EP1359377A1 - Katalytischer Brenner - Google Patents

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EP1359377A1
EP1359377A1 EP03100949A EP03100949A EP1359377A1 EP 1359377 A1 EP1359377 A1 EP 1359377A1 EP 03100949 A EP03100949 A EP 03100949A EP 03100949 A EP03100949 A EP 03100949A EP 1359377 A1 EP1359377 A1 EP 1359377A1
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EP
European Patent Office
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swirl generator
burner
catalyst
channels
catalysts
Prior art date
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EP03100949A
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English (en)
French (fr)
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EP1359377B1 (de
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Jaan Hellat
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Publication of EP1359377B1 publication Critical patent/EP1359377B1/de
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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
    • F23R3/40—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
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78—Cooling burner parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • 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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones

Definitions

  • the invention relates to a catalytic burner on or for one Combustion chamber, in particular a power plant, with the features of Preamble of claim 1.
  • a catalytic burner of this type is known a catalyst arranged in a ring and flowed through in burner operation and has a swirl generator through which the burner operates. It is the swirl generator is designed as an axial swirl generator in the axial direction is flowed through and the flow is subjected to a swirl. The axial swirl generator is concentric within the catalyst arranged so that the catalyst and swirl generator are flowed through in parallel.
  • the present invention addresses the problem for one an improved catalytic burner of the type mentioned Specify embodiment, in particular the stability of the Combustion in the combustion chamber is increased.
  • the invention is based on the general idea for the application of Burner flow with a swirl using a radial swirl generator i.e. a swirl generator, which is flowed through radially and thereby an axial emerging swirl flow generated.
  • a radial swirl generator i.e. a swirl generator
  • the flow resistance is smaller than one axial swirl generator. Accordingly, in the case of the invention Burner a smaller pressure drop, which is of particular advantage here, as well Flow through the catalyst or catalysts always with a pressure drop accompanied.
  • the radial swirl generator have several rectilinear swirl generator channels, each opposite the Radial direction are inclined in the circumferential direction and a radially outer Connect the inflow space with a radially inner outflow space.
  • This Construction has a relatively low flow resistance.
  • the rectilinear swirl generator channels have one along their longitudinal direction constant cross-section, which makes it particularly easy constructed and therefore inexpensive catalysts in the swirl generator channels use.
  • conventional monolith catalysts can be used rectilinear and parallel catalyst channels or cells can be used. This makes it possible to use standard components, which is special is inexpensive.
  • catalysts can also be used that are made of zigzag folded or undulating sheets multilayer folding, layering or wrapping can be produced.
  • a burner 1 according to the invention is connected to a combustion chamber 2 connected, in the combustion chamber 3 hot in the burner operation Combustion gases are generated at a preferred rate Application form of a gas turbine are fed to a power plant.
  • the Burner 1 contains a catalyst arrangement 4 consisting of several Catalysts 5, which are flowed through in burner operation. Accordingly it is a catalytic burner 1.
  • This burner 1 contains also a swirl generator 6, which is designed as a radial swirl generator, i.e.
  • the swirl generator 6 is flowed through radially, here radially from the outside inside, giving the flow a twist.
  • the radial swirl generator 6 is thereby between a radially outer inflow space 7 and a radial one outflow chamber 8 arranged inside.
  • the swirl generator 6 and the Catalyst arrangement 4 are concentric with a longitudinal axis 9 of the Burner 1 arranged.
  • the outflow chamber 8 leads in the axial direction, that is parallel to the longitudinal axis 9 to the combustion chamber 2 and thus connects the Downstream side of the swirl generator 6 with the combustion chamber 3.
  • a transition 10 between the outflow chamber 8 and the combustion chamber 3 has here a cross-sectional enlargement 11, which in particular has a jump-like design can be.
  • This cross-sectional widening 11 allows the burner 1 generated swirl flow in the combustion chamber 3 quasi burst, whereby on the one hand In the area of the cross-sectional expansion 11, a first vortex system 12 is generated and, on the other hand, a central second swirl system 13 in the combustion chamber 3 is generated.
  • the second swirl system 13 is in the combustion chamber 2 generates a central recirculation zone 14 which has a flame front 15 in the Combustion chamber 2 in the so-called "plenum", ie in the vicinity of burner 1 anchored and stabilized.
  • the radial swirl generator 6 has several Swirl generator channels 16, each in the same way opposite one of the central longitudinal axis 9 outgoing radial direction in the circumferential direction are inclined. This orientation of the swirl generator channels 16 results in the flow of the desired swirl. They are useful Swirl generator channels 16 tangential to an outlet cross section 17 aligned through which the gas flow from the outflow chamber 8 in the Combustion chamber 3 enters.
  • the swirl generator channels 16 are expediently rectilinear and with one in their Longitudinal direction constant cross section formed. This makes it possible Particularly simple catalysts 5 in the swirl generator channels 16 use.
  • the individual catalysts 5 consist of ceramic monoliths, which are coated in a suitable manner catalytically. It is also possible to use a stack or a catalyst 5 To build up winding of corrugated or zigzag folded sheet metal webs, the are also catalytically activated by a suitable coating.
  • the Catalysts 5 each contain a large number of unspecified ones Catalyst channels, each parallel to and parallel to the Swirl generator channels 16 run.
  • the catalysts 5 are arranged in the radial swirl generator 6, they take place Positioning on a radius that is larger than the radius of the Outlet cross section 17. Accordingly, the flow for Catalysts 5 have a smaller pressure drop than in a comparable arrangement with a pure axial flow.
  • the flow rate in the Catalyst channels and the pressure loss of the catalysts 5 can on the one hand over the length of the catalysts 5 and their cell density and by the axial extension of the catalysts 5 and the swirl generator channels 16 and thus the swirl generator 6 can be set.
  • the interpretation is expedient of the burner 1 so that the burner operation at least in the outflow chamber 8 Flow velocity is greater than a turbulent Flame speed at which the flame front 15 faces the burner 1 want to spread.
  • This measure can spread the Flame front 15 in the outflow chamber 8 can be avoided.
  • the burner 1 is designed so that a Dwell time of the flow in the outflow chamber 8 is less than one Time delay until self-ignition in the outflow chamber 8 inflowing, partially reacted hot fuel-oxidizer mixture.
  • this measure can be the hot gas generation provided for the combustion chamber 3 be kept away from the outflow chamber 8. Wear the measures mentioned in each case that overheating of the catalysts 5 or Swirl generator 6 can be avoided.
  • the embodiment of the Burner 1 a primary injection device 18, the multiple injectors 19th has that to a common ring line 20 for fuel supply are connected.
  • the ring line is via a fuel feed line 25 fueled.
  • the primary injection device conducts 18 upstream of the catalyst arrangement 4 in burner operation and thus upstream of the swirl generator 6 into the inflow space 7, in which the injectors 19 are arranged.
  • the primary injector 18 has one for each swirl generator channel 16 has a separate injector 19, the fuel directly into the respective Swirl generator channel 16 injected or injected.
  • Adequate Mixing of the introduced fuel with the supplied gas flow can be achieved in each swirl generator channel 16 upstream of the catalysts 5 an inlet section 21 can be formed, which serves as a mixing space.
  • a secondary injection device 22 is also provided, the for the introduction of fuel downstream of the catalyst assembly 4 in the Outflow chamber 8 is used.
  • This secondary injection device 22 has one here central, ie coaxial to the longitudinal axis 9 aligned injector 23, the is expediently designed or aligned so that it is in the fuel substantially parallel to the longitudinal axis 9 in the direction of the combustion chamber 2 in the Abströmraum 8 injected or injected.
  • the secondary injection device can likewise 22 have a plurality of injectors 23.
  • the injector (s) 23 of the secondary injector 22 also can be arranged eccentrically to the longitudinal axis 9. In particular, too lateral injection of the secondary fuel into the outflow space 8 be appropriate.
  • the secondary injection device 22 can be used to start the burner 1 or sufficient combustion for transient operating conditions Combustion chamber 2 can be realized. Such a "pilot operation" is, for example required if the catalysts 5 are not yet sufficiently high Have reached operating temperature.
  • the discharge of secondary fuel can in addition to the transient operating states when the burner 1 is started up at partial load conditions may be beneficial to the reliability of the Increase burner operation.
  • FIGS. 5 to 8 show embodiments in which the injectors 19 quasi axially the fuel into the inflow space 7 inject or inject. 5 and 7 show an almost only axial injection, while in Fig. 6 the fuel for Is injected inclined towards the longitudinal axis, so that the introduced fuel also receives a radial component. The injection is still carried out outside of the swirl generator channels 16, but in the Swirl generator channels 16 entering gas flow takes the fuel and in deflects the inlet sections 21.
  • each Swirl generator channel 16 is arranged at least one catalyst 5
  • the Fig. 9 and 10 an embodiment in which in the circumferential direction only in every second Swirl generator channel 16 a catalyst 5 is arranged. Because of this design may also overheat the catalysts 5 or the swirl generator 6 be avoided.
  • An embodiment is particularly expedient here has two primary injectors 18 and 18 ', the first primary injector 18 those swirl generator channels 16 with fuel supplied, in each of which one of the catalysts 5 is arranged. in the In contrast to this, the second primary injection device 18 'supplies the others Swirl generator channels 16, in which no catalyst 5 is arranged.
  • Swirl generator channel 16 is equipped with a catalyst 5, can be used in a another embodiment also a different distribution of the catalysts 5 the swirl generator channels 16 are realized.
  • the two catalysts 5a expediently differ and 5b for their catalytic activity. For example, the upstream arranged catalyst 5a have a higher activity to the Start the combustion reaction while the downstream catalyst 5b has a lower activity to overheat the catalyst 5b avoid.
  • measures are exemplary shown, with the help of a wall 27 of the outflow chamber 8 against Overheating can be protected.
  • This is conveniently done in the form of a active cooling and / or in the form of passive thermal protection.
  • Film cooling 28 realized along the wall 27.
  • FIG. 13 is the thermally loaded wall 27 with a heat protection layer 29 provided which the heat generated in the outflow chamber 8 from the wall 27 holds.
  • the wall 27 between the swirl generator 6 and the combustion chamber 2 with the aid of cooling 30 actively cooled. For example, the cooling takes place through the application the wall 27 with cooling gas.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner (1) einer Brennkammer (2), insbesondere einer Kraftwerksanlage, umfassend wenigstens einen Katalysator (5) und einen Drallerzeuger (6). Zur Verbesserung des Brenners (1) ist der Drallerzeuger als radialer Drallerzeuger (6) ausgebildet und radial zwischen einem Zuströmraum (7) und einem axial zur Brennkammer (2) führenden Abströmraum (8) angeordnet. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner an einer oder für eine Brennkammer, insbesondere einer Kraftwerksanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der JP 61 276 627 A ist ein katalytischer Brenner dieser Art bekannt, der einen ringförmig angeordneten und im Brennerbetrieb durchströmten Katalysator sowie einen im Brennerbetrieb durchströmten Drallerzeuger aufweist. Dabei ist der Drallerzeuger als axialer Drallerzeuger ausgebildet, der in axialer Richtung durchströmt wird und dabei die Strömung mit einem Drall beaufschlagt. Der axiale Drallerzeuger ist dabei konzentrisch innerhalb des Katalysators angeordnet, so dass Katalysator und Drallerzeuger parallel durchströmt werden.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen katalytischen Brenner der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, bei der insbesondere die Stabilität der Verbrennung in der Brennkammer erhöht ist.
Gelöst wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die Beaufschlagung der Brennerströmung mit einem Drall einen radialen Drallerzeuger zu verwenden, d.h. einen Drallerzeuger, der radial durchströmt wird und dabei eine axial austretende Drallströmung erzeugt. Bei gleichem Austrittsquerschnitt ist bei einem radialen Drallerzeuger der Strömungswiderstand kleiner als bei einem axialen Drallerzeuger. Dementsprechend ergibt sich beim erfindungsgemäßen Brenner ein kleinerer Druckabfall, was hier von besonderem Vorteil, da auch die Durchströmung des oder der Katalysatoren stets mit einem Druckabfall einhergeht.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführung, bei welcher der Drallerzeuger und der oder die Katalysatoren im gleichen Strömungspfad angeordnet sind, so dass die gesamte, durch den oder die Katalysatoren geführte Strömung mit dem Drall beaufschlagt ist bzw. wird. Dies führt zu einer intensiven Durchmischung bereits vor dem Eintritt in die Brennkammer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der radiale Drallerzeuger mehrere geradlinige Drallerzeugerkanäle aufweisen, die jeweils gegenüber der Radialrichtung in Umfangsrichtung geneigt sind und einen radial außen liegenden Zuströmraum mit einem radial innen liegenden Abströmraum verbinden. Diese Bauweise besitzt einen relativ niedrigen Durchströmungswiderstand. Die geradlinigen Drallerzeugerkanäle besitzen entlang ihrer Längsrichtung einen konstanten Querschnitt, der es insbesondere ermöglicht, besonders einfach aufgebaute und somit preiswerte Katalysatoren in die Drallerzeugerkanäle einzusetzen. Beispielsweise können herkömmliche Monolith-Katalysatoren mit geradlinigen und parallelen Katalysatorkanälen oder Zellen verwendet werden. Hierdurch ist es möglich, auf Standard-Bauteile zurückzugreifen, was besonders preiswert ist. Statt Monolith-Katalysatoren können auch Katalysatoren verwendet werden, die aus zick-zack-förmig gefalteten oder wellenförmigen Blechen durch mehrlagiges Falten, Schichten oder Wickeln hergestellt werden.
Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die Katalysatoren in den radialen Drallerzeuger integriert sind, wodurch sich ein besonders kompakter Aufbau für den erfindungsgemäßen Brenner ergibt.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brenners,
Fig. 2
einen Querschnitt durch den Brenner gemäß Fig. 1 e ntsprechend den Schnittlinien II,
Fig.3
ein weiter vereinfachter Längsschnitt durch den Brenner bei einer anderen Ausführungsform,
Fig. 4
einen Querschnitt durch den Brenner gemäß Fig. 3 entsprechend den Schnittlinien IV,
Fig. 5 und 6
jeweils einen Längsschnitt wie in Fig. 3, jedoch bei anderen Ausführungsformen,
Fig. 7
einen Längsschnitt wie in Fig. 5, jedoch bei einer Weiterbildung,
Fig. 8
einen Querschnitt durch den Brenner gemäß Fig. 5 entsprechend den Schnittlinien VIII,
Fig. 9
einen Längsschnitt wie in Fig. 7, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
Fig.10
einen Querschnitt durch den Brenner gemäß Fig. 9 entsprechend den Schnittlinien X,
Fig.11 bis 14
vereinfachte Längsschnitte durch den Brenner bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
In Fig. 1 ist ein Brenner 1 nach der Erfindung an eine Brennkammer 2 angeschlossen, in deren Brennraum 3 im Brennerbetrieb heiße Verbrennungsabgase erzeugt werden, die bei einer bevorzugten Anwendungsform einer Gasturbine einer Kraftwerksanlage zugeführt werden. Der Brenner 1 enthält eine Katalysatorsanordnung 4, bestehend aus mehreren Katalysatoren 5, die im Brennerbetrieb durchströmt werden. Dementsprechend handelt es sich um einen katalytischen Brenner 1. Dieser Brenner 1 enthält außerdem einen Drallerzeuger 6, der als radialer Drallerzeuger ausgebildet ist, d.h. der Drallerzeuger 6 wird radial durchströmt, hier radial von außen nach innen, wobei er der Strömung einen Drall aufprägt. Der radiale Drallerzeuger 6 ist dabei zwischen einem radial außen liegenden Zuströmraum 7 und einem radial innen liegenden Abströmraum 8 angeordnet. Der Drallerzeuger 6 und die Katalysatoranordnung 4 sind dabei konzentrisch zu einer Längsachse 9 des Brenners 1 angeordnet. Der Abströmraum 8 führt in axialer Richtung, also parallel zur Längsachse 9 zur Brennkammer 2 und verbindet somit die Abströmseite des Drallerzeugers 6 mit dem Brennraum 3.
Ein Übergang 10 zwischen dem Abströmraum 8 und dem Brennraum 3 besitzt hier eine Querschnittserweiterung 11, die insbesondere sprungartig ausgebildet sein kann. Durch diese Querschnittserweiterung 11 kann die im Brenner 1 generierte Drallströmung im Brennraum 3 quasi aufplatzen, wodurch einerseits im Bereich der Querschnittserweiterung 11 ein erstes Wirbelsystem 12 erzeugt wird und andererseits ein zentrales zweites Wirbelsystem 13 im Brennraum 3 generiert wird. Mit Hilfe des zweiten Wirbelsystems 13 wird in der Brennkammer 2 eine zentrale Rezirkulationszone 14 erzeugt, die eine Flammenfront 15 in der Brennkammer 2 im sogenannten "Plenum", also in der Nähe des Brenners 1 verankert und stabilisiert.
Entsprechend Fig. 2 besitzt der radiale Drallerzeuger 6 mehrere Drallerzeugerkanäle 16, die jeweils in der gleichen Weise gegenüber einer von der zentralen Längsachse 9 ausgehenden radialen Richtung in Umfangsrichtung geneigt sind. Durch diese Orientierung der Drallerzeugerkanäle 16 ergibt sich bei ihrer Durchströmung der gewünschte Drall. Zweckmäßig sind die Drallerzeugerkanäle 16 dabei tangential auf einen Austrittsquerschnitt 17 ausgerichtet, durch den die Gasströmung aus dem Abströmraum 8 in den Brennraum 3 eintritt.
Zweckmäßig sind die Drallerzeugerkanäle 16 geradlinig und mit einem in ihrer Längsrichtung konstanten Querschnitt ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, besonders einfach aufgebaute Katalysatoren 5 in die Drallerzeugerkanäle 16 einzusetzen. Beispielsweise bestehen die einzelnen Katalysatoren 5 aus keramischen Monolithen, die in geeigneter Weise katalytisch beschichtet sind. Ebenso ist es möglich, die Katalysatoren 5 durch einen Stapel oder eine Wicklung gewellter oder zick-zack-förmig gefalteter Blechbahnen aufzubauen, die ebenfalls durch eine geeignete Beschichtung katalytisch aktiviert sind. Die Katalysatoren 5 enthalten jeweils eine Vielzahl von nicht näher bezeichneten Katalysatorkanälen, die jeweils parallel zueinander und parallel zu den Drallerzeugerkanälen 16 verlaufen. Um eine Überhitzung der Katalysatoren 5 im Brennerbetrieb zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, die Beschichtung der einzelnen Katalysatorkanäle so vorzunehmen, dass nicht alle Katalysatorkanäle, beispielsweise nur jeder zweite Katalysatorkanal katalytisch aktiv ausgebildet ist. Bei einem derartigen Aufbau findet in den katalytisch inaktiven Katalysatorkanälen keine Verbrennungsreaktion statt, so dass die darin geführte Strömung zur Kühlung der benachbarten Katalysatorkanäle dient, in denen Verbrennungsreaktionen ablaufen. Ein derartiger Katalysatoraufbau ist grundsätzlich aus der US 5,202,303 bekannt und muss daher nicht näher erläutert werden.
Durch das Einsetzen der einzelnen Katalysatoren 6 in die Drallerzeugerkanäle 16 sind die Katalysatoren 5 bzw. die Katalysatoranordnung 4 in den Drallerzeuger 6 integriert. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass bei diesem Aufbau die durch die Katalysatoren 5 geführte Strömung gleichzeitig mit dem erwünschten Drall beaufschlagt wird.
Da die Katalysatoren 5 im radialen Drallerzeuger 6 angeordnet sind, erfolgt ihre Positionierung auf einem Radius, der größer ist als der Radius des Austrittsquerschnitts 17. Dementsprechend ergibt sich für die Durchströmung der Katalysatoren 5 ein kleinerer Druckabfall als bei einer vergleichbaren Anordnung mit einer reinen axialen Durchströmung. Die Strömungsgeschwindigkeit in den Katalysatorkanälen sowie der Druckverlust der Katalysatoren 5 kann einerseits über die Länge der Katalysatoren 5 und über deren Zelldichte sowie durch die axiale Erstreckung der Katalysatoren 5 bzw. der Drallerzeugerkanäle 16 und somit des Drallerzeugers 6 eingestellt werden. Zweckmäßig erfolgt die Auslegung des Brenners 1 so, dass im Brennerbetrieb zumindest im Abströmraum 8 die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als eine turbulente Flammengeschwindigkeit, mit der sich die Flammenfront 15 zum Brenner 1 ausbreiten möchte. Durch diese Maßnahme kann ein Ausbreiten der Flammenfront 15 in den Abströmraum 8 vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich ist der Brenner 1 so ausgelegt, dass im Brennerbetrieb eine Verweildauer der Strömung im Abströmraum 8 kleiner ist als eine Zeitverzögerung bis zur Selbstzündung des in den Abströmraum 8 einströmenden, zum Teil reagierten heißen Brennstoff-Oxidator-Gemischs. Durch diese Maßnahme kann die für den Brennraum 3 vorgesehene Heißgaserzeugung vom Abströmraum 8 ferngehalten werden. Die genannten Maßnahmen tragen jeweils dazu bei, dass eine Überhitzung der Katalysatoren 5 bzw. des Drallerzeugers 6 vermieden werden kann.
Entsprechend den Fig. 3 und 4 umfasst die dort gezeigte Ausführungsform des Brenners 1 eine Primär-Einspritzeinrichtung 18, die mehrere Injektoren 19 aufweist, die an eine gemeinsame Ringleitung 20 zur Brennstoffversorgung angeschlossen sind. Die Ringleitung wird über eine Brennstoffzuführungsleitung 25 mit Brennstoff versorgt. Mit Hilfe der Injektoren 19 leitet die Primär-Einspritzeinrichtung 18 im Brennerbetrieb stromauf der Katalysatoranordnung 4 und somit stromauf des Drallerzeugers 6 Brennstoff in den Zuströmraum 7 ein, in dem die Injektoren 19 angeordnet sind. Aus Fig. 4 geht dabei deutlich hervor, dass die Primär-Einspritzeinrichtung 18 für jeden Drallerzeugerkanal 16 einen separaten Injektor 19 aufweist, der den Brennstoff direkt in den jeweiligen Drallerzeugerkanal 16 einspritzt oder eindüst. Um eine hinreichende Durchmischung des eingeleiteten Brennstoffs mit der zugeführten Gasströmung zu erzielen, kann in jedem Drallerzeugerkanal 16 stromauf der Katalysatoren 5 ein Einlassabschnitt 21 ausgebildet sein, der als Mischraum dient.
Gemäß Fig. 3 ist außerdem eine Sekundär-Einspritzeinrichtung 22 vorgesehen, die zur Einleitung von Brennstoff stromab der Katalysatoranordnung 4 in den Abströmraum 8 dient. Diese Sekundär-Einspritzeinrichtung 22 weist hier einen zentralen, also koaxial zur Längsachse 9 ausgerichteten Injektor 23 auf, der zweckmäßig so ausgebildet bzw. ausgerichtet ist, dass er den Brennstoff im wesentlichen parallel zur Längsachse 9 in Richtung Brennkammer 2 in den Abströmraum 8 eindüst oder einspritzt. Ebenso kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung 22 mehrere Injektoren 23 aufweisen. Des Weiteren ist klar, dass der oder die Injektoren 23 der Sekundär-Einspritzeinrichtung 22 auch exzentrisch zur Längsachse 9 angeordnet sein können. Insbesondere kann auch eine seitliche Eindüsung des Sekundär-Brennstoffs in den Abströmraum 8 zweckmäßig sein.
Mit Hilfe der Sekundär-Einspritzeinrichtung 22 kann zum Starten des Brenners 1 oder für transiente Betriebszustände eine ausreichende Verbrennung in der Brennkammer 2 realisiert werden. Ein derartiger "Pilotbetrieb" ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die Katalysatoren 5 noch keine hinreichend hohe Betriebstemperatur erreicht haben. Die Einleitung von Sekundär-Brennstoff kann neben den transienten Betriebszuständen beim Hochfahren des Brenners 1 auch bei Teillast-Zuständen von Vorteil sein, um die Zuverlässigkeit des Brennerbetriebs zu erhöhen.
Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, über die Sekundär-Einspritzeinrichtung 22 flüssigen Brennstoff einzuleiten, ohne dass dieser mit den Katalysatoren 5 in Kontakt kommt. Ein zusätzliches Altern der Katalysatoren 5 durch die Zuführung von flüssigem Brennstoff kann dadurch vermieden werden.
Während bei der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 die Injektoren 19 den Brennstoff quasi radial in den Zuströmraum 7 bzw. in die Einlassabschnitte 21 der Drallerzeugerkanäle 16 einleiten, zeigen die Fig. 5 bis 8 Ausführungsformen, bei denen die Injektoren 19 den Brennstoff quasi axial in den Zuströmraum 7 eindüsen bzw. einspritzen. Die Fig. 5 und 7 zeigen dabei eine nahezu ausschließlich axiale Eindüsung, während bei Fig. 6 der Brennstoff zur Längsachse hin geneigt eingedüst wird, so dass der eingeleitete Brennstoff außerdem eine radiale Komponente erhält. Die Eindüsung erfolgt dabei noch außerhalb der Drallerzeugerkanäle 16, wobei jedoch die in die Drallerzeugerkanäle 16 eintretende Gasströmung den Brennstoff mitnimmt und in die Einlassabschnitte 21 umlenkt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 7 und 8 ist im Strömungsweg zwischen den Injektoren 19 und den Katalysatoren 5 jeweils eine Mischeinrichtung 24 angeordnet, die eine intensive Durchmischung des Brennstoffs mit der Gasströmung erzeugt, bevor dieses Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den jeweiligen Katalysator 5 eintritt. Zu diesem Zweck sind die Mischeinrichtungen 24 in den Einlassabschnitten 21 der Drallerzeugerkanäle 16 angeordnet. Dabei ist jedem Katalysator 5 bzw. jedem Injektor 19 eine solche Mischeinrichtung 24 zugeordnet.
Während bei den bisher gezeigten Ausführungsformen in jedem Drallerzeugerkanal 16 zumindest ein Katalysator 5 angeordnet ist, zeigen die Fig. 9 und 10 eine Ausführungsform, bei der in Umfangsrichtung nur in jedem zweiten Drallerzeugerkanal 16 ein Katalysator 5 angeordnet ist. Durch diese Bauweise kann ebenfalls eine Überhitzung der Katalysatoren 5 bzw. des Drallerzeugers 6 vermieden werden. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, die zwei primäre Einspritzeinrichtungen 18 und 18' aufweist, wobei die erste Primär-Einspritzeinrichtung 18 diejenigen Drallerzeugerkanäle 16 mit Brennstoff versorgt, in denen jeweils einer der Katalysatoren 5 angeordnet ist. Im Unterschied dazu versorgt die zweite Primär-Einspritzeinrichtung 18' die anderen Drallerzeugerkanäle 16, in denen kein Katalysator 5 angeordnet ist. Die beiden Primär-Einspritzeinrichtungen 18, 18' weisen jeweils eine Ringleitung 20 bzw. 20' auf, die unabhängig voneinander über Brennstoffzuführungsleitungen 25 bzw. 25' mit Brennstoff versorgt werden. Da die beiden Primär-Einspritzeinrichtungen 18, 18' unabhängig voneinander ansteuerbar sind, ist es möglich, über die erste Primär-Einspritzeinrichtung 18 den Katalysatoren 5 eine sehr magere Brennstoff-Oxidator-Mischung zuzuführen, wodurch die Erhitzung der Katalysatoren 5 relativ gut kontrollierbar ist. Der restliche Brennstoff, der für die Nachreaktion in der Brennkammer 2 erforderlich ist, kann dann über die zweite Primär-Einspritzeinrichtung 18' unter Umgehung der Katalysatoren 5 in die anderen Drallerzeugerkanäle 16 eingeleitet werden. Durch den Drall der Strömung ergibt sich im Abströmraum 8 eine intensive Durchmischung der Teilströmungen, bevor diese zusammen in die Brennkammer 2 eintreten.
Obwohl bei der Ausführungsform der Fig. 9 und 10 jeder zweite Drallerzeugerkanal 16 mit einem Katalysator 5 ausgestattet ist, kann bei einer anderen Ausführungsform auch eine andere Verteilung der Katalysatoren 5 auf die Drallerzeugerkanäle 16 realisiert werden.
Während die Katalysatoranordnung 4 bei den bislang gezeigten Ausführungsformen jeweils nur einen Katalysator 5 pro Drallerzeugerkanal 16 aufweist, sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 je Drallerzeugerkanal 16 zwei hintereinander angeordnete Katalysatoren 5a und 5b vorgesehen. Zwischen den aufeinanderfolgenden Katalysatoren 5a und 5b kann eine Mischzone 26 vorgesehen sein. Zweckmäßig unterscheiden sich die beiden Katalysatoren 5a und 5b hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität. Beispielsweise kann der stromauf angeordnete Katalysator 5a eine höhere Aktivität aufweisen, um die Verbrennungsreaktion zu starten, während der stromab nachfolgende Katalysator 5b eine niedrigere Aktivität besitzt, um eine Überhitzung des Katalysators 5b zu vermeiden.
Bei den Ausführungsformen der Fig. 12 bis 14 sind beispielhaft Maßnahmen gezeigt, mit deren Hilfe eine Wandung 27 des Abströmraums 8 gegen Überhitzung geschützt werden kann. Dies erfolgt zweckmäßig in Form einer aktiven Kühlung und/oder in Form eines passiven thermischen Schutzes. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 wird durch Einblasen von Kühlgas eine Filmkühlung 28 entlang der Wandung 27 realisiert. Bei der Variante gemäß Fig. 13 ist die thermisch belastete Wandung 27 mit einer Wärmeschutzschicht 29 versehen, welche die im Abströmraum 8 entstehende Wärme von der Wandung 27 abhält. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 14 wird die Wandung 27 zwischen dem Drallerzeuger 6 und der Brennkammer 2 mit Hilfe einer Kühlung 30 aktiv gekühlt. Beispielsweise erfolgt die Kühlung durch die Beaufschlagung der Wandung 27 mit Kühlgas.
Bezugszeichenliste
1
Brenner
2
Brennkammer
3
Brennraum
4
Katalysatoranordnung
5
Katalysator
6
Drallerzeuger
7
Zuströmraum
8
Abströmraum
9
Längsachse von 1
10
Übergang zwischen 8 und 2
11
Querschnittserweiterung
12
erstes Wirbelsystem
13
zweites Wirbelsystem
14
Rezirkulationszone
15
Flammenfront
16
Drallerzeugerkanal
17
Austrittsquerschnitt von 8
18
Primär-Einspritzeinrichtung
19
Injektor
20
Ringleitung
21
Einlassabschnitt von 16
22
Sekundär-Einspritzeinrichtung
23
Injektor
24
Mischeinrichtung
25
Brennstoffzuführungsleitung
26
Mischzone
27
Wandung von 8
28
Filmkühlung
29
Wärmeschutzschicht
30
Kühlung

Claims (15)

  1. Katalytischer Brenner an einer oder für eine Brennkammer (2), insbesondere einer Kraftwerksanlage, mit wenigstens einem im Brennerbetrieb durchströmten Katalysator (5) und mit einem im Brennerbetrieb durchströmten Drallerzeuger (6),
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger als radialer Drallerzeuger (6) ausgebildet ist, der zwischen einem radial außen liegenden Zuströmraum (7) und einem radial innen liegenden, axial zur Brennkammer (2) führenden Abströmraum (8) angeordnet ist.
  2. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Drallerzeuger (6) mehrere geradlinige Drallerzeugerkanäle (16) aufweist, die jeweils gegenüber der Radialrichtung in Umfangsrichtung geneigt sind und den Zuströmraum (7) mit dem Abströmraum (8) verbinden.
  3. Brenner nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einigen der Drallerzeugerkanäle (16) jeweils wenigstens ein Katalysator (5) angeordnet ist.
  4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einigen der Drallerzeugerkanäle (16) jeweils wenigstens zwei Katalysatoren (5a, 5b) angeordnet sind, die sich, insbesondere hinsichtlich der katalytischen Aktivität, voneinander unterscheiden.
  5. Brenner nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die in den Drallerzeugerkanälen (16) angeordneten Katalysatoren (5; 5a, 5b) jeweils eine Vielzahl von parallel zueinander und zum zugehörigen Drallerzeugerkanal (16) verlaufende Katalysatorkanäle aufweisen.
  6. Brenner nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einigen Katalysatoren (5) einige der Katalysatorkanäle katalytisch aktiv ausgebildet sind, während die anderen Katalysatorkanäle katalytisch inaktiv ausgebildet sind.
  7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung von Brennstoff in den Zuströmraum (7) stromauf des Katalysators (5) oder der Katalysatoren (5) wenigstens eine Primär-Einspritzeinrichtung (18) vorgesehen ist.
  8. Brenner nach den Ansprüchen 2 und 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Einspritzeinrichtung (18) für jeden Drallerzeugerkanal (16) wenigstens einen Injektor (19) zum Einleiten von Brennstoff in den zugeordneten Drallerzeugerkanal (16) aufweist.
  9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Primär-Einspritzeinrichtung (18) zum Einleiten von Brennstoff mehrere Injektoren (19) aufweist, wobei zwischen den Injektoren (19) und dem Katalysator (5) oder den Katalysatoren (5) wenigstens eine Mischeinrichtung (24) angeordnet ist.
  10. Brenner nach den Ansprüchen 3 und 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Drallerzeugerkanal (16), in dem wenigstens ein Katalysator (5; 5a, 5b) angeordnet ist, eine solche Mischeinrichtung (24) angeordnet ist.
  11. Brenner nach Anspruch 2 sowie einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwei voneinander unabhängige Primär-Einspritzeinrichtungen (18, 18') vorgesehen sind,
    dass nur in einigen der Drallerzeugerkanäle (16) jeweils wenigstens ein Katalysator (5) angeordnet ist, während in den anderen Drallerzeugerkanälen (16) keine Katalysatoren (5) angeordnet sind,
    dass die eine Primär-Einspritzeinrichtung (18) zum Einleiten von Brennstoff in die mit den Katalysatoren (5) ausgestatteten Drallerzeugerkanäle (16) dient, während die andere Primär-Einspritzeinrichtung (18') zum Einleiten von Brennstoff in die anderen Drallerzeugerkanäle (16) dient.
  12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
       dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundär-Einspritzeinrichtung (22) zur Einleitung von Brennstoff stromab des Katalysators (5) oder der Katalysatoren (5) in den Abströmraum (8) und/oder in die Brennkammer (2) vorgesehen ist.
  13. Brenner nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Einspritzeinrichtung (22) so ausgebildet ist, dass sie den Brennstoff zentral in Richtung Brennkammer (2) in den Abströmraum (8) einleitet.
  14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (27) des Abströmraums (8) gekühlt und/oder thermisch geschützt ist.
  15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) so ausgelegt ist,
    dass im Brennerbetrieb zumindest im Abströmraum (8) die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als die turbulente Flammengeschwindigkeit und/oder
    dass im Brennerbetrieb die Verweildauer der Strömung im Abströmraum (8) kleiner ist als die Zeitverzögerung bis zur Selbstzündung des in den Abströmraum (8) einströmenden, zum Teil reagierten heißen Brennstoff-Oxidator-Gemischs.
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