DE19535370B4 - Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern - Google Patents

Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern Download PDF

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Abstract

Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in Gasturbinenbrennkammern 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 und der in die Brennkammer (2) eingedüste Brennstoff von einem Mantelstrom eines gasförmigen Mediums umhüllt wird, dessen Sauerstoffgehalt geringer ist als der Sauerstoffgehalt von Luft, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Umhüllungsmedium CO2 oder N2 ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern, welche insbesondere bei hohen Brennkammerdrücken und hohen Brennkammereintrittstemperaturen betrieben werden.
  • Zur schadstoffarmen Vormischverbrennung in Gasturbinenbrennkammern muss der Brennstoff vor der Verbrennung möglichst homogen 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 Gemisch aber schon selbständig, bevor eine vollständige Vermischung 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 saubere 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 Verdampfungsoberfläche erhält, sind sogenannte airblast-Düsen bekannt (A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog. Energy Combust. Sci. vol. 6, S. 233-261, 1980), welche insbesondere für Gasturbinen 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 Scherkr„fte von an beiden Seiten der Zerstäuberlippe in einem inneren und einem äusseren Luftkanal mit grösstmöglicher Geschwindigkeit vorbeiströmender Luft zerstäubt (prefilming 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 airblast atomization). Das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff ist bei den airblast-Düsen >1. Zum Zerstäuben wird der Brennkammerdruckabfall benutzt.
  • Aus DE 41 09 304 A1 ist ein Verfahren zur Verringerung der Stickoxid-Emissionen eines Brenners bei Heizölbetrieb und Gasbetrieb bekannt, bei dem der Brennstoffstrom mit einem gasförmigen Medium umhüllt ist, welches beispielweise Luft mit zugemischtem Brenngas oder Luft mit Zusatz von Wasserdampf oder Wasser ist. Die Druckschriften DE 39 43 096 A1 , JP 62-166210 A, JP 54-90410A, US 4 337 618 und US 5 361 578 beschreiben Brenner oder Düsen, bei denen komprimmierte Luft, Dampf oder Wasser zur Veringerung der Stickoxid- Emissionen eingedüst wird. In DE 35 45 524 A1 sind eine Mehrstufenbrennkammer und ein Verfahren zu ihrem Betrieb offenbart, bei denen die Primärstufe über ihre Wände verteilt eine Vielzahl von Einlassöffnungen aufweist, welche mit einem Inertstoff-Zuführungssystem in Verbindung stehen, wodurch einerseits vorteilhaft die Wände und anderseits die Verbrennungsgase gekühlt werden.
  • Aus EP 0638 769 A2 ist eine Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz in einer Brennkammer 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. zerstäubten flüssigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer und erhöht die Zündverzugszeit des Gemisches. Bei sehr hohen Brennkammereintrittstemperaturen ist die Zündverzugszeit aber immer noch zu kurz, um eine perfekte Mischung 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 Brennstoffen in Gasturbinenbrennkammern bei hohen Brennkammerdrücken und/oder hohen Brennkammereintrittstemperaturen, bei welchem der Brennstoff über an sich bekannte airblast-Düsen, wie sie in üblicher Weise zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen verwendet werden, in die Brennkammer eingedüst wird, zu entwickeln, bei dem aber die Zündverzugszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches gegenüber dem bekannten Stand der Tech nik erhöht ist, demzufolge vor der Verbrennung eine vollständige Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erfolgen kann und deshalb nur geringe NOx-Emissionen bei der Verbrennung des Gemisches entstehen.
  • Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der in die Brennkammer eingedüste Brennstoff von einem Mantelstrom eines gasförmigen Mediums umhüllt wird, wobei das gasförmige Umhüllungsmedium CO2 oder N2 ist.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer Erhöhung der Zündverzugszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches, wodurch mehr Zeit für die Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verfügung steht und deshalb gegenüber dem bekannten Stand der Technik geringere NOx-Emissionen bei der Verbrennung, insbesondere bei hohen Brennkammereintrittstemperaturen, entstehen.
  • Durch die Umhüllung des Brennstoffstrahles wird die Gefahr einer zu frühen Zündung vermindert, so dass insbesondere bei vorgemischten Brennern die Zündung erst ausserhalb der Vormischstrecke im Brennraum erfolgt.
  • Bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff wird dieser im inneren Kanal der Düse entlanggeführt, während das gasförmige Umhüllungsmedium den äusseren Kanal der airblast-Düse durchströmt. 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 zerstäubt. Das gasförmige Medium wird dabei in den Kanälen entlanggeführt, in denen beim konventionellen Betrieb der airblast-Düse die Luft entlangströmt. Eine Hülle des gasförmigen Mediums, beispielsweise CO2, 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 Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 die Seitenansicht einer in einer Brennkammer angeordnete nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitende Brennstofflanze, deren Geometrie in EP 0 638 769 A2 offenbart ist;
  • 2 im Längsschnitt die Spitze der Brennstofflanze nach 1 mit durch Pfeilen verdeutlichten Gas- und Flüssigkeitsströmungen, wobei in der oberen Hälfte der Betrieb mit gasförmigen Brennstoff und in der unteren Hälfte der Betrieb mit flüssigem Brennstoff dargestellt ist;
  • 3 im Längsschnitt die Spitze einer weiteren Brennstofflanze in den zwei Betriebsarten analog zu 2;
  • 4 im Längsschnitt die Spitze einer mit gasförmigen Brennstoff betriebenen airblast-Düse;
  • 5 im Längsschnitt die Spitze einer weiteren airblast-Düse, welche mit flüssigem Brennstoff betrieben wird.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
  • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • 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 angeordnet. Die Brennstofflanze 1 ist mit ihrer Lanzenachse 5 in der Mittelachse der Brennkammer 2 angeordnet und wird von heisser Verbrennungsluft (siehe lange Pfeile in 1) umströmt. 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 verlaufen mehrere Rohre, durch welche gasförmiger bzw. flüssiger Brennstoff und gasförmiges Umhüllungs- bzw. Zerstäubungsmedium 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 konzentrisch umgebendes Gasrohr 9, das in einem Abstand konzentrisch 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 in Form von CO2 oder N2 entlangströmt.
  • 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 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 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 angeordneter Düsensätze 12, 15 und 18 in den Rohren 7, 9 und 11 vorgesehen.
  • 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 Flüssigbrennstoffkanal 6 wird nicht beschickt, aber durch den äusseren Kanal 10 wird ein kaltes (kälter als die Verbrennungsluft) gasförmiges Umhüllungsmedium geschickt, beispielsweise N2. Dieses Umhüllungsmedium tritt ebenfalls aus der Düse 12 radial in die Brennkammer 2 ein und umgibt den Gasstrahl als mantelförmiger Strom. Ein Teil des gasförmigen Umhüllungsmediums kann auch durch die Hilfsdüse 13 an der Lanzenspitze in die Brennkammer eintreten und somit einen unerwünschten Nachlauf in diesem Gebiet verhindern. Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Zündverzugszeit erhöht wird und dadurch eine ausreichend lange Durchmischung 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 2 in der unteren Hälfte dargestellten Betriebsfall 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 Gaskanal 8 wird in diesem Falle ein gasförmiges Umhüllungsmedium, in Form von CO2 oder N2, 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 Umhüllungsmediums umgeben und dann endgültig in die Brennkammer 2 injiziert.
  • Aufgrund der höheren Wärmekapazität und des geringeren Sauerstoffgehaltes bei der Vermischung des beispielsweise Dampf/-Öl-Gemisches 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.
  • 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren. Die verwendete Brennstofflanze ist wiederum ausführlich in EP 0638 769 beschrieben. Im Unter schied zu 2 enden das Gasrohr 9 und das Flüssigbrennstoffrohr 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 Leitbleche 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 3 ist wiederum der reine Gasbetrieb 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 CO2 oder N2, welches im Kanal herangeführt wird, ummantelt in die Brennkammer ausgestossen.
  • Beim Flüssigbrennstoffbetrieb gemäss unterem Teilbild wird der Gaskanal 8 nicht benutzt. Der aus der Flüssigbrennstoffdüse 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 Blechringes 23 zerstäubt und vor dem endgültigen Eintritt in die Brennkammer 2 ummantelt. Die Wirkung der Zufuhr des gasförmigen Mediums in Form von CO2 oder N2 anstelle von Luft, wie in EP 0638 769 A2 beschrieben, ist die gleiche wie bei 2, d.h. im Vergleich zum Betrieb der Düsen mit Luft wird bei Verwendung von CO2 oder N2 die Zündverzugszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches erhöht.
  • In 4 und 5 sind weitere mögliche Ausführungsvarianten dargestellt, mit denen das erfindungsgemässe Verfahren realisiert werden kann. Zur erfindungsgemässen schadstoffarmen Verbrennung von gasförmigem Brennstoff können bekannte airblast-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 Umhüllungsmedium entlangströmt.
  • 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, entlanggeführt 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 in Form von CO2 oder N2 entlangströmt. Dieser Strom, der kälter als die Verbrennungsluft 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 Verbrennungsluft gemischt wird (siehe schematische Darstellung im rechten Teilbild, im inneren Kreis – Brennstoff, im äusseren Kreis – gasförmiges Umhüllungsmedium, ganz aussen – Verbrennungsluft). Auf dieses Art und Weise wird die Zündverzugszeit erhöht und die Durchmischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft verbessert. In einer zeichnerisch nicht dargestellten Variante können entweder der Brennstoffstrom oder der Umhüllungsmediumstrom oder beide Ströme verdrallt werden.
  • 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 beidseitig schnell vorbeiströmendes gasförmiges Medium, welches erfindungsgemäss CO2 oder N2 ist, 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 Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Der andere Teilstrom strömt im inneren Kanal 9 über einen Düsenzapfen 32, der bewirkt, dass das Gas auf die innere Oberfläche des Flüssigbrennstofffilmes gerichtet wird. Auch damit wird eine im Vergleich zum Stand der Technik (Betrieb der Düse mit Luft) längere Zündverzugszeit erreicht, die zur vollständigen Vermischung und Verdampfung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft benutzt werden kann.
  • 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 (4)

  1. Verfahren zur schadstoffarmen Vormischverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in Gasturbinenbrennkammern 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 und der in die Brennkammer (2) eingedüste Brennstoff von einem Mantelstrom eines gasförmigen Mediums umhüllt wird, dessen Sauerstoffgehalt geringer ist als der Sauerstoffgehalt von Luft, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Umhüllungsmedium CO2 oder N2 ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff dieser im inneren Kanal (8, 26) und das gasförmige Umhüllungsmedium im äusseren Kanal (10) der Düse entlanggeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden gasförmigen Ströme (Brennstoff, Umhüllungsmedium) im inneren (8, 26) bzw. äusseren Kanal (10) verdrallt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von flüssigem Brennstoff dieser zunächst mittels gasförmigen Umhüllungsmediums zerstäubt wird.
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