EP1963748A1 - Brennkammer mit brenner und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

Brennkammer mit brenner und zugehöriges betriebsverfahren

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EP1963748A1
EP1963748A1 EP06830438A EP06830438A EP1963748A1 EP 1963748 A1 EP1963748 A1 EP 1963748A1 EP 06830438 A EP06830438 A EP 06830438A EP 06830438 A EP06830438 A EP 06830438A EP 1963748 A1 EP1963748 A1 EP 1963748A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
combustion chamber
synthesis gas
pilot
pilot burner
Prior art date
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Application number
EP06830438A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1963748B1 (de
Inventor
Richard Carroni
Timothy Griffin
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1963748A1 publication Critical patent/EP1963748A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1963748B1 publication Critical patent/EP1963748B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a combustion chamber of a gas turbine, in particular a power plant.
  • the invention also relates to a burner equipped with a catalytic pilot burner for a combustion chamber of a gas turbine. Furthermore, the invention relates to an annular combustion chamber, which is equipped with a plurality of such burners.
  • a catalytic burner which can generate a hydrogen gas containing synthesis gas in operation from a rich fuel / air mixture and which can be used as a pilot burner for a normally lean burn burner of a combustion chamber of a gas turbine.
  • Synthesis gas into the burner or in a combustion chamber of the combustion chamber the homogeneous combustion reaction that takes place in the combustion chamber during operation of the combustion chamber can be stabilized. In particular, this can be used to lower the extinguishing temperature of the combustion reaction in lean burners. Altogether thereby the combustion temperatures in the Combustion chamber of the combustion chamber can be reduced. This is of particular advantage because the formation of nitrogen oxides increases exponentially with the reaction temperature. However, in order to operate the combustion chamber with a higher power, the combustion chamber must be operated so that it reaches a higher outlet temperature.
  • the inventive method is based on the general idea of controlling the pilot burner as a function of the combustion chamber performance such that the synthesis gas produced therewith contains a comparatively high proportion of hydrogen gas at a low combustion chamber power, while it contains a relatively low proportion of hydrogen gas at a comparatively high combustion chamber power ,
  • the invention uses the
  • synthesis gas with a relatively low proportion of hydrogen gas at high flame temperatures reduces the formation of nitrogen relatively strongly. At the same time, lowering the extinguishing limit is not necessary at high flame temperatures. In contrast, a synthesis gas with a high hydrogen gas content at high flame temperatures would reduce the pollutant emissions, in particular nitrogen oxide emissions. Furthermore, the invention uses the knowledge that at lower flame temperatures, the injection of synthesis gas with a relatively high proportion of hydrogen gas significantly stabilizes the homogeneous combustion reaction by significantly lowering the extinction limit. At the same time, there is no increase in nitrogen oxide formation.
  • the operating method according to the invention thus leads to a stabilized operation of the combustion chamber with comparatively small combustion chamber power, for example at low load or partial load, while at the same time with greater combustion chamber power, for example at full load, the pollutant emissions are reduced compared to operation without pilot burner.
  • the synthesis gas production of the pilot burner can be controlled by the amount of fuel supplied to the pilot burner, while at the same time the amount of air supplied to the pilot burner is kept constant.
  • the hydrogen gas content in the synthesis gas is thus controlled via the fuel / air ratio supplied to the catalytic pilot burner.
  • the burner according to the invention is designed so that a larger proportion of the synthesis gas is introduced radially into the burner and / or into the combustion chamber with respect to a longitudinal axis of the respective burner, while a smaller proportion of the synthesis gas with respect to the longitudinal axis axially the burner is introduced or in the combustion chamber. It has been found that with a predominantly radial introduction of the synthesis gas, the best results with regard to pollutant emissions and combustion stabilization can be achieved.
  • Fig. 1 is a greatly simplified, principal longitudinal section through a
  • Fig. 2a is a longitudinal section as in Fig. 1, but at another
  • FIG. 2b shows a cross section through the burner of FIG. 2a
  • Fig. 3 is a greatly simplified axial view of an annular combustion chamber according to the invention.
  • an inventive burner 1 of a combustion chamber 2 (see Fig. 3) comprises a catalytically operating pilot burner 3.
  • the burner 1 comprises a fuel supply 4, which is indicated here only by an arrow and in operation of the burner 1 this supplied with fuel.
  • an additional fuel supply 5 is provided, which is likewise symbolized by an arrow and which supplies the pilot burner 3 with fuel during operation of the burner 1.
  • an air supply 6 is provided, which is provided jointly for the burner 1 and its pilot burner 3. This common air supply 6 is designed in a manner not further explained in such a way that it distributes the supplied air to the burner 1, see arrows 7, and the pilot burner 3, see arrow 8.
  • the burner 1 is used to generate a homogeneous combustion reaction in a combustion chamber 9 of the combustion chamber 2, which is arranged downstream of the burner 1 in the assembled state.
  • the combustion chamber 2 in turn serves to generate hot gases for acting on a gas turbine, in particular a power plant.
  • the burner 1 also has a mixture forming space 10, which is open in the assembled state to the combustion chamber 9.
  • the air supply 6 brings the burner 1 associated air quantity 7 in this mixture forming space 10 a.
  • the introduction takes place here in a tangential flow over axially aligned gaps in the burner wall 11, which the mixture formation space 10 circumferentially enveloped with respect to a longitudinal axis 12 of the burner 1.
  • the fuel supply 4 supplies the amount of fuel allocated to the burner 1 to the mixture-forming space 10, which is symbolized here by a plurality of arrows 13.
  • the fuel supply 4 extends within the burner wall 11. Usually, such a burner 1 is operated lean to achieve the lowest possible combustion reaction in the combustion chamber 9.
  • the catalytically operating pilot burner 3 is supplied via the air supply 6, a certain proportion of the total amount of air supplied to the burner 1, namely the partial air amount 8.
  • the auxiliary fuel supply 5 is now operated so that a rich fuel / air mixture adjusts to the Pilot burner 3 is supplied.
  • Catalyst of the pilot burner 3 a partial oxidation of the fuel, in which a synthesis gas containing hydrogen gas is produced as combustion exhaust gas.
  • This synthesis gas is then introduced according to arrows 14 and 15 from the pilot burner 3 into the mixture formation space 10 or into the combustion space 9.
  • a part of the synthesis gas with respect to the longitudinal axis 12 is introduced substantially radially into the mixture formation space 10.
  • a different part of the synthesis gas with respect to the longitudinal axis 12 is injected substantially axially into the mixture formation space 10 and into the combustion chamber 9, respectively.
  • the radially introduced synthesis gas fraction 14 is now greater than the axially introduced synthesis gas fraction 15.
  • This particular division of the synthesis gas introduction into the mixture formation space 10 or into the combustion chamber 9 is based on the finding that with the aid of this distribution of the synthesis gas injection, particularly favorable results for a low Nitrogen oxide production and a stabilizing effect for the homogeneous combustion reaction in the combustion chamber 9 can be achieved.
  • the pilot burner 3 can be designed, for example, such that at least 50% to 70% of the synthesis gas generated by the pilot burner 3 enters the mixture-forming space 10 radially. Accordingly, the proportion of the synthesis gas, which is introduced axially from the pilot burner 3 into the mixture formation space 10 or into the combustion space 9, is at most 30% to 50%.
  • pilot burner 3 it may be expedient to design the pilot burner 3 in addition such that the radially introduced amount of synthesis gas 14 at least partially also has a tangential component with respect to the longitudinal axis 12.
  • the pilot burner 3 can have a lance 16.
  • the lance 16 extends coaxially with the longitudinal axis 12 of the burner 1. Furthermore, the lance 16 projects axially from a burner head 17 and protrudes into the mixture-forming space 10.
  • the lance 16 has corresponding, only partially indicated radial outlet openings 18 and at least one axial outlet opening 19th
  • the burner 1 in another embodiment may have a pilot burner 3, which is integrated in the burner wall 11.
  • a catalytically active channel is integrated into the burner wall 11 for this purpose.
  • a catalyst further upstream and to integrate only the exhaust gas channels in the burner wall 11, which then transport the synthesis gas.
  • the burner wall 11 includes a plurality of radial outlet openings 20, through which the larger radial synthesis gas 14 enters the mixture forming space 10.
  • the burner wall 11 contains a plurality of axial outlet openings 21, through which then the smaller axial proportion of synthesis gas 15 can be injected into the combustion chamber 9.
  • the burner 1 shown in FIG. 2a operates essentially identically to the burner 1 shown in FIG. 1, wherein the radial fuel injection 13 is shown in simplified form in FIG. 2a.
  • a combustion chamber 2 which according to the invention is designed as an annular combustion chamber, comprises a plurality of burners 1, which are arranged distributed in an annular manner upstream of the combustion chamber 9, not shown in FIG.
  • Each of these burners 1 is equipped with a pilot burner 3, which operates catalytically and can generate the hydrogen gas-containing synthesis gas.
  • a common air supply 22 is provided for all burners 1, which is symbolized here by an arrow.
  • the burners 1 are usually divided into fuel supply groups. For example, two burner groups are provided to which each half of all burners 1 is assigned. Each burner group has its own fuel supply 23 or 23 '.
  • the burners 1 of one group are expediently arranged alternately with the burners 1 of the other group.
  • the pilot burners 3 of the one group can be supplied with fuel via a common auxiliary fuel supply 24, while the pilot burners 3 of the other burner group are supplied with fuel via a further common additional fuel supply 24 '.
  • the air supply within the individual burners 1 takes place again together, with a constant distribution of the supplied air quantity to the respective burner 1 and the associated pilot burner 3.
  • the burners 1 in the combustion chamber 2 can be operated as follows:
  • combustion chamber 2 is to produce a comparatively low combustion chamber power, on the one hand the fuel supply 23 or 23 'of the
  • Burner 1 reduced accordingly.
  • the pilot burners 3 are controlled in such a way that they each generate a synthesis gas which contains a comparatively high proportion of hydrogen gas.
  • This synthesis gas is introduced via the pilot burner 3 into the mixture-forming chambers 10 of the burners 1 and into the combustion chamber 9 of the combustion chamber 2, where it causes a lowering of the extinguishing limit due to its high proportion of hydrogen gas.
  • the extinction limit was lowered by about 100 K.
  • the combustion reaction in the combustion chamber 9 can proceed stably, even if the temperature in the combustion chamber 9 is comparatively low due to the reduced combustion chamber power.
  • a low combustion chamber performance is characterized by an exit temperature of the combustion exhaust gases from the combustion chamber 9 of at most 1600 K. The low combustion chamber temperatures do not lead to an increase in nitrogen oxide formation despite the relatively high proportion of hydrogen gas.
  • the burners 1 are supplied with a correspondingly increased amount of fuel.
  • the pilot burners 3 are controlled so that the synthesis gas generated by them contains a lower proportion of hydrogen gas.
  • the increased fuel supply via the burner 1 leads to an increase in the temperature in the combustion chamber 9, whereby the combustion chamber power increases.
  • the comparatively low proportion of hydrogen gas in the synthesis gas leads to a significant reduction in nitrogen oxide formation at high combustion chamber temperatures. Accordingly, with the help of syngas injection, the Pollutant emissions are significantly reduced. In the experiment, the nitrogen oxide formation could be reduced by about 33%.
  • the synthesis gas injected from the pilot burners 3 contains at the low burner chamber capacity a hydrogen gas content of at least 30% by volume.
  • the hydrogen gas content at the low combustor power is between 30% by volume and 50% by volume.
  • the hydrogen gas content in the synthesis gas at a high combustion chamber capacity is at most 30% by volume, in particular in a range from 5% by volume to 30% by volume.
  • the synthesis gas production or the hydrogen gas fraction in the synthesis gas can be changed particularly easily in the catalytically operating pilot burners 3 by varying the fuel / air ratio.
  • This fuel / air ratio can be particularly easy to change by varying the amount of fuel supplied to the pilot burners 3, which is relatively easy to implement.
  • the amount of air supplied remains substantially constant, so that expensive control and regulating devices can be dispensed with here.
  • the inventive operation of the combustion chamber 2 and its burner 1 ensures that the combustion chamber 2 can be operated comparatively stable at low power, while at high combustion chamber performance, the production of nitrogen oxides can be greatly reduced.
  • pilot burners 3 in the burner 1 of the annular combustion chamber 2 has an additional valuable advantage.
  • annular combustion chambers 2 there are usually undesirable interactions of the individual burner 1 with each other. These interactions can too Pulsations and thus lead to an undesirable vibration load on the components and to an undesirable noise pollution of the environment.
  • the interactions can reduce the stability of the combustion reactions, locally increase the temperature and thus support the formation of nitrogen oxides.
  • the amount of air supplied to the individual burners 1 can deviate from an ideal air quantity or set air quantity. Since, as explained above, the distribution of the quantity of air supplied to the individual burner 1 to the burner 1 and its pilot burner 3 is constant, the quantity of air supplied to the individual pilot burner 3 changes in the same proportion as the total quantity of air supplied to the individual burner 1 , If the total amount of air or actual air quantity actually supplied to the individual burner 1 deviates from the desired setpoint air quantity, the quantity of air supplied to the respective pilot burner 3 also changes as a result. Since in a stationary operation of the combustion chamber 2, the amount of fuel supplied to the pilot burner 3 remains constant, a change in the amount of air leads to a change in the fuel / air ratio.
  • the fuel / air ratio correlates with the synthesis gas production or with the hydrogen gas content in the synthesis gas generated by the catalytic pilot burners 3.
  • the combustion air / fuel ratio increases.
  • An increased combustion air / fuel ratio increases the hydrogen gas content in the synthesis gas and leads to an increased exhaust gas temperature of the respective pilot burner 3, ie to an increased synthesis gas temperature.
  • the portion of the flame front associated with this burner 1 or this pilot burner 3 is moved upstream in the combustion chamber 9. This local change in position of the flame front increases the pressure drop at this burner 1, that is to say its flow resistance, and as a result leads to a reduction of the quantity of air supplied to this burner 1. In this way, the actual air quantity decreases and approaches the set air quantity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer (2) einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage, wobei die Brennkammer (2) zumindest einen Brenner (1) aufweist, der mit einem katalytischen Pilot-Brenner (3) ausgestattet ist. Um die Stabilität der Verbrennung und die Schadstoffemission der Brennkammer (2) zu verbessern, wird der Pilot-Brenner (3) bei einer niedrigen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert, dass er ein Synthesegas mit einem hohen Anteil an Wasserstoffgas erzeugt, und bei einer hohen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert, dass das erzeugte Synthesegas einen niedrigen Anteil an Wasserstoffgas aufweist.

Description

Brennkammer mit Brenner und zugehöriges Betriebsverfahren
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage. Die Erfindung betrifft außerdem einen mit einem katalytischen Pilot-Brenner ausgestatteten Brenner für eine Brennkammer einer Gasturbine. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Ringbrennkammer, die mit mehreren derartigen Brennern ausgestattet ist.
Stand der Technik
Aus der US 6,358,040 ist ein katalytischer Brenner bekannt, der im Betrieb aus einem fetten Brennstoff/Luft-Gemisch ein Wasserstoffgas enthaltendes Synthesegas generieren kann und der als Pilot-Brenner für einen üblicherweise mager betriebenen Brenner einer Brennkammer einer Gasturbine verwendet werden kann. Durch die Eindüsung eines Wasserstoffgas enthaltenden
Synthesegases in den Brenner bzw. in einen Brennraum der Brennkammer kann die homogene Verbrennungsreaktion, die im Betrieb der Brennkammer in deren Brennraum abläuft, stabilisiert werden. Insbesondere kann dadurch die Löschtemperatur der Verbrennungsreaktion bei mager betriebenen Brennern gesenkt werden. Insgesamt können dadurch die Verbrennungstemperaturen im Brennraum der Brennkammer reduziert werden. Dies ist von besonderem Vorteil, da die Bildung von Stickoxiden exponentiell mit der Reaktionstemperatur ansteigt. Um jedoch die Brennkammer mit einer höheren Leistung betreiben zu können, muss die Brennkammer so betrieben werden, dass sie eine höhere Austrittstemperatur erreicht.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den
Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkammer der eingangs genannten Art einen Weg aufzuzeigen, der bei variierender Brennkammerleistung einen sicheren Betrieb sowie niedrige Schadstoffemissionen ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Pilotbrenner in Abhängigkeit von der Brennkammerleistung so anzusteuern, dass das damit erzeugte Synthesegas bei einer niedrigen Brennkammerleistung einen vergleichsweise hohen Anteil an Wasserstoffgas enthält, während es bei einer vergleichsweise hohen Brennkammerleistung einen relativ niedrigen Anteil an Wasserstoffgas enthält. Die Erfindung nutzt hierbei die
Erkenntnis, dass Synthesegas mit einem relativ niedrigen Anteil an Wasserstoffgas bei hohen Flammentemperaturen die Stickstoffbildung relativ stark reduziert. Gleichzeitig ist bei hohen Flammentemperaturen eine Absenkung der Löschgrenze nicht erforderlich. Im Unterschied dazu würde ein Synthesegas mit hohem Wasserstoffgasanteil bei hohen Flammentemperaturen die Schadstoff- emission, insbesondere die Stickoxidemission, verstärken. Des weiteren nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass bei niedrigeren Flammentemperaturen die Eindüsung von Synthesegas mit einem relativ hohen Wasserstoffgasanteil die homogene Verbrennungsreaktion signifikant stabilisiert, indem die Löschgrenze deutlich herabgesenkt wird. Gleichzeitig kommt es dabei nicht zu einer Erhöhung der Stickoxidbildung.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren führt somit zu einem stabilisierten Betrieb der Brennkammer bei vergleichsweise kleiner Brennkammerleistung, zum Beispiel bei Niedriglast oder Teillast, während gleichzeitig bei größerer Brennkammerleistung, zum Beispiel bei Volllast, die Schadstoffemissionen im Vergleich zu einem Betrieb ohne Pilot-Brenner reduziert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, kann die Synthesegaserzeugung des Pilot-Brenners durch die dem Pilot-Brenner zugeführte Brennstoffmenge gesteuert werden, während gleichzeitig die dem Pilot-Brenner zugeführte Luftmenge konstant gehalten wird. Der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas wird somit über das dem katalytischen Pilot-Brenner zugeführte Brennstoff/Luft- Verhältnis gesteuert. Bei einer derartigen Vorgehensweise können aufwändige Regelungs- und Steuerungseinrichtungen für die Luftversorgung des Pilot- Brenners eingespart werden.
Auf diese Weise kann für den Brenner und den zugehörigen Pilot-Brenner eine gemeinsame Luftversorgung vorgesehen werden, die so ausgestaltet ist, dass sie die zugeführte Luft mit einer konstanten Aufteilung auf den Brenner und den zugehörigen Pilot-Brenner verteilt. Ein auf diese Weise ausgestalteter Brenner kann vergleichsweise kostengünstig realisiert werden, da auf besagte Regelungs- und Steuerungseinrichtungen für die Luftversorgung des Pilot- Brenners verzichtet werden kann. Bei einer anderen wichtigen Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Brenner so ausgestaltet, dass ein größerer Anteil des Synthesegases bezüglich einer Längsachse des jeweiligen Brenners radial in den Brenner und/oder in die Brennkammer eingebracht wird, während ein kleinerer Anteil des Synthese- gases bezüglich der Längsachse axial in den Brenner bzw. in die Brennkammer eingebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einer vorwiegend radialen Einbringung des Synthesegases die besten Ergebnisse im Hinblick auf Schadstoffemissionen und Verbrennungsstabilisierung erzielt werden können.
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 ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen
Brenner nach der Erfindung,
Fig. 2a einen Längsschnitt wie in Fig. 1 , jedoch bei einer anderen
Ausführungsform,
Fig. 2b einen Querschnitt durch den Brenner gemäß Fig. 2a, Fig. 3 eine stark vereinfachte axiale Ansicht einer Ringbrennkammer nach der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 und 2a umfasst ein erfindungsgemäßer Brenner 1 einer Brennkammer 2 (vgl. Fig. 3) einen katalytisch arbeitenden Pilot-Brenner 3. Der Brenner 1 umfasst eine Brennstoffversorgung 4, die hier lediglich durch einen Pfeil angedeutet ist und die im Betrieb des Brenners 1 diesen mit Brennstoff versorgt. Des weiteren ist eine Zusatzbrennstoffversorgung 5 vorgesehen, die ebenfalls durch einen Pfeil symbolisiert ist und die im Betrieb des Brenners 1 den Pilot-Brenner 3 mit Brennstoff versorgt. Außerdem ist eine Luftversorgung 6 vorgesehen, die für den Brenner 1 und dessen Pilot-Brenner 3 gemeinsam vorgesehen ist. Diese gemeinsame Luftversorgung 6 ist auf nicht näher erläuterte Weise so ausgestaltet, dass sie die zugeführte Luft auf den Brenner 1 , vergleiche Pfeile 7, und den Pilot-Brenner 3, vergleiche Pfeil 8, verteilt.
Der Brenner 1 dient zur Erzeugung einer homogenen Verbrennungsreaktion in einem Brennraum 9 der Brennkammer 2, der im montierten Zustand stromab des Brenners 1 angeordnet ist. Die Brennkammer 2 dient ihrerseits zur Erzeugung von Heißgasen zur Beaufschlagung einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage.
Der Brenner 1 weist außerdem einen Gemischbildungsraum 10 auf, der im montierten Zustand zum Brennraum 9 hin offen ist. Die Luftversorgung 6 bringt die dem Brenner 1 zugeordnete Luftmenge 7 in diesen Gemischbildungsraum 10 ein. Die Einbringung erfolgt hierbei in einer tangentialen Strömung über axial ausgerichtete Spalte in der Brennerwand 11 , welche den Gemischbildungsraum 10 bezüglich einer Längsachse 12 des Brenners 1 umfangsmäßig umhüllt. Ebenfalls im Bereich der axialen Spalte zur Einbringung der Verbrennungsluft führt die Brennstoffversorgung 4 die dem Brenner 1 zugeordnete Brennstoffmenge dem Gemischbildungsraum 10 zu, was hier durch mehrere Pfeile 13 symbolisiert ist. Die Brennstoffversorgung 4 erstreckt sich dabei innerhalb der Brennerwand 11. Üblicherweise wird ein derartiger Brenner 1 mager betrieben, um eine möglichst schadstoffarme Verbrennungsreaktion im Brennraum 9 zu erzielen.
Dem katalytisch arbeitenden Pilot-Brenner 3 wird über die Luftversorgung 6 ein bestimmter Anteil der dem Brenner 1 insgesamt zugeführten Luftmenge zugeführt, nämlich die Teilluftmenge 8. Die Zusatzbrennstoffversorgung 5 wird nun so betätigt, dass sich ein fettes Brennstoff/Luft-Gemisch einstellt, das dem Pilot-Brenner 3 zugeführt wird. Durch die Auswahl des jeweiligen Brenn- stoff/Luft- Verhältnisses sowie der zugehörigen Betriebsparameter erfolgt im
Katalysator des Pilot-Brenners 3 eine Teiloxidation des Brennstoffs, bei dem ein Wasserstoffgas enthaltendes Synthesegas als Verbrennungsabgas entsteht. Dieses Synthesegas wird dann entsprechend Pfeilen 14 und 15 vom Pilot- Brenner 3 in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 eingebracht. Entsprechend den Pfeilen 14 wird ein Teil des Synthesegases bezüglich der Längsachse 12 im wesentlichen radial in den Gemischbildungsraum 10 eingebracht. Im Unterschied dazu wird gemäß den Pfeilen 15 ein anderer Teil des Synthesegases bezüglich der Längsachse 12 im wesentlichen axial in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 eingedüst.
Erfindungsgemäß ist nun der radial eingebrachte Synthesegasanteil 14 größer als der axial eingebrachte Synthesegasanteil 15. Diese spezielle Aufteilung der Synthesegaseinbringung in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 beruht auf der Erkenntnis, dass mit Hilfe dieser Verteilung der Synthesegaseindüsung besonders günstige Resultate für eine niedrige Stickoxidproduktion und eine stabilisierende Wirkung für die homogene Verbrennungsreaktion im Brennraum 9 erzielt werden können. Der Pilot- Brenner 3 kann dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise so ausgestaltet sein, dass mindestens 50% bis 70% des vom Pilot-Brenner 3 generierten Synthesegases radial in den Gemischbildungsraum 10 eintreten. Dementsprechend liegt der Anteil des Synthesegases, das vom Pilot-Brenner 3 axial in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 eingebracht wird, bei höchstens 30% bis 50%.
Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, den Pilot-Brenner 3 außerdem so auszugestalten, dass die radial eingebrachte Synthesegasmenge 14 zumindest teilweise auch eine bezüglich der Längsachse 12 tangentiale Komponente aufweist.
Entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann der Pilot-Brenner 3 eine Lanze 16 aufweisen. Die Lanze 16 erstreckt sich dabei koaxial zur Längsachse 12 des Brenners 1. Des weiteren steht die Lanze 16 von einem Brennerkopf 17 axial ab und ragt dabei in den Gemischbildungsraum 10 hinein. Zur Verwirklichung der radialen und der axialen Eindüsung des Synthesegases in den Gemischbildungsraum 10 und/oder in den Brennraum 9 verfügt die Lanze 16 über entsprechende, hier nur zum Teil angedeutete radiale Austrittsöffnungen 18 sowie über zumindest eine axiale Austrittsöffnung 19.
Alternativ kann gemäß den Fig. 2a und 2b der Brenner 1 bei einer anderen Ausführungsform einen Pilot-Brenner 3 aufweisen, der in die Brennerwand 11 integriert ist. Beispielsweise ist hierzu ein katalytisch aktiver Kanal in die Brennerwand 11 integriert. Ebenso ist es möglich, einen Katalysator weiter stromauf anzuordnen und lediglich die Abgaskanäle in die Brennerwand 11 zu integrieren, die dann das Synthesegas transportieren. Jedenfalls enthält die Brennerwand 11 mehrere radiale Austrittsöffnungen 20, durch welche der größere radiale Synthesegasanteil 14 in den Gemischbildungsraum 10 eintritt. Des weiteren enthält die Brennerwand 11 mehrere axiale Austrittsöffnungen 21 , durch welche dann der kleinere axiale Synthesegasanteil 15 in den Brennraum 9 eingedüst werden kann.
Hinsichtlich der Brennstoffversorgung 4 und der Luftversorgung 7 des Brenners 1 arbeitet der in Fig. 2a gezeigte Brenner 1 im wesentlichen identisch wie der in Fig. 1 gezeigte Brenner 1 , wobei die radiale Brennstoffeindüsung 13 in Fig. 2a vereinfacht wiedergegeben ist.
Entsprechend Fig. 3 umfasst eine Brennkammer 2, die erfindungsgemäß als Ringbrennkammer ausgestaltet ist, mehrere Brenner 1 , die stromauf des in Fig. 3 nicht gezeigten Brennraums 9 ringförmig verteilt angeordnet sind. Jeder dieser Brenner 1 ist mit einem Pilot-Brenner 3 ausgestattet, der katalytisch arbeitet und das wasserstoffgashaltige Synthesegas generieren kann.
Üblicherweise ist für sämtliche Brenner 1 eine gemeinsame Luftversorgung 22 vorgesehen, die hier durch einen Pfeil symbolisiert ist. Des weiteren sind die Brenner 1 üblicherweise für die Versorgung mit Brennstoff in Gruppen eingeteilt. Beispielsweise sind zwei Brennergruppen vorgesehen, denen jeweils die Hälfte aller Brenner 1 zugeordnet ist. Jede Brennergruppe verfügt über eine eigene Brennstoffversorgung 23 bzw. 23'. Zweckmäßig sind die Brenner 1 der einen Gruppe wechselweise mit den Brennern 1 der anderen Gruppe angeordnet. In entsprechender weise können die Pilot-Brenner 3 der einen Gruppe über eine gemeinsame Zusatzbrennstoffversorgung 24 mit Brennstoff versorgt werden, während die Pilot-Brenner 3 der anderen Brennergruppe über eine weitere gemeinsame Zusatz-Brennstoffversorgung 24' mit Brennstoff versorgt werden. Die Luftversorgung innerhalb der einzelnen Brenner 1 erfolgt wieder gemeinsam, und zwar mit einer konstanten Aufteilung der zugeführten Luftmenge auf den jeweiligen Brenner 1 und den zugehörigen Pilot-Brenner 3. Erfindungsgemäß können die Brenner 1 bei der Brennkammer 2 wie folgt betrieben werden:
Wenn die Brennkammer 2 eine vergleichsweise niedrige Brennkammerleistung erzeugen soll, wird zum einen die Brennstoffversorgung 23 bzw. 23' der
Brenner 1 entsprechend reduziert. Zum anderen werden die Pilot-Brenner 3 so angesteuert, dass sie jeweils ein Synthesegas erzeugen, das einen vergleichsweise hohen Anteil an Wasserstoffgas enthält. Dieses Synthesegas wird über die Pilot-Brenner 3 in die Gemischbildungsräume 10 der Brenner 1 bzw. in den Brennraum 9 der Brennkammer 2 eingebracht und bewirkt dort aufgrund seines hohen Wasserstoffgas-Anteils eine Absenkung der Löschgrenze. Im Experiment konnte die Löschgrenze um etwa 100 K abgesenkt werden. Auf diese Weise kann die Verbrennungsreaktion im Brennraum 9 stabil ablaufen, auch wenn die Temperatur im Brennraum 9 aufgrund der reduzierten Brenn- kammerleistung vergleichsweise niedrig ist. Beispielsweise charakterisiert sich eine niedrige Brennkammerleistung durch eine Austrittstemperatur der Verbrennungsabgase aus dem Brennraum 9 von maximal 1600 K. Die niedrigen Brennraumtemperaturen führen dabei trotz des relativ hohen Wasserstoffgasanteils nicht zu einer Zunahme der Stickoxidbildung.
Für den Fall, dass die Brennkammer 2 eine vergleichsweise hohe Brennkammerleistung abgeben soll, werden zum einen die Brenner 1 mit einer entsprechend erhöhten Brennstoffmenge versorgt. Zum anderen werden die Pilot-Brenner 3 so angesteuert, dass das von ihnen erzeugte Synthesegas einen niedrigeren Anteil an Wasserstoffgas enthält. Die erhöhte Brennstoffzufuhr über die Brenner 1 führt zu einer Anhebung der Temperatur im Brennraum 9, wodurch die Brennkammerleistung zunimmt. Der vergleichsweise niedrige Wasserstoffgasanteil im Synthesegas führt bei hohen Brennraumtemperaturen zu einer signifikanten Absenkung der Stickoxidbildung. Dementsprechend können mit Hilfe der Synthesegaseindüsung die Schadstoffemissionen deutlich reduziert werden. Im Experiment konnte die Stickoxidbildung um etwa 33% reduziert werden.
Vorzugsweise enthält das von den Pilot-Brennern 3 eingedüste Synthesegas bei der niedrigen Brennerkammerleistung einen Wasserstoffgasanteil von mindestens 30 Vol%. Vorzugsweise liegt der Wasserstoffgasanteil bei der niedrigen Brennkammerleistung zwischen 30 Vol% und 50 Vol%. Im Unterschied dazu liegt der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas bei hoher Brennkammerleistung bei maximal 30 Vol%, insbesondere in einem Bereich von 5 Vol% bis 30 Vol%.
Die Synthesegasproduktion bzw. der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas können bei den katalytisch arbeitenden Pilot-Brennern 3 besonders einfach durch Variation des Brennstoff/Luft-Verhältnisses verändert werden. Dieses Brennstoff/Luft-Verhältnis lässt sich seinerseits besonders einfach durch Variation der den Pilot-Brennern 3 zugeführten Brennstoffmenge verändern, was relativ einfach realisierbar ist. Im Unterschied dazu bleibt die zugeführte Luftmenge im wesentlichen konstant, so dass hier auf aufwändige Steuerungsund Regelungseinrichtungen verzichtet werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Betriebsweise der Brennkammer 2 bzw. deren Brenner 1 wird erreicht, dass die Brennkammer 2 bei niedriger Leistung vergleichsweise stabil betrieben werden kann, wobei gleichzeitig bei hoher Brennkammerleistung die Produktion von Stickoxiden stark reduziert werden kann.
Des weiteren hat die Integration von Pilot-Brennern 3 in die Brenner 1 der Ringbrennkammer 2 einen zusätzlichen wertvollen Vorteil. Bei Ringbrennkammern 2 kommt es üblicherweise zu unerwünschten Wechselwirkungen der einzelnen Brenner 1 untereinander. Diese Wechselwirkungen können zu Pulsationen und somit zu einer unerwünschten Schwingungsbelastung der Bauteile sowie zu einer unerwünschten Geräuschbelastung der Umgebung führen. Des weiteren können die Wechselwirkungen die Stabilität der Verbrennungsreaktionen reduzieren, lokal die Temperatur erhöhen und somit die Stickoxidbildung unterstützen.
Eine Ursache dieser unerwünschten Wechselwirkungen wird darin gesehen, dass die gemeinsame Luftversorgung der Brenner 1 derselben Brennergruppe die einzelnen Brenner 1 nicht exakt mit derselben Luftmenge versorgt, was beispielsweise auf Herstellungstoleranzen zurückzuführen ist. Um dies auszugleichen, ist es grundsätzlich möglich, die Luftversorgung und/oder die Brennstoffversorgung für jeden Brenner 1 separat zu steuern. Dies ist jedoch mit einem enormen Aufwand verbunden. Hier schafft die erfindungsgemäße Ausstattung der Brenner 1 mit den Pilot-Brennern 3 Abhilfe.
Wie erwähnt, kann die den einzelnen Brennern 1 zugeführte Luftmenge von einer idealen Luftmenge oder Sollluftmenge abweichen. Da - wie oben erläutert - die Aufteilung der dem einzelnen Brenner 1 zugeführten Luftmenge auf den Brenner 1 und dessen Pilot-Brenner 3 konstant ist, ändert sich die dem einzelnen Pilot-Brenner 3 zugeführte Luftmenge im gleichen Verhältnis wie die dem einzelnen Brenner 1 zugeführte Gesamtluftmenge. Weicht nun die dem einzelnen Brenner 1 tatsächlich zugeführte Gesamtluftmenge oder Istluftmenge von der gewünschten Sollluftmenge ab, ändert sich dadurch auch die dem jeweiligen Pilot-Brenner 3 zugeführte Luftmenge. Da bei einem stationären Betrieb der Brennkammer 2 die dem Pilot-Brenner 3 zugeführte Brennstoffmenge konstant bleibt, führt eine Änderung der Luftmenge zu einer Änderung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis korreliert jedoch mit der Synthesegasproduktion bzw. mit dem Wasserstoffgasanteil in dem von den katalytischen Pilot-Brennern 3 generierten Synthesegas. Für den Fall, dass die Istluftmenge größer ist als die Sollluftmenge, nimmt das Verbrennungsluft/Brennstoff- Verhältnis zu. Ein erhöhtes Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis erhöht den Wasserstoffgasanteil im Synthesegas und führt zu einer erhöhten Abgastemperatur des jeweiligen Pilot- Brenners 3, also zu einer erhöhten Synthesegastemperatur. Dies führt dazu, dass der diesem Brenner 1 bzw. diesem Pilot-Brenner 3 zugeordnete Abschnitt der Flammenfront im Brennraum 9 stromauf bewegt wird. Diese lokale Positionsveränderung der Flammenfront erhöht den Druckbfall an diesem Brenner 1 , also dessen Strömungswiderstand, und führt in der Folge zu einer Reduzierung der diesem Brenner 1 zugeführten Luftmenge. Auf diese Weise nimmt die Istluftmenge also ab und nähert sich an die Sollluftmenge an.
Wenn anderenfalls die Istluftmenge kleiner ist als die Sollluftmenge, sinkt das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis. Dies führt dazu, dass sich der zugehörige Flammenfrontabschnitt stromab bewegt, wodurch der Druckverlust durch diesen Brenner 1 entsprechend abnimmt. In der Folge kann die Luftströmung durch diesen Brenner 1 wieder zunehmen und die Istluftmenge steigt.
In der Folge kommt es somit an jedem einzelnen Brenner 1 zu einer individuellen, selbsttätig ablaufenden Regelung der Luftmenge auf einen zuvor bei der Auslegung des jeweiligen Brenners 1 festgelegten Wert. Aufwändige Regelungsstrategien, -einrichtungen und dergleichen sind nicht erforderlich.
Gleichzeitig können mit Hilfe der Pilot-Brenner 3 akustische Wechselwirkungen dadurch reduziert werden, dass das Synthesegas in den Brennraum 9 eingebracht wird. Denn die Zuführung von Brennstoffen höherer Reaktivität führt zu einer Absenkung der akustischen Wechselwirkungen. Bezugszeichenliste
1 Brenner
2 Brennkammer
3 Pilot-Brenner
4 Brennstoffversorgung
5 Zusatz-Brennstoffversorgung
6 Luftversorgung
7 Luftmengenanteil für 1
8 Luftmengenanteil für 3
9 Brennraum
10 Gemischbildungsraum
11 Brennerwand
12 Längsachse von 1
13 Brennstoffmenge
14 radiale Synthesegaseindüsung
15 axiale Synthesegaseindüsung
16 Lanze
17 Brennerkopf
18 radiale Austrittsöffnung
19 axiale Austrittsöffnung
20 radiale Austrittsöffnung
21 axiale Austrittsöffnung
22 Luftversorgung
23 Brennstoffversorgung
24 Zusatz-Brennstoffversorgung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer (2) einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage,
- wobei die Brennkammer (2) zumindest einen Brenner (1) aufweist, der mit einem katalytischen Pilot-Brenner (3) ausgestattet ist,
- wobei der Pilot-Brenner (3) bei einer niedrigen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert wird, dass er als Reaktionsprodukt ein Synthesegas mit einem hohen Anteil an Wasserstoffgas erzeugt,
- wobei der Pilot-Brenner (3) bei einer hohen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert wird, dass das erzeugte Synthesegas einen niedrigen Anteil an Wasserstoffgas aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Synthesegas bei niedriger Brennkammerleistung einen Anteil von mindestens 30 Vol% an Wasserstoffgas enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass bei niedriger Brennkammerleistung der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas zwischen 30 Vol% und 50 Vol% liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Synthesegas bei hoher Brennkammerleistung einen Anteil von höchstens 30 Vol% an Wasserstoffgas enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass bei hoher Brennkammerleistung der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas zwischen 5 Vol% und 30 Vol% liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Brennkammer (2) bei niedriger Brennkammerleistung eine Austrittstemperatur von maximal 1600 Kaufweist, und/oder
- dass die Brennkammer (2) bei hoher Brennkammerleistung eine Austrittstemperatur von mindestens 1800 K aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein größerer Anteil (14) des Synthesegases bezüglich einer Längsachse (12) des jeweiligen Brenners (1) radial in den Brenner (1) und/oder in die Brennkammer (2) eingebracht wird, und
- dass ein kleinerer Anteil (15) des Synthesegases bezüglich der Längsachse (12) axial in den Brenner (1) und/oder in die Brennkammer (2) eingebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Anteil des Synthesegases von mindestens 50% bis 70% radial eingebracht wird, und - dass ein Anteil des Synthesegases von höchstens 30% bis 50% axial eingebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das radial eingebrachte Synthesegas zumindest teilweise auch eine bezüglich der Längsachse (12) tangentiale Komponente aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Brenner (1) und den zugehörigen Pilot-Brenner (3) eine gemeinsame Luftversorgung (6) mit konstanter Aufteilung der Luft auf den Brenner (1) und den Pilot-Brenner (3) vorgesehen ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthesegaserzeugung des Pilot-Brenners (3) durch die dem Pilot- Brenner (3) zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird, während die dem Pilot- Brenner (3) zugeführte Luftmenge konstant gehalten wird.
12. Brenner für eine Brennkammer (2) einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage, umfassend
- einen katalytischen Pilot-Brenner (3),
- eine für Brenner (1) und Pilot-Brenner (3) gemeinsame Luftversorgung (6), die die zugeführte Luft mit konstanter Aufteilung auf den Brenner (1 ) und den
Pilot-Brenner (3) verteilt,
- eine Brennstoffversorgung (4) zur Versorgung des Brenners (1) mit Brennstoff,
- eine Zusatzbrennstoffversorgung (5) zur Versorgung des Pilot-Brenners (3) mit Brennstoff.
13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, - dass der Brenner (1) einen Gemischbildungsraum (10) aufweist, der im montierten Zustand zu einem Brennraum (9) der Brennkammer (2) hin offen ist,
- dass die Luftversorgung (6) im Betrieb des Brenners (1) die dem Brenner (1) zugeordnete Luft in den Gemischbildungsraum (10) einbringt,
- dass der Pilot-Brenner (3) im Betrieb ein vom Pilot-Brenner (3) erzeugtes, Wasserstoffgas enthaltendes Synthesegas bezüglich einer Längsachse (12) des Brenners (1) zu einem größeren Anteil (14) radial und zu einem kleineren Anteil (15) axial in den Gemischbildungsraum (10) und/oder in den Brennraum (9) einbringt.
14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Pilot-Brenner (3) eine Lanze (16) aufweist, die koaxial zur Längsachse (12) des Brenners (1 ) von einem Brennerkopf (17) abstehend in den Gemischbildungsraum (10) hineinragt,
- dass die Lanze (16) mehrere radiale Austrittsöffnungen (18) und wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (19) für das Synthesegas aufweist.
15. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Pilot-Brenner (3) zumindest teilweise in eine den Gemischbildungsraum (10) bezüglich der Längsachse (12) des Brenners (1) umfangsmäßig umhüllende Brennerwand (11) integriert ist, und - dass der Pilot-Brenner (3) in der Brennerwand (11) mehrere radiale
Austrittsöffnungen (20) und am axialen freien Ende der Brennerwand (11) mehrere axiale Austrittsöffnungen (21) für das Synthesegas aufweist.
16. Ringbrennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage, - mit mehreren ringförmig verteilt angeordneten Brennern (1 ), die jeweils einen katalytischen Pilot-Brenner (3) aufweisen,
- wobei jeder dieser Brenner (1 ) eine dem Brenner (1) und dessen Pilot- Brenner (3) zugeordnete gemeinsame Luftversorgung (6) aufweist, welche zugeführte Luft mit konstanter Aufteilung auf den Brenner (1 ) und den Pilot- Brenner (3) verteilt,
- wobei die Pilot-Brenner (3) im Betrieb der Brennkammer (2) ein Wasserstoffgas enthaltendes Synthesegas generieren und in einen Gemischbildungsraum (10) des zugehörigen Brenners (1 ) und/oder in einen Brennraum (9) der Brennkammer (2) einleiten, der stromab der Gemischbildungsräume (10) der Brenner (1 ) angeordnet ist.
17. Ringbrennkammer gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 12 bis 16.
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