EP1436546B1

EP1436546B1 - Brenner für synthesegas

Info

Publication number: EP1436546B1
Application number: EP02765280.9A
Authority: EP
Inventors: Timothy Griffin; Albert Keller; Joachim Krautzig; Roland Mücke; Frank Reiss
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: CN1571905A; CN1263983C; EP1436546A1; WO2003036167A1; US7003957B2; JP2005528571A; US20040226297A1

Description

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 Verbrennungsluftstrom besteht, wobei der Drallerzeuger Brennlufteintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom ein oder mehrere Brennstoffzuführungen mit einer Gruppe von ersten Brennstoffaustrittsöffnungen 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 B1 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 Drallströmung 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 Austrittsöffnungen 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 NO_x-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 A1 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 Lufteinlassschlitze 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 Ölrückständen 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 CO₂.
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 unterschiedliche 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 H₂-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 (NO_x ≤ 25 vppm, CO ≤ 5 vppm) für die spezifizierten und eingesetzten Brennstoffe gewährleistet werden.
Aus der EP 0610 722 A1 ist ein Doppelkegelbrenner bekannt, bei dem eine Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen 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 Verbrennungsluftstrom. Der Drallerzeuger weist Brennluft- Eintrittsöffnungen für den vorzugsweise tangential in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom auf. Die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom umfassen ein oder mehrere erste Brennstoffzuführungen 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 Brennstoffzuführungen 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 Synthesegases zuverlässig verhindert. Eine Vermischung mit der aus dem Brenner austretenden Verbrennungsluft ist dennoch gewährleistet. Synthesegas mit hohem Wasserstoffanteil (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 Brennstoffzuführungen 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 Brennstoffzuführungen, 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 Ausführungsbeispielen 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 A1 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 bekannt. 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 Gaseindüsung 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 Brennstoffzuführungen auch ein oder mehrere zweite Brennstoffzuführungen 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 Brennstofflanze für die Eindüsung von Flüssigbrennstoff vorgesehen sein, die in axialer Richtung in den Drallraum ragt. Die Anordnung und Ausgestaltung dieser zusätzlichen Brennstoffzuführungen 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 Brennstoffzuführungen wird ein multifunktioneller Brenner erhalten, der unterschiedlichste Brennstoffe sicher und 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 Brennstoffzuführungen erfolgen, die üblicherweise durch die an den Lufteintrittsschlitzen am Drallerzeuger bzw. Drallkörper 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 Austrittsöffnungen 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 Randbedingungen, 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 Brennstoffzuführungen 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 funktioniert 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 Ausführungsbeispielen 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 brennraumseitigen Bereiches eines Brenners gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3: eine dreidimensionale Schnittansicht eines Brenners, der gemäß dem Ausführungsbeispiel 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 Eindüsungsgeometrien 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 Vormischbrenner, wie er bspw. aus der EP 321 809 A1 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 Drallraum 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 α 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 α 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 umfangshomogene 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 Eindüsungsbereich 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 brennkopfseitigen 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 Gaszufuhrelement 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 Brennstoffzufuhrkanäle 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
12: Wasser
13: Flüssigbrennstoff (Öl)
14: Brennerlanze
15: Flüssigbrennstoff, -emulsion
16: Düse
17: Reaktionszone bzw. Brennraum
18: erste Austrittsöffnungen
19: erste Brennstoffzufuhrkanäle
20: Synthesegaseindüsung/Austrittskanalachsen
21: Schnittpunkte der Eindüsung
22: konischer Innenkörper
23: zylindrischer Außenkörper
24: zweite Brennstoffzuführung für Brenngas (Erdgas)
25: Brennerachse
26: Erdgas

Claims

Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger (1) ein oder mehrere Brennluft-Eintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom 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, dadurch gekennzeichnet,
dass außerhalb dieses Drallkörpers ein Gaszuführelement (2) angeordnet ist, das den Drallerzeuger (1) radial umschließt und den oder die ersten Brennstoffzuführungen (19) bildet, und dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (19) mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) mechanisch von dem Drallerzeuger (1) entkoppelt sind.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) in einer Reihe um die Brennerachse (25) verteilt angeordnet ist.
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.
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.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Drallerzeuger (1) und die eine oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (19) mit der Gruppe von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (18) einstückig als ein Bauteil hergestellt, vorzugsweise gegossen, und nachgängig der Herstellung getrennt sind.
Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (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.
Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) über Verbindungslaschen (3, 4) mit dem Drallerzeuger (1) verbunden ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzuführung (19) als Ringschlitz um den Drallerzeuger (1) ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Brennerachse (25) eine Brennstofflanze (14) angeordnet ist, die in den Brenner ragt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zweite Brennstoffzuführungen (24) mit einer Gruppe von im Wesentlichen entlang einer Richtung der Brennerachse (25) angeordneten zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen am Drallerzeuger (1) vorgesehen sind.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (19) mit einem Querschnitt ausgestaltet sind, der einen mehrfach höheren Volumenstrom als die ein oder mehreren zweiten Brennstoffzuführungen (24) ermöglicht.
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-Austrittsöffnungen wenigstens einer zweiten Brennstoffzuführung (24) im Wesentlichen entlang einer Richtung der Brennerachse (25) verteilt auf dem Innenkörper (22) angeordnet sind.
Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu der bzw. den ersten (19) und zu der bzw. den zweiten Brennstoffzuführungen (24) vorgesehen sind.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) als Drallgitter ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) verlaufende tangentiale Eintrittsschlitze sind.
Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz eine zweite Brennstoffzuführung (24) mit einer Gruppe von zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet ist.
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.
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.