EP2023041A1 - Vormischbrenner und Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners - Google Patents

Vormischbrenner und Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners Download PDF

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EP2023041A1
EP2023041A1 EP07014820A EP07014820A EP2023041A1 EP 2023041 A1 EP2023041 A1 EP 2023041A1 EP 07014820 A EP07014820 A EP 07014820A EP 07014820 A EP07014820 A EP 07014820A EP 2023041 A1 EP2023041 A1 EP 2023041A1
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EP
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fuel
injected
premixing zone
air
zone
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Withdrawn
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EP07014820A
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English (en)
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Berthold Köstlin
Martin Lenze
Bernd Dr. Prade
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Priority to EP08786350A priority patent/EP2171353A1/de
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    • F23L2900/07009—Injection of steam into the combustion chamber

Definitions

  • the present invention relates to a premix burner, in particular a synthesis gas premix burner, and a method of operating a premix burner.
  • Premix burners typically include a premix zone in which air and fuel are mixed before passing the mixture into a combustion chamber. There, the mixture burns, producing a hot gas under elevated pressure. This hot gas is forwarded to the turbine. In connection with the operation of premix burners, it is particularly important to keep the nitrogen oxide emissions low and to avoid a flashback.
  • Synthesis gas premix burners are characterized by the fact that synthesis gases are used as fuel in them. Compared with the traditional turbine fuels natural gas and petroleum, which consist essentially of hydrocarbon compounds, the combustible components of the synthesis gas are essentially carbon monoxide and hydrogen. Depending on the gasification process and the overall plant concept, the calorific value of the synthesis gas is about 5 to 10 times smaller than that of natural gas.
  • 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.
  • the main constituents of the synthesis gas are not only carbon monoxide and hydrogen but also inert fractions.
  • the inert fractions are nitrogen and / or water vapor and optionally carbon dioxide. Due to the low Heat value must therefore be introduced into the combustion chamber high volume flows of fuel gas. As a result, significantly larger injection cross sections are required for the combustion of low-calorie fuels, such as synthesis gases, than with conventional high-calorie combustion gases.
  • the air mass flow introduced into the combustion chamber is typically twisted by means of an air swirl generator.
  • the fuel is injected via one or more juxtaposed or successively arranged circular rows of holes.
  • EP 1 614 963 A1 In order to reduce nitrogen oxide emissions and to prevent flashbacks in the combustion of low calorific fuels for the operation of a gas turbine, a method is proposed in which a low calorific fuel is premixed with air in stages.
  • EP 1 507 120 A1 Specially designed to prevent flashbacks in EP 1 507 120 A1 proposed a gas turbine with an annular combustion chamber, in which a swirl grating is arranged in a combustion air inlet region around the entire circumference of the annular combustion chamber, whereby a higher flow rate of the incoming combustion air is achieved compared to individual air inlet regions, each with a swirl grating. This results in a higher safety against flashbacks and a lower tendency to form combustion oscillations.
  • the method of the invention relates to a premix burner comprising a premix zone.
  • a premix zone In the combustion chamber, an air mass flow and fuel is injected, whereby a potential H adoptedgas Wegström which can form.
  • the inventive method is characterized in that a non-fuel-containing fluid is injected downstream of the fuel injection in the premixing zone.
  • the fluid can be injected into the premixing zone along the surface of the premixing zone in the main flow direction which is located in the potential hot gas backflow region.
  • the injection of a fluid along the component surface in the main flow direction prevents the actual formation of the H.gas Wegström capablees and / or diluted and cools the local fuel-air mixture from such that no ignition conditions prevail.
  • the fuel can in particular be injected perpendicular to the main flow direction of the air mass flow in the premixing zone, which is advantageous in terms of a thorough mixing of air and fuel.
  • the fuel can be injected via at least one swirl blade into the premixing zone.
  • the fuel may in particular also be a synthesis gas.
  • the fluid injected into the premixing zone along the surface located in the potential hot gas return flow region can be, for example, air or an inert gas.
  • Inert gases are gases that are very slow to react, meaning they participate in only a few chemical reactions.
  • carbon dioxide, water vapor, nitrogen, but also all noble gases can be used as the inert gas.
  • the use of an inert gas is particularly suitable if ignition conditions for highly flammable fuels should be avoided.
  • air of the air mass flow which is in any case supplied to the premixing zone.
  • a proportion of 10% of the total air supplied to the premixing zone can be branched off and injected into it along the surface of the premixing zone located in the potential hot gas backflow region.
  • the proportion of along The surface of the premixing zone located in the potential hot gas return flow area can be selected as desired.
  • the height of the preferably used portion of the air depends on the geometry of the premixing zone, on the velocity of the air mass flow and the velocity of the injected fuel.
  • the premix burner of the present invention includes a premix zone, an air swirler with an air supply, and one or more fuel nozzles.
  • the fuel can be injected through the fuel nozzles into a mass air flow that is twisted by the air swirler in the premixing zone, whereby a potential hot gas backflow region can form.
  • the premix burner according to the invention is characterized in that the premix zone surface in the potential H disclosegasgurström which has at least one opening through which a fluid can be injected into the premixing zone. In particular, there may be openings arranged so that the fluid can be injected in the main flow direction of the burner along the surface of the premixing zone.
  • the premixing zone surface has a plurality of openings in the hot gas backflow region.
  • the opening or the openings can advantageously be connected via a fluid channel with the leading to the air swirler air supply so be that through the opening part of the air can be injected as fluid into the combustion chamber.
  • the fuel nozzles may be located on the cone side and / or on the hub side of the premix zone.
  • the fuel nozzles are arranged in one or more consecutive rows downstream of the air swirler. This allows a graduated fuel injection.
  • the fuel nozzles and / or the openings may be located in the air swirler, preferably in at least one swirl vane.
  • the individual fuel nozzles can be designed, for example, as round bores. Another possibility is to design the fuel nozzles so that the fuel can be injected perpendicular to the main flow direction of the air mass flow into the combustion chamber, which promotes the mixing. Of course, the fuel can be injected at any other angle to the air mass flow.
  • the fuel used may in particular be a synthesis gas.
  • FIG. 1 1 schematically shows a section through a part of a conventional premix burner 1.
  • the premix burner 1 comprises inter alia a housing 7, a premix zone 2, an air swirler 10 and one or more fuel nozzles 11.
  • the premix zone 2 is arranged radially symmetrically about the center axis 12.
  • the outer side of the premixing zone 2 seen from the center axis 12 is referred to below as the cone side 3.
  • the side of the premixing zone 2 facing the center axis 12 is referred to below as the hub side 4.
  • an air mass flow 5 reaches the air swirler 10.
  • the air swirler 10 swirls the air mass flow 5 and forwards it into the premixing zone 2. From there, the air mass flow in the main flow direction 9 to the combustion chamber (not shown) forwarded.
  • One or more fuel nozzles 11 are located on the hub side 4 of the premixing zone 2.
  • fuel 6 directs fuel 6 perpendicular to the main flow direction 9 of the air mass flow 5 into the premixing zone 2. Downstream of the fuel nozzle 11 in the main flow direction 9 now forms a H disclosegasgurström which 8 from. Instead of a vertical injection to the main flow direction 9 of the air mass flow 5, the fuel 6 can be injected at any other angle to the main flow direction 9.
  • the flow direction of the injected fuel is indicated by arrows 6, the flow direction of the supplied air mass flow is indicated by arrows 5.
  • the Main flow direction in the interior of the premixing zone 2 is marked by arrows 9.
  • FIG. 2 the flow conditions in the interior of the premixing zone 2 are sketched schematically. You can see in FIG. 2 a plan view of the fuel nozzles 11 from the interior of the premixing zone 2 from.
  • the main flow direction of the air mass flow flowing past the fuel nozzles is indicated by arrows 9. Downstream of the fuel nozzles 11 in the main flow direction 9 now form H thoroughlygasgurström whiche 8 from.
  • the flow direction of the flowing back hot gas is indicated by arrows 13.
  • FIG. 3 schematically shows a section through a part of a premix burner according to the invention 1.
  • the premix burner 1 shown substantially corresponds to that or of the in connection with the in FIG. 1 shown premix burner.
  • the premix burner according to the invention comprises one or more fluid inlet openings 14 which are located downstream of the fuel nozzle or nozzles 11 in the main flow direction 9.
  • the fluid inlet openings 14 open into the premixing zone 2.
  • a fluid for example air or an inert gas
  • the direction of flow of the injected fluid is indicated by arrows 15. It runs within the premixing zone 2 substantially parallel to the main flow direction 9.
  • the injected fluid prevents the formation of a H disclosegas Wegström capablees, as in the associated with FIG. 1 described premix burner occurs.
  • FIG. 4 are the flow conditions inside the in FIG. 3 shown schematically schematically. you looks in FIG. 4 a plan view of the fuel nozzles 11 and the fluid inlet openings 14 seen from the premixing zone 2 from.
  • the main flow direction of the air flowing from the swirl generator 10 in the direction of the fuel nozzles 11 and the fluid inlet openings 14 is indicated by arrows 9.
  • the direction of flow of the fluid injected through the fluid inlet openings 14 is indicated by arrows 15.
  • the hot gas 13 is entrained in the main flow direction 9. A backflow of the hot gas 13 against the main flow direction 9 is effectively prevented in this way.
  • the fluid injected via the fluid inlet openings 14 is air which is connected to the air mass flow 5 via a fluid channel and branched off from it. It has been found favorable with regard to avoiding the hot gas backflow to supply about 5% to 20%, preferably 10%, of the total air supplied to the premix zone 2 via the fluid inlet openings 14 of the premix zone 2.
  • an inert gas for example carbon dioxide, water vapor or nitrogen, can alternatively be injected into the premixing zone 2 via the fluid inlet openings 14. But also the injection of a noble gas is possible in principle.
  • the fuel can optionally be injected perpendicular to the main flow direction 9 of the air mass flow 5 in the premixing zone 2, as in connection with FIG. 1 and FIG. 3 described or the fuel can be injected at any angle to the main flow direction 9 of the air mass flow in the premixing zone 2.
  • the fuel nozzles 11 can be located both on the cone side 3 and on the hub side 4 of the premixing zone 2 or in the swirl blades 17. In the event that the fuel nozzles 11 are located on the cone side 3 of the premixing zone 2, it is advantageous to place the fluid inlet openings 14 correspondingly on the cone side 3 as well.
  • the fluid inlet ports 14 should turn in the main flow direction 9 downstream of the fuel nozzles and allow injection of the fluid in the main flow direction 9.
  • the fuel nozzles 11 may be disposed in one or more rows one behind the other downstream of the air swirler 10. They can advantageously be designed as round holes.
  • the fuel injected by it may in particular also be a synthesis gas.
  • FIG. 5 schematically a section through a swirl blade 17 is shown.
  • the swirl blade 17 has in its interior a fuel flow channel 18 and a downstream of the main flow direction 9 fluid flow channel 19.
  • the fuel 6 is injected via the fuel flow channel 18 through fuel nozzles 11 from the swirl blade 17 into the premixing zone 2.
  • the fluid 15, which is preferably an inert gas, is injected via the fluid flow channel 19 through fluid inlet openings 20, 21, 22 into the premixing zone 2.
  • the fluid inlet openings 20, 21, 22 are located downstream of the fuel nozzles 11 in the main flow direction 9.
  • part of the fluid 15 is injected into the premixing zone 2 through fluid inlet openings 20, which are arranged downstream of the fuel nozzles 11, substantially in the direction opposite to the main flow direction 9.
  • fluid inlet openings 21 arranged further downstream of the fluid inlet openings 20
  • part of the fluid 15 is injected into the premixing zone 2 almost perpendicular to the main flow direction 9.
  • Downstream of the fluid inlet openings 21 further fluid inlet openings 22 are arranged through which a portion of the fluid 15 is injected into the premixing zone 2 substantially in the main flow direction 9.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners (1) vorgestellt. Der Vormischbrenner (1) umfasst eine Vormischzone (2). In die Vormischzone (2) kann ein Luftmassenstrom (5) und Brennstoff (6) eingedüst werden, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet (8) ausbilden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht brennstoffhaltiges Fluid (15) stromabwärts zur Brennstoffeindüsung in die Vormischzone (2) eingedüst wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner, insbesondere einen Synthesegas-Vormischbrenner, und ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners.
  • Vormischbrenner umfassen typischerweise eine Vormischzone, in der Luft und Brennstoff vermischt werden, bevor das Gemisch in eine Brennkammer geleitet wird. Dort verbrennt das Gemisch, wobei ein unter erhöhtem Druck stehendes Heißgas erzeugt wird. Dieses Heißgas wird zur Turbine weitergeleitet. Im Zusammenhang mit dem Betrieb von Vormischbrennern kommt es vor allem darauf an, die Stickoxidemissionen gering zu halten und einen Flammenrückschlag zu vermeiden.
  • Synthesegas-Vormischbrenner zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen Synthesegase als Brennstoff verwendet werden. Verglichen mit den klassischen Turbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile der Synthesegase im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Abhängig vom Vergasungsverfahren und dem Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa 5- bis 10-mal kleiner als der von Erdgas.
  • Neben der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur des Synthesegases ist die Mischungsgüte zwischen Synthesegas und Luft an der Flammenfront eine wesentliche Einflussgröße zur Vermeidung von Temperaturspitzen und somit zur Minimierung der thermischen Stickoxidbildung.
  • Hauptbestandteile der Synthesegase sind neben Kohlenmonoxid und Wasserstoff auch inerte Anteile. Bei den inerten Anteilen handelt es sich um Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den geringen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas in die Brennkammer eingeleitet werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen, wie zum Beispiel Synthesegasen, deutlich größere Eindüsquerschnitte notwendig sind als bei herkömmlichen hochkalorischen Brenngasen.
  • Der in die Brennkammer eingeleitete Luftmassenstrom wird typischerweise mit Hilfe eines Luftdrallerzeugers verdrallt. In diesen verdrallten Luftmassenstrom wird der Brennstoff über eine oder mehrere nebeneinander bzw. hintereinander angeordnete kreisrunde Bohrungsreihen eingedüst.
  • Um eine hinreichende Vermischung zwischen Brennstoff und Luft zu gewährleisten, ist eine ausreichende Eindringtiefe der einzelnen Brennstoffstrahlen in den Luftmassenstrom notwendig. Im Vergleich zu hochkalorischen Brennergasen wie Erdgas sind entsprechend größere, freie Eindüsquerschnitte erforderlich. Dies hat zur Folge, dass die Brennstoffstrahlen die Luftströmung empfindlich stören, was letztendlich zu einer lokalen Ablösung der Luftströmung in Nachlaufgebiet der Brennstoffstrahlen führt. Die sich ausbildenden Rückströmgebiete innerhalb des Brenners sind unerwünscht und insbesondere bei der Verbrennung von hoch reaktivem Synthesegas unbedingt zu vermeiden. Im Extremfall führen diese lokalen Rückströmgebiete innerhalb der Mischzone des Brenners zu einem Flammenrückschlag in die Vormischzone und somit zu einer Brennerschädigung.
  • Das Risiko des Flammenrückschlages kann weitgehend dadurch vermieden werden, dass die Verbrennung von hoch reaktiven Synthesegasen im Diffusionsbetrieb erfolgt. Zur Realisierung von niedrigen Stickoxidemissionen ist jedoch eine gegebenenfalls starke Verdünnung mit Inertgasen, vorzugsweise mit Dampf, notwendig. Im Falle einer Vormischverbrennung kann die Ausbildung von Nachlaufgebieten bzw. Heißgasrückströmgebieten innerhalb des Brenners durch geeignete Formgebung der Eindüsbohrungen reduziert, aber nicht grundsätzlich vermieden werden.
  • In EP 1 614 963 A1 wird zur Senkung der Stickoxidemissionen und zur Verhinderung von Flammenrückschlägen bei der Verbrennung niederkalorischer Brennstoffe für den Betrieb einer Gasturbine ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein niederkalorischer Brennstoff mit Luft stufenweise vorgemischt wird.
  • In EP 1 614 967 A1 wird weiterhin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffes für den Betrieb einer Gasturbine vorgeschlagen, bei dem im Rahmen einer Vormischung der niederkalorische Brennstoff mit Luft zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luftgemisch vorgemischt wird und eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luftgemisches vermieden wird.
  • Speziell zur Verhinderung von Flammenrückschlägen wird in EP 1 507 120 A1 eine Gasturbine mit einer Ringbrennkammer vorgeschlagen, bei der ein Drallgitter in einem Verbrennungslufteintrittsbereich um den ganzen Umfang der Ringbrennkammer angeordnet ist, wodurch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit der eintretenden Verbrennungsluft im Vergleich zu einzelnen Lufteintrittsbereichen mit jeweils einem Drallgitter erreicht wird. Dies bewirkt eine höhere Sicherheit gegen Flammenrückschläge und eine geringere Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen.
  • Um einen sicheren Vormischbetrieb zu gewährleisten, ist eine Strömungsablösung bzw. ein Rückströmgebiet innerhalb der Vormischzone des Brenners unbedingt zu vermeiden. Zumindest aber sind potenzielle Rückströmgebiete derart zu gestalten, dass keine Beschädigung des Brenners erfolgt. In der Regel treten die Rückströmgebiete in wandnahen Zonen im Nachlauf der Brennstoffgasstrahlen auf.
  • Im Hinblick auf die Stickoxidminimierung ist insbesondere die Zugabe von Inertmassenströmen als Verdünnungsmedium in den Luftmassenstrom oder den Brennstoffmassenstrom (Quenching) üblich. Der Einsatz der mageren Vormischtechnologie ermöglicht die Verringerung der Menge des verwendeten Verdünnungsmediums, was die Anlagenwirtschaftlichkeit steigert. Durch die dann fehlende Inertisierung liegt aber dann ein hochreaktiver Brennstoff vor.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners zur Verfügung zu stellen, bei welchen die Ausbildung von Heißgasrückströmgebieten vermieden wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Vormischbrenner zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners nach Anspruch 1 und einen Vormischbrenner nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf einen Vormischbrenner, welcher eine Vormischzone umfasst. In die Brennkammer wird ein Luftmassenstrom und Brennstoff eingedüst, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet ausbilden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein nicht brennstoffhaltiges Fluid stromabwärts zur Brennstoffeindüsung in die Vormischzone eingedüst wird.
  • Durch die lokale Eindüsung von beispielsweise kalter Luft in die Nachlauf- oder Rückströmgebiete wird die Ausbildung selbiger innerhalb der Vormischzone des Brenners weitgehend verhindert. Zumindest wird der Brennstoff in diesen Gebieten soweit verdünnt und abgekühlt, dass keine Reaktion bzw. keine Entzündung des Brennstoff-Luftgemisches innerhalb der Vormischzone des Brenners auftreten kann. Dadurch wird ein sicherer Vormischbetrieb des Brenners ermöglicht.
  • Insbesondere kann das Fluid entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche der Vormischzone in Hauptströmungsrichtung in die Vormischzone eingedüst werden. Das Eindüsen eines Fluids entlang der Bauteiloberfläche in Hauptströmungsrichtung verhindert die tatsächliche Ausbildung des Heißgasrückströmgebietes und/oder verdünnt und kühlt das dortige Brennstoff-Luftgemisch derart ab, dass keine Zündbedingungen vorherrschen.
  • Der Brennstoff kann insbesondere senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstromes in die Vormischzone eingedüst werden, was im Hinblick auf eine gründliche Vermischung von Luft und Brennstoff vorteilhaft ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, den Brennstoff an der Konusseite und/oder an der Nabenseite in die Vormischzone einzudüsen. Weiterhin kann der Brennstoff über mindestens eine Drallschaufel in die Vormischzone eingedüst werden. Bei dem Brennstoff kann es sich insbesondere auch um ein Synthesegas handeln.
  • Das entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche in die Vormischzone eingedüste Fluid kann beispielsweise Luft oder ein Inertgas sein. Als Inertgase bezeichnet man Gase, die sehr reaktionsträge sind, sich also an nur wenigen chemischen Reaktionen beteiligen. Als Inertgas können insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff, aber auch alle Edelgase verwendet werden. Die Verwendung eines Inertgases ist besonders geeignet, wenn Zündbedingungen für leicht entzündliche Brennstoffe vermieden werden sollten.
  • Bei der Verwendung von Luft als in die Vormischzone eingedüstes Fluid ist es vorteilhaft, Luft des der Vormischzone ohnehin zugeführten Luftmassenstromes zu verwenden. Beispielsweise kann ein Anteil von 10 % der gesamten der Vormischzone zugeführten Luft abgezweigt werden und entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche der Vormischzone in diese eingedüst werden. Der Anteil der entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche der Vormischzone eingedüsten Luft kann beliebig gewählt werden. Die Höhe des vorzugsweise zu verwendenden Anteils der Luft hängt dabei von der Geometrie der Vormischzone, von der Geschwindigkeit des Luftmassenstromes und der Geschwindigkeit des eingedüsten Brennstoffes ab.
  • Der erfindungsgemäße Vormischbrenner weißt eine Vormischzone, einen Luftdrallerzeuger mit einer Luftzufuhr und eine oder mehrere Brennstoffdüsen auf. Dabei kann der Brennstoff durch die Brennstoffdüsen in einen von dem Luftdrallerzeuger in der Vormischzone verdrallten Luftmassenstrom eingedüst werden, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet ausbilden kann. Der erfindungsgemäße Vormischbrenner zeichnet sich dadurch aus, dass die Vormischzonenoberfläche im potentiellen Heißgasrückströmgebiet mindestens eine Öffnung aufweist, durch die ein Fluid in die Vormischzone eingedüst werden kann. Insbesondere können Öffnungen vorhanden sein, die so angeordnet sind, dass das Fluid in Hauptströmungsrichtung des Brenners entlang der Oberfläche der Vormischzone eingedüst werden kann.
  • Durch die lokale Eindüsung eines Fluids in das potenzielle Heißgasrückströmgebiet wird die Ausbildung des Heißgasrückströmgebietes innerhalb der Vormischzone des Brenners weitgehend verhindert. Zumindest aber wird das Heißgas in dem Heißgasrückströmgebiet soweit verdünnt und abgekühlt, dass keine Reaktion in Form einer Entzündung des Luft-Gasgemisches innerhalb der Vormischzone des Brenners auftreten kann. Dies verhindert Flammenrückschläge und mindert die Stickoxidbildung, ermöglicht also einen sicheren Vormischbetrieb des Brenners.
  • Vorzugsweise weist die Vormischzonenoberfläche im Heißgasrückströmgebiet mehrere Öffnungen auf. Die Öffnung oder die Öffnungen können vorteilhafterweise über einen Fluidkanal mit der zum Luftdrallerzeuger führenden Luftzufuhr so verbunden sein, dass durch die Öffnung ein Teil der Luft als Fluid in die Brennkammer eingedüst werden kann.
  • Die Brennstoffdüsen können sich an der Konusseite und/oder and der Nabenseite der Vormischzone befinden. Vorteilhafterweise sind die Brennstoffdüsen in einer oder mehreren hintereinander liegenden Reihen stromabwärts des Luftdrallerzeugers angeordnet. Dadurch wird eine abgestufte Brennstoffeindüsung möglich. Weiterhin können sich die Brennstoffdüsen und/oder die Öffnungen in dem Luftdrallerzeuger, vorzugsweise in mindestens einer Drallschaufel, befinden.
  • Die einzelnen Brennstoffdüsen können zum Beispiel als runde Bohrungen ausgestaltet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Brennstoffdüsen so zu gestalten, dass der Brennstoff senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstromes in die Brennkammer eingedüst werden kann, was die Vermischung fördert. Selbstverständlich kann der Brennstoff auch in jedem beliebigen anderen Winkel zum Luftmassenstrom eingedüst werden. Bei dem verwendeten Brennstoff kann es sich insbesondere um ein Synthesegas handeln.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
    • Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Vormischbrenners.
    • Fig. 2 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse im Inneren des in Figur 1 gezeigten Vormischbrenners.
    • Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners.
    • Fig. 4 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse im Inneren des in Figur 3 gezeigten Vormischbrenners.
    • Fig. 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Drallschaufel.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 genauer beschrieben. Die Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines herkömmlichen Vormischbrenners 1. Der Vormischbrenner 1 umfasst unter anderem ein Gehäuse 7, eine Vormischzone 2, einen Luftdrallerzeuger 10 und eine oder mehrere Brennstoffdüsen 11. Die Vormischzone 2 ist radialsymmetrisch um die Mittelachse 12 angeordnet. Die von der Mittelachse 12 aus gesehen äußere Seite der Vormischzone 2 wird nachfolgend als Konusseite 3 bezeichnet. Die der Mittelachse 12 zugewandter Seite der Vormischzone 2 wird nachfolgend als Nabenseite 4 bezeichnet.
  • Über eine Luftzufuhr 16 gelangt ein Luftmassenstrom 5 zum Luftdrallerzeuger 10. Der Luftdrallerzeuger 10 verdrallt den Luftmassenstrom 5 und leitet diesen in die Vormischzone 2 weiter. Von dort aus wird der Luftmassenstrom in Hauptströmungsrichtung 9 zur Brennkammer (nicht dargestellt) weitergeleitet.
  • An der Nabenseite 4 der Vormischzone 2 befinden sich eine oder mehrere Brennstoffdüsen 11. Durch die Brennstoffdüsen 11 wird Brennstoff 6 im vorliegenden Beispiel senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstroms 5 in die Vormischzone 2 geleitet. Zur Brennstoffdüse 11 in Hauptströmungsrichtung 9 stromabwärts bildet sich nun ein Heißgasrückströmgebiet 8 aus. Anstelle eines senkrechten Eindüsens zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstroms 5 kann der Brennstoff 6 auch in einem beliebigen anderen Winkel zur Hauptströmungsrichtung 9 eingedüst werden.
  • Die Strömungsrichtung des eingedüsten Brennstoffes ist durch Pfeile 6 gekennzeichnet, die Strömungsrichtung des zugeführten Luftmassenstromes ist durch Pfeile 5 gekennzeichnet. Die Hauptströmungsrichtung im Inneren der Vormischzone 2 ist durch Pfeile 9 markiert.
  • In Figur 2 sind die Strömungsverhältnisse im Inneren der Vormischzone 2 schematisch skizziert. Man sieht in Figur 2 eine Draufsicht auf die Brennstoffdüsen 11 vom Inneren der Vormischzone 2 aus. Die Hauptströmungsrichtung des an den Brennstoffdüsen vorbeiströmenden Luftmassenstromes ist durch Pfeile 9 gekennzeichnet. Stromabwärts der Brennstoffdüsen 11 in Hauptströmungsrichtung 9 bilden sich nun Heißgasrückströmgebiete 8 aus. Die Strömungsrichtung des zurückströmenden Heißgases ist durch Pfeile 13 gekennzeichnet.
  • Die Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners 1. Der grundsätzliche Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise des in Figur 3 gezeigten Vormischbrenners 1 entspricht in Wesentlichen dem bzw. der des im Zusammenhang mit dem in Figur 1 gezeigten Vormischbrenners.
  • Zusätzlich zu dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Vormischbrenner umfasst der erfindungsgemäße Vormischbrenner eine oder mehrere Fluideinlassöffnungen 14, welche sich stromabwärts zu der bzw. den Brennstoffdüsen 11 in Hauptströmungsrichtung 9 befinden. Die Fluideinlassöffnungen 14 münden in die Vormischzone 2. Durch diese Fluideinlassöffnungen 14 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Inertgas, in Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst werden. Die Strömungsrichtung des eingedüsten Fluids ist durch Pfeile 15 gekennzeichnet. Sie verläuft dabei innerhalb der Vormischzone 2 im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 9. Das eingedüste Fluid verhindert die Ausbildung eines Heißgasrückströmgebietes, wie es bei dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Vormischbrenner auftritt.
  • In Figur 4 sind die Strömungsverhältnisse im Inneren der in Figur 3 gezeigten Vormischzone 2 schematisch skizziert. Man sieht in Figur 4 eine Draufsicht auf die Brennstoffdüsen 11 und die Fluideinlassöffnungen 14 von der Vormischzone 2 aus gesehen. Die Hauptströmungsrichtung der vom Drallerzeuger 10 in Richtung der Brennstoffdüsen 11 und der Fluideinlassöffnungen 14 strömenden Luft ist durch Pfeile 9 gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung des durch die Fluideinlassöffnungen 14 eingedüsten Fluids ist durch Pfeile 15 gekennzeichnet. Durch das einströmende Fluid wird das Heißgas 13 in Hauptströmungsrichtung 9 mitgeführt. Ein Rückströmen des Heißgases 13 entgegen der Hauptströmungsrichtung 9 wird auf diese Weise wirksam verhindert.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem über die Fluideinlassöffnungen 14 eingedüsten Fluid um Luft, welches über einen Fluidkanal mit dem Luftmassenstrom 5 verbunden ist und von diesem abgezweigt wurde. Es hat sich im Hinblick auf das Vermeiden der Heißgasrückströmung als günstig herausgestellt, etwa 5 % bis 20 %, vorzugsweise 10 %, der gesamten der Vormischzone 2 zugeführten Luft über die Fluideinlassöffnungen 14 der Vormischzone 2 zuzuführen. Anstelle der Luft kann über die Fluideinlassöffnungen 14 alternativ ein Inertgas, beispielsweise Kohlendioxid, Wasserdampf oder Stickstoff in die Vormischzone 2 eingedüst werden. Aber auch das Eindüsen eines Edelgases ist grundsätzlich möglich.
  • Der Brennstoff kann wahlweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstromes 5 in die Vormischzone 2 eingedüst werden, wie im Zusammenhang mit Figur 1 und Figur 3 beschrieben, oder der Brennstoff kann in einem beliebigen Winkel zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstromes in die Vormischzone 2 eingedüst werden. Grundsätzlich können sich die Brennstoffdüsen 11 sowohl an der Konusseite 3 als auch an der Nabenseite 4 der Vormischzone 2 oder in den Drallschaufeln 17 befinden. In dem Fall, dass sich die Brennstoffdüsen 11 an der Konusseite 3 der Vormischzone 2 befinden, ist es vorteilhaft, auch die Fluideinlassöffnungen 14 entsprechend an der Konusseite 3 zu platzieren. Die Fluideinlassöffnungen 14 sollten sich dann wiederum in Hauptströmungsrichtung 9 stromabwärts zu den Brennstoffdüsen befinden und ein Eindüsen des Fluids in Hauptströmungsrichtung 9 ermöglichen.
  • Die Brennstoffdüsen 11 können in einer oder mehreren hintereinander liegenden Reihen stromabwärts des Luftdrallerzeugers 10 angeordnet sein. Sie können vorteilhafterweise als runde Bohrungen ausgestaltet sein. Bei dem durch sie eingedüsten Brennstoff kann es sich insbesondere auch um ein Synthesegas handeln.
  • Im Folgenden wird eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung beschrieben, bei der der Brennstoff 6 und das nicht brennstoffhaltige Fluid 15 über Drallschaufeln 17 in die Vormischzone eingedüst werden. In Figur 5 ist schematisch ein Schnitt durch eine Drallschaufel 17 gezeigt. Die Drallschaufel 17 weist in ihrem Inneren einen Brennstoffströmungskanal 18 und einen dazu stromabwärts der Hauptströmungsrichtung 9 befindlichen Fluidströmungskanal 19 auf.
  • Der Brennstoff 6 wird über den Brennstoffströmungskanal 18 durch Brennstoffdüsen 11 aus der Drallschaufel 17 in die Vormischzone 2 eingedüst. Das Fluid 15, bei dem es sich vorzugsweise um ein Inertgas handelt, wird über den Fluidströmungskanal 19 durch Fluideinlassöffnungen 20, 21, 22 in die Vormischzone 2 eingedüst. Dabei befinden sich die Fluideinlassöffnungen 20, 21, 22 in Hauptströmungsrichtung 9 stromabwärts zu den Brennstoffdüsen 11.
  • Im der vorliegenden Ausführungsvariante wird ein Teil des Fluids 15 durch Fluideinlassöffnungen 20, die stromabwärts neben den Brennstoffdüsen 11 angeordnet sind, im Wesentlichen entgegen der Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst. Durch weiter stromabwärts neben den Fluideinlassöffnungen 20 angeordnete Fluideinlassöffnungen 21 wird ein Teil des Fluids 15 nahezu senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst. Stromabwärts neben den Fluideinlassöffnungen 21 sind weitere Fluideinlassöffnungen 22 angeordnet, durch die ein Teil des Fluids 15 im Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst wird.
  • Durch die beschriebene Anordnung der Fluideinlassöffnungen 20, 21, 22 wird die Entstehung eines Heißgasrückströmgebietes stromabwärts der Brennstoffdüsen 11 vermieden und so ein sicherer Vormischbetrieb des Brenners ermöglicht.

Claims (18)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners (1), welcher eine Vormischzone (2) umfasst, in die ein Luftmassenstrom (5) und Brennstoff (6) eingedüst werden, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet (8) ausbilden kann,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein nicht brennstoffhaltiges Fluid (15) stromabwärts zur Brennstoffeindüsung in die Vormischzone (2) eingedüst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Fluid (15) entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet (8) befindlichen Oberfläche der Vormischzone (2) in Hauptströmungsrichtung (9) in die Vormischzone (2) eingedüst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Brennstoff (6) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (9) des Luftmassenstromes (5) in die Vormischzone (2) eingedüst wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vormischzone (2) eine Konusseite (3) und eine Nabenseite (4) umfasst und Brennstoff (6) an der Konusseite (3) und/oder der Nabenseite (4) in die Vormischzone (2) eingedüst wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Brennstoff (6) über mindestens eine Drallschaufel (17) in die Vormischzone (2) eingedüst wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei dem Brennstoff (6) um ein Synthesegas handelt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei dem Fluid (15) um Luft oder um ein Inertgas handelt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei dem Inertgas um ein Edelgas, Kohlendioxid, Wasserdampf oder Stickstoff handelt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei dem Fluid (15) um Luft handelt und ein Anteil von 10 Prozent der gesamten der Vormischzone (2) zugeführten Luft entlang der im Heißgasrückströmgebiet (8) befindlichen Oberfläche der Vormischzone eingedüst wird.
  10. Vormischbrenner (1), welcher eine Vormischzone (2), einen Luftdrallerzeuger (10) mit einer Luftzufuhr (16) und mindestens einer Brennstoffdüse (11) umfasst, wobei Brennstoff (6) durch die Brennstoffdüse (11) in einen von dem Luftdrallerzeuger (10) in der Vormischzone (2) verdrallten Luftmassenstrom eingedüst werden kann, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet (8) ausbildet,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Brenneroberfläche im potentiellen Heißgasrückströmgebiet (8) mindestens eine Öffnung (14) aufweist, durch die ein Fluid (15) in die Vormischzone (2) eingedüst werden kann.
  11. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Öffnung (14) über einen Fluidkanal mit der zum Luftdrallerzeuger (10) führenden Luftzufuhr (16) so verbunden ist, dass durch die Öffnung (14) ein Teil der Luft als Fluid (15) in die Vormischzone (2) eingedüst werden kann.
  12. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vormischzone (2) eine Konusseite (3) und eine Nabenseite (4) umfasst und sich Brennstoffdüsen (11) an der Konusseite (3) und/oder der Nabenseite (4) der Vormischzone (2) befinden.
  13. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Brennstoffdüsen (11) in einer oder mehreren hintereinander liegenden Reihen stromabwärts des Luftdrallerzeugers (10) angeordnet sind.
  14. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich Brennstoffdüsen (11) und/oder die Öffnungen (14) in dem Luftdrallerzeuger (10) befinden.
  15. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Brennstoffdüsen (11) als runden Bohrungen ausgestaltet sind.
  16. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Brennstoffdüsen (11) so gestaltet sind, dass der Brennstoff (6) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (9) des Luftmassenstromes in die Vormischzone (2) eingedüst werden kann.
  17. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei dem Brennstoff (6) um einen Synthesegas handelt.
  18. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Öffnungen vorhanden sind, durch die das Fluid (15) in Hauptströmungsrichtung des in der Vormischzone (2) befindlichen Luftmassenstromes entlang der Oberfläche der Vormischzone (2) in die Vormischzone (2) eingedüst werden kann.
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