EP1723369B1 - Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases - Google Patents

Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases Download PDF

Info

Publication number
EP1723369B1
EP1723369B1 EP05708014A EP05708014A EP1723369B1 EP 1723369 B1 EP1723369 B1 EP 1723369B1 EP 05708014 A EP05708014 A EP 05708014A EP 05708014 A EP05708014 A EP 05708014A EP 1723369 B1 EP1723369 B1 EP 1723369B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
gas
low
air
premix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP05708014A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1723369A1 (de
Inventor
Andreas Heilos
Berthold Köstlin
Bernd 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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05708014A priority Critical patent/EP1723369B1/de
Publication of EP1723369A1 publication Critical patent/EP1723369A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1723369B1 publication Critical patent/EP1723369B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F23D14/583—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration of elongated shape, e.g. slits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a premix burner for combustion of a low-calorie combustible gas, in particular a synthesis gas.
  • the invention further relates to a method for combustion of a low-calorie combustible gas.
  • a burner for gaseous fuels is, for example, from DE 42 12 810 A1 known. It can be seen that combustion air through an air-ring channel system and fuel through another ring channel system are fed to the combustion. In this case, a high calorific fuel (natural gas or fuel oil) is injected from the fuel channel into the air duct, either directly or from formed as a hollow blades swirl blades.
  • a high calorific fuel natural gas or fuel oil
  • the combustible constituents of synthesis gas are essentially carbon monoxide and hydrogen.
  • the combustor in the combustor associated with the gas turbine must then be configured as a dual or multi-fuel burner which is connected to both the synthesis gas and the secondary fuel, e.g. Natural gas or fuel oil can be applied as needed.
  • the respective fuel is supplied via a fuel passage in the burner of the combustion zone.
  • the calorific value of the synthesis gas is about five to ten times smaller compared to the calorific value of natural gas.
  • Main constituent in addition to CO and H 2 are inert components such as nitrogen and / or water vapor and possibly also carbon dioxide. Due to the low calorific value consequently high volume flows of fuel gas must be supplied through the burner of the combustion chamber. This has the consequence that one or more separate fuel passages must be made available for the combustion of low calorific fuels - such as synthesis gas.
  • Such a multi-pass burner which is also suitable for the synthesis gas operation, is for example in the WO 03/098110 A1 disclosed.
  • the quality of the mixture between synthesis gas and air at the flame front is an important influencing factor for avoiding temperature peaks and thus for minimizing the formation of thermal nitrogen oxides.
  • premix combustion is becoming increasingly important also in the combustion of low calorific gases.
  • the object of the invention is therefore to provide a premix burner for combustion of a low-calorie combustible gas.
  • Another object of the invention is to provide a method for burning a low calorific fuel gas.
  • the first object is achieved according to the invention by a premix burner for combustion of a low-calorie combustible gas according to claim 1.
  • the invention is based on the consideration that to ensure a low-emission operation, the mixture of fuel and combustion air is of particular importance. Temperature peaks can only be avoided by mixing as homogeneously as possible. Since low volume fuel gas high volume flows of fuel gas are involved, which are to be mixed with combustion air, here presented the solution of the mixing task, the experts in particular challenges to the structural design of such burner.
  • synthesis gas premix burner of the invention With the synthesis gas premix burner of the invention, a burner concept is proposed for the first time, which makes the pollutant emissions related advantages of the premix operation also applicable for low caloric synthesis gases as fuel.
  • the injection device downstream of the twisting device the injection of undiluted or partially diluted low-calorie fuel gas in the already twisted mass flow takes place. In the spatial region downstream of the twisting device, this results in a largely homogeneous mixing of the synthesis gas and the twisted air mass flow.
  • the combustion of the premixed fuel gas-air mixture takes place downstream of the burner at a temperature corresponding to the premixed air number.
  • a small partial mass flow of the low-calorie combustible gas can be previously separated and fed into the combustion chamber via a support flame operated in diffusion operation, for example about 5% to 20% of the total volume flow of fuel gas.
  • Another advantage is that the proven premix combustion concept for high-calorie fuels such as natural gas or oil can be adopted unchanged, so that any lengthy optimizations and / or design changes are not necessary. That is, it is possible to extend a conventional combustion system designed for high calorific fuels by means of the aerodynamically coupled injection device to the air duct through an additional fuel passage for low calorie combustible gases, without the design implementation having a detrimental effect on the existing conventional combustion system , eg with regard to occurring pressure losses.
  • the premix burner can be operated with both the synthesis gas, which is produced for example from coal, industrial residues or waste, and with a secondary fuel, such as natural gas or oil.
  • a synthesis gas premixing operation is only via the injection device downstream of the twisting device, the low calorific fuel is injected into the premixed air duct, a particularly homogeneous mixture being ensured as a result of the swirling combustion air.
  • the injector has a plurality of fuel gas inlet ports which open into the premix air passage.
  • the inlet openings are designed for the low calorific fuel gas so that the formation of follow-up areas in the premixed air duct is prevented.
  • a gas flows at very high speed, as is the case after a injection device, behind the inlet openings, a wake region with significantly increased turbulence can arise.
  • the turbulent wake region can cause backflows and recirculations to form, which in turn can cause a flashback.
  • the transient character of the wake can cause a flow separation.
  • the shape of the inlet openings should be chosen so that these negative effects are prevented.
  • the inlet openings have a cross section for the fuel gas, wherein the cross section has a longitudinal extent and a transverse extent, and wherein the longitudinal extent is greater than the transverse extent.
  • a nearly circular opening is also possible in principle.
  • the longitudinal extent is preferably 3 times to 10 times the transverse extent. If the longitudinal extent is less than three times the transverse extent, the design approaches a circular inlet opening and this could favor the formation of a wake region. On the other hand, a longitudinal extent which is more than 10 times the transverse extent is not absolutely necessary and should be avoided for reasons of space.
  • the cross-section of the inlet openings in the form of an oblong hole, or a rectangle with rounded corners or a drop.
  • These forms, where one side can be shaped longer than the transverse side, have proven to be particularly suitable for proper operation of the premix burner. It is also advantageous if no sharp edges are formed at the cross section of the inlet opening. In areas where the angle is less than 90 °, dead zones often occur in the flow. These edges are preferably designed by rounding (chamfer).
  • the longitudinal axis defined by the longitudinal extent is substantially parallel to the flow direction of the combustion air.
  • the inlet opening is located with its narrower side perpendicular to the twisted air mass flow and thereby the resistance, which generates the low calorific fuel gas on the way of the combustion air, significantly reduced.
  • the outflowing fuel gas continues to be no major obstacle but the combustion air and the fuel gas mix only gradually and intimately over the longitudinal extent of the inlet opening. As a result, no turbulence is generated in the boundary layer between the combustion air and the low-calorie combustible gas, and thus creep is prevented. Furthermore, a particularly good and homogeneous mixing of combustion air and fuel gas is achieved.
  • the flow direction of the combustion air at an angle relative to the burner axis, said angle being between 0 ° and 90 °.
  • the injector has a gas distribution ring surrounding the premixed air passage radially outward.
  • the premix air channel is preferably formed as an annular channel having an outer channel wall, which with a plurality of inlet openings, e.g. Drilled through holes that are in fluid communication with the gas distribution ring.
  • inlet openings e.g. Drilled through holes that are in fluid communication with the gas distribution ring.
  • the diameter of the bore, their number and their distribution on the outer channel wall must be interpreted accordingly.
  • the outer channel wall tapers conically in the direction of flow of the combustion air. Due to the injection of the low calorie combustible gas through the introduced into the outer cone inlet openings can be dispensed with any negative influence on the air flow additional internals for the injecting, so that the operation with conventional fuels (Natural gas or fuel oil) is still possible without restriction if necessary.
  • Particularly preferred embodiment is the premix burner in a combustion chamber, for example in an annular combustion chamber, used.
  • a combustion chamber is advantageously designed as a combustion chamber of a gas turbine, for example as an annular combustion chamber of a stationary gas turbine.
  • the object directed to the method is achieved according to the invention by a method for combustion of a low-calorie combustible gas according to claim 11.
  • undiluted or partially diluted low calorific fuel gas is advantageously injected into the twisted combustion air.
  • the low calorific fuel gas is injected so that the formation of wake zones in the premix air duct is prevented.
  • the method is particularly effective against blinding follow-up areas in the premixed air duct when preferably the low calorie combustible gas is injected through inlet openings and these inlet openings have a cross-section, the cross-section having a longitudinal extent and transverse extent, and wherein the longitudinal extent is greater than the transverse dimension.
  • the longitudinal axis defined by the longitudinal extent is substantially parallel to the flow direction of the combustion air, so that the low-calorie fuel gas is injected parallel to the flow direction of the combustion air.
  • low calorific fuel gas is a gasified fossil fuel, especially gasified coal, particularly advantageous for use.
  • the method is preferably performed during operation of a gas turbine combustor wherein a synthesis gas, which is a low calorie fuel, is burned in premix mode.
  • a premix burner 1 shows a premix burner 1, which is approximately rotationally symmetrical with respect to a burner axis 12.
  • a directed along the burner axis 12 pilot burner 9 with a fuel supply channel 8 and a concentrically enclosing this air supply annular channel 7 is concentrically surrounded by a fuel ring channel 3.
  • This fuel ring channel 3 is partially concentrically enclosed by a premixed air channel 2.
  • Der Premix air channel 2 is an annular channel 14 formed, which has an outer channel wall 15.
  • a - shown schematically - ring of swirl vanes 5 is installed, which forms a swirl device.
  • At least one of these swirl blades 5 is formed as a hollow blade 5a. It has an inlet 6 formed by a plurality of small openings for a fuel supply.
  • the hollow blade 5a is designed for the supply of high-calorie fuel 11, for example natural gas or fuel oil.
  • the fuel ring channel 3 opens into this hollow blade 5a.
  • the premix burner 1 can be operated via the pilot burner 9 as a diffusion burner. Usually, however, it is used as a premix burner, that is, fuel and air are first mixed and then sent to combustion.
  • the pilot burner 9 serves to maintain a pilot flame, which stabilizes the combustion during premix burner operation with a possibly changing fuel-air ratio.
  • combustion air 10 and the high-calorie fuel 11 are mixed in the premixed air channel 2 and then fed to the combustion.
  • the high-calorie fuel 11 is conducted from the fuel annular channel 3 into a hollow blade 5a of the swirl vane ring 5 and introduced from there via the inlet 6 into the combustion air 10 in the premix air channel 2.
  • a low-calorie combustible gas SG for example, a synthesis gas from a coal gasification process
  • a injection device 13 is provided for the low-calorie fuel gas SG.
  • the injection device 13 comprises a plurality from inlet openings 16 for the fuel gas SG.
  • the inlet openings 16 open into the premixing air channel 2.
  • the injection device 13 has a gas distribution ring 17 which surrounds the premixing air channel 2 radially outward.
  • low-calorie combustible gas SG can be injected into the distributed combustion air stream 10 in full in the premix air channel 2 designed as an annular channel 14 downstream of the swirl device 5.
  • the outer channel wall 15 of the annular channel 14 is hereby interspersed with a plurality of inlet openings 16, for example bores, which are in flow communication with the gas distribution ring 17.
  • a distribution function is ensured by the gas distribution ring 17, so that low-calorie fuel gas SG can be provided with the required pressure and flow rate and mixed by the plurality of inlet ports 16 in the outer channel wall 15 of the twisted combustion air 10.
  • a particularly homogeneous and uniform mixing of combustion air 10 with the low-calorie fuel gas SG is thereby achieved.
  • the gas distribution ring 17 By appropriate structural design and fluidic dimensioning is achieved that by means of the injection device 13, respectively the gas distribution ring 17, a sufficiently large volume flow of fuel gas SG can be supplied for the synthesis gas premix operation.
  • the outer channel wall 15 tapers in the flow direction of the combustion air 10.
  • the premix burner 1 for combustion of a low-calorie combustible gas SG can be used in a combustion chamber of a gas turbine, for example an annular combustion chamber of a stationary gas turbine.
  • premix burner 1 of the invention selective operation with a synthesis gas from a gasifier or a secondary or substitute fuel is possible since the premix burner 1 is designed as a two- or multi-fuel burner, which can be acted upon both with low-calorie fuel gas SG and with high-calorie fuel 11, for example natural gas or fuel oil.
  • the combustion air 10 is imparted with a swirl and the low-calorie combustible gas SG is injected into the twisted combustion air 10 and mixed with it. This mixture is then burned.
  • partially diluted low-calorie fuel gas SG can be injected into the twisted combustion air 10.
  • a low-calorie fuel gas SG is advantageously a gasified fossil fuel, in particular gasified coal from a gasification device used.
  • a synthesis gas operation is particularly advantageous in a gas turbine feasible.
  • the essential advantage of the premix burner 1 according to the invention and the described method for the combustion of a low calorific fuel SG is that the proven premix combustion concept for natural gas and oil (high calorific fuels) can be adopted unchanged.
  • any lengthy constructive burner optimizations and / or design changes are not required.
  • the premix burner 1 is extended only by an additional fuel passage for low calorific combustion gases SG, without the constructive implementation has a significant impact on the conventional operation of the combustion system with high calorific fuels.
  • the proposed construction enables particularly favorable mixing properties of the low-calorie combustible gas SG with the combustion air 10, wherein a sufficiently large throughput (volume flow) of synthesis gas SG can be supplied to the combustion process.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the inlet openings 16.
  • FIG. 2 shows in detail a possibility of constructively designing the inlet openings 16 shown in FIG.
  • the inlet openings 16 in this embodiment have bores 16a with a circular cross section 18 in the outer channel wall 15, which open into the premixing air channel 2.
  • the low calorific fuel gas SG is injected into the premix air channel 2 and there it changes its direction under the influence of the strong air mass flow 10 and is carried away by the air, with which it is mixed intensively to participate in the combustion process. Due to the circular shape of the cross-section 18 during the outflow of the low calorific gas SG from the bores 16a downstream follow-up areas form 19. Due to the strong turbulence in the wake areas 19 arise backflows 20, which run counter to the flow direction 21 of the combustion air 10 and thus the risk of flashbacks increase significantly. The circular inlet openings 16a are therefore still in need of improvement.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of an improved embodiment of the inlet openings 16.
  • the inlet openings 16 are now designed as elongated holes 16b. This design prevents the development of follow-up areas 19 within the premix burner 1 and at the same time a sufficient penetration depth of the low-calorie combustible gas SG is made possible.
  • the elongated holes 16b have a longitudinal extent L 1 and a transverse extent L 2 (see discussions on FIG 5 to FIG 7).
  • the longitudinal extent L 1 is usually about 3 times to 10 times the transverse extent, in this figure of FIG 3, the longitudinal extent L 1 is about 6 times greater than the transverse dimension L 2 .
  • a longitudinal axis A is set.
  • FIG. 4 schematically shows a longitudinal section of an oblong-shaped inlet opening 16b shown in FIG. 3 along the longitudinal axis A.
  • the inlet opening 16b which has a longitudinal extent L 1 , is introduced into the outer channel wall 15.
  • the low-calorie fuel gas SG is injected from the gas distributor ring 17, in this illustration the space below the inlet opening 16b, through the inlet opening 16 into the premixed air channel 2. There it meets the air mass flow 10 and mixes with them.
  • the point in the room where the first contact between the fuel gas SG and the combustion air 10 takes place is also called stagnation point. In the arrangement shown, it lies upstream approximately at the end of the longitudinal extent L 1 , just above the inlet opening 16. From the stagnation point S, the gradual mixing of the combustion gas SG with the combustion air 10 begins and extends downstream over the inlet opening 16b and possibly further.
  • FIGS. 5, 6 and 7 show, in a schematic top view, three different embodiments of the inlet openings 16.
  • the cross-section 18 in FIG. 5 represents a slot 16 b, a rectangle 16 c with rounded corners 22 in FIG. 6 and a drop 16 d in FIG Embodiments have a longitudinal extent L 1 and a transverse extent L 2 , wherein it remains generally valid that the longitudinal extent L 1 is greater than the transverse extent L 2 .
  • a rounding at the point of the acute angle is introduced in the drop.
  • the drop now has two curves with two rounding radii R 1 and R 2 , where R 1 > R 2 .
  • the injection device 13 for the low-calorie combustible gas SG can thus be adjusted with respect to the structural design, the number and the arrangement of the inlet openings 16 of the respective application situation and requirement. This results in each case favorable geometrical configurations for the inlet openings 16.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner (1) zur Verbren­nung eines niederkalorischen Brenngases (SG), mit einem sich entlang einer Brennerachse (12) erstreckenden Luftkanal (2) über den Verbrennungsluft (10) zuführbar ist. In dem Luftka­nal (2) ist eine Dralleinrichtung (5) angeordnet, wodurch der Verbrennungsluft (10) ein Drall aufprägbar ist. Stromab der Dralleinrichtung (5) ist eine Eindüseeinrichtung (13) für das niederkalorische Brenngas (SG) vorgesehen. Dabei weist die Eindüseeinrichtung (13) solche Einlassöffnungen (16) für das Brenngas (SG) auf, das die Ausbildung von Nachlaufgebieten im Luftkanal (2) verhindert ist. Die Erfindung betrifft weiter­hin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), bei dem Verbrennungsluft (10) ein Teil auf­geprägt, niederkalorisches Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst und mit dieser intensiv vermischt wird, und anschließend das Gemisch verbrannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, insbesondere eines Synthesegases. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases.
  • Ein Brenner für gasförmige Brennstoffe, wie er insbesondere in einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, ist beispielsweise aus der DE 42 12 810 A1 bekannt. Hieraus geht hervor, dass Verbrennungsluft durch ein Luft-Ringkanalsystem und Brennstoff durch ein weiteres Ringkanalsystem der Verbrennung zugeführt werden. Dabei wird ein hochkalorischer Brennstoff (Erdgas oder Heizöl) aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal eingedüst, entweder direkt oder aus als Hohlschaufeln ausgebildeten Drallschaufeln.
  • Damit soll u.a. eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und Luft erreicht werden, um eine stickoxidarme Verbrennung zu erzielen. Eine möglichst geringe Stickoxidproduktion ist aus Gründen des Umweltschutzes und entsprechenden gesetzlichen Richtlinien für Schadstoffemissionen eine wesentliche Anforderung an die Verbrennung, insbesondere an die Verbrennung in der Gasturbinenanlage eines Kraftwerks. Die Bildung von Stickoxiden erhöht sich exponentiell mit der Flammentemperatur der Verbrennung. Bei einer inhomogenen Mischung von Brennstoff und Luft ergibt sich eine bestimmte Verteilung der Flammentemperaturen im Verbrennungsbereich. Die Maximaltemperaturen einer solchen Verteilung bestimmen nach dem genannten exponentiellen Zusammenhang von Stickoxidbildung und Flammentemperatur maßgeblich die Menge der gebildeten Stickoxide. Die Verbrennung eines homogenen Brennstoff-Luft-Gemischs erzielt demnach bei gleicher mittlerer Flammentemperatur einen niedrigeren Stickoxidausstoß als die Verbrennung eines inhomogenen Gemisches. Bei der Brennerausführung in der oben zitierten Druckschrift wird eine räumlich gute Mischung von Luft und Brennstoff erzielt.
  • Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile von Synthesegas im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Zum wahlweisen Betrieb einer Gasturbine mit Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung und einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff muss der Brenner in der der Gasturbine zugeordneten Brennkammer dann als Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt sein, der sowohl mit dem Synthesegas als auch mit dem Zweitbrennstoff, z.B. Erdgas oder Heizöl je nach Bedarf beaufschlagt werden kann. Der jeweilige Brennstoff wird hierbei über eine Brennstoffpassage im Brenner der Verbrennungszone zugeführt.
  • Abhängig vom Vergasungsverfahren und Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa fünf- bis zehnmal kleiner verglichen mit dem Heizwert von Erdgas. Hauptbestandteil neben CO und H2 sind inerte Anteile wie Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den kleinen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas durch den Brenner der Brennkammer zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorische Brennstoffen - wie z.B. Synthesegas eine oder mehrere gesonderte Brennstoffpassagen zur Verfügung gestellt werden müssen. Ein derartiger Mehrpassagenbrenner, der auch für den Synthesegasbetrieb geeignet ist, ist beispielsweise in der WO 03/098110 A1 offenbart.
  • Neben der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur des Synthesegases ist besonders die Mischungsgüte zwischen Synthesegas und Luft an der Flammenfront eine wesentliche Einflussgröße zur Vermeidung von Temperaturspitzen und somit zur Minimierung der thermischen Stickoxidbildung.
  • Im Hinblick auf zunehmend strengere Anforderungen an den Ausstoß von Stickoxiden gewinnt die Vormischverbrennung auch bei der Verbrennung von niederkalorischen Gasen zunehmend an Bedeutung.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases gemäß Anspruch 1.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Sicherstellung eines schadstoffarmen Betriebs die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft von besonderer Bedeutung ist. Temperaturspitzen können nur durch eine möglichst homogene Mischung vermieden werden. Da bei niederkalorischen Brenngasen hohe Volumenströme an Brenngas involviert sind, die mit Verbrennungsluft zu mischen sind, stellte hier die Lösung der Mischaufgabe die Fachwelt vor besondere Herausforderungen an die konstruktive Auslegung derartiger Brenner.
  • Mit dem Synthesegas-Vormischbrenner der Erfindung wird erstmals ein Brennerkonzept vorgeschlagen, welches die Schadstoffausstoß bezogenen Vorteile des Vormischbetriebs auch für niederkalorische Synthesegase als Brennstoff anwendbar macht. Durch die Eindüsevorrichtung stromab der Dralleinrichtung erfolgt die Eindüsung von unverdünnten bzw. teilverdünnten niederkalorischen Brenngas in den bereits verdrallten Massenstrom. Im räumlichen Bereich stromab der Drallvorrichtung erfolgt dadurch eine weitgehend homogene Vermischung des Synthesegases und dem verdrallten Luftmassenstromes. Die Verbrennung des vorgemischten Brenngas-Luftgemisches erfolgt stromab des Brenners bei einer der vorgemischten Luftzahl entsprechenden Temperatur. Zur Stabilisierung der niederkalorischen Vormischflamme kann - speziell im Teillastbereich - ein kleiner Teilmassenstrom des niederkalorischen Brenngases zuvor abgetrennt und im Brennraum über eine im Diffusionsbetrieb betriebene Stützflamme zugeführt werden, z.B. etwa 5% bis 20% des Gesamtvolumenstroms an Brenngas..
  • Durch diese Konstruktion mit der Eindüseeinrichtung stromab der Dralleinrichtung sind ausreichend große Volumenströme von niederkalorischen Brenngas mit der Verbrennungsluft mischbar, wobei außerordentlich gute Mischungsergebnisse erzielbar sind. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Schadstoffbilanz des Vormischbrenners aus.
  • Weiterhin von Vorteil ist, dass das bewährte Vormischverbrennungskonzept für hochkalorische Brennstoffe wie Erdgas oder Öl unverändert übernommen werden kann, womit eventuelle langwierige Optimierungen und/oder konstruktive Änderungen nicht notwendig sind. D.h., es ist möglich ein herkömmliches Verbrennungssystem, das auf hochkalorische Brennstoffe ausgelegt ist, mittels der an den Luftkanal strömungstechnisch angekoppelten Eindüseeinrichtung durch eine zusätzliche Brennstoffpassage für niederkalorische Brenngase zu erweitern, und zwar ohne das die konstruktive Umsetzung einen nachteiligen Einfluss auf das bestehende konventionelle Verbrennungssystem hätte, z.B. hinsichtlich auftretender Druckverluste.
  • Somit kann der Vormischbrenner sowohl mit dem Synthesegas, das beispielsweise aus Kohle, industriellen Rückständen oder Abfall erzeugt wird, als auch mit einem Zweitbrennstoff, wie z.B. Erdgas oder Öl, betrieben werden. Bei einem Synthesegas-Vormischbetrieb wird lediglich über die Eindüseeinrichtung stromab der Dralleinrichtung der niederkalorische Brennstoff in den Vormisch-Luftkanal eingedüst, wobei in Folge der drallbehafteten Verbrennungsluft eine besonders homogene Mischung sichergestellt ist. Durch dieses Konzept sind auch konstruktive Maßnahmen, die mit zusätzlichen Einbauten einhergehen, vermieden, so dass insbesondere der verdrallte Luftmassenstrom durch eventuelle Einbauten nicht beeinträchtigt wird.
  • Durch den Vormischbrenner erfolgt die Verbrennung entsprechend der eingestellten Luftzahl bei deutlich niedrigeren Temperaturen, was letztendlich zu einer Minimierung der thermischen Stickoxidbildung bei der Verbrennung des niederkalorischen Brenngases führt.
  • Die Eindüseeinrichtung eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Brenngas auf, die in den Vormisch-Luftkanal einmünden.
  • Die Einlassöffnungen sind für das niederkalorische Brenngas so ausgeformt:, dass die Ausbildung von Nachlaufgebieten im Vormisch-Luftkanal verhindert ist. Beim Einströmen eines Gases mit sehr hoher Geschwindigkeit, wie es der Fall nach einer Eindüseeinrichtung ist, kann hinter den Einlassöffnungen ein Nachlaufgebiet mit deutlich erhöhter Turbulenz entstehen. Das turbulente Nachlaufgebiet kann dazu führen, dass sich Rückströmungen und Rezirkulationen bilden, die ihrerseits einen Flammenrückschlag nach sich ziehen können. Weiterhin kann der instationäre Charakter des Nachlaufs eine Strömungsablösung hervorrufen. Um einen sicheren Vormischbetrieb zu gewährleisten, sollte die Form der Einlassöffnungen so gewählt werden, dass diese negativen Effekte verhindert sind.
  • Die Einlassöffnungen weisen für das Brenngas einen Querschnitt auf, wobei der Querschnitt eine Längsausdehnung und eine Querausdehnung aufweist, und wobei die Längsausdehnung größer ist als die Querausdehnung. Eine nahezu kreisförmige Öffnung ist im Prinzip auch möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass z.B. durch eine elliptische Formgebung der Eindüseöffnungen dem Problem von Nachlaufgebieten besonders wirkungsvoll begegnet werden kann. Somit ist ein sicherer Betrieb des Vormischbrenners gewährleistet.
  • Vorzugsweise beträgt die Längsausdehnung das 3-fache bis 10-fache der Querausdehnung. Wenn die Längsausdehnung weniger als das 3-fache der Querausdehnung beträgt, nähert sich die Ausgestaltung einer kreisrunden Einlassöffnung und das könnte die Bildung eines Nachlaufgebiets begünstigen. Andererseits ist eine Längsausdehnung, die mehr als das 10-fache der Querausdehnung beträgt, nicht zwingend notwendig und aus räumlichen Gründen zu vermeiden.
  • Bevorzugtermassen weist der Querschnitt der Einlassöffnungen die Form eines Langloches, oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken oder eines Tropfens auf. Diese Formen, bei denen eine Seite länger als die Querseite geformt werden kann, haben sich als besonders geeignet für einen einwandfreien Betrieb des Vormischbrenners erwiesen. Weiterhin von Vorteil ist, wenn beim Querschnitt der Einlassöffnung keine scharfe Kanten gebildet sind. In den Bereichen wo der Winkel kleiner als 90° ist entstehen häufig Totzonen in der Strömung. Diese Kanten werden vorzugsweise durch Rundungen ausgestaltet (Fase).
  • Die durch die Längsausdehnung festgelegte Längsachse ist im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft. In diesem Fall liegt die Einlassöffnung mit ihrr schmaleren Seite senkrecht zum verdrallten Luftmassenstrom und dadurch wird der Widerstand, den das niederkalorische Brenngas auf dem Weg der Verbrennungsluft erzeugt, deutlich reduziert. Das ausströmende Brenngas stellt weiterhin kein wesentliches Hindernis das auf das die Verbrennungslauf aufprallt, sondern die Verbrennungsluft und das Brenngas vermischen sich nur schrittweise und innig über der Längsausdehnung der Einlassöffnung. Infolgedesen entstehen keine Verwirbelungen in der Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft und dem niederkalorschen Brenngas und somit wird eine Nachlaufbildung verhindert. Weiterhin wird eine besonders gute und homogene Vermischung von Verbrennungsluft und Brenngas erreicht.
  • In bevorzugter Ausgestaltung weist die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft einen Winkel gegenüber der Brennerachse auf, wobei dieser Winkel zwischen 0° und 90° ist.
  • Vorzugsweise weist die Eindüseeinrichtung einen Gasverteilungsring auf, der den Vormisch-Luftkanal radial auswärts umgibt. Der Vormisch-Luftkanal ist dabei bevorzugt als Ringkanal ausgebildet, der eine äußere Kanalwand aufweist, die mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen, z.B. Bohrungen durchsetzt ist, die mit dem Gasverteilungsring in Strömungsverbindung stehen. Hierdurch wird es erreicht, dass über den vollen Umfang des Ringkanals eine Eindüsung von niederkalorischen Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft gewährleistet ist. Je nach Anforderungen an den Volumenstrom von niederkalorischen Brenngas ist der Durchmesser der Bohrung, deren Anzahl und deren Verteilung an der äußeren Kanalwand entsprechend auszulegen. Durch entsprechende konstruktive Auslegung der Eindüseeinrichtung wird erreicht, dass ein hinreichend großer Brenngas-Volumenstrom eingedüst und damit ein stabiler Synthesegas-Vormischbetrieb sichergestellt ist.
  • In bevorzugter Ausgestaltung verjüngt sich die äußere Kanalwand konusartig in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft. Bedingt durch die Eindüsung des niederkalorischen Brenngases durch den in den äußeren Konus eingebrachten Einlassöffnungen kann auf jegliche die Luftströmung negativ beeinflussende zusätzliche Einbauten für die Eindüseeinrichtung verzichtet werden, so dass der Betrieb auch mit konventionellen Brennstoffen (Erdgas oder Heizöl) ohne Einschränkung bei Bedarf weiterhin möglich ist.
  • Besonders bevorzugte Ausgestaltung ist der Vormischbrenner in einer Brennkammer, beispielsweise in einer Ringbrennkammer, eingesetzt. Eine derartige Brennkammer ist vorteilhafter Weise als Brennkammer einer Gasturbine ausgestaltet, beispielsweise als eine Ringbrennkammer einer stationären Gasturbine.
  • Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases gemäß Anspruch 11.
  • Mit diesem Verfahren ist ein besonders homogenes Verbrennungsgemisch erreichbar, wobei hohe Volumenströme an niederkalorischem Brenngas mit der Verbrennungsluft mischbar sind.
  • Hierbei wird vorteilhafter Weise unverdünnte oder teilverdünntes niederkalorisches Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft eingedüst.
  • Bevorzugtermassen wird bei diesem Verfahren das niederkalorische Brenngas so eingedüst, dass die Ausbildung von Nachlaufgebieten im Vormisch-Luftkanal verhindert ist.
  • Das Verfahren wirkt besonders effektiv gegen die Ausblindung von Nachlaufgebieten im Vormisch-Luftkanal, wenn vorzugsweise das niederkalorische Brenngas durch Einlassöffnungen eingedüst wird und diese Einlassöffnungen einen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt eine Längsausdehnung und Querausdehnung aufweist, und wobei die Längsausdehnung größer ist als die Querausdehnung.
  • Bei diesem Verfahren ist durch das Längsausdehnung festgelegte Längsachse im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft, so dass das niederkalorische Brenngas parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft eingedüst wird.
  • Als niederkalorisches Brenngas kommt ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle, besonders vorteilhaft zum Einsatz. Das Verfahren wird vorzugsweise beim Betrieb eines Gasturbinenbrenners durchgeführt, wobei ein Synthesegas, das einen niederkalorischen Brennstoff darstellt, im Vormischbetrieb verbrannt wird.
  • In der Zeichnung sind zur näheren Erläuterung einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Sie zeigt:
    • FIG 1
    ein Längsschnitt durch einen Vormischbrenner gemäß der Erfindung.
    FIG 2
    eine mögliche Auslegung der in FIG 1 gezeigten Eilassöffnungen
    FIG 3
    eine schematische Draufsicht auf eine verbesserten Ausführungsform der Einlassöffnungen
    FIG 4
    ein Längsschnitt einer in FIG 3 gezeigten Einlassöffnung
    FIG 5
    eine Draufsicht auf ein Langloch
    FIG 6
    eine Draufsicht auf ein Rechteck mit abgerundeten Kanten
    FIG 7
    eine Draufsicht auf ein Tropfen
  • FIG 1 zeigt einen Vormischbrenner 1, der in etwa rotationssymmetrisch bezüglich einer Brennerachse 12 ist. Ein entlang der Brennerachse 12 gerichteter Pilotbrenner 9 mit einem Brennstoff-Zufuhrkanal 8 und einem diesen konzentrisch umschließenden Luftzufuhr-Ringkanal 7 ist konzentrisch umgeben von einem Brennstoff-Ringkanal 3. Dieser Brennstoff-Ringkanal 3 ist teilweise konzentrisch umschlossen von einem Vormisch-Luftkanal 2. Der Vormisch-Luftkanal 2 ist als Ringkanal 14 ausgebildet, der eine äußere Kanalwand 15 aufweist. In diesem Vormisch-Luftkanal 2 ist ein - schematisch dargestellter - Kranz von Drallschaufeln 5 eingebaut, der eine Dralleinrichtung bildet. Mindestens eine dieser Drallschaufeln 5 ist als Hohlschaufel 5a ausgebildet. Sie weist einen durch mehrere kleine Öffnungen gebildeten Einlass 6 für eine Brennstoffzuführung auf. Die Hohlschaufel 5a ist dabei für die Zufuhr von hochkalorischen Brennstoff 11, z.B. Erdgas oder Heizöl, ausgelegt. Der Brennstoff-Ringkanal 3 mündet in diese Hohlschaufel 5a.
  • Der Vormischbrenner 1 kann über den Pilotbrenner 9 als Diffusionsbrenner betrieben werden. Üblicherweise wird er aber als Vormischbrenner eingesetzt, d.h., Brennstoff und Luft werden zuerst gemischt und dann der Verbrennung zugeführt. Dabei dient der Pilotbrenner 9 zur Aufrechterhaltung einer Pilotflamme, die die Verbrennung während des Vormischbrennerbetriebes bei einem eventuell wechselnden Brennstoff-Luftverhältnis stabilisiert.
  • Bei der Verbrennung von hochkalorischen Brennstoff 11, d.h. z.B. Erdgas oder Heizöl, werden Verbrennungsluft 10 und der hochkalorische Brennstoff 11 im Vormisch-Luftkanal 2 gemischt und anschließend der Verbrennung zugeführt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dabei der hochkalorische Brennstoff 11 aus dem Brennstoff-Ringkanal 3 in eine Hohlschaufel 5a des Drallschaufelkranzes 5 geleitet und von dort über den Einlass 6 in die Verbrennungsluft 10 im Vormisch-Luftkanal 2 eingeleitet.
  • Bei dem Vormischbrenner 1 der Erfindung ist darüber hinaus wahlweise auch die Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases SG, beispielsweise eines Synthesegases aus einem Kohlevergasungsprozess, möglich. Hierzu ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 10 stromab von der Dralleinrichtung 5 eine Eindüseeinrichtung 13 für das niederkalorische Brenngas SG vorgesehen. Die Eindüseeinrichtung 13 umfasst eine Vielzahl von Einlassöffnungen 16 für das Brenngas SG. Die Einlassöffnungen 16 münden in den Vormisch-Luftkanal 2. Die Eindüseeinrichtung 13 weist einen Gasverteilungsring 17 auf, der den Vormisch-Luftkanal 2 radial auswärts umgibt. Somit wird erreicht, dass niederkalorisches Brenngas SG vollumfänglich in den als Ringkanal 14 ausgebildeten Vormisch-Luftkanal 2 stromab der Dralleinrichtung 5 in den verteilten Verbrennungsluftstrom 10 eindüsbar ist. Die äußere Kanalwand 15 des Ringkanals 14 ist hierbei mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen 16, z.B. Bohrungen durchsetzt, die mit dem Gasverteilungsring 17 in Strömungsverbindung stehen. Auf diese Weise ist durch den Gasverteilungsring 17 auch eine Verteilerfunktion gewährleistet, so dass niederkalorisches Brenngas SG mit dem erforderlichen Druck und Volumenstrom bereitgestellt und durch die Vielzahl von Einlassöffnungen 16 in der äußeren Kanalwand 15 der verdrallten Verbrennungsluft 10 zugemischt werden kann. Vorteilhafter Weise ist hierdurch eine besonders homogene und gleichmäßige Vermischung von Verbrennungsluft 10 mit den niederkalorischen Brenngas SG erreicht. Durch entsprechende konstruktive Auslegung und strömungstechnische Dimensionierung wird erreicht, dass mittels der Eindüseeinrichtung 13, respektive dem Gasverteilungsring 17, ein hinreichend großer Volumenstrom an Brenngas SG zuführbar ist für den Synthesegas-Vormischbetrieb. In alternativer Ausgestaltung oder als Zusatzoption zum radial auswärts angeordneten Gasverteilungsring 17 - hier in FIG 1 nicht näher dargestellt, kann der Gasverteilungsring 17 auch radial einwärts den Vormisch-Luftkanal 2 begrenzen, so dass Synthesegas SG eindüsbar ist. In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 10 verjüngt sich die äußere Kanalwand 15. Der Vormischbrenner 1 zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases SG ist in einer Brennkammer einer Gasturbine, beispielsweise einer Ringbrennkammer einer stationären Gasturbine einsetzbar.
  • Mit dem Vormischbrenner 1 der Erfindung ist ein wahlweiser Betrieb mit einem Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung oder einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff möglich, da der Vormischbrenner 1 als Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt ist, der sowohl mit niederkalorischen Brenngas SG als auch mit hochkalorischen Brennstoff 11, z.B. Erdgas oder Heizöl, beaufschlagt werden kann.
  • Bei einem Betrieb des Vormischbrenners 1 mit niederkalorischen Brenngas SG wird der Verbrennungsluft 10 ein Drall aufgeprägt und das niederkalorische Brenngas SG in die verdrallte Verbrennungsluft 10 eingedüst und mit dieser vermischt. Dieses Gemisch wird anschließend verbrannt. Dabei kann auch teilverdünntes niederkalorisches Brenngas SG in die verdrallte Verbrennungsluft 10 eingedüst werden. Als niederkalorisches Brenngas SG kommt vorteilhafter Weise ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle aus einer Vergasungseinrichtung, zum Einsatz. Mit dem Vormischbrenner 1 ist besonders vorteilhaft ein Synthesegasbetrieb bei einer Gasturbine durchführbar.
  • Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Vormischbrenners 1 und des beschriebenen Verfahrens zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs SG besteht darin, dass das bewährte Vormisch-Verbrennungskonzept für Erdgas und Öl (hochkalorische Brennstoffe) unverändert übernommen werden kann. Vorteilhafter Weise sind dabei eventuelle langwierige konstruktive Brenneroptimierungen und/oder konstruktive Änderungen nicht erforderlich. Der Vormischbrenner 1 wird lediglich durch eine zusätzliche Brennstoffpassage für niederkalorische Brenngase SG erweitert, ohne das die konstruktive Umsetzung einen nennenswerten Einfluss auf den herkömmlichen Betrieb des Verbrennungssystems mit hochkalorischen Brennstoffen hat. Die vorgeschlagene Konstruktion ermöglicht besonders günstige Mischungseigenschaften des niederkalorischen Brenngases SG mit der Verbrennungsluft 10, wobei ein hinreichend großer Durchsatz (Volumenstrom) an Synthesegas SG der Verbrennungsprozess zugeführt werden kann.
  • FIG 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Einlassöffnungen 16. FIG 2 zeigt dabei im Detail eine Möglichkeit die in FIG 1 gezeigten Einlassöffnungen 16 konstruktiv auszulegen. Die Einlassöffnungen 16 in diesem Ausführungsbeispiel weisen Bohrungen 16a mit einem kreisrunden Querschnitt 18 in der äußeren Kanalwand 15 auf, die in den Vormisch-Luftkanal 2 münden. Das niederkalorische Brenngas SG wird in den Vormisch-Luftkanal 2 eingedüst und dort unter dem Einfluss des starken Luftmassenstroms 10 ändert es seine Richtung und wird von der Luft, mit der es intensiv vermischt wird, abtransportiert um am Verbrennungsprozess teilzunehmen. Aufgrund der kreisrunden Form des Querschnittes 18 beim Ausströmen des niederkalorischen Brenngases SG aus den Bohrungen 16a bilden sich stromabwärts Nachlaufgebiete 19. Infolge der starken Turbulenz in den Nachlaufgebieten 19 entstehen Rückströmungen 20, die entgegen der Strömungsrichtung 21 der Verbrennungsluft 10 verlaufen und damit die Gefahr von Flammenrückschlägen deutlich erhöhen. Die kreisförmigen Einlassöffnungen 16a sind daher noch verbesserungswürdig.
  • FIG 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine verbesserte Ausführungsform der Einlassöffnungen 16. Statt Bohrungen 16a mit kreisrundem Querschnitt 18, sind die Einlassöffnungen 16 nun als Langlöcher 16b ausgestaltet. Diese Bauweise verhindert die Entwicklung von Nachlaufgebieten 19 innerhalb des Vormischbrenners 1 und zugleich wird eine hinreichende Eindringtiefe des niederkalorischen Brenngases SG ermöglicht. Die Langlöcher 16b weisen eine Längsausdehnung L1 und eine Querausdehnung L2 auf (siehe Diskussionen zu FIG 5 bis FIG 7). Die Längsausdehnung L1 beträgt in der Regel etwa das 3-fache bis 10-fache der Querausdehnung, in dieser Abbildung der FIG 3 ist die Längsausdehnung L1 etwa 6-fach größer als die Querausdehnung L2. Durch die Längsausdehnung L1 wird eine Längsachse A festgelegt. Diese ist parallel zur Strömungsrichtung 21 der Verbrennungsluft 10. Das führt dazu, dass die schmalere Seite des Langloches 16b quer zur Strömungsrichtung 21 der Verbrennungsluft 10 liegt und dadurch wird der Widerstand, den die Verbrennungsluft 10 beim Kontakt mit dem Brenngas SG erfährt, deutlich verringert. Da die Strömungsrichtung 21 einen Winkel φ gegenüber der Brennerachse 12 aufweist und die Längsachse A parallel zur Strömungsrichtung 21 ist, weist nun die Längsachse A auch den Winkel φ gegenüber der Brennerachse 12.
  • In FIG 4 ist ein Längsschnitt einer in FIG 3 gezeigten langlochförmigen Einlassöffnung 16b entlang der Längsachse A schematisch dargestellt. Die Einlassöffnung 16b, die eine Längsausdehnung L1 aufweist, ist in der äußeren Kanalwand 15 eingebracht. Das niederkalorische Brenngas SG wird vom Gasverteilerring 17, in dieser Darstellung der Raum unter der Einlassöffnung 16b, durch die Einlassöffnung 16 in den Vormisch-Luftkanal 2 eingedüst. Dort trifft es auf den Luftmassenstrom 10 und vermischt sich mit diesen. Der Punkt im Raum wo der erste Kontakt zwischen dem Brenngas SG und der Verbrennungsluft 10 stattfindet nennt man auch Staupunkt. Bei der gezeigten Anordnung liegt er stromaufwärts etwa am Ende der Langsausdehnung L1, knapp über der Einlassöffnung 16. Ab dem Staupunkt S fängt die graduelle Vermengung des Brenngases SG mit der Verbrennungsluft 10 an und erstreckt sich stromabwärts über der Einlassöffnung 16b und eventuell weiter.
  • Figuren 5,6 und 7 zeigen in einer schematischen Draufsicht drei verschieden Ausgestaltungen der Einlassöffnungen 16. Der Querschnitt 18 in FIG 5 stellt ein Langloch 16b, in FIG 6 ein Rechteck 16c mit abgerundeten Ecken 22 und in FIG 7 einen Tropfen 16d dar. Alle drei Ausführungsformen weisen eine Längsausdehnung L1 und eine Querausdehnung L2 auf, wobei allgemein gültig bleibt, dass die Längsausdehnung L1 größer ist als die Querausdehnung L2. Damit die Ausbildung von Totzonen vermieden wird, ist bei dem Tropfen eine Rundung an der Stelle des spitzen Winkels eingebracht. Somit weist der Tropfen nun zwei Rundungen mit zwei Rundungsradien R1 und R2 auf, wobei R1>R2.
  • Die Eindüseeinrichtung 13 für das niederkalorische Brenngas SG kann also im Bezug auf die konstruktive Ausgestaltung, die Anzahl und die Anordnung der Einlassöffnungen 16 der jeweiligen Einsatzsituation und Anforderung angepasst werden. Daraus ergeben sich jeweils günstige geometrische Ausgestaltungen für die Einlassöffnungen 16.

Claims (13)

  1. Vormischbrenner (1) zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), mit einem sich entlang einer Brennerachse (12) erstreckenden Vormisch-Luftkanal (2) über den Verbrennungsluft (10) zuführbar ist, und mit einer in dem Vormisch-Luftkanal (2) angeordneten Dralleinrichtung (5), wobei in Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) stromab der Dralleinrichtung (5) eine Eindüseeinrichtung (13) für das niederkalorische Brenngas (SG) angeordnet ist, wobei die Eindüseeinrichtung (13) eine Vielzahl von Einlassöffnungen (16) aufweist, die in den Vormisch-Luftkanal (2) einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (16) für das Brenngas (SG) einen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt eine Längsausdehnung (L1) und eine Querausdehnung (L2) aufweist, wobei die Längsausdehnung (L1) größer als die Querausdehnung (L2) ist und wobei die durch die Längsausdehnung (L1) festgelegte Längsachse (A) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) ist.
  2. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Längsausdehnung (L1) das 3-fache bis 10-fache der Querausdehnung (L2) beträgt.
  3. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem der Querschnitt (18) der Einlassöffnungen (16) die Form eines Langloches (16b), oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken oder eines Tropfens ausweist.
  4. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) einen Winkel (φ) gegenüber der Brennerachse (12) aufweist, wobei 0° < φ < 90°,
  5. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Eindüseeinrichtung (13) mindestens einen Gasverteilungsring (17) aufweist, der den Vormisch-Luftkanal (2) radial auswärts oder radial einwärts umgibt.
  6. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 5,
    bei dem der Vormisch-Luftkanal (2) als Ringkanal (14) ausgebildet ist, der eine äußere oder innere Kanalwand (15) aufweist, die mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen (16) durchsetzt ist, die mit dem Gasverteilungsring (17) in Strömungsverbindung stehen.
  7. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 6, mit einer sich in Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) konusartig verjüngenden äußeren Kanalwand (15).
  8. Brennkammer mit einem Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Gasturbine mit einer Brennkammer nach Anspruch 8.
  10. Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), bei dem Verbrennungsluft (10) ein Drall aufgeprägt, niederkalorisches Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst, mit dieser vermischt wird, und wobei das Gemisch aus Brenngas (SG) und Verbrennungsluft (10) verbrannt wird dadurch gekennzeichnet dass das niederkalorische Brenngas (SG) durch eine Vielzahl von Einlassöffnungen (16) eingedüst wird, wobei die Einlassöffnungen (16) einen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt eine Längsausdehnung (L1) und eine Querausdehnung (L2) aufweist, wobei die Längsausdehnung (L1) grösser als die Querausdehnung (L2) ist und wobei die durch die Längsausdehnung (L1) festgelegte Längsachse (A) im Wesenlichen parallel zur Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) ist, und das niederkalorische Brenngas (SG) parallel zur Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) eingedüst wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    bei dem teilverdünntes Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11,
    bei dem als niederkalorisches Brenngas (SG) ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle, eingesetzt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, das beim Betrieb eines Gasturbinenbrenners durchgeführt wird.
EP05708014A 2004-02-24 2005-02-15 Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases Not-in-force EP1723369B1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05708014A EP1723369B1 (de) 2004-02-24 2005-02-15 Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP04004137A EP1568942A1 (de) 2004-02-24 2004-02-24 Vormischbrenner sowie Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases
PCT/EP2005/050656 WO2005080878A1 (de) 2004-02-24 2005-02-15 Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases
EP05708014A EP1723369B1 (de) 2004-02-24 2005-02-15 Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1723369A1 EP1723369A1 (de) 2006-11-22
EP1723369B1 true EP1723369B1 (de) 2007-07-18

Family

ID=34745867

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04004137A Withdrawn EP1568942A1 (de) 2004-02-24 2004-02-24 Vormischbrenner sowie Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases
EP05708014A Not-in-force EP1723369B1 (de) 2004-02-24 2005-02-15 Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04004137A Withdrawn EP1568942A1 (de) 2004-02-24 2004-02-24 Vormischbrenner sowie Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7448218B2 (de)
EP (2) EP1568942A1 (de)
CN (1) CN100473905C (de)
ES (1) ES2287902T3 (de)
WO (1) WO2005080878A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7568907B2 (en) 2005-12-22 2009-08-04 Alstom Technology Ltd. Combustion chamber with burner and associated operating method
EP2161502A1 (de) 2008-09-05 2010-03-10 Siemens Aktiengesellschaft Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen sowie hochkalorischen Brennstoffes

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1645805A1 (de) * 2004-10-11 2006-04-12 Siemens Aktiengesellschaft Brenner für fluidische Brennstoffe und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brenners
FR2896031B1 (fr) * 2006-01-09 2008-04-18 Snecma Sa Dispositif d'injection multimode pour chambre de combustion, notamment d'un turboreacteur
US7631500B2 (en) * 2006-09-29 2009-12-15 General Electric Company Methods and apparatus to facilitate decreasing combustor acoustics
DE102006051286A1 (de) * 2006-10-26 2008-04-30 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennervorrichtung
EP2042807A1 (de) * 2007-09-25 2009-04-01 Siemens Aktiengesellschaft Vormischstufe für einen Gasturbinenbrenner
WO2009068427A1 (de) * 2007-11-27 2009-06-04 Alstom Technology Ltd Vorrichtung und verfahren zum betrieb einer gasturbinenanlage unter verwendung eines zweiten, wasserstoffreichen brennstoffs
JP5115372B2 (ja) * 2008-07-11 2013-01-09 トヨタ自動車株式会社 ガスタービンの運転制御装置
EP2312215A1 (de) * 2008-10-01 2011-04-20 Siemens Aktiengesellschaft Brenner und Verfahren zum Betrieb eines Brenners
US8220272B2 (en) 2008-12-04 2012-07-17 General Electric Company Combustor housing for combustion of low-BTU fuel gases and methods of making and using the same
US8161751B2 (en) * 2009-04-30 2012-04-24 General Electric Company High volume fuel nozzles for a turbine engine
EP2270398A1 (de) * 2009-06-30 2011-01-05 Siemens Aktiengesellschaft Brenner, insbesondere für Gasturbinen
US8683804B2 (en) * 2009-11-13 2014-04-01 General Electric Company Premixing apparatus for fuel injection in a turbine engine
CN101832556B (zh) * 2010-06-03 2012-02-08 蓝星化工有限责任公司 一种以混合燃气为燃料的燃烧器
ITTO20101093A1 (it) * 2010-12-30 2012-07-01 Ansaldo Energia Spa Gruppo bruciatore, impianto per la produzione di energia a turbina a gas comprendente detto gruppo bruciatore e metodo per operare detto gruppo bruciatore
US9163841B2 (en) * 2011-09-23 2015-10-20 Siemens Aktiengesellschaft Cast manifold for dry low NOx gas turbine engine
CN102537959B (zh) * 2012-02-28 2014-08-27 东方电气集团东方锅炉股份有限公司 一种旋流、直流结合型式的气体燃烧器
US9228747B2 (en) 2013-03-12 2016-01-05 Pratt & Whitney Canada Corp. Combustor for gas turbine engine
US9127843B2 (en) 2013-03-12 2015-09-08 Pratt & Whitney Canada Corp. Combustor for gas turbine engine
US9541292B2 (en) 2013-03-12 2017-01-10 Pratt & Whitney Canada Corp. Combustor for gas turbine engine
US9958161B2 (en) 2013-03-12 2018-05-01 Pratt & Whitney Canada Corp. Combustor for gas turbine engine
US9366187B2 (en) 2013-03-12 2016-06-14 Pratt & Whitney Canada Corp. Slinger combustor
MX370842B (es) 2013-06-17 2020-01-08 Schlumberger Technology Bv Montaje de quemador para encender gases de bajo contenido calorifico.
JP5980186B2 (ja) * 2013-09-26 2016-08-31 三菱重工業株式会社 バーナー、および、石炭改質プラント
US20150184848A1 (en) * 2013-12-26 2015-07-02 Rinnai Corporation Tubular Burner
DE102014206139A1 (de) * 2014-04-01 2015-10-01 Siemens Aktiengesellschaft Brennerkopf
JP6102009B2 (ja) * 2015-02-27 2017-03-29 大陽日酸株式会社 気体燃料バーナ、及び気体燃料バーナによる加熱方法
CN107735618B (zh) * 2015-07-06 2020-06-26 西门子股份公司 用于燃气涡轮的燃烧器和操作燃烧器的方法
CN109237514B (zh) * 2018-08-08 2024-02-23 中国华能集团有限公司 一种用于燃气轮机的双管路气体燃料燃烧器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4498288A (en) * 1978-10-13 1985-02-12 General Electric Company Fuel injection staged sectoral combustor for burning low-BTU fuel gas
US4761948A (en) * 1987-04-09 1988-08-09 Solar Turbines Incorporated Wide range gaseous fuel combustion system for gas turbine engines
EP0580683B1 (de) * 1991-04-25 1995-11-08 Siemens Aktiengesellschaft Brenneranordnung, insbesondere für gasturbinen, zur schadstoffarmen verbrennung von kohlegas und anderen brennstoffen
DE4316474A1 (de) * 1993-05-17 1994-11-24 Abb Management Ag Vormischbrenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage
DE4409918A1 (de) * 1994-03-23 1995-09-28 Abb Management Ag Brenner zum Betrieb einer Brennkammer
DE19510744A1 (de) * 1995-03-24 1996-09-26 Abb Management Ag Brennkammer mit Zweistufenverbrennung
US5680766A (en) * 1996-01-02 1997-10-28 General Electric Company Dual fuel mixer for gas turbine combustor
US5850732A (en) * 1997-05-13 1998-12-22 Capstone Turbine Corporation Low emissions combustion system for a gas turbine engine
DE59710093D1 (de) * 1997-10-08 2003-06-18 Alstom Switzerland Ltd Verfahren zur Verbrennung von gasförmigen, flüssigen sowie mittel-oder niederkalorischen Brennstoffen in einem Brenner
US6360776B1 (en) * 2000-11-01 2002-03-26 Rolls-Royce Corporation Apparatus for premixing in a gas turbine engine
EP1277920A1 (de) * 2001-07-19 2003-01-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb eines Brenners einer Gasturbine sowie Kraftwerksanlage
JP2005528571A (ja) * 2001-10-19 2005-09-22 アルストム テクノロジー リミテッド 合成ガス用のバーナー
WO2003098110A1 (de) * 2002-05-16 2003-11-27 Alstom Technology Ltd Vormischbrenner

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7568907B2 (en) 2005-12-22 2009-08-04 Alstom Technology Ltd. Combustion chamber with burner and associated operating method
DE102005061486B4 (de) * 2005-12-22 2018-07-12 Ansaldo Energia Switzerland AG Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer einer Gasturbine
EP2161502A1 (de) 2008-09-05 2010-03-10 Siemens Aktiengesellschaft Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen sowie hochkalorischen Brennstoffes

Also Published As

Publication number Publication date
CN1922440A (zh) 2007-02-28
EP1568942A1 (de) 2005-08-31
US20070275337A1 (en) 2007-11-29
EP1723369A1 (de) 2006-11-22
CN100473905C (zh) 2009-04-01
WO2005080878A1 (de) 2005-09-01
ES2287902T3 (es) 2007-12-16
US7448218B2 (en) 2008-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1723369B1 (de) Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases
EP2329189B1 (de) Brennstoffdüse
EP1800062B1 (de) Brenner zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases und verfahren zum betrieb eines brenners
DE102005024062B4 (de) Brennerrohr und Verfahren zum Mischen von Luft und Gas in einem Gasturbinentriebwerk
DE69719688T2 (de) Gasturbinenbrenner und Betriebsverfahren dafür
DE3222347C2 (de)
EP2329196B1 (de) Brenner und verfahren zum betrieb eines brenners
EP2156095B1 (de) Drallfreie stabilisierung der flamme eines vormischbrenners
EP1436546B1 (de) Brenner für synthesegas
EP1504222B1 (de) Vormischbrenner
DE102010037412B4 (de) Zweibrennstoffdüse für eine Turbomaschine
DE102006003577A1 (de) Brennkammer einer Gasturbine
EP0687860A2 (de) Brennkammer mit Selbstzündung
EP2023041A1 (de) Vormischbrenner und Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners
EP2161502A1 (de) Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen sowie hochkalorischen Brennstoffes
DE102004027702A1 (de) Injektor für Flüssigbrennstoff sowie gestufter Vormischbrenner mit diesem Injektor
DE102005038662B4 (de) Brennkopf und Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff
DE102007036953B3 (de) Brenner
WO2006015968A1 (de) Brenner, gasturbine und betrieb eines brenners
WO2019020350A1 (de) Gasturbinenbrenner mit vorgemischten strahlflammen
DE112010003677B4 (de) Verfahren zum verbrennen wasserstoffreicher, gasförmiger brennstoffe in einem brenner sowie brenner zur durchführung des verfahrens
DE10233161B4 (de) Brenner und Pilotbrenner
EP2169307A1 (de) Brennstoffdüse
DE102021123513A1 (de) Brenner und Verfahren zu dessen Herstellung
EP2282122A1 (de) Stabilisierung der Flamme eines Vormischbrenners

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20060725

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CH ES FR GB IT LI

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): CH ES FR GB IT LI

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): CH ES FR GB IT LI

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 20070718

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: NV

Representative=s name: SIEMENS SCHWEIZ AG

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

ET Fr: translation filed
REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FG2A

Ref document number: 2287902

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: T3

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20080421

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PCAR

Free format text: SIEMENS SCHWEIZ AG;INTELLECTUAL PROPERTY FREILAGERSTRASSE 40;8047 ZUERICH (CH)

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20100215

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 12

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: PLFP

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20170222

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20170213

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20170224

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CH

Payment date: 20170502

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Payment date: 20170327

Year of fee payment: 13

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PCOW

Free format text: NEW ADDRESS: WERNER-VON-SIEMENS-STRASSE 1, 80333 MUENCHEN (DE)

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

Effective date: 20180215

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20180228

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20180228

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

Effective date: 20181031

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20180215

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20180228

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20180215

REG Reference to a national code

Ref country code: ES

Ref legal event code: FD2A

Effective date: 20190801

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20180216