EP1861657A1

EP1861657A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von wasserstoff in einem vormischbrenner

Info

Publication number: EP1861657A1
Application number: EP06708668A
Authority: EP
Inventors: Richard Carroni; Timothy Griffin; Dieter Winkler
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-12-05
Also published as: US20080092513A1; JP2008534896A; WO2006100176A1; US7610761B2

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird. Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus: Zusammenführen einer Brennstoffströmung und einer Luftströmung unter Ausbildung einer Brennstoff-Luftgemischströmung sowie Bereitstellen einer weiteren Luftströmung, Katalysieren eines Teils der Brennstoff-Luftgemischströmung unter Ausbildung eines teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches, im Wege einer exothermen katalytisch unterstützen Reaktion des Brennstoffes, deren freigesetzte Wärme zumindest teilweise zur Erwärmung der weiteren Luftströmung genutzt wird, Beimischen der erwärmten weiteren Luftströmung zum teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisch unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff- Luftgemisches und Zünden und Verbrennen des zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Wasserstoff in einem

Vormischbrenner

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird.

Stand der Technik

Motiviert durch das nahezu weltweite Bestreben den Ausstoss von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu reduzieren, nicht zuletzt festgelegt im so genannten Kioto- Protokoll, soll die im Jahre 2010 zu erwartende Emission von Treibhausgasen auf den gleichen Stand reduziert werden wie im Jahre 1990. Zur Umsetzung dieses Vorhabens bedarf es großer Anstrengungen, insbesondere den Beitrag an anthroprogen-bedingten Cθ₂-Freisetzungen in die Atmosphäre zu reduzieren. Etwa ein Drittel des durch den Menschen in die Atmosphäre freigesetzten CO2 ist auf die Energieerzeugung zurückzuführen, bei der zumeist fossile Brennstoffe in Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung verbrannt werden. Insbesondere durch den Einsatz moderner Technologien sowie durch zusätzliche politische Rahmenbedingungen kann auf dem Energie erzeugenden Sektor ein erhebliches Einsparungspotential zur Vermeidung eines weiter zunehmenden Cθ2-Austosses gesehen werden. Eine an sich bekannte und technisch beherrschbare Möglichkeit die Cθ2-Emission in Verbrennungskraftwerken zu reduzieren, besteht im Entzug von Kohlenstoff aus den zur Verbrennung gelangenden Brennstoffen noch vor Einleiten des Brennstoffes in die Brennkammer. Dies setzt entsprechende Brennstoffvorbehandlungen voraus, wie beispielsweise die teilweise Oxidation des Brennstoffes mit Sauerstoff und/oder eine Vorbehandlung des Brennstoffes mit Wasserdampf. Derartig vorbehandelte Brennstoffe weisen zumeist grosse Anteile von H₂ und CO auf, und verfügen je nach Mischungsverhältnissen über Heizwerte, die in der Regel unter jenen von natürlichem Erdgas liegen. In Abhängigkeit ihres Heizwertes werden derartig synthetisch hergestellte Gase als Mbtu- oder Lbtu-Gase bezeichnet, die sich nicht ohne weiteres für den Einsatz in herkömmlichen, für die Verbrennung von Naturgasen wie Erdgas konzipierten Brennern eignen, wie sie beispielsweise der EP 0 321 809 B1 , EP 0 780 629 A2, WO 93/17279 sowie der EP 1 070 915 A1 entnehmbar sind. In allen vorstehenden Druckschriften sind Brenner vom Typ der Vormischverbrennung beschrieben, bei denen jeweils eine sich in Strömungsrichtung konisch erweiternde Drallströmung aus Verbrennungsluft und beigemischtem Brennstoff erzeugt wird, die in Strömungsrichtung nach Austritt aus dem Brenner möglichst nach Erreichen eines homogenen Luft-Brennstoff-Gemisches durch den zunehmenden Drall instabil wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht.

Je nach Brennerkonzept sowie in Abhängigkeit der Brennerleistung wird der sich im inneren des Vormischbrenners ausbildenden Drallströmung flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff zur Ausbildung eines möglichst homogenen Brennstoff- Luftgemisches eingespeist. Gilt es jedoch, wie vorstehend erwähnt, zu Zwecken einer reduzierten Schadstoff-, insbesondere CO₂-Emission synthetisch aufbereitete, gasförmige Brennstoffe alternativ zu oder in Kombination mit der Verbrennung herkömmlicher Brennstoffarten einzusetzen, so ergeben sich besondere Anforderungen an die konstruktive Auslegung herkömmlicher Vormischbrennersysteme. So erfordern Synthesegase zur Einspeisung in Brennersysteme einen vielfachen Brennstoff-Volumenstrom gegenüber vergleichbaren mit Erdgas betriebenen Brennern, so dass sich deutlich unterschiedliche Strömungsimpulsverhältnisse ergeben. Aufgrund des hohen Anteils an Wasserstoff im Synthesegas und der damit verbundenen niedrigen Zündtemperatur und hohen Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffes, besteht eine hohe Reaktionsneigung des Brennstoffes, die zu einer erhöhten Rückzündgefahr führt. Um dies zu vermeiden, gilt es die mittlere Verweilzeit von zündfähigem Brennstoff-Luftgemisch innerhalb des Brenners möglichst zu reduzieren.

Will man darüber hinaus anstelle von Synthesegasen, die beispielsweise im Wege der Kohlevergasung gewonnen werden und typischerweise ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff in einem Mischungsverhältnis von 30:60:10 aufweisen, puren Wasserstoff als Brennstoff einzusetzen, und dies mit dem Hintergrund einer möglichst emissionsreduzierten bzw. emissionsfreien Verbrennung, so gelten die vorstehend aufgezeigten Probleme in einer noch weit verschärfteren Form, zumal Wasserstoff eine Flammengeschwindigkeit aufweist, die um eine Größenordnung über jener von Erdgas liegt und etwa 45 % höher ist als die Flammengeschwindigkeit unverdünnter Synthesegase, wie sie auch im Rahmen der Ölvergasung gewonnen werden. Zusätzlich verfügt Wasserstoff als Brennstoff über eine weitaus grossere Selbstentzündlichkeit bzw. Reaktivität bspw. als Erdgas, so dass in der Zusammenschau der vorstehenden wasserstoffeigenen Verbrennungsqualitäten die Herstellung eines zündfähigen, aus Wasserstoff bestehenden Brennstoff-Luftgemisches unter Bedingungen, wie sie zur Befeuerung von Gasturbinenanlagen vorherrschen, äusserst schwierig ist, gilt es doch insbesondere Frühzündungen des Wasserstoffes zu vermeiden bevor sich ein homogen durchmischtes Brennstoff-Luftgemisch zur Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage ausgebildet hat. Im Falle einer unzureichenden Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches treten aufgrund von Verbrennungsinhomogenitäten grosse Temperaturpeaks sowie damit verbunden hohe Stickoxidemissionen auf. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenen Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird, derart anzugeben, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere gilt es konstruktive und verfahrenstechnische Rahmenbedingungen zu schaffen, unter denen eine sichere und vollständige Ausbildung eines vollständig durchmischten Brennstoff-Luftgemisches gewährleistet wird, wobei als Brennstoff vorzugsweise purer Wasserstoff eingesetzt wird, um eine möglichst schadstoffreduzierte bzw. schadstofffreie Verbrennung zu garantieren. Insbesondere gilt es hierbei die besondere Zünd- und Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff, wie eingangs erläutert, zu berücksichtigen um letztlich die Möglichkeit des Einsatzes von Wasserstoff als Brennstoff zur Versorgung an sich bekannter Vormischbrenner zu eröffnen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine lösungsgemässe Ausbildung einer diesbezüglichen Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruches 14. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die lösungsgemässe Nutzung vorzugsweise von aus purem Wasserstoff bestehendem Brennstoff für die Befeuerung einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, macht sich das Prinzip der katalytischen Vorbehandlung des Brennstoffes sowie des sich ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches vor Eintritt in die Brennkammer zu nutze, das bereits aus Druckschriften bekannt ist, die die Verbrennung fossiler Brennstoffe für den Antrieb für Gasturbinenanlagen vorsehen, wobei hierbei nahezu Stickoxidfreie Abgase entstehen. Eine derartige katalytische Vorbehandlung des Brennstoffes mit nachfolgender Verbrennung wird in der Literatur beschrieben, und sieht eine Katalyse eines Teils dem Verbrennungsvorgang zuzuführenden Brennstoff- Luftgemisches unter brennstoffreichen Mischungsverhältnissen vor mit einer anschliessenden Verbrennung eines abgemagerten, teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisches im Rahmen einer Brennkammer. Ein derartiges Brennerkonzept ist beispielsweise der WO 2004/094909 zu entnehmen.

Lösungsgemäss ist erkannt worden, dass das Prinzip einer katalytischen Vorbehandlung des Brennstoffes Wasserstoff im Wege einer brennstoffreichen Oxidation, d.h. der vorhandene Sauerstoffanteil beträgt typischerweise zwischen 20 und 50 % jener Sauerstoffmenge, die für eine vollständige Oxidation des vorhandenen Wasserstoffes nötig wäre, zielführend ist, um Wasserstoff als Brennstoff einzusetzen und letztlich ein zündfähiges Wasserstoff-Luftgemisch zu bilden, dass kontrolliert in der Brennkammer gezündet werden kann. Durch die anteilig erfolgende katalytische Oxidation von Wasserstoff ergeben sich Wasser sowie gasförmiger Stickstoff als Oxidationsprodukte, durch die der nicht oxidierte Anteil von Wasserstoff soweit verdünnt wird, dass das sich ausbildende teilkatalysierte Gasgemisch für eine weitere Durchmischung mit Luft eignet ohne dabei Frühzündungen zu erleiden. Neben der durch die Bildung von Wasser und Stickstoff bedingten Verdünnungswirkung die eine auf die hohe Entzündlichkeit von Wasserstoff hemmende Wirkung ausübt und somit die Reaktivität des Wasserstoffes reduziert und die Gefahr vor Selbstentzündungen deutlich mindert, trägt die durch die exotherme chemische Reaktion freiwerdende Wärme zur Erwärmung des teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisch bei, das auf Temperaturen typischerweise zwischen 700⁰C und 1000⁰C erhitzt wird und nachfolgend mit einem ebenfalls durch die frei werdende Wärme der katalysierten Oxidation erwärmten Luftstrom zu einem abgemagerten Wasserstoff-Luftgemisch vermischt wird und letztlich innerhalb einer Brennkammer zur Zündung gelangt.

So sieht das lösungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenen Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird, folgende Verfahrensschritte vor:

In einem ersten Schritt wird Wasserstoff als Brennstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch als Brennstoff mit Luft unter Ausbildung einer Brennstoff- Luftgemischströmung zusammengeführt bzw. gemischt. Zur vereinfachten weiteren Darstellung des Lösungsgedankens sei angenommen, dass als Brennstoff purer Wasserstoff verwendet wird, gleichwohl die weiteren lösungsgemässen Ausführungen gleichfalls auch auf die Verwendung eines Wasserstoff enthaltenen Gasgemisches, bspw. Synthesegase, als Brennstoff anzuwenden sind. Die vorstehend beschriebene Wasserstoff-Luftgemischströmung wird mit einem hohen Wasserstoffanteil hergestellt, d.h. der Sauerstoffanteil in der Wasserstoff- Luftgemischströmung beträgt lediglich 20 bis maximal 50 % jener Sauerstoffmenge, die erforderlich wäre, den gesamten Wasserstoff zu verbrennen bzw. zu oxidieren, es handelt sich demzufolge um ein „fettes Brennstoff-Luftgemisch".

Neben der „fetten Wasserstoff-Luftgemischströmung" wird eine separate weitere Luftströmung bereitgestellt, auf die im Einzelnen noch einzugehen ist.

Die vorstehend erläuterte „fette" Wasserstoff-Luftgemischströmung wird einer Katalyse zugeführt, in der erhebliche Anteile des in der Wasserstoff- Luftgemischströmung enthaltenden Wasserstoffs zu Wasser oxidiert werden, wobei zugleich aufgrund der exotherm erfolgenden chemischen Reaktion Wärme frei wird, durch die nicht nur das sich im Wege der Katalyse ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch typischerweise auf Temperaturen zwischen 700 und 1000°C erhitzt wird und das Wasser als Wasserdampf eine verdünnende Wirkung auf das sich ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch besitzt, sondern zudem auch die weitere Luftströmung erhitzt wird, die thermisch an das sich im Wege der Katalyse ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch gekoppelt wird. Erst nach dem Katalyseschritt erfolgt eine Beimischung der erwärmten weiteren Luftströmung zum teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisch unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, das innerhalb einer Brennkammer gezündet und verbrannt wird.

Durch die lösungsgemäße Vorbehandlung und Verbrennung eines Wasserstoff- Luftgemisches kann zudem der verbrennungsbedingte Stickoxidausstoss erheblich reduziert werden, dies rührt zum einen daher, da ein Teil des Wasserstoffes bei Temperaturen oxidiert wird, die weit unter jenen Temperaturen liegen, bei denen eine thermische Stickstoffoxidbildung auftreten kann, zum anderen trägt eine rasche und vollständige Durchmischung des teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisches mit der erwärmten weiteren Luftströmung zu einem vollständigen Abbrand des Wasserstoffes innerhalb der Brennkammer. Schliesslich trägt das im Wege der Katalysation von Wasserstoff entstehende Wasser, das aufgrund der vorherrschenden Temperaturen in Form von Wasserdampf den verbleibenden Wasserstoffrestanteil zu verdünnen vermag dazu bei, eine weitere Stickoxidbildung zu verhindern bzw. zu reduzieren.

In Ergänzung zu der eingangs erwähnten Bereitstellung der Luftströmung, die einerseits mit Wasserstoff zur Ausbildung einer Wasserstoff-Luftgemischströmung dient, andererseits als weitere Luftströmung die nach entsprechender Erwärmung den teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisch beigemengt wird, sei angemerkt, dass diese Luftströmung mittels einer Verdichtereinheit als vorverdichtete Luftströmung mit Temperaturen von wenigstens 350°C bereitgestellt wird.

Besondere Beachtung bedarf der Ausbildung der Katalysatoreinheit, in der die reich an Wasserstoff ausgebildete Wasserstoff-Luftgemischströmung zumindest in Teilen unter Ausbildung von Wasser katalysiert wird. In Anlehnung an die in der vorstehend zitierten Druckschrift WO 2004/094909 unter Bezugnahme auf die darin beschriebene Katalysatoreinheit, die im wesentlichen eine matrixartig perforierte Trägerstruktur vorsieht, die von einer Vielzahl parallel orientierter Durchgangskanäle durchsetzt ist, von denen eine erste Gruppe von Durchgangskanälen innwandig mit einem Katalysatormaterial ausgekleidet ist und eine zweite Gruppe von Durchgangskanälen aus im wesentlichen chemisch inerten Material besteht, bedarf es jedoch einer lösungsgemässen Modifikation, um das zündfähige Wasserstoff-Luftgemisch entsprechend chemisch vorzubehandeln.

So gilt es, die vorbereitete Wasserstoff-Luftgemischströmung vorzugsweise durch Aufteilung in eine Vielzahl einzelner Teilströme in eben jene Durchgangskanäle der ersten Gruppe einzuspeisen, deren Innenwände mit Katalysatormaterial ausgekleidet sind. Eine Überhitzung der Tragstruktur der Katalysatoreinheit wird einerseits dadurch vermieden, indem unter wasserstoffreichen Mischungsverhältnissen innerhalb derWasserstoff-Luftgemischströmung nur ein vorgebbarer Anteil an Wasserstoff mit Sauerstoff unter Wärmefreisetzung und Wasserbildung zu oxidieren vermag.

Hierbei ist es der Sauerstoffanteil, der die Wärmefreisetzung durch die Reaktionspartner zu begrenzen vermag, so dass die im Wege der exotherm ablaufenden Reaktion freiwerdende Wärmemenge unter Berücksichtigung der thermischen Belastbarkeit des Materials, aus dem die Tragstruktur der Katalysatoreinheit besteht, gewählt wird. Zudem dienen die der zweiten Gruppe zuzuordnenden Durchgangskanäle, durch die jeweils brennstofffreie bzw. wasserstofffreie Luftströmungen hindurchgeführt werden, als Kühlkanäle, durch die zusätzlich die Tragstruktur in einem temperaturstabilen Bereich gehalten werden kann. Üblicherweise können die im Wege der Katalyse auftretenden Temperaturen unter 10OfJ⁰C gehalten werden, so insbesondere in jenen Fällen, in denen die Tragstruktur aus metallischen Materialien besteht. Werden hingegen keramische Materialien, wie beispielsweise Corodierit, als Material für die Tragstruktur eingesetzt, so erhöhen sich die maximalen Belastungstemperaturen auf maximal 1300°C. Es ist evident, dass zum sicheren Betrieb eines derartigen Katalysators für eine ausreichend gute thermische Kopplung zwischen jeweils den Durchgangskanälen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe zu sorgen ist, um einerseits den gewünschten Kühleffekt für die Tragstruktur und andererseits die durch die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe hindurchgeführten Luftströmungen möglichst effektiv zu erhitzen, so dass nach Durchtritt der Vielzahl der erhitzten Teilluftströme durch die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe eine Durchmischung mit der Vielzahl ebenfalls erhitzter Teilströme des teilkatalysierten Wasserstoff- Luftgemisches unter Ausbildung eines heissen zündfähigen Wasserstoff- Luftgemisches erfolgen kann.

Das lösungsgemässe Verfahrenskonzept sieht alternative Verfahrensvarianten zur Durchmischung der Vielzahl der jeweils aus den Durchgangskanälen austretenden Teilströme vor. Eine einfachste Ausführungsform zur Durchmischung nutzt die hohe Packungsdichte der in einer Ebene angeordneten Austrittsöffnungen aller innerhalb der Tragstruktur zusammengefassten Durchgangskanäle, die vorzugsweise jeweils einen hexagonalen Strömungsquerschniü aufweisen und somit ein Hexagonalwabenmuster bilden. Durch Vorsehen sehr dünner Zwischenwände zwischen zwei unmittelbar benachbart zueinander verlaufender Durchgangskanäle geraten die einzelnen Teilströme nach Durchtritt durch die Durchgangskanäle in eine effektive gegenseitige Durchmischung. Um einen möglichst hohen Durchmischungsgrad der aus den Durchgangskanälen austretenden Teilströme zu erhalten, sind die Durchgangskanäle der ersten und zweiten Gruppe gerade so angeordnet, dass unmiüelbar benachbart zueinander verlaufende Durchgangskanäle eine unterschiedliche Gruppenzugehörigkeit aufweisen.

Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsvariante der gegenseitigen Durchmischung der aus den Durchgangskanälen beider Gruppen austretenden Teilströmen sieht vor, die jeweils durch die Durchgangskanäle der ersten Gruppe hindurchtretenden Teilströme, die jeweils das teilkatalysierte Wasserstoff- Luftgemisch enthalten, in einem räumlich abgetrennten Strömungsbereich gemeinsam zusammen zuführen, wohingegen die Teilströme, die durch die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe hindurchtreten, in einen anderweitigen Strömungsbereich zusammen zuführen. Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Mischungsvariante, in der jeweils eine Vielzahl von Teilströmen miteinander in Durchmischung geraten, sieht die zweite, bevorzugte Ausführungsvariante vor, die aus den jeweiligen Strömungsbereichen austretende erwärmte Luftströmung bzw. teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemischströmung als jeweils einheitliche Strömungen unter Einsatz von zusätzlich Wirbel erzeugenden Mitteln zum Zwecke einer gegenseitigen Durchmischung zu verwirbeln. Alternativ oder in Kombination können zusätzlich drallerzeugende Mittel stromab zu den jeweiligen Strömungsbereichen vorgesehen werden, durch die beide getrennte Stoffströme miteinander durchmischt und in Form einer möglichst stabilen Drallströmung in den Bereich der Brennkammer eintreten, in der die Drallströmung unter Ausbildung einer raumstabilen Rückströmblase aufplatzt.

Für die Zusammenführung der beiden aus den jeweiligen separierten Strömungsbereichen austretenden Stoffströme bieten sich unterschiedliche Strömungsführungen an. Eine erste Strömungsführung sieht den Austritt des teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisches in Form eines sich axialwärts ausbreitenden, einheitlichen Stoffstromes vor, der annular von einer sich ringförmig von aussen anschmiegenden erwärmten Luftströmung umhüllt wird, die sich in geeigneter Weise axialwärts als Drallströmung ausbreitet. Der umgekehrte Fall ist ebenso denkbar, bei dem ein sich axialwärts ausbreitender erwärmter Luftstrom von aussen durch eine annulare Wasserstoff-Brennstoffgemischströmung umhüllt wird, die sich im weiteren in Form einer Drallströmung unter Ausbildung eines homogen durchmischten Wasserstoff-Brennstoffgemisches in Richtung der Brennkammer ausbreitet.

Je nach Mischungsanforderungen sowie Anforderungen hinsichtlich einer sich stabil ausbildenden Drallströmung sind geeignete wirbel- und drallerzeugende Mittel im Strömungsweg beider Stoffströme vorzusehen. Nähere Einzelheiten können der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die diesbezüglichen Ausführungsbeispiele entnommen werden.

Ebenso bietet es sich an, als weitere Alternative das teilkatalysierte Wasserstoff- Brennstoffgemisch anstelle einer einheitlichen Strömung in Form einer Vielzahl neugebildeter Einzelströmungen aus dem entsprechenden Strömungsbereich austreten zu lassen, die allesamt von einer annularen die Vielzahl der Einzelströmungen umgebenden erwärmten Luftströmung umgeben werden. Neben einer sich axialwärts ausbreitenden, einheitlichen Strömung, beispielsweise bestehend aus teilkatalysierten Wasserstoff-Brennstoffgemisch können Teile dieser Strömung unter einem Winkel ungleich 0° zur Hauptströmungsrichtung in die radial aussen liegenden Strömungsbereiche eingespeist werden. Mit dieser Massnahme kann der Durchmischungsgrad der sich ausbildenden Wasserstoff- Brennstoffgemischströmung erheblich verbessert werden.

Zur Realisierung des vorstehend beschriebenen Verfahrens sowie den sich hierdurch eröffnenden Verfahrensvarianten gilt es eine geeignete Vorrichtung anzugeben, mit der die Herstellung eines zündfähigen Wasserstoff-Luftgemisches zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, möglich ist. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Katalysatoreinheit auf, die stromauf zum Brenner angeordnet ist und eine Vielzahl gleich orientierter Durchgangskanäle aufweist, von denen eine erste Gruppe innwandig mit einem Katalysatormaterial versehen ist und eine zweite Gruppe aus chemisch weitgehend inertem Material besteht. Ferner ist ein erstes Einspeisungsmittel zum Einleiten eines Wasserstoff-Luftgemisches in die Durchgangskanäle der ersten Gruppe und ein zweites Einspeisungsmittel zum Einleiten von Luft in die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe vorgesehen. Stromab zur Katalysatoreinheit schliesst an den Brenner eine Brennkammer an, in der das zündfähige Wasserstoff-Luftgemisch unter Ausbildung einer möglichst raumstabilen Flamme zur Zündung gebracht wird.

Da die Vorrichtung im Unterschied zu vergleichbaren Vorrichtungen die Verbrennung von Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenen Gasgemisch als Brennstoff ermöglichen soll, zeichnet sich die Vorrichtung lösungsgemäss dadurch aus, dass das erste Einspeisungsmittel wenigstens zwei voneinander getrennte Kammern aufweist, von denen die erste Kammer eine Brennstoffzuleitung und die zweite Kammer eine Luftzuleitung vorsieht, und dass die erste und zweite Kammer jeweils Verbindungsleitungen vorsehen, die in den Durchgangskanälen der ersten Gruppe jeweils paarweise münden. Durch das lösungsgemäss vorgeschlagene Zwei-Kammersystem, ist es möglich, die Brennstoff bzw. Wasserstoffzuführung in die jeweils mit Katalysatormaterial versehenen Durchgangskanäle der Katalysatoreinheit direkt vorzunehmen, längs der sich der in den Durchgangskanälen ausbreitende Wasserstoff mit der ebenso direkt in die betreffenden Durchgangskanäle einmündenden erwärmten Luftströmung vermischt, wobei die sich innerhalb der Durchgangskanäle ausbildende Wasserstoff- Luftgemischströmung einen verhältnismässig hohen Wasserstoffanteil aufweist, so dass aufgrund eines vorgegebenen Sauerstoffmangels nur ein Teil des vorhandenen Wasserstoffs zu Wasser katalytisch oxidiert wird.

Das der Katalysatoreinheit in Strömungsrichtung vorgeschaltete Zwei- Kammersystem sorgt für eine fluiddicht getrennte Einspeisung von Wasserstoff und Luft in die jeweiligen Durchgangskanäle der ersten Gruppe, die mit Katalysatormaterial bekleidet sind und stellt sicher, dass stromauf zur Katalysatoreinheit keinerlei Selbstzündungsgefahr des Wasserstoffs besteht. Zur konstruktiven Auslegung des Zwei-Kammersystems sowie der damit kombinierten Katalysatoreinheit mit weiteren in Strömungsrichtung der Katalysatoreinheit nachgeordneten Komponenten, sei im Folgenden auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren verwiesen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierter Brenneraufbau mit Katalysatoreinheit,

Fig. 2 perspektivische Schnittdarstellung durch eine Katalysatoreinheit mit in Strömungsrichtung vorgeschaltetem Zwei-Kammernsystem und in Strömungsrichtung nachgeschaltetem Sammelvolumen, und Fig. 3 schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1 ist eine schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung mit einer Katalysatoreinheit 1 vorgesehen, die im Strömungseintrittsbereich 2 des Brenners 3 angeordnet ist, an dem stromab eine Brennkammer 4 vorgesehen ist. Zum Betrieb der in Figur 1 dargestellten Brenneranordnung mit Wasserstoff als Brennstoff ist eine Brennstoffzuleitung 5 vorgesehen sowie eine Luftzuleitung 6, die gemeinsam in ein Einspeisungsmittel 7 münden. Das Einspeisungsmittel 7 weist Verbindungsleitungen 71 , die an Durchgangskanäle 8 münden, die die Katalysatoreinheit 1 axial durchragen. Die Katalysatoreinheit selbst besteht aus einer mit einer Vielzahl von Durchgangskanälen durchsetzten Tragstruktur, in der die Vielzahl der Durchgangskanäle matrixartig, vorzugsweise jeweils in der Anordnung eines Hexagonalwabenmusters angeordnet ist. Einen schematisierten Querschnitt durch die Hexagonalwabenstruktur ist in der Schnittdarstellung A-A dargestellt. Die die Tragstruktur der Katalysatoreinheit 1 durchsetzenden Durchgangskanäle sind in zwei Gruppen unterteilt, von denen die der ersten Gruppe zugehörigen Durchgangskanäle 8 innwandig mit einem Katalysatormaterial versehen sind und die der zweiten Gruppe zugehörigen Durchgangskanäle 9 aus chemisch weitgehend inerten Material bestehen. Wie bereits vorstehend erwähnt münden die Verbindungsleitungen 71 des Einspeisungsmittels 7 jeweils in die mit Katalysatormaterial ausgestatteten Durchgangskanäle 8, in denen der zugeführte wasserstoffhaltige Stoffstrom teilweise katalysiert wird. Unmittelbar benachbart zu den Durchgangskanälen 8 erstrecken sich die Durchgangskanäle 9 der zweiten Gruppe, durch die reine Zuluft 10 geleitet wird, die aufgrund der thermischen Kopplung an die Durchgangskanäle 8 und der darin freiwerdenden Wärme im Wege der exothermen katalysierten Oxidation erwärmt wird.

Stromab der Katalysatoreinheit 1 treten die Vielzahl der einzelnen teilkatalysierten Wasserstoff-Brennstoffgemischströme sowie die erwärmten Luftströme aus den jeweiligen Durchgangskanälen der Katalysatoreinheit 1 aus und erfahren eine vollständige Durchmischung, so dass sich noch vor Eintritt in die Brennkammer 4 ein homogen durchmischtes, zündfähiges Wasserstoff-Luftgemisch 11 ausbildet. Zur Verbesserung des Durchmischungsgrades des sich ausbildenden Wasserstoff- Luftgemisches 11 können optional längs des Brenners 2 stromab zur Katalysatoreinheit 1 Wirbelgeneratoren 12 vorgesehen werden. Ferner sind alternativ oder in Kombination zu den Wirbelgeneratoren 12 so genannte Drallerzeuger 13 vorgesehen, die innerhalb des sich axialwärts ausbreitenden Wasserstoff- Luftgemisches 11 eine Drallströmung induzieren, die nach Durchtritt in die Brennkammer 4 aufgrund der unsteten Strömungsquerschnittserweiterung unter Ausbildung einer stabilen Flammenfront 14 aufplatzt und zündet.

Zentrale Bedeutung bei der Verwendung von purem Wasserstoff oder einem hoch reaktiven Gasgemisch, mit deutlichen Wasserstoffanteilen, kommt der Katalysatoreinheit 1 und insbesondere dem Einspeisungsmittel 7 zu, mit dem der Wasserstoff gemeinsam mit einer anteiligen Luftströmung in die jeweiligen, mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 8 eingespeist wird. So gilt es dabei insbesondere zu beachten, dass Selbstzündungen des Wasserstoffes sicher auszuschliessen sind. Ferner soll die längs der Durchgangskanäle 8 erfolgende Oxidation des Wasserstoffes kontrolliert erfolgen, so dass nicht der gesamte Wasserstoff, sondern nur ein bestimmter Anteil des durch die Durchgangskanäle 8 hindurchtretenden Wasserstoffes oxidiert wird und auf diese Weise die dabei frei werdende Wärme nicht zu einer Überhitzung der Katalysatoreinheit 1 führt. Hierzu ist in Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Katalysatoreinheit mit einem speziell ausgebildeten Einspeisungsmittel 7 für die Zuführung von Wasserstoff und Luft in die einzelnen, die Katalysatoreinheit durchsetzenden Kanäle 8 dargestellt.

Zur besseren Veranschaulichung ist in Figur 2 ein perspektivisches Schnittbild durch eine derartige Katalysatoreinheit 1 in axialer Längsrichtung dargestellt. Die in Figur 2 eingezeichneten Pfeile veranschaulichen die Durchströmungsrichtung der Katalysatoreinheit und verdeutlichen die Lage, in der die Katalysatoreinheit 1 in einer Brenneranordnung gemäss schematisierter Bilddarstellung in Figur 1 zu integrieren ist. Die Katalysatoreinheit 1 besteht aus einer zylinderförmig ausgebildeten Tragstruktur 15, die, wie bereits vorstehend erwähnt, von einer Vielzahl einzelner Durchgangskanäle 8, 9 parallel zur Mittenachse A durchsetzt ist. Die vorzugsweise mit hexagonalem Strömungsquerschnitt ausgebildeten Durchgangskanäle 8, 9 sind in zwei Gruppen unterteilt, von denen die erste Gruppe der Durchgangskanäle 8 innwandig mit Katalysatormaterial, vorzugsweise Platin oder eine Platinedelmetallverbindung, ausgekleidet ist und die zweite Gruppe der Durchgangskanäle 9, die unmittelbar benachbart zu den Durchgangskanälen 8 angeordnet sind, aus weitgehend chemisch inertem Material besteht. Die hitzebeständige Tragstruktur 15 besteht vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigem Metall, vorzugsweise aus keramischem Material, wie beispielsweise Corodierit.

Stromauf zur Katalysatoreinheit 1 ist ein aus zwei Kammern bestehendes Einspeisungsmittel 7 vorgesehen, über das die Einspeisung von Wasserstoff H₂ sowie Luft in die jeweils mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 8 erfolgt. Hierbei ist das Einspeisungsmittel 7 als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet, dessen Zylinderquerschnitt jenem der Katalysatoreinheit 1 angepasst ist und verfügt darüber hinaus über ein Zwei-Kammersystem. Eine erste Kammer 16 des Einspeisungsmittels 7 sieht eine Brennstoffzuleitung 17 vor, über die Wasserstoff in den Volumenbereich der ersten Kammer 16 einspeisbar ist. Eine, die erste Kammer 16 einseitig begrenzende Bodenplatte ist mit Öffnungen 18 durchsetzt, deren Anordnung exakt jener der Durchgangskanäle 8 entspricht, die jeweils mit Katalysatormaterial ausgekleidet sind. Die Öffnungen 18 sind über Verbindungsleitungen 19 fluiddicht verbunden und münden frei endend innerhalb der jeweiligen Durchgangskanäle 8. Dabei durchragen sie das Volumen der zweiten Kammer 20, die sich axialwärts unmittelbar unter der ersten Kammer 16 anschliesst. Die zweite Kammer 20 weist gleichsam zur ersten Kammer 16 eine Zuleitung 21 auf, durch die Zuluft in das Kammervolumen der zweiten Kammer 20 eintritt. Die Zuluft ist bereits im Wege einer Verdichtereinheit komprimiert und weist in Folge dessen Temperaturen von wengistens 350°C auf.

Auch die axialwärts der Katalysatoreinheit 1 zugewandte Bodenplatte der zweiten Kammer 20 sieht entsprechende Öffnungen 22 vor, die identisch zur Anordnung der Öffnungen 18 innerhalb der ersten Kammer 16 verteilt angeordnet sind und einen grosseren Öffnungsdurchmesser aufweisen als die Öffnungen 18, so dass die Verbindungsleitungen 19 die Öffnungen 22 mittig durchragen.

Zwischen der Bodenplatte der zweiten Kammer 20 und jener Ebene, in der sämtliche Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle 8 und 9 der Katalysatoreinheit 1 liegen, ist ein Zwischenspalt 23 vorgesehen, durch den seitlich eine weitere Luftströmung eintritt, um die im offen liegenden Zwischenspalt 23 mündenden Durchgangskanäle 9 mit Zuluft zu versorgen. Um zu verhindern, dass in den Zwischenspalt 23 Wasserstoff über die innerhalb der Durchgangskanäle 8 frei endenden Verbindungsleitungen 19 eintreten kann, sind die Öffnungen 22 fludidicht mit den Öffnungen der Durchgangskanäle 8 über als Hohlkanäle ausgebildete Verbindungsleitungen 24 verbunden. Hierbei durchragen jeweils die Verbindungsleitungen 19 die Verbindungsleitungen 24 koaxial, so dass sich zwischen beiden Verbindungsleitungen ein Ringkanal ausbildet, durch den die über die Kammer 20 zugeführte Zuluft in die jeweiligen Durchgangskanäle 8 eingeleitet werden kann.

Innerhalb der mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 8 erfolgt eine Durchmischung von Wasserstoff und Luft in einem vorgebbaren Mischungsverhältnis, das derart eingestellt wird, so dass sich eine wasserstoffreiche Wasserstoff-Luftmischung längs der sich axialwärts innerhalb der Durchgangskanäle ausbreitenden Strömung ergibt.

Durch die katalytisch unterstützte exotherm ablaufende Oxidation innerhalb der Durchgangskanäle 8 wird Wärme freigesetzt, die zum einen das sich längs der Durchgangskanäle 8 ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch zu erhitzen vermag, zum anderen die durch die benachbarten Durchgangskanäle 9 hindurch geführte Luftströmung gleichsam erwärmt.

Stromab der Katalysatoreinheit 1 sind die Durchgangskanäle 8, aus denen die teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemischströme austreten über entsprechende Verbindungsleitungen 24' mit einem Speichervolumen 25 verbunden, in das sämtliche einzelne, aus den Durchgangskanälen 8 austretende Teilströme zusammengeführt werden. Die Verbindungskanäle 24' dienen aber auch als Distanzelemente zwischen dem stromab-seitigen Ende der Katalysatoreinheit 1 , an dem alle Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle 8 und 9 in einer gemeinsamen Ebene liegen und somit beabstandet zum Speichervolumen 25 angeordnet sind. Der sich zwischen dem unteren Ende der Katalysatoreinheit 1 und dem Speichervolumen ausbildende Zwischenspalt 26 dient zum seitlichen Entweichen der erwärmten Teilluftströmungen, die aus den Durchgangskanälen 9 austreten.

Letztlich gilt es ein zündfähiges Wasserstoff-Luftgemisch zu erzeugen, das durch eine gezielte Zusammenführung der durch den Zwischenspalt 26 seitlich austretenden Luftströmung und der durch die Austrittsöffnung 27 des Speichervolumens 25 austretenden teilkatalysierten Wasserstoff- Brennstoffgemischströmung zu bilden ist. Hierfür dienen die unter Bezugnahme auf das in Figur 1 bereits dargestellte Ausführungsbeispiel die Wirbelgeneratoren 12 sowie Strömungsführungsmittel 13.

Ferner sind die Katalysatoreinheit 1 sowie die stromauf und stromab zu dieser angeordneten Komponenten 7, 25 von einem mittigen Durchgangskanal 28 durchsetzt, durch den eine nicht weiter dargestellte Brennstofflanze hindurchgeführt werden kann, zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff in den Vormischbereich nahe der Brennkammer.

In der in Figur 3 schematisiert dargestellten Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung mit nachgeordneter Brennkammer 4 ist im Strömungsquerschnitt des Vormischbereiches die Katalysatoreinheit 1 mit dem stromauf aus zwei Kammern bestehenden Einspeisungsmittel 7 sowie dem unmittelbar stromab der Katalysatoreinheit 1 angebrachten Speichervolumen 25 schematisiert dargestellt. Das innerhalb des Speichervolumens 25 zusammengeführte teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch gelangt über einen mittigen Ausströmkanal 29 in den Bereich stromauf zur Brennkammer 4, wobei Teile des teilkatalysierten Wasserstoff- Luftgemisches als Teilströme 30 seitlich zur Strömungsrichtung in den Bereich der Luftströmung ausgeleitet werden. Die seitlich aus dem Zwischenspalt 26 austretende erwärmte Luftströmung gelangt stromab zur Katalysatoreinheit 1 in Wirbelgeneratoren 12, wodurch ein erhöhter Durchmischungsgrad zwischen der radial zugeführten erwärmten Luftströmung und der zentral sich ausbreitenden Wasserstoff-Luftgemischströmung ermöglicht wird. Auf diese Weise erfährt das zündfähige Wasserstoff-Brennstoffgemisch eine Abmagerung durch Verdünnung, wodurch das Zündvermögen derart abgesenkt wird, so dass sich das Wasserstoff- Luftgemisch erst innerhalb der Brennkammer 4 unter Ausbildung einer homogenen Flammenfront 31 zündet und verbrennt. Aus Gründen einer Strömungsstabilisierung können innerhalb des Vormischbereiches 3 der Brenneranordnung nicht in der Figur 3 dargestellte Drallerzeuger vorgesehen werden, durch die ein kontrolliertes Aufplatzen der sich ausbildenden Drallströmung innerhalb der Brennkammer 4 unter Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone unterstützt wird.

Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, dass die erwärmte Luftströmung nach Durchtritt durch die Katalysatoreinheit sowie das sich innerhalb der Katalysatoreinheit ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Brennstoffgemisch als zwei separate Stoffströme stromab der Katalysatoreinheit geführt werden, wobei eine gegenseitige Durchmischung erst nach Durchtritt des erwärmten Luftstromes durch den Wirbelgenerator 12 erfolgt, so dass die verwirbelte erwärmte Luftströmung die mittig geführte, teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemischströmung als annulare verwirbelte Drallströmung radialseits umfasst und sich letztlich mit dieser unter Ausbildung eines homogenen Wasserstoff-Brennstoffgemsiches vermischt.

Gleichsam ist es möglich, die in Figur 2 dargestellte Katalysatoreinheit derart zu betreiben, dass sich stromab der Katalysatoreinheit ein mittiger über das Sammelvolumen 25 zusammengeführter erwärmter Luftstrom axialwärts in Strömungsrichtung ausbreitet und die jeweils teilkatalysierten Wasserstoff- Brennstoffteilströme seitlich über den Spalt 26 zu einer annularen Ringströmung zusammengefasst werden, die den mittigen erwärmten Luftstrom annular umfasst und sich letztlich mit diesem vermischt. Hierzu ist die in Figur 2 dargestellte Katalysatoreinheit konstruktiv an die entsprechenden Strömungsgegebenheiten anzupassen, in der die Durchgangskanäle 8 und 9 gegenseitig zu vertauschen sind.

In der bereits erwähnten Verwendung von purem Wasserstoff als Brennstoff ist es ebenso möglich, die vorstehend beschriebene Anordnung mit so genannten Synthesegasen als Brennstoff zu betreiben, die im Wege der Kohlevergasung oder Ölvergasung gewonnen werden. Je nach Herstellungsart weisen die aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff bestehenden Gasgemische Wasserstoffanteile von wenigstens 30 % auf, so dass die Reaktionsfreudigkeit derartiger Gasgemische wesentlich durch die Präsenz von Wasserstoff bestimmt wird.

Das erfindungsgemässe Konzept kann in geeigneter Weise sowohl in Einzelbrenneranordnungen sowie auch in Gasturbinenanlagen mit sequentieller Verbrennung eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

Katalysatoreinheit Brennereintritt Brenner

Brennkammer

Brennstoffzuleitung

Luftzuleitung

Einspeisungsmittel

Verbindungsleitungen

Durchgangskanäle der ersten Gruppe

Durchgangskanäle der zweiten Gruppe

Zuluftstrom Wasserstoff-Luftgemisch Wirbelgenerator Drallerzeuger Flammenfront, Rückströmzone Trägerstruktur der Katalysatoreinheit erste Kammer Brennstoffzuleitung Öffnungen Verbindungsleitungen zweite Kammer Luftzuleitung Öffnungen Zwischenspalt Verbindungsleitung Sammelvolumen Zwischenspalt Austrittsöffnung, Austrittskanal Durchgangskanal Ausströmkanal Teil ströme Flammenfront

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Zusammenführen einer Brennstoffströmung und einer Luftströmung unter Ausbildung einer Brennstoff-Luftgemischströmung sowie Bereitstellen einer weiteren Luftströmung,

Katalysieren eines Teils der Brennstoff-Luftgemischströmung unter Ausbildung eines teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches, im Wege einer exothermen katalytisch unterstützen Reaktion des Brennstoffes, deren freigesetzte Wärme zumindest teilweise zur Erwärmung der weiteren Luftströmung genutzt wird, Beimischen der erwärmten weiteren Luftströmung zum teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisch unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff- Luftgemisches und Zünden und Verbrennen des zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff enthaltende Brennstoff wenigstens einen Wasserstoffanteil von 30 % aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Katalysieren eines Teils der Brennstoff- Luftgemischströmung Wasser gebildet wird, das in Form von Wasserdampf den Restanteil der nicht katalysierten Brennstoff-Luftgemischströmung verdünnt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Wasserdampf angereicherte Restanteil etwa 25% H₂, 25% H₂O und 50 % N₂ enthält, und Temperaturen im Bereich zwischen 700⁰C und 100O⁰C aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmung sowie die weitere Luftströmung im Wege einer Kompression auf ein Temperaturniveau von wenigstens 35O⁰C erhitzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu katalysierende Brennstoff- Luftgemischströmung ein durch die so genannten Sauerstoffzahl λ bestimmtes Mischungsverhältnis aufweist, mit

0.1 < λ < 0.5, wobei λ definiert ist als das Verhältnis aus tatsächlichem Sauerstoffgehalt zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Luftströmung und die Brennstoff- Luftgemischströmung jeweils in eine Vielzahl separater Teilströme aufgeteilt und jeweils in eine Vielzahl getrennte, jedoch thermisch miteinander gekoppelte Strömungskanäle eingeleitet werden, wobei die in eine Vielzahl von Teilströme aufgeteilte Brennstoff-Luftgemischströmung jeweils in Wechselwirkung mit einem im Inneren der diese Teilströme zugeordneten Strömungskanäle vorgesehenen Katalysatormaterial tritt und zum Teil katalysiert wird, und dass die Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung sowie die Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches jeweils stromab aus den Strömungskanälen austreten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung sowie die Vielzahl der Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisches unter jeweils gleicher Strömungsrichtung aus den Strömungskanälen austreten, unmiüelbar stromab zu den Strömungskanälen in gegenseitige Durchmischung treten und das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch bilden, das nachfolgend zur vollständigen Reaktion oder Verbrennung gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung sowie die Vielzahl der Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisches nach Durchtritt durch die Strömungskanäle in jeweils zwei räumlich voneinander getrennte Strömungsbereiche münden, einen ersten, in den die Vielzahl der Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung eintreten, und einen zweiten, in den die Vielzahl der Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches eintreten, und dass die erwärmte weitere Luftströmung sowie das teil katalysierte Brennstoff- Luftgemisch jeweils aus beiden Strömungsbereichen unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches austreten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte weitere Luftströmung nach Austritt aus dem Strömungsbereich und vor Durchmischen mit dem teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisch zu Zwecken einer verbesserte Durchmischung verwirbelt oder zu Zwecken einer Strömungsstabilisierung verdrallt wird, und/oder dass das teilkatalysierte Brennstoff-Luftgemisch nach Austritt aus dem Strömungsbereich und vor Durchmischen mit der erwärmten Luftströmung zu Zwecken einer verbesserten Durchmischung verwirbelt oder zu Zwecken einer Strömungsstabilisierung verdrallt wird.

11. Verfahren nach 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkatalysierte Brennstoff-Luftgemisch in Form einer einheitlichen Strömung oder einer Vielzahl von Einzelströmungen aus dem jeweiligen Strömungsbereich austritt, und dass die erwärmte weitere Luftströmung als annulare Strömung radial um die teilkatalysierte Brennstoff-Luftgemischströmung stromab des jeweiligen Strömungsbereich dieser beigemischt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Teile der teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemischströmung unter einem Winkel ≠ 0° zur Strömungsrichtung der teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemischströmung in die annulare Strömung der erwärmten weiteren Luftströmung eingespeist werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch Synthesegas eingesetzt wird, das im Wege einer Kohlevergasung oder Restölvergasung gewonnen wird.

14. Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches zum Betreiben eines Brenners (3) einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit wenigstens einer Katalysatoreinheit (1 ), die stromauf zum Brenner (3) angeordnet ist und eine Vielzahl gleich orientierter Durchgangskanäle (8, 9) aufweist, von denen eine erste Gruppe inwandig mit einem Katalysatormaterial versehen ist und eine zweite Gruppe aus chemisch weitgehend inerten Material besteht, einem ersten Einspeisungsmittel (7) zum Einleiten eines Brennstoff- Luftgemisches stromauf in die Durchgangskanäle (8) der ersten Gruppe und einem zweiten Einspeisungsmittel (10) zum Einleiten von Luft stromauf in die Durchgangskanäle (9) der zweiten Gruppe, und einer stromab der Katalysatoreinheit (1) an den Brenner (3) anschließenden Brennkammer (4), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einspeisungmittel (7) wenigstens zwei voneinander getrennte Kammern (16, 20) aufweist, von denen die erste Kammer (16) eine Brennstoffzuleitung (17) und die zweite Kammer (20) eine Luftzuleitung (21) vorsieht, und dass die erste und zweite Kammer (16, 20) jeweils Verbindungsleitungen (19, 24) vorsehen, die in den Durchgangskanälen (8) der ersten Gruppe jeweils paarweise münden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an einem Durchgangskanal (8) mündende Verbindungsleitung (19, 24) jeweils zur ersten und zweiten Kammer koaxial zueinander verlaufen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (19) zur ersten Kammer (16) teilweise jeweils in einen Durchgangskanal (8) hineinragen, und dass die Verbindungskanäle (24) zur zweiten Kammer (20) bündig stromauf jeweils an einem Durchgangskanal (8) anschliessen und die jeweilige Verbindungsleitung (19) zur ersten Kammer (16) umschliessen oder umgekehrt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einspeisungsmittel (7) axial zur Katalysatoreinheit (1 ) beabstandet angeodnet ist, so dass ein Zwischenspalt (23) zwischen dem ersten Einspeisungsmittel (7) und allen in einer Ebene liegenden Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle (8, 9) der zweiten Gruppe besteht, der als zweites Einspeisungmittel (10) dient, über das Luft durch seitliche Einströmung in den Zwischenspalt in die Durchgangskanäle (9) der zweiten Gruppe gelangt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtigen Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle (8) der ersten Gruppe fluiddicht in einem Sammelvolumen (25) münden, das eine Austrittöffnung (27) mit einer in Durchströmungsrichtung der Durchgangskanäle (8) orientierten Mittenachse (A) oder einer zu dieser geneigten Mittenachse aufweist, und dass zwischen dem Sammelvolumen (25) und allen in einer Ebene liegenden Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle (8, 9) der zweiten Gruppe ein Zwischenspalt (26) vorgesehen ist, der radial offen ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Einspeisungmittel (7, 10) sowie auch die Katalysatoreinheit (1 ) und das Sammelvolumen (25) einen mittig offenen Durchgangskanal (28) umschliessen, durch den eine Brennstofflanze für Flüssigbrennstoff einbringbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gruppe von Durchgangskanälen (8, 9) nach einem räumlich periodischen Ordnungsmuster angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gruppe jeweils zeilenweise, spaltenweise oder in Art einer Schachbrettanordnung abwechselnd angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (8; 9) der ersten und zweiten Gruppe nach einem Hexagonalwabenmuster ausgebildet und angeordnet sind.