DE4417769A1

DE4417769A1 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners

Info

Publication number: DE4417769A1
Application number: DE4417769A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1995-11-23
Also published as: GB2289530A; CN1119724A; GB9507588D0; JPH07318018A; US5577904A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Eine extrem schadstoffarme Verbrennung für magere Vormisch flammen kann erreicht werden, wenn die Reaktionszone sehr stark räumlich auseinandergezogen ist und keine schnelle Rückmischung von Abgas in das Frischgasgemisch erfolgt. Dies wurde unter anderem durch Experimente mit perfekter Vormi schung und katalytischen Flammenhaltern sowie auch mit Flam menhaltern im Zentrum einer vorgemischten Strömung erreicht. Durch eine solche Konfiguration lassen sich NOx-Emissions werte von etwa 5 ppm (15% O2) bei 1750°K (1477°C) Flammentem peratur und mit einem Druck von etwa 14 bar erreichen. Indes sen weisen diese Flammenhalter ein Unsicherheitspotential auf: Zum einen ist ihre Kühlung sehr problematisch, zum ande ren ist gerade die mechanische Verbindung des Flammenhalters mit dem Brenner oft dafür verantwortlich, daß die heißen Zonen der Flammenhalter immer wieder Ausgangspunkt für die Bildung von Zündungsherden darstellen, dergestalt, daß ein Durchbrennen dieser Flammenhalter eine potentielle Gefahr für die nachgeschaltete Turbine bildet. Zwar ist hiergegen ver schiedentlich versucht worden, eine Loslösung der Flammenhal ter durch Klemmvorrichtungen zu begegnen. Aber, gerade die Spiele zwischen Klemmvorrichtung und Flammenhalterkörper bie ten ideale Voraussetzungen zur Bildung von Wandgrenzschich ten, über welche ein Rückschlag der Flamme ins Innere der Vormischstrecke so gut wie sicher ist.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Stabilisation der Flamme ohne Flammenhalter und ohne intensive Rückströmzone auf der Achse zu erhalten.

Durch die Brennstoffeinmischung an der Stelle der höchsten Geschwindigkeit innerhalb der den Vormischbrenner bildenden Kanal wird erreicht, daß eine schnelle Mischung des Brenn stoffes mit der Verbrennungsluft gewährleistet ist. Innerhalb der Mischstrecke kann weder Selbstzündung noch Flammenrück schlag erfolgen. Die Mischstrecke bietet Gewähr gegen einen Flammenrückschlag, ohne auf die Flammenhaltercharakteristik Rückgriffnehmen zu müssen, wobei keine Rückströmzonen in der Verbrennungszone entstehen. Die Mischstrecke kann mit stati schen Mischelementen ausgerüstet werden, um eine optimale Ho mogenität der Vormischung zu erreichen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind die folgenden:

- Durch geringe Pulsationen entsteht bei minimalem Brenner druckverlust eine gute Flammenstabilität.
- Sehr geringe NOx-Emissionen, kleiner als die schärfsten Umweltschutzbestimmung, die zur Zeit bei 9 ppm liegen.
- Gutes Teillastverhalten.
- Geringer erforderlicher Brennstoffvordruck.

Die Erfindung eignet sich auch vorzüglich, H2-haltige Brenn stoffe einzusetzen, da die fetten Zonen nur in Gebieten mit extrem hoher Strömungsgeschwindigkeiten, also zentrisch, lie gen, und die Wandgrenzschichten immer brennstoffarm bleiben. Auch eignet sich die Erfindung dahingehend, flüssige Brenn stoffe zur Verbrennung zu bringen, da in der Mischstrecke eine Vorverdampfung ohne Wandbenetzung stattfindet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die heiße Wand im Bereich der Reaktionszone einfach zu küh len ist.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der einzigen Figur ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmit telbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Ele mente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt einen Vormischbrenner im Schnitt bei halber Ansicht.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Der aus der Figur ersichtliche Vormischbrenner 1 hat die Form eines geraden Kanals. Kopfseitig dieses Kanals wird mit meh reren Injektoren 2 ein Brennstoff 5, vorzugsweise ein gasför miges Brennstoff eingedüst. Durch die hohe Geschwindigkeit der Verbrennungsluft 4 innerhalb des den ersten Teil des Vor mischbrenners 1 bildenden Mischrohres 3, wird erreicht, daß innerhalb der Mischstrecke, deren Länge sich mit bekannten Korrelationen aus der Literatur berechnen läßt, weder Selbstzündung noch Flammenrückschlag erfolgen kann. Zur Ver besserung der Homogenität der Mischung können hier nicht dar gestellte zusätzliche Mischelemente statischer Art verwendet werden. Eine Rückzündung innerhalb der Wandgrenzschicht ist, wegen des durch die zentral angeordneten Brennstoffinjektoren 2 an der Wand eher mageren Brennstoff/Luft-Gemisches 6, nicht möglich. Das Gemisch 6 erreicht innerhalb des Mischrohres 3 sehr bald ein stabilisiertes Axial-Geschwindigkeitsprofil 7. Stromab des Mischrohres 3 befindet sich als Fortsetzung des Kanals eine relativ kurze Zündzone 9, deren Wand 8 ungekühlt bleibt, also eine relativ hohe Temperatur aufweist. Diese heiße Stelle iniziert die Reaktion innerhalb der viskosen Unterschicht. Diese heiße Stelle kann überdies durch externe Mittel, beispielsweise elektrisch, beheizt werden. Die Tempe ratur der Wand 8 der Zündzone 9 kann des weiteren auch wäh rend des Betriebes durch eine genügende Isolation gegen außen hin über die Reaktionswärme erstellt und aufrechterhalten werden. Die innenzugewandte Oberfläche der Wand 8 im Bereich der Zündzone 9 kann ohne weiteres auch durch eine katalyti sche Beschichtung 17, beispielsweise durch eine Platinbe schichtung, ergänzt werden, welche sich sehr vorteilhaft auf die Stabilität der Flammenbildung auswirkt. Zur Unterstützung der Flammenstabilität in dieser Zündzone 9 kann eine kleine querschnittsvergrößende Stufe in dem Kanal eingebaut werden. Dieser Querschnittssprung 10 sorgt im Zündbereich, also in der Ebene der Flammenbildung, für eine stabilisierende Wir kung, die auf eine Unterdruckbildung der Strömung innerhalb dieser Erweiterungszone zurückzuführen ist. Durch die von der Wandgrenzschicht verursachten Turbulenzen und durch die Kel vin-Helmholtz-Instabilität zwischen heißer Grenzschicht und kaltem Kern der Strömung schreitet die Reaktionszone 11 rasch kegelig bis zur Symmetrieachse 12 des Vormischbrenners 1 voran. Stromab der Wand 8 der Zündzone (9) folgt eine Ver brennungsstrecke 13, deren Wand vorzugsweise gekühlt ist und welche eine diffusorartige oder eine stoßdiffusorartige Er weiterung auf etwa die zweieinhalbfache Querschnittsfläche aufweist, dies um die Strömungsgeschwindigkeit in etwa kon stant zu halten und den Druckverlust sowie die Wärmebelastung dieser Wand klein zu halten. Das Gemisch kann stromab des Querschnittssprunges 10 zusätzlich durch Aufprägung eines ge ringen Dralles durch nicht gezeigte Mittel vor der Brenn stoffzugabe noch intensiviert werden, allerdings soll dies ohne Wirbelaufplatzen geschehen. Die Intensivierung ist eine Folge des destabilisierenden Effekts einer radialen Dichteschichtung mit negativem Gradient in einem Drehströ mungsfeld. Das Temperaturprofil 14 am Anfang der Verbren nungsstrecke 13 ist stark nach dem Verlauf der Reaktionszone 11 ausgerichtet: Der Temperatursprung zum Kern der Heißgase 15 ist hier beträchtlich. Weiter stromab glättet sich das Temperaturprofil 16 jedoch stark, dergestalt, daß ein großer Teil der Heißgasströmung 15 eine gleichmäßige Tempera tur aufweist. Lediglich im Kern ist noch mit einem kleinen Temperatursprung zu rechnen. Im Teillast kann über nicht ge zeigte Bohrungen in Umfangsrichtung des Mischrohres 3, also stromauf der Zündzone 9, angefettet werden, womit eine bis zu 70%ige Teillast erreichbar ist. Der Vormischbrenner 1 läßt sich sowohl mit niederkalorischen Brennstoffen, mit Erdgas, als auch mit wasserstoffhaltigen Gasen und Heizöle betreiben. Ferner läßt sich der Vormischbrenner 1 als eine Stufe einer mehrstufigen Verbrennungseinrichtung einsetzen. Zur Flammen stabilisierung soll die Wand 8 der Zündzone 9, wie oben be reits erwähnt, ungekühlt bleiben. Hier drängt sich als Mate rial eine Keramik auf.

Bezugszeichenliste

1 Vormischbrenner
2 Brennstoffinjektoren
3 Mischrohr, Mischstrecke
4 Verbrennungsluft
5 Brennstoff
6 Brennstoff/Luft-Gemisch
7 Geschwindigkeitsprofil
8 Wand der Zündzone
9 Zündzone
10 Querschnittssprung
11 Reaktionszone
12 Symmetrieachse
13 Verbrennungsstrecke, Verbrennungszone
14 Temperaturprofil
15 Heißgase
16 Temperaturprofil
17 Katalytische Beschichtung

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, der im wesen tlichen aus einer Mischstrecke und einer nachgeschalteten Verbrennungsstrecke, wobei sich intermediär zwischen den bei den Strecken eine Zündzone befindet, dadurch gekennzeichnet, daß kopfseitig der Mischstrecke (3) zur Gemischbildung ein Brennstoff (5) und eine Verbrennungsluft (4) eingeleitet wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches (6) in nerhalb der Mischstrecke (3) so erhöht wird, daß sowohl Selbstzündung des Gemisches als auch Flammenrückschlag aus der Zündzone (9) unterbunden werden, daß sich innerhalb der Verbrennungsstrecke (13) eine heiße Wandgrenzschicht und eine kältere Kernströmung bilden, dergestalt, daß sich in Strömungsrichtung gegenüber der Symmetrieachse (12) des Vor mischbrenners (1) eine kegelige Reaktionszone (4) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenfront im Bereich der Zündzone (9) ohne Rückströmzone auf der Symmetrieachse (12) gebildet wird.

3. Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach An spruchs 1, wobei der Vormischbrenner (1) aus einer Misch strecke und einer nachgeschalteten Verbrennungsstrecke be steht, und sich intermediär zwischen den beiden Strecken eine Zündzone befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mischstrecke (3) und Zündzone (9) ein Querschnittssprung (10) vorhanden ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (8) der Zündzone (9) innenseitig katalytisch (17) beschichtet ist.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsstrecke (13) eine diffusorartige Erweiterung aufweist.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsstrecke (13) eine stoßdiffusorartige Erwei terung aufweist.

7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die querschnittsmäßige Erweiterung der Verbrennungsstrecke (13) bis Ende des Vormischbrenners (1) gegenüber dem Durchflußquerschnitt im Bereich der Zündzone (9) das Zweieinhalbfache beträgt.