EP2268973A2 - Verfahren zur schadstoffarmen verbrennung mit flüssigem brennstoff und brennkammervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur schadstoffarmen verbrennung mit flüssigem brennstoff und brennkammervorrichtung

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EP2268973A2
EP2268973A2 EP09723503A EP09723503A EP2268973A2 EP 2268973 A2 EP2268973 A2 EP 2268973A2 EP 09723503 A EP09723503 A EP 09723503A EP 09723503 A EP09723503 A EP 09723503A EP 2268973 A2 EP2268973 A2 EP 2268973A2
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
fuel
nozzle
liquid
jet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09723503A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Berthold Noll
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WS Warmeprozesstechnik GmbH
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
WS Warmeprozesstechnik GmbH
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by WS Warmeprozesstechnik GmbH, Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical WS Warmeprozesstechnik GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23C9/006—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D11/102—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • F23C2900/99001—Cold flame combustion or flameless oxidation processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/03282—High speed injection of air and/or fuel inducing internal recirculation
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method for low-emission combustion in which fuel and oxidizer are coupled into a combustion chamber to form one or more Abgasrezirkulationszonen, wherein a liquid is used as fuel.
  • the invention further relates to a combustion chamber device for the low-emission combustion of a liquid fuel with formation of one or more Abgasrezirkulationszonen.
  • a fuel-oxidizer mixture may mix with the recirculating exhaust gas.
  • recirculated exhaust gases in the fuel-oxidizer mixture can form a long-range homogeneous combustion in the combustion chamber, which counteracts the emergence of hot spots. This, in turn, gives good exhaust emissions with respect to CO and NOx. In particular, such a flameless oxidation can be realized.
  • DE 102 17 913 A1 discloses a combustion chamber for a gas turbine, in which a large-area circulating flow (recirculation flow) can be formed in an interior space in order to maintain a flameless oxidation process.
  • WO 2006/042796 A2 discloses a premix burner with a jet generator consisting of conical shells with a half cone angle and a mixing section following the jet generator in the direction of flow.
  • a burner which includes a combustion chamber having a dome at an upstream end and an outlet at a downstream end. Several premixers are connected to the burner dome.
  • DE 44 40 558 A1 discloses a premix burner of the double-cone type for operating an internal combustion engine.
  • a method for burning a fuel in a combustion chamber of a gas turbine in which at least one free jet of a fuel-air mixture is injected into the combustion chamber at an inlet end of a combustion chamber of the combustion chamber such that the at least one free jet induces a recirculation zone in which an internal combustion chamber recirculation of combustion exhaust gases from a combustion zone into a mixing zone located upstream of the combustion zone takes place.
  • air is injected in a countercurrent direction with respect to the at least one free jet on a side of the recirculation zone facing away from the at least one free jet.
  • a method of burning liquid fuel in which the liquid fuel is atomized together with a sputtering gas in a mixing chamber to form a mixture of atomized droplets of liquid fuel in a sputtering gas.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with which there is a minimized pollutant emission when using liquid fuel.
  • the fuel is atomized with a gaseous propellant and at least one multiphase jet of liquid droplets and propellant in the combustion chamber with an inlet velocity in the combustion chamber in the range between (inclusive) 30 m / s and Is injected at 80 m / s and / or in at least one cross section of the multiphase jet before or when entering the combustion chamber sound velocity prevails.
  • the liquid fuel is first atomized and then a multiphase jet of gaseous propellant and liquid drops is blown into the combustion chamber.
  • the multiphase beam can be formed as a high-pulse beam, through which one or more exhaust gas recirculation zones are formed in the combustion chamber.
  • a low-emission combustion and in particular a flameless combustion can be realized even with the use of liquid fuel.
  • the droplet size is sufficiently small, a liquid loading in a beam cross section of the multiphase jet can be achieved with a high degree of homogeneity.
  • a low-emission flameless combustion can be achieved.
  • a high entry speed of the at least one multi-phase beam is favorable.
  • the entrance velocity of the at least one multiphase beam is at or slightly below the speed of sound of the multiphase mixture of the multiphase beam.
  • the speed of sound of the multiphase mixture is far below the speed of sound of the individual media which form the multiphase beam.
  • Typical values of the entry velocity are between 30 m / s and 80 m / s.
  • a beam propagation angle of the at least one multi-phase beam is at most 30 ° in order to obtain these favorable mixing ratios and combustion ratios.
  • fuel and oxidizer are coupled into the combustion chamber without swirling in order to achieve favorable mixing ratios and combustion conditions in the combustion chamber.
  • the multi-phase beam is designed as a preferably slender cone beam with a circular beam cross section or as a flat beam, for example with an elliptical cross section. This results in advantageous mixing ratios.
  • the maximum deviation of the liquid loading in a jet cross-section of the multiphase jet as it enters the combustion chamber is at most 50% of an average value of the liquid charge. This results in favorable mixing and combustion conditions to achieve a low-emission flameless combustion. It is particularly advantageous if the propellant is oxidant gas such as air, pure oxygen or oxygen-enriched gas.
  • the multiphase jet is then already a homogeneous fuel-oxidizer mixture jet.
  • the propellant is a vapor.
  • the energy required to provide a gaseous medium under high pressure is correspondingly high.
  • the high pressure in turn is necessary to form a high-pulse multi-phase beam.
  • a high pre-pressure is necessary in order to achieve sonic velocity and thus pressure jumps in the multiphase mixture in a nozzle cross section of a sputtering device, which in turn is necessary for fine atomization.
  • the energy expenditure is lower if, starting from a liquid, this is first pressurized and then the pressurized liquid is vaporized.
  • the corresponding vapor can then be used as a gaseous propellant.
  • a starting medium for the propellant medium is a liquid which is initially pressurized (as a liquid) and subsequently vaporized.
  • the pressurization can be carried out in a simple and energy-efficient manner, for example via a liquid pump.
  • liquid fuel is atomized in a two-substance atomization device.
  • Such a two-component atomizing device or pneumatic atomizing device provides a high-speed multiphase jet while at the same time liquid droplets of sufficiently small size are contained in the propellant medium jet.
  • the propellant is provided under high pressure to provide the high pulse stream.
  • the two-substance atomizing device has at least one coarse mixing space and at least one nozzle, wherein gaseous propellant medium and fuel in the at least one coarse mixing space are roughly mixed with one another and a bubble-liquid mixture (multiphase mixture) over at least one Nozzle is atomized and injected into the combustion chamber.
  • liquid and gaseous propellant are combined at a relatively low velocity in the coarse mixing space and accelerated to a high velocity and in particular velocity of sound of the two-phase mixture.
  • a pressure jump is generated, which causes the expansion of the mixture into the gas atmosphere of the combustion chamber, the division of the liquid phase into fine droplets.
  • the velocity is then less than the speed of sound.
  • the liquid fuel is injected through lateral bores in a Venturi nozzle transversely to the main flow direction in a Oxidatorgasströmung.
  • the orientation of the at least one multi-phase beam has a circumferential direction component which is at an angle between (inclusive) 0 ° and 40 ° to an axial direction of the combustion chamber.
  • the direction of the multiphase beam has a circumferential direction component (the angle is greater than 0 °)
  • the flow can be calmed and thereby prevent unstable interactions of adjacent multiphase beams.
  • the orientation of the at least one multi-phase beam has a radial direction component which is at an angle between (inclusive) 0 ° and ⁇ 45 ° to an axial direction of the combustion chamber.
  • an exhaust gas circulation zone can be selectively conveyed by the corresponding injection. For example, if a multiphase beam is blown at a finite angle (greater than 0 °) in the direction away from an axial axis of the combustion chamber, then an exhaust gas recirculation zone may be promoted at or near the axial axis of the combustion chamber.
  • a multi-phase beam is injected at an angle and in particular an arrangement of polyphase jets inclined at an angle from an axial direction of the combustion chamber when an exhaust gas recirculation zone located at or in the vicinity of the axial axis is to be reinforced is inclined at an angle to the axial axis, when an exhaust gas recirculation zone located at or in the vicinity of an outer wall is to be reinforced.
  • a targeted exhaust gas recirculation zone gain can be achieved by appropriate angle injection of the multiphase jet (s).
  • a further object of the invention is to provide a combustion chamber device of the type mentioned above, with which liquid fuel can advantageously be used.
  • This object is achieved according to the invention in the combustion chamber device mentioned above in that the injection device comprises a two-substance atomization device, through which at least one multiphase jet with fuel droplets and gaseous propellant medium can be injected into the combustion chamber.
  • the injection device is designed such that the at least one multiphase jet can be inflated without swirling. This results in optimized mixing ratios and combustion conditions in the combustion chamber.
  • the injection device prefferably be designed in such a way that the at least one multiphase jet can be blown in at least one cross-section prior to or at the speed of sound when entering the combustion chamber.
  • optimized combustion conditions and mixing ratios in the combustion chamber can be realized.
  • the two-substance atomizing device has at least one coarse mixing space and at least one nozzle, wherein fuel and fuel are introduced into the coarse mixing space and the liquid is atomized by the at least one nozzle and a multiphase jet
  • the at least one coarse mixing space is a nozzle space (integrated space) of an associated nozzle is or directly connected to such a nozzle chamber.
  • a corresponding Zweistoffzerstäubungs Rhein is also referred to as internally mixing.
  • the coarse mixing space is in this case connected via the nozzle with the combustion chamber, wherein in this nozzle speed of sound is achieved in the multi-phase mixture.
  • the at least one coarse mixing space is arranged outside of an associated nozzle.
  • a corresponding Zweistoffzerstäubungs Rhein is also referred to as external mixing.
  • the coarse mixing and acceleration of the multiphase mixture to the speed of sound as well as the atomization of the fuel do not take place here clearly spatially separated.
  • An externally mixing two-substance atomizing device has the advantage that the radial dimensions can be kept low at least in the vicinity of the combustion chamber, so that, for example, a plurality of nozzles for the injection device can be provided.
  • the two-substance atomizing device has at least one connection for coupling in liquid fuel and at least one connection for gaseous propellant medium. As a result, a mixture and a subsequent atomization can be achieved.
  • an orifice opening of the at least one nozzle is oriented at an angle between (inclusive) 0 ° and 40 ° between an axial direction of the combustion chamber and a circumferential direction of the combustion chamber, ie the nozzle is aligned accordingly. If the angle is at 0 °, then the corresponding multiphase jet has no circumferential direction component in the combustion chamber. If this angle finally is, then it has a circumferential direction component.
  • the latter can be advantageous, for example, if the flow has to be calmed and unstable interactions of adjacent multiphase beams are to be avoided.
  • an orifice of the at least one nozzle is oriented at an angle between (inclusive) 0 ° and ⁇ 45 ° between an axial direction of the combustion chamber and a radial direction of the combustion chamber. If the angle is at 0 °, then a corresponding multi-phase beam has no radial direction component. If this angle is finite, then it can be directed away from or toward an axial axis of the combustion chamber. As a result, depending on the arrangement of the nozzle and in particular its distance from the axial axis, reinforcement of edge-side or central exhaust gas recirculation zones can be achieved.
  • the two-substance atomizing device is designed such that the at least one multiphase jet can be injected into the combustion chamber at a speed of between (inclusive) 30 m / s and 80 m / s.
  • a strong exhaust gas recirculation flow can be formed so as to again achieve flameless oxidation.
  • the droplet size of 90% of all droplets in the multiphase jet is at most 50 ⁇ m and in particular in the size order of 20 ⁇ m.
  • the combustion chamber device comprises a steam generating device, which in turn comprises a pressurizing device for a liquid and an evaporation device for generating vapor from the liquid, wherein the steam serves as a driving medium.
  • the steam generating device can be in an energetically advantageous manner from the liquid gaseous propellant (namely vapor Drive medium).
  • the liquid can be energetically advantageous pressurized, for example via a pump. The vapor is then generated from the pressurized liquid.
  • a plurality of nozzles is provided, whose mouth openings are arranged distributed in the combustion chamber on a circle. If the combustion chamber is rotationally symmetrical, then this results in flow conditions of high symmetry.
  • exhaust gas recirculation zones can be formed in which large parts of the combustion gas are recirculated in a combustion zone in order to achieve flameless oxidation. Mouth openings of the nozzles are in particular spaced from an axial axis of the combustion chamber.
  • Figure 1 is a schematic partial sectional view of a first embodiment of a combustion chamber device according to the invention
  • Figure 2 is a schematic partial sectional view of a second embodiment of a combustion chamber device according to the invention.
  • Figure 3 is a partial schematic representation of an embodiment of a supply part of a combustion chamber device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a plan view from an interior of a combustion chamber onto an injection device
  • Figure 5 is a plan view of a portion of the combustion chamber in the
  • FIG. 6 shows a first example of a two-component atomizing device
  • FIG. 7 shows a second exemplary embodiment of a two-component atomizing device.
  • the embodiment of a combustion chamber device according to the invention which is shown schematically in a partial sectional view in FIG. 1 and denoted by 10 there, comprises a combustion chamber 11 with a combustion chamber 12.
  • the combustion chamber 12 is designed to be rotationally symmetrical with respect to an axis 14.
  • the axis 14 defines an axial direction.
  • the combustion chamber 12 is bounded by combustion chamber walls 16.
  • An outlet region 18 of the combustion chamber device 10 is adapted to the application.
  • the combustion chamber device 10 For injecting fuel and oxidizer, the combustion chamber device 10 has a blowing device 20.
  • the injection device 20 is in fluid-effective connection with an end plate 22, which forms a combustion chamber wall (see also FIG. 4).
  • the injection device 20 comprises at least one nozzle 24 with a mouth opening 26 into the combustion chamber 12.
  • the (at least one) mouth opening 26 is formed on the front plate 22.
  • the mouth opening 26 is radially spaced from the axis 14.
  • the injector 20 comprises a plurality of nozzles 24, the mouth openings 26 of which are arranged on a circular line 28 (FIG. 4).
  • a center 30 of the circular line 28 lies on the axis 14th The diameter of circle 28 depends on the application.
  • a fuel-oxidizer mixture it is in principle possible for a fuel-oxidizer mixture to be blown into the combustion chamber 12 through the nozzles 24. It is also possible that fuel and oxidizer are injected through separate nozzles.
  • nozzles 32 for the separate injection of oxidizer are indicated.
  • the nozzles 32 are preferably also on a circular line. Preferably, they lie on the circular line 28, wherein in each case a nozzle 32 for injecting oxidant is located between adjacent nozzles 24 for injecting fuel.
  • the combustion chamber device 10 is operated with liquid fuel.
  • the blowing device 20 comprises a two-component atomizing device 34.
  • a multiphase jet with a gaseous propellant and atomized liquid droplets of fuel is produced.
  • This multi-phase jet is injected via the respective nozzle 24 into the combustion chamber 12.
  • Such bi-fuel atomizers 34 which produce a multiphase jet are also referred to as pneumatic atomizers (because of the gaseous propellant).
  • nozzle means are provided which each comprise nozzles for injecting the multiphase jet, which are arranged concentrically to the permissible injection of an oxidizer gas.
  • the two-substance atomization device 34 comprises a coarse mixing space 36 with a first connection 38, via which gaseous propellant medium can be introduced. Furthermore, a second connection 40 is provided, via which liquid fuel is coupled into the coarse mixing space 36. In the coarse mixing space 36, the formation of a bubble-liquid mixture takes place. About the nozzle 32 is the mixture is injected as a multi-phase jet with atomized fuel droplets.
  • the two-component atomizing device 34 is internally mixing.
  • the mixing space 36 forms a nozzle space 42 or is in direct communication with the nozzle space 42 of the nozzle 24.
  • the at least one multiphase beam 44 is generated via the two-substance atomizing device 34. It is blown into the combustion chamber 12 at high speed.
  • the speed is in the range between 30 m / s and 80 m / s and in particular in the order of 50 m / s to 60 m / s.
  • the velocity of the multiphase jet as it is injected into the combustion chamber 12 is at or slightly below the speed of sound of the multiphase mixture. (The speed of sound of the pure propellant is usually above the speed of sound of the multiphase mixture.)
  • Atomization takes place in such a way that 90% of the injected droplets in the multiphase jet 44 have a droplet diameter of less than 50 ⁇ m and in particular of the order of 20 ⁇ m or less.
  • the nozzle 24 is configured to preferentially generate a low-divergence jet. Preferred is a circular cross section.
  • a beam spread angle should be less than 30 °, ie the beam divergence should be below 30 °.
  • the beam divergence is indicated by an angle by the reference numeral 46.
  • the combustion chamber 12 is designed in cooperation with the injection device 20 so that an exhaust gas recirculation can take place in it.
  • the exhaust gas recirculation is indicated by a flow with the reference numeral 48a, 48b.
  • the multi-phase jets 24 are injected into the combustion chamber 12 so that the fuel and oxidizer mix with the recirculating exhaust gas in the respective exhaust gas recirculation zones 48a, 48b. This results in homogeneous combustion conditions in the combustion chamber 12. This counteracts the emergence of hot spots. This, in turn, gives good exhaust emissions with respect to CO and NOx. It can realize a flameless oxidation.
  • the dual atomizing device 34 comprises a plurality of two-component atomizers 50 with respective coarse mixing chamber 36 and downstream nozzle 24.
  • the driving medium used is, for example, oxidizer (such as an oxidizing gas) and in particular air (or an oxygen-enriched gas).
  • oxidizer such as an oxidizing gas
  • air or an oxygen-enriched gas
  • the nozzle 24 is arranged such that a main direction 52 of a multi-phase beam 44 is at least approximately parallel to the axis 14.
  • the combustion chamber 12 is basically designed as in the combustion chamber device 10.
  • the two-substance atomization device is also fundamentally the same.
  • the same reference numerals are used for the same elements.
  • the two-component atomizing device 34 of the combustion chamber device 54 has (at least one) two-component atomizer 56, which is inclined with respect to the axis 14 in such a way that a main direction 58 of a multi-phase beam 44 is inclined relative to the axis 14.
  • An angle of inclination 60 is between 0 and 45 °, wherein in the embodiment according to Figure 1, the angle is 0 °.
  • the inclination angle refers to an angle between the axial direction and the radial direction, that is the Main direction 58 is inclined in the radial direction perpendicular to the axis 14 and thereby has a radial component.
  • the orientation of the angle of inclination depends on the arrangement of nozzles 24 on the circular line 28. If the circular line 28 has a relatively small diameter (compared to the diameter of the combustion chamber 12), then it may be advantageous if the angle of inclination 60 is oriented so that the main direction 48 pointing away from the axis 14 into an outer region 62 of the combustion chamber 12, wherein the outer region 62 is located on the combustion chamber wall 16 or adjacent thereto.
  • the diameter of the circular line 28 is relatively large (compared to the diameter of the combustion chamber 12) and in particular the nozzles 24 are then in the vicinity of the combustion chamber wall 16, then it may be advantageous, as indicated in Figure 2, when the inclination angle 60 is set is that the main direction 58 points to the axis 14 to.
  • an optimal coupling of fuel and oxidizer via multi-phase jets 44 in exhaust gas recirculation zones can take place by suitable choice of the angle of inclination 60 in order to realize flameless oxidation and thus low-emission combustion.
  • orifice openings 64 are configured such that a main direction 66 of a multi-phase jet between the axis 14 and a circumferential direction 68 (e ⁇ ) of the combustion chamber is inclined at an angle 70.
  • the angle is in particular between 0 and about 40 ° and preferably between 0 and 30 °.
  • the main direction 66 has no component in the circumferential direction. (It may have a component in the radial direction.) If the main direction 66 has a component in the circumferential direction 68 (finite angle 70), then the flow may calm down and unstable interactions of adjacent multiphase beams may be avoided.
  • gaseous oxidizer and in particular air can be used.
  • a steam is used as the driving medium.
  • An output medium for the propellant is then a liquid.
  • the corresponding combustion chamber device is then assigned a steam generating device 72 (FIG. 3).
  • This comprises a preheater 74, which is supplied to liquid starting medium. It is heated at the preheater 74, whereby it is not evaporated.
  • the heated liquid is pressurized by a pressurizing device 76, which includes, for example, a pump 78.
  • the pressurized liquid is then vaporized via an evaporator 80.
  • the vapor is supplied to a two-substance atomizer 50, where it serves as a driving medium.
  • the vaporous propellant is gaseous.
  • the energy-intensive compression of a gaseous medium as the driving medium is avoided by the fact that the starting medium is a liquid which is pressurized before evaporation.
  • the pressurization, for example, by the pump 78 can be carried out with little energy.
  • process waste heat can be used for evaporation at the evaporator device 80 and also for the preheater 74.
  • Driving medium is used, then advantageously in separate nozzles 32 ( Figure 4) oxidizer is blown into the combustion chamber 12.
  • the multiphase jet nozzles may also be concentrically integrated into larger (pure) oxidizer nozzles.
  • An embodiment of a nebulizer 82 (FIG. 6) is internally mixing.
  • a mixture space 84 into which gaseous propellant and liquid fuel are coupled forms a nozzle space 86 or is in direct fluid communication with a nozzle space 86.
  • a nozzle 90 having a mouth 92 is provided in an alternative embodiment of a nebulizer 88 (FIG. 7).
  • a coarse mixing space 94 for fuel and oxidizer is outside of the atomizer 88. In the coarse mixing space 94, mixing and atomization takes place.
  • the corresponding atomizer 88 is referred to as external mixing.
  • a multiphase jet containing fuel droplets is blown into the combustion chamber 12 at high speed (in particular at a speed between approximately 30 m / s and 80 m / s) at the outlet of a nozzle 24.
  • exhaust gas recirculation zones 48a, 48b are formed.
  • the multiphase jet can contain oxidizer, which is the propellant, or oxidizer can be injected separately. Due to the exhaust gas recirculation flameless oxidation is realized, which is low in pollutants.
  • the inventive solution ensures that a high exhaust gas recirculation flow results within the combustion chamber and the combustion is distributed over a large volume in the combustion chamber 12. This avoids high pollutant emissions, incomplete combustion or undesirable temperature maxima, for example at a combustion chamber outlet.
  • the generated multi-phase beam 44 is a high-pulse beam. This is generated by a two-component atomizer (pneumatic atomizer) and injected into the combustion chamber 12. Alternatively, the multiphase jet can also be generated in a Venturi nozzle with transverse fuel injection.
  • the solution according to the invention can be used in principle for all types and sizes of furnaces and small burners such as household furnaces. It can be used, for example, for stationary gas turbines or aircraft engines.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur schadstoffarmen Verbrennung bereitgestellt, bei welchem Brennstoff (40) und Oxidator in einen Brennraum (12) eingekoppelt werden unter Ausbildung einer oder mehrerer Abgasrezirkulationszonen (48a, 48b), bei dem als Brennstoff eine Flüssigkeit verwendet wird, wobei der Brennstoff mit einem gasförmigen Treibmedium (38) zerstäubt wird, und mindestens ein Mehrphasenstrahl (44) aus Flüssigkeitstropfen und Treibmedium in den Brennraum mit einer Eintrittsgeschwindigkeit in den Brennraum im Bereich zwischen 30 m/s und 80 m/s eingeblasen wird und/oder in mindestens einem Querschnitt des Mehrphasengemischs vor oder beim Eintritt in den Brennraum Schallgeschwindigkeit herrscht.

Description

Verfahren zur schadstoffarmen Verbrennung mit flüssigem Brennstoff und Brennkammervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schadstoffarmen Verbrennung, bei welchem Brennstoff und Oxidator in einen Brennraum eingekoppelt werden unter Ausbildung einer oder mehrerer Abgasrezirkulationszonen, wobei als Brennstoff eine Flüssigkeit verwendet wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkammervorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung eines flüssigen Brennstoffs mit Ausbildung einer oder mehrerer Abgasrezirkulationszonen.
Wenn Brennstoff und Oxidator am Rand einer Abgasrezirkulationszone ein- geblasen werden, dann kann sich ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch mit dem rezirkulierenden Abgas vermischen. Bei genügend starker Einmischung von rezirkulierten Abgasen in das Brennstoff-Oxidator-Gemisch kann sich eine weiträumige homogene Verbrennung in dem Brennraum ausbilden, was dem Entstehen von heißen Stellen entgegenwirkt. Dadurch wiederum erhält man gute Abgaswerte bezüglich CO und NOx. Insbesondere lässt sich so eine flammenlose Oxidation realisieren.
Aus der EP 0 463 218 Al ist ein entsprechendes Verfahren bekannt, bei welchem gasförmiger Brennstoff im Wesentlichen flammenlos und pulsationsfrei oxidiert wird.
Aus der DE 102 17 913 Al ist eine Brennkammer für eine Gasturbine bekannt, bei dem sich in einem Innenraum eine großräumige Umlaufströmung (Rezir- kulationsströmung) zur Aufrechterhaltung eines flammenlosen Oxidations- Vorgangs ausbilden kann. Aus der WO 2006/042796 A2 ist ein Vormischbrenner mit einem aus Kegelschalen bestehenden Strahlerzeuger mit einem Kegelhalbwinkel und einer auf den Strahlerzeuger in Strömungsrichtung folgenden Mischstrecke bekannt.
In der DE 198 09 364 Al ist ein Brenner beschrieben, welcher eine Brennkammer mit einem Dom an einem strömaufwärtigen Ende und einem Auslasser an einem stromabwärtigen Ende enthält. Mehrere Vormischer sind mit dem Brennerdom verbunden.
Aus der DE 44 40 558 Al ist ein Vormischbrenner der Doppelkegelbauart zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt.
Aus der DE 10 2005 008 421 Al ist ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs in einer Brennkammer einer Gasturbine bekannt, bei dem an einem Einlassende eines Brennraums der Brennkammer wenigstens ein Freistrahl aus einem Brennstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum eingedüst wird, derart, dass der wenigstens eine Freistrahl eine Rezirkulationszone induziert, in der eine brennrauminterne Rezirkulation von Verbrennungsabgasen aus einer Verbrennungszone in eine stromauf der Verbrennungszone liegende Mischungszone stattfindet. Im Bereich der Verbrennungszone wird an einer vom wenigstens einen Freistrahl abgewandten Seite der Rezirkulationszone Luft bezüglich des wenigstens einen Freistrahls in Gegenstromrichtung eingedüst.
Aus der EP 0 719 180 Bl ist ein Verfahren zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff bekannt, bei dem der flüssige Brennstoff zusammen mit einem Zerstäubungsgas in einer Mischkammer zerstäubt wird, um ein Gemisch von zerstäubten Tröpfchen aus flüssigem Brennstoff in einem Zerstäubungsgas zu bilden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem sich eine minimierte Schadstoffemission bei Verwendung flüssigen Brennstoffs ergibt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennstoff mit einem gasförmigen Treibmedium zerstäubt wird, und mindestens einen Mehrphasenstrahl aus Flüssigkeitstropfen und Treibmedium in den Brennraum mit einer Eintrittsgeschwindigkeit in dem Brennraum im Bereich zwischen (einschließlich) 30 m/s und 80 m/s eingeblasen wird und/oder in mindestens einem Querschnitt des Mehrphasenstrahls vor oder beim Eintritt in den Brennraum Schallgeschwindigkeit herrscht.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der flüssige Brennstoff zunächst zer- stäubt und es wird dann ein Mehrphasenstrahl aus gasförmigem Treibmedium und Flüssigkeitstropfen in den Brennraum eingeblasen. Der Mehrphasenstrahl lässt sich als Hochimpulsstrahl ausbilden, durch den im Brennraum eine oder mehrere Abgasrezirkulationszonen ausgebildet werden. Dadurch lässt sich eine schadstoffarme Verbrennung und insbesondere eine flammenlose Verbrennung auch unter der Verwendung von flüssigem Brennstoff realisieren. Bei genügend kleiner Tropfengröße lässt sich eine Flüssigkeitsbeladung in einem Strahlquerschnitt des Mehrphasenstrahls mit hoher Homogenität erreichen. Dadurch kann wie bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe eine schadstoffarme flammenlose Verbrennung erreicht werden.
Insbesondere ist eine hohe Eintrittsgeschwindigkeit des mindestens einen Mehrphasenstrahls günstig. Die Eintrittsgeschwindigkeit des mindestens einen Mehrphasenstrahls liegt auf oder leicht unterhalb der Schallgeschwindigkeit des Mehrphasengemischs des Mehrphasenstrahls. Die Schallgeschwindigkeit des Mehrphasengemischs liegt dabei in der Regel weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit der individuellen Medien, welche den Mehrphasenstrahl bilden. Typische Werte der Eintrittsgeschwindigkeit liegen zwischen 30 m/s und 80 m/s.
Nur wenn die Divergenz des Mehrphasenstrahls gering gehalten wird, ergeben sich günstige Mischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum. Insbesondere beträgt ein Strahlausbreitungswinkel des mindestens einen Mehrphasenstrahls höchstens 30°, um diese günstigen Mischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse zu erhalten.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn Brennstoff und Oxidator drallfrei in den Brennraum eingekoppelt werden, um günstige Mischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum zu erzielen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn 90 % aller Tropfen im Mehrphasenstrahl eine Größe von höchstens 50 μm haben. Dadurch erhält man eine ausreichend homogene Feinverteilung des Brennstoffs und dessen schnelle Verdunstung, um eine effektive flammenlose Oxidation zu erreichen.
Günstigerweise ist der Mehrphasenstrahl als vorzugsweise schlanker Kegelstrahl mit kreisförmigem Strahlquerschnitt oder als Flachstrahl beispielsweise mit elliptischem Querschnitt ausgebildet. Dadurch ergeben sich vorteilhafte Vermischungsverhältnisse.
Es ist günstig, wenn die maximale Abweichung der Flüssigkeitsbeladung in einem Strahlquerschnitt des Mehrphasenstrahls beim Eintritt in den Brennraum höchstens 50 % von einem Mittelwert der Flüssigkeitsbeladung beträgt. Dadurch ergeben sich günstige Mischungs- und Verbrennungsverhältnisse zur Erzielung einer schadstoffarmen flammenlosen Verbrennung. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Treibmedium Oxidatorgas wie beispielsweise Luft, reiner Sauerstoff oder auch ein mit Sauerstoff angereichertes Gas ist. Der Mehrphasenstrahl ist dann bereits ein homogener Brennstoff-Oxi- dator-Gemischstrahl.
Es lässt sich dadurch eine schadstoffarme Verbrennung erreichen. Beispielsweise ist es dadurch möglich, eine sogenannte "Oxifuel"-Verbrennung durchzuführen, bei der das Oxidatorgas zur Kleinhaltung der Abgasmenge ein mit Sauerstoff hoch angereichertes Gasgemisch ist.
Es ist auch möglich, dass das Treibmedium ein Dampf ist. Grundsätzlich ist der Energieaufwand zur Bereitstellung eines gasförmigen Mediums unter hohem Druck entsprechend hoch. Der hohe Druck wiederum ist aber notwendig, um einen impulsstarken Mehrphasenstrahl auszubilden. Weiterhin ist ein hoher Vordruck notwendig, um in einem Düsenquerschnitt einer Zerstäubungseinrichtung Schallgeschwindigkeit und damit Drucksprünge in dem Mehrphasengemisch zu erreichen, was wiederum zu einer feinen Zerstäubung notwendig ist. Der energetische Aufwand ist geringer, wenn ausgehend von einer Flüssigkeit diese zunächst druckbeaufschlagt wird und dann die druckbeauf- schlagte Flüssigkeit verdampft wird. Der entsprechende Dampf lässt sich dann als gasförmiges Treibmedium einsetzen.
In diesem Zusammenhang ist es energetisch sehr günstig, wenn ein Ausgangsmedium für das Treibmedium eine Flüssigkeit ist, welche zunächst unter Druck gesetzt wird (als Flüssigkeit) und anschließend verdampft wird. Die Druckbeaufschlagung lässt sich auf einfache und energieeffiziente Weise beispielsweise über eine Flüssigkeitspumpe durchführen. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn flüssiger Brennstoff in einer Zweistoff- zerstäubungseinrichtung zerstäubt wird. Eine solche Zweistoffzerstäubungs- einrichtung oder pneumatische Zerstäubungseinrichtung stellt einen Mehrphasenstrahl hoher Geschwindigkeit bereit, wobei gleichzeitig in dem Treib- mediumstrahl Flüssigkeitstropfen einer ausreichend geringen Größe enthalten sind. Das Treibmedium wird unter hohem Druck bereitgestellt, um den Hochimpulsstrahl bereitstellen zu können.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung mindestens einen Grob-Mischungsraum und mindestens eine Düse aufweist, wobei gasförmiges Treibmedium und Brennstoff in dem mindestens einen Grob-Mischungsraum grob miteinander gemischt werden und ein Blasen- Flüssigkeit-Gemisch (Mehrphasengemisch) über die mindestens eine Düse fein zerstäubt und in den Brennraum eingeblasen wird.
Bei einer Ausführungsform einer Zweiphasenzerstäubungseinrichtung werden Flüssigkeit und gasförmiges Treibmedium bei relativ niedriger Geschwindigkeit in dem Grob-Mischungsraum zusammengeführt und auf eine hohe Geschwindigkeit und insbesondere Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches be- schleunigt. Am Düsenaustritt wird so ein Drucksprung erzeugt, welcher bei der Expansion des Gemisches in die Gasatmosphäre des Brennraums die Zerteilung der flüssigen Phase in feine Tropfen bewirkt. Beim Eintritt des Mehrphasenstrahls in den Brennraum ist dabei dann die Geschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der flüssige Brennstoff durch seitliche Bohrungen in einer Venturi-Düse quer zur Hauptströmungsrichtung in eine Oxidatorgasströmung eingeblasen. Dadurch lassen sich sehr hohe Verhältnisse von Oxidatormenge zu Brennstoffmenge erreichen.
Es ist vorgesehen, dass die Ausrichtung des mindestens einen Mehrphasenstrahls eine Umfangsrichtungskomponente aufweist, welche in einem Winkel zwischen (einschließlich) 0° und 40° zu einer axialen Richtung des Brennraums liegt. Wenn die Richtung des Mehrphasenstrahls eine Umfangs- richtungskomponente (der Winkel ist dann größer 0°) aufweist, dann kann beispielsweise die Strömung beruhigt werden und es lassen sich dadurch in- stabile Interaktionen von benachbarten Mehrphasenstrahlen verhindern.
Es ist auch möglich, dass die Ausrichtung des mindestens einen Mehrphasenstrahls eine Radialrichtungskomponente aufweist, welche in einem Winkel zwischen (einschließlich) 0° und ± 45° zu einer axialen Richtung des Brennraums liegt. Durch die entsprechende Einblasung lässt sich je nach Ausbildung des Brennraums eine Abgaszirkulationszone gezielt fördern. Wenn beispielsweise ein Mehrphasenstrahl mit einem endlichen Winkel (größer 0°) in Richtung weg von einer axialen Achse des Brennraums zu geblasen wird, dann lässt sich eine Abgasrezirkulationszone an oder in der Nähe der axialen Achse des Brennraums fördern.
Es ist insbesondere dann günstig, wenn ein Mehrphasenstrahl in einem Winkel und insbesondere eine Anordnung von Mehrphasenstrahlen jeweils in einem Winkel von einer axialen Richtung des Brennraums weg geneigt eingeblasen wird, wenn eine an oder in der Nähe der axialen Achse liegende Abgasrezirkulationszone verstärkt werden soll und in einem Winkel zu der axialen Achse hin geneigt eingeblasen wird, wenn eine an oder in der Nähe einer Außenwand liegende Abgasrezirkulationszone verstärkt werden soll. Je nach Anwendung bzw. geometrischen Verhältnissen lässt sich durch entsprechende Winkel- einblasung des oder der Mehrphasenstrahlen eine gezielte Abgasrezirkula- tionszonenverstärkung erreichen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher sich auf vorteil- hafte Weise flüssiger Brennstoff verwenden lässt. Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Brennkammervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einblaseinrichtung eine Zweistoff- zerstäubungseinrichtung umfasst, durch welche mindestens ein Mehrphasenstrahl mit Brennstofftropfen und gasförmigem Treibmedium in den Brennraum einblasbar ist.
Durch die Verwendung einer Zweistoffzerstäubungseinrichtung (pneumatische Zerstäubungseinrichtung) lässt sich ein Mehrphasen-Hochimpulsstrahl mit feinen Brennstofftropfen erzeugen. Dadurch lässt sich eine schadstoffarme Verbrennung und insbesondere flammenlose Oxidation realisieren.
Insbesondere ist die Einblaseinrichtung so ausgebildet, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl drallfrei einblasbar ist. Dadurch ergeben sich optimierte Mischungsverhältnisse und Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum.
Ferner ist es günstig, wenn die Einblaseinrichtung so ausgebildet ist, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl in mindestens einem Querschnitt vor oder beim Eintritt in den Brennraum auf Schallgeschwindigkeit befindlich einblasbar ist. Dadurch lassen sich optimierte Verbrennungsverhältnisse und Mischungs- Verhältnisse in dem Brennraum realisieren.
Günstig ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung mindestens einen Grob-Mischungsraum und mindestens eine Düse aufweist, wobei in dem Grob- Mischungsraum Brennstoff und Treibstoff eingebracht werden und durch die mindestens eine Düse die Flüssigkeit zerstäubt und ein Mehrphasenstrahl
(hoher Geschwindigkeit) in den Brennraum einblasbar ist. Dadurch lassen sich in dem Brennraum starke Abgasrezirkulationsströmungen ausbilden, durch die dann eine flammenlose Oxidation erhalten werden kann. Dadurch wiederum lässt sich die Verbrennung schadstoffarm durchführen.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass der mindestens eine Grob- Mischungsraum ein Düsenraum (integrierter Raum) einer zugeordneten Düse ist oder direkt mit einem solchen Düsenraum verbunden ist. Eine entsprechende Zweistoffzerstäubungseinrichtung wird auch als innenmischend bezeichnet.
Der Grob-Mischungsraum ist hierbei über die Düse mit dem Brennraum verbunden, wobei in dieser Düse Schallgeschwindigkeit im Mehrphasengemisch erreicht wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der mindestens eine Grob- Mischungsraum außerhalb einer zugeordneten Düse angeordnet. Eine entsprechende Zweistoffzerstäubungseinrichtung wird auch als außenmischend bezeichnet. Die Grobmischung und Beschleunigung des Mehrphasengemischs auf Schallgeschwindigkeit sowie die Zerstäubung des Brennstoffes finden hier nicht klar räumlich getrennt statt. Eine außenmischende Zweistoff- Zerstäubungseinrichtung hat den Vorteil, dass sich die radialen Abmessungen mindestens in der Nähe des Brennraums gering halten lassen, sodass beispielsweise eine Mehrzahl von Düsen für die Einblaseinrichtung vorgesehen werden kann.
Günstig ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung mindestens einen Anschluss zur Einkopplung von flüssigem Brennstoff und mindestens einen Anschluss für gasförmiges Treibmedium aufweist. Dadurch lässt sich eine Mischung und eine anschließende Zerstäubung erreichen.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn eine Mündungsöffnung der mindestens einen Düse in einem Winkel zwischen (einschließlich) 0° und 40° zwischen einer axialen Richtung des Brennraums und einer Umfangsrichtung des Brennraums orientiert ist, d.h. die Düse entsprechend ausgerichtet ist. Wenn der Winkel bei 0° liegt, dann weist der entsprechende Mehrphasenstrahl keine Umfangsrichtungskomponente im Brennraum auf. Wenn dieser Winkel endlich ist, dann weist er eine Umfangsrichtungskomponente auf. Letzteres kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Strömung beruhigt werden muss und instabile Interaktionen von benachbarten Mehrphasenstrahlen vermieden werden sollen.
Ferner ist es günstig, wenn eine Mündungsöffnung der mindestens einen Düse in einem Winkel zwischen (einschließlich) 0° und ± 45° zwischen einer axialen Richtung des Brennraums und einer radialen Richtung des Brennraums orientiert ist. Wenn der Winkel bei 0° liegt, dann weist ein entsprechender Mehr- phasenstrahl keine Radialrichtungskomponente auf. Wenn dieser Winkel endlich ist, dann lässt er sich von einer axialen Achse des Brennraums weg oder auf diese zu richten. Dadurch lässt sich je nach Anordnung der Düse und insbesondere deren Abstand zu der axialen Achse eine Verstärkung von rand- seitigen oder zentralen Abgasrezirkulationszonen erreichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung so ausgebildet ist, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl mit einer Geschwindigkeit zwischen (einschließlich) 30 m/s und 80 m/s in den Brennraum einblasbar ist. Durch die Ausbildung eines entsprechenden Hochimpulsstrahls lässt sich eine starke Abgasrezirkulationsströmung ausbilden, um so wiederum eine flammenlose Oxidation zu erreichen.
Entsprechend ist es günstig, wenn die Tropfengröße von 90 % aller Tropfen im Mehrphasenstrahl höchstens 50 μm ist und insbesondere in der Größen- Ordnung von 20 μm ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Brennkammervorrichtung eine Dampferzeugungseinrichtung, welche wiederum eine Druckbeaufschlagungseinrichtung für eine Flüssigkeit und eine Verdampfungseinrichtung zur Erzeugung von Dampf aus der Flüssigkeit aufweist, wobei der Dampf als Treibmedium dient. Durch die Dampferzeugungseinrichtung lässt sich auf energetisch vorteilhafte Weise aus der Flüssigkeit gasförmiges Treibmedium (nämlich dampfförmiges Treibmedium) erzeugen. Die Flüssigkeit lässt sich energetisch vorteilhaft beispielsweise über eine Pumpe druckbeaufschlagen. Der Dampf wird dann aus der druckbeaufschlagten Flüssigkeit erzeugt.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von Düsen vorgesehen ist, deren Mündungsöffnungen in den Brennraum auf einem Kreis verteilt angeordnet sind. Wenn der Brennraum rotationssymmetrisch ausgebildet ist, dann ergeben sich dadurch Strömungsverhältnisse hoher Symmetrie. Insbesondere lassen sich Abgasrezirkulationszonen ausbilden, in denen große Teile des Verbrennungs- gases in einer Verbrennungszone rezirkuliert werden, um eine flammenlose Oxidation zu erreichen. Mündungsöffnungen der Düsen liegen dabei insbesondere beabstandet zu einer axialen Achse des Brennraums.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zu- sammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkammer- Vorrichtung;
Figur 2 eine schematische Teilschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung;
Figur 3 eine schematische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zuführungsteils einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung;
Figur 4 eine Draufsicht von einem Innenraum einer Brennkammer aus auf eine Einblaseinrichtung; Figur 5 eine Draufsicht auf einen Teilbereich der Brennkammer in der
Richtung A gemäß Figur 5;
Figur 6 ein erstes Beispiel einer Zweistoffzerstäubungseinrichtung; und
Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Zweistoffzerstäubungs- einrichtung.
Das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung, welches in Figur 1 schematisch in einer Teilschnittdarstellung gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Brennkammer 11 mit einem Brennraum 12. Der Brennraum 12 ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 14 ausgebildet. Die Achse 14 definiert eine axiale Richtung. Der Brennraum 12 ist durch Brennkammerwände 16 begrenzt. Ein Auslassbereich 18 der Brennkammervorrichtung 10 ist an die Anwendung angepasst ausgebildet.
Zum Einblasen von Brennstoff und Oxidator weist die Brennkammervorrichtung 10 eine Einblaseinrichtung 20 auf. Die Einblaseinrichtung 20 steht dabei in fluidwirksamer Verbindung mit einer Stirnplatte 22, welche eine Brennkammerwand bildet (siehe auch Figur 4).
Die Einblaseinrichtung 20 umfasst mindestens eine Düse 24 mit einer Mündungsöffnung 26 in den Brennraum 12. Die (mindestens eine) Mündungs- Öffnung 26 ist an der Stirnplatte 22 gebildet. Die Mündungsöffnung 26 ist radial beabstandet zur Achse 14.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Einblaseinrichtung 20 eine Mehrzahl von Düsen 24, deren Mündungsöffnungen 26 auf einer Kreislinie 28 (Figur 4) angeordnet sind. Ein Mittelpunkt 30 der Kreislinie 28 liegt dabei auf der Achse 14. Der Durchmesser der Kreislinie 28 hängt von der Anwendung ab.
Es ist grundsätzlich möglich, dass durch die Düsen 24 ein Brennstoff-Oxidator- Gemisch in den Brennraum 12 eingeblasen wird. Es ist auch möglich, dass Brennstoff und Oxidator durch getrennte Düsen eingeblasen werden. In Figur 4 sind Düsen 32 für das getrennte Einblasen von Oxidator (unabhängig vom Brennstoff) angedeutet. Die Düsen 32 liegen dabei vorzugsweise ebenfalls auf einer Kreislinie. Vorzugsweise liegen sie auf der Kreislinie 28, wobei zwischen benachbarten Düsen 24 zum Einblasen von Brennstoff jeweils eine Düse 32 zum Einblasen von Oxidator liegt.
Die erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung 10 wird mit flüssigem Brennstoff betrieben. Die Einblaseinrichtung 20 umfasst eine Zweistoffzerstäubungs- einrichtung 34. In der Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 wird ein Mehr- phasenstrahl mit einem gasförmigen Treibmedium und zerstäubten Flüssigkeitstropfen von Brennstoff erzeugt. Dieser Mehrphasenstrahl wird über die jeweilige Düse 24 in den Brennraum 12 eingeblasen. Solche Zweistoff- zerstäubungseinrichtungen 34, welche einen Mehrphasenstrahl erzeugen, werden auch als pneumatische Zerstäubungseinrichtungen (wegen des gas- förmigen Treibmediums) bezeichnet.
Bei einer Ausführungsform sind Düseneinrichtungen vorgesehen, welche jeweils Düsen zur Einblasung des Mehrphasenstrahls umfassen, die konzentrisch zur zulässigen Einblasung eines Oxidatorgases angeordnet sind.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Zweistoff- zerstäubungseinrichtung 34 einen Grob-Mischungsraum 36 mit einem ersten Anschluss 38, über welchen gasförmiges Treibmedium einkoppelbar ist. Ferner ist ein zweiter Anschluss 40 vorgesehen, über welchen flüssiger Brennstoff in den Grob-Mischungsraum 36 eingekoppelt ist. In dem Grob-Mischungsraum 36 erfolgt die Bildung eines Blasen-Flüssigkeitsgemisches. Über die Düse 32 wird die Mischung als Mehrphasenstrahl mit zerstäubten Brennstofftropfen eingeblasen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zweistoffzerstäubungs- einrichtung 34 innenmischend. Der Mischungsraum 36 bildet einen Düsenraum 42 oder steht in direkter Verbindung mit dem Düsenraum 42 der Düse 24.
Über die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 wird der mindestens eine Mehrphasenstrahl 44 erzeugt. Er wird mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum 12 eingeblasen. Die Geschwindigkeit liegt dabei im Bereich zwischen 30 m/s und 80 m/s und insbesondere in der Größenordnung von 50 m/s bis 60 m/s. Die Geschwindigkeit des Mehrphasenstrahls beim Einblasen in den Brennraum 12 liegt bei oder wenig unterhalb der Schallgeschwindigkeit des Mehrphasen- gemischs. (Die Schallgeschwindigkeit des reinen Treibmediums liegt üblicher- weise oberhalb der Schallgeschwindigkeit des Mehrphasengemischs.)
Die Zerstäubung erfolgt derart, dass bei 90 % der eingedüsten Tropfen in dem Mehrphasenstrahl 44 der Tropfendurchmesser unterhalb von 50 μm und insbesondere in der Größenordnung von 20 μm oder kleiner liegt.
Die Düse 24 ist so ausgebildet, dass sie vorzugsweise einen Strahl mit geringer Divergenz erzeugt. Bevorzugt ist ein kreisförmiger Querschnitt. Ein Strahlausbreitungswinkel sollte kleiner 30° sein, das heißt die Strahldivergenz sollte unterhalb von 30° liegen. In Figur 6 ist die Strahldivergenz durch einen Winkel mit dem Bezugszeichen 46 angedeutet.
Der Brennraum 12 ist in Zusammenwirkung mit der Einblaseinrichtung 20 so ausgebildet, dass in ihm eine Abgasrezirkulation stattfinden kann. In Figur 1 ist die Abgasrezirkulation durch eine Strömung mit dem Bezugszeichen 48a, 48b angedeutet. Die Mehrphasenstrahlen 24 werden in den Brennraum 12 so eingeblasen, dass sich der Brennstoff und Oxidator mit dem rezirkulierenden Abgas in den entsprechenden Abgasrezirkulationszonen 48a, 48b vermischen. Dadurch erhält man homogene Verbrennungsverhältnisse in dem Brennraum 12. Dies wirkt dem Entstehen von heißen Stellen entgegen. Dadurch wiederum erhält man gute Abgaswerte bezüglich CO und NOx. Es lässt sich eine flammenlose Oxidation realisieren. In diesem Zusammenhang wird auf die EP O 463 218 Al und DE 102 17 913 Al verwiesen.
Wenn eine Mehrzahl von Düsen 24 vorgesehen ist, dann umfasst die Zwei- stoffzerstäubungseinrichtung 34 eine Mehrzahl von Zweistoffzerstäubern 50 mit jeweiligem Grob-Mischungsraum 36 und nachgeordneter Düse 24.
Als Treibmedium wird beispielsweise Oxidator (wie ein Oxidatorgas) und insbesondere Luft (oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gas) eingesetzt. Der Mehrphasenstrahl 44 ist dann ein Brennstofftropfen-Oxidator-Gemischstrahl.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Düse 24 so angeordnet, dass eine Hauptrichtung 52 eines Mehrphasenstrahls 44 mindestens näherungsweise parallel zu der Achse 14 liegt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brenn- kammervorrichtung, welches in Figur 2 schematisch gezeigt und dort mit 54 bezeichnet ist, ist der Brennraum 12 grundsätzlich ausgebildet wie bei der Brennkammervorrichtung 10. Die Zweistoffzerstäubungseinrichtung ist ebenfalls grundsätzlich gleich ausgebildet. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 der Brenn- kammervorrichtung 54 weist jedoch (mindestens einen) Zweistoffzerstäuber 56 auf, welcher bezüglich der Achse 14 derart geneigt ist, dass eine Hauptrichtung 58 eines Mehrphasenstrahls 44 relativ zu der Achse 14 geneigt ist. Ein Neigungswinkel 60 liegt zwischen 0 und 45°, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 der Winkel bei 0° liegt. Bei einer endlichen Neigung ist dieser Winkel größer 0°. Der Neigungswinkel bezieht sich dabei auf einen Winkel zwischen der axialen Richtung und der radialen Richtung, das heißt die Hauptrichtung 58 ist in radialer Richtung senkrecht zur Achse 14 geneigt und weist dadurch eine radiale Komponente auf.
Die Orientierung des Neigungswinkels ist abhängig von der Anordnung von Düsen 24 auf der Kreislinie 28. Wenn die Kreislinie 28 einen relativ kleinen Durchmesser (im Vergleich zum Durchmesser des Brennraums 12) aufweist, dann kann es vorteilhaft sein, wenn der Neigungswinkel 60 so ausgerichtet ist, dass die Hauptrichtung 48 von der Achse 14 weg zeigt in einen Außenbereich 62 des Brennraums 12, wobei der Außenbereich 62 an der Brennkammerwand 16 liegt oder dieser benachbart ist.
Wenn der Durchmesser der Kreislinie 28 relativ groß ist (im Vergleich zum Durchmesser des Brennraums 12) und insbesondere die Düsen 24 dann in der Nähe der Brennkammerwand 16 liegen, dann kann es vorteilhaft sein, wie in Figur 2 angedeutet, wenn der Neigungswinkel 60 so eingestellt ist, dass die Hauptrichtung 58 auf die Achse 14 zu weist.
Je nach definierter Ausgestaltung der Brennkammervorrichtung 54 kann durch geeignete Wahl des Neigungswinkels 60 eine optimale Einkopplung von Brenn- Stoff und Oxidator über Mehrphasenstrahlen 44 in Abgasrezirkulationszonen erfolgen, um eine flammenlose Oxidation und damit schadstoffarme Verbrennung zu realisieren.
Es ist auch möglich, wie in Figur 5 angedeutet, dass Mündungsöffnungen 64 so ausgestaltet sind, dass eine Hauptrichtung 66 eines Mehrphasenstrahls zwischen der Achse 14 und einer Umfangsrichtung 68 ( eφ ) des Brennraums in einem Winkel 70 geneigt ist. Der Winkel liegt insbesondere zwischen 0 und ca. 40° und vorzugsweise zwischen 0 und 30°. Im Falle, dass der Winkel bei 0° zur Achse 14 liegt, weist die Hauptrichtung 66 keine Komponente in Umfangs- richtung auf. (Sie kann eine Komponente in radialer Richtung aufweisen.) Wenn die Hauptrichtung 66 eine Komponente in der Umfangsrichtung 68 aufweist (mit endlichem Winkel 70), dann lässt sich unter Umständen die Strömung beruhigen und es lassen sich instabile Interaktionen von benachbarten Mehrphasenstrahlen vermeiden.
Als Treibmedium kann, wie oben erwähnt, gasförmiger Oxidator und insbesondere Luft eingesetzt werden.
Es ist auch möglich, dass als Treibmedium ein Dampf eingesetzt wird. Ein Ausgangsmedium für das Treibmedium ist dann eine Flüssigkeit. Der entsprechenden Brennkammervorrichtung ist dann eine Dampferzeugungseinrichtung 72 (Figur 3) zugeordnet. Diese umfasst einen Vorwärmer 74, welchem flüssiges Ausgangsmedium zugeführt wird. An dem Vorwärmer 74 wird es erhitzt, wobei es nicht verdampft wird. Die erhitzte Flüssigkeit wird durch eine Druckbeaufschlagungseinrichtung 76, welche beispielsweise eine Pumpe 78 umfasst, unter Druck gesetzt. Die unter Druck gesetzte Flüssigkeit wird dann über eine Verdampfungseinrichtung 80 verdampft. Der Dampf wird einem Zweistoff- Zerstäuber 50 zugeführt, wobei er als Treibmedium dient.
Das dampfförmige Treibmedium ist gasförmig. Die energieaufwendige Verdichtung eines gasförmigen Mediums als Treibmedium wird dadurch umgangen, dass das Ausgangsmedium eine Flüssigkeit ist, welche vor der Ver- dampfung unter Druck gesetzt wird. Die Druckbeaufschlagung beispielsweise durch die Pumpe 78 lässt sich mit geringem Energieaufwand durchführen. Zur Verdampfung an der Verdampfereinrichtung 80 und auch für den Vorwärmer 74 kann beispielsweise Prozessabwärme genutzt werden.
Wenn eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser als Ausgangsmedium für
Treibmedium verwendet wird, dann wird vorteilhafterweise in separaten Düsen 32 (Figur 4) Oxidator in den Brennraum 12 eingeblasen. Die Mehrphasenstrahlendüsen können auch konzentrisch in größere (reine) Oxidatordüsen integriert sein.
Ein Ausführungsbeispiel eines Zerstäubers 82 (Figur 6) ist innenmischend. Ein Mischungsraum 84, in welchen gasförmiges Treibmedium und flüssiger Brennstoff eingekoppelt werden, bildet einen Düsenraum 86 oder steht in direkter fluidwirksamer Verbindung mit einem Düsenraum 86.
Bei einer alternativen Ausführungsform eines Zerstäubers 88 (Figur 7) ist eine Düse 90 mit einer Mündungsöffnung 92 vorgesehen. Ein Grob-Mischungsraum 94 für Brennstoff und Oxidator liegt außerhalb des Zerstäubers 88. In dem Grob-Mischungsraum 94 erfolgt eine Vermischung und Zerstäubung. Der entsprechende Zerstäuber 88 wird als außenmischend bezeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Mehrphasenstrahl, welcher Brennstofftropfen enthält, mit hoher Geschwindigkeit (insbesondere mit einer Geschwindigkeit zwischen ca. 30 m/s und 80 m/s) am Austritt einer Düse 24 in den Brennraum 12 eingeblasen. Dadurch bilden sich Abgasrezirkulationszonen 48a, 48b. Der Mehrphasenstrahl kann dabei Oxidator enthalten, welcher das Treibmedium ist, oder Oxidator kann getrennt eingedüst werden. Aufgrund der Abgasrezirkulation wird eine flammenlose Oxidation realisiert, welche schadstoffarm ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird sichergestellt, dass sich innerhalb des Brennraums eine hohe Abgasrezirkulationsströmung ergibt und sich die Verbrennung über ein großes Volumen im Brennraum 12 verteilt. Dadurch werden hohe Schadstoffemissionen, eine unvollständige Verbrennung oder unerwünschte Temperaturmaxima beispielsweise an einem Brennkammer- austritt vermieden. Der erzeugte Mehrphasenstrahl 44 ist ein Hochimpulsstrahl. Dieser wird durch einen Zweistoffzerstäuber (pneumatischen Zerstäuber) erzeugt und in den Brennraum 12 eingedüst. Alternativ kann der Mehrphasenstrahl auch in einer Venturi-Düse mit Quereinkopplung von Brennstoff erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich grundsätzlich für alle Arten und Größen von Feuerungen und Kleinbrennern wie beispielsweise Haushaltsfeuerungen verwenden. Sie lässt sich beispielsweise für stationäre Gasturbinen oder Flugtriebwerke verwenden.
Beispielsweise lässt sich damit bei einer Gasturbinen-Brennkammer vermeiden, dass ein signifikanter Anteil der Brennstofftropfen in ungeeignete Zonen eines Brennraums gelangen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur schadstoffarmen Verbrennung, bei welchem Brennstoff und Oxidator in einen Brennraum eingekoppelt werden unter Ausbildung einer oder mehrerer Abgasrezirkulationszonen, bei dem als Brennstoff eine Flüssigkeit verwendet wird, wobei der Brennstoff mit einem gasförmigen Treibmedium zerstäubt wird, und mindestens ein Mehrphasenstrahl aus Flüssigkeitstropfen und Treibmedium in den Brennraum mit einer Eintrittsgeschwindigkeit in den Brennraum im Bereich zwischen
30 m/s und 80 m/s eingeblasen wird und/oder in mindestens einem Querschnitt des Mehrphasengemischs vor oder beim Eintritt in den Brennraum Schallgeschwindigkeit herrscht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlausbreitungswinkel des mindestens einen Mehrphasenstrahls höchstens 30° beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxidator drallfrei in den Brennraum eingekoppelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 90 % aller Tropfen im Mehrphasenstrahl einen Tropfendurchmesser von höchstens 50 μm haben.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl als Kegelstrahl oder Flachstrahl eingeblasen wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Abweichung der Flüssigkeitsbeladung in einem Strahlquerschnitt des Mehrphasenstrahls beim Eintritt in den Brennraum höchstens 50 % von einem Mittelwert der Flüssigkeitsbeladung beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmedium Oxidatorgas ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmedium ein Dampf ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsmedium für das Treibmedium eine Flüssigkeit ist, welche unter Druck gesetzt und anschließend verdampft wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff in einer Zweistoffzerstäubungs- einrichtung zerstäubt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffzerstäubungseinrichtung mindestens einen Grob-Mischungs- raum und mindestens eine Düse aufweist, wobei Treibmedium und Brennstoff in dem mindestens einen Grob-Mischungsraum zusammengebracht werden und ein Mehrphasenstrahl mit zerstäubtem Brennstoff über die mindestens eine Düse in den Brennraum eingeblasen wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl eine Umfangs- richtungskomponente aufweist, welche in einem Winkel zwischen 0° und 40° zu einer axialen Richtung des Brennraums liegt.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl eine Radial- richtungskomponente aufweist, welche in einem Winkel zwischen 0° und ± 45° zu einer axialen Richtung des Brennraums liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrphasenstrahl in einem Winkel zu einer axialen Achse des Brennraums weggeneigt eingeblasen wird, wenn eine an oder in der Nähe einer axialen Achse liegende Abgasrezirkulationszone verstärkt werden soll, und in einem Winkel von der axialen Achse hingeneigt eingeblasen wird, wenn eine an oder in der Nähe einer Außenwand des Brennraums liegende Abgasrezirkulationszone verstärkt werden soll.
15. Brennkammervorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung eines flüssigen Brennstoffs mit Ausbildung einer oder mehrerer Abgasrezirkulations- zonen, umfassend einen Brennraum (12) und eine Einblaseinrichtung (20) für Brennstoff und Oxidator, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einblaseinrichtung (20) eine Zweistoffzerstäubungseinrichtung (34) umfasst, durch welche mindestens ein Mehrphasenstrahl mit Brennstofftropfen und gasförmigem Treibmedium in den Brennraum (12) einblasbar ist.
16. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblaseinrichtung (20) so ausgebildet ist, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl drallfrei einblasbar ist.
17. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblaseinrichtung (20) so ausgebildet ist, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl in mindestens einem Querschnitt vor oder beim Eintritt in den Brennraum (12) auf Schallgeschwindigkeit befindlich einblasbar ist.
18. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffzerstäubungseinrichtung (34) mindestens einen Grob-Mischungsraum (36; 94) und mindestens eine Düse (24) aufweist, wobei in dem Grob-Mischungsraum (36; 94) Brennstoff und Treibmedium in Kontakt bringbar sind und durch die mindestens eine Düse (24; 90) zerstäubt und als Mehrphasenstrahl (44) in den Brennraum (12) einblasbar ist.
19. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Grob-Mischungsraum (36) ein Düsenraum einer zugeordneten Düse (24) ist oder direkt mit einem Düsenraum verbunden ist.
20. Brennkammervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Grob-Mischungsraum (94) außerhalb einer zugeordneten Düse (90) liegt.
21. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffzerstäubungseinrichtung (34) mindestens einen Anschluss (40) zur Einkopplung von flüssigem Brennstoff und mindestens einen Anschluss (38) für gasförmiges Treibmedium aufweist.
22. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mündungsöffnung (64) der mindestens einen Düse (24) in einem Winkel zwischen 0° und 40° zwischen einer axialen Richtung des Brennraums (12) und einer Umfangsrichtung (68) des Brennraums (12) orientiert ist.
23. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mündungsöffnung (64) der mindestens einen Düse (24) in einem Winkel zwischen 0° und ± 45° zwischen einer axialen Richtung des Brennraums (12) und einer radialen Richtung des Brennraums (12) orientiert ist.
24. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffzerstäubungseinrichtung (34) so ausgebildet ist, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl (44) mit einer Geschwindigkeit zwischen 30 m/s und 80 m/s in den Brennraum (12) einblasbar ist.
25. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffzerstäubungseinrichtung (34) so ausgebildet ist, dass die Tropfengröße von 90 % aller Tropfen im Mehrphasenstrahl (44) höchstens 50 μm ist.
26. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, gekennzeichnet durch eine Dampferzeugungseinrichtung (72), umfassend eine Druckbeaufschlagungseinrichtung (76) für eine Flüssigkeit und eine Verdampfungseinrichtung (80) zur Erzeugung von Dampf aus der Flüssigkeit, welcher als Treibmedium dient.
27. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Düsen (24), deren Mündungsöffnungen (64) auf einer Kreislinie (28) verteilt angeordnet sind.
28. Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse eine Venturi-Düse ist mit einer Quereinspritzung von Brennstoff bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung.
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