DE10026122A1

DE10026122A1 - Brenner für einen Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE10026122A1
Application number: DE2000126122
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Knoepfel; Thomas Ruck
Original assignee: ABB Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-11-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für einen Wärmeerzeuger mit entlang einer Brennerachse (1) vorgesehenen Mitteln zur Einbringung eines Brennstoffes, einem Drallerzeuger (2) für Verbrennungsluft sowie einem Mischrohr (3), an das sich ein tubusförmiges Formelement (5) mit einem sich in Hauptströmungsrichtung aufweitenden Innenquerschnitt anschließt. Das Formelement (5) weist zumindest in einem Abschnitt entlang der Brennerachse (1) eine von der Brennerachse weg oder zur Brennerachse hin gekrümmte Innenfläche auf und ist derart ausgebildet, dass sich eine aus dem Mischrohr (3) austretende Strömung an die Innenfläche (6) anlegt und deren Drallzahl ansteigt. DOLLAR A Mit dem vorliegenden Brenner lässt sich eine große Rückströmzone erzeugen, die zu einer stabileren Flammenposition und geringeren Schadstoffemissionen führt.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für einen Wärmeerzeuger. Der Brenner weist entlang ei ner Brennerachse Mittel zur Einbringung eines Brenn stoffes, einen Drallerzeuger für Verbrennungsluft sowie ein Mischrohr auf, an das sich ein tubusförmiges Form element mit einem sich in Hauptströmungsrichtung auf weitenden Innenquerschnitt anschließt. Ein derartiger Brenner findet beispielsweise in Anlagen zur Energieer zeugung Anwendung.

Stand der Technik

Aus der EP 0 321 809 B1 ist ein aus mehreren scha lenförmigen Elementen zusammengesetzter kegelförmiger Brenner, ein so genannter Doppelkegelbrenner, bekannt, bei dem durch zwei Schlitze entlang der Brennerachse Verbrennungsluft zugeführt wird. Aufgrund der kegelför migen Ausgestaltung des Brenners wird eine geschlossene Drallströmung im Kegelkopf hervorgerufen, die aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rück strömung im Kern übergeht. Der Ort des Aufplatzens der Strömung wird durch den Kegelwinkel und die Schlitz breite des Doppelkegels bestimmt. Durch diese Werte wird auch die Größe und das Aussehen der so genannten Rückströmzone oder Rückströmblase definiert, die die erzeugte Flamme stabilisiert.

Bei einer perfekt vorgemischten Flamme hat die Größe des Flammenstabilisationsgebietes, d. h. die Größe der Rückströmzone, zwar keinen Einfluss auf die NO_x-Emissionen des Brenners. Jedoch werden die CO- und UHC-Emissionen sowie die Löschgrenze der Flamme durch die Größe der Rückströmzone stark beeinflusst. Je größer die Rückströmzone ausgebildet ist, desto geringer sind die CO- und UHC-Emissionen sowie die Löschgrenze. Mit einer größeren Stabilisationszone lässt sich auch ein größerer Lastbereich im Vormischbetrieb abdecken, ohne ein Löschen der Flamme zu riskieren. Das Löschen der Flamme wird hauptsächlich durch einen geringen Wärme transport von der Rückströmzone in das ausströmende Frischgas und eine geringe Stabilisierung der Flammen front im Strömungsfeld ausgelöst. Beides wird durch das Volumen der Rückströmzone beeinflusst.

Da die NO_x-Werte bei mangelnder Vormischung des Brenngases deutlich ansteigen, wird eine verbesserte Vormischung im Brenner angestrebt. Zu diesem Zweck wird beispielsweise in der DE 195 47 913 A1 vorgeschlagen, eine Mischstrecke in Form eines Mischrohres im An schluss an den Drallerzeuger des Brenners vorzusehen. Durch diese zusätzliche Vormisch- und Verdampfungs strecke wird eine bessere Vermischung des Brenngases vor dem Eintritt in die Brennkammer erreicht. Diese Maßnahme verschiebt auch die Rückströmzone weiter stromabwärts. Da der Drall der Strömung so gewählt wer den muss, dass diese nicht innerhalb des Mischrohres aufplatzt, verkleinert dies jedoch auch das Volumen der Rückströmzone. Am Ende des Mischrohres ist der Drall somit zu gering, um eine große Rückströmzone hervorru fen zu können.

Dies ist schematisch in Fig. 1 verdeutlicht. Die Figur zeigt den aus mehreren schalenförmigen Elementen entlang der Brennerachse 1 zusammengesetzten Draller zeuger 2, an den sich das Mischrohr 3 anschließt. Zwi schen dem Mischrohr 3 und dem Drallerzeuger 2 ist ein Übergangselement 7 zu erkennen, das Übergangskanäle zur verlustarmen Überführung der Strömung aus dem Draller zeuger 2 in das Mischrohr 3 aufweist. Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktionsweise eines derartigen Brenners können beispielsweise der DE 195 47 913 A1 entnommen werden. Am Ende des Mischrohres 3 am Eintritt zur Brennkammer 4 bildet sich die Rückströmzone 8 in der durch die Flammenfront 9 angedeuteten Flamme aus. Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, weist die Rückströmzo ne 8 nur eine geringe Ausdehnung senkrecht zur Brenner achse 1 auf. Ein Versuch, diese Rückströmzone mit einem größeren Diffusorwinkel des Mischrohres 3 zu verstär ken, führt zu Problemen in den wandnahen Bereichen des Diffusors bzw. den Grenzschichten, die zur Ablösung der Strömung führen können, so dass die Flamme stromauf wärts wandert.

In der DE 195 47 913 A1 wird eine stabilere Flam menpositionierung erzielt, indem am Ende des Mischroh res 3 eine Abrisskante vorgesehen wird, die der Rück strömzone eine höhere räumliche Stabilität verleiht. Diese Maßnahme führt jedoch nicht zu einer deutlichen Vergrößerung der Rückströmzone.

Zum Ausgleich des Druckverlustes über das Misch rohr wird in dieser Druckschrift auch vorgeschlagen, zusätzlich einen Diffusor am Mischrohr anzubringen. Durch einen einfachen Diffusor wird zwar das Problem des Druckverlustes über das Mischrohr behoben, dieser führt jedoch zu den oben genannten Problemen der Gefahr des Rückschlagens der Flamme.

Zusammenfassend ergeben sich bei bekannten Bren nern des Standes der Technik daher unterschiedliche Probleme, wie das Vorliegen eines relativ kleinen Be triebsbereiches mit optimaler Flammenposition, ein An steigen der NO_x-Emissionen, eine erhöhte Gefahr des Flammenrückschlagens, das Auftreten hoher Pulsationen, ein ungenügender Ausbrand sowie eine schlechte Querzün dung zwischen verschiedenen Brennern. Weiterhin ist für die Fertigung derartiger Brenner aufgrund dieser Pro bleme eine hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für einen Wärmeerzeuger anzugeben, der die obigen Probleme ver meidet und eine stabilere Flammenposition mit größerer Rückströmzone bei geringen CO-, UHC- und NO_x-Emissionen aufweist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Brenner nach Patentan spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bren ners sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der vorliegende Brenner für einen Wärmeerzeuger weist entlang einer Brennerachse Mittel zur Einbringung eines Brennstoffes, einen Drallerzeuger für Verbren nungsluft sowie ein Mischrohr auf, an das sich ein tu busförmiges Formelement mit einem sich in Hauptströ mungsrichtung aufweitenden Innenquerschnitt anschließt. Das Formelement weist zumindest in einem Abschnitt ent lang der Brennerachse eine von der Brennerachse weg oder zur Brennerachse hin gekrümmte Innenfläche auf und ist derart ausgebildet, dass sich die aus dem Mischrohr austretende Strömung des Brenngases an die Innenfläche anlegt und deren Drallzahl stark ansteigt.

Erfindungsgemäß wurde hierbei erkannt, dass durch eine optimale Gestaltung des Brenneraustrittes nach dem Mischrohr die Größe der Rückströmzone vergrößert werden kann, ohne eine frühzeitige Ablösung der Strömung von der Innenfläche des Mischrohres bzw. des sich anschlie ßenden Formelementes herbeizuführen. Die Stärke der Aufweitung des Formelementes in Strömungsrichtung hängt hierbei von den Strömungsverhältnissen innerhalb des Mischrohres ab. Die Aufweitung wie auch die geometri sche Form der Innenflächen des Formelementes wird dabei so gewählt, dass sich die Strömung an die Innenflächen anlegt und die Drallzahl stark ansteigt. Dies wird ins besondere durch eine Krümmung der Innenflächen des For melementes in zumindest einem Abschnitt entlang der Brennerachse zu dieser hin oder von dieser weg er reicht. Diese Krümmung führt somit zu einer beispiels weise tulpenförmigen oder kelchförmigen geometrischen Ausbildung des Formelementes. Das vorliegende Formele ment unterscheidet sich daher von einem üblichen Diffu sor dadurch, dass die Innenflächen in Hauptströmungs richtung nicht über die gesamte Länge geradlinig ver laufen.

Die optimale Ausgestaltung des Brenners bei unter schiedlichen Drallkörper- und Mischrohrgeometrien lässt sich für den Fachmann bei Kenntnis der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 problemlos ermitteln.

Die Strömungsverhältnisse werden unter anderem durch die Drallstärke im Drallerzeuger über dessen Geo metrie sowie über die Dimensionierung des sich an schließenden Mischrohres festgelegt. Bei Einsatz eines Doppelkegelbrenners ergibt sich die Drallstärke aus der Auslegung des entsprechenden Kegelwinkels und der Luft eintrittsschlitze sowie deren Anzahl.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Bren ners vergrößert sich das Volumen der Rückströmzone bzw. Rückströmblase gegenüber einer Strömung ohne dieses Formelement erheblich. Auf diese Weise kommt es zu ei nem verstärkten Wärmeaustausch zwischen Abgas und Frischgas, der insbesondere die Löschgrenze des Bren ners stark erhöht. Durch die weitere Verlängerung der Mischstrecke durch das Formelement, die zu einer Absen kung der Strömungsgeschwindigkeit des Mischgases führt, sowie durch die Formgebung dieses Formelementes wird der äußere Rand der Flammenfront am Austritt des Forme lementes fixiert. Die Flamme steht nun nicht mehr frei in der Brennkammer und ist daher gegenüber Brennkammer einflüssen isoliert.

Da die Austrittsgeschwindigkeit des Frischgases beim Übergang in die Brennkammer proportional zu den in der Brennkammer auftretenden Pulsationen ist, werden diese durch die erhebliche Reduktion der Austrittsge schwindigkeit durch das Formelement erheblich reduziert und der Operationsbereich des Brenners vergrößert.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brenners führt somit zu einer stabileren Flammenposition, zu ge ringeren Pulsationen, zu einem erweiterten Stabilitäts bereich sowie zu geringeren Emissionen an CO, UHC und NO_x. Weiterhin werden ein vollständiger Ausbrand sowie eine gute Querzündung zwischen den verschiedenen Bren nern einer Brennkammer erreicht. Der Brenner lässt sich über einen größeren Betriebsbereich stabil betreiben, als dies bei den einleitend vorgestellten Brennern des Standes der Technik möglich ist. Durch entsprechende Ausgestaltung des Formelementes im Sinne einer Strahl formung kann die Flamme der Brennkammergeometrie ange passt werden. Die Verlängerung der Mischstrecke durch das Formelement führt zu einer verbesserten Mischung des Brennstoffes. Insgesamt kann durch Einsatz des er findungsgemäße Brenners auch eine kompaktere Bauweise der Brennkammeranordnung erreicht werden.

Die besten Resultate werden mit einem Vormisch brenner erzielt, der keine Körper im Strömungsfeld auf weist, die zu einem frühzeitigen Ablösen der Strömung von den Wandflächen des Mischrohres bzw. des Formele mentes führen.

Selbstverständlich lässt sich der Brenner mit un terschiedlichen Drallerzeugern einsetzen (vgl. auch Fig. 2, 4 und 5). So ist beispielsweise neben einer Doppelkegelgeometrie auch ein axialer oder radialer Drallerzeuger denkbar. Ebenso kann, wie dies bei der Brenneranordnung der DE 195 47 913 A1 beschrieben ist, eine Übergangsgeometrie mit Übergangskanälen zwischen dem Drallerzeuger und dem Mischrohr vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform des vorlie genden Brenners verläuft die Innenfläche des Formele mentes in einem ersten Abschnitt, der sich an das Mischrohr anschließt, unter einem mittleren Winkel α1 zwischen 5° und 45° zur Brennerachse. Die Innenfläche kann hierbei geradlinig oder auch gekrümmt zur Brenner achse verlaufen. Bei einem gekrümmten Verlauf ist unter dem mittleren Winkel der Mittelwert des Winkels über den ersten Abschnitt zu verstehen. Bei einem geradlini gen Verlauf der Innenflächen tritt nur ein Winkel auf.

Vorzugsweise verläuft die Innenfläche des Formele mentes in einem zweiten Abschnitt entlang der Brenner achse, der sich an den ersten Abschnitt bis zur Aus trittsöffnung des Formelementes anschließt, unter einem mittleren Winkel α2 zur Brennerachse, der zwischen 0° und 60° liegt. Auf diese Weise kann beispielsweise eine tulpenförmige (α1 < α2) oder trompetenförmige (α1 < α2) Ausgestaltung des Formelementes realisiert werden.

Es versteht sich von selbst, dass das Formelement in einer Ebene senkrecht zur Brennerachse nicht zwangs läufig rotationssymmetrisch ausgestaltet sein muss. So kann gerade durch eine von der Kreisform abweichende Form des Innenquerschnitts, beispielsweise einer Ellipsenform, eine Anpassung an die jeweilige Brennkammer geometrie erreicht werden. Die Halbachsen der Ellipse können sich hierbei auch entlang der Brennerachse än dern.

Vorzugsweise weist das Formelement eine Länge L auf, die in Abhängigkeit vom Innendurchmesser d des Mischrohres so gewählt ist, dass das Verhältnis L/d zwischen 0,5 und 3 liegt. In diesem Bereich werden die besten Ergebnisse zur Erzeugung einer großen Rückström zone erzielt.

Der Übergang vom Innenquerschnitt des Mischrohres zum Innenquerschnitt des Formelementes ist vorzugsweise ohne Kanten oder Stufen ausgestaltet, die zu einem Ab reißen der Strömung führen könnten. Das Formelement kann hierbei entweder an das Mischrohr angesetzt oder mit dem Mischrohr einstückig ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Brenner wird nachfolgend an hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin dungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für einen Brenner des Standes der Technik;

Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner;

Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die Geometrie des Formelementes des erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 4 schematisch weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner; und

Fig. 5 schematisch letztes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der bekannte Brenner der Fig. 1 mit dem in Dop pelkegelgeometrie ausgeführten Drallerzeuger 2 und ei ner Übergangsgeometrie 7 zu einem Mischrohr 3 entlang der Brennerachse 1 wurde bereits in Verbindung mit dem Stand der Technik näher erläutert. Insbesondere ist aus dieser Fig. 1 die relativ schmale Rückströmzone 8 zu erkennen, die sich in einem zentralen Bereich der durch die Flammenfront 9 begrenzten Flamme des Brenners aus bildet. Durch diese schmale Rückströmzone lässt sich der Brenner nur in einem engen Betriebsbereich einset zen, ohne das Löschen der Flamme zu riskieren.

Demgegenüber zeigt Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel wird ein Drallerzeuger 2 bestehend aus mehreren Teilschalen in Ausgestaltung eines Kegelbren ners mit vier Eintrittsschlitzen eingesetzt. Die vier Eintrittsschlitze für Verbrennungsluft sowie die Gaszu führungen für das Brenngas sind in dieser Abbildung nicht zu erkennen. Über eine ebenfalls nicht darge stellte Düse kann entlang der Brennerachse 1 flüssiger Brennstoff eingedüst werden, der sich durch die im Drallerzeuger 2 erzeugte Drallströmung mit der Verbren nungsluft und dem Brenngas mischt. Diese Mischung tritt über ein Übergangselement 7 in das Mischrohr 3 ein. Das Übergangselement 7 dient hierbei der möglichst ver lustarmen Einkopplung der im Drallerzeuger 2 erzeugten Strömung in das Mischrohr 3. Einzelheiten zu diesem Teil des Brenners können der DE 195 47 913 A1 entnommen werden.

An der Austrittsöffnung des Mischrohres 3 schließt sich entlang der Brennerachse 1 das Formelement 5 an. Die Innenflächen 6 dieses Formelementes sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem ersten Abschnitt von der Brennerachse weg gekrümmt und in einem zweiten darauf folgenden Abschnitt entlang der Brennerachse zu dieser hin gekrümmt, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist. Auf diese Weise ergibt sich eine annähernd tulpenförmige Ausgestaltung dieses Formelementes. Der Radius und die Länge dieses Formelementes 5 sind derart an die Geome trie von Drallerzeuger 2 und Mischrohr 3 angepasst, das sich die aus dem Mischrohr 3 austretende Brennstoff strömung an die Innenfläche 6 des Formelementes 5 an legt und die Drallzahl stark ansteigt.

Wie in der Figur zu erkennen ist, führt diese Aus gestaltung zu einer im Vergleich zur Brennergeometrie der Fig. 1 deutlich breiteren Rückströmzone 8. Die Flammenfront 9 legt sich hierbei direkt an die Innenbe grenzung des Formelementes 5 an. Durch diese deutliche Vergrößerung der Rückströmzone 8 lässt sich ein stabi ler Betrieb des Brenners über einen wesentlich größeren Betriebsbereich erreichen. Die weiteren Vorteile dieser Anordnung wurden bereits im Zusammenhang mit der Be schreibung der Erfindung dargelegt.

Fig. 3 zeigt schließlich in vereinfachter Dar stellung die geometrische Ausgestaltung der Kombination aus Mischrohr 3 und Formelement 5 in Bezug auf die Brennerachse 1. In der Abbildung sind der halbe Durch messer d/2 des Mischrohres 3 sowie die Länge L des For melementes 5 im Anschluss an das Mischrohr schematisch angedeutet. Die Austrittsöffnung des Mischrohres ist in diesem Beispiel leicht nach außen gewölbt, was in der Figur durch den Austrittsradius R und den Winkel β an gedeutet ist. Die Krümmung der Innenfläche 6 des Forme lementes ist in dieser Figur nicht zu erkennen. Die Fi gur zeigt lediglich den mittleren - in diesem Fall kon stanten - Winkel α, den die Innenfläche 6 und die Bren nerachse 1 einschließen. Bei einem Verlauf der Innen flächen des Formelementes 5, wie er in Fig. 2 zu er kennen ist, wäre der erste Abschnitt der Innenfläche 6 zunächst von der Brennerachse weg und im weiteren Ver lauf zur Brennerachse hin gekrümmt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen beispielhaft zwei wei tere Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Brenner. Bei diesen Ausführungsbeispielen werden Bren ner dargestellt, deren Drallerzeuger 2 unterschiedliche Geometrien aufweisen. So sind in Fig. 4 ein zylinder förmiger Drallerzeuger 2 mit kegelförmigem Verdrän gungskörper 11 und in Fig. 5 eine weitere geometrische Ausgestaltungsvariante eines Drallerzeugers 2 zu erken nen. Die Anordnung und Ausgestaltung des Mischrohres 3 sowie des sich daran anschließenden Formelementes 5 entspricht denen des Brenners der Fig. 2, auf dessen Beschreibung in diesem Zusammenhang Bezug genommen wird.

Bezugszeichenliste

1

Brennerachse

2

Drallerzeuger

3

Mischrohr

4

Brennkammer

5

Formelement

6

Innenfläche

7

Übergangselement

8

Rückströmzone

9

Flammenfront

10

Lufteintrittschlitze

11

kegelförmiger Verdrängungskörper

12

Schaufeln

Claims

1. Brenner für einen Wärmeerzeuger mit entlang einer Brennerachse (1) vorgesehenen Mitteln zur Einbrin gung eines Brennstoffes, einem Drallerzeuger (2) für Verbrennungsluft sowie einem Mischrohr (3), an das sich ein tubusförmiges Formelement (5) mit ei nem sich in Hauptströmungsrichtung aufweitenden Innenquerschnitt anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (5) zumindest in einem Ab schnitt entlang der Brennerachse (1) eine von der Brennerachse (1) weg oder zur Brennerachse (1) hin gekrümmte Innenfläche aufweist und derart ausge bildet ist, dass sich die aus dem Mischrohr (3) austretende Strömung an die Innenfläche (6) des Formelementes (5) anlegt und deren Drallzahl an steigt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (6) in einem ersten Abschnitt des Formelementes (5), der sich an das Mischrohr (3) anschließt, unter einem mittleren Winkel α1 zur Brennerachse (1) verläuft, der zwischen 5° und 45° liegt.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (6) in einem zweiten Ab schnitt des Formelementes (5), der sich an den er sten Abschnitt anschließt, unter einem mittleren Winkel α2 zur Brennerachse (1) verläuft, der zwi schen 0° und 60° liegt.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (5) eine Länge L aufweist, die in Abhängigkeit vom Durchmesser d des Misch rohres (3) so gewählt ist, dass das Verhältnis L/d zwischen 0,5 und 3 liegt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Innenquerschnitt des Misch rohres (3) zum Innenquerschnitt des Formelementes (5) ohne Kanten oder Stufen verläuft.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (5) an das Mischrohr (3) an gesetzt ist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (5) mit dem Mischrohr (3) einstückig ausgebildet ist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er als Doppelkegelbrenner oder als Kegelbren ner mit vier Eintrittsschlitzen ausgebildet ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er keine sich in Hauptströmungsrichtung er streckende Körper im Strömungsfeld beinhaltet, die ein Ablösen der Strömung im Mischrohr (3) oder Formelement (5) verursachen.