DE4441235A1

DE4441235A1 - Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung

Info

Publication number: DE4441235A1
Application number: DE4441235A
Authority: DE
Inventors: Joseph Brostmeyer
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-11-19
Filing date: 1994-11-19
Publication date: 1996-05-23
Also published as: EP0713058A1; DE59502165D1; US5645410A; JPH08219445A; CN1130741A; EP0713058B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehr stufigen Brennkammer, mit mindestens einem Primärbrenner der Vormischbauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit Primärbrennluft intensiv vermischt wird, und mit minde stens einer Nachbrennraum, der stromabwärts des Vorbrennrau mes angeordnet ist und in den Sekundärbrennluft eingeleitet wird. Sie betrifft ebenfalls eine Brennkammer zur Durchfüh rung des Verfahrens.

Stand der Technik

Eine solche zweistufige Brennkammer und ein Verfahren zu deren Betrieb ist bekannt aus der DE-C2 31 49 581. Als Primärbrenner der Vormischbauart werden dort Wirbelbecher mit zentralen Brennstoffeinspritzdüsen verwendet. Bei der Brennkammer handelt es sich um eine sogenannte "Fett/Mager- Zweistufenbrennkammer", wobei in der ersten Verbrennungs stufe die Gase ein Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis aufweisen, welches größer als 1 ist. In der zweiten Ver brennungsstufe weisen die Gase ein Brennstoff/Luft-Aquiva lenzverhältnis auf, welches kleiner als 1 ist. Der Übergang vom fetten auf das magere Gemisch ist schnellstmöglich zu realisieren. Deshalb wird das Gemisch beschleunigt, und die Sekundärbrennluft wird in das beschleunigte Gemisch einge düst. Der Zweck der Beschleunigung ist darin zu sehen, die Aufenthaltsdauer des Gemisches in der Zone, in welcher das Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis 1 beträgt, möglichst klein zu halten. Denn bei diesem mittleren Verhältnissen ist die Bildungsgeschwindigkeit von NO_x am größten.

Moderne Brenner der Vormischbauart bieten die Möglichkeit, auch die erste Verbrennungsstufe mager zu betreiben, was sich aufgrund der großen Luftzahl und der niedrigeren Flammen temperaturen vorteilhaft auf die NO_x-Bildung auswirkt. Bei einer solchen Vormischverbrennungstechnik muß nur sicherge stellt werden, daß die Flammstabilität, insbesondere bei Teillast, nicht an die Löschgrenze stößt. Als Regel gilt, daß solche Vormischbrenner, wenn sie einstufig betrieben werden und wenn Temperaturen von 1800K (ca. 1530°C) verlangt werden, etwa 25-30 ppm NO_x erzeugen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Benutzung solcher moderner Vormischbrenner ein "Mager/Mager"-Verfahren und die zugehörige Brennkammer zu schaffen, mit denen extrem tiefe NO_x-Emissionen erzielt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,

- daß der Primärbrenner ein flammenstabilisierender Vor mischbrenner ist, welcher an der unteren Stabilitäts grenze betrieben wird,
- daß zwischen Vorbrennraum und Nachbrennraum das Rauch gas beschleunigt wird,
- und daß in die den Vorbrennraum verlassende Rauchgas strömung zwecks Bildung eines selbstzündenden Gemisches Kühlluft aus der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung und Zusatzbrennstoff eingeführt wird.

Eine Brennkammer zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich aus durch einen am Kopfende der Brennkammer angeordne ten Doppelkegelbrenner der Vormischbauart, mit anschließen dem Vorbrennraum, durch eine dem Vorbrennraum folgende Beschleunigungsstrecke für das Rauchgas, welche in einen Nachbrennraum mündet, und durch Luft-Einströmöffnungen, die im Bereich der Beschleunigungsstrecke in der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung angeordnet sind, sowie durch am Ein tritt des Nachbrennraumes angeordnete Einspritzmittel für Zusatzbrennstoff.

Zwar ist aus der DE-A1 37 07 773 im Zusammenhang mit Pro zeßwärmeerzeugug bereits ein zweistufiges Verfahren und eine entsprechende Brennkammer bekannt, welche mit einem flammenstabilisierenden Doppelkegelbrenner als Primärbrenner arbeitet, bei welchem zwischen Vorbrennraum und Nachbrenn raum das Gas beschleunigt wird und bei welchem der zweiten Stufe Luft beigemischt wird. Allerdings wird - wie beim bereits eingangs erwähnten Stand der Technik - diese Vorbrennkammer unterstöchiometrisch mit einer Luftzahl Lambda = 0.7 betrieben. Hierdurch erreicht das teilver brannte Gas eine Temperatur von 1800-1900°C. Bei der in die beschleunigte Gasströmung eingeleiteten Luft handelt es sich um sogenannte Abschreckluft (Quenchluft), die rasch in die Hauptströmung einzudüsen ist, um ein Oxidieren des Luft stickstoffs zu vermeiden.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß der Vormischbrenner an der unteren Löschgrenze betrie ben werden kann, wobei zunächst nur ca. 9 ppm NO_x produziert werden; der selbstzündende Nachverbrennprozeß liefert Gase mit der gewünschten hohen Temperatur von 1800K (ca. 1530°C), welche Gase infolge der Zufuhr von weiterer Luft und auf grund der kurzen Aufenthaltszeiten nur noch NO_x-Werte klei ner als 6 ppm aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand von Gasturbinen-Brennkammern schematisch darge stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer ersten zweistu figen Brennkammer;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer zweiten fünfstu figen Brennkammer;

Fig. 3A einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;

Fig. 3B einen Querschnitt durch denselben Vormisch brenner im Bereich der Kegelspitze.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die vollständige Brennkammer und deren Zuordnung zu einer Anlage, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, welches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdichter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer beispielsweisen ringförmigen Brennkammer 60 zuführt. Diese Brennkammer ist zweistufig ausgebildet und besteht im wesent lichen aus einer Vorbrennkammer 61 und einer stromabwärts gelegenen Nachbrennkammer 62, welche beide mit einer Brenn kammerwand 63 ummmantelt sind. Von der gesamten Verbren nungsluft wird ein Teil a der Vorbrennkammer 61 direkt zuge führt, während die Teile b und c zunächst Kühlfunktionen ausüben.

Auf die Vorbrennkammer 61, die sich am Kopfende der Brenn kammer 60 befindet und deren Brennraum durch eine Front platte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufge setzt. In diesem Dom ist ein Brenner 110 so angeordnet, daß der Brenneraustritt zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 54. Die Längsachse 51 des Primärbrenners 110 verläuft koaxial zur Längsachse 52 der Brennkammer 60. Über den Umfang verteilt ist eine Mehrzahl von solchen Brennern 110 nebeneinander auf der kreisringförmigen Frontplatte 52 angeordnet. Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwan dung strömt die Verbrennungsluft a aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 120 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.

Beim schematisch in Fig. 3A und 3B dargestellten Vormisch brenner 110 handelt es sich jeweils um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der eingangs genannten EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesentlichen besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind.

Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandun gen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Dort ist eine erste Brennstoffdüse 116 für flüssigen Brennstoff angeord net. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Brennstoffpro fil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der Verbrennungsluft abgebaut. Im Beispielsfall kann der Brenner ebenfalls mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 119 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen 117 vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintrittsschlitze 119. Es versteht sich, daß auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brenn stoffarten möglich ist.

Am Brenneraustritt 118 des Brenners 110 stellt sich eine mög lichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beauf schlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulati onszone 122, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benö tigen.

Im Beispielsfall wird der Vormischbrenner mit ca. 56% der insgesamt zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft betrieben und zwar nahe an der unteren Löschgrenze; d. h. die entspre chende Brennstoffmenge wird so eingestellt, daß im Brenn raum 61 eine Temperatur von 1640K (ca. 1370°C) und ein NO_x- Gehalt von 9 ppm vorherrschen.

Gemäß Fig. 1 bildet der Übergang vom Vorbrennraum 61 in den Nachbrennraum 62 eine Verengung, welche eine Beschleuni gungszone 70 für das Arbeitsmittel darstellt. Hierdurch soll ein geeignetes Temperatur/Geschwindigkeitsfeld für eine stabile Selbstzündung stromabwärts von Brennstofflanzen geschaffen werden.

Am Eintritt in den Nachbrennraum 62 sind derartige Brenn stofflanzen 121 angeordnet. Im Falle einer Ringbrennkammer sind mehrere solcher Lanzen über dem Umfang verteilt. Aus ihnen wird der Zusatzbrennstoff - gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt verteilt - in die Hauptströmung einge düst.

Stromaufwärts dieser Brennstoffeindüsung werden die restli chen 44% Luft dem Verbrennungsprozeß auf geeignete Art bei gemischt. Hierbei handelt es sich um jene Luft, die zunächst zur Kühlung der Brennkammerwandungen herangezogen wird. Diese Brennkammerwandungen sind sowohl im Bereich des Vor brennraumes 61 als auch im Bereich des Nachbrennraumes 62 doppelwandig ausgeführt. Die innere Wand 63a ist in der Ebene der vorgesehenen Luftzufuhr mit Einlaßöffnungen 64 versehen. Die Luftmenge, die der Hauptströmung beigemischt wird, setzt sich aus zwei Teilströmen zusammen. Zum einen die Kühlluft b der Vorbrennkammer, die ca. 16% der Gesamt menge ausmacht und zum andern die Kühlluft c der Nachbrenn kammer, die ca. 28% der Gesamtmenge ausmacht.

Es versteht sich, daß dieser Vorgang mit Druckverlusten verbunden ist. So beträgt beispielsweise der Druckverlust der Luft über die Wandkühlung ca. 4%, jener über die Mischung von Verbrennungsgasen und Kühlluft ca. 2%.

Die Mischtemperatur nach dem Zumischen der Kühlluft zu den Verbrennungsgasen des Vorbrennraumes beträgt ca. 980°C, so daß das am Eintritt in den Nachbrennraum 62 vorliegende Brennstoff/Luft-Gemisch selbstzündend ist. Die Menge an Zusatzbrennstoff wird dabei so gewählt, daß im Nachbrenn raum 62 die gewünschte Endtemperatur von 1700K (ca. 1430°C) herrscht. Der anläßlich der Vorverbrennung entstandene NO_x- Gehalt von 9 ppm ist durch die Verdünnung auf weniger als 6 ppm reduziert.

Es versteht sich, daß der Nachbrennraum 62 in seiner axia len Erstreckung so dimensioniert ist, daß darin ein voll ständiger Ausbrand stattfindet.

Fig. 2 zeigt schematisch eine fünf stufige Brennkammer, die folgendermaßen betrieben werden kann:

Über die Brennstofflanze 120 wird Brennstoff dem Vormisch brenner 110 zugeleitet und mit ca. 10% der Verbrennungsluft a verbrannt. Die über die Lanze 120 zugeführte Brennstoff menge wird dabei so eingestellt, daß im Brennraum A eine Temperatur von 1640K (ca. 1370°C) und ein NO_x-Gehalt von 9 ppm vorherrscht. Das Gemisch wird beschleunigt; in der Ebene b werden weitere 8% Luft, in diesem Fall Wand-Kühlluft, und über die Brennstofflanzen 121 eine entsprechende Menge Brennstoff eingeführt, so daß im Brennraum B eine Tempera tur von 1500K (ca. 1230°C) herrscht. In der Ebene c werden weitere 14% Luft und über die Brennstofflanzen 130 eine entsprechende Menge Brennstoff eingeführt, so daß im Brenn raum C ebenfalls eine Temperatur von 1500K (ca. 1230°C) herrscht. In der Ebene d werden weitere 26% Luft und über die Brennstofflanzen 131 eine entsprechende Menge Brennstoff eingeführt, so daß auch im Brennraum D eine Temperatur von 1500K (ca. 1230°C) herrscht. In der Ebene e werden die rest lichen 42% Luft und über die Brennstofflanzen 132 die rest liche Menge Brennstoff eingeführt, so daß im Brennraum E die gewünschte Endtemperatur von 1700K (ca. 1430°C) herrscht. Durch die sukksessive Reduzierung des anläßlich der Vorverbrennung entstandenen NO_x ist es durchaus möglich, daß im Brennraum E nur noch ein NO_x-Gehalt von 3 ppm vor liegt.

Im Ergebnis ist festzustellen, daß die optimale Anzahl Verbrennungsstufen hinsichtlich des zu errechnenden NO_x Wertes in Funktion des in Kauf zu nehmenden Druckverlustes sowie der Brennkammerlänge zu wählen ist.

Bezugszeichenliste

50 Plenum
51 Längsachse des Primärbrenners
52 Längsachse der Brennkammer
54 Frontplatte der Vorbrennkammer
55 Dom
60 Brennkammer
61, A Vorbrennkammer
62, B, C, D, E Nachbrennkammer
63 Brennkammerwand
63a innere Brennkammerwand
64 Einlaßöffnung
70 Beschleunigungsstrecke
74 Frontplatte
75 Dom
110 Doppelkegelbrenner
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Brennstoffdüse
117 Gaseinströmöffnung
118 Brenneraustritt
119 tangentialer Spalt
120, 121, 130, 131, 132 Brennstofflanze
122 Rückstromkalotte
a, b, c, d, e Luftzufuhr

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer mehrstufigen Brennkammer, mit mindestens einem Primärbrenner (110) der Vormisch bauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung mit Primärbrennluft intensiv vermischt wird, und mit mindestens einer Nachbrennraum (62, B, C, D, E), der stromabwärts des Vorbrennraumes (61, A) angeordnet ist, und in den Sekundärbrennluft eingeleitet wird dadurch gekennzeichnet,

- daß der Primärbrenner (110) ein flammenstabili sierender Vormischbrenner ist, welcher an der un teren Stabilitätsgrenze betrieben wird,
- daß zwischen Vorbrennraum (61, A) und Nachbrenn raum (62, B, C, D, E) das Rauchgas beschleunigt wird,
- und daß in die den Vorbrennraum verlassende Rauchgasströmung zwecks Bildung eines selbstzün denden Gemisches Kühlluft aus der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung und Zusatzbrennstoff einge führt wird.

2. Brennkammer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß am Kopfende der Brennkammer ein Vormischbren ner (110) angeordnet ist, mit anschließendem Vor brennraum (61, A),
- daß eine dem Vorbrennraum folgende Beschleuni gungsstrecke (70) für das Rauchgas vorgesehen ist, welche in einen Nachbrennraum (62, B, C, D, E) mündet,
- daß im Bereich der Beschleunigungsstrecke (70) Einströmöffnungen (64) in der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung angeordnet sind
- und daß am Eintritt des mindestens einen Nach brennraumes (62, B, C, D, E) Einspritzmittel für Zusatzbrennstoff angeordnet sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner ein Doppelkegelbrenner (110) ohne mechanischen Flammenhalter ist.