Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner, insbesondere
für eine Gasturbine, mit einem Hauptbrenner und einem den
Hauptbrenner stabilisierenden Pilotbrenner. Sie betrifft weiter
ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners.
Ein Brenner für eine Gasturbine ist aus der US 6202401 bekannt.
Dieser als Hybridbrenner ausgeführte Brenner arbeitet
wahlweise als Diffusions- oder Vormischbrenner. Während bei
der Diffusionsverbrennung Brennstoff und Verbrennungsluft in
der Flamme gemischt werden, wird bei der Vormischverbrennung
zunächst die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff intensiv
vermischt und dieses Gemisch anschließend der Verbrennung zugeführt.
Dies ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich der
Stickoxidemissionen, da in der Vormischflamme aufgrund des
homogenen Gemisches eine gleichmäßige Flammentemperatur
herrscht. Die Stickoxidbildung steigt exponentiell mit der
Flammentemperatur.
Bei der Vormischverbrennung kann eine magere Verbrennung
stattfinden, so dass ein höheres Verhältnis von Verbrennungsluft
zu Brennstoff vorliegt, als bei der Diffusionsverbrennung.
Dies wiederum reduziert die Stickoxidbildung. Allerdings
neigt eine magere Verbrennung eher zu Verbrennungsinstabilitäten
und hat einen kleineren Regelbereich, als eine
Diffusionsverbrennung. Daher wird häufig eine Vormischverbrennung
durch eine Diffusionsflamme stabilisiert. Damit wird
aber durch die Stickoxidbildung in der Diffusionsflamme der
Vorteil der Stickoxidminderung durch die magere Vormischverbrennung
teilweise wieder aufgezehrt.
Bei einem aus der US 3954384 bekannten Brennersystem versorgt
ein Brennstoffzuführungssystem einen Hauptbrenner und einen
den Hauptbrenner zündenden Pilotbrenner. Die Flamme des Pilotbrenners
wird mittels eines Kolbens überwacht, in dem ein
poröses Material angeordnet ist, das zur Absorption eines zu
analysierenden Gases dient.
Die EP 1062461 A1 zeigt eine Brennkammer mit einer Auskleidung
aus Hitzeschildelementen. Ein Hitzeschildelement ist als
ein Brenner-Hitzeschildelement ausgeführt, dem Verbrennungsluft
und Brennstoff zugeführt wird. In einer möglichen Ausführung
ist das Hitzeschildelement als ein Porenbrenner gestaltet.
Die Verbrennungsreaktion erfolgt hier zumindest
teilweise in einem porösen Material. Hierdurch wird die Verbrennung
stabilisiert und die Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen
reduziert.
In der EP 0576697 B1 ist eine Gasturbine beschrieben, in welcher
zusätzlich zu klassischen Brennertypen auch katalytische
Brenner zum Einsatz kommen. Die klassischen Brennertypen sind
Vormischbrenner, mit denen die Hauptverbrennung durchgeführt
wird. Durch Kombination mit katalytischen Brennern ergibt
sich eine einfachere Regelung bei sich ändernden Lastzuständen
der Gasturbine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vormischbrenner
anzugeben, bei dem eine besonders stickoxidarme Verbrennung
bei gleichzeitig geringer Neigung zu Verbrennungsinstabilitäten
möglich ist. Des Weiteren sollen ein entsprechendes
Verfahrens zum Betrieb eines Vormischbrenners und einer Gasturbine
mit geringem Stickoxidausstoß und geringer Neigung zu
Verbrennungsinstabilitäten angegeben werden.
Bezüglich des Vormischbrenner wird die genannte Aufgabe gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu sind zur Vermischung
von Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Brenngasgemisch
und zur anschließenden Verbrennung des Brenngasgemisches
ein Hauptbrenner für den größten Teil der Verbrennungsluft
und ein Pilotbrenner zur Stabilisierung einer mageren
Verbrennung im Hauptbrenner vorgesehen, wobei der Pilotbrenner
als ein Porenbrenner mit einem Brennermaterial ausgebildet
ist, das eine feinporige Struktur aufweist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, den Pilotbrenner
eines Vormischbrenners als einen Porenbrenner auszuführen.
Dies bedeutet, das der konventionelle Diffusionsbrenner
durch einen vorgemischten Brenner ersetzt ist, da vor dem
Eintritt des Brennstoffes und der Verbrennungsluft in das
Brennermaterial diese vermischt werden. Zunächst erscheint es
widersinnig, den Pilotbrenner als Vormischbrenner auszuführen,
da durch den Pilotbrenner gerade die instabile Vormischverbrennung
des Hauptbrenners stabilisiert werden soll. Tatsächlich
konnte aber durch Versuche gezeigt werden, dass
durch die Aufheizung des Brennermateriales eine ausreichende
Stabilisierung durch den als Porenbrenner ausgeführten Pilotbrenner
möglich ist. Gleichzeitig ergibt sich eine Reduktion
von Stickoxidemissionen aufgrund der im porösen Brennermaterial
erfolgenden Vergleichmäßigung des Gemisches.
Nach Erkenntnis der Erfindung ist der Porenbrenner dann erfolgreich
einsetzbar, wenn der Massendurchsatz des Brennstoff-/
Luftgemisches richtig eingestellt ist. Die Druckverhältnisse
werden hierzu so eingestellt, dass nicht durch einen
zu hohen Massendurchsatz die Verbrennungsreaktion aus dem
Porenkörper ausgetrieben wird. Andererseits darf der Massendurchsatz
aber auch nicht so niedrig sein, dass die Gefahr
eines Flammenrückschlages auftritt.
Die Stickoxidemissionen werden durch eine starke Aufheizung
und damit Wärmeabstrahlung des Brennermateriales reduziert,
da die Flammentemperatur hierdurch sinkt. Des Weiteren wird
auch die Reaktionsdichte in der gesamten Brennerflamme bei
gleichbleibender Leistung reduziert, da ein Teil der Reaktion
im porösen Brennermaterial erfolgt. Ferner wird die Verbrennung
durch die besonders niedrige Anfälligkeit des Porenbrenners
gegenüber Luft- oder Gasschwankungen stabilisiert, wodurch
sich insbesondere auch eine niedrige Anfälligkeit gegenüber
Verbrennungsschwingungen ergibt.
Zweckmäßigerweise ist die feinporige Struktur durch ein Aufschäumen
eines Grundmateriales gebildet. Ein Aufschäumen und
anschließendes Aushärten des Grundmateriales führt in einfacher
Weise zu einer feinporigen Struktur.
Bevorzugt ist das Brennermaterial keramisch. Ein keramisches
Brennermaterial zeichnet sich insbesondere durch eine hohe
Temperaturbeständigkeit aus. Das Brennermaterial weist dabei
zweckmäßigerweise Zirkonoxid oder Siliziumkarbid auf. Alternativ
ist das Brennermaterial eine Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierung
oder ein hochwarmfester Stahl. Auch solche metallischen
Materialien lassen sich etwa als Metallschäume
feinporig ausführen und weisen bei einer hohen Temperaturbeständigkeit
eine gute Weiterverarbeitbarkeit auf. Möglich ist
auch eine Ausführung als Metallgewebe.
In vorteilhafter Ausgestaltung umschließt der Hauptbrenner
mit einem Ringkanal für die Verbrennungsluft den Pilotbrenner.
Der Vormischbrenner ist in zweckmäßiger Weiterbildung in einer
Gasturbine, insbesondere einer stationären Gasturbine,
eingesetzt. Gerade bei einer stationären Gasturbine, wie sie
etwa zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird,
kommt es zur Verminderung von Umweltbelastungen und zur Einhaltung
gesetzlicher Emissionsvorschriften auf eine niedrige
Stickoxidemission an. Zudem sind Verbrennungsschwingungen in
solchen Gasturbinen aufgrund hoher Leistungsfreisetzungen mit
der Gefahr von mechanischen Schäden verbunden.
Vorzugsweise weist die Gasturbine eine Ringbrennkammer auf.
Bei einer Ringbrennkammer kann es durch eine Kopplung aller
Brenner zu Verbrennungsschwingungen besonders hoher Amplitude
kommen. Aufgrund der komplexen Geometrie sind diese Schwingungen
zudem praktisch nicht im Voraus zu berechnen.
Bezüglich des Verfahren wird die genannte Aufgabe gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 10. Dabei wird mit einem
Hauptbrenner Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Brenngasgemisch
vermischt und anschließend das Brenngasgemisch
verbrannt, wobei die Verbrennung im Hauptbrenner durch einen
Pilotbrenner stabilisiert wird, und wobei eine Verbrennung im
Pilotbrenner in einem feinporigen Brennermaterial erfolgt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- schematisch einen Vormischbrenner,
- FIG 2
- im Längsschnitt einen Pilotbrenner des Vormischbrenners
gemäß FIG 1, und
- FIG 3
- schematisch eine Gasturbine mit einem Vormischbrenner
gemäß den Figuren 1 und 2.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt einen Vormischbrenner 1 mit einem Hauptbrenner
3 und mit einem Pilotbrenner 5. Der Hauptbrenner 3 weist einen
Ringkanal 7 auf, der den Pilotbrenner 5 konzentrisch umgibt.
Im Ringkanal 7 sind Drallschaufeln 9 angeordnet. Durch
den Ringkanal 7 wird Verbrennungsluft 11 geführt. Der Verbrennungsluft
11 wird über nicht näher dargestellte hohle
Drallschaufeln Brennstoff 13 zugemischt, der aus den Drallschaufeln
der Brennstoff 13 ausgelassen wird. Der Brennstoff
13 vermischt sich intensiv mit der Verbrennungsluft 11, bevor
er in einer Hauptflamme 15 verbrannt wird.
Zur Reduzierung von Stickoxidemissionen wird der Hauptbrenner
3 mit einem Luftüberschuss an Verbrennungsluft 11 betrieben,
so dass ein mageres Gemisch entsteht. Die Vorvermischung
stellt sicher, dass das Gemisch weitgehend homogen ist und
somit eine gleichmäßige Flammentemperatur vorliegt. Diese magere
Vormischverbrennung ist allerdings schwer regelbar und
verlöscht leicht. Sie ist entsprechend anfällig für Verbrennungsinstabilitäten,
die durch akustische Kopplung mit der
Umgebung, etwa einer Brennkammerwand, zum Entstehen einer
stabilen Verbrennungsschwingung führen können. Solche Verbrennungsschwingungen
führen zu einer hohen Lärmbelastung
oder gar zu Schäden am Verbrennungssystem.
Zur Stabilisierung der Hauptflamme 15 dient der Pilotbrenner
5. Er weist einen Pilotluftkanal 21 auf, durch den Verbrennungsluft
11 zugeführt wird. Weiterhin weist der Pilotbrenner
5 einen Pilotbrennstoffkanal 23 auf, durch den Brennstoff 13
zugeführt wird. Die Verbrennungsluft 11 und der Brennstoff 13
werden durch ein feinporiges Brennermaterial 41 geleitet. Der
Pilotbrenner 5 ist hierdurch als ein Porenbrenner ausgestaltet.
Vor dem Eintritt in das Brennermaterial 41 findet eine
Vermischung der Verbrennungsluft 11 und des Brennstoffes 13
statt. In dem Brennermaterial 41 erfolgt bereits eine Verbrennungsreaktion.
Durch eine Pilotflamme 25 am Austritt des
Pilotbrenners 5 wird die Hauptflamme 15 stabilisiert. Das
Brennermaterial 41 reduziert durch eine Vergleichmäßigung und
Flammentemperatursenkung die Stickoxidemissionen. Weiterhin
ergibt sich insbesondere durch die Aufheizung des Brennermateriales
41 eine stabile, gegen Luft- oder Gasschwankungen
sehr unempfindliche Verbrennung und damit auch eine verringerte
Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen.
Bei dem in FIG 2 dargestellten Pilotbrenner 5 ist der Pilotbrennstoffkanal
23 aus einer Gaslanze 23 und einem Zusatzkanal
35 zusammengesetzt, wodurch sich eine an den Pilotbrennstoffbedarf
besser anpassbare Zuführung von Brennstoff 13 ergibt.
Im Anschluss an eine Mündung 39 der Gaslanze 23, einer
Mündung 39 des Zusatzkanales 37 und des Pilotluftkanales 21
ist das Brennermaterial 41 angeordnet. Es ist aus einem keramischen
Material aufgeschäumt und weist eine entsprechend
feinporige Struktur auf. Denkbar wäre auch, das Brennermaterial
41 aus einem Materialgemisch zu bilden, wobei ein oder
mehrere Komponenten dieses Gemisches anschließend so entfernt
werden, dass die feinporige Struktur des Brennermateriales 41
zurückbleibt.
Die in FIG 3 dargestellte Gasturbine 51 abgebildet weist einen
Verdichter 53, eine Ringbrennkammer 55 und ein Turbinenteil
57 auf. Die Verbrennungsluft 11 wird im Verdichter 53
hoch verdichtet und der Ringbrennkammer 55 zugeleitet. Über
Vormischbrenner 1 der oben beschriebenen Art wird sie dort
mit Brennstoff 13 zu einem Heißgas 59 verbrannt, das das Turbinenteil
57 antreibt.