EP1673576B1 - Procede et dispositif de combustion d'un combustible - 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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combustion
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Gerald Lauer
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Siemens AG
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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

L'invention concerne un procédé et un dispositif (10) destinés à la combustion d'un combustible dans une chambre de combustion (12), ce procédé et ce dispositif permettant d'obtenir une combustion caractérisée par des émissions de NOx particulièrement faibles. A cet effet, le combustible et l'air comburant sont mélangés sans inflammation spontanée avant d'entrer dans la chambre de combustion (12), une première partie (36) du mélange (34) est introduite dans la chambre de combustion (12) de façon à circuler dans celle-ci, une quantité supplémentaire de combustible est acheminée dans le flux de circulation (46) de la première partie (36) du mélange (34) jusqu'à ce que la température atteigne des conditions d'allumage, puis au moins une deuxième partie (38) du mélange (34) est introduite dans la chambre de combustion (12) de sorte qu'elle se mélange à un gaz combustible chaud (50) provenant du flux de circulation (46), se réchauffe et brûle jusqu'à ce qu'elle sorte de la chambre de combustion (12).

Claims (21)

  1. Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion (12), dans lequel
    - on mélange du combustible et de l'air de combustion avant une entrée dans la chambre de combustion (12) en évitant un auto-allumage ;
    - on introduit une première partie (36) du mélange (34) dans la chambre de combustion (12) de façon à ce qu'elle circule dans la chambre de combustion (12) ;
    - on envoie dans le courant (46) de circulation de la première partie (36) du mélange (34) du combustible supplémentaire jusqu'à ce que soit assuré un échauffement jusqu'à des conditions d'allumage, et
    caractérisé en ce que
    - on introduit au moins une deuxième partie (38) du mélange (34) dans la chambre de combustion (12) de façon à ce qu'elle soit injectée sensiblement perpendiculairement à la direction d'évacuation du gaz (50) de combustion chaud qui s'évacue du courant (46) de circulation, se mélange ainsi à celui-ci, s'échauffe et brûle jusqu'à sa sortie de la chambre de combustion (12).
  2. Procédé suivant la revendication 1,
    caractérisé en ce que l'on mélange le combustible et l'air de combustion avant une entrée dans la chambre de combustion (12) de façon à ce que le rapport de l'air de combustion au combustible soit supérieur au rapport moyen air/combustible de la combustion dans la chambre de combustion (12).
  3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2,
    caractérisé en ce que l'on introduit la première et/ou la au moins une deuxième parties (36, 38) du mélange (34) de combustible et d'air de combustion par une pièce (22) disposée centralement dans la chambre de combustion (12).
  4. Procédé suivant la revendication 3,
    caractérisé en ce que l'on envoie comme combustible un gaz de combustion et on envoie en outre du combustible liquide par la pièce (22) disposée centralement.
  5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4,
    caractérisé en ce que le courant (46) de circulation de la première partie (36) du mélange (34) est constitué de combustible et d'air de combustion dans une partie (40) périphérique de la chambre de combustion (12).
  6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5,
    caractérisé en ce que la chambre de combustion (12) est sensiblement cylindrique ou annulaire et on introduit la première partie (36) du mélange (34) constitué de combustible et de l'air de combustion sensiblement radialement dans la chambre (12) de combustion.
  7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6,
    caractérisé en ce que la chambre combustion (12) est sensiblement cylindrique ou annulaire et on introduit le combustible (48) supplémentaire sensiblement axialement dans la chambre de combustion (12).
  8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7,
    caractérisé en ce que la chambre de combustion (12) est sensiblement cylindrique et on introduit la au moins une deuxième partie (38) du mélange (34) constitué du combustible et d'air de combustion sensiblement radialement dans la chambre de combustion (12).
  9. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8,
    caractérisé en ce que l'on introduit la première et la au moins une deuxième parties (36, 38) du mélange (34) constitué de combustible et d'air de combustion sous la forme d'un courant commun dans la chambre de combustion (12) qui est réparti à l'intérieur de la chambre de combustion (12).
  10. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 9,
    caractérisé en ce que l'on introduit la première et la au moins une deuxième parties (36, 38) du mélange (34) constitué de combustible et d'air de combustion par au moins une buse (28, 28') adaptée particulièrement dans le courant (46) de circulation ainsi que dans la chambre de combustion (12).
  11. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 10,
    caractérisé en ce que l'on constitue le courant (46) de circulation de manière à ce qu'il y circule par unité de temps entre environ 5 % à 25 %, notamment entre 10 % et 20 % de toute la masse gazeuse envoyée pendant une unité de temps.
  12. Dispositif (10) de combustion de combustible dans des chambres de combustion (12) notamment pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, comprenant
    - un dispositif (22) de mélange pour mélanger du combustible et de l'air de combustion avant une entrée dans la chambre de combustion (12) tout en empêchant un auto-allumage;
    - un premier dispositif d'introduction de mélange pour introduire une première partie (36) du mélange (34) dans la chambre de combustion (12) de façon à ce que la première partie (36) du mélange (34) circule dans la chambre de combustion (12) ;
    - un dispositif (48) d'introduction de combustible pour envoyer du combustible supplémentaire dans le courant (46) de circulation de la première partie (36) du mélange (34) jusqu'à ce qu'il y ait des conditions d'allumage ; et
    caractérisé en ce qu'il y a au moins un deuxième dispositif d'introduction de mélange pour introduire au moins une deuxième partie (38) du mélange (34) dans la chambre de combustion (12) de façon que la au moins une deuxième partie (38) du mélange (34) soit injectée sensiblement perpendiculairement à la direction d'évacuation du gaz (50) de combustion qui s'évacue du courant (46) de circulation, se mélange ainsi à celui-ci, s'échauffe et brûle jusqu'à sa sortie de la chambre (12) de combustion.
  13. Dispositif suivant la revendication 12,
    caractérisé en ce que le premier et/ou le au moins un deuxième dispositif d'introduction de mélange est constitué sous la forme d'une pièce (22) disposée centralement dans la chambre (12) de combustion.
  14. Dispositif suivant la revendication 13,
    caractérisé en ce que le premier et/ou le au moins un deuxième dispositif d'introduction de mélange est constitué pour introduire du combustible gazeux et il est prévu en plus dans la pièce (22) disposée centralement au moins un dispositif pour introduire du combustible liquide.
  15. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 14,
    caractérisé en ce que le premier dispositif d'introduction du mélange et la chambre de combustion (12) sont tels que le courant (46) de circulation de la première partie (36) du mélange (34) constitué de combustible et d'air de combustion se crée dans une partie (40) périphérique de la chambre (12) de combustion.
  16. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 15,
    caractérisé en ce que la chambre (12) de combustion est sensiblement cylindrique ou annulaire et le premier dispositif d'introduction du mélange est tel qu'il introduit la première partie (36) du mélange (34) constitué de combustible et d'air de combustion sensiblement radialement dans la chambre de combustion (12).
  17. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 16,
    caractérisé en ce que la chambre de combustion (12) est sensiblement cylindrique ou annulaire et le dispositif (48) d'introduction de combustible est tel qu'il introduit le combustible supplémentaire sensiblement axialement dans la chambre de combustion (12).
  18. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 17,
    caractérisé en ce que la chambre de combustion (12) est sensiblement cylindrique ou annulaire et le au moins un deuxième dispositif d'introduction de mélange est tel qu'il introduit la au moins une deuxième partie (38) du mélange (34) constitué de combustible et d'air de combustion sensiblement radialement dans la chambre de combustion (12).
  19. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 18,
    caractérisé en ce que le premier et le au moins un deuxième dispositifs d'introduction de mélange sont tels qu'ils introduisent la première et la au moins une deuxième parties (36, 38) du mélange (34) constitué de combustible et d'air de combustion sous la forme d'un courant commun dans la chambre de combustion (12).
  20. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 19,
    caractérisé en ce que le premier et le au moins un deuxième dispositifs d'introduction du mélange ont au moins une buse (28, 28') adaptée particulièrement pour introduire du combustible dans le courant (46) de circulation ainsi que dans la chambre de combustion (12).
  21. Dispositif suivant l'une des revendications 12 à 20,
    caractérisé en ce que la chambre de combustion (12) ainsi que le premier et le au moins un deuxième dispositifs d'introduction du mélange sont tels qu'il circule dans le courant (46) de circulation par unité de temps entre environ 5 % et 25 %, notamment entre environ 10 % et 20 % de toute la masse gazeuse envoyée pendant une unité de temps.
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