DE4401097A1

DE4401097A1 - Verfahren zur Reduzierung der NOX-Emissionen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4401097A1
Application number: DE19944401097
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Aigner; Gerhard Mueller; Pirmin Schiessel
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1994-01-17
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2014-01-18
Also published as: DE4401097B4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Reduzie rung der NOx-Emissionen bei der Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere Öl, in der Brennkammer einer Gas turbine, bei welchem Verfahren der Brennstoff durch einen in einer Brennerlanze verlaufenden Brennstoffkanal von außen in die Brennkammer eingeleitet und mittels einer an der vorderen Spitze der Brennerlanze befindlichen Zerstäuberdüse zerstäubt wird, und bei welchem Verfahren zusätzlich Wasser in die Ver brennungszone eingebracht wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens, umfassend eine Brennerlanze, welche am einen Ende einen Lanzenkopf mit einem ersten Zuführrohr für die Zuführung des Brennstoffes und am anderen Ende eine Zerstäuberdüse zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, wo bei die Zerstäuberdüse über einen in einem Brennstoffrohr verlaufenden Brennstoffkanal mit dem ersten Zuführrohr in Verbindung steht.

Stand der Technik

Bei Ölbrennern in den Brennkammern von Gasturbinen können die NOx-Emissionen reduziert werden, wenn zusätzlich Wasser in die Flamme eingebracht wird. Grundsätzlich werden dazu zwei Methoden angewandt:

(1) Die Direkteinspritzung des Wassers in die Flamme. Dazu gehören mindestens zwei Leitungen, Brennerlanzen und Dü sen, mittels derer die beiden Flüssigkeiten getrennt in den Brennraum eingebracht werden.
(2) Die Verwendung von Emulsionen. Wasser und Brennstoff (Öl) werden in der Zuführung zur Brennkammer mit Hilfe eines Rührwerks oder eines statischen Mischers vermengt, zum Brenner geleitet und durch einen gemeinsamen Zerstäu ber in die Brennkammer eingedüst.

Beide bekannte Methoden haben Nachteile. Für die Methode (1) ist ein zusätzliches Zerstäubersystem erforderlich; darüber hinaus ist die Reduktion in der NOx-Emission unbefriedigend und der Wasserverbrauch hoch. Bei der Methode (2) ist der Einbau eines statischen Mischers erforderlich, was zu hohen Kosten und beträchtlichem Aufwand führt. Weiterhin besteht bei dieser Methode die Gefahr, daß sich die Emulsion auf dem Weg bis zur Düse wieder entmischt, was zu Pulsationen in der Verbrennung bzw. einem Löschen der Flamme führen kann.

Auf einem anderen technischen Gebiet, nämlich dem der Öl brenner für Heizungen und dgl., die unter gänzlich anderen Bedingungen betrieben werden, sind ebenfalls bereits ver schiedene Verfahren zur Vormischung von flüssigen Brennstof fen mit Wasser vorgeschlagen worden. So ist in der EP-B1-0 124 061 eine sehr aufwendige Vorrichtung zum Emulgieren und Zerstäuben von flüssigem Brennstoff mit Wasser beschrieben, bei der mit mehreren hintereinander geschalteten Kavitations kammern mit mechanischer und/oder elektromagnetischer Anre gung die beiden Flüssigkeiten emulgiert und zur Erreichung einer hohen Langzeitstabilität zerstäubt werden. In der er sten Kavitationskammer sind dabei zwei zueinander senkrecht stehende Düsen vorgesehen, von denen die eine mit einem Reso nanzkörper in Verbindung steht, der zur speziellen Vorbehand lung des Wassers dient.

In einer anderen Druckschrift, der DE-A1-29 38 747, sind zum Vermischen in einem Raum zwei parallel orientierte Zerstäu berdüsen vorgesehen, deren Zerstäubungskegel sich überschnei den. Durch eine nachgeschaltete Düse erfolgt eine weitere Zerstäubung. Da die Zerstäubung nur in Anwesenheit einer At mosphäre möglich ist, enthält die resultierende Mischung Luft oder andere Gase, die bei der Verbrennung an sich unerwünscht sind.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es bei gleich bleibender NOx-Reduktion einfacher und mit wesentlich verrin gertem Aufwand durchgeführt werden kann, sowie eine Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß aus dem Brennstoff und dem Wasser vor dem Eintritt in den Brennstoffkanal innerhalb der Bren nerlanze durch Mischung der Flüssigkeiten eine Brennstoff- Wasser-Emulsion erzeugt und die Brennstoff-Wasser-Emulsion durch den Brennstoffkanal an die Zerstäuberdüse weitergelei tet und dort zerstäubt wird.

Der Kern der Erfindung liegt darin, in der Brennerlanze selbst, d. h. in kurzem Abstand zur Zerstäuberdüse, durch ein fache Vermischung der Flüssigkeiten eine Emulsion herzustel len und an die Zerstäuberdüse weiterzuleiten. Für die Durch führung des Verfahrens sind nur geringe Änderungen an der Brennerlanze notwendig. Die Notwendigkeit eines statischen Mischers oder einer zweiten Lanze für das Wasser entfällt.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß zur Erzeugung der Brennstoff-Wasser-Emulsion aus dem Brennstoff und dem Wasser jeweils ein Flüssigkeitsstrahl geringen Durchmessers gebildet wird, die Flüssigkeitsstrahlen in einer Mischkammer unter ei nem Winkel größer 0°, vorzugsweise etwa 90°, aufeinander ge lenkt werden, und die sich bildende Emulsion aus der Misch kammer direkt in den Brennstoffkanal eingeleitet wird. Durch die Injektion zweier sich kreuzender Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer wird auf besonders einfache Weise und ohne zusätzliche Hilfsmittel eine ausreichende Emulgierung der Flüssigkeiten erreicht. Die Stabilität der Emulsion tritt da bei in ihrer Wichtigkeit in den Hintergrund, weil das Flüs sigkeitsgemisch unmittelbar aus der Mischkammer zur Zerstäu berdüse gelangt.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig keitsstrahlen und die Mischkammer in einer gemeinsamen Ebene liegen, zu welcher der Brennstoffkanal im wesentlichen senk recht steht. Hierdurch wird auf einfache Weise erreicht, daß eine gute Verwirbelung der Flüssigkeiten stattfindet, bevor das Gemisch zur Zerstäuberdüse weitergeleitet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens, die eine Brennerlanze umfaßt, welche am einen Ende einen Lanzenkopf mit einem ersten Zuführrohr für die Zufüh rung des Brennstoffes und am anderen Ende eine Zerstäuberdüse zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, wobei die Zerstäu berdüse über einen in einem Brennstoffrohr verlaufenden Brennstoffkanal mit dem ersten Zuführrohr in Verbindung steht, ist dadurch gekennzeichnet, daß im Lanzenkopf ein zweites Zuführrohr für die Zuführung des Wassers angeordnet ist, welches ebenfalls mit dem Brennstoffkanal in Verbindung steht, und daß innerhalb des Lanzenkopfes zwischen den Zu führrohren und dem Brennstoffkanal Mittel zur Bildung der Brennstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß en Vorrichtung münden die beiden Zuführrohre in eine gemein same Mischkammer, von welcher der Brennstoffkanal ausgeht, ist innerhalb jedes der Zuführrohre jeweils eine Mischdüse zur Erzeugung eines Brennstoff- bzw. Wasserstrahles angeord net, und sind die Mischdüsen jeweils so ausgerichtet, daß sich die beiden von Ihnen erzeugten Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer unter einem Winkel von etwa 90° treffen und in einer Ebene liegen, die senkrecht zum Brennstoffkanal ori entiert ist.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt den inneren Aufbau des Lanzenkopfes einer Brennerlanze mit Mischvorrichtung, wie sie ge mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird;

Fig. 2 den Querschnitt durch den Lanzenkopf aus Fig. 1 in der Ebene der Düsenbohrungen;

Fig. 3 eine zu Fig. 2 vergleichbare Darstellung eines Lan zenkopf es mit einer Mischvorrichtung mit verstärkter Drallbildung; und

Fig. 4 die schematisierte Gesamtanordnung der Brennerlanze am Gehäuse der Gasturbine.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist im Längs- bzw. Querschnitt ein er stes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung ist Teil ei ner Brennerlanze 1, mit der flüssiger Brennstoff, insbeson dere Öl, in die Brennkammer einer Gasturbine eingeführt und dort mittels einer Zerstäuberdüse 16 (Fig. 4) zerstäubt wird. Die Brennerlanze 1 ist austauschbar am Gehäuse der Brennkam mer befestigt. Sie ist zu diesem Zweck an ihrem außenliegen den Ende mit einem zylindrischen Lanzenkopf 4 ausgestattet, der eine Mehrzahl von parallel zur Lanzenachse verlaufenden Befestigungsbohrungen aufweist, durch welche der Lanzenkopf mittels entsprechender Schraubbolzen angeschraubt werden kann. Die Befestigung kann aber selbstverständlich auch auf eine andere Weise erfolgen.

Vom Lanzenkopf 4 aus nach innen verlaufend besitzt die Bren nerlanze 1 ein Brennstoffrohr 2, das einen Brennstoffkanal 3 umschließt. Durch den Brennstoffkanal 3 wird der flüssige Brennstoff bzw. die Brennstoff-Wasser-Emulsion zur Zerstäu berdüse 16 geleitet. Der Brennstoffkanal 3 verläuft in der Lanzenachse und endet innerhalb des Lanzenkopfes 4 in einer Mischkammer 10. In der Mischkammer 10 wird die Emulsion aus dem Brennstoff und dem Wasser gebildet. Zu diesem Zweck füh ren zwei Zuführrohre 6a, b vom Außenraum des Flansches in die zentral gelegene Mischkammer 10. Die Zuführrohre 6a, b stehen senkrecht zueinander und spannen eine Ebene auf, die ihrer seits senkrecht zum Brennstoffkanal 3 orientiert ist. Sie können außen mit entsprechenden Rohranschlüssen verbunden werden. Zur Erleichterung des Anschlusses sind dabei plane Anschlagflächen 7a, b vorgesehen. Das erste Zuführrohr 6a ist beispielsweise für die Zuführung des Brennstoffes vorgesehen, das zweite 6b für die Zuführung des Wassers. Die Mischkammer 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel einfach durch die auf einanderstoßenden Bohrungen der Zuführrohre 6a, b gebildet.

Maßgeblich für die gute Vermischung der beiden Flüssigkeiten ist nun, daß aus den Flüssigkeiten jeweils ein Flüssigkeits strahl mit einem geringen Durchmesser (in der Größenordnung von etwa 1 mm) erzeugt, und die beiden Flüssigkeitsstrahlen gegenseitig so ausgerichtet werden, daß sie im Zentrum der Mischkammer 10, d. h. in diesem Fall, in der Achse der Bren nerlanze 1, aufeinandertreffen und miteinander wechselwirken. Durch diese Interaktion der Vollstrahlen kommt es in der flüssigkeitsgefüllten Mischkammer 10 zu einer turbulenten Vermischung der Flüssigkeiten. Die sich bildende Emulsion wird dann am Boden der Mischkammer 10 in den Brennstoffkanal 3 abgeleitet.

Die dünnen Flüssigkeitsstrahlen werden vorteilhaft durch spe zielle Mischdüsen 5a, b erzeugt, die von außen in die mit ei nem Innengewinde versehenen Zuführrohre 6a, b eingeschraubt und so leicht ausgewechselt und gereinigt werden können. Die Mischdüsen 5a, b sind gleich aufgebaut. Sie weisen innerhalb eines zylindrischen Grundkörpers einen axialen Düsenvorraum 8a, b größeren Durchmessers auf, der nach innen zu in die ei gentliche Düsenbohrung 9a, b (mit einem Innendurchmesser von etwa 1 mm) übergeht. Der Betriebsdruck der gezeigten Vorrich tung liegt vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 1,5 bis 7,0 MPa (15 bis 70 bar).

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vor richtung nach der Erfindung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Auf bau und Darstellung sind weitgehend identisch mit der Anord nung aus Fig. 2. Der Unterschied besteht darin, daß in die sem Beispiel die Achsen der Zuführrohre 6a, b jeweils um einen Versatz s von mehreren Millimetern quer zur Achsenrichtung parallelverschoben sind. Die Mischkammer 12 ist in diesem Fall rotationssymmetrisch um die Lanzenachse ausgebildet. Die Flüssigkeitsstrahlen aus den Mischdüsen 5a, b treffen sich aufgrund des Versatzes s nicht im Zentrum der Mischkammer 12, sondern außerhalb des Zentrums. Hierdurch wird in ver stärktem Masse ein Drallströmung in der Flüssigkeit erzeugt, welche die Emulsions-Bildung unterstützt und die Homogenität der Emulsion verbessert.

Die Gesamtanordnung der Brennerlanze 1 ist in der Fig. 4 schematisch dargestellt, wobei auf Einzelheiten des eigentli chen Brenners aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden ist. Der Brennerkopf 4 ist auf einen Rohrstutzen 17 aufgeschraubt, der meinerseits mit einem Flansch 15 an der Gehäusewand 14 befestigt ist. Der Rohrstutzen 17 weist ein Gasrohr 13 auf, welches das Brennstoffrohr 2 konzentrisch um gibt und einen Gaskanal 18 bildet, durch welchen Gas zum Brenner geleitet werden kann. Gasrohr 13 und Brennstoffrohr 2 reichen durch die Gehäusewand 14 hindurch bis in die eigent liche Brennkammer hinein, wobei das Brennstoffrohr 2 in der Zerstäuberdüse 16 endet.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verfahren und ei ne Vorrichtung zur NOx-Reduktion bei Gasturbinen, die sich einfach anwenden lassen, geringen zusätzlichen Aufwand erfor dern und sich durch kompakten Aufbau der Vorrichtung aus zeichnen.

Bezugszeichenliste

1 Brennerlanze
2 Brennstoffrohr
3 Brennstoffkanal
4 Lanzenkopf
5a, b Mischdüse
6a, b Zuführrohr
7a, b Anschlagfläche
8a, b Düsenvorraum
9a, b Düsenbohrung
10, 12 Mischkammer
11 Befestigungsbohrung
13 Gasrohr
14 Gehäusewand
15 Flansch
16 Zerstäuberdüse
17 Rohrstutzen
s Versatz

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung der NOx-Emissionen bei der Ver brennung eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere Öl, in der Brennkammer einer Gasturbine, bei welchem Verfahren der Brennstoff durch einen in einer Brennerlanze (1) verlaufenden Brennstoffkanal (3) von außen in die Brennkammer eingeleitet und mittels einer an der vorderen Spitze der Brennerlanze (1) befindlichen Zerstäuberdüse (16) zerstäubt wird, und bei wel chem Verfahren zusätzlich Wasser in die Verbrennungszone ein gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Brenn stoff und dem Wasser vor dem Eintritt in den Brennstoffkanal (3) innerhalb der Brennerlanze (1) durch Mischung der Flüs sigkeiten eine Brennstoff-Wasser-Emulsion erzeugt und die Brennstoff-Wasser-Emulsion durch den Brennstoffkanal (3) an die Zerstäuberdüse (16) weitergeleitet und dort zerstäubt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Brennstoff-Wasser-Emulsion aus dem Brenn stoff und dem Wasser jeweils ein Flüssigkeitsstrahl geringen Durchmessers gebildet wird, die Flüssigkeitsstrahlen in einer Mischkammer (10, 12) unter einem Winkel größer 0°, vorzugs weise etwa 90°, aufeinander gelenkt werden, und die sich bil dende Emulsion aus der Mischkammer (10, 12) direkt in den Brennstoffkanal (3) eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen und die Mischkammer (10, 12) in ei ner gemeinsamen Ebene liegen, zu welcher der Brennstoffkanal (3) im wesentlichen senkrecht steht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (10, 12) rotationssymmetrisch um eine Kammer achse ausgebildet ist, und sich die Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer (10, 12) in einem außerhalb der Kammerachse liegenden Punkt derart treffen, daß sich eine turbulente Drallströmung in der Mischkammer (10, 12) bildet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine Brennerlanze (1), welche am einen Ende ei nen Lanzenkopf (4) mit einem ersten Zuführrohr (6a) für die Zuführung des Brennstoffes und am anderen Ende eine Zerstäu berdüse (16) zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, wobei die Zerstäuberdüse (16) über einen in einem Brennstoffrohr (2) verlaufenden Brennstoffkanal (3) mit dem ersten Zuführ rohr (6a) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im Lanzenkopf (4) ein zweites Zuführrohr (6b) für die Zufüh rung des Wassers angeordnet ist, welches ebenfalls mit dem Brennstoffkanal (3) in Verbindung steht, und daß innerhalb des Lanzenkopfes (4) zwischen den Zuführrohren und dem Brenn stoffkanal (3) Mittel zur Bildung der Brennstoff-Wasser-Emul sion vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die beiden Zuführrohre (6a, b) in eine gemeinsame Misch kammer (10, 12) münden, von welcher der Brennstoffkanal (3) ausgeht;
(b) innerhalb jedes der Zuführrohre (6a, b) jeweils eine Mischdüse (5a, b) zur Erzeugung eines Brennstoff- bzw. Wasserstrahles angeordnet ist; und
(c) die Mischdüsen (5a, b) jeweils so ausgerichtet sind, daß sich die beiden von Ihnen erzeugten Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer (10, 12) treffen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischdüsen (5a, b) so ausgerichtet sind, daß sich die beiden von ihnen erzeugten Flüssigkeitsstrahlen in der Misch kammer (10, 12) unter einem Winkel von etwa 90° treffen und in einer Ebene liegen, die senkrecht zum Brennstoffkanal (3) orientiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Mischkammer (12) um eine Kammerachse rotationssymme trisch ist, welche mit der Achse des Brennstoffkanals (3) zusammenfällt; und
(b) die Mischdüsen (5a, b) so ausgerichtet sind, daß sich die beiden von ihnen erzeugten Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer (12) in einem außerhalb der Kammerachse lie genden Punkt derart treffen, daß sich eine turbulente Drallströmung in der Mischkammer (12) bildet.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zuführrohre (6a, b) jeweils mit einem Innengewinde ausgestattet sind, und die Mischdüsen (5a, b) in die Zuführrohre (6a, b) eingeschraubt sind.