DE4013339C2

DE4013339C2 -

Info

Publication number: DE4013339C2
Application number: DE19904013339
Authority: DE
Inventors: Horst-Dieter Aepfelbach; Helmut 5270 Gummersbach De Martin
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1989-04-27
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1992-07-23
Also published as: DE4013339A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mit unterschiedlichen, Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsgasen betreibbaren Brenner zur NO_X-armen Verbrennung von fließfähigen Brennstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to an operable with different oxygen-containing combustion gases burner for NO _x combustion of free-flowing fuels, with the features of the preamble of claim 1.

Aus der DE-Z "Technische Mitteilungen" 69. Jahrgang, Heft 3, März 1976, Bild 4, Seite 105, 106 ist ein derartiger Brenner bekannt. Dieser im kombinierten Gasturbinen- Dampfturbinen-Prozeß an Dampferzeugern einsetzbare zweiflutige Brenner wird zur Verbrennung von Erdgas und Öl eingesetzt und wahlweise mit Gasturbinenabgas oder Frischluft als Verbrennungsgas aus einer für mehrere Brenner gemeinsamen Gasvorlage betrieben.From DE-Z "Technische Mitteilungen" 69th year, issue 3, March 1976, picture 4, page 105, 106 is such a burner known. This in the combined gas turbine Steam turbine process double-flow burners that can be used on steam generators is used to burn natural gas and oil and optionally with gas turbine exhaust gas or fresh air as Combustion gas from one for several burners shared gas supply operated.

Beim Betreiben des Brenners mit Gasturbinenabgas strömt das Gasturbinenabgas durch die vom Trommelschieber ganz geöffnete, axial unterteilte Trommel durch das Kernrohr und die beiden parallel angrenzenden ringspaltförmigen Querschnitte durch den Brenner und zündet mit dem durch Brennstofflanzen geführten Brennstoff vor der Brennermündung.Flows when operating the burner with gas turbine exhaust gas the gas turbine exhaust through the drum slide entirely open, axially divided drum through the core tube and the two parallel annular gap-shaped Cross sections through the burner and ignite with the Fuel lances led before the fuel Burner mouth.

Als Verbrennungsgas nimmt das Gasturbinenabgas aufgrund seines Zustandes (z. B. 500°C; 16% O₂) einen großen Volumenstrom ein, der auf den gesamten für das Gasturbinenabgas verfügbaren Brenneraustrittsquerschnitt verteilt wird, wobei der äußere Teilstrom des Gasturbinenabgases weiter stromab vor der Brennermündung zur Reaktion gelangt. Eine so axial ausgedehnte Verbrennungszone und das hohe Rezirkulations-Äquivalent (niedriger O₂-Gehalt des Gasturbinenabgases) bewirkt eine ausreichende NO_X-Minderung beim Betrieb des Brenners mit Gasturbinenabgasen.As the combustion gas, the gas turbine exhaust gas takes on a large volume flow due to its state (e.g. 500 ° C; 16% O₂), which is distributed over the entire burner outlet cross-section available for the gas turbine exhaust gas, the outer partial flow of the gas turbine exhaust gas further downstream before the burner orifice Reaction. Such axially extended combustion zone and the high recirculation equivalent (low O₂ content of the gas turbine exhaust gas) causes a sufficient NO _x reduction during operation of the burner with gas turbine exhaust gases.

Beim Betreiben dieses Brenners mit Frischluft als Verbrennungsgas hingegen strömt ein aufgrund seines Zustandes (z. B. 30°C; 21% O₂) vergleichsweise kleiner Volumenstrom durch die vom Trommelschieber teilweise geöffnete Trommel durch das Kernrohr und den inneren parallel angrenzenden ringspaltförmigen Querschnitt durch den Brenner und zündet vor der Brennermündung. Die Verbrennung verläuft in einem brennernahen Bereich bei einem überstöchiometrischen Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis. Eine derartige Verbrennung erzeugt Rauchgase mit einer beträchtlichen Konzentration von NO_X.When this burner is operated with fresh air as the combustion gas, on the other hand, due to its condition (e.g. 30 ° C; 21% O₂), a comparatively small volume flow flows through the drum, which is partially opened by the drum slide, through the core tube and the inner, parallel, annular cross-section through the burner and ignites in front of the burner mouth. The combustion takes place in an area close to the burner with an over-stoichiometric oxygen-fuel ratio. Such combustion produces flue gases with a considerable concentration of NO _x .

Bei ähnlichen Brennern kann als Brennstoff Erdgas, Öl und Kohle kombiniert oder separat verfeuert werden. Solche Brenner weisen dazu ein der mittig angeordneten Brennstoffzufuhreinrichtung zugeordnetes Brennstoffzuführungselement in der Ausführungsform eines Staubrohres auf. Der Kohlenstaub wird in diesen Fällen durch das Staubrohr oder durch einen mit dem Staubrohr gebildeten ringspaltförmigen Querschnitt durch den Brenner zur Brennermündung gefördert.Similar burners can use natural gas or oil as fuel and coal can be combined or burned separately. Such Burners have one of the centrally arranged Associated fuel supply device Fuel supply element in the embodiment of a Dust pipe on. The coal dust in these cases through the dust tube or through one with the dust tube formed annular gap cross section through the burner promoted to the mouth of the burner.

Schließlich ist aus der DE-PS 3 46 473 ein Ölbrenner mit einer um eine mittige Brennstoffzuführung angeordneten zylindrischen Luftzufuhreinrichtung bekannt, welcher ein mit Durchlässen versehener axial verschiebbarer Trommelschieber zugeordnet ist. Der Trommelschieber dient der Regelung der Verbrennungsluftmenge, wodurch der Flamme nach Bedarf sowohl eine reduzierende als auch eine oxidierende Wirkung erteilt werden kann. Zur Aufrechterhaltung der Verbrennung wird ein geringer Teil der Verbrennungsluft immer durch einen die Brennstoffzuführung umgebenden Ringspalt zugeführt. Ein Betreiben dieses Brenners mit unterschiedlichen Verbrennungsgasen unter besonderer Berücksichtigung niedriger NO_X-Emissionen ist nicht vorgesehen.Finally, from DE-PS 3 46 473 an oil burner with a cylindrical air supply device arranged around a central fuel supply is known, to which an axially displaceable drum slide provided with passages is assigned. The drum slide valve regulates the amount of combustion air, which means that the flame can be given both a reducing and an oxidizing effect as required. To maintain the combustion, a small part of the combustion air is always supplied through an annular gap surrounding the fuel supply. Operation of this burner with different combustion gases with special consideration of low NO _x emissions is not provided.

Die Bildungsmechanismen, die die Bildung von Stickoxiden in technischen Feuerungen verursachen sind weitgehend bekannt. Relevant sind die thermischen NO_X-Bildung, die auf der Oxidation von molekularem Stickstoff beruht, und die Bildung von Brennstoff-NO_X, die über Oxidation im Brennstoff gebundener Stickstoffverbindungen erfolgt.The formation mechanisms that cause the formation of nitrogen oxides in technical furnaces are largely known. Relevant are the thermal NO _x formation, which is based on the oxidation of molecular nitrogen, and the formation of fuel NO _x , which takes place via oxidation of nitrogen compounds bound in the fuel.

In der DE 29 08 427 C2 ist ein Verfahren zur Verminderung der NO_X-Emission bei der Verbrennung von stickstoffhaltigen Brennstoffen beschrieben. Die Verbrennung erfolgt hier im brennernahen Bereich in einer primären Verbrennungszone unter Zugabe eines Teilluftstromes bei unterstöchiometrischem Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis. In einer stromabgelegenen sekundären Verbrennungszone erfolgt dann die vollständige Verbrennung des Brennstoffes unter Zugabe des Restluftstromes bei überstöchiometrischem Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis.DE 29 08 427 C2 describes a method for reducing the NO _x emission during the combustion of nitrogenous fuels. The combustion takes place in the area near the burner in a primary combustion zone with the addition of a partial air flow with a substoichiometric oxygen-fuel ratio. The complete combustion of the fuel then takes place in a downstream secondary combustion zone with the addition of the residual air stream at an over-stoichiometric oxygen-fuel ratio.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mit hinsichtlich Volumen und/oder Sauerstoffgehalt unterschiedlichen, sauerstoffenthaltenden Verbrennungsgasen betreibbaren Brenner der genannten Art zu schaffen, bei dem bei der Verbrennung im Frischluftbetrieb die NO_X-Emission vermindert ist.The invention is therefore based on the object of providing a burner of the type mentioned which can be operated with different volume and / or oxygen content and which contains oxygen-containing combustion gases, in which the NO _x emission is reduced during combustion in fresh air mode.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention by the features of the characterizing part of claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 und 3 hervor.Advantageous embodiments of the invention are shown in the Subclaims 2 and 3 emerge.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß beim Betreiben des Brenners mit Frischluft als Verbrennungsgas mit einer im Vergleich zum Gasturbinengas hohen Betriebsdichte durch Verschieben des Trommelschiebers auf einfache Art ein erster Teilstrom Frischluft durch das Kernrohr strömt und ein zweiter Teilstrom Frischluft durch den äußeren ringspaltförmigen Kanal im Tragrohr strömt und weiter stromab vor der Brennermündung zur Reaktion gelangt und somit eine NO_X-arme Verbrennung stattfindet. Dabei kann durch Gestaltung der Trommelschieberöffnung in Form und Größe Einfluß auf die durchströmende Frischluftmenge genommen werden.The advantages achieved by the invention are that when operating the burner with fresh air as the combustion gas with a high operating density compared to the gas turbine gas by moving the drum slide, a first partial flow of fresh air flows through the core tube in a simple manner and a second partial flow of fresh air through the outer annular gap channel flows in the supporting tube and further downstream reaches the reaction and thus takes place a low _NOx combustion in front of the burner mouth. The shape and size of the drum slide opening can influence the amount of fresh air flowing through.

Durch eine - nicht beanspruchte - trichterförmige Gestaltung der Mantelrohrmündung kann der durch den äußeren ringspaltförmigen Kanal strömende Teilstrom des Verbrennungsgases zwangsgeführt von der brennernahen Reaktionszone ferngehalten werden und so den Effekt der NO_X-armen Verbrennung durch gestufte Zugabe des Verbrennungsgases verstärken.By a - not claimed - funnel-shaped design of the jacket tube mouth of the air flowing through the outer annular gap duct part stream can of the combustion gas forced to be kept away from the burner near the reaction zone and strengthen so the effect of NO _x combustion by stepped addition of the combustion gas.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben, die schematisch einen Brenner im Längsschnitt zeigt.An embodiment of the Invention is described with reference to the drawing schematically shows a burner in longitudinal section.

Der Brenner weist eine Brennstoffzufuhreinrichtung auf, die aus einem Kernrohr 1 mit in ihm angeordneten brennstofführenden Lanzen 2 besteht.The burner has a fuel supply device which consists of a core tube 1 with fuel-guiding lances 2 arranged in it.

Bei einer anderen Ausführungsform kann anstatt der Lanzen 2 oder in Kombination mit ihnen ein mit unterbrochenen Linien dargestelltes Staubrohr 3 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, daß das Staubrohr 3 das Kernrohr 1 umgibt.In another embodiment, a dust tube 3 shown with broken lines can be provided instead of the lances 2 or in combination with them. It is also possible for the dust tube 3 to surround the core tube 1 .

Das Kernrohr 1 ist unter Bildung eines inneren ringspaltförmigen Kanales 4 von einem Mantelrohr 5 umgeben. Ein abschließendes Tragrohr 6 umhüllt das Mantelrohr 5 unter Bildung eines äußeren ringspaltförmigen Kanales 7. Jeweils ein Rohrende dieser Rohre 1, 5, 6 ist trichterförmig aufgeweitet und mündet unterschiedlich lang in eine Trommel 8. An das trichterförmige Ende 9 des Kernrohres 1 ist radial eine kreisringförmige Trennwand 10 angebracht, deren äußerer Durchmesser mit dem Durchmesser der Trommel 8 abschließt. Eine Brennerwand 11 bildet den stirnseitigen Abschluß des vorderen Teiles der Trommel 8. Die Trennwand 10 und die Brennerwand 11 begrenzen eine erste Trommelteilkammer 12. Gleichermaßen ist an das trichterförmige Ende 13 des Mantelrohres 5 eine Trennwand 14 angebracht, die eine benachbarte zweite Trommelteilkammer 15 mit der Breite b begrenzt. Die Trommelteilkammer 15 ist mit dem ringspaltförmigen inneren Kanal 4 verbunden. Eine, den hinteren Teil der Trommel 8 stirnseitig abschließende kreisförmige Wand 16 ist in gleicher Weise an ein trichterförmiges Ende 17 des Tragrohres 6 angebracht und begrenzt mit der Trennwand 14 eine Kammer 18. Eine Trennwand 19 teilt die Kammer 18 axial in einen brennerseitig nicht durchströmbaren Totraum 20 und in eine gleich breite hintere dritte Trommelteilkammer 21, die mit dem äußeren ringspaltförmigen Kanal 7 verbunden ist. Die Breite a der sich im vorderen Teil der Trommel 8 befindenden Trommelteilkammer 12 ist gleich den Breiten c, d des sich im hinteren Teil der Trommel 8 befindenden Totraumes 20 und der Trommelteilkammer 21.The core tube 1 is surrounded by a jacket tube 5 to form an inner annular channel 4 . A final support tube 6 envelops the casing tube 5 to form an outer annular channel 7 . One pipe end each of these pipes 1, 5, 6 is widened in a funnel shape and ends in a drum 8 of different lengths. At the funnel-shaped end 9 of the core tube 1 , an annular partition 10 is attached radially, the outer diameter of which is flush with the diameter of the drum 8 . A burner wall 11 forms the end of the front part of the drum 8 . The partition wall 10 and the burner wall 11 delimit a first partial drum chamber 12 . Similarly, a partition 14 is attached to the funnel-shaped end 13 of the casing tube 5 , which delimits an adjacent second drum sub-chamber 15 with the width b. The drum sub-chamber 15 is connected to the inner channel 4 in the form of an annular gap. A circular wall 16 , which closes the rear part of the drum 8 at the end, is attached in the same way to a funnel-shaped end 17 of the support tube 6 and delimits a chamber 18 with the partition wall 14 . A partition wall 19 divides the chamber 18 axially into a dead space 20 which cannot be traversed by the burner and into a rear third drum sub-chamber 21 of the same width, which is connected to the outer annular channel 7 . The width a of the partial drum chamber 12 located in the front part of the drum 8 is equal to the widths c, d of the dead space 20 located in the rear part of the drum 8 and of the partial drum chamber 21 .

Ein in axialer Richtung X verschiebbarer zylinderförmiger Trommelschieber 22 mit einer umlaufenden Trommelschieberöffnung A verschließt in einer Stellung G die beiden vorderen Trommelteilkammern 12 und 15 und die hintere Trommelteilkammer 21. Mehrere Bügel 23 verbinden die durch die umlaufende Trommelschieberöffnung A zweigeteilte Trommel 8.A cylindrical drum slide 22, which is displaceable in the axial direction X and has a circumferential drum slide opening A, closes the two front drum subchambers 12 and 15 and the rear drum subchamber 21 in a position G. A plurality of brackets 23 connect the drum 8 , which is divided into two by the circumferential drum slide opening A.

Die Breite e der Trommelschieberöffnung A ist gleich der Breite c des Totraumes 20, der in dieser Stellung G des Trommelschiebers 22 mit der Trommelschieberöffnung A fluchtet. Bei einer Stellung M des Trommelschiebers 22 wird der Brenner mit einem Verbrennungsgas hoher Betriebsdichte - wie Frischluft - betrieben, wobei der äußere ringspaltförmige Kanal 7 und das Kernrohr 1 durchströmt werden. Die vordere und hintere Trommelleitkammer 12, 21 der Trommel 8 sind dann brennerseitig durchstörmbar geöffnet. Bei einer Stellung 0 wird der Brenner mit einem Verbrennungsgas im Vergleich zur Frischluft niedrigerer Betriebsdichte - wie Turbinengas - betrieben, wobei der äußere ringspaltförmige Kanal 7, der innere ringspaltförmige Kanal 4 und das Kernrohr 1 durchströmt werden. Der Trommelschieber 22 gibt hierfür den gesamten Mantelbereich der Trommel 8 frei. Die beiden vorderen Trommelteilkammern 12,1 5 und die hintere Trommelteilkammer 21 sind dann brennerseitig durchströmbar.The width e of the drum slide opening A is equal to the width c of the dead space 20 , which is aligned with the drum slide opening A in this position G of the drum slide 22 . At a position M of the drum slide 22 , the burner is operated with a combustion gas with a high operating density, such as fresh air, whereby the outer annular gap-shaped channel 7 and the core tube 1 are flowed through. The front and rear drum guide chambers 12, 21 of the drum 8 are then opened so that they can be blown through on the burner side. At a position 0, the burner is operated with a combustion gas in comparison to fresh air of lower operating density - such as turbine gas - whereby the outer annular gap-shaped channel 7 , the inner annular gap-shaped channel 4 and the core tube 1 are flowed through. For this purpose, the drum slide 22 releases the entire jacket area of the drum 8 . The two front drum subchambers 12.1 5 and the rear part of the drum chamber 21 then flow through the burner side.

Das Tragrohr 6 mündet in Durchströmrichtung trichterförmig aufgeweitet im Feuerraum F. Ähnlich dieser kann bei einer anderen Ausführungsform auch die Mündungsgeometrie des Mantelrohres 5 ausgestaltet sein.The support tube 6 opens in the flow direction in a funnel shape in the combustion chamber F. Similarly, in another embodiment, the mouth geometry of the casing tube 5 can also be configured.

Bei solchen Brennern übliche Drallvorrichtungen 24, 25 sind innerhalb der trichterförmigen Rohrenden 13, 17 axial verschiebbar angeordnet, so daß die Gasströmung jeweils mehr oder weniger drallbeaufschlagt die ringspaltförmigen Kanäle 4, 7 durchströmt. Zur Drallbeaufschlagung der Kernströmung ist im hinteren Bereich des Brenners im Kernrohr 1 ein Drallkranz 26 angeordnet.Swirl devices 24, 25 customary in such burners are arranged axially displaceably within the funnel-shaped tube ends 13, 17 , so that the gas flow flows through the annular-gap-shaped channels 4, 7 in a more or less swirled manner. A swirl ring 26 is arranged in the core tube 1 in the rear area of the burner in order to apply swirl to the core flow.

Claims

1. With different oxygen-containing combustion gases operable burner for NO _x combustion of free-flowing fuels, with a centrally disposed core tube (1), at least a surrounding in this axially parallel fuel supply member, a core tube (1) jacket tube (5) and a the support tube ( 6 ) surrounding the casing tube ( 5 ), the upstream ends of the tubes ( 1, 5, 6 ) having a drum ( 12, 15, 21 ) axially divided into a plurality of partial drum chambers ( 12, 15, 21 ) by partition walls ( 10, 14, 19 ) 8 ) are connected, the drum subchambers ( 12, 15, 21 ) of which can be closed by an axially displaceable drum slide ( 22 ) and acted upon with different combustion gases, characterized in that the drum ( 8 ) seen in the main flow direction from a with the core tube ( 1 ) connected first drum sub-chamber ( 12 ), a second drum connected to the jacket tube ( 5 ) on the end face rapid chamber ( 15 ), a dead space ( 20 ) adjoining the end face and a third drum subchamber ( 21 ) connected to the support tube ( 6 ) adjoining the end face is constructed such that the widths (a, d, c) of the first and third drum subchamber ( 12, 21 ) and the dead space ( 20 ) are the same and the drum slide ( 22 ) has a drum slide opening (A) and that the drum slide opening (A) assumes an aligned position with the dead space ( 20 ) in a position (G) of the drum slide ( 22 ), in which all partial drum chambers ( 12, 15, 21 ) are closed.

2. Burner according to claim 1, characterized in that the drum slide opening (A) of the drum slide ( 22 ) represents a continuous circumferential opening, the two-part drum ( 8 ) being connected by a plurality of brackets ( 23 ).

3. Burner according to claim 1, characterized in that the drum slide opening (A) represents a plurality of partial openings distributed over the circumference of the drum slide ( 22 ).