WO2005019734A1 - Verfahren zur verbrennung eines fluidischen brennstoffs sowie brenner, insbesondere für eine gasturbine, zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur verbrennung eines fluidischen brennstoffs sowie brenner, insbesondere für eine gasturbine, zur durchführung des verfahrens Download PDF

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burner
catalytic
reaction
flow channel
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Bernd Prade
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Definitions

  • the invention relates to a method for the combustion of a fluidic fuel, in which fuel is converted in a catalytic reaction and subsequently catalytically pre-reacted fuel is burned further in a post-reaction.
  • the invention further relates to a burner for the combustion of a fluidic fuel, in which the fuel outlet of a catalytic burner with catalytic conversion of the fuel is arranged in a flow channel in the flow direction of the fuel in front of the fuel outlet of a main burner.
  • the invention further relates to a combustion chamber having such a burner and a gas turbine with such a combustion chamber.
  • a fluidic fuel is to be understood below to mean, in particular, heating oil and / or heating gas, as is used in particular for gas turbines.
  • All flammable liquids e.g. B. petroleum, methanol, etc.
  • all flammable gases for. B. natural gas, coal gas, synthesis gas, biogas, propane, butane, etc. understood.
  • Such burners with a catalytic reaction are shown, for example, in document EP-A-491 481.
  • Burner systems of this type are also suitable for applications in turbomachinery, such as gas turbines.
  • a gas turbine usually consists of a compressor part, a burner part and a turbine part.
  • the compressor part and the turbine part are usually located on a common shaft, which at the same time drives a generator for generating electricity.
  • preheated fresh air is compressed to the pressure required in the burner section.
  • the compressed and pre- warmed fresh air with a fuel such as B. burned natural gas or heating oil.
  • the hot burner exhaust gas is fed to the turbine section and expanded there while performing work.
  • the reduction in flame temperature or flame temperature in the burner section has a nitrogen oxide-reducing effect.
  • steam is supplied to the fuel gas or the compressed and preheated fresh air or water is injected into the combustion chamber.
  • Measures which reduce nitrogen oxide emissions per se from the gas turbine are referred to as primary measures for reducing nitrogen oxides. Accordingly, all measures are referred to as secondary measures in which nitrogen oxides contained in the exhaust gas of a gas turbine - or in general a combustion process - are reduced by subsequent measures.
  • An application of a catalytic process is disclosed for example in EP 0 832 397 B1, which shows a catalytic gas turbine burner. Part of the fuel gas is drawn off through a line system, passed through a catalytic stage and then fed back to the fuel gas to lower its catalytic ignition temperature.
  • the catalytic stage is designed as a preforming stage, which comprises a catalyst system which is provided for converting a hydrocarbon contained in the fuel gas into an alcohol and / or an aldehyde or H 2 and CO.
  • EP 0 832 399 B1 discloses a burner for combusting a fuel, in which, in the direction of flow of the fuel in a flow channel in front of the fuel outlet of a main burner, the fuel outlet of a catalytic auxiliary burner for stabilizing the main burner under ca talytical combustion of a pilot fuel stream is provided.
  • the catalytic auxiliary burner is arranged centrally and the main burner is arranged coronary.
  • the catalytic combustion systems described above consist of a catalyst which is arranged axially. Only a part of the energy contained in the fuel is released in the catalytic converter, which improves the stabilization of the burnout of the remaining part of the chemically bound energy in the axial direction downstream of the catalytic converter in a combustion chamber. This main reaction begins after a certain time, the so-called autoignition- ti e, which essentially depends on the temperature and the gas composition at the catalyst outlet.
  • the object of the invention is to enter a method for the combustion of a fluidic fuel, with which the most complete possible conversion of the fluidic fuel can be achieved with low pollutant emissions.
  • Another object of the invention is to provide a burner, in particular for a gas turbine, which is suitable for carrying out the method.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention by a method for the combustion of a fluidic fuel, in which fuel is converted in a catalytic reaction and then catalytically prereacted fuel is further burned in a post-reaction, with a swirl component being impressed on the prereacted fuel.
  • the invention is based on the knowledge that the after-reaction only begins after a certain time, which essentially depends on the temperature and the gas composition of the reaction products after the catalytic reaction.
  • the post-reaction that follows the catalytic reaction should take place with the most complete possible conversion into heat.
  • the invention is based on the consideration that z. B. liquid fuels, such as heating oil, which can not be safely or insufficiently implemented in a catalytic reaction, can generally not be burned out in a limited reaction volume, unless aerodynamic stabilization takes place. With practically existing dimensions, there is also the problem that even with catalytic partial conversion, the reaction times available after deduction of the autoignition time are too short for the after-reaction to burn without CO.
  • a fluidic fuel can preferably also be a fuel-air Be mixture that is obtained by mixing the fluid fuel with combustion air to the fuel-air mixture, which is catalytically reacted.
  • a swirl component be applied to the pre-reacted fuel or a pre-reacted fuel-air mixture from the catalytic reaction. The swirl of the pre-reacted fuel ensures that the fuel escaping from the catalytic reaction has more reaction time available than with a swirl-free, ie purely axial
  • Reaction coordinate of the conventional catalytic combustion systems was the case. Because of the swirl, the pre-reacted fuel will achieve the autoignition time - viewed in an axial coordinate - over a significantly reduced distance, because the swirl reduces the axial speed component of the pre-reacted fuel and causes a peripheral speed component induced by the swirl, and above all a backflow zone is produced. This means that there is sufficient reaction volume available for the post-reaction in which the pre-reacted fuel continues to be burned, so that the fuel can be completely burnt out without any significant increase in the axial installation space of the combustion system.
  • the pre-reacted swirling fuel is transferred to a combustion chamber for the after-reaction, a rotary flow being formed.
  • a spatially controlled ignition of the after-reaction in the combustion chamber is preferably brought about by setting the residence time of the pre-reacted fuel for the transfer.
  • the dwell time can be adjusted by adjusting the swirl and the resulting assembly of the rotary flow with regard to the amount and direction of the fuel flow.
  • the auto-ignition point can be fixed spatially well, and thus a sufficient stabilization of the burnout for the after-reaction is ensured.
  • a homogeneous non-catalytic after-reaction is preferably ignited as the after-reaction.
  • The is further preferred
  • a catalytic pre-reaction is advantageously combined with a non-catalytic post-reaction, the spatially controlled ignition of the homogeneous non-catalytic post-reaction being ensured by the swirl component of the catalytically pre-reacted fuel or, if necessary, liquid fuel injected stramab away from the catalyst.
  • a gaseous fuel or a liquid fuel in particular heating gas or heating oil, is burned as the fluid fuel.
  • the second-mentioned object directed to a burner is achieved according to the invention by a burner for the combustion of a fluidic fuel, in which the fuel outlet of a catalytic burner is arranged in the flow direction of the fuel in a flow channel in front of the fuel outlet of a main burner with catalytic conversion of the fuel, the catalytic one Burner has a number of catalytically active elements which are arranged such that a rotary flow is formed in the flow channel.
  • the flow direction of the fuel in the flow channel here designates the axial flow direction along the flow channel, which is defined by a longitudinal axis of the
  • the three-way flow which forms under the arrangement of the catalytically active elements is to be understood as a three-way flow or swirled flow around the flow direction or main flow direction of the fuel in the flow channel.
  • the rotary flow is preferably formed in the wake of the catalytically active elements after their fuel outlet, for example by the fuel outlet opening into the flow channel perpendicular to a longitudinal axis of the flow channel, the fuel outlet being arranged offset with respect to the longitudinal axis, so that a swirl is generated .
  • a swirl component is deliberately impressed on the fluidic fuel, so that a (mean) peripheral speed component is generated and the axial speed component along the longitudinal axis, that is, along the flow direction of the fuel in the flow channel, is reduced according to the swirl by the geometric arrangement of the catalytically active elements.
  • the catalytically active elements are arranged in a plane perpendicular to the direction of flow, the fuel outlet of the catalytically active elements opening into the flow channel. It is possible here for a multiplicity of catalytically active elements to be arranged along a circumference in the plane perpendicular to the direction of flow, with a tangential component in each case in the direction of the confluence of the fuel outlets
  • the rotary flow can be assembled in a predetermined manner, so that there is a desired residence time distribution in the combustion chamber, which ensures spatially controlled ignition of a homogeneous non-catalytic after-reaction enabled.
  • the system can advantageously also be arranged so that, if necessary, when using a z. B. liquid
  • a conventional, ie non-catalytic combustion, fuel can also be set.
  • the burner is therefore also particularly suitable for liquid fuels and thus overcomes the disadvantage of previous catalytic combustion systems, in particular for gas turbines, which are only known as single-fuel burners for gaseous fuels.
  • the axial length of the flow channel is preferably adapted accordingly to set a predetermined residence time of fuel in the flow channel.
  • the burner can thus be adapted particularly flexibly to the main reaction in the main burner that begins after a certain time (autoignition time), which essentially depends on the temperature and the gas composition at the fuel outlet of the catalytic burner and which takes place as a post-reaction of the upstream catalytic reaction. Due to this targeted adjustment, a complete implementation in the main reaction is possible.
  • Element designed as a honeycomb catalyst which has at least one of the substances titanium dioxide, silicon dioxide and zirconium oxide as a basic component.
  • the honeycomb catalyst furthermore preferably has a noble metal or metal oxide as catalytically active component, which has an oxidizing effect on the fluid fuel.
  • a noble metal or metal oxide as catalytically active component, which has an oxidizing effect on the fluid fuel.
  • noble metals such as platinum, rhodium, rhenium, iridium and metal oxides, such as. B. the transition metal oxides vananadium oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, chromium oxide, copper oxide, manganese oxide and oxides of lananoids, such as. B. cerium oxide.
  • metal ion zeolites and metal oxides of the spinel type can also be used.
  • the honeycomb structure of the catalytically active elements proves to be particularly advantageous since it is formed by a plurality of channels extending along an axis of the catalytically active element. This favors the catalytic reaction due to the increase in the catalytically active surface through the channels and, on the other hand, a flow equalization within the honeycomb catalyst, so that a well-defined outflow of the catalytically prereacted fuel from the fuel outlet is achieved, with a swirl component at the inlet in a correspondingly defined manner is effected in the flow channel.
  • the burner according to the invention is provided in a combustion chamber.
  • the combustion chamber comprises a combustion chamber, into which the burner preferably projects or opens with the fuel outlet of the main burner.
  • the combustion chamber is dimensioned sufficiently so that a homogeneous, preferably non-catalytic main reaction is started and in the combustion chamber a complete burnout of the fuel and thus maximum conversion into heat of combustion is achieved.
  • Such a combustion chamber is preferably suitable for use in a gas turbine, a hot combustion gas generated in the combustion chamber being used to drive a turbine part of the gas turbine.
  • FIG. 1 shows a half section through a gas turbine
  • Figure 2 is a sectional view of a simplified representation of a burner according to the invention.
  • Figure 3 shows the burner shown in Figure 2 in a view in the main flow direction of the fuel.
  • the gas turbine according to FIG. 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and one not shown in more detail Generator or a work machine.
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4, which is designed as an annular combustion chamber, is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the burner 10 is designed as a catalytic combustion system and is designed for a catalytic and a non-catalytic combustion reaction or combinations thereof. The structure and the mode of operation of the burner 10 are to be discussed in more detail in connection with FIGS. 2 and 3.
  • the turbine 6 has a number of rotatable rotor blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
  • the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which are also ring-shaped with the formation of
  • Guide vane rows are attached to an inner housing 16 of the turbine 6.
  • the rotor blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transferring momentum from the hot medium flowing through the turbine 6, the working medium M.
  • the guide blades 14, serve to guide the flow of the working medium M between two successive rows of rotor blades or rotor blade limits, as seen in the flow direction of the working medium.
  • a successive pair of a ring of guide vanes 14 or a row of guide vanes and a ring of rotor blades 12 or a row of rotor blades is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide vane 14 to the inner casing 16 of the turbine.
  • the platform 18 is a thermal, comparatively heavily loaded component that defines the outer boundary of a hot gas duct for the turbine 6 flowing through working medium M forms.
  • Each rotor blade is attached to the turbine shaft in an analogous manner via a platform, also referred to as a blade root.
  • a guide ring 21 is arranged on the inner casing 16 of the turbine 6 between the spaced-apart platforms 18 of the guide vane 14 of two adjacent rows of guide vanes.
  • each guide ring 21 is also exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and is spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blade 12 opposite it by a gap.
  • the guide rings 21 arranged between adjacent rows of guide blades serve in particular as cover elements which protect the inner wall 16 or other housing installation parts against thermal overloading by the hot working medium M flowing through the turbine 6.
  • the combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, a combustion chamber wall 24 being formed on the combustion chamber side.
  • the combustion chamber 4 is designed as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 open into a common combustion chamber or combustion chamber 27.
  • the combustion chamber 4 is configured in its entirety as an annular structure which is positioned around the turbine shaft 8.
  • a fluid fuel B and combustion air A are fed to the burner 10 and mixed and burned to form a fuel-air mixture.
  • burner 10 is designed as a catalytic combustion system with which a complete conversion of fuel B can be achieved.
  • the hot gas resulting from the combustion process, the working medium M has comparatively high temperatures of 1000 ° C. to 1500 ° C. in order to achieve a correspondingly high efficiency of the gas turbine 1.
  • the combustion chamber 4 is appropriate designed for high temperatures.
  • the combustion chamber wall 24 is provided on its side facing the working medium M with a combustion chamber lining formed from heat shield elements 26. Due to the high temperatures inside the combustion chamber 4, a cooling system (not shown in more detail) is also provided for the heat shield elements 26.
  • the burner 10 according to the invention used in the combustion chamber 4 of the gas turbine 1 is shown in a greatly simplified sectional view in FIG. 2 in order to explain the underlying catalytic combustion concept as an example.
  • the burner 10 for combustion of the fluidic fuel B has a catalytic burner 35A, 35B and a main burner 37.
  • the main burner 37 comprises a first flow channel 31A and a second flow channel 3IB concentrically surrounding the first flow channel.
  • the catalytic burner 35A is assigned to the first flow channel 31A and the catalytic burner 35B is assigned to the second flow channel 31B.
  • the flow channel 31A, 31B extends along a main thing or flow direction 33.
  • the flow direction 33 is also the axial flow direction or main flow direction of the fuel B in the flow channel 31A, 31B.
  • the catalytic burner 35A has catalytically active elements 43C, 43D.
  • the catalytic burner 35B has catalytically active elements 43A, 43B.
  • the catalytically active elements 43A, 43B, 43C, 43D are designed, for example, as honeycomb catalysts which consist of a basic component and a catalytically active component, the catalytically active component having an oxidizing effect on the fluidic fuel B.
  • the catalytically active elements 43A, 43B are in flow communication with the flow channel 31B, while the catalytically active elements 43C, 43D are in flow communication with the flow channel 31A.
  • the main burner 37 is arranged along the flow direction 33 of the fuel B after the fuel outlet 41 of the catalytic burner 35A, 35B and is in flow communication with the catalytic burner 35A, 35B via the flow channel 31A, 31B.
  • the main burner 37 has a fuel outlet 39.
  • the fuel outlet 41 of the catalytic burner 35A, 35B is provided in the flow direction 33 of the fuel B in the flow channel 31A, 31B in front of the fuel outlet 39 of the main burner 37.
  • the catalytic burner 35A, 35B serves for the catalytic conversion or partial conversion of the fuel B and initiates a catalytic prereaction which, after an autoignition time, causes the prereacted fuel B to be ignited in the main burner 37. This leads to stabilization of the burnout and to completion of the burnout in a burnout zone 45 which is formed in the vicinity of the fuel outlet 39 of the main burner 37.
  • the length L of the flow channel 31A, 31B is adapted to set a predetermined residence time of fuel B in the flow channel 31A, 31B, in particular to the reaction times and flow rates of the fuel B to be taken into account.
  • FIG. 3 shows a view along the flow direction 33 of the burner 10 shown in FIG. 2.
  • the catalytically active elements 43A, 43B are arranged in a plane perpendicular to the flow direction 33, the fuel outlet 41 of the catalytically active elements 43A, 43B opening into the flow channel 31B , Analogously, the catalytically active elements 43C, 43D are arranged in a plane perpendicular to the flow direction 33, with the fuel outlet 41 of the catalytically active elements 43C, 43D opens into the flow channel 31A.
  • the catalytic burners 35A, 35B are arranged at a distance from one another along the flow direction 33.
  • the fluidic fuel B is fed to a catalytic burner 35A, 35B and is at least partially converted there in a catalytic reaction. Subsequently, the catalytically prereacted fuel B is further burned in a post-reaction in the burnout zone 45 of the main burner. A swirl component is impressed on the pre-reacted fuel B. The pre-reacted swirling fuel B is transferred to a burnout zone 45 for the after-reaction, the rotary flow being formed in the flow channel 31A, 31B. By adjusting the residence time of the pre-reacted fuel B for the transfer, a spatially controlled ignition of the after-reaction in the burnout zone 45 is brought about.
  • the installation space, in particular the axial extent, of the burner 10 is limited to manageable dimensions and, at the same time, a spatially controlled ignition of the after-reaction in the burnout zone 45 assigned to the main burner 37 is ensured.
  • the burnout zone 45 is correspondingly limited in its axial dimension due to the rotary flow of the fluidic fuel B, so that an implementation with customarily dimensioned combustion chambers 4 and combustion chambers 27 (compare FIG. 1), in particular for use in a gas turbine 1, can be implemented.
  • a homogeneous non-catalytic after-reaction is ignited in the burnout zone 45, which leads to a complete burnout of the fuel B which has already been at least partially pre-reacted in the catalytic burner 35A, 35B.
  • two catalytic burners 35A, 35B are fluidically connected to a respective flow channel 31A, 31B.
  • an implementation of the invention can also be achieved by a burner 10 with only one catalytic burner 35A and a flow channel 3LA assigned to it, or also with a plurality of such burners and assigned flow channels.
  • operation with different fluidic fuels B is possible for the first time for a combustion system based on a catalytic combustion process. That means both liquid and gaseous
  • Fuels B come into consideration.
  • the burner 10 z. B. when using a liquid fuel, e.g. As heating oil, if necessary, can also be operated in a conventional operating mode with non-catalytic combustion, which increases flexibility.
  • the liquid fuel is mixed with combustion air to form a fuel-air mixture.
  • a swirl component is preferably previously impressed on the combustion air, for example by supplying the combustion air via the swirl-effecting catalyst elements or via other swirl elements.
  • a liquid fuel is then injected into the combustion air downstream of the swirling catalyst elements.
  • a fuel-air mixture can also be generated by mixing a fluid, in particular liquid, fuel with combustion air, which is at least partially converted in a catalytic reaction and then the catalytically prereacted fuel-air mixture is burned further, a swirl component being impressed on the prereacted fuel-air mixture.
  • the burner according to the invention can - depending on the choice of fuel - be operated with a fluidic fuel or fuel-air mixture flowing through the catalytically active elements or - in particular in the case of liquid fuels - with combustion air flowing through and subsequent injection of the liquid fuel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs (B), bei dem Brennstoff (B) in einer katalytischen Reaktion umgesetzt wird und anschließend katalytisch vorreagierter Brennstoff (B) in einer Nachreaktion weiterverbrannt wird. Dem vorreagierten Brennstoff (B) wird eine Drallkomponente aufgeprägt. Hierdurch ist eine räumlich kontrollierte Zündung der Nachreaktion möglich, wobei ein vollständiger Ausbrand erreicht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brenner (10) zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs (B), bei dem in Strömungsrichtung (33) des Brennstoffs (B) in einem Strömungskanal (31A, 31B) vor dem Brennstoffauslass (39) eines Hauptbrenners (37) der Brennstoffauslass (31) eines katalytischen Brenners (35A, 35B) unter katalytischer Umsetzung des Brennstoffs (B) angeordnet ist. Der katalytische Brenner (35A, 35B) weist eine Anzahl von katalytisch wirkenden Elementen (43A, 43B, 43C, 43D) auf, die derart angeordnet sind, dass sich im Strömungskanal (31A, 31B) eine Drehströmung ausbildet. Die Erfindung ist insbesondere in Brennkammern von Gasturbinen anwendbar.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs sowie Brenner, insbesondere für eine Gasturbine, zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs, bei dem Brennstoff in einer katalytischen Reaktion umgesetzt und anschließend katalytisch vor- reagierter Brennstoff in einer Nachreaktion weiterverbrannt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brenner zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs, bei dem in Strömungsrichtung des Brennstoffs in einem Strömungskanal vor dem Brennstoffauslass eines Hauptbrenners der Brennstoffauslass eines katalytischen Brenners unter katalytischer Umsetzung des Brennstoffs angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer, die einen derartigen Brenner aufweist sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.
Unter einem fluidischen Brennstoff soll nachfolgend insbesondere Heizöl und/oder Heizgas verstanden werden, wie er insbesondere für Gasturbinen Anwendung findet. Unter Heizöl werden dabei alle brennbaren Flüssigkeiten, z. B. Erdöl, Methanol etc., und unter Heizgas alle brennbaren Gase, z. B. Erdgas, Kohlegas, Synthesegas, Biogas, Propan, Butan etc. verstanden. Derartige Brenner mit katalytischer Reaktion sind beispielsweise in dem Dokument EP-A-491 481 gezeigt.
Derartige BrennerSysteme sind auch für Anwendungen in Turbo- maschinen, wie beispielsweise Gasturbinen geeignet. Eine Gasturbine besteht üblicherweise aus einem Kompressorteil, einem Brennerteil und einem Turbinenteil. Der Kompressorteil und der Turbinenteil befinden sich üblicherweise auf einer gemeinsamen Welle, die gleichzeitig einen Generator zur Elek- trizitätserzeugung antreibt. Im Kompressorteil wird vorgewärmte Frischluft auf den im Brennerteil erforderlichen Druck verdichtet. Im Brennerteil wird die verdichtete und vorge- wärmte Frischluft mit einem Brennstoff, wie z. B. Erdgas oder Heizöl verbrannt. Das heiße Brennerabgas wird dem Turbinenteil zugeführt und dort arbeitsleistend entspannt.
Bei der Verbrennung der verdichteten und vorgewärmten Frischluft mit dem Brenngas entstehen als besonders unerwünschte Verbrennungsprodukte Schadstoffe, beispielsweise Stickoxide N0X oder Kohlenmonoxid CO. Die Stickoxide gelten neben Schwefeldioxid als Hauptverursacher für das Umweltproblem des sauren Regens. Man ist daher - auch aufgrund strenger gesetzlicher Grenzwertvorgaben für den NOx-Ausstoß - gewillt, den NOx-Ausstoß von einer Gasturbine besonders gering zu halten und dabei gleichzeitig die Leistung der Gasturbine weitgehend nicht zu beeinflussen.
So wirkt beispielsweise die Flammentemperatur- bzw. Flam entemperaturspitzenabsenkung im Brennerteil als stickoxidmindernd. Hierbei wird dem Brenngas oder der komprimierten und vorgewärmten Frischluft Wasserdampf zugeführt oder Wasser in den Brennraum eingespritzt. Solche Maßnahmen, die ein Stickoxidausstoß der Gasturbine per se verringern, werden als Primärmaßnahmen zur Stickoxidminderung bezeichnet. Dementsprechend werden als Sekundärmaßnahmen alle Maßnahmen bezeichnet, bei denen einmal im Abgas einer Gasturbine - oder auch allgemein eines Verbrennungsprozesses - enthaltene Stickoxide durch nachträgliche Maßnahmen verringert werden.
Hierzu hat sich weltweit das Verfahren der selektiven kata- lytischen Reduktion (SCR) durchgesetzt, bei dem die Stickoxide zusammen mit einem Reduktionsmittel, bevorzugt Ammoniak, an einem Katalysator kontaktiert werden und dabei unschädlichen Stickstoff und Wasser bilden. Mit dem Einsatz dieser Technologie ist aber zwangsläufig der Verbrauch von Reduktionsmitteln verbunden. Die im Abgaskanal angeordneten Katalysatoren zur Stickoxidminderung verursachen naturgemäß einen Druckabfall in dem Abgaskanal, der einen Leistungsabfall der Turbine nach sich zieht. Selbst ein Leistungsabfall in Höhe von einigen Promille wirkt sich bei einer Leistung der Gasturbine von beispielsweise 150 MV und einem Stromverkaufspreis von etwa 8 Cent pro kWh Strom gravierend auf das mit einer solchen Einrichtung erzielbare Ergebnis aus.
Neuere Überlegungen bezüglich der Ausgestaltung des Brenners gehen dahin, dass ein üblicher normalerweise in der Gastur- bine eingesetzter Diffusionsbrenner oder ein drallstabilisierter Vormischbrenner durch ein katalytisches Verbrennungssystem ersetzt wird. Mit einem katalytischen Verbrennungssystem werden schon durch den Verbrennungsprozess als solchen niedrigere Stickoxidemissionen erreicht, als dies mit den oben genannten konventionellen Verbrennertypen möglich ist. Auf diese Weise können die bekannten Nachteile des SCR-Verfahrens (große Katalysatorvolumina, Reduktionsmittel-Verbrauch, hoher Druckverlust) überwunden werden .
Eine Anwendung eines katalytischen Prozesses ist beispielsweise in der EP 0 832 397 Bl offenbart, die einen katalytischen Gasturbinenbrenner zeigt. Hierbei wird durch ein Leitungssystem ein Teil des Brenngases abgezogen, über eine ka- talytische Stufe geleitet und anschließend wieder dem Brenngas zur Absenkung seiner katalytischen Zündtemperatur zugeführt. Die katalytische Stufe ist hierbei als Preformierungs- stufe ausgebildet, welche eine Katalysatoranlage umfasst, die zur Umformung eines im Brenngas enthaltenen Kohlenwasser- Stoffs in ein Alkohol und/oder ein Aldehyd oder H2 und CO vorgesehen ist.
Die EP 0 832 399 Bl offenbart einen Brenner zur Verbrennung eines Brennstoffs, bei dem in Strömungsrichtung des Brenn- Stoffes in einem Strömungskanal vor dem Brennstoffauslass eines Hauptbrenners der Brennstoffauslass eines katalytischen Stützbrenners zur Stabilisierung des Hauptbrenners unter ka- talytischer Verbrennung eines PilotbrennstoffStroms vorgesehen ist. Hierbei ist bezogen auf den Querschnitt des Strömungskanals für den Brennstoff der katalytische Stützbrenner zentral und der Hauptbrenner koronar angeordnet .
Die oben beschriebenen katalytischen VerbrennungsSysteme bestehen hierbei aus einem Katalysator, der axial angeordnet ist. In dem Katalysator wird nur ein Teil der im Brennstoff enthaltenen Energie freigesetzt, wodurch die Stabilisierung des Ausbrandes des restlichen Teils der chemisch gebundenen Energie in axialer Richtung stromabwärts vom Katalysator in einem Brennraum verbessert wird. Diese Hauptreaktion setzt nach einer bestimmten Zeit, der so genannten autoignition- ti e, ein, die im Wesentlichen von der Temperatur und der Gaszusammensetzung am Katalysator-Austritt abhängt.
Problematisch ist in diesem Zusammenhang in der Regel die Nutzung solcher bekannten Anordnungen für den Betrieb mit deutlich unterschiedlichen Brennstoffen, da der Katalysator i.a. für bestimmte Brennstoffe spezifisch angepasst werden muss. Insbesondere erschwert dies auch die Nutzung eines Katalysators, der für Erdgas ausgelegt worden ist, als Reaktor zur Umsetzung langkettiger Kohlenwasserstoffe (insbesondere also vorverdampftes Heizöl) , da die entsprechenden reaktionskinetischen Eigenschaften deutlich anders sind. Daher sind solche Anordnungen nur bedingt geeignet, einen Betrieb der Gasturbine mit einem Flüssigbrennstoff zu ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs einzugeben, mit dem eine möglichst vollständige Umsetzung des fluidischen Brennstoffs bei geringen Schadstof -Emissionen erreichbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Brenners, insbesondere für eine Gasturbine, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs, bei dem Brennstoff in einer katalytischen Reaktion umgesetzt und anschließend katalytisch vorreagierter Brennstoff in einer Nachreaktion weiter verbrannt wird, wobei dem vorreagierten Brennstoff eine Drallkomponente, aufgeprägt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Nachreaktion erst nach einer bestimmten Zeit einsetzt, die im Wesentlichen von der Temperatur und der Gaszusammensetzung der Reaktionsprodukte nach der katalytischen Reaktion abhängt. Die Nachreaktion, die sich an die katalytische Reaktion anschließt, soll dabei unter möglichst vollständiger Umsetzung in Wärme erfolgen. Der Brennstoff, der in der
Nachreaktion weiter verbrannt wird, muss hierzu vollständig ausbrennen, wobei Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe im Abgas zu vermeiden sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass z. B. flüssige Brennstoffe, wie Heizöl, die nicht sicher oder nur unzureichend in einer katalytischen Reaktion umgesetzt werden können, in der Regel in einem begrenzt vorhandenen Reaktionsvolumen nicht zum Ausbrennen gebracht werden können, sofern nicht eine aerodynamische Stabilisierung erfolgt. Ebenfalls ist mit praktikabel vorhandenen Dimensionen das Problem gegeben, dass auch mit katalytischer Teilumsetzung die nach Abzug der Selbstzündzeit zur Verfügung stehenden Reaktionszeiten für die Nachreaktion zu klein sind, um CO- frei zu verbrennen.
Mit der Erfindung wird nunmehr ein völlig neuer Weg aufgezeigt, die Verbrennung eines fluidischen Brennstoffes zu erreichen, wobei die katalytische Reaktion und die Nachre- aktion zur Vervollständigung des Ausbrands des Brennstoffs gezielt aufeinander abgestimmt werden. Ein fluidischer Brennstoff kann dabei auch vorzugsweise ein Brennstoff-Luft- Gemisch sein, welches erhalten wird, indem der fluidische Brennstoff mit Verbrennungsluft zu dem Brennstoff-Luft- Gemisch vermischt wird, welches katalytisch umgesetzt wird. Hierzu wird vorgeschlagen, dass dem vorreagierten Brennstoff bzw. einem vorreagierten Brennstoff-Luftgemisch aus der katalytischen Reaktion eine Drallkomponente aufgeprägt wird. Durch den Drall des vorreagierten Brennstoffs wird erreicht, dass der aus der katalytischen Reaktion entweichenden Brennstoff mehr Reaktionszeit zur Verfügung steht, als dies bei einer drallfreien, das heißt rein axialen
Reaktionskoordinate der herkömmlichen katalytischen Verbrennungssystemen der Fall war. Aufgrund des Dralls wird der vorreagierte Brennstoff die Selbstzündzeit - in einer axialen Koordinate betrachtet -, auf einer deutlich reduzierten Wegstrecke erreichen, weil durch den Drall die axiale Geschwindigkeitskomponente des vorreagierten Brennstoffs reduziert und eine durch den Drall induzierte Umfangsgeschwindigkeitskomponente bewirkt ist, und vor allem eine Rückströmzone erzeugt wird. Damit steht für die Nachreaktion, in der der vorreagierte Brennstoff weiterhin verbrannt wird, genügend Reaktionsvolumen zur Verfügung, so dass der Brennstoff - ohne nennenswerte axiale Bauraumvergrößerung des VerbrennungsSystems - vollständig zum Ausbrand gebracht werden kann.
Damit steht bei katalytischer Teilumwandlung nach Abzug der Selbstzündzeit eine gegenüber herkömmlichen katalytischen VerbrennungsSystemen deutlich größere Reaktionszeit für die Nachreaktion zur Verfügung, so dass insbesondere ein C0- freies vollständiges Verbrennen erzielt ist. Mit konventionellen Systemen ohne Drallbeaufschlagung war hierfür eine erhebliche Vergrößerung der Baulänge des Ausbrandraumes für die Nachreaktion erforderlich, was solche Systeme konstruktiv sehr aufwendig, kostenintensiv und in der Handhabung beschwerlich macht. Mit der vorliegenden Erfindung können diese Nachteile nunmehr überwunden werden, wobei unterschiedliche fluidische Brennstoffe, das heißt sowohl flüssige als auch gasförmige Brennstoffe in dem Verfahren verwendet werden können, wobei bedarfsweise flüssige Brennstoffe auch konventionell in Form einer drallstabilisierten Flamme unter Umgehung des Katalysators verbrannt werden können.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird der vorreagierte drallbehaftete Brennstoff zur Nachreaktion in einem Brennraum übergeleitet, wobei eine Drehströmung ausgebildet wird.
Dabei wird vorzugsweise durch Einstellen der Verweilzeit des vorreagierten Brennstoffs für die Überleitung eine räumlich kontrollierte Zündung der Nachreaktion im Brennraum herbeigeführt. Die Verweilzeit kann dabei durch Einstellung des Dralls und die dadurch herbeigeführte Konfektionierung der Drehströmung im Hinblick auf Betrag und Richtung des BrennstoffStroms, eingestellt werden. Auf diese Weise ist zumindest im Mittel, bezogen auf eine Verweilzeitverteilung der drallbehafteten Reaktionsprodukte der katalytischen Reaktion, der Selbstzündzeitpunkt räumlich gut fixierbar und somit eine hinreichende Stabilisierung des Ausbrands für die Nachreaktion gewährleistet.
Bevorzugt wird als Nachreaktion eine homogene nicht-kataly- tische Nachreaktion gezündet. Weiter bevorzugt wird der
Brennstoff in der Nachreaktion vollständig verbrannt. Somit ist eine katalytische Vorreaktion mit einer nicht katalytischen Nachreaktion vorteilhaft kombiniert, wobei durch die Drallkomponente des katalytisch vorreagierten Brennstoffs oder eines unter Umständen bedarfsweise stramab von Katalysator eingedüsten Flüssigbrennstoffs eine räumlich kontrollierte Zündung der homogenen nicht katalytischen Nachreaktion sichergestellt ist. In bevorzugter Ausgestaltung wird als fluidischer Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff oder ein Flüssigbrennstoff, insbesondere Heizgas oder Heizöl, verbrannt. Die zweitgenannte, auf einen Brenner gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Brenner zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs, bei dem in Strömungsrichtung des Brennstoffs in einem Strömungskanal vor dem Brennstoffauslass eines Hauptbrenners der Brennstoffauslass eines katalytischen Brenners unter katalytischer Umsetzung des Brennstoffs angeordnet ist, wobei der katalytische Brenner eine Anzahl von katalytisch wirkenden Elementen aufweist, die der- art angeordnet sind, dass sich im Strömungskanal eine Drehströmung ausbildet.
Die Strömungsrichtung des Brennstoffs im Strömungskanal bezeichnet hierbei die axiale Strömungsrichtung entlang des Strömungskanals, die durch eine Längsachse des
Strömungskanals festgelegt ist. Die sich unter der Anordnung der katalytisch wirkenden Elemente ausbildende Drehströmung ist als Drehströmung oder drallbehaftete Strömung um die Strömungsrichtung oder Hauptströmungsrichtung des Brennstoffs in dem Strömungskanal zu verstehen.
Hierbei wird vorzugsweise die Drehströmung im Nachlauf der katalytisch wirkenden Elemente nach deren Brennstoffauslass ausgebildet, indem beispielsweise der Brennstoffauslass senk- recht zu einer Längsachse des Strömungskanals in den Strömungskanal einmündet, wobei bezogen auf die Längsachse der Brennstoffauslass versetzt angeordnet ist, so dass ein Drall erzeugt ist. Durch die Herbeiführung einer Drehströmung oder Drallströmung im Nachlauf der katalytisch wirkenden Elemente wird dem fluidischen Brennstoff gezielt eine Drallkomponente aufgeprägt, so dass eine (mittlere) Umfangsgeschwindigkeitskomponente erzeugt ist und die axiale Geschwindigkeitskomponente entlang der Längsachse, das heißt entlang der Strömungsrichtung des Brennstoffs in dem Strömungskanal, ist entsprechend der Drallgebung durch die geometrische Anordnung der katalytisch wirkenden Elemente reduziert . In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die katalytisch wirkenden Elemente in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet, wobei der Brennstoffauslass der kataly- tisch wirkenden Elemente in den Strömungskanal einmündet. Hierbei ist es möglich, dass eine Vielzahl von katalytisch wirkenden Elementen entlang eines Kreisumfangs in der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind, wobei jeweils durch die Richtung der Einmündung der Brennstoffaus- lasse eine Tangentialkomponente bei der Einströmung in den
Strömungskanal erzielbar ist. Durch eine entsprechende Anzahl und Anordnung der katalytisch wirkenden Elemente, die in ihrer Gesamtheit den katalytischen Brenner zur katalytischen Umsetzung des Brennstoffs bilden, kann die Drehströmung in vorbestimmter Weise konfektioniert werden, so dass sich im Brennraum eine gewünschte Verweilzeitverteilung ergibt, die eine räumlich kontrollierte Zündung einer homogenen nicht- kataly ischen Nachreaktion ermöglicht. Das System kann vorteilhafterweise auch so angeordnet werden, dass bedarfsweise bei Verwendung eines z. B. flüssigen
Brennstoffes auch eine konventionelle, das heißt nicht-kata- lytische Verbrennung, einstellbar ist. Somit ist der Brenner insbesondere auch für Flüssigbrennstoffe geeignet, und überwindet damit den Nachteil bisheriger katalytischer Verbren- nungssysteme, insbesondere für Gasturbinen, die nur als Ein- stoffbrenner für gasförmige Brennstoffe bekannt sind.
Vorzugsweise ist zum Einstellen einer vorgegebenen Verweilzeit von Brennstoff im Strömungskanal die axiale Länge des Strömungskanals entsprechend angepasst. Durch konstruktive Auslegung und Anpassung der Länge des Strömungskanals, das heißt der Festlegung des Abstandes des Brennstoffauslasses des Hauptbrenners vom Brennstoffauslass des katalytischen Brenners, ist unter Berücksichtigung der Drehströmung in Folge des aufgeprägten Dralls und der relevanten Selbstzündzeit eine für die Ingangsetzung und Unterstützung der Verbrennung des Hauptbrenners angemessene Verweilzeit einstellbar. Somit ist der Brenner besonders flexibel anpassbar an die nach einer bestimmten Zeit (autoignition- time) einsetzende Hauptreaktion im Hauptbrenner, die im Wesentlichen von der Temperatur und der Gaszusammensetzung am Brennstoffauslass des katalytischen Brenners abhängt und die sich als Nachreaktion der vorgeschalteten katalytischen Reaktion vollzieht. Aufgrund dieser gezielten Anpassung ist eine vollständige Umsetzung in der Hauptreaktion möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung ist ein katalytisch wirkendes
Element als ein Wabenkatalysator ausgestaltet, der als Grundbestandteil mindestens eine der Substanzen Titandioxid, Siliziumdioxid und Zirkonoxid aufweist.
Weiter bevorzugt weist als katalytisch aktive Komponente der Wabenkatalysator ein Edelmetall oder Metalloxid auf, welches eine oxidierende Wirkung auf den fluidischen Brennstoff aufweist. Es sind dies beispielsweise Edelmetalle wie Platin, Rhodium, Rhenium, Iridium und Metalloxide, wie z. B. die Übergangsmetalloxide Vananadiumoxid, Wolframoxid, Molybdänoxid, Chromoxid, Kupferoxid, Manganoxid und Oxide der Lan- thanoiden, wie z. B. Ceroxid. Ebenso können auch Metall- lonen-Zeolithe und Metalloxide von Spinelltyp verwendet sein.
Besonders vorteilhaft erweist die Wabenstruktur der katalytisch wirkenden Elemente, da diese durch eine Vielzahl von sich entlang einer Achse des katalytisch wirkenden Elements erstreckenden Kanäle gebildet ist. Dies begünstigt die katalytische Reaktion aufgrund der Erhöhung der katalytisch ak- tiven Oberfläche durch die Kanäle und andererseits eine Strömungsvergleichmäßigung innerhalb des Wabenkatalysators, so dass ein wohl definiertes Ausströmen des katalytisch vorreagierten Brennstoffs aus dem Brennstoffauslass erreicht ist, wobei in entsprechend definierter Weise eine Drallkomponente beim Eintritt in den Strömungskanal bewirkt ist. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Brenner gemäß der Erfindung in einer Brennkammer vorgesehen. Die Brennkammer umfasst dabei einen Brennraum, in den der Brenner vorzugsweise mit dem Brennstoffauslass des Hauptbrenners hineinragt bzw. einmündet. Der Brennraum ist ausreichend dimensioniert, so dass eine homogene, vorzugsweise nicht- katalytische Hauptreaktion in Gang gesetzt und in dem Brennraum ein vollständiger Ausbrand des Brennstoffs und damit maximale Umsetzung in Verbrennungswärme erreicht wird.
Vorzugsweise ist eine solche Brennkammer geeignet für die Verwendung in einer Gasturbine, wobei ein in der Brennkammer erzeugtes heißes Verbrennungsgas zum Antrieb eines Turbinenteils der Gasturbine dient.
Die Vorteile einer derartigen Brennkammer und derartigen Gasturbine ergeben sich aus den oben genannten Ausführungen zu dem Verbrennungsverfahren und zu dem Brenner.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:
Figur 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
Figur 2 in einer Schnittansicht eine vereinfachte Darstellung eines Brenners gemäß der Erfindung und
Figur 3 der in Figur 2 dargestellten Brenner in einer Ansicht in Hauptströmungsrichtung des Brennstoffs.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Gasturbine gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht näher dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt. Der Brenner 10 ist als ein katalytisches VerbrennungsSystem ausgestaltet und für eine katalytische sowie eine nicht-katalytische Verbrennungsreaktion oder Kombinationen davon ausgelegt . Der Aufbau und die Funktionsweise des Brenners 10 soll im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 näher diskutiert werden.
Die Turbine 6, weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leit- schaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden heißen Medium, dem Arbeitsmedium M. Die Leit- schaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelgrenzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufel- reihe und aus einem Kranz von Laufschaufei 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet. Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine als Wand- element angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisches, vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufei ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform an der Turbinenwelle befestigt. Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leit- schaufei 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüberliegenden Laufschaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen eingeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Über- beanspruchung durch die das Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen. Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer 4 als so genannte Ringbrennkammer ausgestal- tet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordnete Brenner in einen gemeinsamen Brennkammerraum oder Brennraum 27 einmünden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.
Zur Erzeugung des heißen Arbeitsmediums M wird ein fluider Brennstoff B sowie Verbrennungsluf A dem Brenner 10 zugestellt und zu einem Brennstoff-Luftgemisch gemischt und verbrannt. Zur vollständigen und weitgehend Schadstoffarmen Verbrennung ist der Brenner 10 als katalytisches Verbrennungssystem ausgestaltet mit dem eine vollständige Umsetzung des Brennstoffs B erreichbar ist. Das aus dem Verbrennungsprozess resultierende Heißgas, das Arbeitsmedium M, weist vergleichsweise hohe Temperaturen von 1000 °C bis zu 1500 °C auf, um einen entsprechend hohen Wirkungsgrad der Gasturbine 1 zu erzielen. Hierzu ist die Brennkammer 4 für entsprechend hohe Temperaturen ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise hohe Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 26 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die Hitzeschildelemente 26 ein nicht näher dargestelltes Kühlsystem vorgesehen.
Der in der Brennkammer 4 der Gasturbine 1 zum Einsatz kommende Brenner 10 gemäß der Erfindung ist in Figur 2 in einer stark vereinfachten Schnittansicht dargestellt, um das zugrunde liegende katalytische Verbrennungskonzept beispielhaft zu erläutern. Der Brenner 10 zur Verbrennung des fluidischen Brennstoffs B weist einen katalytischen Brenner 35A, 35B sowie einen Hauptbrenner 37 auf. Der Hauptbrenner 37 umfasst einen ersten Strömungskanal 31A sowie einen den ersten Strömungskanal konzentrisch umgebenden zweiten Strömungskanal 3IB. Der katalytische Brenner 35A ist dem ersten Strömungs- kanal 31A zugeordnet und der katalytische Brenner 35B dem zweiten Strömungskanal 31B. Der Strömungskanal 31A, 31B erstreckt sich entlang einer Hauptsache oder Strömungsrichtung 33. Bei Zufuhr eines fluidischen Brennstoffs B ist die Strömungsrichtung 33 zugleich die axiale Strömungsrichtung oder Hauptströmungsrichtung des Brennstoffs B in dem Strömungskanal 31A, 31B. Der katalytische Brenner 35A weist katalytisch wirkende Elemente 43C, 43D auf. Der katalytische Brenner 35B weist katalytisch wirkende Elemente 43A, 43B auf. Die katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B, 43C, 43D sind z.B. als Wabenkatalysatoren ausgestaltet, die aus einem Grundbestandteil und einer katalytisch aktiven Komponente bestehen, wobei die katalytisch aktive Komponente eine oxidierende Wirkung auf den fluidischen Brennstoff B ausübt. Die katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B stehen in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal 31B, während die katalytisch aktiven Elemente 43C, 43D in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal 31A stehen. Hierzu mündet jeweils ein Brennstoffauslass 41 der katalytischen Brenner 35A, 35B in den zugeordneten Strömungskanal 31A, 3IB. Der Hauptbrenner 37 ist entlang der Strömungsrichtung 33 des Brennstoffs B nach dem Brennstoffauslass 41 des katalytischen Brenners 35A, 35B angeordnet und über den Strömungskanal 31A, 31B mit dem katalytischen Brenner 35A, 35B in Strömungsverbindung. Der Hauptbrenner 37 weist einen Brennstoffauslass 39 auf. Entsprechend ist in Strömungsrichtung 33 des Brennstoffs B in dem Strömungskanal 31A, 31B vor dem Brennstoffauslass 39 des Hauptbrenners 37 der Brennstoffauslass 41 des katalytischen Brenners 35A, 35B vorgesehen. Der katalytische Brenner 35A, 35B dient der katalytischen Umsetzung oder Teilumsetzung des Brennstoffs B und setzt eine katalytische Vorreaktion in Gang, die nach einer Selbstzündezeit (autoignition-time) eine Zündung des vorreagierten Brennstoffs B im Hauptbrenner 37 bewirkt. Diese führt zu einer Stabilisierung des Ausbrands und zu einer Vervollständigung des Ausbrands in einer Ausbrandzone 45, die in der Nähe des Brennstoffauslasses 39 des Hauptbrenners 37 gebildet ist. Zum Einstellen einer vorgege- benen Verweilzeit von Brennstoff B im Strömungskanal 31A, 31B ist die Länge L des Strömungskanals 31A, 31B angepasst, insbesondere an die zu berücksichtigenden Reaktionszeiten und Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs B. Die katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B, 43C, 43D sind derart angeordnet, dass sich im Strömungskanal 31A, 31B eine Drehströmung ausbildet. Diese bildet sich im Nachlauf der katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B, 43C, 43D nach deren Brennstoffauslass 41 aus. Figur 3 zeigt eine Ansicht entlang der Strömungsrichtung 33 des in Figur 2 gezeigten Brenners 10. Die katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B sind in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung 33 angeordnet, wobei der Brennstoffauslass 41 der katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B in den Strömungskanal 31B mündet. Analog sind die katalytisch wirkenden Elemente 43C, 43D in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung 33 angeordnet, wobei der Brennstoffauslass 41 der katalytisch wirkenden Elemente 43C, 43D in den Strömungskanal 31A einmündet. Die katalytischen Brenner 35A, 35B sind dabei entlang der Strömungsrichtung 33 zueinander beabstandet angeordnet. Durch die Anordnung der katalytisch wirkenden Elemente 43A, 43B wird bei Einströmen des fluidischen Brennstoffs B durch den Brennstoffauslass 41 in den ringförmigen äußeren Strömungskanal 31B dem fluidischen Brennstoff B eine Drallkomponente aufgeprägt. Gleiches gilt bei Zufuhr des fluidischen Brennstoffs B über die katalytisch wirkenden Elementen 43C, 43D in den inneren ringförmigen Strömungskanal 31A, wo ein entsprechender Drall dem Brennstoff B aufgeprägt wird.
Im Betrieb des Brenners 10 wird der fluidische Brennstoff B einem katalytischen Brenner 35A, 35B zugeführt und dort in einer katalytischen Reaktion zumindest teilweise umgesetzt. Anschließend wird der so katalytisch vorreagierte Brennstoff B in einer Nachreaktion in der Ausbrandzone 45 des Hauptbrenners weiter verbrannt. Dem vorreagierten Brennstoff B wird eine Drallkomponente aufgeprägt. Dabei wird der vorreagierte drallbehaftete Brennstoff B zur Nachreaktion in eine Ausbrandzone 45 übergeleitet, wobei die Drehströmung in dem Strömungskanal 31A, 31B ausgebildet wird. Durch Einstellen der Verweilzeit des vorreagierten Brennstoffs B für die Über- leitung wird eine räumlich kontrollierte Zündung der Nachreaktion in der Ausbrandzone 45 herbeigeführt. Durch Auswahl und Einstellung der Drallkomponente kann eine gewünschte Drehströmung in dem Strömungskanal 31A, 31B erzeugt werden und damit beispielsweise - wie dargestellt - die axiale Länge L des Strömungskanals 31B entsprechend festgelegt werden. Hierdurch wird der Bauraum, insbesondere die axiale Erstreckung, des Brenners 10 auf handhabbare Dimensionen begrenzt und zugleich eine räumlich kontrollierte Zündung der Nachreaktion in der dem Hauptbrenner 37 zugeordneten Ausbrandzone 45 gewährleistet. Die Ausbrandzone 45 ist aufgrund der Drehströmung des fluidischen Brennstoffs B entsprechend in seiner axialen Dimension begrenzt, so dass eine Realisierung mit üblich dimensionierten Brennkammern 4 und Brennräumen 27 (vergleiche Figur 1) , insbesondere für die Anwendung in einer Gasturbine 1, realisierbar ist. In der Ausbrandzone 45 wird eine homogene nicht-katalytische Nachreaktion gezündet, die zu einem vollständigen Ausbrand des im katalytischen Brenner 35A, 35B bereits zumindest teilweise vorreagierten Brennstoffs B führt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß Figur 2 und Figur 3 sind zwei katalytische Brenner 35A, 35B mit einem jeweiligen Strömungskanal 31A, 31B strömungstechnisch verbunden. Eine Realisierung der Erfindung kann aber auch durch einen Brenner 10 mit nur einem katalytischen Brenner 35A und einem diesen zugeordneten Strömungskanal 3LA erzielt werden oder auch mit einer Mehrzahl solcher Brenner und zugeordneten Strömungskanälen. Mit dem Brenner 10 der Erfindung ist erstmals für ein auf einem katalytischen Verbrennungsprozess basierenden Verbrennungssystem ein Betrieb mit unterschiedlichen fluidischen Brennstoffen B möglich. Das heißt sowohl flüssige als auch gasförmige
Brennstoffe B kommen in Betracht. Hierbei kann der Brenner 10 z. B. bei Verwendung eines flüssigen Brennstoffs, z. B. Heizöl, bedarfsweise auch in einer konventionellen Betriebsweise mit nicht-katalytischer Verbrennung gefahren werden, was die Flexibilität erhöht. Hierzu wird der flüssige Brennstoff mit Verbrennungsluft zu einem Brennstoff- Luftgemisch gemischt. Der Verbrennungsluft wird vorzugsweise zuvor bereits eine Drallkomponente aufgeprägt, etwa durch Zufuhr der Verbrennungsluft über die drallbewirkenden Katalysatorelemente oder über andere Drallelemente. Der Verbrennungsluft wird dann stromab der drallbewirkenden Katalysatorelemente ein Flüssigbrennstoff zugedüst.
Alternativ kann auch ein Brennstoff-Luftgemisch durch Mischung eines fluidischen, insbesondere flüssigen, Brennstoffs mit Verbrennungsluft erzeugt werden, welches in einer katalytischen Reaktion zumindest teilweise umgesetzt und anschließend das katalytisch vorreagierte Brennstoff- Luftgemisch weiter verbrannt wird, wobei dem vorreagierten Brennstoff-Luftgemisch eine Drallkomponente aufgeprägt wird. Der Brenner gemäß der Erfindung kann dabei - je nach Brennstoffwähl - unter Durchströmung der katalytisch wirkenden Elemente mit einem fluidischen Brennstoff bzw. Brennstoff-Luftgemisch oder - insbesondere bei Flüssigbrennstoffen - unter Durchströmen mit Verbrennungsluft und nachfolgender Zudüsung des Flüssigbrennstoffs betrieben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs (B) , bei dem Brennstoff (B) in einer katalytischen Reaktion umgesetzt und anschließend katalytisch vorreagierter Brennstoff (B) in einer Nachreaktion weiter verbrannt wird, dadu r ch g ekenn z e i chne t , dass dem vorreagierten Brennstoff (B) eine Drallkomponente aufgeprägt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadur ch g ekenn z e i chne t , dass vorreagierter drallbehafteter Brennstoff (B) zur Nachreaktion in einen Brennraum (27) übergeleitet wird, wobei eine Drehströmung ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurc h gekenn z e i c hne t , dass durch Einstellen der Verweilzeit des vorreagierten Brennstoffs (B) für die Überleitung eine räumlich kontrollierte Zündung der Nach- reaktion im Brennraum (27) herbeigeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadur ch gekenn z e i c hne t , dass eine homogene nicht-katalytische Nachreaktion gezündet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadur c h gekenn z e i c hne t , dass der Brennstoff (B) in der Nachreaktion vollständig verbrannt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadur c h gekenn z e i chne t , dass als fluidischer Brennstoff (B) ein Gas oder ein Flüssigbrennstoff, insbesondere Heizgas oder Heizöl, verbrannt wird.
7. Brenner (10) zur Verbrennung eines fluidischen Brennstoffs (B) bei dem in Strömungsrichtung (33) des Brennstoffs (B) in einem Strömungskanal (31A, 31B) vor dem Brennstoffauslass (39) eines Hauptbrenners (37) der Brennstoffauslass (41) eines katalytischen Brenners (35A, 35B) unter katalytischer Umsetzung des Brennstoffs (B) angeordnet ist, da du r c h gek enn z e i c hn e t , dass der kataly- tische Brenner (35A, 35B) eine Anzahl von katalytisch wirkenden Elementen (43A, 43B, 43C, 43D) aufweist, die derart angeordnet sind, dass sich im Strömungskanal (31A, 31B) eine Drehströmung ausbildet.
8. Brenner (10) nach Anspruch 7, da du r c h g e k enn z e i c hn e t , dass sich die Drehströmung im Nachlauf der katalytisch wirkenden Elemente (43A, 43B, 43C, 43D) nach deren Brennstoffauslass (41) ausbildet .
9. Brenner (10) nach Anspruch 7 oder 8, d a du r c h g ek enn z e i c hn e t , dass die katalytisch wirkenden Elemente (43A, 43B, 43C, 43D) in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung (33) angeordnet sind, wobei der Brennstoffauslass (41) der katalytisch wirkenden Elemente (43A, 43B, 43C, 43D) in den Strömungskanal (31A, 31B) mündet.
10. Brenner (10) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einmündung der katalytisch wirkenden Elemente (43A, 43B, 43C, 43D) in den Strömungskanal (3lA,3lB) unter einem Winkel von 15° bis 75 ° bezogen auf eine durch die Strömungsrichtung (33) definierte Hauptachse erfolgt.
11. Brenner (10) nach einem der Ansprüche 7, 8, 9 oder 10, da du r c h g e k enn z e i c hn e t , dass zum Einstellen einer vorgegebenen Verweilzeit von Brennstoff (B) im Strömungskanal (31A, 31B) die Länge (L) des Strömungskanals (31B, 31B) angepasst ist.
12. Brenner (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadu r ch gekenn z e i chne t , dass ein katalytisch wirkendes Element (43A, 43B, 43C, 43D) als ein Wabenkatalysator ausgestaltet ist, der als Grundbestandteil mindestens eine der Substanzen Titandioxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid aufweist.
13. Brenner (10) nach Anspruch 12, dadur ch gekenn z e i chne t , dass als katalytisch aktive Komponente der Wabenkatalysator ein Edelmetall oder Metalloxid aufweist, welches eine oxidierende Wirkung auf den fluidischen Brennstoff (B) aufweist.
14. Brennkammer (4) umfassend einen Brenner (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 13.
15. Gasturbine (1) umfassend eine Brennkammer (4) nach Anspruch 14.
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