Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten, insbesondere mit stark schwankenden kalorischen Gehalten. Die beschriebene Erfindung kann in jedem System verwendet werden, bei dem sowohl hochkalorisches als auch nie- derkalorisches Brenngas ohne zusätzliche Zuführung von Brenn ^¬ gas und/oder Verbrennungsluft in demselben Verbrennungssystem verbrannt werden sollen. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich z. B. zur Nachverbrennung in Hochtemperatur-BrennstoffZeilensystemen, wie beispielsweise SOFC (Festoxid-Brennstoffzelle) .

Beim Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle fällt Ano ^¬ dengas an, welches im Wesentlichen CO ₂ und H ₂ O enthält. Dane ^¬ ben sind als brennbare Reste etwa 3 bis 5% H ₂ sowie CO ent- halten. Der vorgenannte Brennstoff liegt in einer sehr gerin ^¬ gen Konzentration vor. Man spricht von niederkalorischem Brenngas. Das Anodenrestgas verlässt einen Anodenraum bei ei ^¬ ner Temperatur von etwa 800°C. Beim Start- oder Stopp-Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle kommt es vor, dass anstelle des Anodenrestgases hochkalorisches Reformatgas den Anodenraum verlässt. Es be ^¬ steht aus einer Mischung aus H ₂ und CO. Es ist brennbar und fällt bei unterschiedlichen Temperaturen an.

Zur Verbrennung des beim Betrieb einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle anfallenden Gases werden bisher im Wesentli ^¬ chen vorgemischte Verbrennungssysteme benutzt, wobei teilwei- se auch ein poröses Medium zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität und zur Senkung der Emissionen in den Brennraum eingebracht wurde. Außerdem wurden Katalysatoren im Brennraum eingesetzt, wobei Brenngas- und Verbrennungsluft nicht bzw. nicht so stark vorgewärmt waren. Die bekannten Lösungen nutzen eine vorgemischte Verbrennung, wobei ein erhöhter Systemintegrations- und Regelungsaufwand resultiert. Außerdem wird in den bereits bekannten Lösungen häufig auf den Gebrauch von Katalysatoren zurückgegriffen, welche vor allem hinsichtlich des Dauerbetriebs solcher Verbrennungssysteme große Nachteile aufgrund von Degradationserscheinungen aufweisen. Weiterhin werden durch den Einsatz von Katalysatoren zusätzliche Kosten verursacht. Die bisherigen Lösungen beschränken sich auf die Verbrennung von Brenngasen mit bestimmten kalorischen Gehal- ten.

Nach DE 43 30 130 Cl ist ein katalytisch zweistufiger Brenner für Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas bekannt. Durch die konstruktive Ausgestaltung dieses Brenners soll eine nahezu vollständige Verbrennung insbesondere von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen bei hohem Wirkungsgrad und geringen Emissionen erreicht werden. DE 43 22 109 C2 beinhaltet einen Brenner für ein Gas-/Luftgemisch, dessen

Brennraum mit einem porösen Material mit zusammenhängenden Hohlräumen ausgefüllt ist, wobei die Porengröße des Materials längs des Brennraumes vom Einlass zum Auslass zunimmt. Mit diesem Brenner soll die Flamme bei niedriger Temperatur und schadstoffemissionsfrei brennen. Beide Brenner sind für die Verbrennung von heißen Brenngasen mit stark wechselnden kalo- rischen Gehalten nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden. Es soll insbesondere ein einfaches Verfahren zur Verbrennung von Brenngasen mit schwankenden kalorischen Gehalten angegeben werden. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein Brenner zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 und 10 bis 14.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verbrennung in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern durchgeführt wird, das Brenngas der ersten Brennkammer zuge ^¬ führt wird, die Verbrennungsluft aufgeteilt und der ersten Brennkammer sowie der zweiten Brennkammer zugeführt wird, das Abgas der ersten Brennkammer der zweiten Brennkammer zugeführt wird, und die Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer so bemessen wird, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten Brennkammer zwischen 1000°C und 1600°C liegt.

Weiterhin wird ein Brenner für Brenngas mit schwankenden kalorischen Gehalten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Beim erfindungsgemäßen Brenner ist die erste Brennkammer mit der Brenngaszuführung und der aus der VerbrennungsluftZuführung und dem Strömungsteiler resultierenden VerbrennungsluftZuführung versehen. Die zweite Brennkammer ist mit der Zuführung des Abgases der ersten Brennkammer und der aus der VerbrennungsluftZuführung und dem Strömungsteiler resultierenden VerbrennungsluftZuführung versehen. Der Strömungsteiler ist geometrisch derart ausgestaltet, dass eine vorgegebene Masse pro Zeiteinheit an Verbren ^¬ nungsluft in die erste Brennkammer gelangt. Die Masse pro Zeiteinheit bzw. der Massestrom ist so bemessen, dass damit ein mit einem vorgegebenen weiteren Massestrom der ersten Brennkammer zugeführtes niederkalorisches Brenngas vollstän ^¬ dig verbrannt wird. Die jeweiligen Masseströme ergeben sich aus der stöchiometrischen Zusammensetzung von Verbrennungsluft und Brenngas .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, die Brennergeo ^¬ metrie so zu gestalten, dass derselbe Brenner einerseits für niederkalorische Brenngase als quasi-einstufiger Brenner und andererseits für hochkalorische Brenngase als zweistufiger Brenner verwendet werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Brenner gelangt unabhängig vom kalorischen Gehalt des Brenngases im Wesentlichen der gleiche Mas ^¬ sestrom an Verbrennungsluft in die erste Brennkammer. Der Massestrom an Verbrennungsluft ist so bemessen, dass ein nie ^¬ derkalorisches Brenngas vollständig verbrannt wird, und zwar mit einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1600°C. Die restliche Verbrennungsluft wird unmittelbar der zweiten

Brennkammer zugeführt und dort mit dem aus der ersten Brenn- kammer abgeführten Abgas gemischt.

Auch bei der Zufuhr von hochkalorischem Brenngas wird der ersten Brennstufe lediglich der Massestrom an Verbrennungsluft zugeführt, welcher eine stöchiometrische Verbrennung ei- nes niederkalorischen Brenngases ermöglicht. In diesem Fall wird nur ein Teil des hochkalorischen Brenngases in der ersten Brennkammer verbrannt. Die Temperatur in der ersten

Brennkammer übersteigt dabei nicht 1600°C. Der unverbrannte Rest des hochkalorischen Brenngases gelangt in die zweite Brennkammer und wird dort mit der der zweiten Brennkammer zugeführten restlichen Verbrennungsluft verbrannt. Die zweite Brennkammer kann als Diffusionsbrenner ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise besteht die Verbrennungsluft ausschließ ^¬ lich aus dem Kathodengas einer Hochtemperatur-Brennstoff ^¬ zelle. Beim Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird deren Kathode Luft zugeführt. Der Sauerstoffgehalt der Luft wird beim Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle von 21% auf etwa 12% abgereichert . Das den abgereicherten Gehalt an Sauerstoff enthaltende Kathodengas verlässt mit einer Tempe ^¬ ratur von etwa 800 °C einen Kathodenraum der Hochtemperatur- Brennstoffzelle. Die im Kathodengas gespeicherte Wärmeenergie kann somit dem Brenner zur Verfügung gestellt werden. Es wird keine weitere Luftzufuhr benötigt.

Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer einen Anoden- und einen Kathodenraum auf- weisenden Hochtemperatur-Brennstoffzelle und einem erfin ^¬ dungsgemäßen Brenner beansprucht, wobei der Anodenraum zum Zuführen von Brenngas mit der Brenngaszuführung und der Kathodenraum zum Zuführen von Verbrennungsluft mit der VerbrennungsluftZuführung verbunden ist. Damit ist es möglich in al- len Betriebsphasen der Hochtemperatur-Brennstoffzelle die an ^¬ fallenden Abgase emissionsarm nachzuverbrennen .

Die Erfindung wird nunmehr beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen

Verfahrens ,

Fig. 2 schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brenners,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brenners, und Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Brenners . In Fig. 1 ist das Verfahren für die Verbrennung von hoch- und niederkalorischen Brenngasen in zwei nacheinander geschalteten Brennkammern 5, 6 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen nach diesem Verfahren betriebenen ersten erfindungsgemäßen Brenner. Die Brennkammern 5, 6 befinden sich in einem Gehäuse 1. Außerdem besitzt der Brenner eine Brenngaszuführung 2 und eine VerbrennungsluftZuführung 3. Im Fall des niederkalorischen Brenngases findet die vollständige Verbrennung in einer ers ^¬ ten Brennkammer 5 statt, wobei die zur Verfügung stehende Verbrennungsluft mithilfe eines entsprechenden Strömungstei- lers 4 so aufgeteilt wird, dass nur so viel Luft in die

Brennkammer gelangt wie zur emissionsarmen, vollständigen Brenngasumsetzung notwendig ist. Das Abgas der ersten Stufe/Brennkammer wird dann lediglich mit der restlichen Luft in einer nachgeschalteten zweiten Brennkammer 6 vermischt.

Wenn ein hochkalorisches Brenngas im beschriebenen Brenner umgesetzt werden soll, findet in der ersten Brennkammer eine partielle Verbrennung statt, da bei gleicher Geometrie und zur Verfügung stehender Verbrennungsluftmenge die Aufteilung der Luft annähernd gleich bleibt. Das Abgas der ersten Brenn ^¬ kammer, welches noch einen kalorischen Gehalt hat, wird anschließend in der zweiten Brennkammer mit der restlichen Luft vermischt und vollständig umgesetzt. Es besteht dabei zu keinem Zeitpunkt des Brennerbetriebs und unabhängig vom kalorischen Gehalt des Brenngases die Notwendigkeit dem Prozess zusätzliches Brenngas oder/und Verbren ^¬ nungsluft zuzuführen. Wie in Fig. 2 gezeigt umfasst eine vorteilhafte Ausführung des zweistufigen Brenners eine Zündung 9 in der ersten Brennkammer 5 zur sicheren Zündung von Brenngas und Verbrennungs- luft. Das Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft wird in der ersten Brennkammer 5 gezündet. Das heiße Abgas der ersten Brennkammer 5 wird der zweiten Brennkammer 6 zugeführt. Im Fall des hochkalorischen Brenngases weist das Abgas der ers ^¬ ten Brennkammer 5 noch einen bestimmten kalorischen Gehalt auf und entzündet sich in der zweiten Brennkammer 6 mit der restlichen Verbrennungsluft aufgrund der hohen Temperaturen von selbst. Wäre die Zündung 9 stattdessen in der zweiten Brennkammer angebracht, könnte ein Zünden in der ersten

Brennkammer nicht gewährleistet werden.

Die Verbrennungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer 5 ist so zu bemessen, dass die Verbrennungstemperatur in der ersten

Brennkammer 5 zwischen 1000°C und 1600 °C liegt. Dabei kann die Verbrennungsluft an Sauerstoff abgereichert sein, wie beispielsweise die Kathodenabluft von SOFC-Brennstoffzellen (Festoxid-Brennstoffzelle) . Dabei fallen sowohl das Brenngas als auch die an Sauerstoff abgereicherte Verbrennungsluft bei Temperaturen von mehr als 300 °C an. Die Brenngas- und Verbrennungslufttemperatur muss bei der Bemessung der Verbren- nungsluftzufuhr zur ersten Brennkammer 5 berücksichtigt werden, um den richtigen Verbrennungstemperaturbereich zu erreichen .

Eine weitere vorteilhafte Ausführung beinhaltet eine Einrich- tung zur Flammenüberwachung 10 im Brenner. Übliche Methoden der Flammenüberwachung, wie Flammenionisationsdetektoren und UV-Detektoren, könnten genutzt werden, aber aufgrund der Wasserstoffhaltigen Schwachgase als Brenngase wären die Signale zu schwach. Weiterhin sind die Temperaturen im Brennraum teilweise höher als die zulässige maximale Einsatztemperatur solcher Detektoren. Deswegen ist eine Flammenüberwachung durch Überwachung der Verbrennungstemperaturen vorteilhaft. Sowohl das Temperaturniveau also auch der zeitliche Tempera ^¬ turgradient können überwacht werden, um das Zünden und ein eventuelles Erlöschen der Flamme detektieren zu können. Der Brenner arbeitet beispielsweise sicher, wenn in der ersten Brennkammer 5 eine Flamme detektiert werden kann, weswegen die Flammenüberwachung in Form eines Temperatursensors in dieser Kammer vorteilhaft stattfinden kann. Die Position des Sensors sollte so gewählt werden, dass die Wärmefreisetzung detektiert werden kann, d. h. eine ausreichende Wärmeentwick ^¬ lung durch den Verbrennungsprozess muss an der gewählten Po- sition bereits gewährleistet sein. Die Flamme der ersten

Brennkammer dient ebenfalls als Stützflamme für die zweite Brennkammer, insofern in dieser noch Brennstoff umgesetzt werden muss. Der Temperatursensor kann alternativ auch im Ab- gasrohr nach beiden Brennkammern angebracht werden, um dort Unterschiede in der Abgastemperatur und das Temperaturniveau zu detektieren. In diesem Fall ist der Temperatursensor nicht zu hohen Prozesstemperaturen ausgesetzt und außerdem leicht zugänglich. Auch so wird der sichere Betrieb des Brenners si ^¬ chergestellt. Die Möglichkeiten der Positionierung einer Flammenüberwachungseinrichtung 10 sind in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 10 10" dargestellt.

Weiterhin besteht die Möglichkeit den zweistufigen Brenner so auszuführen, dass in der ersten und/oder zweiten Brennkammer ein offenporiges hochtemperaturbeständiges Material 7, 8 ent ^¬ halten ist, in dem die Brenngase teilweise oder vollständig umgesetzt werden, wie Fig. 3 zeigt. Der Einsatz eines porösen Mediums wirkt sich positiv auf den Wärme- und Stofftransport im Brennraum aus, wodurch eine Homogenisierung der Verbrennung, vor allem hinsichtlich der Verbrennungstemperaturen erfolgt. Dadurch wird die Umsetzung der im Brenngas enthaltenen Spezies begünstigt, was zu einer Verringerung der Schadstoff- emissionen des Brenners führt.

Die Erfindung soll anhand des nachfolgenden Ausführungsbei ^¬ spiels erläutert werden: Der zweistufige Brenner, welcher in Fig. 4 dargestellt ist, besteht aus zwei zylindrischen, konzentrisch angeordneten Rohren, von denen das äußere mit einem Durchmesser von 70 mm das Gehäuse 1 des Brenners und das innere mit einem Durchmes ^¬ ser von 26 mm die innere, erste Brennkammer 5 bildet. Der gasförmige Brennstoff gelangt in axialer Richtung von oben über die Brenngaszuführung 2 in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 21 mm in das als erste Brennkammer 5 dienende innere Brennrohr. Die gesamte

Sauerstoffabgereicherte, heiße Kathodenluft einer Hochtempe- raturbrennstoffzelle wird durch die, in radialer Richtung tangential angebrachte VerbrennungsluftZuführung 3 in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 26 mm in den Zwischenraum der ersten Brennkammern 5 und der zweiten Brennkammer 6 gebracht. Die Aufteilung des Kathodenluftstroms wird mithilfe von zwölf Löchern mit einem Durchmesser von 3,5 mm, welche in zwei Reihen übereinander versetzt radial in den oberen Teil der ersten Brennkammer 5 eingebracht sind, (Strö ^¬ mungsteiler für Verbrennungsluft 4a) und einer kreisrunden Platte mit Löchern 11 zur zweiten Brennkammer 6 (Strömungs- teiler für Verbrennungsluft 4b) realisiert. Wenn die Luft durch den tangentialen Einlass in den Brenner gelangt, passiert ein Teil von ihr direkt diese Löcher und gelangt somit in das innere Brennerrohr, welches die innere Brennkammer 5 und somit die erste Verbrennungsstufe bildet. Um diesen Ef ^¬ fekt noch zu verstärken, wird die kreisrunde Platte 11 mit zehn, auf einem Kreisbogen angeordneten Löchern mit einem Durchmesser von 8 mm zwischen dem inneren und dem äußeren Brennerrohr, am Ende des inneren Brennerrohres fixiert. Der Brenner kann aus hochwarmfesten Stahl gebaut und die Brennkammern können mit feuerfestem Material ausgekleidet/beschichtet sein. Im Fall des niederkalorischen Anodenrestgases der Hochtempe ^¬ raturbrennstoffzelle als Brenngas findet die vollständige Verbrennung in der ersten Brennkammer 5 statt, welche 114 mm lang ist. Der gesamte Kathodenluftstrom wird mit dem beschriebenen Strömungsteiler für die Verbrennungsluft 4a, 4b so aufgeteilt, dass genau so viel Verbrennungsluft in die in ^¬ nere, erste Brennkammer 5 gelangt wie zur vollständigen, emissionsarmen Verbrennung des niederkalorischen Anodenrestgases notwendig ist. Das Abgas der ersten Verbrennungsstufe wird dann lediglich mit der restlichen Kathodenluft in einer nachgeschalteten zweiten Brennkammer 6 vermischt, bevor es den Brenner in axialer Richtung über die Abgasabführung 12 verlässt .

Im Fall des hochkalorischen Reformatgases als Brenngas, wel- ches in der Brennstoffzelle im Start- und Stoppbetrieb nicht oder nur unvollständig umgesetzt wird, kommt es zur unterstö- chiometrischen, partiellen Verbrennung in der ersten Brennkammer 5, da bei gleicher Geometrie und zur Verfügung stehender Verbrennungsluft die Aufteilung der Luft unverändert bleibt. Das bedeutet, dass das Abgas der ersten Brennkammer 5 immer noch einen kalorischen Gehalt besitzt und deshalb in der zweiten Brennkammer 6, welche eine Länge von 82 mm hat und als Weiterführung des äußeren Brennerrohres bis zur Ab- gasabführung 12 mit einem Innendurchmesser von 45 mm konisch zuläuft, vollständig umgesetzt wird.

In beiden Fällen kann der Brenner sowohl das Brenngas als auch die Verbrennungsluft ausschließlich von der Hochtempera ^¬ turbrennstoffzelle beziehen. Der Brenner benötigt keine zu ^¬ sätzliche Zufuhr von Brenngas oder Verbrennungsluft.

Es wurde bereits experimentell nachgewiesen, dass sowohl hoch- als auch niederkalorische heiße Brenngase mit heißer Verbrennungsluft (Sauerstoffabgereichert ) in dem die Erfin ^¬ dung betreffenden zweistufigen nicht vorgemischten Brenner vollständig und sicher umgesetzt werden können. Dabei waren die erzielten Verbrennungstemperaturen in der ersten Brenn- kammer sowohl für das niederkalorische Anodenrestgas bei vollständiger Verbrennung in der ersten Brennkammer 5, als auch für das hochkalorische Reformatgas bei partieller Ver ^¬ brennung nahezu gleich. Somit wurde gezeigt, dass der be ^¬ schriebene zweistufige Brenner als Nachverbrennungssystem in einem SOFC (Festoxidbrennstoffzelle) basierten Mikro-KWK Sys ^¬ tem verwendet werden kann.

Bezugs zeichenliste

1 Gehäuse

2 Brenngaszuführung

3 VerbrennungsluftZuführung

4 Strömungsteiler für die Verbrennungsluft (4a,

4b)

5 erste Brennkammer

6 zweite Brennkammer

7 offenporiges hochtemperaturbeständiges Materi ^¬ al in der ersten Brennkammer

8 offenporiges hochtemperaturbeständiges Materi ^¬ al in der zweiten Brennkammer

9 Zündung

10 Flammenüberwachung (10 ^λ und 10")

11 kreisrunde Platte mit Löchern

12 Abgasabführung