DE19937921A1

DE19937921A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Brenner

Info

Publication number: DE19937921A1
Application number: DE1999137921
Authority: DE
Inventors: Marcel Stalder
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: DE19937921B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Brenner (4), die eine Verdampfungskammer (2) aufweist. Die Verdampfungskammer (2) weist an ihrem Eingang eine Fluidzuführung (10), die ein gas- oder dampfförmiges Fluid in die Verdampfungskammer (2) einleitet, und eine Zerstäubungseinrichtung (7) auf, die einen flüssigen Brennstoff als Nebel in die Verdampfungskammer (2) einleitet. Die Verdampfungskammer (2) ist an ihrem Ausgang an den Brenner (4) angeschlossen. Der Brennstoff wird in der Verdampfungskammer (2) mit dem Fluid vermischt und durch Erhitzung verdampft. Um eine frühzeitige Zündung des Gemisches aus Fluid und Brennstoff zu vermeiden wird ein inertes Fluid verwendet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 5.

Stand der Technik

Mit Hilfe eines Brenners wird beispielsweise bei einer Kraftwerksanlage ein ener giereiches Abgas und/oder ein energiereicher Wasserdampf erzeugt, um damit eine Gasturbine bzw. eine Dampfturbine zu betreiben. Im Brenner wird zu diesem Zweck ein Brennstoff verfeuert. Je nach Brennertyp werden dabei feste, gasförmi ge oder flüssige Brennstoffe verwendet. Um für die Verbrennung flüssigen Brenn stoffes einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird der flüssige Brenn stoff mit Hilfe einer Zerstäubungseinrichtung, die beispielsweise eine Druck zerstäuberdüse aufweist, in Tröpfchen zerlegt, die einen Nebel bilden und somit nebelförmig in den Brenner eingeleitet werden. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Verbrennung flüssiger Brennstoffe wird dadurch erreicht, daß im Brenner ein Eintrittsbereich für die nebelförmige Brennstoffflüssigkeit aus gebildet wird, in dem durch die darin herrschenden Temperaturen ein Verdampfen des Flüssigkeitsnebels bewirkt wird. Der dann dampfförmig vorliegende Brennstoff ermöglicht eine besonders effektive Verbrennung hinsichtlich der erzielbaren Lei stung und Emissionswerte. Aus "Gas Turbine Combustion, Arthur H. Lefebre, Hemisphere Puplishing Corporation, 1983, Seite 16" ist es bekannt, dem eigentli chen Brenner eine Verdampfungskammer vorzuschalten, in welche der flüssige Brennstoff als Nebel eingespritzt wird. Außerdem wird in diese Verdampfungs kammer die für die Verbrennung benötigte Luft eingeleitet. Mittels einer geeigne ten Wärmezufuhr wird dann in der Verdampfungskammer der Brennstoffnebel verdampft und gleichzeitig mit der Verbrennungsluft vermischt. Im direkt an schließenden Brenner erfolgt dann die Zündung und Verbrennung dieses Gemi sches. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß die Zündverzugszeit bei dieser Vormischung aus Brennstoffdampf und Verbrennungsluft um Größenordnungen kleiner ist als beispielsweise bei einem Gemisch aus Methan oder Erdgas mit Luft. Dies hat zur Folge, daß es zu einer Frühzündung des Verbrennungsluft-Brenn stoffdampf-Gemisches und somit zu Verkokungen kommen kann.

Weitere Schwierigkeiten bestehen darin, daß die bei der Eindüsung des flüssigen Brennstoffes erreichbaren Tröpfchengrößen in großen Bereichen variieren und üblicherweise Durchmesser zwischen einigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern aufweisen. Die größeren Tropfen können in der Verdampfungskam mer nicht vollständig verdampft werden und führen bei üblichen Verbrennungs anlagen zu hohen Schadstoffwerten im emittierten Abgas. Um beispielsweise die NOX Bildung aufgrund einer ungenügenden Verdampfung und Verbrennung des Brennstoffes zu reduzieren, ist es bekannt, in die Verbrennungszone Wasser oder Wasserdampf einzudüsen. Dies hat zur Folge, daß die Flammentemperatur abge senkt wird, wodurch sich die NOX Bildung reduziert. Da das zugeführte Wasser dabei oftmals auch Flammenzonen stört, die zwar an sich wenig NO_x erzeugen, aber für die Flammenstabilität sehr wichtig sind, treten hierbei häufig Instabilitäten wie Flammenpulsation und/oder schlechter Ausbrand auf, was zum Anstieg des CO-Ausstoßes führt. Des weiteren sind teuere Sekundärmaßnahmen bekannt, mit denen das Abgas vor dem Ausstoß in die Umgebung behandelt wird; beispielswei se kann das Abgas mit Harnsäure bzw. Ammoniak entstickt werden.

Eine reduzierte Verbrennungsluftzufuhr, um Frühzündungen des Brennstoff dampf-Verbrennungsluft-Gemisches zu vermeiden, scheitert daran, daß sich beim Verdampfen des Brennstoffnebels dann Koks und Gumm bilden können. Ohne entsprechend aufwendige und teure Konstruktionen und Prozeßführungen beim Verdampfen des flüssigen Brennstoffs verkoken dabei die eingesetzten Apparatu ren innerhalb kürzester Zeit, mit der Folge, daß regelmäßig aufwendige Reinigun gen erforderlich sind.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, bei der die Gefahr einer frühzeitigen Zündung reduziert und die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes verbessert ist.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5 nicht Verbrennungsluft sondern ein inertes gas- oder dampfförmiges Fluid in die Verdampfungskammer eingeleitet wird, mit dem sich der Brennstoffnebel beim Verdampfen vermischt.

Durch die Verwendung eines inerten Fluids zur Ausbildung eines Gemisches mit dem Brennstoff kann zusammen mit der Auswahl eines geeigneten Massen stromes und einer geeigneten Temperatur eine vollständige Verdampfung des flüssigen Brennstoffes sichergestellt werden, ohne daß dabei die Gefahr einer frühzeitigen Zündung dieses Gemisches besteht. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Verdampfen des Brennstoffes und die Ausbildung eines zündfähigen Gemisches durch die Vermischung des Brennstoffes mit Ver brennungsluft als separate Vorgänge auszugestalten, die möglichst weitgehend voneinander entkoppelt sind. Durch die dadurch erzielbare hochwertige Ver dampfung des Brennstoffes kann außerdem die Schadstoffemission reduziert werden. Ebenso wird die Gefahr einer Koks- und Gummbildung reduziert, wo durch sich der Wartungsaufwand für die Anlage reduziert.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann das inerte Fluid erhitzt in die Verdampfungskammer eingeleitet werden, so daß die zur Verdampfung des Brennstoffes führende Erhitzung durch die Vermischung des Brennstoffnebels mit dem inerten Fluid erfolgt. Zusätzliche Maßnahmen zur Erhitzung des Brennstoffes in der Verdampfungskammer können somit entfallen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das inerte Fluid durch Wasserdampf gebildet sein. Insbesondere bei einer Kraftwerksanlage steht Wasserdampf regelmäßig zur Verfügung, so daß zur Realisierung einer derartigen Ausführungsform keine besonders aufwendigen Maßnahmen durchgeführt wer den müssen.

Insbesondere wenn der Brenner zum Betrieb einer Gasturbine oder zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampfturbine dient, führt die erfindungsgemäß ver besserte Verdampfung auch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades dieser Tur bine. Außerdem bewirkt das dem Brennstoff zugemischte inerte Fluid, insbeson dere wenn es sich dabei um Wasser-Dampf handelt, eine Absenkung der Flam mentemperatur im Brenner, wodurch sich die NOX Bildung reduziert. Gleichzeitig vergrößert sich der den Brenner und somit die Turbine durchströmende Massen strom, mit der Folge, daß die Leistung der Turbine zunimmt, sofern das Brenn stoff/Verbrennungsluft-Verhältnis des dem Brenner zur Verbrennung zugeführten Gemisches nicht verändert wird. Soll die von der Turbine aufgebrachte Leistung konstant gehalten werden, kann die NO_x-Bildung zusätzlich reduziert werden, wenn dem Brenner weniger Brennstoff zugeführt wird, das heißt, wenn bei gleich bleibender Luftansaugung der Turbine das Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis entsprechend reduziert wird. Ebenso ist bei konstant bleibenden NOX Anteil in den Abgasen eine Leistungssteigerung bei der Turbine erzielbar, indem dem Brenner mehr Brennstoff zugeführt wird, wobei sich das Brennstoff/Verbrennungsluft- Verhältnis entsprechend erhöht.

Insbesondere bei Teillastzuständen einer dem Brenner nachgeschalteten Turbine kann es vorteilhaft sein, wenn dem Gemisch aus inertem Fluid und Brennstoff dampf, bevor es in den Brenner eingeleitet wird, Verbrennungsluft mit zugemischt wird. Eine derartige zusätzliche Luftzuführung erfolgt geregelt und ist beispielswei se während eines Start- oder Zündvorganges des Brenners oder beim Hochfahren einer Turbine von Vorteil.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeich nung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Fi gur zeigt einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit nach geschaltetem Brenner, mit der das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend der einzigen Figur weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine Verdampfungskammer 2 auf, die an ihrer Ausgangsseite 3 an einen Brenner 4 an geschlossen ist, der in einer Brennkammer 5 mündet.

An ihrer Eingangsseite 6 weist die Verdampfungskammer 2 eine Zerstäubungs einrichtung 7 auf, die flüssigen Brennstoff als Nebel in die Verdampfungskammer 2 einleitet. Zu diesem Zweck weist die Zerstäubungseinrichtung 7 ein Rohr 8 auf, das im Eintrittsbereich der Verdampfungskammer 2 mündet und in dieser Mün dung eine Zerstäubungsdüse 9 aufweist, die den als Flüssigkeit zugeführten Brennstoff in Tröpfchen zerlegt und dadurch den Brennstoffnebel erzeugt. Die Zu führung des flüssigen Brennstoffes ist hierbei durch einen Pfeil a symbolisiert.

Außerdem weist die Verdampfungskammer 2 an ihrer Eingangsseite 6 eine Fluid zuführung 10 auf, die an eine Quelle oder an ein Reservoir 17 für ein Inertfluid an geschlossen ist, was hier jedoch nur symbolisch angedeutet ist. Durch die Fluid zuführung 10 wird ein erhitztes gas- oder dampfförmiges inertes Fluid, vorzugs weise Wasser-Dampf, in die Verdampfungskammer 2 eingeleitet. Zu diesem Zweck ist im Eingangsbereich der Verdampfungskammer 2 eine Eintrittsdüse 11 ausgebildet, die eingangsseitig das Inert-Fluid von einer Zuführungsleitung 12 der Fluidzuführung 10 erhält und ausgangsseitig in die Verdampfungskammer 2 mün det. Die Fluidströmung ist dabei durch Pfeile b symbolisiert.

Sofern der Brenner 4 zum Betrieb einer Turbine, insbesondere einer Gas- oder Dampf-Turbine oder einer kombinierten Turbine verwendet wird, die z. B. in einer Kraftwerksanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom dient, wird vorteilhafter weise Wasser-Dampf als Inert-Fluid verwendet, da Wasser-Dampf bei derartigen Anlagen ohnehin zur Verfügung steht, so daß hier keine besonders aufwendigen Maßnahmen zur Realisierung der Wasser-Dampf-Zuführung durchgeführt werden müssen. Anstelle der Verwendung von Wasser-Dampf sind jedoch auch andere Inert-Fluide, wie z. B. Stickstoff- oder Edel-Gase bzw. deren Gasgemische, zur Einleitung in die Verdampfungskammer 2 geeignet.

Das in die Verdampfungskammer 2 eingeleitete gas- oder dampfförmige inerte Fluid ist erhitzt, derart, daß die Verdampfung des als Nebel in die Verdampfungs kammer 2 eingespritzten flüssigen Brennstoffes durch die Vermischung des Brennstoffnebels mit dem Inert-Fluid stattfindet, ohne daß dazu eine zusätzliche Wärmeenergiezufuhr erforderlich ist. Beispielsweise kann Wasser-Dampf mit einer Temperatur von mindestens 120° zur Verdampfung des Brennstoffnebels in die Verdampfungskammer 2 eingeleitet werden.

In einem an die Düse 9 angrenzenden, mit einer geschweiften Klammer gekenn zeichneten Axialabschnitt 13 der Verdampfungskammer 2 erfolgt die intensive Durchmischung des Brennstoffes mit dem Inert-Fluid. Die axiale Erstreckung die ses Axialabschnittes 13 ist dabei in Abhängigkeit des erzielbaren Volumenstromes durch die Verdampfungskammer 2 und in Abhängigkeit der Temperatur des ein geleiteten Fluids und des eingeleiteten Brennstoffes so gewählt, daß mit einer re lativ hohen Wahrscheinlichkeit eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes innerhalb dieses Axialabschnittes 13 erwartet werden kann.

Stromab des Axialabschnittes 13, jedoch noch innerhalb der Verdampfungs kammer 2 und stromauf des Brenners 4 ist eine Luftzuführung 14 an die Ver dampfungskammer 2 angeschlossen, die Verbrennungsluft in einen mit einer ge schweiften Klammer gekennzeichneten, der Vormischung dienenden Axialab schnitt 15 der Verdampfungskammer 2 einleitet. Die Lufteinleitung ist hier durch einen Pfeil c symbolisiert. Diese zusätzliche Zuführung von Verbrennungsluft kann bedarfsabhängig bzw. in Abhängigkeit bestimmter Betriebszustände oder Be triebsparameter des Brenners 4 oder einer nachgeschalteten Turbine geregelt werden.

Im Brenner 4 erfolgt dann die Hauptzuführung der Verbrennungsluft über eine ent sprechende Zuführungseinrichtung 16. Die Hauptzuführung der Verbrennungsluft ist hier durch einen Pfeil d symbolisch dargestellt. Die eigentliche Verbrennung des Brennstoffes erfolgt dann in der Brennkammer 5.

Da die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes in der Verdampfungskammer 2 mit Hilfe des inerten Fluids durchgeführt wird, bildet sich in der Verdampfungs kammer 2 zumindest im Axialabschnitt 13 ein nicht zündfähiges Gemisch aus Brennstoff-Dampf und Inert-Fluid, wodurch eine frühzeitige Zündung vermieden wird. Erst durch die Zuführung von Verbrennungsluft entweder im Brenner 4 oder zusätzlich bzw. alternativ bereits in dem der Vormischung dienenden Axialabs chnitt 15 entsteht ein zündfähiges Gemisch aus inertem Fluid, Brennstoff-Dampf und Verbrennungsluft. Auf diese Weise findet eine axiale Auftrennung der Brenn stoffverdampfung und der Bildung eines zündfähigen Gemisches statt. Im Unter schied zu herkömmlichen Anlagen, bei denen die Brennstoffverdampfung gleich zeitig mit der Vermischung mit Verbrennungsluft erfolgt, können bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung die Nachteile herkömmlicher Anlagen, nämlich erhöh te NO_x Werte aufgrund unzureichender Verdampfung bzw. Vermischung, Früh zündungen aufgrund verkürzter Zündverzugszeiten, Verunreinigung der Anlage durch Koks- und Gumm-Bildung, vermieden werden. Außerdem kann gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Brenners sowie einer damit betriebenen Turbine erhöht werden.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Verdampfungskammer

3

Ausgangsseite von

2

4

Brenner

5

Brennkammer

6

Eingangsseite von

2

7

Zerstäubungseinrichtung

8

Rohr

9

Zerstäubungsdüse

10

Fluidzuführung

11

Düse

12

Zuführungsleitung

13

Axialabschnitt

14

Luftzuführung

15

Axialabschnitt

16

Luftzuführung

17

Quelle/Reservoir von inertem Fluid

Claims

1. Verfahren zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Brenner (4), wobei ein flüssiger, nebelförmiger Brennstoff bevor er in den Brenner (4) eingeleitet wird, mit einem gas- oder dampfförmigen Fluid vermischt und durch Erhitzung verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein inertes Fluid ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Fluid erhitzt wird, bevor es mit dem Brennstoffnebel vermischt wird, so daß die zur Verdampfung des Brennstoffnebels führende Erhitzung durch die Ver mischung des Brennstoffnebels mit dem inerten Fluid erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in erte Fluid Wasser-Dampf oder Stickstoff-Gas oder ein Stickstoff-Gas gemisch oder ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus inertem Fluid und Brennstoffdampf, bevor es in den Brenner (4) eingeleitet wird, mit Luft vermischt wird.

5. Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Bren ner (4), mit einer Verdampfungskammer (2), die eingangsseitig eine Fluid zuführung (10), die ein gas- oder dampfförmiges Fluid in die Verdamp fungskammer (2) einleitet, und eine Zerstäubungseinrichtung (7) aufweist, die einen flüssigen Brennstoff als Nebel in die Verdampfungskammer (2) einleitet, und ausgangsseitig an den Brenner (4) angeschlossen ist, wobei der Brennstoffnebel in der Verdampfungskammer (2) sich mit dem Fluid vermischt und durch Erhitzung verdampft, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidzuführung (10) an eine Inertfluidquelle (17) oder an ein Inertfluid reservoir angeschlossen ist und daß das in die Verdampfungskammer (2) eingeleitete Fluid ein inertes Fluid ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Fluid erhitzt in die Verdampfungskammer (2) eingeleitet wird, so daß die zur Verdampfung des Brennstoffnebels führende Erhitzung durch die Vermi schung des Brennstoffnebels mit dem inerten Fluid erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Fluid Wasser-Dampf oder Stickstoff-Gas oder ein Stickstoff-Gas gemisch oder ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem brennernahen Abschnitt (15) der Verdampfungskammer (2) eine Luftzuführung (14) an die Verdampfungskammer (2) angeschlossen ist, die Luft in die Verdampfungskammer (2) einleitet, wobei sich die Luft mit dem Gemisch aus Fluid und Brennstoffdampf vermischt, bevor die so gebildete Mischung in den Brenner (4) eintritt.