EP1504222A1 - Premix burner - Google Patents

Premix burner

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Publication number
EP1504222A1
EP1504222A1 EP03732592A EP03732592A EP1504222A1 EP 1504222 A1 EP1504222 A1 EP 1504222A1 EP 03732592 A EP03732592 A EP 03732592A EP 03732592 A EP03732592 A EP 03732592A EP 1504222 A1 EP1504222 A1 EP 1504222A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
burner
outlet openings
fuel outlet
burner according
Prior art date
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Granted
Application number
EP03732592A
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German (de)
French (fr)
Other versions
EP1504222B1 (en
Inventor
Timothy Dr. Griffin
Frank Reiss
Dieter Winkler
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Publication of EP1504222B1 publication Critical patent/EP1504222B1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62Mixing devices; Mixing tubes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D17/00Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36Supply of different fuels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the present invention relates to a premix burner for operation in a combustion chamber, preferably in combustion chambers of gas turbines, according to the preamble of claim 1.
  • 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 center.
  • the shells of the swirl generator are composed in such a way 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 leads in connection with the in Swirl chamber produced swirl of the combustion air / fuel gas flow for thorough mixing of the premixed fuel with the combustion air. With these premix burners, thorough mixing is the prerequisite for low NO values in 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.
  • 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.
  • pilot mode which Incidentally, for other types of premix burner, which is part of the general state of the art, the fuel is introduced - for example in the form of a gas jet injected along the burner axis - in such a way that it does not mix with the combustion air beforehand.
  • a diffusion flame is thus generated which, on the one hand, leads to higher pollutant emissions, but on the other hand also has a much wider stable 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
  • gas turbines also use synthetically produced gases, so-called Mbtu and Lbtu gases, for combustion.
  • Mbtu and Lbtu 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.
  • inert gases such as N 2 or C0 2 .
  • synthesis gas requires around four times - in the case of undiluted synthesis gas up to seven times or even more - higher fuel volume flow compared to comparable natural gas burners, so that the burner has the same gas perforation and significantly different Impulse ratios result. Due to the high proportion of hydrogen in the synthesis gas and the associated low ignition temperature and high flame speed of the hydrogen, there is a high tendency of the fuel to react, so that in particular the re-ignition behavior and the dwell time of ignitable fuel-air mixture near the burner must be investigated.
  • synthesis gases for a sufficiently large range of calorific values must be guaranteed which, depending on the process quality of the gasification and the starting product, e.g. oil residues, has a different composition of the synthesis gas.
  • these synthesis gases are usually diluted with inert gases such as N 2 or water vapor before combustion. In particular, this reduces the risk of reignition due to the high H 2 content.
  • the burner must therefore be able to burn synthesis gases of different compositions, in particular different dilutions and, as a result, highly variable fuel volume flow, safely and stably.
  • Synthesis gas from the burner is also a reserve fuel, a so-called backup fuel can be burned safely. This requirement results in the highly complex integrated gas synthesis and power generation (IGCC, I_ntegrated Gasification Combined Cycle)
  • the burner should function safely and reliably even in the mixed operation of synthesis gas and backup fuel, for example diesel oil, with the burner operating in the
  • a double cone burner 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 distributed over the circumference of the burner. 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 premix burner in which the disadvantages of the prior art do not occur and which, particularly when operated with synthesis gas or a fuel with a low to medium calorific value, result in improved mixing with the combustion air guaranteed.
  • the present burner consists in a known manner of a swirl generator for a combustion air flow and means for injecting fuel into the
  • injection means the introduction of fuel via an outlet opening, a directed fuel jet of any geometry preferably being generated.
  • the swirl generator has combustion air inlet openings for the combustion air flow which preferably enters the burner tangentially.
  • the means for injecting fuel into the combustion air stream comprise one or more first fuel feeds with first fuel outlet openings.
  • these fuel outlet openings can, for example, extend over the circumference of the burner in one or more planes perpendicular to the Burner longitudinal axis, ie to the axial direction, can be distributed or arranged along the first fuel feeds on the outer shell of the burner or on an inner body in the burner.
  • the first fuel outlet openings are designed such that the opening diameter of these first fuel outlet openings and / or an injection angle of the first fuel outlet openings relative to the axial and / or the radial direction along the first fuel feeds and / or above the The size of the burner varies.
  • at least some of the first fuel outlet openings are arranged in one or more first groups of fuel outlet openings located close to one another in such a way that each of the first groups has a fuel jet with a fuel jet - relative to a fuel jet formed by a single fuel outlet opening - generated large beam cross-section. Each group then acts equivalent to a fuel outlet opening with a correspondingly larger opening diameter.
  • the present configuration of the fuel outlet openings extends over the circumference of the burner and / or over the axial extent of the
  • Burner varying opening diameters and / or axial and / or radial injection angles an improved mixing of the injected fuel with the combustion air forming the swirl flow is achieved.
  • the different opening diameters and / or injection angles cause a different penetration depth of the fuel into the internal volume or the swirl flow of the burner.
  • fuel can be distributed more evenly over the combustion air.
  • the different penetration depth of the fuel jets emerging from the fuel outlet openings leads to less disturbance of the swirl flow, since no continuous fuel wall can build up, as can be the case with high volume flows of the fuel and identically designed fuel outlet openings of the prior art.
  • the swirl flow generated in the burner can be additionally supported by a suitable choice of the injection angle.
  • a single fuel jet of a large diameter is formed by the respective fuel outlet openings of a single group, the one has a greater depth of penetration than the fuel jet of a single outlet opening.
  • the fuel outlet openings of the individual groups must be sufficiently close to one another so that they form a common fuel jet, so that each
  • This configuration also results in a variation in the penetration depth of the fuel over the circumference and / or the axial extension of the burner due to the greater penetration depth of the common fuel jet, so that there is better mixing of the fuel and combustion air.
  • This alternative design of the burner can also be combined in any way with the design of the fuel outlet openings with different injection angles and opening diameters. The different injection angles can be achieved in a known manner by differently aligning the outlet channels forming the fuel outlet openings in the fuel feed lines.
  • the opening diameter or injection angle alternate along the circumference of the burner or the fuel feeds between at least two values, so that in the circumferential or longitudinal direction of the burner alternately a larger and a smaller injection angle or a larger and a smaller opening diameter in the same Direction fuel outlet openings are present.
  • the corresponding variation is preferably carried out by periodically repeating the different opening diameters or injection angles in the circumferential or longitudinal direction of the burner.
  • a larger opening diameter is selected for a fuel outlet opening with a larger injection angle than for a fuel outlet opening with a smaller injection angle.
  • this injection angle With a variation of the injection angle relative to the radial direction, this injection angle becomes the Fuel outlet openings are selected such that fuel jets from different groups of outlet openings emerging from the fuel outlet openings each intersect at different points outside the central longitudinal axis of the burner in the internal volume of the burner.
  • the first fuel outlet openings are at an end of the burner on the combustion chamber side, i. H. at the burner outlet, distributed over the circumference of the burner.
  • the one or more first fuel feeds with the first fuel outlet openings are preferably mechanically decoupled from the swirl generator.
  • the geometry of the swirl generator and of any swirl space that may be present can be selected in different ways in the present burner and in particular have the geometries known from the prior art.
  • the preferably distribution of the first fuel outlet openings exclusively at the end of the burner or swirl space on the combustion chamber side over the circumference of the burner reliably prevents backfiring of the syngas injected. Mixing with the combustion air emerging from the burner is nevertheless sufficiently ensured.
  • Synthesis gas with a high hydrogen content (45 vol%) can be burned undiluted (lower heating value Hu ⁇ 14000 kJ / kg).
  • the burner can also be operated with synthesis gas with a different hydrogen content, for example with H 2 ⁇ 33%.
  • the burner in this embodiment therefore 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 (s) enables high volume flows, up to a factor of 7 compared to the supply of natural gas in known burners of the prior art, to 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 preferably mechanically and thermally decoupled from the swirl generator or the burner shells which form the swirl generator and are significantly warmer during operation.
  • both components can perform thermal expansions and in particular differential expansions independently of one another and without mutual interference.
  • 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 shells is completely cut out.
  • the first gas channel is anchored directly in this section of the burner bowls. This means that the gas channel and burner trays are thermal and mechanically decoupled from each other and the constructive problem at the connection points of the cold gas duct and the warm burner bowl is solved.
  • Earlier constructions like that of EP 0610 722 AI showed especially when connecting relatively cold
  • the present invention can be used
  • Varying the injection angle or the injection depth can achieve a significantly improved mixing of the fuel with the combustion air.
  • an improved mixing effect as well as less disturbance of the swirl flow can also be achieved in burners in which the first fuel feeds with the first fuel outlet openings are arranged in the longitudinal direction of the burner along its outer shell or outer shells.
  • the burner In addition to the first fuel feed (s), the burner 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 arranged essentially on the burner axis for the injection of liquid fuel or of pilot gas for diffusion combustion can also be provided, which projects into the swirl space in the axial direction.
  • Design 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 realized with the features according to the invention for the design and arrangement of the first fuel outlet openings.
  • a multifunctional burner is obtained that can safely and widely different fuels burns stably.
  • liquid fuel for example diesel oil
  • Hu 42000 kJ / kg
  • 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 arranged lengthways on the air inlet slots on the swirl generator or swirl body
  • the first fuel feeds are still structurally adapted to the fuel volume flow, which is up to 7 times greater, and in particular provide the necessary ones Flow cross-sections available. They have a multiple cross-section compared to the natural gas feeds.
  • the injection of the oil or an oil-water emulsion known from the prior art is maintained via a burner lance. Due to various boundary conditions, such as the integration of the gas turbine in the IGCC process or fixed burner groups that are to be retained, gas turbines that burn synthesis gas have to ensure the mixed operation of pilot fuel and synthesis gas.
  • the burner described here also works stably and safely in mixed operation of diesel oil and synthesis gas in various mixing ratios. It can be operated safely in mixed operation for longer periods.
  • the gas turbine thus achieves further flexibility and can switch from one fuel to another during operation.
  • the possible mixed operation represents a significant operational advantage.
  • FIG. 2 is a sectional view of an embodiment of the present burner; 3 shows a sectional view through the plane BB of the burner of FIG. 2;
  • Fig. 6 shows an example of the variation of
  • FIG. 7 shows a highly schematic example of a burner arranged along the longitudinal extension of the burner
  • FIG. 1 shows different parameters in the design of fuel outlet openings, which play a role in the implementation of the present burner.
  • part of a) is schematically shown in partial illustration a)
  • Burner bowl 1 a central burner longitudinal axis 2 and a front panel 3 provided on the combustion chamber end of the burner can be seen.
  • fuel outlet openings 4 are arranged over the circumference of the burner bowl 1, which the
  • the fuel outlet openings 4 are designed as outlet channels, the channel axis 5 of which extends at a certain angle to the axial and radial direction of the burner. The course of the channel is illustrated in this figure by the lines drawn out to the side with the opening cross-section hatched therein.
  • the direction of the outlet channel axis 5 to the axial and radial direction of the burner determines the direction of injection of the fuel into the interior of the burner.
  • the speed vector c of the injection and its corresponding components in the axial direction (u) and in the radial direction (v) can be seen in the figure.
  • the injection angle relative to the axial direction is denoted by ⁇ , the angle relative to the perpendicular to the burner wall or burner shell 1 by ß.
  • Typical values for the angle ⁇ are 20 °, 30 ° or 40 °.
  • part figure b) a plan view of a burner according to part figure a) is also shown. This figure does not show the one in partial illustration a)
  • This speed component has one Angle d relative to the radial direction of the burner.
  • the injection takes place in the same direction as the swirl direction 6 of the combustion air entering the burner, as can be seen from the partial illustration.
  • the parameters illustrated in FIG. H the injection angle ⁇ relative to the axial direction, the injection angle d relative to the radial direction and the opening diameter d of the fuel outlet openings in the circumferential direction of the burner and / or along the fuel feed lines, so that different groups of fuel outlet openings have different injection angles d or ⁇ and / or have different opening diameters d.
  • the opening diameter d, the distance between the individual outlet openings, the pulse ratio between fuel and combustion air as well as the injection direction have an influence on the depth of penetration of the fuel jet into the burner or the swirl flow within the burner.
  • This penetration depth is proportional to J a xdx sin ⁇ , where a and b are positive exponents, J is the pulse ratio between fuel and combustion air and d is the diameter of the fuel outlet openings.
  • Increasing the fuel injection pulse has a significant impact on the depth of penetration.
  • the fuel available in a fuel system limited fabric printing.
  • the opening diameter of the fuel outlet openings also has an influence on the depth of penetration, but is also limited.
  • an opening diameter that is too large can adversely affect the reliability of the fuel system during part-load operation and during fuel oil operation. This applies in particular to the thermoacoustic stability of the overall system.
  • FIG. 2 shows an example of a structure of a burner with first fuel feeds and fuel outlet openings, which can be designed in accordance with the present invention.
  • first fuel outlet openings 4 are arranged radially at the end of the burner outlet, ie at the end of the inner space 12 of the burner forming the swirl space, distributed in a row over the circumference of the burner.
  • This injection at the burner outlet also enables the hydrogen-rich synthesis gas to be burned undiluted.
  • the figure shows the burner shells 1 which, in this example, form the swirl generator 7 due to their cone-shaped configuration.
  • a gas supply element 13 is arranged, which radially surrounds the swirl generator 7 and forms the first fuel supply (s) 8 for the supply of synthesis gas.
  • the first fuel outlet openings 4 for the synthesis gas are arranged at the end of this gas supply element 13 on the combustion chamber side. These outlet openings 4 form outlet channels which specify the injection direction of the synthesis gas.
  • Injection angle ⁇ relative to the axial direction and / or the diameter d of these channels or openings 4 vary in the present burner, as can be seen, for example, from the following FIGS. 4-6.
  • first fuel outlet openings 4 are arranged next to one another evenly distributed over the circumference of the burner, which are designated by the Roman numerals I - XII.
  • the odd-numbered outlet openings 4 here have an injection angle ⁇ relative to the axial direction of approximately 50 ° (60 ° to the burner shell), while the odd-numbered outlet openings 4 have an injection angle of approximately 40 ° to the axial direction (50 ° to the burner shell).
  • the comparatively cold fuel supply channels 8 for injection of the synthesis gas and the burner shells 1, which in principle are significantly warmer, are thermally and mechanically decoupled from one another in this example. This significantly reduces the thermal stresses.
  • the connection between the gas supply element 13 and the swirl generator 7 takes place via tabs 10 and 11 provided on both components, which are connected to one another. In this way, minimal thermal stresses are achieved.
  • an opening or a circumferential gap 9 can also be seen on the swirl generator 7, which is necessary to enable a connection between the outlet openings 4 of the gas supply element 13 and the swirl chamber 12.
  • the injection area for the fuel in the burner trays is completely cut out.
  • the gas supply element 13 is anchored directly in this section of the burner shells 1 and the swirl generator 7.
  • the swirl generator 7 itself is preferably formed from at least two partial shells with tangential air inlet slots, as is known, for example, from EP 0 321 809 B1.
  • FIG 3 shows the burner of Figure 2 again along the section line B-B.
  • the two partial shells of the swirl generator 7 with the tangential air inlet slots 14 and the fuel feeds 8 of the gas feed element 13 can be clearly seen.
  • the 12 fuel outlet openings 4 are again indicated in each of these fuel feeds 8.
  • the burner is enclosed by a housing 15.
  • the gas supply element 13 can be designed on the one hand as an annular supply slot for forming a single fuel supply channel 8 or can also be divided into separate fuel supply channels. Of course, it is also possible to lead individual feed lines as fuel feed channels 8 to the outlet openings 4.
  • the fuel supply channels 8 are adapted for the supply of synthesis gas to the up to seven times larger fuel volume flow compared to conventional fuels and in particular provide the necessary large flow cross sections.
  • additional gas injection ducts can also be arranged along the air inlet slots 14 in such a burner, as is the case with the known burner geometries of the prior art, for example the already mentioned EP 0 321 809 B1.
  • Conventional fuel can be injected into the inner volume 12 in addition or as an alternative to the synthesis gas via these additional fuel supply channels.
  • FIG. 4 schematically shows the injection direction of the fuel outlet openings 4 of a burner like that of FIGS. 2 and 3 according to an embodiment of the present invention.
  • one half of the burner can be seen in plan view with the fuel outlet openings 4 arranged distributed over the circumference.
  • An improved distribution can also be achieved by varying the opening diameter d of the individual fuel outlet openings 4. For example, these can alternate between two values in the same way as the injection angle in FIG. 4, so that every second outlet opening has the same opening diameter. These different opening diameters also change the penetration depth of the fuel jet, so that better distribution and mixing of the fuel with the combustion air is achieved.
  • the variation of the opening diameter can be combined with the variation of the injection angle at any time.
  • a larger opening diameter is preferably combined with a larger injection angle.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the injection in a burner according to the present invention. This figure also shows schematically a half of a burner according to FIGS. 2 and 3 in plan view, nine in this example
  • Outlet openings 4 can be seen.
  • three of these outlet openings 4 are arranged close to one another, so that over the entire Extent of the burner a total of 6 groups of outlet openings 4 are formed, three of which are shown in the figure.
  • the individual jets initially emerging from the outlet openings 4 of a group form an overall jet which, owing to this combination, has a large jet diameter with a greater penetration depth.
  • This grouping also allows the depth of penetration of the fuel into the interior 12 of the burner or the swirl flow to be locally increased.
  • non-grouped outlet openings can also be provided, via which fuel jets with a smaller jet diameter are additionally injected.
  • a combination with different injection angles? Relative to the axial direction and / or different opening diameters of the individual fuel outlet openings is of course possible.
  • grouped outlet openings can have larger opening diameters than ungrouped outlet openings, or the opening diameters of the outlet openings can vary from group to group.
  • FIG. 6 shows another example of fuel injection in a burner according to the present invention.
  • the injection angle d varies relative to the radial direction of the burner over the circumference of the burner, so that the
  • the number of fuel outlet openings 4 shown in the preceding exemplary embodiments can be chosen as desired, depending on the requirement.
  • several rows of fuel outlet openings 4 can also be provided, which can be designed according to the preceding examples.
  • the fuel outlet openings 4 of the individual fuel feeds 8 can, according to partial illustration b), be designed, for example, with different opening diameters in order to achieve different penetration depths.
  • the channel axes of the outlet channels of these outlet openings 4 can form different angles both to the radial and to the axial direction of the burner. With such configurations, the same effects can be achieved as explained in connection with the preceding figures.
  • FIG. 8 shows an example of a swirl generator 7 with a purely cylindrical swirl body 17, in which a conical inner body 18 is inserted.
  • the outlet openings 4 for synthesis gas are arranged distributed over the circumference of the burner at the combustion chamber end of the swirl chamber 12.
  • the fuel supply channels 8 are not shown in this illustration.
  • additional gas outlet openings for natural gas including the supply lines required for this, can additionally be provided at the tangential air inlet slots (not shown).
  • FIG. 9 A further example of a burner, in which the swirl generator 7 is designed as a swirl grille, via which incoming combustion air 19 is swirled, is shown schematically in FIG. 9. Additional fuel for premix loading can be introduced into the combustion air 19 via the feed lines 20 leading to outlet openings in the area of the swirl generator 7. A pilot fuel or a liquid fuel is supplied via a nozzle 21 projecting centrally into the inner volume 12. In this burner, too, the outlet openings 4 for the synthesis gas are arranged distributed over the circumference of the burner at the end of the inner volume 12 on the combustion chamber side and are supplied with synthesis gas via the fuel supply channels 8. With both burner geometries of FIGS. 8 and 9, the same configurations can be seen

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Abstract

The invention relates to a premix burner comprising a turbulence generator (7) for a combustion air flow and means for injecting the fuel into the combustion air flow. The turbulence generator (7) comprises one or more combustion air inlets for the combustion air flow entering the burner. The means for injecting fuel into the combustion air flow comprise one or more first fuel feed elements (8) with first fuel outlets (4). The opening diameter of the outlets and/or the injection angle thereof relative to the axial and/or radial direction is configured differently. Alternatively or additionally, some of the first fuel outlets (4) can be arranged in one or several first groups of fuel outlets which are arranged close to each other, such that each of the first groups produce a fuel jet having a large jet cross-section. The inventive burner enables improved premixing of fuel with the combustion air, especially when the fuel is injected into the combustion chamber end of the burner.

Description

Vormischbrenner premix
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner zum Betrieb in einem Brennraum, vorzugsweise in Brennkammern von Gasturbinen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a premix burner for operation in a combustion chamber, preferably in combustion chambers of gas turbines, according to the preamble of claim 1.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für einen derartigen Brenner liegt in der Gas- und Dampfturbinentechnik.A preferred area of use for such a burner is in gas and steam turbine technology.
Stand der TechnikState of the art
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 Drallströmung in einem Drallraum erzeugt, welche aufgrund des in Richtung des Brennraums zunehmenden Dralls instabil wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Zentrum 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 Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft . Eine gute Durchmischung ist bei diesen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NOχ- erte beim Verbrennungsvorgang .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 center. The shells of the swirl generator are composed in such a way 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 leads in connection with the in Swirl chamber produced swirl of the combustion air / fuel gas flow for thorough mixing of the premixed fuel with the combustion air. With these premix burners, thorough mixing is the prerequisite for low NO values in the combustion process.
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.To further improve such a burner, 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.
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. Im sogenannten Pilotbetrieb, welcher im Übrigen auch für andere Vormischbrennerbauarten zum allgemein geläufigen Stand der Technik gehört, wird der Brennstoff so eingebracht - beispielsweise in Form eines entlang der Brennerachse eingedüsten Gasstrahls - , dass er sich nicht vorgängig der Verbrennung mit der Brennluft vermischt. Es wird so eine Diffusionsflamme erzeugt, welche zwar einerseits zu höheren Schadstoffemissionen führt, andererseits aber auch einen wesentlich breiteren stabilen Betriebsbereich aufweist.WO 93/17279 shows another known premix burner in which a cylindrical swirl generator with a conical inner body is used. In this burner, 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. In the so-called pilot mode, which Incidentally, for other types of premix burner, which is part of the general state of the art, the fuel is introduced - for example in the form of a gas jet injected along the burner axis - in such a way that it does not mix with the combustion air beforehand. A diffusion flame is thus generated which, on the one hand, leads to higher pollutant emissions, but on the other hand also has a much wider stable operating range.
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.A premix burner is known from EP 1 070 915 A1, in which the fuel gas supply is mechanically decoupled from the swirl generator. As a result, stresses due to thermal expansions are avoided when only slightly preheated fuel gases are used. 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.
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. DerThese known 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. The
Brennstoff, insbesondere Erdgas, wird typischerweise entlang der Lufteintrittsschlitze eingedüst. In Gasturbinen werden neben Erdgas und flüssigem Brennstoff, meist Dieselöl bzw. Oil#2 auch synthetisch hergestellte Gase, sogenannte 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 Inertgasen, wie N2 oder C02.Fuel, particularly natural gas, is typically injected along the air inlet slots. In addition to natural gas and liquid fuel, mostly diesel oil or Oil # 2, gas turbines also use synthetically produced gases, so-called Mbtu and Lbtu gases, 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. In addition, there is a smaller proportion of inert gases, such as N 2 or C0 2 .
Bei der Verbrennung von Synthesegas kann aufgrund einer hohen Rückzündgef hr die für Erdgas bei den Brennern des Standes der Technik bewährte Eindüsung nicht beibehalten werden.When synthetic gas is burned, the injection which has been tried and tested for natural gas in the burners of the prior art cannot be maintained due to the high re-ignition risk.
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 zünd- fähigem 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 Vor- mischung und damit die typischen niedrigen Emissionen zu erreichen, werden diese Synthesegase vor der Verbrennung meist mit Inertgasen, wie N2 oder Wasserdampf, verdünnt . Das verringert insbesondere das aufgrund des hohen H2-Anteils immanente Rückzündrisiko. Der Brenner muss somit Synthesegase verschiedener Zusammensetzung, insbesondere unterschiedlicher Verdünnung und daraus resultierend stark variablem Brennstoff-Volumenstrom, sicher und stabil verbrennen können.In contrast to the use of natural gas, there are the following special features and requirements for a burner that is to be operated with synthesis gas. Depending on a dilution of the synthesis gas known per se according to the state of the art, synthesis gas requires around four times - in the case of undiluted synthesis gas up to seven times or even more - higher fuel volume flow compared to comparable natural gas burners, so that the burner has the same gas perforation and significantly different Impulse ratios result. Due to the high proportion of hydrogen in the synthesis gas and the associated low ignition temperature and high flame speed of the hydrogen, there is a high tendency of the fuel to react, so that in particular the re-ignition behavior and the dwell time of ignitable fuel-air mixture near the burner must be investigated. Furthermore, a stable and safe combustion of synthesis gases for a sufficiently large range of calorific values must be guaranteed which, depending on the process quality of the gasification and the starting product, e.g. oil residues, has a different composition of the synthesis gas. In order to achieve a premixture during combustion under these conditions and thus achieve the typical low emissions, these synthesis gases are usually diluted with inert gases such as N 2 or water vapor before combustion. In particular, this reduces the risk of reignition due to the high H 2 content. The burner must therefore be able to burn synthesis gases of different compositions, in particular different dilutions and, as a result, highly variable fuel volume flow, safely and stably.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn neben demIt is also an advantage if next to the
Synthesegas vom Brenner auch ein Reservebrennstoff, ein sogenannter Backup-Brennstoff sicher verbrannt werden kann. Diese Forderung resultiert bei den hochkomplexen integrierten Gassynthetisierungs- und Stromerzeugungs- (IGCC-, I_ntegrated Gasification Combined Cycle-)Synthesis gas from the burner is also a reserve fuel, a so-called backup fuel can be burned safely. This requirement results in the highly complex integrated gas synthesis and power generation (IGCC, I_ntegrated 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, beispielsweise Dieselöl, funktionieren, wobei das für den Brennerbetrieb imSystems that demand high availability. In such a case, the burner should function safely and reliably even in the mixed operation of synthesis gas and backup fuel, for example diesel oil, with the burner operating in the
Mischbetrieb eines Einzelbrenners nutzbare Brennstoff- Mischungsspektrum zu maximieren ist. Selbstverständlich sollten geringe Emissionen, typisch NOx < 25 vppm und CO < 5 vppm, für die spezifizierten und eingesetzten Brennstoffe gewährleistet werden.Mixed operation of a single burner to maximize usable fuel mixture spectrum. Of course, low emissions, typically NO x <25 vppm and CO <5 vppm, should be guaranteed for the specified and used fuels.
Aus der EP 0610 722 AI ist ein Doppelkegelbrenner bekannt, bei dem eine Gruppe von Brennstoff- Austrittsöffnungen für ein Synthesegas an einem brennraumseitigen Ende des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt am Drallerzeuger angeordnet sind. Diese Austrittsöffnungen werden über eine gesonderte Brennstoffleitung versorgt und ermöglichen den Betrieb des Brenners mit unverdünntem Synthesegas.From EP 0610 722 AI a double cone burner is known 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 distributed over the circumference of the burner. These outlet openings are supplied via a separate fuel line and enable the burner to be operated with undiluted synthesis gas.
Durch diese Eindüsung des Brennstoffes am brennraumseitigen Ende des Brenners kann es jedoch zu einer ungenügenden Vermischung des Brennstoffes mit der Drallströmung der Brennluft kommen, da die Verweilzeit des Brennstoffes in der Drallströmung bis zum Erreichen der Flammenstabilisierungszone (Vortex Rezirkulations- zone) nur kurz ist.However, this injection of the fuel at the end of the burner on the combustion chamber side can result in insufficient mixing of the fuel with the swirl flow of the combustion air, since the fuel remains in the swirl flow for only a short time until the flame stabilization zone (vortex recirculation zone) is reached.
Ein weiteres Problem tritt bei den vorgenannten Brennern des Standes der Technik auf, wenn diese für die Eindüsung eines Brennstoffes mit niedrigem bis mittlerem Brennwert ausgebildet sind bzw. mit einem derartigen Brennstoff betrieben werden. Brennstoffe mit niedrigem bis mittlerem Brennwert müssen mit hohenAnother problem arises with the aforementioned prior art burners if they are designed for the injection of a fuel with a low to medium calorific value or are operated with such a fuel. Fuels with a low to medium calorific value have to be high
Volumenströmen in die Drallströmung eingebracht werden, um eine ausreichende Wärmeerzeugung bei der Verbrennung zu erzielen. Durch die hohen Volumenströme des Brennstoffes wird jedoch die sich im Brenner ausbildende Drallströmung gestört, so dass es in Extremfällen zu einem Ausbleiben der die Flamme stabilisierenden Rezirkulationszone kommen kann. Darstellung der ErfindungVolume flows are introduced into the swirl flow in order to achieve sufficient heat generation during combustion. Due to the high volume flows of the fuel, however, the swirl flow which forms in the burner is disturbed, so that in extreme cases the recirculation zone stabilizing the flame may fail to appear. Presentation of the invention
Ausgehend vom oben dargelegten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Vormischbrenner anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten und der insbesondere beim Betrieb mit Synthesegas oder einem Brennstoff mit niedrigem bis mittlerem Brennwert eine verbesserte Durchmischung mit der Brennluft gewährleistet.Starting from the prior art set out above, the object of the present invention is to provide a premix burner in which the disadvantages of the prior art do not occur and which, particularly when operated with synthesis gas or a fuel with a low to medium calorific value, result in improved mixing with the combustion air guaranteed.
Die Aufgabe wird mit den Brennern gemäß der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Brenner sind Gegenstand der Unter- ansprüche oder lassen sich aus der nachfolgendenThe object is achieved with the burners according to claims 1 and 2. Advantageous configurations of these burners are the subject of the subclaims or can be derived from the following
Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.Take description and the embodiments.
Der vorliegende Brenner besteht in bekannter Weise aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in denThe present burner consists in a known manner of a swirl generator for a combustion air flow and means for injecting fuel into the
Verbrennungsluftstrom. Unter Eindüsung wird in diesem Zusammenhang die Einbringung von Brennstoff über eine Austrittsöffnung verstanden, wobei vorzugsweise ein gerichteter Brennstoffstrahl beliebiger Geometrie erzeugt wird. Der Drallerzeuger weist Brennluft- Eintrittsöffnungen für den vorzugsweise tangential in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom auf. Die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom umfassen ein oder mehrere erste Brenn- stoff-Zuführungen mit ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen. Diese Brennstoff-Austrittsöffnungen können je nach Aufbau des Brenners bspw. über den Umfang des Brenners in einer oder mehreren Ebenen senkrecht zur Brennerlängsachse, d. h. zur axialen Richtung, verteilt oder entlang der ersten Brennstoff-Zuführungen an der Außenschale des Brenners oder an einem Innenkörper im Brenner angeordnet sein. Die ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen sind beim vorliegenden Brenner derart ausgebildet, dass der Öffnungsdurchmesser dieser ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen und/oder ein Eindüsungswinkel der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen relativ zur axialen und/oder zur radialen Richtung entlang der ersten Brennstoff-Zuführungen und/oder über den Umfang des Brenners variiert. In einer alternativen Ausgestaltung sind zumindest einige der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen derart in ein oder mehreren ersten Gruppen von nahe beieinander liegenden Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet, dass jede der ersten Gruppen einen Brennstoffstrahl mit einem - relativ zu einem durch eine einzelne Brennstoff-Austrittsöffnung gebildeten Brennstoffstrahl - großen Strahlquerschnitt erzeugt. Jede Gruppe wirkt dann äquivalent zu einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit entsprechend grösserem Öffnungsdurchmesser.Combustion air flow. In this context, injection means the introduction of fuel via an outlet opening, a directed fuel jet of any geometry preferably being generated. The swirl generator has combustion air inlet openings for the combustion air flow which preferably enters the burner tangentially. The means for injecting fuel into the combustion air stream comprise one or more first fuel feeds with first fuel outlet openings. Depending on the structure of the burner, these fuel outlet openings can, for example, extend over the circumference of the burner in one or more planes perpendicular to the Burner longitudinal axis, ie to the axial direction, can be distributed or arranged along the first fuel feeds on the outer shell of the burner or on an inner body in the burner. In the present burner, the first fuel outlet openings are designed such that the opening diameter of these first fuel outlet openings and / or an injection angle of the first fuel outlet openings relative to the axial and / or the radial direction along the first fuel feeds and / or above the The size of the burner varies. In an alternative embodiment, at least some of the first fuel outlet openings are arranged in one or more first groups of fuel outlet openings located close to one another in such a way that each of the first groups has a fuel jet with a fuel jet - relative to a fuel jet formed by a single fuel outlet opening - generated large beam cross-section. Each group then acts equivalent to a fuel outlet opening with a correspondingly larger opening diameter.
Durch die vorliegende Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen mit über den Umfang des Brenners und/oder über die axiale Erstreckung desThe present configuration of the fuel outlet openings extends over the circumference of the burner and / or over the axial extent of the
Brenners variierenden Öffnungsdurchmessern und/oder axialen und/oder radialen Eindüsungswinkeln wird eine verbesserte Durchmischung des eingedüsten Brennstoffes mit der die Drallströmung ausbildenden Brennluft erreicht. Die unterschiedlichen Öffnungsdurchmesser und/oder Eindüsungswinkel bewirken eine unterschiedliche Eindringtiefe des Brennstoffes in das Innenvolumen bzw. die Drallströmung des Brenners. Der Brennstoff lässt sich hierdurch gleichmäßiger über die Brennluft verteilen. Weiterhin führt die unterschiedliche Eindringtiefe der aus den Brennstoff-Austrittsöffnungen austretenden Brennstoffstrahlen zu einer geringeren Störung der Drallströmung, da sich keine zusammenhängende Brennstoffwand aufbauen kann, wie dies bei hohen Volumenströmen des Brennstoffes und identisch ausgebildeten Brennstoff-Austrittsöffnungen des Standes der Technik der Fall sein kann. Durch geeignete Wahl der Eindüsungswinkel lässt sich die im Brenner entstehende Drallströmung zusätzlich unterstützen.Burner varying opening diameters and / or axial and / or radial injection angles, an improved mixing of the injected fuel with the combustion air forming the swirl flow is achieved. The different opening diameters and / or injection angles cause a different penetration depth of the fuel into the internal volume or the swirl flow of the burner. The As a result, fuel can be distributed more evenly over the combustion air. Furthermore, the different penetration depth of the fuel jets emerging from the fuel outlet openings leads to less disturbance of the swirl flow, since no continuous fuel wall can build up, as can be the case with high volume flows of the fuel and identically designed fuel outlet openings of the prior art. The swirl flow generated in the burner can be additionally supported by a suitable choice of the injection angle.
In einer alternativen Ausgestaltung des vorliegenden Brenners, bei der zumindest ein Teil der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen zu einzelnen Gruppen nahe beieinander liegender Brennstoff- Austrittsöffnungen angeordnet sind, wird durch die jeweiligen Brennstoff-Austrittsöffnungen einer einzelnen Gruppe ein einzelner Brennstoffstrahl eines großen Durchmessers gebildet, der eine höhere Eindringtiefe als der Brennstoffstrahl einer einzelnen Austrittsöffnung aufweist. Hierfür müssen die Brennstoff-Austrittsöffnungen der einzelnen Gruppen jeweils ausreichend nahe beieinander liegen, damit sie einen gemeinsamen Brennstoffstrahl bilden, wodurch jedeIn an alternative embodiment of the present burner, in which at least some of the first fuel outlet openings are arranged in individual groups of fuel outlet openings located close to one another, a single fuel jet of a large diameter is formed by the respective fuel outlet openings of a single group, the one has a greater depth of penetration than the fuel jet of a single outlet opening. For this purpose, the fuel outlet openings of the individual groups must be sufficiently close to one another so that they form a common fuel jet, so that each
Gruppe äquivalent zu einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit entsprechend grösserem Öffnungsdurchmesser wirkt . Auch durch diese Ausgestaltung wird somit aufgrund der höheren Eindringtiefe des gemeinsamen BrennstoffStrahls eine Variation der Eindringtiefe des Brennstoffes über den Umfang und/oder die axiale Erstreckung des Brenners erreicht, so dass sich eine bessere Durchmischung von Brennstoff und Brennluft ergibt. Selbstverständlich lässt sich diese alternative Ausgestaltung des Brenners in beliebiger Weise auch mit der Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen mit unterschiedlichen Eindüsungswinkeln und Öffnungsdurchmessern kombinieren. Die unterschiedlichen Eindüsungswinkel lassen sich hierbei in bekannter Weise durch unterschiedliche Ausrichtung der die Brennstoff-Austrittsöffnungen bildenden Austrittskanäle in den BrennstoffZuleitungen erreichen.Group equivalent to a fuel outlet opening with a correspondingly larger opening diameter. This configuration also results in a variation in the penetration depth of the fuel over the circumference and / or the axial extension of the burner due to the greater penetration depth of the common fuel jet, so that there is better mixing of the fuel and combustion air. Of course This alternative design of the burner can also be combined in any way with the design of the fuel outlet openings with different injection angles and opening diameters. The different injection angles can be achieved in a known manner by differently aligning the outlet channels forming the fuel outlet openings in the fuel feed lines.
Vorzugsweise alternieren die Öffnungsdurchmesser bzw. Eindüsungswinkel entlang des Brenner-Umfangs oder der Brennstoff-Zuführungen zwischen zumindest zwei Werten, so dass in Umfangs- oder Längsrichtung des Brenners jeweils abwechselnd ein größerer und ein kleinerer Eindüsungswinkel bzw. ein größerer und ein kleinerer Öffnungsdurchmesser der in dieser Richtung angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen vorliegen. Bei mehr als zwei unterschiedlichen Werten des Öffnungsdurchmessers und/oder des Eindüsungswinkels erfolgt die entsprechende Variation vorzugsweise durch periodische Wiederholung der unterschiedlichen Öffnungsdurchmesser bzw. Eindüsungswinkel in Umfangs- oder Längsrichtung des Brenners. Vorzugsweise wird bei gleichzeitiger Variation des Öffnungsdurchmessers und des Eindüsungswinkels relativ zur axialen Richtung bei einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit einem größeren Eindüsungswinkel ein größerer Öffnungsdurchmesser gewählt als bei einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit einem kleineren Eindüsungswinkel.Preferably, the opening diameter or injection angle alternate along the circumference of the burner or the fuel feeds between at least two values, so that in the circumferential or longitudinal direction of the burner alternately a larger and a smaller injection angle or a larger and a smaller opening diameter in the same Direction fuel outlet openings are present. With more than two different values of the opening diameter and / or the injection angle, the corresponding variation is preferably carried out by periodically repeating the different opening diameters or injection angles in the circumferential or longitudinal direction of the burner. With a simultaneous variation of the opening diameter and the injection angle relative to the axial direction, a larger opening diameter is selected for a fuel outlet opening with a larger injection angle than for a fuel outlet opening with a smaller injection angle.
Bei einer Variation der Eindüsungswinkel relativ zur radialen Richtung werden diese Eindüsungswinkel der Brennstoff-Austrittsöffnungen derart gewählt, dass sich aus den Brennstoff-Austrittsöffnungen austretende Brennstoffstrahlen unterschiedlicher Gruppen von Austrittsöffnungen jeweils in unterschiedlichen Punkten außerhalb der zentralen Brennerlängsachse im Innenvolumen des Brenners schneiden.With a variation of the injection angle relative to the radial direction, this injection angle becomes the Fuel outlet openings are selected such that fuel jets from different groups of outlet openings emerging from the fuel outlet openings each intersect at different points outside the central longitudinal axis of the burner in the internal volume of the burner.
In der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Brenners sind die ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen an einem brennraumseitigen Ende des Brenners, d. h. am Brenneraustritt, über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei die ein oder mehreren ersten BrennstoffZuführungen mit den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen mechanisch vom Drallerzeuger entkoppelt.In the preferred embodiment of the present burner, the first fuel outlet openings are at an end of the burner on the combustion chamber side, i. H. at the burner outlet, distributed over the circumference of the burner. In this case, the one or more first fuel feeds with the first fuel outlet openings are preferably mechanically decoupled from the swirl generator.
Die Geometrie des Drallerzeugers wie auch eines gegebenenfalls vorhandenen Drallraums können beim vorliegenden Brenner in unterschiedlicher Weise gewählt werden und insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Geometrien aufweisen. Durch die vorzugsweise Verteilung der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen ausschließlich am brennraumseitigen Ende des Brenners bzw. Drallraums über den Brenner-Umfang wird ein Rückzünden von eingedüstem Synthesegas zuverlässig verhindert. Eine Vermischung mit der aus dem Brenner austretenden Verbrennungsluft ist dennoch in ausreichendem Maße gewährleistet. Synthesegas mit hohem Wasserstoff nteil (45 Vol%) kann unverdünnt verbrannt werden (Unterer Heizwert Hu ~ 14000 kJ/kg) .The geometry of the swirl generator and of any swirl space that may be present can be selected in different ways in the present burner and in particular have the geometries known from the prior art. The preferably distribution of the first fuel outlet openings exclusively at the end of the burner or swirl space on the combustion chamber side over the circumference of the burner reliably prevents backfiring of the syngas injected. Mixing with the combustion air emerging from the burner is nevertheless sufficiently ensured. Synthesis gas with a high hydrogen content (45 vol%) can be burned undiluted (lower heating value Hu ~ 14000 kJ / kg).
Selbstverständlich lässt sich der Brenner auch mit Synthesegas eines anderen Wasserstoffgehaltes , beispielsweise mit H2 ~ 33%, betreiben. Der Brenner ermöglicht in dieser Ausführungsform 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 (en) 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.Of course, the burner can also be operated with synthesis gas with a different hydrogen content, for example with H 2 ~ 33%. The burner in this embodiment therefore 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 (s) enables high volume flows, up to a factor of 7 compared to the supply of natural gas in known burners of the prior art, to be safely conducted to the injection point at the burner outlet.
Bei dem vorliegenden Brenner sind die ein oder mehreren ersten BrennstoffZuführungen mit den zugehörigen ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen vorzugsweise mechanisch und thermisch vom Drallerzeuger bzw. den den Drallerzeuger bildenden und im Betrieb deutlich wärmeren Brennerschalen entkoppelt. Auf diese Weise können beide Bauteile unabhängig voneinander und ohne gegenseitige Behinderung thermische Dehnungen und insbesondere Differenzdehnungen vollziehen. 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 des vorliegenden Brenners, 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 konstruktive Problem 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 kaltemIn the present burner, the one or more first fuel feeds with the associated first fuel outlet openings are preferably mechanically and thermally decoupled from the swirl generator or the burner shells which form the swirl generator and are significantly warmer during operation. In this way, both components can perform thermal expansions and in particular differential expansions independently of one another and without mutual interference. As a result, 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. In one embodiment of the present burner, as is explained in more detail in the exemplary embodiments, the injection region for the synthesis gas in the burner shells is completely cut out. The first gas channel is anchored directly in this section of the burner bowls. This means that the gas channel and burner trays are thermal and mechanically decoupled from each other and the constructive problem at the connection points of the cold gas duct and the warm burner bowl is solved. Earlier constructions like that of EP 0610 722 AI showed especially when connecting relatively cold
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.Gas duct to hot burner bowl Problems, e.g. cracks due to the high stress concentration at these connection points. With the decoupled solution and the presented design, the required burner life is achieved.
Die Entkopplung einzelner Brennstofflanzen von den Brennerschalen ist bereits aus der EP 1 070 915 bekannt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Brenners wird diese mechanische Ent- kopplung jedoch erstmals mit integralen Gaskanälen mit umfangshomogener Gaseinbringung realisiert. Gegenüber der aus der EP 1 070 950 bekannten Gaseindüsung besticht diese 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 Brenner- schale - wie zum Beispiel durch die dem Fachmann an sich bekannten Gaskanalinserts - ist nicht notwendig.The decoupling of individual fuel lances from the burner shells is already known from EP 1 070 915. In an advantageous embodiment of the present burner, however, this mechanical decoupling is realized for the first time with integral gas channels with homogeneous gas introduction. Compared to the gas injection known from EP 1 070 950, this homogeneous gas injection impresses with a substantially more uniform distribution of the fuel in the combustion air, and thus, especially when using Lbtu and Mbtu fuels, with superior emission behavior with good flame stability. A costly special thermal insulation of the gas duct from the hot burner shell - for example due to the gas duct inserts known per se to the person skilled in the art - is not necessary.
Gerade bei einem Brenner, bei dem die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen am brennraumseitigen Ende des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet sind, lässt sich mit der vorliegendenIn the case of a burner in particular, in which the first fuel outlet openings are arranged at the end of the burner on the combustion chamber side over the circumference of the burner, the present invention can be used
Variation des Eindüsungswinkels bzw. der Eindüsungs- tiefe eine deutlich verbesserte Vermischung des Brennstoffes mit der Brennluft erreichen. Selbstverständlich lässt sich jedoch ein verbesserter Durchmischungseffekt wie auch eine geringere Störung der Drallströmung auch bei Brennern reali- sieren, bei denen die ersten Brennstoff-Zuführungen mit den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen in Längsrichtung des Brenners entlang dessen Außenschale bzw. Außenschalen angeordnet sind.Varying the injection angle or the injection depth can achieve a significantly improved mixing of the fuel with the combustion air. Of course, however, an improved mixing effect as well as less disturbance of the swirl flow can also be achieved in burners in which the first fuel feeds with the first fuel outlet openings are arranged in the longitudinal direction of the burner along its outer shell or outer shells.
In einer weiteren Ausführungsform weist derIn a further embodiment, the
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 Brennstoff- austrittsöffnungen am Drallkörper auf. Alternativ oder in Kombination kann auch eine im Wesentlichen auf der Brennerachse angeordnete Brennstoff lanze für die Eindüsung von Flüssigbrennstoff oder von Pilotgas zur Diffusionsverbrennung vorgesehen sein, die in axialer Richtung in den Drallraum ragt. Die Anordnung undIn addition to the first fuel feed (s), the burner 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. Alternatively or in combination, a fuel lance arranged essentially on the burner axis for the injection of liquid fuel or of pilot gas for diffusion combustion can also be provided, which projects into the swirl space in the axial direction. The arrangement and
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 Ausbildung und Anordnung der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen realisiert werden.Design 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 realized with the features according to the invention for the design and arrangement of the first fuel outlet openings.
Durch diese Ausführungsform des vorliegendenThrough this embodiment of the present
Brenners mit ein oder mehreren weiteren Brennstoffzuführungen wird ein multifunktioneller Brenner erhalten, der unterschiedlichste Brennstoffe sicher und stabil verbrennt. Der Brenner kann insbesondere die stabile und sichere Verbrennung von Mbtu-Synthesegasen (Mindestgehalt an H2 = 10 Vol%) 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 gewährleisten. Neben der sicheren und stabilen Verbrennung von unverdünntem und verdünntem Synthesegas bei entsprechender Anordnung der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen am brennraumseitigen Ende des Brenners kann auch Flüssigbrennstoff, bspw. Dieselöl, als Reservebrennstoff eingesetzt werden. Die eingesetzten Brennstoffe können sich hierbei im Heizwert deutlich unterscheiden, so beispilesweise bei Dieselöl mit einem Heizwert Hu = 42000 kJ/kg undWith a burner with one or more additional fuel feeds, a multifunctional burner is obtained that can safely and widely different fuels burns stably. The burner can in particular handle the stable and safe combustion of Mbtu synthesis gases (minimum content of H 2 = 10 vol%) 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. In addition to the safe and stable combustion of undiluted and diluted synthesis gas with appropriate arrangement of the first fuel outlet openings at the end of the burner on the combustion chamber side, liquid fuel, for example diesel oil, can also be used as a reserve fuel. The fuels used can differ significantly in their calorific value, for example in the case of diesel oil with a calorific value of Hu = 42000 kJ / kg and
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.Synthesis gas with a calorific value 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.
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 demThe use of natural gas as an additional fuel is also possible. 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 arranged lengthways on the air inlet slots on the swirl generator or swirl body
Fachmann bspw. aus der EP 321 809 geläufig sind. Auf diese Weise kann der Brenner mit drei unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden.Those skilled in the art are familiar, for example, from EP 321 809. In this way, the burner can be operated with three different fuels.
Für die Verbrennung von Synthesegas sind die ersten BrennstoffZuführungen weiterhin konstruktiv an den bis zu 7- fach größeren Brennstoff-Volumenstrom angepasst und stellen insbesondere die notwendigen Durchströmungsquerschnitte zur Verfügung. Hierbei weisen sie im Vergleich zu den Zuführungen für Erdgas einen mehrfachen Querschnitt auf .For the combustion of synthesis gas, the first fuel feeds are still structurally adapted to the fuel volume flow, which is up to 7 times greater, and in particular provide the necessary ones Flow cross-sections available. They have a multiple cross-section compared to the natural gas feeds.
Beim Einsatz von Öl als Brennstoff wird die aus dem Stand der Technik bekannte Eindüsung des Öls oder einer Öl-Wasseremulsion über eine 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 betriebs- technischen Vorteil dar.When using oil as fuel, the injection of the oil or an oil-water emulsion known from the prior art is maintained via a burner lance. Due to various boundary conditions, such as the integration of the gas turbine in the IGCC process or fixed burner groups that are to be retained, gas turbines that burn synthesis gas have to ensure the mixed operation of pilot fuel and synthesis gas. The burner described here also works stably and safely in mixed operation of diesel oil and synthesis gas in various mixing ratios. It can be operated safely in mixed operation for longer periods. The gas turbine thus achieves further flexibility and can switch from one fuel to another during operation. The possible mixed operation represents a significant operational advantage.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The present invention is briefly explained again below without restricting the general inventive concept on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Here show:
Fig. 1 schematisch einige der bei dem vorliegenden Brenner beeinflussten Parameter der Austrittsöffnungen;1 schematically shows some of the parameters of the outlet openings influenced in the present burner;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des vorliegenden Brenners; Fig. 3 eine Schnittansicht durch die Ebene B- B des Brenners der Figur 2;2 is a sectional view of an embodiment of the present burner; 3 shows a sectional view through the plane BB of the burner of FIG. 2;
Fig. 4 eine beispielhafte Darstellung unterschiedlicher Eindüsungswinkel relativ zur axialen Richtung;4 shows an exemplary representation of different injection angles relative to the axial direction;
Fig. 5 ein Beispiel für die Bildung einzelner Gruppen von Austrittsöffnungen für die Erzeugung eines BrennstoffStrahls mit großem Strahldurchmesser;5 shows an example of the formation of individual groups of outlet openings for generating a fuel jet with a large jet diameter;
Fig. 6 ein Beispiel für die Variation desFig. 6 shows an example of the variation of
Eindüsungswinkels relativ zur radialen Richtung;Injection angle relative to the radial direction;
Fig. 7 ein stark schematisiertes Beispiel für einen Brenner mit entlang der Längs - erstreckung des Brenners angeordneten7 shows a highly schematic example of a burner arranged along the longitudinal extension of the burner
Brennstoff-Austrittsöffnungen sowie Beispiele für die Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen;Fuel outlet openings and examples of the design of the fuel outlet openings;
Fig. 8 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Brenners mit konischem Innenkörper; und8 shows an example of a configuration of the burner with a conical inner body; and
Fig. 9 ein Beispiel für eine weitere mögliche Ausgestaltung des Brenners.9 shows an example of a further possible embodiment of the burner.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Figur 1 zeigt zur Veranschaulichung unterschiedliche Parameter bei der Ausgestaltung von Brennstoff- Austrittsöffnungen, die bei der Realisierung des vorliegenden Brenners eine Rolle spielen. In der Figur ist in Teilabbildung a) schematisch ein Teil einesFor illustration, FIG. 1 shows different parameters in the design of fuel outlet openings, which play a role in the implementation of the present burner. In the figure, part of a) is schematically shown in partial illustration a)
Brenners in Schnittansicht dargestellt, bei dem die Brennerschale 1, eine zentrale Brennerlängsachse 2 sowie ein am brennraumseitigen Ende des Brenners vorgesehenes Frontpanel 3 zu erkennen sind. Über den Umfang der Brennerschale 1 sind in diesem Beispiel Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 angeordnet, die denBrenners shown in sectional view, in which the Burner bowl 1, a central burner longitudinal axis 2 and a front panel 3 provided on the combustion chamber end of the burner can be seen. In this example, fuel outlet openings 4 are arranged over the circumference of the burner bowl 1, which the
Öffnungsdurchmesser d sowie eine einheitliche Distanz a zum Frontpanel 3 aufweisen. Die Brennerschale 1 hat in diesem Beispiel eine Neigung von = 11° zur durch die Brennerlängsachse 2 vorgegebenen axialen Richtung. Die Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 sind als Austrittskanäle ausgebildet, deren Kanalachse 5 unter einem bestimmten Winkel zur axialen und radialen Richtung des Brenners verläuft. Der Kanalverlauf ist in dieser Figur durch die seitlich herausgeführten Linien mit dem darin schraffiert angedeuteten Öffnungsquerschnitt veranschaulicht. Durch die Richtung der Austrittskanalachse 5 zur axialen und radialen Richtung des Brenners wird die Eindüsungsrichtung des Brennstoffes in den Innenraum des Brenners vorgegeben. In der Figur ist der Geschwindigkeitsvektor c der Eindüsung sowie seine entsprechenden Komponenten in axialer Richtung (u) sowie in radialer Richtung (v) zu erkennen. Der Eindüsungswinkel relativ zur axialen Richtung ist mit ψ bezeichnet, der Winkel relativ zum Lot auf die Brennerwand bzw. Brennerschale 1 mit ß. Typische Werte für den Winkel ß betragen 20°, 30° oder 40°.Have opening diameter d and a uniform distance a to the front panel 3. In this example, the burner bowl 1 has an inclination of = 11 ° to the axial direction predetermined by the burner longitudinal axis 2. The fuel outlet openings 4 are designed as outlet channels, the channel axis 5 of which extends at a certain angle to the axial and radial direction of the burner. The course of the channel is illustrated in this figure by the lines drawn out to the side with the opening cross-section hatched therein. The direction of the outlet channel axis 5 to the axial and radial direction of the burner determines the direction of injection of the fuel into the interior of the burner. The speed vector c of the injection and its corresponding components in the axial direction (u) and in the radial direction (v) can be seen in the figure. The injection angle relative to the axial direction is denoted by ψ, the angle relative to the perpendicular to the burner wall or burner shell 1 by ß. Typical values for the angle β are 20 °, 30 ° or 40 °.
In Teilfigur b) ist weiterhin eine Draufsicht auf einen Brenner gemäß Teilfigur a) dargestellt. In dieser Figur ist die in Teilbabbildung a) nicht erkennbareIn part figure b) a plan view of a burner according to part figure a) is also shown. This figure does not show the one in partial illustration a)
Geschwindigkeitskomponente w des durch die Brennstoff- Eintrittsöffnung 4 eingedüsten BrennstoffStrahls zu erkennen. Diese Geschwindigkeitskomponente weist einen Winkel d relativ zur radialen Richtung des Brenners auf. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Eindüsung gleichsinnig zur Drallrichtung 6 der in den Brenner eintretenden Brennluft, wie dies aus der Teilabbildung ersichtlich ist.To recognize velocity component w of the fuel jet injected through the fuel inlet opening 4. This speed component has one Angle d relative to the radial direction of the burner. In the present example, the injection takes place in the same direction as the swirl direction 6 of the combustion air entering the burner, as can be seen from the partial illustration.
Bei dem vorliegenden Brenner werden nun die in der Figur 1 veranschaulichten Parameter, d. h. der Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung, der Eindüsungswinkel d relativ zur radialen Richtung sowie der Öffnungsdurchmesser d der Brennstoff-Austrittsöffnungen in Umfangsrichtung des Brenners und/oder entlang der Brennstoff -Zuführungen variiert, so dass unterschiedliche Gruppen von Brennstoff -Austritts- Öffnungen unterschiedliche Eindüsungswinkel d oder ψ und/oder unterschiedliche Öffnungsdurchmesser d aufweisen.In the present burner, the parameters illustrated in FIG. H. the injection angle ψ relative to the axial direction, the injection angle d relative to the radial direction and the opening diameter d of the fuel outlet openings in the circumferential direction of the burner and / or along the fuel feed lines, so that different groups of fuel outlet openings have different injection angles d or ψ and / or have different opening diameters d.
Der Öffnungsdurchmesser d, der Abstand zwischen den einzelnen Austrittsöffnungen, das Impulsverhältnis zwischen Brennstoff und Brennluft wie auch die Ein- düsungsrichtung haben einen Einfluss auf die Eindringtiefe des BrennstoffStrahls in den Brenner bzw. die Drallströmung innerhalb des Brenners. Diese Eindring- tiefe ist proportional zu Ja x d x sinψ, wobei a und b positive Exponenten, J das Impulsverhältnis zwischen Brennstoff und Brennluft und d der Durchmesser der Brennstoff-Austrittsöffnungen sind .The opening diameter d, the distance between the individual outlet openings, the pulse ratio between fuel and combustion air as well as the injection direction have an influence on the depth of penetration of the fuel jet into the burner or the swirl flow within the burner. This penetration depth is proportional to J a xdx sinψ, where a and b are positive exponents, J is the pulse ratio between fuel and combustion air and d is the diameter of the fuel outlet openings.
Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass eineFrom this context it can be seen that a
Erhöhung des Brennstoff-Einspritzimpulses einen signifikanten Einfluss auf die Eindringtiefe hat. Allerdings ist der in einem BrennstoffSystem verfügbare Brenn- stoffdruck limitiert. Auch der Öffnungsdurchmesser der Brennstoff-Austrittsöffnungen hat einen Einfluss auf die Eindringtiefe, ist jedoch ebenfalls begrenzt. Insbesondere kann ein zu großer Öffnungsdurchmesser die Zuverlässigkeit des BrennstoffSystems während eines Teillastbetriebs sowie während eines Brennölbetriebs negativ beeinflussen. Dies betrifft insbesondere die thermoakustische Stabilität des Gesamtsystems.Increasing the fuel injection pulse has a significant impact on the depth of penetration. However, the fuel available in a fuel system limited fabric printing. The opening diameter of the fuel outlet openings also has an influence on the depth of penetration, but is also limited. In particular, an opening diameter that is too large can adversely affect the reliability of the fuel system during part-load operation and during fuel oil operation. This applies in particular to the thermoacoustic stability of the overall system.
Figur 2 zeigt beispielhaft einen Aufbau eines Brenners mit ersten Brennstoff-Zuführungen und Brennstoff-Austrittsöffnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein können. Bei dieser Ausgestaltung eines Brenners, der insbesondere für die Eindüsung von Synthesegas geeignet ist, sind erste Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 radial am Brenneraustritt, d. h. am Ende des den Drallraum bildenden Innenvolumens 12 des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt in einer Reihe angeordnet. Durch diese Eindüsung am Brenneraustritt wird die Verbrennung des Wasserstoffreichen Synthesegases auch unverdünnt möglich. Die Figur zeigt hierbei die Brennerschalen 1, die in diesem Beispiel durch ihre kegelschalenförmige Ausgestaltung den Drallerzeuger 7 bilden. Außerhalb dieses Drallerzeugers 7 ist ein Gaszuführelement 13 angeordnet, das den Drallerzeuger 7 radial umschließt und den oder die ersten Brennstoff -Zuführungen 8 für die Zufuhr von Synthesegas bildet. Am brennraumseitigen Ende dieses Gaszuführelementes 13 sind die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 für das Synthesegas angeordnet. Diese Austrittsöffnungen 4 bilden Austrittskanäle, die die Eindüsungsrichtung des Synthesegases vorgeben. Der in diesem Beispiel angedeutete Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung und/oder der Durchmesser d dieser Kanäle bzw. Öffnungen 4 variieren beim vorliegenden Brenner, wie dies bspw. aus den nachfolgenden Figuren 4 - 6 hervorgeht .FIG. 2 shows an example of a structure of a burner with first fuel feeds and fuel outlet openings, which can be designed in accordance with the present invention. In this embodiment of a burner, which is particularly suitable for the injection of synthesis gas, first fuel outlet openings 4 are arranged radially at the end of the burner outlet, ie at the end of the inner space 12 of the burner forming the swirl space, distributed in a row over the circumference of the burner. This injection at the burner outlet also enables the hydrogen-rich synthesis gas to be burned undiluted. The figure shows the burner shells 1 which, in this example, form the swirl generator 7 due to their cone-shaped configuration. Outside of this swirl generator 7, a gas supply element 13 is arranged, which radially surrounds the swirl generator 7 and forms the first fuel supply (s) 8 for the supply of synthesis gas. The first fuel outlet openings 4 for the synthesis gas are arranged at the end of this gas supply element 13 on the combustion chamber side. These outlet openings 4 form outlet channels which specify the injection direction of the synthesis gas. The one indicated in this example Injection angle ψ relative to the axial direction and / or the diameter d of these channels or openings 4 vary in the present burner, as can be seen, for example, from the following FIGS. 4-6.
Im vorliegenden Beispiel sind insgesamt 12 erste Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 nebeneinander über den Umfang des Brenners gleichmäßig verteilt angeordnet, die mit den römischen Ziffern I - XII bezeichnet sind. Die ungeradzahligen Austrittsöffnungen 4 haben hierbei einen Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung von ca. 50° (60° zur Brennerschale), während die ungeradzahligen Austrittsöffnungen 4 einen Eindüsungswinkel von ca. 40° zur axialen Richtung (50° zur Brennerschale) aufweisen.In the present example, a total of 12 first fuel outlet openings 4 are arranged next to one another evenly distributed over the circumference of the burner, which are designated by the Roman numerals I - XII. The odd-numbered outlet openings 4 here have an injection angle ψ relative to the axial direction of approximately 50 ° (60 ° to the burner shell), while the odd-numbered outlet openings 4 have an injection angle of approximately 40 ° to the axial direction (50 ° to the burner shell).
Die vergleichsweise kalten Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 zur Eindüsung des Synthesegases und die im Prinzip deutlich wärmeren Brennerschalen 1 sind in diesem Beispiel thermisch und mechanisch voneinander entkoppelt. Dadurch werden die thermischen Spannungen deutlich reduziert. Die Verbindung zwischen dem Gaszuführelement 13 und dem Drallerzeuger 7 erfolgt über an beiden Bauteilen vorgesehene Laschen 10 bzw. 11, die miteinander verbunden werden. Auf diese Weise werden minimale thermische Spannungen erreicht. In der Figur ist weiterhin eine Öffnung bzw. ein umlaufender Spalt 9 am Drallerzeuger 7 zu erkennen, der notwendig ist, um eine Verbindung zwischen den Austrittsöffnungen 4 des Gaszuführelements 13 und dem Drallraum 12 zu ermöglichen. Beim vorliegenden Beispiel ist der Eindüsungs- bereich für den Brennstoff in den Brennerschalen völlig ausgeschnitten. Dabei wird das Gaszuführelement 13 direkt in diesen Ausschnitt der Brennerschalen 1 bzw. des Drallerzeugers 7 verankert. Damit ist das Spannungsproblem an den Verbindungsstellen von kaltem Gaszuführelement 13 und warmer Brennerschale gelöst. Der Drallerzeuger 7 selbst ist vorzugsweise aus zumindest zwei Teilschalen mit tangentialen Luft- eintrittsschlitzen ausgebildet, wie dies bspw. EP 0 321 809 Bl bekannt ist.The comparatively cold fuel supply channels 8 for injection of the synthesis gas and the burner shells 1, which in principle are significantly warmer, are thermally and mechanically decoupled from one another in this example. This significantly reduces the thermal stresses. The connection between the gas supply element 13 and the swirl generator 7 takes place via tabs 10 and 11 provided on both components, which are connected to one another. In this way, minimal thermal stresses are achieved. In the figure, an opening or a circumferential gap 9 can also be seen on the swirl generator 7, which is necessary to enable a connection between the outlet openings 4 of the gas supply element 13 and the swirl chamber 12. In the present example, the injection area for the fuel in the burner trays is completely cut out. The gas supply element 13 is anchored directly in this section of the burner shells 1 and the swirl generator 7. This solves the voltage problem at the junctures of the cold gas supply element 13 and the warm burner bowl. The swirl generator 7 itself is preferably formed from at least two partial shells with tangential air inlet slots, as is known, for example, from EP 0 321 809 B1.
Figur 3 zeigt den Brenner der Figur 2 nochmals entlang der Schnittlinie B-B. In dieser Figur sind deutlich die beiden Teilschalen des Drallerzeugers 7 mit den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 14 sowie die Brennstoff-Zuführungen 8 des Gaszuführelementes 13 zu erkennen. In diesen Brennstoff-Zuführungen 8 sind wiederum die jeweils 12 Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 angedeutet. Der Brenner ist von einem Gehäuse 15 umschlossen. Das Gaszuführelement 13 kann einerseits als ringförmiger Zuführungsschlitz zur Bildung eines einzigen Brennstoff-Zufuhrkanals 8 ausgebildet sein oder auch in getrennte Brennstoff-Zufuhrkanäle unter- teilt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Zuführungsleitungen als Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 bis zu den Austrittsöffnungen 4 zu führen.Figure 3 shows the burner of Figure 2 again along the section line B-B. In this figure, the two partial shells of the swirl generator 7 with the tangential air inlet slots 14 and the fuel feeds 8 of the gas feed element 13 can be clearly seen. The 12 fuel outlet openings 4 are again indicated in each of these fuel feeds 8. The burner is enclosed by a housing 15. The gas supply element 13 can be designed on the one hand as an annular supply slot for forming a single fuel supply channel 8 or can also be divided into separate fuel supply channels. Of course, it is also possible to lead individual feed lines as fuel feed channels 8 to the outlet openings 4.
Die Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 sind für die Zuführung von Synthesegas auf den bis zu siebenfach größeren Brennstoffvolumenstrom im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen angepasst und stellen insbesondere die notwendigen großen Strömungsquer- schnitte zur Verfügung. Selbstverständlich können bei einem derartigen Brenner auch zusätzliche Gaseindüsungskanäle entlang der Lufteintrittsschlitze 14 angeordnet sein, wie dies bei den bekannten Brennergeometrien des Standes der Technik, bspw. der bereits genannten EP 0 321 809 Bl der Fall ist. Über diese weiteren Brennstoff - Zufuhrkanäle kann üblicher Brennstoff zusätzlich oder alternativ zum Synthesegas in das Innenvolumen 12 eingedüst werden.The fuel supply channels 8 are adapted for the supply of synthesis gas to the up to seven times larger fuel volume flow compared to conventional fuels and in particular provide the necessary large flow cross sections. Of course, additional gas injection ducts can also be arranged along the air inlet slots 14 in such a burner, as is the case with the known burner geometries of the prior art, for example the already mentioned EP 0 321 809 B1. Conventional fuel can be injected into the inner volume 12 in addition or as an alternative to the synthesis gas via these additional fuel supply channels.
Figur 4 zeigt schematisch die Eindüsungsrichtung der Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 eines Brenners wie dem der Figuren 2 und 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Teilansicht a) ist eine Hälfte des Brenners in Draufsicht mit den über den Umfang verteilt angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 zu erkennen. Die Eindüsungsrichtung der zwölf dargestellten Austrittsöffnungen 4 relativ zur radialen Richtung beträgt d = 0°, d. h. dass alle aus den Austrittsöffnungen austretenden Brennstoffstrahlen auf die zentrale Längsachse des Brenners ausgerichtet sind, wie dies mit den in der Figur dargestellten Linien veranschaulicht ist.FIG. 4 schematically shows the injection direction of the fuel outlet openings 4 of a burner like that of FIGS. 2 and 3 according to an embodiment of the present invention. In partial view a), one half of the burner can be seen in plan view with the fuel outlet openings 4 arranged distributed over the circumference. The direction of injection of the twelve outlet openings 4 shown relative to the radial direction is d = 0 °, d. H. that all fuel jets emerging from the outlet openings are aligned with the central longitudinal axis of the burner, as is illustrated by the lines shown in the figure.
In Teilabbildung b) ist der in diesem Beispiel zwischen zwei Werten alternierende Eindüsungswinkel ? relativ zur axialen Richtung des Brenners zu erkennen, der die Werte ? = 40° und ? = 50° annimmt. Alle geradzahligen Brennstoff-AustrittsöffnungenIn part b) is the injection angle alternating between two values in this example? relative to the axial direction of the burner recognizing the values? = 40 ° and? = 50 °. All even fuel outlets
(II/IV/VI/VIII/X/XII) weisen den Eindüsungswinkel von 50°, alle ungeradzahligen Austrittsöffnungen 4 (I/III/V/VII/IX/XI) weisen den kleineren Eindüsungs- winkel von ? = 40° auf. Durch diese Variation des Eindüsungswinkels ? über den Umfang des Brenners wird die lokale Vermischung des eingedüsten Brennstoffes mit der Brennluft aufgrund der unterschiedlichen Eindring- tiefe der Brennstoffstrahlen verbessert. Der Überlapp der einzelnen Brennstoffstrahlen wird verringert, so dass der Brennstoff besser innerhalb der Drallströmung verteilt wird.(II / IV / VI / VIII / X / XII) have an injection angle of 50 °, all odd-numbered outlet openings 4 (I / III / V / VII / IX / XI) have a smaller injection angle angle of? = 40 ° on. Because of this variation of the injection angle? The local mixing of the injected fuel with the combustion air is improved over the circumference of the burner due to the different penetration depth of the fuel jets. The overlap of the individual fuel jets is reduced, so that the fuel is better distributed within the swirl flow.
Eine verbesserte Verteilung lässt sich auch durch eine Variation der Öffnungsdurchmesser d der einzelnen Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 erreichen. So können diese bspw. in gleicher Weise wie die Eindüsungswinkel der Figur 4 zwischen zwei Werten alternieren, so dass jede zweite Austrittsöffnung den gleichen Öffnungsdurchmesser aufweist. Durch diese unterschiedlichen Öffnungsdurchmesser wird ebenfalls die Eindringtiefe des BrennstoffStrahls verändert, so dass eine bessere Verteilung und Durchmischung des Brennstoffes mit der Brennluft erreicht wird. Selbstverständlich lässt sich die Variation des Öffnungsdurchmessers jederzeit mit der Variation der Eindüsungswinkel kombinieren. Hierbei wird vorzugsweise ein größerer Öffnungsdurchmesser mit einem größeren Eindüsungswinkel kombiniert.An improved distribution can also be achieved by varying the opening diameter d of the individual fuel outlet openings 4. For example, these can alternate between two values in the same way as the injection angle in FIG. 4, so that every second outlet opening has the same opening diameter. These different opening diameters also change the penetration depth of the fuel jet, so that better distribution and mixing of the fuel with the combustion air is achieved. Of course, the variation of the opening diameter can be combined with the variation of the injection angle at any time. Here, a larger opening diameter is preferably combined with a larger injection angle.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Eindüsung bei einem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung. Auch diese Figur zeigt wiederum schematisch eine Hälfte eines Brenners gemäß der Figuren 2 bzw. 3 in Draufsicht, wobei in diesem Beispiel neunFIG. 5 shows a further embodiment of the injection in a burner according to the present invention. This figure also shows schematically a half of a burner according to FIGS. 2 and 3 in plan view, nine in this example
Austrittsöffnungen 4 zu erkennen sind. Jeweils drei dieser Austrittsöffnungen 4 sind in diesem Beispiel nahe beieinander angeordnet, so dass über den gesamten Umfang des Brenners insgesamt 6 Gruppen von Austritts- Öffnungen 4 gebildet werden, von denen drei in der Figur dargestellt sind. Durch diese Gruppierung der Austrittsöffnungen 4 formen sich die aus den Austritts- Öffnungen 4 einer Gruppe zunächst austretenden Einzel- strahlen zu einem Gesamtstrahl, der aufgrund dieser Zusammenführung einen großen Strahldurchmesser mit höherer Eindringtiefe aufweist. Durch diese Gruppierung lässt sich somit ebenfalls die Eindringtiefe des Brennstoffes in den Innenraum 12 des Brenners bzw. die Drallströmung lokal vergrößern.Outlet openings 4 can be seen. In this example, three of these outlet openings 4 are arranged close to one another, so that over the entire Extent of the burner a total of 6 groups of outlet openings 4 are formed, three of which are shown in the figure. As a result of this grouping of the outlet openings 4, the individual jets initially emerging from the outlet openings 4 of a group form an overall jet which, owing to this combination, has a large jet diameter with a greater penetration depth. This grouping also allows the depth of penetration of the fuel into the interior 12 of the burner or the swirl flow to be locally increased.
In der Figur 5 sind hierbei zusätzlich unterschiedliche Eindüsungswinkel d der einzelnen Gruppen von Austrittsöffnungen relativ zur radialen Richtung gewählt, die sich in einem Punkt 16 außerhalb der Brennerlängsachse 2 schneiden.In FIG. 5, different injection angles d of the individual groups of outlet openings relative to the radial direction are additionally selected, which intersect at a point 16 outside the longitudinal axis 2 of the burner.
Selbstverständlich lassen sich neben diesen Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen auch weitere, nicht gruppierte Austrittsöffnungen vorsehen, über die zusätzlich Brennstoffstrahlen mit geringerem Strahldurchmesser eingedüst werden. Auch eine Kombination mit unterschiedlichen Eindüsungswinkeln ? relativ zur axialen Richtung und/oder unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern der einzelnen Brennstoff-Austrittsöffnungen ist selbstverständlich möglich. So können bspw. gruppierte Austrittsöffnungen größere Offnungs- durchmesser aufweisen als ungruppierte Austritts- Öffnungen oder die Öffnungsdurchmesser der Austrittsöffnungen können von Gruppe zu Gruppe variieren. Figur 6 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Eindüsung des Brennstoffes bei einem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel variiert der Eindüsungswinkel d relativ zur radialen Richtung des Brenners über den Brennerumfang, so dass sich dieOf course, in addition to these groups of fuel outlet openings, further, non-grouped outlet openings can also be provided, via which fuel jets with a smaller jet diameter are additionally injected. A combination with different injection angles? Relative to the axial direction and / or different opening diameters of the individual fuel outlet openings is of course possible. For example, grouped outlet openings can have larger opening diameters than ungrouped outlet openings, or the opening diameters of the outlet openings can vary from group to group. FIG. 6 shows another example of fuel injection in a burner according to the present invention. In this example, the injection angle d varies relative to the radial direction of the burner over the circumference of the burner, so that the
Eindüsungsrichtungen in einem Punkt 16 weit außerhalb der Brennerlängsachse 2 schneiden. Wird der Brennstoff hierbei gleichsinnig zur Richtung des sich im Innenvolumen 12 ausbildenden Dralls der Brennluft eingespritzt, ergibt sich eine größere Eindringtiefe als bei gegensinniger Eindüsung. Auch über diesen Eindüsungswinkel d kann somit eine bessere Verteilung des Brennstoffes innerhalb der Drallströmung erreicht werden. Zusätzlich kann durch die gleichsinnige Eindüsung zur Richtung der Drallströmung die Stärke dieser Strömung vergrößert werden, so dass der Flammen- stabilisationsprozess dadurch unterstützt werden kann. Auch diese Variation des Eindüsungswinkels d relativ zur radialen Richtung lässt sich mit den vorangehend erläuterten Beispielen kombinieren. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Gruppen von Brennstoff- Austrittsöffnungen bezüglich ihres Eindüsungswinkels d so auszubilden, dass ihre Eindüsungsrichtungen unterschiedliche Schnittpunkte 16 innerhalb des Innen- volumens des Brenners bilden.Cut the injection directions at a point 16 far outside the longitudinal axis 2 of the burner. If the fuel is injected in the same direction as the direction of the swirl of the combustion air which is formed in the inner volume 12, this results in a greater depth of penetration than in the case of injection in opposite directions. A better distribution of the fuel within the swirl flow can thus also be achieved via this injection angle d. In addition, the strength of this flow can be increased by the injection in the same direction to the direction of the swirl flow, so that the flame stabilization process can be supported. This variation of the injection angle d relative to the radial direction can also be combined with the examples explained above. Of course, it is also possible to design individual groups of fuel outlet openings with regard to their injection angle d such that their injection directions form different intersection points 16 within the internal volume of the burner.
Es versteht sich von selbst, dass die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigte Anzahl der Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 je nach Anforderung beliebig gewählt werden kann. Ebenso lassen sich selbstverständlich auch mehrere Reihen von Brennstoff- Austrittsöffnungen 4 vorsehen, die gemäß der vorangehenden Beispiele ausgebildet sein können. Auch bei einer Eindüsung des Brennstoffes über Brennstoff-Austrittsöffnungen, die in axialer Richtung der Brennerschalen angeordnet sind, lassen sich diese gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen ausbilden. Dies ist beispielhaft aus Figur 7 ersichtlich, die in Teilabbildung a) eine bekannte Brennergeometrie mit dem Drallerzeuger 7 sowie den am Drallerzeuger 7 angeordneten Brennstoff-Zuführungen 8 mit entsprechen- den Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 zeigt. Die Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 der einzelnen Brennstoff- Zuführungen 8 können gemäß Teilabbildung b) bspw. mit unterschiedlichem Öffnungsdurchmesser ausgebildet sein, um unterschiedliche Eindringtiefen zu erreichen. In einer weiteren Ausgestaltung können die Kanalachsen der Austrittskanäle dieser Austrittsöffnungen 4 unterschiedliche Winkel sowohl zur radialen als auch zur axialen Richtung des Brenners bilden. Mit derartigen Ausgestaltungen lassen sich somit die gleichen Effekte erzielen, wie in Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren erläutert.It goes without saying that the number of fuel outlet openings 4 shown in the preceding exemplary embodiments can be chosen as desired, depending on the requirement. Likewise, of course, several rows of fuel outlet openings 4 can also be provided, which can be designed according to the preceding examples. Even when the fuel is injected via fuel outlet openings, which are arranged in the axial direction of the burner shells, they can be formed in accordance with the preceding exemplary embodiments. This can be seen by way of example from FIG. 7, which shows in part a) a known burner geometry with the swirl generator 7 and the fuel feeds 8 arranged on the swirl generator 7 with corresponding fuel outlet openings 4. The fuel outlet openings 4 of the individual fuel feeds 8 can, according to partial illustration b), be designed, for example, with different opening diameters in order to achieve different penetration depths. In a further embodiment, the channel axes of the outlet channels of these outlet openings 4 can form different angles both to the radial and to the axial direction of the burner. With such configurations, the same effects can be achieved as explained in connection with the preceding figures.
Wenngleich die Erfindung in erste Linie an einem Doppelkegelbrenner einer aus der EP 0 321 809 Bl bekannten Bauart dargestellt wurde, erkennt der Fachmann ohne Weiteres die Anwendbarkeit der Erfindung auch an anderen Brennerbauarten und Drallerzeugergeometrien, bspw. wie sie aus der EP 780 629 oder der WO 93/17279 bekannt sind. Auch Abwandlungen dieser Brenner- geometrien sind selbstverständlich möglich, solange sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoff- Austrittsöffnungen bei diesen Brennerarten realisieren lässt . So zeigt bspw. Figur 8 ein Beispiel eines Drallerzeugers 7 mit einem rein zylindrischen Drallkörper 17, in den ein konischer Innenkörper 18 eingesetzt ist. In diesem Beispiel sind am brennraumseitigen Ende des Drallraums 12 die Austrittsöffnungen 4 für Synthesegas über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet. Die Brennstoff -Zufuhrkanäle 8 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 vorgesehen sein.Although the invention was primarily shown on a double-cone burner of a type known from EP 0 321 809 B1, the person skilled in the art readily recognizes the applicability of the invention to other types of burner and swirl generator geometries, for example as described in EP 780 629 or WO 93/17279 are known. Modifications of these burner geometries are of course also possible, as long as the configuration of the fuel outlet openings according to the invention can be realized with these types of burners. For example, FIG. 8 shows an example of a swirl generator 7 with a purely cylindrical swirl body 17, in which a conical inner body 18 is inserted. In this example, the outlet openings 4 for synthesis gas are arranged distributed over the circumference of the burner at the combustion chamber end of the swirl chamber 12. The fuel supply channels 8 are not shown in this illustration. Here, too, additional gas outlet openings for natural gas, including the supply lines required for this, can additionally be provided at the tangential air inlet slots (not shown).
Ein weiteres Beispiel eines Brenners, bei dem der Drallerzeuger 7 als Drallgitter ausgebildet ist, über das eintretende Brennluft 19 in Drall versetzt wird, ist schematisch in Figur 9 dargestellt. Über die zu Austrittsöffnungen im Bereich des Drallerzeugers 7 führenden Zuleitungen 20 kann zusätzlicher Brennstoff zur Premix-Beladung in die Brennluft 19 eingebracht werden. Die Zufuhr eines Pilotbrennstoffes oder eines Flüssigbrennstoffes wird über eine zentral in das Innenvolumen 12 ragende Düse 21 realisiert. Auch bei diesem Brenner sind am brennraumseitigen Ende des Innenvolumens 12 die Austrittsöffnungen 4 für das Synthesegas über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet und werden über die Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 mit Synthesegas beaufschlagt. Bei beiden Brennergeometrien der Figuren 8 und 9 lassen sich ersichtlich die gleichen Ausgestaltungen derA further example of a burner, in which the swirl generator 7 is designed as a swirl grille, via which incoming combustion air 19 is swirled, is shown schematically in FIG. 9. Additional fuel for premix loading can be introduced into the combustion air 19 via the feed lines 20 leading to outlet openings in the area of the swirl generator 7. A pilot fuel or a liquid fuel is supplied via a nozzle 21 projecting centrally into the inner volume 12. In this burner, too, the outlet openings 4 for the synthesis gas are arranged distributed over the circumference of the burner at the end of the inner volume 12 on the combustion chamber side and are supplied with synthesis gas via the fuel supply channels 8. With both burner geometries of FIGS. 8 and 9, the same configurations can be seen
Austrittsöffnungen 4 realisieren, wie bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Brenner. BezugszeichenlisteRealize outlet openings 4, as in the burner shown in Figures 2 and 3. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Brennerschale Brennerlängsachse Frontpanel erste Brennstoff -Austrittsöffnung Austrittskanalachse Drallrichtung Drallerzeuger erste Brennstoff- Zuführung Öffnungsschlitz im Drallerzeuger Laschen am Drallerzeuger Laschen am Gaszuführelement Innenvolumen (Drallraum) Gaszuführelement Lufteintrittsschlitze Gehäuse Schnittpunkt Drallkörper Innenkörper Brennluft Zuleitungen Düse Burner bowl Burner longitudinal axis Front panel first fuel outlet opening Outlet channel axis Swirl direction Swirl generator First fuel supply Opening slot in the swirl generator Tabs on the swirl generator Tabs on the gas supply element Internal volume (swirl chamber) Gas supply element Air inlet slots Housing Intersection of swirl body Internal body Combustion air supply lines Nozzle

Claims

Patentansprüche claims
1. Vormischbrenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (7) für einen Verbrennungsluftstrom—und Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger (7) ein oder mehrere Brennluft- Eintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom ein oder mehrere erste1. premix burner, essentially consisting of a swirl generator (7) for a combustion air flow — and means for injecting fuel into the combustion air flow, the swirl generator (7) having one or more combustion air inlet openings for the combustion air flow entering the burner and the means one or more first for injecting fuel into the combustion air flow
Brennstof fZuführungen (8) mit ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) derart ausgebildet sind, dass der Öffnungsdurchmesser der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) und/oder ein Eindüsungswinkel der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) relativ zur axialen und/oder zur radialen Richtung entlang der BrennstoffZuführungen (8) und/oder über den Umfang des Brenners variiert.Fuel supply lines (8) with first fuel outlet openings (4), characterized in that the first fuel outlet openings (4) are designed such that the opening diameter of the first fuel outlet openings (4) and / or an injection angle of the first fuel - Outlet openings (4) vary relative to the axial and / or radial direction along the fuel feeds (8) and / or over the circumference of the burner.
2. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem2. Burner, consisting essentially of one
Drallerzeuger (7) für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in denSwirl generator (7) for a combustion air flow and means for injecting fuel into the
Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger (7) ein oder mehrere Brennluft-Eintrittsöffnungen für den in den Brenner eintretenden Verbrennungs- luftstrom aufweist und die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbr luftstrom ein oder mehrere erste BrennstoffZuführungen (8) mit ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) in ein oder mehreren ersten Gruppen von nahe beieinander liegenden Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) angeordnet sind, derart, dass jede der ersten Gruppen einen Brennstoff- strahl mit großem Strahlquerschnitt erzeugt.Combustion air flow, the swirl generator (7) having one or more combustion air inlet openings for the combustion air flow entering the burner and the means for injecting fuel into the combustion air flow or comprise a plurality of first fuel inlets (8) with first fuel outlet openings (4), characterized in that at least some of the first fuel outlet openings (4) are arranged in one or more first groups of fuel outlet openings (4) which are close to one another, such that each of the first groups generates a fuel jet with a large jet cross section.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) in ein oder mehreren ersten Gruppen von nahe beieinander liegenden Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) angeordnet sind, derart, dass jede der ersten Gruppen einen Brennstoff- strahl mit großem Strahlquerschnitt erzeugt.3. Burner according to claim 1, characterized in that at least some of the first fuel outlet openings (4) are arranged in one or more first groups of fuel outlet openings (4) located close to one another, such that each of the first groups has a fuel beam with a large beam cross section.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest einige der ersten Gruppen von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) durch unterschiedliche Öffnungsdurchmesser der jeweiligen Brennstoff-Austrittsöffnungen unterscheiden.4. Burner according to one of claims 2 or 3, characterized in that at least some of the first groups of first fuel outlet openings (4) differ by different opening diameters of the respective fuel outlet openings.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass verbleibende, nicht in ersten Gruppen angeordnete erste Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) einen geringeren Öffnungsdurchmesser aufweisen als die in ein oder mehreren ersten Gruppen angeordneten ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) .5. Burner according to one of claims 2 to 4, characterized in that remaining, not arranged in first groups first fuel outlet openings (4) have a smaller opening diameter than that in one or more first groups arranged first fuel outlet openings (4).
Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindüsungswinkel der ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) relativ zur axialen Richtung über den Umfang zwischen zumindest zwei Werten alterniert.Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the injection angle of the first fuel outlet openings (4) relative to the axial direction alternates over the circumference between at least two values.
7. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdurchmesser der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) über den Umfang zwischen zumindest zwei Werten alterniert.7. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the opening diameter of the first fuel outlet openings (4) alternates over the circumference between at least two values.
8. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) mit einem größeren Eindüsungswinkel relativ zur axialen Richtung einen größeren Öffnungsdurchmesser aufweisen als erste Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) mit einem kleineren Eindüsungswinkel .8. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that first fuel outlet openings (4) with a larger injection angle relative to the axial direction have a larger opening diameter than first fuel outlet openings (4) with a smaller injection angle.
9. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindüsungswinkel relativ zur radialen Richtung derart gewählt ist, dass sich an den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) austretende Brennstoffstrahlen unterschiedlicher zweiter Gruppen von ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) jeweils in unterschiedlichen Punkten (16) ausserhalb einer zentralen Brennerlängsachse (2) schneiden.9. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the injection angle relative to the radial direction is selected such that at the first fuel outlet openings (4) emerging fuel jets of different second groups of first fuel outlet openings (4) each in different points (16) cut outside a central burner longitudinal axis (2).
10. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) an einem brennraumseitigen Ende des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet sind.10. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the first fuel outlet openings (4) are arranged distributed over the circumference of the burner at an end of the burner on the combustion chamber side.
11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen (4) in einer Reihe angeordnet sind.11. Burner according to claim 10, characterized in that the first fuel outlet openings (4) are arranged in a row.
12. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (8) mechanisch von dem Drallerzeuger (7) entkoppelt sind.12. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more first fuel feeds (8) are mechanically decoupled from the swirl generator (7).
13. Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (8) mit den ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) ein erstes den13. Burner according to claim 12, characterized in that the one or more first fuel feeds (8) with the first fuel outlet openings (4) a first
Drallerzeuger (7) umgebendes Bauteil (13) bilden, wobei der Drallerzeuger (7) am brennraumseitigen Ende Öffnungen (9) für den Zugang der ersten Austrittsöffnungen (4) zu einem Innenvolumen (12) des Brenners aufweist.Form swirl generator (7) surrounding component (13), the swirl generator (7) having openings (9) at the combustion chamber end for the access of the first outlet openings (4) to an internal volume (12) of the burner.
14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (13) über Verbindungs- laschen (10, 11) mit dem Drallerzeuger (7) verbunden ist.14. Burner according to claim 13, characterized in that the first component (13) is connected to the swirl generator (7) via connecting straps (10, 11).
15. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste BrennstoffZuführung (8) als am Umfang des Drallerzeugers (7) verlaufender Ringschlitz ausgebildet ist.15. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the first fuel feed (8) is designed as an annular slot running on the circumference of the swirl generator (7).
16. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen (8) mit den ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen (4) im Wesentlichen entlang der axialen Richtung am Drallerzeuger (7) angeordnet sind .16. Burner according to one of claims 1 to 9, characterized in that the one or more first fuel feeds (8) with the first fuel outlet openings (4) are arranged substantially along the axial direction on the swirl generator (7).
17. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zweite BrennstoffZuführungen mit einer Gruppe von im Wesentlichen entlang der axialen Richtung angeordneten zweiten Brennstoff- Austrittsöffnungen am Drallerzeuger (7) angeordnet sind.17. Burner according to one of claims 1 to 15, characterized in that one or more second fuel feeds with a group of second fuel outlet openings arranged essentially along the axial direction are arranged on the swirl generator (7).
18. Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren ersten Brennstoff- Zuführungen (8) mit einem Querschnitt ausgestaltet sind, der einen mehrfach höheren Volumenstrom als die ein oder mehreren zweiten Brennstoffzuführungen ermöglicht. 18. Burner according to claim 17, characterized in that the one or more first fuel feeds (8) are designed with a cross section that enables a volume flow that is several times higher than that of the one or more second fuel feeds.
19. Brenner nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Innenvolumen (12) des Brenners ein Innenkörper (18) angeordnet ist, wobei die zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen wenigstens einer zweiten BrennstoffZuführung im Wesentlichen entlang der axialen Richtung verteilt auf dem Innenkörper (18) angeordnet sind.19. Burner according to one of claims 17 or 18, characterized in that an inner body (18) is arranged in an inner volume (12) of the burner, wherein the second fuel outlet openings of at least one second fuel supply distributed substantially along the axial direction on the Inner body (18) are arranged.
20. Brenner nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen derart ausgebildet sind, dass der Öffnungs- durchmesser der zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen und/oder ein Eindüsungswinkel der zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen relativ zur axialen und/oder zur radialen Richtung entlang der BrennstoffZuführungen und/oder über den Umfang des Brenners variiert.20. Burner according to one of claims 17 to 19, characterized in that the second fuel outlet openings are designed such that the opening diameter of the second fuel outlet openings and / or an injection angle of the second fuel outlet openings relative to the axial and / or to the radial direction along the fuel feeds and / or over the circumference of the burner.
21. Brenner nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der zweiten Brennstoff- Austrittsöffnungen derart in ein oder mehreren dritten Gruppen von nahe beieinander liegenden Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet sind, dass jede der dritten Gruppen einen Brennstoff- strahl mit großem Strahlquerschnitt erzeugt.21. Burner according to one of claims 17 to 20, characterized in that at least some of the second fuel outlet openings are arranged in one or more third groups of closely spaced fuel outlet openings such that each of the third groups has a large fuel jet Beam cross section generated.
22. Brenner nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu der bzw. den ersten und zu der bzw. den zweiten Brennstof fZuführungen vorgesehen sind.22. Burner according to one of claims 17 to 21, characterized in that means for independent control of the Premixed fuel supply to the first and to the second fuel supply or are provided.
23. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (7) als Drallgitter ausgebildet ist.23. Burner according to one of claims 1 to 22, characterized in that the swirl generator (7) is designed as a swirl grid.
24. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft-Eintrittsöffnungen im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende tangentiale Eintrittsschlitze (14) sind.24. Burner according to one of claims 1 to 23, characterized in that the combustion air inlet openings are tangential inlet slots (14) extending essentially in the axial direction.
25. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass über die erste (n) BrennstoffZuführung (en) (8) Synthesegas und über die zweite (n) BrennstoffZuführung (en) Erdgas zugeführt wird. 25. A method of operating a burner according to one of claims 17 to 24, characterized in that synthesis gas is supplied via the first fuel supply (s) (8) and natural gas is supplied via the second (n) fuel supply (s).
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