EP1255080B1

EP1255080B1 - Catalytic burner

Info

Publication number: EP1255080B1
Application number: EP02405340A
Authority: EP
Inventors: Adnan Eroglu; Timothy Griffin; Jaan Hellat
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: DE50212720D1; US6609905B2; EP1255080A1; US20020160330A1

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft einen katalytischen Brenner für eine oder an einer Brennkammer, insbesondere einer Kraftwerksanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a catalytic burner for or on a combustion chamber, in particular a power plant, with the features of the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Aus der JP 61-276 627 ist ein derartiger katalytischer Brenner bekannt, der an einer Brennkammer einer Gasturbine angeordnet ist. Der Brenner weist eine zentrale Sekundär-Einspritzeinrichtung zum direkten Einspritzen eines Brennstoffs in die Brennkammer auf. Die Sekundär-Einspritzeinrichtung ist von einem inneren Ringkanal ringförmig umhüllt, der zur Brennkammer führt und in dem ein Wirbelerzeuger angeordnet ist. Dieser Wirbelerzeuger umgibt die Sekundär-Einspritzeinrichtung ringförmig. Des weiteren ist in der Brennkammer ein äußerer Ringkanal angeordnet, der ebenfalls zur Brennkammer führt und der den inneren Ringkanal und somit die Sekundär-Einspritzeinrichtung ringförmig umgibt. Im äußeren Ringkanal ist ein Katalysator angeordnet, der den inneren Ringkanal und somit auch die Sekundär-Einspritzeinrichtung ringförmig umgibt. Im äußeren Ringkanal ist außerdem eine Primär-Einspritzeinrichtung stromauf des Katalysators angeordnet, die zum Einspritzen eines Brennstoffs in den äußeren Ringkanal dient. Darüber hinaus ist der bekannte Brenner mit radial angeordneten Katalysatoren und radial angeordneten Einspritzeinrichtungen ausgestattet, über die eine radiale Einströmung in die Brennkammer realisierbar ist.From the JP 61-276,627 Such a catalytic burner is known, which is arranged on a combustion chamber of a gas turbine. The burner has a central secondary injector for injecting a fuel directly into the combustion chamber. The secondary injection device is encased by an inner annular channel which leads to the combustion chamber and in which a vortex generator is arranged. This vortex generator surrounds the secondary injection device annular. Furthermore, an outer annular channel is arranged in the combustion chamber, which also leads to the combustion chamber and which surrounds the inner annular channel and thus the secondary injection device in an annular manner. In the outer annular channel, a catalyst is arranged, which surrounds the inner annular channel and thus also the secondary injection device annular. In the outer annular channel also a primary injection device upstream of the catalyst is arranged, which serves for injecting a fuel into the outer annular channel. In addition, the known burner is equipped with radially arranged catalysts and radially arranged injection devices, via which a radial inflow into the combustion chamber can be realized.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Brenner der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die Stabilität der Verbrennung in der Brennkammer erhöht.The present invention is concerned with the problem of providing an improved embodiment for a burner of the type mentioned, which in particular increases the stability of the combustion in the combustion chamber.

Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Brenner so auszubilden, dass die den Katalysator durchströmende Strömung zumindest bei ihrem Eintritt in die Brennkammer einen Drall besitzt. Durch die Beaufschlagung der aus dem Katalysator austretenden Strömung mit einem Drall kann in der Brennkammer die Ausbildung einer zentralen Rezirkulationszone unterstützt werden. Diese Rezirkulationszone führt zu einer Verankerung der Flammenfront in der Brennkammer und somit zu einer Stabilisierung des Verbrennungsvorgangs.The invention is based on the general idea to design the burner so that the flow flowing through the catalyst has a twist at least when it enters the combustion chamber. By acting on the flow emerging from the catalyst with a twist, the formation of a central recirculation zone can be supported in the combustion chamber. This recirculation zone leads to an anchoring of the flame front in the combustion chamber and thus to a stabilization of the combustion process.

Von besonderem Vorteil ist eine Weiterbildung, bei der Ringkanal und Brennkammer hinsichtlich ihrer Dimensionierung so aufeinander abgestimmt sind, dass beim Übergang vom Ringkanal zur Brennkammer eine Querschnittserweiterung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann die Drallströmung beim Eintritt in die Brennkammer quasi aufplatzen, wodurch sich eine zusätzliche Stabilisierung für die zentrale Rezirkulationszone ergibt.Of particular advantage is a development in which the annular channel and the combustion chamber are matched with respect to their dimensions to one another so that a cross-sectional widening is formed during the transition from the annular channel to the combustion chamber. As a result of this measure, the swirl flow can virtually burst when it enters the combustion chamber, which results in additional stabilization for the central recirculation zone.

Zweckmäßig kann dabei eine im Ringkanal angeordnete Drallerzeugungseinrichtung unmittelbar am Übergang zwischen Ringkanal und Brennkammer positioniert sein. Durch diese Maßnahme tritt die Drallströmung direkt nach ihrer Erzeugung in die Brennkammer ein, wodurch Reibungsverluste reduziert werden.Expediently, a swirl generating device arranged in the annular channel can be positioned directly at the transition between the annular channel and the combustion chamber. By this measure, the swirl flow occurs immediately after its generation in the combustion chamber, whereby friction losses are reduced.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs sowie zum Einspritzen eines gasförmigen Brennstoffs ausgebildet sein, wobei die Sekundär-Einspritzeinrichtung den flüssigen Brennstoff unabhängig vom gasförmigen Brennstoff in die Brennkammer einspritzen kann. Durch diese Bauweise ist es möglich, bei transienten Betriebszuständen des Brenners bedarfsabhängig gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, beispielsweise um in der Brennkammer auch dann eine gewünschte Temperatur zu erreichen, wenn der Katalysator, insbesondere beim Hochfahren des Brenners, seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat.According to an advantageous embodiment, the secondary injection device may be designed for injecting a liquid fuel and for injecting a gaseous fuel, wherein the secondary injection device can inject the liquid fuel into the combustion chamber independently of the gaseous fuel. By this construction, it is possible to inject gaseous and / or liquid fuel directly into the combustion chamber in transient operating conditions of the burner, for example, to achieve a desired temperature in the combustion chamber, even if the catalyst, especially at startup of the burner, its operating temperature has not reached yet.

Eine weitere Besonderheit wird darin gesehen, dass ein Strömungsweg für einen Oxidator oder ein Oxidator-Gemisch, insbesondere Luft und/oder das Brennstoff-Oxidator-Gemisch, so durch den Brenner geführt ist, dass der Oxidator oder das Oxidator-Gemisch im wesentlichen nur durch den Ringkanal in die Brennkammer gelangt. Bei dieser Ausführungsform sind die Primär-Einspritzeinrichtung und die Sekundär-Einspritzeinrichtung hinsichtlich dieses Strömungswegs und somit hinsichtlich der Oxidatorversorgung in Reihe angeordnet. Damit steht der Oxidator zuerst der katalytischen Verbrennung zur Verfügung und erst danach - soweit vorhanden - in der Brennkammer für die Reaktion mit dem direkt eingespritzten Brennstoff. Das bedeutet, dass für den Brenner ein reiner Katalysatorbetrieb mit einem relativ hohen Volumenstrom darstellbar ist, bei dem der gesamte zugeführte Oxidator, in der Regel Sauerstoff, durch den Katalysator strömt.Another special feature is seen in that a flow path for an oxidizer or an oxidizer mixture, in particular air and / or the fuel-oxidizer mixture is passed through the burner, that the oxidizer or the oxidizer mixture substantially only enters the annular channel in the combustion chamber. In this embodiment, the primary injector and the secondary injector are arranged in series with respect to this flow path and thus with respect to the oxidizer supply. Thus, the oxidizer is the first catalytic combustion available and only then - if available - in the combustion chamber for the reaction with the directly injected fuel. This means that a pure catalyst operation with a relatively high volume flow can be represented for the burner, in which the entire supplied oxidizer, usually oxygen, flows through the catalyst.

Des weiteren kann im Ringkanal stromauf der Primär-Einspritzeinrichtung zusätzlich eine Zusatz-Reaktionszone ausgebildet sein, der eine Zusatz-Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs in die Zusatz-Reaktionszone zugeordnet ist. Mit Hilfe einer derartigen Zusatz-Reaktionszone kann, z.B. zum Anfahren des Brenners gezielt eine rasche Temperaturerhöhung des Katalysators erreicht werden, so dass dieser schnell seine Arbeitstemperatur erreicht.Furthermore, an additional reaction zone may additionally be formed in the annular channel upstream of the primary injection device, which is assigned an additional injection device for injecting a fuel or a fuel-oxidizer mixture into the additional reaction zone. By means of such an additional reaction zone, e.g. to start the burner targeted a rapid increase in temperature of the catalyst can be achieved so that it quickly reaches its working temperature.

Durch die Verwendung einer geeigneten Steuerung kann der Brenner in Abhängigkeit von vorbestimmten Parametern beispielsweise zwischen einem Pilotbetrieb, bei dem die Sekundär-Einspritzeinrichtung aktiviert ist und die Primär-Einspritzeinrichtung deaktiviert ist, einem Katalysatorbetrieb, bei dem die Primär-Einspritzeinrichtung aktiviert ist und die Sekundär-Einspritzeinrichtung deaktiviert ist, und einem Mischbetrieb umschalten, bei dem sowohl die Primär-Einspritzeinrichtung als auch die Sekundär-Einspritzeinrichtung mehr oder weniger aktiv sind. Der Brenner kann durch die verschiedenen Betriebsarten optimal an sich ändernde Randbedingungen angepaßt werden. Beispielsweise kann der Brenner so an eine aktuell an den Brenner gestellte Leistungsanforderung und/oder an Anforderungen hinsichtlich Flammenstabilität und Schadstoffemission und/oder an die aktuelle Temperatur des Katalysators angepaßt werden.By using a suitable control, the burner can, depending on predetermined parameters, for example, between a pilot operation in which the secondary injection device is activated and the primary injection device is deactivated, a catalyst operation in which the primary injector is activated and the secondary injector is deactivated, and switch over a mixing operation in which both the primary injector and the secondary injector are more or less active. The burner can be optimally adapted to changing boundary conditions through the various operating modes. For example, the burner can thus be adapted to a power requirement currently placed on the burner and / or requirements with regard to flame stability and pollutant emission and / or to the current temperature of the catalytic converter.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 bis 3: stark vereinfachte Prinzipdarstellungen eines erfindungsgemäßen Brenners im Längsschnitt bei verschiedenen Ausführungsformen.

Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to identical or functionally identical or similar components. Show, in each case schematically,

Fig. 1 to 3: highly simplified schematic diagrams of a burner according to the invention in longitudinal section in various embodiments.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Entsprechend den Fig. 1 bis 3 ist ein Brenner 1 nach der Erfindung an eine Brennkammer 2 angeschlossen. Bei der Brennkammer 2 kann es sich dabei um eine Ringkammer, Silokammer, Dosenkammer oder Dosenringkammer handeln. Die gezeigte Brenner-Brennkammer-Kombination bildet üblicherweise einen Bestandteil einer Kraftwerksanlage und dient in der Regel zur Erzeugung von heißen Abgasen, mit denen eine Gasturbine beaufschlagt wird.According to the Fig. 1 to 3 a burner 1 according to the invention is connected to a combustion chamber 2. The combustion chamber 2 may be an annular chamber, a silo chamber, a can chamber or a can ring chamber. The burner-combustor combination shown is usually a component a power plant and is usually used to generate hot exhaust gases, which is applied to a gas turbine.

Der Brenner 1 ist mit einer zentralen Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ausgestattet, mit deren Hilfe ein Brennstoff direkt in die Brennkammer 2 eingespritzt werden kann. Die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ist hier koaxial zu einer zentralen Längsachse 30 eines Ringkanals 4 angeordnet, der zur Brennkammer 2 führt und mit dieser kommuniziert. Des weiteren umgibt der Ringkanal 4 die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ringförmig. In diesem Ringkanal 4 ist ein ringförmig ausgestalteter Katalysator 5 angeordnet, der ebenfalls die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ringförmig umgibt. Stromab des Katalysators 5 ist im Ringkanal 4 außerdem eine Drallerzeugungseinrichtung 6 angeordnet, die ebenfalls die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 ringförmig umgibt. Des weiteren ist im Ringkanal 4 stromauf des Katalysators 5 eine Primär-Einspritzeinrichtung 7 angeordnet, mit deren Hilfe ein Brennstoff und/oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Ringkanal 4 einspritzbar ist.The burner 1 is equipped with a central secondary injection device 3, with the aid of which a fuel can be injected directly into the combustion chamber 2. The secondary injection device 3 is here arranged coaxially to a central longitudinal axis 30 of an annular channel 4, which leads to the combustion chamber 2 and communicates with it. Furthermore, the annular channel 4 surrounds the secondary injection device 3 annularly. In this annular channel 4, an annular ausgestalteter catalyst 5 is arranged, which also surrounds the secondary injection device 3 in an annular manner. Downstream of the catalyst 5, a swirl generating device 6 is also arranged in the annular channel 4, which also surrounds the secondary injection device 3 in an annular manner. Furthermore, a primary injection device 7 is arranged in the annular channel 4 upstream of the catalyst 5, with the aid of which a fuel and / or a fuel-oxidizer mixture in the annular channel 4 can be injected.

Die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 muss nicht zentral angeordnet sein; ebenso ist eine zur Längsachse 30 exzentrische Anordnung möglich. Die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 kann so ausgebildet sein, dass sie - wie hier - den Brennstoff zentral und im wesentlichen parallel zur Längsachse 30 in die Brennkammer 2 einbringt. Zusätzlich oder alternativ kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 auch so gestaltet sein, dass sie den Brennstoff quer oder geneigt zur Längsachse 30 und/oder seitlich in die Brennkammer 2 einbringt.The secondary injection device 3 does not have to be arranged centrally; Similarly, an eccentric to the longitudinal axis 30 arrangement is possible. The secondary injection device 3 can be designed so that - as here - the fuel centrally and substantially parallel to the longitudinal axis 30 is introduced into the combustion chamber 2. Additionally or alternatively, the secondary injection device 3 can also be designed so that it introduces the fuel transversely or inclined to the longitudinal axis 30 and / or laterally into the combustion chamber 2.

Der Katalysator 5 kann beispielsweise als keramischer Monolith ausgebildet sein, der mit einer katalytisch wirkenden Substanz beschichtet ist. Ebenso ist es möglich, den Katalysator 5 durch geeignetes Schichten oder Stapeln eines oder mehrerer gefalteter oder gewellter Bleche aufzubauen, wobei durch eine entsprechende Orientierung der Falten und Wellen Kanäle entstehen, die den Katalysator 5 durchdringen. Durch eine geeignete Beschichtung der Bleche mit einem katalytisch aktiven Material können katalytisch aktive Kanäle und katalytische inaktive Kanäle ausgebildet werden. Katalysatoren, die in dieser Art aufgebaut sind, sind beispielsweise aus der US 5 202 303 bekannt. Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 kann der Katalysator 5 durch eine spiralförmige Wicklung eines oder mehrerer entsprechender Bleche gebildet werden, die zweckmäßig auf die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 aufgewickelt sind. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 können die Bleche zur Ausbildung des Katalysators 5 auf ein Rohr 8 aufgewickelt sein, das den Ringkanal 4 radial nach innen begrenzt.The catalyst 5 may be formed, for example, as a ceramic monolith which is coated with a catalytically active substance. It is likewise possible to build up the catalyst 5 by suitable layering or stacking of one or more folded or corrugated sheets, wherein channels are formed by a corresponding orientation of the folds and waves, which penetrate the catalyst 5. By a suitable coating of the sheets with a catalytically active material can catalytically active channels and catalytic inactive Channels are formed. Catalysts that are constructed in this way are, for example, from US 5,202,303 known. In the embodiments of the Fig. 1 and 2 For example, the catalyst 5 can be formed by a helical winding of one or more corresponding metal sheets, which are expediently wound onto the secondary injection device 3. In the embodiment according to Fig. 3 the sheets may be wound onto a tube 8 for forming the catalyst 5, which bounds the annular channel 4 radially inwardly.

Die Drallerzeugungseinrichtung 6 beaufschlagt die den Katalysator 5 durchströmende Strömung mit einem Drall. Dabei kann die Drallerzeugungseinrichtung 6 wie hier einen Drallerzeuger 9 aufweisen, der ein separates Bauteil bildet. Im Unterschied dazu ist es ebenso möglich, die Drallerzeugungseinrichtung 6 in den Katalysator 5 zu integrieren. Beispielsweise können hierzu die im Katalysator 5 ausgebildeten Strömungsführungskanäle insbesondere in einem axialen Endabschnitt des Katalysators 5, gegenüber der Achsrichtung des Katalysators 5 geneigt sein, um den Drall zu erzeugen.The swirl generating device 6 acts on the flow flowing through the catalyst 5 with a swirl. In this case, as here, the swirl-generating device 6 may have a swirl generator 9, which forms a separate component. In contrast, it is also possible to integrate the swirl generating device 6 in the catalyst 5. For example, for this purpose, the flow guide channels formed in the catalyst 5, in particular in an axial end portion of the catalyst 5, be inclined relative to the axial direction of the catalyst 5 to produce the swirl.

Von besonderer Bedeutung ist außerdem, dass die Drallerzeugungseinrichtung 6 unmittelbar an einem Übergang 10 angeordnet ist, in dem der Ringkanal 4 in die Brennkammer 2 übergeht bzw. einmündet. Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist dieser Übergang 10 so ausgestaltet, dass sich dabei eine sprungartige Querschnittserweiterung 11 ausbildet. Die Drallbeaufschlagung durch die Drallerzeugungseinrichtung 6, die unmittelbare Anordnung der Drallerzeugungseinrichtung 6 am Übergang 10 und die Querschnittserweiterung 11 am Übergang 10 unterstützen die Ausbildung einer zentralen Rezirkulationszone 29 in der Brennkammer 2 und sorgen für eine Stabilisierung dieser Rezirkulationszone 29, wodurch sich eine stabile Flammenfront in der Brennkammer 2 erzielen läßt.Of particular importance is also that the swirl generating device 6 is arranged directly on a transition 10, in which the annular channel 4 merges into the combustion chamber 2 and opens. In the embodiments shown here, this transition 10 is configured such that a sudden cross-sectional widening 11 is formed. The swirl application by the swirl generating device 6, the immediate arrangement of the swirl generating device 6 at the transition 10 and the cross-sectional enlargement 11 at the transition 10 support the formation of a central recirculation zone 29 in the combustion chamber 2 and ensure stabilization of this recirculation zone 29, resulting in a stable flame front in the Achieve combustion chamber 2 can.

Die Primär-Einspritzeinrichtung 7 ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen mehrstufig ausgebildet, das heißt die Primär-Einspritzeinrichtung 7 besitzt mehrere Einspritzstufen 12a, 12b, 12c gemäß Fig. 1 und 13a, 13b gemäß den Fig. 2 und 3. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind bei jeder Einspritzstufe 12a bis 12c nicht näher bezeichnete Einspritzdüsen bezüglich der Längsachse 30 bzw. bezüglich der Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 konzentrisch und ringförmig im Ringkanal verteilt angeordnet. Im Unterschied dazu sind bei den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 die Einspritzdüsen bei den Einspritzstufen 13a und 13b bezüglich der Längsachse 30 bzw. bezüglich der Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 konzentrisch und sternförmig im Ringkanal 4 verteilt angeordnet.The primary injection device 7 is designed in multiple stages in the embodiments shown here, that is, the primary injection device 7 has a plurality of injection stages 12a, 12b, 12c according to Fig. 1 and 13a, 13b according to the FIGS. 2 and 3 , In the embodiment according to Fig. 1 are at each injection stage 12a to 12c unspecified injection nozzles with respect to the longitudinal axis 30 and with respect to the secondary injection device 3 arranged concentrically and annularly distributed in the annular channel. In contrast, in the embodiments of the FIGS. 2 and 3 the injection nozzles in the injection stages 13a and 13b with respect to the longitudinal axis 30 and with respect to the secondary injection device 3 arranged concentrically and in a star shape in the annular channel 4 distributed.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass die Primär-Einspritzeinrichtung 7 zum Einspritzen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs ausgebildet sein kann. Im Unterschied dazu ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 bei den hier gezeigten Ausführungsformen zum Einspritzen sowohl eines flüssigen Brennstoffs als auch eines gasförmigen Brennstoffs ausgebildet. Zu diesem Zweck enthält die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 eine zentrale erste Einspritzanordnung 14, die entsprechend einem Pfeil 15 mit flüssigem Brennstoff versorgt wird. Des weiteren enthält die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 eine zweite Einspritzanordnung 16, die entsprechend einem Pfeil 17 mit gasförmigem Brennstoff versorgt wird. Mit Hilfe einer geeigneten, hier nicht dargestellten Brennersteuerung können diese Einspritzanordnungen 14 und 16 unabhängig voneinander betätigt werden, um entweder flüssigen Brennstoff oder gasförmigen Brennstoff oder sowohl flüssigen als auch gasförmigen Brennstoff in die Brennkammer 2 einzuspritzen. Zweckmäßig ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 dabei so ausgebildet, dass sie zumindest den flüssigen Brennstoff in die zentrale Rezirkulationszone 29 einspritzen kann.Of particular importance here is that the primary injector 7 may be formed for injecting a fuel-oxidizer mixture. In contrast, in the embodiments shown here, the secondary injection device 3 is designed to inject both a liquid fuel and a gaseous fuel. For this purpose, the secondary injection device 3 includes a central first injection assembly 14 which is supplied with liquid fuel according to an arrow 15. Furthermore, the secondary injection device 3 includes a second injection assembly 16, which is supplied with gaseous fuel according to an arrow 17. With the aid of a suitable burner control, not shown here, these injection assemblies 14 and 16 can be operated independently to inject either liquid fuel or gaseous fuel or both liquid and gaseous fuel into the combustion chamber 2. Suitably, the secondary injection device 3 is designed so that it can inject at least the liquid fuel into the central recirculation zone 29.

Bei der hier gezeigten Ausführungsform umgibt die zweite Einspritzanordnung 16 ringförmig die zentrale erste Einspritzanordnung 14. Zur Vermeidung von Überhitzungen ist zwischen den Einspritzanordnungen 14 und 16 ein ringförmiger Kühlkanal 18 angeordnet, der entsprechend einem Pfeil 19 mit einem kühlenden Gas, z.B. Luft durchströmt wird.In the embodiment shown here, the second injection assembly 16 annularly surrounds the central first injection assembly 14. To avoid overheating, an annular cooling channel 18 is disposed between the injection assemblies 14 and 16, which is connected to an arrow 19 with a cooling gas, e.g. Air is flowed through.

Entsprechend einem Pfeil 20 wird dem Ringkanal 4 eine Gasströmung zugeführt, wobei es sich in der Regel hier um Luft handelt. Diese Luft folgt bei der Durchströmung des Brenners 1 einem nicht näher bezeichneten Strömungsweg, der vom Ringkanal 4 durch den Katalysator 5 und durch die Drallerzeugungseinrichtung 6 in die Brennkammer 2 führt. Von Bedeutung ist hierbei, dass die Zuführung der Luft bzw. des Oxidatorgemischs ausschließlich über diesen Strömungsweg erfolgt, abgesehen von parasitären Effekten, die z.B. durch die Kühlgasströmung durch den Kühlkanal 18 entstehen. Diese Bauweise hat zur Folge, dass die gesamte Oxidatorströmung zwangsläufig zuerst durch den Katalysator 5 strömt, bevor sie in die Brennkammer 2 gelangt und bevor sie gegebenenfalls mit dem Brennstoff in Berührung kommt, der über die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 eingespritzt wird. Insoweit ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 der Primär-Einspritzeinrichtung 7 in Reihe nachgeschaltet.According to an arrow 20, the annular channel 4, a gas flow is supplied, which is usually here is air. This air follows in the flow through the burner 1 an unspecified flow path, the from the annular channel 4 through the catalyst 5 and through the swirl generating device 6 into the combustion chamber 2 leads. Of importance in this case is that the supply of air or of the oxidant mixture takes place exclusively via this flow path, apart from parasitic effects which, for example, are caused by the cooling gas flow through the cooling channel 18. This design has the consequence that the entire oxidizer flow inevitably flows through the first catalyst 5 before it enters the combustion chamber 2 and before it eventually comes into contact with the fuel which is injected via the secondary injection device 3. In that regard, the secondary injector 3 of the primary injector 7 is connected in series.

Zumindest bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 sind die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 und die Primär-Einspritzeinrichtung 7 an eine gemeinsame Brennstoffzuführungseinrichtung 21 angeschlossen, um die beiden Einspritzeinrichtungen 3 und 7 mit Brennstoff bzw. Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu versorgen. Die Zuführung des über die Primär-Einspritzeinrichtung 7 eingespritzten Brennstoffs oder Brennstoff-Gemischs ist durch einen Pfeil 22 symbolisiert.At least in the embodiments of Fig. 1 and 2 For example, the secondary injection device 3 and the primary injection device 7 are connected to a common fuel supply device 21 in order to supply the two injectors 3 and 7 with a fuel or oxidizer mixture. The supply of the injected fuel via the primary injector 7 fuel or fuel mixture is symbolized by an arrow 22.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist stromauf der Primär-Einspritzeinrichtung 7 zusätzlich eine ringförmige Zusatz-Reaktionszone 23 ausgebildet, welche die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 bzw. die Längsachse 30 konzentrisch umhüllt. Dieser Zusatz-Reaktionszone 23 ist eine Zusatz-Einspritzeinrichtung 24 zugeordnet, mit deren Hilfe Brennstoff oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in die Zusatz-Reaktionszone 23 einspritzbar ist. In der Zusatz-Reaktionszone 23 kann somit eine Verbrennungsreaktion initiiert werden, bei der heiße Abgase entstehen, die den Katalysator 5 durchströmen und dabei aufheizen.In the embodiment according to Fig. 2 In addition, an annular additional reaction zone 23 is formed upstream of the primary injection device 7, which encloses the secondary injection device 3 or the longitudinal axis 30 concentrically. This additional reaction zone 23 is associated with an additional injection device 24, with the aid of which fuel or a fuel-oxidizer mixture in the additional reaction zone 23 can be injected. Thus, in the additional reaction zone 23, a combustion reaction can be initiated, in which hot exhaust gases are formed, which flow through the catalyst 5 and thereby heat up.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 trennt das Rohr 8 den Ringkanal 4 von einem zentralen inneren Kanal 25, in dem die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3, vorzugsweise konzentrisch, angeordnet ist. In diesem Kanal 25 ist ein Wirbelerzeuger 26 angeordnet, der zweckmäßig stromauf von Einspritzöffnungen der Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 positioniert ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 zusätzlich radiale Einspritzöffnungen 27 aufweisen, über die gasförmiger Brennstoff in den inneren Kanal 25 eindüsbar ist. Der innere Kanal 25 ist zur Brennkammer 2 hin offen und dient ebenfalls zur Einleitung einer Gasströmung. Diese Gasströmung, insbesondere Luft, wird gemäß einem Pfeil 28 in den inneren Kanal 25 eingeleitet, wobei diese Strömung durch den Wirbelerzeuger 26 mit einem Drall beaufschlagt wird. Auch diese innere Drallströmung kann zur Stabilisierung der Rezirkulationszone 29 dienen.In the embodiment according to Fig. 3 the pipe 8 separates the annular channel 4 from a central inner channel 25, in which the secondary injection device 3, preferably concentric, is arranged. In this channel 25, a vortex generator 26 is arranged, which is expediently positioned upstream of injection openings of the secondary injection device 3. In this embodiment, the Secondary injection device 3 additionally radial injection openings 27, via the gaseous fuel in the inner channel 25 can be eingesüsbar. The inner channel 25 is open to the combustion chamber 2 and also serves to introduce a gas flow. This gas flow, in particular air, is introduced according to an arrow 28 in the inner channel 25, wherein this flow is acted upon by the vortex generator 26 with a swirl. This inner swirl flow can also serve to stabilize the recirculation zone 29.

Eine hier nicht dargestellte Brennersteuerung kann nun in Abhängigkeit von Parametern für den Brenner 1 einen Pilotbetrieb, einen Katalysatorbetrieb und einen Mischbetrieb realisieren. Beim reinen Pilotbetrieb ist die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 aktiviert, während die Primär-Einspritzeinrichtung 7 deaktiviert ist. Zusätzlich oder alternativ kann im Pilotbetrieb die Zusatz-Einspritzeinrichtung 24 aktiviert werden. Im Unterschied dazu ist beim reinen Katalysatorbetrieb die Primär-Einspritzeinrichtung 7 aktiviert, während die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 deaktiviert ist. Beim Mischbetrieb sind sowohl die Primär-Einspritzeinrichtung 7 als auch die Sekundär-Einspritzeinrichtung 3 aktiviert. Die Parameter, in deren Abhängigkeit die Brennersteuerung zwischen den einzelnen Betriebs-Modi umschaltet, können wenigstens einen der folgenden Parameter umfassen: eine aktuell an den Brenner 1 gestellte Leistungsanforderung und/oder Anforderungen hinsichtlich Flammenstabilität und Schadstoffemission und/oder aktuelle Temperatur des Katalysators 5.A burner control not shown here can now realize a pilot operation, a catalyst operation and a mixed operation depending on parameters for the burner 1. In pure pilot operation, the secondary injector 3 is activated while the primary injector 7 is deactivated. Additionally or alternatively, the additional injection device 24 can be activated in pilot operation. In contrast, in the pure catalyst operation, the primary injector 7 is activated while the secondary injector 3 is deactivated. In mixed operation, both the primary injector 7 and the secondary injector 3 are activated. The parameters, in dependence of which the burner control system switches over between the individual operating modes, can comprise at least one of the following parameters: a power demand currently set for the burner 1 and / or requirements with regard to flame stability and pollutant emission and / or current temperature of the catalytic converter 5.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brennerburner
22: Brennkammercombustion chamber
33: Sekundär-EinspritzeinrichtungSecondary injector
44: Ringkanalannular channel
55: Katalysatorcatalyst
66: DrallerzeugungseinrichtungSwirler
77: Primär-EinspritzeinrichtungPrimary injector
88th: Rohrpipe
99: Drallerzeugerswirl generator
1010: Übergang zwischen 4 und 2Transition between 4 and 2
1111: QuerschnittserweiterungCross-sectional widening
12a12a: EinspritzstufeInjection stage
12b12b: EinspritzstufeInjection stage
12c12c: EinspritzstufeInjection stage
13a13a: EinspritzstufeInjection stage
13b13b: EinspritzstufeInjection stage
1414: erste Einspritzanordnungfirst injection arrangement
1515: Zuführung von flüssigem BrennstoffSupply of liquid fuel
1616: zweite Einspritzanordnungsecond injection arrangement
1717: Zuführung von gasförmigem BrennstoffSupply of gaseous fuel
1818: Kühlkanalcooling channel
1919: Zuführung von KühlgasSupply of cooling gas
2020: Zuführung von GasSupply of gas
2121: BrennstoffzuführungseinrichtungFuel supply means
2222: Zuführung von Brennstoff-Oxidator-GemischSupply of fuel-oxidizer mixture
2323: Zusatz-ReaktionszoneAdditional reaction zone
2424: Zusatz-EinspritzeinrichtungAdditional injector
2525: innerer Kanalinner channel
2626: Wirbelerzeugervortex generators
2727: radiale Einspritzöffnungradial injection opening
2828: Zufuhr von GasSupply of gas
2929: zentrale Rezirkulationszonecentral recirculation zone
3030: Längsachse von 4Longitudinal axis of 4

Claims

Catalytic burner on or for a combuster (2), in particular of a power station installation, comprising
- an annular duct (4) leading to the combuster (2),

- a catalyzer (5) arranged in the annular duct (4),

- a primary injection device (7) for injecting a fuel and/or a fuel-oxidant mixture into the annular duct (4) upstream of the catalyzer (5),

- a secondary injection device (3) for directly injecting a fuel into the combuster (2),
characterized in that

- a swirl generation device (6) is provided, which is arranged in the annular duct (4) downstream of the catalyzer (5) and subjects a flow through the catalyzer (5) to a swirl.
Burner according to Claim 1, characterized in that the secondary injection device (3) is configured in such a way that it injects fuel or fuel-oxidant mixture into a recirculation zone (29), which forms in the combuster (2) during operation of the burner (1).
Burner according to Claim 1 or 2, characterized in that the secondary injection device (3) is arranged relative to the annular duct (4) in such a way that the annular duct (4) and the catalyzer (5) surround the secondary injection device (3) as an annulus.
Burner according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the secondary injection device (3) is arranged concentrically or eccentrically with respect to a central longitudinal center line (30) of the annular duct (4).
Burner according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the swirl generation device (6) is integrated into the catalyzer (5).
Burner according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the swirl generation device (6) has a swirler (9), which is configured as a separate component and is arranged downstream of the catalyzer (5) in the annular duct (4).
Burner according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the dimensions of the annular duct (4) and the combuster (2) are adapted to one another in such a way that a cross-sectional expansion (11) is configured at the transition (10) from the annular duct (4) to the combuster (2).
Burner according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the swirl generation device (6) is arranged at the transition (10) between the annular duct (4) and the combuster (2).
Burner according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the primary injection device (7) has a plurality of injection stages (12a, 12b, 12c; 13a, 13b), which can be actuated independently of one another for injecting the fuel or the fuel-oxidant mixture into the annular duct (4).
Burner according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the primary injection device (7) has a plurality of injection nozzles, which are arranged in the annular duct (4) concentrically and in a ring or star shape relative to a central longitudinal center line (30) of the annular duct (4).
Burner according to one of Claims 9 and 10, characterized in that each injection stage (12a, 12b, 12c; 13a, 13b) has a plurality of injection nozzles, which are arranged in the annular duct (4) concentrically and in a ring or star shape with respect to the central longitudinal center line (30) of the annular duct (4).
Burner according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the secondary injection device (3) and the primary injection device (7) are connected, for the supply with fuel and/or fuel-oxidant mixture, to a common fuel supply device (21).
Burner according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the secondary injection device (3) has a first injection arrangement (14) supplied with liquid fuel and second injection arrangement (16) supplied with gaseous fuel, which arrangements can be actuated independently of one another.
Burner according to one of Claims 1 to 13, characterized in that a flow path for an oxidant or an oxidant mixture, in particular air and/or fuel-oxidant mixture, is guided through the burner (1) in such a way that the oxidant or the oxidant mixture essentially reaches the combuster (2) through the annular duct (4) only.
Burner according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the annular duct (4) encloses a central, inner duct (25) which is open toward the combuster (2).
Burner according to Claim 15, characterized in that the secondary injection device (3) is arranged in the central, inner duct (25).
Burner according to Claim 16, characterized in that a swirler (26) is provided which is arranged in the inner duct (26) upstream of one or a plurality of injection orifices of the secondary injection device (3) and subjects a flow through the inner duct (25) to a swirl.
Burner according to one of Claims 1 to 17, characterized in that an additional reaction zone (23) is configured in the annular duct (4) upstream of the primary injection device (7), with which additional reaction zone (23) is associated an additional injection device (24) for injecting a fuel or a fuel-oxidant mixture into the additional reaction zone (23).
Burner according to one of Claims 1 to 18, characterized in that the primary injection device (7) is configured for injecting a fuel-oxidant mixture.
Burner according to one of Claims 1 to 19, characterized in that a burner control system is provided which, as a function of predetermined parameters, permits, for the burner (1), a pilot operation with activated secondary injection device (3) and deactivated primary injection device (7), a catalyzer operation with activated primary injection device (7) and deactivated secondary injection device (3) and a mixed operation with activated primary injection device (7) and activated secondary injection device (3).
Burner according to Claim 20, characterized in that the predetermined parameters comprise at least one of the following parameters:
- a current power requirement placed on the burner (1),

- requirements with respect to flame stability and pollutant emission,

- temperature of the catalyzer (5).