EP4298381B1 - 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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EP4298381B1
EP4298381B1 EP22713411.1A EP22713411A EP4298381B1 EP 4298381 B1 EP4298381 B1 EP 4298381B1 EP 22713411 A EP22713411 A EP 22713411A EP 4298381 B1 EP4298381 B1 EP 4298381B1
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EP
European Patent Office
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combustion
reactant
combustion chamber
steam
hydrogen
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EP22713411.1A
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EP4298381A1 (de
EP4298381C0 (de
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
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Publication date
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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
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
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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 the combustion of hydrogen with oxygen.
  • combustion devices are used, among other things, in power plants where steam turbines drive generators to generate electricity.
  • the combustion device provides steam capacity.
  • the possibility of efficient use of hydrogen improves the sustainability of energy production.
  • the EP0452839B1 A typical combustion device, initially shaped like a cylinder. Hydrogen and oxygen are fed into the upstream end, which burns in the combustion chamber. The resulting steam is discharged downstream and is thus available, for example, to the steam turbine.
  • a design of a combustion device is known in which oxygen and hydrogen are supplied to a burner.
  • the burner is arranged in a flow channel such that the hot steam produced by combustion flows through the center of the flow channel.
  • cold steam is supplied to the flow channel. Similar to a flow pump, the cold steam is entrained by the hot steam produced by combustion. The cold steam thus surrounds the hot steam, and as the distance increases, the cold steam mixes with the hot steam, creating an average temperature that is non-critical for the materials used.
  • the WO9731184A1 a combustion device for combustion of hydrogen with the features of the preamble of the first claim known.
  • the combustion be carried out in several stages.
  • an excess of oxygen is added so that the hydrogen added at the same time burns completely.
  • the excess oxygen leads to a reduction in the resulting temperature in the first combustion to an acceptable level compared to stoichiometric combustion.
  • a turbine is first used to reduce power and cool the combustion product from the water formed during combustion and the remaining oxygen.
  • the new inventive concept is based on staged combustion, whereby up to the last stage of a of the two reactants is present in excess.
  • Each reaction section comprises a combustion chamber and an adjoining transition section.
  • the combustion chamber is preferably tubular in shape, with the reactants being fed in on the upstream side.
  • Other known designs of other combustion chambers can also be used.
  • a reactant is fed in through a side wall.
  • the combustion chamber must obviously be designed in such a way that the temperatures occurring during combustion do not cause any damage to the combustion chamber.
  • the combustion chamber should obviously be designed open on the downstream side to ensure the escape of the generated water vapor and any unburned portion of the first reactant.
  • the shape of the transition section is irrelevant, and preferably a shape analogous to the combustion chamber, preferably tubular, is chosen.
  • the transition section connects a preceding combustion chamber with a subsequent combustion chamber (except, of course, the last combustion chamber). subsequent transition section).
  • the transition section provides a free flow cross-section between the combustion chambers. In this regard, it is irrelevant whether, for example, static elements for swirling are arranged in the transition section.
  • a first supply device is required from which the first reactant can be supplied.
  • a second supply device is required from which the second reaction partner can be supplied.
  • first reaction partner is hydrogen
  • oxygen is supplied from the second supply device and conversely, if the first reaction partner is oxygen, hydrogen is supplied from the second supply device.
  • a water supply which can provide a cooling medium.
  • This can be provided as liquid water or cold steam. It is also possible for the water supply to provide separate liquid water and cold steam, or a mixture of liquid water and cold steam.
  • the first reaction section with the first combustion chamber has at least one injection nozzle arranged on the upstream side.
  • the first reactant i.e., hydrogen or oxygen
  • the injection nozzle arranged on the upstream side.
  • a cooling medium is supplied during or after the first combustion.
  • at least one first water inlet is located at the first combustion chamber and/or at the first transition section, through which the corresponding cooling medium can be supplied.
  • a second reaction section with a second combustion chamber is required, which adjoins the first transition section.
  • at least one second injection opening for the renewed supply of the second reactant is present on the upstream side of the second combustion chamber. Obviously, a connection from the second supply device to this injection opening is also required.
  • Downstream of the second combustion chamber is the second transition section of the second reaction section.
  • At least one water inlet is also present at the second combustion chamber and/or at the second transition section, through which a cooling medium can be supplied.
  • At least a third reaction section with a third combustion chamber is required. This section is connected analogously to the second transition section. Likewise, at least one injection opening for repeated supply of the second reactant is present on the upstream side of the third combustion chamber.
  • At least one water inlet is also present at the third combustion chamber or at the third transition section, through which a cooling medium can be supplied.
  • one of the two reactants is introduced into the combustion chambers of the staged reaction sections through at least one injection nozzle, and the other reactant is introduced through the injection openings. It is essential that the first reactant is always present in excess, except during the final combustion in the last combustion chamber. This means that a larger amount of the first reactant is deliberately added than the stoichiometric amount.
  • the second reactant is introduced into the first combustion chamber through the injection port, and at least 1.5 times the amount required for stoichiometric combustion is introduced through the injection nozzle. This means that, in contrast to the first reactant, only a portion of the second reactant is introduced into the first combustion chamber that is insufficient for complete combustion.
  • the cooling medium is supplied through at least one water inlet in the first reaction section, either into the combustion chamber or the adjacent transition section, or into both the combustion chamber and the transition section.
  • the cooling medium can be liquid water or cold steam. It can also be provided that liquid water and cold steam are supplied simultaneously via one or separate water openings.
  • the mixture of the hot steam generated by combustion and the cooling medium creates a medium-temperature steam.
  • a mixture of medium-temperature steam and the remaining unburned portion of the first reactant leaves the first transition section.
  • the first reactant which is initially added in excess
  • oxygen forms the second reactant. Consequently, the mixture at the exit of the transition section consists of steam and hydrogen. If, however, the first reactant is oxygen, hydrogen is the second reactant, 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 subsequent reaction sections.
  • the second reactant is supplied in the amount intended for the respective combustion through the respective injection openings.
  • the inventive concept requires that a cooling medium be supplied again via the water inlets in the subsequent reaction sections to ensure that a permissible initial temperature is not exceeded at the exit of the respective reaction section.
  • Whether the addition of the first reactant is necessary depends primarily on the remaining amount added from the previous reaction stage. If this is already sufficient, no further addition of the first reactant is made in the corresponding reaction stage.
  • the respective supply depends on the desired excess of the first reactant in the respective, but not the final, reaction stage. At least, if necessary, sufficient first reactant must be supplied through at least one corresponding injection nozzle to ensure that at least 1.5 times the amount required for stoichiometric combustion is present in the respective combustion chamber (except the final one).
  • the 1.5-fold amount of the first reactant relative to the second reactant refers to the two components hydrogen and oxygen, whereby the remaining proportion of water or water vapor is not taken into account.
  • the supply of the quantity of the first reactant supplied through the injection nozzle and the supply of the quantity of the second reactant supplied through the injection openings into the individual reaction sections of the combustion device is dimensioned such that, with the exception of the last reaction section, after each combustion in the respective combustion chambers a relevant proportion of the first reactant remains for the respective subsequent reaction section.
  • the basic idea of the invention is to reduce the combustion temperature by reducing the supply of the second reactant and thus changing the mixing ratio from the stoichiometry – except for the combustion in the combustion chamber of the last reaction section. This means that combustion does not occur stoichiometrically in a single stage as before, but rather a non-stoichiometric combustion is carried out over at least two reaction sections.
  • the combustion processes in the reaction stages preceding the final 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 until the final combustion process.
  • the amount of oxygen required for the combustion taking place there is supplied to each combustion chamber.
  • oxygen is selected as the first reactant, which is present in excess until the final combustion process.
  • the amount of hydrogen required 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 achieves both a limitation of the temperatures generated 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 aim remains that the hydrogen is completely burned in the last stage of the reaction with stoichiometric combustion.
  • the supply of the first reactant and the supply of the second reactant into the first combustion chamber is adjusted such that at least three times the amount of the first reactant is present in the combustion chamber, which is necessary for stoichiometric combustion.
  • the second reactant and, if necessary, the first reactant should be added in such quantities that at least twice the amount of the first reactant required for a stoichiometric ratio is present in the combustion chamber.
  • the first reactant required for the entire combustion process across the multiple stages is supplied entirely through at least one injection nozzle into the first combustion chamber. This partially compensates for the changing mixing ratio with the increasing steam by the decreasing excess of the first reactant.
  • the total amount of the first reactant supplied to the combustion device through the injection nozzle and the total amount of the first reactant supplied to the combustion device through the injection openings is such that, if possible, stoichiometric combustion occurs in the last combustion chamber.
  • the combustion in the last reaction section achieves complete consumption of both reactants. In this case, only steam leaves the combustion device.
  • the first reactant and/or the second reactant is advantageously fed into 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 remaining in the final combustion process is at least 1.01 times the amount required for stoichiometric combustion.
  • the amount of the reactant remaining in the final combustion chamber is 1.02 times the amount required for combustion.
  • the proportion should not be increased beyond what is necessary.
  • cooling processes are added to each individual combustion step, in which liquid water and/or cold steam are added as a cooling medium.
  • the cooling medium can be different—i.e., liquid water or cold steam, or liquid water combined with cold steam—both for the different reaction stages and for the individual reaction stage.
  • the cooling medium is supplied in the respective transition sections.
  • a further advantage is, on the one hand, that combustion in the combustion chamber can be better controlled, and, on the other hand, this simplifies temperature control, in particular the setting of a desired initial temperature at the outlet of the respective reaction section, by appropriately dimensioning the coolant quantity. Consequently, the at least one first water inlet is arranged in the first transition section, the at least one second water inlet in the second transition section, and the at least one third water inlet in the third transition section.
  • reaction sections It is also conceivable to provide a further fifth reaction section, whereby the exact number of reaction sections depends on the demand for steam and the selected depends on the design of the combustion chamber and the transition section.
  • a higher combustion temperature could be selected, allowing a higher proportion to be combusted in each stage.
  • a lower permissible component temperature requires a lower combustion temperature in the respective combustion chamber. Consequently, the higher the permissible temperatures, the fewer stages are likely to be required. If the components have lower temperature resistance, a higher number of reaction sections may be appropriate.
  • the supply of the first reaction partner through the at least one injection nozzle and the supply of the second reaction partner through the injection openings into the individual combustion chambers of the reaction sections must be dimensioned such that, except for the last combustion process, after each combustion in the respective reaction section, a remaining portion of the first reaction partner is available for the at least one subsequent reaction section.
  • a water inlet for the further supply of a coolant is advantageously provided at each transition section, at least except for the last reaction section. Although this does not appear mandatory, a water inlet can also be provided at the transition section of the last reaction section.
  • each combustion chamber and the associated transition section can be selected based on known designs for combustion chambers and hot gas ducts. At least the respective cross-section of the individual sections, i.e., the combustion chamber and the transition section of the respective reaction sections, will generally have to be adapted to the material flow present in each respective section.
  • a combustion chamber can be designed as a single component in the form of a so-called “tubular combustion chamber,” and the transition section can be designed as an adjoining component in the form of a so-called “transition.”
  • a component extending over one reaction section or, particularly advantageously, over at least two reaction sections is advantageously used, thus eliminating the need for a structural separation into a combustion chamber and a transition section.
  • the combustion chamber represents the section of the component in which combustion in the respective reaction section is intended to take place.
  • the transition section is the section of the component that represents the connection from one combustion chamber to the following combustion chamber or to subsequent devices.
  • a temperature determination unit is particularly advantageously provided. This is to be selected such that a determination of a first combustion temperature in the first combustion chamber and a determination of a second combustion temperature in the second combustion chamber and a determination of a third combustion temperature in the third combustion chamber are possible. If at least one further reaction section is present, it is advantageously also possible to determine the combustion temperature in the at least one further combustion chamber.
  • the temperature determination unit should be capable of determining a first exit temperature at the exit of the first transition section, a second exit temperature at the exit of the second transition section, and a third exit temperature at the exit of the third transition section. If one or more additional reaction sections are present, it is correspondingly advantageous if the additional respective exit temperatures can also be determined at the exit of the respective transition section.
  • the combustion temperature or 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 supplied media, i.e., the material flows of the first and second reactants, the cooling medium, and their temperatures.
  • sensors to measure the temperature, for example, at various housing sections, in order to determine the temperatures inside the combustion device.
  • Other methods for determining combustion temperatures are also well known to those skilled in the art and can be utilized.
  • a beneficial staged combustion can be controlled.
  • the temperatures generated in the respective combustion process are advantageously adjusted to the The combustion temperature is limited to a level at which essentially damage-free operation of the combustion device is possible.
  • the combustion device is advantageously controlled such that a respective maximum temperature is not exceeded.
  • the combustion temperature at the maximum performance of the combustion device is not less than 100 K, in particular not less than 50 K, below the maximum temperature.
  • the initial temperature should be high enough to enable self-ignition 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 combustion approximately reaches the maximum temperature.
  • the cooling medium is added in such a quantity that, if possible, the exit temperature is lowered to the target temperature.
  • cold steam can be used as a cooling medium
  • the process is advantageous when liquid water is used.
  • the use of liquid water achieves a further cooling effect due to the enthalpy of vaporization.
  • the following sketch shows a schematic representation of a combustion device 01 by way of 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 hydrogen and oxygen are burned 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.
  • a first injection opening 13 is provided, which is connected to a second supply device 03.
  • the subsequent 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.
  • no injection nozzle is provided, since the first reactant is already completely introduced into the first combustion chamber 12 via the injection nozzle 14 for all combustion processes.
  • all further 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 part of the system (not shown).
  • a water inlet 16, 26, 36, 46 and 56 is provided at each of these 15, 25, 35, 45 and 55. These are connected to a water supply 06.
  • 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 cold steam at other water inlets can also be provided. It is also conceivable to provide the cold steam and liquid water before the feed into the transition section as a cooling medium.
  • At least this schematic illustrates the preferred combustion process once again in that the first reactant, in this example, is fed into the first combustion chamber in a quantity sufficient for all combustions only and completely in the first reaction stage.
  • the second reactant is fed successively, so that with each subsequent combustion in the individual combustion chambers, the first reactant is gradually consumed.
  • the quantity of the first reactant and the total quantity of the second reactant are selected such that stoichiometric combustion is possible in the final combustion.

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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.
  • Weiterhin ist aus der WO9731184A1 eine Verbrennungseinrichtung zu Verbrennung von Wasserstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Anspruchs bekannt. Hierbei wird vorgeschlagen, die Verbrennung über mehrere Stufen vorzunehmen. Dabei wird in einer ersten Stufe Sauerstoff im Überschuss zugeführt, so dass der zugleich zugeführte Wasserstoff vollständig verbrennt. Der Sauerstoffüberschuss führt zu einer Absenkung der sich ergebenden Temperatur in der ersten Verbrennung im Vergleich zu einer stöchiometrischen Verbrennung auf ein akzeptables Maß. Um nun jedoch eine weitere Verbrennung zu ermöglichen, wird zunächst über eine Turbine eine Leistungsabnahme sowie eine Kühlung des Verbrennungsproduktes aus dem bei der Verbrennung gebildeten Wassers und verbleibenden Sauerstoffs erreicht. Diese Schritte der Vertrennung und Leistungsabnahme über eine Turbine werden im Folgenden wiederholt.
  • Wenngleich die vorherige Ausführung eine Verbrennung von Wasserstoff ermöglicht, bei der eine Überschreitung der zulässigen Materialtemperaturen vermieden wird, so erfordert die Lösung einen hohen Installationsaufwand mit den jeweils zwischen den Stufen angeordneten Turbinen.
  • 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 und insbesondere dennoch in der Bauweise einfach gestaltet 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 üblichen 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.
  • Im jeweiligen Verbrennungsraum findet im Betrieb der Verbrennungseinrichtung bestimmungsgemäß die Verbrennung der beiden Reaktionspartner statt. Bevorzugt weist hierzu der Verbrennungsraum eine rohrförmige Gestalt auf, bei der auf der stromaufwärtigen Seite die Reaktionspartner zugeführt werden. Weitere bekannte Ausführungen anderer Verbrennungsräume können ebenso angewendet werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Reaktionspartner durch eine Seitenwandung zugeführt wird. In jedem Fall muss naheliegend der Verbrennungsraum derart ausgeführt werden, dass die bei der Verbrennung auftretenden Temperaturen zu keiner Schädigung am Verbrennungsraum führen. Der Verbrennungsraum ist naheliegend auf der stromabwärtigen Seite offen auszuführen, um den Austritt des erzeugten Wasserdampfes und gegebenenfalls unverbrannten Anteils des ersten Reaktionspartners zu gewährleisten.
  • Der Übergangsabschnitt ist erfindungsgemäß ebenso als ein offener Kanal ausgeführt. Im Gegensatz zu anderen bekannten gestuften Verbrennungen wird hier auf die Ausleitung von Energie zwischen den Stufen, beispielsweise durch Turbinen, im Wesentlichen verzichtet.
  • Die Formgebung des Übergangsabschnitts ist hierbei unerheblich, wobei bevorzugt ebenso eine zum Verbrennungsraum analoge, vorzugsweise rohrförmige Gestalt gewählt wird. Dabei verbindet der Übergangsabschnitt einen vorhergehenden Verbrennungsraum mit einem nachfolgenden Verbrennungsraum (außer naheliegend beim, dem letzten Verbrennungsraum nachfolgenden Übergangsabschnitt). Somit stellt der Übergangsabschnitt einen freien Strömungsquerschnitt zwischen den Verbrennungsräumen bereit. Diesbezüglich ist es unerheblich, ob beispielsweise statische Elemente zur Verwirbelung im Übergangsabschnitt angeordnet sind.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass auch 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.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß erforderlich, dass auch 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. Weiterhin ist es für das erfindungsgemäße Konzept notwendig, dass in den weiteren Reaktionsabschnitten jeweils erneut ein Kühlmedium über die Wassereinlässe zugeführt wird, damit eine zulässige Ausgangstemperatur am Ausgang des jeweiligen Reaktionsabschnitts nicht überschritten wird.
  • 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.
  • Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass sich die 1,5-fache Menge des ersten Reaktionspartners relativ auf den zweiten Reaktionspartner auf die beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff bezieht, wobei der weiterhin vorhandene Anteil an Wasser bzw. Wasserdampf nicht berücksichtigt wird.
  • 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 nicht-stöchiometrische 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 am ersten Reaktionsabschnitt (11) zumindest ein Wassereinlass (16) 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;
    dadurch gekennzeichnet,
    dass vom ersten Verbrennungsraum (12) bis zum letzten Übergangsabschnitt (45) ein freier Strömungskanal ohne eine Leistungsabnahme vorhanden ist, wobei weiterhin vom zweiten bis zum vorletzten Reaktionsabschnitt (21, 31, 41) jeweils zumindest ein Wassereinlass (16, 26, 36, 46) angeordnet ist.
  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 des ersten Reaktionspartners in zumindest den ersten Verbrennungsraum (12), und zugleich
    b) Zufuhr des zweiten Reaktionspartners in die jeweiligen Verbrennungsräume (12, 22, 32, 42, 52), sodass im ersten bis zum vorletzten Verbrennungsraum (12, 22, 32, 42) jeweils 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 des ersten Reaktionspartners in den ersten Verbrennungsraum (12), 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 des ersten Reaktionspartners 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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