EP1436546A1 - Brenner für synthesegas - Google Patents

Brenner für synthesegas

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Publication number
EP1436546A1
EP1436546A1 EP02765280A EP02765280A EP1436546A1 EP 1436546 A1 EP1436546 A1 EP 1436546A1 EP 02765280 A EP02765280 A EP 02765280A EP 02765280 A EP02765280 A EP 02765280A EP 1436546 A1 EP1436546 A1 EP 1436546A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
fuel
outlet openings
swirl generator
burner according
Prior art date
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Granted
Application number
EP02765280A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1436546B1 (de
Inventor
Timothy Griffin
Albert Keller
Joachim Krautzig
Roland Mücke
Frank Reiss
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1436546A1 publication Critical patent/EP1436546A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1436546B1 publication Critical patent/EP1436546B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • 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
    • 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
    • F23R3/36—Supply of different fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the present invention relates to a burner for operation in a combustion chamber, preferably in combustion chambers of gas turbines / which essentially consists of a swirl generator for a combustion air flow and means for introducing fuel into the combustion air flow, the swirl generator having combustion air inlet openings for the combustion air flow entering the burner and the means for introducing fuel into the combustion air flow comprise one or more fuel feeds with a group of first fuel outlet openings, which is arranged distributed around the burner axis at an end of the burner on the combustion chamber side.
  • a preferred area of use for such a burner is in gas and steam turbine technology.
  • EP 0 321 809 B1 discloses a conical burner consisting of several shells, a so-called double-cone burner, according to the preamble of claim 1.
  • the conical swirl generator which is composed of several shells, creates a closed swirl flow in a swirl chamber which • becomes unstable due to the swirl increasing in the direction of the combustion chamber • and changes into an annular swirl flow with backflow in the core.
  • the shells of the swirl generator are of this type composed that tangential air inlet slots for combustion air are formed along the burner axis. At the leading edge of the conical shells at these air inlet slots, feeds for the premix gas, ie the gaseous fuel, are provided, which have outlet openings for the premix gas distributed along the direction of the burner axis.
  • the gas is injected through the outlet openings or bores transversely to the air inlet gap.
  • This injection in conjunction with the swirl of the combustion air / fuel gas flow generated in the swirl chamber, leads to a good mixing of the combustion or premix gas with the combustion air. With these premix burners, thorough mixing is a prerequisite for low NO x values during the combustion process.
  • a burner for a heat generator is known from EP 0 780 629 A2, which has an additional mixing section for further mixing of fuel and combustion air after the swirl generator.
  • This mixing section can be designed, for example, as a downstream pipe section into which the flow emerging from the swirl generator is transferred without any appreciable flow losses. The degree of mixing can be further increased by the additional mixing section and thus the pollutant emissions can be reduced.
  • WO 93/17279 shows another known premix burner in which a cylindrical swirl generator with a conical inner body is used becomes.
  • the premix gas is also injected into the swirl chamber via feeds with corresponding outlet openings, which are arranged along the axially extending air inlet slots.
  • the burner also has a central supply for fuel gas in the conical inner body, which can be injected into the swirl chamber for piloting near the burner outlet.
  • the additional pilot stage is used to start the burner and to expand the operating range.
  • a premix burner is known from EP 1 070 915 A1, in which the fuel gas supply is mechanically decoupled from the swirl generator.
  • the swirl generator is here provided with a series of openings through which fuel lines mechanically decoupled from the swirl generator for gas premixing operation protrude into the interior of the swirl generator and feed gaseous fuel to the swirled flow of the combustion air there.
  • premix burners of the prior art are so-called spin-stabilized premix burners in which a fuel mass flow is distributed as homogeneously as possible prior to combustion in a combustion air mass flow. With these types of burners, the combustion air flows in through the tangential air inlet slots in the swirl generators.
  • Fuel particularly natural gas
  • natural gas and liquid fuel mostly diesel oil or Oil # 2
  • synthetically produced gases so-called Mbtu and Lbtu gases
  • Mbtu and Lbtu gases have recently been used for combustion.
  • These synthesis gases are produced by the gasification of coal or oil residues. They are characterized by the fact that they largely consist of H 2 and CO.
  • inerts such as N 2 or C0 2 .
  • a backup fuel in addition to the synthesis gas from the burner, a so-called backup fuel, can also be burned safely.
  • IGCC Integrated Gasification Combined Cycle
  • the burner should also function safely and reliably in the mixed operation of synthesis gas and backup fuel, for example diesel oil, the fuel mixture spectrum usable for the burner operation in the mixed operation of a single burner being maximized.
  • low emissions NO x ⁇ 25 vppm, CO ⁇ 5 vppm
  • a double-cone burner is known from EP 0610 722 A1, in which a group of fuel outlet openings for a synthesis gas are arranged on the swirl generator at an end of the burner on the combustion chamber side around the burner axis. These outlet openings are supplied via a separate fuel line and enable the burner to be operated with undiluted synthesis gas.
  • the object of the present invention is to provide a burner which ensures safe and stable combustion both for undiluted and for diluted synthesis gas and has a long service life.
  • the burner should in particular meet the requirements mentioned above and, in preferred developments, enable operation with several types of fuel, also in mixed operation.
  • the present burner consists of a swirl generator for a combustion air flow and means for introducing fuel into the combustion air flow.
  • the swirl generator has combustion air inlet openings for the combustion air flow that preferably enters the burner tangentially.
  • the means for introducing fuel into the combustion air flow comprise one or more first fuel supplies with a group of first fuel outlet openings, which is arranged around the burner axis at an end of the burner on the combustion chamber side, ie at the burner outlet.
  • the present burner is characterized in that the one or more first fuel feeds with the group of first fuel outlet openings are mechanically decoupled from the swirl generator.
  • the geometry of the swirl generator as well as any swirl space that may be present can be selected in various ways in the present burner and in particular have the geometries known from the prior art.
  • the distribution of the first fuel outlet openings exclusively at the end of the burner or swirl chamber on the combustion chamber side around the burner axis reliably prevents the synthetic gas from reigniting. Mixing with the combustion air emerging from the burner is nevertheless guaranteed.
  • the burner thus enables safe and stable combustion of both undiluted and diluted synthesis gas. This guarantees a high degree of flexibility when using a gas turbine equipped with burners according to the invention in an IGCC process.
  • a correspondingly cross-sectional configuration of the first fuel supply means that high volume flows, up to a factor of 7 compared to the supply of natural gas in known burners of the prior art, can be safely conducted to the injection point at the burner outlet.
  • the one or more first fuel feeds with the associated first fuel outlet openings are mechanically and thermally decoupled from the swirl generator or the burner shells which form the swirl generator and are significantly warmer during operation.
  • the thermal stresses between the comparatively cold first fuel feeds, hereinafter also referred to as gas channels, and the warmer burner shells are avoided or at least significantly reduced.
  • the injection region for the synthesis gas in the burner trays is completely cut out.
  • the first gas channel is anchored directly in this section of the burner bowls.
  • Earlier constructions such as that of EP 0610 722 AI showed problems, for example cracks due to the high stress concentration at these connection points, particularly when connecting a relatively cold gas duct to a hot burner bowl.
  • the burner preferably also has one or more second fuel feeds with a group of second fuel outlet openings arranged essentially along the direction of the burner axis on the swirl body.
  • a fuel lance can also be provided on the burner axis for the injection of liquid fuel, which projects into the swirl chamber in the axial direction.
  • the arrangement and configuration of these additional fuel feeds can be based, for example, on the known premix burner technology according to EP 321 809 or also other types, such as according to EP 780 629 or WO 93/17279.
  • Such burner geometries can be designed with the features according to the invention for the combustion of synthesis gases, in particular for the combustion of Mbtu and Lbtu fuels.
  • the preferred embodiment of the present burner with one or more further fuel supplies results in a multifunctional burner which is able to store a wide variety of fuels safely and safely - in ⁇
  • the burner ensures in particular the stable and safe combustion of Mbtu synthesis gases with heating values (lower heating value Hu or Lower Heating Value LHV) of 3500 - 18000 kJ / kg, in particular 6000 to 15000 kJ / kg, preferably from 6500 to 14500 kJ / kg or from 7000 to 14000 kg / kJ.
  • heating values lower heating value Hu or Lower Heating Value LHV
  • liquid fuel e.g. diesel oil
  • Natural gas can be injected in the burner head either through the burner lance and / or via the second fuel feeds, which are usually formed by the gas channels which are longitudinally attached to the air inlet slots on the swirl generator or swirl body and are known to the person skilled in the art, for example, from EP 321 809 are common. In this way, the burner can be operated with three different fuels.
  • the synthesis gas ie the Lbtu / Mbtu fuel
  • the synthesis gas is injected radially through the first outlet openings at the burner outlet.
  • These outlet openings are small outlet channels, the channel axis of which determines the axial injection angle ⁇ .
  • Diameter D and injection angle ⁇ of these outlet openings or channels are special parameters which, depending on the edge Conditions, for example the special gas composition, the emissions, etc., can be appropriately selected by a person skilled in the art.
  • the injection angle can be selected so that the channel axes of all outlet openings intersect at a point on the burner axis downstream of the burner or swirl space.
  • the injection angle can also be selected so that the channel axes of subgroups of the outlet openings intersect at different points. In this way, any distribution of the injected fuel at the burner outlet can be achieved.
  • An injection angle can also be varied in relation to the burner radius.
  • the design of the fuel feeds for the combustion of the synthesis gas is adapted to the fuel volume flow, which is up to 7 times greater, and in particular provides the necessary flow cross-sections. They have a multiple cross-section compared to the natural gas feeds.
  • Figure 1 in a highly schematic representation of a premix burner, as is known from the prior art.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the area of a burner on the combustion chamber side according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a three-dimensional sectional view of a burner which is designed in accordance with the exemplary embodiment in FIG. 2;
  • FIGS. 2 and 3 shows an example of the assembly of a burner according to FIGS. 2 and 3;
  • FIG. 5 is a highly schematic top view of several different injection nozzles. Geometries for synthesis gas in the burner according to the invention.
  • Figure 1 shows a highly schematic of a premix burner, as is known for example from EP 321 809 AI.
  • the burner is composed of a burner head 10 and an adjoining swirl generator 1, which forms a swirl chamber 11.
  • the conical swirl generator 1 consists of several burner shells, between which tangential inlet slots for combustion air 9 are formed.
  • the incoming combustion air 9 is indicated in the figure by the long arrows.
  • gas inlets 24 for the supply of a fuel, in particular natural gas 26 can be provided along the tangential inlet slots via the tangential air inlet slots into the swirl chamber 11. This is indicated in the figure with the short arrows.
  • a burner lance 14 extends from the burner head 10 into the drain chamber 11, at the end of which a nozzle 16 for injecting liquid fuel 13, e.g. B. oil and / or water 12 is provided.
  • the burner is ignited via the burner lance 14.
  • the combustion air 9 entering the swirl generator 1 via the tangential air inlet slots mixes with the injected fuel in the swirl chamber 11.
  • the resulting closed swirl flow becomes unstable due to the increasing swirl at the end of the swirl chamber 11 due to the sudden cross-sectional widening when transitioning into the combustion chamber and changes into an annular swirl flow with backflow in the core. This area forms the beginning of the reaction zone 17 in the combustion chamber.
  • FIG. 2 shows, in a first exemplary embodiment, in a sectional view the region of a burner according to the invention for operation with synthesis gas on the combustion chamber side.
  • the Lbtu / Mbtu fuel is injected radially at the burner outlet by means of a gas perforation 18 which is expediently to be selected with regard to diameter D and injection angle, i. H. at the end of the swirl chamber 11.
  • This radial injection at the burner outlet enables the hydrogen-rich synthesis gas to be burned undiluted.
  • Diameter D and the injection angle of the radial gas injection are special parameters which are appropriately selected by the person skilled in the art depending on the boundary conditions (special gas composition, emissions, ).
  • the figure shows the burner shells of the swirl body 1, which enclose the swirl chamber 11. Outside of this swirl body, a gas supply element 2 is arranged, which radially surrounds the swirl body 1 and forms the first fuel supply channel or channels 19 for the supply of the synthesis gas. At the combustion chamber end of this gas supply element 2 are first Outlet openings 18 are formed for the synthesis gas. These outlet openings 18 form outlet channels which specify the injection direction of the synthesis gas. The injection angle ⁇ and the diameter D of these channels or openings 18 are selected appropriately by the person skilled in the art depending on the requirements. In the present example, the outlet openings 18 are arranged in a row around the burner axis 25, so that a homogeneous circumferential injection of the synthesis gas is achieved.
  • the comparatively cold fuel supply channels 19 for injection of the synthesis gas and the burner shells of the swirl generator 1, which in principle are significantly warmer, are thermally and mechanically decoupled from one another. This significantly reduces the thermal stresses.
  • the connection between the gas supply element 2 and the swirl generator 1 takes place via tabs 3 and 4 provided on both components, which are connected to one another. In this way, minimal thermal stresses are achieved.
  • An air flow 8, which is also shown in the figure, tends to stabilize the flames and produces a swirl cooling effect on the burner front before it emerges.
  • the opening or the circumferential gap 7 of the swirl generator 1 can also be seen, which is necessary in order to enable a connection between the outlet openings 18 of the gas supply element 2 and the swirl chamber 11.
  • Figure 3 shows a trained according to Figure 2
  • the swirl generator 1 and also formed from a plurality of burner shells is shown to recognize the gas supply element 2 surrounding it.
  • This gas supply element 2 can form an annular supply slot as the fuel supply channel 19 or can also be divided into separate fuel supply channels 19.
  • the fuel supply channels 19 for the synthesis gas are adapted for the combustion of the synthesis gas to the up to 7 times larger fuel volume flow in design, and in particular provide the necessary large flow cross sections, as can be seen from FIG. 3.
  • the injection area for the fuel i. H. the synthesis gas
  • the gas supply element 2 is anchored directly in this section of the burner shells of the swirl generator 1. This solves the voltage problem at the junctures of the cold gas supply element 2 and the warm burner bowl.
  • the decoupled solution shown in this example achieves the required burner life.
  • the injection of the synthesis gas is indicated in the figure by the reference number 20.
  • additional gas injection channels 24 can also be provided along the swirl generator 1, in the same way as can be seen in FIG. 1, for example, with which natural gas 26 can be introduced into the swirl chamber 11 upstream of the injection point of the synthesis gas.
  • the injection Oil or an oil-water emulsion is indicated schematically at the end of the swirl chamber 11 on the combustion head side, as is the inflow of combustion air 9 via the tangential inlet slots.
  • FIG. 4 shows an example of the assembly of a burner according to FIGS. 2 and 3 from the two subcomponents, the gas supply element 2 and the swirl generator 1.
  • the gas supply element 2 with the integrated one or more fuel supply channels 19 for synthesis gas and the combustion chamber side is arranged around the burner axis 25 Outlet openings 18 are preferably produced together with the swirl generator 1 as a cast part and then separated.
  • Assembly takes place by the swirl generator 1 being inserted axially into the gas supply element 2, so that the outlet openings 18 of the gas supply element 2 come to lie in corresponding openings 7 of the swirl generator 1.
  • an element 6 of the swirl generator 1 is held in the sliding seat in a counterpart 5 of the gas supply element 2, so that thermal expansion differences between swirl generator 1 in the gas supply element 2 in the area of the burner head can be freely compensated.
  • the connecting straps 3 of the gas supply element 2 and the connecting straps 4 of the swirl generator 1 are connected to one another in a suitable manner, for example welded, and form the only fixed bearing of the swirl generator 1 in the gas supply element 2.
  • the outlet opening area of the gas supply element 2 is free in the Openings 7 of the swirl generator 1 are movable.
  • the production of both elements from a single cast enables low manufacturing tolerances, so that a circumferential gap dimension s shown in FIG. 2 between swirl generator 1 and gas supply element 2 can be minimized.
  • a correspondingly high accuracy of fit with a small gap dimension s in the area of the gas outlet openings 18 or the openings 7 of the swirl generator 1 minimizes an untwisted combustion air emerging through this gap, which could have potentially negative effects on the combustion stability.
  • FIG. 5 shows various examples of differently selected injection directions of the first outlet openings 18 at the end of the swirl chamber 11 for the synthesis gas.
  • FIG. 5a shows in a highly simplified representation a top view of the burner outlet and the injection axes of the synthesis gas injection 20 of the individual outlet openings 18, which intersect at an intersection point 21 on the burner axis.
  • FIG. 5b shows another embodiment in the same view, in which the outlet axes of the synthesis gas injection 20 of different groups of outlet openings 18 intersect at different intersection points 21, which are distributed over the outlet cross section of the burner.
  • the distribution of these intersection points 21 can be chosen arbitrarily in order to adapt the injection to the respective conditions. On the one hand, this affects the position of the intersection points 21 and on the other hand, of course, their number. In the same way, it is possible to select the intersection points 21 at a different distance from the burner exit plane or at the same distance, as is shown schematically in FIGS. 5c and 5d.
  • FIG. 6 shows an example of a swirl generator 1 with a purely cylindrical swirl body 23 in which a conical inner body 22 is inserted.
  • the pilot fuel can be supplied directly to the tip of the conical inner body 22.
  • the outlet openings 18 for the synthesis gas are distributed around the burner axis 25 at the end of the swirl chamber 11 on the combustion chamber side.
  • the fuel supply channels 19 are not shown in this illustration.
  • additional gas outlet openings for natural gas, including the supply lines 24 required for this, can additionally be provided at the tangential air inlet slots (not shown).
  • a mixing tube for generating an additional mixing section can be connected to the swirl generator 1, as is known from the prior art.
  • FIG. 7 finally shows an example of a burner in which the swirl generator 1 is designed as a swirl grille, by means of which the combustion air 9 entering is swirled.
  • An additional fuel for premix loading can be introduced into the combustion air 9 via the supply lines 24 leading to outlet openings in the area of the swirl generator 1.
  • the supply of the pilot fuel 15 is via a central in the Internal volume 11 projecting nozzle 16 realized.
  • the outlet openings 18 for the synthesis gas are distributed around the burner axis 25 at the end of the inner volume 11 on the combustion chamber side and are supplied with synthesis gas via the fuel supply channels 19.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (9), wobei der Drallerzeuger (1) Brennluft-Eintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom (9) aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (9) ein oder mehrere erste Brennstoffzuführungen (19) mit einer Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) umfassen, die an einem brennraumseitigen Ende des Brenners um die Brennerachse (25) verteilt angeordnet ist. Der Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (19) mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) mechanisch von dem Drallerzeuger (1) entkoppelt sind. Mit dem vorliegenden Brenner lässt sich zuverlässig und sicher Synthesegas sowohl in verdünnter als auch in unverdünnter Form als Brennstoff einsetzen.

Description

Brenner für Synthesegas
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb in einem Brennraum, vorzugsweise in Brennkammern von Gasturbinen/ der im Wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftström besteht, wobei der Drallerzeuger Brennlufteintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftström ein oder mehrere Brennstoffzufuhrungen mit einer Gruppe von ersten Brennstoffaustritts- öffnungen umfassen, die an einem brennraumseitigen Ende des Brenners um die Brennerachse verteilt angeordnet ist .
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für einen derartigen Brenner liegt in der Gas- und Dampfturbinentechnik.
Stand der Technik
Aus der EP 0 321 809 Bl ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein sog. Doppelkegelbrenner, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Durch den kegelförmigen, aus mehreren Schalen zusammen gesetzten Drallerzeuger wird eine geschlossene Drallstrδmung in einem Drallraum erzeugt, welche • aufgrund des in Richtung des Brennraums zunehmenden Dralls instabil • wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht. Die Schalen des- Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der Einströmkante der Kegelschalen an diesen Lufteintrittschlitzen sind Zuführungen für das Vormischgas, d. h. den gasförmigen Brennstoff, vorgesehen, die entlang der Richtung der Brennerachse verteilte Austrittsöffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsδffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst . Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall der Verbrennungsluft- Brenngas-Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw. Vormischgases mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei diesen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NOx-Werte beim Verbrennungsvorgang .
Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 780 629 A2 ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Diese Mischstrecke kann bspw. als nachgeschaltetes Rohrstück ausgeführt sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswerte Strömungsverluste überführt wird. Durch die zusätzliche Mischstrecke können der Vermischungsgrad weiter erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.
Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindrischer Drallerzeuger mit einem konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei diesem Brenner wird das Vormischgas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Austrittsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze angeordnet sind. Der Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe dem Brenneraustritt zur Pilotierung in den Drallraum eingedüst werden kann. Die zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfahren des Brenners sowie einer Erweiterung des Betriebsbereiches.
Aus der EP 1 070 915 AI ist ein Vormischbrenner bekannt, bei dem die Brenngasversorgung mechanisch vom Drallerzeuger entkoppelt ist. Dadurch werden beim Einsatz nicht oder nur gering vorgewärmter Brenngase Spannungen aufgrund thermischer Dehnungen vermieden. Der Drallerzeuger ist hierbei mit einer Reihe von Öffnungen versehen, durch die von dem Drallerzeuger mechanisch entkoppelte Brennstoffleitungen für den Gas- Vormischbetrieb ins Innere des Drallerzeugers hinein ragen und dort der verdrallten Strömung der Verbrennungsluft gasförmigen Brennstoff zuführen.
Bei diesen bekannten Vormischbrennern des Standes der Technik handelt es sich um sog. drallstabilisierte Vormischbrenner, bei denen ein Brennstoffmassenstrom vorgängig der Verbrennung in einem Brennluftmassenstrom möglichst homogen verteilt wird. Die Brennluft strömt bei diesen Brenner-Bauarten über tangentiale Luft- einlassschlitze in den Drallerzeugern ein. Der
Brennstoff, insbesondere Erdgas, wird typischerweise entlang der Lufteintrittsschlitze eingedüst. In Gasturbinen werden neben Erdgas und flüssigem Brennstoff, meist Dieselöl bzw. Oil#2, in letzter Zeit auch synthetisch hergestellte Gase, sog. Mbtu- und Lbtu-Gase, zur Verbrennung eingesetzt. Diese Synthesegase werden durch die Vergasung von Kohle oder Ölrück- ständen hergestellt. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zum größten Teil aus H2 und CO bestehen. Hinzu kommt noch ein geringerer Anteil an Inerten, wie N2 oder C02.
Bei der Verbrennung von Synthesegas kann aufgrund einer hohen Rückzündgefahr die für Erdgas bei den Brennern des Standes der Technik bewährte Eindüsung nicht beibehalten werden. So ergeben sich im Unterschied zum Einsatz von Erdgas folgende Besonderheiten und Anforderungen an einen Brenner, der mit Synthesegas betrieben werden soll . Synthesegas erfordert einen in Abhängigkeit von einer nach dem Stand der Technik an sich bekannten Verdünnung des Synthesegases rund vierfach - im Falle von unverdünntem Synthesegas bis siebenfach oder sogar darüber - höheren Brennstoff-Volumenstrom gegenüber vergleichbaren Erdgasbrennern, so dass sich bei gleicher Gasbelochung des Brenner deutlich unterschied- liehe Impulsverhältnisse ergeben. Aufgrund des hohen Anteiles an Wasserstoff im Synthesegas und der damit verbundenen niedrigen Zündtemperatur und hohen Flammgeschwindigkeit des Wasserstoffes besteht eine hohe Reaktionsneigung des Brennstoffes, so dass insbesondere das Rückzündverhalten und die Verweilzeit von zündfähigem Brennstoff-Luftgemisch in Brennernähe untersucht werden müssen. Weiterhin muss eine stabile und sichere Verbrennung von Synthesegasen für einen hinreichend großen Bereich von Heizwerten gewährleistet werden, der je nach Prozessqualität der Vergasung und Ausgangsprodukt, bspw. Ölrückstände, das Synthesegas unterschiedlich zusammengesetzt ist. Um unter diesen Bedingungen bei der Verbrennung dennoch eine Vormischung und damit die typischen niedrigen Emissionen zu erreichen, werden diese Synthesegase vor der Verbrennung meist mit den Inerten N2 oder Wasserdampf verdünnt. Das verbessert außerdem die Stabilität der Verbrennung und verringert insbesondere das aufgrund des hohen H -Anteils immanente Rückzündrisiko. Der Brenner muss somit Synthesegase verschiedener Zusammensetzung, insbesondere unterschiedlicher Verdünnung, sicher und stabil verbrennen können.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn neben dem Synthesegas vom Brenner auch ein Reservebrennstoff, ein sog. Backup-Brennstoff sicher verbrannt werden kann. Diese Forderung resultiert bei den hochkomplexen integrierten Gassynthetisierungs- und Stromerzeugungs- (IGCC-, Integrated Gasification Combined Cycle-) Anlagen aus der Forderung nach hoher Verfügbarkeit . Der Brenner sollte in einem derartigen Fall sicher und zuverlässig auch im Mischbetrieb von Synthesegas und Backup-Brennstoff, bspw. Dieselöl, funktionieren, wobei das für den Brennerbetrieb im Mischbetrieb eines Einzelbrenners nutzbare Brennstoff-Mischungsspektrum zu maximieren ist. Selbstverständlich sollten geringe Emissionen (NOx < 25 vppm, CO < 5 vppm) für die spezifizierten und eingesetzten Brennstoffe gewährleistet werden. Aus der EP 0610 722 AI ist ein Doppelkegelbrenner bekannt, bei dem eine Gruppe von Brennstoffaustritts- öffnungen für ein Synthesegas an einem brennraumseitigen Ende des Brenners um die Brennerachse verteilt am Drallerzeuger angeordnet sind. Diese Austrittsöffnungen werden über eine gesonderte Brennstoffleitung versorgt und ermöglichen den Betrieb des Brenners mit unverdünntem Synthesegas .
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Brenner anzugeben, der sowohl für unverdünntes als auch, für verdünntes Synthesegas eine sichere und stabile Verbrennung gewährleistet und eine hohe Lebensdauer aufweist. Der Brenner soll insbesondere die vorangehend genannten Anforderungen erfüllen und in bevorzugten Weiterbildungen den Betrieb mit mehreren Brennstoffarten, auch im Mischbetrieb, ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Brenner gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brenners sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der vorliegende Brenner besteht in bekannter Weise aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftström. Der Drallerzeuger weist Brennluft- Eintrittsöffnungen für den vorzugsweise tangential in den Brenner eintretenden Verbrennungs- luftstrom auf. Die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom umfassen ein oder mehrere erste Brennstoffzufuhrungen mit einer Gruppe von ersten Brennstoffaustrittsöffnungen, die an einem brennraumseitigen Ende des Brenners, d. h. am Brenneraustritt, um die Brennerachse verteilt angeordnet ist. Der vorliegende Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzufuhrungen mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen mechanisch von dem Drallerzeuger entkoppelt sind.
Die Geometrie des Drallerzeugers wie auch eines gegebenenfalls vorhandenen Drallraums können beim vorliegenden Brenner in verschiedener Weise gewählt werden und insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Geometrien aufweisen. Durch die Verteilung der ersten Brennstoffaustrittsöffnungen ausschließlich am brennraumseitigen Ende des Brenners bzw. Drallraums um die Brennerachse wird ein Rückzünden des Synthes - gases zuverlässig verhindert. Eine Vermischung mit der aus dem Brenner austretenden Verbrennungsluft ist dennoch gewährleistet . Synthesegas mit hohem Wasser- Stoffanteil (45 Vol%) kann unverdünnt verbrannt werden (Hu = 14000 kJ/kg) . Der Brenner ermöglicht somit eine sichere und stabile Verbrennung sowohl von unverdünntem als auch von verdünntem Synthesegas. Das garantiert eine hohe Flexibilität beim Einsatz einer mit erfindungsgemäßen Brennern ausgestatteten Gasturbine in einem IGCC-Prozess . Durch eine entsprechend im Querschnitt angepasste Ausgestaltung der ersten BrennstoffZuführung können hohe Volumenströme, bis zu einem Faktor 7 im Vergleich zur Zuführung von Erdgas bei bekannten Brennern des Standes der Technik, sicher zur Eindüsungsstelle am Brenneraustritt geleitet werden. Bei dem vorliegenden Brenner sind die ein oder mehreren ersten Brennstoffzufuhrungen mit den zugehörigen ersten Brennstoffaustrittsöffnungen mechanisch und thermisch vom Drallerzeuger bzw. den den Drallerzeuger bildenden und im Betrieb deutlich wärmeren Brennerschalen entkoppelt. Dadurch werden die thermischen Spannungen zwischen den vergleichsweise kalten ersten Brennstoffzufuhrungen, im Folgenden auch als Gaskanäle bezeichnet, und den wärmeren Brennerschalen vermieden oder zumindest deutlich reduziert. So wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ausführungs- beispielen näher erläutert ist, der Eindüsungsbereich für das Synthesegas in den Brennerschalen völlig ausgeschnitten. Der erste Gaskanal wird direkt in diesen Ausschnitt der Brennerschalen verankert . Damit sind Gaskanal und Brennerschalen thermisch und mechanisch voneinander entkoppelt und das Designproblem an den Verbindungsstellen von kaltem Gaskanal und warmer Brennerschale ist gelöst. Frühere Konstruktionen wie die der EP 0610 722 AI zeigten besonders bei der Verbindung von relativ kaltem Gaskanal zu heißer Brennerschale Probleme, bspw. Risse in Folge der hohen Spannungskonzentration an diesen Verbindungsstellen. Mit der entkoppelten Lösung und dem vorgestellten
Design wird die erforderliche Lebensdauer des Brenners erreicht .
Die Entkopplung einzelner Brennstofflanzen von den Brennerschalen ist bereits aus der EP 1 070 915 be- kannt. Beim vorliegenden Brenner wird diese mechanische Entkopplung jedoch erstmals mit integralen Gaskanälen mit umfangshomogener Gaseinbringung realisiert. Gegenüber der aus der EP 1 070 950 bekannten Gaseindüsung besticht die erfindungsgemäße umfangshomogene Gas- eindüsung durch eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung des Brennstoffs in der Brennluft, und damit, insbesondere bei der Verwendung von Lbtu- und Mbtu- Brennstoffen, durch ein überlegenes Emissionsverhalten bei gleichzeitig guter Flammenstabilität. Eine aufwendige spezielle Wärmeisolierung des Gaskanals gegenüber der heißen Brennerschale - wie bspw. durch die bekannten Gaskanalinserts - ist nicht notwendig.
Vorzugsweise weist der Brenner neben der bzw. den ersten Brennstoffzufuhrungen auch ein oder mehrere zweite Brennstoffzufuhrungen mit einer Gruppe von im Wesentlichen entlang der Richtung der Brennerachse angeordneten zweiten Brennstoffaustrittsöffnungen am Drallkörper auf. Alternativ oder in Kombination kann auch eine auf der Brennerachse angeordnete Brennstoff- lanze für die Eindüsung von Flüssigbrennstoff vorgesehen sein, die in axialer Richtung in den Drallraum ragt. Die Anordnung und Ausgestaltung dieser zusätzlichen Brennstoffzufuhrungen kann bspw. auf der bekannten Vormischbrennertechnologie gemäß der EP 321 809 oder auch anderen Bauarten, wie bspw. gemäß der EP 780 629 oder der WO 93/17279, beruhen. Derartige Brennergeometrien können mit den erfindungsgemäßen Merkmalen für die Verbrennung von Synthesegasen, insbesondere für die Verbrennung Mbtu- und Lbtu- Brennstoffen, ausgebildet werden.
Durch die bevorzugte Ausführung des vorliegenden Brenners mit ein oder mehreren weiteren Brennstoffzufuhrungen wird ein multifunktioneller Brenner erhalten, der unterschiedlichste Brennstoffe sicher und - in ¬
stabil verbrennt. Der Brenner gewährleistet insbesondere die stabile und sichere Verbrennung von Mbtu- Synthesegasen mit Heizwerten (unterer Heizwert Hu oder Lower Heating Value LHV) von 3500 - 18000 kJ/kg, insbesondere 6000 bis 15000 kJ/kg, bevorzugt von 6500 bis 14500 kJ/kg oder von 7000 bis 14000 kg/kJ. Neben der sicheren und stabilen Verbrennung von unverdünntem und verdünntem Synthesegas kann auch Flüssigbrennstoff, bspw. Dieselöl, als Reservebrennstoff eingesetzt werden. Die eingesetzten Brennstoffe können sich hierbei im Heizwert deutlich unterscheiden, so bspw. bei Dieselöl mit einem Heizwert Hu = 42000 kJ/kg und Synthesegas mit einem Heizwert von 3500 - 18000 kJ/kg, insbesondere 6000 bis 15000 kJ/kg, bevorzugt von 6500 bis 14500 kJ/kg oder von 7000 bis 14000 kg/kJ.
Auch die Verwendung von Erdgas als zusätzlichem Brennstoff ist möglich. Die Eindüsung von Erdgas kann dabei wahlweise im Brennerkopf durch die Brennerlanze und/oder über die zweiten Brennstoffzufuhrungen erfol- gen, die üblicherweise durch die an den Lufteintrittsschlitzen am Drallerzeuger bzw. Drallkδrper längs angebrachten Gaskanäle gebildet werden, die dem Fachmann bspw. aus der EP 321 809 geläufig sind. Auf diese Weise kann der Brenner mit drei unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden.
Die Eindüsung des Synthesegases, d. h. des Lbtu/ Mbtu-Brennstoffes erfolgt über die ersten Austrittsöffnungen radial am Brenneraustritt. Diese Austritts- Öffnungen sind kleine Austrittskanäle, deren Kanalachse den axialen Eindüsungswinkel α bestimmt . Durchmesser D und Eindüsungswinkel α dieser Austrittsöffnungen bzw. - kanäle sind spezielle Parameter, die je nach Rand- bedingungen, bspw. die spezielle GasZusammensetzung, die Emissionen, usw., durch den Fachmann zweckmäßig gewählt werden können. Der Eindüsungswinkel kann dabei so gewählt werden, dass sich die Kanalachsen aller Austrittsöffnungen in einem Punkt auf der Brennerachse stromab des Brenners bzw. Drallraums schneiden. Um eine optimale Anpassung des verwendeten Synthesegases an die gewünschten Emissionen zu erreichen, können die Eindüsungswinkel auch so gewählt werden, dass sich die Kanalachsen von Untergruppen der Austrittsöffnungen an unterschiedlichen Punkten schneiden. Auf diese Weise kann eine beliebige Verteilung des eingedüsten Brennstoffes am Brenneraustritt erreicht werden. Dabei kann auch ein Eindüsungswinkel gegenüber dem Brennerradius variiert werden.
Die Brennstoffzufuhrungen für die Verbrennung des Synthesegases sind auf den bis zu 7-fach größeren Brennstoff-Volumenstrom im Design angepasst und stellen insbesondere die notwendigen Durchströmungsquerschnitte zur Verfügung. Hierbei weisen sie im Vergleich zu den Zuführungen für Erdgas einen mehrfachen Querschnitt auf .
Beim Einsatz von Öl als Brennstoff wird das aus dem Stand der Technik bekannte Design mit der Eindüsung des Öls bzw. der Öl-Wasseremulsion über die Brennerlanze beibehalten. Durch verschiedene Randbedingungen, wie Einbindung der Gasturbine in den IGCC-Prozess oder fixierte Brennergruppierungen, die beibehalten werden sollen, müssen Gasturbinen, die Synthesegas verbrennen, ' den Mischbetrieb von Zündbrennstoff und Synthesegas gewährleisten. Der hier beschriebene Brenner funktio- niert auch im Mischbetrieb von Dieselöl und Synthesegas in verschiedenen Mischungsverhältnissen stabil und sicher. Er kann über längere Zeiträume sicher im Mischbetrieb betrieben werden. Damit erreicht die Gasturbine weitere Flexibilität und kann im Betrieb von einem Brennstoff zum anderen wechseln. Der mögliche Mischbetrieb stellt einen wesentlichen betriebstechnischen Vorteil dar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 in stark schematisierter Darstellung einen Vormischbrenner, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht des brennraum- seitigen Bereiches eines Brenners gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,-
Fig. 3 eine dreidimensionale Schnittansieht eines Brenners, der gemäß dem Aus- führungsbeispiel der Figur 2 ausgestaltet ist;
Fig. 4 ein Beispiel für die Montage eines Brenners gemäß den Figuren 2 und 3 ;
Fig. 5 in Draufsicht stark schematisiert mehrere unterschiedliche Eindüsungs- geometrien für Synthesegas beim erfindungsgemäßen Brenner;
Fig. 6 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Brenners mit konischem Innenkörper; und Fig. 7 ein Beispiel für eine weitere mögliche
Ausgestaltung des Brenners .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt stark schematisiert einen Vormisch- brenner, wie er bspw. aus der EP 321 809 AI bekannt ist. Der Brenner setzt sich aus einem Brennerkopf 10 und einem sich daran anschließenden Drallerzeuger 1 zusammen, der einen Drallraum 11 bildet. Der kegelförmige Drallerzeuger 1 besteht bei einem derartigen Brenner aus mehreren Brennerschalen, zwischen denen tangentiale Eintrittsschlitze für Verbrennungsluft 9 gebildet sind. Die eintretende Verbrennungsluft 9 ist in der Figur durch die langen Pfeile angedeutet . Weiterhin können entlang der tangentialen Eintrittsschlitze GasZuführungen 24 für die Zufuhr eines Brennstoffes, insbesondere Erdgas 26, über die tangentialen Lufteintrittsschlitze in den Drallraum 11 vorgesehen sein. Dies ist in der Figur mit den kurzen Pfeilen angedeutet . Vom Brennerkopf 10 erstreckt sich eine Brennerlanze 14 bis in den Drailraum 11 hinein, an deren Ende eine Düse 16 zum Eindüsen von Flüssigbrennstoff 13, z. B. Öl und/oder Wasser 12 vorgesehen ist . Über die Brennerlanze 14 wird insbesondere die Zündung des Brenners vorgenommen. Die über die tangentialen Lufteintrittsschlitze am Drallerzeuger 1 eintretende Verbrennungsluft 9 vermischt sich im Drallraum 11 mit dem eingedüsten Brennstoff. Die hierbei erzeugte geschlossene Drallströmung wird aufgrund des zunehmenden Dralls am Ende des Drallraums 11 aufgrund der sprunghaften Querschnittserweiterung beim Übergang in den Brennraum instabil und geht in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Kern über. Dieser Bereich bildet den Beginn der Reaktionszone 17 im Brennraum.
Ein Betrieb eines derartigen Brenners mit Synthesegas ist aufgrund der hohen Rückzündgefahr dieses Brennstoffes jedoch nicht möglich.
Figur 2 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel in Schnittansicht den brennraumseitigen Bereich eines erfindungsgemäßen Brenners zum Betrieb mit Synthesegas . Die Eindüsung des Lbtu/Mbtu-Brennstoffes erfolgt durch eine hinsichtlich Durchmesser D und Eindüsungswinkel zweckmäßig zu wählende Gasbelochung 18 radial am Brenneraustritt, d. h. am Ende des Drallraums 11. Durch diese radiale Eindüsung am Brenneraustritt wird die Verbrennung des Wasserstoffreichen Synthesegases auch unverdünnt möglich. Durchmesser D und Eindüsungswinkel der radialen Gaseindüsung sind spezielle Parameter, die je nach Randbedingungen (spezielle Gaszusammensetzung, Emissionen, ...) durch den Fachmann zweckmäßig gewählt werden.
Die Figur zeigt hierbei die Brennerschalen des Drallkörpers 1, die den Drallraum 11 umschließen. Außerhalb dieses Drallkörpers ist ein Gaszuführelement 2 angeordnet, das den Drallkörper 1 radial umschließt und den oder die ersten Brennstoffzufuhrkanäle 19 für die Zufuhr des Synthesegases bildet. Am brennraumseitigen Ende dieses Gaszuführelements 2 sind erste Austrittsöffnungen 18 für das Synthesegas ausgebildet. Diese Austrittsöffnungen 18 bilden Austrittskanäle, die die Eindüsungsrichtung des Synthesegases vorgeben. Der Eindüsungswinkel α sowie der Durchmesser D dieser Kanäle bzw. Öffnungen 18 werden je nach Anforderungen geeignet vom Fachmann gewählt. Im vorliegenden Beispiel sind die Austrittsöffnungen 18 in einer Reihe um die Brennerachse 25 angeordnet, so dass eine umfangs- homogene Eindüsung des Synthesegases erreicht wird.
Die vergleichsweise kalten Brennstoffzufuhrkanäle 19 zur Eindüsung des Synthesegases und die im Prinzip deutlich wärmeren Brennerschalen des Drallerzeugers 1 sind thermisch und mechanisch voneinander entkoppelt . Dadurch werden die thermischen Spannungen deutlich reduziert. Die Verbindung zwischen dem Gaszuführelement 2 und dem Drallerzeuger 1 erfolgt in diesem Beispiel über an beiden Bauteilen vorgesehene Laschen 3 bzw. 4, die miteinander verbunden werden. Auf diese Weise werden minimale thermische Spannungen erreicht. Eine in der Figur weiterhin dargestellte Luftströmung 8 stabilisiert die Flammen tendenziell und erzeugt vor dem Austritt einen Drallkühleffekt an der Brennerfront. In der Figur ist weiterhin die Öffnung bzw. der umlaufende Spalt 7 des Drallerzeugers 1 zu erkennen, der notwendig ist, um eine Verbindung zwischen den Austrittsöffnungen 18 des Gaszuführelements 2 und dem Drallraum 11 zu ermöglichen.
Figur 3 zeigt einen gemäß Figur 2 ausgebildeten
Brenner nochmals in dreidimensionaler Schnittansicht . Auch in dieser Darstellung ist wiederum der aus mehreren Brennerschalen gebildete Drallerzeuger 1 sowie das diesen umschließende Gaszuführelement 2 zu erkennen. Dieses Gaszuführelement 2 kann einen ringförmigen Zuführungsschlitz als Brennstoffzufuhrkanal 19 bilden oder auch in getrennte Brennstoffzufuhrkanäle 19 unterteilt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Rohrleitungen als Brennstoffzufuhrkanäle 19 bis zu den Austrittsöffnungen 18 zu führen.
Die Brennstoffzufuhrkanäle 19 für das Synthesegas sind für die Verbrennung des Synthesegases auf den bis zu 7-fach größeren Brennstoffvolumenstrom im Design angepasst, und stellen insbesondere die notwendigen großen Durchströmungsquerschnitte zur Verfügung, wie aus Figur 3 zu erkennen ist .
Beim vorliegenden Beispiel ist der Eindüsungs- bereich für den Brennstoff, d. h. das Synthesegas, in den Brennerschalen völlig ausgeschnitten. Dabei wird das Gaszuführelement 2 direkt in diesen Ausschnitt der Brennerschalen des Drallerzeugers 1 verankert. Damit ist das Spannungsproblem an den Verbindungsstellen von kaltem Gaszuführelement 2 und warmer Brennerschale gelöst. Mit der in diesem Beispiel dargestellten entkoppelten Lösung wird die erforderliche Lebensdauer des Brenners erreicht.
Die Eindüsung des Synthesegases ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 20 angedeutet. Selbstverständlich können bei einem derartigen Brenner auch zusätzliche Gaseindüsungskanäle 24 entlang des Drallerzeugers 1 vorgesehen sein, in gleicher Weise wie dies beispielsweise in Figur 1 erkennbar ist, mit denen bspw. Erdgas 26 stromauf der Eindüsungsstelle des Synthesegases in den Drallraum 11 eingeleitet werden kann. Die Eindüsung von Öl oder einer Öl-Wasser-Emulsion ist am brennkopf- seitigen Ende des Drallraums 11 schematisch angedeutet, ebenso wie die Einströmung von Brennluft 9 über die tangentialen Eintrittsschlitze.
Figur 4 zeigt beispielhaft die Montage eines Brenners gemäß der Figuren 2 und 3 aus den beiden Teilkomponenten, dem Gaszuführelement 2 und dem Drallerzeuger 1. Das Gaszuführelement 2 mit den integrierten ein oder mehreren Brennstoffzufuhrkanälen 19 für Synthesegas und den brennraumseitig um die Brennerachse, 25 verteilt angeordneten Austrittsöffnungen 18 wird zusammen mit dem Drallerzeuger 1 vorzugsweise als ein Gussteil hergestellt und anschließend getrennt. Die
Montage erfolgt, indem der Drallerzeuger 1 axial in das Gaszuführelement 2 eingeführt wird, so dass die Austrittsöffnungen 18 des GasZuführelementes 2 in entsprechenden Öffnungen 7 des Drallerzeugers 1 zu liegen kommen. Im Brennerkopfbereich wird ein Element 6 des Drallerzeugers 1 im Schiebesitz in einem Gegenstück 5 des Gaszuführelementes 2 gehalten, so dass thermische Differenzdehnungen zwischen Drallerzeuger 1 im Gaszuführelement 2 im Bereich des Brennerkopfes frei kompensierbar sind. Im Bereich der Brennerfront werden die Verbindungslaschen 3 des Gaszuführelementes 2 und die Verbindungslaschen 4 des Drallerzeugers 1 auf geeignete Weise miteinander verbunden, bspw. verschweißt, und bilden die einzige feste Lagerung vom Drallerzeuger 1 im Gaszuführelement 2. Der Austrittsöffnungsbereich des Gaszuführelementes 2 ist frei in den Öffnungen 7 des Drallerzeugers 1 beweglich. Die Herstellung beider Elemente aus einem Guss ermöglicht geringe Fertigungstoleranzen, so dass ein in Figur 2 dargestelltes umlaufendes Spaltmaß s zwischen Drallerzeuger 1 und Gaszuführelement 2 minimiert werden kann. Eine entsprechend hohe Passgenauigkeit mit einem kleinen Spaltmaß s im Bereich der Gasaustrittsöffnungen 18 respektive der Öffnungen 7 des Drallerzeugers 1 minimiert eine durch diesen Spalt austretende unverdrallte Brennluft, welche potentiell negative Auswirkungen auf die Verbrennungsstabilität haben könnte.
Figur 5 zeigt verschiedene Beispiele für unterschiedlich gewählte Eindüsungsrichtungen der ersten Austrittsöffnungen 18 am Ende des Drallraums 11 für das Synthesegas. Figur 5a zeigt hierbei in stark vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf den Brenneraustritt sowie die Eindüsungsachsen der Synthesegaseindüsung 20 der einzelnen Austrittsöffnungen 18, die sich in einem Schnittpunkt 21 auf der Brennerachse schneiden.
Figur 5b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in gleicher Ansicht, bei der sich die Austrittsachsen der Synthesegaseindüsung 20 unterschiedlicher Gruppen von Austrittsöffnungen 18 in unterschiedlichen Schnittpunkten 21 schneiden, die über den Austrittsquerschnitt des Brenners verteilt sind. Es versteht sich von selbst, dass die Verteilung dieser Schnittpunkte 21 beliebig gewählt werden kann, um die Eindüsung den jeweiligen Bedingungen anzupassen. Dies betrifft einerseits die Position der Schnittpunkte 21 und andererseits selbstverständlich auch deren Anzahl . In gleicher Weise ist es möglich, die Schnittpunkte 21 in unterschiedlichem Abstand zur Austrittsebene des Brenners zu wählen, oder auch in gleichem Abstand, wie dies in den Figuren 5c und 5d schematisch dargestellt ist.
Figur 6 zeigt ein Beispiel eines Drallerzeugers 1 mit einem rein zylindrischen Drallkörper 23 in den ein konischer Innenkörper 22 eingesetzt ist. Die Zufuhr des Pilotbrennstoffes kann hierbei direkt bis an die Spitze des konischen Innenkörpers 22 erfolgen. Auch hier sind am brennraumseitigen Ende des Drallraums 11 die, Austrittsöffnungen 18 für das Synthesegas um die Brennerachse 25 verteilt angeordnet. Die Brennstoff- zufuhrkanäle 19 sind in dieser Darstellung nicht eingezeichnet. Auch hier können zusätzlich an den nicht dargestellten tangentialen Lufteintrittsschlitzen weitere Gasaustrittsöffnungen für Erdgas einschließlich der dafür erforderlichen Zuleitungen 24 vorgesehen sein. Weiterhin kann sich bei dieser wie auch bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen an den Drallerzeuger 1 ein Mischrohr zur Erzeugung einer zusätzlichen Mischstrecke anschließen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Figur 7 zeigt schließlich noch ein Beispiel eines Brenners, bei dem der Drallerzeuger 1 als Drallgitter ausgebildet ist, über das eintretende Brennluft 9 in Drall versetzt wird. Über die zu Austrittsöffnungen im Bereich des Drallerzeugers 1 führenden Zuleitungen 24 kann ein zusätzlicher Brennstoff zur Premix-Beladung in die Brennluft 9 eingebracht werden. Die Zufuhr des Pilotbrennstoffes 15 wird über eine zentral in das Innenvolumen 11 ragende Düse 16 realisiert. Auch bei diesem Brenner sind am brennraumseitigen Ende des Innenvolumens 11 die Austrittsöffnungen 18 für das Synthesegas um die Brennerachse 25 verteilt angeordnet und werden über die Brennstoffzufuhrkanäle 19 mit Synthesegas beaufschlagt .
Wenngleich die Erfindung in erster Linie an einem Doppelkegelbrenner der aus der EP 321 809 bekannten Bauart dargestellt wurde, erkennt der Fachmann ohne weiteres die Anwendbarkeit der Erfindung auch an anderen Brennerbauarten und Drallerzeugergeometrien, beispielsweise wie sie aus der EP 780 629 oder der WO 93/17279 bekannt sind. Auch Abwandlungen dieser Brennergeometrien sind selbstverständlich möglich, solange der Zweck des Drallerzeugers, eine verdrallte Brennluftströmung zu erzeugen, noch gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste
1 Drallerzeuger
2 Gaszuführelement 3 Verbindungslaschen
4 Verbindungslaschen
5 Gegenstück am Brennerkopf
6 Element des Drallerzeugers am Brennerkopf
7 Öffnungen des Drallerzeugers 8 Luftströmung
9 Brennluft
10 Brennerkopf
11 Drallraum bzw. Innenvolumen Wasser Flüssigbrennstoff (Öl) Brennerlanze Flüssigbrennstoff, -emulsion Düse Reaktionszone bzw. Brennraum erste Austrittsöffnungen erste Brennstoffzufuhrkanäle Synthesegaseindüsung/Austrittskanalachsen Schnittpunkte der Eindüsung konischer Innenkδrper zylindrischer Außenkörper zweite BrennstoffZuführung für Brenngas (Erdgas) Brennerachse Erdgas

Claims

Patentansprüche
1. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftström und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftström, wobei der Drallerzeuger (1) ein oder mehrere Brennluft-Eintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungs- luftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom ein oder mehrere erste Brennstoffzufuhrungen (19) mit einer Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) umfassen, die an einem brennraumseitigen Ende des Brenners um die Brennerachse (25) verteilt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzufuhrungen (19) mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) mechanisch von dem Drallerzeuger (1) entkoppelt sind.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) in einer Reihe um die Brennerachse (25) verteilt angeordnet ist.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die ersten Austrittsöffnungen . (18) gebildete Austrittskanäle unter einem derartigen Winkel angeordnet sind, dass sich die Kanalachsen in einem Punkt (21) stromab des Brenners auf der Brennerachse (25) schneiden.
4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die ersten Austrittsöffnungen (18) gebildete Austrittskanäle unter derartigen Winkeln zur Brennerachse (25) angeordnet sind, dass sich die Kanalachsen von unterschiedlichen Untergruppen der ersten
Austrittsöffnungen (18) in verschiedenen Punkten (21) stromab des Brenners schneiden. ,
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) und die eine oder mehreren ersten Brennstoffzufuhrungen (19) mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) einstückig als ein Bauteil hergestellt, vorzugsweise gegossen, und nachgängig der
Herstellung getrennt sind.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzufuhrungen (19) mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) ein erstes Bauteil (2) bilden, das über den Drallerzeuger (1) geschoben ist, wobei der Drallerzeuger (1) am brennraumseitigen Ende Öffnungen (7) für den Zugang der ersten
Austrittsöffnungen (18) zu einem Innenvolumen (11) des Brenners aufweist.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) über Verbindungslaschen (3, 4) mit dem Drallerzeuger (1) verbunden ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste BrennstoffZuführung (19) als Ringschlitz um den Drallerzeuger (1) ausgebildet ist .
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Brennerachse (25) eine Brennstofflanze (14) angeordnet ist, ie in den Brenner ragt .
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zweite Brennstoffzufuhrungen (24) mit einer Gruppe von im Wesentlichen entlang einer Richtung der Brennerachse (25) angeordneten zweiten Brennstoff- Austrittsöffnungen am Drallerzeuger (1) vorgesehen sind.
11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren ersten Brennstoff- Zuführungen (19) mit einem Querschnitt ausgestaltet sind, der einen mehrfach höheren Volumenstrom als die ein oder mehreren zweiten Brennstoffzufuhrungen (24) ermöglicht.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Innenvolumen (11) des Brenners ein Innenkörper (22) angeordnet ist, wobei die zweiten Brennstoff-Austritts- Öffnungen wenigstens einer zweiten Brennstoffzuführung (24) im Wesentlichen entlang einer Richtung der Brennerachse (25) verteilt auf dem Innenkörper (22) angeordnet sind.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoff- zufuhr zu der bzw. den ersten (19) und zu der bzw. den zweiten Brennstoffzufuhrungen (24) vorgesehen sind.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) als Drallgitter ausgebildet ist.
15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft-Eintritts- Öffnungen (4) im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) verlaufende tangentiale Eintrittsschlitze sind.
16. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz eine zweite BrennstoffZuführung (24) mit einer Gruppe von zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet ist .
17. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste (n)
BrennstoffZuführung (en) (19) Synthesegas und über die zweite (n) BrennstoffZuführung (en) (24) Erdgas (26) zugeführt wird.
18. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste (n) BrennstoffZuführung (en) (19) Synthesegas und über die Brennstofflanze (14) ein Flüssigbrennstoff, gegebenenfalls als Brennstoff-Wasser-Emulsion (15) zugeführt wird.
EP02765280.9A 2001-10-19 2002-10-02 Brenner für synthesegas Expired - Lifetime EP1436546B1 (de)

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DE10152700 2001-10-19
DE10152700 2001-10-19
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CH285022002 2002-02-19
PCT/IB2002/004061 WO2003036167A1 (de) 2001-10-19 2002-10-02 Brenner für synthesegas

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