EP1415112A1 - Pre-mix burner and method for operation thereof - Google Patents

Pre-mix burner and method for operation thereof

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Publication number
EP1415112A1
EP1415112A1 EP02760280A EP02760280A EP1415112A1 EP 1415112 A1 EP1415112 A1 EP 1415112A1 EP 02760280 A EP02760280 A EP 02760280A EP 02760280 A EP02760280 A EP 02760280A EP 1415112 A1 EP1415112 A1 EP 1415112A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
combustion
premix
pilot
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02760280A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karsten Jordan
Holger Streb
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP02760280A priority Critical patent/EP1415112A1/en
Publication of EP1415112A1 publication Critical patent/EP1415112A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/105—Porous plates

Definitions

  • the invention relates to a premix burner, in particular for a gas turbine, with a main burner and a pilot burner stabilizing the main burner. It further relates to a method for operating a premix burner.
  • a burner for a gas turbine is known from US 6202401.
  • This burner designed as a hybrid burner, works either as a diffusion or premix burner. While fuel and combustion air are mixed in the flame during diffusion combustion, the combustion air is first intensively mixed with the fuel in premix combustion and this mixture is then fed to the combustion. This is particularly advantageous with regard to nitrogen oxide emissions, since the homogeneous mixture means that the flame temperature in the premix flame is uniform. The nitrogen oxide formation increases exponentially with the flame temperature.
  • a fuel supply system supplies a main burner and a pilot burner igniting the main burner.
  • the flame of the pilot burner is monitored by means of a piston in which a Porous material is arranged, which serves to absorb a gas to be analyzed.
  • EP 1062461 AI shows a combustion chamber with a lining made of heat shield elements.
  • a heat shield element is designed as a burner heat shield element to which combustion air and fuel are supplied.
  • the heat shield element is designed as a pore burner. The combustion reaction takes place here at least partially in a porous material. This stabilizes the combustion and reduces the tendency to form combustion vibrations.
  • EP 0576697 B1 describes a gas turbine in which catalytic burners are used in addition to classic burner types.
  • the classic burner types are premix burners with which the main combustion is carried out. Combination with catalytic burners results in a simpler regulation in the event of changing gas turbine load conditions.
  • the invention is based on the object of specifying a premix burner in which combustion which is particularly low in nitrogen oxide and at the same time has a low tendency towards combustion instabilities is possible. Furthermore, a corresponding method for operating a premix burner and a gas turbine with low nitrogen oxide emissions and a low tendency to combustion instabilities are to be specified.
  • a main burner for the majority of the combustion air and a pilot burner for stabilizing a are for mixing combustion air with fuel to form a fuel gas mixture and for subsequent combustion of the fuel gas mixture lean combustion is provided in the main burner, the pilot burner being designed as a pore burner with a burner material which has a fine-pored structure.
  • the invention is based on the consideration of designing the pilot burner of a premix burner as a pore burner. This means that the conventional diffusion burner is replaced by a premixed burner because before the fuel and the combustion air enter the
  • Burner material these are mixed. At first it seems unrealistic to design the pilot burner as a premix burner, since the pilot burner is intended to stabilize the unstable premix combustion of the main burner. In fact, tests have shown that the burner material can be sufficiently stabilized by the pilot burner designed as a pore burner. At the same time, there is a reduction in nitrogen oxide emissions due to the homogenization of the mixture in the porous burner material.
  • the pore burner can be used successfully if the mass flow rate of the fuel / air mixture is set correctly.
  • the pressure conditions are set in such a way that the combustion reaction is not driven out of the pore body by an excessive mass throughput.
  • the mass throughput must not be so low that there is a risk of flashback.
  • the nitrogen oxide emissions are reduced by strong heating and thus heat radiation from the burner material, since the flame temperature drops as a result. Furthermore, the reaction density in the entire burner flame is reduced while the power remains the same, since part of the reaction takes place in the porous burner material. In addition, the combustion is stabilized by the particularly low susceptibility of the pore burner to fluctuations in air or gas, which in particular also results in a low susceptibility to combustion oscillations.
  • the fine-pored structure is expediently formed by foaming a base material. Foaming and subsequent hardening of the base material leads in a simple manner to a fine-pored structure.
  • the burner material is preferably ceramic.
  • a ceramic burner material is particularly characterized by its high temperature resistance.
  • the burner material expediently has zirconium oxide or silicon carbide.
  • the burner material is a nickel or cobalt-based superalloy or a high-temperature steel.
  • Such metallic materials can also be made, for example, as metal foams with fine pores and, with high temperature resistance, are easy to process.
  • a metal mesh version is also possible.
  • the main burner encloses the pilot burner with an annular channel for the combustion air.
  • the premix burner is used in a gas turbine, in particular a stationary gas turbine.
  • a stationary gas turbine such as is used for the generation of electrical energy
  • it is important to reduce environmental pollution and to comply with legal emission regulations on a low nitrogen oxide emission.
  • combustion vibrations in such gas turbines are associated with the risk of mechanical damage due to high power releases.
  • the gas turbine preferably has an annular combustion chamber.
  • annular combustion chamber coupling of all burners can result in combustion vibrations of particularly high amplitude. Due to the complex geometry, these vibrations can practically not be calculated in advance.
  • combustion air is mixed with fuel with a main burner to form a fuel gas mixture, and the fuel gas mixture is then burned, the combustion in the main burner by a Pilot burner is stabilized, and wherein combustion takes place in the pilot burner in a fine-pored burner material.
  • FIG. 2 shows in longitudinal section a pilot burner of the premix burner according to FIG. 1,
  • FIGS. 1 and 2 schematically shows a gas turbine with a premix burner according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 shows a premix burner 1 with a main burner 3 and with a pilot burner 5.
  • the main burner 3 has an annular channel 7 which concentrically surrounds the pilot burner 5.
  • Swirl blades 9 are arranged in the annular channel 7.
  • Combustion air 11 is guided through the ring channel 7.
  • the combustion air 11 is admixed with fuel 13 via hollow swirl vanes (not shown in any more detail), which fuel 13 is discharged from the swirl vanes.
  • the fuel 13 mixes intensively with the combustion air 11 before it is burned in a main flame 15.
  • the main burner 3 is operated with an excess of combustion air 11, so that a lean mixture is formed.
  • the premixing ensures that the mixture is largely homogeneous and that there is a uniform flame temperature.
  • this lean premix combustion is difficult to regulate and is easily extinguished. It is accordingly susceptible to combustion instabilities, which can lead to the development of a stable combustion oscillation through acoustic coupling with the environment, for example a combustion chamber wall. Such combustion vibrations lead to high noise pollution or even damage to the combustion system.
  • the pilot burner 5 serves to stabilize the main flame 15. It has a pilot air channel 21 through which combustion air 11 is supplied.
  • the pilot burner 5 also has a pilot fuel channel 23 through which fuel 13 is supplied.
  • the combustion air 11 and the fuel 13 are passed through a fine-pored burner material 41.
  • the pilot burner 5 is thereby designed as a pore burner.
  • the combustion air 11 and the fuel 13 are mixed before they enter the burner material 41.
  • a combustion reaction is already taking place in the burner material 41.
  • the main flame 15 is stabilized by a pilot flame 25 at the outlet of the pilot burner 5.
  • the burner material 41 reduces the nitrogen oxide emissions by homogenization and lowering the flame temperature. Furthermore, in particular the heating of the burner material 41 results in a stable combustion which is very insensitive to air or gas fluctuations and thus also a reduced tendency to form combustion vibrations.
  • the pilot fuel channel 23 is composed of a gas lance 23 and an additional channel 35, which results in a supply of fuel 13 which can be better adapted to the pilot fuel requirement.
  • the burner material 41 is arranged following an opening 39 of the gas lance 23, an opening 39 of the additional duct 37 and the pilot air duct 21. It is foamed from a ceramic material and has a correspondingly fine-pored structure. It would also be conceivable to form the burner material 41 from a material mixture, one or more components of this mixture then being removed in such a way that the fine-pored structure of the burner material 41 remains.
  • the gas turbine 51 shown in FIG. 3 has a compressor 53, an annular combustion chamber 55 and a turbine part 57.
  • the combustion air 11 is highly compressed in the compressor 53 and fed to the ring combustion chamber 55.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Gas Burners (AREA)

Abstract

The invention relates to a pre-mix burner (1) with a main burner (3) and a pilot burner (5), for stabilisation of the main burner (3). The pilot burner (5) comprises a fine-pored burner material (41), which permits a combustion with low nitrogen oxide content, which is not susceptible to combustion variations.

Description

Beschreibungdescription
Vormischbrenner und Verfahren zu dessen BetriebPremix burner and method for operating it
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 .The invention relates to a premix burner, in particular for a gas turbine, with a main burner and a pilot burner stabilizing the main burner. It further relates to a method for operating a premix burner.
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 .A burner for a gas turbine is known from US 6202401. This burner, designed as a hybrid burner, works either as a diffusion or premix burner. While fuel and combustion air are mixed in the flame during diffusion combustion, the combustion air is first intensively mixed with the fuel in premix combustion and this mixture is then fed to the combustion. This is particularly advantageous with regard to nitrogen oxide emissions, since the homogeneous mixture means that the flame temperature in the premix flame is uniform. The nitrogen oxide formation increases exponentially with the flame temperature.
Bei der Vormischverbrennung kann eine magere Verbrennung stattfinden, so dass ein höheres Verhältnis von Verbrennungs- luft 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.Lean combustion can take place in premix combustion, so that there is a higher ratio of combustion air to fuel than in diffusion combustion. This in turn reduces nitrogen oxide formation. However, lean combustion is more prone to combustion instabilities and has a smaller control range than diffusion combustion. Therefore, premix combustion is often stabilized by a diffusion flame. However, the nitrogen oxide formation in the diffusion flame partially consumes the advantage of nitrogen oxide reduction due to the lean premix combustion.
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.In a 'from US 3954384 known burner system, a fuel supply system supplies a main burner and a pilot burner igniting the main burner. The flame of the pilot burner is monitored by means of a piston in which a Porous material is arranged, which serves to absorb a gas to be analyzed.
Die EP 1062461 AI 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 Ver- brennung stabilisiert und die Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen reduziert.EP 1062461 AI shows a combustion chamber with a lining made of heat shield elements. A heat shield element is designed as a burner heat shield element to which combustion air and fuel are supplied. In one possible embodiment, the heat shield element is designed as a pore burner. The combustion reaction takes place here at least partially in a porous material. This stabilizes the combustion and reduces the tendency to form combustion vibrations.
In der EP 0576697 Bl 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 .EP 0576697 B1 describes a gas turbine in which catalytic burners are used in addition to classic burner types. The classic burner types are premix burners with which the main combustion is carried out. Combination with catalytic burners results in a simpler regulation in the event of changing gas turbine load conditions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vormischbren- ner 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.The invention is based on the object of specifying a premix burner in which combustion which is particularly low in nitrogen oxide and at the same time has a low tendency towards combustion instabilities is possible. Furthermore, a corresponding method for operating a premix burner and a gas turbine with low nitrogen oxide emissions and a low tendency to combustion instabilities are to be specified.
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 Brenngasgemi- sches ein Hauptbrenner für den größten Teil der Verbrennungs- luft 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 dasWith regard to the premix burner, the stated object is achieved by the features of claim 1. For this purpose, a main burner for the majority of the combustion air and a pilot burner for stabilizing a are for mixing combustion air with fuel to form a fuel gas mixture and for subsequent combustion of the fuel gas mixture lean combustion is provided in the main burner, the pilot burner being designed as a pore burner with a burner material which has a fine-pored structure. The invention is based on the consideration of designing the pilot burner of a premix burner as a pore burner. This means that the conventional diffusion burner is replaced by a premixed burner because before the fuel and the combustion air enter the
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. Tat- sächlich 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 Brennermate- rial erfolgenden Vergleichmäßigung des Gemisches.Burner material these are mixed. At first it seems absurd to design the pilot burner as a premix burner, since the pilot burner is intended to stabilize the unstable premix combustion of the main burner. In fact, tests have shown that the burner material can be sufficiently stabilized by the pilot burner designed as a pore burner. At the same time, there is a reduction in nitrogen oxide emissions due to the homogenization of the mixture in the porous burner material.
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 ei- nen 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 .According to the knowledge of the invention, the pore burner can be used successfully if the mass flow rate of the fuel / air mixture is set correctly. For this purpose, the pressure conditions are set in such a way that the combustion reaction is not driven out of the pore body by an excessive mass throughput. On the other hand, the mass throughput must not be so low that there is a risk of flashback.
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 Verbren- nung durch die besonders niedrige Anfälligkeit des Porenbrenners gegenüber Luft- oder GasSchwankungen stabilisiert, wodurch sich insbesondere auch eine niedrige Anfälligkeit gegenüber VerbrennungsSchwingungen ergibt.The nitrogen oxide emissions are reduced by strong heating and thus heat radiation from the burner material, since the flame temperature drops as a result. Furthermore, the reaction density in the entire burner flame is reduced while the power remains the same, since part of the reaction takes place in the porous burner material. In addition, the combustion is stabilized by the particularly low susceptibility of the pore burner to fluctuations in air or gas, which in particular also results in a low susceptibility to combustion oscillations.
Zweckmäßigerweise ist die feinporige Struktur durch ein Auf- schäumen eines Grundmateriales gebildet. Ein Aufschäumen und anschließendes Aushärten des Grundmateriales führt in einfacher Weise zu einer feinporigen Struktur.The fine-pored structure is expediently formed by foaming a base material. Foaming and subsequent hardening of the base material leads in a simple manner to a fine-pored structure.
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.The burner material is preferably ceramic. A ceramic burner material is particularly characterized by its high temperature resistance. The burner material expediently has zirconium oxide or silicon carbide. Alternatively, the burner material is a nickel or cobalt-based superalloy or a high-temperature steel. Such metallic materials can also be made, for example, as metal foams with fine pores and, with high temperature resistance, are easy to process. A metal mesh version is also possible.
In vorteilhafter Ausgestaltung umschließt der Hauptbrenner mit einem Ringkanal für die Verbrennungsluft den Pilotbren- ner.In an advantageous embodiment, the main burner encloses the pilot burner with an annular channel for the combustion air.
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.In an expedient further development, the premix burner is used in a gas turbine, in particular a stationary gas turbine. In the case of a stationary gas turbine, such as is used for the generation of electrical energy, it is important to reduce environmental pollution and to comply with legal emission regulations on a low nitrogen oxide emission. In addition, combustion vibrations in such gas turbines are associated with the risk of mechanical damage due to high power releases.
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.The gas turbine preferably has an annular combustion chamber. In the case of an annular combustion chamber, coupling of all burners can result in combustion vibrations of particularly high amplitude. Due to the complex geometry, these vibrations can practically not be calculated in advance.
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 .With regard to the method, the stated object is achieved by the features of claim 10. In this case, combustion air is mixed with fuel with a main burner to form a fuel gas mixture, and the fuel gas mixture is then burned, the combustion in the main burner by a Pilot burner is stabilized, and wherein combustion takes place in the pilot burner in a fine-pored burner material.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. In it show:
FIG 1 schematisch einen Vormischbrenner,1 schematically shows a premix burner,
FIG 2 im Längsschnitt einen Pilotbrenner des Vormisch- brenners gemäß FIG 1, und2 shows in longitudinal section a pilot burner of the premix burner according to FIG. 1, and
FIG 3 schematisch eine Gasturbine mit einem Vormischbrenner gemäß den Figuren 1 und 2.3 schematically shows a gas turbine with a premix burner according to FIGS. 1 and 2.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
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 um- gibt. 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 Drall- schaufeln der Brennstoff 13 ausgelassen wird. Der Brennstoff 13 vermischt sich intensiv mit der Verbrennungsluft 11, bevor er in einer Hauptflamme 15 verbrannt wird.FIG. 1 shows a premix burner 1 with a main burner 3 and with a pilot burner 5. The main burner 3 has an annular channel 7 which concentrically surrounds the pilot burner 5. Swirl blades 9 are arranged in the annular channel 7. Combustion air 11 is guided through the ring channel 7. The combustion air 11 is admixed with fuel 13 via hollow swirl vanes (not shown in any more detail), which fuel 13 is discharged from the swirl vanes. The fuel 13 mixes intensively with the combustion air 11 before it is burned in a main flame 15.
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.To reduce nitrogen oxide emissions, the main burner 3 is operated with an excess of combustion air 11, so that a lean mixture is formed. The premixing ensures that the mixture is largely homogeneous and that there is a uniform flame temperature. However, this lean premix combustion is difficult to regulate and is easily extinguished. It is accordingly susceptible to combustion instabilities, which can lead to the development of a stable combustion oscillation through acoustic coupling with the environment, for example a combustion chamber wall. Such combustion vibrations lead to high noise pollution or even damage to the combustion system. The pilot burner 5 serves to stabilize the main flame 15. It has a pilot air channel 21 through which combustion air 11 is supplied. The pilot burner 5 also has a pilot fuel channel 23 through which fuel 13 is supplied. The combustion air 11 and the fuel 13 are passed through a fine-pored burner material 41. The pilot burner 5 is thereby designed as a pore burner. The combustion air 11 and the fuel 13 are mixed before they enter the burner material 41. A combustion reaction is already taking place in the burner material 41. The main flame 15 is stabilized by a pilot flame 25 at the outlet of the pilot burner 5. The burner material 41 reduces the nitrogen oxide emissions by homogenization and lowering the flame temperature. Furthermore, in particular the heating of the burner material 41 results in a stable combustion which is very insensitive to air or gas fluctuations and thus also a reduced tendency to form combustion vibrations.
Bei dem in FIG 2 dargestellten Pilotbrenner 5 ist der Pilot- brennstoffkanal 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 .In the pilot burner 5 shown in FIG. 2, the pilot fuel channel 23 is composed of a gas lance 23 and an additional channel 35, which results in a supply of fuel 13 which can be better adapted to the pilot fuel requirement. The burner material 41 is arranged following an opening 39 of the gas lance 23, an opening 39 of the additional duct 37 and the pilot air duct 21. It is foamed from a ceramic material and has a correspondingly fine-pored structure. It would also be conceivable to form the burner material 41 from a material mixture, one or more components of this mixture then being removed in such a way that the fine-pored structure of the burner material 41 remains.
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. The gas turbine 51 shown in FIG. 3 has a compressor 53, an annular combustion chamber 55 and a turbine part 57. The combustion air 11 is highly compressed in the compressor 53 and fed to the ring combustion chamber 55. Via premix burner 1 of the type described above, it is there burned with fuel 13 to a hot gas 59 which drives the turbine part 57.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vormischbrenner (1) zur Vermischung von Verbrennungsluft (11) mit Brennstoff (13) zu einem Brenngasgemisch und an- schließender Verbrennung des Brenngasgemisches, mit einem Hauptbrenner (3) für den größten Teil der Verbrennungsluft (11) und einem Pilotbrenner (5) zur Stabilisierung einer mageren Verbrennung im Hauptbrenner (3), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Pilotbrenner (5) als ein Porenbrenner mit einem Brennermaterial (41) ausgebildet ist, das eine feinporige Struktur aufweist.1. premix burner (1) for mixing combustion air (11) with fuel (13) to form a fuel gas mixture and subsequent combustion of the fuel gas mixture, with a main burner (3) for most of the combustion air (11) and a pilot burner (5) for stabilizing lean combustion in the main burner (3), characterized in that the pilot burner (5) is designed as a pore burner with a burner material (41) which has a fine-pored structure.
2. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 1, bei dem die feinporige Struktur durch ein Aufschäumen des Brennermateriales (41) gebildet ist.2. premix burner (1) according to claim 1, wherein the fine-pored structure is formed by foaming the burner material (41).
3. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Brennermaterial (41) keramisch ist.3. premix burner (1) according to claim 1 or 2, wherein the burner material (41) is ceramic.
4. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 3, bei dem das Brennermaterial (41) Zirkonoxid oder Siliziumkarbid aufweist.4. premix burner (1) according to claim 3, wherein the burner material (41) comprises zirconium oxide or silicon carbide.
5. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Brennermaterial (41) eine Nickel- oder Kobaltbasis-Superle- gierung ist .5. premix burner (1) according to claim 1 or 2, wherein the burner material (41) is a nickel or cobalt-based superalloy.
6. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Brennermaterial (41) ein hochwarmfester Stahl ist.6. premix burner (1) according to claim 1 or 2, wherein the burner material (41) is a high-temperature steel.
7. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, mit einem Ringkanal (7) für die Verbrennungsluft (11) des Hauptbrenners (3), der den Pilotbrenner (5) umschließt.7. Premix burner (1) according to one of the preceding claims, with an annular channel (7) for the combustion air (11) of the main burner (3), which surrounds the pilot burner (5).
8. Gasturbine (51), insbesondere stationäre Gasturbine (51), mit einem Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .8. Gas turbine (51), in particular stationary gas turbine (51), with a premix burner (1) according to one of the preceding claims.
9. Gasturbine (51) nach Anspruch 8 mit einer Ringbrennkammer (55) . 9. Gas turbine (51) according to claim 8 with an annular combustion chamber (55).
10. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners (1), bei dem mit einem Hauptbrenner (3) Verbrennungsluft (11) mit Brennstoff (13) zu einem Brenngasgemisch vermischt und anschließend das Brenngasgemisch verbrannt wird, wobei die Verbren- nung im Hauptbrenner (3) durch einen Pilotbrenner (5) stabilisiert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s eine Verbrennungsreaktion im Pilotbrenner (5) innerhalb eines feinporigen Brennermaterials (41) erfolgt.10. Method for operating a premix burner (1), in which combustion air (11) is mixed with fuel (13) to form a fuel gas mixture with a main burner (3) and then the fuel gas mixture is burned, the combustion in the main burner (3) a pilot burner (5) is stabilized, characterized in that a combustion reaction takes place in the pilot burner (5) within a fine-pored burner material (41).
11. Verfahren nach Anspruch 10, welches mit einem Vormisch- brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird. 11. The method according to claim 10, which is carried out with a premix burner (1) according to one of claims 1 to 9.
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