DE3606625A1

DE3606625A1 - Pilotbrenner mit geringer no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission fuer feuerungsanlagen, insbesondere von gasturbinenanlagen, und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE3606625A1
Application number: DE19863606625
Authority: DE
Inventors: Bernard Dr.-Ing. 4330 Mülheim Becker
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-02-28
Publication date: 1986-09-04

Description

Pilotbrenner mit geringer NOx -Emission für Feuerungsan-
lagen, insbesondere von Gasturbinenanlagen, und Verfahren zu seinem Betrieb Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für Feuerungsanlagen, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinenanlagen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zu ihrem Betrieb.
Bei der Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe in Gasturbinen-Brennkammern entstehen als Schadstoffe im Abgas u. a. die Stickstoffoxyde NO oder NO2, die zusammengefaßt als NOx bezeichnet werden. Der NOx -Gehalt im Abgas ist aufgrund von Umweltschutzvorschriften möglichst gering zu halten, was in verschiedenen Leistungsbereichen der Brenneranordnung zu Schwierigkeiten führt.
Aus der DE- A- 29 50 535 ist es bekannt, für Gasturbinen -Brennkammern sogenannte Vormischbrenner einzusetzen, in deren Vormischkammern das Vormischen und Vorverdampfen des durch Brennstoffdüsen zugeführten flüssigen Brennstoffes und/oder das Vormischen des durch Brennstoffdüsen zugeführten gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft bei großer Luftüberschußzahl abläuft. Solche Vormischbrenner ermöglichen einen stark verringerten NOx -Ausstoß, besitzen aber einen wesentlich geringeren Arbeitsbereich als die konventionellen Diffusionsbrenner. Außerdem benötigen sie zur Stabilisierung der Verbrennung bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen von Brennstoff zu Verbrennungsluft sogenannte Pilotbrenner mit einer stabilen Flamme. Aus' der EP-B-O 108 361 ist eine Anordnung von als Vormischbrennern ausgelegten Hauptbrennern mit Pilot-Brennstoffdüsen bekannt, bei welcher eine Brennstoff-Regelein- richtung die Gesamtmenge und die Teilmengen des der Hauptbrennstoffdüse und der Pilotbrennstoffdüse zugeführten Brennstoffes in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine nach bestimmten Kriterien regelt.
Da bisher bekannte Pilotbrenner im allgemeinen als Diffusionsbrenner ausgebildet sind, wird ein großer Anteil der NOx -Emission der Brenneranordnung durch die Pilotflamme verursacht. Bekannte Anordnungen weisen daher Regelungen auf, welche den oder die Pilotbrenner in Lastbereichen, in denen dies möglich ist, abschalten bzw.
deren Brennstoffzufuhr möglichst weit verringern. Dadurch wird zwar in der Nähe des Auslegungspunktes eine geringe NOx -Emission erreicht, jedoch nicht in allen anderen Lastbereichen ein Optimum erzielt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Brenneranordnung, bei welcher in möglichst allen Lastbereichen die NO -Emission, die wesentlich auf die Pilotflamme zurückgeht, gering ist. Insbesondere soll in Teillastbereichen, in denen die Pilotflamme zur Stabilisierung der Hauptflamme nicht abgeschaltet werden kann, ein schadstoffarmer Dauerbetrieb des Pilotbrenners erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Verschiedene Ausgestaltungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 2 und 3 enthalten und werden im folgenden und anhand der Zeichnung näher erläutert.
Entsprechende Verfahren zum Betrieb dieser Anordnungen sind in den Ansprüchen 5 bis 10 angegeben.
Ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur vorliegenden Erfindung war die Erkenntnis, daß alle Maßnahmen, die bisher bei Hauptbrennern zur NOx -Reduzierung angewandt wurden, beispielsweise Vormischen von Brennstoff und Luft oder Zugabe von Inertstoffen, grundsätzlich auch auf Pilotbrenner angewandt werden können. Es hat sich herausgestellt, daß die Pilotflammen bei Brenneranordnungen in einem unverhältnismäßig großen Anteil an der Gesamt-NOx -Emission beteiligt sind, beispielsweise bei einem Brennstoffanteil der Pilotbrenner von etwa 10 % wird fast die Hälfte der NO -Emission der Gesamtanordnung x in der Pilotflamme erzeugt, sofern keine Gegenmaßnahmen getroffen werden. Daraus ergibt sich, daß in den Lastbereichen, in denen die Pilotbrenner zur Stabilisierung der Flammen der --Hauptbrenner benötigt werden, die NOx -Emission durch gezielte Veränderung bzw. Beeinflussung des Pilotbrenners maßgeblich verringert werden kann.
Eine Möglichkeit dazu ist, so abwegig dies auf den ersten Blick erscheinen mag, den Pilotbrenner nicht mehr nach dem Diffusionsprinzip, sondern als vom Hauptbrenner unabhängigen Vormischbrenner auszulegen. Zwar hat die Umwandlung der Hauptbrenner von Diffusionsbrennern zu Vormischbrennern gerade dazu geführt, daß Diffusionsbrenner als Pilotbrenner benötigt wurden, jedoch nur zur Stabilisierung der Flammen in einigen Lastbereichen. Pilotbrenner hingegen brauchen nicht unbedingt für verschiedene Lastbereiche ausgelegt zu sein, sondern können prinzipiell in irgendeinem gewünschten Lastbereich betrieben werden, da sie nur einen geringen Anteil der Gesamtleistung der Brenneranordnung erbringen. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, auch als Pilotbrenner Vormischbrenner einzusetzen, welche immer mit einem solchen Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben werden, daß sie eine stabile Flamme aufweisen und zusätzlich die Hauptflamme stabilisieren können.
Die Verwendung eines kleinen Vormischbrenners als Pilotbrenner ermöglicht zunächst in der Nähe des Auslegungspunktes einen optimalen, schadstoffarmen Betrieb, indem der Pilo.tbrenner mit etwa dem gleichen Mischungsverhältnis, beispielsweise mit einer Luftzahl k=1,8 + 0,3, betrieben wird wie der Hauptbrenner. Dies entspricht vom Schadstoffanteil her dem Betrieb eines bisher bekannten Vormischbrenners bei abgeschaltetem Pilotbrenner, wobei ggf. die Flamme sogar homogener ist, da die zu einem Diffusions-Pilotbrenner gehörenden Einbauten entfallen können.
Bei niedrigerer Gesamtlast des Hauptbrenners, d. h. bei magerem Mischungsverhältnis des Hauptbrenners, kann der Pilotbrenner weiterhin mit einem für den Schadstoffausstoß günstigen Mischungsverhältnis betrieben werden.
Ggf. muß das Gemisch des Pilotbrenners zur Stabilisierung der Gesamtflamme etwas reicher (z. B. l= 1,5 + 0,4) eingestellt werden. Selbst dadurch steigt die NOx -Emission nicht so stark an, wie das bei Verwendung eines Diffusions-Pilotbrenners der Fall wäre. Ggf. kann zur weiteren Reduzierung der NOx -Emission im Flammenbereich des Pilotbrenners ein Inertstoff beigemischt werden, vorzugsweise Wasser oder Dampf, wobei dieser Inertstoff seine Wirkung möglichst weitgehend im Flammenbereich des Pilotbrenners entfalten soll.
Diese Maßnahme eignet sich auch für Anlagen, bei denen als Pilotbrenner ein Diffusionsbrenner im Teillastbereich zugeschaltet ist. Auch in diesem Falle kommt es besonders darauf an, daß die beigemischten Inertstoffe die Pilotflamme beeinflussen. Daher sollte die Vorrichtung zur Zuführung der Inertstoffe, wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, so angeordnet sein, daß die Inertstoffe sich gerade mit dem Luft-- bzw. Luft-Brennstoff-Gemischanteil vermischen, welcher der Pilotflamme zugeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit ihren wesentlichen Teilen sind in schematischer Form in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 einen Vormischbrenner mit einem teilweise unabhängigen Vormisch-Pilotbrenner, Fig. 2 einen Vormischbrenner mit einem Diffusions-Pilotbrenner mit Inertstoff-Einspritzung und Fig. 3 einen Vormischbrenner mit vollig getrenntem Vormisch-Pilotbrenner.
In der Zeichnung sind sämtliche für die Erfindung unwesentlichen Teile, die üblicherweise zu Brenneranordnungen gehören und dem Fachmann genügend bekannt sInd, nicht dargestellt, um nur das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. Selbstverständlich können mehrere solcher Brenner in einer Brennkammer angeordnet werden, wobei ggf. die Zahl der Hauptbrenner und der Pilotbrenner nicht gleich sein muß. Ferner können jeweils mehrere Haupt- und/oder Pilotbrenner an einer gemeinsamen Brennstoff-Regeleinrichtung angeschlossen sein, wie dies zur Leistungsregelung hinreichend bekannt ist.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine im Prinzip rotations-symmetrische Brenneranordnung, mit einem Außengehäuse 1, einer Vormischstrecke 2, einem Drallstern bzw.
Flammenhalter 3, welcher im Austrittsbereich 4 des Brennstoff-Luft-Gemisches angeordnet ist. Der Vormischstrecke 2 wird, wie mit einem Pfeil angedeutet, Luft L zugeführt, in welche durch eine Brennstoff-Zuführleitung 5 aus Austrittsöffnungen 6 Brennstoff B2 eingeleitet wird.
Dabei gelten die prinzipiellen Ausführungen im folgenden für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, wobei ggf. nur die Austrittsöffnungen 6 modifiziert sein müssen. Die Vormischstrecke 2 ist in ihrem Endbereich konzentrisch durch eine Zwischenwand 7 unterteilt in einen den Hauptbrenner bildenden Außenbereich und einen dem Pilotbrenner .zugeordneten Innenbereich 12. In diesen Bereich 12 ragt eine zusätzliche Brennstoffleitung 10, welcher getrennt vom übrigen System Brennstoff B1 zuführbar ist. Durch Austrittsöffnungen 11 tritt der Brennstoff in den Innenbereich 12 ein und wird dort vorgemischt und über einen eigenen Drallstern bzw. Flammenhalter 8 seinem Auslaß 9 zugeführt. Durch entsprechende Zufuhr von Brennstoff B1 kann so im Pilotbrenner 7 immer ein stabil brennendes Gemisch eingestellt werden.
Brennt der Hauptbrenner ohnehin in einem stabilen Bereich, so erhält der Pilotbrenner ohne zusätzliche Zufuhr von Brennstoff. B1 das gleiche Gemisch. Wird jedoch das Gemisch des Hauptbrenners magerer, so kann dies durch zusätzliche Zufuhr von Brennstoff B1 kompensiert oder sogar überkompensiert werden, wodurch eine Stabilisierung der Gesamtflamme erreichbar ist. Im Extremfall, bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr B2 zum Hauptbrenner kann der Pilotbrenner 7 als kleiner Vormischbrenner prinzipiell weiter betrieben werden. Zusätzlich weist die Anordnung eine Möglichkeit zur Einspeisung von Inertstoffen I in die Vormischstrecke 12 des Pilotbrenners 7 auf, durch eine Dampf- und/oder Wasserleitung 14 mit einer entsprechenden Auslaßöffnung 15 kann der Pilotflamme Wasser bzw. Dampf oder ein anderer Inertstoff beigemischt werden, was insbesondere bei Betriebszuständen, in denen die Pilotflamme mit einem reichen Gemisch betrieben werden muß, eine Reduzierung der NOx-Emission bewirken kann.
Fig 2 zeigt einen Vormischbrenner mit einem integrierten Diffusions-Pilotbrenner mit separater Luftzuführung.
Der Hauptbrenner besteht aus einem Gehäuse 21, einer Vormischstrecke 22 und einem Flammenhalter bzw. Drallstern 23 im Austrittsbereich 24. Der Brennstoff B4 wird dem-Hauptbrenner über Brennstoffleitungen 25 mit Auslaßöffnungen 26 zugeführt und vermischt sich in der Vormischstrecke 22 mit der ebenfalls zugeführten Luft L.
Konzentrisch im Inneren des Hauptbrenners ist ein Pilotbrenner 27 mit separatem Luftzuführungskanal 33 angeordnet. Der Pilotbrenner weist einen eigenen Flammenhalter 28 und eine Brennstoffauslaßdüse 29 auf. Über eine Brennstoffleitung 30 wird gesondert Brennstoff B3 der Auslaßdüse 29 zugeführt. Zur Beeinflussung des Flammenbereiches des Pilotbrenners 27 weist dessen Luftführungskanal 33 eine Zuführleitung 34 für einen Inertstoff I auf mit einer geeignet geformten Auslaßdüse 35. Der aus dieser Düse austretende Inertstoff, vorzugsweise Wasser oder Dampf, vermischt sich mit der dem Pilotbrenner 27 zugeführten Luft L und erniedrigt so dessen Flammentemperatur, was die NO -Emission vermindert.
In Fig. 3 ist eine Brenneranordnung ähnlich der von Fig.
2 dargestellt, jedoch mit einem kleinen separaten Vormischbrenner als Pilotbrenner. Der Hauptbrenner weist wiederum ein Gehäuse 41, eine Vormischstrecke 42, einen Flammenhalter bzw. Drallstern 43 vor dem Auslaß 44 auf und besitzt Zuleitungen 45 für den Hauptanteil B6 des Brennstoffs mit Auslaßdüsen 46, welche für eine Vermischung mit dem Hauptanteil Luft L sorgen. Der Pilotbrenner 47 ist konzentrisch im Inneren des Hauptbrenners angeordnet und weist ebenfalls eine Vormischstrecke 52, eine Zuleitung 50 für Brennstoff B5 mit entsprechenden Auslaßdüsen 51 auf. Zusätzlich ist eine Zuleitung 54 für Inertstoffe I vorhanden, mit einer entsprechenden Auslaß- düse 55. Die Funktionsweise dieser Anordnung entspricht im Prinzip der von Fig. 1, nur daß der Pilotbrenner 47 vollständig von dem Hauptbrenner und dessen Vormischstrecke getrennt ist. Dadurch wird die Vormischstrecke des Pilotbrenners länger bzw. kann die Baulänge der Gesamtanordnung verringert werden. Auch bei dieser Anordnung sind die gegebenenfalls in bestimmten Lastzuständen zugeführten Inertstoffmengen hauptsächlich im Bereich der Pilotflamme vor dem Austritt 49 des Pilotbrenners 47 vorhanden.
Die angegebenen Ausführungsbeispiele stellen nur einige der prinzipiellen Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung dar. Insbesondere ist es möglich, mehrere Hauptbrenner um einen Pilotbrenner zu gruppieren oder andere als konzentrische Anordnungen zu wählen. Auch können unterschiedliche Zuleitungen für verschiedene Brennstoffe oder Inertstoffe mit unterschiedlich geformten Auslaßöffnungen und Vermischungseinrichtungen vorgesehen werden.
Die vorgeschlagenen Anordnungen eignen sich insbesondere für Brenneranordnungen, die auch im Teillastbereich eine geringe NOx-Emission aufweisen sollen.
10 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche Brenneranordnung für Feuerungsanlagen, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinenanlagen, wobei mindestens ein als Vormischbrenner ausgelegter Hauptbrenner (1; 21; 41) und mindestens ein Pilotbrenner (7; 27; 47) in einer Brennkammer angeordnet sind, und wobei eine Brennstoffregeleinrichtung die Gesamtmenge und die Teilmengen des dem Hauptbrenner (1; 21; 41) und dem Pilotbrenner (7; 27; 47) zugeführten Brennstoffes'in Abhängigkeit von der Last der Feuerungsanlage regelt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Brenneranordnung mindestens einen für Dauerbetrieb ausgelegten Pilotbrenner (7; 27; 47) aufweist, welcher durch seine Bauart und/oder Zusatzeinrichtungen (14, 15; 34, 35; 54, 55) eine geringe NO -Emission hat.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der Pilotbrenner (7; 47) ein separat von dem Hauptbrenner (1; 41) geregelter Vormischbrenner ist, welcher in Abhängigkeit von der Gesamtlast der Feuerungsanlage mit veränderbaren Brennstoff-Luft-Gemischen betreibbar ist.
3. Brenneranordnugn nach Anspruch 1 oder 2, d a durch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Pilotbrenner (7; 27; 47) mit Mitteln (14, 15; 34, 35; 54, 55) zur Zuführung von Inertstoffen (I), beispielsweise Wasser oder Dampf, in den Bereich der Pilotflamme ausgestattet ist.
4. Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung, insb.

für Brennkammern von Gasturbinenanlagen, wobei die Brenneranordnung mindestens einen als Vormischbrenner ausgebildeten Hauptbrenner (1; 21; 41) und mindestens einen Pilotbrenner (7; 27; 47) in einer Brennkammer aufweist, und wobei die Gesamtmenge und die Teilmengen des dem Hauptbrenner (1; 21; 41) und dem Pilotbrenner (7; 27; 47) zugeführten Brennstoffes in Abhängigkeit von der Last der Feuerungsanlage regelt, d a d u r ch g e k e n nz e i c h n e t, daß der Pilotbrenner (7; 27; 47) in allen Lastbereichen der Brenneranordnung mitbrennt, wobei jedoch die im Pilotbrenner (7; 27; 47) zugeführten Stoffe bzw.

deren Anteile in Abhängigkeit von der Gesamtlast der Feuerungsanlage verändert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß auch als Pilotbrenner (7; 47) ein kleiner Vormischbrenner verwendet wird, und daß bei abnehmender Gesamtlast der Brennstoffanteil (B1; B B5) im Pilotbrenner (7; 47) erhöht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Pilotbrenner (7; 47) im Bereich des Auslegungspunktes der Brenneranordnung mit etwa dem gleichen Mischungsverhältnis ( A = 1,8 + 0,3) betrieben wird wie der Hauptbrenner (1; 41).
7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Pilotbrenner (7; 47) bei niedriger Gesamtlast und magerem Mischungsverhältnis des Hauptbrenners(1; 41) mit reicherem Gemisch ( i = 15 + 0,4) betrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Flammenbereich des Pilotbrenners (7; 47) zumindest bei Teillast Inertstoffe (I) beigemischt werden, vorzugsweise Wasser oder Dampf.
9. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als Pilotbrenner (27) ein Diffusionsbrenner (29) verwendet wird und daß dessen Flammenbereich ständig Inertstoffe (I) beigemischt werden, vorzugsweise Wasser oder Dampf.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Inertstoff-Anteil (I) im Flammenbereich des Pilotbrenners (27) etwa 50 % bis 120 % der Brennstoffmenge (B3) des Pilotbrenners (27) beträgt, vorzugsweise etwa 100 %.