WO2004020905A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen eines brennstoff-oxidator-gemischs - Google Patents

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WO2004020905A1
WO2004020905A1 PCT/CH2003/000542 CH0300542W WO2004020905A1 WO 2004020905 A1 WO2004020905 A1 WO 2004020905A1 CH 0300542 W CH0300542 W CH 0300542W WO 2004020905 A1 WO2004020905 A1 WO 2004020905A1
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oxidizer
catalyst
fuel
mixture
stream
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PCT/CH2003/000542
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Timothy Griffin
Dieter Winkler
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Alstom Technology Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13002—Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for burning a fuel-oxidizer mixture in a combustion chamber of a turbo group, in particular a power plant.
  • a method for operating a gas turbine group is known from EP 0 849 451 A2, the gas turbine group essentially consisting of a compressor, a combustion chamber, a turbine and a generator.
  • the gas turbine group essentially consisting of a compressor, a combustion chamber, a turbine and a generator.
  • fuel is mixed with air compressed in the compressor before combustion and then burned in a combustion chamber.
  • Compressed air supplied via a partial air line is mixed with fuel supplied via a partial fuel line and introduced into a reactor with a catalyst coating.
  • the fuel mixture is converted into a synthesis gas comprising hydrogen, carbon monoxide, residual air and residual fuel. This synthesis gas is injected into those zones of the combustion chamber in which they stabilize the flame.
  • the present invention deals with the problem of showing possibilities for stabilization for the combustion of a lean fuel-oxidizer mixture in a combustion chamber of a turbo group.
  • the invention is based on the general idea of only partially oxidizing a rich pilot fuel / oxidizer mixture in a catalyst in such a way that highly reactive hydrogen is formed, the partially oxidized, hydrogen-containing mixture together with a . additional oxidizer flow is introduced into at least one zone which is suitable for stabilizing the combustion of the main fuel-oxidizer mixture.
  • the oxidizer required for the full oxidation of the partially oxidized pilot mixture is also introduced or injected into the zones suitable for combustion stabilization, which increases the stability of the pilot flames produced in this way.
  • the pilot flames remove no or at least significantly less oxidizer from the main mixture during their combustion, which means that the main mixture reaction can also be more stable.
  • the additionally supplied oxidizer stream which is also referred to below as the heat exchanger-oxidizer stream, can be used to preheat the pilot fuel-oxidizer mixture and / or to cool the catalyst.
  • the oxidizer used in a turbo group usually comes from the pressure side of a compressor, so that the oxidizer, usually air, is already at a relatively high temperature.
  • a pilot fuel / oxidizer mixture is formed, the temperature of which is below that of the compressed oxidizer, since the fuel, usually natural gas, has a relatively low temperature during the injection.
  • another partial flow of the oxidizer originating from the compressor can be used to preheat the pilot fuel-oxidizer mixture be used by performing a suitable heat coupling.
  • the ignition limit of the catalytic reaction is reached with a relatively short inlet section into the catalytic converter, which means that an increased conversion rate in the catalytic converter can be achieved at the same time.
  • the catalytic reaction now increases the temperature of the catalyst. So that the desired partial oxidation predominantly takes place in the catalytic converter, the temperature in the catalytic converter must not rise too much, since otherwise full oxidation takes place and / or a homogeneous gas reaction can occur.
  • the heat exchanger-oxidizer stream is particularly suitable for cooling the catalytic converter, in particular after its heat has been given off to the pilot fuel-oxidizer mixture. As a result, the desired partial oxidation reaction in the catalyst can be stabilized.
  • the catalyst can have a plurality of channels through which parallel flow can occur, one of which is catalytically active and the other of which is catalytically inactive.
  • the catalytically active channels form a catalytically active path through the catalyst, which is designed in such a way that when it flows through the rich pilot-fuel-oxidizer mixture it enables the desired partial oxidation with the formation of hydrogen.
  • the catalytically inactive channels form a catalytically inactive path through the catalyst, through which the heat exchanger-oxidizer stream flows during operation.
  • the channels are coupled to one another in a heat-transferring manner by a uniform construction of the channels, that is to say by accommodating the channels in a common structure of the catalytic converter.
  • This design thus enables, on the one hand, preheating of the pilot fuel / oxidizer mixture introduced into the catalyst and, on the other hand, cooling of the catalyst.
  • a thermal management for the catalytic converter designed for a nominal operating state of the device, in particular the turbo group can be achieved. This enables a long service life for the catalytic converter as well as reproducible combustion reactions in the catalytic converter and thus in the stabilization zones.
  • FIG. 1 is a circuit diagram-like representation of the principle of a turbo group which is equipped with a device according to the invention
  • Fig. 2 is a circuit diagram-like schematic representation of an inventive
  • FIG. 4 is a view as in FIG. 3, but in another embodiment,
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a catalytic converter and a distributor head
  • FIG. 6 shows a representation as in FIG. 5, but additionally with a perforated plate
  • a turbo group 1 comprises a turbine 2, which is designed in particular as a gas turbine, and a compressor 3, which is connected to the turbine 2 via a drive shaft 4.
  • the turbo group 1 is usually used in a power plant, the turbine 2 then additionally driving a generator 5 via the shaft 4.
  • the turbo group 1 also comprises a combustion system, referred to as the combustion chamber 6, which has at least one combustion chamber 7 and at least one premix burner 8 connected upstream of this combustion chamber 7.
  • the combustion chamber 6 is connected on the inlet side to the high pressure side of the compressor 3 and on the outlet side to the high pressure side of the turbine 2. Accordingly, the combustion chamber 6 is supplied with oxidizer, in particular air, from the compressor 3 via an oxidizer line 9.
  • the fuel is supplied via a corresponding fuel line 10.
  • the hot combustion gases are supplied to the turbine 2 via a hot gas line 11.
  • the combustion chamber 6 is used to burn a fuel-oxidizer mixture in the combustion chamber 7; the combustion chamber 6 thus forms a device according to the invention. This device is therefore also designated 6 below.
  • a total oxidizer stream 12 coming from the compressor 3 is introduced at 13 into a main oxidizer stream 14 and a secondary oxidizer stream 15 by a suitable flow guide.
  • the secondary oxidizer stream 15 is then divided into a pilot oxidizer stream 17 and a heat exchanger oxidizer stream 18.
  • a total fuel stream 19 at 20 is also divided into a main fuel Stream 21 and a pilot fuel stream 22 split.
  • the oxidizer streams can be divided, for example, in a plenum of the combustion chamber 6, so that the dividing points 13 and 16 coincide.
  • a suitable valve or the like can be arranged. It is also possible to provide the pilot fuel stream 22 with its own pump and, in particular, to supply it to the combustion chamber 6 independently of the main fuel stream 21.
  • the main oxidizer stream 14 and the main fuel stream 21 are fed to the premix burner 8, as a result of which a main fuel oxidizer mixture 23 is formed in the premix burner 8.
  • This main fuel-oxidizer mixture 23 is then introduced into the combustion chamber 7, in which it burns when the oxidation is complete.
  • the fuel and oxidizer are expediently fed into the premix burner 8 in such a way that a lean main mixture 23 results.
  • the device 6 or the combustion chamber 6 is also equipped with a catalytic converter 24, the catalytic converter material of which is selected such that, under certain boundary conditions, it causes partial oxidation of a fuel-oxidizer mixture supplied, in such a way that hydrogen is produced during this partial oxidation.
  • a mixture of the pilot oxidizer stream 17 and the pilot fuel stream 22 is fed to the catalyst 24.
  • the pilot fuel stream 22 is added to the pilot oxidizer stream 17 in such a way that a rich pilot fuel oxidizer mixture 17, 22 is formed.
  • the mixture formation can - as here - take place in an inlet area of the catalyst 24; Likewise, the pilot fuel-oxidizer mixture 17, 22 can already be formed upstream of the catalyst 24.
  • the synthesis gas which is formed in the catalytic converter 24 by partial oxidation is referred to below as a partially oxidized pilot fuel / oxidizer mixture which, for example, is introduced into the combustion chamber 7 in accordance with the arrow 25.
  • a partially oxidized pilot fuel / oxidizer mixture which, for example, is introduced into the combustion chamber 7 in accordance with the arrow 25.
  • other reaction products in a natural gas-air mixture are essentially carbon monoxide and residual air or residual natural gas.
  • the partially oxidized pilot fuel / oxidizer mixture 25 is then introduced into the combustion chamber 7 together with the heat exchanger / oxidizer stream 18. This means that a very stable pilot flame or pilot combustion are generated.
  • the heat exchanger-oxidizer flow 18 and the volume flow of the partially oxidized pilot mixture 25 are expediently coordinated with one another in such a way that a lean or at least slightly lean mixture is formed when they are mixed.
  • the partially oxidized pilot mixture 25 and the heat exchanger-oxidizer stream 18 are introduced or injected into one or more zones 26, one of which is symbolically shown in FIG. 2 a dotted line is limited. These zones 26 are selected such that they are particularly suitable for stabilizing the main combustion of the main fuel-oxidizer mixture 23 formed in the premix burner 8. Such zones 26 are mainly located in the combustion chamber 7.
  • Zones 26 suitable for stabilizing the main combustion of the main mixture 23 in the combustion chamber 7 can be, for example: a central recirculation zone in the combustion chamber 7, an external recirculation or dead water zone and a section of the pre-mixing burner 8 remote from the combustion chamber 7.
  • the catalyst 24 has a catalytically active path 27 and a catalytically inactive path 28 which is coupled to the catalytically active path 27 in a heat-transferring manner. While the pilot fuel-oxidizer mixture 17, 22 is introduced into the catalytically active path 27, the heat exchanger-oxidizer stream 18 flows through the catalytically inactive path 28. As a result, the heat exchanger-oxidizer stream 18 on the one hand, can be used for preheating the pilot mixture 17, 22, the temperature of which has been reduced by admixing the relatively cold pilot fuel stream 22. The preheating advantageously shifts the ignition of the catalyst reaction toward the inlet end of the catalyst 24.
  • the flow through the catalytically inactive path 28 with the heat exchanger-oxidizer stream 18 cools the catalyst 24, so that the catalyst 24 can be operated in a predetermined temperature window which is particularly suitable for the desired catalytic reaction.
  • a full oxidation of the pilot mixture 17, 22 and the formation of a homogeneous gas reaction in the pilot mixture 17, 22 are avoided within the catalyst 24.
  • the means used for supplying the heat exchanger-oxidizer stream 18 form an oxidizer feed device, in which case the catalytically inactive path 28 of the catalyst 24 forms a component of this oxidizer feed device.
  • the catalyst 24 can be integrated into the premix burner 8 in preferred embodiments.
  • the catalytic converter 24 can be installed, for example, in a lance 29 which is arranged centrally on a head 30 of the burner 8 remote from the combustion chamber 7 and here projects into the premix burner 8 in the direction of the combustion chamber 7.
  • the reactive, partially oxidized pilot mixture 25 is here together with the heat exchanger oxide.
  • the catalyst 24 itself is arranged centrally in the head 30 of the premix burner 8.
  • the catalyst 24 can have a plurality of channels 31 and 32 through which flow can occur in parallel, of which one is catalytically active channels 31, while the other are catalytically inactive channels 32.
  • the catalytically active channels 31 form the catalytically active path 27 of the catalyst 24, while the catalytically inactive channels 32 form the catalytically inactive path 28 of the catalyst 24.
  • the catalytic converter 4 In front of the inlet openings of the individual channels 31, 32, the catalytic converter 4 here has a distribution chamber 33 which corresponds to the dividing point 16 in FIG. 2.
  • the secondary oxidizer stream 15 supplied is distributed in the distribution chamber 33 to the catalytically active channels 31 (pilot oxidizer stream 17) and the catalytically inactive channels 32 (heat exchanger oxidizer stream 18).
  • the pilot fuel stream 22 is admixed within the catalytically active channels 31, expediently before catalytically coating the catalytically active channels 31.
  • the catalytically active channels 31 are coupled to the catalytically inactive channels 32 in a heat-transferring manner, which can be achieved in particular by common boundary walls.
  • the individual channels 31, 32 of the catalytic converter 24 can be formed catalytically active or catalytically inactive line by line and can be arranged alternately line by line. Accordingly, in FIG. 5, lines 34, which consist of catalytically active channels 31 arranged next to one another, alternate with lines 35, which consist of catalytically inactive channels 32 arranged next to one another. This results in an alternating stratification of the rows 34, 35 transversely to the main flow direction of the catalyst 24.
  • the distributor head 36 is constructed from a plurality of shafts 41 and 42 which are adjacent transversely to the main flow direction of the catalyst 24. All shafts 41, 42 are open to the outlet 38 of the distributor head 36.
  • the first shafts 41 assigned to the first entrance 39 are also open to the first entrance 39, while they are closed to the second entrance 40.
  • the second shafts 42 assigned to the second input 40 are open towards the second input 40 and closed towards the first input 39.
  • the dimensions of the manholes 41, 42 are matched to the dimensioning of the channels 31, 32 of the catalytic converter 40 such that each manhole exit covers one line 34, 35.
  • the distributor head 36 basically has the same structure as in the embodiment according to FIG. 5.
  • the catalytically active channels 31 and the catalytic lyically inactive channels 32 in FIG. 6 are no longer arranged in a cell-like manner as in FIG. 5, but in a checkerboard fashion.
  • This checkerboard arrangement is rotated by 45 ° relative to a rectangular cross section of the catalyst 24 about the main flow direction of the catalyst 24, so that there is a quasi-diagonal checkerboard arrangement of the channels 31, 32.
  • a perforated plate 43 is arranged, which has a plurality of through holes 44, which are arranged in a predetermined hole pattern 45.
  • This hole pattern 45 is expediently chosen such that each channel 31, 32 communicates with one of the shafts 41, 42 only via a single through hole 44. This means that the holes 44 are open on the one hand only to a single shaft 41, 42 and on the other hand only to a single channel 31, 32 or to a single channel group of catalytically active channels 31 or catalytically inactive channels 32.
  • FIG. 7a shows a section through the cross section of the catalyst 24 according to FIG. 6. Accordingly, the catalytically active channels 31 and the catalytically inactive channels 32 are arranged such that they alternate like a checkerboard.
  • the lines entered in FIG. 7a represent the orientations or longitudinal center planes of the shafts 41 and 42 assigned to the respective channels 31, 32 at the outlet thereof.
  • FIG. 7b shows a line-by-line arrangement of the catalytically active channels 31 and the catalytically inactive channels 32 corresponding to the embodiment of the catalyst 24 shown in FIG. 5, but otherwise corresponds to the illustration according to FIG. 7a.
  • FIG. 7c shows another advantageous arrangement for the catalytically active channels 31 and the catalytically inactive channels 32.
  • the number of catalytically inactive channels 32 and their share in the total cross-sectional area of the catalyst 24 is greater than in the catalytically active channels 31.
  • the heat exchanger-oxidizer stream 18 or the pilot mixture 17, 22 is then fed in a corresponding arrangement of the first shafts 41 and second shafts 42 in the distributor head 36.
  • the catalytically active channels 31 and the catalytically inactive channels 32 are again arranged in the manner of a checkerboard, the catalytically active channels 31 each being combined into groups of four. Accordingly, there is a significantly larger number of catalytically active channels 31, while the proportion of the total flowable area of the catalyst 24 in the catalytically active channels 31 is approximately the same as in the catalytically inactive channels 32.
  • the individual holes are then 44 assigned to the perforated plate 43 either a single catalytically inactive channel 32 or a group of four catalytically active channels 31.
  • WO 03/033985 A1 describes a method and a device for supplying and removing two gases to and from one Multi-channel monolith structure.
  • a first and a second gas can be fed to first and second channels of the monolith structure separately from one another.
  • the channels are arranged within the monolith structure such that each first channel with at least one second channel has a common partition wall, via which a mass and / or heat exchange between the channels is possible.
  • Pilot fuel electricity Main fuel oxidizer mixture Catalyst oxidized pilot fuel oxidizer mixture Zone catalytically active path catalytically inactive path lance head of 8 catalytically active channel catalytically inactive channel distributor chamber line with catalytically active channels line with catalytically inactive channels distributor head input from 24 output from 36 first entrance of 36 second entrance of 36 first shaft second shaft perforated plate through hole perforated pattern

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (6) zur Durchführung des Verfahrens, wobei das Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einem Brennraum (7) einer Turbogruppe, insbesondere einer Kraftwerksanlage, dient. Ein Gesamt-Oxidator-Strom (12) wird in einen Haupt-Oxidator-Strom (14) und einen Neben-Oxidator-Strom (15) aufgeteilt. Der Haupt-Oxidator-Strom (14) wird mit einem Haupt-Brennstoff-Strom (21) in einem Vormischbrenner (8) mager vermischt, und das Gemisch (23) wird im Brennraum (7) volloxidiert. Der Neben-Oxidator-Strom (15) wird in einen Pilot-Oxidator-Strom (17) und einen Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) aufgeteilt. Der Pilot-Oxidator-Strom (17) wird mit einem Pilot-Brennstoff-Strom (22) fett vermischt und das Gemisch (17, 22) wird in einem Katalysator (24) unter Ausbildung von Wasserstoff teiloxidiert. Das teiloxidierte Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (25) und der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) werden nach dem Katalysator (24) gemeinsam in wenigstens eine Zone (26) eingeleitet, die für eine Stabilisierung der Verbrennung des Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemischs (23) geeignet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-
Gemischs
Technisches Gebiet
Die vorliegende Er indung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einem Brennraum einer Turbogruppe, insbesondere einer Kraftwerksanlage.
Stand der Technik
Aus der EP 0 849 451 A2 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe bekannt, wobei die Gasturbogruppe im wesentlichen aus einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Generator besteht. In einem Vormischer der Brennkammer wird vor der Verbrennung Brennstoff mit im Verdichter verdichteter Luft vermischt und danach in einem Brennraum verbrannt. Über eine Teil- Luftleitung zugeführte verdichtete Luft wird mit über eine Teil-Brennstoffleitung zugeführtem Brennstoff vermischt und in einen Reaktor mit einer Katalysator- Beschichtung eingeleitet. Im Reaktor wird das Brennstoff-Gemisch in ein Synthesegas, umfassend Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Restluft und Restbrennstoff, umgewandelt. Dieses Synthesegas wird in solche Zonen der Brennkammer einge- düst, in denen sie eine Stabilisierung der Flamme bewirken. Durch die Eindüsung des durch die Wasserstoffanteile hoch reaktiven Synthesegases bilden sich an den Eindüsstellen Flammen, wobei sie Restsauerstoff der mageren Hauptverbrennung verbrauchen. Diese Verbrennungsreaktion ist vergleichsweise stabil und bildet außerdem eine Zündquelle für die Hauptverbrennung, so dass die Flammen dieser Reaktion auch als Pilotflammen dienen. Aus der US 5,569,020 ist ein Vormischbrenner bekannt, in dessen Kopf konzentrisch eine Lanze angeordnet ist. Diese Lanze enthält in ihrem Austrittsende einen Katalysator, der dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Vormischbrenners bei einem ihn durchströmenden Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch eine Volloxidation durchzuführen. Hierdurch wird eine Heißgasströmung erzeugt, die sich mit dem kälteren Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemisch des Vormischbrenners vermischt und dadurch eine Stabilisierung der Verbrennung des Haupt-Brennstoff-Oxidator-Ge- mischs erzielt. Da mit Hilfe der Lanze und dem darin angeordneten Katalysator eine Heißgasströmung erzeugt werden soll, ist davon auszugehen, dass das im Katalysator volloxidierte Gemisch mager ist.
Moderne Vormischbrenner arbeiten mit einem mageren Brennstoff-Oxidator-Ge- misch und müssen in der Nähe der Zündgrenze ihres Magergemischs betrieben werden, um die Entstehung von NOχ gering zu halten, und um somit die immer schärfer werdenden Emissionsvorschriften erfüllen zu können. Diese Brenner sind folglich sehr anfällig für Instabilitäten des Verbrennungsvorgangs und sind außerdem großen Druckschwankungen ausgesetzt, was sich nachteilig auf die Standzeiten des Brenners, einer nachgeschalteten Brennkammer und einer Gasturbine bzw. deren Schaufeln auswirkt. Es besteht daher das Bedürfnis, bei einem Mager- mix-Vormischbrenner die Verbrennung zu stabilisieren.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für die Verbrennung eines mageren Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einem Brennraum einer Turbogruppe Möglichkeiten zur Stabilisierung aufzuzeigen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein fettes Pilot-Brennstoff- Oxidator-Gemisch in einem Katalysator nur teilweise zu oxidieren, derart, dass sich hochreaktiver Wasserstoff bildet, wobei das teiloxidierte, wasserstoffhaltige Gemisch zusammen mit einem. zusätzlichen Oxidator-Strom in wenigstens eine Zone eingeleitet wird, die für eine Stabilisierung der Verbrennung des Haupt- Brennstoff-Oxidator-Gemischs geeignet ist. Bei dieser Vorgehensweise wird der für die Volloxidation des teiloxidierten Pilot-Gemischs benötigte Oxidator mit in die für die Verbrennungsstabilisierung geeigneten Zonen eingeleitet bzw. eingedüst, wodurch sich die Stabilität der so erzeugten Pilotflammen erhöht. Gleichzeitig ziehen die Pilotflammen bei Ihrer Verbrennung keinen oder zumindest deutlich weniger Oxidator aus dem Hauptgemisch ab, wodurch auch die Hauptgemischreaktion stabiler ablaufen kann.
Besonders günstig für die Stabilisierung der Verbrennung des Haupt-Gemischs hat sich gezeigt, wenn das wasserstoffhaltige, teiloxidierte Pilot-Gemisch und der zusätzliche Oxidator-Strom so dimensioniert werden, dass sich ein mageres Gemisch bildet. Insbesondere kann ein leicht mageres Gemisch angestrebt sein, das nur einen relativ geringen Oxidator-Überschuß besitzt. Der Einfluss auf die Emissionswerte der Haupt-Verbrennung ist dann besonders gering.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der zusätzlich zugeführte Oxidator-Strom, der im folgenden auch als Wärmeübertrager-Oxidatorstrom bezeichnet wird, zum Vorwärmen des Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemischs und/oder zum Kühlen das Katalysators verwendet werden. Der in einer Turbogruppe verwendete Oxidator stammt in der Regel von der Druckseite eines Verdichters, so dass der Oxidator, üblicherweise Luft, bereits eine relativ hohe Temperatur besitzt. Durch die Eindüsung des Brennstoffs in einen Teilstrom des vom Verdichter stammenden Oxidators wird ein Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch gebildet, dessen Temperatur unterhalb der des verdichteten Oxidators liegt, da der Brennstoff, üblicherweise Erdgas, bei der Eindüsung eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Dementsprechend kann ein anderer Teilstrom des vom Verdichter stammenden Oxidators zum Vorwärmen des Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemischs genutzt werden, indem eine geeignete Wärmekopplung durchgeführt wird. Hierdurch wird die Zündgrenze der katalytischen Reaktion bereits bei einer relativ kurzen Einlaufstrecke in den Katalysator erreicht, wodurch sich gleichzeitig eine erhöhte Konversionsrate im Katalysator erzielen lässt. Durch die katalytische Reaktion erhöht sich nun die Temperatur des Katalysators. Damit im Katalysator vorwiegend die gewünschte Teiloxidation abläuft, darf die Temperatur im Katalysator nicht zu stark ansteigen, da sonst eine Volloxidation stattfinden und/oder eine homogene Gasreaktion entstehen kann. Der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom eignet sich, insbesondere nach seiner Wärmeabgabe an das Pilot-Brennstoff-Oxida- tor-Gemisch, in besondere Weise zur Kühlung des Katalysators. Hierdurch kann die gewünschte Teiloxidationsreaktion im Katalysator stabilisiert werden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann der Katalysator mehrere parallel durchströmbare Kanäle aufweisen, von denen die einen katalytisch aktiv und die anderen katalytisch inaktiv sind. Die katalytisch aktiven Kanäle bilden dabei einen katalytisch aktiven Pfad durch den Katalysator, der so gestaltet ist, dass er bei seiner Durchströmung mit dem fetten Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch die gewünschte Teiloxidation unter der Ausbildung von Wasserstoff ermöglicht. Die katalytisch inaktiven Kanäle bilden einen katalytisch inaktiven Pfad durch den Katalysator, der im Betrieb vom Wärmeübertrager-Oxidator-Strom durchströmt ist. Durch eine einheitliche Bauweise der Kanäle, also durch die Unterbringung der Kanäle in einer gemeinsamen Struktur des Katalysators, sind die Kanäle wärmeübertragend miteinander gekoppelt. Diese Bauweise ermöglicht somit zum einen ein Vorwärmen des in den Katalysator eingeleiteten Pilot-Brennstoff-Oxidator-Ge- mischs und zum anderen ein Kühlen des Katalysators. Durch eine gezielte Abstimmung der katalytisch aktiven Kanäle und der katalytisch inaktiven Kanäle, insbesondere im Hinblick auf deren Anzahl, Anordnung und Dimensionierung, kann gezielt ein auf einen Nennbetriebszustand der Vorrichtung, insbesondere der Turbogruppe, ausgelegtes Wärmemanagement für den Katalysator erreicht werden. Dies ermöglicht eine hohe Standzeit für den Katalysator sowie reproduzierbare Verbrennungsreaktionen im Katalysator und somit in den Stabilisierungszonen. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Turbogruppe, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist,
Fig. 2 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung im Längsschnitt durch einen Vormischbrenner,
Fig. 4 eine Ansicht wie in Fig. 3, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
Fig. 5 eine auseinander gezogene, perspektivische Darstellung eines Katalysators und eines Verteilerkopfs,
Fig. 6 eine Darstellung wie in Fig. 5, jedoch zusätzlich mit einer Lochplatte,
Fig. 7a bis 7d stark vereinfachte Ausschnitte aus einem Querschnitt eines Katalysators bei verschiedenen Ausführungsformen. Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfaßt eine Turbogruppe 1 eine Turbine 2, die insbesondere als Gasturbine ausgebildet ist, sowie einen Verdichter 3, der über eine Antriebswelle 4 mit der Turbine 2 verbunden ist. Üblicherweise wird die Turbogruppe 1 in einer Kraftwerksanlage verwendet, wobei dann die Turbine 2 über die Welle 4 zusätzlich einen Generator 5 antreibt.
Die Turbogruppe 1 umfaßt außerdem ein als Brennkammer 6 bezeichnetes Verbrennungssystem, das wenigstens einen Brennraum 7 sowie wenigstens einen, diesem Brennraum 7 vorgeschalteten Vormischbrenner 8 aufweist. Die Brennkammer 6 ist eingangsseitig an die Hochdruckseite des Verdichters 3 und ausgangs- seitig an die Hochdruckseite der Turbine 2 angeschlossen. Dementsprechend wird die Brennkammer 6 über eine Oxidatorleitung 9 vom Verdichter 3 mit Oxidator, insbesondere Luft, versorgt.
Die Brennstoffversorgung erfolgt über eine entsprechende Brennstoffleitung 10. Die heißen Verbrennungsgase werden über eine Heißgasleitung 11 der Turbine 2 zugeführt. Die Brennkammer 6 dient zur Verbrennung eines Brennstoff-Oxidator- Gemischs im Brennraum 7; die Brennkammer 6 bildet somit eine Vorrichtung nach der Erfindung. Diese Vorrichtung wird im folgenden daher auch mit 6 bezeichnet.
In Fig. 2 ist eine Detailansicht der Brennkammer 6 bzw. der Vorrichtung 6 wiedergegeben. Dementsprechend wird durch eine geeignete Strömungsführung ein vom Verdichter 3 kommender Gesamt-Oxidator-Strom 12 bei 13 in einen Haupt- Oxidator-Strom 14 und einen Neben-Oxidator-Strom 15 eingeleitet. Bei 16 erfolgt dann eine Aufteilung des Neben-Oxidator-Stroms 15 in einen Pilot-Oxidator-Strom 17 und einen Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18. In entsprechender weise wird hier auch ein Gesamt-Brennstoff-Strom 19 bei 20 in einen Haupt-Brennstoff-Strom 21 und einen Pilot-Brennstoff-Strom 22 aufgeteilt. Die Aufteilung der Oxidatorströ- me kann beispielsweise in einem Plenum der Brennkammer 6 erfolgen, so dass die Aufteilstellen 13 und 16 zusammenfallen. Insbesondere bei der Aufteilstelle 20 des Brennstoffstroms kann ein geeignetes Ventil oder dgl. angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, den Pilot-Brennstoff-Strom 22 mit einer eigenen Pumpe zu versehen und insbesondere unabhängig vom Haupt-Brennstoff-Strom 21 der Brennkammer 6 zuzuführen.
Wie aus dem Schaubild gemäß Fig. 2 hervorgeht, wird dem Vormischbrenner 8 der Haupt-Oxidator-Strom 14 sowie der Haupt-Brennstoff-Strom 21 zugeführt, wodurch im Vormischbrenner 8 ein Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemisch 23 gebildet wird. Dieses Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemisch 23 wird dann in den Brennraum 7 eingeleitet, in dem es bei einer vollständigen Oxidation verbrennt. Zweckmäßig erfolgt dabei die Zuführung von Brennstoff und Oxidator in den Vormischbrenner 8 so, dass sich ein mageres Haupt-Gemisch 23 ergibt.
Die Vorrichtung 6 bzw. die Brennkammer 6 ist außerdem mit einem Katalysator 24 ausgestattet, dessen Katalysatormaterial so ausgewählt ist, dass es bei bestimmten Randbedingungen eine Teiloxidation eines zugeführten Brennstoff-Oxidator- Gemischs bewirkt, derart, dass bei dieser Teiloxidation Wasserstoff entsteht. Dem Katalysator 24 wird ein Gemisch aus dem Pilot-Oxidator-Strom 17 und dem Pilot- Brennstoff-Strom 22 zugeführt. Die Zumischung des Pilot-Brennstoff-Stroms 22 zum Pilot-Oxidator-Strom 17 erfolgt dabei so, dass sich ein fettes Pilot-Brennstoff- Oxidator-Gemisch 17, 22 bildet. Die Gemischbildung kann dabei - wie hier - in einem Einlaufbereich des Katalysators 24 erfolgen; ebenso kann das Pilot-Brenn- stoff-Oxidator-Gemisch 17, 22 bereits stromauf des Katalysators 24 gebildet werden. Das sich im Katalysator 24 durch Teiloxidation ausbildende Synthesegas wird im folgenden als teiloxidiertes Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch bezeichnet, das entsprechend dem Pfeil 25 beispielsweise in den Brennraum 7 eingeleitet wird. Weitere Reaktionsprodukte bei einem Erdgas-Luft-Gemisch sind neben Wasserstoff im wesentlichen Kohlenmonoxid und Restluft bzw. Resterdgas.
Das teiloxidierte Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch 25 wird dann erfindungsgemäß gemeinsam mit dem Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 in den Brennraum 7 eingeleitet. Hierdurch kann an der jeweiligen Einleitstelle eine sehr stabile Pilot- flamme oder Pilotverbrennung erzeugt werden. Der Wärmeübertrager-Oxidator- Strom 18 und der Volumenstrom des teiloxidierten Pilotgemischs 25 sind zweckmäßig so aufeinander abgestimmt, dass sich bei ihrer Durchmischung ein mageres oder zumindest leicht mageres Gemisch ausbildet.
Um mit Hilfe der stabilen Pilotflammen die Hauptverbrennung im Brennraum 7 stabilisieren zu können, werden das teiloxidierte Pilot-Gemisch 25 und der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 in eine oder mehrere Zonen 26 eingeleitet bzw. eingedüst, von denen in Fig. 2 eine symbolisch durch eine Punktlinie begrenzt ist. Diese Zonen 26 sind so gewählt, dass sie sich für eine Stabilisierung der Haupt- Verbrennung des im Vormischbrenner 8 gebildeten Haupt-Brennstoff-Oxidator- Gemischs 23 besonders eignen. Derartige Zonen 26 befinden sich hauptsächlich in der Brennkammer 7. Ebenso ist es möglich, dass sich wenigstens eine solche Zone 26 im Vormischbrenner 8 befindet, so dass zusätzlich oder alternativ das teiloxidierte Pilot-Gemisch 25 zusammen mit dem Wärmeübertrager-Oxidator- Strom 18 an einer entsprechenden Stelle in den Vormischbrenner 8 eingeleitet werden, was beispielsweise bei den Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 realisiert ist. Für eine Stabilisierung der Haupt-Verbrennung des Haupt-Gemischs 23 im Brennraum 7 geeignete Zonen 26 können beispielsweise sein: eine zentrale Re- zirkulationszone im Brennraum 7, eine außenliegende Rezirkulations- oder Totwasserzone und ein vom Brennraum 7 entfernter Abschnitt des Vorrmischbren- ners 8. Die genannten Rezirkulationszonen entstehend dann, wenn der Vormischbrenner 8 über eine sprungartige Querschnittserweiterung in den Brennraum 7 übergeht und dadurch eine Drallströmung des Vormischbrenners 8 beim Übergang in den Brennraum 7 aufplatzt, sogenannter „vortex-breakdown".
Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform besitzt der Katalysator 24 einen katalytisch aktiven Pfad 27 sowie einen katalytisch inaktiven Pfad 28, der mit dem katalytisch aktiven Pfad 27 wärmeübertragend gekoppelt ist. Während das Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch 17, 22 in den katalytisch aktiven Pfad 27 eingeleitet wird, ist der katalytisch inaktive Pfad 28 vom Wärmeübertrager-Oxidator- Strom 18 durchströmt. Hierdurch kann der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 einerseits zum Vorwärmen des Pilot-Gemischs 17, 22 genutzt werden, dessen Temperatur durch die Zumischung des relativ kalten Pilot-Brennstoff-Stroms 22 abgesenkt worden ist. Durch die Vorwärmung wird die Zündung der Katalysatorreaktion vorteilhaft in Richtung Einlaufende des Katalysators 24 verschoben. Andererseits bewirkt die Durchströmung des katalytisch inaktiven Pfads 28 mit dem Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 eine Kühlung des Katalysators 24, so dass der Katalysator 24 in einem vorbestimmten und für die gewünschte katalytische Reaktion besonders geeigneten Temperaturfenster betrieben werden kann. Durch die Kühlung des Katalysators 24 werden innerhalb des Katalysators 24 insbesondere eine Volloxidation des Pilot-Gemischs 17, 22 sowie die Entstehung einer homogenen Gasreaktion im Pilot-Gemisch 17, 22 vermieden.
Es ist klar, dass im Katalysator 24 bzw. in dessen katalytisch aktiven Pfad 27 neben der Teiloxidation auch eine Volloxidation des Pilot-Gemischs 17, 22 stattfinden kann. Darüber hinaus kann es bei relativ niedrigen Temperaturen und bei der Verwendung von Erdgas als Brennstoff dazu kommen, dass im Katalysator 24 eine endotherme Dampf-Reformierung stattfindet, wodurch die Produktion von Wasserstoff und beispielsweise Kohlenmonoxid verbessert werden kann. Des weiteren ist es möglich, dem Katalysator 24 bzw. dem Pilot-Gemisch 17, 22 Dampf zuzuführen.
Die für die Zuführung des Wärmeübertrager-Oxidator-Stroms 18 verwendeten Mittel bilden dabei eine Oxidator-Zuführeinrichtung, wobei hier der katalytisch inaktive Pfad 28 des Katalysators 24 einen Bestandteil dieser Oxidator-Zuführeinrichtung bildet.
Entsprechend den Fig. 3 und 4 kann der Katalysator 24 bei bevorzugten Ausführungsformen in den Vormischbrenner 8 integriert sein. Gemäß Fig. 3 kann der Katalysator 24 beispielsweise in eine Lanze 29 eingebaut sein, die an einem vom Brennraum 7 entfernten Kopf 30 des Benners 8 zentral angeordnet ist und hier in Richtung Brennraum 7 in den Vormischbrenner 8 hineinragt. Das reaktive, teiloxidierte Pilot-Gemisch 25 wird hierbei zusammen mit dem Wärmeübertrager-Oxida- tor-Strom 18 am Kopf 30 in den Vormischbrenner 8 eingedüst. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist der Katalysator 24 selbst im Kopf 30 des Vormischbrenners 8 zentral angeordnet.
Im folgenden wird eine spezielle Ausführungsform des Katalysators 24 anhand Fig. 4 erläutert, ohne dass es dabei auf die in Fig. 4 gezeigte Einbausituation des Katalysators 24 ankommt. Der Katalysator 24 kann mehrere parallel durchströmbare Kanäle 31 und 32 aufweisen, von denen die einen katalytisch aktive Kanäle 31 sind, während die anderen katalytisch inaktive Kanäle 32 sind. Die katalytisch aktiven Kanäle 31 bilden dabei den katalytisch aktiven Pfad 27 des Katalysators 24, während die katalytisch inaktiven Kanäle 32 den katalytisch inaktiven Pfad 28 des Katalysators 24 bilden. Vor den Einlaßöffnungen der einzelnen Kanäle 31 , 32 besitzt der Katalysator 4 hier eine Verteilerkammer 33, die der Aufteilstelle 16 in Fig. 2 entspricht. Dementsprechend verteilt sich in der Verteilerkammer 33 der zugeführte Neben-Oxidator-Strom 15 auf die katalytisch aktiven Kanälen 31 (Pilot- Oxidator-Strom 17) und die katalytisch inaktiven Kanäle 32 (Wärmeübertrager- Oxidator-Strom 18). Bei der hier gezeigten Ausführungsform erfolgt die Zumi- schung des Pilot-Brennstoff-Stroms 22 innerhalb der katalytisch aktiven Kanäle 31 , zweckmäßig vor einer katalytischen Beschichtung der katalytisch aktiven Kanäle 31. Für eine intensive Kühlung der katalytisch aktiven Kanäle 31 sind zum einen die katalytisch aktiven Kanäle 31 und die katalytisch inaktiven Kanäle 32 einander abwechselnd angeordnet. Zum anderen sind die katalytisch aktiven Kanäle 31 wärmeübertragend mit den katalytisch inaktiven Kanälen 32 gekoppelt, was insbesondere durch gemeinsame Begrenzungswände realisierbar ist.
Entsprechend Fig. 5 können die einzelnen Kanäle 31 , 32 des Katalysators 24 zeilenweise katalytisch aktiv bzw. katalytisch inaktiv ausgebildet und einander zeilenweise abwechselnd angeordnet sein. Dementsprechend wechseln sich in Fig. 5 Zeilen 34, die aus nebeneinander angeordneten katalytisch aktiven Kanälen 31 bestehen, mit Zeilen 35 ab, die aus nebeneinander angeordneten katalytisch inaktiven Kanälen 32 bestehen. Hierdurch ergibt sich eine alternierende Schichtung der Zeilen 34, 35 quer zur Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators 24. Um die Einleitung des Wärmeübertrager-Oxidator-Stroms 18 in die katalytisch inaktiven Kanäle 32 von der Zuführung des Pilot-Gemischs 17, 22 aus Pilot-Brennstoff- Strom 22 und Pilot-Oxidator-Strom 17 in die katalytisch aktiven Kanäle 31 zu trennen, ist dem Katalysator 24 ein Verteilerkopf 36 vorgeschaltet. Dieser Verteilerkopf 36 besitzt einen an einen Eingang 37 des Katalysators 24 angeschlossenen Ausgang 38. Des Weiteren besitzt der Verteilerkopf 36 einen in Fig. 5 dem Betrachter zugewandten ersten Eingang 39 sowie einen vom Betrachter abgewandten zweiten Eingang 40. Der erste Eingang 39 ist an eine nicht dargestellte Pilot-Brenn- stoff-Oxidator-Gemisch-Leitung angeschlossen, die das Pilot-Gemisch 17, 22 dem ersten Eingang 39 zuführt. In entsprechender Weise ist an den zweiten Eingang 40 eine nicht gezeigte Wärmeübertrager-Oxidator-Leitung, die einen Bestandteil der vorgenannten Oxidator-Zuführeinrichtung bildet, angeschlossen, über die der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 dem zweiten Eingang 40 zugeführt wird.
Der Verteilerkopf 36 ist aus mehreren, quer zur Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators 24 benachbarten Schächten 41 und 42 aufgebaut. Alle Schächte 41 , 42 sind zum Ausgang 38 des Verteilerkopfs 36 hin offen. Die dem ersten Eingang 39 zugeordneten ersten Schächte 41 sind außerdem zum ersten Eingang 39 hin offen, während sie zum zweiten Eingang 40 hin geschlossen sind. In entsprechender Weise sind die dem zweiten Eingang 40 zugeordneten zweiten Schächte 42 zum zweiten Eingang 40 hin offen und zum ersten Eingang 39 hin geschlossen. Dabei ist die Dimensionierung der Schächte 41 , 42 auf die Dimensionierung der Kanäle 31 , 32 des Katalysators 40 so abgestimmt, dass jeder Schachtausgang eine Zeile 34, 35 abdeckt. Da die ersten Schächte 41 und die zweiten Schächte 42 einander abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, ergibt sich dadurch die gewünschte Aufteilung der dem Verteilerkopf 36 zugeführten Strömungen, nämlich Pilot-Gemisch 17, 22 einerseits und Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 andererseits, auf die einzelnen Zeilen 34, 35 des Katalysators 24.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 besitzt der Verteilerkopf 36 grundsätzlich denselben Aufbau wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5. Im Unterschied dazu sind jedoch beim Katalysator 24 die katalytisch aktiven Kanäle 31 und die kata- lytisch inaktiven Kanäle 32 in Fig. 6 nicht mehr zellenförmig wie in Fig. 5, sondern schachbrettartig angeordnet. Dabei ist diese Schachbrettanordnung gegenüber einem rechteckigen Querschnitt des Katalysators 24 um 45° um die Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators 24 verdreht, so dass sich quasi eine diagonale schachbrettartige Anordnung der Kanäle 31 , 32 ergibt. Um auch bei dieser Ausführungsform eine eindeutige Trennung zwischen dem Pilot-Gemisch 17, 22 und dem Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 für die Durchströmung des Katalysators 24 erzielen zu können, ist nun zwischen dem Eingang 37 des Katalysators 24 und dem Ausgang 38 des Verteilerkopfs 36 eine Lochplatte 43 angeordnet, die eine Vielzahl von Durchgangslöchern 44 besitzt, die in einem vorbestimmten Lochmuster 45 angeordnet sind. Dieses Lochmuster 45 ist zweckmäßig so gewählt, dass jeder Kanal 31 , 32 nur über ein einziges Durchgangsloch 44 mit einem der Schächte 41 , 42 kommuniziert. Das bedeutet, dass die Löcher 44 jeweils einerseits nur zu einem einzigen Schacht 41 , 42 und andererseits nur zu einem einzigen Kanal 31 , 32 bzw. zu einer einzigen Kanalgruppe aus katalytisch aktiven Kanälen 31 oder katalytisch inaktiven Kanälen 32 offen sind. Hierdurch wird erreicht, dass einerseits das in die ersten Schächte 41 einströmende Pilot-Gemisch 17, 22 ausschließlich in katalytisch aktive Kanäle 31 gelangt, während andererseits der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom 18 über die zweiten Schächte 42 ausschließlich in katalytisch inaktive Kanäle 32 einströmt.
Durch die speziellen Maßnahmen der Ausführungsformen gemäß den Fig. 5 und 6 ist es besonders einfach möglich, vor der Einleitung in den Katalysator 24 bzw. in dessen Kanäle 31 , 32 auf relativ einfache Weise das Pilot-Brennstoff-Oxidator- Gemisch 17, 22 herzustellen.
In Fig. 7a ist ein Ausschnitt durch den Querschnitt des Katalysators 24 gemäß Fig. 6 wiedergegeben. Dementsprechend sind die katalytisch aktiven Kanäle 31 und die katalytisch inaktiven Kanäle 32 so angeordnet, dass sie sich schachbrettartig abwechseln. Die in Fig. 7a eingetragenen Linien repräsentieren die Orientierungen oder Längsmittelebenen der den jeweiligen Kanälen 31 , 32 zugeordneten Schächte 41 bzw. 42 an deren Austritt. Fig. 7b gibt eine sich zeilenweise alternierende Anordnung der katalytisch aktiven Kanäle 31 und der katalytisch inaktiven Kanäle 32 entsprechend der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des Katalysators 24 wieder und entspricht im Übrigen jedoch der Darstellung gemäß Fig. 7a.
In Fig. 7c ist eine andere vorteilhafte Anordnung für die katalytisch aktiven Kanäle 31 und die katalytisch inaktiven Kanäle 32 wiedergegeben. Bei dieser Variante ist die Anzahl der katalytisch inaktiven Kanäle 32 sowie deren Anteil an der Gesamtquerschnittsfläche des Katalysators 24 größer als bei den katalytisch aktiven Kanälen 31. Die Zuführung des Wärmeübertrager-Oxidator-Stroms 18 bzw. des Pi- lotgemischs 17, 22 erfolgt dann über eine entsprechende Anordnung der ersten Schächte 41 und zweiten Schächte 42 im Verteilerkopf 36.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7d sind die katalytisch aktiven Kanäle 31 und die katalytisch inaktiven Kanäle 32 wieder schachtbrettartig angeordnet, wobei die katalytisch aktiven Kanäle 31 jeweils zu Vierergruppen zusammengefasst sind. Dementsprechend ergibt sich eine deutlich größere Anzahl an katalytisch aktiven Kanälen 31 , während der Anteil an der gesamten durchströmbaren Fläche des Katalysators 24 bei den katalytisch aktiven Kanälen 31 etwa gleich groß ist wie bei den katalytisch inaktiven Kanälen 32. Bei dieser Ausführungsform sind dann die einzelnen Löcher 44 der Lochplatte 43 entweder einem einzigen katalytisch inaktiven Kanal 32 oder einer Gruppe aus vier katalytisch aktiven Kanälen 31 zugeordnet. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine starke Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche sowie eine Erhöhung des Durchströmungswiderstands innerhalb des katalytisch aktiven Pfads 27, wodurch sich insgesamt die erreichbare Umsatzrate innerhalb der katalytisch Reaktion verbessern lässt.
Im Übrigen wird für weitere Varianten und Ausführungsformen einer derartigen Katalysator-Anordnung auf die WO 03/033985 A1 verwiesen, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung hinzugeführt wird. Aus der WO 03/033985 A1 gehen ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Zuführen und Abführen von zwei Gasen zu bzw. von einer Mehrkanal-Monolithstruktur hervor. Mit Hilfe eines Verteilerkopfes können ein erstes und ein zweites Gas voneinander getrennt ersten und zweiten Kanälen der Monolithstruktur zugeführt werden. Innerhalb der Monolithstruktur sind die Kanäle so angeordnet, dass jeder erste Kanal mit wenigstens einem zweiten Kanal eine gemeinsame Trennwand besitzt, über die ein Massen- und/oder Wärmeaustausch zwischen den Kanälen möglich ist.
Bezugszeichenliste
1 Turbogruppe
2 Turbine
3 Verdichter
4 Welle
5 Generator
6 Vorrichtung/Brennkammer
7 Brennraum
8 Vormischbrenner
9 Oxidatorleitung
10 Brennstoffleitung
11 Heißgasleitung
12 Gesamt-Oxidator-Strom
13 Aufteilstelle
14 Haupt-Oxidator-Strom
15 Neben-Oxidator-Strom
16 Aufteilstelle
17 Pilot-Oxidator-Strom
18 Wärmeübertrager-Oxidator-Strom
19 Gesamt-Brennstoff-Strom
20 Aufteilstelle
21 Haupt-Brennstoff-Strom
22 Pilot-Brennstoff-Strom Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemisch Katalysator oxidiertes Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch Zone katalytisch aktiver Pfad katalytisch inaktiver Pfad Lanze Kopf von 8 katalytisch aktiver Kanal katalytisch inaktiver Kanal Verteilerkammer Zeile mit katalytisch aktiven Kanälen Zeile mit katalytisch inaktiven Kanälen Verteilerkopf Eingang von 24 Ausgang von 36 erster Eingang von 36 zweiter Eingang von 36 erster Schacht zweiter Schacht Lochplatte Durchgangsloch Lochmuster

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einem Brennraum (7) einer Turbogruppe (1), insbesondere einer Kraftwerksanlage,
- bei dem ein Gesamt-Oxidator-Strom (12) in einen Haupt-Oxidator-Strom (14) und einen Neben-Oxidator-Strom (15) aufgeteilt ist oder wird,
- bei dem der Haupt-Oxidator-Strom (14) mit einem Haupt-Brennstoff-Strom (21) in einem Vormischbrenner (8) mager vermischt und dieses Haupt- Brennstoff-Oxidator-Gemisch (23) im Brennraum (7) volloxidiert wird,
- bei dem der Neben-Oxidator-Strom (15) in einen Pilot-Oxidator-Strom (17) und einen Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) aufgeteilt ist oder wird,
- bei dem der Pilot-Oxidator-Strom (17) mit einem Pilot-Brennstoff-Strom (22) fett vermischt und das Gemisch (17, 22) in einem Katalysator (24) unter Ausbildung von Wasserstoff teiloxidiert wird,
- bei dem das teiloxidierte Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (25) und der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) nach dem Katalysator (24) gemeinsam in wenigstens eine für eine Stabilisierung der Verbrennung des Haupt- Brennstoff-Oxidator-Gemischs (23) geeignete Zone (26) eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) und das teiloxidierte Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (25) nach dem Katalysator (24) mager oder leicht mager vermischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) zum Vorwärmen des Pilot-Brennstoff-Oxidator- Gemischs (25) und/oder zum Kühlen des Katalysators (24) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Katalysator (24) mehrere parallel durchströmbare Kanäle (31 , 32) aufweist, von denen die einen (31) katalytisch aktiv und die anderen (32) katalytisch inaktiv sind, - dass das Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (17, 22) durch die katalytisch aktiven Kanäle (31) geleitet wird,
- dass der Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) durch die katalytisch inaktiven Kanäle (32) geleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Kanäle (31) und die katalytisch inaktiven Kanäle (32) wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind.
6. Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in einem Brennraum (7) einer Turbogruppe (1), insbesondere einer Kraftwerksanlage,
- mit einem Vormischbrenner (8), in dem im Betrieb der Vorrichtung (6) ein Haupt-Oxidator-Strom (14) mit einem Haupt-Brennstoffstrom (21) mager vermischt und dieses Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (23) volloxidiert wird,
- mit wenigstens einem Katalysator (24), der dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Vorrichtung (6) bei einem ihn durchströmenden fetten Pilot-Brennstoff - Oxidator-Gemisch (17, 22) eine Teiloxidation unter Ausbildung von Wasserstoff durchzuführen,
- mit einer Oxidator-Zuführeinrichtung (28, 32), die im Betrieb der Vorrichtung (6) dem teiloxidierten Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (25) stromab des Katalysators (24) einen Wärmeübertrager-Oxidator-Strom (18) zumischt,
- wobei der Katalysator (24) und die Oxidator-Zuführeinrichtung (28, 32) so ausgebildet sind, dass sie im Betrieb der Vorrichtung (6) das teiloxidierte Pi- lot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (25) und den Wärmeübertrager-Oxidatorstrom (18) gemeinsam in wenigstens eine für eine Stabilisierung der Verbrennung des Haupt-Brennstoff-Oxidator-Gemischs (23) geeignete Zone (26) einleiten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Katalysator (24) einen durchströmbaren katalytisch aktiven Pfad
(27) sowie einen dazu parallel durchströmbaren katalytisch inaktiven Pfad
(28) aufweist,
- dass der katalytisch aktive Pfad (27) dazu ausgebildet ist, bei einem ihn durchströmenden fetten Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch (17, 22) eine Teiloxidation unter Ausbildung von Wasserstoff durchzuführen,
- dass der katalytisch inaktive Pfad (28) wärmeübertragend mit dem katalytisch aktiven Pfad (27) gekoppelt ist, einen Bestandteil der Oxidator-Zuführeinrichtung bildet und im Betrieb der Vorrichtung (6) vom Wärmeübertrager- Oxidator-Strom (18) durchströmt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Katalysator (24) mehrere parallel durchströmbare Kanäle (31 , 32) aufweist, von denen die einen (31) katalytisch aktiv und die anderen (32) katalytisch inaktiv sind,
- dass der katalytisch aktive Pfad (27) des Katalysators (24) durch dessen katalytisch aktive Kanäle (31) gebildet ist,
- dass der katalytisch inaktive Pfad (28) des Katalysators (24) durch dessen katalytisch inaktive Kanäle (32) gebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pilot-Brennstoff-Leitung an die katalytisch aktiven Kanäle (31) angeschlossen ist, derart, dass sie im Betrieb der Vorrichtung (6) den Pilot-Brennstoff-Strom (22) separat in die einzelnen katalytisch aktiven Kanäle (31) einleitet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Pilot-Oxidator-Leitung an den katalytisch aktiven Pfad (27) angeschlossen ist,
- dass eine Pilot-Brennstoff-Leitung stromauf des Katalysators (24) an die Pilot-Oxidator-Leitung angeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (24) in einem Kopf (30) des Vormischbrenners (8) konzentrisch angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (24) in einer Lanze (29) angeordnet ist, die in einem Kopf (30) des Vormischbrenners (8) konzentrisch angeordnet ist und in den Vormischbrenner (8) hineinragt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
- dass dem Katalysator (24) ein Verteilerkopf (36) vorgeschaltet ist, der mit einem ersten Eingang (39) an eine Pilot-Brennstoff-Oxidator-Gemisch-Leitung, mit einem zweiten Eingang (14) an eine Wärmeübertrager-Oxidator-Leitung und mit einem Ausgang (38) an den Katalysator (24) angeschlossen ist,
- dass der Verteilerkopf (36) mehrere quer zur Strömungsrichtung benachbarte Schächte (41 , 42) aufweist, die alle am Ausgang (38) und wahlweise am ersten Eingang (39) oder am zweiten Eingang (40) offen sind.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 13, dadurch gekennzeichnet,
- dass die katalytisch aktiven Kanäle (31) und die katalytisch inaktiven Kanäle (32) so verteilt angeordnet sind, dass erste Zeilen (34) nebeneinander angeordneter katalytisch aktiver Kanäle (31) und zweite Zeilen (35) nebeneinander angeordneter katalytisch inaktiver Kanäle (32) sich einander, insbesondere zeilenweise, abwechselnd angeordnet sind,
- dass die zum ersten Eingang (39) offenen ersten Schächte (41) an die ersten Zeilen (34) und die zum zweiten Eingang (40) offenen zweiten Schächte (42) an die zweiten Zeilen (35) angrenzen.
15. Vorrichtung nach den Ansprüche 6 und 13 oder nach den Ansprüchen 6 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verteilerkopf (36) und dem Katalysator (24) eine Lochplatte (43) angeordnet ist, deren Lochmuster (45) so gewählt ist, dass jeder Kanal (31 , 32) durch ein einziges Durchgangsloch (44) mit einem der Schächte (41 , 42) kommuniziert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
- dass die katalytisch aktiven Kanäle (31) und die katalytisch inaktiven Kanäle (32) sich schachbrettartig abwechselnd angeordnet sind,
- dass das Lochmuster (45) der Lochplatte (43) und die Anordnung der Kanäle (31 , 32) so aufeinander abgestimmt sind, dass die katalytisch aktiven Kanäle (31) über die zugeordneten Durchgangslöcher (44) mit den ersten Schächten (41) kommunizieren, die zum ersten Eingang (39) des Verteilerkopfs (36) führen, während die katalytisch inaktiven Kanäle (32) über die zugeordneten Durchgangslöcher (44) mit den zweiten Schächten (42) kommunizieren, die zum zweiten Eingang (40) des Verteilerkopfs (36) führen.
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