EP1524473A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff - Google Patents

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EP1524473A1
EP1524473A1 EP03023210A EP03023210A EP1524473A1 EP 1524473 A1 EP1524473 A1 EP 1524473A1 EP 03023210 A EP03023210 A EP 03023210A EP 03023210 A EP03023210 A EP 03023210A EP 1524473 A1 EP1524473 A1 EP 1524473A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
fuel
mixture
combustion
circulation flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03023210A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Lauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP03023210A priority Critical patent/EP1524473A1/de
Priority to EP04790361A priority patent/EP1673576B1/de
Priority to DE502004007082T priority patent/DE502004007082D1/de
Priority to JP2006530150A priority patent/JP4499734B2/ja
Priority to PCT/EP2004/011490 priority patent/WO2005038348A1/de
Priority to ES04790361T priority patent/ES2303104T3/es
Priority to US10/575,514 priority patent/US20070141519A1/en
Priority to CN2004800283630A priority patent/CN1860334B/zh
Publication of EP1524473A1 publication Critical patent/EP1524473A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36—Supply of different fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for Combustion of fuel in a combustion chamber.
  • So-called standard low-NOx systems are with a premix of fuel and combustion air before entering one Provided combustion chamber. Inside the combustion chamber will be below a forming flame stabilizes and the oxidation reaction controlled by it. Due to remaining Blends occur locally within the combustion chamber high temperatures, resulting in an undesirably high NOx emission being able to lead. Therefore, in standard low-NOx systems the flame is usually primarily aerodynamically stabilized, whereby hot combustion gases are recirculated, so that they mix with the mixture entering the combustion chamber Fuel and combustion air react. The aerodynamic stabilization is supported by the use of hot support flames (so-called piloting), leading to further inhomogenization the temperature distribution in the combustion chamber being able to lead. Such an inhomogeneous temperature distribution can be an additional source of nitric oxide be. It is therefore common for standard low-NOx systems the primary NOx emissions from a catalytic Emission control can be lowered.
  • catalytic combustion systems are currently limited so that, for example, for high-temperature combustion systems, such as. stationary gas turbines state-of-the-art Type, no catalytic burns are used can. Only in smaller stationary gas turbines become catalytic Combustion systems already used.
  • Flameless Oxidation Burner known, as for example in EP 0 463 218 B1 are described.
  • Combustion air is preheated by means of the exhaust gas and in a Radial edge region of a combustion chamber fed with a high pulse.
  • a fuel gas injected In the center of the combustion chamber is separately a fuel gas injected.
  • the preheated combustion air mixes in the edge area the combustion chamber with recirculating exhaust and inside with the separately supplied fuel gas.
  • the invention is based on the object, a method and a device for burning fuel in one Combustion chamber in particular for gas turbines to create in which a stable and complete combustion as well as distinct Reduced NOx emissions can be achieved.
  • the object is according to the invention with a method for Burning of fuel dissolved in a combustion chamber, at the fuel and combustion air before entering the combustion chamber be mixed while avoiding auto-ignition, a first part of the mixture is introduced into the combustion chamber is that it circulates in the combustion chamber, in the Circulation flow of the first part of the mixture further Fuel is supplied until a warm up to ignition conditions guaranteed, and at least a second part the mixture is introduced into the combustion chamber, that he is with an outflow from the circulation flow, hot fuel gas mixes, heats up and up to his Exit from the combustion chamber burns.
  • the task is further comprising a device for burning fuel in a combustion chamber dissolved, with a mixing device for mixing of fuel and combustion air before entering the Combustion chamber, avoiding auto-ignition, a first Mixture introduction device for introducing a first part of the mixture into the combustion chamber, such that the first part of the mixture circulates in the combustion chamber, a fuel introduction device for supplying further fuel into the circulation flow of the first part of the mixture, until a warm-up to ignition conditions would be ensured, and at least one second mixture introduction device for Introducing at least a second part of the mixture into the combustion chamber, such that the at least one second part of the mixture with a flowing out of the circulation flow, hot fuel gas mixes, heats up and up burns out of the combustion chamber.
  • a first quantity of fuel e.g. Fuel gas 1
  • combustion air before entering the combustion chamber premixed while avoiding autoignition.
  • a comparatively low temperature level which is lower as the mean temperature level of comparable Combustion reactions.
  • the burning of this part of the Mixture therefore leads to a relatively low NOx formation.
  • the mixture of fuel and combustion air is according to the invention so introduced into the combustion chamber that a first part of the mixture is circulated in a recirculation vortex and at least a second part of the mixture itself with the effluent from the vortex hot exhaust gas or fuel gas mixed.
  • By mixing with the hot exhaust gas is this part of the mixture is heated in sufficient form and burned to the combustion chamber outlet.
  • a separate pilot in conventional form, however, according to the invention avoided and on aerodynamic stabilization measures by swirl generator can also be dispensed with.
  • the inventive addition of the remaining fuel in one or more further stages (s) for example fuel gas 2 so much energy is provided in the recirculation vortex, that a warming of the entire air / fuel mixture would be guaranteed on ignition conditions or until ignition conditions are present.
  • the further fuel is admixed according to the invention such that a homogeneous Interference in the fuel gas at low temperature level he follows. In this way, according to the invention temperature peaks avoided within the combustion chamber. A special low NOx formation from this area of the reacting Fuel gas flow is the result.
  • the fuel and the combustion air before a Entrance to the combustion chamber mixed so that the ratio combustion air to fuel above the average air / fuel ratio combustion in the combustion chamber lies.
  • the device according to the invention can be particularly advantageous be configured by the first and / or the second Part of the mixture (and / or other parts in a multi-stage Fuel addition) from fuel and combustion air a centrally disposed in the combustion chamber body introduced becomes.
  • a central Zuström emotions arranged the first and / or the second mixture-introduction device.
  • the inventively desired circulation flow of the first part of the mixture and the introduction of the second part of the mixture in outflowing, hot fuel gas can then be relatively easily realized fluidically become.
  • a central inflow body for the first and / or the second Part of the mixture of fuel and combustion air offers further advantageously the possibility that a device for Introducing liquid fuel integrated into the combustion chamber becomes.
  • a centrally arranged mixture introduction device is further characterized by the flowing in her mixture of fuel and combustion air cooled, whereby the mixture minimally heated becomes. The heating has a further homogenization of the temperature level within the circulation flow according to the invention result.
  • the circulation flow itself is advantageous according to the invention in a peripheral region of the combustion chamber, i. in one formed radially outer portion of the combustion chamber.
  • One thus formed recirculation vortex forms advantageous the basis for the most homogeneous possible interference of further fuel into the combustion chamber.
  • the Combustion chamber is designed substantially cylindrical and the first part of the mixture of fuel and combustion air substantially is introduced radially into the combustion chamber.
  • the radial introduction of the first part of the mixture is the inventively desired circulation flow excited and maintained.
  • an annular combustion chamber provided with a correspondingly designed fuel supply be.
  • the other Fuel advantageously substantially axially into the combustion chamber brought in.
  • Such addition of residual fuel (Fuel gas 2) in the recirculation vortex provides the required Amount of energy ready, thus the desired warming up of the entire air / fuel mixture to ignition conditions would be guaranteed.
  • Another advantage of an axial Introducing the other fuel is that the supplied more fuel at the same time also for cooling the combustion chamber end wall contributes and thereby the further Fuel is slightly preheated.
  • the circulation flow according to the invention and operated the combustion produced stable can be beneficial in it per unit of time about 5% to 25%, in particular between about 10% and 20%, the total fuel supplied during a unit time Combustion air mass (total gas mass) recirculated.
  • Fig. 1 is a device 10 for burning fuel in a combustion chamber in the form of a burner for a stationary gas turbine shown.
  • the device 10 has as an essential component of a combustion chamber 12, which in the Essentially circular cylindrical formed along an axis 14 is.
  • the combustion chamber 12 is one with respect to FIG. 1 shown above, first end wall 16, one of them starting downwardly extending outer wall 18 and a, 1, bottom, second end wall 20 formed.
  • the first end wall 16 is arranged centrally Body 22 passes through, which is essentially circular cylindrical is and also extends along the axis 14.
  • the body 22 is concentric with an outer tube 24 and one therein arranged inner tube 26 designed.
  • the outer tube 24 is penetrated by radially outwardly directed nozzles 28, with reference to FIG. 1 at the lower end of the outer tube 24 are located. Otherwise, the outer tube 24 is at this End area closed.
  • the upper end of the outer tube 24 is a further not further illustrated air supply 30 and in Inside the outer tube also not shown in detail Fuel gas supply 32 is provided.
  • Fuel gas supply 32 is provided.
  • a first partial stream 36 of this mixture 34 exits a portion of the nozzles 28 into the environment the outer tube 24 and thus into the interior of the combustion chamber 12th out.
  • a second partial stream 38 of the mixture 34 passes through further nozzles 28 ', based on the above-mentioned nozzles 28 of the first partial flow 36 and with reference to FIG. 1 on are arranged at the bottom of the outer tube 24.
  • the outer tube 24 is substantially of a recirculation space 40 surrounded at the inside of the combustion chamber 12th another combustion chamber 42 connects. Between the recirculation room 40 and the other combustion chamber 42 are on the inside the outer wall 18 flow guide 44 arranged.
  • first partial flow 36th (as well as the second partial flow 38) is within the recirculation space 40 a circulation flow 46 excited and stabilized, starting from the nozzles 28 initially radially directed outwards, subsequently towards the first end wall 16 and directed radially inwardly along this is and finally from the first end wall 16 again reaches the nozzles 28.
  • Fuel gas supply 48 is provided. Through this further Fuel gas supply 48 passes further fuel gas in the circulation flow 46th
  • the air supply 30 and the fuel gas supply 32 to the Nozzles 28 and 28 'a mixture 34 of fuel gas and combustion air supplied, in which the ratio of air and fuel gas over the average air / fuel gas ratio of the later combustion is within the combustion chamber 12. That way is a self-ignition of the mixture 34 avoided.
  • the mixture 34 is the first partial flow 36 and second partial flow 38 introduced substantially radially into the combustion chamber 12.
  • the nozzles 28 are arranged and shaped in this way, that the first partial flow 36 substantially in the Circulation 46 flows and thus within the recirculation space stimulates a recirculation vortex.
  • Addition of further fuel gas through the further fuel gas supply 48 in a substantially axial direction becomes the recirculation vortex additionally supported and so much energy provided that, in principle, a warm-up of the entire Mixture is ensured on ignition conditions.
  • the second partial stream 38 of the mixture 34 and optionally further partial flows occurs / occur through the example as Tubes designed nozzles 28 'directly into the outflowing Fuel gas 50 or can at a not shown Recycle full or partial embodiment also.
  • the outflowing fuel gas 50 is comparatively hot, so that the second partial flow 38 is heated in sufficient form and also fully reacted to the exit 52.
  • the centrally arranged body 22 and the inner tube 26 formed therein the possibility integration of liquid fuel nozzles so that the device 10 as a whole two-fuel system can be used.
  • the device 10 can also liquid fuel in a comparatively low-pollution manner and oxidized, which in conventional systems with Catalysts is not possible so far.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer (12) führen zu einer besonders NOx-armen Verbrennung, indem Brennstoff und Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer (12) unter Vermeidung von Selbstzündung gemischt werden, ein erster Teil (36) des Gemisches (34) derart in die Brennkammer (12) eingebracht wird, dass er in der Brennkammer (12) zirkuliert, in die Zirkulationsströmung (46) des ersten Teils (36) des Gemisches (34) weiterer Brennstoff zugeführt wird, bis ein Aufwärmen auf Zündbedingungen gewährleistet wäre, und mindestens ein zweiter Teil (38) des Gemisches (34) derart in die Brennkammer (12) eingebracht wird, dass er sich mit einem aus der Zirkulationsströmung (46) abströmenden, heißen Brenngas (50) mischt, sich erwärmt und bis zu seinem Austritt aus der Brennkammer (12) verbrennt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer.
Das klassische Verfahren zur Umwandlung von Brennstoffenergie in Wärme ist die Oxidation bzw. Verbrennung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff mit einem Oxidationsmittel wie beispielsweise Luftsauerstoff. Bei heutigen, hochbelasteten Verbrennungssystemen besteht ganz allgemein das Problem, dass diese für sehr niedrige Emissionen, insbesondere niedrige NOx-Emissionen auszulegen sind. Die Verbrennungssysteme sollen im gesamten Betriebsbereich eine stabile und vollständige Verbrennung ermöglichen und dabei vergleichsweise wartungsarm und kostengünstig arbeiten. Um dieses Problem ansatzweise zu lösen, sind Verbrennungssysteme bekannt, die in drei Gruppen unterteilt werden:
Sogenannte Standard Low-NOx Systeme sind mit einer Vormischung von Brennstoff und Brennluft vor einem Eintritt in eine Brennkammer versehen. Innerhalb der Brennkammer wird nachfolgend eine sich ausbildende Flamme stabilisiert und die Oxidationsreaktion dadurch gesteuert. Aufgrund von verbleibenden Ungemischtheiten treten innerhalb der Brennkammer lokal hohe Temperaturen auf, die zu einer unerwünscht hohen NOx-Emission führen können. Daher wird bei Standard Low-NOx Systemen die Flamme in der Regel primär aerodynamisch stabilisiert, wodurch heiße Verbrennungsgase rezirkuliert werden, damit sie mit dem in die Brennkammer eintretenden Gemisch aus Brennstoff und Brennluft reagieren. Die aerodynamische Stabilisierung wird durch den Einsatz von heißen Stützflammen unterstützt (sogenannte Pilotierung), die zu einer weiteren Inhomogenisierung der Temperaturverteilung in der Brennkammer führen können. Eine solche inhomogene Temperaturverteilung kann eine zusätzliche Quelle für das Entstehen von Stickoxiden sein. Es ist daher üblich, dass bei Standard Low-NOx Systemen die primär entstandenen NOx-Emissionen durch eine katalytische Abgasreinigung abgesenkt werden.
Der Einsatzbereich von katalytischen Verbrennungssystemen ist zur Zeit begrenzt, sodass beispielsweise für Hochtemperatur-Verbrennungssysteme, wie z.B. stationäre Gasturbinen modernster Bauart, keine katalytische Verbrennungen verwendet werden können. Nur in kleineren stationären Gasturbinen werden katalytische Verbrennungssysteme bereits eingesetzt.
Für industrielle Verbrennungssysteme sind sogenannte Flameless Oxidation Burner bekannt, wie sie beispielsweise in EP 0 463 218 B1 beschrieben sind. Bei diesen Verbrennungssystemen wird Brennluft mit Hilfe des Abgases vorgewärmt und in einem radialen Randbereich einer Brennkammer mit hohem Impuls zugeführt. Im Zentrum der Brennkammer wird separat ein Brenngas eingedüst. Die vorgewärmte Brennluft mischt sich im Randbereich der Brennkammer mit rezirkulierendem Abgas und innen mit dem separat zugeführten Brenngas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer insbesondere für Gasturbinen zu schaffen, bei denen eine stabile und vollständige Verbrennung sowie deutlich reduzierte NOx-Emissionen erreicht werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer gelöst, bei dem Brennstoff und Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer unter Vermeidung von Selbstzündung gemischt werden, ein erster Teil des Gemisches derart in die Brennkammer eingebracht wird, dass er in der Brennkammer zirkuliert, in die Zirkulationsströmung des ersten Teils des Gemisches weiterer Brennstoff zugeführt wird, bis eine Aufwärmung auf Zündbedingungen gewährleistet wäre, und mindestens ein zweiter Teil des Gemisches derart in die Brennkammer eingebracht wird, dass er sich mit einem aus der Zirkulationsströmung abströmenden, heißen Brenngas mischt, sich erwärmt und bis zu seinem Austritt aus der Brennkammer verbrennt. Die Aufgabe ist ferner mit einer Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer gelöst, mit einer Mischeinrichtung zum Mischen von Brennstoff und Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer unter Vermeidung von Selbstzündung, einer ersten Gemisch-Einleiteinrichtung zum Einbringen eines ersten Teils des Gemisches in die Brennkammer, derart dass der erste Teil des Gemisches in der Brennkammer zirkuliert, einer Brennstoff-Einleiteinrichtung zum Zuführen von weiterem Brennstoff in die Zirkulationsströmung des ersten Teils des Gemisches, bis eine Aufwärmung auf Zündbedingungen gewährleistet wäre, und mindestens einer zweiten Gemischeinleiteinrichtung zum Einbringen mindestens eines zweiten Teils des Gemisches in die Brennkammer, derart, dass der mindestens eine zweite Teil des Gemisches sich mit einem aus der Zirkulationsströmung abströmenden, heißen Brenngas mischt, sich erwärmt und bis zu seinem Austritt aus der Brennkammer verbrennt.
Erfindungsgemäß wird eine erste Menge Brennstoff (z.B. ein Brenngas 1) mit Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer unter Vermeidung von Selbstzündung vorgemischt. Bei der späteren Reaktion von Teilen dieses Gemisches liegt ein vergleichsweise tiefes Temperaturniveau vor, welches niedriger als das mittlerer Temperaturniveau von vergleichbaren Verbrennungsreaktionen ist. Die Verbrennung dieses Teils des Gemisches führt daher zu einer verhältnismäßig geringen NOx-Bildung. Das Gemisch aus Brennstoff und Brennluft wird erfindungsgemäß derart in die Brennkammer eingeleitet, dass ein erster Teil des Gemisches in einem Rezirkulationswirbel zirkuliert und mindestens ein zweiter Teil des Gemisches sich mit dem aus dem Wirbel abströmenden heißen Abgas bzw. Brenngas mischt. Durch die Vermischung mit dem heißen Abgas wird dieser Teil des Gemisches in ausreichender Form erwärmt und bis zum Brennkammer-Austritt verbrannt. Eine separate Pilotierung in konventioneller Form wird erfindungsgemäß hingegen vermieden und auf aerodynamische Stabilisierungsmaßnahmen durch Drallerzeuger kann ebenfalls verzichtet werden.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe des restlichen Brennstoffs in einer oder auch in mehreren weiteren Stufe(n) (z.B. Brenngas 2) in den Rezirkulationswirbel wird soviel Energie bereitgestellt, dass eine Aufwärmung des gesamten Luft-/Brennstoff-Gemisches auf Zündbedingungen gewährleistet wäre bzw. bis Zündbedingungen vorliegen. Der weitere Brennstoff wird erfindungsgemäß derart zugemischt, dass eine homogene Einmischung in das Brenngas bei niedrigem Temperaturniveau erfolgt. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß Temperaturspitzen innerhalb der Brennkammer vermieden. Eine besonders geringe NOx-Bildung aus diesem Bereich des reagierenden Brenngasstroms ist die Folge.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Brennstoff und die Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer derart gemischt, dass das Verhältnis von Brennluft zu Brennstoff über dem mittleren Luft-/Brennstoff-Verhältnis der Verbrennung in der Brennkammer liegt. Durch das erfindungsgemäß hohe Luft-/Brennstoff-Verhältnis wird ein vergleichsweise tiefes Temperaturniveau gewährleistet, wodurch die NOx-Bildung herabgesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft ausgestaltet sein, indem der erste und und/oder der zweite Teil des Gemisches (und/oder weitere Teile bei einer mehrstufigen Brennstoffzugabe) aus Brennstoff und Brennluft durch einen zentral in der Brennkammer angeordneten Körper eingebracht wird. In einem solchen zentralen Zuströmkörper sind die erste und/oder die zweite Gemisch-Einleiteinrichtung angeordnet. Die erfindungsgemäß angestrebte Zirkulationsströmung des ersten Teils des Gemisches und das Einleiten des zweiten Teils des Gemisches in abströmendes, heißes Brenngas kann dann strömungstechnisch verhältnismäßig einfach realisiert werden.
Ein zentraler Zuströmkörper für den ersten und/oder den zweiten Teil des Gemisches aus Brennstoff und Brennluft bietet ferner vorteilhaft die Möglichkeit, dass eine Einrichtung zum Einleiten von Flüssigbrennstoff in die Brennkammer integriert wird. Eine zentral angeordnete Gemisch-Einleiteinrichtung wird ferner durch das in ihr strömende Gemisch aus Brennstoff und Brennluft gekühlt, wodurch das Gemisch minimal erwärmt wird. Die Erwärmung hat eine weitere Homogenisierung des Temperaturniveaus innerhalb der erfindungsgemäßen Zirkulationsströmung zur Folge.
Die Zirkulationsströmung selbst wird erfindungsgemäß vorteilhaft in einem peripheren Bereich der Brennkammer, d.h. in einem radial äußeren Abschnitt der Brennkammer ausgebildet. Ein derart ausgebildeter Rezirkulationswirbel bildet vorteilhaft die Grundlage für eine möglichst homogene Einmischung von weiterem Brennstoff in die Brennkammer.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn die Brennkammer im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist und der erste Teil des Gemisches aus Brennstoff und Brennluft im Wesentlichen radial in die Brennkammer eingebracht wird. Durch das radiale Einbringen des ersten Teils des Gemisches wird die erfindungsgemäß angestrebte Zirkulationsströmung angeregt und aufrechterhalten. Alternativ kann eine Ringbrennkammer mit einer entsprechend gestalteten Brennstoffzuführung vorgesehen sein.
Im Gegensatz zu einer radialen Einbringung des ersten Teils des Gemisches aus Brennstoff und Brennluft wird der weitere Brennstoff vorteilhaft im Wesentlichen axial in die Brennkammer eingebracht. Eine solche Zugabe von restlichem Brennstoff (Brenngas 2) in den Rezirkulationswirbel, stellt die erforderliche Energiemenge bereit, damit die angestrebte Aufwärmung des gesamten Luft-/Brennstoff-Gemisches auf Zündbedingungen gewährleistet würde. Ein weiterer Vorteil einer axialen Einbringung des weiteren Brennstoffs ist es, dass der zugeführte weitere Brennstoff zugleich auch zu einer Kühlung der Brennkammer-Stirnwand beiträgt und dadurch der weitere Brennstoff geringfügig vorgewärmt wird.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit ausgeführte Verfahren vergleichsweise einfach zu gestalten, wird der erste und der zweite Teil des Gemisches aus Brennstoff und Brennluft vorteilhaft als ein gemeinsamer Strom in die Brennkammer eingeleitet und erst innerhalb der Brennkammer aufgeteilt.
Beim Einbringen von einem oder beiden Teilen des Gemisches aus Brennstoff und Brennluft können vorteilhaft besonders angepasste Düsen verwendet werden, damit die jeweiligen Teile des Gemisches besonders gezielt und dosiert in die Zirkulationsströmung gelangen. Damit die erfindungsgemäße Zirkulationsströmung und die damit erzeugte Verbrennung stabil betrieben werden können, wird vorteilhaft in ihr pro Zeiteinheit etwa 5% bis 25%, insbesondere zwischen etwa 10% und 20%, der gesamten während einer Zeiteinheit zugeführten Brennstoffund Brennluftmasse (Gesamtgasmasse) rezirkuliert.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbrennern von Brennstoff in einer Brennkammer.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer in Gestalt eines Brenners für eine stationäre Gasturbine dargestellt. Die Vorrichtung 10 weist als wesentliches Bauelement eine Brennkammer 12 auf, die im Wesentlichen kreiszylindrisch längs einer Achse 14 ausgebildet ist. Die Brennkammer 12 ist mit einer, bezogen auf Fig. 1 oben dargestellten, ersten Stirnwand 16, einer sich davon ausgehend nach unten erstreckenden Außenwand 18 und einer, bezogen auf Fig.1 unten liegenden, zweiten Stirnwand 20 gebildet.
Die erste Stirnwand 16 ist von einem zentral angeordneten Körper 22 durchsetzt, der im Wesentlichen kreiszylindrisch ist und sich ebenfalls längs der Achse 14 erstreckt. Der Körper 22 ist mit einem Außenrohr 24 und einem darin konzentrisch angeordneten Innenrohr 26 gestaltet. Das Außenrohr 24 ist von radial nach außen gerichteten Düsen 28 durchsetzt, die sich bezogen auf Fig. 1 am unteren Endbereich des Außenrohres 24 befinden. Im übrigen ist das Außenrohr 24 an diesem Endbereich verschlossen.
An dem bezogen auf Fig. 1 oberen Ende des Außenrohres 24 ist eine weiter nicht näher veranschaulichte Luftzufuhr 30 und im Inneren des Außenrohres eine ebenfalls nicht genauer dargestellte Brenngaszufuhr 32 vorgesehen. Durch die Luftzufuhr 30 und die Brenngaszufuhr 32 wird Luft bzw. ein erstes Brenngas in das Außenrohr 24 zugeführt, in dem sich nachfolgend in Strömungsrichtung auf die Düsen 28 ein Gemisch 34 aus Brenngas und Brennluft bildet. Ein erster Teilstrom 36 dieses Gemisches 34 tritt aus einem Teil der Düsen 28 in die Umgebung des Außenrohres 24 und damit ins Innere der Brennkammer 12 aus. Ein zweiter Teilstrom 38 des Gemisches 34 tritt durch weitere Düsen 28' aus, die bezogen auf die oben genannten Düsen 28 des ersten Teilstroms 36 und bezogen auf Fig. 1 weiter unten an dem Außenrohr 24 angeordnet sind.
Das Außenrohr 24 ist im Wesentlichen von einem Rezirkulationsraum 40 umgeben, an den sich innerhalb der Brennkammer 12 ein weitere Brennraum 42 anschließt. Zwischen dem Rezirkulationsraum 40 und dem weiteren Brennraum 42 sind an der Innenseite der Außenwand 18 Strömungsleitflächen 44 angeordnet.
Mit Hilfe dieser Strömungsleitflächen 44 und der nachfolgend noch genauer erläuterten Einleitung des ersten Teilstroms 36 (sowie des zweiten Teilstroms 38) wird innerhalb des Rezirkulationsraums 40 eine Zirkulationsströmung 46 angeregt und stabilisiert, die ausgehend von den Düsen 28 zunächst radial nach außen gerichtet ist, nachfolgend in Richtung auf die erste Stirnwand 16 und radial nach innen entlang dieser gerichtet ist und schließlich von der ersten Stirnwand 16 wieder zu den Düsen 28 gelangt.
An der ersten Stirnwand 16 ist eine weitere, nicht näher veranschaulichte Brenngaszufuhr 48 vorgesehen. Durch diese weitere Brenngaszufuhr 48 gelangt weiteres Brenngas in die Zirkulationsströmung 46.
Aus der Zirkulationsströmung 46 tritt schließlich im Bereich vor den Düsen 28' abströmendes Brenngas 50 aus und gelangt durch den weiteren Brennraum 42 hindurch zu einem Austritt 52, der in der Stirnwand 20 als eine im Wesentlichen zentrale Öffnung ausgebildet ist. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Brennkammer als Ringbrennkammer gestaltet ist, ist diese Öffnung kreisringförmig.
Während des Betriebs der Vorrichtung 10 wird durch das Außenrohr 24, die Luftzufuhr 30 und die Brenngaszufuhr 32 zu den Düsen 28 sowie 28' ein Gemisch 34 aus Brenngas und Brennluft zugeführt, bei dem das Verhältnis von Luft und Brenngas über dem mittleren Luft-/Brenngas-Verhältnis der späteren Verbrennung innerhalb der Brennkammer 12 liegt. Auf diese Weise ist eine Selbstzündung des Gemisches 34 vermieden.
Das Gemisch 34 wird als erster Teilstrom 36 und zweiter Teilstrom 38 im Wesentlichen radial in die Brennkammer 12 eingebracht. Dabei sind die Düsen 28 derart angeordnet und ausgeformt, dass der erste Teilstrom 36 im Wesentlichen in die Zirkulationsströmung 46 gelangt und damit innerhalb des Rezirkulationsraums einen Rezirkulationswirbel anregt. Durch Zugabe von weiterem Brenngas durch die weitere Brenngaszufuhr 48 in einer im Wesentlichen axialen Richtung wird der Rezirkulationswirbel zusätzlich gestützt und derart viel Energie bereitgestellt, dass im Prinzip eine Aufwärmung des gesamten Gemisches auf Zündbedingungen gewährleistet ist.
An der weiteren Brenngaszufuhr 48 wird pro Zeiteinheit eine solche Gasmenge zugemischt, dass eine möglichst homogene Einmischung in den Rezirkulationswirbel erfolgt und Temperaturspitzen vermieden werden. Die Einmischung erfolgt bei einem vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau, sodass zwar eine Reaktion des Brenngases mit der Brennluft stattfindet, diese Reaktion aber nur zu sehr geringen NOx-Emissionen führt. Die Brenngaszufuhr 48 trägt darüber hinaus zur Kühlung der ersten Stirnwand 16 der Brennkammer 12 bei.
Innerhalb einer stabilen Zirkulationsströmung 46 strömt pro Zeiteinheit zwischen etwa 10% und 20% der gesamten während einer Zeiteinheit zugeführten Brennluft- und Brenngasmasse. Diese Gesamtgasmasse wird im Rezirkulationswirbel vorgewärmt. Die dabei erzielte Verbrennung bzw. Reaktion des Gemisches 34 erfolgt bei einer besonders homogenen Gasdurchmischung und einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau unter Vermeidung von Temperaturspitzen. Auf eine separate Pilotierung in konventioneller Form oder auf aerodynamische Stabilisierungsmaßnahmen durch Drallerzeuger kann daher bei der Brennkammer 12 verzichtet werden. Ein weiterer Hauptvorteil der Brennkammer 12 und der daran ausgebildeten zweistufigen Zufuhr von Brenngas in den Rezirkulationsraum 40 ist, dass auf Katalysatoren verzichtet werden kann.
Der zweite Teilstrom 38 des Gemisches 34 und gegebenenfalls weitere Teilströme tritt/treten durch die beispielsweise als Röhrchen ausgestalteten Düsen 28' unmittelbar in das abströmende Brenngas 50 ein oder kann bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ganz oder teilweise ebenfalls rezirkulieren. Das abströmende Brenngas 50 ist vergleichsweise heiß, sodass der zweite Teilstrom 38 in ausreichender Form erwärmt und ebenfalls bis zum Austritt 52 vollständig reagiert.
Abschließend sei angemerkt, dass der zentral angeordnete Körper 22 und das darin ausgebildete Innenrohr 26 die Möglichkeit einer Integration von Flüssigbrennstoffdüsen bietet, sodass die Vorrichtung 10 insgesamt als Zweibrennstoffsystem verwendet werden kann. Mit der Vorrichtung 10 kann also auch flüssiger Brennstoff auf vergleichsweise schadstoffarme Art und Weise oxidiert werden, was bei herkömmlichen Systemen mit Katalysatoren bisher nicht möglich ist.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer (12), bei dem
    Brennstoff und Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer (12) unter Vermeidung von Selbstzündung gemischt werden,
    ein erster Teil (36) des Gemisches (34) derart in die Brennkammer (12) eingebracht wird, dass er in der Brennkammer (12) zirkuliert,
    in die Zirkulationsströmung (46) des ersten Teils (36) des Gemisches (34) weiterer Brennstoff zugeführt wird, bis eine Aufwärmung auf Zündbedingungen gewährleistet wäre, und
    mindestens ein zweiter Teil (38) des Gemisches (34) derart in die Brennkammer (12) eingebracht wird, dass er sich mit einem aus der Zirkulationsströmung (46) abströmenden, heißen Brenngas (50) mischt, sich erwärmt und bis zu seinem Austritt aus der Brennkammer (12) verbrennt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff und die Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer (12) derart gemischt werden, dass das Verhältnis von Brennluft zu Brennstoff über dem mittleren Luft-/Brennstoff-Verhältnis der Verbrennung in der Brennkammer (12) liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der mindestens eine zweite Teil (36, 38) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft durch einen zentral in der Brennkammer (12) angeordneten Körper (22) eingebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein Brenngas zugeführt wird, und zusätzlich durch den zentral angeordneten Körper (22) Flüssigbrennstoff zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsströmung (46) des ersten Teils (36) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft in einem peripheren Bereich (40) der Brennkammer (12) ausgebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) im Wesentlichen zylindrisch oder ringförmig gestaltet ist und der erste Teil (36) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft im Wesentlichen radial in die Brennkammer (12) eingebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) im Wesentlichen zylindrisch oder ringförmig gestaltet ist und der weitere Brennstoff (48) im Wesentlichen axial in die Brennkammer (12) eingebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist und der mindestens eine zweite Teil (38) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft im Wesentlichen radial in die Brennkammer (12) eingebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der mindestens eine zweite Teil (36, 38) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft als ein gemeinsamer Strom in die Brennkammer (12) eingeleitet werden, der innerhalb der Brennkammer (12) aufgeteilt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der mindestens eine zweite Teil (36, 38) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft durch mindestens eine besonders angepasste Düse (28, 28') in die Zirkulationsströmung (46) sowie die Brennkammer (12) eingeleitet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsströmung (46) derart ausgebildet wird, dass pro Zeiteinheit in ihr zwischen etwa 5 % bis 25 %, insbesondere zwischen etwa 10 % und 20 %, der gesamten während einer Zeiteinheit zugeführten Gasmasse zirkuliert.
  12. Vorrichtung (10) zum Verbrennen von Brennstoff in einer Brennkammer (12), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit
    einer Mischeinrichtung (22) zum Mischen von Brennstoff und Brennluft vor einem Eintritt in die Brennkammer (12) unter Vermeidung von Selbstzündung,
    einer ersten Gemisch-Einleiteinrichtung zum Einbringen eines ersten Teils (36) des Gemisches (34) in die Brennkammer (12), derart, dass der erste Teil (36) des Gemisches (34) in der Brennkammer (12) zirkuliert,
    einer Brennstoff-Einleiteinrichtung (48) zum Zuführen von weiterem Brennstoff in die Zirkulationsströmung (46) des ersten Teils (36) des Gemisches (34), bis Zündbedingungen vorliegen, und
    mindestens einer zweiten Gemisch-Einleiteinrichtung zum Einbringen mindestens eines zweiten Teils (38) des Gemisches (34) in die Brennkammer (12), derart, dass der mindestens eine zweite Teil (38) des Gemisches (34) sich mit einem aus der Zirkulationsströmung (46) abströmenden, heißen Brenngas (50) mischt, sich erwärmt und bis zu seinem Austritt aus der Brennkammer (12) verbrennt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die mindestens eine zweite Gemisch-Einleiteinrichtung als ein zentral in der Brennkammer (12) angeordneter Körper (22) ausgestaltet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die mindestens eine zweite Gemisch-Einleiteinrichtung zum Einleiten von gasförmigem Brennstoff ausgebildet ist und zusätzlich in dem zentral angeordneten Körper (22) mindestens eine Einrichtung zum Einleiten von Flüssigbrennstoff vorgesehen ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gemisch-Einleiteinrichtung und die Brennkammer (12) derart gestaltet sind, dass die Zirkulationsströmung (46) des ersten Teils (36) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft in einem peripheren Bereich (40) der Brennkammer (12) entsteht.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) im Wesentlichen zylindrisch oder ringförmig gestaltet ist und die erste Gemisch-Einleiteinrichtung derart gestaltet ist, dass sie den ersten Teil (36) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft im Wesentlichen radial in die Brennkammer (12) einbringt.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) im Wesentlichen zylindrisch oder ringförmig gestaltet ist und die Brennstoff-Einleiteinrichtung (48) derart gestaltet ist, dass sie den weiteren Brennstoff im Wesentlichen axial in die Brennkammer (12) einbringt.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) im Wesentlichen zylindrisch oder ringförmig gestaltet ist und die mindestens eine zweite Gemisch-Einleiteinrichtung derart gestaltet ist, dass sie den mindestens einen zweiten Teil (38) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft im Wesentlichen radial in die Brennkammer (12) einbringt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die mindestens eine zweite Gemisch-Einleiteinrichtung derart ausgebildet sind, dass sie den ersten und den mindestens einen zweiten Teil (36, 38) des Gemisches (34) aus Brennstoff und Brennluft als einen gemeinsamen Strom in die Brennkammer (12) einleiten.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder mindestens eine zweite Gemisch-Einleiteinrichtung mindestens eine besonders angepasste Düse (28, 28') zum Einleiten von Brennstoff in die Zirkulationsströmung (46) sowie die Brennkammer (12) aufweisen.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) sowie die erste und die mindestens eine zweite Gemisch-Einleiteinrichtung derart ausgebildet sind, dass in der Zirkulationsströmung (46) pro Zeiteinheit zwischen etwa 5 % bis 25 %, insbesondere zwischen etwa 10 % und 20 %, der gesamten während einer Zeiteinheit zugeführten Gasmasse zirkuliert.
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