren Effizienz zu durchmischen als im Falle der Figur 4c. Zusammenfassend kann im Lichte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der hierfür erforderlichen Vorrichtung folgendes festgehalten werden:
1. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine stabile Verbrennung eines gasförmigen fossilen Brennstoffes nach dem AZEP-Prinzip unter ausschließlicher Bildung von C02 und Wasser möglich.
2. Durch die gezielte Herstellung von Wasserstoff innerhalb des katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches wird die Zündtemperatur des Gemisches erheblich reduziert, wodurch eine weitere Verbrennung des Brennstoff/Oxidator-Gemisches unter mageren Bedingungen auch unter Verwendung konventioneller Vormischbrenner mit oder ohne katalysierter Verbrennung vollständig möglich ist.
3. Mit Hilfe der innerhalb des Brennereintrittes vorgesehenen Trägerstruktur sowie dem in Strömungsrichtung vor der Trägerstruktur vorgesehenen Strömungsleitmittels ist es möglich, das katalysierte Brennstoff/Oxidator-Gemisch mit der reinen Oxidatormischung vollständig und effektiv zu durchmischen, bevor Zünderscheinungen auftreten.
Bezugszeichenliste
Brennereintritt Oxidatormischung Trägerstruktur mit Katalysator ausgekleidete Durchgangskanäle Durchgangskanäle, Bypassleitung Brennstoffzuführungseinheit erstes Brennstoff/Oxidator-Gemisch Bereich innerhalb der Brennereinheit Brennkammer Katalysatoreinheit Strömungsleitmittel Eintrittsseitenflanken Lochplatte Löcher

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennereintritt (1), dem ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem mit Sauerstoff angereicherten Trägergas zur Verbrennung innerhalb einer sich in Strömungsrichtung an den Brennereintritt (1) anschließenden Brennkammer (9) zugeführt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines ersten mit Sauerstoff angereicherten Tragergasstromes, genannt erste Oxidatormischung, dem der Brennstoff zur Ausbildung eines ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches (7) beigemischt wird, sowie Bereitstellen eines zweiten mit Sauerstoff angereicherten Tragergasstromes, genannt zweite Oxidatormischung,
Katalysieren des ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches (7) zur Ausbildung eines katalysierten ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches, in dem der Brennstoff zumindest teilweise oxidiert wird,
Mischen des katalysierten ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit der zweiten Oxidatormischung zur Ausbildung eines zweiten Brennstoff/Oxidator- Gemisches und
Zünden und Verbrennen des zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Oxidatormischung in folgender Weise gewonnen wird:
Rezirkulieren zumindest eines Teils des aus der Brennkammer (9) austretenden Abgases,
Einleiten des rezirkulierten Abgases als Trägergas zur Sauerstoffaufnahme in eine Sauerstofftrenneinrichtung zur Herstellung des mit Sauerstoff angereicherten Trägergases, genannt Oxidatormischung.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidatormischung in die erste und zweite Oxidatormischung aufgeteilt wird, dass die erste Oxidatormischung mit dem Brennstoff vermischt und mit Katalysatormaterial in Kontakt gebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidatormischung ein Gasgemisch bereitgestellt wird, das weitgehend aus folgenden Bestandteilen besteht: 02, C02 und H20, und dass als Brennstoff, gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise Methan (CH ), bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch (7) eine
Sauerstoffzahl λi und das zweite Brennstoff/Oxidator-Gemisch eine Sauerstoffzahl λ2 aufweist, und dass gilt: λi < λ ., wobei die Sauerstoffzahl definiert ist als das Verhältnis aus tatsächlichem
Sauerstoffangebot zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffzahlen k^ und λ2 derart eingestellt werden, dass gilt: 0,2 < λi < 0,5, vorzugsweise hx. * 0,25, und λ2 ≥ 1
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens teilweise der innerhalb des ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches enthaltende Brennstoff CH im Wege der Katalyse in die Reaktionsprodukte H2 und CO umgewandelt wird, die im katalysierten ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisch enthalten sind und ohne Auftreten von Zünderscheinungen mit dem zweiten Oxidatorgemisch vermischt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Brennstoff/Oxidator-Gemisch in einem weiteren Katalysator zur Reaktion gebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Brennstoff/Oxidator-Gemisch innerhalb eines Vormischbrenners gezündet und verbrannt wird.
10. Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennereintritt (1), dem ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem mit Sauerstoff angereicherten Trägergas, genannt Oxidatormischung, zur Verbrennung innerhalb einer sich in Strömungsrichtung an den Brennereintritt (1) anschließenden Brennkammer (9) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Brennereintritts (1) wenigstens ein Einspeisungsmittel für die Oxidatormischung (2) sowie eine Brennstoffzuführungseinheit (6) vorgesehen sind, dass im Bereich des Brennereintritts (1) stromab des Einspeisungsmittels sowie der Brennstoffzuführungseinheit (6) eine Katalysatoreinheit (4) vorgesehen ist, und dass wenigstens eine die Katalysatoreinheit (4) umgehende oder durchdringende Bypassleitung (5) vorgesehen ist, die den Bereich des Brennereintritts (1) stromauf zur Katalysatoreinheit (4) mit dem Bereich des Brennereintritts (1) stromab der Katalysatoreinheit (4) verbindet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (4) in einer stromab des Einspeisungsmittels sowie der Brennstoffzuführungseinheit (6) im Bereich des Brennereintritts (1 ) vorgesehenen Trägerstruktur (3) integriert ist, die eine Vielzahl in Strömungsrichtung orientierte Durchgangskanäle aufweist, von denen eine erste Gruppe inwandig mit einem Katalysatormaterial versehen sind und die Katalysatoreinheit (4) darstellen, und eine zweite Gruppe von Durchgangskanälen aus chemisch weitgehend inerten Material bestehen, die mindestens eine Bypassleitung (5) darstellen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gruppe von Durchgangskanälen (4, 5) nach einem räumlich periodischen Ordnungsmuster angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (4, 5) innerhalb der Trägerstruktur (3) matrixförmig angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gruppe jeweils zeilenweise, spaltenweise oder in Art einer Schachbrettanordnung abwechselnd angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (3) in Art einer Wabenkörperstruktur ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf vor der Katalysatoreinheit (4) wenigstens ein Strömungsleitmittel (11) vorgesehen ist, das einen ersten Strömungsbereich von einem zweiten Strömungsbereich räumlich trennt, dass in den ersten Strömungsbereich ein das Gemisch aus Brennstoff und
Oxidatormischung und in den zweiten Strömungsbereich ausschließlich
Oxidatormischung einleitbar ist, und dass der erste Strömungsbereich mit der Katalysatoreinheit (4) und der zweite
Strömungsbereich mit der Bypassleitung (5) verbunden sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitmittel (11) eine Vielzahl erste und zweite Strömungsbereiche aufweist, die derart angeordnet sind, dass die ersten Strömungsbereiche mit der Katalysatoreinheit (4) und die zweiten Strömungsbereiche mit der wenigstens einen Bypassleitung (5) kommunizieren.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strömungsleitmittel (11) und der Katalysatoreinheit (4) eine Lochplatte angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass stromab zur Katalysatoreinheit (4) und stromauf zur Brennkammer (9) eine weitere Katalysatoreinheit (10) zur Ausbildung einer katalytischen Brenneranordnung vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass stromab zur ersten Katalysatoreinheit ein Vormischbrenner angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidatormischung durch folgende Komponenten bereitstellbar ist: mittels einer Rezirkuationsleitung gelangt ein Teil der aus der Brennkammer austretenden Abgase als Trägergas in eine Sauerstofftrenneinrichtung, aus der das
Sauerstoff-angereicherte Trägergas austritt, das mittel- oder unmittelbar über das
Einspeisungsmittel bereitstellbar und in die wenigstens eine Bypassleitung einleitbar ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstofftrenneinrichtung wenigstens eine MCM-Membran aufweist.
EP03735236A 2003-04-24 2003-07-16 Verfahren und vorrichtung zum verfahren und vorrichtung zum betreiben eines brenners einer warmekraftmaschine, insbesondere einer gasturbinenanlage Withdrawn EP1616131A1 (de)

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