EP1673576B1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen von brennstoff - Google Patents

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EP1673576B1
EP1673576B1 EP04790361A EP04790361A EP1673576B1 EP 1673576 B1 EP1673576 B1 EP 1673576B1 EP 04790361 A EP04790361 A EP 04790361A EP 04790361 A EP04790361 A EP 04790361A EP 1673576 B1 EP1673576 B1 EP 1673576B1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
fuel
mixture
combustion
entity
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EP04790361A
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English (en)
French (fr)
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EP1673576A1 (de
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Gerald Lauer
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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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 apparatus for burning fuel in a combustion chamber.
  • combustion systems which are divided into three groups:
  • So-called standard low-NOx systems are provided with a premix of fuel and combustion air before entering a combustion chamber. Within the combustion chamber, a forming flame is subsequently stabilized and the oxidation reaction thereby controlled. Due to remaining blemishes occur locally high temperatures within the combustion chamber, which can lead to an undesirably high NOx emission. Therefore, in standard low-NOx systems, the flame is typically primarily aerodynamically stabilized, thereby recirculating hot combustion gases to react with the fuel and combustion air mixture entering the combustion chamber. The aerodynamic stabilization is supported by the use of hot support flames (so-called piloting), which can lead to a further inhomogenization of the temperature distribution in the combustion chamber. Such an inhomogeneous temperature distribution can be an additional source of nitric oxide production be. It is therefore customary that in standard low-NOx systems, the primary NOx emissions are reduced by a catalytic exhaust gas purification.
  • catalytic combustion systems are currently limited, so that, for example, for high temperature combustion systems, such as e.g. Stationary gas turbines of the most modern design, no catalytic burns can be used. Only in smaller stationary gas turbines catalytic combustion systems are already used.
  • combustion air is preheated by means of the exhaust gas and supplied in a radial edge region of a high-pressure combustion chamber.
  • a fuel gas is injected separately.
  • the preheated combustion air mixes in the edge region of the combustion chamber with recirculating exhaust gas and internally with the separately supplied fuel gas.
  • EP-A-1 010 945 a combustion chamber with a premix burner and a staged fuel injection.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for burning fuel in a combustion chamber, in particular for gas turbines, where a stable and complete combustion and significantly reduced NOx emissions can be achieved.
  • the object is achieved according to the invention with a method for burning fuel in a combustion chamber, are mixed in the fuel and combustion air before entering the combustion chamber while avoiding auto-ignition, a first part of the mixture is introduced into the combustion chamber, that he in the Combustion chamber is circulated, in the circulation flow of the first part of the mixture further fuel is supplied until a warm-up to ignition conditions would be ensured, and at least a second part of the mixture is introduced into the combustion chamber, that it is injected substantially perpendicular to the outflow direction of the outflowing hot fuel gas from the circulation flow, thus mixed with this, heated and burned until its exit from the combustion chamber.
  • the object is further achieved with a device for burning fuel in a combustion chamber, with a mixing device for mixing fuel and combustion air before entering the combustion chamber while avoiding auto-ignition, a first mixture introduction means for introducing a first part of the mixture in the Combustion chamber, such that the first part of the mixture circulates in the combustion chamber, a fuel introduction means for supplying further fuel in the circulation flow of the first part of the mixture until warming to ignition conditions would be ensured and at least one second Gemischeinleit worn for introducing at least a second Part of the mixture in the combustion chamber, such that the at least a second part of the mixture is injected substantially perpendicular to the outflow of the outflowing hot fuel gas from the circulation flow, thus mixed with this, heated and heated to z u burns its exit from the combustion chamber.
  • a first quantity of fuel (eg a fuel gas 1) is premixed with combustion air before entering the combustion chamber while avoiding autoignition.
  • a first quantity of fuel eg a fuel gas 1
  • combustion air is introduced into the combustion chamber such that a first part of the mixture circulates in a recirculation vortex and at least a second part of the mixture mixes with the hot exhaust gas or fuel gas flowing out of the vortex.
  • the further fuel is admixed according to the invention such that a homogeneous mixing takes place in the fuel gas at a low temperature level. In this way, temperature peaks within the combustion chamber are avoided according to the invention. A particularly low NOx formation from this region of the reacting fuel gas flow is the result.
  • the fuel and the combustion air are mixed prior to entry into the combustion chamber such that the ratio of combustion air to fuel is above the average air / fuel ratio of the combustion in the combustion chamber.
  • the inventively high air / fuel ratio ensures a comparatively low temperature level, whereby the Nox formation is reduced.
  • the device according to the invention can be configured particularly advantageously by introducing the first and / or the second part of the mixture (and / or further parts in the case of a multi-stage fuel addition) from fuel and combustion air through a body arranged centrally in the combustion chamber.
  • the first and / or the second mixture introduction device are arranged in such a central inflow body.
  • 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.
  • a central inflow body for the first and / or the second part of the mixture of fuel and combustion air also advantageously offers the possibility that a device for introducing liquid fuel is integrated into the combustion chamber.
  • a centrally located mixture introduction means is further cooled by the mixture of fuel and combustion air flowing therein, whereby the mixture is minimally heated. The heating results in a further homogenization of the temperature level within the circulation flow according to the invention.
  • the circulation flow itself is advantageously provided in a peripheral region of the combustion chamber, i. formed in a radially outer portion of the combustion chamber.
  • Such a trained recirculation vortex advantageously forms the basis for the most homogeneous possible mixing of additional fuel into the combustion chamber.
  • the combustion chamber is designed substantially cylindrical and the first part of the mixture of fuel and combustion air is introduced substantially radially into the combustion chamber. As a result of the radial introduction of the first part of the mixture, the circulation flow aimed at according to the invention is excited and maintained.
  • an annular combustion chamber may be provided with a correspondingly designed fuel supply.
  • the further fuel is advantageously introduced substantially axially into the combustion chamber.
  • Such addition of residual fuel (fuel gas 2) into the recirculation vortex provides the amount of energy required to ensure the desired warm-up of the entire air-fuel mixture to ignition conditions.
  • Another advantage of an axial Incorporation of the further fuel is that the supplied additional fuel at the same time also contributes to a cooling of the combustion chamber end wall and thus the further fuel is preheated slightly.
  • the first and the second part of the mixture of fuel and combustion air is advantageously introduced as a common stream in the combustion chamber and divided only within the combustion chamber.
  • a device 10 for burning fuel in a combustion chamber in the form of a burner for a stationary gas turbine is shown.
  • the device 10 has as an essential component a combustion chamber 12, which in the Essentially circular cylindrical along an axis 14 is formed.
  • the combustion chamber 12 is formed with a first end wall 16, which is shown at the top in FIG. 1, an outer wall 18 extending downwardly therefrom and a second end wall 20 located at the bottom in relation to FIG.
  • the first end wall 16 is penetrated by a centrally disposed body 22, which is substantially circular cylindrical and also extends along the axis 14.
  • the body 22 is formed with an outer tube 24 and an inner tube 26 concentrically disposed therein.
  • the outer tube 24 is penetrated by radially outwardly directed nozzles 28, which are located with respect to FIG. 1 at the lower end portion of the outer tube 24. Moreover, the outer tube 24 is closed at this end.
  • FIG. 1 At the upper end of the outer tube 24, referring to FIG. 1, there is provided a further not further illustrated air supply 30 and inside the outer tube a fuel gas supply 32, also not shown in greater detail.
  • air supply 30 and the fuel gas supply 32 air or a first fuel gas is supplied into the outer tube 24, in which subsequently forms a mixture 34 of fuel gas and combustion air in the flow direction of the nozzles 28.
  • a first partial flow 36 of this mixture 34 exits from a part of the nozzles 28 into the environment of the outer tube 24 and thus into the interior of the combustion chamber 12.
  • a second partial flow 38 of the mixture 34 exits through further nozzles 28 ', which are arranged on the outer tube 24, based on the above-mentioned nozzles 28 of the first partial flow 36 and with reference to FIG.
  • the outer tube 24 is essentially surrounded by a recirculation space 40, to which a further combustion chamber 42 adjoins within the combustion chamber 12. Between the recirculation space 40 and the further combustion chamber 42, flow guide surfaces 44 are arranged on the inside of the outer wall 18.
  • a circulation flow 46 is excited and stabilized within the recirculation space 40, which initially is directed radially outward from the nozzles 28, subsequently in FIG Direction to the first end wall 16 and directed radially inwardly along this and finally passes from the first end wall 16 back to the nozzles 28.
  • a mixture 34 of fuel gas and combustion air is supplied through the outer tube 24, the air supply 30 and the fuel gas supply 32 to the nozzles 28 and 28 ', wherein the ratio of air and fuel gas above the average air / fuel gas Ratio of the later combustion within the combustion chamber 12 is located. In this way, autoignition of the mixture 34 is avoided.
  • the mixture 34 is introduced as a first partial flow 36 and second partial flow 38 substantially radially into the combustion chamber 12.
  • the nozzles 28 are arranged and shaped in such a way that the first partial flow 36 essentially reaches the circulation flow 46 and thus excites a recirculation vortex within the recirculation space.
  • Addition of further fuel gas through the further fuel gas supply 48 in a substantially axial direction additionally supports the recirculation vortex and provides so much energy that, in principle, heating of the entire mixture to ignition conditions is ensured.
  • a stable circulation flow 46 flows per unit time between about 10% and 20% of the total supplied during a unit time combustion air and fuel gas mass. This total gas mass is preheated in the recirculation vortex.
  • the case achieved combustion or reaction of the mixture 34 is carried out at a particularly homogeneous gas mixing and a relatively low temperature level while avoiding temperature peaks.
  • swirl generator can therefore be dispensed with in the combustion chamber 12.
  • Another main advantage of the combustion chamber 12 and the two-stage supply of fuel gas formed in the recirculation space 40 formed thereon is that catalysts can be dispensed with.
  • the second partial stream 38 of the mixture 34 and optionally further partial streams enters / pass through the nozzles 28 ', which are designed, for example, as tubes, directly into the outflowing fuel gas 50 or can also completely or partially recirculate in an exemplary embodiment which is not illustrated.
  • the outflowing fuel gas 50 is comparatively hot, so that the second partial stream 38 is heated in sufficient form and also fully reacted to the outlet 52.
  • the centrally located body 22 and the inner tube 26 formed therein provide the possibility of integrating liquid fuel nozzles so that the apparatus 10 may be used as a whole as a dual fuel system. With the device 10 so also liquid fuel can be oxidized in a relatively low-pollution manner, which is not possible in conventional systems with catalysts.

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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.

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.
  • Ferner offenbart EP-A-1 010 945 eine Brennkammer mit einem Vormischbrenner und einer gestuften Brennstoffeindüsung.
  • 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 im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmrichtung des abströmenden heißen Brenngases aus der Zirkulationsströmung eingedüst wird, sich so mit diesem mischt, 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 im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmrichtung des abströmenden heißen Brenngases aus der Zirkulationsströmung eingedüst wird, sich so mit diesem mischt, 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 Brennstoff- und 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
    - dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Teil (38) des Gemisches (34) derart in die Brennkammer (12) eingebracht wird, dass er im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmrichtung des abströmenden heißen Brenngases (50) aus der Zirkulationsströmung (46) eingedüst wird, sich so mit diesem mischt, 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 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
    - dadurch gekennzeichnet, dass 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) im Wesentlichen senkrecht zu der Abströmrichtung des abströmenden Brenngases (50) aus der Zirkulationsströmung (46) eingedüst wird, sich so mit diesem mischt, 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 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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