WO2013004744A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von brenngasen mit schwankenden kalorischen gehalten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von brenngasen mit schwankenden kalorischen gehalten Download PDF

Info

Publication number
WO2013004744A1
WO2013004744A1 PCT/EP2012/063035 EP2012063035W WO2013004744A1 WO 2013004744 A1 WO2013004744 A1 WO 2013004744A1 EP 2012063035 W EP2012063035 W EP 2012063035W WO 2013004744 A1 WO2013004744 A1 WO 2013004744A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion
combustion chamber
burner
gas
fuel gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/063035
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dimosthenis Trimis
Alexandra LOUKOU
Isabel FRENZEL
Original Assignee
Technische Universität Bergakademie Freiberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Bergakademie Freiberg filed Critical Technische Universität Bergakademie Freiberg
Priority to EP12733678.2A priority Critical patent/EP2729735B1/de
Publication of WO2013004744A1 publication Critical patent/WO2013004744A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/07—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2202/00—Combustion
    • F23G2202/10—Combustion in two or more stages
    • F23G2202/103—Combustion in two or more stages in separate chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/14—Gaseous waste or fumes

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for combustion of fuel gases with fluctuating caloric contents, in particular with highly fluctuating caloric contents.
  • the described invention can be used in any system in which both high-calorie and low-calorie combustion gas to be burned in the same combustion system without additional supply of fuel gas ⁇ and / or combustion air.
  • the inventive method or apparatus of the invention are suitable for. For example, for afterburning in high-temperature fuel cell systems, such as SOFC (solid oxide fuel cell).
  • Ano ⁇ dengas which contains essentially CO 2 and H 2 O. Dane ⁇ ben are as combustible radicals about 3 to 5% H 2 and CO contained.
  • the aforementioned fuel is present in a very clotting ⁇ gen concentration.
  • the residual anode gas leaves an anode compartment at ei ⁇ ner temperature of about 800 ° C.
  • high-calorie reformate gas leaves the anode compartment. It is ⁇ a mixture of H 2 and CO. It is flammable and accumulates at different temperatures.
  • Combustion systems are so far for combustion of the fuel cell resulting from the operation of a high-temperature gas in the Wesentli ⁇ chen premixed used, wherein teilwei- Also, a porous medium was introduced into the combustion chamber to improve combustion stability and reduce emissions.
  • catalysts were used in the combustion chamber, with fuel gas and combustion air were not or not so much preheated.
  • the known solutions use a premixed combustion, resulting in increased system integration and control effort.
  • recourse is often made to the use of catalysts which, especially with regard to the continuous operation of such combustion systems, have great disadvantages due to degradation phenomena.
  • the use of catalysts causes additional costs.
  • the previous solutions are limited to the combustion of fuel gases with certain caloric contents.
  • DE 43 30 130 Cl a catalytically two-stage burner for hydrogen and / or hydrocarbon-containing fuel gas is known. Due to the structural design of this burner, an almost complete combustion, in particular of hydrocarbon-containing fuel gases with high efficiency and low emissions is to be achieved.
  • DE 43 22 109 C2 includes a burner for a gas / air mixture, whose
  • Combustion chamber is filled with a porous material with contiguous cavities, wherein the pore size of the material increases along the combustion chamber from the inlet to the outlet. With this burner, the flame should burn at low temperature and emission free emission. Both burners are not suitable for the combustion of hot fuel gases with strongly changing calorific contents.
  • the invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art. It should in particular a simple method for combustion of fuel gases with fluctuating caloric contents can be specified. According to a further object of the invention, a burner is to be specified for carrying out the method.
  • the object is achieved in that the combustion is carried out in two successively connected combustion chambers, the fuel gas of the first combustion chamber is fed ⁇ leads, the combustion air split and the first combustion chamber and the second combustion chamber is supplied, the exhaust gas of the first combustion chamber of the second combustion chamber is supplied, and the combustion air supply to the first combustion chamber is sized so that the combustion temperature in the first combustion chamber between 1000 ° C and 1600 ° C.
  • the first combustion chamber is provided with the fuel gas supply and the combustion air supply resulting from the combustion air supply and the flow divider.
  • the second combustion chamber is provided with the supply of the exhaust gas of the first combustion chamber and the combustion air supply resulting from the combustion air supply and the flow divider.
  • the flow divider is geometrically configured such that a predetermined mass per unit time reaches Burn ⁇ drying air in the first combustion chamber.
  • the mass per unit of time or the mass flow is dimensioned so that one with a predetermined additional mass flow of the first Combustion chamber supplied low calorific fuel gas is vollstän ⁇ dig burned.
  • the respective mass flows result from the stoichiometric composition of combustion air and fuel gas.
  • the invention is based on the recognition to make the Brennergeo ⁇ geometry so that the same combustor may be used for the one hand, low-calorie combustion gases as quasi-single-stage burner and the other for high-calorie fuel gas than a two-stage burner.
  • the first firing stage is supplied only with the mass flow of combustion air, which enables a stoichiometric combustion of a low-calorie combustible gas. In this case, only a part of the high-calorie fuel gas is burned in the first combustion chamber. The temperature in the first
  • Combustion chamber does not exceed 1600 ° C.
  • the unburned remainder of the high-calorie fuel gas enters the second combustion chamber and is there incinerated with the remaining combustion air supplied to the second combustion chamber.
  • the second combustion chamber may be configured as a diffusion burner.
  • the combustion air exclu ⁇ Lich from the cathode gas of a high temperature fuel cell ⁇ .
  • the oxygen content of the air is depleted from 21% to about 12% during operation of the high temperature fuel cell.
  • the cathode gas containing the depleted content of oxygen leaves with a Tempe ⁇ temperature of about 800 ° C a cathode chamber of the high-temperature fuel cell.
  • the stored in the cathode gas heat energy can thus be made available to the burner. There is no need for additional air supply.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a first burner according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a second burner according to the invention
  • Fig. 4 is a sectional view of a third burner according to the invention.
  • FIG. 1 the method for the combustion of high and low calorific fuel gases in two sequentially connected combustion chambers 5, 6 is shown.
  • FIG. 2 shows a first burner according to the invention operated according to this method.
  • the combustion chambers 5, 6 are located in a housing 1.
  • the burner has a fuel gas supply 2 and a Verbrennungs KunststoffZu Entry 3.
  • the complete combustion takes place in a Ers ⁇ th combustion chamber 5, wherein the available combustion air using a corresponding flow divider 4 is divided so that only so much air in the
  • Combustion chamber arrives as for low-emission, complete fuel gas conversion is necessary.
  • the exhaust gas of the first stage / combustion chamber is then mixed only with the remaining air in a downstream second combustion chamber 6.
  • an advantageous embodiment of the two-stage burner comprises an ignition 9 in the first combustion chamber 5 for the reliable ignition of fuel gas and combustion air.
  • the mixture of fuel gas and combustion air is ignited in the first combustion chamber 5.
  • the hot exhaust gas of the first combustion chamber 5 is supplied to the second combustion chamber 6.
  • the exhaust gas of the ers ⁇ th combustor 5 is still a certain caloric content and ignites in the second combustion chamber 6 with the remaining combustion air due to the high temperatures of itself. If the ignition 9 instead mounted in the second combustion chamber, could be an ignition in the first
  • Combustion chamber can not be guaranteed.
  • the combustion air supply to the first combustion chamber 5 is to be dimensioned so that the combustion temperature in the first
  • Combustion chamber 5 is between 1000 ° C and 1600 ° C.
  • the combustion air can be depleted in oxygen, such as the cathode exhaust air of SOFC fuel cells (solid oxide fuel cell). Both the fuel gas and the oxygen-depleted combustion air at temperatures of more than 300 ° C fall on.
  • the fuel gas and combustion air temperature must be taken into account in the design of the combustion air supply to the first combustion chamber 5 in order to achieve the correct combustion temperature range.
  • a further advantageous embodiment includes a device for flame monitoring 10 in the burner.
  • Conventional methods of flame monitoring such as flame ionization detectors and UV detectors, could be used, but due to the hydrogen-containing lean gases as fuel gases would be the signals too weak.
  • the temperatures in the combustion chamber are sometimes higher than the maximum permissible operating temperature of such detectors. Therefore, flame monitoring by monitoring the combustion temperatures is advantageous. Both the temperature level including the time tempera ⁇ turgradient can be monitored in order to detect the ignition and eventual extinction of the flame.
  • the burner operates safely, for example, if a flame can be detected in the first combustion chamber 5, for which reason the flame monitoring in the form of a temperature sensor in this chamber can take place advantageously.
  • the position of the sensor should be selected so that the heat release can be detected, that is, a sufficient heat development ⁇ lung by the combustion process must already be ensured at the selected position.
  • Combustion chamber also serves as a support flame for the second combustion chamber, insofar as it still needs to be implemented in this fuel.
  • the temperature sensor can also be installed in the exhaust gas pipe after both combustion chambers in order to detect differences in the exhaust gas temperature and the temperature level there. In this case, the temperature sensor is not exposed to high process temperatures and also easily accessible. Even so, the safe operation of the burner is si ⁇ cheruci.
  • the possibilities of positioning a flame monitoring device 10 are shown in FIG. 2 by the reference numeral 10 10 ".
  • the two-stage burner which is shown in Fig. 4, consists of two cylindrical, concentrically arranged tubes, of which the outer with a diameter of 70 mm, the housing 1 of the burner and the inner with a diam ⁇ ser of 26 mm, the inner, first combustion chamber 5 forms.
  • the gaseous fuel passes in the axial direction from above via the fuel gas supply 2 in the form of a tube having an inner diameter of 21 mm in the inner combustion tube serving as the first combustion chamber 5.
  • Oxygen-depleted, hot cathode air of a high-temperature fuel cell is brought into the space of the first combustion chambers 5 and the second combustion chamber 6 by the combustion air supply 3 tangentially mounted in the radial direction in the form of a tube having an inner diameter of 26 mm.
  • the division of the cathode air flow is introduced by means of twelve holes with a diameter of 3.5 mm, which are placed in two rows one above the other radially in the upper part of the first combustion chamber 5, (Strö ⁇ tion divider for combustion air 4a) and a circular plate with holes 11 to the second combustion chamber 6 (flow divider for combustion air 4b) realized.
  • the circular plate 11 is fixed with ten, arranged on a circular arc holes with a diameter of 8 mm between the inner and outer burner tube at the end of the inner burner tube.
  • the burner can be made of heat resisting steel and the combustion chambers can be lined / coated with refractory material.
  • the complete combustion takes place in the first combustion chamber 5, which is 114 mm long.
  • the entire cathode air flow is divided with the described flow divider for the combustion air 4a, 4b so that exactly as much combustion air enters the in ⁇ nere, first combustion chamber 5 as for the complete, low-emission combustion of low caloric anode residual gas is necessary.
  • the exhaust gas of the first combustion stage is then mixed only with the remaining cathode air in a downstream second combustion chamber 6, before it leaves the burner in the axial direction via the exhaust gas outlet 12.
  • the burner can refer to both the fuel gas and the combustion air exclusively from the high temperature ⁇ turbrennstoffzelle.
  • the burner does not need to ⁇ additional supply of fuel gas or combustion air.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Verbrennung in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern durchgeführt wird, das Brenngas der ersten Brennkammer (5) zugeführt wird, die Verbrennungsluft aufgeteilt und der ersten Brennkammer (5) sowie der zweiten Brennkammer (6) zugeführt wird, das Abgas der ersten Brennkammer (5) der zweiten Brennkammer (6) zugeführt wird, und die Verbrennungsluftzufuhr (3) zur ersten Brennkammer (5) so bemessen wird, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten Brennkammer (5) zwischen 1000°C und 1600°C liegt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten, insbesondere mit stark schwankenden kalorischen Gehalten. Die beschriebene Erfindung kann in jedem System verwendet werden, bei dem sowohl hochkalorisches als auch nie- derkalorisches Brenngas ohne zusätzliche Zuführung von Brenn¬ gas und/oder Verbrennungsluft in demselben Verbrennungssystem verbrannt werden sollen. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich z. B. zur Nachverbrennung in Hochtemperatur-BrennstoffZeilensystemen, wie beispielsweise SOFC (Festoxid-Brennstoffzelle) .
Beim Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle fällt Ano¬ dengas an, welches im Wesentlichen CO2 und H2O enthält. Dane¬ ben sind als brennbare Reste etwa 3 bis 5% H2 sowie CO ent- halten. Der vorgenannte Brennstoff liegt in einer sehr gerin¬ gen Konzentration vor. Man spricht von niederkalorischem Brenngas. Das Anodenrestgas verlässt einen Anodenraum bei ei¬ ner Temperatur von etwa 800°C. Beim Start- oder Stopp-Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle kommt es vor, dass anstelle des Anodenrestgases hochkalorisches Reformatgas den Anodenraum verlässt. Es be¬ steht aus einer Mischung aus H2 und CO. Es ist brennbar und fällt bei unterschiedlichen Temperaturen an.
Zur Verbrennung des beim Betrieb einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle anfallenden Gases werden bisher im Wesentli¬ chen vorgemischte Verbrennungssysteme benutzt, wobei teilwei- se auch ein poröses Medium zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität und zur Senkung der Emissionen in den Brennraum eingebracht wurde. Außerdem wurden Katalysatoren im Brennraum eingesetzt, wobei Brenngas- und Verbrennungsluft nicht bzw. nicht so stark vorgewärmt waren. Die bekannten Lösungen nutzen eine vorgemischte Verbrennung, wobei ein erhöhter Systemintegrations- und Regelungsaufwand resultiert. Außerdem wird in den bereits bekannten Lösungen häufig auf den Gebrauch von Katalysatoren zurückgegriffen, welche vor allem hinsichtlich des Dauerbetriebs solcher Verbrennungssysteme große Nachteile aufgrund von Degradationserscheinungen aufweisen. Weiterhin werden durch den Einsatz von Katalysatoren zusätzliche Kosten verursacht. Die bisherigen Lösungen beschränken sich auf die Verbrennung von Brenngasen mit bestimmten kalorischen Gehal- ten.
Nach DE 43 30 130 Cl ist ein katalytisch zweistufiger Brenner für Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas bekannt. Durch die konstruktive Ausgestaltung dieses Brenners soll eine nahezu vollständige Verbrennung insbesondere von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen bei hohem Wirkungsgrad und geringen Emissionen erreicht werden. DE 43 22 109 C2 beinhaltet einen Brenner für ein Gas-/Luftgemisch, dessen
Brennraum mit einem porösen Material mit zusammenhängenden Hohlräumen ausgefüllt ist, wobei die Porengröße des Materials längs des Brennraumes vom Einlass zum Auslass zunimmt. Mit diesem Brenner soll die Flamme bei niedriger Temperatur und schadstoffemissionsfrei brennen. Beide Brenner sind für die Verbrennung von heißen Brenngasen mit stark wechselnden kalo- rischen Gehalten nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden. Es soll insbesondere ein einfaches Verfahren zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten angegeben werden. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein Brenner zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 und 10 bis 14.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verbrennung in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern durchgeführt wird, das Brenngas der ersten Brennkammer zuge¬ führt wird, die Verbrennungsluft aufgeteilt und der ersten Brennkammer sowie der zweiten Brennkammer zugeführt wird, das Abgas der ersten Brennkammer der zweiten Brennkammer zugeführt wird, und die Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer so bemessen wird, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten Brennkammer zwischen 1000°C und 1600°C liegt.
Weiterhin wird ein Brenner für Brenngas mit schwankenden kalorischen Gehalten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Beim erfindungsgemäßen Brenner ist die erste Brennkammer mit der Brenngaszuführung und der aus der VerbrennungsluftZuführung und dem Strömungsteiler resultierenden VerbrennungsluftZuführung versehen. Die zweite Brennkammer ist mit der Zuführung des Abgases der ersten Brennkammer und der aus der VerbrennungsluftZuführung und dem Strömungsteiler resultierenden VerbrennungsluftZuführung versehen. Der Strömungsteiler ist geometrisch derart ausgestaltet, dass eine vorgegebene Masse pro Zeiteinheit an Verbren¬ nungsluft in die erste Brennkammer gelangt. Die Masse pro Zeiteinheit bzw. der Massestrom ist so bemessen, dass damit ein mit einem vorgegebenen weiteren Massestrom der ersten Brennkammer zugeführtes niederkalorisches Brenngas vollstän¬ dig verbrannt wird. Die jeweiligen Masseströme ergeben sich aus der stöchiometrischen Zusammensetzung von Verbrennungsluft und Brenngas .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, die Brennergeo¬ metrie so zu gestalten, dass derselbe Brenner einerseits für niederkalorische Brenngase als quasi-einstufiger Brenner und andererseits für hochkalorische Brenngase als zweistufiger Brenner verwendet werden kann.
Beim erfindungsgemäßen Brenner gelangt unabhängig vom kalorischen Gehalt des Brenngases im Wesentlichen der gleiche Mas¬ sestrom an Verbrennungsluft in die erste Brennkammer. Der Massestrom an Verbrennungsluft ist so bemessen, dass ein nie¬ derkalorisches Brenngas vollständig verbrannt wird, und zwar mit einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1600°C. Die restliche Verbrennungsluft wird unmittelbar der zweiten
Brennkammer zugeführt und dort mit dem aus der ersten Brenn- kammer abgeführten Abgas gemischt.
Auch bei der Zufuhr von hochkalorischem Brenngas wird der ersten Brennstufe lediglich der Massestrom an Verbrennungsluft zugeführt, welcher eine stöchiometrische Verbrennung ei- nes niederkalorischen Brenngases ermöglicht. In diesem Fall wird nur ein Teil des hochkalorischen Brenngases in der ersten Brennkammer verbrannt. Die Temperatur in der ersten
Brennkammer übersteigt dabei nicht 1600°C. Der unverbrannte Rest des hochkalorischen Brenngases gelangt in die zweite Brennkammer und wird dort mit der der zweiten Brennkammer zugeführten restlichen Verbrennungsluft verbrannt. Die zweite Brennkammer kann als Diffusionsbrenner ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise besteht die Verbrennungsluft ausschlie߬ lich aus dem Kathodengas einer Hochtemperatur-Brennstoff¬ zelle. Beim Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird deren Kathode Luft zugeführt. Der Sauerstoffgehalt der Luft wird beim Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle von 21% auf etwa 12% abgereichert . Das den abgereicherten Gehalt an Sauerstoff enthaltende Kathodengas verlässt mit einer Tempe¬ ratur von etwa 800 °C einen Kathodenraum der Hochtemperatur- Brennstoffzelle. Die im Kathodengas gespeicherte Wärmeenergie kann somit dem Brenner zur Verfügung gestellt werden. Es wird keine weitere Luftzufuhr benötigt.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer einen Anoden- und einen Kathodenraum auf- weisenden Hochtemperatur-Brennstoffzelle und einem erfin¬ dungsgemäßen Brenner beansprucht, wobei der Anodenraum zum Zuführen von Brenngas mit der Brenngaszuführung und der Kathodenraum zum Zuführen von Verbrennungsluft mit der VerbrennungsluftZuführung verbunden ist. Damit ist es möglich in al- len Betriebsphasen der Hochtemperatur-Brennstoffzelle die an¬ fallenden Abgase emissionsarm nachzuverbrennen .
Die Erfindung wird nunmehr beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ,
Fig. 2 schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brenners,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brenners, und Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Brenners . In Fig. 1 ist das Verfahren für die Verbrennung von hoch- und niederkalorischen Brenngasen in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern 5, 6 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen nach diesem Verfahren betriebenen ersten erfindungsgemäßen Brenner. Die Brennkammern 5, 6 befinden sich in einem Gehäuse 1. Außerdem besitzt der Brenner eine Brenngaszuführung 2 und eine VerbrennungsluftZuführung 3. Im Fall des niederkalorischen Brenngases findet die vollständige Verbrennung in einer ers¬ ten Brennkammer 5 statt, wobei die zur Verfügung stehende Verbrennungsluft mithilfe eines entsprechenden Strömungstei- lers 4 so aufgeteilt wird, dass nur so viel Luft in die
Brennkammer gelangt wie zur emissionsarmen, vollständigen Brenngasumsetzung notwendig ist. Das Abgas der ersten Stufe/Brennkammer wird dann lediglich mit der restlichen Luft in einer nachgeschalteten zweiten Brennkammer 6 vermischt.
Wenn ein hochkalorisches Brenngas im beschriebenen Brenner umgesetzt werden soll, findet in der ersten Brennkammer eine partielle Verbrennung statt, da bei gleicher Geometrie und zur Verfügung stehender Verbrennungsluftmenge die Aufteilung der Luft annähernd gleich bleibt. Das Abgas der ersten Brenn¬ kammer, welches noch einen kalorischen Gehalt hat, wird anschließend in der zweiten Brennkammer mit der restlichen Luft vermischt und vollständig umgesetzt. Es besteht dabei zu keinem Zeitpunkt des Brennerbetriebs und unabhängig vom kalorischen Gehalt des Brenngases die Notwendigkeit dem Prozess zusätzliches Brenngas oder/und Verbren¬ nungsluft zuzuführen. Wie in Fig. 2 gezeigt umfasst eine vorteilhafte Ausführung des zweistufigen Brenners eine Zündung 9 in der ersten Brennkammer 5 zur sicheren Zündung von Brenngas und Verbrennungs- luft. Das Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft wird in der ersten Brennkammer 5 gezündet. Das heiße Abgas der ersten Brennkammer 5 wird der zweiten Brennkammer 6 zugeführt. Im Fall des hochkalorischen Brenngases weist das Abgas der ers¬ ten Brennkammer 5 noch einen bestimmten kalorischen Gehalt auf und entzündet sich in der zweiten Brennkammer 6 mit der restlichen Verbrennungsluft aufgrund der hohen Temperaturen von selbst. Wäre die Zündung 9 stattdessen in der zweiten Brennkammer angebracht, könnte ein Zünden in der ersten
Brennkammer nicht gewährleistet werden.
Die Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer 5 ist so zu bemessen, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten
Brennkammer 5 zwischen 1000°C und 1600 °C liegt. Dabei kann die Verbrennungsluft an Sauerstoff abgereichert sein, wie beispielsweise die Kathodenabluft von SOFC-Brennstoffzellen (Festoxid-Brennstoffzelle) . Dabei fallen sowohl das Brenngas als auch die an Sauerstoff abgereicherte Verbrennungsluft bei Temperaturen von mehr als 300 °C an. Die Brenngas- und Verbrennungslufttemperatur muss bei der Bemessung der Verbren- nungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer 5 berücksichtigt werden, um den richtigen Verbrennungstemperaturbereich zu erreichen .
Eine weitere vorteilhafte Ausführung beinhaltet eine Einrich- tung zur Flammenüberwachung 10 im Brenner. Übliche Methoden der Flammenüberwachung, wie Flammenionisationsdetektoren und UV-Detektoren, könnten genutzt werden, aber aufgrund der Wasserstoffhaltigen Schwachgase als Brenngase wären die Signale zu schwach. Weiterhin sind die Temperaturen im Brennraum teilweise höher als die zulässige maximale Einsatztemperatur solcher Detektoren. Deswegen ist eine Flammenüberwachung durch Überwachung der Verbrennungstemperaturen vorteilhaft. Sowohl das Temperaturniveau also auch der zeitliche Tempera¬ turgradient können überwacht werden, um das Zünden und ein eventuelles Erlöschen der Flamme detektieren zu können. Der Brenner arbeitet beispielsweise sicher, wenn in der ersten Brennkammer 5 eine Flamme detektiert werden kann, weswegen die Flammenüberwachung in Form eines Temperatursensors in dieser Kammer vorteilhaft stattfinden kann. Die Position des Sensors sollte so gewählt werden, dass die Wärmefreisetzung detektiert werden kann, d. h. eine ausreichende Wärmeentwick¬ lung durch den Verbrennungsprozess muss an der gewählten Po- sition bereits gewährleistet sein. Die Flamme der ersten
Brennkammer dient ebenfalls als Stützflamme für die zweite Brennkammer, insofern in dieser noch Brennstoff umgesetzt werden muss. Der Temperatursensor kann alternativ auch im Ab- gasrohr nach beiden Brennkammern angebracht werden, um dort Unterschiede in der Abgastemperatur und das Temperaturniveau zu detektieren. In diesem Fall ist der Temperatursensor nicht zu hohen Prozesstemperaturen ausgesetzt und außerdem leicht zugänglich. Auch so wird der sichere Betrieb des Brenners si¬ chergestellt. Die Möglichkeiten der Positionierung einer Flammenüberwachungseinrichtung 10 sind in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 10 10" dargestellt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit den zweistufigen Brenner so auszuführen, dass in der ersten und/oder zweiten Brennkammer ein offenporiges hochtemperaturbeständiges Material 7, 8 ent¬ halten ist, in dem die Brenngase teilweise oder vollständig umgesetzt werden, wie Fig. 3 zeigt. Der Einsatz eines porösen Mediums wirkt sich positiv auf den Wärme- und Stofftransport im Brennraum aus, wodurch eine Homogenisierung der Verbrennung, vor allem hinsichtlich der Verbrennungstemperaturen erfolgt. Dadurch wird die Umsetzung der im Brenngas enthaltenen Spezies begünstigt, was zu einer Verringerung der Schadstoff- emissionen des Brenners führt.
Die Erfindung soll anhand des nachfolgenden Ausführungsbei¬ spiels erläutert werden: Der zweistufige Brenner, welcher in Fig. 4 dargestellt ist, besteht aus zwei zylindrischen, konzentrisch angeordneten Rohren, von denen das äußere mit einem Durchmesser von 70 mm das Gehäuse 1 des Brenners und das innere mit einem Durchmes¬ ser von 26 mm die innere, erste Brennkammer 5 bildet. Der gasförmige Brennstoff gelangt in axialer Richtung von oben über die Brenngaszuführung 2 in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 21 mm in das als erste Brennkammer 5 dienende innere Brennrohr. Die gesamte
Sauerstoffabgereicherte, heiße Kathodenluft einer Hochtempe- raturbrennstoffzelle wird durch die, in radialer Richtung tangential angebrachte VerbrennungsluftZuführung 3 in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 26 mm in den Zwischenraum der ersten Brennkammern 5 und der zweiten Brennkammer 6 gebracht. Die Aufteilung des Kathodenluftstroms wird mithilfe von zwölf Löchern mit einem Durchmesser von 3,5 mm, welche in zwei Reihen übereinander versetzt radial in den oberen Teil der ersten Brennkammer 5 eingebracht sind, (Strö¬ mungsteiler für Verbrennungsluft 4a) und einer kreisrunden Platte mit Löchern 11 zur zweiten Brennkammer 6 (Strömungs- teiler für Verbrennungsluft 4b) realisiert. Wenn die Luft durch den tangentialen Einlass in den Brenner gelangt, passiert ein Teil von ihr direkt diese Löcher und gelangt somit in das innere Brennerrohr, welches die innere Brennkammer 5 und somit die erste Verbrennungsstufe bildet. Um diesen Ef¬ fekt noch zu verstärken, wird die kreisrunde Platte 11 mit zehn, auf einem Kreisbogen angeordneten Löchern mit einem Durchmesser von 8 mm zwischen dem inneren und dem äußeren Brennerrohr, am Ende des inneren Brennerrohres fixiert. Der Brenner kann aus hochwarmfesten Stahl gebaut und die Brennkammern können mit feuerfestem Material ausgekleidet/beschichtet sein. Im Fall des niederkalorischen Anodenrestgases der Hochtempe¬ raturbrennstoffzelle als Brenngas findet die vollständige Verbrennung in der ersten Brennkammer 5 statt, welche 114 mm lang ist. Der gesamte Kathodenluftstrom wird mit dem beschriebenen Strömungsteiler für die Verbrennungsluft 4a, 4b so aufgeteilt, dass genau so viel Verbrennungsluft in die in¬ nere, erste Brennkammer 5 gelangt wie zur vollständigen, emissionsarmen Verbrennung des niederkalorischen Anodenrestgases notwendig ist. Das Abgas der ersten Verbrennungsstufe wird dann lediglich mit der restlichen Kathodenluft in einer nachgeschalteten zweiten Brennkammer 6 vermischt, bevor es den Brenner in axialer Richtung über die Abgasabführung 12 verlässt .
Im Fall des hochkalorischen Reformatgases als Brenngas, wel- ches in der Brennstoffzelle im Start- und Stoppbetrieb nicht oder nur unvollständig umgesetzt wird, kommt es zur unterstö- chiometrischen, partiellen Verbrennung in der ersten Brennkammer 5, da bei gleicher Geometrie und zur Verfügung stehender Verbrennungsluft die Aufteilung der Luft unverändert bleibt. Das bedeutet, dass das Abgas der ersten Brennkammer 5 immer noch einen kalorischen Gehalt besitzt und deshalb in der zweiten Brennkammer 6, welche eine Länge von 82 mm hat und als Weiterführung des äußeren Brennerrohres bis zur Ab- gasabführung 12 mit einem Innendurchmesser von 45 mm konisch zuläuft, vollständig umgesetzt wird.
In beiden Fällen kann der Brenner sowohl das Brenngas als auch die Verbrennungsluft ausschließlich von der Hochtempera¬ turbrennstoffzelle beziehen. Der Brenner benötigt keine zu¬ sätzliche Zufuhr von Brenngas oder Verbrennungsluft.
Es wurde bereits experimentell nachgewiesen, dass sowohl hoch- als auch niederkalorische heiße Brenngase mit heißer Verbrennungsluft (Sauerstoffabgereichert ) in dem die Erfin¬ dung betreffenden zweistufigen nicht vorgemischten Brenner vollständig und sicher umgesetzt werden können. Dabei waren die erzielten Verbrennungstemperaturen in der ersten Brenn- kammer sowohl für das niederkalorische Anodenrestgas bei vollständiger Verbrennung in der ersten Brennkammer 5, als auch für das hochkalorische Reformatgas bei partieller Ver¬ brennung nahezu gleich. Somit wurde gezeigt, dass der be¬ schriebene zweistufige Brenner als Nachverbrennungssystem in einem SOFC (Festoxidbrennstoffzelle) basierten Mikro-KWK Sys¬ tem verwendet werden kann.
Bezugs zeichenliste
1 Gehäuse
2 Brenngaszuführung
3 VerbrennungsluftZuführung
4 Strömungsteiler für die Verbrennungsluft (4a,
4b)
5 erste Brennkammer
6 zweite Brennkammer
7 offenporiges hochtemperaturbeständiges Materi¬ al in der ersten Brennkammer
8 offenporiges hochtemperaturbeständiges Materi¬ al in der zweiten Brennkammer
9 Zündung
10 Flammenüberwachung (10 λ und 10")
11 kreisrunde Platte mit Löchern
12 Abgasabführung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale a) die Verbrennung wird in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern durchgeführt, b) das Brenngas wird der ersten Brennkammer (5) zugeführt, c) die Verbrennungsluft wird aufgeteilt und der ersten Brenn¬ kammer (5) sowie der zweiten Brennkammer (6) zugeführt, d) das Abgas der ersten Brennkammer (5) wird der zweiten Brennkammer (6) zugeführt, e) die Verbrennungsluftzufuhr (3) zur ersten Brennkammer (5) wird so bemessen, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten Brennkammer (5) zwischen 1000°C und 1600°C liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Verbrennungsluft an Sauerstoff abgereichert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Brenngas mit Temperaturen größer als 300°C zugeführt wird .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Verbrennungsluft mit Temperaturen größer als 300°C zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet dadurch, dass die Verbrennungsluft ausschließlich aus Kathodengas einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle besteht
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet dadurch, dass in der ersten Brennkammer (5) die Brenngase in einem offenporigen hochtemperaturbeständigen Ma terial (7) umgesetzt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet dadurch, dass in der zweiten Brennkammer (6) das Ab gas der ersten Brennkammer (5) in einem offenporigen hochtem¬ peraturbeständigen Material (8) umgesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet dadurch, dass die Zündung des Brenngases in der ers ten Brennkammer (5) erfolgt.
9. Brenner für Brenngase mit schwankenden kalorischen Gehalten zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus zwei nacheinander angeordne¬ ten Brennkammern, einer Brenngas- (2) und Verbrennungsluftzu führung (3) und einer Abgasabführung (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) die erste Brennkammer (5) ist mit der Brenngaszuführung (2) und der aus der VerbrennungsluftZuführung (3) und dem Strömungsteiler (4a, 4b) resultierenden VerbrennungsluftZuführung versehen, b) die zweite Brennkammer ist mit der Zuführung des Abg ses der ersten Brennkammer und der aus der Verbrennungs luftZuführung (3) und dem Strömungsteiler (4a, 4b) resultierenden VerbrennungsluftZuführung versehen, c) der Strömungsteiler (4a, 4b) ist geometrisch derart ausge- staltet, dass nur eine begrenzte Menge an Verbrennungsluft in die erste Brennkammer (5) gelangt, welche ausschließlich bei niederkalorischen Brenngasen eine vollständige Verbrennung in der ersten Brennkammer (5) ermöglicht.
10. Brenner nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Zündung (9) in der ersten Brennkammer (5) angeordnet ist.
11. Brenner nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, dass das Brennersystem mit einer Flammenüberwachungseinrich- tung (10) versehen ist.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Brennkammer (5) und/oder zweite
Brennkammer (6) ein offenporiges hochtemperaturbeständiges Material (7, 8) enthält.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Flammenüberwachungseinrichtung (10) in Form von Temperaturmesseinrichtungen (10 λ) der Brennkammertempera- turen ausgestaltet ist.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass die Flammenüberwachungseinrichtung (10) in Form von Temperaturmesseinrichtungen (10") in der Abgasabführung (12) des Brennersystems ausgestaltet ist.
15. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einer einen Anoden- sowie einen Kathodenraum aufweisenden Hochtem- peratur-Brennstoffzelle und einen Brenner nach den Ansprüchen 9 bis 14, wobei der Anodenraum zum Zuführen von Brenngas mit der Brenngaszuführung (2) und der Kathodenraum zum Zuführen von Verbrennungsluft mit der VerbrennungsluftZuführung (3) verbunden ist.
PCT/EP2012/063035 2011-07-04 2012-07-04 Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von brenngasen mit schwankenden kalorischen gehalten WO2013004744A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12733678.2A EP2729735B1 (de) 2011-07-04 2012-07-04 Verfahren zur verbrennung von brenngasen mit schwankenden kalorischen gehalten

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011106446.3 2011-07-04
DE201110106446 DE102011106446A1 (de) 2011-07-04 2011-07-04 Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Brenngasen, insbesondere von Brenngasen mit stark schwankenden kalorischen Gehalten

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013004744A1 true WO2013004744A1 (de) 2013-01-10

Family

ID=46506360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/063035 WO2013004744A1 (de) 2011-07-04 2012-07-04 Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von brenngasen mit schwankenden kalorischen gehalten

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2729735B1 (de)
DE (1) DE102011106446A1 (de)
WO (1) WO2013004744A1 (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4330130C1 (de) 1993-09-06 1994-10-20 Fraunhofer Ges Forschung Katalytischer Brenner
DE4322109C2 (de) 1993-07-02 2001-02-22 Franz Durst Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch
DE10149014A1 (de) * 2001-09-28 2003-04-17 Iav Gmbh Hochtemperatur-Brennstoffzellen-System und Verfahren zu seinem Betreiben
WO2003072919A1 (en) * 2002-02-22 2003-09-04 Catalytica Energy Systems, Inc. Catalytically piloted combustion system and methods of operation
DE10360458A1 (de) * 2003-12-22 2005-07-28 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem
DE102006046255A1 (de) * 2006-09-28 2008-04-03 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brenneranordnung
US20080092513A1 (en) * 2005-03-23 2008-04-24 Richard Carroni Method and Device for the Combustion of Hydrogen in a Premix Burner

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69224239T2 (de) * 1991-07-05 1998-05-20 Thermatrix Inc Verfahren und Vorrichtung zur gesteuerten Reaktion in einer Reaktionsmatrix
DE10246231A1 (de) * 2002-10-04 2004-04-15 Robert Bosch Gmbh Nachbrenneinrichtung

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4322109C2 (de) 1993-07-02 2001-02-22 Franz Durst Brenner für ein Gas/Luft-Gemisch
DE4330130C1 (de) 1993-09-06 1994-10-20 Fraunhofer Ges Forschung Katalytischer Brenner
DE10149014A1 (de) * 2001-09-28 2003-04-17 Iav Gmbh Hochtemperatur-Brennstoffzellen-System und Verfahren zu seinem Betreiben
WO2003072919A1 (en) * 2002-02-22 2003-09-04 Catalytica Energy Systems, Inc. Catalytically piloted combustion system and methods of operation
DE10360458A1 (de) * 2003-12-22 2005-07-28 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem
US20080092513A1 (en) * 2005-03-23 2008-04-24 Richard Carroni Method and Device for the Combustion of Hydrogen in a Premix Burner
DE102006046255A1 (de) * 2006-09-28 2008-04-03 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brenneranordnung

Also Published As

Publication number Publication date
EP2729735B1 (de) 2015-09-09
DE102011106446A1 (de) 2013-01-10
EP2729735A1 (de) 2014-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19536836C2 (de) Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage
DE102004049903B4 (de) Brennervorrichtung mit einem Porenkörper
EP2313687B1 (de) Verfahren zum zünden und zum betrieb von brennern bei der vergasung kohlenstoffhaltiger brennstoffe
EP3058279B1 (de) Verfahren zur zündung eines kraftwerksbrenners und dafür geeigneter kohlenstaubbrenner
EP1938411A2 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines reformers
EP0846917A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von nutsbarem Gas aus Abfallstoffen
EP2542836B1 (de) Vorrichtung zur bereitstellung von heissen abgasen
EP1153453B1 (de) Vorrichtung zum verdampfen und/oder überhitzen eines kohlenwasserstoffs
EP2729735B1 (de) Verfahren zur verbrennung von brenngasen mit schwankenden kalorischen gehalten
EP1923946A1 (de) Verwendung einer Brennervorrichtung in einem Brennstoffzellensystem
EP1919018B1 (de) Brennstoffzellensystem
AT520881B1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
WO1987006677A1 (en) Process and plant for reducing nitrogen monoxide emissions when burning solid fuels
DE102015104401A1 (de) Verfahren zur Verminderung von NOx-Emissionen bei der Verbrennung von staubförmigem Brennstoff
EP0353491A1 (de) Anlage zur Verbrennung von Sondermüll
DE10059892B4 (de) Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kopplungsapparats und Kraft-Wärme-Kopplungsapparat
DE102017005917A1 (de) Verbrennungsverfahren und mehrstufiger Brenner
EP2058592B1 (de) Brennstoffbetriebene Heinzeinrichtung, insbesondere für Campingfahrzeuge
DE102016214907A1 (de) SOFC-Brennstoffzellen-Stack
EP3650757A1 (de) Gasturbine und verfahren zum betreiben einer gasturbine
DE102010010271A1 (de) Vorrichtung zur Bereitstellung eines heißen Abgasstroms
DE3420408A1 (de) Brenner zur verbrennung von abgasen
DE10145441A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen von thermischer Energie für den Start eines Gaserzeugungssystems
DE102015104406A1 (de) Verfahren zur Verminderung von NOx-Emissionen bei der Verbrennung von staubförmigem Brennstoff
DE102009060882A1 (de) Brennersystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12733678

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012733678

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE