DE19536672A1

DE19536672A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffen

Info

Publication number: DE19536672A1
Application number: DE19536672A
Authority: DE
Inventors: Juergen Haumann
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-09-30
Filing date: 1995-09-30
Publication date: 1997-04-03
Also published as: EP0789187B1; US5791891A; DE59610173D1; EP0789187A2; EP0789187A3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffen in einer Hauptströmung aus Ver brennungsluft.

Stand der Technik

Derartige Verfahren und Vorrichtung sind beispielsweise be kannt aus der EP-B1-0 321 809. Durch den als Drallbrenner ausgelegten Vormischbrenner, der im wesentlichen aus zwei Ke gelhalbschalen besteht, wird die Luft in Rotation versetzt. Der Brennstoff wird in die rotierende Luft eingeblasen und dort mit ihr vermischt. Am Brenneraustritt entsteht eine de finierte kalottenförmige Rezirkulationszone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezir kulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mecha nischen Flammenhalter zu benötigen. Das thermoakustische Ver halten solcher Brenner ist stabil und sie zeichnen sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus.

Insbesondere bei der Verwendung flüssiger Brennstoffe können sich jedoch einige Nachteile ergeben. Mit einer üblicherweise in der Spitze des Vormischbrenners angeordneten Düse wird der flüssige Brennstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt. Vor der Zündung des zerstäubten Brennstoffes ist eine gute Vermi schung von Verbrennungsluft und Brennstoff schwierig zu er reichen, da der Brennstoff nicht in Kontakt mit der gesamten Verbrennungsluft kommt. Dies kann bei der Verwendung flüssi ger Brennstoffe zu relativ hohen Abgasemissionen führen, im speziellen zu hohen Stickoxydemission. Weiter kann es zu Frühzündungen in der Nähe der Brennstoffdüse oder auf den Ke gelhalbschalen kommen. Bei fettem Betrieb weist der Brenner zudem ein ungenügendes thermoakustisches Verhalten auf.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoffen in ei ner Hauptströmung aus Verbrennungsluft der eingangs genannten Art die Verbrennung zu verbessern und die Abgasemission zu senken.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Ver brennungsluft in einem Kanal über mindestens einen deltaför migen Körper geleitet wird, wobei der deltaförmige Körper aus mindestens einem im wesentlichen dreieckförmigen Wirbelerzeu ger-Bereich und einem stromabwärts liegenden trapezförmigen Flammenstabilisierungs-Bereich besteht, daß in der Region des Wirbelerzeuger-Bereiches Brennstoff in die verwirbelte Verbrennungsluft eingeleitet wird, daß der Wirbelerzeuger- Bereich mittels eines halben Pfeilungswinkels und eines An stellwinkels gegenüber der Hauptströmung so angestellt wird, daß der Drall der in der Hauptströmung induzierten Längswir bel kleiner ist als der kritische Drall zur Erzeugung einer Rezirkulationszone, daß der Flammenstabilisierungs-Bereich mittels eines halben Pfeilungswinkels und eines Anstellwin kels gegenüber der Strömung so angestellt wird, daß der Drall der in der Strömung induzierten Längswirbel größer ist als der kritische Drall zur Erzeugung einer Rezirkulationszo ne, womit je deltaförmigen Körper ein Paar von kalottenförmi gen Rezirkulationszonen erzeugt wird und daß das entzündete Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch durch die Rezirkulations zonen stabilisiert wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß in einem Kanal mehrere deltaförmige Körper angeordnet sind, die aus mindestens einem im wesentli chen dreieckförmigen Wirbelerzeuger-Bereich und einem an schließenden, stromabwärts liegenden trapezförmigen Flammen stabilisierungs-Bereich bestehen.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch das Verfahren und die Vorrichtung die verschiede nen Funktionen, wie Vormischung und Flammenstabilisation, räumlich entsprechend aufgeteilt werden. Dadurch können die einzelnen Funktionen optimiert werden. Durch den deltaförmi gen Körper werden kleinskalige Wirbelströmungen erzeugt, wo durch eine sehr kompakte Bauweise verwirklicht werden kann. Dies führt wegen der kurzen notwendigen Misch- und Verweil zeiten zu geringen Kosten und niedrigen Emissionen, vor allem der Stickoxide und von Kohlenmonoxid. Der Aufbau eines del taförmigen Körpers ist zudem sehr einfach, was die Kosten weiter senkt. Die Mischung von Verbrennungsluft und Brenn stoff ist zudem beinahe perfekt und kann mit geringsten Druckverlusten realisiert werden. Durch die Bildung eines Paares von gegenläufig rotierenden Rezirkulationszonen je deltaförmigen Körper, stabilisieren sich die Rezirkulations zonen gegenseitig. Dadurch wird die Gefahr minimiert, daß die Flamme in den Brenner zurückschlägt und diesen beschä digt.

Es kann besonders zweckmäßig sein, wenn ein weiterer tra pezförmiger Bereich zwischen dem Wirbelerzeuger-Bereich und dem Flammenstabilisierungs-Bereich angeordnet ist, der als weiterer Misch- und Verdampfungsbereich dient. Dadurch kann die Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff weiter homo genisiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Er findung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen deltaförmigen Körper;

Fig. 2 einen Längsschnitt des deltaförmigen Körpers ent lang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Reihenanordnung der deltaförmigen Körper;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch einen Kanal mit darin angeordneten deltaförmigen Körpern;

Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch den Kanal entlang der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Rohrbrenner mit deltaför migen Körpern;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Kern-Brenner mit del taförmigen Körpern und geschichteter Verbrennung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist ein Vormischbrenner 40, im wesent lichen bestehend aus einem deltaförmigen Körper 40 und einem Brennstoffeindüsungssystem 10, 11 gezeigt. Der um den del taförmigen Körper 40 angeordnete Kanal, der von einer mit Pfeilen bezeichneten Hauptströmung 4 aus Verbrennungsluft durchströmt wird, ist nicht dargestellt. Der deltaförmige Körper 40 besteht aus drei flächigen Bereichen 1, 2 und 3, die die Form von Deltaflügeln aufweisen und ist symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 9. Der deltaförmige Körper 40 ist entsprechend der auftretenden Temperaturen aus einem warmfesten Material gefertigt, beispielsweise aus warmfestem Stahlblech.

Der erste Bereich 1 dient als Wirbelerzeuger und als Misch strecke und ist als gleichseitiges Dreieck mit zwei Seiten kanten 30 und einer Verbindungskante 31 ausgebildet. Durch die beiden Seitenkanten 30 wird eine Spitze 36 gebildet. Die se Spitze 36 kann natürlich auch als eine Vorderkante ausge bildet werden, wobei dann der erste Bereich 1 als Trapez aus gebildet würde. Dieser Wirbelerzeuger 1 wird mittels eines halben Pfeilungswinkels Φ1 und mittels eines Anstellwinkels α1 definiert.

Der zweite Bereich 2 dient als weitere Misch- und Verdamp fungsstrecke. Er ist als gleichseitiges Trapez mit gleichlan gen Seitenkanten 32 und Verbindungskanten 31 und 33 ausgebil det und ist mittels der Verbindungskante 31 mit dem Bereich 1 verbunden. Die Mischstrecke 2 wird mittels eines halben Pfei lungswinkels Φ2 und mittels eines Anstellwinkels α2 defi niert.

Der dritte Bereich 3 dient zur Flammenstabilisierung. Er ist ebenfalls als gleichseitiges Trapez mit gleichlangen Seiten kanten 34, der Verbindungskante 33 und einer Kante 35 ausge bildet und mittels der Verbindungskante 33 mit dem Bereich 2 verbunden. Der Bereich 3 wird durch einen halben Pfeilungs winkels Φ3 und durch einen Anstellwinkels α3 definiert.

Selbstverständlich können die Übergänge zwischen den Berei chen 1, 2 und 3, bei den Verbindungskanten 31 und 33, auch stetig oder mit Sprüngen ausgebildet werden. Wesentlich ist, daß die Eigenschaften der Bereiche durch die Pfeilungswin kels Φi und durch einen Anstellwinkels αI eingestellt wer den.

Analog zur EP-B1-0 321 809 kann nun an der durch die Seiten kanten 30 des Bereiches 1 gebildeten Spitze 36 eine Brenn stoffdüse 10 zur Eindüsung flüssiger oder gasförmiger Brenn stoffe angeordnet werden. Zur Eindüsung von gasförmigem Brennstoff wird vorzugsweise entlang der Seitenkanten 30 eine Brennstoffleitung 11 mit mehreren, nicht dargestellten Ein düsungsöffnungen angeordnet. Diese Brennstoffleitung kann sich natürlich bei der Verwendung eines zweiten Bereiches 2 auch über die Seitenkanten 32 erstrecken.

Durch die Geometrie des Bereiches 1 des deltaförmigen Körpers 40 wird die Hauptströmung 4 beim Umströmen der Seitenkanten 30 des Wirbelerzeugers 1 in ein Paar von gegenläufigen Längs wirbeln umgewandelt. Die Wirbelachsen dieser Längswirbel lie gen in der Achse der Hauptströmung. Die Drallzahl der Längs wirbel wird mittels des Pfeilungswinkels Φ1 und des Anstell winkels α1 so eingestellt, daß kein Wirbelaufplatzen (engl.: vortex break down) und somit keine kalottenförmige Rezirkula tionszone 5 auftritt. Der Drall der Längswirbel muß somit kleiner sein als der kritische Drall, bei dem ein Wirbelauf platzen eintritt. Mit steigenden Winkeln Φ1 und α1 kann die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht werden, bis in den Be reich des Wirbelaufplatzens. Durch den Drall der Längswirbel wird die zur Mischung von Hauptströmung und Brennstoffströ mung benötigte Strecke eingestellt.

Der Bereich 2 ist optional und wird nur verwendet, wenn die durch den Bereich 1 gebildete Mischstrecke für eine homogene Mischung nicht ausreicht. Auch hier werden mittels der Sei tenkanten 32 in der Strömung Längswirbel induziert. Entspre chend dem Bereich 1 wird die Drallzahl der Längswirbel mit tels des Pfeilungswinkels Φ2 und des Anstellwinkels α2 so eingestellt, daß kein Wirbelaufplatzen (vortex break down) und somit keine Rezirkulationszone 5 auftritt.

Selbstverständlich können auch noch weitere dem Bereich 2 entsprechende Bereiche stromabwärts an den Bereich 2 ange schlossen werden, um eine homogene Mischung zu erreichen.

Der Bereich 3 dient der Flammenstabilisierung mittels der durch die Seitenkanten 34 erzeugten Längswirbel. Die Drallzahl der Längswirbel wird durch den Pfeilungswinkel Φ3 und den Anstellwinkel α3 so eingestellt, daß Wirbelaufplat zen (vortex break down) eintritt. Pro deltaförmigen Körper 40 entsteht ein Paar von Rezirkulationszonen 5. Der Drall der Längswirbel muß größer sein als der kritische Drall, bei dem ein Wirbelaufplatzen eintritt. Der Gradient in der Drallzahl vom stromaufwärts gelegenen Bereich 1 oder 2 zum Bereich 3 wird sehr groß gewählt, um ein thermoakustisch stabiles Verhalten zu erzielen. Zur Unterstützung der Flam menstabilisierung kann zusätzlich der Querschnitt des nicht dargestellten Kanals erweitert werden. Der deltaförmigen Kör per 40 weist auch bei fettem Betrieb ein thermoakustisch sta biles Verhalten auf.

Gemäß Fig. 3 können die deltaförmigen Körper 40 in Reihen an geordnet werden. Die deltaförmigen Körper 40 werden dabei in großer Zahl in parallelen Reihen oder konzentrischen Ringen, beispielsweise bei einer Ringbrennkammer angeordnet. Norma lerweise wird dann nicht an jeder Spitze 36 der deltaförmigen Körper 40 eine Brennstoffdüse 10 angebracht.

In Fig. 4 und Fig. 5 sind in einem rechteckigen Kanal 8 vier deltaförmigen Körper 40 so angeordnet, daß die Spitzen 36 stromauf im Zentrum des Kanals 8 zu liegen kommen. Die vier deltaförmigen Körper 40 sind über ihre Spitzen 36 miteinander und mit dem Kanal 8 über ihre Kanten 35 verbunden. An der Spitze 36 der deltaförmigen Körper 40 befindet sich eine Brennstoffdüse 10. Der Brennstoff wird in die, in der Ver brennungsluft 4 beim Umströmen der Kanten 30, 32 erzeugten Längswirbeln eingeblasen und dort mit der Verbrennungsluft vermischt. Auf den Bereich 2 wird hier infolge einer genügen den Durchmischung mittels des Bereichs 1 verzichtet. Am Bren neraustritt 7 entstehen durch den Bereich 3 des deltaförmigen Körpers 40 und einer Querschnitterweiterung am Brenneraus tritt 7 zu einer Brennkammer 6 acht kalottenförmige Rezirku lationszonen 5, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszonen 5 stabili siert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen. Der Kanal 8 kann selbstverständlich auch rund ausgeführt wer den und die Zahl der deltaförmigen Körper 40 pro Kanal 8 ist beliebig und muß den jeweiligen Verhältnissen angepaßt wer den.

In Fig. 6 sind die deltaförmigen Körper 40 in einem runden Ka nal 20 angeordnet. Die Anordnung erfolgt analog zu Fig. 4 und Fig. 5. Dazu müssen die deltaförmigen Körper 40 gebogen ausge führt werden. Um den runden Kanal 20 sind Mischrohre 21 ohne Flammenstabilisation angeordnet. Durch die Mischrohre 21 wird Verbrennungsluft geblasen und über die Düsen 10 Brennstoff in die Verbrennungsluft eingedüst. Zur besseren Vermischung kön nen in den Mischröhren 21 allgemein bekannte Mischelemente wie Umlenkkörper mit Flügelprofil angeordnet werden. Eine solche Brenneranordnung ist für ungestuften (mager-mager) und gestuften (fett-mager) Betrieb geeignet. Die Anzahl der Mischrohre 21 die um den Kanal 20 herum angeordnet werden ist beliebig und muß den jeweiligen Verhältnissen angepaßt wer den.

In Fig. 7 wird ein runder deltaförmiger Körper in einem Bren nersystem gemäß WO 92/06328 angeordnet. Dort wird ein Bren ner mit sehr geringem Stickoxidausstoß beschrieben. Im Zen trum des dort beschriebenen Brennersystems befindet sich eine brennstoffreiche Flammenzone umgeben von einer oder mehreren Zonen mit geringem Brennstoffgehalt. Dazu wird die Flamme ra dial geschichtet, wodurch ein großer radialer Dichtegradient in der Flamme entsteht. Die brennstoffreiche Zone enthält we niger als den stöchiometrischen Gehalt an Sauerstoff. Durch die radiale Schichtung wird der brennstoffreiche Flammenkern vor der Durchmischung mit der restlichen Verbrennungsluft ge schützt. Durch die Rezirkulation von Verbrennungsgasen in die äußeren, brennstoffarmen Schichten kann der Stickoxidaus stoß weiter gesenkt werden. Das rezirkulierte Verbrennungs gas reduziert den Sauerstoffgehalt und die Flammentemperatur.

Ein ringförmiger Kanal 20 mit darin angeordneten deltaförmi gen Körpern 40 ist umgeben von zwei konzentrischen, ringför migen Kanälen 22 und 23. An der Spitze 36 der deltaförmigen Körper ist eine Brennstoffdüse 10 angeordnet. Der Deltavor mischbrenner 40 wird nun unterstöchiometrisch, d. h. brenn stoffreich betrieben. Über die konzentrischen Kanäle 22, 23 wird axial ein eventuell verdralltes Abgas/Luft-Gemisch zuge führt. Die Anzahl der konzentrischen Kanäle 22, 23 die den Kanal 20 umgeben ist beliebig und muß den jeweiligen Ver hältnissen angepaßt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die del taförmigen Körper können auch auf andere Weise im Kanal befe stigt werden, beispielsweise so daß die stromabwärtige Kante des dritten Bereiches mit dem Kanal einen Schlitz bildet und daß sich die Spitzen nicht berühren. Der Deltavormischbren ner kann auch in beliebige, weitere Brenner-Konfigurationen eingebaut werden.

Bezugszeichenliste

1 Wirbelerzeuger und Mischstrecke
2 Misch- und Verdampfungsstrecke
3 Flammenstabilisierung
4 Hauptströmung/Verbrennungsluft
5 kalottenförmige Rückströmzone
6 Brennkammer
7 Querschnittserweiterung, Brenneraustritt
8 Kanal
9 Symmetrieachse
10 Brennstoffdüse
11 Brennstoffeindüsungsleitung
20 runder Kanal
21 Mischrohre
22, 23 konzentrischer Kanal
30 Vorderkante
31, 33 Verbindungskante
32, 34 Seitenkante
35 Kante
36 Spitze
40 deltaförmiger Körper
α1, α2, α3 Anstellwinkel
Φ1, Φ2, Φ3 halber Pfeilungswinkel

Claims

1. Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen in einer Hauptströmung aus Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluft in einem Kanal (8, 20) über mindestens einen deltaförmigen Körper (40) geleitet wird, wobei der deltaförmige Körper aus mindestens einem im wesentlichen dreieckförmigen Wirbelerzeuger-Bereich (1) und einem stromabwärts liegenden trapezförmigen Flammenstabilisierungs-Bereich (3) besteht, daß in der Region des Wirbelerzeuger-Bereiches (1) Brennstoff in die verwirbelte Verbrennungsluft eingeleitet wird, daß der Wirbelerzeuger-Bereich (1) mittels eines halben Pfeilungswinkels (Φ1) und eines Anstellwinkels (α1) ge genüber der Hauptströmung so angestellt wird, daß der Drall der in der Hauptströmung induzierten Längswirbel kleiner ist als der kritische Drall zur Erzeugung einer Rezirkulationszone (5), daß der Flammenstabilisierungs- Bereich (3) mittels eines halben Pfeilungswinkels (Φ3) und eines Anstellwinkels (α3) gegenüber der Strömung so angestellt wird, daß der Drall der in der Strömung in duzierten Längswirbel größer ist als der kritische Drall zur Erzeugung einer Rezirkulationszone (5), womit je deltaförmigen Körper (40) ein Paar von kalottenförmi gen Rezirkulationszonen (5) erzeugt wird und daß das entzündete Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch durch die Rezirkulationszonen (5) stabilisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wirbelerzeuger-Bereich (1) und dem Flammenstabilisierungs-Bereich (3) mindestens ein weite rer trapezförmiger Bereich (2) angeordnet ist der als weiterer Misch- und Verdampfungsbereich dient und mit tels eines halben Pfeilungswinkels (Φ2) und eines An stellwinkels (α2) gegenüber der Hauptströmung so ange stellt wird, daß der Drall der in der Strömung indu zierten Längswirbel kleiner ist als der kritische Drall.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ab spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kanal (8, 20) mehrere deltaförmige Körper (40) angeordnet sind, die aus mindestens einem im we sentlichen dreieckförmigen Wirbelerzeuger-Bereich (1) und einem anschließenden, stromabwärts liegenden tra pezförmigen Flammenstabilisierungs-Bereich (3) bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wirbelerzeuger-Bereich (1) und dem Flammenstabilisierungs-Bereich (3) mindestens ein weite rer trapezförmiger Bereich (2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer durch die Seitenkanten (30) des Wirbelerzeuger-Bereiches (1) gebildete Spitze (36) eine Brennstoffdüse (10) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Seitenkanten (30) des Wirbelerzeuger- Bereiches (1) Brennstoffeindüsungsleitungen (11) ange ordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmigen Körper (40) über eine durch die Seitenkanten (30) des Wirbelerzeuger-Bereiches (1) ge bildete Spitze (36) miteinander und über eine stromab wärtige Kante (35) des Flammenstabilisierungs-Bereiches (3) mit dem Kanal (8, 20) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß um den Kanal (8, 20) herum mehrere Mischrohre (21) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß um den Kanal (8, 20) herum mindestens ein konzen trischer Kanal (22, 23) angeordnet ist.