EP1568942A1 - Vormischbrenner sowie Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases - Google Patents

Vormischbrenner sowie Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases Download PDF

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EP1568942A1
EP1568942A1 EP04004137A EP04004137A EP1568942A1 EP 1568942 A1 EP1568942 A1 EP 1568942A1 EP 04004137 A EP04004137 A EP 04004137A EP 04004137 A EP04004137 A EP 04004137A EP 1568942 A1 EP1568942 A1 EP 1568942A1
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EP
European Patent Office
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combustion
gas
air
premix
burner
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Withdrawn
Application number
EP04004137A
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Andreas Heilos
Berthold Köstlin
Bernd Dr. Prade
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Priority to CN200580005907.6A priority patent/CN100473905C/zh
Priority to EP05708014A priority patent/EP1723369B1/de
Priority to PCT/EP2005/050656 priority patent/WO2005080878A1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F23D14/583—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration of elongated shape, e.g. slits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a premix burner for combustion a low calorie combustible gas, in particular a synthesis gas.
  • the invention further relates to a method for the combustion of a low calorific fuel gas.
  • a burner for gaseous fuels, in particular used in a gas turbine plant is, for example known from DE 42 12 810 A1. It can be seen that Combustion air through an air-ring channel system and fuel fed through another annular channel system of combustion become. This is a high-calorie fuel (Natural gas or fuel oil) from the fuel channel into the air duct injected, either directly or formed as a hollow blades Swirl blades.
  • a high-calorie fuel Natural gas or fuel oil
  • the combustible constituents of synthesis gas are essentially carbon monoxide and hydrogen.
  • the burner in the gas turbine associated combustion chamber must then be designed as a two- or multi-fuel burner, both with the synthesis gas and with the second fuel, such as natural gas or fuel oil can be applied as needed.
  • the respective fuel is supplied via a fuel passage in the burner of the combustion zone.
  • the calorific value of the synthesis gas is about five to ten times smaller compared to the calorific value of natural gas.
  • Main constituent in addition to CO and H 2 are inert components such as nitrogen and / or water vapor and possibly also carbon dioxide. Due to the low calorific value consequently high volume flows of fuel gas must be supplied through the burner of the combustion chamber. This has the consequence that one or more separate fuel passages must be made available for the combustion of low calorific fuels - such as synthesis gas.
  • Such a multi-pass burner which is also suitable for synthesis gas operation, is disclosed for example in EP 1 227 920 A1.
  • premix combustion In view of increasingly stringent requirements on the output Of nitrogen oxides, premix combustion also gains The combustion of low calorific gases is becoming increasingly important.
  • the object of the invention is therefore a premix burner for Indicate combustion of a low calorific fuel gas.
  • a Another object of the invention is to specify a Process for the combustion of a low calorific fuel gas.
  • the first object is achieved by a premix burner for burning a low calorie Fuel gas, with one extending along a burner axis
  • Premix air duct can be supplied via the combustion air is, and arranged with a in the premix air duct Swirling device, wherein in the flow direction of the combustion air downstream of the swirl device an injection device is arranged for the low calorific fuel gas.
  • the invention is based on the consideration that to ensure a low-emission operation the mixture of Fuel and combustion air is of particular importance. Temperature peaks can only be as homogeneous as possible Mixture be avoided. As with low calorific fuel gases high volume flows of fuel gas are involved with the Combustion air to mix, here presented the solution of Mixed task presents the experts with special challenges the constructive design of such burner.
  • the synthesis gas premix burner of the invention is used for the first time proposed a burner concept, which pollutant emissions Related advantages of premixing also for low calorie synthesis gas as fuel makes applicable.
  • the injection device downstream of the twisting device takes place the injection of undiluted or partially diluted low calorie Fuel gas in the already twisted mass flow.
  • the spatial area downstream of the twisting device takes place thereby a largely homogeneous mixing of the synthesis gas and the twisted air mass flow.
  • the Combustion of the premixed fuel gas-air mixture takes place downstream of the burner at one of the premixed air ratios corresponding temperature.
  • Premix flame can - especially in the partial load range - a small partial mass flow of the low calorie combustible gas previously separated and in the combustion chamber via a in the diffusion mode operated sustaining flame, e.g. about 5% up to 20% of the total volume flow of fuel gas ..
  • the swirl device are sufficiently large volume flows of low calorific fuel gas miscible with the combustion air, where extremely good mixing results can be achieved are. This has a particularly advantageous effect on the pollutant balance from the premix burner.
  • Another advantage is that the proven premix combustion concept for high-calorie fuels such as natural gas or Oil can be taken over unchanged, so that any lengthy Optimizations and / or design changes not necessary. That is, it is possible a conventional combustion system, designed for high calorific fuels is, by means of fluidically coupled to the air duct Injection device through an additional fuel passage for low calorific fuel gases, and indeed without the constructive implementation an adverse effect on the existing conventional combustion system would have, e.g. with regard to occurring pressure losses.
  • the premix burner with both the synthesis gas for example, from coal, industrial residues or Waste is generated, as well as with a secondary fuel, such as e.g. Natural gas or oil.
  • a secondary fuel such as e.g. Natural gas or oil.
  • the premix burner burns accordingly the set air ratio at much lower temperatures; which ultimately leads to a minimization of the thermal Nitrogen oxide formation during combustion of the low calorie Fuel gas leads.
  • the injection device a plurality of fuel gas inlet ports on, which open into the premix air duct.
  • the injection device has a gas distribution ring which surrounds the premix air passage radially outward.
  • the premix air duct is preferred as an annular channel formed, which has an outer channel wall, with a variety of holes interspersed with the gas distribution ring in fluid communication. This will It achieves that over the full circumference of the ring channel one Injection of low calorific fuel gas into the twisted Combustion air is ensured.
  • the volume flow of low calorific fuel gas is the Diameter of the hole, their number and their distribution the outer duct wall should be designed accordingly.
  • the outer channel wall tapers cone-like in the flow direction of the combustion air. Due to the injection of the low calorific fuel gas through the holes introduced into the outer cone to any additional negative influence on the air flow Built-in components for the injection device are dispensed with, allowing the operation even with conventional fuels (Natural gas or fuel oil) without restriction if necessary is possible.
  • Particularly preferred embodiment is the premix burner in a combustion chamber, for example in an annular combustion chamber, used.
  • a combustion chamber is advantageous designed as a combustion chamber of a gas turbine, for example as an annular combustion chamber of a stationary gas turbine.
  • the object directed to the method is according to the invention solved by a method of burning a low calorie Fuel gas, in which the combustion air imparted a twist, low calorific fuel gas into the twisted combustion air injected and mixed with this, and the mixture is burned.
  • This process is a particularly homogeneous combustion mixture achievable, with high volume flows of low calorie Fuel gas are miscible with the combustion air.
  • This is advantageously undiluted or partially diluted low calorific fuel gas into the twisted combustion air injected.
  • the method is preferably in operation a gas turbine burner, wherein a synthesis gas, which is a low calorie fuel, burned in premix operation.
  • the premix burner 1 shows a premix burner 1, which is approximately rotationally symmetrical with respect to a burner axis 12.
  • One along the burner axis 12 directed pilot burner 9 with a Fuel supply channel 8 and this concentrically enclosing Air supply annular channel 7 is surrounded concentrically from a fuel ring channel 3.
  • This fuel ring channel 3 is partially concentrically enclosed by a premixed air channel 2.
  • the premix air channel 2 is the annular channel 14th formed, which has an outer channel wall 15.
  • a swirl device forms. At least one of these swirl blades 5 is as Hollow blade 5a formed. It points one by several small openings formed inlet 6 for a fuel supply on.
  • the hollow blade 5a is for the supply of high calorie fuel 11, e.g. Natural gas or fuel oil, designed.
  • the fuel ring channel 3 opens into this hollow blade 5a.
  • the premix burner 1 can via the pilot burner 9 as a diffusion burner operate. Usually he is but as Premix burners are used, that is, fuel and air first mixed and then sent to combustion. there the pilot burner 9 serves to maintain a pilot flame, combustion during premix burner operation at a possibly changing fuel-air ratio stabilized.
  • combustion air 10 and the high calorific fuel 11 mixed in premix air channel 2 and then fed to the combustion.
  • high-calorie fuel 11th from the fuel ring channel 3 in a hollow blade 5a of the Swirl vane wreath 5 and from there over the inlet 6 introduced into the combustion air 10 in the premix air channel 2.
  • the premix burner 1 of the invention is beyond optionally also the combustion of a low calorific fuel gas SG, for example, a synthesis gas from a coal gasification process, possible.
  • a low calorific fuel gas SG for example, a synthesis gas from a coal gasification process
  • the injection device 13 comprises a plurality from inlet openings 16 for the fuel gas SG.
  • the inlet openings 16 open into the premix air channel 2.
  • the injection device 13 has a gas distribution ring 17, the surrounds the premix air channel 2 radially outward.
  • low calorific gas SG fully in the annular channel 14 formed as a premixing air duct second downstream of the swirl device 5 in the distributed combustion air flow 10 is injectable.
  • the outer channel wall 15 of Ring channel 14 is here with a variety of holes interspersed with the gas distribution ring 17 in fluid communication stand. In this way is through the gas distribution ring 17 also ensures a distributor function, so that low calorific gas SG with the required Pressure and flow rate provided and by the variety of holes in the outer channel wall 15 of the twisted Combustion air 10 can be mixed.
  • it is a particularly homogeneous and uniform one Mixing of combustion air 10 with the low calorie Fuel gas SG reached.
  • Fuel gas SG can be supplied for the synthesis gas pre-mixing operation.
  • the outer channel wall 15 tapers.
  • the premix burner 1 for combustion of a low calorific gas SG is in a combustion chamber of a gas turbine, for example a Ring combustion chamber of a stationary gas turbine used.
  • premix burner 1 of the invention is an optional Operation with a synthesis gas from a gasification device or a secondary or substitute fuel possible, since the premix burner 1 designed as a two- or multi-fuel burner is that with both low calorific fuel gas SG as well with high calorie fuel 11, e.g. Natural gas or fuel oil, can be applied.
  • high calorie fuel e.g. Natural gas or fuel oil
  • Fuel gas SG is the combustion air 10 imparted a twist and the low calorific fuel gas SG in the twisted Combustion air 10 injected and mixed with this. This mixture is then burned. It can also teilverPhynstes low-calorie fuel gas SG in the twisted Combustion air 10 are injected.
  • low calorie Fuel gas SG is advantageously a gasifier fossil fuel, especially gasified coal from a Gasification device, used.
  • the premix burner 1 is particularly advantageous a synthesis gas operation in a Gas turbine feasible.
  • the main advantage of the premix burner according to the invention 1 and the described method for combustion of a low calorific fuel SG is that the proven Premix combustion concept for natural gas and oil (high calorific Fuels) can be taken over unchanged.
  • high calorific Fuels high calorific Fuels
  • the premix burner 1 is only through an additional fuel passage for low calorie Brenngase SG expands without the constructive implementation a significant influence on conventional operation combustion system with high calorific fuels.
  • the proposed construction allows particularly favorable Mixing properties of the low calorific gas SG with the combustion air 10, with a sufficiently large Throughput (volume flow) of synthesis gas SG of the combustion process can be supplied.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner (1) zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), mit einem sich entlang einer Brennerachse (12) erstreckenden Luftkanal (2) über den Verbrennungsluft (10) zuführbar ist. In dem Luftkanal (2) ist eine Dralleinrichtung (5) angeordnet, wodurch der Verbrennungsluft (10) ein Drall aufprägbar ist. Stromab der Dralleinrichtung (5) ist eine Eindüseeinrichtung (13) für das niederkalorische Brenngas (SG) vorgesehen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), bei dem Verbrennungsluft (10) ein Teil aufgeprägt, niederkalorisches Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst und mit dieser intensiv vermischt wird, und anschließend das Gemisch verbrannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, insbesondere eines Synthesegases. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases.
Ein Brenner für gasförmige Brennstoffe, wie er insbesondere in einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, ist beispielsweise aus der DE 42 12 810 A1 bekannt. Hieraus geht hervor, dass Verbrennungsluft durch ein Luft-Ringkanalsystem und Brennstoff durch ein weiteres Ringkanalsystem der Verbrennung zugeführt werden. Dabei wird ein hochkalorischer Brennstoff (Erdgas oder Heizöl) aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal eingedüst, entweder direkt oder aus als Hohlschaufeln ausgebildeten Drallschaufeln.
Damit soll u.a. eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und Luft erreicht werden, um eine stickoxidarme Verbrennung zu erzielen. Eine möglichst geringe Stickoxidproduktion ist aus Gründen des Umweltschutzes und entsprechenden gesetzlichen Richtlinien für Schadstoffemissionen eine wesentliche Anforderung an die Verbrennung, insbesondere an die Verbrennung in der Gasturbinenanlage eines Kraftwerks. Die Bildung von Stickoxiden erhöht sich exponentiell mit der Flammentemperatur der Verbrennung. Bei einer inhomogenen Mischung von Brennstoff und Luft ergibt sich eine bestimmte Verteilung der Flammentemperaturen im Verbrennungsbereich. Die Maximaltemperaturen einer solchen Verteilung bestimmen nach dem genannten exponentiellen Zusammenhang von Stickoxidbildung und Flammentemperatur maßgeblich die Menge der gebildeten Stickoxide. Die Verbrennung eines homogenen Brennstoff-Luft-Gemischs erzielt demnach bei gleicher mittlerer Flammentemperatur einen niedrigeren Stickoxidausstoß als die Verbrennung eines inhomogenen Gemisches. Bei der Brennerausführung in der oben zitierten Druckschrift wird eine räumlich gute Mischung von Luft und Brennstoff erzielt.
Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile von Synthesegas im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Zum wahlweisen Betrieb einer Gasturbine mit Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung und einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff muss der Brenner in der der Gasturbine zugeordneten Brennkammer dann als Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt sein, der sowohl mit dem Synthesegas als auch mit dem Zweitbrennstoff, z.B. Erdgas oder Heizöl je nach Bedarf beaufschlagt werden kann. Der jeweilige Brennstoff wird hierbei über eine Brennstoffpassage im Brenner der Verbrennungszone zugeführt.
Abhängig vom Vergasungsverfahren und Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa fünf- bis zehnmal kleiner verglichen mit dem Heizwert von Erdgas. Hauptbestandteil neben CO und H2 sind inerte Anteile wie Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den kleinen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas durch den Brenner der Brennkammer zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorische Brennstoffen - wie z.B. Synthesegas eine oder mehrere gesonderte Brennstoffpassagen zur Verfügung gestellt werden müssen. Ein derartiger Mehrpassagenbrenner, der auch für den Synthesegasbetrieb geeignet ist, ist beispielsweise in der EP 1 227 920 A1 offenbart.
Neben der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur des Synthesegases ist besonders die Mischungsgüte zwischen Synthesegas und Luft an der Flammenfront eine wesentliche Einflussgröße zur Vermeidung von Temperaturspitzen und somit zur Minimierung der thermischen Stickoxidbildung.
Im Hinblick auf zunehmend strengere Anforderungen an den Ausstoß von Stickoxiden gewinnt die Vormischverbrennung auch bei der Verbrennung von niederkalorischen Gasen zunehmend an Bedeutung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, mit einem sich entlang einer Brennerachse erstreckenden Vormisch-Luftkanal über den Verbrennungsluft zuführbar ist, und mit einer in dem Vormisch-Luftkanal angeordneten Dralleinrichtung, wobei in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft stromab der Dralleinrichtung eine Eindüseeinrichtung für das niederkalorische Brenngas angeordnet ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Sicherstellung eines schadstoffarmen Betriebs die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft von besonderer Bedeutung ist. Temperaturspitzen können nur durch eine möglichst homogene Mischung vermieden werden. Da bei niederkalorischen Brenngasen hohe Volumenströme an Brenngas involviert sind, die mit Verbrennungsluft zu mischen sind, stellte hier die Lösung der Mischaufgabe die Fachwelt vor besondere Herausforderungen an die konstruktive Auslegung derartiger Brenner.
Mit dem Synthesegas-Vormischbrenner der Erfindung wird erstmals ein Brennerkonzept vorgeschlagen, welches die Schadstoffausstoß bezogenen Vorteile des Vormischbetriebs auch für niederkalorische Synthesegase als Brennstoff anwendbar macht. Durch die Eindüsevorrichtung stromab der Dralleinrichtung erfolgt die Eindüsung von unverdünnten bzw. teilverdünnten niederkalorischen Brenngas in den bereits verdrallten Massenstrom. Im räumlichen Bereich stromab der Drallvorrichtung erfolgt dadurch eine weitgehend homogene Vermischung des Synthesegases und dem verdrallten Luftmassenstromes. Die Verbrennung des vorgemischten Brenngas-Luftgemisches erfolgt stromab des Brenners bei einer der vorgemischten Luftzahl entsprechenden Temperatur. Zur Stabilisierung der niederkalorischen Vormischflamme kann - speziell im Teillastbereich - ein kleiner Teilmassenstrom des niederkalorischen Brenngases zuvor abgetrennt und im Brennraum über eine im Diffusionsbetrieb betriebene Stützflamme zugeführt werden, z.B. etwa 5% bis 20% des Gesamtvolumenstroms an Brenngas..
Durch diese Konstruktion mit der Eindüseeinrichtung stromab der Dralleinrichtung sind ausreichend große Volumenströme von niederkalorischen Brenngas mit der Verbrennungsluft mischbar, wobei außerordentlich gute Mischungsergebnisse erzielbar sind. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Schadstoffbilanz des Vormischbrenners aus.
Weiterhin von Vorteil ist, dass das bewährte Vormischverbrennungskonzept für hochkalorische Brennstoffe wie Erdgas oder Öl unverändert übernommen werden kann, womit eventuelle langwierige Optimierungen und/oder konstruktive Änderungen nicht notwendig sind. D.h., es ist möglich ein herkömmliches Verbrennungssystem, das auf hochkalorische Brennstoffe ausgelegt ist, mittels der an den Luftkanal strömungstechnisch angekoppelten Eindüseeinrichtung durch eine zusätzliche Brennstoffpassage für niederkalorische Brenngase zu erweitern, und zwar ohne das die konstruktive Umsetzung einen nachteiligen Einfluss auf das bestehende konventionelle Verbrennungssystem hätte, z.B. hinsichtlich auftretender Druckverluste.
Somit kann der Vormischbrenner sowohl mit dem Synthesegas, das beispielsweise aus Kohle, industriellen Rückständen oder Abfall erzeugt wird, als auch mit einem Zweitbrennstoff, wie z.B. Erdgas oder Öl, betrieben werden. Bei einem Synthesegas-Vormischbetrieb wird lediglich über die Eindüseeinrichtung stromab der Dralleinrichtung der niederkalorische Brennstoff in den Vormisch-Luftkanal eingedüst, wobei in Folge der drallbehafteten Verbrennungsluft eine besonders homogene Mischung sichergestellt ist. Durch dieses Konzept sind auch konstruktive Maßnahmen, die mit zusätzlichen Einbauten einhergehen, vermieden, so dass insbesondere der verdrallte Luftmassenstrom durch eventuelle Einbauten nicht beeinträchtigt wird.
Durch den Vormischbrenner erfolgt die Verbrennung entsprechend der eingestellten Luftzahl bei deutlich niedrigeren Temperaturen; was letztendlich zu einer Minimierung der thermischen Stickoxidbildung bei der Verbrennung des niederkalorischen Brenngases führt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Eindüseeinrichtung eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Brenngas auf, die in den Vormisch-Luftkanal einmünden.
Vorzugsweise weist die Eindüseeinrichtung einen Gasverteilungsring auf, der den Vormisch-Luftkanal radial auswärts umgibt. Der Vormisch-Luftkanal ist dabei bevorzugt als Ringkanal ausgebildet, der eine äußere Kanalwand aufweist, die mit einer Vielzahl von Bohrungen durchsetzt ist, die mit dem Gasverteilungsring in Strömungsverbindung stehen. Hierdurch wird es erreicht, dass über den vollen Umfang des Ringkanals eine Eindüsung von niederkalorischen Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft gewährleistet ist. Je nach Anforderungen an den Volumenstrom von niederkalorischen Brenngas ist der Durchmesser der Bohrung, deren Anzahl und deren Verteilung an der äußeren Kanalwand entsprechend auszulegen. Durch entsprechende konstruktive Auslegung der Eindüseeinrichtung wird erreicht, dass ein hinreichend großer Brenngas-Volumenstrom eingedüst und damit ein stabiler Synthesegas-Vormischbetrieb sichergestellt ist.
In bevorzugter Ausgestaltung verjüngt sich die äußere Kanalwand konusartig in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft. Bedingt durch die Eindüsung des niederkalorischen Brenngases durch den in den äußeren Konus eingebrachten Bohrungen kann auf jegliche die Luftströmung negativ beeinflussende zusätzliche Einbauten für die Eindüseeinrichtung verzichtet werden, so dass der Betrieb auch mit konventionellen Brennstoffen (Erdgas oder Heizöl) ohne Einschränkung bei Bedarf weiterhin möglich ist.
Besonders bevorzugte Ausgestaltung ist der Vormischbrenner in einer Brennkammer, beispielsweise in einer Ringbrennkammer, eingesetzt. Eine derartige Brennkammer ist vorteilhafter Weise als Brennkammer einer Gasturbine ausgestaltet, beispielsweise als eine Ringbrennkammer einer stationären Gasturbine.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, bei dem Verbrennungsluft ein Drall aufgeprägt, niederkalorisches Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft eingedüst und mit dieser vermischt, und das Gemisch verbrannt wird.
Mit diesem Verfahren ist ein besonders homogenes Verbrennungsgemisch erreichbar, wobei hohe Volumenströme an niederkalorischem Brenngas mit der Verbrennungsluft mischbar sind.
Hierbei wird vorteilhafter Weise unverdünnte oder teilverdünntes niederkalorisches Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft eingedüst.
Als niederkalorisches Brenngas kommt ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle, besonders vorteilhaft zum Einsatz. Das Verfahren wird vorzugsweise beim Betrieb eines Gasturbinenbrenners durchgeführt, wobei ein Synthesegas, das einen niederkalorischen Brennstoff darstellt, im Vormischbetrieb verbrannt wird.
In der Zeichnung ist zur näheren Erläuterung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
FIG 1
ein Längsschnitt durch einen Vormischbrenner gemäß der Erfindung.
FIG 1 zeigt einen Vormischbrenner 1, der in etwa rotationssymmetrisch bezüglich einer Brennerachse 12 ist. Ein entlang der Brennerachse 12 gerichteter Pilotbrenner 9 mit einem Brennstoff-Zufuhrkanal 8 und einem diesen konzentrisch umschließenden Luftzufuhr-Ringkanal 7 ist konzentrisch umgeben von einem Brennstoff-Ringkanal 3. Dieser Brennstoff-Ringkanal 3 ist teilweise konzentrisch umschlossen von einem Vormisch-Luftkanal 2. Der Vormisch-Luftkanal 2 ist als Ringkanal 14 ausgebildet, der eine äußere Kanalwand 15 aufweist. In diesem Vormisch-Luftkanal 2 ist ein - schematisch dargestellter - Kranz von Drallschaufeln 5 eingebaut, der eine Dralleinrichtung bildet. Mindestens eine dieser Drallschaufeln 5 ist als Hohlschaufel 5a ausgebildet. Sie weist einen durch mehrere kleine Öffnungen gebildeten Einlass 6 für eine Brennstoffzuführung auf. Die Hohlschaufel 5a ist dabei für die Zufuhr von hochkalorischen Brennstoff 11, z.B. Erdgas oder Heizöl, ausgelegt. Der Brennstoff-Ringkanal 3 mündet in diese Hohlschaufel 5a.
Der Vormischbrenner 1 kann über den Pilotbrenner 9 als Diffusionsbrenner betrieben werden. Üblicherweise wird er aber als Vormischbrenner eingesetzt, d.h., Brennstoff und Luft werden zuerst gemischt und dann der Verbrennung zugeführt. Dabei dient der Pilotbrenner 9 zur Aufrechterhaltung einer Pilotflamme, die die Verbrennung während des Vormischbrennerbetriebes bei einem eventuell wechselnden Brennstoff-Luftverhältnis stabilisiert.
Bei der Verbrennung von hochkalorischen Brennstoff 11, d.h. z.B. Erdgas oder Heizöl, werden Verbrennungsluft 10 und der hochkalorische Brennstoff 11 im Vormisch-Luftkanal 2 gemischt und anschließend der Verbrennung zugeführt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dabei der hochkalorische Brennstoff 11 aus dem Brennstoff-Ringkanal 3 in eine Hohlschaufel 5a des Drallschaufelkranzes 5 geleitet und von dort über den Einlass 6 in die Verbrennungsluft 10 im Vormisch-Luftkanal 2 eingeleitet.
Bei dem Vormischbrenner 1 der Erfindung ist darüber hinaus wahlweise auch die Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases SG, beispielsweise eines Synthesegases aus einem Kohlevergasungsprozess, möglich. Hierzu ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 10 stromab von der Dralleinrichtung 5 eine Eindüseeinrichtung 13 für das niederkalorische Brenngas SG vorgesehen. Die Eindüseeinrichtung 13 umfasst eine Vielzahl von Einlassöffnungen 16 für das Brenngas SG. Die Einlassöffnungen 16 münden in den Vormisch-Luftkanal 2. Die Eindüseeinrichtung 13 weist einen Gasverteilungsring 17 auf, der den Vormisch-Luftkanal 2 radial auswärts umgibt. Somit wird erreicht, dass niederkalorisches Brenngas SG vollumfänglich in den als Ringkanal 14 ausgebildeten Vormisch-Luftkanal 2 stromab der Dralleinrichtung 5 in den verteilten Verbrennungsluftstrom 10 eindüsbar ist. Die äußere Kanalwand 15 des Ringkanals 14 ist hierbei mit einer Vielzahl von Bohrungen durchsetzt, die mit dem Gasverteilungsring 17 in Strömungsverbindung stehen. Auf diese Weise ist durch den Gasverteilungsring 17 auch eine Verteilerfunktion gewährleistet, so dass niederkalorisches Brenngas SG mit dem erforderlichen Druck und Volumenstrom bereitgestellt und durch die Vielzahl von Bohrungen in der äußeren Kanalwand 15 der verdrallten Verbrennungsluft 10 zugemischt werden kann. Vorteilhafter Weise ist hierdurch eine besonders homogene und gleichmäßige Vermischung von Verbrennungsluft 10 mit den niederkalorischen Brenngas SG erreicht. Durch entsprechende konstruktive Auslegung und strömungstechnische Dimensionierung wird erreicht, dass mittels der Eindüseeinrichtung 13, respektive dem Gasverteilungsring 17, ein hinreichend großer Volumenstrom an Brenngas SG zuführbar ist für den Synthesegas-Vormischbetrieb. In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 10 verjüngt sich die äußere Kanalwand 15. Der Vormischbrenner 1 zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases SG ist in einer Brennkammer einer Gasturbine, beispielsweise einer Ringbrennkammer einer stationären Gasturbine einsetzbar.
Mit dem Vormischbrenner 1 der Erfindung ist ein wahlweiser Betrieb mit einem Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung oder einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff möglich, da der Vormischbrenner 1 als Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt ist, der sowohl mit niederkalorischen Brenngas SG als auch mit hochkalorischen Brennstoff 11, z.B. Erdgas oder Heizöl, beaufschlagt werden kann.
Bei einem Betrieb des Vormischbrenners 1 mit niederkalorischen Brenngas SG wird der Verbrennungsluft 10 ein Drall aufgeprägt und das niederkalorische Brenngas SG in die verdrallte Verbrennungsluft 10 eingedüst und mit dieser vermischt. Dieses Gemisch wird anschließend verbrannt. Dabei kann auch teilverdünntes niederkalorisches Brenngas SG in die verdrallte Verbrennungsluft 10 eingedüst werden. Als niederkalorisches Brenngas SG kommt vorteilhafter Weise ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle aus einer Vergasungseinrichtung, zum Einsatz. Mit dem Vormischbrenner 1 ist besonders vorteilhaft ein Synthesegasbetrieb bei einer Gasturbine durchführbar.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Vormischbrenners 1 und des beschriebenen Verfahrens zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs SG besteht darin, dass das bewährte Vormisch-Verbrennungskonzept für Erdgas und Öl (hochkalorische Brennstoffe) unverändert übernommen werden kann. Vorteilhafter Weise sind dabei eventuelle langwierige konstruktive Brenneroptimierungen und/oder konstruktive Änderungen nicht erforderlich. Der Vormischbrenner 1 wird lediglich durch eine zusätzliche Brennstoffpassage für niederkalorische Brenngase SG erweitert, ohne das die konstruktive Umsetzung einen nennenswerten Einfluss auf den herkömmlichen Betrieb des Verbrennungssystems mit hochkalorischen Brennstoffen hat. Die vorgeschlagene Konstruktion ermöglicht besonders günstige Mischungseigenschaften des niederkalorischen Brenngases SG mit der Verbrennungsluft 10, wobei ein hinreichend großer Durchsatz (Volumenstrom) an Synthesegas SG der Verbrennungsprozess zugeführt werden kann.

Claims (11)

  1. Vormischbrenner(1) zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), mit einem sich entlang einer Brennerachse (12) erstreckenden Vormisch-Luftkanal (2) über den Verbrennungsluft (10) zuführbar ist, und mit einer in dem Vormisch-Luftkanal (2) angeordneten Dralleinrichtung (5), wobei in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (10) stromab der Dralleinrichtung (5) eine Eindüseeinrichtung (13) für das niederkalorische Brenngas (SG) angeordnet ist.
  2. Vormischbrenner (10) nach Anspruch 1,
    bei dem die Eindüseeinrichtung (13) eine Vielzahl von Einlassöffnungen (16) für Brenngas (B) aufweist, die in den Vormisch-Luftkanal (2) einmünden.
  3. Vormischbrenner (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem die Eindüseeinrichtung (13) einen Gasverteilungsring (17) aufweist, der den Vormisch-Luftkanal (2) radial auswärts umgibt.
  4. Vormischbrenner (10) nach Anspruch 1,2 oder 3,
    bei dem der Vormisch-Luftkanal (2) als Ringkanal (14) ausgebildet ist, der eine äußere Kanalwand (15) aufweist, die mit einer Vielzahl von Bohrungen durchsetzt ist, die mit dem Gasverteilungsring (17) in Strömungsverbindung stehen.
  5. Vormischbrenner (10) nach Anspruch 4, mit einer sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (10) konusartig verjüngenden äußeren Kanalwand (15).
  6. Brennkammer mit einem Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Gasturbine mit einer Brennkammer nach Anspruch 6.
  8. Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), bei dem Verbrennungsluft (10) ein Drall aufgeprägt, niederkalorisches Brenngas (B) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst und mit dieser vermischt, und das Gemisch verbrannt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    bei dem teilverdünntes Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
    bei dem als niederkalorisches Brenngas (SG) ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle, eingesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, das beim Betrieb eines Gasturbinenbrenners durchgeführt wird.
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