DE19535370A1

DE19535370A1 - Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern

Info

Publication number: DE19535370A1
Application number: DE19535370A
Authority: DE
Inventors: Philipp Brunner; Franz Joos
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2015-09-26
Also published as: DE19535370B4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur schad stoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern welche insbesondere bei hohen Brennkammerdrücken und hohen Brennkammereintrittstemperaturen betrieben werden.

Stand der Technik

Zur schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrenn kammern muß der Brennstoff vor der Verbrennung möglichst ho mogen mit der Verbrennungsluft gemischt werden. Das ist bei gasförmigen Brennstoffen im allgemeinen relativ einfach zu erreichen. Bei sehr hohen Brennkammerdrücken und insbesondere sehr hohen Brennkammereintrittstemperaturen zündet das Ge misch aber schon selbständig, bevor eine vollständige Vermi schung von Brennstoff und Luft stattgefunden hat, d. h. die Zündverzugszeit ist zu kurz. In diesem Zustand entstehen bei der Verbrennung unzulässig hohe Stickoxid(NOx)-Emissionen, die wegen der ständig steigenden Anforderungen an eine sau bere Umwelt unerwünscht sind. Dieselbe Problematik tritt auch bei der Verwendung von Flüssigbrennstoff, insbesondere Öl, auf.

Zur Zerstäubung von Flüssigbrennstoff, bei der der flüssige Brennstoffstrahl in einzelne Tröpfchen aufgespalten wird, so daß der Brennstoff eine möglichst große Verdampfungsober fläche erhält, sind sogenannte airblast-Düsen bekannt (A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog. Energy Combust. Sci. Vol. 6, 5. 233-261, 1980), welche insbesondere für Gasturbi nen geeignet sind. Diese sind so konstruiert, daß die sich relativ langsam bewegende Flüssigkeit durch einen Luftstrom großer Geschwindigkeit zerstäubt wird. Der Brennstoff hat dabei keinen Eigenimpuls, er liegt als dünner Film mit etwa konstanter Dicke an einer Zerstäuberlippe an und wird durch die Scherkräfte von an beiden Seiten der Zerstäuberlippe in einem inneren und einem äußeren Luftkanal mit größtmöglicher Geschwindigkeit vorbeiströmender Luft zerstäubt (prefil ming atomization).

Eine andere Möglichkeit ist die Injektion des flüssigen Brennstoffes in Form von einem oder mehreren getrennten Jets in einen Luftstrom schneller Geschwindigkeit (plain-jet air blast atomization). Das Massenverhältnis von Luft zu Brenn stoff ist bei den airblast-Düsen <1. Zum Zerstäuben wird der Brennkammerdruckabfall benutzt.

Aus EP 0 638 769 A2 ist eine Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz in einer Brenn kammer bekannt, welche nach dem airblast-Prinzip arbeitet, wobei der in die Brennkammer geblasenen Brennstoffstrom von einem Luftmantel umgeben ist. Dieser Mantel relativ kühler Luft unterstützt die Durchmischung des gasförmigen bzw. zer stäubten flüssigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer und erhöht die Zündverzugszeit des Gemisches. Bei sehr hohen Brennkammereintrittstemperaturen ist die Zünd verzugszeit aber immer noch zu kurz, um eine perfekte Mi schung zu erzielen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, diesen Nachteil zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brenn stoffen in Gasturbinenbrennkammern bei hohen Brennkammerdrücken und/oder hohen Brennkammereintrittstemperaturen, bei wel chem der Brennstoff über an sich bekannte airblast-Düsen, wie sie in üblicher Weise zur Zerstäubung von flüssigen Brenn stoffen verwendet werden, in die Brennkammer eingedüst wird, zu entwickeln, bei dem aber die Zündverzugszeit des Brenn stoff/Luft-Gemisches gegenüber dem bekannten Stand der Tech nik erhöht ist, demzufolge vor der Verbrennung eine vollstän dige Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erfol gen kann und deshalb nur geringe NOx-Emissionen bei der Ver brennung des Gemisches entstehen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der in die Brennkammer eingedüste Brennstoff von einem Mantelstrom eines gasförmigen Mediums umhüllt wird, wobei der Sauerstoffgehalt dieses gasförmigen Mediums geringer ist als der Sauerstoffge halt von Luft.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer Erhöhung der Zündverzugszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches, wodurch mehr Zeit für die Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungs luft zur Verfügung steht und deshalb gegenüber dem bekannten Stand der Technik geringere NOx-Emissionen bei der Verbren nung, insbesondere bei hohen Brennkammereintrittstemperatu ren, entstehen.

Es ist besonders zweckmassig, wenn das gasförmige Umhüllungs medium Wasserdampf, mit Wasser nahezu gesättigte Luft oder Inertgas, vorzugsweise CO₂ oder N₂, ist. Durch die Umhüllung des Brennstoffstrahles wird die Gefahr einer zu frühen Zün dung vermindert, so daß insbesondere bei vorgemischten Bren nern die Zündung erst außerhalb der Vormischstrecke im Brennraum erfolgt.

Bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff wird dieser im in neren Kanal der Düse entlanggeführt, während das gasförmige Umhüllungsmedium den äußeren Kanal der airblast-Düse durch strömt. Die beiden Gasströme sind vorzugsweise unverdrallt, es können jedoch auch einer der beiden Ströme bzw. beide Ströme verdrallt sein, was sich positiv auf die Durchmischung auswirkt.

Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff wird dieser mittels des gasförmigen Umhüllungsmediums, welches einen kleineren Sauerstoffgehalt als Luft aufweist, in der airblast-Düse zer stäubt. Das gasförmige Medium wird dabei in den Kanälen ent langgeführt, in denen beim konventionellen Betrieb der air blast-Düse die Luft entlangströmt. Eine Hülle des gasförmigen Mediums, beispielsweise Wasserdampf, umgibt in diesem Falle das Öl, so daß aufgrund der höheren Wärmekapazität und des geringeren Sauerstoffgehaltes bei der Vermischung des Dampf/- Öl-Gemisches mit der umgebenden Verbrennungsluft eine längere Zündverzugszeit erzielt werden kann. Diese Zeit kann dann zur vollständigen Vermischung und Verdampfung des Brennstoffes mit der Luft benutzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer in einer Brennkammer ange ordnete nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ar beitende Brennstofflanze, deren Geometrie in EP 0 638 769 A2 offenbart ist;

Fig. 2 im Längsschnitt die Spitze der Brennstofflanze nach Fig. 1 mit durch Pfeilen verdeutlichten Gas- und Flüssigkeitsströmungen, wobei in der oberen Hälfte der Betrieb mit gasformigen Brennstoff und in der unteren Hälfte der Betrieb mit flüssigem Brennstoff dargestellt ist;

Fig. 3 im Längsschnitt die Spitze einer weiteren Brenn stofflanze in den zwei Betriebsarten analog zu Fig. 2;

Fig. 4 im Längsschnitt die Spitze einer mit gasförmigen Brennstoff betriebenen airblast-Düse;

Fig. 5 im Längsschnitt die Spitze einer weiteren airblast-Düse, welche mit flüssigem Brennstoff betrieben wird.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer Brennstofflanze 1 gemäß EP 0 638 769 A2, welche für das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden kann. Die Brennstofflanze 1 ist in einer von einem Gehäuse 3 begrenzten Brennkammer 2 einer Gasturbine an geordnet. Die Brennstofflanze 1 ist mit ihrer Lanzenachse 5 in der Mittelachse der Brennkammer 2 angeordnet und wird von heißer Verbrennungsluft (siehe lange Pfeile in Fig. 1) um strömt. Sie ist von einem länglichen Lanzenmantel 11 umgeben und über einen seitlich abgehenden Tragarm 4, welcher ein flügelähnliches Profil aufweist, am Gehäuse 3 befestigt.

Durch den Tragarm 4 und die Brennstofflanze 1 selbst verlau fen mehrere Rohre, durch welche gasförmiger bzw. flüssiger Brennstoff und gasförmiges Umhüllungs- bzw. Zerstäubungsme dium zur stromabwärts gelegenen Lanzenspitze geführt wird und dort durch die Düsen 12 und 13 in die Brennkammer 2 injiziert wird. Die Rohre umfassen ein in Achsenrichtung verlaufendes inneres Flüssigbrennstoffrohr 7 und ein das Rohr 7 konzen trisch umgebendes Gasrohr 9, das in einem Abstand konzen trisch vom Lanzenmantel 11 umgeben wird. Dadurch werden drei Kanäle gebildet, und zwar der Flüssigbrennstoffkanal 6, der Gaskanal 8 und ein weiterer Gaskanal 10, in welchem gemäß der Erfindung das gasförmige Umhüllungsmedium entlangströmt.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt die Lanzenspitze, die in EP 0 638 769 A2 ausführlich beschrieben ist, so daß hier nur eine Kurzbeschreibung erfolgt. Die obere Hälfte von Fig. 2 bezieht sich auf den Betriebsfall mit gasförmigen Brennstoff, während sich die untere Hälfte auf den Betriebsfall mit ausschließlich flüssigem Brennstoff bezieht. Gleiches gilt für Fig. 3.

In der Lanzenspitze enden das Flüssigbrennstoffrohr 7, das Gasrohr 9 und der Lanzenmantel 11. Beide Rohre werden von einem halbkugelförmigen Rohrkopf 17 abgeschlossen, während der Kanal 10 zwischen Lanzenmantel 11 und Rohrkopf 17 weiter bis zur unmittelbaren Lanzenspitze reicht, wobei in diesem Bereich Verbindungsstege 16 angeordnet sind. Im Bereich der Rohrenden sind mehrere entlang einer Düsenachse 24 angeordne ter Düsensätze 12, 15 und 18 in den Rohren 7, 9 und 11 vorge sehen.

Beim reinen Gasbetrieb der Gasturbinenbrennkammer strömt das Gas durch den Gaskanal 8 und die Gasdüse 15 und bildet dort einen radial nach außen gerichteten Gasstrahl, der durch die Düse 12 in die Brennkammer 2 tritt. Der Flüssigbrennstoffka nal 6 wird nicht beschickt, aber durch den äußeren Kanal 10 wird ein kaltes (kälter als die Verbrennungsluft) gasförmiges Umhüllungsmedium geschickt, welches einen geringeren Sauer stoffgehalt als Luft aufweist, beispielsweise Wasserdampf. Dieses Umhüllungsmedium tritt ebenfalls aus der Düse 12 ra dial in die Brennkammer 2 ein und umgibt den Gasstrahl als mantelförmiger Strom. Ein Teil des gasförmigen Umhüllungsme diums kann auch durch die Hilfsdüse 13 an der Lanzenspitze in die Brennkammer eintreten und somit einen unerwünschten Nach lauf in diesem Gebiet verhindern. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Zündverzugs zeit erhöht wird und dadurch eine ausreichend lange Durchmi schung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer 2 ermöglicht wird, so daß eine vorzeitige Selbstzündung des Gemisches somit vermieden werden kann.

Bei dem in Fig. 2 in der unteren Hälfte dargestellten Be triebsfall mit reiner Flüssigbrennstoffinjektion wird durch den inneren Flüssigbrennstoffkanal 6 flüssiger Brennstoff, meist eine Öl/Wasser-Emulsion zur Flüssigbrennstoffdüse 18 geführt und dort radial nach außen gestoßen. Durch den Gas kanal 8 wird in diesem Falle ein gasförmiges Umhüllungsme dium, das einen geringeren Sauerstoffgehalt als Luft auf weist, herangeführt, welches durch die Düse 15 austritt und in Wechselwirkung mit dem gleichfalls durch die Düse 15 durchtretenden Flüssigkeitsstrahl eine feine Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs in lauter kleine Tröpfchen bewirkt. Der Zerstäubungsstrahl wird dann an der Düse 12 in gleicher Weise wie oben beschrieben von einem Mantel des gasförmigen Umhül lungsmediums umgeben und dann endgültig in die Brennkammer 2 injiziert. Als gasförmiges Umhüllungsmedium mit geringerem Sauerstoffgehalt als Luft eignen sich neben dem o.g. Wasser dampf auch mit Wasser fast gesättigte Luft sowie andere sau erstoffärmere Gasmischungen bis hinzu Inertgasen, beispiels weise Kohlendioxid oder Stickstoff.

Aufgrund der höheren Wärmekapazität und des geringeren Sauer stoffgehaltes bei der Vermischung des beispielsweise Dampf/Öl-Ge misches mit der umgebenden Verbrennungsluft kann eine längere Zündverzugszeit erzielt werden, so daß mehr Zeit zur vollständigen Vermischung und Verdampfung des Brennstoffes mit der Luft zur Verfügung steht.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren. Die verwendete Brennstofflanze ist wiederum ausführlich in EP 0 638 769 beschrieben. Im Unter schied zu Fig. 2 enden das Gasrohr 9 und das Flüssigbrenn stoffrohr 7 in Strömungsrichtung bereits vor den Düsen 12. Die jeder Düse 12 zugeordneten Düsen 15 und 18 befinden sich am Ende des jeweiligen Rohres 9 bzw. 7 und sind parallel zur Lanzenachse ausgerichtet. Der Rohrkopf 21 hat in diesem Falle die Form einer Halbkugelschale. Über schaufelförmige Leitble che 22, die jeweils in einen geschlossenen Blechring 23 mit geringerem Durchmesser als die Düse 12 auslaufen, werden die aus den zugeordneten Düsen 15 und 18 austretenden Ströme um etwa 90° umgelenkt und in die jeweilige Düse 12 eingeleitet. In den Gasdüsen 15 kann jeweils zusätzlich ein Leitblech 19 eingepaßt sein, um eine sichere Umlenkung des Gasströme durch die Leitbleche zu gewährleisten.

Im oberen Teilbild von Fig. 3 ist wiederum der reine Gasbe trieb dargestellt, bei dem das Flüssigbrennstoffrohr 7 nicht verwendet wird. Der Gasstrom tritt hier aus dem Gaskanal 8 durch das Leitrohr 19 aus, wird vom Leitblech 22 umgelenkt, durch den Blechring 23 gebündelt und durch die Düse 12 mit einem gasformigen Medium, welches einen geringeren Sauer stoffanteil als Luft hat und welches im Kanal herangeführt wird, ummantelt in die Brennkammer ausgestoßen.

Beim Flüssigbrennstoffbetrieb gemäß unterem Teilbild wird der Gaskanal 8 nicht benutzt. Der aus der Flüssigbrennstoff düse 18 austretenden Flüssigkeitsstrahl wird als Film an der Innenwand des Leitbleches 22 zur Düse 12 geleitet und dort mittels des im Kanal 10 hinzugeführten gasförmigen Mediums durch Abriß feinster Tröpfchen an der Außenkante des Blech ringes 23 zerstäubt und vor dem endgültigen Eintritt in die Brennkammer 2 ummantelt. Die Wirkung der Zufuhr des gasförmi gen Mediums, welches einen geringeren Sauerstoffgehalt als Luft hat, anstelle von Luft, wie in EP 0 638 769 A2 beschrie ben, ist die gleiche wie bei Fig. 2, d. h. im Vergleich zum Betrieb der Düsen mit Luft wird bei Verwendung von Wasser dampf bzw. einer sauerstoffärmeren Gasmischung als Luft die Zündverzugszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches erhöht.

In Fig. 4 und 5 sind weitere mögliche Ausführungsvarianten dargestellt, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren rea lisiert werden kann. Zur erfindungsgemäßen schadstoffarmen Verbrennung von gasförmigem Brennstoff können bekannte air blast-Düsen, wie sie zur Zerstäubung von Flüssigbrennstoff eingesetzt werden, verwendet werden, wobei in dem ehemals inneren Luftkanal nunmehr das Brenngas und im ehemals äußeren Luftkanal das von Luft verschiedene gasförmige Umhül lungsmedium entlangströmt.

Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer derartigen Düse im Längsschnitt. Der gasförmige Brennstoff wird in einem Gasrohr 9, welches um die Düsenachse 24 angeordnet ist, ent langgeführt und strömt über eine Gasdüse 15, die in diesem Falle als eine einfache mittige Öffnung in der das Rohr 9 in Strömungsrichtung abschließenden Wand 25 ausgebildet ist, in den inneren Kanal 26 und trifft in Form eines Kegels auf die Innenwand eines in der Düsenspitze angeordneten Rohres 27, welches den Kanal 26 begrenzt. Ein zum Rohr 27 bzw. Gasrohr 9 im Abstand konzentrisch angeordnetes Rohr 28 bildet einen ringförmigen Kanal 10, in welchem das im Vergleich zu Luft sauerstoffärmere Umhüllungsgas, beispielsweise Wasserdampf entlangströmt. Dieser Strom, der kälter als die Verbrennungs luft in der Brennkammer ist, wird beim Auftreffen auf das Rohr 27 aufgeteilt in einen Strom welcher an der Innenwand des Rohres 27 entlangströmt und sich mit dem Brenngaskegel vermischt und einen Strom, welcher zwischen Rohr 27 und 28 entlangströmt und den Brenngasstrahl ummantelt, bevor dieser endgültig in die Brennkammer injiziert und mit der Verbren nungsluft gemischt wird (siehe schematische Darstellung im rechten Teilbild, im inneren Kreis - Brennstoff, im äußeren Kreis - gasförmiges Umhüllungsmedium, ganz außen - Verbren nungsluft). Auf dieses Art und Weise wird die Zündverzugszeit erhöht und die Durchmischung des Brennstoffes mit der Ver brennungsluft verbessert. In einer zeichnerisch nicht darge stellten Variante können entweder der Brennstoffstrom oder der Umhüllungsmediumstrom oder beide Ströme verdrallt werden.

Fig. 5 zeigt in einem Längsschnitt die Spitze einer bekannten airblast-Düse zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff. Der Brennstoff fließt über tangentiale Kanäle 6 in ein Wehr 29, gelangt an die prefilming-Fläche 30, wo er sich als dünner Film anlegt. An der Zerstäuberlippe 31 wird er durch beid seitig schnell vorbeiströmendes gasförmiges Medium, welches erfindungsgemäß einen geringeren Sauerstoffgehalt als Luft hat, in feine Tröpfchen zerstäubt. Ein Teil des gasförmigen Mediums strömt dabei in dem vom Rohr 28 außen begrenzten Kanal 10 zur Zerstäuberlippe 31, wobei der Kanal 10 an dieser Stelle einen minimale Höhe aufweist, um die Strömungsge schwindigkeit zu erhöhen. Der andere Teilstrom strömt im in neren Kanal 9 über einen Düsenzapfen 32, der bewirkt, daß das Gas auf die innere Oberfläche des Flüssigbrennstoffilmes gerichtet wird. Auch damit wird eine im Vergleich zum Stand der Technik (Betrieb der Düse mit Luft) längere Zündverzugs zeit erreicht, die zur vollständigen Vermischung und Ver dampfung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft benutzt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Brennstofflanze
2 Brennkammer
3 Gehäuse
4 Tragarm
5 Lanzenachse
6 Flüssigbrennstoffkanal
7 Flüssigbrennstoffrohr
8 Gaskanal
9 Gasrohr
10 Kanal für gasförmiges Umhüllungsmedium
11 Lanzenmantel
12 Düse
13 Hilfsdüse
14 Tragarmprofil
15 Gasdüse
16 Verbindungssteg
17, 21 Rohrkopf
18 Flüssigbrennstoffdüse
19 Leitrohr
22 Leitblech
23 Blechring
24 Düsenachse
25 Wand am Ende des Rohres 9
26 Kanal innerhalb des Rohres 27
27 inneres Rohr
28 äußeres Rohr
29 Wehr
30 prefilming-Fläche
31 Zerstäuberlippe
32 Düsenzapfen

Claims

1. Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in Gastur binenbrennkammern bei hohen Brennkammerdrücken und/oder hohen Brennkammereintrittstemperaturen, bei welchem der Brennstoff über an sich bekannte airblast-Düsen, wie sie üblicherweise zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen verwendet werden, in die Brennkammer (2) eingedüst wird, wobei die Düsenkörper mindestens zwei konzentrisch um die Düsenachse (24) angeordnete Kanäle (8, 10, 26) zur Führung von gasförmigen Medien aufweisen, dadurch ge kennzeichnet, daß der in die Brennkammer (2) eingedüste Brennstoff von einem Mantelstrom eines gasförmigen Me diums umhüllt wird, dessen Sauerstoffgehalt geringer ist als der Sauerstoffgehalt von Luft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Umhüllungsmedium Wasserdampf ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Umhüllungsmedium mit Wasser nahezu gesät tigte Luft ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Umhüllungsmedium ein Inertgas, vorzugs weise CO₂ oder N₂, ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff dieser im inneren Kanal (8, 26) und das gas förmige Umhüllungsmedium im äußeren Kanal (10) der Düse entlanggeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden gasförmigen Ströme (Brenn stoff, Umhüllungsmedium) im inneren (8, 26) bzw. äußeren Kanal (10) verdrallt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Verwendung von flüssigem Brenn stoff dieser zunächst mittels gasförmigen Umhüllungs mediums zerstäubt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß als airblast-Düse eine Brennstoff lanze (1) nach EP 0 638 769 verwendet wird, wobei der Luftkanal zu einem Kanal zur Führung des gasförmigem Umhüllungsmediums modifiziert ist und anstelle von Luft ein gasförmiges Medium mit geringerem Sauerstoffgehalt als Luft verwendet wird.