VERFAHREN ZUM VERBRENNEN WASSERSTOFFREICHER, GASFÖRMIGER

BRENNSTOFFE IN EINEM BRENNER SOWIE BRENNER ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik für Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Verbrennen wasserstoffreicher, gasförmiger Brennstoffe in einem Brenner einer Gasturbine gemäss dem

Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie einen Brenner zur Durchführung des

Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Zur Reduzierung des Ausstosses von Treibhausgasen in die Atmosphäre bedarf es grosser Anstrengungen, um insbesondere den Beitrag an anthropogenen CO2- Emissionen zu reduzieren. Etwa ein Drittel des durch den Menschen in die

Atmosphäre freigesetzten CO2 ist auf die Energieerzeugung zurückzuführen, bei der die zumeist fossilen 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 CO2-Ausstosses erzielt werden.

Eine an sich bekannte und technisch beherrschbare Möglichkeit, die CO2- Emission in Verbrennungskraftwerken zu reduzieren, besteht im Entzug von Kohlenstoff aus den zur Verbrennung gelangenden Brennstoffen. Dies setzt eine entsprechende Brennstoffvorbehandlung voraus, bei der beispielsweise die teilweise Oxidation des Brennstoffes mit Sauerstoff und/oder eine Vorbehandlung des Brennstoffes mit Wasserdampf durchgeführt wird. Derartig vorbehandelte Brennstoffe weisen zumeist einen grossen Anteil von H2 und CO auf, und verfügen je nach Mischungsverhältnissen über Heizwerte, die in der Regel unter jenen von natürlichem Erdgas (NG) liegen. Derartige synthetisch hergestellte Gase werden daher je nach Heizwert als MBtu- oder LBtu-Gase bezeichnet.

Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich derartige Gase nicht ohne weiteres für den Einsatz in herkömmlichen, für die Verbrennung von Erdgas konzipierten Brennern, wie sie beispielsweise in den Druckschriften EP-B1 -0 321 809, EP-A2-0 780 629, WO-93/17279 oder der EP 1 070 915 A1 beschrieben sind. Bei diesen bekannten Brennern, die mit einer Brennstoffvormischung arbeiten, wird eine sich in Strömungsrichtung konisch erweiternde Drallströmung aus Verbrennungsluft und beigemischtem Brennstoff erzeugt, die in Strömungsrichtung nach Austritt aus dem Brenner möglichst nach Erreichen einer vollständigen, homogenen

Durchmischung 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 dieser Vormischbrenners ausbildenden Drallströmung flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff zur Ausbildung eines möglichst homogenen

Brennstoff-Luftgemisches eingegeben. Gilt es jedoch, wie vorstehend erwähnt, zu Zwecken einer reduzierten CO2-Emission synthetisch aufbereitete, gasförmige Brennstoffe mit hohem Wasserstoffanteil alternativ zu oder in Kombination mit der Verbrennung herkömmlicher Brennstoffarten einzusetzen, so ergeben sich besondere Anforderungen an die konstruktive Auslegung der eingesetzten 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 starke 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. Heutige Verbrennungseinrichtungen für Gasturbinen und dgl., die für die

Verbrennung von wasserstoffreichen Brennstoffen ausgelegt sind, basieren auf einer starken Verdünnung von Diffusionsflammen (mit inerten Medien wie z.B. N2 und/oder Dampf). Häufig wird auch auf eine Herabsetzung der Leistung, d.h. eine Reduzierung der Flammentemperatur, zurückgegriffen. Es gibt weiterhin

Bemühungen, Verbrennungssysteme mit magerer Vormischverbrennung für wasserstoffreiche Brennstoffe zu entwickeln, um die Emissionen weiter zu reduzieren und den Einsatz von teuren Verdünnungsmedien zu minimieren.

Derartige Systeme benötigen einen hohen Grad an Vormischung.

Unglücklicherweise sind die wasserstoffreichen Brennstoffe jedoch so

reaktionsfreudig, dass erhebliche Änderungen notwendig sind, um diese

Brennstoffe sicher und sauber zu verbrennen. Diese Änderungen, wie z.B. das Erhöhen der Brennergeschwindigkeit durch sehr hohe Geschwindigkeiten in den Brennstoffstrahlen und/ oder sehr hohe Geschwindigkeiten in der

Verbrennungsluft, sind jedoch meist inkompatibel mit den Anforderungen an moderne Gasturbinenbrenner, nämlich niedrige Druckverluste im Brenner sowie geringe Verluste beim Brennstoffdruck. Das Hauptziel bei Brennern für wasserstoffreiche Brennstoffe kreist um das Problem, den Innenraum des Brenners auf sichere Weise mit dem Brennstoff zu füllen, um die NOx-Emissionen zu minimieren. Die grundlegenden Designkriterien zur Erreichung dieses Ziels sind:

· Der Brennstoff soll möglichst von irgendwelchen Wänden ferngehalten werden.

• Das Einfangen des Brennstoffs in irgendwelchen Rezirkulations- oder

Stagnationszonen muss verhindert werden.

• Die senkrechte Eindüsung des Brennstoffs, wie sie bei mit Erdgas

betriebenen Vormischbrennern üblich ist, muss vermieden werden.

Bei der Entwicklung von mageren Vormischbrennern für wasserstoffreiche

Brennstoffe sind verschiedene Wege beschritten worden, um die Brenner hinsichtlich NOx-Emissionen und Sicherheit gegen Flammenrückschlag zu verbessern. Fig. 1 zeigt einen dieser Wege, bei dem der wasserstoffreiche

Brennstoff an verschiedenen Stellen des Brenners eingedüst wird. Der AEV- Brenner 10 der in Fig. 1 als ein Beispiel für einen Doppelkegelbrenner gezeigt ist, weist entlang einer Brennerachse 16 eine Anordnung aus einem Doppelkegel 1 1 und einem nachfolgenden Mischrohr 12 auf. Durch tangentiale Schlitze im

Doppelkegel 1 1 wird Verbrennungsluft mit Drall in das Innere des Doppelkegels eingeführt. In die Verbrennungsluft wird am Doppelkegel 1 1 Erdgas für eine magere Vormischung eingedüst. Über eine Zentraldüse 13 kann Flüssigbrennstoff axial in den Brenner eingesprüht werden. Der wasserstoffreiche Brennstoff wird (als dritter Brennstoff) in axialer Richtung abgestuft eingedüst. Dies geschieht im dargestellten Beispiel an zwei Eindüsorten 14 (im Doppelkegel 1 1 ) und 15 (im Mischrohr 12).

Bei einer anderen Lösung (Fig. 2), die einen Doppelkegelbrenner 20 vom Typ des EV-Brenners für MBtu- Brennstoff zugrunde legt, wird wasserstoffreiches Ölgas (50% H2 und 50% CO) als MBtu- Brennstoff 19 am Brennerausgang über eine Vielzahl von speziell ausgebildeten Gaseindüsöffnungen 18 in die einströmende Verbrennungsluft 17 eingedüst. Durch die fehlende Mischstrecke ergeben sich Diffusionsflammen mit Flammenfronten 22 im Bereich des Wirbelaufplatzens 21 der eingedüsten Luft, in denen der NOx-Gehalt durch grosse Mengen (ca. 50%) von verdünnendem N2 unter Kontrolle gehalten wird. Magere Vormischbrenner sind grundsätzlich von Rückzündungsproblemen betroffen, wenn sie mit wasserstoffreichen Brennstoffen betrieben werden. Eine besondere Herausforderung für die mit wasserstoffreichen Brennstoffen betriebenen mageren Vormischbrenner bringt die Erfüllung des Kriteriums der „Forcierten Rückzündung". Hierbei wird mittels einer hochenergetischen Zündung versucht, eine Rückzündung gezielt zu initiieren. Gelingt dies nicht, arbeitet der Brenner stabil. Keiner der bisher entwickelten mageren Vormischbrenner für wasserstoffreiche Brennstoffe hat bisher dieses Kriterium erfüllt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbrennen von wasserstoffreichen Brennstoffen in einem mageren Vormischbrenner einer Gasturbine zu schaffen, der die Nachteile bisheriger Lösungen vermeidet und sich insbesondere durch eine hohe Sicherheit gegen Rückzündung auszeichnet, sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung des Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs im Bezug auf die Verbrennungsluft zumindest teilweise isokinetisch, d.h. teilweise mit gleicher Richtung und Geschwindigkeit in Bezug auf die Verbrennungsluft, erfolgt.

Als teilweise isokinetische Eindüsung ist eine Einsdüsung zu verstehen, die unter den praktischen Randbedingungen einer Brennkammer eine Eindüsung in Richtung und Geschwindigkeit der Verbrennungsluft annährt. Praktisch ist als teilweise isokinetische Eindüsung eine Eindüsung mit der Geschwindigkeit der Verbrennungsluft +/- 50% zu verstehen. Typischerweise wird die isokinetische Eindüsung mit der Geschwindigkeit der Verbrennungsluft +/- 20% realisiert.

Insbesondere wird die isokinetische Eindüsung bei hoher Brennerlast, d.h. bei hohen Brenngasmassenströmen und hohen Heissgastemperaturen nahe des Auslegungspunktes durchgeführt. Bei herkömmlichen Vormischbrennern für Gasturbinen wird das Brenngas typischerweise mit einer Geschwindigkeit eingedüst, die mindestens doppelt so hoch wie Geschwindigkeit der

Verbrennungsluft ist.

Bei einer Eindüsung aus einer Wand eines Brenners, ist auch bei der

isokinetischen Eindüsung eine Richtungskomponente senkrecht zur

Wandoberfläche erforderlich. Eine Eindüsung senkrecht zur Wandoberfläche oder zur Strömung wird aber vermieden. Der Winkel zwischen Eindüsrichtung und Senkrechten wird bei der isokinetischen Eindüsung > 20 ° gehalten. Soweit eine ausreichende Eindringtiefe des Brenngases in die Verbrennungsluft erreicht werden kann, wird ein Winkel von 30 ° bis 50 ° gewählt. Der Eindüsungsvektor ist dabei um > 20 ° in von der Senkrechten in Strömungsrichtung geneigt.

Typischerweise sollte die Abweichung der Geschwindigkeitskomponente des Brenngases und der Verbrennungsluft in der Ebene der Brennerwand weniger als +/- 20 ° betragen. Im Auslegungspunkt wird beispielsweise eine Abweichung von kleiner als +/-10 ° erreicht.

Bei einer isokinetischen Eindüsung aus der Hinterkante eines Bauteils kann die Abweichung zwischen Eindüsungsrichtung und Strömungsrichtung der

Verbrennungsluft in jeder Ebene kleiner als +/- 20 ° betragen. Im Auslegungspunkt wird für jede Ebene beispielsweise eine Abweichung von kleiner als +/-10 ° erreicht. Eine isokinetische Eindüsung kann sowohl in Brennern mit Drallströmung, wie beispielsweise in einen Doppelkegelbrenner, als auch in drallfrei durchströmten Brennern erfolgen. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in einer teilweise isokinetischen Art und Weise der

wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch längliche gerundete Öffnungen in die Verbrennungsluft eingedüst wird. Dabei wird die Hauptachse der länglichen gerundeten Öffnungen jeweils parallel zur lokalen Luftströmung ausgerichtet und der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch die länglichen gerundeten Öffnungen mit einer gegenüber der Senkrechten zur Drallluftströmung in

Drallluftströmungsrichtung gerichteten Neigung eingedüst. Insbesondere beträgt dabei die Neigung > 20 °. Soweit eine ausreichende Eindringtiefe des Brenngases in die Verbrennungsluft erreicht werden kann, wird ein Winkel von 30 ° bis 50 ° gewählt. Zur isokinetischen Eindüsung sollte die Geschwindigkeitskomponente der Einsdüsung des Brenngases parallel zur der Ebene der Brennerwand idealerweise identisch zu der Geschwindigkeitskomponente der Verbrennungsluft in dieser Ebene sein. Praktisch können Abweichungen, nicht vermieden werden.

Beispielsweise können sie bei Teillastbetrieb durch Änderungen der

Geschwindigkeitsrichtung der Verbrennungsluft auftreten. Typischerweise sollte die Abweichung der Geschwindigkeitskomponente des Brenngases und der Verbrennungsluft in der Ebene der Brennerwand weniger als +/- 20 ° betragen. Im Auslegungspunkt wird beispielsweise eine Abweichung von kleiner als +/-10 ° erreicht. Auch für die Ausrichtung der Hauptachse der länglichen gerundeten Öffnung kann entsprechend nicht für alle Betriebszustände eine perfekte

Ausrichtung gewährleistet sein. Die Abweichung zwischen Strömungsrichtung und Ausrichtung der Hauptachse sollte weniger als +/- 20 ° betragen. Im

Auslegungspunkt wird beispielsweise eine Abweichung von kleiner als +/-10 ° erreicht.

Eine längliche gerundete Öffnung ist eine Öffnung die in einer Richtung eine grössere Ausdehnung aufweiss als in einer zweiten, senkrecht dazu orientierten Richtung. Eine längliche gerundete Öffnung ist beispielsweise ein Langloch oder ein Oval. Als spezielle Ausgestaltung eines Ovals kann die längliche gerundete Öffnung als eine Ellipse ausgeführt werden. Typischerweise sind die länglichen gerundeten Öffnungen mit einer Symmetrieachse in Ihrer grössten Längserstreckung ausgebildet. Sie habe eine sogenannte Hauptachse die sich in der grössten Längsrichtung erstreckt und eine Nebenachse, die sich im rechten Winkel zur Hauptachse erstrecht. Die Hauptachse ist typischerweise auch eine Symmetrieachse der länglichen gerundeten Öffnung.

Eine weitere Verbesserung lässt sich dadurch erreichen, dass die Brennerwand unmittelbar stromabwärts der länglichen gerundeten Öffnungen durch eine

Vielzahl von Effusionslöchern effusionsgekühlt wird.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch längliche gerundete Öffnungen in einer teilweise isokinetischen Art und Weise in den Drallluftstrom der Verbrennungsluft eines Doppelkegelbrenners eingedüst wird. Dabei ist die

Hauptachse der länglichen gerundeten Öffnungen jeweils parallel zu der lokalen Drallluftströmung ausgerichtet. Der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff wird durch die länglichen gerundeten Öffnungen beispielsweise mit einer gegenüber der Senkrechten zur Drallluftströmung in Drallluftströmungsrichtung gerichteten Neigung eingedüst. Insbesondere beträgt dabei die Neigung > 20 °. Soweit eine ausreichende Eindringtiefe des Brenngases in die Verbrennungsluft erreicht werden kann, wird ein Winkel von 30 ° bis 50 ° gewählt. Zur isokinetischen

Eindüsung sollte Geschwindigkeitskomponente der Eindüsung des Brenngases in der Ebene der Brennerwand idealerweise identisch zu der

Geschwindigkeitskomponente der Verbrennungsluft in der Ebene der

Brennerwand sein. Praktisch können Abweichungen, nicht vermieden werden. Beispielsweise können sie bei Teillastbetrieb durch Änderungen der

Geschwindigkeitsrichtung der Verbrennungsluft auftreten. Typischerweise sollte die Abweichung der Geschwindigkeitskomponente des Brenngases und der Verbrennungsluft in der Ebene der Brennerwand weniger als +/- 20 ° betragen. Im Auslegungspunkt wird beispielsweise eine Abweichung von kleiner als +/-10 ° erreicht. Auch für die Ausrichtung der Hauptachse der länglichen gerundeten Öffnung kann entsprechend nicht für alle Betriebszustände eine perfekte Ausrichtung gewährleistet sein. Die Abweichung zwischen Strömungsrichtung und Ausrichtung der Hauptachse sollte weniger als +/- 20 ° betragen. Im

Auslegungspunkt wird beispielsweise eine Abweichung von kleiner als +/-10 ⁰ erreicht.

Das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der länglichen gerundeten Öffnungen ist grösser 2:1 . Praktisch ist ein Bereich von 2:1 bis 5:1 gut realisierbar. In einem typischen Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der länglichen gerundeten Öffnungen 3:1 .

Typischerweise entspricht die Querschnittsfläche der länglichen gerundeten Öffnungen der Querschnittsfläche von kreisrunden Öffnungen mit einem

Durchmesser zwischen 2mm und 6mm. Insbesondere sind die länglichen gerundeten Öffnungen in der Nähe des

Ausgangs des Doppelkegels angeordnet. Als Nähe des Ausgangs ist diesem Zusammenhang beispielsweise das hintere Drittel der Längshausdehnung des Brenners in Hauptströmungsrichtung bezeichnet; typischerweise beschränkt sich die Nähe sogar auf hintere Fünftel des Brenners.

Eine weitere Verbesserung lässt sich dadurch erreichen, dass der Doppelkegel unmittelbar stromabwärts der länglichen gerundeten Öffnungen durch eine

Vielzahl von Effusionslöchern effusionsgekühlt wird. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch längliche gerundete Öffnungen an einer in das Innere des Doppelkegels in axialer Richtung hineinragende,

Brennstofflanze in den Drallluftstrom eingedüst wird. Die Brennstofflanze wird typischerweise als sogenannte lange Brennstofflanze ausgeführt. Dies ist eine Lanze die mindestens bis in die stromabgelegene Hälfte des Doppelkegels hineinreicht. Auch ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in axialer Richtung

stromabwärts des Doppelkegels ein Mischrohr angeordnet ist, und dass der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch längliche gerundete Öffnungen in der Wand des Mischrohrs in den Drallluftstrom eingedüst wird.

Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung des Wasserstoff reichen, gasförmigen

Brennstoffs im Bezug auf die Verbrennungsluft isokinetisch, d.h. mit gleicher Richtung und Geschwindigkeit, erfolgt.

Vorzugsweise tritt dabei die Verbrennungsluft durch Luftschlitze im Doppelkegel in das Innere des Doppelkegels ein, und der wasserstoffreiche, gasförmige

Brennstoff wird im Bereich der Luftschlitze isokinetisch in die eintretende

Verbrennungsluft eingedüst.

Mit Vorteil kann die isokinetische Eindüsung über einen Kamminjektor erfolgen. Ein Kamminjektor ist ein Hohlkörper, der im wesentlichen den Aufbau eines Kammes aufweist, durch den das Brenngas eingeleitet und verteilt wird, sowie von diesem hohlen Körper ausgehenden hohlen Zinken, durch die das Brenngas zu Einsdüseöffnungen an den Enden der Zinken geleitet wird. Anstelle einzelner Zinken kann der Kamminjektor ein keilförmig zulaufender Hohlkörper sein, der an der Seite der Keilspitze eine Reihe von Eindüseöffnungen aufweist, durch die das Brenngas eingespritzt wird. Der Aufbau dieser Ausführungsform entspricht prinzipiell dem der Hinterkante einer Luftgekühlten Turbinenschaufel mit

Kühlluftlöchern an der Hinterkante des Schaufelblattes. Im Strömungsbild entspricht dann die Reihe von Brenngasströmen, die aus den Einsdüseöffnungen austreten, den Zinken eines Kammes. Um eine isokinetische Einsdüsung zu realisieren wird der Kamminjektor parallel zur Strömungsrichtung der

Verbrennungsluft ausgerichtet, wobei die Zinken in Strömungsrichtung weisen. Es ist aber auch denkbar, dass die isokinetische Eindüsung über einen auf dem Doppelkegel aufsitzenden Huckepackinjektor erfolgt. Ein Huckepackinjektor ist beispielsweise ein auf der Seite der Luftzuführung auf eine Halbschale eines Doppelkegels aufgesetzter Hohlkörper, durch den das Brenngas zugeführt wird. Dieser Hohlkörper verjüngt sich in Strömungsrichtung keilförmig. Aus der stromab liegenden Kante wird über eine Reihe von Eindüseöffnungen Brenngas

isokinetisch in die Verbrennungsluft eingedüst. Die stromab gerichtete

Hinterkannte der Halbschale kann auch, analog zu der Hinterkannte einer

Luftgekühlten Turbinenschaufel mit Kühlluftlöchern an der Hinterkante des

Schaufelblattes, mit Eindüseöffnungen in der Hinterkannte der Halbschale ausgeführt sein. Der Brenner nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner Mittel zur teilweise isokinetischen oder isokinetischen Eindüsung eines

Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs in die in den Doppelkegel eintretende Verbrennungsluft aufweist, und dass die Eindüsungsmittel an eine

Brennstoffversorgung für wasserstoffreichen, gasförmigen Brennstoff

angeschlossen sind.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Brenners zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zur teilweise isokinetischen oder isokinetischen Eindüsung eines Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs in die in den Brenner eintretende Verbrennungsluft längliche gerundete Öffnungen umfassen, dass die Hauptachse der länglichen gerundeten Öffnungen jeweils parallel zu der lokalen Luftströmung ausgerichtet ist, und dass die länglichen gerundeten Öffnungen bzw. Leitungen und oder Bohrungen oder Löcher, die zu den länglichen gerundeten Öffnungen führen, so ausgebildet sind, dass der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch die länglichen gerundeten Öffnungen mit einer gegenüber der Senkrechten zur lokalen Luftströmung in Luftströmungsrichtung gerichteten Neigung eingedüst wird. Dazu werden beispielsweise die Bohrungen oder Löcher, durch die das Brenngas durch die Brennerwand zu den länglichen gerundeten Öffnungen geführt wird, mit einer Neigung bzw. in einem Winkel zur Normalen der

Brennerwand ausgeführt. Alternativ sind beispielsweise Zuführungen geeignet, die normal zur Brenneroberfläche durch die Brennerwand führen und mit einer Umlenkung im Bereich der länglichen gerundeten Öffnungen ausgeführt sind. Vorzugsweise beträgt die Neigung > 20 °. Weiter ist das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der länglichen gerundeten Öffnungen ist grösser 2:1 . Praktisch ist ein Bereich von 2:1 bis 5:1 gut realisierbar. In einem typischen

Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der länglichen gerundeten Öffnungen 3:1 .

Typischerweise entspricht die Querschnittsfläche der länglichen gerundeten Öffnungen der Querschnittsfläche von kreisrunden Öffnungen mit einem

Durchmesser zwischen 2mm und 6mm. Gemäss einer anderen Ausgestaltung sind die länglichen gerundeten Öffnungen in der Nähe des Ausgangs des Brenners angeordnet.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Brenners ist ein

Doppelkegelbrenner. Der Doppelkegelbrenner nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkegelbrenner einen Doppelkegel sowie Mittel zur teilweise isokinetischen oder isokinetischen Eindüsung eines Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs in die in den Doppelkegel eintretende Verbrennungsluft aufweist, und dass die Eindüsungsmittel an eine Brennstoffversorgung für

Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoff angeschlossen sind.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Doppelkegelbrenners zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zur teilweise isokinetischen oder isokinetischen Eindüsung eines Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs in die in den

Doppelkegel eintretende Verbrennungsluft längliche gerundete Öffnungen umfassen, dass die Hauptachse der länglichen gerundeten Öffnungen jeweils parallel zu der lokalen Drallluftströmung ausgerichtet ist, und dass die länglichen gerundeten Öffnungen so ausgebildet sind, dass der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff durch die länglichen gerundeten Öffnungen mit einer gegenüber der Senkrechten zur Drallluftströmung in Drallluftströmungsrichtung gerichteten Neigung eingedüst wird. Vorzugsweise beträgt die Neigung > 20 °. Des Weiteren ist das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der länglichen gerundeten Öffnungen grösser 2:1 . Praktisch ist ein Bereich von 2:1 bis 5:1 vorteilhaft. In einem typischen

Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse der länglichen gerundeten Öffnungen 3:1 .

Typischerweise entspricht die Querschnittsfläche der länglichen gerundeten Öffnungen der Querschnittsfläche von kreisrunden Öffnungen mit einem

Durchmesser zwischen 2mm und 6mm. Gemäss einer anderen Ausgestaltung sind die länglichen gerundeten Öffnungen in der Nähe des Ausgangs des Doppelkegels angeordnet.

Gemäss einer weitern Ausgestaltung sind die länglichen gerundeten Offnungen der Nähe des Ausgangs eines sich an den Doppelkegel anschliessenden

Mischrohrs eines Doppelkegelbrenners angeordnet.

Eine weitere Ausgestaltung des Doppelkegelbrenners nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkegel Luftschlitze zum Eintritt der Verbrennungsluft in das Innere des Doppelkegels aufweist, und dass die Mittel zur teilweise isokinetischen oder isokinetischen Eindüsung eines Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs in die in den Doppelkegel eintretende Verbrennungsluft eine Mehrzahl von im Bereich der Luftschlitze angeordnete und tangential ausgerichtete Brennstoffdüsen umfasst. Vorzugsweise sind dabei die Brennstoffdüsen Teil eines Kamminjektors oder eines auf dem Doppelkegel aufsitzenden Huckepackinjektors. Weiterhin kann zusätzlich eine in das Innere des Doppelkegels, in axialer Richtung hineinragende, Brennstofflanze mit länglichen gerundeten Öffnungen vorgesehen sein. Als Verbrennungsluft wird im Rahmen dieser Erfindung nicht nur reine

Umgebungsluft verstanden, sondern beispielsweise auch ein Gemisch aus Luft und rezirkulierten Abgasen, oder ein mit Inertgas vermischtes Luftgemisch.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im

Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im Längschnitt einen Doppelkegelbrenner vom AEV-Typ für drei unterschiedliche Brennstoffe mit axial abgestufter Eindüsung eines Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs;

Fig. 2 in perspektivischer Seitenansicht einen Brenner für MBtu- Brennstoff mit runden Gaseindüsöffnungen am Brennerausgang für die Eindüsung von Wasserstoff reichem, gasförmigen

Brennstoff;

Fig. 3 in einem Ausschnitt in der Draufsicht (Fig. 3a) und im Schnitt (Fig.

3b) eine elliptische Öffnung zum teilweise isokinetischen Eindüsen von Wasserstoff reichem, gasförmigen Brennstoff, die anstelle der runden Gaseindüsöffnungen beim Brenner für MBtu- Brennstoff nach Fig. 2 vorgesehen ist; Fig. 4 in der Seitenansicht (Fig. 4a) und stromaufwärts gesehen (Fig. 4b) ein Ausführungsbeispiel für die isokinetische Eindüsung von Wasserstoff reichem, gasförmigen Brennstoff; Fig. 5 die isokinetische Eindüsung nach Fig. 4 mittels eines

Kamminjektors;

Fig. 6 die isokinetische Eindüsung nach Fig. 4 mittels eines

Huckepackinjektors;

Fig. 7 in der Seitenansicht (Fig. 7a) und stromaufwärts gesehen (Fig. 7b) ein anderes Ausführungsbeispiel für die isokinetische Eindüsung von Wasserstoff reichem, gasförmigen Brennstoff mit zusätzlicher teilweise isokinetischer Eindüsung über elliptische Öffnungen in einer langen Brennstofflanze; und

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel für die isokinetische Eindüsung von

Wasserstoff reichem, gasförmigen Brennstoff über längliche gerundete Öffnungen in einen drallfreien Brenner.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Untersuchungen von Eindüsvorrichtungen, die einer forcierten Rückzündung widerstehen, haben gezeigt, dass es zahlreiche Ausgestaltungsmerkmale gibt, die bei der Eindüsung von Brennstoffen in einen Querstrom eine Verankerung von wasserstoffreichen Flammen verhindern. Die Designregeln lassen erkennen, dass die teilweise isokinetische Eindüsung von Brennstoff für die Erfüllung von auf der forcierten Rückzündung basierenden Kriterien am besten geeignet ist. Eine Brennstoffeindüsung, die sowohl mit der lokalen Verbrennungsluftströmung gleichgerichtet erfolgt, als auch eine vergleichbare Eindüsgeschwindigkeit aufweist, ist die sicherste Art der Eindüsung für wasserstoffreiche Brennstoffe. Die Lösung der eingangs geschilderten Probleme liegt daher in der Anwendung dieser Designregeln auf kegelförmige Brenner, insbesondere Doppelkegelbrenner vom EV- oder AEV-Typ. Es gibt dabei zwei hauptsächliche Methoden, um diese Regeln auf kegelförmige Brenner zu übertragen. Die eine Methode zielt auf einen rückzündungssicheren, diffusiven Brenner für wasserstoffreiche Brennstoffe mit H2 » 50%. Die andere Methode ermöglicht einen rückzündungssicheren reinen Vormischbetrieb mit wasserstoffreichen Brennstoffen mit geringer NOx-Emission und geringer Verdünnung.

Ausgehend von einem Brenner für MBtu- Brennstoff, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, kann das forcierte Rückzündungskriterium bei einem Betrieb mit

wasserstoffreichem Brennstoff mit H2 » 50% dadurch erreicht werden, dass die Gaseindüsöffnungen 18 in Fig. 2 durch längliche gerundete Öffnungen,

beispielsweise durch elliptische Öffnungen, ersetzt werden. Eine solche elliptische Öffnung 24 ist im Doppelkegelbrenner 20' der Fig.3 in der Draufsicht (Fig. 3a) und im Schnitt (Fig. 3b) wiedergegeben. Die elliptischen Öffnungen 24 zeichnen sich durch folgende charakteristische Eigenschaften aus:

• Das Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse beträgt in etwa 3:1 .

· Die Hauptachse ist auf den lokalen Drallluftstrom 23 ausgerichtet, der durch den Doppelkegel aus der einströmenden Verbrennungsluft 17 gebildet wird.

• Die Querschnittsfläche der elliptischen Öffnungen 24 entspricht der

Querschnittsfläche von kreisrunden Öffnungen mit Durchmessern zwischen 2mm und 6mm.

· Der Brennstoff wird durch die elliptischen Öffnungen mit einer Richtung eingedüst, die mit > 20° Neigung gegenüber der Senkrechten zur

Drallluftströmung in Drallluftströmungsrichtung gerichteten ist. Je grösser diese Abweichung von der Senkrechten ist, desto stärker isokinetisch ist die Eindüsung.

Diese Art der Eindüsung ist letztendlich eine Eindüsung in eine Querströmu kann jedoch als„teilweise isokinetisch" beschrieben werden, weil hierdurch aufgrund der Neigung, der Form und der Abmessungen der Öffnung die

Wechselwirkung zwischen den Brennstoffstrahl und der quer strömenden Luft am Eindüspunkt minimiert wird, wodurch Rezirkulations- und Stagnationszonen sowie anfängliche Scherspannungen minimiert werden.

Weiterhin hat sich herausgestellt, dass eine Effusionskühlung unmittelbar stromabwärts von den länglichen gerundeten Öffnungen 24 die Tendenz der Injektoren zum Halten der Flamme erheblich reduziert. Dies geschieht durch entsprechende, fein verteilte Ausströmlöcher 25, wie sie in Fig. 3a gezeigt sind. Die Effusionskühlung ermöglicht den Einsatz grösserer Brennstoffstrahlen, wodurch sich grössere Eindringtiefen, eine bessere Mischung und weniger NOx (sowie eine geringere Verdünnung durch N2 bzw. Dampf) ergeben.

Bei einer anderen Art der Eindüsung wird der Brennstoff in die Luftschlitze eines Doppelkegelbrenners (z.B. vom EV- oder AEV-Typ) eingedüst, wobei die

Eindüsrichtung genau auf die lokale Luftströmung ausgerichtet ist und die

Eindüsgeschwindigkeit von derselben Grössenordnung ist wie die lokale

Strömungsgeschwindigkeit der Luft (siehe Fig. 4). Hierbei sind im Luftschlitz 26 des Doppelkegels 1 1 des Doppelkegelbrenners 30 mehrere Brennstoffdüsen 27 in Reihe angeordnet. Ein solche rein isokinetische Eindüsung stellt sicher, dass

• der Brennstoff durch die Luft von allen metallischen Oberflächen

fortgerissen wird und nicht in den kleinen (für den Wasserstoff jedoch bedeutsamen) Wirbeln hinter den vergleichsweise breiten Hinterkanten des Drallkörpers eingefangen wird,

· die Scherspannungen minimiert werden (um die Brennstoffspreizung nahe den Wänden des Drallkörpers zu verringern), und

• keine starken Brennstoffstrahlen vorhanden sind, die mit der Luft

interagieren und Wirbelschleppen und Stagnationszonen bilden können, in denen der Brennstoff eingefangen werden kann und selbst zündet.

Weiterhin ist es empfehlenswert, dass der wasserstoffreiche Brennstoff abgestuft eingedüst wird (im vorliegenden Beispiel der Fig. 4 sind zwei Stufen 28 und 29 vorhanden). Dies stellt sicher, dass die Brennstoffeindüsung über den ganzen Lastbereich nahezu isokinetisch erfolgt, und erhöht die Flexibilität des Betriebs.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen zwei Arten, die gewünschte isokinetische Eindüsung zu erreichen: Im ersten Fall (Fig. 5) wird ein Kamminjektor 31 eingesetzt, um den wasserstoffreichen Brennstoff 19 von der Mitte des Luftschlitzes 26 aus

einzudüsen. Im zweiten Fall (Fig. 6) wird eine Huckepackinjektor 32 auf die

Aussenfläche der Schale des Doppelkegels 1 1 aufgesetzt. In einer Abwandlung kann der einzudüsende Brennstoff aber auch direkt durch ein in die Schale des Doppelkegels 1 1 integriertes Plenum herangeführt und durch die Hinterkante der Schale eingedüst werden.

Sollten dabei die Brennstoffstrahlen nicht perfekt auf die lokale Luftströmung ausgerichtet sein, sollten auch hier elliptische Öffnungen gemäss Fig. 3 eingesetzt werden.

Durch die erfindungsgemässe Eindüsung des wasserstoffreichen Brennstoffs bleiben die Brennerteile für die Vormischung von Erdgas und die Einspritzung von flüssigen Brennstoffen wie Öl unberührt, so dass die Brenner als Drei-Brennstoff- Brenner arbeiten können.

Weiterhin ist es möglich, die beschriebene teilweise isokinetische (Fig. 3) und isokinetische (Fig. 4-6) Eindüsung von wasserstoffreichen Brennstoffen auch auf andere Brennertypen für wasserstoffreiche Brennstoffe einschliesslich SEV- Brennern für die Zwischenüberhitzung in Gasturbinen anzuwenden.

So ist es beispielsweise möglich, gemäss Fig. 7 den wasserstoffreichen Brennstoff 19, der von einer Brennstoffversorgung 34 bereitgestellt wird, auch über elliptische Öffnungen in einer zentralen, langen Brennstofflanze 33 teilweise isokinetisch einzudüsen, wobei diese Eindüsung als weitere Stufe dienen oder die erste Stufe 28 im Luftschlitz 26 ersetzen kann. Schliesslich ist es auch möglich, ähnlich wie in Fig. 1 , den wasserstoffreichen Brennstoff durch elliptische Öffnungen im Mischrohr 12 eines entsprechenden Brenners teilweise isokinetisch einzudüsen. Fig. 8 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel für die isokinetische Eindüsung von Wasserstoff reichem, gasförmigen Brennstoff 19 über elliptische Öffnungen 24 in einen drallfreien Brenner 2. Die wesentlichen Elemente eines

erfindungsgemässen Brenners werden schematisch dargestellt. Links in der Figur wird eine Draufsicht auf den Brenner in Strömungsrichtung gezeigt. Er hat in diesem Beispiel einen einfachen rechtwinkligen Strömungsquerschnitt, der durch die Brennerwände 1 begrenzt ist. Im Schnitt A - A ist die Längsausdehnung des Brenners 2 in Strömungsrichtung gezeigt. Die Verbrennungsluft 17 strömt parallel zur Brennerachse 16 durch den drallfreien Brenner 2. Der wasserstoffreiche, gasförmige Brennstoff 19 wird durch über die länglichen gerundeten Öffnungen 24 durch die Brennerwand 1 in die Verbrennungsluft 17 unter einem Winkel α zur Strömungsnormalen 4 isokinetisch eingedüst. Die Strömungsnormale 4 ist die Senkrechte zur Luftströmungsrichtung, die in dem Beispiel parallel zur

Brennerwand verläuft. Die länglichen gerundeten Öffnungen 24 sind in diesem Beispiel als Langlöcher mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von etwa 2:1 ausgeführt.

Stromab der länglichen gerundeten Öffnungen 24 zur isokinetischen Eindüsung des Wasserstoff reichen, gasförmigen Brennstoffs 19 ist die eine Effusionskühlung 3 der Brennerwand durch ein Feld von Effusionslöchern 25 durch die Kühlluft eingedüst wird, angeordnet.

Alle erläuterten Vorteile sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann anstelle eines rechtwinkligen Strömungsquerschnitts, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, kann ein

Brenner mit kreisförmigem Querschnitt gewählt werden. Dieser kann drallfrei oder drallbehaftet durchströmt werden. BEZUGSZEICHENLISTE

I Brennerwand

2 Drallfreier Brenner

3 Effusionskühlung

4 Strömungsnormale

10 Doppelkegelbrenner (AEV-Brenner)

I I Doppelkegel

12 Mischrohr

13 Zentraldüse

14,15 Eindüsort

16 Brennerachse

17 Verbrennungsluft

18 Gaseindüsöffnung

19 MBtu-Brennstoff (wasserstoffreich)

20,20' Doppelkegelbrenner (EV-Brenner)

21 Wirbelaufplatzen

22 Flammenfront

23 Drallluftstrom

24 elliptische oder längliche gerundete Öffnung

25 Effusionsloch

26 Luftschlitz

27 Brennstoffdüse

28,29 Stufe

30 Doppelkegelbrenner (AEV- oder EV-Brenner)

31 Kamminjektor

32 Huckepackinjektor

33 Brennstofflanze (lang)

34 Brennstoffversorgung α Winkel zur Strömungsnormalen