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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung mit mindestens einem
Brenner, der einen im wesentlichen rechteckigen Einlauf und ein
im wesentlichen rundes Mischrohr aufweist.
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In
EP 0 463 218 B1 ist
ein Brenner beschrieben, der einen Einlauf mit koaxialen Einlässen
für Brennstoff und Luft aufweist. An dem Brennereinlauf schließt
sich eine Mischstrecke an, in der Brennstoffe und Luft sich mischen,
bevor das Gemisch in eine Brennkammer eintritt. Treibstoff und Luft
haben einen solchen Strömungsimpuls, dass eine Verbrennung erst
in der Brennkammer stattfindet.
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In
der Patentanmeldung
DE 10
2007 036 953 (nicht vorveröffentlicht) ist ein
Brenner beschrieben, bei dem der Einlauf einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt hat, wobei zwei parallele Wände eine lichte
Weite begrenzen. Die Mischstrecke bildet einen runden Kanal, dessen
Weite größer ist als die lichte Weite zwischen
den parallelen Wänden, so dass in Strömungsrichtung
sich erweiternde Übergangsstufen gebildet werden. An den Übergangsstufen
entstehen Querströmungen, durch die der Mischvorgang durch
Erhöhung des turbulent diffusen Transports sowie der Induktion
eines konvektiven Sekundärtransportes verbessert wird.
Die Verbrennungsluft wird aus einem Rechteckkanal in einen Kanal
mit rundem Querschnitt überführt. Die maximale Brennstoffkonzentration
am Ausgang der Mischstrecke wird gering und die Verteilung des Brennstoffs über
den Querschnitt des Mischkanals wird verbessert. Die Folge ist eine
Reduktion der thermischen Stickoxidbildung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsvorrichtung
zu schaffen, bei der die Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff
und Luft, d. h. die Luftzahl, variierbar ist, um einerseits die
NO-Emission gering zu halten und andererseits ein Verlöschen
der Flamme zu vermeiden.
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Die
erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung ist durch
den Patentanspruch 1 definiert. Sie ist generell in gleicher Weise
ausgebildet wie in
DE 10
2007 036 953 beschrieben, jedoch ist hiervon abweichend
mindestens eine Brennstofflanze exzentrisch zu einer Längsmittelebene
des Einlaufs angeordnet.
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In
der genannten älteren Patentanmeldung wurde dargelegt,
dass der Grad der Mischung im Austritt der Brennerdüse
einen wesentlichen Einfluss auf die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge
in der Brennkammer hat. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die
Stickoxidbildung (NOx), die ihrerseits maßgeblich
durch die lokale Verbrennungstemperatur (Zeldovich oder thermisches
NO) bestimmt ist. Das Ziel einer bestmöglichen Reduzierung
der Stickoxidemission lässt sich erreichen, indem man durch
geeignete Kontrolle der Mischungs- und Verbrennungsprozesse die
Verbrennungstemperatur so gering wie möglich hält.
Im Falle von Gasturbinenbrennkammern wird die Verbrennungstemperatur
durch einen Überschuss an Verbrennungsluft durch den Brenner reguliert.
Die maßgebliche Kennzahl ist hierbei die Luftzahl λ,
gebildet aus dem molaren Verhältnis von Luft zu Brennstoff,
bezogen auf die stöchiometrische Zusammensetzung (λ =
1). Für doppelten Luftüberschuss beispielsweise
gilt dann λ = 2. Im Brenner selbst werden Brennstoff und
Luft zusammengeführt und es entstehen zunächst
auch bei hohem Luftüberschuss stöchiometrische
Bereiche. Das Mischungsverhalten eines Brenners lässt sich
nun dadurch charakterisieren, in welchem Maße auftretende λ-Inhomogenitäten
im Brenner vor Eintritt in die Brennkammer abgebaut werden. Im besten
Fall erreicht man ein homogenes Profil mit dem λ-Wert der
zugeordneten globalen Mischung. Die entsprechende adiabate Verbrennungstemperatur
der globalen Mischung kann somit als die untere Grenze der optimaler
Weise zu erreichenden maximalen Verbrennungstemperatur angesehen
werden, vorausgesetzt es findet kein zusätzlicher Wärmeentzug
statt. Der Grad der Annäherung an diesen Idealzustand charakterisiert die
Mischungsgüte eines Brenners. Dieses Konzept konnte erfolgreich
für eine thermische Leistung von ca. 800 kW bei einem λ-Wert
von 1.6 und einer zugeordneten Leistungsdichte von ca. 13.6 MW/(m2 bar) bezogen auf die Fläche der
Brennkammerkopfplatte) auf dem Prüfstand realisiert werden.
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In
der vorliegenden Erfindung wird nun das Problem der Leistungsmodulation über
einen möglichst breiten λ-Bereich durch Brennstoffvariation
bei konstantem Luftmassenstrom adressiert. Die untere λ-Grenze
ist durch die maximal tolerierbare NO-Emission und damit durch die
maximale Flammentemperatur bestimmt. Für λ = 1.6
liegt die NO-Emission bei ca. 10 ppm (bezogen auf 15% O2 im Brennkammeraustritt).
Die zugeordnete adiabate Flammentemperatur der globalen Mischung
liegt hier bei ca. 2000 K. Bei kleineren λ-Werten ist ein
drastischer Anstieg der NO-Emission und auch CO- Emissionen (Gleichgewicht)
zu verzeichnen. Es zeigt sich also, dass im niedrigen λ-Bereich,
d. h. im Volllastbereich, die Mischung extrem wichtig ist. Weiterhin scheint
es plausibel, dass bei Erhöhung von λ, d. h. bei
Abmagerung des Gemisches, die Flamme irgendwann verlöschen
wird. Die Annäherung an das Flammenverlöschen
wird im Normalfall durch einen extrem starken Anstieg der CO-Emission
angekündigt. Diese so definierte Verlöschgrenze
ist bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen abhängig
von der jeweils betrachteten Leistungsdichte. Während im
obigen Fall der Leistungsdichte von 13.6 MW/(m2 bar)
(bei λ = 1.6) die Verlöschgrenze bereits bei ca. λ =
1.8 erreicht wird, liegt diese für eine kleinere Leistungsdichte
von 3.2 MW/(m2 bar) bei nahezu λ =
3.0. Die Erfindung zeigt eine Möglichkeit, wie die Verlöschgrenze
auch für sehr hohe Leistungsdichten nach oben verschoben
und damit eine sehr breite Leistungsmodulation bewirkt werden kann.
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Mit
Erhöhung des globalen λ-Wertes steigen in der
oben beschriebenen Abhängigkeit die Zündverzugszeiten
dermaßen an, dass ein frühzeitiges Flammenverlöschen
eintritt. Wenn man so will, ist in diesem Fall die Mischung ”zu
gut”. Diesem Effekt kann man entgegenwirken, indem man
die Brennstofflanze exzentrisch zur Mischrohrachse in Richtung der
Brennkammerachse verschiebt. Damit wird die maximale lokale Brennstoffkonzentration
erhöht und die Flamme verlischt erst bei entsprechend höherem λ.
Der Nachteil ist, dass im Hauptlastfall (λ = 1.6) die maximale
Flammentemperatur ebenfalls und damit auch die thermische NO-Produktion
ansteigt. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
jeweiligen Vorteile der zentrischen und exzentrischen Positionierung
der Brennstoffeingabe durch Hinzunahme einer zweiten Brennstofflanze
miteinander zu kombinieren. Dabei lassen sich beide Lanzen über
separate Zufuhrsysteme unabhängig voneinander mit Brennstoff
versorgen. Der Abstand der Lanzen zueinander und auch deren radiale
Position in Bezug auf die Brennkammerachse ist in einem gewissen
Rahmen variierbar und kann jeweils spezifischen konstruktiven Erfordernissen
angepasst werden.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für eine Verbrennungsvorrichtung
für Gasturbinen, bei der mehrere Brenner ringförmig
angeordnet sind und in eine gemeinsame Brennkammer einmünden.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine Stirnansicht und eine Seitenansicht
eines Brenners mit rechteckiger Mischstrecke und rundem Mischrohr,
wobei zwei Brennstofflanzen exzentrisch angeordnet sind,
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2 in gleicher Darstellung wie 1 eine Ausführungsform, bei der
eine Brennstofflanze zentrisch und eine andere Brennstofflanze exzentrisch angeordnet
ist,
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3 eine
Darstellung einer Brennkammer mit mehreren ringförmig angeordneten
Brennern, wobei die Positionen der Brennstofflanzen erkennbar sind
und
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4 das Prinzip eines modulierenden Brenners
mit unterschiedlichen Brennstoffzufuhren zu den beiden Brennstofflanzen.
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In 1 ist ein Brenner 10 dargestellt,
der einen rechteckigen Einlauf 11 und daran anschließend ein
rundes Mischrohr 12 aufweist. Zwischen Einlauf 11 und
Mischrohr 12 befindet sich ein Übergang 13. Der
Einlauf 11 ist von rechteckigem Querschnitt. Er weist zwei
parallele Längswände 14, 15 auf,
zwischen denen mittig die Längsmittelebene 16 definiert ist.
Die beiden Längswände sind durch Querwände 17, 18 verbunden.
Der Durchmesser des Mischrohres 12 ist größer
als die Quer-Ausdehnung des Einlaufs 11, jedoch kleiner
als die Längs-Ausdehnung.
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Gemäß 1 verlaufen durch den Einlauf 11 zwei
Brennstofflanzen L1, L2. Jede der Brennstofflanzen besteht aus einem
Rohr, durch das Brennstoff zugeführt werden kann. Die Brennstofflanzen
L1, L2 haben jeweils einen Einlass 20 und einen Auslass 21, der
in das Mischrohr 12 mündet. Um die Brennstofflanzen
herum befindet sich ein Luftkanal 22 mit einem Einlass 27.
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Gemäß 1 sind die beiden Lanzen L1, L2 im Abstand
von der Längsmittelebene 16 angeordnet, also ”exzentrisch”.
Die beiden Brennstofflanzen sind symmetrisch zur Längsmittelachse
vorgesehen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel von 2 ist die
Brennstofflanze L1 zentrisch angeordnet, d. h. mit ihrer Achse in
der Längsmittelebene 16. Die Brennstofflanze L2
ist exzentrisch angeordnet, also im Abstand von der Längsmittelebene 16.
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3 zeigt
ein Ringbrennersystem, wie es in stationären Gasturbinen
zur Anwendung kommt. Zahlreiche Brenner 10 der beschriebenen
Art sind ringförmig angeordnet und sie münden
in eine gemeinsame Brennkammer 23. Die Brennkammer ist hier
rund und sie weist eine Brennkammerachse 24 auf. Die Einläufe 11 der
Brenner 10 sind hier nicht exakt rechteckig. Sie bilden
vielmehr einen Ring und sind daher um die Achse 24 gebogen.
In 3 sind auch die Mischrohre 12 dargestellt,
die in die Brennkammer 23 münden. Die Flammen
entstehen in Strömungsrichtung hinter den Mischrohren 12 in
der Brennkammer 23.
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Gemäß 3 enthält
jeder Einlauf 11 zwei Brennstofflanzen L1, L2, die in gleicher
Weise angeordnet sind wie in 1.
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4 zeigt unterschiedliche Betriebszustände
eines Brenners 10, der mit zwei Brennstofflanzen gemäß 1 ausgestattet ist. Die Zufuhr von Brennstoff
zu den Brennstofflanzen L1, L2 ist jeweils separat steuerbar. Die
Pfeile F1 und F2 bezeichnen die Brennstoffzufuhr zu den Brennstofflanzen
und der Pfeil S bezeichnet die Luftzufuhr. In 4 ist
die Verteilung des gasförmigen Brennstoffs auf einer Längsschnittebene
durch die Brennerachse und die Brennkammerachse 24 aufgetragen.
Durch anteilmäßig unterschiedliche Beaufschlagung
der beiden Brennstofflanzen lässt sich kontinuierlich die
Ausbildung und Lage der Flammenfront 25 verändern.
Dabei wird die sich in der Brennkammer 23 ergebende Rezirkulationsströmung 26 durch
Wärmefreisetzung in der Flammenfront 25 in dem
Maße aufgeheizt, dass das in die Brennkammer eintretende
Brennstoff/Luft-Gemisch eine genügende Vorwärmung
erfährt. Dadurch wird die Zündverzugszeit reduziert und
das Flammenverlöschen verhindert.
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In 4 zeigt die Darstellung a) den Zustand,
dass die äußere Brennstofflanze L1 mit 100% der
Brennstoffmenge beaufschlagt ist, während die innere Brennstofflanze 12 gesperrt
ist. Die Darstellung b) zeigt ein Verhältnis von 50:50
und die Darstellung c) ein Verhältnis von 0:100. Als Brennstoff
wird beispielsweise CH4 benutzt. Man erkennt,
dass durch Änderung der Brennstoffanteile die Flammenfront 25 verändert
werden kann. Dadurch wird die Zündverzugszeit reduziert
und das Flammenverloschen verhindert. Auf diese Weise kann die Flammentemperatur
für jedes λ derart eingestellt werden, dass die Flamme
gerade nicht verlischt und gleichzeitig eine geringstmögliche
NO-Produktion stattfindet. Besonderes Augenmerk ist hierbei auf
die Tatsache zu richten, dass bei Annäherung an die Verlöschgrenze
ein extrem starker Anstieg der CO-Produktion, gegenläufig
zur NO-Produktion, einsetzt und der Ausbrand nicht mehr vollständig
ist.
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Bei
einem Simulationsbeispiel hat sich ergeben, dass die NO-Emission
im gesamten Leistungsbereich unter 10 ppm (bezogen auf 15% O2) liegt und bei λ = 2.4 einen Minimalwert
von 2.7 ppm annimmt. Neuere Simulationen mit der exzentrischen Anordnung
von 2 deuten darauf hin, dass der
Modulationsbereich über λ = 3.0 hinaus noch erweitert
werden kann. Insgesamt ergibt sich, dass mit dem erfindungsgemäßen
Brenner die Verbrennung als sehr schadstoffarm eingestuft werden
kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0463218
B1 [0002]
- - DE 102007036953 [0003, 0005]