DE19502796A1

DE19502796A1 - Brenner

Info

Publication number: DE19502796A1
Application number: DE19502796A
Authority: DE
Inventors: Alfred Haeusermann; Joerg Schmidli
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: EP0724114A2; JP3702021B2; JPH08233219A; DE19502796B4; EP0724114A3; US5674066A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei der Stahlproduktion entsteht als Nebenprodukt ein Brenn gas mit einem niederen Heizwert (2-4 MJ/kg). Dieses soge nannte LBTU-Gas wird bis anhin in Gasturbinen mit thermischen Leistungen bis zu 300 MW mit einem Einzelbrenner verfeuert. Um dieses Gas in modernen Gasturbinen zu verfeuern, welche beispielsweise mit einer Ringbrennkammer bestückt sind, sind Einzelbrenner erforderlich, welche eine thermische Leistung in der Größenordnung von weniger als 20 MW aufweisen. Die Schwierigkeit bei der Realisierung eines mit LBTU betreibba ren Brenners besteht darin, daß das Massenverhältnis Luft zu Brennstoff in der Größenordnung 1 : 1 liegt, dies im Gegensatz zu einem erdgasbefeuerten Brenner, bei welchem mit einem Ver hältnis von 30 : 1 gefahren wird.

Es ist aus EP-0 321 809 ein Brenner bekanntgeworden, der eine vormischartige Verbrennung zuläßt, und sonst noch eine Reihe von Vorzügen aufweist, welche in dieser Schrift eingehend ge würdigt sind. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus min destens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung in einandergeschachtelten Teilkörpern, deren jeweilige Längssym metrieachsen gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle für einen Verbrennungs luftstrom bilden. Vorzugsweise wird im von den Teilkörpern gebildeten Hohlraum über eine zentrale Düse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangen tialen Kanäle in Längserstreckung vorhandenen weiteren Düsen ein gasförmiger Brennstoff eingebracht wird.

Selbst wenn bei einem solchen Brenner über sämtlich vorhan dene Brennstoffdüse ein LBTU-Gas eingebracht würde, ließe sich das dafür erforderliche Massenverhältnis Luft zu Brenn stoff nicht erzielen.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vor kehrungen vorzuschlagen, welche ein Betrieb dieses Brenners mit LBTU-Gas zulassen, und die angestammten Vorteile dieses Brenners hieraus nicht verloren gehen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Brenner ein Betrieb mit LBTU-Gas zuläßt, daß eine optimale Gemischbildung bereitgestellt wird, und daß die Verbrennung nach wie vor am Ausgang des Brenners unter Bil dung einer Rückströmzone und unter Minimierung der Schadstoff-Emissionen bei maxiertem Wirkungsgrad vonstatten geht.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungs richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen Brenner in perspektivischer Darstellung, ent sprechend aufgeschnitten und

Fig. 2 einen weiteren Brenner mit einer zentralen Brenn stoffdüse und

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch den Brenner gemäß Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Um den Aufbau des Brenners 1 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren, um Fig. 1 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach Fig. 3 schematisch ge zeigten Leitbleche 19, 20 nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 1 nach Bedarf auf die Fig. 3 hingewiesen.

Der Brenner 1 nach Fig. 1 besteht aus zwei hohlen kegelförmi gen Teilkörpern 2, 3, die versetzt zueinander ineinanderge schachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse 2a, 3a (vgl. Fig. 3) der kegeligen Teilkörper 2, 3 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Luft eintrittsschlitz 2b, 3b frei (vgl. Fig. 3), durch welche die Verbrennungsluft 4 in Innenraum des Brenners 1, d. h. in den Kegelhohlraum 5 strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkör per 2, 3 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf. Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, kön nen die Teilkörper 2, 3 in Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trom pete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fachmann ohne wei teres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 2, 3 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 2c, 3c auf, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 2, 3, versetzt zueinander verlaufen, so daß die tangentialen Lufteintritts schlitze 2b, 3b über die ganze Länge des Brenners 1 vorhanden sind. Selbstverständlich kann der Brenner 1 rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 2c, 3c, ausgebildet sein. Die beiden kegelförmigen Teilkörper 2, 3 weisen je einen nach innen versetzten und ebenfalls tangential geführten Kanal 6, 7 (vgl. auch Fig. 3) auf, durch welche ein gasförmiger Brenn stoff 8 in den Kegelhohlraum 5 geführt wird. Die beiden Ströme, nämlich die Verbrennungsluft 4 und der gasförmige Brennstoff 8, werden bis im Bereich der tangentialen Luftein trittsschlitze 2b, 3b anhand einer Trennwand 6a, 7a (vgl. Fig. 3) separat geführt. Konstruktiv läßt sich dies errei chen, indem dem jeweiligen Teilkörper 2, 3 eine brennstoffüh rende Kammer aufgesetzt wird, welche eine durchgehende tan gentiale Öffnung im Bereich der genannten Lufteintritts schlitze 2b, 3b aufweist. Damit wird erzielt, daß zwei pa rallele Ströme gleichzeitig in den Kegelhohlraum 5 einströ men. Die Durchflußöffnungen der beiden Kanäle Richtung Ke gelhohlraum 5 sind so zu gestalten, daß sie die Durchströ mung eines ungefähr gleichen Massenstromes zulassen, der im mer notwendig ist, wenn der Brenner 1 mit einem LBTU-Gas be trieben wird. Vorliegend ist der gasführende Kanal (6, 7) ge genüber der Strömung der Verbrennungsluft 4 kegelhohlraumsei tig geführt. Selbstverständlich kann die Strömungsführung der Medien 4, 8 zueinander vertauscht werden. Die Vermischung der beiden Medien 4, 8 im Kegelhohlraum 5 erfolgt durch die sich dort wechselseitig bildenden Scherkräfte bei der durch Trenn wände 6a, 7a geleiteten Einströmung in den Kegelhohlraum 5 recht intensiv. Bei einer solcherart eingeleiteten Zumischung von Verbrennungsluft 4 und LBTU-Gas 8 wird am Ende des Bren ners 1 ein optimales, homogenes Gemisch 9 über den Quer schnitt erreicht. Ist die Verbrennungsluft 4 zusätzlich vor geheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies den Vermischungsgrad der beiden Medien 4, 8 nachhaltig. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 2, 3 hinsichtlich des Kegelwinkels und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 2b, 3b sind an sich enge Grenzen einzu halten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Gemisches 9 am Ausgang des Brenners 1 einstellen kann. Dieses Strö mungsfeld steht in Abhängigkeit der sich im Brenner 1 selbst einstellenden Drallzahlen. Ziel bei dieser Auslegung ist es, daß sich die kritische Drallzahl am Ausgang des Brenners 1 einstellen soll: In der Ebene der kritischen Drallzahl bildet sich auch eine Rückströmzone (Vortex-Breakdown) 10, welche eine stabilisierende Wirkung auf die Flammenfront 11 auslöst, wobei die dort vorgegebene Querschnittserweiterung zwischen Durchflußquerschnitt des Brenners 1 und Brennraum 12 peri phäre Wirbelablösungen auslöst, welche die Flammenfront 11 weiter stabilisieren, dergestalt, daß eine radiale Abfla chung der Rückströmzone 10 sowie eine Rückzündung der Flamme 11 ins Innere des Brenners 1 verhindert wird. Allgemein ist zu sagen, daß sich die kritische Drallzahl, bei vorgegebenen Kegel-Konfiguration der Teilkörper 2, 3, durch eine Verklei nerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 2b, 3b schnel ler einstellt, so daß sich die mit der kritischen Drallzahl zusammenfallende Rückströmzone 10 unter Umständen bereits vor dem Ausgang des Brenners 1 einstellt. Die Axialgeschwindig keit innerhalb des Brenners 1 läßt sich indessen durch eine entsprechend große Zuführung eines axialen Verbrennungsluft stromes 4a verändern. Die Konstruktion des Brenners 1 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Größe der tangentialen Lufteintrittsschlitze 2b, 3b zu verändern, womit ohne Verän derung der Baulänge des Brenners 1 eine relativ große be triebliche Bandbreite erfaßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 2, 3 auch in einer anderen Ebene zueinan der verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben eingeleitet werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 2, 3 durch eine gegenläufige drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln. Somit ist es mö glich, die Form, die Größe und die Konfiguration der tangen tialen Lufteintrittsschlitze 2b, 3b beliebig zu variieren, womit der Brenner 1 wiederum ohne Veränderung seiner Baulänge breite Betriebsbedingungen abdecken kann. Was die Form resp. die Konfiguration der tangentialen Lufteintrittsschlitze 2b, 3b betrifft, so können diese ohne weiteres zur weiteren Be einflussung der kritischen Drallzahl in Strömungsrichtung eine konisch abnehmende (Verjüngung) oder zunehmende Durch flußform (Verbreiterung) einnehmen. Zum besseren Verständnis sei beispielsweise die Verjüngung der Lufteintrittsschlitze in Strömungsrichtung durchleuchtet: Hier herrscht auf der Achse ein zunehmender Massenstrom, womit die axiale Kompo nente größer als die radiale ausfällt. Auf die Drallzahl übertragen hat dies die Wirkung, daß eine verjüngende Schlitzbreite in Strömungsrichtung die Rückströmzone 10 stromauf verschiebt. Da vorliegend zwischen den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 2b, 3b zur Einströmung der Verbren nungsluft 4 und denjenigen 6, 7 zur Einbringung eines LBTU-Gas 8, was die Durchflußmenge betrifft, eine Interdependenz besteht, sind die Formen und die Größe der jeweiligen Schlitze zueinander entsprechend anzupassen. Etwa in der Ebene der Rückströmzone 10 geht die Ausgangsöffnung des Bren ners 1 in eine Frontwand 13 über, in welcher eine Anzahl Boh rungen 14 vorhanden sind. Diese treten bei Bedarf in Funktion und sorgen dafür, daß Verdünnungs- oder Kühlluft 4b der An fangszone des Brennraums 12 zugeführt wird. Die verschiedene Luftströme 4, 4a, 4b müssen nicht notwendigerweise den glei chen Druck, die gleiche Temperatur oder die gleiche Zusammen setzung aufweisen.

Fig. 2 zeigt einen gleichen Brennaufbau gemäß Fig. 1, wobei dieser Brenner 1a mit einer zentralen Brennstoffdüse 15 be stückt ist, welche als Kopfstufe dieses Brenners 1a wirkt. An sich kann diese Düse 15 auch mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden. Es ist indessen auch möglich, diese Düse mit einem flüssigen Brennstoff 16 zu betreiben, wobei der Be trieb dieses Brenners 1a allein über die genannte Düse 15 oder im Zusammenwirken mit dem gasförmigen Brennstoff 8, der über die tangential dafür vorgesehenen Schlitze eingebracht wird (vgl. Fig. 1, 3). Bei der Einbringung eines flüssigen Brennstoffs 16 über die Düse 15 bildet sich im Kegelhohlraum 5, aufgrund des dort eingestellten spitzen Winkels 17, ein kegeliges Brennstoffprofil 18, das von der tangential und un ter Drall einströmenden Verbrennungsluft 4 ummantelt wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 16 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 4 zu ei nem Gemisch abgebaut. Selbst beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffs 16 über die genannte Düse 15 wird am Ausgang des Brenners 1a die optimale, homogene Konzentration über den Querschnitt erreicht. Ist die Verbrennungsluft 4 vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so wird die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 16 markant gesteigert, dergestalt, daß sich am Ausgang des Brenners 1a ebenfalls eine Rückströmzone 10 und eine Flammenfront 11 bilden, wie dies bereits unter Fig. 1 zur Erläuterung kam. Insbesondere bei Magergasen läßt sich eine Einbringung durch eine einzige Düse wegen der hierzu notwendigen großen Brennstoffmasse schwerlich bewerkstelligen. Bei solchen Vorgaben wird die Konfiguration gemäß Fig. 1 herangezogen.

Aus Fig. 3 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 19, 20 sowie des restlichen Aufbaus des Brenners hervor. Diese Leitbleche 19, 20 haben Strömungseinleitungs funktion, und sie können verschiedentlich ausgestaltet sein. Die Kanalisierung der Verbrennungsluft 4 in den Kegelhohlraum 5 kann durch Öffnen bzw. Schließen dieser Leitbleche 19, 20, beispielsweise um einen nicht gezeigten Drehpunkt im Be reich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 2b, 3b, entspre chend optimiert werden. Selbstverständlich können diese dyna mischen Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsentsprechende Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 2, 3 bilden. Ebenfalls kann der Brenner auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vorgesehen werden. Des weiteren geht aus Fig. 3 hervor, wie die Einströmung des gasförmigen Brennstoffs 8, innenseitig der Verbrennungsluft 4, disponiert ist. Die unter Fig. 1 angetippten Trennwände 6a, 7a, welche die jeweilige Kanalbildung für die beiden Medien 4, 8 bewerk stelligen, lassen sich nunmehr aus Fig. 3 eindeutig erkennen.

Bezugszeichenliste

1 Brenner
2, 3 Teilkörper
2a, 3a Teilsymmetrieachsen
2b, 3b Tangentiale Kanäle für Verbrennungsluft
4 Verbrennungsluft
4a, 4b Luftströme
5 Kegelhohlraum
6, 7 Tangentiale Kanäle für Brennstoff
6a, 7a Trennwände
8 Brennstoff
9 Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch
10 Rückströmzone
11 Flammenfront
12 Brennraum
13 Frontwand
14 Durchlässe, Bohrungen
15 Brennstoffdüse
16 Brennstoff
17 Eindüsungswinkel
18 Brennstoffprofil
19, 20 Leitbleche

Claims

1. Brenner, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei hoh len, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinandergeschach telten Teilkörpern (2, 3), deren Längssymmetrieachsen (2a, 3a) gegeneinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper (2, 3) in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (2b, 3b) für eine in Innenraum (5) des Brenners (1, 1a) strömende Verbrennungsluft (4) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in Wirk verbindung mit einem tangential luftführenden Kanal (2b, 3b) ein zweiter parallel oder quasi-parallel zu diesem geschalte ter Kanal (6, 7) angeordnet ist, durch welchen ein Brennstoff (8) in den Innenraum (5) des Brenners (1, 1a) einleitbar ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die brennstofführenden Kanäle (6, 7) ein gasförmiger Brenn stoff (8) in den Innenraum (5) des Brenners (1, 1a) einleit bar ist.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des Durchflußquerschnitts der brenn stofführenden Kanäle (6, 7) gegenüber derjenigen der luftfüh renden Kanäle (2b, 3b) nach dem Heizwert des eingedüsten Brennstoffs (8) richtet.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1, 1a) als Kopfstufe mindestens eine weitere Brenn stoffdüse (15) aufweist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (15) mit einem flüssigen Brennstoff (16) be treibbar ist.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die brennstofführenden Kanäle (6, 7) gegenüber den verbrennungs luftführenden Kanälen (2b, 3b) kegelhohlraumseitig angeordnet sind.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (2, 3) spiralartig ineinandergeschachtelt sind.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (2, 3) in Strömungsrichtung einen festen Winkel aufweisen.

9. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des Brenners (1, 1a) in Strömungsrich tung steigend zunehmend ist.

10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des Brenners (1, 1a) in Strömungsrich tung abnehmend ist.