DE69128333T2

DE69128333T2 - Brennkammer und Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69128333T2
Application number: DE1991628333
Authority: DE
Inventors: Shigeru Azuhata; Hironobu Kobayashi; Michio Kuroda; Tadayoshi Murakami; Kiyoshi Narato; Masayuki Taniguchi; Satoshi Tsukahara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2011-09-26
Also published as: JP2942336B2; DE69128333D1; JPH04136603A; EP0478305A3; EP0478305B1; EP0478305A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung, in der flüssiger Brennstoff vorverdampft wird, mit Verbrennungsluft vorvermischt wird und dann verbrannt wird, und sie betrifft eine die Verbrennungsvorrichtung enthaltende Verbrennungsanlage sowie ein Verbrennungsverfahren.

2. Beschreibung der einschlägigen Technik

Um die Belastbarkeit einer Gasturbinen-Verbrennungsvorrichtung zu erhöhen, besteht in jüngerer Zeit die Tendenz, Verbrennung vom Vorverdampfungs-/Vormischtyp zu verwenden, bei der flüssiger Brennstoff verdampft (vorverdampft) und mit Luft vorvermischt wird und das sich ergebende Vorgemisch (vorgemischtes Gas) aus derselben Düse ausgestoßen wird. Die Verwendung derartiger Verbrennung mit Vorverdampfung/Vormischung ist hinsichtlich der folgenden zwei Gesichtspunkte von Vorteil. Der eine ist der, dass es die Verwendung einer Verbrennung vom Typ mit Vorverdampfung und Vormischung ermöglicht, den Reaktionsbereich für die Verbrennung zu verkleinern. Anders gesagt, kann die Flamme verkürzt werden, was Verbrennung bei hoher Belastung ermöglicht. Der andere Vorteil ist der, dass die Menge an ausgestoßenem NOx unter Verwendung eines verdünnten Brennstoffgemischs im Verbrennungsprozess verringert werden kann.
Zu anderen Verbrennungen als solcher vom Vormischtyp gehört Diffusionsverbrennung, bei der Luft und Brennstoff aus verschiedenen Düsen ausgestoßen werden. Bei einem derartigen Verbrennungsverfahren liegt im Verlauf des Vormischens von Brennstoff mit Luft in einer Verbrennungskammer selbst dann, wenn die Verbrennung in einem Zustand mit verdünntem Brennstoff ausgeführt wird, immer ein Bereich vor, in dem das Verhältnis der theoretischen Luftmenge zur tatsächlichen Luftmenge in einem Brennstoff-Luft-Gemisch (was als Luftverhältnis bezeichnet wird) ungefähr 1 : 1 beträgt. Die Temperatur einer Flamme ist in der Nähe des Bereichs mit dem Luftverhältnis von ungefähr 1 1 höher, und aus diesem Grund ist eine Verringerung der Menge an NOx allgemein schwierig.
Andererseits wird bei Verbrennung vom Bohrmischtyp mit höherem Luftverhältnis, d.h. bei Verbrennung vom Vormischtyp, bei der eine überschussmenge an Luft und Brennstoff vorgemischt werden und das sich ergebende Gemisch verbrannt wird, das Brennstoff-Luft-Gemisch unter solchen Verbrennungsbedingungen verbrannt, dass der Brennstoff im gesamten Verbrennungsbereich verdünnt ist, weswegen eine Verringerung der NOx-Menge einfach ist. Ein derartiger Verbrennungsprozess mit verdünnter Vormischung wird bei Verbrennungsvorrichtungen für Gasturbinen zunehmend verwendet (siehe z.B. die Japanische Patentveröffentlichung Nr. 35016/87).
Imallgemeinen ist zum Erzielen einer Verbrennung mit Vormischung unter Verwendung von flüssigem Brennstoff ein Brenner vom Vormischtyp vorhanden, der einen Zerstäuber zum Zerstäuben des flüssigen Brennstoffs sowie eine Verdampfungskammer aufweist, in der der zerstäubte flüssige Brennstoff verdampft wird (siehe Gas Turbine Academic Society Journal, Vol 16, No. 64, 5. 47 bis 55).
Bei einem derartigen Brenner vom Vormischtyp existieren Erfordernisse hinsichtlich der Ausbildung feinverteilter, zerstäubter Teilchen, wodurch die Verdampfung des Brennstoffs beschleunigt werden soll, sowie hinsichtlich der Erzeugung eines gleichmäßigen Vorgemischs von vorverdampftem Brennstoff und Luft, wie sie sich aus dem Vermischen der zerstäubten Teilchen mit Luft ergibt.
Das Dokument US-A-3,851,466 beschreibt einen derartigen Brenner vom Vormischtyp, bei dem Luft durch einen Brennstoff-Einspritzring, und um diesen herum, in eine Vorverdampfungszone strömt. Stromabwärts ist ein zentraler Körper vorhanden, der hinter sich eine turbulente Zone erzeugt, um die Flamme zu stabilisieren.
Ein Beispiel eines Brenners vom Vormischtyp, der hinsichtlich der für einen Brenner vom Vormischtyp einzuhaltenden Erfordernisse zumindest die Erzeugung feinverteilter, zerstäubter Teilchen erzielen kann, ist in Fig. 8 dargestellt (siehe Prog. Energy Combust. Sci., No. 6, 5. 233 bis 261).
Dieser Vormischbrenner umfasst einen Innenzylinder 2, dessen Innenumfangsfläche ein flüssiger Brennstoff zugeführt wird, und einen innerhalb des Innenzylinders 2 angebrachten Zapfen 5, dessen Durchmesser in stromabwärtiger Richtung zunimmt. Um den Innenumfang des Innenzylinders ist an dessen stromabwärtiger Seite eine Vorfilmbildungsfläche 3 ausgebildet, deren Durchmesser in der stromabwärtigen Richtung allmählich zunimmt.
Luft, die geradlinig durch den Innenzylinder 2 läuft, dient dazu, den flüssigen Brennstoff zu filmartiger Konfiguration auszubilden, um ihn zu einer Zerstäubungslippe 4 zu führen. Der filmartige, flüssige Brennstoff, der die Zerstäubungslippe 4 erreicht hat, wird von dieser durch die durch den Innenzylinder 2 strömende Luft zum Außenumfang ausgestoßen, und er wird durch die Luft, die geradlinig entlang der Außenseite des Innenzylinders 2 läuft, abgeschert und feinverteilt.
Die Fähigkeit der Feinverteilung und die Eigenschaft, ein Dispersionsspray zu erzeugen, hängen von der Form des Zapfens 5 ab. Dies, da der Ausstoßwinkel des flüssigen Brennstoffs in bezug auf die geradlinig entlang der Außenseite des Innenzylinders 2 laufende Luft durch die Form des Zapfens 5 bestimmt ist.

Vorheizen von flüssigem Brennstoff

Luft wird durch einen Kompressor adiabatisch komprimiert und auf eine Temperatur von ungefähr 270 bis 350ºC erwärmt. In der Verdampfungskammer werden die feinverteilten, zerstäubten Teilchen durch Verbrennungsluft erwärmt und verdampft. In diesem Fall ist es erforderlich, Selbstzündung der zerstäubten Teilchen zu verhindern. Daher ist es erforderlich, dass die Verweilzeit der zerstäubten Teilchen in der Verdampfungskammer gleich groß wie die Selbstzündungszeit oder kürzer ist, und im allgemeinen ist es bevorzugt, dass die Verweilzeit in der Verdampfungskammer bei praxisgerechten Bedingungen 4 ms oder weniger entspricht.
Wenn jedoch die Verweilzeit der zerstäubten Teilchen lediglich innerhalb der Selbstzündungszeit liegt, werden die zerstäubten Teilchen zugeführt, ohne dass sie verdampft sind, was zu einem Fehlschlag hinsichtlich einer Verringerung der NOx-Menge führt.
Daher ist es zum Verdampfen der zerstäubten Teilchen innerhalb der Verweilzeit, die innerhalb der Selbstzündungszeit liegt, wichtig, die Größe der zerstäubten Teilchen zu verringern. Jedoch existiert eine Grenze hinsichtlich einer Größenverringerung der zerstäubten Teilchen. Eine derartige Grenze hat einen Wert, der sich aus der Teilung der Summe der Volumina der zerstäubten Teilchen durch die Summe der Oberflächen derselben ergibt, nämlich ungefähr 40 µm hinsichtlich der sogenannten mittleren Teilchengröße gemäß Zauta. Daher ist es zum Beschleunigen der Verdampfung der zerstäubten Teilchen erforderlich, die Verdampfung derselben durch ein weiteres Verfahren, zusätzlich zur Feinunterteilung der zerstäubten Teilchen, zu fördern.
Ein Beispiel für derartige Verfahren, wie sie in Betracht gezogen werden können, ist ein Verfahren zum Vorheizen des flüssigen Brennstoffs.
Das Vorheizen flüssigen Brennstoffs wird bei mit Schweröl beheizten Dampferzeugern allgemein verwendet. Bei einem solchen Dampferzeuger wird jedoch Schweröl geringer Qualität, das bei Umgebungstemperaturen fest ist, zur Verflüssigung auf ungefähr 80ºC erwärmt, um dadurch den Transport durch Leitungen zu ermöglichen. Demgemäß fördert das Vorerwärmen von flüssigem Brennstoff bei einem mit Schweröl beheizten Damperzeuger die Verdampfung der zerstäubten Teilchen nicht.
Ein Vorheizen zum Fördern von Verdampfung zerstäubter Teil chen ist z.B. in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 14325/80 beschrieben. Dieses Verfahren besteht darin, den flüssigen Brennstoff in einer Ausstoßumgebung auf eine Temperatur zu erwärmen, die dem Siedepunkt oder einer höheren Temperatur entspricht, um dann den vorerwärmten flüssigen Brennstoff aus einem kleinen Loch in die Verdampfungskammer auszustoßen
Der aus dem kleinen Loch ausgestoßene Brennstoff erzeugt in der Ausstoßumgebung einen sogenannten Unterdruck-Siedeeffekt, und er wird dabei aufgrund einer Volumenexpansion feinverteilt und verdampft.

Behandlung eines Verbrennungs-Zwischenprodukts

Derzeit werden, unter den Verbrennungsabgassubstanzen einer Gasturbine, NOx und CO als Umweltverschmutzungsstoffe kontrolliert, und es sollten eine Verbrennungseinrichtung und eine Entstickungsvorrichtung vorhanden sein, die dazu geeignet sind, die Emissionsstandards für NOx und CO zu erfüllen. Jedoch unterliegt ein Verbrennungs-Zwischenprodukt wie ein Aldehyd keiner Kontrolle, und die derzeitige Situation ist diejenige, dass Aldehyde kaum behandelt werden.
Eine Zerstäubungseinrichtung, wie die oben beschriebene, wird für eine Verbrennungsvorrichtung für eine Gasturbine verwendet, bei der Verbrennung unter Verwendung einer großen Luftmenge ausgeführt wird, da die Zerstäubungseinrichtung den flüssigen Brennstoff bei kleinem Druckverlust feinverteilt.
Um die zerstäubten Teilchen einem kleinen Raum wie einer Verdampfungskammer zuzuführen, ist es jedoch erforderlich, die feinunterteilten, bei einem kleinen Zerstäubungwinkel zerstäubten Teilchen mit Luft zu vermischen, um das sich ergebende Gemisch zuzuführen. Um einen kleinen Zerstäubungswinkel zu erzeugen, ist es erforderlich, mit einem verringerten Divergenzwinkel eines Zapfens zu arbeiten.. Bei einem Zapfen mit relativ kleinem Divergenzwinkel kann die Scherkraft aufgrund des Kontakts von Luft an der Innenumfangsseite mit Luft an der Außenumfangsseite verringert sein, mit dem Ergebnis, dass keine gut feinunterteilte, zerstäubte Teilchen geliefert werden können. Wenn feinunterteilte, zerstäubte Teilchen nicht geliefert werden können, erfordert die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs mehr Zeit, da die Verdampfungszeit für die zerstäubten Teilchen in der Verdampfungskammer proportional zum Quadrat der Teilchengröße der zerstäubten Teilchen ist, so dass der flüssige Brennstoff dem Verbrennungsraum zugeführt wird, ohne dass er einen vorverdampften und vorgemischten Zustand erreicht. Solange keine Verbrennung mit Vorverdampfung und Vormischung erzielt werden kann, kann nicht notwendigerweise geringe NOx-Verbrennung erzielt werden.
Wenn für vergrößerten Zerstäubungswinkel gesorgt wird, können die zerstäubten Teilchen an der Innenwand der Verdampfungskammer anhaften. Teilchen, die an der Innenwand der Verdampfungskammer anhaften, verdampfen nur schwierig, weswegen die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs behindert sein kann. Aus diesem Grund ist es unmöglich, eine Verbrennung mit Vorverdampfung und Vormischung zu erzielen, wie sie für einen Verbrennungsprozess mit wenig NOx geeignet ist. Ferner ist es bei vergrößertem Zerstäubungswinkel möglich, für eine feine Unterteilung der zerstäubten Teilchen zu sorgen, jedoch ist es sehr schwierig, dass der flüssige Brennstoff auf Filmweise eben verteilt wird, um in einem dreidimensionalen Raum gleichmäßig verteilt zu werden.
Auf diese Weise geht mit dem Stand der Technik das Problem einher, dass es schwierig ist, den flüssigen Brennstoff fein aufzuteilen und ferner den fein aufgeteilten flüssigen Kraftstoff gleichmäßig in der Verdampfungskammer zu verteilen, und es ist unmöglich, für eine ausreichende Verringerung der NOx-Menge zu sorgen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung, eine Gasturbine, eine Verbrennungsanlage und ein Verbrennungsverfahren zu schaffen, mit denen selbst bei flüssigem Brennstoff die Menge an NOx verringert werden kann, während stabile Verbrennung mit Vormischung gewährleistet ist.
Gemäß der Erfindung ist folgendes geschaffen: eine Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischbrenner mit einem Zerstäuber für flüssigen Brennstoff, in den Verbrennungsluft und flüssiger Brennstoff eingespeist werden, wobei
- der Zerstäuber einen Innenmantel, auf dessen innere Umfangsfläche der flüssige Brennstoff zugeführt wird, einen Außenmantel, einen durch den Innenmantel führenden Durchgang für einen ersten Strom von Verbrennungsluft und einen Durchgang zwischen Außenmantel und der äußeren Umfangsfläche des Innenmantels für einen zweiten, im wesentlichen geradlinigen Strom an Verbrennungsluft aufweist, und wobei
- benachbart zur Ausgangsöffnung des Vormischbrenners ein Strömungswiderstand vorgesehen ist, der einer vom Vormischbrenner ausgestoßenen Vormischung einen Widerstand darbietet,
wobei der Zerstäuber eine Verwirbelungsströmungs-Ablenkplatte enthält, um den ersten, durch den Innenmantel tretenden Strom an Verbrennungsluft zu verwirbeln und ihn stromabwärts zu leiten, und der Strömungswiderstand in Stromabwärtsrichtung abrupt seinen Querschnitt verringert und im wesentlichen stromabwärts vom Zentrum der Verwirbelungsströmung angeordnet ist.
Es ist auch eine Gasturbinenanlage geschaffen, die das von der vorstehend angegebenen Verbrennungsvorrichtung ausgestoßene Abgas dazu verwendet, eine Gasturbine anzutreiben.
Bei der oben genannten Verbrennungsvorrichtung ist es bevorzugt, dass der Innenumfang des Innenmanteis des Zerstäubers zur stromabwärtigen Seite hin zunehmenden Durchmesser aufweist. Ferner ist es in der Verbrennungsvorrichtung bevorzugt, dass die Innen- und die Außenumfangsfläche des Innenmantels des Zerstäubers am stromabwärtigen Ende des Innenmantels unter einem spitzen Winkel aufeinander treffen und die Fläche einer Öffnung im Innenmantel der Fläche einer Öffnung zwischen dem Innen- und dem Außenmantel entspricht und das stromabwärtige Ende des Außenmantels weiter stromabwärts liegt als das stromabwärtige Ende des Innenmantels.
Außerdem ist gemäß der Erfindung folgendes geschaffen: eine Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischbrenner mit einer Kammer, in der flüssiger Brennstoff mit Verbrennungsluft gemischt wird, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Stroms an Verbrennungsluft in der Kammer,
- einer Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten, im wesentlichen geradlinigen Stroms an Verbrennungsluft, der stromabwärts um den ersten Strom herum strömt,
- einer Einrichtung zur Zuführung von flüssigem Brennstoff in einen Randbereich zwischen dem ersten Strom und dem ge radlinigen Strom, und mit
- einer im wesentlichen stromabwärts vom Zentrum des ersten Stroms und benachbart der Austrittsöffnung des Vormischbrenners angeordneten Einrichtung zur Erzeugung eines Zirkulationsstroms von Verbrennungsgas, das durch die Verbren nung der aus dem Vormischbrenner austretenden Vormischung erzeugt ist,
wobei die Einrichtung zur Erzeugung des ersten Stroms derart ausgebildet ist, dass als erster Strom eine Verwirbelungsströmung von Verbrennungsluft in der Kammer entsteht.
In einer derartigen Verbrennungsvorrichtung kann die Einrichtung zum Erzeugen der Verwirbelungsströmung aus einem Mischflügel oder einer zum Verwirbeln der Verbrennungsluft angeordneten Düse bestehen. Die Einrichtung zum Erzeugen der Zirkulationsströmung kann aus einem Strömungswiderstand bestehen, dessen Querschnitt sich stromabwärts abrupt verringert.
Die Erfindung schafft auch eine Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischbrenner mit einer Kammer, in der flüssiger Brennstoff mit Verbrennungsluft gemischt wird, mit
- einer Einrichtung zur Verungleichmäßigung der Verteilung des Luftverhältnisses, um den Brennstoff in einem zentralen Abschnitt der Kammer zu konzentrieren, und mit
- einer im wesentlichen stromabwärts dieses zentralen Abschnitts der Kammer und benachbart zur Austrittsöffnung des Vormischbrenners angeordneten Einrichtung zur Bildung eines Zirkulationsstroms an Verbrennungsgas, das durch Verbrennung einer Mischung aus flüssigem Brennstoff und Verbrennungsluft erzeugt ist,
- wobei die Einrichtung zur Verungleichmäßigung der Verteilung des Luftanteils zur Brennstoffkonzentration eine Verwirbelungsströmung an Verbrennungsluft und einen geradlinigen Strom an Verbrennungsluft am äußeren Umfang der Verwirbelungsströmung erzeugt.
Es ist auch folgendes geschaffen: ein Verbrennungsverfahren zur Verbrennung einer Brennstoff-Luft-Mischung nach Vormischung eines flüssigen Brennstoffs mit Verbrennungsluft, bei dem
- ein erster, stromabwärts fließender Strom an Verbrennungsluft und
- um diesen ersten Strom herum ein im wesentlichen geradliniger, stromabwärts fließender Strom an Verbrennungsluft erzeugt werden,
- flüssiger Brennstoff in einen Randbereich zwischen dem ersten Strom und dem geradlinigen Strom zugeführt wird, um flüssigen Brennstoff mit Verbrennungsluft vorzumischen, und bei dem
- eine aus der Vormischung des flüssigen Brennstoffs mit Verbrennungsluft entstandene Mischung aus einer Brenneraustrittsöf fnung zur Verbrennung ausgestoßen wird, wobei zugleich das durch diese Verbrennung erzeugte Verbrennungsgas in die Nähe der Brenneraustrittsöffnung und im wesentlichen stromabwärts des Zentrums des ersten Stroms zirkuliert,
- wobei der erste Strom eine Verwirbelungsströmung an Verbrennungsluft ist, die sich als Verwirbelungsströmung stromabwärts bewegt, und dass das Verbrennungsgas im wesentlichen stromabwärts des Zentrums dieser Verwirbelungsströmung zirkuliert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so konzipiert sein, dass die Verbrennungsluft und zerstäubter, flüssiger Brennstoff miteinander in einem Vormischbrenner vorvermischt werden und das sich ergebende Gemisch in einer Verbrennungskammer verbrannt wird, wobei das Verfahren eine Maßnahme zum Erwärmen des flüssigen Brennstoffs auf einen Temperaturbereich nicht über T ºC, bevor der flüssige Brennstoff dem Vormischbrenner zugeführt wird, umfasst, wobei T ºC den Siedepunkt, in Zerstäubungsatmosphäre, derjenigen der Komponenten des flüssigen Brennstoffs repräsentiert, die den niedrigsten Siedepunkt aufweist.
Bei diesem Verbrennungsverfahren ist es bevorzugt, dass die Heizeinrichtung den flüssigen Brennstoff auf eine Temperatur erwärmt, die T x 0,8ºC oder mehr entspricht.
Die in den Innenmantel strömende Verbrennungsluft wird durch den Verwirbelungsströmungs-Ablenkmischflügel im Innenmantel zu einer Verwirbelungsströmung gemacht. Die verwirbelte Verbrennungsluft ermöglicht es, dass der der Innenumfangsfläche des Innenmantels zugeführte flüssige Brennstoff gegen diese Innenumfangsfläche gedrückt wird, um dadurch einen Film aus flüssigem Brennstoff auszubilden. Wenn in diesem Fall der Durchmesser der Innenumfangsfläche des Innenmantels in stromabwärtiger Richtung vergrößert wird, verringert sich die Dicke des filmförmig vorliegenden flüssigen Brennstoffs allmählich, wenn er stromabwärts fließt. Dies gewährleistet, dass der flüssige Brennstoff fein zerteilt werden kann.
Der flüssige Brennstoff, der das stromabwärtige Ende des Innenmantels erreicht hat, wird in den Abgrenzungsbereich zwischen der im Innenmantel erzeugten Verwirbelungsströmung und der zwischen dem Innen- und dem Außenmantel erzeugten, geradlinigen strömung ausgestoßen, wo der flüssige Brennstoff dadurch fein zerteilt wird, dass er unter Einwirkung der Verwirbelungsströmung und der geradlinigen Strömung, die in verschiedenen Richtungen wirken, eine Scherkraft erfährt. Das Vorheizen des flüssigen Brennstoffs ist zur feinen Zerteilung desselben sehr wirkungsvoll, und das Erwärmen des Brennstoffs bis nahe an seinen Siedepunkt gewährleistet, dass die Oberflächenspannung des Brennstoffs beträchtlich verringert werden kann, und die Größe der zerstäubten Teilchen kann ungefähr 40µm betragen, was im wesentlichen die Grenze für feine Zerteilung ist.
Die geradlinige Strömung verhindert, dass der vom Innenmantel ausgestoßene flüssige Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer anhaftet. Auch zieht die Verwirbelungsströmung die zerstäubten Teilchen zum Zentrum des Wirbels, um zu verhindern, dass der flüssige Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer anhaftet. Wenn der flüssige Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer anhaftet, ist es schwierig, den anhaftenden flüssigen Brennstoff zu verdampfen, und er kann der Verbrennungskammer in unverdampftem Zustand zugeführt werden, so dass keine Verbrennung mit verdünntem Vorgemisch ausgeführt werden kann. Dies ist der Grund, weswegen die Anhaftung von flüssigem Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer verhindert wird.
Um ein Anhaften der zerstäubten Teilchen an der Innenwand der Verdampfungskammer weiter wirkungsvoll zu verhindern, ist es bevorzugt, dass das stromabwärtige Ende des Außenmantels stärker stromabwärts als das stromabwärtige Ende des Innenmantels liegt. Der Grund ist derjenige, dass durch einen solchen Aufbau eine geradlinige Strömung auf zuverlässige Weise in der Nähe der Innenwand der Verdampfungskammer sichergestellt werden kann.
Durch Einsprühen des flüssigen Brennstoffs in Filmform in die Verwirbelungsströmung und die geradlinige Strömung hinein, die verschiedene Richtungen aufweisen, ist es möglich, den flüssigen Brennstoff wirkungsvoller fein zu zerteilen und die Anhaftung von Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer zu verhindern.
Die zerstäubten Teilchen des flüssigen Brennstoffs werden unter Einwirkung der Verwirbelungsströmung zum Zentrum des Wirbels gezogen. Wenn die Durchlauffläche für die geradlini ge Strömung, d.h. die Fläche der Öffnung des Innenmantels der Durchlauffläche der Verwirbelungsströmung, d.h. der Fläche der Öffnung zwischen dem Innen- und dem Außenmantel entspricht, kann eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Luftgeschwindigkeit in stromabwärtiger Richtung innerhalb der Verdampfungskammer erzielt werden. Andererseits ist die Brennstoffmenge pro Einheitsvolumen im Zentrum der Verwirbelungsströmung größer, und demgemäß ist auch die Brennstoffmenge pro Einheitsluftmenge größer. Wenn dies aus dem Gesichtspunkt des Luftverhältnisses gesehen wird, ist dieses Luftverhältnis im Zentrum des Wirbeis niedriger, während es zum Rand des Wirbels hin, d.h. zur Nähe der Verdampfungskammer hin, zunehmend höher ist.
Um die durch die Flamme eines vorgemischten flüssigen Brennstoffs erzeugte NOx-Menge zu verringern, ist es eine übliche Technik, das Brennstoff-Luft-Gemisch unter Verwendung einer überschussmenge an Luft zu verbrennen. Als Ergebnis eifriger Untersuchungen haben die Erfinder klargestellt, dass dann, wenn Verbrennungsgas hoher Temperatur zum Zentrum einer Strahlströmung eines Vorgemischs aus eingesprühtem Brennstoffdampf und Verbrennungsluft zirkuliert und die Verbrennungsluft oder das Verbrennungsgas mit einem derartigen Vorgemisch vermischt wird, bevor das Vorgemisch verbrannt wird, die Flamme stabilisiert werden kann und die NOx-Menge verringert werden kann. Das in das Zentrum der Vorgemisch- Strahlströmung eingeleitete Verbrennungsgas zündet das Vorgemisch durch Wärmeübertragung von ihm aus, um für eine Stabilisierung der Flamme zu sorgen. Diese Flamme steht aus dem Zentrum der Strahlströmung zur Außenseite derselben hervor. Um den Außenumfang der Strahiströmung herum bildet sich ein Gemisch aus dem Vorgemisch und dem Verbrennungsgas oder der Verbrennungsluft, und demgemäß ist die Dichte des Brennstoffs dort geringer, so dass die thermische Erzeugung von NOx gehemmt ist.
Ferner ist es, um dieses Verbrennungsverfahren wirkungsvoll zu machen, wichtig, dass im Vorgemisch, das zumindest zunächst gezündet wird, keine Brennstofftröpfchen enthalten sind und die variable Geschwindigkeit des Vorgemischs am Auslass des Vormischbrenners 10% der mittleren Geschwindigkeit der Hauptströmung oder weniger entspricht. Wenn im als erstes gezündeten Vorgemisch keine Brennstofftröpfchen enthalten sind, können im Vorgemisch enthaltene unverdampfte Brennstofftröpfchen als Ergebnis eines Temperaturanstiegs des Brennstoff-Luft-Gemischs durch Abstrahlung der Flamme verdampft werden, um dadurch eine Verbrennung des verdünnten Vorgemischs zu erzielen, wodurch Verbrennung mit niedrigem NOx-Gehalt erzielt wird. Wenn die Variation der Geschwindigkeit des ausgestoßenen Brennstoff-Luft-Vorgemischs klein ist, zündet dieses Brennstoff-Luft-Vorgemisch kaum zurück, was es ermöglicht, stabile Verbrennung zu erzielen.
Eine Einrichtung zum Realisieren eines derartigen Verbrennungsprozesses ist ein Flammenhalter. Einer der Flammenhalter mit der einfachsten Struktur ist ein Strömungswiderstand, dessen Querschnitt stromabwärts abrupt abnimmt. Wenn eine Strahlströmung auf den Strömungswiderstand trifft, bildet sich stromabwärts bezüglich des Strömungswiderstands eine Zirkulationsströmung aus, und es strömt Abgas hoher Temperatur in die Zirkulationsströmung, wodurch für einen Effekt wie den oben beschriebenen gesorgt ist.
Eine Vorgehensweise zum Fördern des Einmischens von Verbrennungsgas zur Verbrennungsluft vom Rand der Strahlströmung des Vorgemischs her besteht darin, für eine Struktur der Verbrennungsvorrichtung zu sorgen, bei der ein Vorgemisch als geradlinige Strömung ausgestoßen werden kann und das Verbrennungsgas um die Strahlströmung des Vorgemischs zirkulieren kann, oder eine Struktur der Verbrennungsvorrichtung, bei der eine Strahlströmung des Vorgemischs als geradlinige Strömung ausgestoßen wird und die Verbrennungsluft um die Strahlströmung des Vorgemischs zirkulieren kann.
Ferner können zum Fördern des Vermischens der Strahiströmung des Vorgemischs mit dem Verbrennungsgas oder der Verbrennungsluft das Vorgemisch und das Verbrennungsgas oder die Verbrennungsluft mit einer Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Strahlströmung des Vorgemischs und dem Verbrennungsgas oder der Verbrennungsluft ausgestoßen werden. Genauer gesagt, ist ein Durchgang für Verbrennungsluft oder eine Düse für Verbrennungsluft in enger Nachbarschaft zum Vormischbrenner vorhanden, so dass die Geschwindigkeit des Verbrennungsgases oder der Verbrennungsluft, wie sie ausgestoßen werden, kleiner als die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Vorgemischs sein kann.
Bei der Erfindung ist der Strömungswiderstand stromabwärts bezüglich der in der Verdampfungskammer ausgebildeten Verwirbelungsströmung vorhanden, so dass das Luftverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Nähe des Strömungswiderstands niedriger ist und es in der Richtung vom Strömungswiderstand weg zunehmend höher ist. In diesem Fall kann das Luftverhältnis im Zentrum der Verwirbelungsströmung, d.h. in der Nähe des Strömungswiderstands, ein Niveau aufweisen, das ein Zünden durch Unterstützung durch das Verbrennungsgas hoher Temperatur ermöglicht. Selbst wenn das mittlere Luftverhältnis des vom Vormischbrenner ausgestoßenen Vorgemischs hoch ist, kann eine stabile Flamme ausgebildet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 bis 7 veranschaulichen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gilt:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Verbrennungsvorrichtung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht des gesamten Vormischbrenners;
Fig. 4 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verbrennungszustands;
Fig. 5 ist ein Kurvenbild zum Veranschaulichen einer Luftverhältnisverteilung in einer Verdampfungskammer;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer für einen Versuch verwendeten Verbrennungsvorrichtung; und
Fig. 7 ist ein Kurvenbild zum Veranschaulichen der Beziehung zwischen dem Luftverhältnis und der NOx-Konzentration; und Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines bekannten Zerstäubers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den Fig. 1 bis 7 mittels eines ersten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Gemäß den Fig. 1 und 2 wird eine Verbrennungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel für eine Gasturbine verwendet, und sie umfasst einen Verbrennungszylinder 10, einen Zündbrenner 20, der stromabwärts bezüglich des Verbrennungszylinders 10 in einer Verlängerung des Zentrums des Verbrennungszylinders 10 liegt, mehrere Vormischbrenner 30, 30, ..., die radial um die Zündbrenner 20 herum angeordnet sind, einen Vorerhitzer 70, für flüssigen Brennstoff sowie ein Gehäuse 15, das den Vorerhitzer 70 enthält.
Das Innere des Verbrennungszylinders 10 ist eine Verbrennungskammer 11, und ein ringförmiger Kanal zwischen dem Verbrennungszylinder 10 und dem Gehäuse ist eine Saugkammer 16.
Der Vormischbrenner 30 besteht aus einem Zerstäuber 40 zum Zerstäuben des flüssigen Brennstoffs sowie einer Verdampfungskammer 31, in der der zerstäubte flüssige Brennstoff verdampft und mit Verbrennungsluft vorgemischt wird.
Der Zerstäuber 40 ist stromabwärts bezüglich der Verdampfungskammer 31 angeordnet, und er umfasst einen zylindrischen Außenmantel 41, einen zylindrischen Innenmantel 45, der konzentrisch im zylindrischen Außenmantel 41 angebracht ist, und eine Verwirbelungseinrichtung 50, die vorhanden ist, um im Innenmantel 45 eine Verwirbelungsströmung der Verbrennungsluft zu erzeugen.
Der zylindrische Innenmantel 45 verfügt über eine stromabwärtige Innenumfangsfläche, deren Durchmesser in stromabwärtiger Richtung allmählich zunimmt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, sowie ein stromabwärtiges Ende 49 in Kontakt mit der Außenumfangsfläche des Innenmantels 45, das so ausgebildet ist, dass es messerkantenförmigen Querschnitt aufweist, so dass die Innen- und die Außenumfangsfläche des Innenmantels 45 spitzwinklig miteinander verbunden sind. An einer Innenfläche des zylindrischen Innenmantels 45 ist in einem stromabwärtigen Abschnitt derselben ein Brennstoffbehälter 46 vorhanden. Mit einem Brennstoffverteiler 76 und auch mit dem Brennstoffbehälter 46 ist eine Brennstoff-Zuführleitung 47 verbunden. Ferner verfügt der zylindrische Innenmantel 45 über ein Lufteinlassioch 48 in seinem stromabwärtigen Abschnitt, um es zu ermöglichen, dass Verbrennungsluft in der Saugkammer 16 durch dieses hindurch in den Innenmantel 45 durchgelassen wird.
Die im zylindrischen Innenmantel 45 vorhandene Verwirbelungseinrichtung 50 besteht aus einem säulenförmigen Halter 51, der zentral im zylindrischen Innenmantel 45 vorhanden ist, und mehreren Verwirbelungs-Ablenkflügeln 52, die radial am Halter 51 vorhanden sind.
In stromaufwärtiger Richtung des zylindrischen Außenmantels 41 befindet sich ein Lufteinlassioch 42, das es ermöglicht, dass Verbrennungsluft aus der Saugkammer 16 durch es hindurch in einen Luftdurchgang hindurchläuft, der zwischen dem zylindrischen Innen- und dem zylindrischen Außenmantel 45 bzw. 41 ausgebildet ist. Das Lufteinlassloch 42 ist mit glockenförmiger Mündung ausgebildet, um den Widerstand gegen in es strömende Luft zu verringern. Das stromabwärtige Ende 43 des zylindrischen Außenmantels 41 liegt weiter stromabwärts als das stromabwärtige Ende 49 des zylindrischen Innenmantels 45.
Die Fläche des Luftdurchgangs im zylindrischen Innenmantel 45 entspricht im wesentlichen derjenigen des Luftkanals zwischen dem zylindrischen Innen- und dem zylindrischen Außenmantel 45 und 41, so dass die Strömungsraten der durch diese Luftkanäle strömenden Verbrennungsluft gleich sind.
Am stromabwärtigen Ende der Verdampfungskammer 31, nämlich im wesentlichen zentral in der Nähe des Auslasses in jedem der Vormischbrenner 30, ist ein kegelförmiger Strömungswiderstand 35 vorhanden, dessen Spitze in stromaufwärtiger Richtung zeigt. Der Strömungswiderstand 35 wird durch einen Strömungswiderstand-Halter 36 gehalten, der an der Innenumfangsfläche der Verdampfungskammer 31 befestigt ist.
Um den Umfang jedes der Vormischbrenner 30 ist eine Luftdüse 60 vorhanden, um die Verbrennungsluft auszustoßen Die Luftdüse 60 steht mit der Saugkammer 16 in Verbindung, und ein Luftströmungsrate-Steuerventil 61 ist an einem derartigen Verbindungsort angebracht, um die Strömungsrate der Verbrennungsluft zu steuern.
Der Zündbrenner 20 ist in seinem zentralen Abschnitt mit einer Zündbrennstoffdüse 21 zum Ausstoßen von Zündbrennstoff 36 in Form eines kegelförmigen Films versehen. Um die Zündbrennstoffdüse 21 herum ist eine Luftdüse 22 für Feinzerteilung von Luft angebracht, um Luft auszustoßen, die dazu dient, den filmförmigen Zündbrennstoff 26 in feinzerteilte Brennstofftröpfchen zu zerteilen. Ferner ist eine Luftdüse 23 um die Luftdüse 22 für Feinzerteilung herum angeordnet, um Luft zur Verbrennung des Zündbrennstoffs auszustoßen. Innerhalb der Luftdüse 23 ist eine Verwirbelungseinrichtung 24 vorhanden, um die von dieser Luftdüse 22 ausgestoßene Verbrennungsluft zu verwirbeln.
Der Vorerhitzer 70 ist innerhalb der Saugkammer angebracht, um den flüssigen Brennstoff unter Ausnutzung der Wärme der erhitzten Verbrennungsluft zu erwärmen.
Der Vorheizer 70 ist in seinem stromabwärtigen Abschnitt mit einem nicht dargestellten Brennstoffbehälter verbunden. Zwischen dem Vorerhitzer 70 und dem Brennstoffbehälter befinden sich eine Messeinrichtung 71 zum Messen der Dichte und der Temperatur des flüssigen Brennstoffs sowie ein Steuerventil 72 zum Steuern der Strömungsrate des dem Vorerhitzer 70 zugeführten flüssigen Brennstoffs. Das stromabwärtige Ende des Vorerhitzers 70 ist mit dem Brennstoffverteiler 76 verbunden, um flüssigen Brennstoff in gleichen Mengen an die Vormischbrenner 30, 30, ... zu liefern. Zwischen dem Brennstoffverteiler 76 und dem Vorerhitzer 70 ist eine Messeinrichtung 73 zum Messen der Dichte und der Temperatur des flüssigen Brennstoffs vorhanden. Der Brennstoffverteiler 76 ist mit einem Brennstoff-Rücklaufventil 75 versehen, um Brennstoff zum Brennstoffbehälter zurückzuführen.
Mit dem Steuerventil 72 für die Brennstoff-Strömungsrate sowie dem Rücklaufventil 75 ist ein Steuerungssystem 74 zum Steuern dieser Ventile 72 und 75 auf Signale von den Messeinrichtungen 71 und 73 hin verbunden. Das Steuerungssystem 74 hat die Funktion des Erkennens der Art des flüssigen Brennstoffs auf Grundlage der Messergebnisse in den Messeinrichtungen 71 und 73, die Funktion des Berechnens des Siedepunkts, in einer Umgebung mit ausgestoßenem Brennstoff, derjenigen der Komponenten des erkannten flüssigen Brennstoffs, die den niedrigsten Siedepunkt aufweist, und die Funktion des Bestimmens der Temperatur zum Erwärmen des Brennstoffs auf Grundlage des berechneten Siedepunkts, um den Öffnungsgrad jeder der Ventile 72 und 75 zu kontrollieren.
Nachfolgend wird die Funktion dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
Zunächst wird die Funktion des Zündbrenners 20 beschrieben.
Der Zündbrennstoff 26 wird als kegelförmiger Film von der Zündbrennstoffdüse 21 in die Verbrennungskammer 11 ausgestoßen. Die Feinzerteilungsluft 27 wird von der Luftdüse 22 für Feinzerteilung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 bis 200 m/s zum als kegelförmiger Film ausgestoßenen Zündbrennstoff 26 ausgestoßen. Die Feinzerteilungsluft 27 sorgt dafür, dass auf den Flüssigkeitsfilm des Zündbrennstoffs 26 eine starke Scherkraft einwirkt, um den Zündbrennstoff 26 fein zu zerteilen.
Der feinzerteilte Zündbrennstoff 26 wird mittels der von der Luftdüse 23 ausgestoßenen Verbrennungsluft verbrannt. In diesem Fall wird die Verbrennungsluft durch die innerhalb der Luftdüse 23 vorhandene Verwirbelungseinrichtung 24 zu einer Verwirbelungsströmung ausgebildet, so dass stromabwärts bezüglich der Zündbrennstoffdüse 21 eine stromaufwärtig gerichtete Strömung ausgebildet wird, die um die Verwirbelungsströmung herum vorliegt. Daher strömt Verbrennungsgas unter hoher Temperatur dort hinein, so dass der feinzerteilte Zündbrennstoff erhitzt und gezündet wird.
Dievom Zündbrenner 20 erzeugte Flamme ist eine sogenannte Diffusionsflamme, die durch die aus den gesonderten Düsen 21 und 23 ausgestoßene Verbrennungsluft und den Zündbrennstoff 26 erzeugt wird. Aus diesem Grund wird die Zündflamme selbst dann stabil ausgebildet, wenn die Menge an zugeführtem Brennstoff variiert. Jedoch entsteht in der Diffusionsflamme notwendigerweise ein Bereich höherer Temperatur, in dem ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit dem theoretischen Luftverhältnis verbrannt wird, weswegen eine große NOx-Menge erzeugt werden kann. Um dies zu verhindern, kann der Zündbrenner 20 vorwiegend im Fall kleinerer Belastung verwendet werden, wie beim Starten der Verbrennungsvorrichtung, und der Vormischbrenner 30 kann vorwiegend im Fall erhöhter Belastung verwendet werden.
Nun erfolgt eine Beschreibung zur Verbrennung von Brennstoff im Vormischbrenner 30 und zur Vorerhitzung von diesem Vormischbrenner 30 zugeführtem flüssigem Brennstoff.
Der aus dem Brennstoffbehälter (nicht dargestellt) dem Vormischbrenner 30, 30, ... zugeführte flüssige Brennstoff wird durch den Vorerhitzer 70 vorerwärmt.
Eine derartige Vorerwärmungstechnik wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Die Dichte und die Temperatur des flüssigen Brennstoffs werden durch die Messeinrichtungen 71 und 73 gemessen. Die Beziehung zwischen der Dichte und der Temperatur von flüssigem Brennstoff jeder Art wurden durch Versuche bestimmt, und das Steuerungssystem 74 erkennt die Art des flüssigen Brennstoffs aus solchen Beziehungen und Messergebnissen, und sie berechnet den Siedepunkt, in der Umgebung mit ausgestoßenem Brennstoff, derjenigen der Komponenten des flüssigen Brennstoffs mit dem niedrigsten Siedepunkt. Die Erwärmungstemperatur für den flüssigen Brennstoff wird auf Grundlage des berechneten Siedepunkts bestimmt.
Die Art des flüssigen Brennstoffs wird erkannt, um auf diese Weise die Erwärmungstemperatur zu bestimmen, und daher kann selbst für eine andere Art eines flüssigen Brennstoffs eine Erwärmungstemperatur bestimmt werden, die für einen solchen flüssigen Brennstoff geeignet ist. Die Messeinrichtungen 71 und 73 sind stromaufwärts bzw. stromabwärts bezüglich des Vorerhitzers 70 vorhanden. Dies dient zum genauen Bestimmen der physikalischen Eigenschaften des flüssigen Brennstoffs und zum Erkennen der Art desselben. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Art des flüssigen Brennstoffs auf Grundlage der Dichte erkannt wird, ist zu beachten, dass die Art des flüssigen Brennstoffs auf Grundlage verschiedener physikalischer Eigenschaftsgrößen wie der Oberflächenspannung, des Dampfpartialdrucks und des Lichtbrechungsindex erkannt werden kann.
Die Erwärmungstemperatur wird in einem auf die folgende Weise definierten Temperaturbereich eingestellt:
XºC ≥ Erwärmungstemperatur ≥ X x 0,8ºC,
wobei X den berechneten Siedepunkt repräsentiert.
Die Festlegung einer Obergrenze bei XºC gewährleistet, dass selbst dann, wenn der Druck in der Rohrleitung für flüssigen Brennstoff variiert wird, um die Menge zugeführten flüssigen Brennstoffs zu ändern, die Komponente mit dem niedrigsten Siedepunkt kaum innerhalb der Rohrleitung zum Sieden kommt.
Die Untergrenze der Erwärmungstemperatur wurde durch einen Versuch auf einen solchen Wert festgelegt, bei dem der flüssige Brennstoff wirkungsvoll fein zerteilt werden kann.
Nachfolgend wird die Beziehung zwischen der Feinzerteilung und der Temperatur des flüssigen Brennstoffs beschrieben.
Der vorerwärmte flüssige Brennstoff wird dem Vormischbrenner 30 zugeführt. In diesem Vormischbrenner 30 wird der flüssige Brennstoff durch den Zerstäuber 40 zerstäubt, verdampft und in der Verbrennungskammer 31 vorgemischt und am Brennerauslass verbrannt.
Nachfolgend werden der Zerstäubungsschritt, der Verdampfungsschritt und der Vormischschritt sowie ein Verbrennungsschritt aufeinanderfolgend beschrieben.
Der vorerwärmte flüssige Brennstoff wird über den Brennstoffverteiler 76, die Brennstoff-Zuführleitung 47 und den Brennstoffbehälter 46 der Innenumfangsfläche des zylindrischen Innenmantels in dessen stromaufwärtigem Abschnitt zugeführt.
Die in den zylindrischen Innenmantel 45 strömende Verbrennungluft wird durch die Verwirbelungsseinrichtung 50 zu einer Verwirbelungsströmung im zylindrischen Innenmantel ausgebildet. Die wirbelnde Verbrennungsluft sorgt dafür, dass der der Innenumfangsfläche des zylindrischen Innenmantels 45 zugeführte flüssige Brennstoff an die Innenumfangsfläche gedrückt wird, um für Filmform zu sorgen. Da der Durchmesser der Innenumfangsfläche in stromabwärtiger Richtung allmählich zunimmt, verringert sich die Dicke des flüssigen Brennstoffs in Filmform allmählich, wenn er nach unten strömt.
Der flüssige Brennstoff, der das stromabwärtige Ende des zylindrischen Innenmantels 45 erreicht hat, wird an die Grenzfläche zwischen der im zylindrischen Innenmantel 45 ausgebildeten Verwirbelungsströmung und der zwischen dem zylindrischen Innen- und dem zylindrischen Außenmantel 45 und 41 ausgebildeten geradlinigen Strömung ausgestoßen, wo er dadurch fein zerteilt wird, dass auf ihn eine Scherkraft einwirkt, die durch die Wirkungen der Verwirbelungsströmung und der geradlinigen Strömung hervorgerufen wird. Das Vorerwärmen des flüssigen Brennstoffs ist zum feinen Zerteilen desselben sehr wirkungsvoll, wobei die Oberflächenspannung des Brennstoffs durch das Erwärmen desselben bis nahe an seinen Siedepunkt beträchtlich verringert wird, und es werden Teilchen mit einem Durchmesser von ungefähr 40 µm, im wesentlichen an der Grenze für feine Zerteilung, erzeugt.
Die Strömungsraten der Luft, die zum Erzeugen der Verwirbelungsströmung und der geradlinigen Strömung geeignet sind, stimmen im wesentlichen miteinander überein, da die Flächen der Luftkanäle hierfür einander gleich sind. Aus diesem Grund entsprechen auch die stromabwärtigen Strömungsgeschwindigkeiten einander, wodurch gewährleistet ist, dass die geradlinige Strömung und die Verwirbelungsströmung weniger gestört werden und sie relativ auf der stromabwärtigen Seite gehalten werden können.
Die geradlinie Strömung verhindert, dass der vom Zerstäuber 40 ausgestoßene flüssige Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer 31 anhaftet. Wenn der flüssige Brennstoff an der Innenwand der Verdampfungskammer 31 anhaftet, ist es schwierig, diesen anhaftenden flüssigen Brennstoff vollständig zu verdampfen, und es wird flüssiger Brennstoff in unverdampftem Zustand in die Verbrennungskammer 11 geleitet. Wenn der unverdampfte flüssige Brennstoff verbrannt wird, entsteht wie bei Diffusionsverbrennung eine große NOx-Menge. Um dies zu verhindern, ist es auch von großer Bedeutung, die geradlinige Strömung entlang der Innenwand der Verdampfungskammer 31 auszubilden.
Andererseits zieht die Verwirbelungsströmung die zerstäubten Teilchen des flüssigen Brennstoffs in das Zentrum des Wirbels. Aus diesem Grund ist die Konzentration zerstäubter Teilchen in der Verdampfungskammer 31 in der Nähe der Mittelachse des Zerstäubers 40 höher, während sie zur Innenwand der Verdampfungskammer 31 hin verringert ist. Da die Verteilung der Luftgeschwindigkeit in der Verdampfungskammer 31 im wesentlichen gleichmäßig ist, wie oben beschrieben, ist der Anteil der Strömungsrate zerstäubter Teilchen pro Einheitsströmungsrate für Luft ausgehend von der Mittelachse des Zerstäubers zum Außenumfang desselben verringert. Wenn die Konzentration der zerstäubten Teilchen aus dem Gesichtspunkt des Luftverhältnisses betrachtet wird, steigt dieses vom mittleren Teil der Verdampfungskammer 31 zur Innenumfangswand derselben an.
Die Verwirbelungsströmung trägt auch zu einer Verhinderung des Anhaftens der zerstäubten Teilchen an der Innenwand der Verdampfungskammer 31 durch Anziehen der verdampften Teilchen zum Zentrum des Wirbels bei.
Die zerstäubten Teilchen werden durch die auf ungefähr 350ºC erwärmte Verbrennungsluft erwärmt und verdampft und dann mit der Verbrennungsluft vermischt, um im Verlauf der Strömung in stromabwärtiger Richtung ausgehend von der Verdampfungskammer 31 ein Vorgemisch (Vormischgas) zu erzeugen.
Nachdem die zerstäubten Teilchen vom Zerstäuber 40 ausgestoßen wurden, benötigen sie gewisse Zeit zur Erwärmung auf den Siedepunkt (Erwärmungszeit) sowie weitere Zeit bis zu ihrer vollständigen Verdampfung (Verdampfungszeit). Die Erwärmungszeit muss klein sein, da der flüssige Brennstoff durch den Vorerhitzer 70 bis nahe an den Siedepunkt erwärmt wurde. Die Verdampfungszeit, wie sie für zerstäubte Teilchen erforderlich ist, deren Teilchengröße bis nahe an einen Grenzwert verringert wurde, ist ebenfalls sehr kurz, da sie proportional zum Quadrat der Teilchengröße ist.
Daher werden die zerstäubten Teilchen innerhalb sehr kurzer Zeit verdampft, und demgemäß ist es möglich, die Verweilzeit der zerstäubten Teilchen in der Verdampfungskammer innerhalb derselben Zündungszeit zu halten und die zerstäubten Teilchen innerhalb der Verweilzeit zu verdampfen.
Nachfolgend wird ein Versuch beschrieben, wie er für die Verteilung des Luftverhältnisses am Auslass der Verdampfungskammer ausgeführt wurde.
Die Versuchbedingungen sind die folgenden: Durchmesser des Innenumfangs der Verdampfungskammer: 80 mm, Geschwindigkeit der durch die Verdampfungskammer strömenden Luft: 70 m/s, Länge der Verdampfungskammer: 0,3 m, Geschwindigkeit, der Luft, wie sie für die stromabwärtigen Verwirbelungs- und geradlinigen Strömungen am Auslass des Zerstäubers ausgestoßen wurde: 140 mis, Winkel des Verwirbelungsströmungs-Ablenkflügels hinsichtlich der Mittelachse: 30º.
Die Ergebnisse für den Versuch unter diesen Bedingungen sind in der Fig. 5 angegeben, in der die Ordinate das Luftverhältnis angibt und die Abszisse den Wert angibt, wie er sich dadurch ergibt, dass der Abstand vom Zentrum der Verdampfungskammer zur Messposition für das Luftverhältnis durch den Radius der Verdampfungskammer geteilt wird.
Als Ergebnis dieses Versuchs betrug das Luftverhältnis in der Nähe des Zentrums der Verdampfungskammer 1,2, und es betrug in der Nähe der Innenwand der Verdampfungskammer 1,6, und das mittlere Luftverhältnis betrug 1,4. Das Luftverhältnis in der Nähe der Innenwand der Verdampfungskammer war um ungefähr 30% höher als in der Nähe des Zentrums derselben.
Das Vorgemisch mit einer solchen Verteilung des Luftverhält nisses wird vom Vormischbrenner 30 ausgestoßen und verbrannt.
Der Vormisch- und Verbrennungsschritt wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
Das vom Vormischbrenner 30 ausgestoßene Vorgemisch 90 trifft auf den Strömungswiderstand 35, um stromabwärts von diesem einen Zirkulationsströmungs-Bereich 91 auszubilden. Im Zirkulationsströmungs-Bereich 91 strömt das Vorgemisch in stromaufwärtiger Richtung in den zentralen Bereich des Strömungswiderstands 35 sowie in stromabwärtiger Richtung in den Randbereich des Strömungswiderstands 35.
Im Angrenzungsbereich zwischen dem Vorbrenner 30 und der Luftdüse 60 ist ein Bereich 93 definiert, in dem eine verdünnte Vormischung aus dem Vorgemisch 90 und der Verbrennungsluft 92 vorhanden ist.
Das durch die Verbrennung des Vorgemischs 90 erzeugte Verbrennungsgas 94 strömt in den Zirkulationsbereich 91, wodurch dieser auf eine hohe Temperatur erhitzt wird.
Das Verbrennungsgas 94 hoher Temperatur im Zirkulationsbereich 91 gewährleistet, dass das Vorgemisch 90 die Zündtemperatur erreicht und gezündet wird, um stromabwärts bezüglich des Rands des Strömungwiderstands 35 einen Verbrennungsbereich 95 auszubilden.
Wenn nun die Verteilung des Luftverhältnisses in der Verbrennungskammer 11 betrachtet wird, ist dieses Luftverhältnis in der Richtung weg vom Strömungswiderstand 35 zunehmend höher. Dies, da ein Vorgemisch 90 mit niedrigerem Luftverhältnis vom Vormischbrenner 30 in die Nähe des Strömungswi derstands 35 ausgestoßen wird und die Verbrennungsluft 92 von der um den Vormischbrenner 30 herum vorhandenen Luftdüse 60 ausgestoßen wird.
Das Vorgemisch 90 wird zunächst mit dem Verbrennungsgas 94 hoher Temperatur stromabwärts bezüglich des Strömungswiderstands 35 in Kontakt gebracht und verbrannt, um eine stabilisierte Vorgemischflamme zu erzeugen. Dann breitet sich die Flamme in den Außenumfangsbereich mit höherem Luftverhältnis aus, wodurch es schwierig ist, für stabile Verbrennung zu sorgen, was für stabilisierte Verbrennung eines verdünnten Vorgemischs sorgt. Es sei darauf hingewiesen, dass erzeugtes NOx bei zunehmendem Luftverhältnis abnimmt, weswegen die Konzentration von durch Verbrennung des Vorgemischs mit höherem Luftverhältnis um den Außenumfang herum erzeugtem NOx sehr niedrig ist.
Im allgemeinen wird zum Erzielen einer Verringerung von NOx die Luftverhältnis-Verteilung des Vorgemischs gleichmäßig gemacht, jedoch ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das Luftverhältnis im Zentrum des Vormischbrenners 30 absichtlich verringert, und es wird ein Vorgemisch 90 mit geringerem Luftverhältnis nahe am Strömungswiderstand 35 vorbeigeführt, um dadurch die Verbrennung zu stabilisieren.
Um die Verbrennung zu stabilisieren, ist es auch erforderlich, die Schwankung der Geschwindigkeit des Vorgemischs 90 am Auslass des Vormischbrenners 30 zu minimieren. Dies, da dann, wenn die Geschwindigkeit momentan abnimmt, die Flamme in das Innere der Verdampfungskammer 31 zurückschlägt. Die Ergebnisse verschiedener Versuche zeigten, dass dann, wenn ein Wert, wie er sich dadurch ergibt, dass die variierte Geschwindigkeit durch die mittlere Geschwindigkeit geteilt wird, ungefähr 10% oder weniger beträgt, stabile Verbrennung erzielt werden kann. Wenn z.B. die Verbrennungsluft von der Mitte der Verdampfungskammer 31 aus zugeführt wird, um für erhöhte Intensität einer turbulenten Strömung und für erhöhte Gleichmäßigkeit eines Primärmischgases zu sorgen, existiert am Auslass des Vormischbrenners 30 eine erhöhte Geschwindigkeitsvariation, mit dem Ergebnis, dass die Verbrennung instabil ist und ein Rückschlag der Flamme in die Verdampfungskammer auftreten kann.
Außerdem ist es beim vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, wenn für ein Luftverhältnis gesorgt ist, das dazu ausreicht, dass nur das Vorgemisch im Zentrum des Vormischbrenners 30 durch eine Zirkulationsströmung hoher Temperatur gezündet wird, wie sie stromabwärts bezüglich des Strömungswiderstands 35 ausgebildet ist, für eine Stabilisierung der Flamme zu sorgen, wodurch es nicht erforderlich ist, das Luftverhältnis des gesamten vom Vormischbrenner 30 ausgestoßenen Vorgemischs 90 auf ein Zündung ermöglichendes Niveau einzustellen. Dies ermöglicht es, das mittlere Luftverhältnis des gesamten Vorgemischs 90 zu erhöhen, um für eine Verringerung der NOx-Menge zu sorgen.
Nachfolgend wird ein Versuch beschrieben, wie er hinsichtlich der Wirkung der um den Vormischbrenner 30 herum angebrachten Luftdüse 60 ausgeführt wurde.
Eine bei diesem Versuch verwendete Verbrennungsvorrichtung weist einen Vormischbrenner 81 mit einem Innendurchmesser von 50 mm, der an einem zentralen Ort stromaufwärts bezüglich einer Verbrennungskammer 80 mit einem Innendurchmesser von 200 mm angebracht ist, einen scheibenförmigen Strömungswiderstand 82 mit einem Außendurchmesser von 36 mm, der stromabwärts bezüglich des Brenners 81 angebracht ist, und eine ringförmige Luftdüse 83 mit einem Innendurchmesser von 68 mm und einem Außendurchmesser von 78 mm auf, die um den Brenner 81 herum vorhanden ist, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
Der Versuch wurde ausgeführt, um die NOx-Konzentration am Auslass der Verbrennungsvorrichtung für den Fall zu messen, dass ein Vorgemisch vom Vormischbrenner 81 ausgestoßen wurde und Verbrennungsluft von der Luftdüse 83 ausgestoßen wurde, und für den Fall, dass das Vorgemisch nur vom Vormischbrenner 81 ausgestoßen wurde, während von der Luftdüse 83 keine Verbrennungsluft ausgestoßen wurde.
Die Ergebnisse einer solchen Messung sind in der Fig. 7 angegeben, in der die Ordinate die NOx-Konzentration am Auslass der Verbrennungsvorrichtung angibt, die auf solche Weise korrigiert ist, dass die Sauerstoffkonzentration am Auslass der Verbrennungsvorrichtung 0% beträgt, und die Abszisse das Luftverhältnis im Vormischbrenner 81 angibt. Außerdem entspricht in Fig. 7 ein schwarzer Kreis dem Fall, dass das Vorgemisch vom Vormischbrenner 81 ausgestoßen wurde und die Verbrennungsluft von der Luftdüse 83 ausgestoßen wurde, während ein weißer Kreis dem Fall entspricht, dass das Vorgemisch nur vom Vormischbrenner 81 ausgestoßen wurde, während von der Luftdüse 83 keine Verbrennungsluft ausgestoßen wurde.
Bei diesem Versuch wurde klargestellt, dass NOx beim selben Luftverhältnis dadurch verringert werden konnte, dass die Verbrennungsluft gesondert vom Außenumfang des Vormischbrenners 81 zugeführt wurde, und zwar im Vergleich mit dem Fall, dass keine Verbrennungsluft gesondert zugeführt wurde.
Daher ist es bei der Erfindung auch möglich, die Menge an NOx dadurch zu verringern, dass Verbrennungsluft von der Luftdüse 60 um das Vorgemisch herum zugeführt wird, um auf dieselbe Weise wie bei diesem Versuch ein verdünntes Vorgemisch zu erzeugen.

Claims

1. Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischbrenner (30) mit einem Zerstäuber (40) für flüssigen Brennstoff, in den Verbrennungsluft und flüssiger Brennstoff eingespeist werden, wobei

der Zerstäuber (40) einen Innenmantel (45), auf dessen innere Umfangsfläche der flüssige Brennstoff zugeführt wird, einen Außenmantel (41), einen durch den Innenmantel (45) führenden Durchgang für einen ersten Strom von Verbrennungsluft und einen Durchgang zwischen Außenmantel (41) und der äußeren Umfangsfläche des Innenmantels (45) für einen zweiten, im wesentlichen geradlinigen Strom an Verbrennungsluft aufweist, und wobei

benachbart zur Ausgangsöffnung des Vormischbrenners (30) ein Strömungswiderstand (35) vorgesehen ist, der einer vom Vormischbrenner (30) ausgestoßenen Vormischung einen Widerstand darbietet,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Zerstäuber (40) eine Wirbelstrom-Ablenkplatte (52) enthält, um den ersten, durch den Innenmantel tretenden Strom an Verbrennungsluft zu verwirbeln und ihn stromabwärts zu leiten, und daß

der Strömungswiderstand (35) in Stromabwärtsrichtung abrupt seinen Querschnitt verringert und im wesentlichen stromabwärts vom Zentrum des Wirbelstroms angeordnet ist.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang des Innenmanteis (45) des Zerstäubers (40) stromabwärts im Durchmesser zunimmt.

3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Umfangsfläche des Innenmantels (45) des Zerstäubers (40) unter spitzen Winkel am stromäbwärts gelegenen Ende (49) des Innenmantels aufeinandertreffen.

4. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Luftdurchgangs durch den Innenmantel (45) für den Wirbelstrom an Verbrennungsluft in wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des Durchgangs zwischen Innen- und Außenmantel (45, 41) für den geradlinigen Strom an Verbrennungsluft ist.

5. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärts gelegene Ende (43) des Außenmantels (41) stromabwärts von stromabwärts gelegenen Ende (49) des Innenmantels (45) gelegen ist.

6. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der benachbart zur Austrittsöffnung angeordneten Vormischbrenner (30) mit Strömungswiderstand (35) mindestens eins beträgt, und daß außerdem ein Diffusionsbrenner (20) vorgesehen ist.

7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, benachbart zur Austrittsöffnung befindliche Vormischbrenner (30) mit jeweils einem Strönungswiderstand (35) entlang des gleichen Umfangs angeordnet sind, und daß der Diffusionsbrenner (20) im wesentlichen im Zentrum dieses Umfangs angeordnet ist.

8. Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungsluftdüse (60) für den Austritt von Verbrennungsluft am Umfang der Austrittsöffnung des. Vormischbrenners (30) vorgesehen ist.

9. Verbrennungsvorrichtung mit einen Vornischbrenner (30) mit einer Kammer (31), in der flüssiger Brennstoff mit Verbrennungsluft gemischt wird, mit

einer Einrichtung (50) zur Erzeugung eines ersten Stromes an Verbrennungsluft in der Kammer (31)

einer Einrichtung (41, 45) zur Erzeugung eines zweiten, im wesentlichen geradlinigen Stromes an Verbrennungsluft, der stromabwärts um den ersten Strom herum strömt,

einer Einrichtung (451 46) zur Zuführung von flüssigem Brennstoff in einen Randbereich zwischen dem ersten Strom und dem geradlinigen Strom, und mit

einer im wesentlichen stromabwärts vom Zentrum des ersten Stromes und benachbart der Austrittsöffnung des Vormischbrenners (30) angeordneten Einrichtung (35) zur Erzeugung eines Zirkulationsstrons von Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung der aus dem Vormischbrenner (30) austretenden Vormischung erzeugt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) zur Erzeugung des ersten Stroms derart ausgebildet ist, daß als erster Strom ein Wirbelstron von Verbrennungsluft in der Kammer (31) entsteht.

10. Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischbrenner (30) mit einer Kammer (31), in der flüssiger Brennstoff mit Verbrennungsluft gemischt wird, mit

einer Einrichtung (45, 52) zur Verungleichmäßigung der Verteilung des Luftverhältnisses, um den Brennstoff in einem zentralen Abschnitt der Kammer (31) zu konzentrieren, und mit

einer im wesentlichen stromabwärts dieses zentralen Abschnitts der Kammer (31) und benachbart zur Austrittsöffnung des Vormischbrenners (30) angeordneten Einrichtung (35) zur Bildung eines Zirkulationsstrons an Verbrennungsgas, das durch Verbrennung einer Mischung aus flüssigem Brennstoff und Verbrennungsluft erzeugt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (45, 50, 52) zur Verungleichmäßigung der Verteilung des Luftanteils zur Brennstoffkonzentration einen Wirbelstrom an Verbrennungsluft und einen geradlinigen Strom an Verbrennungsluft am äußeren Umfang des Wirbelstroms erzeugt.

11. Gasturbine mit

einer Verbrennungsvorrichtung mit einem Vormischbrenner (30) mit einem Zerstäuber (40) für flüssigen Brennstoff, in den Verbrennungsluft und flüssiger Brennstoff eingespeist werden, wobei

der Zerstäuber (40) einen Innenmantel (45), auf dessen innere Umfangsfläche der flüssige Brennstoff zugeführt wird, einen Außenmantel (41), einen durch den Innenmantel (45) führenden Durchgang für einen ersten Strom von Verbrennungsluft und einen Durchgang zwischen Außenmantel (41) und der äußeren Umfangsfläche des Innenmantels (45) für einen zweiten, im wesentlichen geradlinigen Strom an Verbrennungsluft aufweist, wobei

benachbart zur Ausgangsöffnung des Vormischbrenners (30) ein Strömungswiderstand (35) vorgesehen ist, der einer vom Vormischbrenner (30) ausgestoßenen Vormischung einen Widerstand darbietet, und wobei

eine durch das aus der Verbrennungsvorrichtung strömende Abgas angetriebene Gasturbine vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

12. Verbrennungsverfahren zur Verbrennung einer Brennstoff- Luft-Mischung nach Vormischung eines flüssigen Brennstoffs mit Verbrennungsluft, bei dem

ein erster, stromabwärts fließender Strom an Verbrennungsluft und

um diesen ersten Strom herum ein im wesentlichen geradliniger, stromabwärts fließender Strom an Verbrennungsluft erzeugt werden,

flüssiger Brennstoff in einen Randbereich zwischen dem ersten Strom und dem geradlinigen Strom zugeführt wird, um flüssigen Brennstoff mit Verbrennungsluft vorzumischen, und bei dem

eine aus der Vormischung des flüssigen Brennstoffs mit Verbrennungsluft entstandene Mischung aus einer Brenneraustrittsöffnung zur Verbrennung ausgestoßen wird, wobei zugleich das durch diese Verbrennung erzeugte Verbrennungsgas in die Nähe der Brenneraustrittsöffnung und im wesentlichen stromabwärts des Zentrums des ersten Stroms zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strom ein Wirbelstrom an Verbrennungsluft ist, der sich als Wirbelstrom stromabwärts bewegt, und daß das Verbrennungsgas im wesentlichen stromabwärts des Zentrums dieses Wirbelstroms zirkuliert.

13. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff auf einen Temperaturbereich erwärmt wird, der den Siedepunkt in einer Zerstäubungsumgebung desjenigen Bestandteils im flüssigen Brennstoff mit dem niedrigsten Siedepunkt nicht übersteigt.

14. Verbrennungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Brennstoff vor seiner Zufuhr zu einem Vormischbrenner auf einen Temperaturbereich erwärmt wird, der sich durch den folgenden Ausdruck darstellen läßt:

TºC ≥ Temperatur ºC des flussigen Brennstoffs ≥ T x 0,8 ºC,

wobei T den Siedepunkt in Zerstäubungsumgebung desjenigen Bestandteils im flüssigen Brennstoff bezeichnet, der den niedrigsten Siedepunkt besitzt.