DE102012104878A1

DE102012104878A1 - Einspritzvorrichtungsspitzenanordnung und Verfahren zur Brennstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE102012104878A1
Application number: DE102012104878A
Authority: DE
Inventors: Natesh Chandrashekar; Benjamin Campbell Steinhaus; Dustin Wayne Davis; Shashishekara Sitharamarao Tayla
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-12-13
Also published as: CN102818279B; US20120312889A1; JP2012255436A; AU2012203190A1; CA2778624A1; CN102818279A; KR20120136303A; PL399435A1

Abstract

Eine Einspritzvorrichtungsspitze für eine Düse (10) enthält einen Mittenkörper (12) mit mehreren Mittenkörperöffnungen (16) an einem distalen Ende (18), das zur Einspritzung eines Brennstoffstroms (32) in eine Verbrennungszone (34) eines Brenners ausgestaltet ist. Einer oder mehrere Brennstoffkanäle (20, 22, 24) sind um den Mittenkörper (12) herum angeordnet und dafür ausgestaltet, einen Brennstoffbrei in die Verbrennungszone (34) einzuspritzen. Einer oder mehrere Sauerstoffkanäle (20, 22, 24) sind um den Mittenkörper (12) herum angeordnet und dafür ausgestaltet, einen Sauerstoffstrom (36) in die Verbrennungszone (34) einzuspritzen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gegenstand der Erfindung sind Vergasung und Brenner. Insbesondere Einspritzdüsen zur Vergasung Gegenstand der Erfindung.
Viele Kombinationszyklus-(IGCC)-Anlagen mit integrierter Vergasung enthalten ein Vergasungssystem, das mit wenigstens einem stromerzeugenden Turbinensystem zusammengefasst ist. Beispielsweise wandeln wenigstens einige bekannte Vergasungssysteme ein Gemisch aus Brennstoff, Luft oder Sauerstoff, Dampf und/oder CO₂ in ein synthetisches Gas oder "Synthesegas" um. Das Synthesegas wird dem Brenner einer Gasturbinenmaschine zugeführt, welche einen elektrischen Generator antreibt, der elektrischen Strom für ein Stromnetz liefert. Abgas aus wenigstens einigen bekannten Gasturbinenmaschinen wird einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) zugeführt, der Dampf für den Antrieb einer Dampfturbine erzeugt. Von der Dampfturbine erzeugte Kraft treibt ebenfalls einen elektrischen Generator an, der elektrischen Strom an das Stromnetz liefert.
Wenigstens einige bekannte Vergasungssysteme nutzen ein Einspritzsystem, das einen Vergasungsreaktor mit Prozessfluiden versorgt, um wenigstens eine exotherme Reaktion zu ermöglichen. Einige Vergasungssysteme nutzen mehrere Arten von Brennstoff zum Betreiben des Vergasungsprozesses. Beispielsweise nutzt eine Kohlevergasungsanlage hauptsächlich einen Kohlebrei als Brennstoff zum Betreiben der Vergasung, welche den Kohlenstoff in der Kohle in einen gasförmigen Brennstoff zum Erzeugen von Elektrizität umwandelt. Wenn der Vergaser angefahren wird, befinden sich jedoch stromabwärts von der Vergasungskammer liegende Systemkomponenten noch nicht auf einem Auslegungsbetriebsdruck, so dass der Prozesswirkungsgrad mangelhaft ist. Somit erzeugt die Vergasung des Kohlebreis eine größere Menge an unerwünschten Emissionen, wie zum Beispiel Schwefel und/oder NO_x, bis die stromabwärts liegenden Komponenten auf Druck gebracht sind.
In einem Versuch diese Emissionsprobleme zu verringern, werden während des Anfahrvorgangs anstelle des Kohlebreis oft sauberer verbrennende Brennstoffe, wie zum Beispiel Erdgas, in die Vergasungskammer eingeführt. Das Erdgas wird über eine spezielle Düse in den Vergaser eingespritzt, die von der des Kohlenbreis getrennt ist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Einspritzvorrichtungsspitze für eine Vergaserbrennerdüse einen Mittenkörper mit mehreren Mittenkörperöffnungen an einem distalen Ende, das für die Einspritzung eines Brennstoffstroms in die Verbrennungszone des Brenners ausgestaltet ist. Ein oder mehrere Brennstoffkanäle sind um den Mittenkörper herum angeordnet und dafür ausgestaltet, einen Brennstoffbrei in die Verbrennungszone einzuspritzen. Ein oder mehrere Sauerstoffkanäle sind um den Mittenkörper herum angeordnet und dafür ausgestaltet, einen Sauerstoffstrom in die Verbrennungszone zu injizieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Brennstoffeinspritzung in einem Brenner die Einspritzung eines ersten Teils des Brennstoffstroms in eine Verbrennungszone des Brenners durch mehrere Mittenkörperöffnungen in einem distalen Ende eines Mittenkörpers einer Einspritzvorrichtungsspitze. Ein zweiter Teil des Brennstoffstroms wird in die Verbrennungszone über einen oder mehrere um den Mittenkörper herum angeordnete Kanäle eingespritzt. Die Einspritzung des zweiten Teils des Brennstoffstroms wird ausgesetzt und ein Brennstoffbrei in die Verbrennungszone über einen oder mehrere Brennstoffkanäle eingespritzt.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher ersichtlich.
Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
Der als die Erfindung betrachtete Erfindungsgegenstand, wird insbesondere in den Ansprüchen am Schluss der Patentschrift dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Einspritzvorrichtungsspitze für eine Vergasungsdüse ist;
2 eine schematische Darstellung des Betriebs einer Ausführungsform einer Einspritzvorrichtungsspitze für eine Vergasungsdüse während eines Anfahrbetriebs ist; und
3 eine schematische Darstellung des Betriebs einer Ausführungsform einer Einspritzvorrichtungsspitze für eine Vergasungsdüse während Betriebs mit Kohlebrei ist;
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In 1 ist eine Ausführungsform einer Einspritzdüsenspitze 10 für einen Vergaser dargestellt. Die Düsenspitze 10 der Ausführungsform von 1 enthält vier getrennte und vereinzelte Kanäle für den Strom von Materialströmen durch die Düsenspitze 10. Zuerst enthält die Düsenspitze 10 einen Mittenkörper 12, welcher in einigen Ausführungsformen auf einer Mittenachse 14 der Düsenspitze 10 angeordnet ist. Der Mittenkörper 12 enthält mehrere Mittenkörperöffnungen 16, die an einem distalen Ende 18 des Mittenkörpers 12 angeordnet sind.
Mehrere Brennstoffkanäle oder Lanzen sind um den Mittenkörper 12 herum angeordnet. Ein innerer Kanal 20 ist um den Mittenkörper 12 herum, und in einigen Ausführungsformen zu dem Mittenkörper 12 konzentrisch, angeordnet. Ein mittiger Kanal 22 ist um den Mittenkörper 12 außerhalb des Innenkanals 20 herum, und in einigen Ausführungsformen konzentrisch, zu dem Mittenkörper 12 und/oder dem inneren Kanal 20 angeordnet. Gemäß Darstellung in 1 ist ein äußerer Kanal 24 um den Mittenkörper 12 herum und außerhalb des mittigen Kanals 22 angeordnet, und in einigen Ausführungsformen konzentrisch, zu dem Mittenkörper 12, dem inneren Kanal 20 und/oder dem mittigen Kanal 22 angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind ein Ende 26 des inneren Kanals, ein Ende 28 des mittigen Kanals und/oder ein Ende 30 des äußeren Kanals bündig zu dem distalen Ende 18 des Mittenkörpers 12.
Beim Anfahren des Vergasers wird, wie in 2 dargestellt, ein Brennstoffstrom 32, beispielsweise ein schwefelarmer Brennstoff, wie Erdgas, in die Verbrennungszone 34 stromabwärts von der Düsenspitze 10 durch den Mittenkörper 12 hindurch über die Mittenkörperöffnungen 16 eingespritzt. Der Brennstoffstrom 32 des schwefelarmen Brennstoffs wird auch in die Verbrennungszone 34 durch den mittigen Kanal 22 hindurch eingespritzt. Ein Strom von primärem Sauerstoff 36 wird in die Verbrennungszone 34 durch den äußeren Kanal 24 hindurch geliefert. Der primäre Sauerstoff 36 wird mit dem Brennstoffstrom 32 in der Verbrennungszone 34 vermischt und darin verbrannt. In einigen Ausführungsformen kann ein Strom von sekundärem Sauerstoff 38 in die Verbrennungszone 34 durch den inneren Kanal 20 hindurch eingespritzt werden, um weiteren Sauerstoff für die Verbrennung mit dem Brennstoffstrom 32 zu liefern.
Gemäß 3 wird während des Kohlebrei-Betriebsmodus des Vergasers der mittige Kanal 22 dazu genutzt, einen Strom von Vergaserbrennstoff, wie zum Beispiel Kohlebrei 40 in die Verbrennungszone 34 zu transportieren. Primärer Sauerstoff 36 und sekundärer Sauerstoff 38 werden durch den äußeren Kanal 24 beziehungsweise den inneren Kanal 20 geliefert. Da während des Normalbetriebs der Strom des Kohlebreis 40 den Vergasungsprozess betreibt, wird der Brennstoffstrom 32 durch den Mittenkörper 12 beendet und man lässt ein anderes Fluid 42 wie zum Beispiel Kohlendioxid (welches zurückgewonnen werden kann), Stickstoff, Dampf oder Wasser durch die Mittenkörperöffnungen 16 strömen. Das Fluid 42 kann Spülgas, Moderatorgas oder Kühlflüssigkeit sein. Das Fluid 42 sorgt für die Kühlung des Mittenkörpers 12 und verhindert auch ein Verstopfen der Mittenkörperöffnungen 16 mit Teilchen aus der Verbrennung des Kohlbreis 40. Ferner verhindert das Fluid 42 Rückverbrennungen, Verbrennungsprodukte, die stromaufwärts durch die Mittenkörperöffnungen 16 in den Mittenkörper 12 festbacken.
Während Betriebsübergängen beispielsweise vom Anfahrbetrieb und Kohlebrei-Betriebsmodus können sowohl ein Brennstoffstrom 32 als auch Kohlebrei 40 in die Verbrennungszone 34 eingespritzt werden, wobei der Brennstoffstrom 32 durch die Mittenkörperöffnungen 16 eingespritzt wird und der Kohlebrei 40 durch den Mittenkanal 22 eingespritzt wird. Sobald der Übergang vom Anfahren (nur Brennstoffstrom 32) zum Kohlebrei-Betriebsmodus (nur Kohlebrei 40) erfolgt, kann der Anteil jedes Stroms allmählich verändert werden, um einen sanften Übergang zwischen den zwei Betriebsmodi zu erzeugen. Beispielsweise wird, wenn der Betriebsmodus vom Anfahren zum Kohlebrei-Betriebsmodus übergeht, die Menge des durch die Mittenkörperöffnungen 16 eingespritzten Brennstoffstroms 32 allmählich verringert, während die Menge des durch den mittigen Kanal 22 eingespritzten Kohlebreis 40 allmählich erhöht wird. Ferner kann die Umschaltung zwischen dem Kohlebreimodus und einem Reservemodus, bei dem der Strom des Kohlebreis 40 beendet wird und die Einspritzung des Brennstoffstroms 32 wieder aufgenommen wird, schnell erfolgen, da die Düsenspitze 10 die Fähigkeit hat, einen oder beide Arten von Brennstoff über den getrennten Mittenkörper 12 und den mittigen Kanal 22 einzuspritzen.
In einigen Ausführungsformen sind das Ende 26 der inneren Spitze, das Ende 28 des mittigen Kanals und/oder das Ende 30 des äußeren Kanals bündig zu dem distalen Ende des Mittenkörpers 12. Der Umstand, dass alle Enden zueinander bündig sind, verhindert ein Vorvermischen der Brennstoffe mit dem primären Sauerstoff, was für das Betriebsverhalten des Vergasers schädlich sein kann. Ferner verhindert die Ausgestaltung des bündigen Endes einen Rückbrand während des Kohlebrei-Betriebsmodus.
Obwohl die Erfindung detailliert in Verbindung mit nur einer eingeschränkten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich ohne Weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offengelegte Ausführungsformen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, sodass sie eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die bisher nicht beschrieben wurden, enthält, die aber dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung entsprechen. Zusätzlich dürfte es sich, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten, sondern ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Eine Einspritzvorrichtungsspitze für eine Düse 10 enthält einen Mittenkörper 12 mit mehreren Mittenkörperöffnungen 16 an einem distalen Ende 18, das zur Einspritzung eines Brennstoffstroms 32 in eine Verbrennungszone 34 eines Brenners ausgestaltet ist. Einer oder mehrere Brennstoffkanäle 20, 22, 24 sind um den Mittenkörper 12 herum angeordnet und dafür ausgestaltet, einen Brennstoffbrei in die Verbrennungszone 34 einzuspritzen. Einer oder mehrere Sauerstoffkanäle 20, 22, 24 sind um den Mittenkörper 12 herum angeordnet und dafür ausgestaltet, einen Sauerstoffstrom 36 in die Verbrennungszone 34 einzuspritzen.
Bezugszeichenliste

10: Düsenspitze
12: Körper
14: Achse
16: Öffnungen
18: distales Ende
20: innerer Kanal
22: mittiger Kanal
24: äußerer Kanal
26: Ende des inneren Kanals
28: Ende des mittigen Kanals
30: Ende des äußeren Kanals
32: Brennstoffstrom
34: Verbrennungszone
36: primärer Sauerstoff
38: sekundärer Sauerstoff
40: Kohlebrei
42: Fluid

Claims

Einspritzvorrichtungsspitze (10) für eine Düse, aufweisend: einen Mittenkörper (12) mit mehreren Mittenkörperöffnungen (16) an einem distalen Ende (16), das zum Einspritzen eines Brennstoffstroms (32) in eine Verbrennungszone (34) eines Brenners ausgestaltet ist; einen oder mehrere Brennstoffkanäle (20, 22, 24), die um den Mittenkörper (12) herum angeordnet sind und für die Einspritzung eines Brennstoffbreis in die Verbrennungszone (34) ausgestaltet sind; und einen oder mehrere Sauerstoffkanäle (20, 22, 24), die um den Mittenkörper (12) herum zum Einspritzen eines Sauerstoffstroms in die Verbrennungszone (34) angeordnet sind.
Einspritzvorrichtungsspitze (10) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer von dem einen oder den mehreren Brennstoffkanälen (20, 22, 24) oder wenigstens einer von dem einen oder den mehreren Sauerstoffkanälen im Wesentlichen konzentrisch zu dem Mittenkörper (12) ist.
Einspritzvorrichtungsspitze (10) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer von dem einen oder den mehreren Brennstoffkanälen (20, 22, 24) oder wenigstens einer von dem einen oder den mehreren Sauerstoffkanälen im Wesentlichen bündig zu dem distalen Ende (18) des Mittenkörpers (12) ist.
Einspritzvorrichtungsspitze (10) nach Anspruch 1, wobei der Mittenkörper (12) ferner dafür ausgestaltet ist, ein Spülfluid in die Verbrennungszone (34) einzuspritzen.
Einspritzvorrichtungsspitze (10) nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Brennstoffkanäle (20, 22, 24) ferner dafür ausgestaltet sind, einen Brennstoffstrom und/oder ein Gemisch eines Brennstoffstroms (32) und eines Brennstoffbreis in die Verbrennungszone (34) einzuspritzen.
Verfahren zur Brennstoffeinspritzung in einen Brenner mit den Schritten: Einspritzen eines ersten Teils eines Brennstoffstroms (32) in eine Verbrennungszone (34) des Brenners durch mehrere Öffnungen des Mittenkörpers (12) in einem distalen Ende (18) eines Mittenkörpers (12) der Einspritzvorrichtungsspitze (10); Einspitzen eines zweiten Teils des Brennstoffstroms (32) in die Verbrennungszone (34) über einen oder mehrere Brennstoffkanäle (20, 22, 24), die um den Mittenkörper (12) herum angeordnet sind; und Aussetzen der Einspritzung des zweiten Teils des Brennstoffstroms (32); und Einspritzen eines Brennstoffbreis in die Verbrennungszone (34) über einen oder mehrere Brennstoffkanäle (20, 22, 24).
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit den Schritten: Aussetzen der Einspritzung des ersten Teils des Brennstoffstroms (32); und Einspritzen eines Fluids in die Verbrennungszone (34) über die mehreren Mittenkörperöffnungen (16).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Einspritzung des zweiten Teils des Brennstoffstroms (32) und der Einspritzung des Brennstoffbreis die gleichzeitige Einspritzung des zweiten Teils des Brennstoffstroms (32) und der Einspritzung des Brennstoffbreis in die Verbrennungszone (34) über den einen oder die mehreren Brennstoffkanäle (20, 22, 24) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Einspritzung des Brennstoffbreis den Schritt der Einspritzung eines Kohlebreis (40) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner den Schritt der Einspritzung eines Sauerstoffstroms in die Verbrennungszone (34) über einen oder mehrere um den Mittenkörper (12) herum angeordnete Kanäle umfasst.