EP1213541B1 - Brûleur à prémélange avec combustion catalytique et procédé de fonctionnement - Google Patents

Brûleur à prémélange avec combustion catalytique et procédé de fonctionnement Download PDF

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EP1213541B1
EP1213541B1 EP01128082A EP01128082A EP1213541B1 EP 1213541 B1 EP1213541 B1 EP 1213541B1 EP 01128082 A EP01128082 A EP 01128082A EP 01128082 A EP01128082 A EP 01128082A EP 1213541 B1 EP1213541 B1 EP 1213541B1
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EP
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premix burner
fuel
air mixture
combustion chamber
catalyst unit
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EP01128082A
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Wolfgang Weisenstein
Timothy Dr. Griffin
Peter Dr. Jansohn
Thomas Ruck
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a premixed burner assembly with catalytic combustion for operating a combustor of a gas turbine assembly and a method therefor, comprising a premix burner in which at least one fuel addition unit and supply air openings are provided such that gaseous and / or liquid fuel is miscible with combustion air within the premix burner are and form a fuel-air mixture which exits from the premix burner downstream in the direction of the combustion chamber, which is arranged downstream of the premix burner assembly, and can be brought to ignition within the combustion chamber.
  • a generic premix burner arrangement can be found in EP 0 833 105 A2.
  • the premix burner described in this document has a central fuel nozzle axially to the swirl generator, followed by downstream of a mixing section, within which the atomized fuel completely mixed with air to form a fuel-air mixture.
  • the combustion chamber is provided, within which forms a spatially stable flame zone during operation of the premix burner.
  • DE 44 26 351 A discloses a two-stage combustion chamber with a premix burner wherein the combustion of the first stage takes place in a catalytic converter.
  • the invention has the object of developing a premix burner arrangement with catalytic combustion for operating a combustion chamber of a gas turbine arrangement according to the preamble of claim 1 in such a way that, on the one hand, measures are taken to considerably reduce the NO x emission values. Furthermore, the measures should lead to a flame stabilization within the combustion chamber, so that the operating ranges of the premix burner arrangement should be increased, in particular with regard to an improved lean extinction limit.
  • claim 9 is a method of operating a premixed combustor with catalytic combustion.
  • the concept of the invention advantageously further features are the subject of the dependent claims and from the description with reference to the exemplary embodiments.
  • a Vormischbrenneran extract according to the preamble of claim 1 is developed such that before the entry of the fuel-air mixture in the combustion chamber is provided with a catalyst unit through which a part of the fuel-air mixture is introduced and passes before this part flows into the combustion chamber together with the remaining portion of the fuel-air mixture.
  • the catalyst unit is preferably arranged concentrically at the outlet of the premix burner or the mixing section shortly before entry into the combustion chamber, so that only peripheral Partial flows of the propagating in the direction of the combustion chamber fuel-air mixture flow through the catalyst unit.
  • the at least partially catalytically converted material flow After exiting the at least partially catalytically converted fuel-air mixture from the catalyst unit, the at least partially catalytically converted material flow reaches edge regions of the flame front forming within the combustion chamber, whereby the flame itself can be stabilized significantly.
  • the effects of flame stabilization due to the peripheral material flows are particularly evident in operating conditions in which lean mixtures are used.
  • the catalyst unit in principle, it is possible to arrange the catalyst unit around the mixing tube in a partially or completely circular manner, wherein a circularly extending discharge channel provided in the interior of the mixing tube is provided for the partial separation of peripheral partial flows of the fuel-air mixture spreading inside the premix burner.
  • the inner diameter of the mixing tube can remain almost unimpaired.
  • Another embodiment provides to provide the catalyst unit in the interior downstream of the outlet of the mixing tube so that peripheral partial flows of the fuel-air mixture forcibly passed through the catalyst material, especially since the catalyst material tapers the flow cross-section within the mixing tube at its exit to the combustion chamber.
  • the catalyst unit is designed between the mixing tube and the combustion chamber, for example in the form of a pinhole.
  • Fig. 1 is a longitudinal section through a premix burner assembly shown with mixing section, which is composed in a conventional manner from the following components.
  • an injection nozzle 2 is provided in the center of a cone-shaped, swirl-producing premix burner, which atomizes liquid fuel preferably axially to the premix burner arrangement.
  • a swirl generator 4 connected downstream of the conical premix burner imposes a critical swirl number on the fuel-air mixture through which a stable flame front 7 can form within the combustion chamber 6.
  • Downstream of the swirl generator is a mixing tube 5, within which the fuel-air mixture is able to completely mix, before it enters the combustion chamber 6.
  • a catalyst unit 8 is provided which completely surrounds the mixing tube region 51 in a circular manner.
  • the catalyst unit 8 upstream in the flow direction is provided also within the mixing tube 5 completely circular peripheral branch channel 9, by the peripheral portion of the fuel-air mixture within the mixing tube 5 in the direction of the catalyst unit 8 is derived.
  • the main portion of the fuel-air mixture passes unimpeded axially the mixing tube 5 and passes within the combustion chamber 6 for ignition.
  • the forcibly discharged peripheral fuel-air mixture streams which pass through the catalyst unit 8, are at least partially thermally and / or chemically catalytically reacted by these and, after exiting the catalyst unit 8 directly into the combustion chamber 6, in which they on the peripheral areas of Flammenfront 7 strike and these are able to stabilize.
  • the inner contour of the mixing tube 5 is formed tapering at the inlet regions of the discharge channels 9, so that the diversion of the peripheral fuel-air mixture components takes place forcibly.
  • FIG. shows the basic arrangement of a known Vormischbrenneran Aunt with central fuel injection 2, a conically shaped premix burner, a downstream in the flow direction swirl generator 4 and a to complete the mixing of the fuel-air mixture downstream mixing tube 5.
  • the combustion chamber 6, which is connected downstream of the mixing tube 5.
  • a catalyst unit 8 is provided at the downstream end of the mixing tube 5 such that catalyst material protrudes into the peripheral edge regions in the interior of the mixing tube 5 and reduces the flow cross-section through the mixing tube 5.
  • the catalyst unit 8 is formed of a porous material coated with catalyst material, so that peripheral flow portions of the fuel-air mixture propagating inside the premix burner unit are forced to flow through the catalyst unit 8 in which they are at least partially catalytically reacted.
  • the catalytic conversion takes place either thermally and / or chemically and, in addition to a decisive reduction of the NO x emission values, contributes to the stabilization of the flame front forming inside the combustion chamber.

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Claims (13)

  1. Système de brûleur à prémélange avec combustion catalytique pour le fonctionnement d'une chambre de combustion (6) d'un système de turbine à gaz, comprenant un brûleur à prémélange dans lequel au moins une unité d'apport de combustible ainsi que des ouvertures d'amenée d'air (3) sont prévues de telle sorte que le combustible gazeux et/ou liquide soit mélangé avec de l'air d'amenée comburant à l'intérieur du brûleur à prémélange et forme un mélange air-combustible, qui sort du boîtier du brûleur à prémélange en aval dans la direction de la chambre de combustion, qui est placée après le système de brûleur à prémélange, et qui est enflammé à l'intérieur de la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'avant l'entrée du mélange air-combustible dans la chambre de combustion (6), on prévoit une unité de catalyseur (8) à travers laquelle une partie du mélange air-combustible est guidée et passe avant que cette partie afflue conjointement avec la proportion restante du mélange air-combustible dans la chambre de combustion (6).
  2. Système de brûleur à prémélange selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que l'unité de catalyseur (8) est intégrée à l'extrémité aval du brûleur à prémélange dans celui-ci ou est directement adjacente à celui-ci.
  3. Système de brûleur à prémélange selon la revendication 1 ou 2,
    caractérisé en ce que l'on prévoit des moyens qui dévient une partie du mélange air-combustible et qui l'acheminent à l'unité de catalyseur (8), et en ce que les moyens présentent au moins un canal d'écoulement (9) qui est ouvert en amont et qui limite circonférentiellement le mélange air-combustible se propageant à l'intérieur du brûleur à prémélange et dévie une partie de cet écoulement et l'achemine à l'unité de catalyseur (8).
  4. Système de brûleur à prémélange selon la revendication 3,
    caractérisé en ce que le canal d'écoulement (9) entoure au moins de manière partiellement circulaire avec son ouverture unilatérale le mélange air-combustible se propageant à l'intérieur du brûleur à prémélange.
  5. Système de brûleur à prémélange selon la revendication 3 ou 4,
    caractérisé en ce que l'on prévoit une unité adjacente au boîtier du brûleur à prémélange en aval de celui-ci, réduisant la section transversale d'écoulement du mélange air-combustible, dans laquelle sont prévus le canal d'écoulement ainsi que l'unité de catalyseur (8).
  6. Système de brûleur à prémélange selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de catalyseur (8) présente une géométrie réduisant la section transversale d'écoulement à l'intérieur du boîtier du brûleur à prémélange, qui est intégrée à l'extrémité du boîtier du brûleur à prémélange ou qui est prévue en aval contre le boîtier du brûleur à prémélange, et en ce que l'unité de catalyseur peut être parcourue au moins en partie par le mélange air-combustible et comporte un matériau catalytique.
  7. Système de brûleur à prémélange selon la revendication 6,
    caractérisé en ce que l'unité de catalyseur (8) se compose de matériau poreux dont la surface est revêtue d'une couche catalytique.
  8. Système de brûleur à prémélange selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 6 ou 7,
    caractérisé en ce que l'unité de catalyseur (8) entoure de manière circulaire le mélange air-combustible.
  9. Procédé pour faire fonctionner un système de brûleur à prémélange avec combustion catalytique comprenant un brûleur à prémélange dans lequel au moins une unité d'apport de combustible (2) ainsi que des ouvertures d'amenée d'air (3) sont prévues de telle sorte que du combustible gazeux et/ou liquide soit mélangé avec de l'air d'amenée comburant à l'intérieur du brûleur à prémélange et forme un mélange air-combustible, qui sort du boîtier du brûleur à prémélange en aval dans la direction de la chambre de combustion (6), qui est placée après le système de brûleur à prémélange, et qui est enflammé à l'intérieur de la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'avant l'entrée du mélange air-combustible dans la chambre de combustion (6), une partie du mélange air-combustible est au moins partiellement convertie par réaction catalytique et afflue ensuite conjointement avec la proportion restante du mélange air-combustible dans la chambre de combustion (6).
  10. Procédé selon la revendication 9,
    caractérisé en ce qu'une partie du mélange est déviée circulairement autour du mélange air-combustible et est acheminée à une unité de catalyseur (8).
  11. Procédé selon la revendication 9 ou 10,
    caractérisé en ce que la réaction catalytique s'effectue au cours d'une réaction catalytique thermique et/ou chimique.
  12. Procédé selon la revendication 11,
    caractérisé en ce que la réaction catalytique s'effectue au cours d'une oxydation partielle et produit au moins en partie les produits d'oxydation partielle CO et H2.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12,
    caractérisé en ce que la réaction catalytique s'effectue en amont à proximité d'un front de flamme se formant à l'intérieur de la chambre de combustion.
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