DE4304213A1

DE4304213A1 - Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage

Info

Publication number: DE4304213A1
Application number: DE4304213A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Hans Peter Knoepfel; Wolfgang Dr Polifke; Thomas Dr Sattelmayer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1994-08-18
Also published as: JP3512455B2; EP0610722B1; US5375995A; DE59402785D1; EP0610722A1; JPH06241423A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb einer Brenn kraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage, der neben der üblichen Öl- oder Erdgasfeue rung auch zur Verbrennung von gasförmigen, hochreaktive Kom ponenten enthaltenden Brennstoffen mit einem mittleren Heiz wert eingesetzt werden kann.

Stand der Technik

Brennstoffe mit einem mittleren Heizwert von etwa 10 MJ/kg bis 25 MJ/kg, die hochreaktive Komponenten, wie z. B. Wasser stoff, enthalten, zeichnen sich durch hohe Flammengeschwin digkeiten und geringe Zündverzugszeiten aus. Solche Brenn stoffe entstehen unter anderem bei der sauerstoffgeblasenen Vergasung von Schweröl, Rückstandsöl, Teer und Kohle. Das Vergasungsprodukt besteht zum größten Teil aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem maximalen Volumenverhältnis von H₂ zu CO von 0,9.

Derartige Brennstoffe müssen bisher vor der Verbrennung mit Wasserdampf und Stickstoff verdünnt werden. Das führt dazu, daß die Flammengeschwindigkeit wesentlich verringert wird, die Zündverzugszeit vergrößert wird und der Heizwert auf Werte kleiner 10 MJ/kg sinkt.

Nachteil an diesem Stand der Technik ist, daß für die Ver brennung in einer Gasturbine die Verdünnungsmedien auf Brenn kammerdruckniveau verdichtet werden müssen und große Brenn stoffleitungsquerschnitte erforderlich sind, und daß die Verdünnungsmedien am Ort der Verbrennung verfügbar sein müs sen. Letzteres ist insbesondere dort von Nachteil, wo kein Wasser in ausreichender Menge und Qualität oder kein Stick stoff verfügbar ist.

Mit dem z. B. aus EP 0518072 und EP 0521325 bekannten Doppel kegelbrenner zur schadstoffarmen Verbrennung war es bisher nur möglich, flüssige Brennstoffe und gasförmige Brennstoffe niedriger Reaktivität zu verbrennen. Die direkte Verbrennung von gasförmigen, hochreaktive Komponenten, z. B. Wasserstoff, enthaltenden Brennstoffe konnte bisher mit diesen Brennern nicht realisiert werden.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner und ein Verfahren zum Betrieb des Brenners einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage zu schaffen, bei dem neben der üblichen Öl- oder Erdgasfeuerung auch gasförmige, hochreaktive Komponenten enthaltende Brenn stoffe mit einem mittleren Heizwert eingesetzt werden können, ohne daß diese vor der Verbrennung mit Wasserdampf und Stickstoff verdünnt werden müssen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Brenner gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1 dadurch erreicht, daß für den gas förmigen, hochreaktive Komponenten enthaltenden Brennstoff mit mittlerem Heizwert in der Nähe des Brenneraustritts in einer Entfernung vom Brenneraustritt von bis zu 30% des Brenner nenndurchmessers mindestens eine Reihe Düsen am Umfang der Teilkegelkörper angebracht ist und eine Brennstoffleitung so wie ein im Bereich der Düsen plazierter Verteilkanal für den hochreaktiven Brennstoff vorhanden sind, wobei die beiden Sy steme zur Eindüsung der gasförmigen Brennstoffe unabhängig voneinander angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zum Betrieb des o.g. Brenners dadurch erreicht, daß der hochreaktive Brennstoff mit großer Geschwindigkeit in der Nähe des Bren neraustritts in die Zonen hoher Luftgeschwindigkeit gedüst wird und die Eindringtiefe und Richtung der Brennstoffstrah len so aufeinander abgestimmt werden, daß die Zündung nach vollzogener Mischung erst hinter dem Brenner erfolgt.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem im Wegfall der bisher vor der Verbrennung notwendigen Verdünnung des gasför migen, hochreaktive Komponenten enthaltenden Brennstoffs mit Stickstoff und Wasserdampf und der erforderlichen Verdichtung der Verdünnungsmedien auf Brennkammerdruck zu sehen. Weiter hin wird eine stabile und schadstoffarme Verbrennung der Brennstoffe unter Gasturbinenbedingungen erreicht. Da die Brennstoffsysteme im Brenner voneinander unabhängig angeord net sind, ist der Brenner weiterhin auch im bereits bekannten Erdgas- und Ölbetrieb voll funktionsfähig.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Durchmesser der ein zelnen Düsen kleiner als 1% des Brennernenndurchmessers ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn etwa 15 Düsen vorhanden sind.

Es ist zweckmäßig, wenn in den zwei unabhängigen Systemen zur gasförmigen Brennstoffeindüsung einerseits Brennstoffe mit hohem Heizwert und niedriger Reaktivität und andererseits Brennstoffe mit hoher Reaktivität und mittlerem Heizwert ge führt werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Brenner im Mischbetrieb mit beiden Gaseindüsungsarten mit einem oder zwei unter schiedlichen gasförmigen Brennstoffen oder alternativ mit einem flüssigen Brennstoff betrieben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Darstellung des Brenners, wobei in dem teilweisen Schnitt besonders die tangentialen Luftzuführungen zu sehen sind.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Aus der Figur geht hervor, daß der Brennerkörper aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1 und 2 besteht, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Bedingt durch diesen geometri schen Aufbau kann man von einem Doppelkegelbrenner sprechen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen der Teilkegelkör per 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten der Teilkegel körper 1, 2 jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 4 und 5, durch welchen die Verbrennungsluft 12 in den Innenraum des Doppelkegelbrenners, d. h. in den Kegelhohlraum 6, strömt.

Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen je einen zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a auf, welche ebenfalls analog den Teilke gelkörpern 1, 2 versetzt zueinander verlaufen, so daß von Anfang an die tangentialen Lufteintrittsschlitze 4,5 vorhan den sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 1a, 2a ist eine Düse 3 untergebracht, die für die Zufuhr des flüssigen Brenn stoffes 13 sorgt. Der Doppelkegelbrenner kann selbstverständ lich auch ohne die zylindrischen Anfangsteile 1a, 2a ausge führt sein.

Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstofflei tung 7, 8 auf, die mit Brennstoffdüsen 9 versehen sind, durch welche der gasförmige Brennstoff 14 strömt, der der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 4, 5 strömenden Verbren nungsluft 12 zugemischt wird. Die Brennstoffleitungen 7, 8 sind am Ende der tangentialen Lufteintrittsschlitze 4, 5 an geordnet, so daß dort die Zumischung des Brennstoffes 14 mit der einströmenden Verbrennungsluft 12 erfolgen kann.

Selbstverständlich ist ein Mischbetrieb mit beiden Brennstof fen 13 und 14 möglich. Am Brenneraustritt weist der Doppelke gelbrenner eine Frontplatte 16 auf. Der durch die Düse 3 strömende flüssige Brennstoff 13 wird in einem spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 6 eingedüst. Das kegelige Flüssigbrenn stoffprofil wird dann von der tangential anströmenden Ver brennungsluft 12 rotierend umschlossen. Wird gasförmiger Brennstoff 14 eingedüst, geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 12 direkt am Ende der tangentialen Luftein trittsschlitze 4, 5. Bei Eindüsung des flüssigen Brennstoffes 13 wird im Bereich der Rückströmzone die optimale homogene Brennstoffverteilung erreicht. Die Zündung selbst erfolgt an der Spitze der Rückströmzone außerhalb des Brenners. Dieser eben beschriebene Betrieb des Doppelkegelbrenners mit Erdgas und Öl ist bereits bekannt.

Erfindungsgemäß sind in der Nähe des Brenneraustritts in einer Entfernung von bis zu 30% des Brennernenndurchmessers (entspricht der größten lichten Weite des Brenners) am Um fang auf den beiden Teilkegelkörpern 1, 2 Eindüsungsstellen (Düsen 10) für den gasförmigen, hochreaktive Komponenten enthaltenden Brennstoff 15 mit mittlerem Heizwert angeordnet. Der Brennstoff 15 wird über die Brennstoffleitung 11 dem Ver teilkanal 17, welcher im Bereich der Düsen 10 am Umfang der Teilkegelkörper 1, 2 plaziert ist, zugeführt. Er strömt dann durch die Düsen 10 in den Kegelhohlraum 6 und wird dort der Verbrennungsluft zugemischt.

Die Düsen 10 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer Reihe angeordnet und in radialer Richtung ausgerichtet. Selbstverständlich können diese Düsen 10 in anderen Ausfüh rungsbeispielen der Erfindung auch in mehreren Reihen ange bracht sein. Zur Optimierung der Mischung kann auch die An stellung der Düsen 10 in axialer und azimutaler Richtung vorteilhaft sein. Die Düsen 10 sollen möglichst so ausgerich tet sein, daß eine vollständige Mischung mit der gesamten zur Verfügung stehenden Luft erfolgt.

Damit eine gute Vormischung erfolgt, sind etwa 15 Düsen 10 am Umfang der Teilkegelkörper 1, 2 erforderlich. Der Durchmesser einer Düse 10 ist dabei kleiner als 1% des Brennernenndurch messers, so daß man von einem Mikroflammenbrenner sprechen kann.

Die beiden Systeme zur Eindüsung der gasförmigen Brennstoffe 14, 15 (einerseits die Brennstoffleitungen 7, 8 und die Düsen 9, andererseits die Brennstoffleitung 11, der Verteilkanal 17 und die Düsen 10) sind getrennt voneinander angeordnet.

Die besondere Schwierigkeit beim Betrieb eines Brenners mit hochreaktivem Brennstoff, welcher bei nahstöchiometrischen Bedingungen sehr hohe Flammentemperaturen aufweist, liegt darin begründet, daß sehr leicht Zonen mit hohen Temperatu ren entstehen, in denen der in der Luft enthaltene Stickstoff mit dem Sauerstoff reagiert und somit Stickoxide gebildet werden. Der Brennstoff muß deshalb vor der Flammenfront mit etwa der achtfachen Masse an Luft gemischt werden, um die Flammentemperatur soweit abzusenken, daß nur noch wenig oder kein Stickoxid entsteht. Der erfindungsgemäße Doppelkegel brenner mit Mikroflammen wird deshalb so betrieben, daß der hochreaktive Brennstoff 15 mit großer Geschwindigkeit durch die in der Nähe des Brenneraustritt angeordneten Düsen 10 in Zonen hoher Luftgeschwindigkeit eingedüst wird, wobei die Eindringtiefe und die Richtung der Brennstoffstrahlen so ab gestimmt werden, daß die Zündung und Stabilisierung der Flamme erst hinter dem Brenneraustritt nach vollzogener Mi schung erfolgt.

In den zwei unabhängigen Systemen zur gasförmigen Brennstoff eindüsung können einerseits Brennstoffe 14 mit hohem Heizwert und niedriger Reaktivität und andererseits Brennstoffe 15 mit hoher Reaktivität und mittlerem Heizwert geführt werden. Der Doppelkegelbrenner kann im Mischbetrieb mit beiden Eindü sungsarten mit einem oder zwei unterschiedlichen gasförmigen Brennstoffen 14, 15 betrieben werden oder alternativ mit einem flüssigen Brennstoff 13.

Derartige erfindungsgemäße Doppelkegelbrenner haben für hochreaktive Brennstoffe folgende Vorteile:

- Die Flamme kann sich erst außerhalb des Brenners stabili sieren, dadurch wird eine Überhitzung des Brenners sicher vermieden.
- Die Mischung erfolgt sehr rasch im Bereich der höchsten Geschwindigkeiten kurz vor dem Brenneraustritt.
- Die Flamme brennt sehr stabil, da sie durch den heißen Vortexbreakdown hinter dem Brenner an einem definierten Ort stabil gezündet wird.
- Durch die gute Vormischung werden geringe Schadstoffemis sionen auch bei hohen Wasserstoffgehalten erzielt.
- Der Doppelkegelbrenner ist auch weiterhin im bereits be kannten Erdgas- und Ölbetrieb funktionsfähig, da die Brennstoffsysteme voneinander getrennt angeordnet sind.

Bezugszeichenliste

1 Teilkegelkörper
1a zylindrischer Anfangsteil
2 Teilkegelkörper
2a zylindrischer Anfangsteil
3 Düse für flüssigen Brennstoff
4 tangentialer Lufteintrittsschlitz
5 tangentialer Lufteintrittsschlitz
6 Kegelhohlraum
7 Brennstoffleitung
8 Brennstoffleitung
9 Brennstoffdüsen für gasförmigen Brennstoff
11 Brennstoffleitung für gasförmigen, hochreaktiven Brennstoff
12 Verbrennungsluft
13 flüssiger Brennstoff
14 gasförmiger Brennstoff
15 gasförmiger, hochreaktiver Brennstoff
16 Frontplatte
17 Verteilkanal

Claims

1. Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage, wobei der Brenner im wesentlichen aus mindestens zwei halben hohlen Teilkegelkörpern (1, 2) besteht, deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt verlau fen, wodurch mindestens zwei tangentiale Lufteintritts schlitze (4, 5) für einen Verbrennungsluftstrom entste hen, wobei im von den kegelförmigen Teilkörpern (1, 2) gebildeten Kegelhohlraum (6) am Brennerkopf mindestens eine Düse (3) zur Eindüsung eines flüssigen Brennstoffes (13) in den Kegelhohlraum (6) plaziert werden kann, und wobei die Teilkegelkörper (1, 2) im Bereich der tangen tialen Lufteintrittsschlitze (4, 5) durch Mittel (7, 8, 9) zur Beibringung eines weiteren gasförmigen Brennstoffes (14) ergänzt sein können, dadurch gekennzeichnet, daß für den gasförmigen, hochreaktive Komponenten enthalten den Brennstoff (15) mit mittlerem Heizwert in der Nähe des Brenneraustritts in einer Entfernung vom Brenner austritt von bis zu 30% des Brennernenndurchmessers min destens eine Reihe Düsen (10) am Umfang der Teilkegel körper (1, 2) angebracht ist und eine Brennstoffleitung (11) sowie ein im Bereich der Düsen (10) plazierter Ver teilkanal (17) für den hochreaktiven Brennstoff (15) vorhanden sind, wobei die beiden Systeme zur Eindüsung der gasförmigen Brennstoffe (14, 15) unabhängig vonein ander angeordnet sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jeder einzelnen Düse (10) kleiner als 1% des Brennernenndurchmessers ist.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß 15 Düsen (10) vorhanden sind.

3. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige, hochreakti ve Komponenten enthaltene Brennstoff (15) mit mittlerem Heizwert mit großer Geschwindigkeit durch die Düsen (10) in der Nähe des Brenneraustritts in die Zonen hoher Luftgeschwindigkeit gedüst wird und die Eindringtiefe und Richtung der Brennstoffstrahlen so aufeinander abge stimmt werden, daß die Zündung nach vollzogener Mi schung erst hinter dem Brenner erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den zwei unabhängigen Systemen zur gasförmigen Brenn stoffeindüsung einerseits Brennstoffe (14) mit hohem Heizwert und niedriger Reaktivität und andererseits Brennstoffe (15) mit hoher Reaktivität und mittlerem Heizwert geführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner im Mischbetrieb mit beiden Gaseindüsungsar ten mit einem oder zwei unterschiedlichen gasförmigen Brennstoffen (14, 15) betrieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner mit einem flüssigen Brennstoff (13) betrie ben wird.