DE19855069A1

DE19855069A1 - Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit für einen Brenner und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE19855069A1
Application number: DE1998155069
Authority: DE
Inventors: Timothy Griffin; Millan Robin Mc; Gerhard Mueller
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1998-11-28
Filing date: 1998-11-28
Publication date: 2000-05-31

Abstract

Eine Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit für einen Brenner besteht im wesentlichen aus einer Brennstofflanze (118), die in ihrem Inneren einen Hohlraum (130) einschließt, der durch einen Kanal (119) und eine stirnseitige Öffnung (120) mit der Umgebung der Lanze (9) verbunden ist. Der Hohlraum verfügt mindestens über einen Anschluss (141, 142, 143) für ein flüssiges brennbares Medium, das durch den Kanal ausströmt. Bei einer geeigneten Wahl der Kanalgeometrie bildet das flüssige brennbare Medium nach dem Austritt aus der Lanze einen stabilen Vollkegel (26) geringer Divergenz aus. Weiterhin ist der Hohlraum (130) mit Luft versorgbar. Durch den somit vergrößerten Volumenstrom durch den Kanal (119) wird die Strömung (126) im Kanal in einer analogen Weise wie durch eine variable Kanalgeometrie beeinflusst. Mit Vorteil ist die Lanze (118) von einem Rohr (117) umschlossen, wobei in dem entstehenden Ringspalt (116) eine Luftströmung (131)geringer Machzahl geführt ist, die stromab einen Schirmluftstrom (31) ausbildet. Die erfindungsgemäße Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit eignet sich besonders gut zum Einsatz in Vormischbrennern und in Brennern zum Betrieb eines Wärmeerzeugers von Kraftwerksanlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit für einen Brenner, im wesentlichen bestehend aus einer Lanze, welche Lanze einen Hohlraum einschliesst, und welcher Hohlraum an einer Stirnseite der Lanze durch einen Kanal mit im wesentlichen konstantem Querschnitt mit der Umgebung der Lanze verbunden ist, und welcher innerhalb der Brennstofflanze liegender Hohlraum mindestens über einen Anschluss zur Zuführung eines brennbaren flüssigen Mediums verfügt. Weiterhin betrifft sie die Verwendung sowie ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit.

Stand der Technik

Bei der Feuerung stationärer Gasturbinen in Kraftwerken werden seit längerem bevorzugt Vormischbrenner eingesetzt. Die Vorteile dieser Brenner sind dabei insbesondere in über einen grossen Lastbereich geringen Schadstoffemissionen zu sehen, die ohne katalytische Nachbehandlung und im Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen meist auch ohne zusätzliche Wassereinspritzung die Einhaltung der meisten üblichen Normen ermöglichen. Moderne Vormischbrenner wie sie beispielsweise die EP 0 321 809 B1 oder die EP 0 780 629 A2 angeben, bestechen darüber hinaus noch durch ihre einfache und robuste Bauart. Die Flamme ist rein aerodynamisch stabilisiert, so, dass auf latent thermisch gefährdete Flammenhalter verzichtet wird.

Bei den fortschrittlichen Bauarten der Vormischbrenner wird die Flammenstabilisierung wie auch die intensive Vormischung dadurch erreicht, dass ein Verbrennungsluftstrom in einem Drallerzeuger mit einer tangentialen Komponente eingebracht und diesem der Brennstoff zugemischt wird. Durch die Tangentialkomponente der Verbrennungsluftgeschwindigkeit wird einerseits die Vermischung von Brennstoff und Luft intensiviert; andererseits wird der Querschnitt des Brenners kontinuierlich oder sprunghaft erweitert, was zum Aufplatzen der Wirbelströmung und sukzessive zur Ausbildung einer stabilen Flammenzone führt.

Bei den in den oben angeführten Schriften zitierten Brennern besteht der Drallerzeuger aus mindestens zwei Teilkegelschalen, wobei die Achsen der Teilkegel einen Lateralversatz aufweisen. Die Verbrennungsluft strömt dabei durch die zwischen den Kegelschalen gebildeten Spalte ins Innere der Brenner ein. Aufgrund ihrer Bauweise als Hohlkegelbrenner bieten sie beispielsweise gegenüber der in der WO 93/17279 offenbarten Bauart den Vorteil, keine Einbauteile im Verbrennungsluft- respektive Gemischstrom zu benötigen, an denen sich eine Flamme festsetzen könnte. Weiterhin bieten gerade Hohlkegelbrenner den Vorteil, durch den zur Verfügung stehenden Bauraum gleichzeitig Mittel zur Einbringung flüssiger wie gasförmiger Brennstoffe integrieren zu können. Brenner gemäss der in EP 0 321 809 B1 zitierten Bauart sind denn auch seit Jahren in grossen Stückzahlen als reine Gasbrenner wie auch als kombinierte Gas- und Flüssigbrennstoffbrenner im Einsatz.

Die Versorgung von Hohlkegelbrennern mit Flüssigbrennstoffen und Gas durch eine zentral in der Kegelspitze integrierte Lanze ist beispielsweise in der DE 43 06 956 A1.

Die Brennstoffversorgung des Doppelkegelbrenners mit Flüssigbrennstoff erfolgt von aussen über die Brennstofflanze, welche in die zentrale Flüssigbrennstoffdüse mündet. Gemäss der EP 321 809 B1 bildet sich im Brennerinnenraum ein hohlkegelförmiger, aus Flüssigbrennstoff und Luft bestehenden Brennstoffspray aus, bei dem die meisten Brennstoff-Tröpfchen am äusseren Umfang des Spraykegels konzentriert sind.

Diese Form des Sprays resultiert aus dem Bestreben, ein Spektrum möglichst fein verteilter Tropfen zu erzeugen. Hierzu werden im allgemeinen die unterschiedlichsten Arten von Hochdruckzerstäubern oder luftunterstützten, sogenannten Airblast-Zerstäubern eingesetzt. Erstere transportieren den Flüssigbrennstoff bei hohem Druck durch eine enge Öffnung und entsprechend hoher Geschwindigkeit durch eine enge Öffnung aus der Leitung in den Brenner, wodurch der Flüssigkeitsstrahl aufplatzt und die oben beschriebene Form des Sprays entsteht, wobei der Öffnungswinkel des Spraykegels mit dem Brennstoffmassenstrom zunimmt. Bei Airblastzerstäubern wird die vergleichsweise langsam strömende Flüssigkeit von Luft hoher Geschwindigkeit überströmt, und in der Scherschicht findet die Zerstäubung statt. Einen Überblick über diese Zerstäuberbauarten gibt Arthur H. Lefebvre in Atomization and Sprays ("Combustion: An International Series.", Norman Chigier (Editor), Hemisphere Publishing, 1989).

Aufgrund des grossen, im allgemeinen mit dem durchgesetzten Brennstoffmassenstrom steigenden, Einspritzwinkels von ca. 30° und des geringen axialen Impulses im Zentrum, sind diese Sprays sehr anfällig auf Zentrifugalkräfte, die durch die Wirbelströmung im Brennerinneren erzeugt werden. Dadurch werden die Brennstoff-Tröpfchen relativ schnell zentrifugal nach aussen getragen, was bei bestimmten Betriebsbedingungen den Aufprall einer nicht unbedeutenden Menge des Flüssigbrennstoffs an den Brennerinnenwänden zur Folge haben kann. Dies führe zur Entwicklung von mehrstufigen Druckzerstäuberdüsen, wie sie beispielsweise in der EP 0 794 383 A2 offenbart ist. Bei diesen wird der Einspritzwinkel bei hohen Brennerlasten zwar deutlich verringert, die oben beschriebene Problematik wird jedoch nicht vollständig umgangen.

In der EP 0 687 585 A1 ist ein Airblast-Zerstäuber angegeben, bei dem die aus der Düse austretende Flüssigkeit von einer konvergenten Strömung des Zerstäubungsmediums, dessen Machzahl im Bereich 0.5 bis 1.2 liegt, umgeben ist, um die Divergenz des Brennstoffstrahls zu reduzieren.

Zur Zerstäubung flüssiger Brennstoffe werden unter anderem auch sogenannte Vollstrahlzerstäuber eingesetzt, die einen kegelförmigen Vollstrahl gleichmässig verteilter Brennstofftröpfchen erzeugen. Eine solche Lösung ist ebenfalls aus der oben zitierten Schrift von A. H. Lefebvre bekannt. Bei dieser Zerstäuberdüse wird der flüssige Brennstoff aus einer Vorkammer durch eine kleine, kreisförmige Einspritzöffnung bestimmter Führungslänge unter hohem Druck ausgestossen. Dadurch erzeugt der Vollstrahlzerstäuber einen Brennstoffstrahl mit einem Einspritzwinkel von etwa 5° bis 15°.

Haben Vollstrahlzerstäuber auch den Vorteil, einen sehr kompakten Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen - und daneben einfach und robust zu sein -, so wurden sie bis anhin als für den Einsatz in Vormischbrennern ungeeignet betrachtet, da die Zerstäubungsqualität eben sehr gering ist. Neueste Untersuchungen haben hingegen gezeigt, dass sich mit dem Einsatz von Vollstrahlzerstäubern in Vormischbrennern der oben angegebenen Bauart gute Ergebnisse in Bezug auf die gasförmigen Emissionen wie Kohlenmonoxid und insbesondere Stickoxide erreichen lassen, da solche Vormischbrenner offensichtlich in der Lage sind, aufgrund ihrer speziellen Strömungskonfiguration in der flammenstabilisierenden Rückströmzone am Brenneraustritt auch vergleichsweise grosse Tropfen effizient zu verbrennen.

Jedoch zeigt sich bei geringen Brennstoffmassenströmen eine starke Neigung zur Russbildung, was auf die in solchen Betriebszuständen extrem schlechte Zerstäubung aufgrund der geringen Brennstoffgeschwindigkeit durch die Düse zurückzuführen ist. Ein ähnliches Verhalten zeigt sich auch, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis am Brenner gross wird, da dann offensichtlich ein noch sehr kompakter Brennstoffstrahl die Reaktionszone erreicht.

Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass zum Betrieb von Vormischbrennern mit Flüssigbrennstoffen zwar durchaus funktionstüchtige Brennstoffaufbereitungseinheiten zur Verfügung stehen, aber in speziellen Betriebspunkten immer Kompromisse eingegangen werden müssen. Der Stand der Technik offenbart bislang keine Aufbereitung für Flüssigbrennstoffe, die über den gesamten möglichen und erwünschten Betriebsbereich des Vormischbrenners zu absolut befriedigenden Resultaten führt.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit für einen Brenner, im wesentlichen bestehend aus einer Lanze, welche Lanze einen Hohlraum einschliesst, und welcher Hohlraum an einer Stirnseite der Lanze durch einen Kanal mit im wesentlichen konstantem Querschnitt mit der Umgebung der Lanze verbunden ist, und welcher innerhalb der Brennstofflanze liegender Hohlraum mindestens über einen Anschluss zur Zuführung eines brennbaren flüssigen Mediums verfügt, den Betriebsbereich, in dem eine für günstige Emissionswerte und eine stabile Verbrennung notwendige Zerstäubungsgüte erzielt wird, gegenüber dem Stand der Technik insbesondere zu kleinen Brennstoffmassenströmen signifikant zu erweitern.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der innerhalb der Brennstofflanze liegende Hohlraum mit einer Luftzuführung verbunden ist, wobei die Luft die Strömung in dem Kanal so beeinflusst, dass die Wirkung der einer verstellbaren Kanalgeometrie entspricht. Bereits geringe Mengen an Luft vervielfachen das durch die Öffnung durchgesetzte Volumen erheblich und verbessern auf diese Weise die Zerstäubungsgüte in Lastbereichen, in denen ansonsten mit einer Tendenz zur Russbildung zu rechnen wäre. Die Funktion dieser dem Hohlraum zugeführten Luft als Zerstäubungsmedium ist hierbei insbesondere bei geringen Brennstoffmassenströmen nicht primär erfindungswesentlich; vielmehr wirkt das zusätzlich durchgesetzte Volumen wie eine variable Geometrie des Verbindungskanals vom Hohlraum innerhalb der Lanze zu deren Umgebung. Die Luft kann dabei entweder über eine oder mehrere gesonderte Luftanschlüsse zugeführt werden; wenn bei den Betriebszuständen, in denen mit der Luftzufuhr gearbeitet wird, kein Wasser zur Stickoxidreduktion benötigt wird, kann auch der Wasseranschluss der Lanze über ein externes Umschaltventil mit der Zusatzluft beaufschlagt werden.

Bei den Vollstrahlzerstäubern ist es vorteilhaft, den stirnseitigen Kanal, der den Hohlraum im Inneren der Lanze mit deren Umgebung verbindet, so auszulegen, dass er einen hydraulischen Durchmesser und eine Führungslänge aufweist, wobei das Verhältnis der Führungslänge zum hydraulischen Durchmesser zwischen 4 und 6 beträgt. Der untere Wert wird dadurch gegeben, am Austritt der Flüssigkeit aus der Lanze möglichst eine ausgebildete Rohrströmung vorliegen zu haben. Andererseits soll die Führungslänge auch nicht zu gross werden, um die Reynoldszahl am Austritt nicht zu weit in den turbulenten Bereich zu treiben. Auf diese Weise wird über einen weiten Bereich der Durchströmgeschwindigkeit der angestrebte kompakte Vollstrahl gebildet.

Weiterhin von Vorteil ist es, die Lanze wesentlich konzentrisch mit einem luftführenden Rohr zu umgeben, und durch den umgebenden Ringspalt weniger als 2% des gesamten Luftmassenstroms eines Vormischbrenners, in dem die Lanze eingebaut ist, zu führen. Die Spaltbreite des entstehenden Ringspaltes ist dabei so zu wählen, dass die Machzahl der Luftströmung 0.2 nicht überschreitet. Aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit des entstehenden Mantelluftstroms wirkt dieser nicht als Zerstäubungsmedium, so dass der kompakte Vollstrahl des Flüssigbrennstoffs bei hohem Flüssigkeitsmassenstrom nicht gestört wird; andererseits wirkt der Mantelluftstrom bei geringen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten als Schirm gegen die Drallströmung.

Die erfindungsgemässe Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit ist besonders gut zum Einsatz in Vormischbrennern geeignet, wie sie in der EP 0 321 809 B1, der EP 0 780 629 A2, oder der WO 93/17279 angegeben sind, wobei diese Schriften einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung darstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung einer Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit mit allen wesentlichen Merkmalen,

Fig. 2 eine Schaltung, bei der sich eine separate Luftzuführung an der Brennstofflanze erübrigt,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Medienzufuhr einer erfindungsgemässen Brennstoffaufbereitungseinheit, die besonders gut zum Einsatz in Verbindung mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung geeignet ist,

Fig. 4 die Verwendung einer erfindungsgemässen Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit in einem Vormischbrenner,

Fig. 5 die Verwendung einer erfindungsgemässen Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit in einer anderen Vormischbrenner- Bauart.

In der Zeichnung sind jeweils nur die zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung dargestellt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung einer Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit. Diese besteht im wesentlichen aus einer Brennstofflanze 118, welche einen Hohlraum 130 einschliesst, und welcher Hohlraum an einer Stirnseite der Lanze über einen Kanal 119 mit der Umgebung 9 verbunden ist. Erfindungsgemäss ist der Kanal 119 mit einem Durchmesser d und einer Führungslänge l versehen, wobei die Führungslänge l vorzugsweise das vier- bis sechsfache des Durchmessers d beträgt. Über Anschlüsse 141, 142 und 143 ist der Hohlraum 130 mit verschiedenen Medien verfügbar. Die Anzahl und Lage der Anschlüsse ist nicht erfindungswesentlich. Wesentlich ist jedoch, dass dem Hohlraum 130 Flüssigbrennstoff und Wasser zur Stickoxidreduktion zugeführt werden kann. Dies kann eine Emulsion sein, die über eine einzige oder mehrere Anschlüsse zugeführt wird; bei der dargestellten Ausführung kann andererseits auch Brennstoff über den Anschluss 143 und Wasser über den Anschluss 142 zugeführt werden. Weiterhin ist wesentlich, dass der Hohlraum 130 mit Luft versorgbar ist; im Ausführungsbeispiel könnte dies über den Anschluss 143 erfolgen. In einem Betriebszustand wird in diesem Fall Flüssigbrennstoff oder Flüssigbrennstoff und Wasser dem Hohlraum 130 zugeführt. Die Brennmedienströmung 126 strömt durch den Kanal 119 in die Umgebung 9, und bildet dort einen kompakten und nur gering divergenten Vollstrahl 26 aus. Die geringe Divergenz des Vollstrahls wird wesentlich durch die Geometrie des Kanals 119 bestimmt. Dabei ist einerseits durch geeignete Wahl des Durchmessers d die Ausströmgeschwindigkeit zu begrenzen; weiterhin wird im Verhältnis zum Durchmesser die Führungslänge l so gewählt, dass sich beim Durchströmen des Kanals 119 möglichst eine ausgebildete Strömung entwickeln kann, andererseits die Reynoldszahl dieser Rohrströmung nicht zu weit in den turbulenten Bereich kommt. Im Nominalbetrieb entsteht so ein Vollstrahl 26, der einen grossen Axialimpuls auf einer Achse 10 konzentriert, und somit die einleitend beschriebene Problematik beim Einsatz von Flüssigkeitszerstäubern in Vormischbrennern umgeht.

Jedoch ist der Impuls der Vollstrahls direkt dem Flussigkeitsmassenstrom proportional. Wenn dieser in bestimmten Betriebszuständen stark reduziert wird, nimmt die Empfindlichkeit der Flüssigkeitsströmung 26 auf äussere Störeinflüsse zu. An dieser Stelle greift nunmehr die Erfindung. Dem Hohlraum kann nunmehr zusätzlich Luft, beispielsweise über den Anschluss 143, zugeführt werden. Damit erhöht sich der Volumenstrom im Kanal 119, und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und damit des Strahls 26 wird wieder in eine geeignete Grössenordnung gebracht, um es dem Strahl zu erlauben, ein äusseres Strömungsfeld weitgehend ungestört zu durchdringen.

Unterstützend ist es von Vorteil, durch ein im wesentlichen konzentrisch zur Lanze 118 angeordnetes Rohr 117 Luft 131 vergleichsweise niedriger Geschwindigkeit, vorzugweise mit einer Machzahl kleiner als 0.2, zu führen. Aufgrund der geringen Geschwindigkeit bildet die Luftströmung am Austritt aus dem Ringspalt 116 nur Vernachlässigbare Ablösezonen, woraus ein hohler, den Strahl 26 einbettender Mantelluftstrom 31 resultiert.

Bei Bedarf greift die Erfindung auch bei sehr grossen Flüssigkeitsmassenströmen. Im einem solchen Fall kann es vorkommen, dass der Strahl 26 eine so grosse Geschwindigkeit entwickelt, dass eine Reaktionszone teilweise durchdrungen wird, was tendenziell in einer erhöhten Russbildung resultiert. In diesem Fall kann dem Hohlraum 130 Luft zugeführt werden, um ein teilweises Aufplatzen des Vollstrahls 26 zu induzieren, und somit eine feinere Brennstoffverteilung in einer Reaktionszone zu erreichen.

Wie aus diesem Beispiel ersichtlich ist, wirkt die erfindungsgemässe Luftzufuhr analog zu einem verstellbaren Austritts aus dem Hohlraum 130. Bei geringer Last wirkt das zusätzlich durchgesetzte Volumen wie eine Querschnittsverengung des Kanals 119, und hält so die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls 26 auf einem erforderlichen Niveau. Wird der Flüssigkeitsvolumenstrom hingegen sehr gross, so wird durch den zusätzlichen Luftstrom die Turbulenz der Strömung 126 im Kanal 119 erhöht, was letztlich die gleiche Wirkung hat wie eine zusätzliche Querschnittsverengung am Kanalaustritt 120.

Wie erwähnt, ist ein getrennter Anschluss der Lanze für jedes Medium nicht zwingend notwendig. Eine Schaltung, die es ermöglicht mit nur einem Anschluss für Brennstoff und Luft oder Wasser auszukommen, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit 100 ist hier nur stilisiert. Der Anschluss 143 ist über eine Leitung und ein Regelventil 84 mit der Brennstoffleitung 87 verbunden. Der Anschluss 142 wird über ein Umschaltventil 81 mit der Luftzuführung 86 respektive der Wasserzuführung 85 verbunden. Der Vorteil einer solchen Konfiguration ist darin zu sehen, dass eine vorhandene Brennstofflanze ohne Veränderungen der Lanze selbst erfindungsgemäss umgerüstet und betrieben werden kann. Allerdings kann im dargestellten Fall nur dann Zusatzluft in die Lanze eingebracht werden, wenn kein Wasser zur Stickoxidreduktion notwendig ist. Dieser Fall kommt aber im speziell beim Leerlaufbetrieb von Gasturbinen häufig vor.

Zu erwähnen ist, dass prinzipiell anstelle des Umschaltventils 81 auch ein Mischer vorhanden sein könnte, wodurch der Brennstofflanze über den Anschluss 142 ein Luft-Wasser-Gemisch zugeführt wird. Analog könnte die Lanze prinzipiell auch mit Wasser und einem Brennstoff-Luft-Gemisch versorgt werden. Bei stark veränderlichen Zusatzluftmengen ist dann allerdings die Auslegung der Anschlussquerschnitte nicht unproblematisch.

Eine Möglichkeit, solche stark variierende Volumenströme durch einen Anschluss zu handhaben, ist in Fig. 3 dargestellt. Der Anschluss 142 ist über eine Bypassbohrung 144 mit dem Inneren des Lanzenkopfes 151 verbunden. Im Lanzenkopf ist ein Ventil 150 eingebaut, welches die Verbindung zwischen dem Inneren des Lanzenkopfes 151 und dem Hohlraum 130 nach Bedarf verschliesst oder freigibt. Durch den Anschluss 142 wird entweder Wasser oder Luft alternativ, oder eine variierende Flüssigkeits-Luft-Mischung der Brennstofflanze 118 zugeführt. Wenn der Querschnitt, über den der Anschluss 142 mit dem Hohlraum 130 verbunden ist, den notwendigen Volumenstrom nicht mehr durchzusetzen in der Lage ist, kann das Ventil 150 die Verbindung freigeben, und zusätzlicher Volumenstrom wird über die Bypassbohrung 144 geführt.

Die erfindungsgemässe Flüssigbrennstoffaufbereitung eignet sich insbesondere sehr gut zum Einsatz in Vormischbrennern, welche im wesentlichen aus einem Drallerzeuger bestehen, in welchem Drallerzeuger ein Hauptluftstrom tangential einströmt, und dessen Querschnitt sich in axialer Richtung zu einer Brennermündung kontinuierlich erweitert. Derartige Brenner geben beispielsweise die EP 0 321 809 B1 oder die WO 93/17279 an, welche Schriften einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung darstellen.

Illustriert ist diese Verwendung in Fig. 4 anhand eines Doppelkegelbrenners gemäss der EP 321 809 B1. Der Brenner 4 besteht im wesentlichen aus zwei Schalen 5, 6, die vereinfacht als Halbkegel beschrieben werden können. Die beiden Halbschalen 5, 6 sind seitlich gegeneinander versetzt, und bilden so zwei sich längs der Teilkörper erstreckende Schlitze 15, 16. Luft, die beispielsweise vom Verdichter einer Gasturbine stammt, strömt aus dem Aussenraum 2 des Brenners 4 als tangentiale Strömung 14 durch die Schlitze 15, 16 in den Innenraum 9 des Brenners, und anschliessend als stark verdrallte Strömung in den Brennraum 1. Beim Austritt aus dem Brenner bricht aufgrund des Querschnittssprungs die Drallströmung zusammen, wodurch eine Rückströmzone 27 entsteht. In einer Betriebsart des Brenners strömt durch an den Kanten der Halbschalen 5, 6 angebrachte belochte Leitungen 21, 22 gasförmiger Brennstoff 3 in den Brenner-Innenraum ein und wird mit der verdrallten Luft 14 vermischt. Aufgrund der Rückströmzone 28 kann sich am Brenneraustritt eine rein aerodynamisch stabilisierte Flammenfront 27 ausbilden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brenners gehen aus der EP 0 321 809 B1 hervor.

Ebenso geht aus dieser Schrift hervor, dass der Doppelkegelbrenner als Zweistoffbrenner eingesetzt werden kann. Mit Vorteil kann hierzu die erfindungsgemässe Flüssigrennstoffaufbereitungseinheit 100 in der Kegelspitze eingebaut sein. Zugeführtes Brennmedium 126 tritt als kompakter Vollstrahl 26 aus der stirnseitigen Öffnung der Lanze aus, wobei der Divergenzwinkel α des Vollstrahls mit Vorteil zwischen 5° und 15° beträgt. Bei erfindungsgemässer Ausführung ist der axiale Impuls des Strahles immer gross genug, damit der Strahl keine wesentliche Beeinflussung durch die Drallströmung erfährt. Daher bildet sich im Brennerinnenraum 9 kein zündfähioges Gemisch, das ein Rückzünden der Flamme in das Brennerinnere bgünstigen würde. Ebenso schlägt sich keine Flüssigkeit an den Innenwänden des Brenners nieder. Der Flüssigkeitsstrahl wird in der Rückströmzone 28 aufgebrochen, und es kann sich ebenfalls eine stabile Flammenfront 27 stromab des Brenners 4 ausbilden.

Eine weitere vorteilhafte Verwendung der Erfindung in einem Vormischbrenner gemäss der EP 0 780 629 B1, welche ebenfalls einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung darstellt, geht aus Fig. 5 hervor. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus einem Drallerzeuger 300 und einer Mischstrecke 220. Der Drallerzeuger ist wiederum aus mindestens zwei wesentlich hohlkegelförmigen lateral versetzt angeordneten Teilkörpern zusammengesetzt, welche tangentiale Schlitze bilden, durch die Verbrennungsluft 14 mit einer starken tangentialen Geschwindigkeitskomponente einströmt. Stromab des Drallerzeugers 300 schliesst sich eine Mischstrecke ein, durch welche die im Drallerzeuger erzeugte Drallströmung 40 strömt. Dabei besteht die Mischstrecke 220 in einem ersten Teil aus einem Übergangsstück 200, in das Übergangskanäle 201 eingearbeitet sind. Die Anzahl der Übergangskanäle entspricht der Anzahl der Teilkörper des Drallerzeugers. Sie dienen dazu, die Drallströmung 40 verlustfrei aus dem Drallerzeuger 300 in das Mischrohr 20 zu überführen. Durch den Querschnittssprung am Übergang vom Mischrohr 20 zur Brennkammer 1 kommt es zu einem Aufplatzen der Drallströmung 40 und zur Ausbildung einer Rückströmzone 28, wodurch auch hier stromab des Brenners eine rein aerodynamisch stabilisierte Flammenfront entstehen kann.

Analog zum oben beschriebenen Doppelkegelbrenner kann auch dieser Brenner mit gasförmigen Brennstoffen 3 betrieben werden, die der Luftströmung 14 im Drallerzeuger 300 zugeführt und in der Mischstrecke 220 mit dieser vermischt wird. Zum Betrieb mit flüssigen Brennstoffen wird mit Vorteil eine erfindungsgemässe Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit 100 in der Spitze des Drallerzeugers eingebaut. Die Drallströmung 40 wird in diesem Fall von einem Vollstrahl 26 des Flüssigbrennstoffes durchdrungen; wiederum wird der Vollstrahl im wesentlichen in der Rückströmzone 28 aufgebrochen, und es kann sich stromab des Brenners eine stabile Flamme ausbilden.

Bezugszeichenliste

1

Brennraum

2

Brenner-Aussenraum

3

gasförmiger Brennstoff

4

Brenner

5

Brenner-Teilkörper

6

Brenner-Teilkörper

9

Umgebung der Brennstofflanze, Brennerinnenraum

10

Achse der Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit

14

Hauptluftströmung

15

axial verlaufender Lufteintrittsspalt

16

axial verlaufender Lufteintittsspalt

20

Rohr

21

belochte Leitung für gasförmigen Brennstoff

22

belochte Leitung für gasförmigen Brennstoff

26

Brennmedium-Vollstrahl

27

Flammenfront

28

Rückströmzone

31

Schirmluftströmung

40

Drallströmung

81

Umschaltventil

82

Wasser-Regelventil

83

Luft-Regelventil

84

Flüssigbrennstoff-Regelventil

85

Wasserzuführung.

86

Luftzuführung

87

Flüssigbrennstoffzuführung

100

Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit

116

luftführender Ringspalt

117

luftführendes Rohr

118

Brennstofflanze

119

Kanal

120

Austrittsöffnung aus der Brennstofflanze

126

Brennmediumströmung innerhalb der Lanze

130

Hohlraum im Inneren der Brennstofflanze

131

Luftströmung mit einer Machzahl kleiner als 0.2

141

Anschluss

142

Anschluss

143

Anschluss

144

Bypassbohrung

150

Ventil

151

Lanzenkopf

200

Übergangsstück

201

Übergangskanäle

220

Vormischstrecke

300

Drallerzeuger
d Durchmesser des Kanals, i. a. hydraulischer Durchmesser des Kanals
l Führungslänge des Kanals
α Divergenzwinkel des Vollstrahls

Claims

1. Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit für einen Brenner, im wesentlichen bestehend aus einer Lanze (118), welche Lanze einen Hohlraum (130) einschliesst, und welcher Hohlraum an einer Stirnseite der Lanze durch einen Kanal (119) mit im wesentlichen konstantem Querschnitt mit der Umgebung (9) der Lanze verbunden ist, und welcher innerhalb der Brennstofflanze liegender Hohlraum mindestens über einen Anschluss (142, 143) zur Zuführung eines brennbaren flüssigen Mediums verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb der Brennstofflanze liegende Hohlraum mit einer Luftzuführung (86) verbunden ist, wobei die Luft die Strömung in dem Kanal so beeinflusst, dass die Wirkung der einer verstellbaren Kanalgeometrie entspricht.

2. Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einen gesonderter Anschluss (141) für die Luftzufuhr vorhanden ist.

3. Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft abhängig vom Betriebszustand über den Anschluss für Wasser (142) zuführbar ist.

4. Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (119) einen hydraulischen Durchmesser (d) und eine Führungslänge (l) aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Führungslänge (l) und dem hydraulischen Durchmesser (d) zwischen 4 und 6 beträgt.

5. Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze im wesentlichen konzentrisch von einem luftführenden Rohr (117) umgeben ist.

6. Verwendung der Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 7 in einem Brenner, welcher Brenner ein Vormischbrenner ist, welcher im wesentlichen aus einem Drallerzeuger besteht, in welchen Drallerzeuger ein Hauptluftstrom (14) tangential einströmt, und dessen Strömungsquerschnitt sich in axialer Richtung zu einer Brennermündung hin kontinuierlich erweitert.

7. Verwendung der Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 1 wobei der Brenner ein Vormischbrenner ist, welcher Vormischbrenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (300) und einer Vormischstrecke (220) besteht, welche Vormischstrecke stromab des Drallerzeugers angeordnet ist, und welche Vormischstrecke innerhalb eines ersten Streckenteils (200) in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle (201) zur Überführung einer im Drallerzeuger (300) gebildeten Drallströmung (40) in ein stromab der Übergangskanäle nachgeschaltetes Rohr (20) aufweist.

8. Verwendung der Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 1, wobei der Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers einer Kraftwerksanlage eingesetzt ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigbrennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 1, wobei mindestens ein flüssiges Medium durch den Kanal aus dem Hohlraum gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem mindestens einen flüssigen Medium Luft in den Hohlraum eingebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hohlraum (130) über den Brennstoffanschluss (143) Flüssigbrennstoff zugeführt wird, und durch ein Ventil (81) in einer Wasserzuführleitung Luft über den Wasseranschluss (142) zugeführt wird.

11. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffaufbereitungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zwischen der Brennstofflanze (118) und dem luftführenden Rohr (117) gebildeten Ringspalt (116) eine Luftströmung (131) mit einer Machzahl kleiner als 0.2 strömt.