DE19937921B4

DE19937921B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Brenner

Info

Publication number: DE19937921B4
Application number: DE1999137921
Authority: DE
Inventors: Marcel Stalder
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: DE19937921A1

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 energiereiches 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, gasförmige oder flüssige Brennstoffe verwendet. Um für die Verbrennung flüssigen Brennstoffes einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird der flüssige Brennstoff mit Hilfe einer Zerstäubungseinrichtung, die beispielsweise eine Druckzerstäuberdüse 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 ausgebildet 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 Leistung und Emissionswerte. Aus ”Gas Turbine Combustion, Arthur H. Lefebre, Hemisphere Puplishing Corporation, 1983, Seite 16” ist es bekannt, dem eigentlichen Brenner eine Verdampfungskammer vorzuschalten, in welche der flüssige Brennstoff als Nebel eingespritzt wird. Außerdem wird in diese Verdampfungskammer die für die Verbrennung benötigte Luft eingeleitet. Mittels einer geeigneten Wärmezufuhr wird dann in der Verdampfungskammer der Brennstoffnebel verdampft und gleichzeitig mit der Verbrennungsluft vermischt. Im direkt anschließenden Brenner erfolgt dann die Zündung und Verbrennung dieses Gemisches. 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-Brennstoffdampf-Gemisches und somit zu Verkokungen kommen kann.
Mit dem Ziel einer vollständigen Verbrennung offenbart die DE3609960 ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem ein Brennstoff zunächst in eine Mischkammer eingespritzt wird, dabei mit Dampf zerstäubt und vermischt wird, und die Mischung anschließend in eine Brennkammer eingespritzt wird. Weiter sind Ansätze Emissionen mit Hilfe von inerten Gasen zu reduzieren aus der DE19719197 , der DE2649938 und der US 4838029 bekannt.
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 Verdampfungskammer nicht vollständig verdampft werden und führen bei üblichen Verbrennungsanlagen zu hohen Schadstoffwerten im emittierten Abgas. Um beispielsweise die NO_x-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 abgesenkt wird, wodurch sich die NO_x-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; beispielsweise kann das Abgas mit Harnsäure bzw. Ammoniak entstickt werden.
Eine reduzierte Verbrennungsluftzufuhr, um Frühzündungen des Brennstoffdampf-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 Apparaturen innerhalb kürzester Zeit, mit der Folge, daß regelmäßig aufwendige Reinigungen 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 Massenstromes 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 Verbrennungsluft als separate Vorgänge auszugestalten, die möglichst weitgehend voneinander entkoppelt sind. Durch die dadurch erzielbare hochwertige Verdampfung des Brennstoffes kann außerdem die Schadstoffemission reduziert werden. Ebenso wird die Gefahr einer Koks- und Gummbildung reduziert, wodurch 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 werden müssen.
Insbesondere wenn der Brenner zum Betrieb einer Gasturbine oder zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampfturbine dient, führt die erfindungsgemäß verbesserte Verdampfung auch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades dieser Turbine. Außerdem bewirkt das dem Brennstoff zugemischte inerte Fluid, insbesondere wenn es sich dabei um Wasser-Dampf handelt, eine Absenkung der Flammentemperatur im Brenner, wodurch sich die NO_x-Bildung reduziert. Gleichzeitig vergrößert sich der den Brenner und somit die Turbine durchströmende Massenstrom, mit der Folge, daß die Leistung der Turbine zunimmt, sofern das Brennstoff/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 gleichbleibender Luftansaugung der Turbine das Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis entsprechend reduziert wird. Ebenso ist bei konstant bleibenden NO_x-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 beispielsweise 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 Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit nachgeschaltetem 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 angeschlossen ist, der in einer Brennkammer 5 mündet.
An ihrer Eingangsseite 6 weist die Verdampfungskammer 2 eine Zerstäubungseinrichtung 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 Mündung eine Zerstäubungsdüse 9 aufweist, die den als Flüssigkeit zugeführten Brennstoff in Tröpfchen zerlegt und dadurch den Brennstoffnebel erzeugt. Die Zuführung des flüssigen Brennstoffes ist hierbei durch einen Pfeil a symbolisiert.
Außerdem weist die Verdampfungskammer 2 an ihrer Eingangsseite 6 eine Fluidzuführung 10 auf, die an eine Quelle oder an ein Reservoir 17 für ein Inertfluid angeschlossen ist, was hier jedoch nur symbolisch angedeutet ist. Durch die Fluidzuführung 10 wird ein erhitztes gas- oder dampfförmiges inertes Fluid, vorzugsweise 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 mündet. 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 vorteilhafterweise 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 Verdampfungskammer 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 gekennzeichneten Axialabschnitt 13 der Verdampfungskammer 2 erfolgt die intensive Durchmischung des Brennstoffes mit dem Inert-Fluid. Die axiale Erstreckung dieses Axialabschnittes 13 ist dabei in Abhängigkeit des erzielbaren Volumenstromes durch die Verdampfungskammer 2 und in Abhängigkeit der Temperatur des eingeleiteten Fluids und des eingeleiteten Brennstoffes so gewählt, daß mit einer relativ hohen Wahrscheinlichkeit eine vollständige Verdampfung des Brennstoffes innerhalb dieses Axialabschnittes 13 erwartet werden kann.
Stromab des Axialabschnittes 13, jedoch noch innerhalb der Verdampfungskammer 2 und stromauf des Brenners 4 ist eine Luftzuführung 14 an die Verdampfungskammer 2 angeschlossen, die Verbrennungsluft in einen mit einer geschweiften Klammer gekennzeichneten, der Vormischung dienenden Axialabschnitt 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 Betriebsparameter des Brenners 4 oder einer nachgeschalteten Turbine geregelt werden.
Im Brenner 4 erfolgt dann die Hauptzuführung der Verbrennungsluft über eine entsprechende 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 Verdampfungskammer 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 Axialabschnitt 15 entsteht ein zündfähiges Gemisch aus inertem Fluid, Brennstoff-Dampf und Verbrennungsluft. Auf diese Weise findet eine axiale Auftrennung der Brennstoffverdampfung und der Bildung eines zündfähigen Gemisches statt. Im Unterschied zu herkömmlichen Anlagen, bei denen die Brennstoffverdampfung gleichzeitig mit der Vermischung mit Verbrennungsluft erfolgt, können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Nachteile herkömmlicher Anlagen, nämlich erhöh te NO_x-Werte aufgrund unzureichender Verdampfung bzw. Vermischung, Frühzündungen 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.

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

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, dieses inerte Fluid in eine Verdampfungskammer (2) eingeleitet wird und der Brennstoff zumindest nahezu vollständig innerhalb der Verdampfungskammer (2) in dem inerten Fluid verdampft und das Gemisch aus inertem Fluid und verdampftem Brennstoff unmittelbar von der Ausgangsseite (3) der Verdampfungskammer (2) in den dort angeschlossenen Brenner eingeleitet wird.
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 Vermischung des Brennstoffnebels mit dem inerten Fluid erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Fluid Wasser-Dampf oder Stickstoff-Gas oder ein Stickstoff-Gasgemisch oder ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch ist.
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.
Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes für einen Brenner (4), mit einer Verdampfungskammer (2), die eingangsseitig eine Fluidzuführung (10), die ein gas- oder dampfförmiges inertes Fluid in die Verdampfungskammer (2) einleitet, und eine Zerstäubungseinrichtung (7) aufweist, die einen flüssigen Brennstoff als Nebel in die Verdampfungskammer (2) einleitet, und ausgangsseitig unmittelbar 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 Inertfluidreservoir angeschlossen ist und daß das in die Verdampfungskammer (2) eingeleitete Fluid ein inertes Fluid ist und diese Verdampfungskammer (2) eine axiale Erstreckung aufweist, die so gewählt ist, daß der Brennstoff zumindest nahezu vollständige innerhalb dieser axialen Erstreckung verdampft.
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 Vermischung des Brennstoffnebels mit dem inerten Fluid erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Fluid Wasser-Dampf oder Stickstoff-Gas oder ein Stickstoff-Gasgemisch oder ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch ist.
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.