EP4334644A1 - Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage - Google Patents

Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage

Info

Publication number
EP4334644A1
EP4334644A1 EP22731254.3A EP22731254A EP4334644A1 EP 4334644 A1 EP4334644 A1 EP 4334644A1 EP 22731254 A EP22731254 A EP 22731254A EP 4334644 A1 EP4334644 A1 EP 4334644A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
steam
flame tube
chamber system
hydrogen
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.)
Pending
Application number
EP22731254.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Tertilt
Friederike Lange
Martin Stapper
Marcus Gwenner
Christoph Kortschik
Norbert Sürken
Leonard Muke
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
Publication of EP4334644A1 publication Critical patent/EP4334644A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F23L7/005—Evaporated water; Steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/005—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the working fluid being steam, created by combustion of hydrogen with oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/22—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion under pressure substantially exceeding atmospheric pressure
    • F22B1/26—Steam boilers of submerged-flame type, i.e. the flame being surrounded by, or impinging on, the water to be vaporised
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G1/00—Steam superheating characterised by heating method
    • F22G1/12—Steam superheating characterised by heating method by mixing steam with furnace gases or other combustion products
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/44—Combustion chambers comprising a single tubular flame tube within a tubular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07005—Injecting pure oxygen or oxygen enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07009—Injection of steam into the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air

Definitions

  • the invention describes a combustion chamber system (“SteamBooster”) for the combustion of hydrogen with the aim of heating a steam flow or increasing its steam states, a method and a plant.
  • SteamBooster combustion chamber system
  • the boiler in the power plant is usually fired externally with e.g. coal, nuclear waste heat or the exhaust gas of a gas turbine that is fired with gas or oil.
  • the aim is to use hydrogen.
  • the object is achieved by a combustion chamber system according to claim 1 and a method according to claim 21 and a system according to claim 32.
  • the advantage is the combustion of pure hydrogen (H2) and preferably oxygen (O2) with water vapor as the combustion product.
  • the goal is pollutant-free turbines with water or steam as a combustion product (CO2-free, NOx -free) or for process steam generation.
  • the combustion chamber system can also be integrated into an existing steam power plant or into a steam gas turbine plant.
  • the combustion chamber system can also be integrated into industrial applications with steam circuits or steam decoupling, where CCh-free co-firing is particularly required.
  • Figure 1 schematically shows the basic principle of a combustion chamber system
  • FIG. 2 shows a top view of a combustion cylinder
  • FIG. 3 shows a combustion cylinder without an external pressure jacket
  • FIG. 4 shows a section through FIG. 2, FIGS. 5-7 detailed views of a base of a combustion chamber,
  • FIGS. 9, 14 a module for a flame tube
  • FIGS. 10, 15 a stacking and arrangement of modules
  • FIG. 11 an ignition arrangement
  • FIG. 12 plan view of a flange
  • FIG a module plan view of a flange
  • Figure 1 shows a combustion chamber system 1 according to the invention.
  • the combustion chamber system 1 has a combustion cylinder 7 with a combustion chamber 30 as a central component.
  • the combustion chamber 30 has a base plate 4 to which a flame tube 22 with the combustion chamber 30 and an outlet opening 32 at the end of the combustion chamber 30 is preferably connected directly.
  • the flame tube 22 is preferably ceramic, in particular completely ceramic.
  • the length of the combustion chamber 30 or the flame tube 22 is preferably at least three times, in particular three to five times as long as the hydraulic diameter of the combustion chamber 30.
  • the cross section of the combustion chamber 30 viewed in the combustion chamber direction 31 can be circular or oval in shape.
  • the base plate 4 there are several lines (see also FIGS. 6, 7) which supply the fuel, which is hydrogen and preferably oxygen and steam, in particular water vapor.
  • the fuel which is hydrogen and preferably oxygen and steam, in particular water vapor.
  • air can also preferably be used instead of oxygen (O2).
  • the lines are in particular at least a first supply line 10 for the oxygen (O2), a second supply line 13 for the hydrogen (H2) and a third supply line 16 for the water vapor (H2O). There are preferably only these leads 10, 13, 16.
  • Steam is preferably supplied to the combustion chamber system 1 via a central steam line 19, which is divided in particular, in particular into the third supply line 16 for the steam for the combustion chamber 30 and preferably into a steam line 25 for the steam, which is in a space 41 around the Flame tube 22 flows and then flows through the flame tube 22 into the combustion chamber 30 in places via steam passages 50 or steam passages 150 (FIGS. 10, 15).
  • the intermediate space 41 is preferably delimited directly by the flame tube 22 and a pressure jacket 40.
  • the vapor passages 50 and/or vapor outlets 150 are preferably distributed over the entire length of the flame tube 22 and preferably also around the circumference of the flame tube 22.
  • the steam line 25 can in particular be divided into two steam lines 25', 25'' for the intermediate space 41.
  • the intermediate space 41 is closed at the end, in particular in the area of an outlet opening 32 .
  • the intermediate space 41 represents a closed space, i.e. apart from the supply lines, in particular for the steam, and the steam passages 50 and steam outlets 150.
  • all of the steam from the supply lines preferably flows completely out of the intermediate space 41 into the combustion chamber 30.
  • the combustion chamber system 1 also preferably has drainage lines 33, pressure relief valves or an overpressure protection 36 for it, and a vapor bridge 39 (bypass).
  • a fuO spray 42 may be present.
  • a rinsing system 3 is preferably present, which can rinse through lines, in particular stick material is used.
  • the flame tube 22 can be cooled by the circulating steam 28 during operation and/or preferably can be preheated by the steam in the stand-by mode.
  • the proposed combustion chamber system 1 preferably has a combustion chamber axis 31 as shown in FIG.
  • combustion cylinder 7 can also be arranged horizontally with appropriate supports (optional leaf springs 60 in FIG. 3).
  • the combustion chamber 30 preferably has the same cross section across the length of the combustion chamber axis 31 and preferably over the entire length.
  • the combustion chamber system 1 preferably works in a steam atmosphere, preferably from lbar to 140 bar, in particular at lbar to 80 bar.
  • the combustion chamber 30 is operated in a steam atmosphere of preferably at least 2 bar, in particular at least 6 bar.
  • a pressure drop of 100 mbar - 3000 mbar is preferably set.
  • Figure 2 shows the combustion cylinder 7 with the outer pressure jacket 40 around the flame tube 22 (not visible therefore), whereby the gap 41 ( Figure 4) is formed.
  • the modules 46', 46'', . . . are then preferably also made of ceramic.
  • a monolithic flame tube 22 made of ceramic or metal can also be used.
  • An oxide ceramic is preferably used, in particular based on aluminum oxide or aluminum oxide/spinel.
  • no SiC or silicon-based ceramic is used.
  • the modules 46', 46'', Heat shield elements of gas turbines is known.
  • Figures 2, 3 show several rods 43, preferably threaded rods, which guide and hold the individual modules 46', 46'', . . . (FIGS. 3, 4, 5, 10, 11) or the flame tube 22.
  • modules 46', 46'', ... which are held together by the rods 43 and by an upper plate 44 and the base plate 4.
  • the intermediate space 41 can be formed around the flame tube 22 by means of the outer pressure jacket 40 .
  • leaf spring elements 60 which support the modules 46', 46'', ... against the outer pressure jacket 40 (not shown).
  • Figure 4 shows the flame tube 22 or the modules 46', 46'', ... with the combustion chamber 30 and vapor passages 50.
  • the vapor passages 50 are through holes in a module 46 or in the flame tube 22.
  • the steam passages 50 are preferably distributed evenly in the flame tube 22 or in a module 46', 46'', ... or, depending on the heat load, in particular, possibly also asymmetrically.
  • the modules 46'', 46'', ... or a monolithic flame tube 22 can be designed differently and differently according to the technical requirements and have more or fewer steam passages 50 or steam passages 150 (Fig. 9, 10 ) exhibit.
  • the outlet opening 32 is preferably realized via the upper plate 44, which on the one hand ensures the counter-centering of the modules 46', 46'', ... or the flame tube 22 and, in particular, at the same time contains a shadow to prevent the subsequent components from overheating due to the radiant heat of the flame tube 22 to prevent.
  • the outer pressure jacket 40 has a flange 68 'on which a cover plate 64 rests and with its flange 68''to the flange 68' of the outer pressure jacket 40 by means of Be fastening element 65, in particular a screw and nut is screwed.
  • Be fastening element 65 in particular a screw and nut is screwed.
  • the cover plate 64 has an outlet opening 69 which is opposite the outlet opening 32 or extends it.
  • the base plate 4 (or flame tube base) (Fig. 5) contains a burner and the ignition unit (both not shown) and serves as a center for the modules 46', 46'', ... or the flame tube 22.
  • the combustion chamber 30 is formed in particular by a stack of modules 46′, 46′′, . . .
  • a thermal expansion of the individual, in particular ceramic modules 46', 46'', ... and also with the base plate 4 during heating and cooling is prevented by means of attachment, in particular by a groove 102 tongue 101 construction, in particular here for example hemispherical with special needs.
  • the groove 102-tongue 101 construction can preferably also be formed between the modules 46', 46'', ... and/or a module 46' and bottom plate 4 and/or a module 46 and top plate 44.
  • the length of the combustion chamber 30 can be varied at will by stacking different numbers of modules 46', 46'', . . .
  • modules 46', 46'', ... with different lengths can be used.
  • the combustion chamber 30 can also be varied in diameter by varying the diameter of the modules 46', 46''. A taper with the modules 46', 46'' is also possible.
  • the prestressing takes place via the rods 43 and spring elements with a contact pressure suitable for ceramics.
  • the ceramic is only subjected to pressure.
  • Each module 46', 46'', ...or the flame tube 22 preferably contains defined vapor passages 50 which allow the mixing zone of combustion and the surrounding vapor to be mixed in stages for optimum combustion of hydrogen (H2) and preferably oxygen (O2) and set the required or desired temperatures.
  • the steam passages 50 are round and/or oval and/or angular and have a constant or variable cross-section in their through-flow direction and are arranged in the direction of flow in particular at shallow angles, in particular between 80° and ⁇ 90°, to prevent the hot flame from being applied to prevent the wall of the flame tube 22 and/or to introduce swirl into the combustion media.
  • these can also be directed in such a way that they are injected directly into a flame and induce strong mixing.
  • the steam passages 50 can be distributed in different sizes over the length of the modules 46 or over the length of the flame tube 22 or can be designed as steam passages 150 on the end face 133 of a module 46 .
  • the arrangement can be selected specifically for the various industrial applications, applications for generating electricity or using hydrogen (H2) and preferably oxygen (O2) in steam-driven combustion processes
  • Examples of the arrangement of the steam passages 50 are from the formations 3, 4, 5 can be found.
  • FIG. 4 also reveals that the combustion chamber 30 preferably has the same cross-section transversely to the axis 31 of the combustion chamber over its length.
  • the base plate 4 assumes several functions:
  • the mixing of the fuel preferably takes place here only in the combustion chamber 30.
  • FIG. 6 also shows that steam flows into the area between the flame tube 22 and the outer pressure jacket 40 .
  • the steam preferably flows in the direction of the outlet opening 32. Steam is also supplied to a burner 58 and/or around the burner 58 .
  • FIG. 7 shows a variant of the base plate 4 with internal premixing in a mixer 55 in the base plate 4, where the arrangement of the injection levels in the steam passage can be configured individually.
  • hydrogen (H2) and oxygen (O2) are mixed in the mixer 55 and only then fed to the combustion chamber 30 .
  • FIG. 8 shows a schematic representation of how different media can be mixed with one another, preferably in a plate 110 such as the base plate 4 .
  • the mixture then exits the channel 114 in a direction 115 such as into the combustion chamber 30 according to FIG. 6 or 7 .
  • Figure 9 shows a single module 46.
  • a plurality of indentations 130 are preferably present.
  • the shape of the indentations 130 can be varied, such as having a narrowing, wedge-shaped course in the plane of the base area 134 of the indentation 130 .
  • the base 134 of a recess 130 is preferably flat, ie the combustion chamber axis 31 (or a line parallel thereto) is perpendicular to the base 134 (FIGS. 9, 14) or the base 134 is designed to rise or fall, ie the combustion chamber axis 31 ( or a parallel thereto) is not perpendicular to the base 134, as can be seen in fi gures 10, 15 for some vapor passages 150 in the section of the modules 46.
  • the geometry and arrangement of the vapor passages 150 can be different for each individual module 46 or can be the same for the respective modules 46', 46''.
  • the geometry and arrangement of the vapor passages 150 can also be different, in particular for a single module 46 .
  • FIG. 16 shows a plan view of a module 46' according to FIG. 9 (or FIG. 14).
  • Each indentation 130', 130", 130"', ... has a center line 131', 131", 131".
  • the center line 131', ... divides the base area 134 in half.
  • the base 134 is preferably wedge-shaped (frustum-spherical) because the edges of the base 134 represent radials.
  • the recess 130 can be designed with its center line 131 such that the center line 131 of the base area 134 does not run through the combustion chamber axis 31, as is indicated in FIG. 17 as an example for a recess 130. This enables a tangential twist when a fluid, here steam, flows through the steam passage.
  • the base 134 is therefore preferably not wedge-shaped here.
  • the base 134 can preferably also be square or rectangular.
  • the module 46 can likewise in turn consist of several elements 48', 48'', . . . .
  • Such an element 48', 48'', ... of a module 46 is represented by the dashed dividing lines 49', ... in FIG.
  • Each module 46 (Fig. 9) or element 48', ... (Fig. 14) for a module 46 according to Figs. 9, 14, 16, 17 can have steam passages 50 which in themselves already represent through holes.
  • Vapor passages 150 with the same purpose as the vapor passages 50 are only obtained by stacking the individual modules 46',
  • indentations 130 becomes clear in FIG. 10, because through the stacking of a plurality of modules 46′ to 46′′′′, through-holes for the flame tube 22, ie steam passages 150, result from the indentations 130.
  • These vapor passages 150 can also preferably be freely selected and designed in terms of their geometry.
  • Such a vapor passage 150 can only be achieved by stacking two modules 46', 46'',
  • vapor passages 150 can be present at the same time due to the depressions 130 and vapor passages 50 (Fig A burner 58 is arranged at the bottom of the combustion chamber 30 (FIG. 11).
  • This burner 58 is preferably a porous burner.
  • a design is possible for an igniter 405 in which the igniter 405 is introduced laterally into the combustion chamber 30 (FIG. 11).
  • FIG. 11 shows schematically how the arrangement of igniter 405 and burner 58 is configured.
  • the igniter 405 is guided transversely to the longitudinal direction above the burner 58 or is present there through a vapor passage 50 or another implementation.
  • the igniter 405 can preferably be fed into the combustion chamber, so that during operation after the initial and one-off ignition, the igniter 405 can be removed from the highly corrosive area.
  • the igniter 405 is at a corresponding distance 400 from the burner.
  • Ignition takes place between burner 58 and ignition device 405 instead.
  • the igniter 405 can be moved out of the combustion chamber 30 .
  • Figure 12 shows the top view of a flange 700 with base plate 4 with steam inlet openings, drainage openings for drainage lines 33 for the removal of condensate from the booster, the opening for the burner 58.
  • openings 703 ', 703'' is supplied to the combustion chamber system 1 from the steam of the existing plant steam. These are preferably a plurality of openings, which in particular are evenly distributed around the circumference.
  • the rods 43 are arranged schematically between the openings 703', .
  • the steam thus flows here into the intermediate space 41 between the outer pressure jacket 40 and the flame tube 22 .
  • the drainage openings for drainage lines 33 can also be seen.
  • the burner 58 is arranged centrally, around which the steam lines 25', 25'', . . . are arranged.
  • a valve for hosing down the steam line is preferably also provided.
  • the combustion chamber system 1 is preferably connected in series with a steam pipe of an existing plant and is connected in series there by means of the flange.
  • a three-part mold concept is planned for the manufacture of the ceramic segments, in which the ceramic mass is filled around the circumference. The aim here is to produce the two contact surfaces close to the final shape and to avoid post-processing as much as possible.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Air Supply (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennkammersystem (1), in der Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in der Anwesenheit von Wasser (H2O) oder Wasserdampf (H2O) verbrannt wird.

Description

Beschreibung
Wasserstoffbefeuertes Brennkammersystem, Verfahren und Anlage
Die Erfindung beschreibt ein Brennkammersystem („SteamBoos- ter") zur Verbrennung von Wasserstoff mit dem Ziel, eine DampfStrömung zu erhitzen bzw. dessen Dampfzustände zu erhö hen, ein Verfahren und eine Anlage.
Oft erfolgt keine innere Befeuerung eines Dampfkreislaufs, sondern man befeuert den Kessel im Kraftwerk in der Regel ex tern mit z.B. Kohle, nuklearer Abwärme oder über das Abgas einer Gasturbine, die mit Gas oder Öl befeuert wird.
Ein solches Dampfkraftwerk ist der EP 1375 827 Al beschrie ben.
Ziel ist es, Wasserstoff zu verwenden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennkammersystem gemäß An spruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 21 sowie eine Anlage gemäß Anspruch 32.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es wird vorgeschlagen, ein Brennkammersystem mit Wasserstoff befeuerung, ein Verfahren sowie eine Anlage dazu aufzuzeigen.
Der Vorteil ist die Verbrennung von reinem Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) mit Wasserdampf als Verbren nungsprodukt.
Das Ziel sind schadstofffrei betriebene Turbinen mit Wasser oder Wasserdampf als Verbrennungsprodukt (CÖ2-frei, NOx-frei) bzw. zur Prozessdampferzeugung. Das Brennkammersystem kann insbesondere auch in ein bestehen des Dampfkraftwerk oder in eine Dampfgasturbinenanlage (GuD) integriert werden.
Außerdem ist die Integration des Brennkammersystems in in dustrielle Anwendungen mit Dampfkreisläufen oder Dampfaus- kopplungen möglich, bei denen insbesondere eine CCh-freie Zu feuerung gefordert ist.
Es zeigen
Figur 1 schematisch das Grundprinzip eines Brennkam mersystem,
Figur 2 eine Aufsicht auf einen Brennzylinder, Figur 3 einen Brennzylinder ohne äußeren Druckman tel,
Figur 4 einen Schnitt durch Figur 2, Figuren 5-7 Detailansichten eines Bodens einer Brennkam mer,
Figur 8 ein Mischsystem, Figuren 9, 14 ein Modul für ein Flammenrohr, Figuren 10, 15 eine Stapelung und Anordnung von Modulen, Figur 11 eine Zündungsanordnung, Figur 12 Aufsicht auf einen Flansch, Figur 13 Austrittsbereich der Brennkammer, Figuren 16, 17 Aufsichten auf ein Modul.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennkammersystem 1.
Das Brennkammersystem 1 weist als zentralen Bestandteil einen Brennzylinder 7 mit einer Brennkammer 30 auf.
Die Brennkammer 30 weist eine Bodenplatte 4 auf, an die sich vorzugsweise direkt ein Flammenrohr 22 mit der Brennkammer 30 und einer Austrittsöffnung 32 am Ende der Brennkammer 30 an schließt. Das Flammenrohr 22 ist vorzugsweise keramisch, insbesondere vollständig keramisch, ausgeführt.
Die Länge der Brennkammer 30 bzw. des Flammenrohrs 22 ist vorzugsweise mindestens dreimal, insbesondere drei- bis fünf mal, so lang wie der hydraulische Durchmesser der Brennkammer 30.
Der Querschnitt der Brennkammer 30 in Brennkammerrichtung 31 gesehen kann kreis- oder oval-förmig ausgebildet sein.
Vorzugsweise in der Bodenplatte 4 sind mehrere Leitungen (siehe auch Figuren 6, 7) vorhanden, die den Brennstoff Was serstoff und vorzugweise Sauerstoff sowie Dampf, insbesondere Wasserdampf zuführen.
Es kann aber auch vorzugsweise anstelle von Sauerstoff (O2) Luft verwendet werden.
Die Leitungen sind insbesondere zumindest eine erste Zuleitung 10 für den Sauerstoff (O2), eine zweite Zuleitung 13 für den Wasserstoff (H2) und eine dritte Zuleitung 16 für den Wasserdampf (H2O). Vorzugsweise gibt es nur diese Zuleitungen 10, 13, 16.
Andere, weniger oder mehrere Zuleitungen sind jedoch ebenso möglich.
Wasserdampf wird vorzugsweise über eine zentrale Dampfleitung 19 dem Brennkammersystem 1 zugeführt, die insbesondere aufge teilt wird, insbesondere in die dritte Zuleitung 16 für den Dampf für die Brennkammer 30 und vorzugsweise in eine Dampf leitung 25 für den Dampf, der in einem Zwischenraum 41 um das Flammenrohr 22 strömt und dann stellenweise via Dampfpassagen 50 oder Dampfdurchlässe 150 (Fig. 10, 15) durch das Flammen rohr 22 in die Brennkammer 30 einströmt.
Der Zwischenraum 41 wird vorzugsweise direkt begrenzt durch das Flammenrohr 22 und einem Druckmantel 40. Die Dampfpassagen 50 und/oder Dampfdurchlässe 150 verteilen sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Flammenrohrs 22 und vorzugsweise auch um den Umfang des Flammenrohrs 22.
Das Flammenrohr 22 wird vorzugsweise über seine gesamte Länge von Dampf umströmt.
Die Dampfleitung 25 kann insbesondere in zwei Dampfleitungen 25', 25'' für den Zwischenraum 41 aufgeteilt sein.
Der Zwischenraum 41 ist am Ende, insbesondere im Bereich ei ner Austrittsöffnung 32 geschlossen ausgebildet.
Insbesondere stellt der Zwischenraum 41 einen abgeschlossen Raum dar, d.h. bis auf die Zuleitungen, insbesondere für den Dampf, und die Dampfpassagen 50 sowie Dampfdurchlässe 150. Somit strömt der gesamte Dampf aus den Zuleitungen vorzugs weise aus dem Zwischenraum 41 vollständig in die Brennkammer 30.
Das Brennkammersystem 1 weist weiterhin vorzugsweise Entwäs serungsleitungen 33, Überdruckventile oder einen Überdruck schutz 36 dafür sowie eine Dampfüberbrückung 39 (Bypass) auf.
Ebenso kann vorzugsweise am Ende des Brennzylinders 7 vor zugsweise eine füO-Abspritzung 42 vorhanden sein.
Außerdem ist vorzugsweise ein Spülsystem 3 vorhanden, das Zu leitungen durchspülen kann, insbesondere wird dabei Stick stoff verwendet.
Vorteilhaft ist auch, dass das Flammenrohr 22 im Betrieb vom umströmenden Dampf 28 gekühlt und/oder vorzugsweise im Stand- by-Modus vom Wasserdampf vorgewärmt werden kann.
Das vorgeschlagene Brennkammersystem 1 besitzt bevorzugt eine Brennkammerachse 31, wie es in Figur 2 dargestellt ist.
Sie ist vorzugsweise auch eine Symmetrieachse des Flammen rohrs 22 und/oder der Brennkammer 30. Der Brennzylinder 7 kann mit entsprechenden Abstützungen (op tional Blattfedern 60 in Figur 3) auch horizontal angeordnet werden.
Die Brennkammer 30 weist vorzugsweise über die Länge den gleichen Querschnitt quer zur Brennkammerachse 31 auf und das vorzugsweise über die gesamte Länge.
Der Einsatz- und die Variationsmöglichkeiten des vorgeschla genen Brennkammersystems 1 sind universell.
Das Brennkammersystem 1 arbeitet vorzugsweise in einer Dampf atmosphäre vorzugsweise von lbar bis 140bar, insbesondere bei lbar bis 80bar. Dabei wird die Brennkammer 30 in Dampfat- mosphäre von vorzugsweise mindestens 2bar, insbesondere min destens 6bar betrieben.
Ein Druckverlust von lOOmbar - 3000mbar wird vorzugsweise eingestellt.
Figur 2 zeigt den Brennzylinder 7 mit dem äußeren Druckmantel 40 um das Flammenrohr 22 (nicht sichtbar daher), wodurch der Zwischenraum 41 (Fig. 4) gebildet wird.
Gemäß Figur 3 bilden einzelne oder mehrere Module 46', 46'',
...das Flammenrohr 22.
Die Module 46', 46'', ... sind dann vorzugsweise auch keramisch ausgebildet.
Es kann aber auch ein monolithisches Flammenrohr 22 aus Kera mik oder Metall verwendet werden.
Bevorzugt wird eine Oxidkeramik verwendet, insbesondere auf der Basis von Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid/Spinell. Vorzugsweise wird kein CMC verwendet. Ebenso vorzugsweise wird kein SiC oder keine siliziumbasierte Keramik benutzt.
Die Module 46', 46'', ... sind vorzugsweise keramisch ausge führt, können aber auch mit metallischen Rohren z.B. aus Ni- Basis-Legierungen, z.B. Inconel, mit keramischen Beschichtun gen ausgeführt werden, wie es von Beschichtungssystemen von Gasturbinenschaufeln oder metallischen Hitzeschildelementen von Gasturbinen bekannt ist.
Für die Bildung des Flammenrohrs 22 des Brennkammersystems 1 sind die Module 46', 46'', ... insbesondere übereinander und insbesondere koaxial zueinander und übereinander angeordnet.
Das Flammenrohr 22 oder die Module 46', 46'', ... sind insbe sondere im Querschnitt ringförmig und vorzugweise kreis- oder oval-förmig ausgebildet.
Zu erkennen sind in Figuren 2, 3 mehrere vorzugsweise Stangen 43, insbesondere Gewindestangen, die die einzelnen Module 46', 46'', ... (Fig 3, 4, 5, 10, 11) oder das Flammenrohr 22 führen und Zusammenhalten.
Ebenso sind andere Möglichkeiten zum mechanischen Zusammenbau oder mechanischen Zusammenhalt denkbar.
Hier sind es beispielsweise fünf Module 46', 46'', ..., die durch die Stangen 43 und durch eine obere Platte 44 sowie der Bodenplatte 4 zusammengehalten werden.
So kann der Zwischenraum 41 mittels des äußeren Druckmantels 40 um das Flammenrohr 22 gebildet werden.
Insbesondere mit Befestigungselementen 47, insbesondere aus Federelementen und Schrauben um die Stangen 43, die an der oberen Platte 44 anliegen, werden die Module 46', 46'', ...und die Bodenplatte 4 zusammengehalten.
Andere Befestigungsmethoden und -elemente sind möglich. Ebenso dargestellt in Figur 3 sind vorzugsweise verwendete Blattfederelemente 60, die die Module 46', 46'', ... gegen den äußeren Druckmantel 40 (nicht abgebildet) abstützen.
Ein Schnitt durch Figur 3 ist in Figur 4 gezeigt, die das Flammenrohr 22 oder die Module 46', 46'', ...mit der Brennkam mer 30 zeigt und Dampfpassagen 50.
Die Dampfpassagen 50 sind Durchgangslöcher in einem Modul 46 oder in dem Flammenrohr 22.
Die Dampfpassagen 50 sind vorzugsweise gleichmäßig bei dem Flammenrohr 22 oder bei einem Modul 46', 46'', ...verteilt oder je nach Hitzebelastung insbesondere ggf. auch asymmet risch verteilt.
Entlang der Länge des Flammenrohrs 22 können die Module 46'', 46'', ...oder ein monolithisches Flammenrohr 22 entsprechend den technischen Anforderungen anders und verschieden ausge staltet sein und mehr oder weniger Dampfpassagen 50 oder Dampfdurchlässe 150 (Fig. 9, 10) aufweisen.
Die Austrittsöffnung 32 wird vorzugsweise über die obere Platte 44 realisiert, die einerseits die Gegenzentrierung der Module 46', 46'', ...oder des Flammenrohrs 22 sicherstellt und insbesondere gleichzeitig eine Abschattung enthält, um die Überhitzung der nachfolgenden Bauteile durch die Strahlungs wärme des Flammenrohrs 22 zu verhindern.
In Figur 13 ist eine Modifikation des Endes des Brennzylin ders 7 dargestellt.
Der äußere Druckmantel 40 weist einen Flansch 68' auf, auf dem eine Deckplatte 64 aufliegt und mit seinem Flansch 68'' mit dem Flansch 68' des äußeren Druckmantels 40 mittels Be festigungselement 65, insbesondere einer Schraube und Mutter verschraubt wird. Durch vorzugsweise vorhandene Federelemente 67 zwischen Deck platte 64 und obere Platte 44 werden die Module 46', ...oder das Flammenrohr 22 zusammengehalten bzw. zusammengedrückt.
Die Deckplatte 64 weist dementsprechend eine Auslassöffnung 69 auf, die der Austrittsöffnung 32 gegenüberliegt bzw. ver längert.
Die Bodenplatte 4 (oder Flammrohrboden) (Fig. 5) beinhaltet einen Brenner und die Zündeinheit (beides nicht dargestellt) und dient als Zentrierung für die Module 46', 46'', ...oder das Flammenrohr 22.
Für den Fall der modularen Ausführung wird die Brennkammer 30 insbesondere durch eine Stapelung von insbesondere Modulen 46', 46'', ... gebildet, die sich insbesondere durch eine Nut- Federgeometrie auf den Kontaktflächen selbst zentrieren, ab dichten und tragen.
Durch Mittel zur Befestigung insbesondere durch eine Nut 102- Feder 101 -Konstruktion, insbesondere hier beispielsweise halbkugelförmig, wird eine Wärmeausdehnung der einzelnen, insbesondere keramischen Module 46', 46'', ...und auch mit der Bodenplatte 4 beim Aufheizen und Abkühlen nicht behindert.
Auf diese Weise werden thermisch induzierte Spannungen ver mieden.
Die Nut 102-Feder 101 - Konstruktion kann vorzugsweise auch zwischen den Modulen 46', 46'', ...und/oder einem Modul 46' und Bodenplatte 4 und/oder einem Modul 46 und oberer Platte 44 ausgebildet sein.
Die Brennkammer 30 kann durch die Stapelung unterschiedlicher Anzahlen von Modulen 46', 46'', ...beliebig in der Länge vari iert werden.
Insbesondere können Module 46', 46'', ...mit verschiedener Länge verwendet werden. Die Brennkammer 30 kann auch im Durchmesser variiert werden, indem man die Module 46', 46'', ... im Durchmesser variiert. Auch ist eine Konizität mit den Modulen 46', 46'' möglich.
Die einzelnen Module 46', 46'', ... sind vorzugsweise entweder in einem Rohr oder durch/auf Schienen geführt oder durch Stangen 43 vorgespannt.
Die Vorspannung erfolgt über die Stangen 43 und Federelemente mit einem keramikgerechten Anpressdruck. Die Keramik wird ausschließlich auf Druck beansprucht.
Jedes Modul 46', 46'', ...oder das Flammenrohr 22 enthält vor zugsweise definierte Dampfpassagen 50, die es erlauben, die Mischungszone der Verbrennung und den umgebenden Dampf stu fenweise zu mischen, um eine optimale Verbrennung von Wasser stoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) sicherzustellen und die geforderten bzw. gewünschten Temperaturen einzustel len.
Die Dampfpassagen 50 sind rund und/oder oval und/oder eckig sowie konstant oder variabel im Querschnitt in ihrer Durch strömungsrichtung ausgeführt und sind in Strömungsrichtung insbesondere unter flachen Winkeln angeordnet, insbesondere zwischen 80° und < 90°, um ein Anlegen der heißen Flamme an die Wand des Flammenrohrs 22 zu verhindern und/oder einen Drall in die Verbrennungsmedien einzubringen.
Wenn gefordert, können diese auch so gerichtet sein, dass sie direkt in eine Flamme eindüsen und eine starke Vermischung induzieren .
Prinzipiell können die Dampfpassagen 50 in verschiedenen Grö ßen über die Länge der Module 46 oder über die Länge des Flammenrohrs 22 verteilt sein oder als Dampfdurchlässe 150 auf der Stirnseite 133 eines Moduls 46 ausgeführt sein.
Auch Kombinationen aus beiden Prinzipien sind möglich. Die Anordnung kann spezifisch für die verschiedenen industri ellen Anwendungen, Anwendungen zur Stromerzeugung bzw. Nut zung von Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) in dampfgeführten Verbrennungsprozessen gewählt werden
Beispiele für die Anordnung der Dampfpassagen 50 sind den Ab bildungen 3, 4, 5 zu entnehmen.
Figur 4 offenbart auch, dass die Brennkammer 30 über die Län ge vorzugsweise den gleichen Querschnitt quer zur Brennkam merachse 31 aufweist.
Die Bodenplatte 4 übernimmt gemäß Figur 6 mehrere Funktionen:
• die mechanische Verspannung des Flammenrohrs 22 oder der Module 46', 46'', ..., insbesondere mittels Nut-Feder Prinzip
• die Zuleitungen 10, 13 der Verbrennungsmedien und
• die Zuleitung 16 des Wasserdampfes in die Brennkammer 30 und
• in einer speziellen Variante auch das Mischen von Wasser stoff (H2), vorzugsweise Sauerstoff (O2) und eingedüstem Wasser oder dem Wasserdampf vor einem Brenner 58 (Fig. 7)
• sowie die Zuführung mittels Dampfleitung 25 von eingedüstem Wasser oder des Wasserdampfes in den Zwischenraum 41 mit dem umgebenden äußeren Druckmantel 40; dadurch wird das Flammenrohr 22 gekühlt und es bedarf vor zugsweise keiner weiteren Kühlung.
Durch eine vorzugsweise 3D-Fertigung der Bodenplatte 4, ins besondere mittels SLM, können diese Funktionen ideal mitei nander vereint werden.
Die Vermischung des Brennstoffs erfolgt hier vorzugsweise erst in der Brennkammer 30.
Figur 6 zeigt auch, dass Dampf in den Bereich zwischen Flam menrohr 22 und äußerem Druckmantel 40 strömt.
Der Dampf strömt vorzugsweise in Richtung Austrittsöffnung 32. Auch wird Dampf einem Brenner 58 zugeführt und/oder um den Brenner 58 herum.
Figur 7 stellt eine Variante der Bodenplatte 4 mit interner Vormischung in einem Mischer 55 in der Bodenplatte 4 dar, wo bei die Anordnung der Eindüsungsebenen in der Dampfdurch gangspassage individuell ausgestaltet werden kann.
Auch eine Wiederholung dieser Passagen ist einfach zu ermög lichen.
In Figur 7 wird im Schnitt der Bodenplatte 4 die Mischung (HHO) von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) und ggf. Was ser oder Wasserdampf (H2O) innerhalb der Bodenplatte 4 des Brennkammersystems 1 dargestellt.
In dieser Variante werden Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in dem Mischer 55 vermischt und erst dann der Brenn kammer 30 zugeführt.
Figur 8 zeigt schematisch dargestellt, wie vorzugsweise in einer Platte 110 wie der Bodenplatte 4 verschiedene Medien miteinander vermischt werden können.
In diesem Fall ist es der Wasserstoff 111, der Sauerstoff 112 und der Dampf 113, die jeweils seitlich in einen Kanal 114 einströmen und daher dort vermischt werden.
Das Gemisch tritt dann in einer Richtung 115 aus dem Kanal 114 wie zum Beispiel in den Brennraum 30 gemäß Figur 6 oder 7 aus.
Figur 9 zeigt ein einzelnes Modul 46.
Von der oberen Stirnseite 133 des Moduls 46 ausgehend sind vorzugweise mehrere Vertiefungen 130 vorhanden.
Die Form der Vertiefungen 130 kann vielfältig ausgestaltet sein, wie zum Beispiel einen sich verengenden, keilförmigen Verlauf in der Ebene der Grundfläche 134 der Vertiefung 130 aufweisen. Die Grundfläche 134 einer Vertiefung 130 ist vorzugsweise flach ausgestaltet, d.h. die Brennkammerachse 31 (bzw. eine Parallele dazu) steht senkrecht auf der Grundfläche 134 (Fig 9, 14) oder die Grundfläche 134 ist ansteigend oder absteigend ausgebil det, d.h. die Brennkammerachse 31 (bzw. eine Parallele dazu) steht nicht senkrecht auf der Grundfläche 134, wie es in Fi guren 10, 15 für einige Dampfdurchlässe 150 im Schnitt der Module 46 zu erkennen ist.
Die Geometrie und Anordnung der Dampfdurchlässe 150 kann für jedes einzelnes Modul 46 verschieden oder für die jeweiligen Module 46', 46'', ... gleich sein.
Die Geometrie und Anordnung der Dampfdurchlässe 150 kann auch insbesondere für ein einzelnes Modul 46 verschieden sein.
Figur 16 zeigt eine Aufsicht auf ein Modul 46' gemäß Figur 9 (bzw. Fig. 14).
Jede Vertiefung 130', 130'', 130''', ...weist eine Mittellinie 131', 131", 131" auf. Die Mittelinie 131', ... teilt die Grundfläche 134 hälftig auf.
Die Mittelinien 131', 131'', ...der Vertiefungen 130', 130'',
...treffen sich vorzugsweise in der Mitte des Moduls 46, also im Punkt der Brennkammerachse 31.
Hier ist die Grundfläche 134 vorzugsweise keilförmig (stumpf kugelförmig) ausgebildet, da die Kanten der Grundfläche 134 Radiale darstellen.
Ebenso kann die Vertiefung 130 mit seiner Mittellinie 131 so ausgestaltet sein, dass die Mittellinie 131 der Grundfläche 134 nicht durch die Brennkammerachse 31 verläuft, wie es in Figur 17 exemplarisch für eine Vertiefung 130 angedeutet ist. Dadurch wird ein tangentialer Drall ermöglicht, wenn ein Flu id, hier Dampf, durch den Dampfdurchlass strömt.
Die Grundfläche 134 ist daher hier vorzugsweise nicht keil förmig ausgebildet. Die Grundfläche 134 kann vorzugsweise auch quadratisch oder rechteckig ausgebildet sein.
Das Modul 46 kann ebenso wiederum aus mehreren Elementen 48', 48'', ...bestehen.
Ein solches Element 48', 48'', ... eines Moduls 46 ist durch die gestrichelten Trennungslinien 49', ... in Figur 14 darge stellt.
Jedes Modul 46 (Fig. 9) oder Element 48', ... (Fig. 14) für ein Modul 46 gemäß Figuren 9, 14, 16, 17 kann Dampfpassagen 50 aufweisen, die an sich schon Durchgangslöcher darstellen.
Dampfdurchlässe 150 mit demselben Zweck der Dampfpassagen 50 ergeben sich erst durch Stapelung der einzelnen Module 46',
In Figur 10 wird der Sinn der Vertiefungen 130 deutlich, weil durch die Stapelung mehrerer Module 46' bis 46'''' sich aus den Vertiefungen 130 Durchgangslöcher für das Flammenrohr 22, also Dampfdurchlässe 150 ergeben.
Diese Dampfdurchlässe 150 können ebenso vorzugsweise in ihrer Geometrie frei ausgewählt und gestaltet werden.
Ein solcher Dampfdurchlass 150 kann auch erst durch die Sta pelung zweier direkt aufeinander liegender Module 46', 46'',
...vollständig entstehen, insbesondere wenn die Stirnseiten 133 jeweils eine halbkreisförmige Vertiefung aufweisen, die zusammen übereinander gestapelt einen kreisförmigen Quer schnitt ergeben.
Ebenso können Dampfdurchlässe 150 aufgrund der Vertiefungen 130 und Dampfpassagen 50 gleichzeitig vorhanden sein (Fig In der Brennkammer 30 ist am Boden ein Brenner 58 angeordnet (Fig. 11).
Dieser Brenner 58 ist vorzugsweise ein Porenbrenner.
Für einen Zünder 405 ist ein Design möglich, bei dem der Zün der 405 seitlich in die Brennkammer 30 eingebracht wird (Fi gur 11).
In Figur 11 ist schematisch dargestellt, wie die Anordnung von Zünder 405 und Brenner 58 ausgestaltet ist.
Durch eine Dampfpassage 50 oder eine andere Durchführung wird der Zünder 405 quer zur Längsrichtung über dem Brenner 58 zu geführt oder ist dort vorhanden.
Der Zünder 405 ist vorzugsweise in die Brennkammer zuführbar, so dass im Betrieb nach der erstmaligen und einmaligen Zün dung der Zünder 405 aus dem hoch korrosiven Bereich entfernt werden kann.
In Längsrichtung der Brennkammer 30 gesehen weist der Zünder 405 einen entsprechenden Abstand 400 zum Brenner auf.
Die Zündung findet zwischen Brenner 58 und Zündungsvorrich tung 405 statt.
Nach dem Zünden, also im Booster-Betrieb, kann der Zünder 405 aus der Brennkammer 30 herausgefahren werden.
Figur 12 zeigt die Aufsicht auf einen Flansch 700 mit Boden platte 4 mit Dampfeingangs-Öffnungen, Drainageöffnungen für Entwässerungsleitungen 33 für die Abfuhr von Kondensaten aus dem Booster, der Öffnung für den Brenner 58.
Durch Öffnungen 703', 703'' wird von dem Dampf der bestehen den Anlage Dampf dem Brennkammersystem 1 zugeführt. Dies sind vorzugsweise mehrere Öffnungen, die insbesondere gleichmäßig um den Umfang verteilt sind. Zwischen den Öffnungen 703', ... sind schematisch die Stangen 43 angeordnet, die ebenfalls vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang verteilt sind.
Der Dampf strömt also hier in den Zwischenraum 41 zwischen äußerem Druckmantel 40 und Flammenrohr 22 ein.
Zu erkennen sind auch die Drainageöffnungen für Entwässe rungsleitungen 33.
Zentral angeordnet ist der Brenner 58, um den herum die Dampfleitungen 25', 25'', ...angeordnet sind.
Der Verlauf der Module 46 ist ebenfalls dargestellt.
Ein Ventil für das Abspritzen der Dampfleitung ist vorzugs weise ebenfalls vorgesehen.
Das Brennkammersystem 1 ist vorzugsweise in Reihe geschaltet mit einem Dampfrohr einer bestehenden Anlage und wird dort mittels dem Flansch in Reihe geschaltet. Für die Fertigung der keramischen Segmente ist ein dreiteili ges Formenkonzept vorgesehen, bei dem die keramische Masse am Umfang eingefüllt wird. Das Ziel hierbei ist es, die beiden Auflageflächen endkonturnah zu fertigen und Nachbearbeitung möglichst komplett zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkammersystem (1), in der
Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) in der Anwesenheit von
Wasser (H2O) und/oder Wasserdampf (28, H2O) in einer Brennkammer (30) verbrannt werden kann, bei dem die Brennkammer (30) außen in einem Zwischenraum (41) von Dampf (28) umströmbar ist, insbesondere über die gesamte Länge der Brennkammer (30) im Zwischenraum (41) eines Flammenrohrs (22) umströmbar ist.
2. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenraum (41) am Ende der Brennkammer (30), insbesondere im Bereich einer Austrittsöffnung (32) des Flammenrohrs (22) geschlossen ausgebildet ist, ganz insbesondere der Zwischenraum (41) einen abgeschlossen Raum darstellt.
3. Brennkammersystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Länge der Brennkammer (30) oder des Flammenrohrs (22) mindestens dreimal insbesondere drei bis fünf Mal, so lang wie der hydraulische Durchmesser der Brennkammer (30) oder des Flammenrohrs (22) ausgebildet ist.
4. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, deren Brennkammer (30) über die Länge, insbesondere die gesamte Länge, den gleichen Querschnitt quer zur Brennkammerachse (31) aufweist.
5. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dessen Brennkammer (30) durch das Flammenrohr (22) gebildet wird, wobei das Flammenrohr (22) im Querschnitt ring- oder rohr förmig, insbesondere im Querschnitt kreis- oder oval-förmig, ausgebildet ist.
6. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, dessen Brennkammer (30) durch das Flammenrohr (22) gebildet wird, wobei das Flammenrohr (22) modular aufgebaut ist, insbesondere mehrere Module (46', 46'', ...) aufweist, die insbesondere ring- oder rohrförmig ausgebildet sind, und insbesondere im Querschnitt kreis- oder oval-förmig ausgebildet sind.
7. Brennkammersystem nach Anspruch 6, bei dem die Module (46', 46'', ...) übereinander, insbesondere koaxial, angeordnet sind.
8. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem die Module (46', 46'', ...) oder das Flammenrohr (22) keramisch ausgebildet sind, insbesondere auf Basis von Oxidkeramik, ganz insbesondere auf der Basis von Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid/Spinell.
9. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6, 7 oder 8, bei dem die einzelnen Module (46', 46'', ...) Mittel (101, 102) aufweisen, durch die sie gegeneinander befestigt werden, insbesondere durch Nut (102) und Feder (101).
10. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, bei dem Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) und/oder Wasserdampf über eine Bodenplatte (4) insbesondere in einer Ebene, in die Brennkammer (30) einströmen können.
11. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, bei dem Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) und/oder Wasserdampf in einer Bodenplatte (4) vermischt werden können, insbesondere in einem Mischer (55) vermischt werden können, und über eine Bodenplatte (4) insbesondere in einer Ebene, in die Brennkammer (30) einströmen können.
12. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, bei dem das Flammenrohr (22) oder die Module (46', 46 ", ...)
Dampfpassagen (50) und/oder die Module (46', 46'', ...) Dampfdurchlässe (150) aufweisen, durch die Dampf in die Brennkammer (30) einströmen kann.
13. Brennkammersystem nach Anspruch 12, bei dem die Dampfpassagen (50) so ausgebildet sind, um ein Anlegen einer heißen Flamme an die Wand des Flammen- rohrs (22) zu verhindern.
14. Brennkammersystem nach einem oder beiden der Ansprüche 12 oder 13, bei dem die Dampfpassagen (50) und/oder Dampfdurchlässe (150) sich über die gesamte Länge und/oder Umfang des Flam menrohrs (22) oder seiner Module (46', 46'', ...) erstrecken.
15. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, das einen äußeren Druckmantel (40) aufweist, der die Brennkammer (30) umschließt und so den Zwischenraum (41) bildet, wobei insbesondere der Zwischenraum (41) direkt durch den Druckmantel (40) und dem Flammenrohr (22) direkt begrenzt wird.
16. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, bei der die Brennkammer (30) am anderen Ende eine obere Platte (44) aufweist, die an dem Druckmantel (40) anliegen, so dass sie den Zwischenraum (41) bilden.
17. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, das eine Dampfzuleitung (9) aufweist, die Dampf (28) in die Brennkammer (30) und in den Zwischenraum (41), insbesondere auf Höhe der Bodenplatte (4), leiten kann, so dass der Dampf von Bodenplatte Richtung Austrittsöffnung (32) strömen kann.
18. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, das einen Zünder (405) aufweist, der insbesondere in die Brennkammer (30) ein- und aus führ- bar ist.
19. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, das zumindest aufweist:
Entwässerungsleitungen (33) und/oder
Überdruckventile oder einen Überdruckschutz (36) und/oder eine Dampfüberbrückung 39 (Bypass) und/oder eine PüO-Abspritzung (42), vorzugsweise am Ende des Brennzylinders (7), und/oder ein Spülsystem (3), das Zuleitungen durchspülen kann, insbesondere unter der Verwendung von Stickstoff.
20. Brennkammersystem nach einem oder mehreren der vorheri gen Ansprüche, das einen Flansch (700) aufweist, insbesondere mit der Bodenplatte (4), mit Dampfeingangs-Öffnungen (703, ...), mit Drainageöffnungen für Entwässerungsleitung (33) für die Abfuhr von Kondensaten, insbesondere mit einer Öffnung für den Brenner (58).
21. Verfahren zur Erzeugung von Dampf, insbesondere von Prozessdampf, bei dem ein Brennkammersystem (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche mit einer Brennkammer (30) verwen det wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem Wasserstoff (fü) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) in der Anwesenheit von
Wasser (H2O) oder Wasserdampf (28, H2O) in der Brennkammer (30) verbrannt wird, insbesondere nur Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauer stoff (O2) verbrannt und/oder nur Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) sowie Wasserdampf in die Brennkammer (30) eingeführt wird.
23. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 21 oder
22, bei dem die Brennkammer (30) außen in einem Zwischenraum (41), insbesondere in einem geschlossenen Zwischenraum (41), um die Brennkammer (30) von Dampf (28) umströmt wird, und insbesondere der Dampf in Richtung Austrittsöffnung (32) strömt, wodurch das Flammenrohr (22) gekühlt wird, insbesondere ohne weitere Kühlung gekühlt wird.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21, 22 oder 23, bei dem Dampf, insbesondere der komplette Dampf aus dem Zwischenraum (41) in die Brennkammer (30) einströmt.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche 21, 22, 23 oder 24, bei dem Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) sowie Wasserdampf über eine Bodenplatte (4) insbesondere in einer Ebene, in die Brennkammer (30) einströmen.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche, bei dem Wasserstoff (H2) und vorzugsweise Sauerstoff (O2) und/oder Wasserdampf in einer Bodenplatte (4) vermischt werden, insbesondere in einem Mischer (55) vermischt werden, und über eine Bodenplatte (4) insbesondere in einer Ebene, in die Brennkammer (30) einströmen.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche, bei dem Dampf in den Zwischenraum (41) strömt, um das Flammenrohr (22) bei Nicht-Betrieb warm zu halten oder zu erwärmen.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche, bei dem die Brennkammer (30) in Dampfatmosphäre von lbar bis 140bar betrieben wird, insbesondere bei lbar bis 80bar, betrieben wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche, bei dem die Brennkammer (30) in Dampfatmosphäre von mindestens 2bar, insbesondere mindestens 6bar, betrieben wird.
30. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche, bei die Brennkammer (30) mit einem Druckverlust von lOOmbar - 3000mbar betrieben wird.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche, bei dem Dampf um einen Brenner (58) während der Verbrennung strömt.
32. Anlage, die ein Brennkammersystem (1) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche aufweist.
33. Anlage nach Anspruch 32, bei der es sich um eine Dampfturbinenanlage handelt.
34. Anlage nach Anspruch 32, bei der es sich um eine Gas- und Dampfturbinenanlage han delt.
35. Anlage nach Anspruch 32, 33 oder 34, bei der es sich um eine Anlage zur Dampferzeugung für Pro zessdampf handelt.
EP22731254.3A 2021-07-01 2022-06-02 Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage Pending EP4334644A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21183260.5A EP4113008A1 (de) 2021-07-01 2021-07-01 Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage
PCT/EP2022/065112 WO2023274661A1 (de) 2021-07-01 2022-06-02 Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4334644A1 true EP4334644A1 (de) 2024-03-13

Family

ID=76744764

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21183260.5A Withdrawn EP4113008A1 (de) 2021-07-01 2021-07-01 Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage
EP22731254.3A Pending EP4334644A1 (de) 2021-07-01 2022-06-02 Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21183260.5A Withdrawn EP4113008A1 (de) 2021-07-01 2021-07-01 Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240318818A1 (de)
EP (2) EP4113008A1 (de)
JP (1) JP7695413B2 (de)
KR (1) KR20240027111A (de)
CN (1) CN117597548A (de)
WO (1) WO2023274661A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023207602A1 (de) * 2023-08-08 2025-02-13 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Anlage und Verfahren zum Betreiben einer Anlage
JP2025154127A (ja) * 2024-03-29 2025-10-10 三浦工業株式会社 水蒸気発生装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4474140A (en) * 1980-11-24 1984-10-02 Sternfeld Hans J Steam generator
US6201029B1 (en) * 1996-02-13 2001-03-13 Marathon Oil Company Staged combustion of a low heating value fuel gas for driving a gas turbine
JP3706455B2 (ja) * 1997-01-29 2005-10-12 三菱重工業株式会社 水素燃焼タービン用水素・酸素燃焼器
EP1375827A1 (de) 2002-06-28 2004-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Dampfkraftwerk
JP2006017367A (ja) * 2004-06-30 2006-01-19 Toshiba Corp 水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置
CN101300411B (zh) * 2005-10-31 2012-10-03 应用材料公司 制程减降反应器
KR101123114B1 (ko) * 2009-09-29 2012-03-19 어코드 주식회사 연료전지 시스템의 연료개질기 버너
WO2017158636A1 (ja) * 2016-03-14 2017-09-21 株式会社 東芝 ガスタービン設備
US12345414B2 (en) * 2017-07-12 2025-07-01 Praxair Technology, Inc. Method for enhancing combustion reactions in high heat transfer environments
WO2019028289A1 (en) * 2017-08-02 2019-02-07 Tascosa Advanced Service, Inc. RECONCILED BURNER
JP7245490B2 (ja) * 2018-08-08 2023-03-24 株式会社ヒラカワ 水蒸気の生成方法および水蒸気の生成装置
EP4286673A3 (de) * 2019-06-09 2024-02-21 Finno Energy Oy Verfahren zur steuerung des deflagrationsverbrennungsprozesses in einer kolbenlosen brennkammer

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240027111A (ko) 2024-02-29
EP4113008A1 (de) 2023-01-04
CN117597548A (zh) 2024-02-23
JP2024523393A (ja) 2024-06-28
WO2023274661A1 (de) 2023-01-05
JP7695413B2 (ja) 2025-06-18
US20240318818A1 (en) 2024-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0834040B1 (de) Feuerraum mit einer Brennereinrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Feuerraums
EP0193029B1 (de) Brennkammer für Gasturbinen
EP2307806B1 (de) Brenneranordnung für fluidische brennstoffe und verfahren zum herstellen der brenneranordnung
DE112014004695B4 (de) Brennstoffeinspritzvorrichtung für eine Gasturbine
EP4334644A1 (de) Wasserstoffbefeuertes brennkammersystem, verfahren und anlage
DE112014005025B4 (de) Ringförmige Verbrennungskammer in einem Gasturbinen-Triebwerk und Verfahren zu dessen Betrieb
EP2812636B1 (de) Ringbrennkammer-bypass
EP2161502A1 (de) Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen sowie hochkalorischen Brennstoffes
EP3134682B1 (de) Brenneranordnung
DE102015205069B4 (de) Verbrennungsvorrichtung
DE19833004A1 (de) Wärmetauscher zum Kühlen eines heißen Prozeßgases
EP3458684A1 (de) Turbinengehäuse und turbine mit einem solchen turbinengehäuse
DE102017118166B4 (de) Brennerkopf, Brennersystem und Verwendung des Brennersystems
DE102006059532B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung mit sequentieller Verbrennung
DE4130922C2 (de) Brenner für Hochtemperaturprozesse sowie Verfahren zum Betreiben des Brenners
EP3926238A1 (de) Baugruppe einer gasturbine mit brennkammerluftbypass
EP4198393B1 (de) Rekuperatorbrenner
EP1561073B1 (de) Vorrichtung zur flächenhaften gaseinmischung in einen strahlungszug
AT505165B1 (de) Speicherblock als einsatz für den brennraum eines heizkessels mit ölfeuerung
DE102018125284A1 (de) Wärmeübertragungsvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragungsvorrichtung
EP2878888A1 (de) Rostelement mit ein gegossenem Keramikeinsatz
DE102006014110A1 (de) Flammrohr-Konstruktion mit hoher Wärmeübertragung und Verfahren zu deren Herstellung
DE10032190A1 (de) Gasbrenner mit einem Brennkörper aus porösem Material
WO2015043749A1 (de) Brennerkopf eines brenners und gasturbine mit einem solchen brenner
EP0975920A1 (de) Wärmekraftmaschine

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20231206

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20250123