DE2350658A1

DE2350658A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von brennstoff in einer brennkammer

Info

Publication number: DE2350658A1
Application number: DE19732350658
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Kawaguchi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1972-10-09
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1974-05-02
Also published as: IT1006614B; FR2202230B1; GB1449150A; US3921389A; FR2202230A1; DE2350658C3; CH567695A5; DE2350658B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung .zur Verbrennung von Brennstoff in der Weise, .daß die Bildung von Rauch und Stickoxiden vermindert wird. -

Es wurde bisher als schwierig betrachtet, bei der Verbrennung von Brennstoffen die Bildung von Rauch und Stickoxiden zu unterdrücken. Eine Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und eine Begünstigung der Vermischung von Luft und Brennstoff zur Erhöhung der Verbrennungs temperatur mit dem Ziel, die gebildete Rauchmenge herabzusetzen und die Verweilzeit der Brennstoffteilchen in der Verbrennungszone zu verlängern, um dadurch den gebildeten Kohlenstoff erneut zu verbrennen, führte zur Bildung von Oxiden, des Stickstoffs, d.h. sogenannten Stickoxiden.

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Hz/Bl/M

Bisher wurden u.a. die folgenden drei Verfahren zur Unterdrückung der Stickoxidbildung bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer einer Gasturbine angewandt. Diesen Verfahren haften jedoch die folgenden Nachteile an:

Beim ersten Verfahren wird Wasserdampf aus einem an den Auslaß eines Luftverdichters angeschlossenen Verteilerrohr in den das Innenrohr bzw. .den Innenmantel der Verbrennkammer umgebenden Raum eingeleitet. Bei diesem Verfahren strömt eine große Dampfmenge vom Mittelabschnitt zum hinteren Abschnitt der Brennkammer in die Zwischenverbrennungszone und die Verdünnungszone, wodurch die Gastemperatur in der Brennkammer vermindert wird, was dazu führt, daß die Menge des gebildeten Rauchs zunimmt. Ausserdem ist bei diesem Verfahren eine außerordentlich große Menge an Wasserdampf erforderlich, d.h. ungefähr die doppelte Menge an Wasserdampf gegenüber dem Kraftstoff, um die gebildeten Stickoxide zu verringern, -

Beim zweiten Verfahren wird Wasserdampf um ein Kraftstoff-Einspritzventil herum eingespritzt. Bei diesem Verfahren verkleinert sich gelegentlich der Sprühkegelwinkel in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen der Position und der Menge der Wasserdampfeinspritzung mit dem Ergebnis, daß sich die gebildete Rauchmenge möglicherweise noch erhöht.

Das dritte Verfahren ist in einem Bericht mit dem Titel "Study on a method of promoting the combustion of heavy oil by the addition of water" (Technical Bulletin der Mitsubishi Heavy Industrial Company, Band 18, No,4, 31, JuIi 1971, Seiten 625-632) beschrieben und stellt eine Verbesserung der beiden vorstehend erwähnten Verfahren dar.

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Bei diesem Verfahren wird Schweröl im Gemisch mit 5 % Wasser verbrannt, wobei die Staubmenge (Kohlenstoffkonzentration) auf die,Hälfte des Wertes reduziert werden kann, der ohne Wasserzusatz erzielt wird. Ein mit einer Gasturbinen-Brennkammer durchgeführter Versuch hat jedoch gezeigt, daß die Bacharach-Rauchzahl (abgekürzt B.S.N.) des Rauchs sich nicht wesentlich ändert und daß z.B. im Fall einer Kesselverbrennung die Zugabe der erforderlichen Wassermenge praktisch unwirksam ist, um die gebildete Stickoxidmenge zu vermindern. Ausserdem erhöht sich dabei selbst bei einer geringfügigen Erhöhung des Luftverhältnisses (auf 100 bis 200 ppm) von bis zu 3 % die Menge der ausgestoßenen Stickoxide erheblich.

Ersichtlicherweise ist im Fall einer Gasturbinen-Brennkammer, bei welcher das Luftverhältnis bis zu 500 % beträgt, die einfache Wasserzugabe zum Brennstoff unzureichend, um die gebildete Stickoxidmenge herabzusetzen. Dies trifft sowohl dann zu, wenn das Wasser durch Einspritzen von Wasserdampf in die Verbrennungszone zugeführt wird als auch dann, wenn das Wasser dem Kraftstoff vorher zugemischt wird.

Der Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff bzw. Kraftstoff unter Wasserzusatz zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Verbrennung von mit Wasser versetztem Brennstoff in einer Brennkammer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der wasserhaltige Brennstoff und Luft über praktisch konzentrische Düsenöffnungen in die Brennkammer eingeleitet werden, wobei die Verbrennung in Gegenwart des Wassers in einer Hochtemperatur-Verbrerinungszone stattfindet.

Das Wasser kann dem Kraftstoff bzw. Brennstoff in flüssiger Form oder als Wassernebel bzw. -dampf zugesetzt werden.

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Der bevorzugte Hochtemperaturbereich für die Verbrennung liegt bei etwa 1500 bis 1600⁰C.

In weiterer Ausgestaltung wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff bzw. Kraftstoff ■ nach dem vorstehend umrissenen Verfahren geschaffen, die gekennzeichnet ist durch eine Brennkammer, die mit praktisch konzentrischen Düsenöffnungen für die Zuführung von Brennstoff und Luft zu ihr versehen ist, und eine Einrichtung zur Zufuhr von Brennstoff zur Brennkammer mit einer Mischkammer und einem Wassereinspritzrohr, das in die Misch?- kammer hineinreicht, und dessen Wand von einer Vielzahl von Öffnungen durchsetzt wird, deren Querschnittsflächen fortlaufend zum Ende des Wassereinspritzrohres hin abnehmen, um das Wasser gleichmäßig mit dem Brennstoff zu vermischen.

In der folgenden Beschreibung ist die Erfindung in Anwendung auf die Brennkammer einer Gasturbine erläutert. Dabei ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung gleichermaßen auf Brennkammern anwendbar ist, in denen die Verbrennung konstant stattfindet, z.B. auf Brennkammern von Kesseln ,und Aufladungskesseln, d.h. die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines speziellen Brennstoff-Einspritzventils beschränkt.

Eine Brennkammer einer Gasturbine .kann über ihre Länge hinweg in drei Abschnitte bzw. Zonen unterteilt werden, und zwar in Abhängigkeit von den in den betreffenden Zonen stattfindenden Vorgängen. Im Vorderabschnitt der Brennkammer, d.h. in der Primär-Verbrennungszone ist die über Öffnungen im Brennkammermantel eintretende Luft bestrebt, zu zirkulieren und sich stromauf gegen den Kraftstoffstrahl zu bewegen. Während des Verbrennungsvorganges gewährleistet diese Wirkung eine schnelle Verbrennung und verhindert einen Flammenabriß durch Festlegung einer Stabilisierungszone nied-

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riger Strömungsgeschwindigkeit, die als kontinuierliche Steuerzone für den Rest der Brennkammer wirkt. Im nächsten Abschnitt bzw. in der mittleren Verbrennungszone vermischt sich die über die Öffnungen im Brennkammermantel eintretende Luft mit etwaigen zurückbleibenden, brennfähigen Stoffen, die in der- Primär-Verbrennungszone nicht verbrannt worden sind unter vollständiger Verbrennung dieser Stoffe. Im dritten Abschnitt bzw. in der Verdünnungszone tritt wiederum Luft durch Öffnungen im Brennkammermantel hindurch, welche die heißen Gase abkühlt und verdünnt.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind Öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft zu einer Brennkammer konzentrisch um ein Kraftstoffventil herum verteilt, um das Luftverhältnis in der primären Verbrennungszone zu erhöhen und auf diese Weise die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungszone zu erhöhen und dadurch Bedingungen zu schaffen, unter denen die Verbrennung der Kraftstoffteilchen innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne stattfindet. Der Brennstoff wird dabei in Gegenwart von "Wasser verbrannt. Unter diesen Bedingungen wird die Verbrennungstemperatur gesenkt, v/eil das im Brennstoff bzw. Kraftstoff verdampfende Wasser die. Kraftstoffteilchen auf-. trennt, so daß die Flamme sehr kurz wird und der Kraftstoff nur eine kurze Verweilzeit in der Verbrennungszone besitzt. Infolgedessen verbrennen die Kraftstoffteilchen in der Primär-Verbrennungszone innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne , wodurch die gebildete Rauchmenge reduziert wird. Das Verhältnis von Luft zu Stickoxiden ist ebenfalls hoch, doch wird der Hauptanteil des Sauerstoffs bei der vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs verbraucht. Die Verweilzeit der durch die kurzen Flammen zurückgehaltenen Luft ist kurz_f woraus sich eine geringere Möglichkeit für die Bildung von Stickoxiden ergibt,,

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Die Bildung von Stickoxiden in einer mittleren bzw. Zwischen-Verbrennungszone kann auch dadurch unterdrückt werden, daß die Verbrennungsluft-Einlaßöffnungen in dieser Zwischenzone verschlossen werden₀

Flüchtige Öle lassen sich vergleichsweise einfach zerstäuben. Bei der Verbrennung von flüchtigen Ölen kann mithin die Erzeugung von Rauch und Stickoxiden durch Konzentration der Verbrennungsluft auf die Primär-Verbrennungszone kontrolliert werden, um die Verbrennungstemperatur zu erhöhen und die Flammen in der Primär-Verbrennungszone zu verkürzen, so daß eine lokale Zone gebildet wird, in welcher die vollständige Verbrennung stattfindet und indem eine kleine, regelbare Wassermenge in diese Zone eingespritzt wird. Die ■Wassereinspritzung in die Hochtemperatur-Verbrennungszone stellt einen wichtigen Faktor für die Begünstigung der Erzeugung von aktiven Hydroxylgruppen durch Zersetzung des Wassers bei hoher Temperatur dar, doch kann praktisch die gleiche Wirkung auch dadurch realisiert werden, daß das Wasser dem Kraftstoff vorher zugemischt wird.

Mit der Erfindung v/ird eine Vorrichtung einfacher Konstruktion geschaffen, in welcher Kraftstoff und Wasser für die Verwendung beim erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren gleichmäßig miteinander vermischt werden können. Bei dieser Vorrichtung erstreckt sich ein Wassereinspritzrohr in einem Kr aft stoff strom, der ein zu einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung führendes Kraftstoff-Speiserohr durchströmt. Das Wassereinspritzrohr ist mit Wassereinspritzöffnungen versehen, deren freie Öffnungsfläche vom Oberteil zum Unterteil des Rohres fortlaufend abnimmt. Da.bei diesem Wassereinspritzrohr die freie Öffnungsfläche der Einspritzöffnungen fortlaufend zum unteren Abschnitt des Rohres abnimmt, wo die Durchsatzmenge des Wassers niedrig und sein statischer Druck groß ist, kann das Wasser aus allen öffnun-

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gen gleichmäßig in den Kraftstoff eingespritzt -werden, so daß sich Wasser und Kraftstoff gleichmäßig miteinander vermischen lassen, obgleich sie unterschiedliche spezifische Gewichte besitzen. Ausserdem kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Wasser in optimaler Teilchengröße dem Kraftstoff zugemischt werden, ·

Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren besitzt die folgenden bedeutsamen Merkmale:

(1) Die Verbrennungsluft wird konzentrisch einer Primär-Verbrennungszone zugeführt, so daß die Temperatur in dieser Zone lokal erhöht und die Länge der Verbrennungsflammen verkürzt wird, wodurch eine vollständige Verbrennung der Kraftstoffteilchen in sehr kurzer Zeitspanne erzielt wird.

(2) Als Einrichtung zur feinen Verteilung der Kraftstoffteilchen wird gleichzeitig mit der genannten Zufuhr der Verbrennungsluft Wasserdampf in den Sprühkegel der Kraftstoffteilchen eingespritzt oder aber das Wasser dem Kraftstoff vorher zugemischt, wobei der Kohlenstoff beseitigende und Stickoxide reduzierende Effekt der aktiven Hydroxylgruppen, die in der Hochtemperatur-Verbrennungszone gebildet werden, ausgenützt wird.

(3) Zur Beschränkung der Hochtemperatur-Verbrennungszone auf' die primäre Verbrennungszone werden alle Verbrennungsluft-ZuI äs se in der Zwischen-Verbrennungszone geschlossen.

Diese Merkmale bieten folgende Wirkungen: Die Rauchentwicklung wird reduziert oder verhindert, indem der Verbrennungsgrad durch Zerstäubung des Kraftstoffs auf möglichst kleine Teilchengröße erhöht und die Kraftstoffteilchen verbrannt werden, bevor sie durch die Kühlluft in der Verdünnungszone

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abgekühlt werden. Ausserdem verringert sich der Sauerstoff-Teildruck, und die Geschwindigkeit der die Stickoxide bildenden Reaktion wird verlangsamt, da die Länge der Kohlenwasserstoff-Flammen kurzer und die Zeit für die Oxidationsreaktion von Stickstoff in Luft zu Stickoxiden verkürzt · wird.

Das dem Kraftstoff zugesetzte oder als Kraftstoff-Zerstäubungsfluidum in die Hochtemperatur-Verbrennungszone eingespritzte Wasser in Dampfform senkt die Verbrennungstemperatur in dieser Zone, teilt jedoch auch die Kraftstoffteilchen in der Nähe dieser Zone infolge der bei seiner Verdampfung freigegebenen Energie weiter auf. Ausserdem zersetzt sich das Wasser bei der hohen Temperatur nach dem nachstehenden Reaktionsschema unter Bildung aktiver Hydroxylgruppen OH:

2H₂O i ^ H₂ + 2OH

Diese Hydroxylgruppen OH sind hochreaktionsfähig und setzen sich nach dem nachstehenden Reaktionsschema mit den in einem angereicherten Zustand des Gemisches gebildeten Kohlenstoffteilchen um, wodurch auf an sich bekannte Weise die Kohlenstoff konzentration reduziert wird:

C + 2OH —ι > CO₂ + H₂

Infolge des Vorhandenseins von Wasser in der Hochtemperatur-Verbrennungszone v/erden mithin die Kraftstoffteilchen noch feiner aufgeteilt, wodurch die Flammenverkürzungswirkung hervorgebracht und mithin die Rauchmenge vermindert wird. Ausserdem kann durch die Wasserzugabe effektiv die Bildung von

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Stickoxiden und Rauch reduziert werden, da die Zeitspanne, ■während v/elcher sich die Stickoxide bilden könnten, sehr kurz ist, wobei die verminderte Verbrennungstemperatur die Stickoxidbildung unterdrückt und der gebildete Kohlenstoff durch die vorstehend genannte Wirkung der Hydroxylgruppen verbrannt wird. Aus den vorstehenden Erläuterungen ist jedoch ohne weiteres ersichtlich, daß durch das Vorhandensein von Wasser in der Zwischen-Verbrennungszone oder in der Verdünnungszone die Gastemperatur herabgesetzt und daher auch die Rauchentwicklung erhöht wird.

Tm folgenden sind bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Wirkung des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Brennkammer,

Fig. 3 einen in vergrößertem Maßstab .gehaltenen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Wasser-Zumischvorrichtung, wie sie¹ bei der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung Verwendung findet,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Kraftstoff-Speisesystem unter Einbeziehung der Wasser-Zumischvorrichtung gemäß Fig. 3.

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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Reduzierung des Rauchgehalts und der Bildung von Stickoxiden ist in der graphischen Darstellung von Fig. 1 näher veranschaulicht. Fig. 1 zeigt die gemessene Rauchzahl (P.S.N.) und den Stickoxidgehalt des Abgases einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammer, die in einer 11 MW-Gasturbine mit Schweröl-Brennstoffen A und B, denen Wasser zugemischt wurde, mit Voll-Last betrieben wurde. Obgleich der Wirkungsgrad der Brennkammer in Abhängigkeit von der verwendeten Brennstoffart variabel ist, ergibt sich die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung bei einem Mischungsverhältnis von Wasser zu Kraftstrom bzw. Brennstoff von etwa 2 %, während sie bei einem Mischungsverhältnis von etwa 8 bis 10 % am höchsten ist. Bei diesem Versuch verringerte sich der Rauchzahlwert des Rauches um etwa 1 Einheit, und der Rauch wurde praktisch unsichtbar, wenn dem Brennstoff Wasser in einer Menge von etwa 6 % zugesetzt wurde. Hierbei v/urde auch die Stickoxidkonzentration auf etwa 30 ppm wesentlich herabgesetzt«

Ein bedeutsames Merkmal der Erfindung besteht darin, daß durch Zumischung einer sehr geringen Wassermenge (6 bis 8 %) zu einem Kraftstoff bzw. Brennstoff nach einem einfachen Verfahren der Gehalt an Rauch und Stickoxiden reduziert werden kann_f wobei die in den Abgasen enthaltenen toxischen Bestandteile durch entsprechende Einstellung des zugemischten Wassers kontrolliert werden können. Im Gegensatz dazu führt bei einem bisher angewandten Verfahren zur Herabsetzung der Stickoxidbildung durch Einspritzung von Wasserdampf diese Wasserdampfeinspritzung an einer unzweckmäßigen Position lediglich zu einer Erhöhung der Rauchentwicklung, wobei eine der Kraftstoffmenge entsprechende oder diese sogar übersteigende Menge an Wasserdampf eingespritzt werden muß. Für die Wasserzumischung ist es wirksamer, die erforderliche Wassermenge dem Kraftstoff vorher -zuzumischen anstatt das Wasser getrennt' einzuspritzen, da hierbei das Wasser die Hoch-

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temperatur-Verbrennungszone ohne Störung der Teilchengrößenverteilung der Kraftstoffteilchen im Sprühkegel erreicht.

In Fig. 2 ist eine für das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren' geeignete Brennkammer dargestellt, die ein Kraftstoff-Einspritzventil 1, ein Wirbelventil bzw. eine Verwirbelungseinrichtung 2, Verbrennungsluft-Zulasse 3 und Kühlluft-ZuIässe 4 aufweist. Diese Brennkammer ist In eine Primär-Verbrennungszone a_, in eine Zwischen-Verbrennungszone b und in eine Verdünnungszone £ unterteilt. Das Wirbelventil 2 -weist Drehverwirbelungsschaufeln auf, die unter einem Winkel von 30 bis 35° gegenüber der Brennkammerachse geneigt und um das Einspritzventil 1 herum angeordnet sind, wobei Luft, vorzugsweise in einer Menge von 10 bis 14 % der Gesamtluftmenge, über.das Wirbelventil in die Brennkammer eingeleitet wird. Die in der Brennkammerwand an der Primär-Verbrennungszone vorgesehenen Verbrennungsluft-Zulasse 3 sind jeweils mit Verbrennungsluft-Führungsstutzen versehen und ihre gesamte Öffnungsfläche in der Primär-Verbrennungszone beträgt 25 bis 40 % der Gesamtöffnungsfläche aller Luftzulässe der Brennkammer. Etwa 25 bis 30 % der gesamten der Primär-Verbrennungszone a zugeführten Luft tritt über die Zulasse 3 ein. Die Primär-Verbrennungszone a bildet eine lokale Hochtemperaturzone, in welche der das zugemischte Wasser enthaltende Kraftstoff eingespritzt wird. Etwa 25 bis 30 % der gesamten zugeführten Luft tritt über die Zulasse 4 in der Verdünnungszone c_ in die Brennkammer ein. Die restlichen 30 bis 35 % der gesamten Zufuhrluft strömen an der Brennkammer entlang und kühlen deren Außenumfang.

Dn folgenden ist anhand der Fig. 3, 4 und 5 eine Ausführungsform einer Wasser-Zumischvorrichtung gemäß der Erfindung" erläutert, mit deren Hilfe dem Kraftstoff Wasser zugemischt wird. Gemäß den Fig. 3 und 4 ist ein Abschnitt eines zum Kraftstoffeinspritzventil führenden Kraftstoff-Speiserohrs

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unter Bildung einer Kraftstoff-Wasser-Mischkammer erweitert, und am oberen Ende eines von der Mischkammer nach oben abgehenden Abzweigrohrs ist ein Flansch 13 ausgebildet. Ein mit Wassereinspritzöffnungen 5 versehenes Wassereinspritzrohr 14 erstreckt sich praktisch senkrecht zum Kraftstoffstrom in die Mischkammer hinein. Das Rohr 14 ist mit Hilfe, von Schraubbolzen abnehmbar am Flansch 13 befestigt. Das Wassereinspritzrohr 14 wird von der Mischkammer dann abgenommen, wenn eine Einstellung der Wassereinspritzöffnung erforderlich wird oder eine Wasserzugabe unerwünscht ist; im letzteren Fall wird die obere Öffnung des Flanschrohres durch einen Blinddeckel verschlossen. Die Öffnungen 5 durchsetzen die Wand des in der Mischkammer befindlichen Teils des Wassereinspritzrohres 14 in drei lotrechten Reihen, die gemäß Fig. 4 in drei verschiedene Richtungen weisen, wobei jede Öffnung einen Durchmesser von 1 bis 2 mm besitzt. Eine dieser drei lotrechten Öffnungsreihen ist so angeordnet, daß das Wasser im Gegenstrom zum Kraftstoff eingespritzt wird. Wenn die Kraftstoff-Durchsatzmenge niedrig ist, werden einige dieser Öffnungen selektiv verschlossen, um das gewünschte Kraftstoff/Wasser-Mischverhältnis zu erreichen. Die gesamte Öffnungsfläche der Wassereinspritzöffnungen wird gleich groß oder kleiner als die Querschnittsfläche des Wassereinspritzrohrs gewählt, wobei die eingespritzte Wassermenge durch entsprechende Wahl der verwendeten Einspritzöffnungen eingestellt wird. Wenn der Durchmesser des Wassereinspritzrohres 14 größer ist als der Durchmesser der Wassereinspritzöffnungen 5 und der Mittenabstände zwischen ihnen, ist der Reibungsverlust im Wassereinspritzrohr gering, und die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohr verringert sich fortlaufend in Abwärtsrichtung, da das Wasser an jeder Öffnungsposition aus dem Rohr herausströmt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit schließlich am unteren Rohrende glpich Null wird. Da das Wasser seinen statischen Druck bis zum unteren Ende des Wassereinspritzrohres beibehält,

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tritt an den unteren Öffnungen eine zunehmend größere Viassermenge aus. Infolge des Unterschieds im spezifischen Gewicht zwischen Kraftstoff .und Wasser sind die Wasserteilchen bestrebt, sich am Boden der Mischkammer abzusetzen. Um eine gleichmäßige Verteilung der Wasserteilchen im Kraftstoff zu erreichen, nimmt daher der Durchmesser der Wassereinspritzöffnungen vom Oberteil zum Unterteil des Wassereinspritzrohres fortlaufend ab. Vom praktischen Standpunkt ist es zur Realisierung einer ungefähr gleichmäßigen Verteilung der Wasserteilchen vorteilhaft, den Öffnungsdurchmesser linear von 2 mm an den obersten Öffnungen auf 1 mm an den untersten Öffnungen zu variieren. Ein mit einer solchen Wassereinspritzvorrichtung durchgeführter Verbrennungsversuch zeigte, daß der Kraftstoff bzw. Brennstoff mit äußerst stabilen Plammen ohne Schwankungen der Verbrennungsfähigkeit des Kraftstoffs im Zeitablauf verbrannte, wobei die Wasserteilchen gleichmäßig im Kraftstoff verteilt waren und sich mit ständig willkürlicher Bewegung bewegten.

In Fig. 5 ist ein wirkungsvolles Kraftstoff-Zufuhrsystem unter Einbeziehung der Wasser-Zumischvorrichtung gemäß der Fig. 3 und 4 dargestellt. Bei diesem System kann die Wasser-Zumischvorrichtung einfach'in die Kraftstoffversorgungsanlage einer herkömmlichen Brennkammer eingefügt werden· Ein vom Auslaß einer nicht dargestellten Kraftstoffpumpe abgehendes Kraftstoffzufuhrrohr 21 ist durch einen Blindflansch 22 verschlossen und die vorstehend beschriebene Kraftstoff/Wasser-Mischvorrichtung 12- ist in ein Abzweigungsrohr 23 eingefügt, das vom Rohr 21 abgeht* Das Wasser wird durch eine Wassereinspritzpumpe P über ein handbetätigbares Ventil 24 zum Wassereinspritzrohr 14 der Mischvorrichtung 12 zugeführt. Als Wasserpumpe P kann eine solche verwendet werden, die einen dem Kraftstoffstrom proportionalen Wasserstrom liefert, so daß das. Wasser in einer

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der Durchsatzmenge des Kräftstoffs proportionalen Menge zugeführt v/ird. Ein zu einer Kraftstoff-Einspritzdüse führendes Speiserohr 25 für Kraftstoff/Wasser-Gemisch ist über eine Länge von etwa 10 m leicht geneigt, um eine Auftrennung von Kraftstoff und Wasser zu verhindern, wobei dieser Abschnitt des Gemisch-Speiserohres frei von Taschen und Aushöhlungen sein sollte." Am tiefsten Punkt des Systems ist vorzugsweise ein Ablaß- bzw. Entv/äs s erungs ventil angeordnet, um das System zu entwässern, wenn die Brennkammer nicht in Betrieb steht. Die Brennkammern selbst sind bei A angedeutet.

Zu Beginn der Verbrennung wird nur Kraftstoff zugeführt. Das Wasser wird dem Kraftstoff in geregelter Menge zu dem Zeitpunkt zugesetzt, an welchem bei zunehmender Verbrennungsbelastung Rauch und Stickoxide im Abgas auftreten. Durch Zugabe von 6 bis 8 % Wasser kann der Rauchzahlwert des Rauches um 1 Einheit herabgesetzt und die Konzentration an Stickoxiden von 75 ppm auf einen Wert von etwa 30 ppm verringert werden. Die zugemischte Wassermenge ist allerdings Beschränkungen unterworfen. Bei Zumischung zu grosser Wassermengen entsteht eine zunehmende Rauchentwicklung, obgleich dabei die Stickoxidanteile abnehmen. Zweckmäßigerweise können bis. zu etwa 10 % Wasser, bezogen auf den Kraftstoff, zugesetzt werden; dies entspricht lediglich einem Zehntel bis einem Zwanzigstel der beim herkömmlichen Verfahren zur Reduzierung der Stickoxidbildung durch Einspritzung von Wasserdampf verwendeten Wassermenge, Diese Tatsache stellt eines des vorteilhaften Merkmale der Erfindung dar.

Obgleich die Kraftstoff/Wasser-Mischvorrichtung 12 beim Kraftstoffversorgungssystem gemäß Fig. 5 an der Auslaßseite der Kraftstoffpumpe angeordnet ist, kann sie selbstverständlich auch, an der Ansaugseite der Pumpe vorgesehen

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sein. In diesem Fall muß eine Umwälzpumpe zum kontinuierlichen Umrühren des Kraftstoffs im Kraftstoffbehälter vorgesehen sein, da anderenfalls der Kraftstoff infolge der Wirkung eines an der Auslaßseite der Kraftstoffpumpe vorgesehenen Druckregelventils zum Kraftstoffbehälter zurückfließen und das mit dem Kraftstoff vermischte Wasser sich am Boden des Kraftstoffbehälters absetzen würde»

Zusammenfassend wird mit der Erfindung somit ein Verfahren zum Verbrennen von Kraftstoff bzw. Brennstoff in einer Brennkammer geschaffen, bei dem Kraftstoff und Luft über . konzentrische Öffnungen in die Brennkammer eingelassen und in Gegenwart von Wasser in einer Hochtemperatur-Verbrennungszone verbrannt werden. Bei diesem Verfahren wird die Entwicklung von Rauch und Stickoxiden reduziert. Ein bevorzugtes Verfahren zur Einbringung von Wasser in die Hochtemperatur-Verbrennungszone besteht darin_a das Wasser dem Kraftstoff zuzusetzen, bevor dieser in die-Verbrennungszone eingespeist wird. Weiterhin schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff bzw. Kraftstoff nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vor.

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Claims

- Io —

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Verbrennen von mit Wasser versetztem Brennstoff bzw. Kraftstoff in einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserhaltige Brennstoff und Luft über praktisch konzentrische Düsenöffnungen in die Brennkammer eingelassen werden und die Verbrennung in Gegenv/art von Wasser in einer Hochtemperatur-Verbrennungszone stattfinden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennstoff Wasser in einer Menge von 5 bis 10 %_t bezogen auf Brennstoffmenge, zugesetzt wird.
3. -Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennze i ohne t , daß in der Hochtemperatur-Verbrennungszone eine Temperatur im Bereich von I5OO bis 1600°C aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbrennungskammer die Brennkammer einer Gasturbine verwendet wird und daß zurtaittleren bzw. Zwischen-Verbrennungszone der Brennkammer keine Luft zugelassen wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der -Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet

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durch eine Brennkammer, die mit praktisch konzentrischen Düsenöffnungen für die Zuführung von Brennstoff und Luft zu ihr versehen ist, und eine Einrichtung zur Zufuhr von Brennstoff zur Brennkammer mit einer Mischkammer und einem ¥assereinspritzrohr, das in die Mischkammer hineinreicht und dessen Wand von einer Vielzahl von Öffnungen durchsetzt wird, deren Querschnittsflächen fortlaufend zum Ende des ¥asserein- - spritzrohres hin abnehmen, um das ¥asser gleichmäßig mit dem Brennstoff zu vermischen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d.adurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Querschnittsflächen zwischen der größten Öffnung und der ■ kleinsten Öffnung 2:1 beträgt.
7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der größten Öffnung 2 mm beträgt, während die kleinste ' Öffnung einen Durchmesser von 1 mm besitzt, _'
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsflachen der Öffnungen linear verkleinern.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,· daß die Öffnungen in drei parallel zur Achse des "Hassereinspritzrohres liegenden Reihen angeordnet sind, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß sich im Betrieb das aus den Öffnungen der mittleren Reihe des Viässereinspritzrohres austretende Vasser im Gegenstrom zum Brennstoffstrom bewegt. ^:
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da-·

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durch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Brennkammer einer Gasturbine ist, die in der mittleren bzw. Zv/ischen-Verbr ennungs zone der Brennkammer keine Zulasse für einen Lufteintritt aufweist.

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