DE4401097B4

DE4401097B4 - Verfahren zur Reduzierung der NOX-Emissionen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4401097B4
Application number: DE19944401097
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Aigner; Gerhard Müller; Pirmin Schiessel
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1994-01-17
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2014-01-18
Also published as: DE4401097A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung der NO_x-Emissionen bei der Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere Oel, 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 welchem Verfahren zusätzlich Wasser in die Verbrennungszone eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennstoff und dem Wasser vor dem Eintritt in den Brennstoffkanal (3) innerhalb der Brennerlanze (1) durch Mischung der Flüssigkeiten eine Brennstoff-Wasser-Emulsion erzeugt wird, indem aus dem Brennstoff und dem Wasser jeweils ein Flüssigkeitsstrahl geringen Durchmessers gebildet wird, die Flüssigkeitsstrahlen in einer Mischkammer (10; 12) unter einem Winkel grösser 0° aufeinander gelenkt werden, und die sich bildende Emulsion aus der Mischkammer (10; 12) direkt in den Brennstoffkanal (3) eingeleitet, durch den Brennstoffkanal (3) an die Zerstäuberdüse (16) weitergeleitet und dort zerstäubt...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der NOx-Emissionen bei der Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere Oel, in der Brennkammer einer Gasturbine, 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 Verbrennungszone eingebracht wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung 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, wobei die Zerstäuberdüse über einen in einem Brennstoffrohr verlaufenden Brennstoffkanal mit dem ersten Zuführrohr in Verbindung steht.

Bei Oelbrennern 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 Düsen, mittels derer die beiden Flüssigkeiten getrennt in den Brennraum eingebracht werden.
(2) Die Verwendung von Emulsionen. Wasser und Brennstoff (Oel) werden in der Zuführung zur Brennkammer mit Hilfe eines Rührwerks oder eines statischen Mischers vermengt, zum Brenner geleitet und durch einen gemeinsamen Zerstäuber in die Brennkammer eingedüst. Letztere Variante ist beispielsweise in DE 2350658 dargelegt.

Beide bekannten 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 Oelbrenner für Heizungen und dgl., die unter gänzlich anderen Bedingungen betrieben werden, sind ebenfalls bereits verschiedene Verfahren zur Vormichung von flüssigen Brennstoffen mit Wasser vorgeschlagen worden. So ist in der DE 2604610 eine aufwendige Vorrichtung zur Herstellung eines emulgierten Oel-Wasser-Gemischs beschrieben, bei der die Ausgangsstoffe in einer Rohrleitung zusammengeführt und mittels Hochdruckpumpen durch mehrere hintereinander geschaltete Düsen gefördert werden und dabei eine mehrmalige Beschleunigung und Verzögerung erfahren. EP 0124061 beschreibt ebenfalls eine sehr aufwendige Vorrichtung zum Emulgieren und Zerstäuben von flüssigem Brennstoff mit Wasser, bei der mit mehreren hintereinander geschalteten Kavitationskammern mit mechanischer und/oder elektromagnetischer Anregung die beiden Flüssigkeiten emulgiert und zur Erreichung einer hohen Langzeitstabilität zerstäubt werden. In der ersten Kavitationskammer sind dabei zwei zueinander senkrecht stehende Düsen vorgesehen, von denen die eine mit einem Resonanzkörper in Verbindung steht, der zur speziellen Vorbehandlung des Wassers dient.

In einer anderen Druckschrift, der DE 2938747 , sind zum Vermischen in einem Raum zwei parallel orientierte Zerstäuberdüsen vorgesehen, deren Zerstäubungskegel sich überschneiden. Durch eine nachgeschaltete Düse erfolgt eine weitere Zerstäubung. Da die Zerstäubung nur in Anwesenheit einer Atmosphäre möglich ist, enthält die resultierende Mischung Luft oder andere Gase, die bei der Verbrennung an sich unerwünscht sind.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass es bei gleichbleibender NOx-Reduktion einfacher und mit wesentlich verringertem Aufwand durchgeführt werden kann, sowie eine Vorrichtung 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 Brennerlanze durch Mischung der Flüssigkeiten eine Brennstoff-Wasser-Emulsion erzeugt wird, indem aus dem Brennstoff und dem Wasser jeweils ein Flüssigkeitsstrahl geringen Durchmessers gebildet wird, die Flüssigkeitsstrahlen in einer Mischkammer (10; 12) unter einem Winkel grösser 0° aufeinander gelenkt werden, und die sich bildende Emulsion aus der Mischkammer (10; 12) direkt in den Brennstoffkanal (3) eingeleitet, durch den Brennstoffkanal an die Zerstäuberdüse weitergeleitet und dort zerstäubt wird.

Der Kern der Erfindung liegt darin, in der Brennerlanze selbst, d.h. in kurzem Abstand zur Zerstäuberdüse, durch einfache Vermischung der Flüssigkeiten eine Emulsion herzustellen und an die Zerstäuberdüse weiterzuleiten. Für die Durchführung des Verfahrens sind nur geringe Aenderungen 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 die Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer unter einem Winkel von etwa 90°, aufeinander gelenkt werden, und die sich bildende Emulsion aus der Mischkammer 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 dabei in ihrer Wichtigkeit in den Hintergrund, weil das Flüssigkeitsgemisch unmittelbar aus der Mischkammer zur Zerstäuberdüse gelangt.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsstrahlen und die Mischkammer in einer gemeinsamen Ebene liegen, zu welcher der Brennstoffkanal im wesentlichen senkrecht 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 Verfahrens, die eine Brennerlanze umfasst, 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, wobei die Zerstäuberdüse 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 Zuführrohren und dem Brennstoffkanal Mittel zur Bildung der Brennstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen sind.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung münden die beiden Zuführrohre in eine gemeinsame Mischkammer, von welcher der Brennstoffkanal ausgeht, ist innerhalb jedes der Zuführrohre jeweils eine Mischdüse zur Erzeugung eines Brennstoff- bzw. Wasserstrahles angeordnet, 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 orientiert ist.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen
1 im Längsschnitt den inneren Aufbau des Lanzenkopfes einer Brennerlanze mit Mischvorrichtung, wie sie gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet wird;
2 den Querschnitt durch den Lanzenkopf aus 1 in der Ebene der Düsenbohrungen;
3 eine zu 2 vergleichbare Darstellung eines Lanzenkopfes mit einer Mischvorrichtung mit verstärkter Drallbildung; und
4 die schematisierte Gesamtanordnung der Brennerlanze am Gehäuse der Gasturbine.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In den 1 und 2 ist im Längs- bzw. Querschnitt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung ist Teil einer Brennerlanze 1, mit der flüssiger Brennstoff, insbesondere Oel, in die Brennkammer einer Gasturbine eingeführt und dort mittels einer Zerstäuberdüse 16 (4) zerstäubt wird. Die Brennerlanze 1 ist austauschbar am Gehäuse der Brennkammer befestigt. Sie ist zu diesem Zweck an ihrem aussenliegenden 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 Brennerlanze 1 ein Brennstoffrohr 2, das einen Brennstoffkanal 3 umschliesst. Durch den Brennstoffkanal 3 wird der flüssige Brennstoff bzw. die Brennstoff-Wasser-Emulsion zur Zerstäuberdüse 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 führen 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 ihrerseits 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 aufeinanderstossenden Bohrungen der Zuführrohre 6a, b gebildet.
Massgeblich für die gute Vermischung der beiden Flüssigkeiten ist nun, dass aus den Flüssigkeiten jeweils ein Flüssigkeitsstrahl 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 Brennerlanze 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 spezielle Mischdüsen 5a, b erzeugt, die von aussen in die mit einem 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 eigentliche Düsenbohrung 9a, b (mit einem Innendurchmesser von etwa 1 mm) übergeht. Der Betriebsdruck der gezeigten Vorrichtung liegt vorzugsweise in der Grössenordnung von etwa 1,5 bis 7,0 MPa (15 bis 70 bar).
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der Erfindung ist in 3 wiedergegeben. Aufbau und Darstellung sind weitgehend identisch mit der Anordnung aus 2. Der Unterschied besteht darin, dass in diesem 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 verstärktem Masse ein Drallströmung in der Flüssigkeit erzeugt, welche die Emulsionsbildung unterstützt und die Homogenität der Emulsion verbessert.
Die Gesamtanordnung der Brennerlanze 1 ist in der 4 schematisch dargestellt, wobei auf Einzelheiten des eigentlichen Brenners aus Gründen der Uebersichtlichkeit verzichtet worden ist. Der Brennerkopf 4 ist auf einen Rohrstutzen 17 aufgeschraubt, der seinerseits mit einem Flansch 15 an der Gehäusewand 14 befestigt ist. Der Rohrstutzen 17 weist ein Gasrohr 13 auf, welches das Brennstoffrohr 2 konzentrisch umgibt 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 eigentliche Brennkammer hinein, wobei das Brennstoffrohr 2 in der Zerstäuberdüse 16 endet.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur NOx-Reduktion bei Gasturbinen, die sich einfach anwenden lassen, geringen zusätzlichen Aufwand erfordern und sich durch kompakten Aufbau der Vorrichtung auszeichnen.

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

Verfahren zur Reduzierung der NO_x-Emissionen bei der Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere Oel, 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 welchem Verfahren zusätzlich Wasser in die Verbrennungszone eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennstoff und dem Wasser vor dem Eintritt in den Brennstoffkanal (3) innerhalb der Brennerlanze (1) durch Mischung der Flüssigkeiten eine Brennstoff-Wasser-Emulsion erzeugt wird, indem aus dem Brennstoff und dem Wasser jeweils ein Flüssigkeitsstrahl geringen Durchmessers gebildet wird, die Flüssigkeitsstrahlen in einer Mischkammer (10; 12) unter einem Winkel grösser 0° aufeinander gelenkt werden, und die sich bildende Emulsion aus der Mischkammer (10; 12) direkt in den Brennstoffkanal (3) eingeleitet, durch den Brennstoffkanal (3) an die Zerstäuberdüse (16) weitergeleitet und dort zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer (10, 12) unter einem Winkel von etwa 90° aufeinander gelenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsstrahlen und die Mischkammer (10, 12) in einer gemeinsamen Ebene liegen, zu welcher der Brennstoffkanal (3) im wesentlichen senkrecht steht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (10, 12) rotationssymmetrisch um eine Kammerachse 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.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine Brennerlanze (1), welche am einen Ende einen Lanzenkopf (4) mit einem ersten Zuführrohr (6a) für die Zuführung des Brennstoffes und am anderen Ende eine Zerstäuberdüse (16) zur Zerstäubung des Brennstoffes aufweist, wobei die Zerstäuberdüse (16) über einen in einem Brennstoffrohr (2) verlaufenden Brennstoffkanal (3) mit dem ersten Zuführrohr (6a) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass im Lanzenkopf (4) ein zweites Zuführrohr (6b) für die Zuführung des Wassers angeordnet ist, welches ebenfalls mit dem Brennstoffkanal (3) in Verbindung steht, und dass innerhalb des Lanzenkopfes (4) zwischen den Zuführrohren und dem Brennstoffkanal (3) Mittel zur Bildung der Brennstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die beiden Zuführrohre (6a, b) in eine gemeinsame Mischkammer (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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischdüsen (5a, b) so ausgerichtet sind, dass sich die beiden von ihnen erzeugten Flüssigkeitsstrahlen in der Mischkammer (10, 12) unter einem Winkel von etwa 90° treffen und in einer Ebene liegen, die senkrecht zum Brennstoffkanal (3) orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mischkammer (12) um eine Kammerachse rotationssymmetrisch 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 liegenden Punkt derart treffen, dass sich eine turbulente Drallströmung in der Mischkammer (12) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführrohre (6a, b) jeweils mit einem Innengewinde ausgestattet sind, und die Mischdüsen (5a, b) in die Zuführrohre (6a, b) eingeschraubt sind.