EP4083501A1 - Verbrennungseinrichtung zur verbrennung von wasserstoff und verfahren zur durchführung der verbrennung - Google Patents

Verbrennungseinrichtung zur verbrennung von wasserstoff und verfahren zur durchführung der verbrennung Download PDF

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EP4083501A1
EP4083501A1 EP21171394.6A EP21171394A EP4083501A1 EP 4083501 A1 EP4083501 A1 EP 4083501A1 EP 21171394 A EP21171394 A EP 21171394A EP 4083501 A1 EP4083501 A1 EP 4083501A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
reactant
combustion chamber
hydrogen
steam
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Withdrawn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
EP21171394.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Fiolitakis
Michael Pries
Holger Ax
Tobias Florian BURGARD
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.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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 Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Priority to CN202280030965.8A priority patent/CN117280156A/zh
Priority to ES22713411T priority patent/ES3046230T3/es
Priority to EP22713411.1A priority patent/EP4298381B1/de
Priority to PCT/EP2022/056210 priority patent/WO2022228766A1/de
Priority to BR112023022583A priority patent/BR112023022583A2/pt
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a combustion device and a method for burning hydrogen with oxygen.
  • Combustion devices of this type are used, inter alia, in power plants in which steam turbines are used to drive generators to generate electricity.
  • a steam capacity is provided with the combustion device.
  • the possibility of using hydrogen efficiently improves the sustainability of energy production.
  • the EP0452839B1 a typical combustor, initially in the form of a cylinder.
  • hydrogen and oxygen are supplied at the upstream end, which burns in the combustion chamber of the combustion device.
  • the resulting steam is discharged downstream and is thus available, for example, to the steam turbine.
  • the wall of the combustion device be specially cooled.
  • a double-walled cylinder is used for this purpose, with a tube bundle being arranged on the inside. Feed water is routed through the tube bundle and injected into the combustion chamber after a deflection through the double-walled cylinder.
  • a combustion device in which oxygen and hydrogen are supplied to a burner.
  • the burner is arranged in a flow channel in such a way that the hot steam produced by the combustion flows through the center of the flow channel.
  • cold steam is supplied to the flow channel. Similar to a flow pump, the cold vapor is entrained by the hot vapor produced by the combustion. The cold steam thus surrounds the hot steam, with the cold steam mixing with the hot steam as the distance increases, and an average temperature that is uncritical for the materials used is established.
  • Object of the present invention is therefore to enable combustion of hydrogen with oxygen, in which a advantageous controlled process management is possible and in which a long service life of the combustion device can be guaranteed.
  • the new concept according to the invention is based on staged combustion, with one of the two reactants being present in excess up to the last stage.
  • each reaction section comprises a combustion chamber and an adjoining transition section.
  • a first supply device is initially required, from which the first reactant can be supplied.
  • a second supply device is required, from which the second reactant can be supplied.
  • the first reactant is hydrogen
  • oxygen is supplied by the second supply device and, conversely, if the first reactant is oxygen, hydrogen is supplied by the second supply device.
  • a water supply is provided, from which a cooling medium can be made available. It can be provided that liquid water or cold steam is supplied. It is the same It is possible for liquid water and cold steam or a mixture of liquid water and cold steam to be made available separately from the water supply.
  • the first reaction portion having the first combustion chamber has at least one injection nozzle arranged on the upstream side.
  • the first reactant i.e. hydrogen or oxygen
  • the first combustion chamber is introduced into the first combustion chamber through the injection nozzle.
  • a connection from the first supply device to the injection nozzle is obviously required.
  • the first combustion chamber has at least one injection port on the upstream side through which the second reactant, i.e. oxygen or hydrogen, is introduced into the first combustion chamber.
  • the second reactant i.e. oxygen or hydrogen
  • a cooling medium is supplied during or after the first combustion.
  • a second reaction section with a second combustion chamber, which adjoins the first transition section, is also required.
  • the second transition section of the second reaction section Downstream of the second combustor is the second transition section of the second reaction section. Again, it is provided that at least one water inlet is provided on the second combustion chamber and/or on the second transition section is present, through which in turn a cooling medium can be supplied.
  • At least a third reaction section with a third combustion chamber is required. This follows analogously to the second transition section. Likewise, on the upstream side of the third combustion chamber, there is at least one injection port for repeatedly supplying the second reactant.
  • the third transition section of the third reaction section is located downstream of the third combustion chamber. It is again provided that at least one water inlet is present at the third combustion chamber or at the third transition section, through which a cooling medium can in turn be supplied.
  • one of the two reactants is introduced through the at least one injection nozzle and the other reactant is introduced through the injection openings into the combustion chambers of the stepped reaction sections. It is essential here that the first reactant is always present in excess, except for the final combustion in the last combustion chamber. This means that a larger amount of the first reactant that deviates from the stoichiometric amount is deliberately added.
  • the second reactant is introduced into the first combustion chamber through the injection opening and at least 1.5 times the quantity required for stoichiometric combustion is introduced through the injection nozzle.
  • the second reactant in contrast to the first reactant, only an insufficient portion of the second reactant for complete combustion is introduced into the first combustion chamber.
  • the cooling medium is fed through the at least one water inlet in the first reaction section either into the combustion chamber or the subsequent transition section or both into the combustion chamber and into the transition section.
  • the cooling medium can be liquid water or cold steam. Provision can also be made for liquid water and cold steam to be fed in at the same time via one or separate water openings.
  • the mixture of the hot vapor formed by the combustion and the cooling medium produces a medium-temperature vapor.
  • a mixture of intermediate temperature vapor and the remaining unburned portion of the first reactant exits the first transition section.
  • the first reactant which is supplied in excess at the beginning, is hydrogen
  • oxygen forms the second reactant. Consequently, the mixture at the exit of the transition section consists of steam and hydrogen.
  • the first reactant is oxygen
  • the second reactant is correspondingly hydrogen, and thus the mixture at the exit of the transition section is a mixture of steam and oxygen.
  • the combustion process is repeated in the further reaction sections.
  • the second reactant is supplied in the amount provided for the respective combustion through the respective injection openings.
  • Whether it is necessary to feed in the first reactant depends in particular on the remaining amount fed in from the preceding reaction section. If this is already sufficient, no further supply of the first reaction partner takes place in the corresponding reaction section.
  • the respective supply or its necessity also depends on how high the excess of the first reactant should be in the respective, but not the last, reaction section. At least, if necessary, enough of the first reaction partner is fed in through at least one corresponding injection nozzle so that at least 1.5 times the amount required for stoichiometric combustion is present in the respective (except for the last) combustion chamber.
  • the quantity of the first reactant supplied through the injection nozzle and the quantity of the second reactant supplied through the injection openings are fed into the individual reaction sections of the combustion device in such a way that, except for the last reaction section After each combustion in the respective combustion chambers, a relevant portion of the first reactant remains for the respective subsequent reaction section.
  • the basic idea of the invention is the reduction of the combustion temperature through the reduced supply of the second reactant and thus a change in the mixing ratio deviating from the stoichiometry - apart from the combustion in the combustion chamber of the last reaction section. This means that the combustion does not take place stoichiometrically in a single stage as before, but non-stoichiometric combustion is carried out over at least two reaction sections.
  • the combustion processes in the reaction sections preceding the last combustion can be operated either with an excess of oxidizer (i.e. "lean") or with an excess of fuel (i.e. "rich”).
  • the first reactant is oxygen and the second reactant is hydrogen.
  • the first reactant is hydrogen and the second reactant is oxygen.
  • hydrogen is selected as the first reactant, which is present in excess up to the last combustion process.
  • the amount of oxygen provided for the combustion taking place there is supplied.
  • oxygen is selected as the first reactant, which is analogously present in excess up to the last combustion process.
  • the amount of hydrogen intended for the combustion taking place there is fed into each combustion chamber.
  • the combustion device according to the invention with a multi-stage partial combustion both limits the temperatures occurring during combustion and enables optimal control of the combustion without a significant need for a cooling medium, so that the result is a particularly advantageous combustion of hydrogen.
  • the supply of the first reactant and the supply of the second reactant into the first combustion chamber is adjusted in such a way that the combustion chamber contains at least three times the amount of the first reactant that is required for stoichiometric combustion.
  • the second reactant and, if necessary, the first reactant should be added in such an amount that the combustion chamber contains at least twice the amount of the first reactant required for a stoichiometric ratio.
  • the first reactant required for the entire combustion over the several stages is supplied completely through the at least one injection nozzle into the first combustion chamber.
  • the changing mixing ratio with the increasing vapor is compensated to some extent by the decreasing excess of the first reactant.
  • the entire quantity of the first reactant fed to the combustion device through the injection nozzle and the entire quantity of the second reactant fed to the combustion device through the injection openings is dimensioned in such a way that, if possible, a stoichiometric combustion occurs.
  • complete consumption of both reactants is achieved with the combustion in the last reaction section. In this case, only steam leaves the incinerator.
  • the first reactant and/or the second reactant is advantageously supplied to the last combustion chamber in such an amount that the first reactant and/or the second reactant is present in the last combustion chamber in at least 0.9 times the amount required for stoichiometric combustion.
  • the amount of the other reactant permissible proportionally remaining reactant for the last combustion process is present in an amount which corresponds to at least 1.01 times the amount required for stoichiometric combustion.
  • the permissible remaining reactant is present in the last combustion chamber in an amount that is 1.02 times the amount required for combustion.
  • the proportion should not be increased beyond what is necessary.
  • cooling processes are switched to the individual combustion processes in which liquid water and/or cold steam are used as the cooling medium is added.
  • the cooling medium can be selected differently, ie liquid water or cold steam or liquid water together with cold steam, both for the different reaction sections and for the respective reaction section.
  • the cooling medium is supplied in the respective transition sections.
  • Another advantage is that the combustion in the combustion chamber can be better controlled, and the temperature control, in particular the setting of a desired outlet temperature at the outlet of the respective reaction section, is simplified by the appropriate dimensioning of the coolant quantity. Consequently, the at least one first water inlet is arranged on the first transition section, the at least one second water inlet is arranged on the second transition section and the at least one third water inlet is arranged on the third transition section.
  • a further fourth reaction section is arranged after the third reaction section.
  • This likewise has a fourth combustion chamber, which adjoins the third transitional section, with a fourth injection opening and a fourth transitional section, which adjoins the fourth combustion chamber.
  • a higher combustion temperature could be selected at a higher permissible component temperature (and higher permissible temperature gradients), so that in each Level a higher proportion can be burned.
  • a low permissible component temperature leads to the requirement for a low combustion temperature in the respective combustion chamber. Consequently, the higher the allowable temperatures, the fewer stages should be required. If the components are less temperature-resistant, a higher number of reaction sections can make sense.
  • the supply of the first reactant through the at least one injection nozzle and the supply of the second reactant through the injection openings into the individual combustion chambers of the reaction sections must be dimensioned in such a way that, apart from the last combustion process, each combustion in the respective reaction section there is a remaining portion of the first reactant for the at least one subsequent reaction section.
  • a respective water inlet for the further supply of a coolant is advantageously present at least up to the last reaction section at each transition section. Although this does not appear to be mandatory, a water inlet can also be provided at the transition section of the last reaction section.
  • the shape of the respective combustion chamber and the associated transition section can be selected using known embodiments for combustion chambers and hot gas ducts. At least the respective cross section of the individual sections, ie the combustion chamber and the transition section of the respective reaction sections, will generally have to be adapted to the material flow present in the respective section.
  • a combustion chamber can be designed as a component in the manner of a so-called “tubular combustion chamber” and the transition section as an adjoining component in the manner of a so-called “transition”.
  • a component is advantageously used that extends over a reaction section or, particularly advantageously, over at least two reaction sections, which means that there is no structural separation into the combustion chamber and the transition section.
  • the combustion chamber represents that section of the component in which the combustion is intended to take place in the respective reaction section.
  • the transition section is that partial area of the component which represents the connection from one combustion chamber to the following combustion chamber or to subsequent devices.
  • a temperature determination unit is present in a particularly advantageous manner. This is to be selected in such a way that it is possible to determine a first combustion temperature in the first combustion chamber and a second combustion temperature in the second combustion chamber and to determine a third combustion temperature in the third combustion chamber. If at least one further reaction section is present, it is advantageously possible to also determine the combustion temperature in the at least one further combustion chamber.
  • the temperature determination unit should be able to determine a first starting temperature at the exit of the first transition section and a second starting temperature at the exit of the second transition section and a third starting temperature at the exit of the third transition section to be able to determine. If one or more further reaction sections are present, it is correspondingly advantageous if the other respective exit temperatures at the exit of the respective transition section can also be determined.
  • the combustion temperature or the initial temperature can be determined in different ways. On the one hand, it is conceivable to calculate the temperatures with sufficient accuracy based on the given properties of the combustion device and the data on the media supplied, i.e. the material flows of the first reactant and the second reactant and the cooling medium and its temperatures.
  • sensors to detect the temperature, for example on various housing sections, in order to be able to determine the temperatures inside the combustion device.
  • Other options for determining combustion temperatures are also well known to those skilled in the art and can be used.
  • an advantageous staged combustion can be controlled.
  • the temperatures occurring in the respective combustion process are advantageously limited to that level at which essentially damage-free operation of the combustion device is possible.
  • the combustion device is advantageously controlled in such a way that a respective maximum temperature is not exceeded.
  • it is an advantage if - at least at nominal load - the combustion temperature approaches the maximum temperature and thus a high output can be achieved.
  • the combustion temperature at the maximum output of the combustion device is not less than 100 K, in particular not less than 50 K below the maximum temperature.
  • an optimal supply of the cooling medium can take place on the basis of knowledge of the existing or occurring temperatures.
  • the amount of cooling medium just required is supplied for this purpose, so that an optimum initial temperature results at the outlet of the respective reaction section.
  • the starting temperature should be high enough to allow self-ignition in the subsequent combustion process.
  • the amount of cooling medium supplied is such that the maximum temperature is not exceeded in the subsequent combustion process.
  • a maximum temperature of 1800°C for the combustion process and a target temperature of 1000°C for the desired temperature at the exit of the respective first to penultimate transition section can be selected.
  • the second reactant is added in such a quantity that the maximum temperature is approximately reached by the combustion.
  • the amount of cooling medium that is supplied is such that the initial temperature is reduced to the target temperature, if possible.
  • cold steam can be used as a cooling medium, it is advantageous for the process if liquid water is used. By using liquid water, a further cooling effect is achieved due to the enthalpy of vaporization.
  • Another particular advantage of using liquid water as a cooling medium is the greater formation of steam, while when using cold steam as a cooling medium, it must be available at a low temperature which is too low for other purposes.
  • a combustion device 01 is shown schematically as an example.
  • the combustion device 01 has five reaction sections 11, 21, 31, 41 and 51.
  • Each of the reaction sections 11, 21, 31, 41 and 51 has a respective combustion chamber 12, 22, 32, 42 and 52 in which combustion of hydrogen and oxygen takes place during operation.
  • the first reaction section 11 has a first injection nozzle 14 on the upstream side of the first combustion chamber 12 , which is connected to a first supply device 04 .
  • first procedure it can be provided that hydrogen is supplied by the first supply device 04 and oxygen is supplied by the second supply device 03.
  • the reverse configuration can be carried out with the first supply device 04 for supplying oxygen and with the second supply device 03 for supplying hydrogen.
  • reaction sections 21, 31, 41 and 51 have a combustion chamber 22, 32, 42 and 52 each with a corresponding injection opening 23, 33, 43 and 53 for the further supply of the second reactant.
  • there is no injection nozzle provided since the first reaction partner is already introduced completely via the injection nozzle 14 into the first combustion chamber 12 for all combustion processes.
  • all other injection openings 23, 33, 43 and 53 are also connected to the second supply device 03.
  • transition sections 15, 25, 35, 45 and 55 which each form the connection from a preceding combustion chamber 12, 22, 32, 42 and 52 to the following combustion chamber 22, 32, 42 and 52 or to a subsequent plant part (not shown) form.
  • liquid water is used as the cooling medium.
  • cold steam can also be used.
  • the use of liquid water at one or more water inlets and of cold steam at other water inlets can also be provided. It is also conceivable to mix the cold steam and liquid water as a cooling medium before they are fed into the transition section.
  • At least this diagram again illustrates the preferred combustion process in that the first reactant in this example is only and completely fed into the first combustion chamber in an amount sufficient for all combustions.
  • the second reactant is added successively, so that with each further combustion in the individual combustion chambers, the first reactant is gradually consumed. It is advantageous Amount of the first reactant and the total amount of the second reactant chosen such that in the last combustion a stoichiometric combustion is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff.Die Verbrennungseinrichtung umfassend dabei mehrere in Reihe angeordnete Reaktionsabschnitte (11, 21, 31, 41, 51) die jeweils einen Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42, 52) und einen Übergangsabschnitt (15, 25, 35, 45, 55) aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass außer im letzten Verbrennungsraum (52) jeweils einer der beiden Reaktionspartner im Überschuss vorahnden ist, so dass eine unvollständige Verbrennung erfolgt. Eine jeweils zwischengeschaltete Einspritzung von flüssigem Wasser oder kaltem Dampf gewährleistet eine hinreichend kalte Ausgangstemperatur für den nachfolgenden Verbrennungsprozess.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff. Derartige Verbrennungseinrichtungen werden unter anderem bei Kraftwerken eingesetzt, bei denen mittels Dampfturbinen Generatoren zur Stromerzeugung angetrieben werden. Hierbei wird mit der Verbrennungseinrichtung eine Dampfkapazität bereitgestellt. Insbesondere wird durch die Möglichkeit einer effizienten Nutzung von Wasserstoff die Nachhaltigkeit bei der Energieerzeugung verbessert.
  • Hierzu offenbart beispielsweise die EP0452839B1 eine typische Verbrennungseinrichtung, welche zunächst die Form eines Zylinders aufweist. Dabei wird am stromauf-seitigen Ende Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, welcher im Verbrennungsraum der Verbrennungseinrichtung verbrennt. Der entstehende Dampf wird stromab-seitig abgeführt und steht somit beispielsweise der Dampfturbine zur Verfügung.
  • Ein bekanntes Problem bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff sind die extrem hohen Verbrennungstemperaturen. Dieses führt ohne geeignete Gegenmaßnahmen zur umgehenden Schädigung der Verbrennungseinrichtung. Unter anderem werden die bekannten Ausführungen nahezu ausschließlich zur kurzfristigen Überbrückung bei geforderten Leistungsspitzen oder bei einer unzureichenden anfänglichen Versorgung mit Dampf eingesetzt.
  • Um eine hinreichende Lebensdauer der Verbrennungseinrichtung zu gewährleisten wird in der Regel vorgeschlagen, die Wandung der Verbrennungseinrichtung besonders zu kühlen. Bei der oben genannten Ausführung wird hierzu ein doppelwandiger Zylinder eingesetzt, wobei auf der Innenseite ein Rohrbündel angeordnet ist. Speisewasser wird hierbei durch das Rohrbündel geleitet und nach einer Umlenkung durch den doppelwandigen Zylinder in den Verbrennungsraum eingedüst.
  • Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass das Speisewasser unmittelbar in die Verbrennungszone eingedüst wird. Dieses führt zu einer gewissen Unwägbarkeit, ob eine vollständige Verbrennung des Wasserstoffs erfolgt, ohne dass es einer überschüssigen Zufuhr von Sauerstoff bedarf. Weiterhin führt diese Ausführung zu einer kritischen Prozessführung dahingehend, dass bereits bei einer kurzfristigen Mangelversorgung des Speisewassers eine Schädigung der Verbrennungseinrichtung zu erwarten ist.
  • Aus der DE112018000670T5 ist eine Ausführung einer Verbrennungseinrichtung bekannt, bei dem einem Brenner Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt wird. Hierbei ist der Brenner in einem Strömungskanal derart angeordnet, dass der durch die Verbrennung entstehende heiße Dampf mittig den Strömungskanal durchströmt. Um nun einen vorteilhaften Schutz der Verbrennungseinrichtung zu erreichen, wird dem Strömungskanal kalter Dampf zugeführt. Ähnlich wie bei einer Strömungspumpe wird dabei der kalte Dampf vom heißen, durch die Verbrennung entstehenden Dampf mitgerissen. Somit umgibt der kalte Dampf den heißen Dampf, wobei mit zunehmender Strecke sich der kalte Dampf mit dem heißen Dampf vermischt und sich eine mittlere, für die eingesetzten Materialien unkritische Temperatur einstellt.
  • Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass aufgrund des Effekts der Strahlpumpe eine sehr große Menge an kaltem Dampf im Verhältnis zum erzeugten heißen Dampf erforderlich ist. Weiterhin ist in dieser Ausführung eine optimale Verfahrensführung schwierig einstellbar, da der Verbrennungsprozess und der Zustand des Brenners im Grunde nur theoretisch ermittelt werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu ermöglichen, bei der eine vorteilhafte kontrollierte Verfahrensführung möglich ist und bei der eine hohe Lebensdauer der Verbrennungseinrichtung gewährleistet werden kann.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch eine Verbrennungseinrichtung nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Eine Energieerzeugungseinrichtung ist im Anspruch 4 angegeben. Ein Verfahren zu Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 5 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Konzepten zur Verbrennung von Wasserstoff beruht das neue erfindungsgemäße Konzept auf der gestuften Verbrennung, wobei bis auf die letzte Stufe einer der beiden Reaktionspartner im überschüssigen Maße vorhanden ist.
  • Hierzu ist es erforderlich, dass die Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung der beiden Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff mehrere Reaktionsabschnitte aufweist. Jeder Reaktionsabschnitt umfasst hierbei einen Verbrennungsraum und einen sich daran anschließenden Übergangsabschnitt.
  • Um eine Verbrennung zu ermöglichen ist zunächst eine erste Versorgungseinrichtung erforderlich, von der der erste Reaktionspartner zugeführt werden kann.
  • Weiterhin bedarf es einer zweiten Versorgungseinrichtung, von der der zweite Reaktionspartner zugeführt werden kann.
  • Ist der erste Reaktionspartner Wasserstoff so wird von der zweiten Versorgungseinrichtung Sauerstoff zugeführt und umgekehrt ist der erste Reaktionspartner Sauerstoff so wird von der zweiten Versorgungseinrichtung Wasserstoff zugeführt.
  • Um eine unerlässliche Kühlung zu ermöglichen ist eine Wasserversorgung vorgesehen, von der ein Kühlmedium zur Verfügung gestellt werden kann. Hierbei kann vorgesehen sein, das flüssiges Wasser oder kalter Dampf geliefert wird. Ebenso ist es möglich, dass von der Wasserversorgung getrennt flüssiges Wasser und kalter Dampf oder ein Gemisch aus flüssigem Wasser und kaltem Dampf zur Verfügung gestellt wird.
  • Der erste Reaktionsabschnitt mit dem ersten Verbrennungsraum weist zumindest eine auf der stromaufwärtigen Seite angeordnete Einspritzdüse auf. Durch die Einspritzdüse wird im Betrieb der Verbrennungseinrichtung der erste Reaktionspartner, d.h. Wasserstoff oder Sauerstoff, in den ersten Verbrennungsraum eingebracht. Naheliegend ist eine Verbindung von der ersten Versorgungseinrichtung zur Einspritzdüse erforderlich.
  • Weiterhin weist der erste Verbrennungsraum auf der stromaufwärtigen Seite zumindest eine Einspritzungsöffnung auf, durch die der zweite Reaktionspartner, d.h. Sauerstoff oder Wasserstoff, in den ersten Verbrennungsraum eingebracht wird. Naheliegend bedarf es hierzu einer Verbindung von der zweiten Versorgungseinrichtung zur Einspritzöffnung.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass während oder im Anschluss an die erste Verbrennung ein Kühlmedium zugeführt wird. Hierzu befindet sich am ersten Verbrennungsraum und/oder am ersten Übergangsabschnitt zumindest ein erster Wassereinlass, über den das entsprechende Kühlmedium zugeführt werden kann.
  • Weiterhin erforderlich ist ein zweiter Reaktionsabschnitt mit einem zweiten Verbrennungsraum, welcher sich an den ersten Übergangsabschnitt anschließt. Gleichfalls ist auf der stromaufwärtigen Seite des zweiten Verbrennungsraums zumindest eine zweite Einspritzöffnung zur erneuten Zufuhr des zweiten Reaktionspartners vorhanden. Naheliegend bedarf es gleichfalls einer Verbindung von der zweiten Versorgungseinrichtung zu dieser Einspritzöffnung.
  • Stromab des zweiten Verbrennungsraums befindet sich der zweite Übergangsabschnitt des zweiten Reaktionsabschnitts. Wiederum ist vorgesehen, dass am zweiten Verbrennungsraum und/oder am zweiten Übergangsabschnitt zumindest ein Wassereinlass vorhanden ist, durch den wiederum ein Kühlmedium zugeführt werden kann.
  • Weiterhin ist zumindest ein dritter Reaktionsabschnitt mit einem dritten Verbrennungsraum erforderlich. Dieser schließt sich analog an den zweiten Übergangsabschnitt an. Gleichfalls ist auf der stromaufwärtigen Seite des dritten Verbrennungsraums zumindest eine Einspritzöffnung zur wiederholten Zufuhr des zweiten Reaktionspartners vorhanden.
  • Stromab des dritten Verbrennungsraums befindet sich analog der dritte Übergangsabschnitt des dritten Reaktionsabschnitts. Wiederum ist vorgesehen, dass am dritten Verbrennungsraum oder am dritten Übergangsabschnitt zumindest ein Wassereinlass vorhanden ist, durch den wiederum ein Kühlmedium zugeführt werden kann.
  • Zur Verbrennung von Wasserstoff in der Verbrennungseinrichtung ist vorgesehen, dass einer der beiden Reaktionspartner, durch die zumindest eine Einspritzdüse und der andere Reaktionspartner durch die Einspritzöffnungen in die Verbrennungsräume der gestuften Reaktionsabschnitte eingebracht werden. Wesentlich hierbei ist es, dass der erste Reaktionspartner außer bei der abschließenden Verbrennung im letzten Verbrennungsraum immer im überschüssigen Maße vorhanden ist. D.h. es wird bewusst eine von der stöchiometrischen Menge abweichende größere Menge des ersten Reaktionspartners zugeführt.
  • Entsprechend wird in den ersten Verbrennungsraum durch die Einspritzöffnung der zweite Reaktionspartner und durch die Einspritzdüse zumindest die 1,5-fache der für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Menge eingebracht. D.h. im Gegensatz zum ersten Reaktionspartner wird vom zweiten Reaktionspartner nur ein für eine vollständige Verbrennung unzureichender Anteil in den ersten Verbrennungsraum eingebracht.
  • Entsprechend der eigentlichen Zweckbestimmung, d.h. der Erzeugung von heißem Dampf, erfolgt im ersten Verbrennungsraum eine Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff, wobei folglich heißer Dampf gebildet wird. Gegenüber üblichen Verfahren findet jedoch im ersten Reaktionsabschnitt nur eine anteilige Verbrennung des ersten Reaktionspartners statt. Aufgrund des ungleichen Verhältnisses bleibt hierbei zwangsläufig ein Anteil des ersten Reaktionspartners übrig.
  • Um bei einer erneuten Verbrennung im nachfolgenden Reaktionsabschnitt eine sukzessive Steigerung der Temperatur zu vermeiden, wird im ersten Reaktionsabschnitt wahlweise in den Verbrennungsraum oder den sich anschließenden Übergangsabschnitt oder sowohl in den Verbrennungsraum als auch in den Übergangsabschnitt das Kühlmedium durch den zumindest einen Wassereinlass zugeführt. Beim Kühlmedium kann es sich hierbei um flüssiges Wasser oder kaltem Dampf handeln. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zugleich flüssiges Wasser und kalter Dampf über eine oder getrennte Wasseröffnungen zugeführt werden.
  • Durch die Mischung des heißen durch die Verbrennung gebildeten Dampf und dem Kühlmedium entsteht ein Dampf mittlerer Temperatur. Somit verlässt am Ausgang des ersten Übergangsabschnitts ein Gemisch aus Dampf mittlerer Temperatur und dem verbleibenden unverbrannten Anteil des ersten Reaktionspartners den ersten Übergangsabschnitt.
  • Handelt es sich beim ersten Reaktionspartner, welcher zu Beginn überschüssig zugeführt wird, um Wasserstoff so bildet Sauerstoff den zweiten Reaktionspartner. Folglich besteht das Gemisch am Ausgang des Übergangsabschnitts aus Dampf und Wasserstoff. Ist hingegen der erste Reaktionspartner Sauerstoff, so ist entsprechend Wasserstoff der zweite Reaktionspartner und somit das Gemisch am Ausgang des Übergangsabschnitts eine Mischung aus Dampf und Sauerstoff.
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßen Konzept wiederholt sich der Verbrennungsvorgang in den weiteren Reaktionsabschnitten. Hierzu erfolgt jeweils die Zufuhr des zweiten Reaktionspartners in der für die jeweilige Verbrennung vorgesehenen Menge durch die jeweiligen Einspritzöffnungen.
  • Ob die Zufuhr des ersten Reaktionspartners erforderlich ist, hängt insbesondere von der aus dem vorhergehenden Reaktionsabschnitt verbleibend zugeführten Menge ab. Sofern diese bereits hinreichend ist, erfolgt keine weitere Zufuhr des ersten Reaktionspartners im entsprechenden Reaktionsabschnitt.
  • Dabei hängt die jeweilige Zufuhr bzw. deren Notwendigkeit weiterhin davon ab, wie hoch im jeweiligen, aber nicht dem letzten Reaktionsabschnitt der Überschuss des ersten Reaktionspartners sein soll. Zumindest ist, wenn erforderlich, soviel des ersten Reaktionspartners durch zumindest eine entsprechende Einspritzdüse zuzuführen, dass zumindest die 1,5-fache der für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Menge im jeweiligen (außer dem letzten) Verbrennungsraum vorhanden ist.
  • Zu beachten ist, dass im letzten Reaktionsabschnitt eine stöchiometrische Verbrennung anzustreben ist. Insofern ist eine angepasste Zufuhr - sofern erforderlich - des ersten Reaktionspartners in den letzten Verbrennungsraum in angepasster Menge vorzunehmen.
  • Durch die jeweils erneute Zufuhr des zweiten Reaktionspartners bei Vorhandensein des ersten Reaktionspartners in den jeweiligen Verbrennungsraum führt bei hinreichenden Randbedingungen naheliegend zu einer erneuten Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff und somit zur erneuten Bildung von heißem Dampf.
  • Wenngleich bis auf den letzte Verbrennungsvorgang bei jeder erneuten Verbrennung ein Anteil des ersten Reaktionspartners verbleibt (wobei der zweite Reaktionspartner jeweils im Wesentlichen vollständig verbrannt wird) so erhöht sich der Anteil des Dampfes im gebildeten Gemisch am Ausgang des jeweiligen Übergangsabschnitts.
  • Unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Reaktionsabschnitte ist vorgesehen, dass die Zufuhr der durch die Einspritzdüse zugeführte Menge des ersten Reaktionspartners und die Zufuhr der durch die Einspritzöffnungen zugeführte Menge des zweiten Reaktionspartners in die einzelnen Reaktionsabschnitte der Verbrennungseinrichtung derart bemessen ist, dass bis auf den letzten Reaktionsabschnitt nach jeder Verbrennung in den jeweiligen Verbrennungsräumen ein relevanter Anteil des ersten Reaktionspartners für den jeweils nachfolgenden Reaktionsabschnitt verbleibt.
  • Grundgedanke der Erfindung ist die Reduktion der Verbrennungstemperatur durch die reduzierte Zufuhr des zweiten Reaktionspartners und somit einer Änderung des Mischungsverhältnisses abweichend von der Stöchiometrie - abgesehen von der Verbrennung im Verbrennungsraum des letzten Reaktionsabschnitts. D.h. die Verbrennung erfolgt nicht wie bisher stöchiometrisch in einer einzigen Stufe, sondern es wird über zumindest zwei Reaktionsabschnitten hinweg eine nichtstöchiometrische Verbrennung durchgeführt.
  • Dabei können die Verbrennungsprozesse in den der letzten Verbrennung vorhergehenden Reaktionsabschnitten entweder mit einem Oxidatorüberschuss (d.h. "mager") oder mit einem Brennstoffüberschuss (d.h. "fett") betrieben werden. In der ersten Alternative ist naheliegend der erste Reaktionspartner Sauerstoff und der zweite Reaktionspartner Wasserstoff. In der zweiten Alternative ist der erste Reaktionspartner Wasserstoff und der zweite Reaktionspartner Sauerstoff.
  • Entsprechend wird in einer ersten vorteilhaften Verfahrensweise Wasserstoff als erster Reaktionspartner gewählt, welcher bis zum letzten Verbrennungsprozess im Überschuss vorhanden ist. Demgegenüber wird jeweils in jeden Verbrennungsraum diejenige für die dort stattfindende Verbrennung vorgesehene Menge an Sauerstoff zugeführt.
  • Alternativ wird in einer zweiten vorteilhaften Verfahrensweise Sauerstoff als erster Reaktionspartner gewählt, welcher analog bis zum letzten Verbrennungsprozess im Überschuss vorhanden ist. Hier wird jeweils in jeden Verbrennungsraum diejenige für die dort stattfindende Verbrennung vorgesehene Menge an Wasserstoff zugeführt.
  • Regulär wurde bisher immer unmittelbar eine stöchiometrische Verbrennung angestrebt. Zur Verhinderung einer thermischen Schädigung der Verbrennungseinrichtung war hierzu eine erhebliche Kühlung notwendig.
  • Demgegenüber wird durch die erfindungsgemäße Verbrennungseinrichtung mit einer mehrstufigen Teilverbrennung sowohl eine Beschränkung der bei der Verbrennung entstehenden Temperaturen erreicht als auch eine optimale Steuerung der Verbrennung ohne einen erheblichen Bedarf an einem Kühlmedium ermöglicht, so dass im Ergebnis eine besonders vorteilhafte Verbrennung von Wasserstoff erfolgt.
  • Dabei ist es unvermindert das Ziel, dass im letzten Reaktionsabschnitt eine vollständige Verbrennung des Wasserstoffs bei stöchiometrischer Verbrennung erfolgt.
  • Mit der über die mehreren Reaktionsabschnitte hinweg erfolgenden Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Dampf sowie der Zufuhr eines Kühlmediums und somit der weiteren Zufuhr oder Bildung von Dampf nimmt naheliegend in jedem weiteren Verbrennungsraum der Anteil des zu verbrennenden Wasserstoffs und Sauerstoffs an der Gesamtmenge (mit dem Dampf und dem überschüssigen Anteil des ersten Reaktionspartners) sukzessive ab.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn der überschüssige Anteil des ersten Reaktionspartners am Anfang des Prozesses größer ist und über die Reaktionsabschnitte hinweg sukzessive abnimmt.
  • Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Zufuhr des ersten Reaktionspartners und die Zufuhr des zweiten Reaktionspartners in den ersten Verbrennungsraum derart eingestellt wird, dass im Verbrennungsraum zumindest die 3-fache Menge des ersten Reaktionspartners vorhanden ist, welche für eine stöchiometrische Verbrennung notwendig ist.
  • Im Weiteren ist es vorteilhaft, wenn auch im zweiten Reaktionsabschnitt ein höherer Anteil des ersten Reaktionspartners vorhanden ist. Der zweite Reaktionspartners und sofern erforderlich der erste Reaktionspartners ist hierbei in derjenigen Menge zuzuführen, dass im Verbrennungsraum zumindest die 2-fache Menge des ersten Reaktionspartners, der für ein stöchiometrisches Verhältnis notwendigen Menge vorhanden ist.
  • Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn der für die gesamte Verbrennung, über die mehreren Stufen erforderliche erste Reaktionspartner vollständig durch die zumindest eine Einspritzdüse in den ersten Verbrennungsraum zugeführt wird. Hierdurch wird ansatzweise das sich ändernde Mischungsverhältnis mit dem zunehmenden Dampf durch den abnehmenden Überschuss des ersten Reaktionspartners ausgeglichen.
  • Weiterhin zu berücksichtigen, dass, unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Reaktionsabschnitte, die gesamte der Verbrennungseinrichtung durch die Einspritzdüse zugeführte Menge des ersten Reaktionspartners und die gesamte der Verbrennungseinrichtung durch die Einspritzöffnungen zugeführte Menge des zweiten Reaktionspartners derart bemessen ist, dass nach Möglichkeit im letzten Verbrennungsraum eine stöchiometrische Verbrennung erfolgt. In besonders vorteilhafter Weise wird mit der Verbrennung im letzten Reaktionsabschnitt ein vollständiger Verbrauch beider Reaktionspartner erreicht. In diesem Fall verlässt ausschließlich Dampf die Verbrennungseinrichtung.
  • Wenngleich es nahezu unvermeidlich ist, dass ein minimaler Rest zumindest eines Reaktionspartners am Ausgang des letzten Übergangsabschnitts verbleibt, so wird dieser Rest minimiert, wenn vorteilhaft die Zufuhr des ersten Reaktionspartners und/oder des zweiten Reaktionspartners in den letzten Verbrennungsraum in derjenigen Menge vorgenommen wird, sodass der erste Reaktionspartner und/oder der zweite Reaktionspartner in zumindest der 0,9-fachen der für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Menge im letzten Verbrennungsraum vorhanden ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zumindest die der 0,95-fache der für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Menge des ersten Reaktionspartners oder des zweite Reaktionspartners vorhanden ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses für beide Reaktionspartner gilt.
  • Es kann aber auch vorgesehen sein, dass verhindert werden soll, dass ein bestimmter Reaktionspartner am letzten Übergangsabschnitt noch vorhanden ist. In diesem Fall ist zu bevorzugen, wenn die Menge des anderen Reaktionspartners zulässig anteilig verbleibenden Reaktionspartners für den letzten Verbrennungsprozess in einer Menge vorhanden ist, welche zumindest der 1,01-fachen Menge, der bei stöchiometrischer Verbrennung notwendigen Menge entspricht. Besonders bevorzugt liegt hierbei der zulässig verbleibende Reaktionspartner in einer 1,02-fachen der für die Verbrennung notwendigen Menge im letzten Verbrennungsraum vor. Dabei sollte jedoch auch hier der Anteil nicht über das notwendige Maß hinaus erhöht werden.
  • Um zu verhindern, dass die Temperatur im Verbrennungsprozess über die mehreren Stufen sukzessive ansteigt, werden zu den einzelnen Verbrennungen jeweils Kühlvorgänge geschaltet, in denen flüssiges Wasser und/oder kalter Dampf als Kühlmedium hinzugemischt wird. Hierbei ist anzumerken, dass das Kühlmedium unterschiedlich, d.h. flüssiges Wasser oder kalter Dampf oder ebenso flüssiges Wasser zusammen mit kaltem Dampf, sowohl für die verschiedenen Reaktionsabschnitte als auch beim jeweiligen Reaktionsabschnitt gewählt werden kann.
  • Um eine unnötige Beeinflussung der jeweiligen Verbrennung zu vermeiden ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zufuhr des Kühlmediums in den jeweiligen Übergangsabschnitten erfolgt. Weiterer Vorteil ist einerseits, dass die Verbrennung im Verbrennungsraum besser gesteuert werden kann, und anderseits wird hierdurch die Temperaturführung, insbesondere die Einstellung einer gewünschten Ausgangstemperatur am Ausgang des jeweiligen Reaktionsabschnitts, durch die entsprechende Bemessung der Kühlmittelmenge vereinfacht. Folglich ist der zumindest eine erste Wassereinlass am ersten Übergangsabschnitt, der zumindest eine zweite Wassereinlass am zweiten Übergangsabschnitt und der zumindest eine dritte Wassereinlass am dritten Übergangsabschnitt angeordnet.
  • Die Begrenzung der Verbrennungstemperaturen und die Steuerung der Verbrennungseinrichtung wird verbessert, wenn nachfolgend dem dritten Reaktionsabschnitt ein weiterer vierter Reaktionsabschnitt angeordnet wird. Dieser weist gleichfalls einen sich an den dritten Übergangsabschnitt anschließenden vierten Verbrennungsraum mit einer vierten Einspritzöffnung sowie einem sich an den vierten Verbrennungsraum anschließenden vierten Übergangsabschnitt auf.
  • Denkbar ist es ebenso einen weiteren fünften Reaktionsabschnitt vorzusehen, wobei die genaue Anzahl an Reaktionsabschnitten vom Bedarf an Dampf und der gewählten Bauweise des Verbrennungsraums und des Übergangsabschnitts abhängig ist.
  • Beispielsweise könnte bei einer höheren zulässigen Bauteiltemperatur (und höheren zulässigen Temperaturgradienten) eine höhere Verbrennungstemperatur gewählt werden, so dass in jeder Stufe ein höherer Anteil verbrannt werden kann. Umgekehrt führt eine geringe zulässige Bauteiltemperatur zur Forderung nach einer geringen Verbrennungstemperatur im jeweiligen Verbrennungsraum. Folglich dürften umso weniger Stufen erforderlich sein, je höher die zulässigen Temperaturen sind. Bei geringerer Temperaturbeständigkeit der Bauteile kann eine höhere Anzahl an Reaktionsabschnitten sinnvoll sein.
  • Sofern zumindest ein weiterer Reaktionsabschnitt mit einem weiteren Verbrennungsraum vorhanden ist, so ist die Zufuhr des ersten Reaktionspartners durch die zumindest eine Einspritzdüse und die Zufuhr des zweiten Reaktionspartners durch die Einspritzöffnungen in die einzelnen Verbrennungsräume der Reaktionsabschnitte derart zu bemessen, dass bis auf den letzten Verbrennungsprozess nach jeder Verbrennung im jeweiligen Reaktionsabschnitt ein verbleibender Anteil des ersten Reaktionspartners für den zumindest einen nachfolgenden Reaktionsabschnitt vorhanden ist.
  • Sofern fünf oder mehr Reaktionsabschnitte vorhanden sind, so ist vorteilhafterweise zumindest bis auf den letzten Reaktionsabschnitt an jedem Übergangsabschnitt ein jeweiliger Wassereinlass zur weiteren Zufuhr eines Kühlmittels vorhanden. Wenngleich dies nicht zwingend erscheint kann gleichfalls am Übergangsabschnitt des letzten Reaktionsabschnitts ein Wassereinlass vorgesehen sein.
  • In der Regel sollte es vorteilhaft sein, wenn vier oder fünf Reaktionsabschnitte vorhanden sind.
  • Die Gestalt des jeweiligen Verbrennungsraums und des zugehörigen Übergangsabschnitt kann anhand von bekannten Ausführungsformen für Brennkammern und Heißgaskanälen gewählt werden. Zumindest wird in der Regel der jeweilige Querschnitt der einzelnen Abschnitte, d.h. des Verbrennungsraums und des Übergangsabschnitts der jeweiligen Reaktionsabschnitte, dem jeweils am entsprechenden Abschnitt vorhandenen Stofffluss anzupassen sein.
  • Diesbezüglich ist es einerseits möglich eine bauliche Trennung des jeweiligen Verbrennungsraums vom zugehörigen Übergangsabschnitt vorzusehen. Beispielsweise kann ein Verbrennungsraum als ein Bauteil in Art einer sogenannten "Rohrbrennkammer" und der Übergangsabschnitt als sich anschließendes Bauteil in Art eines sogenannten "Transition" ausgeführt sein.
  • In einer alternativen Umsetzung wird vorteilhaft ein sich über einen Reaktionsabschnitt oder besonders vorteilhaft über zumindest zwei Reaktionsabschnitte erstreckendes Bauteil eingesetzt, womit eine bauliche Trennung in Verbrennungsraum und Übergangsabschnitt entfällt. Insofern stellt der Verbrennungsraum denjenigen Teilabschnitt des Bauteils dar, in dem bestimmungsgemäß die Verbrennung im jeweiligen Reaktionsabschnitt stattfindet. Entsprechend ist der Übergangsabschnitt derjenige Teilbereich des Bauteils, welcher die Verbindung von einem Verbrennungsraum zum folgenden Verbrennungsraum bzw. zu nachfolgenden Einrichtungen darstellt.
  • Um eine vorteilhafte Steuerung und Verfahrensführung zu ermöglichen ist in besonders vorteilhafter Weise eine Temperaturbestimmungseinheit vorhanden. Diese ist derart auszuwählen, dass eine Bestimmung einer ersten Verbrennungstemperatur im ersten Verbrennungsraum und eine Bestimmung einer zweiten Verbrennungstemperatur im zweiten Verbrennungsraum und eine Bestimmung einer dritten Verbrennungstemperatur im dritten Verbrennungsraum möglich ist. Sofern zumindest ein weiterer Reaktionsabschnitt vorhanden ist, so ist es vorteilhaft möglich ebenso die Verbrennungstemperatur in dem zumindest einen weiteren Verbrennungsraum zu bestimmen.
  • Weiterhin sollte die Temperaturbestimmungseinheit in der Lage sein, eine erste Ausgangstemperatur am Ausgang des ersten Übergangsabschnitts und eine zweite Ausgangstemperatur am Ausgang des zweiten Übergangsabschnitts sowie eine dritte Ausgangstemperatur am Ausgang des dritten Übergangsabschnitts bestimmen zu können. Sofern ein oder mehrere weitere Reaktionsabschnitte vorhanden sind, ist es entsprechend vorteilhaft, wenn auch die weiteren jeweiligen Ausgangstemperaturen am Ausgang des jeweiligen Übergangsabschnitts bestimmt werden können.
  • Die Bestimmung der Verbrennungstemperatur bzw. der Ausgangstemperatur kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Einerseits ist es denkbar, die Temperaturen mit hinreichender Genauigkeit anhand der gegebenen Eigenschaften der Verbrennungseinrichtung sowie der Daten über die zugeführten Medien, d.h. den Stoffströmen des ersten Reaktionspartners und des zweiten Reaktionspartners und dem Kühlmedium sowie dessen Temperaturen, zu berechnen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, mittel Sensoren die Temperatur beispielsweise an verschiedenen Gehäuseabschnitten zu erfassen, um so die Temperaturen im Inneren der Verbrennungseinrichtung bestimmen zu können. Auch sind weitere Möglichkeiten zur Bestimmung von Verbrennungstemperaturen dem Fachmann hinlänglich bekannt, auf die zurückgegriffen werden kann.
  • Durch die Bestimmung der Verbrennungstemperaturen sowie der Ausgangstemperaturen kann eine vorteilhafte gestufte Verbrennung gesteuert werden. Dabei werden bei der Steuerung der Verbrennungseinrichtung vorteilhaft die im jeweiligen Verbrennungsprozess entstehenden Temperaturen auf dasjenige Niveau begrenzt, bei dem ein im Wesentlichen schadensfreier Betrieb der Verbrennungseinrichtung möglich ist. Insofern wird die Verbrennungseinrichtung vorteilhaft dahingehend gesteuert, dass eine jeweilige Maximaltemperatur nicht überschritten wird. Gleichzeitig ist es jedoch von Vorteil, wenn - zumindest bei Nennlast - die Verbrennungstemperatur sich der Maximaltemperatur annähert und somit eine hohe Leistung erzielt werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Verbrennungstemperatur bei der maximalen Leistung der Verbrennungseinrichtung nicht weniger als 100 K, insbesondere nicht weniger als 50 K, unterhalb der Maximaltemperatur liegt.
  • Weiterhin kann anhand der Kenntnis über die vorhandenen bzw. entstehenden Temperaturen eine optimale Zufuhr des Kühlmediums erfolgen. Um die jeweils nächste Verbrennung im optimalen Umfang zu ermöglichen, wird hierzu die gerade notwendige Menge an Kühlmedium zugeführt, so dass sich am Ausgang des jeweiligen Reaktionsabschnitts eine optimale Ausgangstemperatur ergibt.
  • Dabei sollte die Ausgangstemperatur hoch genug sein, um eine Selbstzündung im nachfolgenden Verbrennungsprozess zu ermöglichen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft die Kühlmenge derart zu regeln, dass bei maximaler Leistung der Verbrennungseinrichtung für den nachfolgenden Verbrennungsprozess eine möglichst hohe Temperaturspanne zwischen der Ausgangstemperatur und der Maximaltemperatur vorhanden ist.
  • Bei Teillast ist es hingegen vorteilhaft, wenn die Menge an Kühlmedium zugeführt wird, bei der im folgenden Verbrennungsprozess die Maximaltemperatur nicht überschritten wird.
  • Beispielsweise kann eine Maximaltemperatur von 1800°C für den Verbrennungsprozess und eine Solltemperatur von 1000°C für die gewünschte Temperatur am Ausgang des jeweiligen ersten bis vorletzten Übergangsabschnitts gewählt werden. Im jeweiligen Verbrennungsprozess wird der zweite Reaktionspartner in der Menge zugeführt, sodass durch die Verbrennung annähernd die Maximaltemperatur erreicht wird. Nach der Verbrennung wird diejenige Menge an Kühlmedium zugeführt, dass nach Möglichkeit eine Absenkung der Ausgangstemperatur auf die Solltemperatur erreicht wird.
  • Wenngleich als Kühlmedium kalter Dampf eingesetzt werden kann, ist es für das Verfahren von Vorteil, wenn flüssiges Wasser verwendet wird. Durch die Verwendung von flüssigem Wasser wird ein weitere Kühleffekt aufgrund der Verdampfungsenthalpie erzielt.
  • Weiterer besonderer Vorteil der Verwendung von flüssigem Wasser als Kühlmedium ist die größere Bildung von Dampf, während bei Verwendung von kaltem Dampf als Kühlmedium dieser bereits mit einer - für andere Zwecke zu geringen - niedrigen Temperatur zur Verfügung stehen muss.
  • In der nachfolgenden Skizze ist eine Verbrennungseinrichtung 01 beispielhaft, schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Verbrennungseinrichtung 01 fünf Reaktionsabschnitte 11, 21, 31, 41 und 51 auf. Dabei besitzt jeder der Reaktionsabschnitte 11, 21, 31, 41 und 51 einen jeweiligen Verbrennungsraum 12, 22, 32, 42 und 52, in dem im Betrieb eine Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff stattfindet. Hierzu besitzt der erste Reaktionsabschnitt 11 auf der stromaufwärtigen Seite des ersten Verbrennungsraums 12 eine erste Einspritzdüse 14, welche 14 mit einer ersten Versorgungseinrichtung 04 verbunden ist. Weiterhin ist eine erste Einspritzöffnung 13 vorhanden, welche 13 mit einer zweiten Versorgungseinrichtung 03 verbunden ist.
  • Hierbei kann in einer ersten Verfahrensweise vorgesehen sein, dass von der ersten Versorgungseinrichtung 04 Wasserstoff und von der zweiten Versorgungseinrichtung 03 Sauerstoff zugeführt wird. Alternativ kann in einer zweiten Verfahrensweise eine umgekehrte Auslegung mit der ersten Versorgungseinrichtung 04 zur Zufuhr von Sauerstoff und mit der zweiten Versorgungseinrichtung 03 zur Lieferung von Wasserstoff vorgenommen werden.
  • Demgegenüber weisen die nachfolgenden Reaktionsabschnitte 21, 31, 41 und 51 zwar einen Verbrennungsraum 22, 32, 42 und 52 mit jeweils einer entsprechenden Einspritzöffnung 23, 33, 43 und 53 zur weiteren Zufuhr des zweiten Reaktionspartners auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch keine Einspritzdüse vorgesehen, da der erste Reaktionspartner bereits für alle Verbrennungsvorgänge vollständig über die Einspritzdüse 14 in den ersten Verbrennungsraum 12 eingebracht wird. Dabei sind analog der ersten Einspritzöffnung 13 ebenso alle weiteren Einspritzöffnungen 23, 33, 43 und 53 mit der zweiten Versorgungseinrichtung 03 verbunden.
  • Weiterhin zu erkennen ist die Anordnung von Übergangsabschnitten 15, 25, 35, 45 und 55, welche jeweils die Verbindung von einem vorhergehenden Verbrennungsraum 12, 22, 32, 42 und 52 zum nachfolgenden Verbrennungsraum 22, 32, 42 und 52 respektive zu einem nachfolgenden Anlagenteil (nicht dargestellt) bilden.
  • Um die Ausgangstemperatur im Eingang eines jeden nachfolgenden Reaktionsabschnitts 21, 31, 41 und 51 und somit im Ausgang eines jeden Übergangsabschnitts 15, 25, 35, 45 und 55 einstellen zu können, ist an diesen 15, 25, 35, 45 und 55 jeweils ein Wassereinlass 16, 26, 36, 46 und 56 vorhanden. Diese sind mit einer Wasserversorgung 06 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass flüssiges Wasser als Kühlmedium verwendet wird. Ebenso kann aber auch kalter Dampf zum Einsatz kommen. Auch kann die Verwendung von flüssigem Wasser an einer oder mehreren Wassereinlässen und von kaltem Dampf an anderen Wassereinlässen vorgesehen sein. Naheliegend ist es auch denkbar dem kalten Dampf und flüssiges Wasser vor der Zuführung in den Übergangsabschnitt als Kühlmedium zu mischen.
  • Zumindest verdeutlicht dieses Schemabild nochmals den bevorzugten Verbrennungsprozess dahingehend, dass der erste Reaktionspartner in diesem Beispiel in einer für alle Verbrennungen hinreichenden Menge nur und vollständig bereits im ersten Reaktionsabschnitt in den ersten Verbrennungsraum zugeführt wird. Demgegenüber wird der zweite Reaktionspartner sukzessive zugeführt, so dass es mit jeder weiteren Verbrennung in den einzelnen Verbrennungsräumen zu einem schrittweisen Verzehr des ersten Reaktionspartners kommt. Vorteilhaft ist die Menge des ersten Reaktionspartners und die gesamte Menge des zweiten Reaktionspartners derart gewählt, dass in der letzten Verbrennung eine stöchiometrische Verbrennung möglich wird.

Claims (14)

  1. Verbrennungseinrichtung (01) zur Verbrennung der Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff umfassend
    - zumindest einen ersten Reaktionsabschnitt (11) und einen sich daran (11) anschließenden zweiten Reaktionsabschnitt (21) und einen sich daran (21) anschließenden dritten Reaktionsabschnitt (31),
    wobei jeder Reaktionsabschnitt (11, 21, 31, 41, 51) einen Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42, 52) und einen sich daran (12, 22, 32, 41, 51) anschließenden Übergangsabschnitt (15, 25, 35, 45, 55) aufweist, wobei am stromauf-seitigem Ende des jeweiligen Verbrennungsraums (12, 22, 32, 42, 52) zumindest eine Einspritzöffnung (13, 23, 33, 43, 53) und zumindest am ersten bis vorletzten Reaktionsabschnitt (11, 21, 31, 41) zumindest ein Wassereinlass (16, 26, 36, 46) und zumindest am stromauf-seitigem Ende des ersten Verbrennungsraums (12) zumindest eine Einspritzdüse (14) angeordnet ist,
    weiterhin umfassend
    - eine erste Versorgungseinrichtung (03), mittels derer (03) Wasserstoff oder Sauerstoff als erster Reaktionspartner zu der Einspritzdüse (14) gefördert werden kann; und
    - eine zweite Versorgungseinrichtung (04), mittels derer (04) der zweite Reaktionspartner zu den Einspritzöffnungen (13, 23, 33, 43, 53) gefördert werden kann; und
    - eine Wasserversorgung (06), mittels derer (06) ein Kühlmedium in Form von flüssigem Wasser und/oder kaltem Dampf zu den Wassereinlässen (16, 26, 36, 46) gefördert werden kann.
  2. Verbrennungseinrichtung (01) nach Anspruch 1,
    wobei die zumindest eine Einspritzdüse (14) zur Zufuhr des ersten Reaktionspartners ausschließlich am ersten Verbrennungsraum (12) angeordnet ist.
  3. Verbrennungseinrichtung (01) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der jeweilige Wassereinlass (16, 26, 36, 46) am jeweiligen Übergangsabschnitt (15, 25, 35, 45) angeordnet ist.
  4. Verbrennungseinrichtung (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 3,
    weiterhin umfassend
    - einen sich an den dritten Reaktionsabschnitt (31) anschließenden vierten Reaktionsabschnitt (41), insbesondere einen sich daran (41) anschließenden fünften Reaktionsabschnitt (51).
  5. Verbrennungseinrichtung (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 4,
    weiterhin umfassend
    - eine Temperaturbestimmungseinheit, mittels derer eine jeweils im Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42, 52) und eine jeweils am Ausgang des Übergangsabschnitts (15, 25, 35, 45, 55) resultierende Ausgangstemperatur, insbesondere mittels Sensoren und/oder Berechnung, bestimmt werden kann.
  6. Energieerzeugungseinrichtung umfassend eine Dampfturbine und einen Dampfkreislauf, bei dem erhitzter Dampf der Dampfturbine zugeführt und abgekühlter Dampf von der Dampfturbine abgeführt werden kann,
    gekennzeichnet durch eine Anordnung einer Verbrennungseinrichtung (01) nach einer der vorhergehenden Ansprüche im Dampfkreislauf.
  7. Verfahren zur Verbrennung der Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff in einer Verbrennungseinrichtung (01) oder einer Energieerzeugungseinrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche:
    a) Zufuhr sofern erforderlich des ersten Reaktionspartners in den jeweiligen Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42, 52), und zugleich
    b) Zufuhr des zweiten Reaktionspartners in den jeweiligen Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42, 52),
    sodass im ersten bis zum vorletzten Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42) zumindest die 1,5-fache der für ein stöchiometrisches Verhältnis notwendigen Menge des ersten Reaktionspartners vorhanden ist,
    c) Bildung von heißem Dampf durch die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff,
    d) Zuführung des Kühlmediums in zumindest den ersten bis zum vorletzten Reaktionsabschnitt (11, 21, 31, 41),
    e) Weiterleitung des Dampfes und des verbleibenden Anteils des ersten Reaktionspartners vom ersten bis zum vorletzten Übergangsabschnitt (15, 25, 35, 45) in den jeweils nachfolgenden Verbrennungsraum (22, 32, 42, 52).
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    wobei der erste Reaktionspartner Wasserstoff und der zweite Reaktionspartner Sauerstoff ist; oder
    wobei der erste Reaktionspartner Sauerstoff und der zweite Reaktionspartner Wasserstoff ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    mit
    a) Zufuhr sofern erforderlich des ersten Reaktionspartners, sodass im ersten Verbrennungsraum (12) zumindest die 3-fache und im zweiten Verbrennungsraum (22) zumindest die 2-fache der für ein stöchiometrisches Verhältnis notwendigen Menge vorhanden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    wobei der erste Reaktionspartner ausschließlich in den ersten Verbrennungsraum (12) über die zumindest eine Einspritzdüse eingebracht wird.
  11. Verfahren nach einer der Ansprüche 7 bis 10,
    mit
    a) Zufuhr sofern erforderlich des ersten Reaktionspartners in den letzten Verbrennungsraum (52), und zugleich
    b) Zufuhr des zweiten Reaktionspartners in den letzten Verbrennungsraum (52),
    sodass im letzten Verbrennungsraum (52) zumindest die 0,9-fache, insbesondere zumindest die 0,95-fache der für ein stöchiometrisches Verhältnis notwendigen Menge des ersten eines Reaktionspartners und/oder des zweiten Reaktionspartners vorhanden ist.
  12. Verfahren nach einer der Ansprüche 7 bis 11,
    wobei eine jeweils aus dem Schritt c) resultierende Verbrennungstemperatur berechnet und/oder überwacht wird und der jeweilige Anteil des zweiten Reaktionspartners derart bemessen wird, dass eine vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschritten wird.
  13. Verfahren nach einer der Ansprüche 7 bis 12,
    wobei im Schritt d) diejenige Menge des Kühlmediums zugeführt wird, welche zu einer Absenkung einer am Ausgang des jeweiligen Übergangsabschnitts (15, 25, 35, 45) gebildete Ausgangstemperatur im Wesentlichen auf ein vorgegebene Solltemperatur führt.
  14. Verfahren nach einer der Ansprüche 7 bis 13,
    wobei das Kühlmedium flüssiges Wasser, insbesondere Reinstwasser, ist.
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