DE4439619A1

DE4439619A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners

Info

Publication number: DE4439619A1
Application number: DE4439619A
Authority: DE
Inventors: Timothy Dr Griffin; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1994-11-05
Filing date: 1994-11-05
Publication date: 1996-05-09
Also published as: EP0710797B1; US5569020A; EP0710797A3; DE59509509D1; EP0710797A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners, insbesondere eines mittels vortex breakdown stabilisierten Brenners der Doppelkegelbau art, welcher insbesondere mit gasförmigen Brennstoffen be trieben und vorzugsweise in Gasturbinenbrennkammern einge setzt wird. Die Vorrichtung bezieht sich dabei auf die Brenn stoffzuführung.

Stand der Technik

Bei Vormischbrennern, wie beispielsweise dem Doppelkegelbren ner nach EP 0 321 809, wird das aerodynamische Phänomen des vortex breakdown benutzt, um die heißen Abgase zu rezirku lieren und damit das Brennstoff/Luft-Gemisch für eine schad stoffarme Verbrennung zu stabilisieren. Ein vortex breakdown entsteht dann, wenn ein axial-symmetrischer, sich vorwärts ausbreitender Wirbel instabil wird und eine Rückströmzone in der Achse schafft.

Die Vormischbrenner werden für typische Gasturbinenarbeits weisen üblicherweise so ausgelegt, daß ihr Brennstoff/Luft- Verhältnis die geringsten NOx-Emissionen beim Betrieb unter Vollast liefert. Sie werden deshalb nahe der mageren Lösch grenze betrieben, ihr Regelbereich ist stark eingeschränkt.

Bei Teillast der Gasturbine oder bei geringerer Brennstoffzu fuhr ist es deshalb zur Aufrechterhaltung der Verbrennung er forderlich, einzelne Brenner abzuschalten, damit die restli chen Brenner weiter stabil betrieben werden können oder es muß eine Reduktion des Verbrennungsluftmassenstromes erfol gen.

Eine Erhöhung des Gebietes der Flammenstabilität würde die Notwendigkeit bzw. die erforderliche Genauigkeit solcher Maßnahmen verringern und dabei die Leistung der Gasturbine beträchtlich erhöhen.

Eine Möglichkeit zur Erweiterung des Stabilitätsbereiches der Vormischbrenner ist das in Achsnähe erfolgende zusätzliche Eindüsen von Pilotgas, so daß die Brenngase angefettet wer den.

Zum wahlweisen Betrieb eines Brenners mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff ist ein Verfahren bekannt, bei dem das alternativ zum Pilotgas verwendete Brennöl durch Eindüsung von Luft in Achsnähe des Brenners zerstäubt wird. Die Luft eindüsung erfolgt auch beim Pilotbetrieb mit Gas, bei dem aber keine Zerstäubung notwendig ist. Diese zusätzliche Luft destabilisiert die Pilotgasflamme und setzt damit die magere Löschgrenze der Flamme herab. Deshalb wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines kombinierten Bren ners für flüssige und gasförmige Brennstoffe entwickelt, bei welchem die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes in einer Airblast-Düse erfolgt und der gasförmige Brennstoff im Bren nerinnerraum in Achsnähe des Brenners durch die Zuführung von Pilotgas angefettet wird, bei denen der Zustrom der Gebläse luft in den Brennerinnenraum gesteuert wird. So wird beim Be trieb mit gasförmigen Brennstoff der Zustrom der Gebläseluft in den Brennerinnenraum abgedrosselt, beispielsweise durch das Einführen von Pilotgas in die Gebläseluft.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mittels vortex break down stabilisierten, mit gasförmigen Brennstoffen betriebenen Vormischbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer mit einfachen Mitteln das Gebiet der Flammenstabilität zu vergrößern, so daß der Vormischbrenner auch problemlos unter Teillastbedin gungen bzw. bei sehr mageren Hauptbrennstoff/Verbrennungs luft-Gemischen arbeitet.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren gemäß Ober begriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, daß das Pilotgas/Luft-Gemisch einem innerhalb der Brennstofflanze an der Spitze des Brenners angeordneten Katalysator zugeführt wird, dort gezündet und verbrannt wird und die Heißgasströ mung danach der kälteren Hauptbrennerströmung im Brennerin nenraum zugemischt wird.

Erfindungsgemäß wird das bei einer Brennstoffzuführung für einen mittels vortex breakdown stabilisierten schadstoffarmen Vormischbrenner, insbesondere einem Brenner der Doppelkegel bauart, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 4 dadurch er reicht, daß das Zuführmittel für das Pilotgas und die Pilot luft eine in der Brennstofflanze angeordnete Strahlpumpe ist und daß am Ende der Brennstofflanze an der Brennerspitze ein Katalysator ringförmig zwischen dem Zuführkanal für den Flüs sigbrennstoff und dem Hauptgaskanal angeordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß das Gebiet der Flammenstabilität für einen mittels vor tex breakdown stabilisierten Vormischbrenner in Richtung ma gerer Brennstoff/Luft-Gemische verschoben wird und der Wir kungsgrad der Anlage erhöht wird. Der Katalysator setzt die Verbrennung ohne NOx-Erzeugung in Gang und die entstehende heiße Strömung mischt sich mit der kälteren Hauptbrenner strömung. Dadurch wird eine weitere homogene Reaktion verzö gert. Die katalytische Zündung wird also mit einer Heißströ mungsflammenstabilisierung verbunden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf Grund der Anordnung des Katalysators in der austauschbaren Brennstofflanze auch der Katalysator sehr schnell ersetzt werden kann, falls Betriebssicherheitsprobleme auftreten. Außerdem kann auch eine Brennstofflanze für einen sich be reits in Betrieb befindenden Brenner einer Gasturbinenanlage problemlos mit dem Katalysator nachgerüstet werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Pilotgas unter Druck mittels einer in die Brennstofflanze integrierten Strahlpumpe eingebracht wird und seine Druckenergie dazu benutzt wird, eine ausreichende Menge Verbrennungsluft aus dem Plenum au ßerhalb der Brennerhaube in die Brennstofflanze einzubringen und diese mit dem Pilotgas vorzumischen, weil dadurch eine gute Vermischung von Pilotbrennstoff und Verbrennungsluft er zielt wird und eine günstige Hochdruckverbrennung des gasför migen Brennstoff/Luft-Gemisches erreicht wird.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Verbrennungsluft der Brennstofflanze verdrallt zugeführt wird, weil dadurch eben falls die Vermischung zwischen Pilotbrennstoff und Verbren nungsluft besser stattfindet.

Schließlich sind mit Vorteil zwischen dem Katalysator und dem Zuführkanal für den Flüssigbrennstoff bzw. zwischen dem Katalysator und dem Hauptgaskanal Kühlringräume angeordnet. Dadurch wird eine Überhitzung des Katalysators und der Brenn stofflanze bzw. des Brenners verhindert.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn ein aktiver Katalysator, vorzugsweise Palladiumoxid PdO, Platin, Metalloxidgemische oder Bariumhexaaluminate verwendet werden, wobei als Kataly satorträger ein Wabenkörper mit geeigneter Zellendichte oder Pellets einsetzbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Vormischbrenners der Doppelkegelbauart für eine Gasturbinenbrennkammer dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Brennkammer und des Dop pelkegelbrenners;

Fig. 2 einen vergrößerten Teillängsschnitt des Doppelke gelbrenners im Bereich der Kegelspitze und der Brennstofflanze;

Fig. 3 einen vergrößerten Teillängsschnitt der Brenn stofflanze im Düsenbereich;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt gemäß Fig. 3.

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

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles und der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt einer Gasturbinenbrenn kammer 1 mit einem Vormischbrenner 2. Dieser Vormischbrenner ist ein schadstoffarmer Doppelkegelbrenner, der in seinem prinzipiellen Aufbau beispielsweise in EP-B1 0 321 809 be schrieben wird. Er besteht im wesentlichen aus zwei hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern mit tangen tialen Lufteintrittsschlitzen, wobei die Mittelachsen der Teilkegelkörper eine sich in Strömungsrichtung erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander ver setzt verlaufen. Die beiden Teilkegelkörper weisen je eine Brennstoffleitung 3 zur Zuführung des gasförmigen Hauptbrenn stoffes 4 auf, welcher der durch die tangentialen Luftein trittsschlitze strömenden Verbrennungsluft 5 zugemischt wird.

Die Verbrennungsluft 5 dient vor ihrer Mischung mit dem Hauptbrenngas 4 als Kühlluft der Brennkammer 1. Diese sammelt sich dann wiederum in einem sich innerhalb der Brennerhaube 6 befindenden Plenum 7 an, bevor sie mit dem Hauptbrennstoff vermischt wird. Die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft erfolgt direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze.

Die Brennstofflanze 8 ist leicht austauschbar und enthält Zu führmittel 9 für den gasförmigen Pilotbrennstoff 10, Zuführ mittel 11 für einen eventuell einsetzbaren flüssigen Brenn stoff 12, der durch eine Düse 13, beispielsweise eine Drall düse oder einen Druckzerstäuber, in den Brennerinnenraum 14 gestäubt wird, und Zuführmittel 15 für aus einem Plenum 16 außerhalb der Brennerhaube 6 zugeführte Pilotluft 17.

Fig. 2 zeigt zwecks genauerer Darstellung einen vergrößerten Teillängsschnitt des Doppelkegelbrenners im Bereich der Ke gelspitze und der Brennstofflanze.

Der Hauptbrennstoff 4 strömt in der Zuführleitung 3 in den Doppelkegelbrenner und mischt sich mit der Verbrennungsluft 15, die durch die von den Teilkegelkörpern 18, 19 gebildeten Lufteintrittsschlitze 20 in den Brennerinnenraum des Doppel kegelbrenners 2 strömt. Die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemi sches erfolgt erst an der Spitze der Rückströmzone, so daß dort eine stabile Flammenfront entsteht. Die Flamme schlägt nicht ins Innere des Brenners zurück.

Innerhalb der Brennstofflanze 8 ist an der Spitze des Kegels erfindungsgemäß ein Katalysator 21 angeordnet. Er befindet sich ringförmig zwischen dem Zuführkanal 11 für Flüssigbrenn stoff 12 und dem Zuführkanal 3 für den Hauptbrennstoff 4. Stromauf des Katalysators 21 ist eine Strahlpumpe 22 in der Brennstofflanze 8 angeordnet. Mittels dieser in die Brenn stofflanze 8 integrierten Strahlpumpe 22 wird das Pilotgas 10 unter Druck in die Lanze eingebracht. Gleichzeitig wird seine Druckenergie dazu benutzt, eine ausreichende Menge Pilotluft 17 aus dem Plenum 16 außerhalb der Brennerhaube 6 einzubrin gen und diese mit dem Pilotbrennstoff gut vorzumischen. Durch Einbau von Wirbelelementen in den Zuführkanal 15 der Pilot luft 17 kann eine weitere vorteilhafte Vermischung erreicht werden. Das Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch 25 strömt danach dem an der Spitze des Doppelkegelbrenners angeordneten Katalysator 21 zu. Der Katalysator initiert nunmehr die Verbrennung, wo bei kaum meßbare NOx-Emissionen entstehen. Die durch den Katalysator erzeugte Heißgasströmung mischt sich im Brenner innenraum 14 mit der kälteren Hauptbrennerströmung und ver bessert dadurch die Stabilität der Hauptflamme.

Das Gebiet der Flammenstabilität wird wesentlich erweitert, indem die katalytische Zündung mit einer Heißgasströmungs flammenstabilisierung verknüpft wird.

Wie deutlich aus den Fig. 2 bis 4 zu erkennen ist, sind zwi schen dem Katalysator 21 und dem Zuführkanal 11 für einen eventuell benutzten Flüssigbrennstoff 12, sowie zwischen dem Katalysator 21 und dem Zuführkanal 3 des Hauptgases 4 schmale Kühlringräume 23 angeordnet. Diese dienen dazu, eine Überhit zung des Katalysators 21 und der Brennstofflanze 8 zu verhin dern.

Als Katalysator 21 wird ein Material eingesetzt, welches eine möglichst hohe katalytische Aktivität bei ausreichender ther mischer Stabilität gewährleistet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Palladiumoxid PdO als Katalysator 21, da es das aktivste Material für die Zündung der Methanoxidation ist.

Selbstverständlich können in anderen Ausführungsbeispielen auch andere thermisch stabile, im Vergleich zu PdO kataly tisch etwas weniger aktive Materialien verwendet werden, bei spielsweise Platin, Metalloxidgemische (wie Perovskite, Spi nelle) oder Bariumhexaaluminate.

Aus Fig. 4 ist eine mögliche Struktur des Katalysatortägers zu entnehmen. Der Katalysator 21 ist in einem Wabenkörper 24 angeordnet, wobei die Zellendichte des Wabenkörpers 24 unter schiedlichen Beanspruchungsbedingungen angepaßt werden kann. Die Auslegung hat so zu erfolgen, daß eine genügend große Katalysatorfläche zur Verfügung steht.

Der Katalysator 21 kann schnell und problemlos ausgewechselt werden. Außerdem lassen sich die Brennstofflanzen 8 bereits vorhandener Brenner 2 gut mit diesem Katalysator 21 und der Strahlpumpe 22 nachrüsten.

Das bisherige Ausführungsbeispiel bezog sich auf einen Bren ner 2, der mit gasförmigen Brennstoffen 4, 10 betrieben wird. Die Erfindung ist aber auch einsetzbar für den Kombi-Betrieb bzw. für den Betrieb mit flüssigem Brennstoff 12. Dann ist zwar das Einbringen von Pilotgas 10 in die Brennstofflanze 8 nicht notwendig, aber dafür wird mit der Strahlpumpe 22 zu sätzliche Luft 17 eingepumpt, die beispielsweise bei Teillast betrieb zusätzlich zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12 eingesetzt werden kann. Allerdings hat dann der Katalysa tor 21 seine eigentliche Funktion verloren; er stört aber auch nicht den Betriebsablauf.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Brenner
3 Brennstoffleitung
4 gasförmiger Hauptbrennstoff
5 Verbrennungsluft
6 Brennerhaube
7 Plenum innerhalb der Brennerhaube
8 Brennstofflanze
9 Zuführmittel für gasförmigen Pilotbrennstoff
10 gasförmiger Pilotbrennstoff
11 Zuführmittel für flüssigen Brennstoff
12 flüssiger Brennstoff
13 Düse
14 Brennerinnenraum
15 Zuführmittel für Pilotluft
16 Plenum außerhalb der Brennerhaube
17 Pilotluft
18 Teilkegelkörper
19 Teilkegelkörper
20 Lufteintrittsschlitz
21 Katalysator
22 Strahlpumpe
23 Kühlringraum
24 Wabenkörper
25 Pilotgas/Luft-Gemisch

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines mittels vortex breakdown stabilisierten schadstoffarmen Vormischbrenners (2), insbesondere eines Brenners der Doppelkegelbauart, mit gasförmigen Brennstoffen (4, 10), wobei dem Brenner (2) das Hauptbrenngas (4) über ein stoffschlüssig mit dem Brenner (2) verbundenes Hauptgasrohr (3) und das Pilot gas (10) in Achsnähe des Brenners (2) über eine separate Zuführleitung (9) mittels einer austauschbar eingescho benen Brennstofflanze (8) zugeführt werden und wobei das Pilotgas (10) innerhalb der Brennstofflanze (8) mit aus einem Plenum (16) außerhalb der Brennerhaube (6) zuge führter Luft (17) vermischt wird, dadurch gekennzeich net, daß das Pilotgas/Luft-Gemisch (25) einem innerhalb der Brennstofflanze (8) an der Spitze des Brenners (2) angeordneten Katalysator (21) zugeführt wird, dort ge zündet und verbrannt wird und die Heißgasströmung da nach der kälteren Hauptbrennerströmung im Brennerinnen raum (14) zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotgas (10) unter Druck mittels einer in die Brennstofflanze (8) integrierten Strahlpumpe (22) einge bracht wird und und seine Druckenergie dazu benutzt wird, eine ausreichende Menge Verbrennungsluft (17) aus dem Plenum (16) außerhalb der Brennerhaube (6) in die Brennstofflanze (8) einzubringen und diese mit dem Pi lotgas (10) vorzumischen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (17) der Brennstofflanze (8) ver drallt zugeführt wird.

4. Brennstoffzuführung für einen mittels vortex breakdown stabilisierter schadstoffarmen Vormischbrenner (2), ins besondere Doppelkegelbrenner, wobei das Hauptgasrohr (3) für den gasförmigen Brennstoff (4) mit dem Brenner (2) stoffschlüssig verbunden ist und eine leicht austausch bare Brennstofflanze (8) mit Zuführmitteln (9, 11, 15) für Brennstoffe (10, 12) und Verbrennungsluft (17) im Hauptgasrohr (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführmittel (9, 15) für das Pilotgas (10) und die Pilotluft (17) mit einer in der Brennstofflanze (8) angeordneten Strahlpumpe (21) verbunden sind und daß am Ende der Brennstofflanze (8) an der Brennerspitze ein Katalysator (21) ringförmig zwischen dem Zuführkanal (11) für den Flüssigbrennstoff (12) und dem Hauptgaska nal (3) angeordnet ist.

5. Brennstoffzuführung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Katalysator (21) und dem Zuführkanal (11) für den Flüssigbrennstoff (12) bzw. zwischen dem Katalysator (21) und dem Hauptgaskanal (3) Kühlringräume (23) angeordnet sind.

6. Brennstoffzuführung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß als Katalysator (21) aktives Material, vorzugsweise Palladiumoxid, Platin, Metalloxidgemische oder Bariumhexaaluminate verwendet werden.

7. Brennstoffzuführung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als Katalysatorträger ein Wabenkörper (24) mit geeigneter Zellendichte verwendet wird.

8. Brennstoffzuführung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als Katalysatorträger Pellets verwendet werden.