EP0710797B1 - Method and device for operating a premix burner - Google Patents
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- EP0710797B1 EP0710797B1 EP95810645A EP95810645A EP0710797B1 EP 0710797 B1 EP0710797 B1 EP 0710797B1 EP 95810645 A EP95810645 A EP 95810645A EP 95810645 A EP95810645 A EP 95810645A EP 0710797 B1 EP0710797 B1 EP 0710797B1
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
- F23C13/08—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by the catalytic material
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/12—Radiant burners
- F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
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- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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- F23C2900/13002—Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase
Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for Operation of a premix burner, in particular an agent vortex breakdown stabilized double cone type burner, which operated in particular with gaseous fuels and preferably used in gas turbine combustors becomes.
- the device relates to the fuel supply.
- premix burners are used for typical gas turbine operations Usually designed so that their fuel / air ratio the lowest NOx emissions when operating under Full load delivers. You will therefore be close to the lean extinguishing limit operated, their control range is very limited.
- the premix burner is the additional one that is located close to the axis Injection of pilot gas so that the fuel gases are enriched.
- DE-A-43 06 956 describes a fuel supply for a vortex breakdown stabilized low pollutant premix burner, especially one Double cone burner known in which the main gas pipe for the gaseous Fuel is integrally connected to the burner and a fuel lance Supply means for pilot gas and pilot air and with a supply channel for Liquid fuel is arranged in the main gas pipe.
- the fuel lance serves the Injection of gaseous and liquid fuels in the center of the Double cone burner.
- the disadvantage of this solution is that the fuel is cold in the Burner enters and does not react with the air. If liquid fuel is used, so it is mixed with the air and atomized before being injected into the burner. Also there is no reaction between fuel and air within the lance.
- WO 93/10400 describes the use of a catalyst in a gas turbine burner.
- a separate partial oxidation reactor is used to control the pilot gas, e.g. B. methane, in a fuel with a low calorific value, for. B. H 2 or CO to convert.
- the invention tries to avoid all these disadvantages. you the task is based on a vortex breakdown stabilized, operated with gaseous fuels Premix burner for a gas turbine combustor with simple Means to enlarge the area of flame stability, so that the premix burner can also be used without problems under partial load conditions or in the case of very lean main fuel / combustion air mixtures is working.
- this is the case with a method according to the preamble of claim 1 achieved in that the Pilot gas / air mixture at one inside the fuel lance arranged at the top of the burner arranged catalyst is ignited and burned there and the hot gas flow then the colder main burner flow inside the burner is added.
- this is for a fuel supply for a low-pollutant stabilized by vortex breakdown Premix burner, in particular a burner of the double cone type, achieved according to the preamble of claim 4, that the supply means for the pilot gas and the pilot air are connected to a jet pump arranged in the fuel lance to form a pilot gas / air mixture and that at the end of the fuel lance at the burner tip Catalyst ring-shaped between the feed channel for the liquid fuel and the main gas pipe for igniting and burning the supplied pilot gas / air mixture is arranged.
- the advantages of the invention include that the area of flame stability for one by means of vortex breakdown stabilized premix burner towards lean Fuel / air mixtures are shifted and the efficiency the plant is increased.
- the catalyst sets the Combustion without NOx generation in progress and the resulting hot flow mixes with the colder main burner flow. This delays a further homogeneous reaction.
- the catalytic ignition is therefore stabilized with a hot flow flame connected.
- Another advantage of the invention is that Because of the arrangement of the catalyst in the interchangeable Fuel lance also replaced the catalytic converter very quickly if operational safety problems occur. In addition, a fuel lance can already work for you burner in operation in a gas turbine plant can be easily retrofitted with the catalyst.
- pilot gas is under pressure by means of a jet pump integrated in the fuel lance is introduced and its pressure energy is used to a sufficient amount of combustion air from the plenum outside the burner hood into the fuel lance and pre-mix it with the pilot gas, because that’s one good mixing of pilot fuel and combustion air achieved and a cheap high pressure combustion of the gaseous Fuel / air mixture is reached.
- an active catalyst preferably palladium oxide PdO, platinum, metal oxide mixtures or barium hexaaluminates
- the catalyst support a honeycomb body with a suitable cell density or Pellets can be used.
- Fig. 1 shows a partial longitudinal section of a gas turbine combustion chamber 1 with a premix burner 2.
- This premix burner is a low-pollution double-cone burner, which in its basic structure described for example in EP-B1-0 321 809 becomes. It essentially consists of two hollow Partial conical bodies complementing a body with tangential ones Air inlet slots, the central axes of the Partial cone body widening in the direction of flow Have a taper and offset in the longitudinal direction to each other run.
- the two partial cone bodies each have one Fuel line 3 for supplying the main gaseous fuel 4 on which of the through the tangential air inlet slots flowing combustion air 5 is mixed.
- the combustion air 5 is used before mixing with the Main fuel gas 4 as cooling air from the combustion chamber 1. This collects then in turn within the burner hood 6 located plenum 7 before starting with the main fuel is mixed. The mixture formation with the combustion air takes place directly at the end of the air inlet slots.
- the fuel lance 8 is easily exchangeable and contains supply means 9 for the gaseous pilot fuel 10, supply means 11 for a possibly usable liquid fuel 12 through a nozzle 13, for example a swirl nozzle or a pressure atomizer into the burner interior 14 is dusted, and feed means 15 for from a plenum 16th pilot air 17 supplied outside the burner hood 6.
- the main fuel 4 flows in the feed line 3 in the Double cone burner and mixes with the combustion air 15, which are formed by the partial cone bodies 18, 19 Air inlet slots 20 in the burner interior of the double-cone burner 2 flows. Ignition of the fuel / air mixture occurs only at the top of the backflow zone, so that there is a stable flame front. The flame strikes not back inside the burner.
- a catalyst 21 within the fuel lance 8 is at the top of the cone arranged a catalyst 21 according to the invention. He is is annular between the feed channel 11 for liquid fuel 12 and the feed channel 3 for the main fuel 4. Upstream of the catalyst 21 is a jet pump 22 in the Fuel lance 8 arranged. By means of this into the fuel lance 8 integrated jet pump 22 becomes the pilot gas 10 introduced into the lance under pressure. At the same time, his Pressure energy used a sufficient amount of pilot air 17 to be introduced from the plenum 16 outside the burner hood 6 and mix it well with the pilot fuel. By Installation of vortex elements in the feed channel 15 of the pilot air 17 a further advantageous mixing can be achieved become. The pilot fuel / air mixture 25 then flows to the catalyst located at the top of the double cone burner 21 to. The catalyst now initiates the combustion, whereby Hardly measurable NOx emissions arise. The through the Hot gas flow generated by the catalyst mixes in the interior of the burner 14 with the colder main burner flow and improved thereby the stability of the main flame.
- the area of flame stability is expanded significantly, by catalytic ignition with hot gas flow flame stabilization is linked.
- a material is used as the catalyst 21, which a the highest possible catalytic activity with sufficient thermal Stability guaranteed. It is particularly advantageous the use of palladium oxide PdO as catalyst 21 because it is the most active material for igniting methane oxidation is.
- thermally stable compared to PdO catalytic somewhat less active materials are used, for example Platinum, metal oxide mixtures (such as perovskite, spinels) or barium hexaaluminate.
- the catalyst 21 is in a honeycomb body 24 arranged, the cell density of the honeycomb body 24 different Stress conditions can be adjusted.
- the design must be such that a sufficiently large one Catalyst area is available.
- the catalyst 21 can be replaced quickly and easily become.
- the fuel lances 8 can already be existing burner 2 well with this catalyst 21 and the Retrofit jet pump 22.
- the previous embodiment referred to a burner 2, which is operated with gaseous fuels 4, 10.
- the invention can also be used for combined operation or for operation with liquid fuel 12.
- pilot gas 10 into the fuel lance 8 not necessary, but this will be 22 additional with the jet pump Air 17 pumped in, for example, at part-load operation in addition to atomizing the liquid fuel 12 can be used.
- the catalyst then has 21 lost its actual function; but it bothers not even the operational process.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners, insbesondere eines mittels vortex breakdown stabilisierten Brenners der Doppelkegelbauart, welcher insbesondere mit gasförmigen Brennstoffen betrieben und vorzugsweise in Gasturbinenbrennkammern eingesetzt wird. Die Vorrichtung bezieht sich dabei auf die Brennstoffzuführung.The invention relates to a method and an apparatus for Operation of a premix burner, in particular an agent vortex breakdown stabilized double cone type burner, which operated in particular with gaseous fuels and preferably used in gas turbine combustors becomes. The device relates to the fuel supply.
Bei Vormischbrennern, wie beispielsweise dem Doppelkegelbrenner nach EP 0 321 809, wird das aerodynamische Phänomen des vortex breakdown benutzt, um die heissen Abgase zu rezirkulieren und damit das Brennstoff/Luft-Gemisch für eine schadstoffarme 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.With premix burners, such as the double-cone burner according to EP 0 321 809, the aerodynamic phenomenon of vortex breakdown used to recirculate the hot exhaust gases and thus the fuel / air mixture for a low-pollutant Stabilize combustion. A vortex breakdown arises when an axially symmetrical, forward spreading vortex becomes unstable and a backflow zone in the axis creates.
Die Vormischbrenner werden für typische Gasturbinenarbeitsweisen üblicherweise so ausgelegt, dass ihr Brennstoff/LuftVerhältnis die geringsten NOx-Emissionen beim Betrieb unter Vollast liefert. Sie werden deshalb nahe der mageren Löschgrenze betrieben, ihr Regelbereich ist stark eingeschränkt. The premix burners are used for typical gas turbine operations Usually designed so that their fuel / air ratio the lowest NOx emissions when operating under Full load delivers. You will therefore be close to the lean extinguishing limit operated, their control range is very limited.
Bei Teillast der Gasturbine oder bei geringerer Brennstoffzufuhr ist es deshalb zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlich, einzelne Brenner abzuschalten, damit die restlichen Brenner weiter stabil betrieben werden können oder es muss eine Reduktion des Verbrennungsluftmassenstromes erfolgen.At partial load of the gas turbine or with a lower fuel supply it is therefore necessary to maintain combustion, turn off individual burners so the rest Burners can continue to operate stably or it the combustion air mass flow must be reduced.
Eine Erhöhung des Gebietes der Flammenstabilität würde die Notwendigkeit bzw. die erforderliche Genauigkeit solcher Massnahmen verringern und dabei die Leistung der Gasturbine beträchtlich erhöhen.An increase in the area of flame stability would Necessity or the required accuracy of such Reduce measures while reducing the performance of the gas turbine increase considerably.
Eine Möglichkeit zur Erweiterung des Stabilitätsbereiches der Vormischbrenner ist das in Achsnähe erfolgende zusätzliche Eindüsen von Pilotgas, so dass die Brenngase angefettet werden.One way to expand the stability range of the The premix burner is the additional one that is located close to the axis Injection of pilot gas so that the fuel gases are enriched.
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 Lufteindüsung 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 Brenners für flüssige und gasförmige Brennstoffe entwickelt, bei welchem die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes in einer Airblast-Düse erfolgt und der gasförmige Brennstoff im Brennerinnerraum in Achsnähe des Brenners durch die Zuführung von Pilotgas angefettet wird, bei denen der Zustrom der Gebläseluft in den Brennerinnenraum gesteuert wird. So wird beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoff der Zustrom der Gebläseluft in den Brennerinnenraum abgedrosselt, beispielsweise durch das Einführen von Pilotgas in die Gebläseluft. For the optional operation of a burner with gaseous or liquid fuel, a method is known in which the fuel oil used as an alternative to the pilot gas by injection is atomized by air near the axis of the burner. The air injection also takes place during pilot operation with gas, in which but no atomization is necessary. This extra air destabilizes the pilot gas flame and sets the lean one Extinguishing limit of the flame down. That is why a procedure and a device for operating a combined burner developed for liquid and gaseous fuels, at which atomizes the liquid fuel in one Airblast nozzle and the gaseous fuel inside the burner near the axis of the burner by feeding Pilot gas is enriched, in which the inflow of fan air is controlled in the burner interior. This is how it works with gaseous fuel the inflow of fan air throttled into the burner interior, for example by introducing pilot gas into the blower air.
Aus DE-A-43 06 956 ist eine Brennstoffzuführung für einen mittels vortex breakdown stabilisierten schadstoffarmen Vormischbrenner, insbesondere einen Doppelkegelbrenner bekannt, bei welchem das Hauptgasrohr für den gasförmigen Brennstoff mit dem Brenner stoffschlüssig verbunden ist und eine Brennstofflanze mit Zuführmitteln für Pilotgas und Pilotluft und mit einem Zufuhrkanal für Flüssigbrennstoff im Hauptgasrohr angeordnet ist. Die Brennstofflanze dient der Injektion von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in das Zentrum des Doppelkegelbrenners. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Brennstoff kalt in den Brenner eintritt und nicht mit der Luft reagiert. Wird flüssiger Brennstoff verwendet, so wird dieser mit der Luft vor der Injektion in den Brenner gemischt und zerstäubt. Auch hier tritt keine Reaktion zwischen Brennstoff und Luft innerhalb der Lanze auf.DE-A-43 06 956 describes a fuel supply for a vortex breakdown stabilized low pollutant premix burner, especially one Double cone burner known in which the main gas pipe for the gaseous Fuel is integrally connected to the burner and a fuel lance Supply means for pilot gas and pilot air and with a supply channel for Liquid fuel is arranged in the main gas pipe. The fuel lance serves the Injection of gaseous and liquid fuels in the center of the Double cone burner. The disadvantage of this solution is that the fuel is cold in the Burner enters and does not react with the air. If liquid fuel is used, so it is mixed with the air and atomized before being injected into the burner. Also there is no reaction between fuel and air within the lance.
In WO 93/10400 wird die Anwendung eines Katalysators in einem Gasturbinenbrenner beschrieben. Hierzu wird ein separater Teiloxidationsreaktor benutzt, um das Pilotgas, z. B. Methan, in einen Brennstoff mit niedrigem Heizwert, z. B. H2 oder CO, umzuwandeln. WO 93/10400 describes the use of a catalyst in a gas turbine burner. For this purpose, a separate partial oxidation reactor is used to control the pilot gas, e.g. B. methane, in a fuel with a low calorific value, for. B. H 2 or CO to convert.
Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mittels vortex breakdown 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 Teillastbedingungen bzw. bei sehr mageren Hauptbrennstoff/Verbrennungsluft-Gemischen arbeitet.The invention tries to avoid all these disadvantages. you the task is based on a vortex breakdown stabilized, operated with gaseous fuels Premix burner for a gas turbine combustor with simple Means to enlarge the area of flame stability, so that the premix burner can also be used without problems under partial load conditions or in the case of very lean main fuel / combustion air mixtures is working.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss Oberbegriff
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 Heissgasströmung
danach der kälteren Hauptbrennerströmung im Brennerinnenraum
zugemischt wird.According to the invention, this is the case with a method according to the preamble
of
Erfindungsgemäss wird das bei einer Brennstoffzuführung für
einen mittels vortex breakdown stabilisierten schadstoffarmen
Vormischbrenner, insbesondere einem Brenner der Doppelkegelbauart,
gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 4 dadurch erreicht,
dass die Zuführmittel für das Pilotgas und die Pilotluft
mit einer in der Brennstofflanze angeordneten Strahlpumpe zur Bildung eines Pilotgas/Luft-Gemisches verbunden sind
und dass am Ende der Brennstofflanze an der Brennerspitze ein
Katalysator ringförmig zwischen dem Zuführkanal für den Flüssigbrennstoff
und dem Hauptgasrohr zum Zünden und Verbrennen des zugeführten Pilotgas/Luft-Gemisches angeordnet ist.According to the invention, this is for a fuel supply for
a low-pollutant stabilized by vortex breakdown
Premix burner, in particular a burner of the double cone type,
achieved according to the preamble of
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass das Gebiet der Flammenstabilität für einen mittels vortex breakdown stabilisierten Vormischbrenner in Richtung magerer Brennstoff/Luft-Gemische verschoben wird und der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird. Der Katalysator setzt die Verbrennung ohne NOx-Erzeugung in Gang und die entstehende heisse Strömung mischt sich mit der kälteren Hauptbrennerströmung. Dadurch wird eine weitere homogene Reaktion verzögert. Die katalytische Zündung wird also mit einer Heissströmungsflammenstabilisierung verbunden.The advantages of the invention include that the area of flame stability for one by means of vortex breakdown stabilized premix burner towards lean Fuel / air mixtures are shifted and the efficiency the plant is increased. The catalyst sets the Combustion without NOx generation in progress and the resulting hot flow mixes with the colder main burner flow. This delays a further homogeneous reaction. The catalytic ignition is therefore stabilized with a hot flow flame connected.
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 bereits in Betrieb befindenden Brenner einer Gasturbinenanlage problemlos mit dem Katalysator nachgerüstet werden.Another advantage of the invention is that Because of the arrangement of the catalyst in the interchangeable Fuel lance also replaced the catalytic converter very quickly if operational safety problems occur. In addition, a fuel lance can already work for you burner in operation in a gas turbine plant can be easily retrofitted with the catalyst.
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 ausserhalb der Brennerhaube in die Brennstofflanze einzubringen und diese mit dem Pilotgas vorzumischen, weil dadurch eine gute Vermischung von Pilotbrennstoff und Verbrennungsluft erzielt wird und eine günstige Hochdruckverbrennung des gasförmigen Brenstoff/Luft-Gemisches erreicht wird.It is particularly useful if the pilot gas is under pressure by means of a jet pump integrated in the fuel lance is introduced and its pressure energy is used to a sufficient amount of combustion air from the plenum outside the burner hood into the fuel lance and pre-mix it with the pilot gas, because that’s one good mixing of pilot fuel and combustion air achieved and a cheap high pressure combustion of the gaseous Fuel / air mixture is reached.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Verbrennungsluft der Brennstofflanze verdrallt zugeführt wird, weil dadurch ebenfalls die Vermischung zwischen Pilotbrennstoff und Verbrennungsluft besser stattfindet.It is also advantageous if the combustion air Fuel lance is swirled because it also causes the mixing between pilot fuel and combustion air takes place better.
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 Brennstofflanze bzw. des Brenners verhindert.Finally, there are advantages between the catalyst and the feed channel for the liquid fuel or between the Catalyst and the main gas channel cooling annuli arranged. This will overheat the catalytic converter and the fuel lance or the burner prevented.
Weiterhin ist es zweckmässig, wenn ein aktiver Katalysator, vorzugsweise Palladiumoxid PdO, Platin, Metalloxidgemische oder Bariumhexaaluminate verwendet werden, wobei als Katalysatorträger ein Wabenkörper mit geeigneter Zellendichte oder Pellets einsetzbar ist.It is also expedient if an active catalyst, preferably palladium oxide PdO, platinum, metal oxide mixtures or barium hexaaluminates can be used, being the catalyst support a honeycomb body with a suitable cell density or Pellets can be used.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Vormischbrenners der Doppelkegelbauart für eine Gasturbinenbrennkammer dargestellt.In the drawing is an embodiment of the invention using a double-cone type premix burner for one Gas turbine combustor shown.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt der Brennkammer und des Doppelkegelbrenners;
- Fig. 2
- einen vergrösserten Teillängsschnitt des Doppelkegelbrenners im Bereich der Kegelspitze und der Brennstofflanze;
- Fig. 3
- einen vergrösserten Teillängsschnitt der Brennstofflanze im Düsenbereich;
- Fig. 4
- einen Teilquerschnitt gemäss Fig. 3.
- Fig. 1
- a partial longitudinal section of the combustion chamber and the double cone burner;
- Fig. 2
- an enlarged partial longitudinal section of the double-cone burner in the region of the cone tip and the fuel lance;
- Fig. 3
- an enlarged partial longitudinal section of the fuel lance in the nozzle area;
- Fig. 4
- 3 a partial cross section according to FIG. 3.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.It is only essential for understanding the invention Elements shown. The direction of flow of the media is marked with arrows.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment and the drawings explained in more detail.
Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt einer Gasturbinenbrennkammer
1 mit einem Vormischbrenner 2. Dieser Vormischbrenner
ist ein schadstoffarmer Doppelkegelbrenner, der in seinem
prinzipiellen Aufbau beispielsweise in EP-B1-0 321 809 beschrieben
wird. Er besteht im wesentlichen aus zwei hohlen,
sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern mit tangentialen
Lufteintrittsschlitzen, wobei die Mittelachsen der
Teilkegelkörper eine sich in Strömungsrichtung erweiternde
Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt
verlaufen. Die beiden Teilkegelkörper weisen je eine
Brennstoffleitung 3 zur Zuführung des gasförmigen Hauptbrennstoffes
4 auf, welcher der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze
strömenden Verbrennungsluft 5 zugemischt wird.Fig. 1 shows a partial longitudinal section of a gas
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.The
Die Brennstofflanze 8 ist leicht austauschbar und enthält Zuführmittel
9 für den gasförmigen Pilotbrennstoff 10, Zuführmittel
11 für einen eventuell einsetzbaren flüssigen Brennstoff
12, der durch eine Düse 13, beispielsweise eine Dralldüse
oder einen Druckzerstäuber, in den Brennerinnenraum 14
gestäubt wird, und Zuführmittel 15 für aus einem Plenum 16
ausserhalb der Brennerhaube 6 zugeführte Pilotluft 17.The
Fig. 2 zeigt zwecks genauerer Darstellung einen vergrösserten Teillängsschnitt des Doppelkegelbrenners im Bereich der Kegelspitze und der Brennstofflanze.2 shows an enlarged view for a more precise illustration Partial longitudinal section of the double cone burner in the area of the cone tip and the fuel lance.
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 Doppelkegelbrenners
2 strömt. Die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches
erfolgt erst an der Spitze der Rückströmzone, so dass
dort eine stabile Flammenfront entsteht. Die Flamme schlägt
nicht ins Innere des Brenners zurück. The
Innerhalb der Brennstofflanze 8 ist an der Spitze des Kegels
erfindungsgemäss ein Katalysator 21 angeordnet. Er befindet
sich ringförmig zwischen dem Zuführkanal 11 für Flüssigbrennstoff
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 Brennstofflanze
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 einzubringen
und diese mit dem Pilotbrennstoff gut vorzumischen. Durch
Einbau von Wirbelelementen in den Zuführkanal 15 der Pilotluft
17 kann eine weitere vorteilhafte Vermischung erreicht
werden. Das Pilotbrennstoff/Luft-Gemisch 25 strömt danach dem
an der Spitze des Doppelkegelbrenners angeordeten Katalysator
21 zu. Der Katalysator initiert nunmehr die Verbrennung, wobei
kaum messbare NOx-Emissionen entstehen. Die durch den
Katalysator erzeugte Heissgasströmung mischt sich im Brennerinnenraum
14 mit der kälteren Hauptbrennerströmung und verbessert
dadurch die Stabilität der Hauptflamme.Within the
Das Gebiet der Flammenstabilität wird wesentlich erweitert, indem die katalytische Zündung mit einer Heissgasströmungsflammenstabilisierung verknüpft wird.The area of flame stability is expanded significantly, by catalytic ignition with hot gas flow flame stabilization is linked.
Wie deutlich aus den Fig. 2 bis 4 zu erkennen ist, sind zwischen
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 Überhitzung
des Katalysators 21 und der Brennstofflanze 8 zu verhindern.As can clearly be seen from FIGS. 2 to 4, there are between
the
Als Katalysator 21 wird ein Material eingesetzt, welches eine
möglichst hohe katalytische Aktivität bei ausreichender thermischer
Stabilität gewährleistet. Besonders vorteilhaft ist
die Verwendung von Palladiumoxid PdO als Katalysator 21, da
es das aktivste Material für die Zündung der Methanoxidation
ist.A material is used as the
Selbstverständlich können in anderen Ausführungsbeispielen auch andere thermisch stabile, im Vergleich zu PdO katalytisch etwas weniger aktive Materialien verwendet werden, beispielsweise Platin, Metalloxidgemische (wie Perovskite, Spinelle) oder Bariumhexaaluminate.Of course, in other embodiments also other thermally stable, compared to PdO catalytic somewhat less active materials are used, for example Platinum, metal oxide mixtures (such as perovskite, spinels) or barium hexaaluminate.
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 unterschiedlichen
Beanspruchungsbedingungen angepasst werden kann.
Die Auslegung hat so zu erfolgen, dass eine genügend grosse
Katalysatorfläche zur Verfügung steht.4 shows a possible structure of the catalyst carrier
refer to. The
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.The
Das bisherige Ausführungsbeispiel bezog sich auf einen Brenner
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 zusätzliche
Luft 17 eingepumt, die beispielsweise bei Teillastbetrieb
zusätzlich zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes
12 eingesetzt werden kann. Allerdings hat dann der Katalysator
21 seine eigentliche Funktion verloren; er stört aber
auch nicht den Betriebsablauf. The previous embodiment referred to a
- 11
- BrennkammerCombustion chamber
- 22nd
- Brennerburner
- 33rd
- BrennstoffleitungFuel line
- 44th
- gasförmiger Hauptbrennstoffmain gaseous fuel
- 55
- VerbrennungsluftCombustion air
- 66
- BrennerhaubeBurner hood
- 77
- Plenum innerhalb der BrennerhaubePlenum inside the burner hood
- 88th
- BrennstofflanzeFuel lance
- 99
- Zuführmittel für gasförmigen PilotbrennstoffFeeding agent for gaseous pilot fuel
- 1010th
- gasförmiger Pilotbrennstoffgaseous pilot fuel
- 1111
- Zuführmittel für flüssigen BrennstoffLiquid fuel supply means
- 1212th
- flüssiger Brennstoffliquid fuel
- 1313
- Düsejet
- 1414
- BrennerinnenraumBurner interior
- 1515
- Zuführmittel für PilotluftFeeder for pilot air
- 1616
- Plenum ausserhalb der BrennerhaubePlenum outside the burner hood
- 1717th
- PilotluftPilot air
- 1818th
- TeilkegelkörperPartial cone body
- 1919th
- TeilkegelkörperPartial cone body
- 2020th
- LufteintrittsschlitzAir inlet slot
- 2121
- Katalysatorcatalyst
- 2222
- StrahlpumpeJet pump
- 2323
- KühlringraumCooling annulus
- 2424th
- WabenkörperHoneycomb body
- 2525th
- Pilotgas/Luft-GemischPilot gas / air mixture
Claims (8)
- Method of operating a low-pollution premixing burner (2) stabilized by means of vortex breakdown, in particular a burner of the double-cone type of construction, with gaseous fuels (4, 10), the main fuel gas (4) being fed to the burner (2) via a main gas tube (3) connected in one piece to the burner (2) and the pilot gas (10) being fed to the burner (2) near the axis of the latter via a separate feed line (9) by means of an exchangeably inserted fuel lance (8), and the pilot gas (10) being mixed inside the fuel lance (8) with air (17) fed from a plenum (16) outside the burner hood (6), characterized in that the pilot-gas/air mixture (25) is fed to a catalyser (21) arranged inside the fuel lance (8) at the tip of the burner (2) and is ignited and burnt there, and the hot gas flow is then mixed with the colder main burner flow in the burner interior space (14).
- Method according to Claim 1, characterized in that the pilot gas (10) is introduced under pressure by means of a jet pump (22) integrated in the fuel lance (8) and its pressure energy is utilized to introduce a sufficient quantity of combustion air (17) from the plenum (16) outside the burner hood (6) into the fuel lance (8) and to premix this quantity of combustion air (17) with the pilot gas (10).
- Method according to Claim 2, characterized in that the combustion air (17) is fed to the fuel lance (8) in a swirled fashion.
- Fuel feed for a low-pollution premixing burner (2) stabilized by means of vortex breakdown, in particular a double-cone burner, the main gas tube (3) for the gaseous fuel (4) being connected in one piece to the burner (2), and an easily exchangeable fuel lance (8) having feed means (9, 15) for pilot gas (10) and pilot air (17) and having a feed passage (11) for liquid fuel (12) being arranged in the main gas tube (3), characterized in that the feed means (9, 15) for the pilot gas (10) and the pilot air (17) are connected to a jet pump (21) arranged in the fuel lance (8) in order to form a pilot-gas/air mixture, and in that a catalyser (21) is arranged at the end of the fuel lance (8) at the burner tip in an annular shape between the feed passage (11) for the liquid fuel (12) and the main gas tube (3) in order to ignite and burn the pilot-gas/air mixture supplied.
- Fuel feed according to Claim 4, characterized in that annular cooling spaces (23) are arranged between the catalyser (21) and the feed passage (11) for the liquid fuel (12) and between the catalyser (21) and the main gas passage (3) respectively.
- Fuel feed according to Claim 4, characterized in that active material, preferably palladium oxide, platinum, metal oxide mixtures or barium hexaaluminates, are used as catalyser (21).
- Fuel feed according to Claim 6, characterized in that a honeycomb body (24) having suitable cell density is used as catalyser carrier.
- Fuel feed according to Claim 6, characterized in that pellets are used as catalyser carrier.
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