EP2257736A1 - Verfahren und brenneranordnung zum erzeugen von heissgas sowie anwendung des verfahrens - Google Patents

Verfahren und brenneranordnung zum erzeugen von heissgas sowie anwendung des verfahrens

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EP2257736A1
EP2257736A1 EP09716505A EP09716505A EP2257736A1 EP 2257736 A1 EP2257736 A1 EP 2257736A1 EP 09716505 A EP09716505 A EP 09716505A EP 09716505 A EP09716505 A EP 09716505A EP 2257736 A1 EP2257736 A1 EP 2257736A1
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EP
European Patent Office
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fuel
air
burner
rich
swirl generator
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EP09716505A
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English (en)
French (fr)
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Richard Carroni
Bettina Paikert
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2257736B1 publication Critical patent/EP2257736B1/de
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    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • 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
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    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion technology. It relates to a method for burning H2-rich fuels according to the preamble of claim 1. It also relates to a burner assembly for carrying out the method and its application.
  • a premix burner with subsequent mixing section or mixing tube (a so-called AEV burner) has become known, in which in the premix burner designed according to EP-A1 -704,657 a first fuel is injected centrally and between the the shells in the swirl generator (particularly well visible in EP-A1 321 809) formed air inlet slots or channels at least a second fuel in the air flowing there into the interior air can be introduced.
  • a further device for injecting a third fuel is provided in the subsequent mixing tube.
  • H 2 -rich fuels such as those produced in the form of syngas in coal gasification
  • such a premix burner has been tested with natural gas in the lean pre-mixing, in which under high pressure
  • H2-rich fuels with H2-to-N2 ratios of 70/30 and 60/40 have been injected axially in the premix burner and in the mixing tube.
  • thermoacoustic vibrations pose a danger to any type of combustion application. They lead to
  • An embodiment of the method according to the invention is characterized in that first an air / fuel mixture is generated from the air and the natural gas, and then the H2-rich fuel is injected into the air / fuel mixture.
  • a burner assembly is used which comprises a premix burner and a mixing tube adjoining it, the air / fuel mixture being produced in the premix burner.
  • the H2-rich fuel can be injected into the mixing tube and / or into the swirl generator.
  • a swirl generator can be used, as described for example in EP-A1 -321 809.
  • Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that initially the natural gas and the H2-rich fuel are mixed together, and that the resulting fuel mixture is mixed in the burner assembly with air and burned.
  • a burner assembly may be preferably used, which comprises a premix burner and a subsequent mixing tube, wherein In the premix burner from the air and the fuel mixture, the air / fuel mixture is generated.
  • FIG. 1 is a greatly simplified schematic representation of a burner assembly of the AEV type, wherein according to an embodiment of the inventive method, the additional natural gas and the H2-rich fuel in the flow direction be injected successively, the H2-rich fuel can optionally be injected into the swirl generator;
  • Fig. 2 is a comparable to Fig. 1 representation of a burner assembly of the AEV type, wherein according to another embodiment of the inventive method, the additional natural gas and the H2-rich fuel are first mixed and then the resulting mixture is injected;
  • FIG. 3 shows a greatly simplified schematic representation of a burner arrangement provided for sequential combustion with a fuel lance, in which, according to another embodiment of the method according to the invention, the additional natural gas and the H2-rich fuel are first mixed and then the resulting mixture is injected into a hot gas stream ;
  • Fig. 4 shows the use of the fuel lance of Fig. 3 in a combustion chamber of a gas turbine with a sequential combustion.
  • the burner assembly 10 includes a swirl generator 11, which can sometimes be used as a stand-alone premix burner, which is in a conventional manner conical, as described for example in EP-A1 - 321 809.
  • the swirl strength in the swirl generator is chosen on its geometry so that the bursting of the vortex or the vortex is not in the mixing tube, but further downstream of the combustion chamber inlet, wherein the length of the mixing tube 13 is to be dimensioned so that sets a sufficient mixing quality for all used reaching fuels.
  • the swirl intensity results from the design of the corresponding cone angle, the air inlet slots, respectively. Channels and their number.
  • combustion air flows through the said air inlet slots or ducts, means for injecting a fuel being provided in the region of these air inlet slots or ducts, such that an air / fuel mixture is formed in the interior space formed by the part cone shells 12 forms.
  • the air / fuel mixture 12 receives a twist about the axis 15 of the burner assembly 10 and enters downstream in a mixing tube 13, where the complete mixing of air and fuel takes place.
  • the mixing tube 13 opens into a combustion chamber 14, in which a flame front forms, with which the air / fuel mixture reaches combustion.
  • a preferably annular injection device 16 is provided at the mixing tube 13, through which additionally injected fuel into the mixing tube 13 and can be included in the combustion.
  • transitional channels not shown in detail are provided in a transition region between the swirl generator 11 and the mixing tube 13 in this figure, which, respectively, the transfer of the air formed in the swirl generator 11. Take over air / fuel flow in the mixing tube 13.
  • the swirl generator can be formed so that it consists of at least two hollow in the flow direction nested to a body complementary subshells, the cross section in the flow direction, in contrast to the above swirl generator 11 is not conical, but cylindrical or quasi-cylindrical, wherein Interior is preferably on the axis of symmetry of the body an inner body vorge- hen, the cross section decreases in the flow direction conical or quasi-cone.
  • EP-A1-777 081 become known, whereby also this document forms an integral part of this application.
  • a small amount of natural gas F1 is injected into the premix burner 11 in the premixing mode and mixed with air.
  • the natural gas F1 is supplied via a first fuel supply 17 and can be adjusted for example by means of a valve 19 to the required mass flow.
  • the major part of the output of the burner assembly 10 is, however, denied by an H2-rich fuel F2, which is passed via a second fuel supply 18 to the injection device 16 and injected there into the air / fuel mixture 12 from the upstream swirl generator 11.
  • a proportion of this H2-rich fuel 18 ' can be injected into the swirl generator 11, as is apparent from Fig. 1, wherein its proportion is typically up to 30%.
  • the pressure loss coefficient Zeta decreases from 2.8 to 1.5, which corresponds to a strong reduction of the pressure loss in the burner.
  • Natural gas can also be used in a gas turbine with sequential combustion, in the second or subsequent combustion stage.
  • a fuel lance 20 is reproduced, as disclosed in the aforementioned WO-A1 -2007/113074, wherein this pressure step forms an integral part of this application.
  • the fuel lance 20 projects into the hot gas stream 26 from a previous combustion stage, which may include, for example, the burner assembly shown in FIG.
  • a previous combustion stage which may include, for example, the burner assembly shown in FIG.
  • an outer tube 21 and an inner tube 22 are arranged one inside the other.
  • the outer tube has injection ports 23.
  • air 25 is supplied, while through the inner tube 22, a mixture of the H2-rich fuel F2 and the small proportion of natural gas F1 is introduced.
  • the forming air / fuel mixture exits into the hot gas stream 26 and ignites there to form a flame.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a low-pressure combustion chamber 27 in a gas turbine operated by sequential combustion.
  • a gas turbine is derived, for example, from an article by Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24 / GT26 Gas Turbine Family", IGTI / ASME 98-GT-220, 1998 Sweden, in which 1 shows the construction of such a gas turbine
  • the low pressure combustor is referred to herein as the "SEV combustor.”
  • the operation of this low-pressure combustion chamber 27 is designed for auto-ignition, i.
  • the hot gas stream 26 flowing into the combustion chamber 27 has a very high operating temperature, such that the combustion of the fuels F1 or F1 + F2 or F2 injected via at least one fuel lance 20 takes place by means of autoignition.
  • this type of combustion it is important that the flame front remains locally stable in the downstream combustion chamber 14. In order to achieve this goal, this self-ignition
  • Combustion chamber 27 preferably on the inner and outer wall in the circumferential direction arranged, a number of elements 28, so-called vortex generators, provided, which in the axial direction preferably upstream of the fuel lance 20, which basically consists of a vertical outer tube part 21 and a horizontal outer tube part 21 ', are placed.
  • the purpose of these elements 28 is to create vortices which induce a backflow zone.
  • the design of these vortex generators 28 and the arrangement in the combustion chamber 27 are apparent from DE-44 46 611 A1, wherein this document forms an integral part of this description.
  • symbolized fuel jets 29 flow out of one or more injection openings, which are arranged on the circumference of the axial outer tube 21 'of the fuel lance 20 and at a certain injection angle .alpha flowing working gases 26 of the combustion chamber 27 inject.
  • this injection angle ⁇ varies between 20 ° and 120 ° relative to the surface of the horizontal outer tube part 21 'of the fuel lance 20, but also injection angles below 20 ° and over 120 ° are possible.
  • the injection device 16 which also has one or more injection ports, wherein the direction of the fuel jets 30 can take a wide spectrum, as shown in FIG 4, the injection preferably has one of the angles ⁇ 'between 20 ° and 120 ° with respect to the surface of the inner wall of the combustion chamber 27, whereby injection angles below 20 ° and above 120 ° are also possible.
  • the type of operation of this combustion chamber 27 concerning the introduced there fuels and with respect to the injection angle of the fuel jets, respectively.
  • the fuel openings 29, 30 depend on factors associated with sequential combustion.
  • the introduction of the fuels according to FIG. 4 can also be provided in the above described combustion chambers according to FIGS. 1 and 2 in the same or similar manner.
  • An additional introduction of an amount of air is also possible during operation of the combustion chamber 27 of FIG. 4 and also provided if necessary.
  • the article according to the invention can be used with particular advantage in a gas turbine with at least one combustion chamber stage, wherein the hot gas produced is expanded in the gas turbine under working performance.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen von Heissgas, insbesondere für eine Gasturbine, wird ein H2-reicher Brennstoff (F2) in einer Brenneranordnung (10) mit Luft (25) vermischt und unter Ausbildung einer Flamme verbrannt. Ein stabiler Betrieb wird dadurch erreicht, dass zusätzlich zum H2-reichen Brennstoff (F2) eine geringe Menge Erdgas (F1 ) im Vormischbetrieb in die Brenneranordnung (10) eingeführt und zusammen mit dem H2-reichen Brennstoff (F2) verbrannt wird.

Description

VERFAHREN UND BRENNERANORDNUNG ZUM ERZEUGEN VON HEISSGAS
SOWIE ANWENDUNG DES VERFAHRENS
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von H2-reichen Brennstoffen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Brenneranordnung zur Durchführung des Verfahrens sowie deren Anwendung.
Stand der Technik
Aus der WO-A1 -2006/069861 ist ein Vormischbrenner mit nachfolgender Mischstrecke bzw. Mischrohr (ein so genannter AEV-Brenner) bekannt geworden, bei dem im gemäss EP-A1 -704 657 ausgebildeten Vormischbrenner zentral ein erster Brennstoff eingedüst und zwischen den von den Schalen im Drallerzeuger (insbesondere im EP-A1 321 809 gut ersichtlich) gebildeten Lufteintrittsschlitzen oder Kanälen mindestens ein zweiter Brennstoff in die dort in den Innenraum einströmende Luft eingeführt werden kann. Im nachfolgenden Mischrohr ist eine weitere Vorrichtung zum Eindüsen eines dritten Brennstoffs vorgesehen. Alle hier und später genannten Druckschriften und deren Weiterentwicklungen bilden einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung.
Zur Verbrennung von H2-reichen Brennstoffen, wie sie beispielsweise in Form von Syngas bei der Kohlevergasung entstehen, ist bereits vorgeschlagen worden, we- nigstens einen Teil des H2-reichen Brennstoffs über das Mischrohr eines solchen Vormischbrenners einzudüsen. Auch ist bereits ein solcher Vormischbrenners mit Erdgas im mageren Vormischbetrieb erprobt worden, bei dem unter hohem Druck zusätzlich H2-reiche Brennstoffe mit H2-zu-N2-Verhältnissen von 70/30 und 60/40 axial abgestuft im Vormischbrenner und im Mischrohr eingedüst worden sind.
Bei diesen Erprobungen hat sich gezeigt, dass - wenn vom Erdgas vollständig auf den H2-reichen Brennstoff umgeschaltet wird - die Flamme sich stromaufwärts in das Mischrohr wandert. Obgleich der Brenner auf diese Weise ohne Beschädigungen und mit ausreichend niedrigem NOx-Ausstoss betrieben werden konnte, ergaben sich dennoch zahlreiche Nachteile, namentlich:
• Die Druckverluste im Vormischbrenner erhöhten sich um den Faktor 3. Dies ist bei Gasturbinen im Hinblick auf einen zugehörigen Gasturbinen-Kreislauf unerwünscht.
• Die zur Verfügung stehende Mischlänge, d.h. der Abstand zwischen dem Ort der Eindüsung des Brennstoffes und der Flammenfront, verringert sich, was zu einer erhöhten NOx-Emission führt.
• Hochfrequente Pulsationen gewinnen an Bedeutung. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die thermoakustischen Schwingungen eine Ge- fahr für jede Art von Verbrennungsanwendungen darstellen. Sie führen zu
Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches, und sie können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere auf Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu, wie dies beispielsweise bei Ringbrennkammern mit schall- harten Wänden der Fall ist. Um im Bezug auf Pulsationen und Schadstoff-
Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen breiten Betriebsbereich zu gewährleisten, müssen Vorkehrungen gegen diese Pulsationen getroffen werden. Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verbrennung von H2- reichen Brennstoffen anzugeben, welches ein Zurückwandern der Flamme in den Brenner sowie Pulsationen sicher verhindert, auch während einer Umschaltung von Erdgas auf H2-reichen Brennstoffe.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass zusätzlich zum H2-reichen Brennstoff eine geringe Menge Erdgas im Vormischbetheb in die Brenneranordnung eingeführt und zusammen mit dem H2-reichen Brennstoff verbrannt wird.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst aus der Luft und dem Erdgas ein Luft/Brennstoff-Gemisch er- zeugt wird, und dass anschliessend in das Luft/Brennstoff-Gemisch der H2-reiche Brennstoff eingedüst wird. Insbesondere wird dazu eine Brenneranordnung verwendet, welche einen Vormischbrenner und ein daran anschliessendes Mischrohr umfasst, wobei das Luft/Brennstoff-Gemisch im Vormischbrenner erzeugt wird. Der H2-reiche Brennstoff kann in das Mischrohr und/oder in den Drallerzeuger eingedüst wird. Mit Vorteil kann, als Kopfstufe des Vormischbrenners ein Drallerzeuger eingesetzt werden, wie er beispielsweise in EP-A1 -321 809 beschrieben ist.
Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass zunächst das Erdgas und der H2-reiche Brennstoff miteinander vermischt werden, und dass das resultierende Brennstoffgemisch in der Brenneranordnung mit Luft vermischt und verbrannt wird. Hierdurch kann vor allem das System der Brennstoffzuführung und -Verteilung vereinfacht werden. Auch in diesem Fall kann vorzugsweise eine Brenneranordnung verwendet werden, welche einen Vormischbrenner und ein daran anschliessendes Mischrohr umfasst, wobei im Vormischbrenner aus der Luft und dem Brennstoffgemisch das Luft/Brennstoff- Gemisch erzeugt wird.
Es kann aber auch eine Brenneranordnung verwendet werden, wie sie beispiels- weise in der WO-A1 -2007/113074 offenbart ist, bei welcher im Rahmen einer sequentiellen Verbrennung eine Brennstofflanze in einen Heissgasstrom hineinragt, und wobei das Brennstoffgemisch über die Brennstofflanze, ggf. mit zusätzlicher Luft, in den Heissgasstrom eingedüst wird. Die in dieser Druckschrift dargestellten Brennstofflanzen (Fig. 2-6) sind für den Einsatz in der Niederdruck-Brennkammer (Pos. 14) konzipiert. Auch diese letztgenannte Druckschrift bildet einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung. Der Betrieb einer solchen Niederdruck- Brennkammer mit dem Einsatz einer oben beschriebenen Brennstofflanze bei einer sequentiell befeuerten Gasturbine geht beispielsweise aus EP 620 362 A1 hervor, welche Druckschrift ebenfalls einen integrierenden Bestandteil dieser Be- Schreibung darstellt.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen:
Fig. 1 eine stark vereinfachte schematisierte Darstellung eine Brenneranordnung vom AEV-Typ, bei welcher gemäss einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens das zusätzli- che Erdgas und der H2-reiche Brennstoff in Strömungsrichtung nacheinander eingedüst werden, wobei der H2-reiche Brennstoffstoff wahlweise auch in den Drallerzeuger eingedüst werden kann;
Fig. 2 eine zu Fig. 1 vergleichbare Darstellung einer Brenneranordnung vom AEV-Typ, bei welcher gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens das zusätzliche Erdgas und der H2-reiche Brennstoff zuerst vermischt werden und dann das resultierende Gemisch eingedüst wird;
Fig. 3 eine stark vereinfachte schematisierte Darstellung einer für die sequentielle Verbrennung vorgesehenen Brenneranordnung mit einer Brennstofflanze, bei welcher gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens das zusätzliche Erdgas und der H2-reiche Brennstoff zuerst vermischt werden und dann das resultierende Gemisch in einen Heissgasstrom eingedüst wird; und
Fig. 4 der Einsatz der Brennstofflanze nach Fig. 3 in einer Brennkammer einer Gasturbine mit einer sequentiellen Verbrennung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung eine Brenneranordnung mit einem als Drallerzeuger ausgebildete Kopfstufe und einem an- schliessenden Mischrohr wiedergegeben, bei welcher gemäss einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens das zusätzliche Erdgas und der H2-reiche Brennstoff in Strömungsrichtung nacheinander eingedüst werden. Die Brenneranordnung 10 umfasst einen Drallerzeuger 11 , der bisweilen auch als eigenständiger Vormischbrenner zum Einsatz gelangen kann, wobei dieser in an sich bekannter weise kegelförmig ausgebildet ist, wie er beispielsweise in EP-A1 - 321 809 beschreiben ist. Hier ist es wichtig, dass die Drallstärke im Drallerzeuger über seine Geometrie so gewählt ist, dass das Aufplatzen des Wirbels oder der Wirbel nicht im Mischrohr, sondern weiter stromab am Brennkammereintritt erfolgt, wobei die Länge des Mischrohrs 13 so zu dimensionieren ist, dass sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle zum Einsatz gelangenden Brennstoffe einstellt. Wird eine solcher Drallerzeuger zugrunde gelegt, so ergibt sich die Drallstärke aus der Auslegung des entsprechenden Kegelwinkels, der Lufteintrittsschlitze resp. Kanäle und deren Anzahl. In das Innere des Vormischbrenners 11 strömt durch die genannten Lufteintrittsschlitze oder Kanäle Verbrennungsluft ein, wobei im Bereich dieser Lufteintrittsschlitze oder Kanäle Mittel zur Eindüsung eines Brennstof- fes vorgesehen sind, dergestalt, dass sich in dem von den teilkegelschalen gebildeten Innenraum ein Luft/Brennstoff-Gemisch 12 bildet. Das Luft/Brennstoff- Gemisch 12 erhält einen Drall um die Achse 15 der Brenneranordnung 10 und tritt stromab in ein Mischrohr 13 ein, wo die vollständige Durchmischung von Luft und Brennstoff erfolgt. Das Mischrohr 13 mündet in eine Brennkammer 14, in der sich eine Flammenfront bildet, mit der das Luft/Brennstoff-Gemisch zur Verbrennung gelangt. Am Mischrohr 13 ist eine vorzugsweise ringförmig ausgebildete Eindüsvorrichtung 16 vorgesehen, durch die zusätzlich Brennstoff in das Mischrohr 13 eingedüst und in die Verbrennung mit einbezogen werden kann. Bei Bedarf sind in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger 11 und Mischrohr 13 in dieser Figur nicht näher gezeigte Übergangskanäle vorgesehen, welche die Überführung der im Drallerzeuger 11 gebildeten Luft resp. Luft/Brennstoff-Strömung in das Mischrohr 13 übernehmen. Eine solche Konfiguration geht aus EP-A1 -704 657 hervor, wobei deren Offenbarungsgehalt einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet. Des Weiteren kann der Drallerzeuger so ausgebildet werden, dass dieser aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilschalen besteht, deren Querschnitt in Strömungsrichtung im Gegensatz zu dem obigen Drallerzeuger 11 nicht kegelförmig, sondern zylindrisch oder quasi-zylindrisch verläuft, wobei im Innenraum vorzugsweise auf der Symmetrieachse des Körpers ein Innenkörper vorge- hen ist, dessen Querschnitt in Strömungsrichtung kegelförmig oder quasikegelförmig abnimmt. Eine solche Konfiguration ist beispielsweise aus EP-A1 -777 081 bekannt geworden, wobei auch diese Druckschrift einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet.
Gemäss dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird in dem Vormischbren- ner 11 im Vormischbetrieb eine geringe Menge Erdgas F1 eingedüst und mit Luft vermischt. Das Erdgas F1 wird über eine erste Brennstoffzuführung 17 zugeführt und kann beispielsweise mittels eines Ventils 19 auf den erforderlichen Massenstrom eingestellt werden. Der Hauptteil der Ausgangsleistung der Brenneranordnung 10 wird jedoch durch einen H2-reichen Brennstoff F2 bestritten, der über eine zweite Brennstoffzuführung 18 zur Eindüsvorrichtung 16 geleitet und dort in das Luft/Brennstoff-Gemisch 12 aus dem stromauf wirkenden Drallerzeuger 11 eingedüst. Wahlweise kann auch ein Anteil dieses H2-reichen Brennstoffes 18' in den Drallerzeuger 11 eingedüst werden, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht, wobei dessen Anteil typischerweise bis zu 30% ausmacht. Diese Art des Brennerbetriebs hat folgende Vorteile:
• Der Druckverlustkoeffizient Zeta verringert sich von 2,8 auf 1 ,5, was einer starken Reduktion des Druckverlustes im Brenner entspricht.
• Die hochfrequenten Pulsationen (von 2 bis 4 kHz) sind praktisch eliminiert.
• Die NOx-Emissionen sind minimiert, dies aufgrund der Tatsache, dass die Flamme mit einem maximierten vorgemischten Luft/Brennstoff-Gemisch alimentiert wird.
• Die Brennstoffzuführungen 17 im Bereich des Drallerzeugers 11 für das Erdgas sind stets gespült, so dass ein Umschalten auf Erdgasbetrieb in kürzester Zeit möglich ist. • Wenn die Flammenfront tatsächlich stromaufwärts in den Brenner wandert, verankert sie sich relativ weit stromabwärts im Mischrohr und brennt in einer stabilen und sicheren Weise. Wenn in einer Mehr-Brenner-Anordnung - wie sie in Gasturbinen üblich ist - eine Rückzündung („flashback") bei ei- nem Brenner auftritt, führt dies eher zu einem stabilen Zustand im Brenner, und nicht zu einer betriebsrelevanten negativen Entwicklung, bei welcher die Flammenfront noch weiter stromaufwärts wandert, bis eine Zerstörung des Brenners einsetzt, wie dies bei normalen Brennern immanent der Fall ist. Tritt dieser Zustand ein, so ist der Grund darin zu suchen, dass der betreffende Brenner blockiert und der Durchfluss an Luft abnimmt. Das bedeutet dann auch, dass ein einzelner Brenner zeitweise abgeschaltet und wieder neu gezündet werden kann. Der Betrieb der anderen Brenner in der Gasturbine werden dadurch nicht berührt.
• Der Grund, dass die Flammenfront hier gegenüber dem erfindungsgemäss eingesetzten Vormischbrenner 11 nicht zurückschlagen kann und dementsprechend nicht zu einer Zerstörung kommen kann, ist darin zu sehen, dass ebendiese Flammenfront eine feste örtliche Verankerung im Mischrohr 13 inne nimmt, dergestalt, dass sie auch nicht stromaufwärts kriechen kann; der Luftstrom wird dabei kaum beeinträchtigt.
Während im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 das Erdgas F1 und der H2-reiche Brennstoff F2 separat und in axialer Abstufung in der Brenneranordnung 10 ein- gedüst werden, ist es auch denkbar, beide Brennstoffe gemäss Fig. 2 vor dem Eindüsen vorzumischen. Hierzu werden die beiden Brennstoffzuführungen 17 und 18 für die Brennstoffe F1 und F2 zusammengeführt und das entstehende Brennstoffgemisch wird dann einerseits im Drallerzeuger 11 und andererseits in der Eindüsvorrichtung 16 am Mischrohr 13 eingedüst.
Die Stabilisierung der Flammenposition und die damit verbundene Begrenzung der NOx-Emissionen und Vermeidung von Pulsationen mittels eines geringen Zu- satzes an Erdgas lässt sich auch bei einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung zum Einsatz bringen, und zwar in der zweiten oder nachfolgenden Verbrennungsstufe. In Fig. 3 ist eine Brennstofflanze 20 wiedergegeben, wie sie in der eingangs genannten WO-A1 -2007/113074 offenbart ist, wobei auch diese Druck- schritt einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet. Die Brennstofflanze 20 ragt in den Heissgastrom 26 aus einer vorhergehenden Verbrennungsstufe, die beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Brenneranordnung umfassen kann. In der Brennstofflanze 20 sind ineinander ein Aussenrohr 21 und ein Innenrohr 22 angeordnet. Das Aussenrohr hat Eindüsungsöffnungen 23. Im Zwischenraum zwi- sehen Innenrohr 22 und Aussenrohr 21 wird Luft 25 zugeführt, während durch das Innenrohr 22 eine Mischung aus dem H2-reichen Brennstoff F2 und dem geringen Anteil an Erdgas F1 eingeführt wird. Die sich bildende Luft/Brennstoff-Mischung tritt in den Heissgasstrom 26 aus und zündet dort unter Ausbildung einer Flamme.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Niederdruck-Brennkammer 27 bei einer durch sequentielle Verbrennung betriebenen Gasturbine. Eine solche Gasturbine geht beispielsweise aus einem Aufsatz von Joos, F. et al., „Field Experien- ce of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Family", IGTI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm, wobei die dortige Fig. 1 den Auf- bau einer solchen Gasturbine zeigt. Des Weiteren wird auf eine Publikation in ABB Review 2/1997 (Seiten 4-14) hingewiesen, insbesondere auf Figur 15 (Seite 13), in welcher die Hauptkomponenten einer solchen Gasturbine ebenfalls dargestellt sind. Die Niederdruck-Brennkammer ist hier als „SEV Combustor" bezeichnet. Der Betrieb dieser Niederdruck-Brennkammer 27 ist auf Selbstzündung ausgelegt, d.h. die in die Brennkammer 27 einströmenden Heissgasstrom 26 weisen eine sehr hohe Betriebstemperatur auf, dergestalt, dass die Verbrennung der über mindestens eine Brennstofflanze 20 eingedüsten Brennstoffe F1 oder F1 +F2 oder F2 durch Selbstzündung erfolgt. Bei dieser Art von Verbrennung ist es wichtig, dass die Flammenfront in der stromab angeordneten Brennkammer 14 ortsmässig stabil bleibt. Auch zur Erreichung dieses Zieles werden in dieser Selbstzündungs-
Brennkammer 27, vorzugsweise an der Innen- und Aussenwand in Umfangsrich- tung angeordnet, eine Reihe von Elemente 28, sogenannte Wirbel-Generatoren, vorgesehen, welche in axialer Richtung vorzugsweise stromauf der Brennstofflanze 20, die grundsätzlich aus einem vertikalen Aussenrohrteil 21 und einem horizontalen Aussenrohrteil 21 ' besteht, platziert sind. Die Aufgabe dieser Elemente 28 besteht darin, Wirbel zu erzeugen, welche eine Rückstromzone induzieren. Die Ausgestaltung dieser Wirbel-Generatoren 28 sowie die Anordnung in der Brennkammer 27 gehen aus DE-44 46 611 A1 hervor, wobei auch diese Druckschrift einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung bildet. Hinsichtlich der verschiedenen Eindüsungsmöglichkeiten 29 der Brennstoffe F1 oder F1 +F2 oder F2 in die Brennkammer 27 wird grundsätzlich auf WO 2007/113074 A1 verwiesen. Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 4 selbst ersichtlich, bei welcher die versinnbildlichten Brennstoffstrahlen 29 aus einer oder mehreren Eindüsungsöffnungen strömen, welche auf dem Umfang des axialen Aussenrohres 21 ' der Brennstofflanze 20 angeordnet sind und unter einen bestimmten Eindüsungswinkel α der oder die Brennstoffe in die strömenden Arbeitsgase 26 der Brennkammer 27 eindüsen. Vorzugsweise variiert dieser Eindüsungswinkel α zwischen 20° und 120° gegenüber der Oberfläche des horizontalen Aussenrohrteils 21 ' der Brennstofflanze 20, wobei aber auch Eindüsungswinkel unter 20° und über 120° möglich sind. Eine weitere Eindüsung der Brennstoffe F1 oder F1 +F2 oder F2 ist stromab der Brenn- stofflanze 20 über die Eindüsungsvorrichtung 16 vorgesehen, welche ebenfalls über eine oder mehrere Eindüsungsöffnungen verfügt, wobei die Richtung der Brennstoffstrahlen 30 einen breiten Spektrum einnehmen können, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht, vorzugsweise weist die Eindüsung einen der Winkel α' zwischen 20° und 120° gegenüber der Oberfläche der Innenwand der Brennkammer 27, wobei auch Eindüsungswinkel unter 20° und über 120° möglich sind. Die Art des Betriebes dieser Brennkammer 27 betreffend die dort eingebrachten Brennstoffe und hinsichtlich der Eindüsungswinkel der Brennstoffstrahlen resp. der Brennstoff- Öffnungen 29, 30 hängt von Faktoren ab, welche mit der sequentiellen Verbrennung im Zusammenhang stehen. Selbstverständlich kann die Einbringung der Brennstoffe gemäss Fig. 4 auch bei den vorangehenden beschriebenen Brennkammern gemäss Fig. 1 und 2 in gleicher oder ähnlicher Art vorgesehen werden. Eine zusätzliche Einbringung einer Luftmenge, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht, ist auch beim Betrieb der Brennkammer 27 aus Fig. 4 ebenfalls möglich und bei Bedarf auch vorgesehen.
Der erfindungsgemässe Gegenstand lässt sich mit besonderem Vorteil in einer Gasturbine mit mindestens einer Brennkammerstufe anwenden, wobei das erzeugte Heissgas in der Gasturbine unter Arbeitsleistung entspannt wird.
Bezugszeichenliste
10 Brenneranordnung 11 Drallerzeuger
12 Luft/Brennstoff-Gemisch
13 Mischrohr
14 Brennkammer
15 Achse 16 Eindüsvorrichtung
17,18 Brennstoffzuführung
19 Ventil
20 Brennstofflanze
21 Vertikales Aussenrohr der Brennstofflanze 21 ' Horizontales Aussenrohr der Brennstofflanze
22 Innenrohr
23 Eindüsungsöffnung
24 Brennstoff
25 Luft 26 Heissgasstrom
27 Niederdruck-Brennkammer durch Selbstzündung betrieben
28 Wirbel-Generatoren
29 Brennstoffeindüsung
30 Brennstoffeindüsung F1 Brennstoff (Erdgas)
F2 Brennstoff (H2-reich, z.B. Syngas) α Eindüsungswinkel α' Eindüsungswinkel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Heissgas zum Betrieb einer mit mindestens einer Brennkammer befeuerten Strömungsmaschine, bei welchem Verfahren mindestens ein Brennstoff über eine Brenneranordnung in die Arbeitsgase der Brennkammer eingebracht wird, wobei mindestens ein Brennstoff mit Luft vermischt wird, und wobei stromauf der Brennkammer (14) Elemente (11 , 28) und Mischstrecken (13, 27) vorgesehen sind, welche einen Vor- mischbetrieb aufrechterhalten, dadurch gekennzeichnet, dass im Vormisch- betrieb an mindestens einer Stelle (11 , 16, 20) ein Brennstoff bestehend aus einem Brenngas (F1 ), oder aus einer Mischung aus Brenngas (F1 ) und H2-reichen Brennstoff (F2), oder aus einem H2-reichen Brennstoff (F2) in die Arbeitsgase (26) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zunächst aus der Luft und dem Erdgas (F1 ) ein Luft/Brennstoff-Gemisch (12) erzeugt wird, und dass anschliessend in das Luft/Brennstoff-Gemisch (12) der H2- reiche Brennstoff (F2) eingedüst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenneranordnung (10) verwendet wird, welche einen Drallerzeuger (11 ) und ein daran anschliessendes Mischrohr (13) umfasst, dass das Luft/Brennstoff- Gemisch (12) im Drallerzeuger (11 ) erzeugt wird, und dass der H2-reiche Brennstoff (F2) in das Mischrohr (13) eingedüst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Erdgas (F1 ) und der H2-reiche Brennstoff (F2) miteinander vermischt werden, und dass das resultierende Brennstoffgemisch in der Brenneranord- nung (10, 20) mit Luft vermischt und verbrannt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenneranordnung (10) verwendet wird, welche einen Drallerzeuger (11 ) und ein daran anschliessendes Mischrohr (13) umfasst, und dass im Vormisch- brenner (11 ) aus der Luft und dem Brennstoffgemisch das Luft/Brennstoff- Gemisch (12) erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brenneranordnung verwendet wird, bei welcher im Rahmen einer sequentiellen Verbrennung eine Brennstofflanze (20) in einen Heissgasstrom (26) hinein- ragt, und dass das Brennstoffgemisch über die Brennstofflanze (20) in den
Heissgasstrom eingedüst wird.
7. Brenneranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (11 ) aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelschalen besteht, dass der Querschnitt des durch die hohlen Teilkegelschalen gebildeten Innenraumes in Strömungsrichtung zunimmt, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilkegelschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkegelschalen in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze oder Kanäle für die Einströmung eines Verbrennungsluftstromes in den von den Teilkegelschalen gebildeten Innenraum bilden.
8. Brenneranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (11 ) aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilschalen besteht, dass der Querschnitt des durch die hohlen Teilschalen gebildeten Innenraumes in Strömungsrichtung zylindrisch oder quasi-zylindrisch verläuft, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze oder Kanäle für die Einströmung eines Verbrennungsluftstromes in den von den Teilschalen gebildeten Innenraum bilden, und dass der Innenraum einen Innenkörper aufweist, dessen Querschnitt in Strömungshchtung abnimmt.
9. Brenneranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper in Strömungsrichtung kegelförmig oder quasi-kegelförmig abnimmt
10. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger (11 ) und Mischrohr (13) Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger (11 ) gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle nachge- schalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres (13) aufweist.
11. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Übergangskanäle derjenigen der Teilkegelschalen resp. Teilschalen entspricht
12. Anwendung des Verfahrens und der Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer mit mindestens einer Befeuerung betreibbaren Gasturbine, wobei das erzeugte Heissgas in der Gasturbine unter Arbeitsleistung entspannt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 zum Betrieb einer sequentiell befeuerten Gasturbine, wobei die zweite Brennkammer (27) durch eine auf Selbstzündung ausgelegte Verbrennung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Brennstofflanze (20) mit einem Brennstoff (F1 , F1 +F2, F2) betrieben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Brennstofflanze (20) mindestens einer weitere Eindüsungsvorrichtung (16) angeordnet ist, welche mit einem Brennstoff (F 1 , F1 +F2, F2) betrieben wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Brennstoffen (F1 , F1 +F2, F2) eine Luftmenge (25) zugeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft (25) separat geführt wird, oder einem oder mehreren Brennstoffen (F1 , F1 +F2, F2) zugemischt wird.
17. Verfahren nach den Ansprüchen 13-16, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Brennstoffzuführung (16, 20) Wirbel-Generatoren (28) wirken.
18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsungen (29, 30) unter einem beliebigen Winkel (α, α') erfolgen.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenn- stoffeindüsungen (29, 30) unter einem Winkel zwischen 20° und 120° betrieben werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil H2-reichen Brennstoff (F2) bis zu 30% beträgt.
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