DE102010016702A1

DE102010016702A1 - Mit Luft betriebene Syngasbrennstoffdüse mit Verdünnungsöffnungen

Info

Publication number: DE102010016702A1
Application number: DE102010016702A
Authority: DE
Inventors: Mark Allan Hadley; Jesse Ellis Barton; John Joseph Lipinski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2010-11-18
Also published as: CH701051A2; CH701051B1; JP2010261705A; US20100281869A1; CN101881451A

Abstract

Geschaffen ist eine Brennstoffdüsenspitze (30) zur Verwendung in Zusammenhang mit einer Brennkammer (16). Die Brennstoffdüsenspitze (30) enthält eine Brennstoffleitung mit einer ersten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen (52) und einer zweiten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen (54), wobei die Brennstoffleitung dazu eingerichtet ist, Brennstoff in einen Mischbereich (32) zu leiten, der in der Brennkammer ausgebildet ist, und einen Luftkragen (34), der mit der Brennstoffleitung verbunden ist, wobei der Luftkragen mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen (58) aufweist, die dazu eingerichtet sind, Luft in den Mischbereich auszustoßen, wobei jede der mehreren Luftöffnungen eine vierseitige Querschnittsgestalt aufweist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich allgemein auf integrierte Kohlevergasung nutzende (IGCC) Stromerzeugungssysteme, und speziell auf Brennstoffdüsen für den Einsatz in Zusammenhang mit einem IGCC-Stromerzeugungssystem.
Zumindest einige bekannte Vergasungseinrichtungen wandeln ein Gemisch von Fluiden, beispielsweise Luft und/oder Sauerstoff, flüssiges Wasser oder Wasserdampf, Brennstoff und/oder einen Schlackenzusatzstoff, in ein teilweise oxidiertes Gas um, das häufig als ”Syngas/Synthesegas” bezeichnet wird. Die Kontrolle der Vermischung von Fluiden, die einem Gasturbinentriebwerk zugeführt werden, kann für die Leistung und/oder Emissionen des Triebwerks entscheidend sein.
Beispielsweise kann eine ungeeignete und/oder mangelhafte Vermischung dazu führen, dass sich eine Flamme in der Nähe einer Brennstoffdüsenspitze und/oder in der Düse festsetzt, wodurch die Temperatur der Brennstoffdüsenspitze und/oder der Düse gesteigert werden. Darüber hinaus kann eine ungeeignete und/oder mangelhafte Vermischung möglicherweise einen Trennungsbereich im Zentrum eines Stroms erzeugen, was die Wahrscheinlichkeit eines Wirbelzusammenbruchs (”Vortex break down”) steigert bzw. vermindert. Darüber hinaus kann eine ungeeignete und/oder mangelhafte Vermischung dazu führen, dass der in der Brennkammer definierte Rezirkulationstabilitätsbereich sich stromabwärts verlagert, mit der Folge einer Ablösung der Flamme und einer Steigerung der Erzeugung von Kohlenmonoxidemissionen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffdüsenspitze für den Einsatz in einer Brennkammer vorgesehen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte des Bereitstellens einer Brennstoffleitung und des Verbindens eines Luftkragens mit der Brennstoffleitung. Die Brennstoffleitung ist mit einer ersten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen und einen zweiten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen ausgebildet. Die Brennstoffleitung ist so ausgerichtet, dass Brennstoff durch die erste und zweite Gruppe von Brennstofföffnungen in einen Mischbereich ausgestoßen werden kann. Der Luftkragen ist mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Luftöffnungen ausgebildet. Jede der mehreren Luftöffnungen weist eine vierseitige Querschnittsgestalt auf. Der Luftkragen ist so ausgerichtet, dass Luft durch die mehreren Luftöffnungen hindurch in den Mischbereich ausgestoßen werden kann.
In noch einem Ausführungsbeispiel ist eine Brennstoffdüsenspitze zur Verwendung in Zusammenhang mit einer Brennkammer vorgesehen. Die Brennstoffdüsenspitze umfasst eine Brenn stoffleitung und einen Luftkragen, der mit der Brennstoffleitung verbunden ist. Die Brennstoffleitung enthält eine erste Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen und eine zweite Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen. Die Brennstoffleitung ist dazu eingerichtet, Brennstoff in einen in der Brennkammer definierten Mischbereich zu leiten. Der Luftkragen enthält mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen, die dazu eingerichtet sind, Luft in den Mischbereich auszustoßen. Jede der mehreren Luftöffnungen weist eine vierseitige Querschnittsgestalt auf.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Gasturbinentriebwerk zum Einsatz in einem integrierte Kohlevergasung nutzenden (IGCC) Stromerzeugungssystem vorgesehen. Das Gasturbinentriebwerk weist eine Brennkammer und eine Brennstoffdüsenspitze auf, die eine Brennstoffleitung und einen Luftkragen umfasst, der mit der Brennstoffleitung verbunden ist. Die Brennstoffleitung enthält eine erste Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen und eine zweite Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen. Die Brennstoffleitung ist dazu eingerichtet, Brennstoff in einen in der Brennkammer definierten Mischbereich zu leiten. Der Luftkragen enthält mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen, die dazu eingerichtet sind, Luft in den Mischbereich auszustoßen. Jede der mehreren Luftöffnungen weist eine vierseitige Querschnittsgestalt auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines integrierte Kohlevergasung nutzenden (IGCC) Stromerzeugungssystems;
2 veranschaulicht in einem Schema eine exemplarische Gasturbine, die in Zusammenhang mit dem in 1 dargestellten IGCC-Stromerzeugungssystem verwendet werden kann;
3 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine exemplarische Brennstoffdüsenspitze, die in Zusammenhang mit der in 2 dargestellten Gasturbine verwendet werden kann;
4 zeigt eine innere Ansicht der in 3 dargestellten Brennstoffdüsenspitze;
5 zeigt eine Stirnansicht der in 3 dargestellten Brennstoffdüsenspitze; und
6 zeigt die in 3 dargestellte Brennstoffdüsenspitze in einer Querschnittsansicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die im Vorliegenden beschriebenen Systeme und Verfahren erleichtern das Ausstoßen eines Brennstoff-Luft-Gemisches aus einer Brennstoffdüse, die die Erzeugung einer brennstoffreichen Flamme ermöglicht, während Probleme einer Flammhaltung verringert werden. Insbesondere ermöglichen die im Vorliegenden beschriebenen Systeme und Verfahren den Ausstoß des Brennstoff-Luft-Gemisches aus der Brennstoffdüse in einem Brennkammermischbereich mit einer schwachen Verwirbelung.
1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines integrierte Kohlevergasung nutzenden (IGCC-)Stromerzeugungssystems 50. In dem Ausführungsbeispiel umfasst das System 50 einen Hauptluftverdichter 51, eine Lufttrenneinheit 53, eine Vergasungseinrichtung 56, eine Reinigungsvorrichtung 62 und ein Gasturbinentriebwerk 10. In dem Ausführungsbeispiel gehören zu dem Triebwerk 10 ein Verdichter 12, eine Brennkammer 16 und eine Turbine 20.
Im Betrieb strömt Luft durch den Hauptluftverdichter 51, der verdichtete Luft zu der Lufttrenneinheit 53 ausstößt. In dem Ausführungsbeispiel wird der Lufttrennungseinheit 53 zu sätzliche verdichtete Luft aus dem Gasturbinenverdichter 12 zugeführt.
Die Lufttrennungseinheit 53 trennt die verdichtete Luft in einen Sauerstoffstrom O₂ und einen auch als ein Prozessgasstrom bezeichneten Gasnebenproduktstrom NPG. In dem Ausführungsbeispiel leitet die Lufttrennungseinheit 53 den Sau erstoffstrom O₂ zu der Vergasungseinrichtung 56, mindestens einen Teil des Prozessgasstroms NPG über einen Verdichter 60 zu einer Gasturbinenbrennkammer 16, und mindestens einen Teil des Prozessgasstroms NPG ins Freie. In dem Ausführungsbeispiel enthält der Prozessgasstrom NPG Stickstoff. Beispielsweise enthält der Prozessgasstrom NPG in einem Ausführungsbeispiel zwischen etwa 95% und 100% Stickstoff. Der Prozessgasstrom NPG kann auch andere Gase enthalten, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Sauerstoff und/oder Argon. In einer Abwandlung enthält der Prozessgasstrom Wasserdampf (H₂O) anstelle von Stickstoff, wobei der Prozessgasstrom zwischen etwa 90% und 100% Dampf (H₂O) enthält.
Die Vergasungseinrichtung 56 wandelt den durch die Lufttrennungseinheit 53 zugeführten Sauerstoffstrom O₂, das Wasser oder den Wasserdampf, das Brennstoffgemisch, die auf Kohlenstoff basierende Substanz und/oder den Schlackenzusatzstoff in ein teilweise oxidiertes Gas um, das gewöhnlich als ”Syngas” oder auch ”Synthesegas” bezeichnet wird. Obwohl die Vergasungseinrichtung 56 einen beliebigen Brennstoff nutzen kann, verwendet die Vergasungseinrichtung 56 in einigen Ausführungsbeispielen Kohle, Erdölkoks, Altöl, Ölemulsionen, Ölsände und/oder sonstige ähnliche Brennstoffe. In dem Ausführungsbeispiel leitet die Vergasungseinrichtung 56 das Syngas über die Reinigungsvorrichtung 62 zu der Gasturbinenbrennkammer 16. Im Besonderen erzeugt die Vergasungseinrichtung 56 in dem Ausführungsbeispiel ein Syngas, das Kohlendioxid CO₂ enthält, und die Reinigungsvorrichtung 62 sondert das Kohlendioxid CO₂ von dem Syngas ab. Das von dem Syngas durch die Rei nigungsvorrichtung 62 abgesonderte Kohlendioxid CO₂ kann ins Freie entlassen, zur Nutzung durch die Vergasereinrichtung 56 zu einer Einspritzdüse 70 rückgeführt, für eine (nicht gezeigte) geologische Speicherung verdichtet und isoliert und/oder für (nicht gezeigte) Industriegase verarbeitet werden.
2 veranschaulicht schematisch das Triebwerk 10, das in Zusammenhang mit dem in 1 dargestellten System 50 verwendet werden kann. In dem Ausführungsbeispiel enthält das Triebwerk 10 einen Verdichter 12, eine Brennkammer 16 und eine Turbine 20, die in einer seriellen, axialen Strömungsbeziehung angeordnet ist. Der Verdichter 12 und die Turbine 20 sind über eine Welle 21 miteinander verbunden. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel enthält das Triebwerk 10 einen Hockdruckverdichter und eine Hochdruckturbine, die über eine zweite Welle miteinander verbunden sind.
Im Betrieb verdichtet der Verdichter 12 Luft, und die verdichtete Luft wird zu der Brennkammer 16 geleitet. Die Brennkammer 16 mischt die aus dem Verdichter 12 stammende verdichtete Luft, das aus der (in 1 dargestellten) Lufttrennungseinheit 53 stammende verdichtete Prozessgas, und das aus der (in 1 dargestellten) Vergasungseinrichtung 56 stammende Syngas, um ein Gemisch hervorzubringen, das verbrannt wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die gegen die Turbine 20 gelenkt werden. Die Verbrennungsgase werden durch eine Abgasdüse 24 ausgestoßen, in der die Gase das Triebwerk 10 verlassen. In dem Ausführungsbeispiel treibt die von dem Triebwerk 10 abgegebene Leistung einen (in 2 dargestell ten) Generator 64 an, der in ein (nicht gezeigtes) Stromnetz elektrischen Strom einspeist.
Mehr im Einzelnen weist das Triebwerk 10 in dem Ausführungsbeispiel ferner mindestens eine (nicht in 2 dargestellte) Brennstoffdüse auf, die die verdichtete Luft, das verdichtete Prozessgas und das Syngas zu einem (in 3 dargestellten) Brennkammermischbereich 32 leitet, der in der Brennkammer 16 definiert ist. Die Brennkammer 16 verbrennt die verdichtete Luft, das verdichtete Prozessgas und das Syngas in dem Brennkammermischbereich 32, um Verbrennungsgase zu erzeugen. In dem Ausführungsbeispiel erleichtert die Verwendung des Prozessgasstroms die Steuerung von Emissionen aus dem Triebwerk 10, und erleichtert insbesondere die Verringerung einer Verbrennungstemperatur und eines in dem Triebwerk 10 erzeugten Stickstoffoxidemissionspegels.
3–6 veranschaulichen eine exemplarische Brennstoffdüsenspitze 30, die in Zusammenhang mit der (in 2 dargestellten) Brennkammer 16 genutzt werden kann. Insbesondere veranschaulicht 3 eine perspektivische Ansicht der Brennstoffdüsenspitze 30, 4 veranschaulicht eine innere Ansicht der Brennstoffdüsenspitze 30, 5 veranschaulicht eine Stirnansicht der Brennstoffdüsenspitze 30, und 6 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Brennstoffdüsenspitze 30.
In dem Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffdüsenspitze 30 an einem stromabwärts gelegenen Ende 44 einer (nicht gezeigten) zugeordneten Brennstoffdüse positioniert. Darüber hinaus umfasst die Brennstoffdüsenspitze 30 in dem Ausführungsbeispiel einen Luftkragen 34, ein Zündbrennstoffrohr 36 und eine Primärbrennstoffleitung 40. Im Besonderen befindet sich die Primärbrennstoffleitung 40 in dem Ausführungsbeispiel radial außerhalb des Zündbrennstoffrohrs 36 und erstreckt sich in Umfangsrichtung um letzteres. Indem Ausführungsbeispiel ist der Luftkragen 34 an dem stromabwärts gelegenen Ende 44 mit einer Brennstoffleitungsstirnfläche 42 verbunden.
Der Luftkragen 34 ist mit einem ersten Außendurchmesser 112 ausgebildet, der benachbart zu der Brennstoffleitungsstirnfläche 42 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel ist der erste Außendurchmesser 112 in etwa gleich groß wie ein Außendurchmesser 200 der Primärbrennstoffleitung 40. In dem Ausführungsbeispiel ist der Luftkragen 34 abstromseitig des ersten Außendurchmessers 112 außerdem mit einem zweiten Außendurchmesser 122 ausgebildet, der kleiner ist als der erste Außendurchmesser 112. Dementsprechend erlaubt der zweite Außendurchmesser 122 dem Luftkragen 34 axial in die Nähe des Brennkammermischbereichs 32 zu gleiten.
Die Brennstoffleitungsstirnfläche 42 der Primärbrennstoffleitung 40 weist mindestens eine erste Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Primärbrennstofföffnungen 52 auf. In dem Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffleitungsstirnfläche 42 ferner eine zweite Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Primärbrennstofföffnungen 54 auf, um es der Primärbrennstoffleitung 40 zu ermöglichen, ein größeres Fluidvolumen in den Brennkammermischbereich 32 auszustoßen. In dem Ausführungsbeispiel sind die Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 im Wesentlichen kreisförmig. In einer Abwandlung können die Öffnungen 52 und/oder 54 mit einer beliebigen Querschnittsform ausgebildet sein, die es der Primärbrennstoffleitung 40 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen. In dem Ausführungsbeispiel sind die Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 im Wesentlichen konzentrisch und in Umfangsrichtung um eine Mittellinie 210 der Brennstoffdüsenspitze 30 beabstandet angeordnet. Insbesondere sind die Primärbrennstofföffnungen 52 in dem Ausführungsbeispiel in Richtung nach außen von der Mittellinie 210 mit einem ersten radialen Abstand 252 beabstandet angeordnet, und die Primärbrennstofföffnungen 54 sind in Richtung nach außen von der Mittellinie 210 mit einem zweiten radialen Abstand 254 beabstandet angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist der erste radiale Abstand 252 kleiner als der zweite radiale Abstand 254.
In dem Ausführungsbeispiel stoßen die Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 ein (nicht gezeigtes) Fluid in den Brennkammermischbereich 32 aus. Im Besonderen stoßen die Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 in dem Ausführungsbeispiel einen (nicht gezeigten) Primärbrennstoff, beispielsweise ein von einer mit Luft betriebenen Vergasungseinrichtung stammendes Syngas, in den Brennkammermischbereich 32 aus. Insbesondere stoßen die Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 primären Brennstoff unter einem vordefinierten Ausstoßwinkel θ₁ aus, der relativ zu der Mittellinie 210 schiefwinkelig ausgerichtet ist. In dem Ausführungsbeispiel beträgt der Ausstoßwinkel θ₁ zwischen etwa 10° bis ungefähr 30°. In einem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich der Ausstoßwinkel θ₁ wenigstens einer Brennstofföffnung 54 von dem Ausstoßwinkel θ₁ wenigstens einer Brennstofföffnung 52.
Eine Zündbrennstoffrohrstirnfläche 46 weist mehrere Zündbrennstofföffnungen 48 auf. In dem Ausführungsbeispiel sind die Zündbrennstofföffnungen 48 im Wesentlichen kreisförmig. In einer Abwandlung können die Zündbrennstofföffnungen 48 mit einer beliebigen Querschnittsform ausgebildet sein, die es dem Zündbrennstoffrohr 36 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen. In dem Ausführungsbeispiel stoßen die Zündbrennstofföffnungen 48 ein Fluid in den Brennkammermischbereich 32 aus. Im Besonderen stoßen die Zündbrennstofföffnungen 48 in dem Ausführungsbeispiel einen (nicht gezeigten) Zündbrennstoff oder einen Hochfahrbrennstoff in den Brennkammermischbereich 32 aus. Insbesondere stoßen die Zündbrennstofföffnungen 48 Zündbrennstoff unter einem (nicht gezeigten) vordefinierten Ausstoßwinkel aus, der relativ zu der Mittellinie 210 schiefwinkelig ausgerichtet ist.
Der Luftkragen 34 weist mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen 58 auf. In dem Ausführungsbeispiel ermöglicht ein Ausstoßen von Luft durch die Öffnungen in dem Luftkragen 34, anstatt durch die Öffnungen in der Brennstoffleitungsstirnfläche 42, das Ausstoßen eines größeren Volumens von primärem Brennstoff durch die Primärbrennstofföffnungen 52 und/oder 54. Indem Ausführungsbeispiel sind sämtliche Luftöffnungen 58 mit eine vierseitige Querschnittsform ausgebildet. In einer Abwandlung können die Luftöffnungen 58 mit einer beliebigen Querschnittsform ausgebildet sein, die es den Luftöffnungen 58 erlaubt, die hier beschriebene Funktion zu erfüllen. In dem Ausführungsbeispiel ermöglicht die vierseitige Querschnittsform jeder Luftöffnung 58 ein Verbinden des Luftkragens 34 mit der Primärbrennstoffleitung 36, wobei nur eine kleine oder überhaupt keine Schulter an einer Verbindungsstelle zwischen dem Luftkragen 34 und der Primärbrennstoffleitung 36 ausgebildet ist. Im Besonderen bildet der Luftkragen 34 in dem Ausführungsbeispiel drei Seiten jeder Luftöffnung 58 und die Brennstoffleitung 36 definiert eine Seite jeder Luftöffnung 58. Dadurch dass eine an einer Verbindungsstelle zwischen dem Luftkragen 34 und der Primärbrennstoffleitung 36 definierte Schulter kleiner bemessen oder ganz weggelassen ist, ist ein von dem Brennstoff-Luft-Gemisch gebildeter Kreislaufbereich in der Brennkammer 16 reduziert. In dem Ausführungsbeispiel sind die Luftöffnungen 58 im Wesentlichen um den Umfang beabstandet um die Mittellinie 210 angeordnet. Im Besonderen sind die Luftöffnungen 58 in dem Ausführungsbeispiel mit einem radialen Abstand 258 in Richtung nach außen von der Mittellinie 210 beabstandet angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist der radiale Abstand 258 größer als die radialen Abstände 252 und 254.
In dem Ausführungsbeispiel stoßen die Luftöffnungen 58 Fluid in den Brennkammermischbereich 32 aus. Im Besonderen stoßen die Luftöffnungen 58 in dem Ausführungsbeispiel Luft in den Brennkammermischbereich 32 aus. Insbesondere stoßen die Luftöffnungen 58 Luft unter einem vordefinierten Ausstoßwinkel θ2 aus, der relativ zu der Mittellinie 210 schiefwinkelig ausgerichtet ist. In dem Ausführungsbeispiel beträgt der Ausstoßwinkel θ₂ zwischen etwa 10° bis ungefähr 30°. Eine Dicke 158 des Luftkragens 34 ermöglicht es, die Luft unter dem Ausstoßwinkel θ₂ auszustoßen, während eine Trennung 68 definiert ist, die in Umfangsrichtung benachbart zwischen den Luftöffnungen 58 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel stimmen der Ausstoßwinkel θ₁ und der Ausstoßwinkel θ₂ im Wesentlichen überein. In einer Abwandlung können der Ausstoßwinkel θ₁ und θ₂ beliebige Winkel sein, die ein Brennstoff-Luft-Gemisch hervorbringen, wie es im Vorliegenden beschrieben ist.
Im Betrieb stößt das Zündbrennstoffrohr 36 während des Hochfahrens und Leerlaufs des Triebwerks 10 Zündbrennstoff oder Hochfahrbrennstoff in den Brennkammermischbereich 32 aus. In dem Ausführungsbeispiel ist der Hochfahrbrennstoff Erdgas. Wenn zusätzliche Leistung angefordert wird, unterbricht das Zündbrennstoffrohr 36 den Ausstoß von Zündbrennstoff in den Brennkammermischbereich 32, und die Primärbrennstoffleitung 40 und der Luftkragen 34 stoßen primären Brennstoff bzw. Luft in den Brennkammermischbereich 32 aus. Die Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 stoßen Brennstoff unter dem Ausstoßwinkel θ₁ aus, und die Luftöffnungen 58 stoßen Luft unter dem Ausstoßwinkel θ₂ aus. Insbesondere erleichtern das Verwirbeln und Mischen des primären Brennstoffs und der Luft, die aus den Primärbrennstofföffnungen 52 und 54 bzw. den Luftöffnungen 58 ausgestoßen werden, die Erzeugung einer unterhalb eines Kipppunkts von 0,4 liegenden Drallzahl in dem Brennkammermischbereich 32. In dem Ausführungsbeispiel ist die Drallzahl des Brennstoff-Luft-Gemisches kleiner als etwa 0,4. Im Besonderen ist die Drallzahl des ausgestoßenen Brennstoffs indem Ausführungsbeispiel kleiner als etwa 0,4, und die Drallzahl der ausgestoßenen Luft ist kleiner als etwa 0,4. Die Drallzahl in dem hier verwendeten Sinne, ist als das Verhältnis des axialen Drehimpulsstroms zu dem axialen Schub definiert. Die schwache Verwirbelung ermöglicht ein allmähliches Expandieren von Brennstoff und Luft in radialer Richtung und verringert somit die Wahrscheinlichkeit eines Wirbelzusammenbruchs. D. h., die schwache Verwirbelung reduziert die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung einer Rezirkulationszone in der Nähe einer Mittellinie der Verwirbelung. Darüber hinaus ermöglicht die schwache Verwirbelung ein allmähliches Expandieren von Brennstoff und Luft in einer axialen Richtung ausgehend von dem stromabwärts gelegenen Ende 44 in Richtung der Brennkammer 16. Auf diese Weise lässt sich eine Flamme leichter weiter stromabwärts anordnen, als es im Falle einer starken Verwirbelung möglich wäre. Ein Anordnen der Flamme weiter stromabwärts der Brennstoffdüsenspitze 30 ermöglicht eine Reduzierung der Betriebstemperatur der Brennstoffdüsenspitze 30. Darüber hinaus ermöglicht die vierseitige Gestalt jeder Luftöffnung 58 es, ein größeres Luftvolumen durch den Luftkragen 34 auszustoßen, als es bei Verwendung kreisförmiger Öffnungen möglich wäre, so dass ein verhältnismäßig mageres Gemisch ermöglicht ist, und die Erzeugung von Emissionen reduziert ist.
Die im Vorliegenden beschriebenen Verfahren und Systeme erleichtern ein Ausstoßen eines Brennstoff-Luft-Gemisches, das es ermöglicht, eine brennstoffreiche Flamme zu erzeugen, während Probleme einer Flammhaltung verringert sind. Insbesondere ermöglichen die Ausrichtung der Zündbrennstofföffnungen, die Anzahl von Primärbrennstofföffnungen und die Anzahl von Luftöffnungen in der Brennstoffdüsenspitze einen Ausstoß eines Brennstoff/Luft-Gemisches mit einer schwachen Verwirbelung in einen Mischbereich. In dem Ausführungsbeispiel werden die mit Luft betriebenen Syngasbrennstoffdüsen in einer Raffinerie oder in einem Kohlevergasungskraftwerk verwendet. Die im Vorliegenden beschriebenen Verfahren und Systeme veranschaulichen die Erfindung anhand von Beispielen und sollen nicht beschränken. Die Beschreibung ermöglicht es einem Fachmann ohne weiteres, die Offenbarung herzustellen und zu benutzen, beschreibt mehrere Ausführungsbeispiele, Adaptionen, Veränderungen, Alternativen und Verwendungen der Offenbarung, einschließlich der gegenwärtig zur Durchführung der Offenbarung als beste erachteten Weise.
Ausführungsbeispiele der mit Luft betriebenen Syngasbrennstoffdüse mit vierseitigen Verdünnungsluftöffnungen und einem Verfahren zum Zusammenbau derselben sind im Vorausgehenden im Einzelnen beschrieben. Die Verfahren und Systeme sind nicht auf die im Vorliegenden beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können Komponenten der Verfahren und Systeme unabhängig und getrennt von sonstigen hier beschriebenen Komponenten genutzt werden. Beispielsweise können die im Vorliegenden beschriebenen Verfahren und Systeme sonstige Industrie- und/oder Verbraucheranwendungen beinhalten und sind nicht auf die im Vorliegenden beschriebene Verwendung in Zusammenhang mit Raffinerien oder Kohlevergasungskraftwerken beschränkt. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit vielen sonstigen Industrien verwirklicht und verwendet werden.
Während die Erfindung anhand vielfältiger spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass es möglich ist, die Erfindung mit Abwandlungen zu verwirklichen, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.

Geschaffen ist eine Brennstoffdüsenspitze 30 zur Verwendung in Zusammenhang mit einer Brennkammer 16. Die Brennstoffdüsenspitze 30 enthält eine Brennstoffleitung mit einer ersten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen 52 und einer zweiten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen 54, wobei die Brennstoffleitung dazu eingerichtet ist, Brennstoff in einen Mischbereich 32 zu leiten, der in der Brennkammer ausgebildet ist, und einen Luftkragen 34, der mit der Brennstoffleitung verbunden ist, wobei der Luftkragen mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen 58 aufweist, die dazu eingerichtet sind, Luft in den Mischbereich auszustoßen, wobei jede der mehreren Luftöffnungen eine vierseitige Querschnittsgestalt aufweist. BEZUGSZEICHENLISTE:

10	Gasturbinentriebwerk
12	Verdichter
16	Brennkammer
20	Turbine
21	Welle
24	Abgasdüse
30	Brennstoffdüsenspitze
32	Brennkammermischbereich
34	Luftkragen
36	Zündbrennstoffrohr
40	Primärbrennstoffleitung
42	Brennstoffleitungsstirnfläche
44	Stromabwärts gelegenes Ende
46	Zündbrennstoffrohrstirnfläche
48	Zündbrennstofföffnungen
50	System
51	Hauptluftverdichter
52	Primärbrennstofföffnungen
53	Lufttrenneinheit
54	Primärbrennstofföffnungen
56	Vergasungseinrichtung
58	Luftöffnungen
60	Verdichter
62	Reinigungsvorrichtung
64	Generator
68	Trennung
70	Einspritzdüse
112	Erster Außendurchmesser
122	Zweiter Außendurchmesser
158	Dicke
200	Außendurchmesser
210	Mittellinie
252	Erster radialer Abstand
254	Zweiter radialer Abstand
258	Radialer Abstand

Claims

Brennstoffdüsenspitze (30) zur Verwendung in Zusammenhang mit einer Brennkammer (16), wobei die Brennstoffdüsenspitze aufweist: eine Brennstoffleitung mit einer ersten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen (52) und einer zweiten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen (54), wobei die Brennstoffleitung dazu eingerichtet ist, Brennstoff in einen Mischbereich (32) zu leiten, der in der Brennkammer definiert ist; und einen Luftkragen (34), der mit der Brennstoffleitung verbunden ist, wobei der Luftkragen mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen (58) aufweist, die dazu eingerichtet sind, Luft in den Mischbereich auszustoßen, wobei jede der mehreren Luftöffnungen eine vierseitige Querschnittsgestalt aufweist.
Brennstoffdüsenspitze (30) nach Anspruch 1, wobei mindestens die erste und/oder zweite Gruppe von Brennstofföffnungen (52, 54) dazu eingerichtet ist, Brennstoff in den Mischbereich (32) unter einem Ausstoßwinkel auszustoßen, der in Bezug auf eine Mittellinie (210) der Brennstoffdüsenspitze schiefwinkelig ausgerichtet ist.
Brennstoffdüsenspitze (30) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der mehreren Luftöffnungen (58) dazu eingerichtet ist, Luft in den Mischbereich (32) unter einem Aus stoßwinkel auszustoßen, der in Bezug auf eine Mittellinie (210) der Brennstoffdüsenspitze schiefwinkelig ausgerichtet ist.
Brennstoffdüsenspitze (30) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine aus der ersten und/oder zweiten Gruppe von Brennstofföffnungen (52, 54) und der Anzahl von Luftöffnungen (58) ausgerichtet ist, um die Erzeugung einer Drallzahl von weniger als 0,4 in dem Mischbereich (32) zu erzielen.
Brennstoffdüsenspitze (30) nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Gruppe von Brennstofföffnungen (52, 54) im Wesentlichen konzentrisch um eine Mittellinie (210) der Brennstoffdüsenspitze angeordnet sind.
Brennstoffdüsenspitze (30) nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffleitung ein Zündbrennstoffrohr (36) umgibt, das dazu eingerichtet ist, eine Zündbrennstoff in den Mischbereich (32) zu leiten.
Brennstoffdüsenspitze (30) nach Anspruch 1, wobei mindestens die erste und/oder zweite Gruppe von Brennstofföffnungen (52, 54) dazu eingerichtet ist, Brennstoff unter einem Ausstoßwinkel zwischen etwa 10° und 30° zu leiten, und wobei wenigstens eine der mehreren Luftöffnungen (58) dazu eingerichtet ist, Luft unter einem Ausstoßwinkel zwischen etwa 10° und 30° zu leiten.
Gasturbinentriebwerk (10) zum Einsatz in einem integrierte Kohlevergasung nutzenden (IGCC) Stromerzeugungssystem (50), wobei das Gasturbinentriebwerk aufweist: eine Brennkammer (12); und eine Brennstoffdüsenspitze (30), die folgendes umfasst: eine Brennstoffleitung mit einer ersten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen (52) und einer zweiten Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Brennstofföffnungen (54), wobei die Brennstoffleitung dazu eingerichtet ist, Brennstoff in einen Mischbereich (32) zu leiten, der in der Brennkammer definiert ist; und einen Luftkragen (34), der mit der Brennstoffleitung verbunden ist, wobei der Luftkragen mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Luftöffnungen (58) aufweist, die dazu eingerichtet sind, Luft in den Mischbereich auszustoßen, wobei jede der mehreren Luftöffnungen eine vierseitige Querschnittsgestalt aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 8, wobei mindestens die erste und/oder zweite Gruppe von Brennstofföffnungen (52, 54) dazu eingerichtet ist, Brennstoff in den Mischbereich (32) unter einem Ausstoßwinkel auszustoßen, der in Bezug auf eine Mittellinie (120) der Brennstoffdüsenspitze (30) schiefwinkelig ausgerichtet ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 8, wobei wenigstens eine der mehreren Luftöffnungen (52, 54) dazu eingerichtet ist, Luft in den Mischbereich (32) unter einem Ausstoßwinkel auszustoßen, der in Bezug auf eine Mittellinie (210) der Brennstoffdüsenspitze (30) schiefwinkelig ausgerichtet ist.