EP1645805A1 - Brenner für fluidische Brennstoffe und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brenners - Google Patents

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EP1645805A1
EP1645805A1 EP04024185A EP04024185A EP1645805A1 EP 1645805 A1 EP1645805 A1 EP 1645805A1 EP 04024185 A EP04024185 A EP 04024185A EP 04024185 A EP04024185 A EP 04024185A EP 1645805 A1 EP1645805 A1 EP 1645805A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
gas
mixing
burner
carrier stream
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04024185A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Dr Prade
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP04024185A priority Critical patent/EP1645805A1/de
Priority to US11/665,100 priority patent/US8465276B2/en
Priority to PCT/EP2005/054796 priority patent/WO2006040255A1/de
Priority to EP05797157.4A priority patent/EP1800061B1/de
Publication of EP1645805A1 publication Critical patent/EP1645805A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • 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
    • F23R3/286—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
    • F23R2900/03343—Pilot burners operating in premixed mode

Definitions

  • the present invention relates to a burner for fluid fuels, which is in particular to operate selectively with a gaseous or a liquid fuel as a fluid fuel and in which prior to the combustion of the fluid fuel, a mixing of the fluid fuel with an oxidizing agent. Moreover, the present invention relates to a method of operating such a burner.
  • the burner according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for use in gas turbine plants.
  • an air-fuel mixture is combusted in a combustion chamber, the exhaust gases of which set the turbine of the gas turbine plant into rotation and thus convert the thermal energy of the combustion process into mechanical energy.
  • the combustion chamber is equipped with burners. The burners mix the fuel with the air and burn the mixture.
  • burners are currently used which can be operated both with gaseous fuels and with liquid fuels.
  • Such a burner is disclosed for example in DE 42 12 810 A1.
  • the aim is to avoid the creation of pollutants, especially nitrogen oxides (NO x).
  • the nitrogen oxides are formed in the combustion process essentially by the fact that molecular oxygen and molecular nitrogen are split and the atomic Oxygen or the atomic nitrogen then reacts with nitrogen or molecular oxygen to nitric oxides.
  • premix mode In order to keep the amount of nitrogen oxides formed low especially in the high load range, modern gas turbine plants are operated in the so-called premix mode. This means that the fuel is already mixed with the air before ignition. In contrast to this is the diffusion mode, in which a burning air-fuel mixture continuously supplied fresh air and fuel is injected. The mixing of the fuel with the air takes place only when burning.
  • the diffusion mode is essentially used in low-load operation and when starting up gas turbine plants.
  • the various operating states of a gas turbine plant are described, for example, in MJ Moore "NO x emission control in gas turbines for combined cycle gas turbine plant" in Proc Instn Mech Engrs Vol 211, Part A, 43-52.
  • inert gas for example water or steam
  • water or steam can be added to the combustion mixture in gas turbine plants in order to reduce pollutant emissions in certain operating states.
  • the water or steam then lowers the combustion temperature, which also results in a reduction in the amount of nitrogen oxides.
  • the burner described in DE 42 12 810 can be operated in premix mode both with liquid fuels and with gaseous fuels.
  • it comprises at least one fuel line for liquid fuel which opens into the air supply channel of the burner and at least one fuel line for gaseous fuel which opens into the air supply channel.
  • the fuel lines are each associated with outlet openings through which the respective fuel can be injected into the leading to the burner air flow.
  • the outlet openings are in this case adapted to the fuel supplied by means of the respective fuel lines, that this is mixed well with the combustion air flowing to the burner.
  • the first object is achieved by a method for operating a fluid fuel burner according to claim 1 and the second object by a fluid fuel burner according to claim 6.
  • the dependent claims contain advantageous developments of the invention.
  • the method of operating a fluid fuel burner according to the present invention prior to combustion of the fluid fuel, mixing of the fluid fuel with an oxidant, i. combustion takes place in premix mode.
  • an oxidant any agent capable of oxidizing the fuel, particularly, for example, air, is suitable.
  • the method according to the invention can also be designed such that optionally liquid fuels, i. all combustible liquids such as petroleum, methanol, etc., or gaseous fuels, i. all combustible gases such as natural gas, coal gas, propane gas, methane gas, etc., can be used as fluid fuel.
  • the method according to the invention is characterized in that a liquid fuel used as a fluidic fuel is mixed with a gaseous or vaporous carrier stream before being mixed with the oxidizing agent and mixing the liquid fuel containing carrier stream with the oxidizing agent for mixing the fluidic fuel the oxidizing agent takes place.
  • the inventive method makes it possible for the mixing of the fuel with the oxidizing agent - ie for the mixing of the carrier stream containing the fuel with the Oxidant - to use the same nozzle system, which is also used when mixing a gaseous fuel with the oxidant.
  • the structural design of the burner can therefore be simplified in particular in the field of fuel supply channels.
  • a vaporous fuel can be mixed with the oxidizing agent particularly well by means of the supply openings provided for the gaseous fuel.
  • peak temperatures can be better avoided when burning.
  • the carrier stream is largely free of molecular oxygen. It is particularly advantageous if the carrier stream contains no molecular oxygen at all. Suitable gas or vapor for the carrier stream are in particular molecular nitrogen or water vapor.
  • the mixing of the liquid fuel with the carrier stream can be effected by injecting the liquid fuel into the carrier stream.
  • injecting a fine atomization of the liquid fuel is carried out in the carrier stream.
  • the burner according to the invention is characterized in that the fuel supply for supplying liquid fuels and the gas supply are arranged relative to each other such that prior to the entry of a liquid fuel into the mixing passage mixing of the liquid fuel with a supplied by the gas supply gaseous or vaporous carrier stream can be done.
  • the gas supply thus serves both for supplying a gaseous fuel (when the burner is operated with a gaseous fuel) and for supplying an inert gaseous or vaporous medium, which forms the gaseous or vaporous carrier stream (if the burner with a liquid fuel is operated).
  • the burner according to the invention makes it possible, in particular, to mix a liquid fuel with a gaseous or vaporous carrier stream before entering the mixing passage and then to supply this mixture to the mixing passage for mixing with the oxidizing agent.
  • the number of supply lines and in particular the number of inlet openings in the mixing passage can be reduced, since the same inlet openings to the mixing passage for the gaseous fuel as for the liquid fuel (in the carrier stream) can be used. Separate inlet openings for liquid fuels can therefore be omitted in the burner according to the invention.
  • the inlet openings designed for the gaseous fuel also ensure a high spatial mixing potential for mixing the carrier stream containing the liquid fuel with the oxidizing agent.
  • the fuel supply for the liquid fuel via one or more atomizers opens into the gas supply.
  • the atomizers allow atomization of the liquid fuel as it is introduced into the carrier stream.
  • the sputtering leads to a good mixing and also facilitates the evaporation of the liquid fuel due to the small dimensions of the sputtering fuel droplets. Overall, the maximum possible combustion temperature and thus the NO x emissions can be reduced.
  • the gas supply via a gas nozzle system can open into the mixing passage.
  • the gaseous fuel or the carrier stream with the liquid fuel can be spatially very well mixed with the oxidizing agent.
  • swirl vanes for swirling the oxidizing agent may be present, which have cavities in communication with the gas supply. At least a portion of the gas nozzles of the gas nozzle system which open into the mixing passages is in this case connected to the cavities of the gas nozzle system Swirl blades and thus connected to the gas supply.
  • the fuel can thus be introduced in particular into the vortex zone generated by means of the swirl vanes, which promotes the mixing of the fuel with the oxidizing agent.
  • nozzle tubes may be present, which have associated with the gas supply cavities. At least some of the gas nozzles of the gas nozzle system which open into the mixing passage are then in communication with the gas supply via the cavities of the nozzle tubes.
  • FIG 1 A first embodiment of the burner according to the invention is shown in FIG 1 in a sectional view.
  • the burner according to the invention comprises an internal burner system 1, which will be referred to as pilot burner system 1, and a main burner system 3 arranged concentrically around the pilot burner system 1.
  • the pilot burner system 1 comprises an internal liquid fuel supply channel 5, an internal gaseous fuel gas supply channel 7 and an internal one Air supply channel 9.
  • the inner gas supply channel 7 is included arranged concentrically around the inner supply channel 5 for the liquid fuels around.
  • the inner air supply passage 9 is arranged concentrically around the inner gas supply passage 7.
  • the inner supply channel 5 for liquid fuels flows through a nozzle 11 into the combustion chamber 13.
  • the inner gas supply channel 7 opens via outlet openings 15 in the air supply channel 9, in which swirl blades 17 are arranged, which is responsible for a swirling of the gas in the air resulting air-gas mixture and thus ensure good mixing of the two components.
  • a suitable ignition system may be arranged, which is not shown here.
  • the pilot burner system 1 serves to maintain a burner flame supporting the stability of the burner flame and in principle allows the burner to operate as a diffusion burner or a rich burner, which, however, is generally not exploited for reasons of pollutant emissions.
  • the main burner system 3 concentrically disposed around the pilot burner system 1 includes a gas supply passage 31, one or more supply passages 33 for supplying a liquid fuel, and at least one air supply passage 35 as an oxidant supply passage.
  • a gas supply passage 31 one or more supply passages 33 for supplying a liquid fuel
  • at least one air supply passage 35 as an oxidant supply passage.
  • the oxidizing agent is used in the present embodiment, air.
  • the liquid fuel supply channel opens into the gas supply channel 31 via nozzles 43.
  • swirl blades 37 are arranged, which provide for a swirling of the air flow flowing through the air supply passage 35 in the direction of the combustion chamber 13. This part of the air supply channel 35 forms a mixing passage for mixing the fuel with the air as the oxidizing agent.
  • the swirl vanes 37 are at least partially hollow.
  • the cavities of the swirl vanes 37 communicate with the outer gas supply channel 31 via openings 39.
  • the swirl blades 37 have outlet openings 41, through which a gas supplied via the gas supply channel 31 can enter into the air supply channel 35.
  • the outlet openings 41 are formed as nozzles and arranged such that the gas together with the air still passes at least a portion of the swirl blades 37 and is thus swirled to achieve a good mixing with the air.
  • a supply of gaseous fuel for example natural gas
  • gaseous fuel for example natural gas
  • the arranged in the air supply passage 35 swirl blades 37 ensure mixing of the gaseous fuel with the air, so that the burner in premixing to operate.
  • the liquid fuel is supplied via the liquid fuel supply channel 33 and atomized into the gas supply channel 31 by means of nozzles 43.
  • the gas supply channel 31 is a supply of an inert gas, such as molecular nitrogen, or the supply of a vapor, such as water vapor.
  • the atomization of the liquid fuel during injection into the gas supply channel 31 results in a gas-liquid mixture with finely divided liquid droplets.
  • the droplets of liquid fuel evaporate at least in part, so that part of the fuel after atomization into the gas supply channel 31 is in the gas phase.
  • the passage of the liquid fuel into the gas phase can be promoted by preheating the supplied inert gas or the supplied steam and / or the fuel. In this way, a complete evaporation of the atomized liquid fuel can be achieved. Preheating the carrier medium to a defined temperature can also be used to control the mixing quality of the mixture via the pulse.
  • the inert gas or the steam serves as a carrier stream for the droplets of the liquid fuel or the transition into the gas phase liquid fuel.
  • the carrier stream containing the fuel then flows like a gaseous fuel through the openings 39 into the cavities of the swirl vanes 37 and is injected from there through the outlet openings 41 into the air supply channel 35.
  • the swirl vanes 37 thereby ensure a turbulence of the carrier flow with the air and thus for a good mixing of the fuel contained in the carrier stream with the air as the oxidant.
  • the burner is thus to operate in premix mode also when operating with liquid fuel.
  • the injection of the fuel into the air supply duct 35 is independent of the type of fuel - i. regardless of whether a liquid fuel or a gaseous fuel is used - by means of the outlet openings 41, which were previously used only for injecting gaseous fuel use.
  • a liquid fuel is previously injected via the nozzles 43 into a carrier stream, which is supplied via the gas supply channel 31.
  • the liquid fuel is then taken up as vaporized fuel or as finely distributed in the form of floating droplets fuel from the carrier stream and injected through the outlet openings 41 in the air supply passage 35.
  • An additional outlet opening or injection nozzle for supplying liquid fuel into the air supply channel 35 is therefore not necessary in the burner according to the invention.
  • FIG. 2 A second embodiment of the burner according to the invention is shown in FIG.
  • the burner shown in FIG. 2 differs from the burner shown in FIG. 1 only in that the swirl blades 137 have no cavities, ie the swirl vanes 137 are not formed as hollow blades, and that nozzle tubes 139 are arranged in the air inlet passage 35.
  • the nozzle tubes 139 are formed as hollow tubes and border with an open end face 143 to an outlet opening 145 of the gas supply channel 31.
  • Each of the nozzle tubes 139 has a number of nozzles 141, via which a gaseous fuel supplied via the gas supply channel 31 and the cavity of the nozzle tubes 139 is injected into the air supply channel 35 when the burner is operated with gaseous fuel.
  • a carrier stream with finely distributed fuel droplets or vaporized fuel is injected into the air supply channel 35 in an analogous manner.
  • the injection of the liquid fuel into the carrier stream takes place as described with reference to FIG.

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Abstract

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe erfolgt vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein als fluidischer Brennstoff Verwendung findender flüssiger Brennstoff vor dem Mischen mit dem Oxidationsmittel mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom gemischt wird und zum Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel ein Mischen des den flüssigen Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel erfolgt.

Description

  • Brenner für fluidische Brennstoffe und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brenners
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für fluidische Brennstoffe, welcher insbesondere wahlweise mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff als fluidischem Brennstoff zu betreiben ist und in dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel erfolgt. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brenners. Der erfindungsgemäße Brenner und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zum Einsatz in Gasturbinenanlagen.
  • In einer Gasturbinenanlage wird in einer Brennkammer ein Luft-Brennstoffgemisch verbrannt, dessen Abgase die Turbine der Gasturbinenanlage in Rotation versetzen und so die thermische Energie des Verbrennungsprozesses in mechanische Energie umwandeln. Zum Verbrennen des Luft-Brennstoffgemisches ist die Brennkammer mit Brennern ausgestattet. Die Brenner sorgen für eine Mischung des Brennstoffes mit der Luft sowie für ein Verbrennen des Gemisches.
  • Um die Versorgungssicherheit und die Flexibilität einer Gasturbinenanlage sicherzustellen, sind heutzutage Brenner im Einsatz, welche sowohl mit gasförmigen Brennstoffen als auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden können. Ein solcher Brenner ist beispielsweise in DE 42 12 810 A1 offenbart.
  • Im Hinblick auf die allgemeinen Bemühungen zum Senken des Schadstoffausstoßes von Gasturbinen ist man bemüht, das Entstehen von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden (NOx) zu vermeiden. Die Stickoxide entstehen beim Verbrennungsprozess im Wesentlichen dadurch, dass molekularer Sauerstoff und molekularer Stickstoff aufgespalten werden und der atomare Sauerstoff bzw. der atomare Stickstoff dann mit molekularem Stickstoff bzw. molekularem Sauerstoff zu Stickoxiden reagiert.
  • Um insbesondere im Hochlastbereich die Menge der gebildeten Stickoxide gering zu halten, werden moderne Gasturbinenanlagen im sogenannten Vormischmodus betrieben. Dies bedeutet, dass der Brennstoff bereits vor dem Entzünden mit der Luft gemischt wird. Im Unterschied dazu steht der Diffusionsmodus, in welchem einem brennendem Luft-Brennstoffgemisch kontinuierlich Frischluft zugeführt und Brennstoff nachgespritzt wird. Das Mischen des Brennstoffes mit der Luft erfolgt hierbei erst beim Verbrennen. Der Diffusionsmodus kommt im Wesentlichen im Niedriglastbetrieb und beim Anfahren von Gasturbinenanlagen zur Anwendung. Die verschiedenen Betriebszustände einer Gasturbinenanlage sind beispielsweise in M. J. Moore "NOx emission control in gas turbines for combined cycle gas turbine plant" in Proc Instn Mech Engrs Vol 211, Part A, 43-52. Darin ist auch beschrieben, dass in Gasturbinenanlagen zur Reduktion des Schadstoffausstoßes in bestimmten Betriebszuständen Inertstoffe, bspw. Wasser oder Wasserdampf, dem Verbrennungsgemisch zugeführt werden können. Das Wasser bzw. der Wasserdampf senkt dann die Verbrennungstemperatur, was ebenfalls eine Verringerung der Mange an Stickoxiden zur Folge hat.
  • Der in DE 42 12 810 beschriebene Brenner kann im Vormischmodus sowohl mit flüssigen Brennstoffen als auch mit gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. Dazu umfasst er mindestens eine in den Luftzufuhrkanal des Brenners einmündende Brennstoffleitung für flüssigen Brennstoff und mindestens eine in den Luftzufuhrkanal mündende Brennstoffleitung für gasförmigen Brennstoff. Den Brennstoffleitungen sind jeweils Auslassöffnungen zugeordnet, durch die der jeweilige Brennstoff in den zum Brenner führenden Luftstrom eingedüst werden kann. Die Auslassöffnungen sind dabei derart an den mittels der jeweiligen Brennstoffleitungen zugeführten Brennstoff angepasst, dass dieser gut mit der zum Brenner strömenden Verbrennungsluft vermischt wird.
  • Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Brenners sowie einen vorteilhaften Brenner zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Aufgabe wird durch Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe durch einen Brenner für fluidische Brennstoffe nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe erfolgt vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel, d.h. die Verbrennung erfolgt im Vormischmodus. Als Oxidationsmittel ist jedes Mittel geeignet, welches zum Oxidieren des Brennstoffes in der Lage ist, insbesondere bspw. Luft. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch so ausgestaltet sein, dass wahlweise flüssige Brennstoffe, d.h. alle brennbaren Flüssigkeiten wie etwa Erdöl, Methanol, etc., oder gasförmige Brennstoffe, d.h. alle brennbaren Gase wie etwa Erdgas, Kohlegas, Propangas, Methangas, etc., als fluidischer Brennstoff Verwendung finden können. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein als fluidischer Brennstoff Verwendung findender flüssiger Brennstoff vor dem Mischen mit dem Oxidationsmittel mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom gemischt wird und zum Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel ein Mischen des den flüssigen Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, für das Mischen des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel - d.h. für das Mischen des den Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel - dasselbe Düsensystem zu verwenden, welches auch beim Mischen eines gasförmigen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel Verwendung findet. Gesonderte Zufuhröffnungen zum Zuführen des flüssigen Brennstoffes in den Mischbereich, also in denjenigen Bereich, in dem das Mischen des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel stattfindet, brauchen nicht vorhanden zu sein. Die konstruktive Ausgestaltung des Brenners kann daher insbesondere im Bereich der Brennstoffzufuhrkanäle vereinfacht werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn vor dem Mischen des flüssigen Brennstoffes mit dem Trägerstrom eine Überhitzung des Trägerstromes herbeigeführt wird, da dadurch ein Verdampfen des flüssigen Brennstoffes erleichtert wird. Ein dampfförmiger Brennstoff lässt sich besonders gut mittels der für den gasförmigen Brennstoff vorgesehenen Zufuhröffnungen mit dem Oxidationsmittel mischen. Außerdem können Spitzentemperaturen so beim Verbrennen können besser vermieden werden.
  • Um eine Beeinflussung des Brennstoff-Oxidationsmittel-Verhältnisses bei der Verbrennung durch den Trägerstrom zu unterdrücken, ist es vorteilhaft, wenn der Trägerstrom weitgehend von molekularem Sauerstoff frei ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Trägerstrom überhaupt keinen molekularen Sauerstoff enthält. Als Gas oder Dampf für den Trägerstrom eignen sich insbesondere molekularer Stickstoff oder Wasserdampf.
  • Um eine gute Vermischung des flüssigen Brennstoffes mit dem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom zu erzielen, kann das Mischen des flüssigen Brennstoffes mit dem Trägerstrom durch ein Eindüsen des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom erfolgen. Beim Eindüsen erfolgt ein feines Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom.
  • Ein erfindungsgemäßer Brenner für fluidische Brennstoffe, in dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel erfolgt und der insbesondere auch so ausgestaltet sein kann, dass er wahlweise mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff als fluidischem Brennstoff zu betreiben ist, umfasst
    • eine Brennstoffzufuhr für flüssige Brennstoffe,
    • eine Gaszufuhr,
    • ein Oxidationsmittelzufuhr und
    • eine mit der Brennstoffzufuhr zum Zuführen flüssiger Brennstoffe, der Gaszufuhr und der Oxidationsmittelzufuhr mittelbar oder unmittelbar in Verbindung stehende Mischpassage, in der ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel erfolgt.
  • Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffzufuhr zum Zuführen flüssiger Brennstoffe und die Gaszufuhr derart relativ zueinander angeordnet sind, dass vor dem Eintritt eines flüssigen Brennstoffes in die Mischpassage ein Mischen des flüssigen Brennstoffes mit einem mittels der Gaszufuhr zugeführten gas- oder dampfförmigen Trägerstrom erfolgen kann. Im erfindungsgemäßen Brenner dient die Gaszufuhr also sowohl zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffes (wenn der Brenner mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird) als auch zum Zuführen eines inerten gas- oder dampfförmigen Mediums, welches den gas- oder dampfförmigen Trägerstrom bildet (wenn der Brenner mit einem flüssigen Brennstoff betrieben wird).
  • Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht es insbesondere, einen flüssigen Brennstoff vor dem Eintritt in die Mischpassage mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom zu mischen und dieses Gemisch anschließend zum Mischen mit dem Oxidationsmittel der Mischpassage zuzuführen. Mit der beschriebenen Ausgestaltung des Brenners lässt sich die Zahl der Zufuhrleitungen und insbesondere die Zahl der Eintrittsöffnungen in die Mischpassage vermindern, da dieselben Eintrittsöffnungen zur Mischpassage für den gasförmigen Brennstoff wie für den flüssigen Brennstoff (im Trägerstrom) Verwendung finden können. Gesonderte Eintrittsöffnungen für flüssige Brennstoffe können im erfindungsgemäßen Brenner daher wegfallen. Insbesondere gewährleisten die für den gasförmigen Brennstoff konzipierten Eintrittsöffnungen auch ein hohes räumliches Mischungspotential für das Mischen des den flüssigen Brennstoffes enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel.
  • Wenn das Gas bzw. der Dampf des Trägerstroms überhitzt ist, so erleichtert dies ein teilweises oder vollständiges Verdampfen des flüssigen Brennstoffes, wodurch sich Spitzentemperaturen besser vermeiden lassen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners mündet die Brennstoffzufuhr für den flüssigen Brennstoff über einen oder mehrere Zerstäuber, bspw. Einspritzdüsen, in die Gaszufuhr. Die Zerstäuber ermöglichen ein Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes bei seinem einbringen in den Trägerstrom. Das Zerstäuben führt zu einer guten Vermischung und erleichtert außerdem aufgrund der geringen Abmessungen der beim Zerstäuben entstehenden Brennstofftröpfchen das Verdampfen des flüssigen Brennstoffes. Insgesamt kann so die maximal mögliche Verbrennungstemperatur- und damit der NOx-Ausstoß vermindert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners kann die Gaszufuhr über ein Gasdüsensystem in die Mischpassage münden. Mittels des Gasdüsensystems kann der gasförmige Brennstoff oder der Trägerstrom mit dem flüssigen Brennstoff räumlich sehr gut mit dem Oxidationsmittel vermischt werden.
  • Im Bereich der Mischpassage können Drallschaufeln zum Verwirbeln des Oxidationsmittels vorhanden sein, welche mit der Gaszufuhr in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen. Wenigstens ein Teil der in die Mischpassagen mündenden Gasdüsen des Gasdüsensystems ist in diesem Fall mit den Hohlräumen der Drallschaufeln und damit mit der Gaszufuhr verbunden. Der Brennstoff kann so insbesondere in die mittels der Drallschaufeln erzeugte Wirbelzone eingebracht werden, was das Mischen des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel fördert.
  • Alternativ können im Bereich der Mischpassage auch Düsenrohre vorhanden sein, welche mit der Gaszufuhr in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen. Wenigstens ein Teil der in die Mischpassage mündenden Gasdüsen des Gasdüsensystems steht dann über die Hohlräume der Düsenrohre mit der Gaszufuhr in Verbindung.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl Drallschaufeln mit Gasdüsen als auch Röhrchen mit Gasdüsen im Bereich der Mischpassage anzuordnen.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden FIGen.
    • FIG 1
    zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner in einer schematischen Darstellung.
    FIG 2
    zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner in einer schematischen Darstelung.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner ist in FIG 1 in einer Schnittansicht dargestellt. Der erfindungsgemäße Brenner umfasst ein inneres Brennersystem 1, welches im folgenden Pilotbrennersystem 1 genannt wird, sowie ein konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 angeordnetes Hauptbrennersystem 3. Das Pilotbrennersystem 1 umfasst einen inneren Zufuhrkanal 5 für flüssige Brennstoffe, einen inneren Gaszufuhrkanal 7 für gasförmige Brennstoffe sowie einen inneren Luftzufuhrkanal 9. Der innere Gaszufuhrkanal 7 ist dabei konzentrisch um den inneren Zufuhrkanal 5 für die flüssigen Brennstoffe herum angeordnet. Der innere Luftzufuhrkanal 9 ist konzentrisch um den inneren Gaszufuhrkanal 7 herum angeordnet.
  • Der innere Zufuhrkanal 5 für flüssige Brennstoffe mündet über eine Düse 11 in die Brennkammer 13. Der innere Gaszufuhrkanal 7 mündet über Austrittsöffnungen 15 in den Luftzufuhrkanal 9, in welchem Drallschaufeln 17 angeordnet sind, die für eine Verwirbelung des durch den Eintritt des Gases in die Luft entstehenden Luft-Gasgemisches und damit für eine gute Vermischung der beiden Komponenten sorgen. Im oder am inneren Luftzufuhrkanal 9 kann ein geeignetes Zündsystem angeordnet sein, welches hier nicht dargestellt ist.
  • Das Pilotbrennersystem 1 dient der Aufrechterhaltung einer die Stabilität der Brennerflamme unterstützenden Pilotflamme und erlaubt prinzipiell den Betrieb des Brenners als Diffusionsbrenner oder fett (brennstoffreich) vorgemischtem Brenner, was jedoch aus Gründen des Schadstoffausstoßes im Allgemeinen nicht ausgenutzt wird.
  • Das konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 herum angeordnete Hauptbrennersystem 3 umfasst einen Gaszufuhrkanal 31, einen oder mehrere Zufuhrkanäle 33 zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffes sowie mindestens einen Luftzufuhrkanal 35 als Oxidationsmittelzufuhrkanal. Als Oxidationsmittel dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel Luft. Der Zufuhrkanal für flüssigen Brennstoff mündet über Düsen 43 in den Gaszufuhrkanal 31.
  • Im Luftzufuhrkanal 35 sind Drallschaufeln 37 angeordnet, die für eine Verwirbelung des durch den Luftzufuhrkanal 35 in Richtung Brennkammer 13 strömenden Luftstroms sorgen. Dieser Teil des Luftzufuhrkanals 35 bildet eine Mischpassage zum Mischen des Brennstoffes mit der Luft als Oxidationsmittel.
  • Die Drallschaufeln 37 sind wenigstens teilweise hohl ausgebildet. Die Hohlräume der Drallschaufeln 37 stehen über Öffnungen 39 mit dem äußeren Gaszufuhrkanal 31 in Verbindung. An geeigneten Stellen weisen die Drallschaufeln 37 Auslassöffnungen 41 auf, durch welche ein über den Gaszufuhrkanal 31 zugeführtes Gas in den Luftzufuhrkanal 35 eintreten kann. Die Auslassöffnungen 41 sind als Düsen ausgebildet und derart angeordnet, dass das Gas zusammen mit der Luft noch mindestens einen Teil der Drallschaufeln 37 passiert und so zum Erzielen einer guten Vermischung mit der Luft verwirbelt wird.
  • Beim Betrieb des Brenners mit Gas erfolgt eine Zufuhr gasförmigen Brennstoffes, beispielsweise Erdgas, durch den äußeren Gaszufuhrkanal 31 in den Luftzufuhrkanal 35. Die im Luftzufuhrkanal 35 angeordneten Drallschaufeln 37 sorgen dabei für eine Vermischung des gasförmigen Brennstoffes mit der Luft, so dass der Brenner im Vormischbetrieb zu betreiben ist.
  • Wenn der Brenner mit einem flüssigen Brennstoff, beispielsweise Heizöl, betrieben werden soll, so wird der flüssige Brennstoff über den Zufuhrkanal 33 für flüssige Brennstoffe zugeführt und mittels Düsen 43 in den Gaszufuhrkanal 31 zerstäubt. Im Falle des Betriebes mit flüssigem Brennstoff erfolgt durch den Gaszufuhrkanal 31 eine Zufuhr eines Inertgases, beispielsweise molekularen Stickstoffes, oder die Zufuhr eines Dampfes, beispielsweise Wasserdampf. Durch das Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes beim Einspritzen in den Gaszufuhrkanal 31 entsteht eine Gas-Flüssigkeits-Mischung mit fein zerteilten Flüssigkeitströpfchen. Die Tröpfchen aus flüssigem Brennstoff verdunsten mindestens zum Teil, so dass ein Teil des Brennstoffes nach dem Zerstäuben in den Gaszufuhrkanal 31 in der Gasphase vorliegt. Der Übertritt des flüssigen Brennstoffes in die Gasphase kann durch ein Vorheizen des zugeführten Inertgases oder des zugeführten Dampfes und/oder des Brennstoffes gefördert werden. Auf diese Weise kann auch ein vollständiges Verdampfen des zerstäubten flüssigen Brennstoffes erreicht werden. Das Vorheizen des Trägermediums auf eine definierte Temperatur kann außerdem genutzt werden, um die Mischungsgüte der Mischung über den Impuls zu steuern.
  • Das Inertgas bzw. der Dampf dient als Trägerstrom für die Tröpfchen des flüssigen Brennstoffes bzw. den in die Gasphase übergehenden flüssigen Brennstoff. Der den Brennstoff enthaltende Trägerstrom strömt dann wie ein gasförmiger Brennstoff durch die Öffnungen 39 in die Hohlräume der Drallschaufeln 37 und wird von dort durch die Austrittsöffnungen 41 in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst. Die Drallschaufeln 37 sorgen dabei für eine Verwirbelung des Trägerstroms mit der Luft und so für eine gute Vermischung des im Trägerstrom enthaltenen Brennstoffes mit der Luft als Oxidationsmittel. Der Brenner ist also auch beim Betrieb mit flüssigem Brennstoff im Vormischmodus zu betreiben.
  • Im mit Bezug auf FIG 1 beschriebenen Brenner erfolgt das Eindüsen des Brennstoffes in den Luftzufuhrkanal 35 unabhängig von der Art des Brennstoffes - d.h. unabhängig davon, ob ein flüssiger Brennstoff oder ein gasförmiger Brennstoff Verwendung findet - mittels der Austrittsöffnungen 41, die bislang lediglich für das Eindüsen gasförmigen Brennstoffes Verwendung fanden. Ein flüssiger Brennstoff wird zuvor über die Düsen 43 in einen Trägerstrom eingedüst, welcher über den Gaszufuhrkanal 31 zugeführten wird. Der flüssige Brennstoff wird dann als verdampfter Brennstoff oder als in Form von Schwebetröpfchen fein verteilter Brennstoff vom Trägerstrom aufgenommen und durch die Austrittsöffnungen 41 in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst. Eine zusätzliche Auslassöffnung oder Einspritzdüse zum Zuführen flüssigen Brennstoffes in den Luftzufuhrkanal 35 ist im erfindungsgemäßen Brenner daher nicht nötig.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner ist in FIG 2 gezeigt. Der in FIG 2 gezeigte Brenner unterscheidet sich vom in FIG 1 gezeigten Brenner lediglich dadurch, dass die Drallschaufeln 137 keine Hohlräume aufweisen, d.h. die Drallschaufeln 137 sind nicht als Hohlschaufeln ausgebildet, und dass Düsenrohre 139 im Lufteinlasskanal 35 angeordnet sind. Die Düsenrohre 139 sind als Hohlrohre ausgebildet und grenzen mit einer offenen Stirnseite 143 an eine Auslassöffnung 145 des Gaszufuhrkanals 31 an. Jedes der Düsenrohre 139 weist eine Anzahl Düsen 141 auf, über die ein über den Gaszufuhrkanal 31 und den Hohlraum der Düsenrohre 139 zugeführter gasförmiger Brennstoff in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst wird, wenn der Brenner mit gasförmigen Brennstoff betrieben wird. Wird der Brenner hingegen mit einem flüssigen Brennstoff betrieben, so wird in analoger Weise ein Trägerstrom mit fein verteilten Brennstofftröpfchen oder mit verdampftem Brennstoff in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst. Das Eindüsen des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom erfolgt dabei so, wie es mit Bezug auf FIG 1 beschrieben worden ist.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe, bei dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel erfolgt dadurch gekenn- zeichnet, dass ein als fluidischer Brennstoff Verwendung findender flüssiger Brennstoff vor dem Mischen mit dem Oxidationsmittel mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom gemischt wird und zum Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel ein Mischen des den flüssigen Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Mischen des flüssigen Brennstoffes mit dem Trägerstrom eine Überhitzung des Trägerstromes herbeigeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl des Massenstroms und/oder der Temperatur des Trägermediums die Mischungsgüte des flüssigen Brennstoffes im Trägerstrom eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder der Dampf für den Trägerstrom von molekularem Sauerstoff weitgehend frei ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas oder Dampf für den Trägerstrom molekularer Stickstoff bzw. Wasserdampf Verwendung findet.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Mischen des flüssigen Brennstoffes mit dem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom ein Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fluidischer Brennstoff wahlweise ein flüssiger Brennstoff oder ein gasförmiger Brennstoff Verwendung finden kann.
  8. Brenner für fluidische Brennstoffe, in dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel erfolgt, mit
    - einer Brennstoffzufuhr (33) für flüssige Brennstoffe,
    - einer Gaszufuhr (31),
    - einer Oxidationsmittelzufuhr (35) und
    - einer mit der Brennstoffzufuhr (33) zum Zuführen flüssiger Brennstoffe, der Gaszufuhr (31) und der Oxidationsmittelzufuhr (35) mittelbar oder unmittelbar in Verbindung stehende Mischpassage, in der ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Brennstoffzufuhr (33) zum Zuführen flüssiger Brennstoffe und die Gaszufuhr (31) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass vor dem Eintritt eines flüssigen Brennstoffes in die Mischpassage ein Mischen des flüssigen Brennstoffes mit einem mittels der Gaszufuhr (31) zugeführten gas- oder dampfförmigen Trägerstrom erfolgen kann.
  9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas bzw. der Dampf des Trägerstroms überhitzt ist.
  10. Brenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr (33) für flüssige Brennstoffe über einen oder mehrere Zerstäuber (43) in die Gaszufuhr (31) mündet.
  11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhr (31) über ein Gasdüsensystem (41; 141) in die Mischpassage mündet.
  12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mischpassage (35) Drallschaufeln (37) vorhanden sind, welche mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen, und dass wenigstens ein Teil der in die Mischpassage mündenden Gasdüsen (41) des Gasdüsensystems über die Hohlräume der Drallschaufeln (37) mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung steht.
  13. Brenner nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mischpassage Düsenrohre (139) vorhanden sind, welche mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen, und dass wenigstens ein Teil der in die Mischpassage mündenden Gasdüsen (141) des Gasdüsensystems über die Hohlräume der Düsenrohre (139) mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung steht.
  14. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er zum wahlweise Betreiben mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff als fluidischem Brennstoff ausgestaltet ist.
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