DE4436728A1

DE4436728A1 - Verfahren und Vorrichtung für eine schadstoffarme gestufte Verbrennung

Info

Publication number: DE4436728A1
Application number: DE4436728A
Authority: DE
Inventors: Juergen Haumann; Rudolf Tresch
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1996-04-18

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine schadstoffarme gestufte Verbrennung, wobei die erste Stufe des Verbrennungsprozesses in einer Vorbrennkammer mit einem integrierten Wärmetauscher abläuft und mindestens eine weitere Stufe des Verbrennungsprozesses in der nachfolgenden Anlage, beispielsweise in einem Kraftwerkskessel zur Erzeu gung eines Dampfes, durchgeführt wird.

Stand der Technik

Aus EP 0 543 155 A1 ist ein Verfahren für eine schadstoffarme Verbrennung in einem Kraftwerkskessel zur Erzeugung eines Dampfes bekannt, bei dem am Kessel eine Vorbrennkammer, wel che mit mindestens einem Brenner betrieben wird, wirkt. Ein Teil der Primärluft gelangt vom Luftverteiler in den Kopf der Vorbrennkammer und verteilt sich gleichmäßig über den Um fang. In einem Ringspalt wird die Primärluft zum kesselsei tigen Ende der Vorbrennkammer geführt und kühlt dabei das Flammrohr und das Gehäuse der Vorbrennkammer. Am kesselseiti gen Ende wird die Luft um 180° umgelenkt, so daß sie nun zur Brennerseite zurückströmt. Beim Durchströmen des Flammrohres, welches hier als Wärmetauscher wirkt, heizt sich die Primär luft auf. Diese aufgeheizte Luft geht dann durch den Brenner, beispielsweise einen Doppelkegelbrenner. In der Vorbrennkam mer wird das Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft teilweise verbrannt, wobei auf Grund der erhöhten Verbren nungslufttemperatur und der Verbrennung unter Luftmangel die NOx-Emissionen relativ niedrig sind.

Im Bereich der Verjüngung der Vorbrennkammer wird ein Sekun därluftstrom in den Innenraum der Vorbrennkammer eingeführt und ein Tertiärluftmassenstrom wird stromab der Vorbrennkam mer in den Kessel eingespeist, so daß es zu einer weiteren Verbrennung ohne Anstieg der NOx-Verbindungen kommt. In der Vorbrennkammer wird mit einer Luftzahl von 0,6-0,65, also mit Luftmangel, gefahren, stromab der Vorbrennkammer und stromauf des Tertiärluftstromes herrscht die Luftzahl 0,75 vor und stromab der Eindüsung der Tertiärluft eine Luftzahl von 1,05.

Dieser Stand der Technik hat zwar eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise geringe NOx-Emissionen und Unterbindung des chemischen Angriffes der Rohrwände bzw. Ablagerungen aus brennstoffreichen Zonen an kalten Wänden. Trotzdem sind aber weitere Verbesserungen notwendig, denn die Reaktionsbedingun gen in der Vorbrennkammer sind in Abhängigkeit von der Last sehr unterschiedlich. Bei hoher Last ist die Verbrennungs lufttemperatur relativ niedrig, was zu einem Anstieg der NOx- Emissionswerte führt. Bei Teillast kann dagegen die Tempera tur der Verbrennungsluft zu hoch sein und damit zu einer Überlastung der Brennkammerwand führen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren für eine schadstoffarme gestufte Verbrennung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 bei unterschiedlichen Lasten konstante Reaktionsbedingungen, d. h. konstante Temperaturen in der Vor brennkammer zu schaffen und die NOx-Emissionen zu minimieren. Außerdem liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Vorbrennkammer zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren gemäß Ober begriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, daß die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner gere gelt und auf einem konstanten Wert bei unterschiedlichen La sten gehalten wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß es durch eine einfache Regelung gelingt, sowohl bei Voll-, als auch bei Teillast die NOx-Emissionen zu minimieren aufgrund der Einhaltung konstanter Reaktionsbedingungen in der Vorbrennkammer. Damit wird auch ein guter Wirkungsgrad erzielt.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Regelung der Ein trittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner dadurch erfolgt, daß der Primärluftmassenstrom vor Eintritt in den Wärmetauscher der Vorbrennkammer aufgeteilt wird in einen Kaltluftmassenstrom und in einen durch den Wärmetauscher strömenden Heißluftmassenstrom und daß nach Verlassen des Wärmetauschers der Heißluftmassenstrom mit dem Kaltluftmas senstrom vor dem Eintritt in den Brenner gemischt wird, wobei das Verhältnis der beiden zu mischenden Massenströme zueinan der verändert wird in Abhängigkeit von der Höhe der gemesse nen Verbrennungslufttemperatur.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Änderung des Massenstrom verhältnisses von Kaltluft und Heißluft bei der Aufteilung und/oder bei der Zusammenführung der beiden Massenströme er folgt.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die Regelung der Ein trittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner dadurch erfolgt, daß dem Primärluftmassenstrom inertes Rauchgas zu gegeben wird. Dabei wird das Verhältnis der beiden zu mi schenden Massenströme in Abhängigkeit entweder von der Höhe der direkt gemessenen Flammentemperatur oder von der Höhe der gemessenen Verbrennungslufttemperatur und ihrer Zusammenset zung verändert. Zusätzlich zu den o.g. Vorteilen wird durch die geregelte Zumischung des Rauchgases zur Verbrennungsluft eine Erhöhung des Durchsatzes durch die Vorbrennkammer er reicht und das Vorbrennkammergehäuse wird besser gekühlt.

Zur Durchführung des o.g. Verfahrens ist eine Vorbrennkammer zweckmäßig, welche im wesentlichen aus einem Brennraum und einem Vorbrennkammergehäuse mit einem Außenmantel, welcher den Primärluftkanal begrenzt, mit einer am Ende des Primär luftkanals angeordneten Umlenkeinrichtung, mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Rückströmkanälen und mit mindestens einem in die Stirnseite des Brennraumes einge bauten Brenner besteht, und bei der am Eintritt der Rück strömkanäle eine drehbare Lochscheibe angeordnet ist und am Ende der Rückströmkanäle an der Stirnseite der Vorbrennkammer ein dreh- oder schiebbarer Lochzylinder angeordnet ist. Die Änderung des Massenstromverhältnisses ist dann auf mechani schem Wege durch einfache Drehung oder Verschiebung des Lochzylinders bzw. der Lochscheibe erreichbar.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Rückströmkanäle der Vorbrennkammer in einen SiC-Keramikkörper, vorzugsweise aus SiC 70% und SiC 90% bestehend, eingebettet sind, weil dadurch eine Überhitzung der metallischen Brennkammerwände vermieden werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Kraftwerkskessels zur Dampferzeugung darge stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kessels mit zwei stufiger Verbrennung;

Fig. 2 eine Vorbrennkammer mit einem Doppelkegelbrenner;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt der Vorbrennkammer gemäß Fig. 2 entlang der Linie 3-3;

Fig. 4 einen vergrößert dargestellten Teillängsschnitt von Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftwerks kessels 1 zur Dampferzeugung mit zweistufiger Verbrennung. Das gesamte zweistufige Verbrennungssystem besteht aus dem Brenner 2, hier einem mittels vortex breakdown stabilisierten Vormischbrenner (Doppelkegelbrenner, dessen prinzipieller Aufbau beispielsweise in EP-B1-0 321 809 beschrieben ist), der Vorbrennkammer 3 (1. Stufe), dem Quencher, dem Kesselan schlußstück und dem nachgeschalteten Kesselfeuerraum 1a (2. Stufe) des Kraftwerkskessels 1. selbstverständlich ist das Ausführungsbeispiel nicht auf Kraftwerkskessel beschränkt, sondern es können allgemein alle Kessel, die zur Dampf- oder Heißwassererzeugung benutzt werden, verwendet werden.

Die Verbrennungsluft wird in einen Primärluftstrom 4 und einen Sekundärluftstrom 5 aufgeteilt, wobei der Primärluft strom 4 wiederum aufgeteilt wird in einen Strom 4a, welcher in einem in der Vorbrennkammer 3 integrierten Wärmetauscher 6 (Details siehe Fig. 2) aufbereitet wird, und einen Strom 4b, welcher ohne Wärmezufuhr zum Plenum 7 gelangt. Nach Vermi schung der beiden Luftströme 4a und 4b strömt die Verbren nungsluft durch den Doppelkegelbrenner 2 in die eigentliche Vorbrennkammer 3, wo eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfindet, d. h. es wird mit Luftmangel gefahren. Der Flüs sigbrennstoff wird in einer zentral angeordneten Zerstäuber lanze zerstäubt. Selbstverständlich kann der Brenner 2 auch mit gasförmigen Brennstoff betrieben werden und es können auch mehrere Brenner 2 in der Vorbrennkammer 3 angeordnet sein. Außerdem ist die Erfindung auch nicht auf den o.g. Brennertyp eingeschränkt.

Die Sekundärluft 5 wird entweder allein oder, wie in Fig. 1 dargestellt, als Gemisch mit rezirkuliertem Rauchgas 8, am Ende der Vorbrennkammer 3 in das Abgas der ersten Stufe ein gedüst. Es tritt am Ende der Vorbrennkammer über eine nicht dargestellte Zufuhrspirale in den äußeren Sammelraum ein und wird über ein ebenfalls nicht dargestelltes Kühlsystem dem eigentlichen Quencher am äußersten Ende der Vorbrennkammer 3 zugeführt (s. Fig. 2). Das Luft/Rauchgasgemisch wird quer zur Strömung über die Öffnungen 18 radial in das Abgas der ersten Stufe eingedüst, vermischt sich mit dem brennbaren Abgas und sorgt für den vollständigen Ausbrand der Brenngase in der zweiten Stufe im Kesselfeuerraum 1a. Die Zumischung von re zirkuliertem Rauchgas 8 verhindert die thermische NOx-Bil dung. Das nicht rezirkulierte Abgas wird durch den Kamin 9 an die Umgebung abgegeben.

In Fig. 2 ist in einem Längsschnitt eine Vorbrennkammer 3 de tailliert dargestellt, Fig. 3 zeigt dazu einen entsprechenden Teilquerschnitt und Fig. 4 einen vergrößerten Teillängs schnitt. Die nachfolgende Beschreibung der Vorbrennkammer 3 bezieht sich auf diese drei Figuren.

Die Vorbrennkammer ist aus einem zylindrischen und einem sich daran anschließenden, sich verjüngenden Teil aufgebaut. Das Vorbrennkammergehäuse im zylindrischen Teil besteht aus einer Außenwand 10, die einen Ringkanal 11 begrenzt, in dem der vom Primärluftmassenstrom 4 abgezweigte Luftmassenstrom 4a vom Kopf der Vorbrennkammer 3 gleichmäßig über den Umfang verteilt zum kesselseitigen Ende des zylindrischen Teils der Vorbrennkammer 3 strömt und dabei sowohl das Gehäuse als auch das Flammrohr kühlt.

Im Bereich der Brenner 2 sind Supporte 20 angeordnet, die die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Flammrohr herstellen. Am kesselseitigen Ende des Ringkanals 11 befindet sich eine Umlenkeinrichtung 12, welche dazu dient, die Strömungsrich tung des Luftmassenstromes 4a um 180° zu verändern. Stromauf der Umlenkeinrichtung 12 ist eine Lochscheibe 13 derart ange ordnet, daß durch die Öffnungen 15 dieser verschiebbaren Lochscheibe 13 die Luft in mehrere gleichmäßig über den Um fang verteilte Rückströmkanäle 14 eintritt und nun zur Bren nerseite zurückströmt.

Die Rückströmkanäle 14 sind in vorteilhafter Weise in einem Keramikkörper 16 eingebettet, welcher beispielsweise aus SiC 70%- oder SiC 90%-Keramik besteht. Dadurch ist ein Betrieb der Brennkammer ohne Überhitzung der metallischen Brennkam merwände möglich.

Um die Kühlwirkung dieser Luftströmung und damit gleichzeitig ihre Aufheizung zu erhöhen, ist es möglich, ein hier nicht dargestelltes Prallkühlungssystem, beispielsweise zwei hin tereinander geschaltete Rohrregister zu installieren.

Die Größe des Luftmassenstromes 4a in den Rückströmkanälen 14 wird erfindungsgemäß über die Stellung der Lochscheibe 13, d. h. über die jeweilige Größe der Öffnungen 15 geregelt. Das hat außerdem den Vorteil, daß alle Kanäle 14 gleichmäßig durchströmt werden.

Der Luftmassenstrom 4a weist, nachdem er den in die Gehäuse wand integrierten Wärmetauscher 6 passiert hat, eine wesent lich höhere Temperatur auf als der Primärluftmassenstrom 4 am Kopf der Vorbrennkammer 3 bzw. der abgezweigt Luftmassenstrom 4b, was im Hinblick auf die erwünschten geringe NOx-Emissio nen bei der Verbrennung sehr günstig ist.

An der Stirnseite der Vorbrennkammer 3 ist ein über einen hier nicht dargestellten Antrieb ein dreh- oder schiebbarer Lochzylinder 17 angeordnet, mit dessen Hilfe das Verhältnis der beiden Primärluftmassenströme, d. h. des kalten Luftmas senstromes 4b und des heißen Luftmassenstromes 4a verändert werden kann, indem die Größe der Öffnungen 19 verändert wird.

Durch die Drehung bzw. Verschiebung von Lochzylinder 17 und Lochscheibe 13, also auf mechanischem Wege, wird somit die Größe der Luftmassenströme 4a und 4b geregelt und damit die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner 2 konstant gehalten. Damit wird verhindert, daß bei unter schiedlichen Lasten Unterschiede in der Verbrennungslufttem peratur auftreten. Es sind also stets gleiche Reaktionsbedin gungen vorhanden und die Schadstoffemissionen können in ge ringen Grenzen gehalten werden.

Letzteres wird auch mit einer anderen, hier nicht in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsvariante erreicht. Übli cherweise sind die Brennkammern für Vollast ausgelegt. Ändern sich die Betriebsbedingungen und es wird mit Teillast gefah ren, dann steigt die Flammentemperatur an und die Brennkam merwand wird zu heiß. Dem kann man entgegenwirken, wenn der Verbrennungsluft in der ersten Stufe des Verbrennungsprozes ses inertes Rauchgas 8 zugemischt wird. Dann wird die Kühlung des Vorbrennkammergehäuses verbessert und die Eintrittstempe ratur der Verbrennungsluft bleibt etwa konstant. Über den Massenstrom des rezirkulierten Rauchgases ist also eine Steuerung der Flammentemperatur möglich. Man kann die Flam mentemperatur entweder direkt messen oder man bezieht sich auf die Temperatur und die Zusammensetzung der Verbrennungs luft.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die hier ge nannten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Bezugszeichenliste

1 Kraftwerkskessel
1a Kesselfeuerraum
2 Brenner
3 Vorbrennkammer
4 Primärluftmassenstrom
4a Anteil des Primärluftmassenstromes, der erwärmt wird
4b Anteil des Primärluftmassenstromes, der nicht erwärmt wird
5 Sekundärluftmassenstrom
6 Wärmetauscher
7 Plenum
8 rezirkuliertes Rauchgas
9 Kamin
10 Außenwand des Vorbrennkammergehäuses
11 Ringkanal
12 Umlenkeinrichtung
13 Lochscheibe
14 Rückströmkanal
15 Öffnungen in der Lochscheibe
16 Keramikkörper
17 Lochzylinder
18 Öffnungen im Quencher
19 Öffnungen im Lochzylinder
20 Support

Claims

1. Verfahren für eine schadstoffarme gestufte Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe, wobei die erste Stufe des Verbrennungsprozesses in einer mit mindestens einem Bren ner (2) arbeitenden Vorbrennkammer (3) mit einem im Gehäuse der Vorbrennkammer (3) integrierten Wärmetauscher (6), in welchem zumindestens ein Teil des Primärluftmassenstromes (4) vor seiner Mischung mit Brennstoff entlangströmt und ihm da bei Wärmeenergie zugeführt wird, abläuft und mindestens eine weitere Stufe des Verbrennungsprozesses in der nachfolgenden Anlage, insbesondere in einem Kraftwerkskessel (1) zur Erzeu gung eines Dampfes, durchgeführt wird, dadurch gekennzeich net, daß die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner (2) geregelt und auf einem konstanten Wert auch bei unterschiedlichen Lasten gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner (2) dadurch erfolgt, daß der Primärluftmassen strom (4) vor Eintritt in den Wärmetauscher (6) der Vorbrenn kammer (3) aufgeteilt wird in einen kalten Luftmassenstrom (4b) und in einen durch den Wärmetauscher strömenden und sich dabei erwärmenden Luftmassenstrom (4a), daß nach Verlassen des Wärmetauschers (6) der Luftmassenstrom (4a) mit dem Luft massenstrom (4b) vor dem Eintritt in den Brenner (2) gemischt wird, wobei das Verhältnis der beiden zu mischenden Massen ströme (4a, 4b) zueinander verändert wird in Abhängigkeit von der Höhe der gemessenen Verbrennungslufttemperatur.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Massenstromverhältnisses von Kaltluft und Heißluft (4a, 4b) bei der Aufteilung und/oder bei der Zusammenführung der beiden Massenströme (4a, 4b) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Massenstromverhältnisses auf mechanischem Wege erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in den Brenner (2) dadurch erfolgt, daß dem Primärluftmassen strom (4) inertes Rauchgas (8) zugegeben wird, wobei das Ver hältnis der beiden zu mischenden Massenströme (4, 8) zueinan der verändert wird in Abhängigkeit entweder von der Höhe der direkt gemessenen Flammentemperatur oder von der Höhe der ge messenen Verbrennungslufttemperatur und ihrer Zusammenset zung.

6. Vorbrennkammer für eine schadstoffarmen gestufte Ver brennung, im wesentlichen bestehend aus einem Brennraum und einem Gehäuse mit einem Außenmantel (10), welcher einen Ringkanal (11) begrenzt, mit einer am kesselseitigen Ende des Ringkanals (11) angeordneten Umlenkeinrichtung (12), mit meh reren gleichmäßig über den Umfang verteilten Rückströmkanä len (14) und mit mindestens einem in die Stirnseite des Brennraumes eingebauten Brenner (2), dadurch gekennzeichnet, daß am kesselseitigen Eintritt der Rückströmkanäle (14) eine drehbare Lochscheibe (13) angeordnet ist und am anderen Ende der Rückströmkanäle an der Stirnseite der Vorbrennkammer (3) ein dreh- oder schiebbarer Lochzylinder (17) angeordnet ist.

7. Vorbrennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmkanäle (14) in einen SiC-Keramikkörper (16), vorzugsweise aus SiC 70% und SiC 90% bestehend, eingebet tet sind.