EP1861657A1 - Method and device for combusting hydrogen in a premix burner - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and a device for producing an explosive fuel/air mixture the fuel portion of which consists of hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture and which is combusted in a burner system for driving a heat engine, especially of a gas turbine installation. The invention is characterized by the following steps: combining a flow of fuel and a flow of air, thereby producing a fuel/air mixture flow, and providing an additional flow of air; catalyzing part of the fuel/air mixture flow, thereby producing a partially catalyzed fuel/air mixture in an exothermic catalytically assisted reaction of the fuel, the heat released by this reaction being at least partially used to heat the additional flow of air; admixing the heated additional flow of air to the partially catalyzed fuel/air mixture, thereby producing an explosive fuel/air mixture; and igniting and combusting the explosive fuel/air mixture.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Wasserstoff in einem Method and device for combustion of hydrogen in one

Vormischbrennerpremix

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird.The invention relates to a method and an apparatus for producing an ignitable fuel-air mixture whose fuel component consists of hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture and which is burned in a burner assembly for driving a heat engine, in particular a gas turbine plant.

Stand der TechnikState of the art

Motiviert durch das nahezu weltweite Bestreben den Ausstoss von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu reduzieren, nicht zuletzt festgelegt im so genannten Kioto- Protokoll, soll die im Jahre 2010 zu erwartende Emission von Treibhausgasen auf den gleichen Stand reduziert werden wie im Jahre 1990. Zur Umsetzung dieses Vorhabens bedarf es großer Anstrengungen, insbesondere den Beitrag an anthroprogen-bedingten Cθ₂-Freisetzungen in die Atmosphäre zu reduzieren. Etwa ein Drittel des durch den Menschen in die Atmosphäre freigesetzten CO2 ist auf die Energieerzeugung zurückzuführen, bei der zumeist fossile Brennstoffe in Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung verbrannt werden. Insbesondere durch den Einsatz moderner Technologien sowie durch zusätzliche politische Rahmenbedingungen kann auf dem Energie erzeugenden Sektor ein erhebliches Einsparungspotential zur Vermeidung eines weiter zunehmenden Cθ2-Austosses gesehen werden. Eine an sich bekannte und technisch beherrschbare Möglichkeit die Cθ2-Emission in Verbrennungskraftwerken zu reduzieren, besteht im Entzug von Kohlenstoff aus den zur Verbrennung gelangenden Brennstoffen noch vor Einleiten des Brennstoffes in die Brennkammer. Dies setzt entsprechende Brennstoffvorbehandlungen voraus, wie beispielsweise die teilweise Oxidation des Brennstoffes mit Sauerstoff und/oder eine Vorbehandlung des Brennstoffes mit Wasserdampf. Derartig vorbehandelte Brennstoffe weisen zumeist grosse Anteile von H₂ und CO auf, und verfügen je nach Mischungsverhältnissen über Heizwerte, die in der Regel unter jenen von natürlichem Erdgas liegen. In Abhängigkeit ihres Heizwertes werden derartig synthetisch hergestellte Gase als Mbtu- oder Lbtu-Gase bezeichnet, die sich nicht ohne weiteres für den Einsatz in herkömmlichen, für die Verbrennung von Naturgasen wie Erdgas konzipierten Brennern eignen, wie sie beispielsweise der EP 0 321 809 B1 , EP 0 780 629 A2, WO 93/17279 sowie der EP 1 070 915 A1 entnehmbar sind. In allen vorstehenden Druckschriften sind Brenner vom Typ der Vormischverbrennung beschrieben, bei denen jeweils eine sich in Strömungsrichtung konisch erweiternde Drallströmung aus Verbrennungsluft und beigemischtem Brennstoff erzeugt wird, die in Strömungsrichtung nach Austritt aus dem Brenner möglichst nach Erreichen eines homogenen Luft-Brennstoff-Gemisches durch den zunehmenden Drall instabil wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht.Motivated by the almost worldwide efforts to reduce the emission of greenhouse gases into the atmosphere, not least laid down in the so-called Kyoto Protocol, the expected emission of greenhouse gases in 2010 should be reduced to the same level as in 1990. To implement this The project requires great efforts, in particular to reduce the contribution of anthroprogen-induced CO ₂ releases into the atmosphere. About one third of the CO2 released by humans into the atmosphere is due to energy production, which burns mostly fossil fuels in power plants to produce electricity. In particular, through the use of modern technologies and additional political framework conditions can be seen in the energy-producing sector, a significant savings potential to avoid a further increase in CO2 expulsion. A per se known and technically controllable way to reduce the CO 2 emission in combustion power plants, consists in the removal of carbon from the fuels reaching combustion before the introduction of the fuel into the combustion chamber. This requires appropriate fuel pretreatments, such as the partial oxidation of the fuel with oxygen and / or a pretreatment of the fuel with water vapor. Such pretreated fuels usually have large amounts of H ₂ and CO, and depending on the mixing ratios have calorific values, which are generally lower than those of natural gas. Depending on their calorific value, such synthetically produced gases are referred to as Mbtu or Lbtu gases, which are not readily suitable for use in conventional burners designed for the combustion of natural gases such as natural gas, as described, for example, in EP 0 321 809 B1, US Pat. EP 0 780 629 A2, WO 93/17279 and EP 1 070 915 A1 are removable. In all the above publications burners are described of the type of Vormischverbrennung, in each of which a conically expanding in the flow direction swirl flow of combustion air and admixed fuel is generated in the flow direction after exiting the burner as possible after reaching a homogeneous air-fuel mixture through the increasing swirl becomes unstable and merges into an annular swirl flow with backflow in the core.

Je nach Brennerkonzept sowie in Abhängigkeit der Brennerleistung wird der sich im inneren des Vormischbrenners ausbildenden Drallströmung flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff zur Ausbildung eines möglichst homogenen Brennstoff- Luftgemisches eingespeist. Gilt es jedoch, wie vorstehend erwähnt, zu Zwecken einer reduzierten Schadstoff-, insbesondere CO₂-Emission synthetisch aufbereitete, gasförmige Brennstoffe alternativ zu oder in Kombination mit der Verbrennung herkömmlicher Brennstoffarten einzusetzen, so ergeben sich besondere Anforderungen an die konstruktive Auslegung herkömmlicher Vormischbrennersysteme. So erfordern Synthesegase zur Einspeisung in Brennersysteme einen vielfachen Brennstoff-Volumenstrom gegenüber vergleichbaren mit Erdgas betriebenen Brennern, so dass sich deutlich unterschiedliche Strömungsimpulsverhältnisse ergeben. Aufgrund des hohen Anteils an Wasserstoff im Synthesegas und der damit verbundenen niedrigen Zündtemperatur und hohen Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffes, besteht eine hohe Reaktionsneigung des Brennstoffes, die zu einer erhöhten Rückzündgefahr führt. Um dies zu vermeiden, gilt es die mittlere Verweilzeit von zündfähigem Brennstoff-Luftgemisch innerhalb des Brenners möglichst zu reduzieren.Depending on the burner concept and depending on the burner power, liquid and / or gaseous fuel which is formed in the interior of the premix burner are fed with liquid and / or gaseous fuel in order to form a homogeneous air-fuel mixture. However, as stated above, if gaseous fuels are to be used as alternatives to or in combination with the combustion of conventional types of fuel for purposes of reduced pollutant, in particular CO ₂ emissions, special requirements are imposed on the design of conventional premix burner systems. Thus, synthesis gases for feeding into burner systems require a multiple fuel volume flow compared to comparable burners operated with natural gas, so that clearly give different flow pulse ratios. Due to the high proportion of hydrogen in the synthesis gas and the associated low ignition temperature and high flame velocity of the hydrogen, there is a high tendency to react of the fuel, which leads to an increased risk of re-ignition. To avoid this, it is necessary to reduce the average residence time of flammable fuel-air mixture within the burner as possible.

Will man darüber hinaus anstelle von Synthesegasen, die beispielsweise im Wege der Kohlevergasung gewonnen werden und typischerweise ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff in einem Mischungsverhältnis von 30:60:10 aufweisen, puren Wasserstoff als Brennstoff einzusetzen, und dies mit dem Hintergrund einer möglichst emissionsreduzierten bzw. emissionsfreien Verbrennung, so gelten die vorstehend aufgezeigten Probleme in einer noch weit verschärfteren Form, zumal Wasserstoff eine Flammengeschwindigkeit aufweist, die um eine Größenordnung über jener von Erdgas liegt und etwa 45 % höher ist als die Flammengeschwindigkeit unverdünnter Synthesegase, wie sie auch im Rahmen der Ölvergasung gewonnen werden. Zusätzlich verfügt Wasserstoff als Brennstoff über eine weitaus grossere Selbstentzündlichkeit bzw. Reaktivität bspw. als Erdgas, so dass in der Zusammenschau der vorstehenden wasserstoffeigenen Verbrennungsqualitäten die Herstellung eines zündfähigen, aus Wasserstoff bestehenden Brennstoff-Luftgemisches unter Bedingungen, wie sie zur Befeuerung von Gasturbinenanlagen vorherrschen, äusserst schwierig ist, gilt es doch insbesondere Frühzündungen des Wasserstoffes zu vermeiden bevor sich ein homogen durchmischtes Brennstoff-Luftgemisch zur Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage ausgebildet hat. Im Falle einer unzureichenden Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches treten aufgrund von Verbrennungsinhomogenitäten grosse Temperaturpeaks sowie damit verbunden hohe Stickoxidemissionen auf. Darstellung der ErfindungIf, in addition to synthesis gases, which are obtained, for example, by coal gasification and typically have a mixture of hydrogen, carbon monoxide and nitrogen in a mixing ratio of 30:60:10, to use pure hydrogen as fuel, and this with the background of a possible reduced emissions or emission-free combustion, the above-mentioned problems apply in a still more severe form, especially since hydrogen has a flame velocity which is an order of magnitude higher than that of natural gas and about 45% higher than the flame velocity of undiluted synthesis gas, as in the Obtained by the gasification of the oil. In addition, hydrogen as a fuel has a much greater Selbstentzündlichkeit or reactivity than, for example, natural gas, so that in the synopsis of the above hydrogen own combustion qualities the production of an ignitable, consisting of hydrogen fuel-air mixture under conditions that prevail for firing gas turbine plants, extremely However, it is difficult to avoid in particular pre-ignition of the hydrogen before a homogeneously mixed fuel-air mixture for firing a combustion chamber has been designed to drive a gas turbine plant. In the case of insufficient mixing of the fuel-air mixture occur due to incineration inhomogeneities large temperature peaks and associated high nitrogen oxide emissions. Presentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenen Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird, derart anzugeben, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere gilt es konstruktive und verfahrenstechnische Rahmenbedingungen zu schaffen, unter denen eine sichere und vollständige Ausbildung eines vollständig durchmischten Brennstoff-Luftgemisches gewährleistet wird, wobei als Brennstoff vorzugsweise purer Wasserstoff eingesetzt wird, um eine möglichst schadstoffreduzierte bzw. schadstofffreie Verbrennung zu garantieren. Insbesondere gilt es hierbei die besondere Zünd- und Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff, wie eingangs erläutert, zu berücksichtigen um letztlich die Möglichkeit des Einsatzes von Wasserstoff als Brennstoff zur Versorgung an sich bekannter Vormischbrenner zu eröffnen.The invention is based on the object of a method and an apparatus for producing an ignitable fuel-air mixture, the fuel portion of hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture and which is burned in a burner assembly for driving a heat engine, in particular a gas turbine plant, to specify such that the above mentioned prior art disadvantages should be avoided. In particular, it is constructive and procedural conditions to create, under which a secure and complete training of a completely mixed fuel-air mixture is ensured, preferably being used as fuel pure hydrogen to guarantee a pollutant-reduced or pollutant-free combustion. In particular, it is here the special ignition and combustion properties of hydrogen, as explained above, to take into account ultimately to open the possibility of using hydrogen as a fuel for the supply of known premix burner.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine lösungsgemässe Ausbildung einer diesbezüglichen Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruches 14. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. An embodiment according to the solution of a corresponding device is the subject of claim 14. The solution ideas advantageously further features are the subject of the dependent claims and the description in particular with reference to the embodiments refer.

Die lösungsgemässe Nutzung vorzugsweise von aus purem Wasserstoff bestehendem Brennstoff für die Befeuerung einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, macht sich das Prinzip der katalytischen Vorbehandlung des Brennstoffes sowie des sich ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches vor Eintritt in die Brennkammer zu nutze, das bereits aus Druckschriften bekannt ist, die die Verbrennung fossiler Brennstoffe für den Antrieb für Gasturbinenanlagen vorsehen, wobei hierbei nahezu Stickoxidfreie Abgase entstehen. Eine derartige katalytische Vorbehandlung des Brennstoffes mit nachfolgender Verbrennung wird in der Literatur beschrieben, und sieht eine Katalyse eines Teils dem Verbrennungsvorgang zuzuführenden Brennstoff- Luftgemisches unter brennstoffreichen Mischungsverhältnissen vor mit einer anschliessenden Verbrennung eines abgemagerten, teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisches im Rahmen einer Brennkammer. Ein derartiges Brennerkonzept ist beispielsweise der WO 2004/094909 zu entnehmen.The use according to the solution, preferably of pure hydrogen fuel for firing a burner assembly for driving a heat engine, in particular a gas turbine plant, makes use of the principle of catalytic pretreatment of the fuel and the forming fuel-air mixture before entering the combustion chamber, already From publications known to provide the combustion of fossil fuels for the drive for gas turbine plants, in which case almost nitrogen oxide-free exhaust gases. Such a catalytic pretreatment of the fuel with subsequent combustion is described in the literature, and sees a Catalysis of a part of the combustion process to be supplied fuel-air mixture under fuel-rich mixing ratios before with a subsequent combustion of a lean, partially catalyzed fuel-air mixture in the context of a combustion chamber. Such a burner concept can be found, for example, in WO 2004/094909.

Lösungsgemäss ist erkannt worden, dass das Prinzip einer katalytischen Vorbehandlung des Brennstoffes Wasserstoff im Wege einer brennstoffreichen Oxidation, d.h. der vorhandene Sauerstoffanteil beträgt typischerweise zwischen 20 und 50 % jener Sauerstoffmenge, die für eine vollständige Oxidation des vorhandenen Wasserstoffes nötig wäre, zielführend ist, um Wasserstoff als Brennstoff einzusetzen und letztlich ein zündfähiges Wasserstoff-Luftgemisch zu bilden, dass kontrolliert in der Brennkammer gezündet werden kann. Durch die anteilig erfolgende katalytische Oxidation von Wasserstoff ergeben sich Wasser sowie gasförmiger Stickstoff als Oxidationsprodukte, durch die der nicht oxidierte Anteil von Wasserstoff soweit verdünnt wird, dass das sich ausbildende teilkatalysierte Gasgemisch für eine weitere Durchmischung mit Luft eignet ohne dabei Frühzündungen zu erleiden. Neben der durch die Bildung von Wasser und Stickstoff bedingten Verdünnungswirkung die eine auf die hohe Entzündlichkeit von Wasserstoff hemmende Wirkung ausübt und somit die Reaktivität des Wasserstoffes reduziert und die Gefahr vor Selbstentzündungen deutlich mindert, trägt die durch die exotherme chemische Reaktion freiwerdende Wärme zur Erwärmung des teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisch bei, das auf Temperaturen typischerweise zwischen 700⁰C und 1000⁰C erhitzt wird und nachfolgend mit einem ebenfalls durch die frei werdende Wärme der katalysierten Oxidation erwärmten Luftstrom zu einem abgemagerten Wasserstoff-Luftgemisch vermischt wird und letztlich innerhalb einer Brennkammer zur Zündung gelangt.According to the solution, it has been recognized that the principle of a catalytic pretreatment of the fuel hydrogen by means of a fuel-rich oxidation, ie the amount of oxygen present is typically between 20 and 50% of that amount of oxygen that would be necessary for a complete oxidation of the existing hydrogen, to hydrogen to use as fuel and ultimately to form an ignitable hydrogen-air mixture that can be ignited controlled in the combustion chamber. The partial catalytic oxidation of hydrogen results in water and gaseous nitrogen as oxidation products by which the unoxidized portion of hydrogen is diluted so much that the forming partially catalyzed gas mixture for further mixing with air is suitable without suffering pre-ignition. In addition to the dilution effect caused by the formation of water and nitrogen, which exerts a high inflammability of hydrogen inhibiting effect and thus reduces the reactivity of hydrogen and significantly reduces the risk of spontaneous combustion, the heat released by the exothermic chemical reaction contributes to the heating of the partially catalyzed Hydrogen-air mixture, which is typically heated to temperatures between 700 ⁰ C and 1000 ⁰ C and subsequently mixed with a likewise heated by the liberated heat of the catalyzed oxidation air stream to a lean hydrogen-air mixture and ultimately passes within a combustion chamber for ignition ,

So sieht das lösungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenen Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird, folgende Verfahrensschritte vor:Thus, the solution according to the method for producing an ignitable fuel-air mixture, the fuel portion of which consists of hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture and in a burner assembly to drive a heat engine, in particular a gas turbine plant, is burned, the following process steps:

In einem ersten Schritt wird Wasserstoff als Brennstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch als Brennstoff mit Luft unter Ausbildung einer Brennstoff- Luftgemischströmung zusammengeführt bzw. gemischt. Zur vereinfachten weiteren Darstellung des Lösungsgedankens sei angenommen, dass als Brennstoff purer Wasserstoff verwendet wird, gleichwohl die weiteren lösungsgemässen Ausführungen gleichfalls auch auf die Verwendung eines Wasserstoff enthaltenen Gasgemisches, bspw. Synthesegase, als Brennstoff anzuwenden sind. Die vorstehend beschriebene Wasserstoff-Luftgemischströmung wird mit einem hohen Wasserstoffanteil hergestellt, d.h. der Sauerstoffanteil in der Wasserstoff- Luftgemischströmung beträgt lediglich 20 bis maximal 50 % jener Sauerstoffmenge, die erforderlich wäre, den gesamten Wasserstoff zu verbrennen bzw. zu oxidieren, es handelt sich demzufolge um ein „fettes Brennstoff-Luftgemisch".In a first step, hydrogen as fuel or a hydrogen-containing gas mixture is combined as fuel with air to form a fuel-air mixture flow or mixed. For a simplified further illustration of the solution idea, it is assumed that pure hydrogen is used as the fuel, although the other solutions according to the invention are likewise to be applied as fuel to the use of a gas mixture containing hydrogen, for example synthesis gases. The hydrogen-air mixture flow described above is produced with a high hydrogen content, i. the oxygen content in the hydrogen-air mixture flow is only 20 to a maximum of 50% of the amount of oxygen that would be required to burn or oxidize the entire hydrogen, it is therefore a "rich fuel-air mixture".

Neben der „fetten Wasserstoff-Luftgemischströmung" wird eine separate weitere Luftströmung bereitgestellt, auf die im Einzelnen noch einzugehen ist.In addition to the "rich hydrogen-air mixture flow" a separate additional air flow is provided, which will be discussed in more detail below.

Die vorstehend erläuterte „fette" Wasserstoff-Luftgemischströmung wird einer Katalyse zugeführt, in der erhebliche Anteile des in der Wasserstoff- Luftgemischströmung enthaltenden Wasserstoffs zu Wasser oxidiert werden, wobei zugleich aufgrund der exotherm erfolgenden chemischen Reaktion Wärme frei wird, durch die nicht nur das sich im Wege der Katalyse ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch typischerweise auf Temperaturen zwischen 700 und 1000°C erhitzt wird und das Wasser als Wasserdampf eine verdünnende Wirkung auf das sich ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch besitzt, sondern zudem auch die weitere Luftströmung erhitzt wird, die thermisch an das sich im Wege der Katalyse ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch gekoppelt wird. Erst nach dem Katalyseschritt erfolgt eine Beimischung der erwärmten weiteren Luftströmung zum teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisch unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, das innerhalb einer Brennkammer gezündet und verbrannt wird.The above-described "rich" hydrogen-air mixture flow is fed to a catalysis in which significant portions of the hydrogen contained in the hydrogen-air mixture flow are oxidized to water, at the same time heat is released due to the exothermic chemical reaction, which is not only in the Pathways of catalysis forming partially catalyzed hydrogen-air mixture is typically heated to temperatures between 700 and 1000 ° C and the water as water vapor has a diluting effect on the forming partially catalyzed hydrogen-air mixture, but also the further air flow is heated, the thermally to the Only after the catalytic step, an admixture of the heated further air flow to the partially catalyzed hydrogen-air mixture is carried out to form a partially catalyzed hydrogen-air mixture ignitable fuel-air mixture which is ignited and burned within a combustion chamber.

Durch die lösungsgemäße Vorbehandlung und Verbrennung eines Wasserstoff- Luftgemisches kann zudem der verbrennungsbedingte Stickoxidausstoss erheblich reduziert werden, dies rührt zum einen daher, da ein Teil des Wasserstoffes bei Temperaturen oxidiert wird, die weit unter jenen Temperaturen liegen, bei denen eine thermische Stickstoffoxidbildung auftreten kann, zum anderen trägt eine rasche und vollständige Durchmischung des teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisches mit der erwärmten weiteren Luftströmung zu einem vollständigen Abbrand des Wasserstoffes innerhalb der Brennkammer. Schliesslich trägt das im Wege der Katalysation von Wasserstoff entstehende Wasser, das aufgrund der vorherrschenden Temperaturen in Form von Wasserdampf den verbleibenden Wasserstoffrestanteil zu verdünnen vermag dazu bei, eine weitere Stickoxidbildung zu verhindern bzw. zu reduzieren.The solution-based pretreatment and combustion of a hydrogen-air mixture, the combustion-related nitrogen oxide emissions can also be significantly reduced, this is due, firstly, because a portion of the hydrogen is oxidized at temperatures well below those temperatures at which a thermal nitric oxide formation may occur on the other hand, a rapid and complete mixing of the partially catalyzed hydrogen-air mixture with the heated further air flow contributes to a complete combustion of the hydrogen within the combustion chamber. Finally, the water produced by the catalysis of hydrogen, which due to the prevailing temperatures in the form of water vapor can dilute the remaining hydrogen radical fraction, contributes to preventing or reducing further formation of nitrogen oxide.

In Ergänzung zu der eingangs erwähnten Bereitstellung der Luftströmung, die einerseits mit Wasserstoff zur Ausbildung einer Wasserstoff-Luftgemischströmung dient, andererseits als weitere Luftströmung die nach entsprechender Erwärmung den teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisch beigemengt wird, sei angemerkt, dass diese Luftströmung mittels einer Verdichtereinheit als vorverdichtete Luftströmung mit Temperaturen von wenigstens 350°C bereitgestellt wird.In addition to the above-mentioned provision of the air flow, which serves on the one hand with hydrogen to form a hydrogen-air mixture flow, on the other hand as a further air flow which is admixed after appropriate heating of the partially catalyzed hydrogen-air mixture, it should be noted that this air flow by means of a compressor unit as a pre-compressed air flow with temperatures of at least 350 ° C is provided.

Besondere Beachtung bedarf der Ausbildung der Katalysatoreinheit, in der die reich an Wasserstoff ausgebildete Wasserstoff-Luftgemischströmung zumindest in Teilen unter Ausbildung von Wasser katalysiert wird. In Anlehnung an die in der vorstehend zitierten Druckschrift WO 2004/094909 unter Bezugnahme auf die darin beschriebene Katalysatoreinheit, die im wesentlichen eine matrixartig perforierte Trägerstruktur vorsieht, die von einer Vielzahl parallel orientierter Durchgangskanäle durchsetzt ist, von denen eine erste Gruppe von Durchgangskanälen innwandig mit einem Katalysatormaterial ausgekleidet ist und eine zweite Gruppe von Durchgangskanälen aus im wesentlichen chemisch inerten Material besteht, bedarf es jedoch einer lösungsgemässen Modifikation, um das zündfähige Wasserstoff-Luftgemisch entsprechend chemisch vorzubehandeln.Particular attention must be given to the formation of the catalyst unit, in which the hydrogen-rich mixture of hydrogen formed hydrogen flow is catalyzed at least in part to form water. Based on the cited in WO 2004/094909 cited above with reference to the catalyst unit described therein, which essentially provides a matrix-like perforated support structure which is interspersed by a plurality of parallel oriented passageways, of which a first group of passageways innwandig with a Catalyst material is lined and a second group of passageways consists of substantially chemically inert material, However, it requires a solution according to the invention, in order to pretreat the flammable hydrogen-air mixture accordingly chemically.

So gilt es, die vorbereitete Wasserstoff-Luftgemischströmung vorzugsweise durch Aufteilung in eine Vielzahl einzelner Teilströme in eben jene Durchgangskanäle der ersten Gruppe einzuspeisen, deren Innenwände mit Katalysatormaterial ausgekleidet sind. Eine Überhitzung der Tragstruktur der Katalysatoreinheit wird einerseits dadurch vermieden, indem unter wasserstoffreichen Mischungsverhältnissen innerhalb derWasserstoff-Luftgemischströmung nur ein vorgebbarer Anteil an Wasserstoff mit Sauerstoff unter Wärmefreisetzung und Wasserbildung zu oxidieren vermag.So it is important to feed the prepared hydrogen-air mixture flow preferably by dividing into a plurality of individual partial flows in just those passageways of the first group, whose inner walls are lined with catalyst material. Overheating of the support structure of the catalyst unit is avoided on the one hand by being able to oxidize only a predeterminable amount of hydrogen with oxygen under heat release and water formation under hydrogen-rich mixing ratios within the hydrogen-air mixture flow.

Hierbei ist es der Sauerstoffanteil, der die Wärmefreisetzung durch die Reaktionspartner zu begrenzen vermag, so dass die im Wege der exotherm ablaufenden Reaktion freiwerdende Wärmemenge unter Berücksichtigung der thermischen Belastbarkeit des Materials, aus dem die Tragstruktur der Katalysatoreinheit besteht, gewählt wird. Zudem dienen die der zweiten Gruppe zuzuordnenden Durchgangskanäle, durch die jeweils brennstofffreie bzw. wasserstofffreie Luftströmungen hindurchgeführt werden, als Kühlkanäle, durch die zusätzlich die Tragstruktur in einem temperaturstabilen Bereich gehalten werden kann. Üblicherweise können die im Wege der Katalyse auftretenden Temperaturen unter 10OfJ⁰C gehalten werden, so insbesondere in jenen Fällen, in denen die Tragstruktur aus metallischen Materialien besteht. Werden hingegen keramische Materialien, wie beispielsweise Corodierit, als Material für die Tragstruktur eingesetzt, so erhöhen sich die maximalen Belastungstemperaturen auf maximal 1300°C. Es ist evident, dass zum sicheren Betrieb eines derartigen Katalysators für eine ausreichend gute thermische Kopplung zwischen jeweils den Durchgangskanälen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe zu sorgen ist, um einerseits den gewünschten Kühleffekt für die Tragstruktur und andererseits die durch die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe hindurchgeführten Luftströmungen möglichst effektiv zu erhitzen, so dass nach Durchtritt der Vielzahl der erhitzten Teilluftströme durch die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe eine Durchmischung mit der Vielzahl ebenfalls erhitzter Teilströme des teilkatalysierten Wasserstoff- Luftgemisches unter Ausbildung eines heissen zündfähigen Wasserstoff- Luftgemisches erfolgen kann.In this case, it is the oxygen content that is able to limit the release of heat by the reactants, so that the amount of heat liberated in the course of the exothermic reaction is selected taking into account the thermal load capacity of the material constituting the support structure of the catalyst unit. In addition, the passage channels to be assigned to the second group, through which fuel-free or hydrogen-free air flows are respectively passed, serve as cooling channels, by means of which the supporting structure can additionally be held in a temperature-stable region. Usually, the temperatures occurring by means of catalysis can be kept below 10OfJ ⁰ C, so in particular in those cases in which the support structure consists of metallic materials. If, on the other hand, ceramic materials such as corodierite are used as the material for the supporting structure, the maximum load temperatures increase to a maximum of 1300 ° C. It is evident that for the safe operation of such a catalyst sufficient thermal coupling between the passageways of the first group and the second group is to be ensured, on the one hand, the desired cooling effect for the support structure and, on the other hand, the passage through the passageways of the second group To heat air flows as effectively as possible, so that after passing through the plurality of heated partial air flows through the passageways of the second group, a thorough mixing with the large number of likewise heated partial flows of the partially catalyzed hydrogen-air mixture to form a hot ignitable hydrogen-air mixture can take place.

Das lösungsgemässe Verfahrenskonzept sieht alternative Verfahrensvarianten zur Durchmischung der Vielzahl der jeweils aus den Durchgangskanälen austretenden Teilströme vor. Eine einfachste Ausführungsform zur Durchmischung nutzt die hohe Packungsdichte der in einer Ebene angeordneten Austrittsöffnungen aller innerhalb der Tragstruktur zusammengefassten Durchgangskanäle, die vorzugsweise jeweils einen hexagonalen Strömungsquerschniü aufweisen und somit ein Hexagonalwabenmuster bilden. Durch Vorsehen sehr dünner Zwischenwände zwischen zwei unmittelbar benachbart zueinander verlaufender Durchgangskanäle geraten die einzelnen Teilströme nach Durchtritt durch die Durchgangskanäle in eine effektive gegenseitige Durchmischung. Um einen möglichst hohen Durchmischungsgrad der aus den Durchgangskanälen austretenden Teilströme zu erhalten, sind die Durchgangskanäle der ersten und zweiten Gruppe gerade so angeordnet, dass unmiüelbar benachbart zueinander verlaufende Durchgangskanäle eine unterschiedliche Gruppenzugehörigkeit aufweisen.The solution according to the method concept provides alternative method variants for mixing the plurality of each emerging from the passageways partial streams. A simplest embodiment for mixing uses the high packing density of the arranged in a plane outlet openings of all summarized within the support structure through channels, which preferably each have a hexagonal Strömungsquerschniü and thus form a hexagonal honeycomb pattern. By providing very thin partitions between two immediately adjacent to each other passage channels get the individual partial flows after passing through the passageways in an effective mutual mixing. In order to obtain the highest possible degree of mixing of the partial streams emerging from the through-channels, the through-channels of the first and second groups are just arranged such that unmistakably adjacent through-channels have a different group membership.

Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsvariante der gegenseitigen Durchmischung der aus den Durchgangskanälen beider Gruppen austretenden Teilströmen sieht vor, die jeweils durch die Durchgangskanäle der ersten Gruppe hindurchtretenden Teilströme, die jeweils das teilkatalysierte Wasserstoff- Luftgemisch enthalten, in einem räumlich abgetrennten Strömungsbereich gemeinsam zusammen zuführen, wohingegen die Teilströme, die durch die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe hindurchtreten, in einen anderweitigen Strömungsbereich zusammen zuführen. Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Mischungsvariante, in der jeweils eine Vielzahl von Teilströmen miteinander in Durchmischung geraten, sieht die zweite, bevorzugte Ausführungsvariante vor, die aus den jeweiligen Strömungsbereichen austretende erwärmte Luftströmung bzw. teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemischströmung als jeweils einheitliche Strömungen unter Einsatz von zusätzlich Wirbel erzeugenden Mitteln zum Zwecke einer gegenseitigen Durchmischung zu verwirbeln. Alternativ oder in Kombination können zusätzlich drallerzeugende Mittel stromab zu den jeweiligen Strömungsbereichen vorgesehen werden, durch die beide getrennte Stoffströme miteinander durchmischt und in Form einer möglichst stabilen Drallströmung in den Bereich der Brennkammer eintreten, in der die Drallströmung unter Ausbildung einer raumstabilen Rückströmblase aufplatzt.A further, particularly preferred embodiment variant of the mutual mixing of the partial streams emerging from the throughflow channels of both groups provides that the partial streams respectively passing through the throughflow channels of the first group, each containing the partially catalyzed hydrogen-air mixture, together in a spatially separated flow region, together the part streams that pass through the passageways of the second group, bring together in a different flow area together. In contrast to the above-described mixture variant in which a plurality of partial streams get mixed with each other, the second preferred embodiment provides the heated air flow or partially catalyzed hydrogen-air mixture flow emerging from the respective flow regions as respectively uniform flows using additional vortices generating Swirling means for the purpose of mutual mixing. Alternatively or in combination, swirl-producing means can additionally be provided downstream of the respective flow regions, through which both separate material streams intermix and enter in the region of the combustion chamber in the form of a swirl flow which is as stable as possible, in which the swirl flow bursts to form a space-stable backflow bubble.

Für die Zusammenführung der beiden aus den jeweiligen separierten Strömungsbereichen austretenden Stoffströme bieten sich unterschiedliche Strömungsführungen an. Eine erste Strömungsführung sieht den Austritt des teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemisches in Form eines sich axialwärts ausbreitenden, einheitlichen Stoffstromes vor, der annular von einer sich ringförmig von aussen anschmiegenden erwärmten Luftströmung umhüllt wird, die sich in geeigneter Weise axialwärts als Drallströmung ausbreitet. Der umgekehrte Fall ist ebenso denkbar, bei dem ein sich axialwärts ausbreitender erwärmter Luftstrom von aussen durch eine annulare Wasserstoff-Brennstoffgemischströmung umhüllt wird, die sich im weiteren in Form einer Drallströmung unter Ausbildung eines homogen durchmischten Wasserstoff-Brennstoffgemisches in Richtung der Brennkammer ausbreitet.For the merging of the two streams emerging from the respective separated flow areas, different flow guides are available. A first flow guide provides for the outlet of the partially catalyzed hydrogen-air mixture in the form of an axially flowing, uniform material flow, which is enveloped annularly by a heated air flow which surrounds itself in an annular manner from the outside and which propagates axially as a swirl flow in a suitable manner. The reverse case is also conceivable, in which an axially extending heated air stream is enveloped from the outside by an annular hydrogen-fuel mixture flow, which propagates further in the form of a swirl flow to form a homogeneously mixed hydrogen-fuel mixture in the direction of the combustion chamber.

Je nach Mischungsanforderungen sowie Anforderungen hinsichtlich einer sich stabil ausbildenden Drallströmung sind geeignete wirbel- und drallerzeugende Mittel im Strömungsweg beider Stoffströme vorzusehen. Nähere Einzelheiten können der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die diesbezüglichen Ausführungsbeispiele entnommen werden.Depending on the mixing requirements and requirements for a stable forming swirl flow suitable vortex and spin-generating means in the flow path of both streams are provided. Further details can be found in the further description with reference to the relevant embodiments.

Ebenso bietet es sich an, als weitere Alternative das teilkatalysierte Wasserstoff- Brennstoffgemisch anstelle einer einheitlichen Strömung in Form einer Vielzahl neugebildeter Einzelströmungen aus dem entsprechenden Strömungsbereich austreten zu lassen, die allesamt von einer annularen die Vielzahl der Einzelströmungen umgebenden erwärmten Luftströmung umgeben werden. Neben einer sich axialwärts ausbreitenden, einheitlichen Strömung, beispielsweise bestehend aus teilkatalysierten Wasserstoff-Brennstoffgemisch können Teile dieser Strömung unter einem Winkel ungleich 0° zur Hauptströmungsrichtung in die radial aussen liegenden Strömungsbereiche eingespeist werden. Mit dieser Massnahme kann der Durchmischungsgrad der sich ausbildenden Wasserstoff- Brennstoffgemischströmung erheblich verbessert werden.It also makes sense, as a further alternative, to allow the partially catalyzed hydrogen-fuel mixture to emerge from the corresponding flow region instead of a uniform flow in the form of a multiplicity of newly formed individual flows, all of which are surrounded by an annular heated air flow surrounding the multiplicity of individual flows. In addition to an axially extending, uniform flow, for example, consisting of partially catalyzed hydrogen-fuel mixture parts of this flow can be fed at an angle not equal to 0 ° to the main flow direction in the radially outer flow regions. With this measure, the degree of mixing of the forming hydrogen-fuel mixture flow can be significantly improved.

Zur Realisierung des vorstehend beschriebenen Verfahrens sowie den sich hierdurch eröffnenden Verfahrensvarianten gilt es eine geeignete Vorrichtung anzugeben, mit der die Herstellung eines zündfähigen Wasserstoff-Luftgemisches zum Betreiben eines Brenners einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, möglich ist. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Katalysatoreinheit auf, die stromauf zum Brenner angeordnet ist und eine Vielzahl gleich orientierter Durchgangskanäle aufweist, von denen eine erste Gruppe innwandig mit einem Katalysatormaterial versehen ist und eine zweite Gruppe aus chemisch weitgehend inertem Material besteht. Ferner ist ein erstes Einspeisungsmittel zum Einleiten eines Wasserstoff-Luftgemisches in die Durchgangskanäle der ersten Gruppe und ein zweites Einspeisungsmittel zum Einleiten von Luft in die Durchgangskanäle der zweiten Gruppe vorgesehen. Stromab zur Katalysatoreinheit schliesst an den Brenner eine Brennkammer an, in der das zündfähige Wasserstoff-Luftgemisch unter Ausbildung einer möglichst raumstabilen Flamme zur Zündung gebracht wird.In order to realize the above-described method as well as the process variants opening thereby, it is necessary to provide a suitable device with which the production of an ignitable hydrogen-air mixture for operating a burner of a heat engine, in particular a gas turbine plant, is possible. The device has at least one catalyst unit, which is arranged upstream of the burner and has a plurality of identically oriented through channels, of which a first group is provided with a catalyst material and a second group consists of chemically largely inert material. Further, a first feed means for introducing a hydrogen-air mixture in the passageways of the first group and a second feed means for introducing air into the passageways of the second group is provided. Downstream of the catalyst unit connects to the burner to a combustion chamber in which the ignitable hydrogen-air mixture is brought to form a stable as possible flame to flame.

Da die Vorrichtung im Unterschied zu vergleichbaren Vorrichtungen die Verbrennung von Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenen Gasgemisch als Brennstoff ermöglichen soll, zeichnet sich die Vorrichtung lösungsgemäss dadurch aus, dass das erste Einspeisungsmittel wenigstens zwei voneinander getrennte Kammern aufweist, von denen die erste Kammer eine Brennstoffzuleitung und die zweite Kammer eine Luftzuleitung vorsieht, und dass die erste und zweite Kammer jeweils Verbindungsleitungen vorsehen, die in den Durchgangskanälen der ersten Gruppe jeweils paarweise münden. Durch das lösungsgemäss vorgeschlagene Zwei-Kammersystem, ist es möglich, die Brennstoff bzw. Wasserstoffzuführung in die jeweils mit Katalysatormaterial versehenen Durchgangskanäle der Katalysatoreinheit direkt vorzunehmen, längs der sich der in den Durchgangskanälen ausbreitende Wasserstoff mit der ebenso direkt in die betreffenden Durchgangskanäle einmündenden erwärmten Luftströmung vermischt, wobei die sich innerhalb der Durchgangskanäle ausbildende Wasserstoff- Luftgemischströmung einen verhältnismässig hohen Wasserstoffanteil aufweist, so dass aufgrund eines vorgegebenen Sauerstoffmangels nur ein Teil des vorhandenen Wasserstoffs zu Wasser katalytisch oxidiert wird.Since the device is intended to enable the combustion of hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture as fuel in contrast to comparable devices, the device is characterized by the fact that the first feed means has at least two separate chambers, of which the first chamber a fuel supply and the second chamber provides an air supply line, and that the first and second chamber respectively provide connecting lines, which open in pairs in the passageways of the first group. By proposed in accordance with the proposed two-chamber system, it is possible to make the fuel or hydrogen supply directly into each provided with catalyst passageways of the catalyst unit, along which the spreading in the passageways hydrogen mixed with the also directly into the respective passage channels heated heated air flow , wherein the forming within the through-channels hydrogen-air mixture flow having a relatively high hydrogen content, so that due to a predetermined oxygen deficiency, only a portion of the existing hydrogen is catalytically oxidized to water.

Das der Katalysatoreinheit in Strömungsrichtung vorgeschaltete Zwei- Kammersystem sorgt für eine fluiddicht getrennte Einspeisung von Wasserstoff und Luft in die jeweiligen Durchgangskanäle der ersten Gruppe, die mit Katalysatormaterial bekleidet sind und stellt sicher, dass stromauf zur Katalysatoreinheit keinerlei Selbstzündungsgefahr des Wasserstoffs besteht. Zur konstruktiven Auslegung des Zwei-Kammersystems sowie der damit kombinierten Katalysatoreinheit mit weiteren in Strömungsrichtung der Katalysatoreinheit nachgeordneten Komponenten, sei im Folgenden auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren verwiesen.The two-chamber system upstream of the catalyst unit in the flow direction ensures a fluid-tight separate supply of hydrogen and air into the respective passageways of the first group, which are covered with catalyst material and ensures that there is no risk of autoignition of hydrogen upstream of the catalyst unit. For the structural design of the two-chamber system and the catalyst unit combined therewith with further downstream in the flow direction of the catalyst unit components, reference is made in the following to the description of the embodiments with reference to the figures.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 schematisierter Brenneraufbau mit Katalysatoreinheit,1 schematized burner assembly with catalyst unit,

Fig. 2 perspektivische Schnittdarstellung durch eine Katalysatoreinheit mit in Strömungsrichtung vorgeschaltetem Zwei-Kammernsystem und in Strömungsrichtung nachgeschaltetem Sammelvolumen, und Fig. 3 schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit2 shows a perspective sectional view through a catalyst unit with a two-chamber system arranged upstream in the direction of flow and a collecting volume downstream in the flow direction, and FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through a burner arrangement. Ways to carry out the invention, industrial usability

In Figur 1 ist eine schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung mit einer Katalysatoreinheit 1 vorgesehen, die im Strömungseintrittsbereich 2 des Brenners 3 angeordnet ist, an dem stromab eine Brennkammer 4 vorgesehen ist. Zum Betrieb der in Figur 1 dargestellten Brenneranordnung mit Wasserstoff als Brennstoff ist eine Brennstoffzuleitung 5 vorgesehen sowie eine Luftzuleitung 6, die gemeinsam in ein Einspeisungsmittel 7 münden. Das Einspeisungsmittel 7 weist Verbindungsleitungen 71 , die an Durchgangskanäle 8 münden, die die Katalysatoreinheit 1 axial durchragen. Die Katalysatoreinheit selbst besteht aus einer mit einer Vielzahl von Durchgangskanälen durchsetzten Tragstruktur, in der die Vielzahl der Durchgangskanäle matrixartig, vorzugsweise jeweils in der Anordnung eines Hexagonalwabenmusters angeordnet ist. Einen schematisierten Querschnitt durch die Hexagonalwabenstruktur ist in der Schnittdarstellung A-A dargestellt. Die die Tragstruktur der Katalysatoreinheit 1 durchsetzenden Durchgangskanäle sind in zwei Gruppen unterteilt, von denen die der ersten Gruppe zugehörigen Durchgangskanäle 8 innwandig mit einem Katalysatormaterial versehen sind und die der zweiten Gruppe zugehörigen Durchgangskanäle 9 aus chemisch weitgehend inerten Material bestehen. Wie bereits vorstehend erwähnt münden die Verbindungsleitungen 71 des Einspeisungsmittels 7 jeweils in die mit Katalysatormaterial ausgestatteten Durchgangskanäle 8, in denen der zugeführte wasserstoffhaltige Stoffstrom teilweise katalysiert wird. Unmittelbar benachbart zu den Durchgangskanälen 8 erstrecken sich die Durchgangskanäle 9 der zweiten Gruppe, durch die reine Zuluft 10 geleitet wird, die aufgrund der thermischen Kopplung an die Durchgangskanäle 8 und der darin freiwerdenden Wärme im Wege der exothermen katalysierten Oxidation erwärmt wird.1 shows a schematic longitudinal section through a burner arrangement with a catalyst unit 1, which is arranged in the flow inlet region 2 of the burner 3, at which a combustion chamber 4 is provided downstream. For the operation of the burner arrangement shown in Figure 1 with hydrogen as fuel, a fuel supply line 5 is provided and an air supply line 6, which open together into a feed means 7. The feed means 7 has connecting lines 71, which open at through channels 8, which project through the catalyst unit 1 axially. The catalyst unit itself consists of a through-structure interspersed with a multiplicity of through-channels, in which the multiplicity of passage channels are arranged in the manner of a matrix, preferably in each case in the arrangement of a hexagonal honeycomb pattern. A schematic cross section through the hexagonal honeycomb structure is shown in the sectional view A-A. The passageways passing through the support structure of the catalyst unit 1 are subdivided into two groups, of which the throughflow channels 8 belonging to the first group are provided with a catalyst material and the throughflow channels 9 belonging to the second group consist of largely chemically inert material. As already mentioned above, the connecting lines 71 of the feed means 7 each open into the catalyst material equipped with through-channels 8, in which the supplied hydrogen-containing material flow is partially catalyzed. Immediately adjacent to the passageways 8 extend the passageways 9 of the second group through which pure supply air 10 is passed, which is heated due to the thermal coupling to the passageways 8 and the heat released therein by way of exothermic catalyzed oxidation.

Stromab der Katalysatoreinheit 1 treten die Vielzahl der einzelnen teilkatalysierten Wasserstoff-Brennstoffgemischströme sowie die erwärmten Luftströme aus den jeweiligen Durchgangskanälen der Katalysatoreinheit 1 aus und erfahren eine vollständige Durchmischung, so dass sich noch vor Eintritt in die Brennkammer 4 ein homogen durchmischtes, zündfähiges Wasserstoff-Luftgemisch 11 ausbildet. Zur Verbesserung des Durchmischungsgrades des sich ausbildenden Wasserstoff- Luftgemisches 11 können optional längs des Brenners 2 stromab zur Katalysatoreinheit 1 Wirbelgeneratoren 12 vorgesehen werden. Ferner sind alternativ oder in Kombination zu den Wirbelgeneratoren 12 so genannte Drallerzeuger 13 vorgesehen, die innerhalb des sich axialwärts ausbreitenden Wasserstoff- Luftgemisches 11 eine Drallströmung induzieren, die nach Durchtritt in die Brennkammer 4 aufgrund der unsteten Strömungsquerschnittserweiterung unter Ausbildung einer stabilen Flammenfront 14 aufplatzt und zündet.Downstream of the catalyst unit 1, the plurality of individual partially catalyzed hydrogen fuel mixture streams and the heated air streams exit from the respective passageways of the catalyst unit 1 and undergo complete mixing so that a homogeneously mixed, ignitable hydrogen-air mixture 11 is still present before entering the combustion chamber 4 formed. to Improvement of the degree of mixing of the forming hydrogen-air mixture 11 may optionally be provided along the burner 2 downstream of the catalyst unit 1 vortex generators 12. Further, as an alternative or in combination with the vortex generators 12 so-called swirl generator 13 are provided which induce a swirl flow within the axially spreading hydrogen-air mixture 11 which bursts after passing into the combustion chamber 4 due to the unsteady flow cross-sectional extension to form a stable flame front 14 and ignites ,

Zentrale Bedeutung bei der Verwendung von purem Wasserstoff oder einem hoch reaktiven Gasgemisch, mit deutlichen Wasserstoffanteilen, kommt der Katalysatoreinheit 1 und insbesondere dem Einspeisungsmittel 7 zu, mit dem der Wasserstoff gemeinsam mit einer anteiligen Luftströmung in die jeweiligen, mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 8 eingespeist wird. So gilt es dabei insbesondere zu beachten, dass Selbstzündungen des Wasserstoffes sicher auszuschliessen sind. Ferner soll die längs der Durchgangskanäle 8 erfolgende Oxidation des Wasserstoffes kontrolliert erfolgen, so dass nicht der gesamte Wasserstoff, sondern nur ein bestimmter Anteil des durch die Durchgangskanäle 8 hindurchtretenden Wasserstoffes oxidiert wird und auf diese Weise die dabei frei werdende Wärme nicht zu einer Überhitzung der Katalysatoreinheit 1 führt. Hierzu ist in Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Katalysatoreinheit mit einem speziell ausgebildeten Einspeisungsmittel 7 für die Zuführung von Wasserstoff und Luft in die einzelnen, die Katalysatoreinheit durchsetzenden Kanäle 8 dargestellt.Central importance in the use of pure hydrogen or a highly reactive gas mixture, with significant hydrogen content, the catalyst unit 1 and in particular the feed means 7, with which the hydrogen is fed together with a proportionate air flow in the respective, lined with catalyst material passageways 8. In particular, it should be noted that autoignition of hydrogen can be safely ruled out. Furthermore, the oxidation of the hydrogen taking place along the through-channels 8 should take place in a controlled manner so that not all of the hydrogen, but only a certain portion of the hydrogen passing through the through-channels 8 is oxidized and in this way the heat released thereby does not overheat the catalyst unit 1 leads. 2 shows a preferred embodiment of a catalyst unit with a specially designed feed means 7 for supplying hydrogen and air into the individual passages 8 passing through the catalyst unit.

Zur besseren Veranschaulichung ist in Figur 2 ein perspektivisches Schnittbild durch eine derartige Katalysatoreinheit 1 in axialer Längsrichtung dargestellt. Die in Figur 2 eingezeichneten Pfeile veranschaulichen die Durchströmungsrichtung der Katalysatoreinheit und verdeutlichen die Lage, in der die Katalysatoreinheit 1 in einer Brenneranordnung gemäss schematisierter Bilddarstellung in Figur 1 zu integrieren ist. Die Katalysatoreinheit 1 besteht aus einer zylinderförmig ausgebildeten Tragstruktur 15, die, wie bereits vorstehend erwähnt, von einer Vielzahl einzelner Durchgangskanäle 8, 9 parallel zur Mittenachse A durchsetzt ist. Die vorzugsweise mit hexagonalem Strömungsquerschnitt ausgebildeten Durchgangskanäle 8, 9 sind in zwei Gruppen unterteilt, von denen die erste Gruppe der Durchgangskanäle 8 innwandig mit Katalysatormaterial, vorzugsweise Platin oder eine Platinedelmetallverbindung, ausgekleidet ist und die zweite Gruppe der Durchgangskanäle 9, die unmittelbar benachbart zu den Durchgangskanälen 8 angeordnet sind, aus weitgehend chemisch inertem Material besteht. Die hitzebeständige Tragstruktur 15 besteht vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigem Metall, vorzugsweise aus keramischem Material, wie beispielsweise Corodierit.For better illustration, FIG. 2 shows a perspective sectional view through such a catalyst unit 1 in the axial longitudinal direction. The arrows drawn in FIG. 2 illustrate the direction of flow of the catalyst unit and illustrate the position in which the catalyst unit 1 is to be integrated in a burner arrangement in accordance with a schematic illustration in FIG. The catalyst unit 1 consists of a cylindrical support structure 15, which, as already mentioned above, is penetrated by a plurality of individual through-channels 8, 9 parallel to the center axis A. The preferably formed with hexagonal flow cross-section passageways 8, 9 are divided into two groups, of which the first group of passageways 8 innwandig lined with catalyst material, preferably platinum or a Platinedelmetallverbindung, and the second group of passageways 9, which is immediately adjacent to the passageways 8 are, consists of largely chemically inert material. The heat-resistant support structure 15 is preferably made of a high temperature resistant metal, preferably of ceramic material, such as corodierite.

Stromauf zur Katalysatoreinheit 1 ist ein aus zwei Kammern bestehendes Einspeisungsmittel 7 vorgesehen, über das die Einspeisung von Wasserstoff H₂ sowie Luft in die jeweils mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 8 erfolgt. Hierbei ist das Einspeisungsmittel 7 als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet, dessen Zylinderquerschnitt jenem der Katalysatoreinheit 1 angepasst ist und verfügt darüber hinaus über ein Zwei-Kammersystem. Eine erste Kammer 16 des Einspeisungsmittels 7 sieht eine Brennstoffzuleitung 17 vor, über die Wasserstoff in den Volumenbereich der ersten Kammer 16 einspeisbar ist. Eine, die erste Kammer 16 einseitig begrenzende Bodenplatte ist mit Öffnungen 18 durchsetzt, deren Anordnung exakt jener der Durchgangskanäle 8 entspricht, die jeweils mit Katalysatormaterial ausgekleidet sind. Die Öffnungen 18 sind über Verbindungsleitungen 19 fluiddicht verbunden und münden frei endend innerhalb der jeweiligen Durchgangskanäle 8. Dabei durchragen sie das Volumen der zweiten Kammer 20, die sich axialwärts unmittelbar unter der ersten Kammer 16 anschliesst. Die zweite Kammer 20 weist gleichsam zur ersten Kammer 16 eine Zuleitung 21 auf, durch die Zuluft in das Kammervolumen der zweiten Kammer 20 eintritt. Die Zuluft ist bereits im Wege einer Verdichtereinheit komprimiert und weist in Folge dessen Temperaturen von wengistens 350°C auf.Upstream of the catalyst unit 1 there is provided an injection means 7 consisting of two chambers, via which the supply of hydrogen H ₂ and air into the respective passage channels 8 lined with catalyst material takes place. Here, the feed means 7 is formed as a cylindrical hollow body whose cylinder cross-section is adapted to that of the catalyst unit 1 and also has a two-chamber system. A first chamber 16 of the feed means 7 provides a fuel feed line 17, via which hydrogen can be fed into the volume range of the first chamber 16. One, the first chamber 16 unilaterally limiting bottom plate is interspersed with openings 18, whose arrangement corresponds exactly to those of the passageways 8, which are each lined with catalyst material. The openings 18 are fluid-tightly connected via connecting lines 19 and terminate freely within the respective through-channels 8. In this case, they project through the volume of the second chamber 20, which adjoins axially below the first chamber 16. The second chamber 20 has, as to the first chamber 16, a supply line 21 through which supply air enters the chamber volume of the second chamber 20. The supply air is already compressed in the way of a compressor unit and as a result has temperatures of at least 350 ° C.

Auch die axialwärts der Katalysatoreinheit 1 zugewandte Bodenplatte der zweiten Kammer 20 sieht entsprechende Öffnungen 22 vor, die identisch zur Anordnung der Öffnungen 18 innerhalb der ersten Kammer 16 verteilt angeordnet sind und einen grosseren Öffnungsdurchmesser aufweisen als die Öffnungen 18, so dass die Verbindungsleitungen 19 die Öffnungen 22 mittig durchragen.Also, the axially facing the catalyst unit 1 bottom plate of the second chamber 20 provides corresponding openings 22, which are arranged to be identical to the arrangement of the openings 18 within the first chamber 16 and a distributed Have larger opening diameter than the openings 18 so that the connecting lines 19, the openings 22 project through the center.

Zwischen der Bodenplatte der zweiten Kammer 20 und jener Ebene, in der sämtliche Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle 8 und 9 der Katalysatoreinheit 1 liegen, ist ein Zwischenspalt 23 vorgesehen, durch den seitlich eine weitere Luftströmung eintritt, um die im offen liegenden Zwischenspalt 23 mündenden Durchgangskanäle 9 mit Zuluft zu versorgen. Um zu verhindern, dass in den Zwischenspalt 23 Wasserstoff über die innerhalb der Durchgangskanäle 8 frei endenden Verbindungsleitungen 19 eintreten kann, sind die Öffnungen 22 fludidicht mit den Öffnungen der Durchgangskanäle 8 über als Hohlkanäle ausgebildete Verbindungsleitungen 24 verbunden. Hierbei durchragen jeweils die Verbindungsleitungen 19 die Verbindungsleitungen 24 koaxial, so dass sich zwischen beiden Verbindungsleitungen ein Ringkanal ausbildet, durch den die über die Kammer 20 zugeführte Zuluft in die jeweiligen Durchgangskanäle 8 eingeleitet werden kann.Between the bottom plate of the second chamber 20 and the plane in which all the inlet openings of the through-channels 8 and 9 of the catalyst unit 1 lie, an intermediate gap 23 is provided, through which a further air flow enters laterally, around the passage channels 9 opening into the open intermediate gap 23 Supply air. In order to prevent hydrogen from entering into the intermediate gap 23 via the connection lines 19 which terminate freely within the through-channels 8, the openings 22 are connected with the openings of the through-channels 8 via connecting lines 24 formed as hollow channels. In this case, each of the connecting lines 19 extend through the connecting lines 24 coaxially, so that an annular channel is formed between the two connecting lines, through which the supply air supplied via the chamber 20 can be introduced into the respective through-channels 8.

Innerhalb der mit Katalysatormaterial ausgekleideten Durchgangskanäle 8 erfolgt eine Durchmischung von Wasserstoff und Luft in einem vorgebbaren Mischungsverhältnis, das derart eingestellt wird, so dass sich eine wasserstoffreiche Wasserstoff-Luftmischung längs der sich axialwärts innerhalb der Durchgangskanäle ausbreitenden Strömung ergibt.Within the catalyst material lined through channels 8, a mixing of hydrogen and air takes place in a predeterminable mixing ratio, which is set such that a hydrogen-rich hydrogen-air mixture results along the axially axially within the through-channels propagating flow.

Durch die katalytisch unterstützte exotherm ablaufende Oxidation innerhalb der Durchgangskanäle 8 wird Wärme freigesetzt, die zum einen das sich längs der Durchgangskanäle 8 ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch zu erhitzen vermag, zum anderen die durch die benachbarten Durchgangskanäle 9 hindurch geführte Luftströmung gleichsam erwärmt.By the catalytically assisted exothermic oxidation within the passageways 8 heat is released, which is able to heat on the one hand along the passageways 8 forming partially catalysed hydrogen-air mixture, on the other hand, through the adjacent passageways 9 guided air flow as it were heated.

Stromab der Katalysatoreinheit 1 sind die Durchgangskanäle 8, aus denen die teilkatalysierten Wasserstoff-Luftgemischströme austreten über entsprechende Verbindungsleitungen 24' mit einem Speichervolumen 25 verbunden, in das sämtliche einzelne, aus den Durchgangskanälen 8 austretende Teilströme zusammengeführt werden. Die Verbindungskanäle 24' dienen aber auch als Distanzelemente zwischen dem stromab-seitigen Ende der Katalysatoreinheit 1 , an dem alle Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle 8 und 9 in einer gemeinsamen Ebene liegen und somit beabstandet zum Speichervolumen 25 angeordnet sind. Der sich zwischen dem unteren Ende der Katalysatoreinheit 1 und dem Speichervolumen ausbildende Zwischenspalt 26 dient zum seitlichen Entweichen der erwärmten Teilluftströmungen, die aus den Durchgangskanälen 9 austreten.Downstream of the catalyst unit 1, the through-channels 8 from which the partially catalyzed hydrogen-air mixture streams exit via corresponding connecting lines 24 'are connected to a storage volume 25, into which all individual, emerging from the passageways 8 partial streams are merged. The connecting channels 24 'but also serve as spacers between the downstream end of the catalyst unit 1, to which all outlet openings of the passage channels 8 and 9 lie in a common plane and thus spaced from the storage volume 25 are arranged. The intermediate gap 26 forming between the lower end of the catalyst unit 1 and the storage volume serves for the lateral escape of the heated partial air flows emerging from the through-channels 9.

Letztlich gilt es ein zündfähiges Wasserstoff-Luftgemisch zu erzeugen, das durch eine gezielte Zusammenführung der durch den Zwischenspalt 26 seitlich austretenden Luftströmung und der durch die Austrittsöffnung 27 des Speichervolumens 25 austretenden teilkatalysierten Wasserstoff- Brennstoffgemischströmung zu bilden ist. Hierfür dienen die unter Bezugnahme auf das in Figur 1 bereits dargestellte Ausführungsbeispiel die Wirbelgeneratoren 12 sowie Strömungsführungsmittel 13.Ultimately, it is necessary to generate an ignitable hydrogen-air mixture, which is to be formed by a targeted merger of the laterally emerging through the intermediate gap 26 air flow and the outlet opening 27 of the storage volume 25 partially catalyzed hydrogen fuel mixture flow. For this purpose, with reference to the embodiment already shown in Figure 1, the vortex generators 12 and flow guiding means 13th

Ferner sind die Katalysatoreinheit 1 sowie die stromauf und stromab zu dieser angeordneten Komponenten 7, 25 von einem mittigen Durchgangskanal 28 durchsetzt, durch den eine nicht weiter dargestellte Brennstofflanze hindurchgeführt werden kann, zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff in den Vormischbereich nahe der Brennkammer.Furthermore, the catalyst unit 1 and the upstream and downstream components 7, 25 are penetrated by a central through-passage 28, through which a fuel lance, not shown, can be passed, for feeding liquid fuel into the premixing area near the combustion chamber.

In der in Figur 3 schematisiert dargestellten Längsschnittdarstellung durch eine Brenneranordnung mit nachgeordneter Brennkammer 4 ist im Strömungsquerschnitt des Vormischbereiches die Katalysatoreinheit 1 mit dem stromauf aus zwei Kammern bestehenden Einspeisungsmittel 7 sowie dem unmittelbar stromab der Katalysatoreinheit 1 angebrachten Speichervolumen 25 schematisiert dargestellt. Das innerhalb des Speichervolumens 25 zusammengeführte teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemisch gelangt über einen mittigen Ausströmkanal 29 in den Bereich stromauf zur Brennkammer 4, wobei Teile des teilkatalysierten Wasserstoff- Luftgemisches als Teilströme 30 seitlich zur Strömungsrichtung in den Bereich der Luftströmung ausgeleitet werden. Die seitlich aus dem Zwischenspalt 26 austretende erwärmte Luftströmung gelangt stromab zur Katalysatoreinheit 1 in Wirbelgeneratoren 12, wodurch ein erhöhter Durchmischungsgrad zwischen der radial zugeführten erwärmten Luftströmung und der zentral sich ausbreitenden Wasserstoff-Luftgemischströmung ermöglicht wird. Auf diese Weise erfährt das zündfähige Wasserstoff-Brennstoffgemisch eine Abmagerung durch Verdünnung, wodurch das Zündvermögen derart abgesenkt wird, so dass sich das Wasserstoff- Luftgemisch erst innerhalb der Brennkammer 4 unter Ausbildung einer homogenen Flammenfront 31 zündet und verbrennt. Aus Gründen einer Strömungsstabilisierung können innerhalb des Vormischbereiches 3 der Brenneranordnung nicht in der Figur 3 dargestellte Drallerzeuger vorgesehen werden, durch die ein kontrolliertes Aufplatzen der sich ausbildenden Drallströmung innerhalb der Brennkammer 4 unter Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone unterstützt wird.In the longitudinal section shown diagrammatically in FIG. 3 by a burner arrangement with a downstream combustion chamber 4, the catalyst unit 1 is diagrammatically shown in the flow cross-section of the premixing area with the feed means 7 upstream of two chambers and the storage volume 25 immediately downstream of the catalyst unit 1. The partially catalyzed hydrogen-air mixture which is brought together within the storage volume 25 passes through a central outflow channel 29 into the region upstream of the combustion chamber 4, parts of the partially catalyzed hydrogen-air mixture being part streams 30 laterally to the flow direction into the region of Airflow are discharged. The laterally exiting from the intermediate gap 26 heated air flow passes downstream of the catalyst unit 1 in vortex generators 12, whereby an increased degree of mixing between the radially supplied heated air flow and the centrally propagating hydrogen-air mixture flow is made possible. In this way, the flammable hydrogen-fuel mixture undergoes an emaciation by dilution, whereby the ignitability is lowered so that the hydrogen-air mixture ignites and burns only within the combustion chamber 4 to form a homogeneous flame front 31. For reasons of flow stabilization, swirl generators not shown in FIG. 3 can be provided within the premix area 3 of the burner arrangement, by which controlled bursting of the swirling flow forming within the combustion chamber 4 is assisted to form a spatially stable return flow zone.

Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, dass die erwärmte Luftströmung nach Durchtritt durch die Katalysatoreinheit sowie das sich innerhalb der Katalysatoreinheit ausbildende teilkatalysierte Wasserstoff-Brennstoffgemisch als zwei separate Stoffströme stromab der Katalysatoreinheit geführt werden, wobei eine gegenseitige Durchmischung erst nach Durchtritt des erwärmten Luftstromes durch den Wirbelgenerator 12 erfolgt, so dass die verwirbelte erwärmte Luftströmung die mittig geführte, teilkatalysierte Wasserstoff-Luftgemischströmung als annulare verwirbelte Drallströmung radialseits umfasst und sich letztlich mit dieser unter Ausbildung eines homogenen Wasserstoff-Brennstoffgemsiches vermischt.The embodiment shown in Figure 3 shows that the heated air flow after passing through the catalyst unit and the forming within the catalyst unit partially catalyzed hydrogen-fuel mixture are performed as two separate streams downstream of the catalyst unit, wherein a mutual mixing only after passage of the heated air flow through the Vortex generator 12 takes place, so that the turbulent heated air flow comprises the centrally guided, partially catalyzed hydrogen-air mixture flow as annulare swirling vortex flow radially and ultimately mixed with this to form a homogeneous hydrogen fuel mixture.

Gleichsam ist es möglich, die in Figur 2 dargestellte Katalysatoreinheit derart zu betreiben, dass sich stromab der Katalysatoreinheit ein mittiger über das Sammelvolumen 25 zusammengeführter erwärmter Luftstrom axialwärts in Strömungsrichtung ausbreitet und die jeweils teilkatalysierten Wasserstoff- Brennstoffteilströme seitlich über den Spalt 26 zu einer annularen Ringströmung zusammengefasst werden, die den mittigen erwärmten Luftstrom annular umfasst und sich letztlich mit diesem vermischt. Hierzu ist die in Figur 2 dargestellte Katalysatoreinheit konstruktiv an die entsprechenden Strömungsgegebenheiten anzupassen, in der die Durchgangskanäle 8 und 9 gegenseitig zu vertauschen sind.Similarly, it is possible to operate the catalyst unit shown in Figure 2 such that downstream of the catalyst unit, a central merges over the collecting volume 25 heated air flow propagates axially in the flow direction and summarizes each teilkatalysierten hydrogen fuel streams laterally through the gap 26 to an annular annular flow be, which comprises the central heated air flow annular and ultimately mixed with this. For this purpose, the illustrated in Figure 2 Catalyst unit constructively adapt to the corresponding flow conditions in which the through-channels 8 and 9 are mutually interchanged.

In der bereits erwähnten Verwendung von purem Wasserstoff als Brennstoff ist es ebenso möglich, die vorstehend beschriebene Anordnung mit so genannten Synthesegasen als Brennstoff zu betreiben, die im Wege der Kohlevergasung oder Ölvergasung gewonnen werden. Je nach Herstellungsart weisen die aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff bestehenden Gasgemische Wasserstoffanteile von wenigstens 30 % auf, so dass die Reaktionsfreudigkeit derartiger Gasgemische wesentlich durch die Präsenz von Wasserstoff bestimmt wird.In the already mentioned use of pure hydrogen as fuel, it is also possible to operate the above-described arrangement with so-called synthesis gases as fuel, which are obtained by way of coal gasification or gasification. Depending on the method of preparation, the gas mixtures consisting of hydrogen, carbon monoxide and nitrogen have hydrogen contents of at least 30%, so that the reactivity of such gas mixtures is essentially determined by the presence of hydrogen.

Das erfindungsgemässe Konzept kann in geeigneter Weise sowohl in Einzelbrenneranordnungen sowie auch in Gasturbinenanlagen mit sequentieller Verbrennung eingesetzt werden. The inventive concept can be suitably used both in single burner arrangements as well as in gas turbine plants with sequential combustion.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Katalysatoreinheit Brennereintritt BrennerCatalyst unit burner inlet burner

Brennkammercombustion chamber

Brennstoffzuleitungfuel supply line

Luftzuleitungair supply

Einspeisungsmittelfeeding means

Verbindungsleitungeninterconnectors

Durchgangskanäle der ersten GruppePassage channels of the first group

Durchgangskanäle der zweiten GruppePassage channels of the second group

Zuluftstrom Wasserstoff-Luftgemisch Wirbelgenerator Drallerzeuger Flammenfront, Rückströmzone Trägerstruktur der Katalysatoreinheit erste Kammer Brennstoffzuleitung Öffnungen Verbindungsleitungen zweite Kammer Luftzuleitung Öffnungen Zwischenspalt Verbindungsleitung Sammelvolumen Zwischenspalt Austrittsöffnung, Austrittskanal Durchgangskanal Ausströmkanal Teil ströme Flammenfront Supply air flow Hydrogen-air mixture Vortex generator Swirl generator Flame front, backflow zone Carrier structure of the catalyst unit First chamber Fuel supply line Openings Connecting lines Second chamber Air supply line Openings Intermediate gap Connecting line Collecting volume Intermediate gap Outlet opening, outlet channel Through channel Outflow channel Part flows Flame front

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches, dessen Brennstoffanteil aus Wasserstoff oder aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch besteht und das in einer Brenneranordnung zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, verbrannt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:1. A method for producing an ignitable fuel-air mixture, the fuel portion of which consists of hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture and which is burned in a burner assembly for driving a heat engine, in particular a gas turbine plant, characterized by the following process steps:

Zusammenführen einer Brennstoffströmung und einer Luftströmung unter Ausbildung einer Brennstoff-Luftgemischströmung sowie Bereitstellen einer weiteren Luftströmung,Merging a fuel flow and an air flow to form a fuel-air mixture flow and providing a further air flow,

Katalysieren eines Teils der Brennstoff-Luftgemischströmung unter Ausbildung eines teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches, im Wege einer exothermen katalytisch unterstützen Reaktion des Brennstoffes, deren freigesetzte Wärme zumindest teilweise zur Erwärmung der weiteren Luftströmung genutzt wird, Beimischen der erwärmten weiteren Luftströmung zum teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisch unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff- Luftgemisches und Zünden und Verbrennen des zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches.Catalyzing a portion of the fuel-air mixture flow to form a partially catalyzed fuel-air mixture, by way of an exothermic catalytically assisted reaction of the fuel, the heat released is at least partially used to heat the further air flow, admixing the heated further air flow to teilcatalysierten fuel-air mixture under training an ignitable fuel-air mixture and igniting and burning the ignitable fuel-air mixture.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff enthaltende Brennstoff wenigstens einen Wasserstoffanteil von 30 % aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the hydrogen-containing fuel has at least a hydrogen content of 30%.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Katalysieren eines Teils der Brennstoff- Luftgemischströmung Wasser gebildet wird, das in Form von Wasserdampf den Restanteil der nicht katalysierten Brennstoff-Luftgemischströmung verdünnt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that water is formed by catalyzing a part of the fuel-air mixture flow, which dilutes in the form of water vapor, the remaining portion of the non-catalyzed fuel-air mixture flow.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Wasserdampf angereicherte Restanteil etwa 25% H₂, 25% H₂O und 50 % N₂ enthält, und Temperaturen im Bereich zwischen 700⁰C und 100O⁰C aufweist.4. The method according to claim 3, characterized in that the steam-enriched residue contains about 25% H ₂ , 25% H ₂ O and 50% N ₂ , and having temperatures in the range between 700 ⁰ C and 100O ⁰ C.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmung sowie die weitere Luftströmung im Wege einer Kompression auf ein Temperaturniveau von wenigstens 35O⁰C erhitzt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the air flow and the further air flow by means of compression to a temperature level of at least 35O ⁰ C is heated.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu katalysierende Brennstoff- Luftgemischströmung ein durch die so genannten Sauerstoffzahl λ bestimmtes Mischungsverhältnis aufweist, mit6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel to be catalyzed air mixture flow has a by the so-called oxygen number λ determined mixing ratio, with

0.1 < λ < 0.5, wobei λ definiert ist als das Verhältnis aus tatsächlichem Sauerstoffgehalt zum Mindestsauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung0.1 <λ <0.5, where λ is defined as the ratio of actual oxygen content to minimum oxygen demand for complete combustion

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Luftströmung und die Brennstoff- Luftgemischströmung jeweils in eine Vielzahl separater Teilströme aufgeteilt und jeweils in eine Vielzahl getrennte, jedoch thermisch miteinander gekoppelte Strömungskanäle eingeleitet werden, wobei die in eine Vielzahl von Teilströme aufgeteilte Brennstoff-Luftgemischströmung jeweils in Wechselwirkung mit einem im Inneren der diese Teilströme zugeordneten Strömungskanäle vorgesehenen Katalysatormaterial tritt und zum Teil katalysiert wird, und dass die Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung sowie die Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches jeweils stromab aus den Strömungskanälen austreten. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the further air flow and the fuel-air mixture flow are each divided into a plurality of separate sub-streams and each introduced into a plurality of separate, but thermally coupled flow channels, wherein in a plurality divided by partial flows fuel-air mixture flow in each case interacts with a provided inside the flow channels associated flow channels catalyst material is partially catalysed, and that the partial streams of the heated further air flow and the partial streams of the partially catalyzed fuel-air mixture each downstream exit from the flow channels.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung sowie die Vielzahl der Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisches unter jeweils gleicher Strömungsrichtung aus den Strömungskanälen austreten, unmiüelbar stromab zu den Strömungskanälen in gegenseitige Durchmischung treten und das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch bilden, das nachfolgend zur vollständigen Reaktion oder Verbrennung gebracht wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the plurality of partial streams of the heated further air flow and the plurality of partial streams of the partially catalyzed fuel-air mixture exit under each same flow direction from the flow channels, unmiüelbar downstream of the flow channels in mutual mixing and the ignitable Form fuel-air mixture, which is subsequently brought to complete reaction or combustion.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung sowie die Vielzahl der Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisches nach Durchtritt durch die Strömungskanäle in jeweils zwei räumlich voneinander getrennte Strömungsbereiche münden, einen ersten, in den die Vielzahl der Teilströme der erwärmten weiteren Luftströmung eintreten, und einen zweiten, in den die Vielzahl der Teilströme des teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemisches eintreten, und dass die erwärmte weitere Luftströmung sowie das teil katalysierte Brennstoff- Luftgemisch jeweils aus beiden Strömungsbereichen unter Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches austreten.9. The method according to claim 7, characterized in that the plurality of partial streams of the heated further air flow and the plurality of partial streams of the partially catalyzed fuel-air mixture after passing through the flow channels open into two spatially separate flow regions, a first, in the plurality the partial streams of the heated further air flow enter, and a second, in which the plurality of partial streams of the partially catalyzed fuel-air mixture enter, and that the heated further air flow and the partially catalyzed fuel-air mixture each emerge from both flow areas to form an ignitable fuel-air mixture ,

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte weitere Luftströmung nach Austritt aus dem Strömungsbereich und vor Durchmischen mit dem teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemisch zu Zwecken einer verbesserte Durchmischung verwirbelt oder zu Zwecken einer Strömungsstabilisierung verdrallt wird, und/oder dass das teilkatalysierte Brennstoff-Luftgemisch nach Austritt aus dem Strömungsbereich und vor Durchmischen mit der erwärmten Luftströmung zu Zwecken einer verbesserten Durchmischung verwirbelt oder zu Zwecken einer Strömungsstabilisierung verdrallt wird. 10. The method according to claim 9, characterized in that the heated further air flow after exiting the flow area and vortexing with the partially catalyzed fuel-air mixture is swirled for purposes of improved mixing or twisted for purposes of flow stabilization, and / or that the teilkatalysierte fuel Air mixture after exiting the flow area and vortexing with the heated air flow is swirled for purposes of improved mixing or twisted for purposes of flow stabilization.

11. Verfahren nach 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das teilkatalysierte Brennstoff-Luftgemisch in Form einer einheitlichen Strömung oder einer Vielzahl von Einzelströmungen aus dem jeweiligen Strömungsbereich austritt, und dass die erwärmte weitere Luftströmung als annulare Strömung radial um die teilkatalysierte Brennstoff-Luftgemischströmung stromab des jeweiligen Strömungsbereich dieser beigemischt wird.11. The method of 9 or 10, characterized in that the partially catalyzed fuel-air mixture in the form of a uniform flow or a plurality of individual flows exiting the respective flow region, and that the heated further air flow as annulare flow radially downstream of the partially catalyzed fuel-air mixture flow downstream the respective flow area of this is admixed.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Teile der teilkatalysierten Brennstoff- Luftgemischströmung unter einem Winkel ≠ 0° zur Strömungsrichtung der teilkatalysierten Brennstoff-Luftgemischströmung in die annulare Strömung der erwärmten weiteren Luftströmung eingespeist werden.12. The method according to claim 11, characterized in that parts of the partially catalyzed fuel-air mixture flow are fed at an angle ≠ 0 ° to the flow direction of the partially catalyzed fuel-air mixture flow in the annulare flow of the heated further air flow.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch Synthesegas eingesetzt wird, das im Wege einer Kohlevergasung oder Restölvergasung gewonnen wird.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that as the hydrogen-containing gas mixture synthesis gas is used, which is obtained by means of a coal gasification or Restölvergasung.

14. Vorrichtung zum Herstellen eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches zum Betreiben eines Brenners (3) einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit wenigstens einer Katalysatoreinheit (1 ), die stromauf zum Brenner (3) angeordnet ist und eine Vielzahl gleich orientierter Durchgangskanäle (8, 9) aufweist, von denen eine erste Gruppe inwandig mit einem Katalysatormaterial versehen ist und eine zweite Gruppe aus chemisch weitgehend inerten Material besteht, einem ersten Einspeisungsmittel (7) zum Einleiten eines Brennstoff- Luftgemisches stromauf in die Durchgangskanäle (8) der ersten Gruppe und einem zweiten Einspeisungsmittel (10) zum Einleiten von Luft stromauf in die Durchgangskanäle (9) der zweiten Gruppe, und einer stromab der Katalysatoreinheit (1) an den Brenner (3) anschließenden Brennkammer (4), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einspeisungmittel (7) wenigstens zwei voneinander getrennte Kammern (16, 20) aufweist, von denen die erste Kammer (16) eine Brennstoffzuleitung (17) und die zweite Kammer (20) eine Luftzuleitung (21) vorsieht, und dass die erste und zweite Kammer (16, 20) jeweils Verbindungsleitungen (19, 24) vorsehen, die in den Durchgangskanälen (8) der ersten Gruppe jeweils paarweise münden.14. An apparatus for producing an ignitable fuel-air mixture for operating a burner (3) of a heat engine, in particular a gas turbine plant, with at least one catalyst unit (1) which is arranged upstream of the burner (3) and a plurality of identically oriented through-channels (8, 9), of which a first group is in-walled with a catalyst material and a second group of substantially chemically inert material, a first feed means (7) for introducing a fuel-air mixture upstream into the through channels (8) of the first group and a second feed means (10) for introducing air upstream into the passageways (9) of the second group, and a combustion chamber (4) adjoining the burner (3) downstream of the catalyst unit (1), characterized in that the first feed means (7) at least two separate chambers (16, 20), of which the first chamber (16) a fuel supply line (17) and the second chamber (20) an air supply line (21) provides, and that the first and second chambers (16, 20) respectively connecting lines (19, 24) provide in the through channels (8) of the first group each in pairs.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an einem Durchgangskanal (8) mündende Verbindungsleitung (19, 24) jeweils zur ersten und zweiten Kammer koaxial zueinander verlaufen.15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the at a through passage (8) opening out connecting line (19, 24) each extend coaxially to each other to the first and second chambers.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (19) zur ersten Kammer (16) teilweise jeweils in einen Durchgangskanal (8) hineinragen, und dass die Verbindungskanäle (24) zur zweiten Kammer (20) bündig stromauf jeweils an einem Durchgangskanal (8) anschliessen und die jeweilige Verbindungsleitung (19) zur ersten Kammer (16) umschliessen oder umgekehrt.16. The apparatus of claim 14 or 15, characterized in that the connecting lines (19) to the first chamber (16) partially in each case in a passage channel (8) protrude, and that the connecting channels (24) to the second chamber (20) flush upstream respectively connect to a passage (8) and enclose the respective connecting line (19) to the first chamber (16) or vice versa.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einspeisungsmittel (7) axial zur Katalysatoreinheit (1 ) beabstandet angeodnet ist, so dass ein Zwischenspalt (23) zwischen dem ersten Einspeisungsmittel (7) und allen in einer Ebene liegenden Eintrittsöffnungen der Durchgangskanäle (8, 9) der zweiten Gruppe besteht, der als zweites Einspeisungmittel (10) dient, über das Luft durch seitliche Einströmung in den Zwischenspalt in die Durchgangskanäle (9) der zweiten Gruppe gelangt.17. Device according to one of claims 14 to 16, characterized in that the first feed means (7) axially angeordnet the catalyst unit (1), so that an intermediate gap (23) between the first feed means (7) and all in one plane lying inlet openings of the passageways (8, 9) of the second group, which serves as a second feed means (10), passes through the air by lateral inflow into the intermediate gap in the through channels (9) of the second group.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtigen Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle (8) der ersten Gruppe fluiddicht in einem Sammelvolumen (25) münden, das eine Austrittöffnung (27) mit einer in Durchströmungsrichtung der Durchgangskanäle (8) orientierten Mittenachse (A) oder einer zu dieser geneigten Mittenachse aufweist, und dass zwischen dem Sammelvolumen (25) und allen in einer Ebene liegenden Austrittsöffnungen der Durchgangskanäle (8, 9) der zweiten Gruppe ein Zwischenspalt (26) vorgesehen ist, der radial offen ausgebildet ist.18. Device according to one of claims 14 to 17, characterized in that the downstream outlet openings of the through channels (8) of the first group fluid-tight in a collecting volume (25) open, having an outlet opening (27) with a in the flow direction of the through channels (8). oriented center axis (A) or inclined to this center axis, and an intermediate gap (26) is provided between the collecting volume (25) and all outlet openings of the through-channels (8, 9) of the second group which are located in one plane and which is of radially open design.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Einspeisungmittel (7, 10) sowie auch die Katalysatoreinheit (1 ) und das Sammelvolumen (25) einen mittig offenen Durchgangskanal (28) umschliessen, durch den eine Brennstofflanze für Flüssigbrennstoff einbringbar ist.19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the first and second feed means (7, 10) and the catalyst unit (1) and the collecting volume (25) enclose a centrally open passage (28) through which a fuel lance for liquid fuel can be introduced is.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gruppe von Durchgangskanälen (8, 9) nach einem räumlich periodischen Ordnungsmuster angeordnet sind.20. Device according to one of claims 14 to 19, characterized in that the first and second group of through channels (8, 9) are arranged according to a spatially periodic pattern order.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Gruppe jeweils zeilenweise, spaltenweise oder in Art einer Schachbrettanordnung abwechselnd angeordnet sind.21. The apparatus according to claim 20, characterized in that the first and second groups are arranged alternately in rows, columns or in the manner of a checkerboard arrangement.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (8; 9) der ersten und zweiten Gruppe nach einem Hexagonalwabenmuster ausgebildet und angeordnet sind. 22. Device according to one of claims 14 to 21, characterized in that the through channels (8; 9) of the first and second group are formed and arranged according to a hexagonal honeycomb pattern.