EP2629011A1

EP2629011A1 - Brennstoffdüse

Info

Publication number: EP2629011A1
Application number: EP13002599.2A
Authority: EP
Inventors: Giacomo Colmegna; Ulrich Wörz; Jaap Van Kampen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2013-08-21
Also published as: CN102165258A; US8959922B2; JP5487280B2; JP2012504219A; US20110232289A1; CN102165258B; EP2329189A1; EP2329189B1; WO2010034819A1; RU2506497C2; RU2011117317A; JP2013040769A; JP5312599B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse für eine koaxiale Eindüsung eines Brennstoffs in einen die Brennstoffdüse ringförmig umgebenden Luftstrom (8), umfassend ein Düsenrohr (2) und eine Düsenaustrittsöffnung (10), wobei das Düsenrohr (2) mit einer Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht zum Zuführen eines Brennstoffs in das Düsenrohr (2), wobei ein bis zur Düsenaustrittsöffnung (10) reichender erster Düsenrohrabschnitt (4) blütenförmig (6) ausgebildet ist und die Düsenaustrittsöffnung (10) eine konisch ausgebildete Blütennarbe (14) aufweist, und wobei die Blütennarbe (14) mit einem koaxial zum Düsenrohr (2) verlaufenden Rohr (30) für die Zufuhr hochkalorischen Brennstoffs verbunden ist und zumindest eine in radialer und axialer Richtung geneigte (16) oder/und axiale (17) Einlassöffnung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse, umfassend ein Düsenrohr und eine Düsenaustrittsöffnung, wobei das Düsenrohr mit einer Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht zum Zuführen eines Brennstoffs in das Düsenrohr, wobei der Brennstoff aus der Düsenaustrittsöffnung in einen Luftstrom, welcher die Brennstoffdüse im Wesentlichen ringförmig umgibt, eingedüst wird, und ein bis zur Düsenaustrittsöffnung reichender erster Düsenrohrabschnitt blütenförmig ausgebildet ist und zwar dergestalt, dass eine im wesentlichen koaxiale Eindüsung des Brennstoffs in den Luftstrom durchführbar ist, wobei die Düsenaustrittsöffnung eine geschlossene, konisch ausgebildete Blütennarbe aufweist.
Der Preisanstieg von Erdgas macht die Weiterentwicklung von alternativen Brennstoffen notwendig. Dies ist beispielsweise niederkalorisches Brenngas nachfolgend auch als Synthesegas bezeichnet. Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gasförmigen Edukten erfolgen. Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung, Biomassenvergasung und die Koksvergasung zu nennen.
Im Hinblick auf zunehmend strengere Anforderungen an den Ausstoß von Stickoxiden gewinnt die Vormischverbrennung auch bei der Verbrennung von niederkalorischen Gasen zunehmend an Bedeutung.
Vormischbrenner umfassen typischerweise eine Vormischzone, in der Luft und Brennstoff vermischt werden, bevor das Gemisch in eine Brennkammer geleitet wird. Dort verbrennt das Gemisch, wobei ein unter erhöhtem Druck stehendes Heißgas erzeugt wird. Dieses Heißgas wird zur Turbine weitergeleitet. Im Zusammenhang mit dem Betrieb von Vormischbrennern kommt es vor allem darauf an, die Stickoxidemissionen gering zu halten und einen Flammenrückschlag zu vermeiden.
Synthesegas-Vormischbrenner zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen Synthesegase als Brennstoff verwendet werden. Verglichen mit den klassischen Turbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile der Synthesegase im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Abhängig vom Vergasungsverfahren und dem Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa 5- bis 10-mal kleiner als der von Erdgas.
Bedingt durch den geringen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas in die Brennkammer eingeleitet werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen, wie zum Beispiel Synthesegasen, deutlich größere Eindüsquerschnitte notwendig sind als bei herkömmlichen hochkalorischen Brenngasen. Um niedrige NOx-Werte zu erzielen ist jedoch notwendig Synthesegas in einem Vormischbetrieb zu verbrennen.
Neben der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur des Synthesegases ist die Mischungsgüte zwischen Synthesegas und Verbrennungsluft an der Flammenfront eine wesentliche Einflussgröße zur Vermeidung von Temperaturspitzen und somit zur Minimierung der thermischen Stickoxidbildung. Eine räumlich gute Mischung von Verbrennungsluft und Synthesegas ist aufgrund der hohen Volumenströme an erforderlichem Synthesegas und der entsprechend großen räumlichen Ausdehnung des Mischungsgebiets besonders schwierig. Andererseits ist eine möglichst geringe Stickoxidproduktion schon aus Gründen des Umweltschutzes und entsprechenden gesetzlichen Richtlinien für Schadstoffemission eine wesentliche Anforderung an die Verbrennung, insbesondere an die Verbrennung in der Gasturbinenanlage eines Kraftwerks. Die Bildung von Stickoxiden erhöht sich exponentiell rapide mit der Flammentemperatur der Verbrennung. Bei einer inhomogenen Mischung von Brennstoff und Luft ergibt sich eine bestimmte Verteilung der Flammentemperaturen im Verbrennungsbereich. Die Maximaltemperatur einer solchen Verteilung bestimmen nach dem genannten exponentiellen Zusammenhang von Stickoxidbildung und Flammentemperatur maßgeblich die Menge der gebildeten unerwünschten Stickoxide.
Um eine hinreichende Vermischung zwischen Brennstoff und Luft zu gewährleisten, ist eine ausreichende Eindringtiefe der einzelnen Brennstoffstrahlen in den Luftmassenstrom notwendig. Im Vergleich zu hochkalorischen Brennergasen wie Erdgas sind jedoch entsprechend größere, freie Eindüsquerschnitte erforderlich. Dies hat zur Folge, dass die Brennstoffstrahlen die Luftströmung empfindlich stören, was letztendlich zu einer lokalen Ablösung der Luftströmung in Nachlaufgebiet der Brennstoffstrahlen führt. Die sich ausbildenden Rückströmgebiete innerhalb des Brenners sind unerwünscht und insbesondere bei der Verbrennung von hoch reaktivem Synthesegas unbedingt zu vermeiden. Im Extremfall führen diese lokalen Rückströmgebiete innerhalb der Mischzone des Brenners zu einem Flammenrückschlag in die Vormischzone und somit zu einer Brennerschädigung.
Auch die hohe Reaktivität von Synthesegas, insbesondere bei hohem Wasserstoffanteil erhöht die Gefahr eines Flammenrückschlags.
Weiterhin führen die größeren Eindüsquerschnitte, welche für das Synthesegas notwendig sind, zumeist zu einer schlechten Vormischung von Luft und Synthesegas, woraus eben jene hohen, unerwünschten NOx-Werte erzielt werden.
Durch den hohen Volumenstrom werden zudem häufig Druckverluste bei der Eindüsung erzielt.
Die Durchmischung von Synthesegas mit Luft wird beispielsweise mit Verwirbelungselementen, wie z.B. in der EP 1 645 807 A1 , vorgenommen oder mit einer Eindüsung des Gases quer zum Luftstrom. Diese führen jedoch zu einem erheblichen unerwünschten Druckverlust und können unerwünschte Nachlaufgebiete welche zu Flammenrückschlag führen hervorrufen.
Ausgehend von dieser Problematik ist die Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffdüse, insbesondere für die Zufuhr von Synthesegas, anzugeben, die bei der Verbrennung zu einer niedrigeren Stickoxidbildung führt.
Diese Aufgabe wird durch die Angabe einer Brennstoffdüse gelöst, umfassend ein Düsenrohr und eine Düsenaustrittsöffnung, wobei das Düsenrohr mit einer Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht zum Zuführen eines Brennstoffs in das Düsenrohr, wobei der Brennstoff aus der Düsenaustrittsöffnung in einen Luftstrom, welcher die Brennstoffdüse im wesentlichen ringförmig umgibt, eingedüst wird, und ein bis zur Düsenaustrittsöffnung reichender erster Düsenrohrabschnitt blütenförmig ausgebildet ist und zwar dergestalt, dass eine im wesentlichen koaxiale Eindüsung des Brennstoffs in den Luftstrom durchführbar ist, wobei die Düsenaustrittsöffnung eine geschlossene, konisch ausgebildete Blütennarbe aufweist.
Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass gerade für große Volumenströme an Brennstoff wie beispielsweise Synthesegas große Eindüsequerschnitte zur Verfügung gestellt werden müssen, was mit hohen Druckverlusten verbunden ist. Weiterhin ist jedoch um gute NOx-Werte zu erzielen, gerade der Vormischmodus mit einer guten Vermischung notwendig. Die im Stand der Technik genutzten Verwirbelungselemente sowie die Einströmung des Brennstroms quer zum Luftstrom führen jedoch zu einem erheblich unerwünschten Druckverlust, der wiederum zu schlechten NOx-Werten führt.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Synthesegasstrom eine wesentliche Verbesserung der Durchmischung hervorruft. Dieser Effekt ist insbesondere dann wesentlich, wenn der Brennstoffstrom und der Luftstrom unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. Durch die blütenförmige Ausgestaltung des ersten Düsenrohrabschnitts wird dies hervorgerufen. Durch die blütenförmige Ausgestaltung des ersten Düsenrohrabschnitts wird zudem an den Profilhinterkanten ein zweites Strömungsfeld, d.h. gewünschte berechenbare Verwirbelungen ausgebildet, was wiederum die Durchmischung verbessert. Auch dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Brennstoffstrom und der Luftstrom unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäße blütenförmige Ausgestaltung des ersten Düsenrohrabschnitts ermöglicht weiterhin eine koaxiale Eindüsung des Brennstoffs in den Luftstrom. Dadurch werden unerwünscht hohe Druckverluste vermieden. Dies erlaubt ein betreiben der Düse im Vormischmodus, auch bei hohen Volumenströmen an Brennstoff, wie z.B. dies bei Synthesegas der Fall ist.
Erfindungsgemäß weist die Düsenaustrittsöffnung der Brennstoffdüse nun eine geschlossene, konisch ausgebildete Blütennarbe auf. Durch die Blütennarbe, welche symmetrisch um die Mitte der als Blüte ausgestalteten Düsenaustrittsöffnung angeordnet ist, wird eine durchgängig flächige Vermischung des Brennstoffs und der Luft erzwungen. Dies ist vor allem für den Brennstoff, welcher durch den mittigen Bereich der Düsenaustrittsöffnung geführt würde, von Vorteil. Durch die Ausgestaltung der Düsenaustrittsöffnung mit einer Blütennabe wird quasi die Kontaktfläche zwischen Brennstoff und Luft weiter erhöht, was sich positiv auf die Durchmischung auswirkt. Es ist jedoch weiterhin eine koaxiale Einströmung des Brennstoffs in den Luftstrom möglich, wodurch trotz der verbesserten Durchmischung lediglich ein vernachlässigbarer Druckverlust entsteht.
Bevorzugt läuft die Blütennarbe in Strömungsrichtung spitz zu.
Bevorzugt ist die Blütennarbe doppel-konisch ausgebildet. Dadurch lassen sich Grenzschichtablösungen vermeiden sowie die Gefahr des Flammenrückschlags durch Rücklaufgebiete reduzieren.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Blütennarbe Einkerbungen auf. Diese Einkerbungen sind auf der Blütennabe in Korrespondenz mit den einzelnen Blütenblättern angebracht oder aber in Korrespondenz mit den Profilhinterkanten. Diese Einkerbungen dienen im Wesentlichen dazu einen glatten Durchgang für den Brennstoff zu schaffen, d.h. der Austritt des Brennstoffes aus der Brennstoffdüse erfolgt ohne unerwünschte und unberechenbare Verwirbelungen. Somit können Grenzschichtablösungen vermieden werden und die Gefahr des Flammenrückschlags durch Rücklaufgebiete reduziert werden.
Vorteilhafterweise sind die Einkerbungen geradlinig in Strömungsrichtung und/oder verwunden aufgebracht. Dadurch kann dem Luftstrom oder dem Brennstoffstrom ein Drall bei der Eindüsung aufgeprägt werden.
Bevorzugt verjüngt der erste Düsenrohrabschnitt sich in Strömungsrichtung. Dadurch wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs erzielt.
Bei einem alternativen Düsenrohr mit offener Nabe ist die Blütenform des ersten Düsenrohrabschnitts sägezähnartig ausgebildet. Durch die Sägezähne werden berechenbare Verwirbelungen in dem Strömungsfeld ausgebildet, welche eine bessere Durchmischung des Brennstoffs mit dem Luftstrom hervorrufen. Da jedoch eine koaxiale Eindüsung weiterhin gewährleitstet ist, erfolgt bei dieser Ausgestaltung der Brennstoffdüse keine Erhöhung des Druckverlusts.
Dabei kann ein zweiter Düsenrohrabschnitt vorhanden sein, an welchen sich der erste Düsenrohrabschnitt in Strömungsrichtung anschließt, wobei der zweite Düsenrohrabschnitt sich in Strömungsrichtung verjüngt. Dadurch kann eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs erzielt werden.
Der sägezahnartige erste Düsenrohrabschnitt schließt sich in horizontaler Richtung dem zweiten Düsenrohrabschnitt an. Dabei schließt sich der sägezahnartige erste Düsenrohrabschnitt gegenüber dem Horizont geneigt dem zweiten Düsenrohrabschnitt an. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs erhöht.
Bevorzugt ist die Blütennarbe mit einem im Wesentlichen koaxial zum Düsenrohr verlaufenden Rohr für die Zufuhr hochkalorischen Brennstoffs verbunden und weist zumindest eine tangentiale oder/und axiale Einlassöffnung auf.
Je nach Ausgestaltung des Brenners können dabei die Anordnung, die Anzahl, und der Durchmesser der Einlassöffnungen variieren. Da sich die Zufuhr für hochkalorischen Brennstoff innerhalb der Synthesegaszufuhr (Zufuhr für hochkalorischen Brennstoff wird ringförmig von der Synthesegaszufuhr umgeben) handelt es sich dabei bevorzugt um tangentiale und axiale Einlassöffnungen, d.h. Bohrungen.
Hierbei ist zu beachten, dass sowohl die Einlassöffnungen für hochkalorischen Brennstoff als auch die Zufuhr selber nur einen geringen Durchmesser benötigen, da der Volumenstrom des hochkalorischen Brennstoffes gegenüber dem des Synthesegases wesentlich geringer ist. Diese Tatsache trägt dazu bei, dass die Zufuhr für hochkalorischen Brennstoff keine oder nur geringe Störung im Luftstrom bei Synthesegasbetrieb hervorruft.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die zumindest eine tangentiale Einlassöffnung am Blütensteg zwischen zwei Blütenblättern der blütenförmigen Synthesegaseindüsung angeordnet. Somit wird sichergestellt, dass die Eindüserichtung des z.B. Erdgases im wesentlichen quer zum Luftstrom erfolgt. Dies entspricht der bevorzugten Eindüserichtung eines herkömmlichen vorgemischten Erdgasbrenners. Dadurch ist eine gute Durchmischung des Erdgases mit dem Luftstrom gewährleistet, so dass niedrige NOx-Werte erzielt werden können. Diese niedrigen NOx-Werte müssen auch entsprechend den Vorschriften in einem Synthesegasbrenner gewährleistet sein, wenn dieser mit hochkalorischem Brennstoff wie Erdgas betrieben wird, auch wenn dieses Erdgas lediglich eine "backup" Funktion darstellt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Brennstoffdüse in einem Brenner vorhanden. Dies ist insbesondere ein Synthesegasbrenner, welcher in einem Vormischmodus betrieben wird. Der Brenner kann dabei als Zwei- oder Mehrstoffbrenner ausgelegt sein, welcher zudem mit beispielsweise Erdgas im Vormischmodus betrieben werden kann. Vorteilhafterweise ist der Brenner in einer Gasturbine vorhanden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Darin zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1: eine Brennstoffdüse,
Fig. 2: einen Querschnitt durch die Brennstoffdüse,
Fig. 3: ein Diagramm für den Vermischungsgrad,
Fig. 4: eine Brennstoffdüse nach der Erfindung mit Blütennabe,
Fig. 5: eine alternative Brennstoffdüse mit horizontalen Sägezähnen,
Fig. 6: eine alternative Brennstoffdüse mit geneigten Sägezähnen,
Fig. 7: eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzufuhr mit einer Zweitbrennstoffzufuhr und
Fig. 8: schematisch eine Zweitbrennstoffzufuhr (Erdgaszufuhr).

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Aufgrund des hohen Erdgaspreises wird die derzeitige Entwicklung von Gasturbinen in Richtung alternative Brennstoffe wie zum Beispiel Synthesegas gefördert. Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gasförmigen Edukten erfolgen. Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung zu nennen. Kohle wird hierbei in einer Mischung aus partieller Oxidation und Vergasung mit Wasserdampf zu einem Gemisch aus CO und Wasserstoff umgesetzt. Neben Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe wie z.B. Biomasse und Koks zu nennen. Als flüssige Edukte für Synthesegas können unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, als wichtigstes gasförmiges Edukt ist Erdgas zu nennen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass der niedrige Heizwert bei Synthesegas zur Folge hat, dass wesentlich höhere Volumenströme der Brennkammer zur Verbrennung zugeführt werden müssen, als dies bei z.B. Erdgas der Fall ist. Dies hat zur Folge, dass große Eindüsequerschnitte für den Volumenstrom des Synthesegases bereit gestellt werden müssen. Diese führen jedoch zu einer schlechten Vormischung von Luft und Synthesegas, woraus eben hohe, unerwünschte NOx-Werte erzielt werden. Durch den hohen Volumenstrom werden zudem häufig Druckverluste bei der Eindüsung erzielt.
Um eine gute Durchmischung zu erzielen werden Verwirbelungselemente genutzt oder das Synthesegas quer zum Luftstrom eingeströmt. Daraus resultiert jedoch ein erheblicher unerwünschter Druckverlust. Weiterhin können Nachlaufgebiete ausgebildet werden, welche zu einem Flammenrückschlag führen.
Dies wird nun mithilfe der Erfindung vermieden.
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffdüse. Diese weist ein Düsenrohr 2 und einer Düsenaustrittsöffnung 10 auf. Das Düsenrohr 2 steht dabei mit einer Brennstoffzufuhrleitung (nicht gezeigt) in Verbindung, welche Brennstoff dem Düsenrohr 2 zuführt. Der Brennstoff wird aus der Düsenaustrittsöffnung 10 in einen Luftstrom 8, welcher die Brennstoffdüse ringförmig umgibt, eingedüst. Der bis zur Düsenaustrittsöffnung 10 reichende erste Düsenrohrabschnitt 4 ist blütenförmig 6 ausgebildet und zwar dergestalt, dass eine im Wesentlichen koaxiale Eindüsung des Brennstoffs in den Luftstrom 4 durchführbar ist. Das Synthesegas wird dabei innerhalb des Düsenrohrs 2 geführt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer solchen Düsenaustrittsöffnung 10 mit sechs einzelnen Blüten. Die Anzahl der Blüten ist dabei vor allem von den einzelnen Brennertypen bzw. Gasturbinentypen abhängig und kann variieren. Der Düsenrohrabschnitt 4 und die Düsenaustrittsöffnung 10 stellen durch ihre erfindungsgemäße blütenförmige Ausgestaltung 6 eine größere Kontaktfläche zwischen Synthesegasstrom und Luftstrom 8 her. Dadurch wird eine verbesserte Vermischung zwischen Synthesegas und Luftstrom 8 ohne erhöhten Druckverlust erzielt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn der Luftstrom 8 und der Synthesegasstrom unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen. Weiterhin hat diese blütenförmige Ausgestaltung 6 den wesentlichen Vorteil, dass sich ein zweites Strömungsfeld ausbildet, insbesondere an den Profilhinterkanten der einzelnen Blüten. Hier werden Wirbelstrukturen ausgebildet. Auch dies trägt wesentlich dazu bei, die Vermischung zu verbessern, insbesondere wenn ein wesentlicher Unterschied in den Strömungsgeschwindigkeiten des Synthesegases und des Luftstroms 8 vorliegt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft als Diagramm die verbesserte Einmischung einer blütenförmig ausgebildeten Brennstoffdüse, hier in der Figur 3 mit b angegeben, im Vergleich zu einer Brennstoffdüse, hier zum Beispiel ein ringförmiges, sich verjüngendes Düsenrohr nach dem Stand der Technik (in der Figur 3 mit a angegeben). Dabei ist auf der y-Achse der Nicht-Vermischungsgrad angegeben. Die blütenförmige Brennstoffdüse weist eine höhere Vermischung auf, jedoch aufgrund der koaxialen Eindüsung mit niedrigerem Druckverlust.
Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse. Diese weist an der blütenförmigen Düsenaustrittsöffnung 10 mittig eine konische Blütennabe 14 auf. Dabei kann die Blütennabe 14 einfach-konisch oder doppel-konisch ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass ein glatter Übergang der beiden Ströme ineinander gewährleistet ist. Weiterhin verhindert diese Ausgestaltung eine Grenzschichtablösung oder die Ausbildung von Rückströmungsgebieten, welche einen Flammenrückschlag hervorrufen können.
Vorteilhafterweise können in der konischen Blütennabe 14 Einkerbungen 16 angebracht sein. Diese sind vorteilhafterweise zum einen in ihrer radialen Ausdehnung und Anbringung in Übereinstimmung mit den einzelnen Blüten angebracht, das heißt die Einkerbung 16 und die Blüten liegen sich gegenüber. Damit wird eine glatte Austrittsfläche für das Synthesegas erzielt. Zum anderen sind weitere Einkerbungen 16 angebracht, welche den Profilhinterkanten 20 gegenüberliegen und in ihrer radialen Breite im Wesentlichen mit diesen übereinstimmt. Diese erzielen eine glatte Austrittsfläche für den Luftstrom 8. Die Einkerbungen 16 können geradlinig in Strömungsrichtung oder aber verwunden sein, um so eine Verwirbelung der Luft bzw. des Brennstoffs zu erzielen.
Mit der Ausgestaltung einer Blütennabe 14 wird also die Vermischung in der Mitte der blütenförmigen 6 Brennstoffdüse (also um die Eindüseachsen herum) verbessert. Mithilfe der Blütennabe 14 wird somit auch in der Blütenmitte eine Vermischung des Synthesegasstroms mit dem Luftstrom 8 erzielt, in dem nochmals die Kontaktfläche zwischen Synthesegasstrom und Luftstrom 8 vergrößert wird. Dadurch ist eine durchgängig flächige Durchmischung möglich. Aufgrund der koaxialen Eindüsung ist der Druckverlust trotz der flächigen und damit sehr guten Durchmischung jedoch gering.
Fig. 5 zeigt eine alternative Brennstoffdüse bei der die Blütenform 8 spitz zulaufende Blüten aufweist, das heißt im Wesentlichen sägezahnartig ausgebildet ist. Dabei sind diese Sägezähne 22 an einem ersten Rohrabschnitt 4 angebracht. Dieser erste Rohrabschnitt 4 kann dabei in Strömungsrichtung einen gleichbleibenden Rohrdurchmesser aufweisen (d.h. die Sägezähne 22 sind im Wesentlichen horizontal) oder aber in Strömungsrichtung verjüngt sein (d.h. die Sägezähne 22 sind gegenüber der Horizontlinie 26 geneigt, Fig. 6). Ein zweiter Rohrabschnitt 24, an den sich der erste Rohrabschnitt 4 in Strömungsrichtung anschließt, kann zur besseren Eindüsung in Strömungsrichtung verjüngt sein. Durch die Ausgestaltung der Brennstoffdüse mit Sägezähnen 22 sollen gewünschte Verwirbelungen im Strömungsfeld erzeugt werden, was wiederum die Vermischung zwischen Synthesegas und Luftstrom 8 verbessert.
Auch hier ist jedoch aufgrund der koaxialen Eindüsung der Druckverlust trotz der flächigen und damit sehr guten Durchmischung jedoch gering.
In Fig. 7 ist eine Ausführungsform der erfinderischen Brennstoffdüse mit Zweitbrennstoffzufuhr dargestellt. Da die Synthesegaseinlassöffnungen einen großen Volumenstrom gewährleisten müssen, ist die Brennstoffdüse in Bezug auf das Synthesegas nach der Erfindung blütenförmig 6 ausgebildet.
Tangentiale Erdgaseinlassöffnungen 16 sind zwischen zwei Blütenblätter 18 gesetzt. Der Berührungspunkt bzw. die Berührungslinie zweier Blütenblatter 18 miteinander wird dabei nachfolgend als Blütensteg 19 bezeichnet. Das bedeutet, dass der Erdgasstrom 33 unmittelbar in den Luftstrom 8 eingedüst werden kann, ohne dass sich dazwischen ein Blütenblatt 18 befindet. Dadurch wird gewährleistet, dass das Erdgas im Wesentlichen quer zum Luftstrom 8 eingedüst wird. Fig. 7 weist dabei sechs tangentiale Erdgaseinlassöffnungen 16 und eine axiale Erdgaseinlassöffnungen 17 auf. Je nach Brenner und Gasturbine kann sowohl die Anzahl als auch die Anordnung variieren. Die Erdgaseinlassöffnungen 16,17 sind dabei im Wesentlichen rund, und mittels Bohrung herstellbar.
Die Synthesegaszufuhr und deren blütenförmige 6 Synthesegaseinlassöffnung als auch die Erdgaszufuhr 30 mit den Erdgaseinlassöffnung 16,17 sind dabei so ausgestaltet, dass ein Druckverlust unter 25 dp/p bei gleichem Wärmeintrag im Hinblick auf Synthese- und Ergas erzielt wird.
Fig. 8 zeigt schematisch die Erdgaszufuhr 30. Da der Volumenstrom des Erdgases wesentlich geringer ist als der für Synthesegas ist der Durchmesser der Erdgaszufuhr 30 wesentlich geringer als die Synthesegaszufuhr. Um von Synthesegas auf Erdgasbetrieb bzw. umgekehrt, umzustellen, ist es lediglich notwendig die Synthesegas- bzw. Erdgaszufuhr 30 zu unterbrechen. Dies kann ohne Hardwareänderungen erzielt werden.
Anstatt Erdgas kann auch jeder andere hochkalorische Brennerstoff verwendet werden, beispielsweise Heizöl. Ebenso ist die Blütenform 6 der Synthesegaseinlassöffnung lediglich ein Beispiel, andere Formen für Synthesegaseinlassöffnung sind ebenfalls vorstellbar.
Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse wird eine gute Durchmischung zwischen volumenreichen Synthesegas und Luft ermöglicht. Aufgrund der koaxialen Eindüsung ist jedoch der Druckverlust gering. Entstehende Druckverluste, die beispielsweise durch das alleinige Anbringen von Verwirbelungselementen hervorgerufen werden, sind dadurch vermieden. Dadurch wird ein betreiben im Vormischmodus gefördert, was sich wiederum positiv auf die NOx-Werte auswirkt.
Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse ist es auch möglich eine sogenannte Backup-Brennstoff Leitung zu integrieren, da Synthesegas-Brenner jeweils nicht nur mit einem Brennstoff, sondern möglichst mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Öl, Erdgas und/oder Kohlegas wahlweise oder sogar in Kombination betreibbar sein sollen, um die Versorgungssicherheit und Flexibilität beim Betrieb zu erhöhen. Mittels dieser Erfindung ist es möglich dieselbe Düse für Erdgas (bzw. verdünntes Erdgas) oder Synthesegas zu benutzen. Dies vereinfacht die Bauweise des Brenners und reduziert Bauteilkomponenten wesentlich.
Die hier vorgestellte Brennstoffdüse ist jedoch nicht nur auf das Betreiben mit Synthesegas beschränkt, vielmehr kann sie mit jedem Brennstoff vorteilhaft betrieben werden. Dieser Vorteil besonders bei volumenreichen Brennstoffstrom hervorzuheben. Besonders eignet sich die erfindungsgemäße Brennstoffdüse im Vormischbetrieb.

Claims

Brennstoffdüse für eine im Wesentlichen koaxiale Eindüsung eines Brennstoffs in einen die Brennstoffdüse im Wesentlichen ringförmig umgebenden Luftstrom (8), umfassend ein Düsenrohr (2) und eine Düsenaustrittsöffnung (10) zum Eindüsen des Brennstoffs in den Luftstrom (8), wobei das Düsenrohr (2) mit einer Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht zum Zuführen eines Brennstoffs in das Düsenrohr (2), wobei ein bis zur Düsenaustrittsöffnung (10) reichender erster Düsenrohrabschnitt (4) blütenförmig (6) ausgebildet ist und
die Düsenaustrittsöffnung (10) eine konisch ausgebildete Blütennarbe (14) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Blütennarbe (14) mit einem im Wesentlichen koaxial zum Düsenrohr (2) verlaufenden Rohr (30) für die Zufuhr hochkalorischen Brennstoffs verbunden ist und zumindest eine in radialer und axialer Richtung geneigte (16) oder/und axiale (17) Einlassöffnung aufweist.
Brennstoffdüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest in radialer und axialer Richtung geneigte Einlassöffnung (16) an einem Blütensteg (19) zwischen zwei Blütenblättern (18) der blütenförmigen (6) Düsenaustrittsöffnung (10) angeordnet ist.
Brenner mit einer Brennstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gasturbine mit einem Brenner nach Anspruch 3.