Stand der Technik Im Bestreben die Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu reduzieren, werden große Anstrengungen insbesondere auf dem Gebiet der Energieerzeugung unternommen, insbesondere den C02-Ausstoß durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu verringern. In diesem Zusammenhang wird an einem Gasturbinenkönzept zur Erzeugung elektrischer Energie gearbeitet, das unter dem Kürzel"AZEP" (advanced zero emissions power) für eine nahezu Stickoxid-freie Verbrennung fossiler Brennstoffe steht und darüber hinaus die Möglichkeit einer vollständigen Vermeidung des freien Ausstoßes von C02 in die Atmosphäre bietet.

Vorstehend genanntes Gasturbinenkonzept basiert auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere gasförmiger Brennstoffe, wie bspw. Methan, in Gegenwart eines Gemisches aus rezirkuliertem Abgas, in dem C02, H20 und Sauerstoff als Oxidationsmittel und nicht, wie bei konventionellen Verbrennungsvorgängen, unter Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches, das in beträchtlichem Maße Stickstoff enthält.

Mit dem vorgeschlagenen Verbrennungskonzept nach dem AZEP-Prinzip gelingt es bspw. bei der Verbrennung von Methan (CH4) als eingesetzten, gasförmigen, fossilen Brennstoff in Gegenwart des Sauerstoffes als Oxidationsmittel im wesentlichen nur aus C02 und H20 als Verbrennungsprodukte zu erhalten.

Der im Abgasstrom enthaltene Wasseranteil kann mit Hilfe einfacher und kostengünstig realisierbarer Kondensatoren aus dem Abgasstrom nach Bedarf vollständig separiert werden, so dass letztlich ein aus nahezu reinem C02 bestehender Abgasstrom erhalten werden kann, setzt man voraus, dass die Verbrennung vollständig erfolgt und jegliches CO zu C02 in Gegenwart von Sauerstoff oxidiert. Der C02-Abgasstrom wird einerseits im Rahmen einer Teilstromrückführung dem Gasturbinenprozess als C02-Massenstrom für die Verbrennung erneut zugeführt, der verbleibende Restabgasstrom wird anderseits einer geeigneten Verwertung bzw. in komprimierter Form zur Endlagerung in geeigneten geologischen Erdschichten deponiert und somit der freien Atmosphäre als schädliches Treibhausgas völlig entzogen.

Zur erfolgreichen und kostengünstigen Umsetzung des Gasturbinenkonzeptes AZEP bedarf es einer sicheren und kostengünstigen Methode zur Sauerstoffherstellung.

Hierzu eignen sich sog. Sauerstofftrenneinrichtungen, die mit einer für Sauerstoffionen und für Elektronen leitenden Membran, eine sog. MCM-Membran (mixed conducting membrane), ausgestattet sind. Eine bevorzugte Vorrichtung zur Herstellung und Aufbereitung eines mit Sauerstoff angereicherten Trägergasstromes, der mit Brennstoff vermischt innerhalb einer Brennkammer zur Zündung und Verbrennung gebracht wird, ist in der EP 1 197 257 A1 beschrieben, bei der ein aus der Brennkammer austretender Teilabgasstrom in eine Sauerstofftrenneinrichtung eingeleitet wird und in Form eines mit Sauerstoff angereicherten Trägergasstromes austritt. Da der mit Sauerstoff angereicherte Trägergasstrom ausschließlich aus C02, H20 und reinem Sauerstoff als Oxidator besteht, wird dieser Massenstrom auch als Oxidatormischung im Weiteren bezeichnet.

Die mit Hilfe der Sauerstofftrenneinrichtung gewonnene Oxidatormischung wird im Weiteren mit gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise CH4 vermischt und als Brennstoff/Oxidator-Gemisch innerhalb der Brennkammer gezündet zur Verbrennung gebracht.

Um die Effizienz der Sauerstofftrenneinrichtung zu steigern, gilt es ein möglichst hohes Treibgefälle zwischen der Permeat-und Retentatseite der MCM-Membran herzustellen. So wird der mit Sauerstoff anzureichernde rezirkulierte Abgasstrom permeatseitig durch die Sauerstofftrenneinrichtung längs zur MCM-Membran mit hoher Strömungsgeschwindigkeit geleitet, wodurch die permeatseitige Sauerstoffkonzentration herabgesetzt und das Treibgefälle zwischen der Retentatseite, die von einem vorgewärmten, sauerstoffhaltigen Gas durchströmt wird, und der Permeatseite erhöht wird. Trotz der Sauerstoffanreicherung ist der Sauerstoffanteil innerhalb des aus der Sauerstofftrenneinrichtung austretenden mit Sauerstoff angereicherten Trägergastromes zu gering, um mit Hilfe gängiger Verbrennungstechniken eine stabile und effektive Verbrennung des sich ausbildenden Brennstoff/Oxidator-Gemisches zu erzielen.

Selbst unter Verwendung von Diffusionsbrennern, die für eine hohe Verbrennungsstabilität bereits bei einer Sauerstoffzahl von X = 1 bekannt sind (R gibt das Verhältnis aus tatsächlichem Sauerstoffangebot zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung an), sind aufgrund des hochverdünnten Sauerstoffanteils innerhalb der Oxidatormischung nur unbefriedigende Verbrennungsergebnisse erreichbar. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Zündfähigkeit eines derartigen Brennstoff/Oxidator-Gemisches selbst bei Gemischtemperaturen zwischen 400 °C und 750 °C unter Verwendung an sich bekannter Vormischbrennertechniken weitaus geringer ist als in Fällen unter Einsatz herkömmlicher Brennstoffluftgemische. Es zeigte sich überdies, dass die Zündverzögerungszeiten eines Brennstoff/Oxidator-Gemisches nach der AZEP- Technik um wenigstens eine Größenordnung größer sind, als jene, die beim Einsatz konventioneller Verbrennungstechniken gemessen werden. Ferner wirkt sich das zeitlich verzögerte Zündzeitverhalten ebenso auf die Verweilzeiten zur vollständigen Verbrennung des gezündeten Brennstoff/Oxidator-Gemisches innerhalb der Brennkammer nachteilig aus, wobei zudem die im Wege der Verbrennung entstehenden CO-sowie unverbrannten Kohlenwasserstoff-Anteile weit über jenen Werten liegen, die mit konventioneller Verbrennungstechnik erhalten werden.

Schließlich wirkt sich die verringerte Zündfähigkeit bzw. Reaktivität des Brennstoff/Oxidator-Gemisches auch in reduzierender Weise auf die Flammengeschwindigkeit aus, wodurch die sogenannte magere Löschgrenzen reduziert werden.

Die vorstehend aufgezählten durchaus kritischen Auswirkungen auf das Verbrennungsverhalten bei Einsatz eines Brennstoff/Oxidator-Gemisches verschlimmern sich überdies, sofern man die Tatsache berücksichtigt, dass die Maximaltemperatur der durch die Verbrennung entstehenden Abgasprodukte verhältnismäßig niedrig sein sollte, bspw. max. 1250°C, um Schädigungen an den längs der Abgasrezirkulation vorgesehenen Komponenten, wie bspw. MCM- Membran innerhalb der Sauerstofftrenneinrichtung sowie dem Hochtemperaturwärmetauscher zur Vorwärmung des der Sauerstofftrenneinrichtung retentatseitig zuzuführenden sauerstoffhaltigen Gases, zu vermeiden.

Auch gilt es die durch den Verbrennungsvorgang hervorgerufene thermische Belastung der einzelnen mit den Abgasen in Kontakt tretenden Komponenten auf einem weitgehend gleichbleibenden und relativ niedrigen (weniger 1250 °C) Temperaturniveau zu halten, um thermisch bedingte Materialdegradationen innerhalb der einzelnen Komponenten weitgehend ausschließen zu können. Aus diesem Grunde sind konventionelle Vormischverbrennungsmethoden, die ausschließlich auf aerodynamischen Stabilisierungseffekten beruhen und den Einsatz von sehr heißen Flammtemperaturen erfordern, ungeeignet.

Zwar vermag der Einsatz katalytischer Verbrennungstechniken die geforderten Temperaturbedingungen mithelfen einzuhalten, doch trägt der innerhalb der Abgase entstehende Wasserdampf unter mageren Brennstoff-Mischungsbedingungen dazu bei, dass die Zündtemperatur für die katalytische Oxidation des Brennstoffes ansteigt. Um dennoch die erhöhten Zündtemperaturen innerhalb des Brennstoff/Oxidator-Gemisches zu erreichen ist dafür zu sorgen, dass die Temperatur der Oxidatormischung, die vor Brennereintritt mit dem Brennstoff vermischt wird, erhöht wird, wodurch automatisch das Temperaturniveau des rezirkulierenden Abgasstromes zu erhöhen ist. Letztlich bleibt in diesem Zusammenhang als kritisch anzumerken, dass das zur katalytischen Oxidation des Brennstoffes erforderliche Katalysatormaterial, typischerweise Platin oder Palladium auf Trägermaterialien aufgebracht ist, wie bspw. Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Zirkoniumoxid, die bei derart hohen Temperaturen und einem Wasserdampfanteil von größer 50% instabil sind oder zu beginnen werden.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennereintritt, dem ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem mit Sauerstoff angereichertem Trägergas zur Verbrennung innerhalb einer sich in Strömungsrichtung an den Brennereintritt anschließenden Brennkammer zugeführt wird, derart weiterzubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile sowie technischen Schwierigkeiten vermieden werden sollen. Insbesondere soll es möglich sein unter Verwendung gängiger Verbrennungstechniken ein Arbeitsgas für den Betrieb eines nach dem AZEP-Prinzip arbeitenden Brenners bereitzustellen, das eine stabile und vollständige Verbrennung innerhalb der Brennkammer ermöglicht, bei Einhaltung aller durch die zur Bereitstellung des Arbeitsgases erforderlichen Komponenten geforderten Temperaturgrenzen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie Anspruch 10 angeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Wie eingangs erwähnt, trägt die reduzierte Zündfähigkeit bzw. Reaktivität des Brennstoff/Oxidator-Gemisches aufgrund des hochverdünnten Sauerstoffanteils innerhalb der, Oxidatormischung dazu bei, dass der Verbrennungsvorgang mit Hilfe an sich bekannter Brennertechniken unbefriedigende Ergebnisse liefert. Zur Vermeidung aller vorstehend beschriebener negativer Auswirkungen auf den Verbrennungsvorgang des bereitgestellten Brennstoff/Oxidator-Gemisches sieht das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte vor : Vor Brennereintritt wird eine erste Oxidatormischung, d. h. ein mit Sauerstoff angereicherter Trägergasstrom bereitgestellt, die in an sich bekannter Weise, wie vorstehend erwähnt, gewonnen wird. Dieser ersten Oxidatormischung wird Brennstoff, vorzugsweise gasförmiger fossiler Brennstoff wie bspw. Methan zur Ausbildung eines ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches beigemischt. Ebenso wird eine zweite Oxidatormischung bereitgestellt, deren stoffliche Zusammensetzung identisch mit der ersten Oxidatormischung ist.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird das erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch einer Katalysatoreinheit zugeführt, innerhalb der wenigstens teilweise des in dem ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisch enthaltenen Brennstoffanteils katalytisch oxidiert wird.

Im Falle von Methan (CH4) als eingesetzter fossiler gasförmiger Brennstoff entstehen als Katalysatorprodukte Wasserstoff (H2) sowie im wesentlichen Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2). Insbesondere die Ausbildung von Wasserstoff trägt im Weiteren zur drastischen Erhöhung der Reaktivität des Brennstoff/Oxidator-Gemisches bei, die sich in vorteilhafter Weise auf eine Verkürzung der Zündzeitdauer des Brennstoff/Oxidator-Gemisches auswirkt. Bevor jedoch das katalysierte, erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch zur Zündung und Verbrennung gebracht wird, wird dieses mit der anfänglich bereitgestellten zweiten Oxidatormischung zur Ausbildung eines zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches gemischt. Erst nach Ausbildung des zweiten Brennstoff/Oxidator-Gemisches wird dieses gezündet und zur Verbrennung innerhalb der Brennkammer gebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit eine Kombination aus einer Katalyse eines brennstoffreichen bzw. fetten Brennstoff/Oxidator-Gemisches unter Ausbildung von reaktionsfähigem Wasserstoff und einer nachfolgenden Verbrennung eines abgemagerten Brennstoff/Oxidator-Gemisches, bspw. im Wege eines konventionellen Vormischbrenners vor. Die Abmagerung des katalysierten, ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erfolgt durch Zumischung des bereitgestellten zweiten Oxidatorgemisches, wodurch der Brennstoffanteil pro Volumenanteil reduziert wird.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu einer Reihe von Vorteilen : Die Zündtemperatur des katalytisch oxidierten Brennstoffes, der in Form eines fetten Brennstoff/Oxidator-Gemisches einer Katalysatoreinheit zugeführt wird, reduziert sich signifikant. Die Reduzierung der Zündtemperatur sowie auch eine sich ausbildende Stabilisierung der sich stromab eines Vormischbrenners innerhalb einer Brennkammer ausbildenden Flammenfront ist auf die Entstehung von Wasserstoff zurückzuführen, der sich im Wege der katalytischen Oxidation des Brennstoffes CH4 bildet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 10, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass im Bereich des Brennereintritts wenigstens ein Einspeisungsmittel für die Oxidatormischung sowie eine Brennstoffzuführungseinheit vorgesehen sind. Das Einspeisungsmittel für die Oxidatormischung sowie die Brennstoffzuführungseinheit sind im Bereich des Brennereintritts derart angeordnet, dass eine weitgehend vollständige Durchmischung zwischen dem gasförmigen Brennstoff und der zugeführten Oxidatormischung gewährleistet wird. Ferner ist im Bereich des Brennereintritts stromab des Einspeisungsmittels sowie der Brennstoffzuführungseinheit eine Katalysatoreinheit vorgesehen, durch die das sich ausbildende Brennstoff/Oxidator- Gemisch hindurchströmt. Schließlich ist wenigstens eine die Katalysatoreinheit umgehende oder durchdringende Bypassleitung vorgesehen, die den Bereich des Brennereintritts stromauf zur Katalysatoreinheit mit dem Bereich des Brennereintritts stromab der Katalysatoreinheit verbindet. Durch die wenigstens eine Bypassleitung wird ausschließlich reine Oxidatormischung hindurchgeleitet, die stromab zur Katalysatoreinheit dem katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisch zu Zwecken der gezielten Abmagerung des Brennstoffanteils zugemischt wird.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Herstellung der Oxidatormischung mit an sich bekannten Mitteln, indem mittels einer Rezirkulationsleitung ein Teil aus der Brennkammer austretenden Abgase als Trägergas in eine Sauerstofftrenneinrichtung eingeleitet wird, aus der das Sauerstoff-angereicherte Trägergas austritt und üblicherweise über einen Wärmetauscher zur Einspeisung in den Brennereintritt gemäß der EP 1 197 257 A1 zur Verfügung gestellt wird.

Die Bereitstellung der Oxidatormischung erfolgt einheitlich sowohl zur Einspeisung in die Bypassleitung zur Umgehung der Katalysatoreinheit als auch zur Einleitung in das Einspeisungsmittel über das ein Teil der Oxidatormischung mit Brennstoff vermischt und als Brennstoff/Oxidator-Gemisch der Katalysatoreinheit zugeführt wird.

Weitere Einzelheiten, sowohl das erfindungsgemäße Verfahrensprinzip als auch die zur Durchführung des Verfahrens erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine betreffend, insbesondere einer Gasturbinenanordnung, sind im Weiteren unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

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 eine schematisierte Darstellung zur Aufbereitung eines zündfähigen Brennstoff/Oxidator-Gemisches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ; Fig. 2 eine Darstellung einer Katalysatoreinheit mit einem stromauf angeordneten Strömungsleitmittel ; Fig. 3 eine alternative Ausbildung einer Katalysatoreinheit sowie Fig. 4a-d alternative Ausführungsformen der Katalysatoreinheit in Querschnittsdarstellung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Wie bereits vorstehend erwähnt dient zur Herstellung des mit Sauerstoff angereicherten Trägergases, sprich der Oxidatormischung, eine Sauerstofftrenneinrichtung mit einer MCM-Membran, in die ein Teil des aus der Brennkammer austretenden Abgases rezirkuliert wird und als mit Sauerstoff angereicherter Trägerstrom über eine Vorwärmeinheit den Brennereintritt als Oxidatormischung erneut zugeführt wird. Eine derartige Vorrichtung ist bspw. der EP 1 197 257 A1 zu entnehmen.

Dies vorausgeschickt wird nachfolgend Bezug auf einen in Figur 1 schematisiert dargestellten Brennereintritt 1 einer nicht weiter dargestellten Gasturbinenanlage genommen, der zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff/Oxidator-Gemisches von der linken zur rechten Seite durchströmt wird und im rechten Bereich in die Brennkammer 9 mündet. Es sei angenommen, dass eine Oxidatormischung als gasförmiger Stoffstrom, bestehend aus C02, H20 und 02 bei einer Temperatur T zwischen 450 und 600°C in die linke Eintrittsöffnung des Brennereintritts 1 eingespeist wird.

Stromab zum Eintrittsbereich des Brennereintritts 1 ist eine Trägerstruktur 3 vorgesehen, die in Strömungsrichtung eine Vielzahl von Durchgangskanälen 4,5 aufweist, von denen eine Gruppe von Strömungskanälen 4 dünnwandig mit einem Katalysatormaterial, bspw. Pt oder Pd, ausgekleidet sind und die andere Gruppe von Durchgangskanälen 5 aus dem Material der Trägerstruktur selbst, vorzugsweise aus einem inerten Material besteht, bspw. A103, Si02 oder ZrO. Unmittelbar stromauf zur Katalysatoreinheit 3 ist jeweils im Strömungsbereich vor den mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanälen 4 eine Brennstoffzuführungseinheit 6 vorgesehen, durch die gasförmiger, fossiler Brennstoff, vorzugsweise Methan (CH4) in den Brennereintritt zur Ausbildung eines ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches 7 eingespeist wird. Hierbei gelangt ein erster Teilstrom von Seiten der durch die Sauerstofftrenneinrichtung bereitgestellten Oxidatormischung 2 in den Einströmbereich des durch die Brennstoffzuführungseinheit bereitgestellten gasförmigen Brennstoffes zur Ausbildung des ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisches 7. Der übrige Anteil an bereitgestellter Oxidatormischung 2 durchströmt die als Bypassleitungen ausgebildeten Durchgangskanäle 5.

Das sich ausbildende erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch 7 weist ein aus Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasser und Methan als Brennstoff bestehendes Gasgemisch auf, dessen sog. Sauerstoffzahl 2, 1, damit ist das Verhältnis aus tatsächlichem Sauerstoffangebot zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung gemeint, kleiner 1, vorzugsweise 0,25 beträgt. Dieses verhältnismäßig brennstoffreiche bzw. fette Gasgemisch gelangt innerhalb der Katalysatoreinheit, bestehend aus dem mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanälen 4, in oberflächigen Kontakt mit dem Katalysatormaterial, bspw. Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Nickel (Ni), wodurch das fossile Brenngas wenigstens teilweise katalytisch oxidiert und chemisch umgesetzt wird. Als chemische Folgeprodukte der exotherm verlaufenden chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid, wodurch die Prozesstemperatur innerhalb der Katalysatoreinheit auf Temperaturen zwischen 550 und 1000°C ansteigt und der gesamte, die Katalysatoreinheit und damit verbunden auch die Trägerstruktur 3 durchsetzende Stoffstrom, bestehend aus dem ersten Brennstoff/Oxidator-Gemisch sowie der zweiten Oxidatormischung, die durch die Durchgangskanäle 5 hindurchtritt, entsprechend erwärmt wird. Die durch die exotherme Reaktion frei werdende Wärmemenge und die sich dadurch ergebende Prozesstemperatur hängt vom Sauerstoffanteil innerhalb des Brennstoff/Oxidator-Gemisches ab und kann über eine Regulierung des Sauerstoffanteils beeinflusst werden.

Wie im Weiteren, insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 2 und 3 hervorgeht, ist die Trägerstruktur 3 vorzugsweise in Art einer Wabenkörperstruktur ausgebildet und von einer Vielzahl von parallel verlaufenden Durchgangskanälen durchsetzt, von denen, wie gesagt, eine erste Gruppe 4 inwandig mit katalytischem aktiven Material ausgekleidet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich die Trägerstruktur anderweitig auszubilden, in einem einfachen Fall bspw. durch die Ausgestaltung eines Rohrbündels.

Aufgrund der Materialwahl hinsichtlich Trägerstruktur und Katalysatormaterial werden obere Betriebstemperaturgrenzen gesetzt, die im Bereich zwischen 700 und 900°C, vorzugsweise 750°C liegen. Werden diese prozessbedingt überschritten, ist mit Materialdegradation bzw. mit Ablösungen des Katalysatormaterials von der entsprechenden Trägerstruktur zu rechnen, wodurch die Betriebslebensdauer der Katalysatoreinheit begrenzt ist. Um jedoch eine optimale Betriebstemperatur einzuhalten sind die Verhältnisse der einzelnen Bestandteile des innerhalb der Katalysatoreinheit chemisch reagierenden Brennstoff/Oxidator-Gemisches, d. h.

Brennstoff, Sauerstoff, C02 und Wasser, gezielt einzustellen um eine gewünschte Kühlwirkung zu erzielen.

Auch ist eine passive Kühlung durch Wahl des Volumenanteils der die Trägerstruktur durchsetzenden Bypassleitungen möglich, innerhalb der keine exothermen chemischen Reaktionen auftreten, wodurch die die Bypassleitungen bzw. die Durchgangskanäle 5 durchströmende Oxidatormischung als Kühlströmung aufgefasst werden kann.

Unmittelbar in Strömungsrichtung der Trägerstruktur 3 innerhalb des Brennereintritts 1 nachfolgend gelangt das katalysierte erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch in Mischung mit der reinen, durch die Durchgangskanäle 5 zugeführten Oxidatormischung, wodurch der Volumenanteil des Brennstoffes innerhalb des sich im Bereich 8 des Brennereintritts 1 ausbildenden zweiten Brennstoff/Oxidator- Gemisches abnimmt, so dass das zweite Brennstoff/Oxidator-Gemisch weitaus magerer ist als das der Katalysatoreinheit zugeführte erste Brennstoff/Oxidator- Gemisch. Die Mischung aus beiden Stoffströmen erfolgt derart effektiv und schnell, so dass vor Erreichen einer vollständigen Durchmischung keinerlei Zünderscheinungen auftreten.

Das Erfordernis einer möglichst effektiven und schnellen Durchmischung des aus der Katalysatoreinheit austretenden katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit der reinen, über die Bypassleitungen bzw. Durchgangskanäle 5 zugeführten Oxidatormischung rührt von der sehr hohen Reaktivität der durch die katalytische Oxidation gebildeten Wasserstoffanteile her, die mit der zugeführten Oxidatormischung zu vermischen sind.

Würden dennoch Zünderscheinungen vor einer vollständigen Durchmischung beider Stoffströme auftreten, so würden diese zu sog."Hotspots"führen, durch die sich ein heterogenes Temperaturprofil innerhalb des Bereiches 8 des Brennereintrittes 1 einstellt und die letztlich zu lokalen Materialüberhitzungen an jenen Komponenten führen würden, die in Kontakt mit den entstehenden Abgasströmen gelangen.

Ziel der raschen Durchmischung stromab zur Trägerstruktur 2 ist die Herstellung eines vollständig und gleichmäßig durchmischten, abgemagerten, katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit einer Sauerstoffzahl 2 >1, das letztlich innerhalb einer an den Brennereintritt 2 anschließenden Brennkammer 9 verbrannt wird.

Die Verbrennung des mageren katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erfolgt typischerweise im Rahmen eines an sich üblichen Vormischbrenners oder im Rahmen einer katalytischen Verbrennung. Zur Verdeutlichung der letztgenannten Verbrennungsvariante ist vor Eintritt in die Brennkammer 9 eine weitere Katalysatoreinheit 10 vorgesehen, durch die die katalytische Verbrennung initiiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht im Wege einer katalytischen Oxidation fossilen gasförmigen Brennstoffes im Rahmen eines fetten Brennstoff/Oxidator- Gemisches eine gezielte Erzeugung hochreaktiven Wasserstoffs vor, durch den die Reaktivität des sich ausbildenden katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erheblich gesteigert wird. Der eigentliche Verbrennungsvorgang des durch die zusätzliche Beimischung einer Oxidatormischung abgemagerten katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches erfolgt durch die Gegenwart von Wasserstoff mit sehr kurzen Zündverzögerungszeiten sowie bei Temperaturen von unter 1250°C.

Somit können durch die gezielte Umwandlung fossilen Brennstoffes, vorzugsweise CH4 in Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxyd/Wasserdampf die Zündtemperatur als auch die magere Löschtemperatur innerhalb der Brennkammer signifikant reduziert werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Brenners ist es möglich die Abgastemperaturen unterhalb jener zu halten, die zur Zerstörung aller Komponenten innerhalb der Sauerstoffanreicherungseinrichtung führen würden.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Trägerstruktur 3 dargestellt, die eine Vielzahl von in Spalten und Reihen angeordnete, im Querschnitt rechteckförmige Durchgangskanäle aufweist. In zeilenweise, abwechselnder Anordnung sind jeweils mit einem Katalysatormaterial inwandig ausgekleidete Durchgangskanäle 4 sowie aus chemisch weitgehend inerten Material bestehende, als Bypassleitungen ausgebildete Durchgangskanäle 5 vorgesehen. Selbstverständlich ist es möglich, Querschnittsform und Anordnung der jeweiligen Durchgangskanäle 4 und 5 nach einem äquivalenten alternativen räumlichen Ordnungsmuster anzuordnen und auszubilden, bspw. gemäß einer Wabenstruktur, Schachbrettanordnung oder ähnlichen Ausbildungsformen.

Zur räumlich getrennten Zuführung der jeweiligen Stoffströme in die nach Gruppen unterteilten Durchgangskanäle 4 und 5 dient ein in Strömungsrichtung der Trägerstruktur 3 vorgeschaltetes Strömungsleitmittel 11, das lediglich zu Zwecken einer bessern Übersicht getrennt von der Trägerstruktur 3 abgebildet ist.

Normalerweise ist das Strömungsleitmittel 11 unmittelbar mit der in Strömungsrichtung zugewandten linken Vorderfront der Trägerstruktur 3 gasdicht, fest verbunden. Das Strömungsmittel 11 weist eine an die Zeilenanordnung der Durchgangskanäle 4 und 5 innerhalb der Trägerstruktur 3 angepasste Fächeranordnung auf, die relativ zur Durchströmungsrichtung durch die Durchgangskanäle 4 und 5 der Trägerstruktur 3 abwechselnd seitlich offene Eintrittsseitenflanken 12,13 vorsieht. So sei im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 angenommen, dass längs der Eintrittsseitenflanken 12 des Strömungsleitmittels 11 das erste Brennstoff/Oxidator-Gemisch 7 eingeleitet wird, das durch die ansonsten trapezförmige Ausbildung des Strömungsleitmittels 11 in Richtung der mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 4 umgelenkt wird. Alternativ ist es auch möglich die Zuführung von Brennstoff und Oxidatormischung getrennt durch die Eintrittsseitenflanken 12 des Strömungsleitmittels 11 vorzunehmen. In diesem Fall erfolgt die Durchmischung zwischen Brennstoff und Oxidatormischung innerhalb des Strömungsleitmittels 11, das im Inneren über geeignete Strömungsturbulenzen iniziierende Mittel zu Zwecken der Durchmischung vorsieht.

Die Strömungsumlenkung erfolgt jeweils zeilenweise innerhalb des Strömungsleitmittels 11 korrespondierend zu den zeilenförmig angeordneten Durchgangskanälen 4. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass durch die mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 4 ausschließlich das Brennstoff/Oxidator-Gemisch 7 hindurchströmt. In gleicher Weise erfolgt die Zuführung der reinen Oxidatormischung über die Eintrittsseitenflanken 13 des Strömungsleitmittels 11. Zur Strömungsumlenkung der jeweiligen, über die Eintrittsseitenflanken 12,13 eintretenden Stoffströme dient jeweils eine der offenen Eintrittsseitenflanken in jeder Zeilenebene in Eintrittsströmungsrichtung gegenüberliegende geschlossene Seitenwand, die die jeweiligen Strömungen in Durchgangsrichtung durch die Durchgangskanäle 4,5 umlenken.

Um eine möglichst effektive und unmittelbar nach Austritt durch die Trägerstruktur 3 der jeweiligen Stoffströme einsetzende Durchmischung des katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches mit der reinen Oxidatormischung zu erzielen, noch bevor Zünderscheinungen vor der vollständigen Durchmischung auftreten, sind die Durchgangskanäle 4,5 möglichst unmittelbar benachbart zueinander anzuordnen sowie im Querschnitt kleinstmöglich zu dimensionieren. Bei der Durchmischung gilt es daher die Mischlängen möglichst klein zu wählen, d. h. eine vollständige Durchmischung der aus den Durchgangskanälen 4,5 austretenden Stoffströme sollte möglichst nahe dem Strömungsaustritt der Trägerstruktur 3 erfolgen.

In Figur 3 ist eine Ausführungsvariante der Trägerstruktur 3 vorgesehen, durch die eine besonders effektive Durchmischung der aus den Durchgangskanälen 4,5 austretenden Stoffströme bewirkt wird. So sind die mit dem Katalysatormaterial inwandig ausgekleideten Durchgangskanäle 4 sowie die unbeschichteten Durchgangskanäle 5 in Art eines Schachbrettmusters angeordnet. Zwar sehen die Durchgangskanäle im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich rechteckige Querschnitte vor, doch können diese auch abweichende Querschnittsformen aufweisen, wie bspw. hexagonale Querschnittsformen. Zur separierten Strömungszuführung zwischen den jeweiligen Durchgangskanälen 4 und 5 ist zwischen dem Strömungsleitmittel 11, das identisch zu jenem gemäß Figur 2 ausgebildet ist, und der Trägerstruktur 3 eine Lochplatte 14 vorgesehen, die Durchtrittsöffnungen 15 aufweist, die mit den jeweiligen Durchgangskanälen 4,5 korrespondieren. Mit Hilfe der Lochplatte 14 ist eine gezielte Zuführung des Brennstoff/Oxidator-Gemisches ausschließlich durch die mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 4 gewährleistet, gleiches gilt entsprechend für die Zuführung der reinen Oxidatormischung für die Zuführung durch die Durchgangskanäle 5. Auch die in Figur 3 dargestellten Komponenten, bestehend aus Strömungsleitmittel 11, Lochplatte 14 sowie Trägerstruktur 3 sind lediglich aus Gründen einer besseren Übersicht getrennt voneinander dargestellt. In einer realistischen Ausführungsform befinden sich die drei Komponenten in einer gegenseitigen, gasdichten Verbindung, durch die eine gewünschte Stoffströmungszuführung durch die jeweiligen Durchgangskanäle 4,5 gewährleistet ist.

In den Figuren 4a-d sind Ausschnitte von Querschnitten durch die Trägerstruktur 3 abgebildet, die Bereiche von Durchgangskanälen 4 mit inwandig ausgekleideten Katalysatormaterial sowie Durchgangskanäle 5 zeigen, deren Kanalwände lediglich aus dem Material der Trägerstruktur 3 selbst bestehen und insofern keine katalytische Wirkung auf den die Durchgangskanäle 5 durchsetzenden Stoffstrom haben. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der katalysierenden Oberfläche zu den inerten Oberflächen längs der Durchgangskanäle kann der Anteil der katalysierenden Reaktionen und die damit verbundene Freisetzung exothermer Energie innerhalb der Trägerstruktur 3 beeinflusst werden.

So zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a einen verhältnismäßig großen Flächenanteil an Durchgangskanälen 4 mit Katalysatormaterial, zumal die Durchgangskanäle 4 inwandig vier Mikrokanäle aufweisen. Mit einer derartigen Anordnung sind hohe katalytische Reaktionsanteile verbunden, die zu einem verstärkten Auftreten exothermer Reaktionen und letztlich zur gesteigerten Herstellung von Wasserstoff führen. Demgegenüber sieht die Querschnittsanordnung gemäß Figur 4b einen größeren Anteil an Durchgangskanälen 5 vor, längs derer die Oxidatormischung zugeführt wird. Eine derartige Querschnittsanordnung eignet sich zu Zwecken besserer Kühlung.

Vergleicht man letztlich die Anordnung an Durchgangskanälen gemäß den Ausführungsbeispielen 4c und 4d so ist festzustellen, dass der Querschnittsanteil zwischen den mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanälen relativ zu den chemisch inerten Durchgangskanälen 5 gleich ist, doch vermag die Anordnung gemäß Figur 4d die aus der Trägerstruktur austretenden Stoffströme mit einer größeren Effizienz zu durchmischen als im Falle der Figur 4c.

Zusammenfassend kann im Lichte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der hierfür erforderlichen Vorrichtung folgendes festgehalten werden : 1. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine stabile Verbrennung eines gasförmigen fossilen Brennstoffes nach dem AZEP-Prinzip unter ausschließlicher Bildung von C02 und Wasser möglich.

2. Durch die gezielte Herstellung von Wasserstoff innerhalb des katalysierten Brennstoff/Oxidator-Gemisches wird die Zündtemperatur des Gemisches erheblich reduziert, wodurch eine weitere Verbrennung des Brennstoff/Oxidator-Gemisches unter mageren Bedingungen auch unter Verwendung konventioneller Vormischbrenner mit oder ohne katalysierter Verbrennung vollständig möglich ist.

3. Mit Hilfe der innerhalb des Brennereintrittes vorgesehenen Trägerstruktur sowie dem in Strömungsrichtung vor der Trägerstruktur vorgesehenen Strömungsleitmittels ist es möglich, das katalysierte Brennstoff/Oxidator-Gemisch mit der reinen Oxidatormischung vollständig und effektiv zu durchmischen, bevor Zünderscheinungen auftreten.

Bezugszeichenliste 1 Brennereintritt 2 Oxidatormischung 3 Trägerstruktur 4 mit Katalysator ausgekleidete Durchgangskanäle 5 Durchgangskanäle, Bypassleitung 6 Brennstoffzuführungseinheit 7 erstes Brennstoff/Oxidator-Gemisch 8 Bereich innerhalb der Brennereinheit 9 Brennkammer <BR> <BR> 10 Katalysatoreinheit<BR> 11 Strömungsleitmittel 12,13 Eintrittsseitenflanken 14 Lochplatte 15 Löcher