NL7906127A

NL7906127A - Sectorbrander voor het trapsgewijs verbranden van gas- vormige brandstof met lage verbrandingswaarde.

Info

Publication number: NL7906127A
Application number: NL7906127A
Authority: NL
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1978-10-13
Filing date: 1979-08-10
Publication date: 1980-04-15
Also published as: DE2940431A1; JPS5577639A; FR2438798B1; CH650582A5; NO152628C; GB2032092B; NO152628B; IT1163719B; US4253301A; IT7926091A0; NO793290L; FR2438798A1; GB2032092A

Description

-1- p & c W 2348-972 Ned.

Sectorbrander voor het trapsgewijs verbranden van gasvormige brandstof met lage verbrandingswaarde

Onzekerheden met betrekking tot de kosten en de beschikbaarheid van aardolie en aardgas, gekoppeld met de overvloedige voorraad van steenkool in landen zoals de Verenigde Staten van Amerika, hebben geleid tot belangstelling voor de toepassing van uit steenkool verkregen gasvormige 5 brandstof met lage verbrandingswaarde in gasturbines. Een bepaalde toe passing van steenkoolgas met lage verbrandingswaarde, d.w.z. van ongeveer 5825 kJ/kg, vergeleken met ongeveer 52.425 kJ/kg voor aardgas, betreft een systeem waarbij een kolenvergassingsinstallatie is verbonden met een inrichting met gecombineerde gasturbine-stoomturbinekringloop voor het 10 opwekken van elektrisch basisvermogen.

Een brander voor een gasturbine, gestookt met gasvormige brandstof met lage verbrandingswaarde, moet aan verschillende eisen voldoen.

Voor het verkrijgen van een hoog kringlooprendement moet de brander voor dit steenkoolgas kunnen werken bij hoge ontsteektemperatuur en in het 15 bijzonder bij temperaturen welke dichter liggen bij de maximale vlamtem- peraturen welke met deze brandstof bereikbaar zijn dan een brander gestookt met brandstof met hoge verbrandingswaarde. De brander voor steenkoolgas moet ook geschikt zijn voor een brandstof/luchtverhouding welke enkele malen groter is dan die voor een brander voor de gebruikelijke verbrandings-20 gassen zoals aardgas en moet zijn voorzien van organen waardoor een grondige vermenging wordt verzekerd van gas en lucht daar, voor een bepaalde gewenste uitlaattemperatuur van de brander, minder verdunnings-lucht kan worden gebruikt voor het regelen van het uitlaattemperatuurver-loop van de brander dan beschikbaar is bij branders welke worden gestookt 25 met brandstof met hoge verbrandingswaarde. Bovendien moet de brander voor steenkoolgas, evenals andere branders voor gasturbines, minimale warmteverliezen vertonen en zo weinig mogelijk koeling nodig hebben en moet deze brander een goede ontsteekkarakteristiek en een goede stabiliteitskarakteris-tiek hebben, evenals een lage uitlaat van verbrandingsprodukten en gemakkelijk 30 vervaardigbaar en te onderhouden zijn.

Het doel van de uitvinding is niet slechts het verschaffen van een brander welke gas met lage verbrandingswaarde als zijn primaire brandstof kan verbranden, maar ook een dergelijke brander waarin deze gasvormige 7906127 -2- 43 ' . ...

r brandstof trapsgewijs kan worden ingebracht en deze trapsgewijze inlaten deel uitmaken van de brander.

De brander volgens de uitvinding heeft een hoofdbranderkamer voor het met hoge temperatuur verbranden van steenkoolgas met lage ver-5 brandingswaarde, bestemd voor toevoer aan. een gasturbine, in verband met werking met twee brandstoffen, waarbij zowel olie als steenkoolgas met lage verbrandingswaarde afwisselend of tegelijk kunnen worden gebruikt. Dezelfde inrichting kan worden gebouwd voor gebruik van een enkel type brandstof of voor verschillende brandstoffen. De eigenschap van het 10 trapsgewijs inbrengen van de brandstof wordt toegepast in combinatie met kenmerken van de verbranding welke zijn beschreven in een eerdere octrooiaanvrage. De branderkamer volgens deze eerdere aanvrage kan er één zijn van een aantal van dergelijke kamers welke in omtreksrichting rondom de i gasturbinehartlijn zijn geplaatst. De branderkamer volgens de uitvinding 15 is verdeeld, in twee hoofddelen, namelijk een hoofdverbrandingszone en een ontsteekverbrandingszone. De ontsteekyerbrandingszone is gecombineerd met organen voor het trapsgewijs toevoeren van de brandstof. Deze trapsgewijze brandstoftoevoer verschaft aan een overigens beperkte brander de eigenschappen van het verminderen van het percentage koolmonoxide in de 20 verbrandingsprodukten beneden dat van een brander zonder trapsgewijze toe voer en wel aan beide einden van het verbrandingsgebied. Meer trappen maken een grotere vermindering mogelijk. Bij een laag gehaalte aan koolmonoxide ontstaat een hoog rendement en een geringe vervuiling. Bovendien verschaft de trapsgewijze brandstoftoevoer een grote gasverminderingsverhouding met 25 instandhouden van de verbranding, d.w.z. een grotere variatie in de totale mengselsterkte van een arme tot rijke mengverhouding van brandstof en lucht, welke groter is dan mogelijk zou zijn bij niet-trapsgewijze brandstoftoevoer, zonder dat de brander dooft.

Bij gasturbines welke werken tezamen met een steenkoolvergassings-30 inrichting maakt de trapsgewijze brandstoftoevoer overgang mogelijk bij lagere belasting dan bij niet-trapsgewijze toevoer. Ook kan bij de trapsgewijze toevoer de brander werken met sterk veranderende brandstof eigenschappen en verbrandingswaarden. Met trapsgewijze toevoer is het tevens mogelijk vloeibare brandstof of gasvormige brandstof in te brengen, of alleen 35 één van deze brandstoffen, ofwel de beide brandstoffen tegelijk.

7906127

J

-3- i· m

Behalve het kenmerk van de trapsgewijze brandstof toevoer omvat de uitvinding een inspringende ontsteekzone waardoor een langere verbrandings-weg bij de ontsteking ontstaat, de ontsteking plaatsvindt in een afgeschermd stromingsgebied en regeling wordt verkregen van de equivalentieverhouding, 5 niet alleen voor de gasvormige brandstof maar ook voor de brandstof met hogere verbrandingswaarde, die een vloeibare brandstof kan zijn. De ontsteekzone heeft een arm mengsel over het gehele verbrandingsgebied van de brandstof met hoge verbrandingswaarde, waardoor de vorming van stikstofoxiden beperkt blijft. Bovendien maakt de ontsteekzone het mogelijk brandstof 10 met hoge verbrandingswaarde te gebruiken als ontsteekbrandstof over het gehele verbrandingsgebied zonder dat daardoor de voeringplaten, welke hieronder nader worden beschreven, in gevaar komen.

De brander voor de tweede trap bestaat uit een aantal straal-buizen, in de hierna besproken uitvoeringsvorm twee straalbuizen, maar 15 waarvan het aantal willekeurig kan zijn. Er worden zoveel tweede branders aangebracht als er extra trappen zijn. Het hoofdverbrandingsgebied en het ontsteekverbrandingsgebied hebben elk een dubbele wand. Het hoofdverbrandingsgebied heeft een ringvormige sectorvormige dwarsdoorsnedevorm terwijl het ontsteekverbrandingsgebied een cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft. De 20 buitenmantel van de kamer van het hoofdverbrandingsgebied draagt vrijwel alle drukbelasting tijdens de werking en draagt ook een binnenwand of voering, die op zijn beurt in hoofdzaak alle warmtebelastingen opneemt.

Deze binnenvoering strekt zich niet alleen uit door de hoofdverbrandingszone, zoals in de bovengenoemde octrooiaanvrage, maar ook nog verder naar achteren 25 door de ontsteekverbrandingszone.

Een koelmiddelkanaal wordt begrensd door de buitenwand en de binnenwand van het hoofdverbrandingsgebied en van het ontsteekverbrandingsgebied. Het koelmiddelkanaal verloopt continu van het hoofdverbrandingsgebied door naar het ontsteekverbrandingsgebied. De stroming van lucht 30 in deze kanalen vindt in tegenstroom plaats met de verbrandingsstroom, voor convectiekoeling van de wanden. De platen, die de binnenwand vormen van het hoofdverbrandingsgebied, zijn voorzien van groeven als is beschreven,.in de genoemde aanvrage. De extra voeringwand van het ontsteek-gebied is cirkelvormig, maar trapsgewijs uitgevoerd, voor de begrenzing 35 van het tegenstroomkoelmiddelkanaal.

De platen van het hoofdverbrandingsgebied zijn voorzien van 7906127 * 'i, -4- extra sleuven of openingen voor het toelaten van een deel van de tegenstroom aan het verbrandingsgebied, voor' zogenaamde filmkoeling van het binnenvlak van de voeringwand. Ook zijn organen aangebracht voor het toevoeren van de rest van de koellucht aan het verbrandingsgebied nabij de 5 inlaat naar het ontsteekverbrandingsgebied, aan het stroomopwaartse einde van dit ontsteekverbrandingsgebied, als voorverwarmde verbrandingslucht. Daardoor hebben zowel de voering van het hoofdverbrandingsgebied als de voering van het ontsteekverbrandingsgebied een tegenstroomse regeneratieve stroming van het oxidatiemiddel, waardoor de dubbele functie ontstaat 10 van koeling van de voeringwand-en opwarming van het oxidatiemiddel. Zowel de stroom langs de voeringwand van het onsteekgebied als van het verbrandingsgebied zijn verbonden met een stel wervelschoepen voor de vermenging, aan de inlaatkamer voor de brandstof waar het oxidatiemiddel deze kamer binnentreedt uit de koelkanalen waarin het is voorverwarmd.

15 De constructie volgens· de uitvinding omvat ook de organen voor de toevoer van de vloeibare of andere brandstof met hoge verbrandings-waarde, van het steenkoolgas met lage verbrandingswaarde en de extra tweede brandertrappen. De trapsgewijze brandstof toevoer wordt verkregen door een aantal straalbuizen.. Door dit grotere aantal straalbuizen ontstaat 20 een rustigere verbranding, hogere snelheid van de vermenging van de volumes, kortere, brandlengten en daardoor minder tê koelen wandoppervlak. Eveneens ontstaan hogere akoestische frequenties waardoor resonantie wordt voorkomen tussen mechanische frequenties en drukschommelingen door chemische warmteafgifte.

25 De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een. uitvoeringsvoorbeeld van de brander volgens de uitvinding is weergegeven.

Fig. 1 is een aanzicht in perspectief waaruit een gedeelte is weggenomen en een ander deel.uitgenomen is weergegeven.

30 Fig. 2 is een langsdoorsnede door de brander van fig. 1 waaruit de constructie en werking blijkt van de hoofdverbrandingszone van de branderkamer, de ontsteekzone en de tegenstroom-koelkanalen alsmede van de brandstoftoevoertrappen.

Fig. 3 is een dwarsdoorsnede volgens 3-3 van fig. 2.

35 Fig. 4 is een perspectievische schets van de tegenstroomse 7906127 i.· ff -5- / gasbanen, gebaseerd op fig. 5-7 in verband met fig. 2.

Fig. 5 toont een doorsnede op grotere schaal van het bovenste deel van de branderkamer van fig. 2.

Fig. 6 komt overeen met fig. 5 maar betreft de wand van de 5 branderkamer op een hoekafstand van 90° ten opzichte van fig. 5.

Fig. 7 komt overeen met fig. 5 en 6 maar-betreft het onderste deel van de branderkamer van fig. 2.

'Fig. 8 is een aanzicht op de platen die de voering vormen van de hoofdverbrandingszone ofwel branderkamer.

10 Fig. 9 is een eindaanzicht van de platen van fig. 8.

Fig. 10 is een doorsnede volgens 10-10 van fig. 8

Fig. 11 toont op grotere schaal de wijze waarop de platen met elkaar zijn verbonden.

Fig. 12 is een grafiek van de werking van de brander.

15 De primaire verbrandingskamer (fig. 1 en 2), die de hoofd- verbrandingsgebiedsectie 32 vormt/ is voorzien van een flens 36 aan zijn stroomafwaartse einde, waarmee deze kamer is verbonden met de inlaat van de gasturbine die schematisch is aangeduid met zijn inlaatstraalbuis 34.

De beschrijving van de enkele samengestelde brander, die de 20 hoofdverbrandingszone vormt, de aansteekzone en het brandstof toevoer-gedeelte met extra toevoertrappen, betreft een enkele van een aantal van deze branders welke in omtreksrichting van de gasturbine kunnen zijn aangebracht.

Het hoofdverbrandingsgebied 32 van de brander omvat een buiten-25 mantel 42 van golfvormige constructie welke dient om vrijwel alle druk- belastingen op te nemen welke optreden tijdens de werking, en een binnenste of voeringwand 44 welke dient voor het opnemen van vrijwel alle warmte-gradiënten welke gepaard gaan met de verbranding. Deze dubbele wand scheidt doelmatig de spanningen ten gevolge van wazmtevervallen van de 30 spanningen ten gevolge van drukbelasting, waardoor vermoeiingsproblemen worden voorkomen welke normaal een beperkende faktor zijn bij werking bij hoge temperatuur. In het bijzonder in fig. 1 zijn rijen primaire en secundaire gaten 50 resp. 51 voor verdunningslucht weergegeven, evenals koelluchtgaten 52, alle in de buitenwand 42. De ringvormige sektorvorm 35 van de kamer, die het hoofdverbrandingsgebied 32 vormt, verloopt taps 7906127 1 + -6- van ongeveer een vierkant nabij het stroomopwaartse einde 46 van de branderkamer 32 naar een ringvormige sektor welke ongeveer — bedraagt van de totale ring van de turbinestraalbuis 34 van de eerste trap aan het stroomafwaartse einde 54 van de kamer, waarbij n het totale aantal 5 branderkamers aangeeft. Dóór deze vorm, welke ook is beschreven in de eerder genoemde aanvrage, wordt de noodzaak vermeden van overgangssecties tussen de brander en de turbine, welke nodig zijn bij de bekende cirkelvormige of busvormige branderkamers. Hierdoor is een kortere gasturbine mogelijk en wordt ook de koeling vereenvoudigd daar de speciale vorm van 10 overgangssecties en de verandering van een cirkelvormige of meervoudig cirkelvormige dwarsdoorsnede naar een ringvormige dwarsdoorsnede, ge- . koppeld met een gewenste piekbedrijfstemperatuur van de brander van ongeveer 1649°C waterkoeling nodig zouden maken van de overgangssecties, waardoor de constructie ingewikkelder wordt en het kringlooprendement afneemt.

15 De- dubbele wandconstructie en de inrichtingen voor de stroming van brandstof en lucht voor de branderkamer 32 blijken uit fig. 2 en uit., fig. 5-7.

De golfvormige buitenwand 42, bij voorkeur vervaardigd van een in de handel verkrijgbare legering op nikkelbasis, met hoge sterkte, 20 zoals Inconel 718, geeft de mechanische steun voor de voeringwand 44 en neemt ook vrijwel alle drukbelastingen op tijdens de werking van de brander. De golfvormige constructie van de buitenmantel 42 verschaft een hoge stijfheid (geschat op veertigmaal de stijfheid van een plaat met vergelijkbare dikte) ter voorkoming van. buiging en trillingsspanningen 25 en vormt ook een groef en lipconstructie met de voeringwand, welke in detail, is weergegeven, in fig. 8-11, met plaatsteunen 58 voor de voeringwand 44. Door de hierna te beschrijven maatregelen voor de koeling kan de o buitenwand 42 werken bij temperaturen welke 278 tot 333 C lager zijn dan die van de voeringwand 44 wanneer brandstof met lage verbrandingswaarde 30 wordt verbrand, en met een verwaarloosbare warmteval tussen het binnenvlak en het buitenvlak van deze wand.

Binnen de buitenwand 42 zijn los daarvan en erdoor gedragen plaatsteunen 58 aangebracht voor de voeringwand 44 welke bestaat uit een aantal elkaar overlappende voeringplaten 60 zoals weergegeven in het 35 uitgenomen deel van fig. 1 en in fig. 8-11. Zoals blijkt uit fig. 2, 6-8 7906127 A- -7- en 11 heeft de voeringwand 44, in de dwarsdoorsnede gezien, een gesegmenteerd uiterlijk door het in elkaar grijpen van de randen van tegen elkaar aanliggende voeringplaten zoals de platen 60a, 60b. De stroomopwaartse en stroomafwaartse einden van aangrenzende platen overlappen elkaar teles-5 copisch.

Tijdens de werking van de gasturbine neemt de voering 44 vrijwel alle warmtevervallen op welke in het hoofdverbrandingsgebied 32 van de brander optreden binnen de voeringwand 44, terwijl deze wand ook de koeling van de delen van de brander veroorzaakt. Daarom zijn de platen van de 10 voeringwand 44 bij voorkeur vervaardigd van een legering op nikkelbasis, bestand tegen hoge temperatuur, zoals Udimet 500 of een legering op kobalt-basis zoals MAR-M509, welke legeringen beide in de handel verkrijgbaar zijn.

De nieuwe constructie voor het steunen van de voeringwand 44 en de buitenwand 42 is weergegeven in fig. 8-11, in het bijzonder fig. 11, 15 en in fig. 5-7, welke laatste figuren ook de gasstroombaan aangeven. Een aantal plaatsteunen zijn vast verbonden met elke voeringplaat 60, zoals de steun 58, welke steunen op gelijke afstanden zijn aangebracht en op één lijn, ongeveer evenwijdig aan de richting van de tegenstroom van het koelmiddel in het koelmiddelkanaal 63 tussen de buitenwand 42 en de 20 voeringwand 44. De plaatsteun 58 verloopt van een langwerpig rugdeel 64 met een haak 66 aan zijn stroomafwaartse einde en een vasthouddeel 58 aan het stroomopwaartse einde. De haak 66 kan passen in een groef 70 in de golfvormige buitenwand 42 en komt in ingrijping met een lip 72 aan de buitenwand 42. De haak 66 wordt in de groef 70 vastgehouden doordat een 25 tegenhoudorgaan 73 ertegen aanligt, welk orgaan deel uitmaakt van een uit delen bestaande ring met- cirkelvormige dwarsdoorsnede, welke wordt gestoken in de groef 70 nadat de haak 66 erin is aangebracht. Het vasthoud-orgaan 73 wordt op zijn beurt in de groef 70 vastgehouden door een tegen-houdsteun 74 van de aangrenzende stroomafwaartse plaatsteun. Het rugdeel 30 64 draagt niet alleen de stem 58 en de haak 66 maar draagt bij tot de stijfheid en tot het koeloppervlak van de voeringplaat 60, waardoor piek-temperaturen van deze plaat worden verminderd, evenals de temperatuurver-vallen en de spanningen daarin, terwijl ook de koelmiddelstroom in het kanaal 63 erdoor wordt geleid.

35 Zowel convectiekoeling als filmkoeling worden toegepast voor het 7906127 , 5 -8- regelen van de temperaturen van de branderonderdelen in het hoofbrandings-gebied en deze koeling is zeer belangrijk-voor het verkrijgen van een hoog branderrendement en een hoog kringlooprendement alsmede ontsteek-temperaturen welke vrij dicht liggen bij de adiabatische stoèchiometrische 5 temperatuurgrens van het steenkoolgas met lage verbrandingswaarde dat als de primaire brandstof voor de brander wordt gebruikt. De buitenwand 42 en de voering 44 begrenzen tussen zich het koelmiddelkanaal 63 waaraan koellucht van een niet-weergegeven compressor wordt toegevoerd doorr.de gaten 52 voor de koellucht in de buitenwand nabij het stroomafwaartse 10 einde van de branderkamer 32. Tijdens de werking van de gasturbine zorgen de koelkanalen 63 voor een luchtstroom, langs de gehele voeringwand 44 in tegenstroom met de stroomrichting in het hoofdverbrandingsgebied 32.

Door de tegenstroom wordt het buitenvlak van de voering 44 door convectie gekoeld, evenals het binnenvlak van de buitenwand 42. De doelmatigheid 15 van de warmteoverdracht wordt vergroot door de richting van de koel- middelstroom daar voor elke voeringplaat de koudste lucht in aanraking komt met het buitendeel aan· het stroomafwaartse einde van de plaat.

Elke voeringplaat,. zoals de plaat 60 van fig. 11, heeft film-koelgroeven 81 en een overhangende lip 82 nabij het stroomafwaartse einde 20 zodat, wanneer de tegenstroomse lucht vloeit langs het buitenvlak van de binnenwand 44 een deel daarvan over 180° omkeert en stroomt door de groeven 81 nabij het overlappingsgebied met de aangrenzende stroomafwaartse plaat en vervolgens langs het hete binnenvlak van de stroomafwaartse plaat stroomt voor filmkoeling daarvan. De werking van de extra openingen 25 50 en 51 is beschreven in de genoemde eerdere aanvrage.

Het koelkanaal 63 gevormd door aan elkaar grenzende platen zet zich voort in het koelkanaal 101 van het onststeekverbrandingsgebied 102, zoals hieronder nader wordt beschreven.

Behalve het hoofdverbrandingsgebied 32 omvat de uitvinding het 30 ontsteekverbrandingsgebied 102 waarin de ontsteking eerst plaatsvindt.

De buitenwand. 42 van de· branderkamer is aan de bij elkaar behorende ringvormige flenzen 110 verbonden met de buitenwand 111 van het huis van het ontsteekverbrandingsgebied. De flenzen 110 lopen door, zoals blijkt uit fig. 3, in de achterwand 110a van het hoofdverbrandingsverdeel 35 32, waarin ingangen zijn aangebracht voor de verschillende brandstoffen 7906127 * .

-9- zoals hieronder nader wordt beschreven. De buitenwand 111 van het ontsteek-vefbrandingsgebied heeft voldoende sterkte voor het opnemen van de erop uitgeoefende mechanische spanningen en kan van hetzelfde materiaal zijn als de buitenwand 42 van de branderkamer 32. De binnenwand 112 van het 5 ontsteekverbrandingsgebied vormt een ring 163 die de voortzetting vormt van de kanalen 63 zodat de koellucht, stromend tegengesteld aan de richting van de verhitte gassen, de binnenwand 112 kan koelen.

Het kanaal 163 zet zich voort in de opening 115 aan het stroom-opwaartse einde van het ontsteekverbrandingsgebied 102 waarna de lucht 10 wervelschoepen 116 passeert en de voorverwarmde lucht vormt voor de beginverbranding.

Een opening 120 (fig. 2) in het ontsteekverbrandingsgebied kan worden verbonden met een buis 121 (fig. 1) voor de toegang naar het ontsteekverbrandingsgebied voor een willekeurige ontsteekinrichting, die 15 gewenst of nodig kan zijn voor het ontsteken van het steenkoolgas met lage vefbrandingswaarde. De constructie volgens de uitvinding heeft twee mogelijkheden voor de toevoer van brandstof. Het steenkoolgas met lage verbrandingswaarde kan door geschikte leidingen worden gevoerd naar de inlaatopening 122 van een tapse cilindrische buis 123 die tezamen met 20 een steun 124 het stroomopwaartse einde van de brandereenheid steunt.

Het gas met lage verbrandingswaarde, dat de inlaatopening 122 binnengaat, stroomt door een verdeelleiding 125 die een toevoerbuis 130 voor brandstof met hoge verbrandingswaarde omgeeft. De verdeelleiding 125 is verbonden met het inlaatgedeelte 135 van het ontsteekverbrandingsgebied 102 door middel 25 van wervelschoepen 136, die op onderlinge afstand zijn aangebracht rondom de uitlaat van de verdeelleiding. Het wervelende steenkoolgas, dat de verdeelleiding 125 verlaat door de schoepen 136, vermengt zich met de voorverwarmde lucht die door de kanalen 63 is gestroomd in het kanaal 163 en voorbij de wervelschoepen 116, waardoor een zeer brandbaar mengsel 30 is ontstaan dat door willekeurige geschikte middelen kan worden ontstoken in het ontsteekverbrandingsgebied. Lucht van een inlaat 150 naar een verdeelleiding 151 stroomt door schoepen 152. De extra lucht, welke wordt toegevoerd door de opening 150 naar de verdeelleiding 151, welke in werveling wordt gebracht door de schoepen 152, draagt bij tot de verbranding. Deze 35 wervelende lucht is extra lucht ten opzichte van de verstuivingslucht welke wordt gebruikt tezamen met de vloeibare brandstof in·de leiding 130, welke 7906127 -10- - Ί / voert naar een mondstuk 140' dat van bekende constructie is, en vormt ook extra lucht ten opzichte van de wervelende voorverwarmde lucht.

Bovendien kan brandstof met hoge verbrandingswaarde worden ingebracht door de leiding 130 waardoor op bekende wijze een mengsel 5 ontstaat van verstuivingslucht en vloeibare brandstof, dat het mondstuk 140' verlaat en terechtkomt in-het stroomopwaartse einde 135 van het ontsteekverbrandingsgebied 102. De combinatie van brandstof toevoer door het mondstuk 140' met geschikte verstuivingslucht, met het gas met lage verbrandingswaarde, dat wordt toegevoerd door de opening 122 van de 10 verdeel leiding 125 en de onderlinge vermenging van deze brandstoffen en verdere vermenging met voorverwarmde lucht, toegevoerd uit de openingen 115 en de wervelschoepen 116, verschaft een mengsel dat onder geschikte omstandigheden, zelf ontstekend kan zijn. De aanvankelijke ontsteking kan echter worden uitgevoerd via de buis 121 en de opening 120.

15 Nadat de aanvankelijke brandstof met hoge verbrandingswaarde is ingebracht via de leiding 130 en de verstuivingsopening 140' in het aansteekverbrandingsgebied 102, tezamen met het steenkoolgas met lage verbrandingswaarde via de wervelschoepen 136, kan de toevoer van. de vloeibare brandstof met hoge verbrandingswaarde worden afgesloten, waarna 20 de verbranding zich voortzet. De bedienende man heeft de keuze brandstof te gebruiken met lage verbrandingswaarde of brandstof met hoge verbrandings— waarde of een combinatie van beide naar. gelang de omstandigheden vereisen.

Opgemerkt wordt dat de binnenwand 112 van het ontsteekverbrandingsgebied die tezamen met de buitenwand 111 het regeneratieve koelluchtkanaal 25 vormt, zich voortzet. rondom de gehele ontsteekverbrandingszone en op geschikte wijze wordt gesteund door en op een afstand van de buitenwand 111 op een willekeurige geschikte wijze waardoor-de luchtstroom niet wordt gehinderd. Dit maakt het mogelijk extra bronnen of trappen voor toevoer van brandstof met lage verbrandingswaarde aan te brengen. In 30 fig. 1—3 zijn twee van dergelijke trappen weergegeven in de vorm van de pijpen 140 en 141. Het aansteekverbrandingsgebied, zie in het bijzonder fig. 1-3, is verbonden met het hoofdverbrandingsgebied 32 door de grote opening 143 in de wand 110a. De extra toevoerkanalen 140, 141 voor de brandstof met lage verbrandingswaarde zijn ook verbonden met de brander-35 kamer 32 en wel door openingen 144 en 145. Hoewel twee van dergelijke inlaten voor de extra brandstoftrappen zijn weergegeven is het mogelijk 7906127 r » -11- ook een enkele inlaat te hebben ofwel drie of meer, afhankelijk van de situatie en de warmtevraag.

Extra brandstof met lage verbrandingswaarde kan, zoals hiervoor is gezegd, worden toegevoerd via bijvoorbeeld de pijp 140 aan het hoofd-5 vefhrandingsgebied 32 en worden ontstoken door het verbrandingsproces dat in het hoofdverbrandingsgebied 32 plaatsvindt. De tweede trap van de toevoer van het gas met lage verbrandingswaarde verloopt van de pijp 140 via een stel wervelschoepen 155 waardoor de secundairs gastoevoer met lage verbrandingswaarde zich vermengt met de regeneratieve lucht welke binnen-10 treedt via de wervelschoepen 156.

Zoals hiervoor reeds -is gezegd verloopt het tegenstroomse koelluchtkanaal 63 en 163 niet alleen van de verbrandingskamer naar het ringvormige kanaal 163 rondom het ontsteekgebied maar is het kanaal 163 aan het onderste en stroomafwaartse einde ook verbonden met het invoer-15 deel 161 voor de tweede trap van de gastoevoer met lage verbrandingswaarde aan de branderkamer 32, via de wervelschoepen 160, zodat ook met dit gas voorverwarmde verbrandingslucht wordt vermengd. Bovendien is het tegenstroomse koelluchtkanaal 63 aan het ondereinde van de branderkamer 32 verbonden met het extra kanaal 163a, dat via een opening 163b voorverwarmde 20 verbrandingslucht voert door de wervelschoepen 160 en deze wordt vermengd met de toegevoerde brandstof door de leiding 140 in het menggedeelte 161 juist wanneer die brandstof het hoofdverbrandingsgebied van de branderkamer 32 binnengaat, waardoor ook dit mengsel van brandstof en lucht wordt voorverwarmd en de ontsteekbaarheid wordt vergroot. Het schema van de 25 luchtstroming blijkt uit fig. 4.

Lucht van de inlaat 162 stroomt via de wervelschoepen 156 naar het invoerdeel of het mengvat 161 van de tweede trap van de toevoer van het gas met lage verbrandingswaarde teneinde te verkrijgen dat die hoeveelheid lucht zich vermengt· met de brandstof zodat het resulterende mengsel 30 met de voorverwarmde lucht uit de schoepen 160 voldoende rijk is om te kunnen branden bij de laagste gewenste waarde van de brandstof toevoer, maar niet zo rijk bij de hoogste gewenste waarde van brandstoftoevoer dat het verbrandingsproces uitdooft.

Nu de constructieve eigenschappen van de trapsgewijze brander 35 volgens de uitvinding zijn beschreven kan een beter begrip van de werking 7906127 • -t * -12- worden verkregen aan de hand van fig. 12, waarin de temperatuurstijging over de brander is uitgezet tegen de equivalentieverhouding in het reaktie-gebied. Drie rechthoeken 201,. 202 en 203 zijn weergegeven in het diagram.

De grootste rechthoek 201 is aangegeven met een fijne gebroken lijn en 5 de breedte ervan geeft ongeveer de brandgrenzen weer van destillaat nummer twee. De hoogte van de rechthoek 201 is het gebied van de vereiste temperatuurstijging in de brander, waarbij de onderste lijn het minimum aangeeft van ontsteking bij volle snelheid onbelast an de bovenste lijn overeenkomt.-met volle snelheid en vollast voor de gebruikelijke technologie.

10 De kleinste rechthoek 203 is getekend met doorgaande lijnen en geeft-de benaderde brandgrenzen weer voor een brandstof met een verbrandings- 3 waarde van 4690 kJ/m . De hoogte van de rechthoek betreft het temperatuur-stijgingsgebied van de brander van 20% belasting af, het benaderde overgangspunt waarbij de verbranding van steenkoolgas begint, tot een temperatuur 15 van 1427°C bij een compressordrukverhouding van 12. De derde rechthoek 202 is aangegeven met grof gebroken lijnen en komt overeen met rechthoek 3 203 behalve dat de onderste verbrandingswaarde van de brandstof 5520 kJ/m bedraagt en de drukverhouding 16.

Gebogen lijnen 205-208, welke een constante luchtstroom weergeven 20 door dit reaktiegebied* als percentage van de totale luchtstroming door de brander, zijn bij de rechthoeken aangebracht. De gebogen lijnen tonen dat niet meer dan ongeveer 18% van de luchtstroom kan deelnemen aan de reaktie met het destillaat, daar anders het mengsel te arm zal zijn bij volle snelheid en zonder belasting (linkeronderhoek van de rechthoek).

25 Ook kan niet meer dan ongeveer 9% van de lucht de reaktiezone binnengaan daar anders het mengsel, te rijk zal zijn om te branden bij volle snelheid en vollast (rechterbovenhoek van de rechthoek).

3

Wanneer de brandstof met verbrandingswaarde van 4690 kJ/m wordt verbrand en bij gebruikmaking van de krommen 210-213 is in de lihkeronder-30 hoek van rechthoek 203 niet meer dan 28% lucht nodig en in de rechterbovenhoek niet minder dan 55%. Dit is ónmogelijk zonder trapsgewijze brandstof-toevoer. De Z-vormige lijnen in het verbrandingsgebied van rechthoek 203 voor de brandstof met verbrandingswaarde 4690 kJ/nf* geven het percentage weer van de branderlucht welke wordt vermengd met de brandstof bij 35 trapsgewijze brandstoftoevoer. Beginnend in de linkeronderhoek van rechthoek 7906127 « · -13- 203 wordt alleen, brandstof toegevoerd aan het ontsteekgebied, welke zich vermengt met ongeveer 25% van de lucht. Wanneer deze lijn de rijke brandgrens bereikt, ongeveer halverwege in het belastingsgebied, d.w.z. bij de helft van de vereiste temperatuurstijging van de brander, wordt de brandstofstroom 5 verdeeld tussen de aansteekbrander en de tweede trap ofwel de hulpbranders.

Dit is weergegeven door de dubbele dikke lijn welke ongeveer begint aan de arme brandgrens en eindigt bij de rijke brandgrens en bij een temperatuur van 1427°C. Als voorbeeld kan worden gezegd dat bij brandstoftoevoer in één trap en in het bedrijfspunt van de basisbelasting het mengsel zeer rijk 10 is, waardoor de uitstoot van koolmonoxide hoog is, bijvoorbeeld 3000 tot 4000 gewichtsdelen per miljoen. Door toepassing van de trapsgewijze brandstoftoevoer volgens de uitvinding en armer maken van het brands tof-luchtmengsel met slechts 10%, wordt de koolmonoxideuitstoot verminderd met een faktor van ongeveer 10 hetgeen een aanvaardbaar niveau is voor de meeste 15 toepassingen.

De uitvinding verschilt van bekende technieken waarbij de massa-stroom van de brandstof en/of de massastroom van de lucht wordt gevarieerd, doordat alleen de equivalentieverhouding van de reaktiezone wordt bestuurd en in stand gehouden binnen een gekozen gebied, waardoor een doelmatige 20 verbrandingsreaktie wordt verzekerd in het gehele brandgebied, van de armste tot de rijkste totale equivalentieverhoudingen. Bij de brander volgens de uitvinding wordt dus niet de massastroom van de brandstof of de lucht gevarieerd maar wordt de brandstof/luchtverhouding in de reaktiezone bestuurd door regeling van de trapsgewijze toevoer door een aantal brandstof-25 mondstukken. Hierdoor kan de verbrandingsreaktie werken binnen ongeveer 139°C van de adiabatische stoechiametische homogene evenwichtstemperatuur-grens.

Door toepassing van verbranding in twee zones, d.w.z. een ontsteek-zone en een hoofdverbrandingszone, is het door de lage temperatuurstijging 30 in het ontsteekverbrandingsgebied mogelijk de uitstoot van NO en CO te

X

regelen door besturing van de brandstoftoevoer en de luchtvoorverwarming.

Het hoofdverbrandingsgebied vergroot de temperatuurstijging van de reaktiezone met een extra waarde boven de ontsteekzone door de trapsgewijze toevoer, waardoor de plaatselijke equivalentieverhouding wordt bestuurd en een doel-35 matige chemische reaktie wordt verkregen door het gehele verbrandingsgebied 7906127 - 14- • } van equivalentieverhoudingen. Met de trapsgewijze brandstoftoevoer volgens de uitvinding is bovendien een bredere verlaging van de temperatuurstijging en zijn bredere uitdoofgrenzen mogelijk daar een breder gebied van totale equivalentieverhoudingen wordt bereikt, waarbij stabiele en doelmatige 5 verbranding plaatsvindt.

Hoewel de uitvinding is beschreven aan de hand van een voorkeurs— uitvoeringsvorm is het duidelijk dat verschillende extra eigenschappen of elementen kunnen worden aangebracht:

De platen 60 volgens fig. 8-11 kunnen indien nodig worden versterkt 10 met extra ruggen 170 welke bovendien als extra warmteoverdrachtsvlakken werken.

In tegenstelling met de bekende constructie als beschreven in de eerder genoemde octrooiaanvrage loopt het kanaai 63 door in het kanaal 163 voor het ontsteekverbrandingsgebied en in het kanaal 163a voor de 15 tweede brandstof trap. Het kanaal 163 zorgt voor de tegenstromende koellucht voor het ontsteekverbrandingsgebied 102 en stroomt uit via de opening 115 en de wervelschoepen 116 voor vermenging van de voorverwarmde lucht met de hoofdtoevoer van het gas met lage verbrandingswaarde, alsmede met een willekeurige brandstoftoevoerinrichting welke in verbinding daarmee wordt 20 gebruikt.

Het extra kanaal 163a aan de onderzijde is verbonden met de voortzetting 163b van het kanaal 163 waardoor eveneens wervelende lucht wordt toegevoerd langs de schoepen 156 voor het steenkoolgas met lage verbrandingswaarde dat binnenkomt via de pijp 140 in het gedeelte 161, 25 waar het gas en de voorverwarmde lucht en extra lucht worden gecombineerd vóór het binnengaan in de hoofdbranderkamer 32.

Het gebruik van een aantal mondstukken bij de trapsgewijze • brandstoftoevoer geeft een mistiger branden, een hogere volumemengsnelheid, kortere brandlengte en daardoor kleiner te koelen oppervlak, en hogere 30 akoestische frequenties waardoor resonantie wordt voorkomen tussen mechanische frequenties en drukschommelingen door vrijkomen van chemische warmte. Doordat de hoofdverbrandingszone, gevormd door de kamer 32, een kleinere lengte heeft doordat de ontsteekverbrandingszone 102 dient voor het inleiden van de verbranding, wordt de totale lengte van de gehele inrichting niet merkbaar 35 groter.

Samenvattend kan worden gezegd dat ten opzichte van de met steen- 7906127 *> » -15- * koolgas met lage verbrandingswaarde gestookte brander volgens de eerder genoemde octrooiaanvrage de brander volgens de uitvinding omvat: een aansteekverbrandingszone voor de aanvankelijke ontsteking van de verbrandingsprodukten, 5 de dubbelwandige luchtbaan is verlengd met de wand van de aansteek verbrandingszone waardoor voorverwarmde lucht wordt verkregen voor de aansteekverbrandingszone, de toevoer van het gas met lage verbrandingswaarde en extra lucht vindt plaats aan het stroomopwaartse einde van de ontsteekverbrandings zone, 10 wervelschoepen zijn aangebracht bij elke gasinlaat voor de ontsteekverbrandingsz ene , van het kanaal van de dubbele wand, van de toevoer van het gas met lage verbrandingswaarde en van de toevoer van de extra lucht, brandstof met hoge verbrandingswaarde kan ook naar keuze worden 15 toegevoerd aan het stroomopwaartse einde van de ontsteekverbrandingszone, en één of meer extra brandstoftrappen voor gas met lage verbrandingswaarde kunnen worden aangebracht met directe toevoer langs wervelschoepen aan het hoofdverbrandingsgebied.

7906127

Claims

2. Branderkamer volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het stroomopwaartse einde van het hoofdverbrandingsgebied is voorzien van een dwarswand, waarin een eerste opening is gevormd, terwijl het stroomafwaartse einde van het ontsteekverbrandingsgebied is verbonden met deze opening. 5 ' 3. Branderkamer volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de brandstoftoevoerorganen voor de toevoer van gasvormige brandstof en vloeibare brandstof aan de branderkamer zijn verbonden met het stroomopwaartse einde van het ontsteekverbrandingsgebied.
4. Branderkamer volgens conclusie 3, met het kenmerk dat tenminste 10 één extra opening is aangebracht in de dwarswand, waarbij brandstoftoevoer organen voor een tweede trap van toevoer van gas met lage verbrandingswaarde zijn verbonden met deze extra opening zodanig dat zij rechtstreeks het hoofdverbrandingsgebied kunnen binnengaan.
5. Branderkamer volgens conclusie 3, met het kenmerk dat een 15 aantal extra openingen· zijn aangebracht in de dwarswand en een aantal trappen voor toevoer van gas met lage verbrandingswaarde afzonderlijk zijn verbonden met elk van deze extra openingen, zodanig dat het gas rechtstreeks wordt toegevoerd aan het hoofdverbrandingsgebied.
6. Branderkamer volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de 20 brandstoftoevoerorganen bestaan uit een brandstofleiding, verbonden met het stroomopwaartse einde van het ontsteekverbrandingsgebied, een mondstuk voor vloeibare brandstof, opgenomen binnen en op een afstand van deze leiding, waarbij tussen de leiding en het mondstuk een kanaal is gevormd voor steenkoolgas met lage verbrandingswaarde, en uit een wervelorgaan 25 voor steenkoolgas, aangebracht tussen het mondstuk voor vloeibare brandstof en de brandstofleiding.
7. Branderkamer volgens conclusie 6, met het kenmerk dat een gedeelte van de luchttoevoerorganen bestaan uit een leiding, verbonden met het stroomopwaartse einde van het tweede koelmiddelkanaal en met het 30 stroomopwaartse einde van het inwendige van het ontsteekverbrandingsgebied, waarbij de wand van deze leiding in hoofdzaak coaxiaal is met de brandstofleiding en daarbuiten is gelegen, welke wand de koelluchtstroam van het tweede koelmiddelkanaal toevoert aan de ontsteekverbrandingszone, waarbij wervelorganen zijn aangebracht tussen de brandstofleiding en deze wand.
8. Branderkamer volgens conclusie 7, met het kenmerk dat 7906127 . -18- wervelorganen zijn aangebracht bij de extra opening rondom de tweede trap voor brands tof toevoer, waarbij een eerste kanaal van het tweede koelmiddel-kanaal voert naar de wervelorganen van deze extra opening, en een tweede kanaal van het eerste koelmiddelkanaal naar de wervelorganen van de extra 5 opening, welke kanalen een gedeelte van het koelmiddel van elk kanaal voeren · naar het inwendige van het stroomopwaartse einde van het hoofdverbrandings-gebied grenzende aan het toevoerpunt van de brandstoftoevoerorganen van de tweede trap voor het doen wervelen van deze koellucht tezamen met de toevoer van de tweede trap.
9. Branderkamer volgens conclusie 8, met het kenmerk dat extra stroomopwaartse organen voor luchttoevoer zijn aangebracht, bestaande uit een luchtleiding welke coaxiaal is met de brandstofleiding en daarbuiten gelegen, en uit wervelorganen aangebracht tussen het uitwendige van de brandstofleiding en het inwendige van de luchtleiding.
10. Werkwijze voor het doen werken van een brander voor hoge temperatuur met brandstofgas met lage verbrandingswaarde en vloeibare brandstof, afzonderlijk en/of in combinatie, welke brander een ontsteekverbrandingsgebied en een. hoofdverbrandingsgebied omvat, welke met elkaar zijn verbonden, welke werkwijze is gekenmerkt door het toevoeren van 20 brandbaar met lage verbrandingswaarde. en wervelende lucht aan het stroom opwaartse einde van het ontsteekverbrandingsgebied voor vermenging daarin, het ontsteken en verbranden van het mengsel van brandstof en lucht in het ontsteekverbrandingsgebied, waarbij de verbrandingsprodukten het stroomopwaartse einde van de hoofdbrander binnengaan, en het toevoeren 25 van extra brandstof met lage verbrandingswaarde en lucht aan het hoofd verbrandingsgebied via één of meer brandstofmondstukken en wervelorganen, voor het in stand houden van de plaatselijke equivalentieverhouding binnen een gekozen gebied voor doelmatige werking van de brander.
11. Werkwij ze volgens conclusie 10, met het kenmerk dat het 30 toevoeren van extra brandstof en lucht omvat het achtereenvolgens trapsgewijs toevoeren van de extra brandstof door een aantal brandstofmondstukken in het hoofdverbrandingsgebied.
12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk dat het verbranden van het mengsel van brandstof en lucht in het hoofdverbrandings- O 35 gebied een temperatuurstijging veroorzaakt tot binnen ongeveer 250 C 7906127 -19- van de adiabatische stoechiometrische, homogene evenwichtstemperatuurgrens.
13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk dat het toevoeren van gas met lage verbrandingswaarde· aan het stroomopwaartse einde van het ontsteekverbrandingsgebied wordt voorafgegaan door de toevoer 5 van een brandstof met hoge verbrandingswaarde aan het ontsteekverbrandingsgebied, zodanig dat de ontsteking wordt bevorderd.
14. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk dat een brandstof met lage verbrandingswaarde, met hoge verbrandingswaarde of een kombinatie daarvan wordt gekozen.
15. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij de brander een buiten wand heeft en een voeringwand, welke coaxiaal binnen de buitenwand is opgenomen en daarmee een koelmiddelkanaal begrenst, met het kenmerk dat de lucht wordt toegevoerd in tegenstroom met de stroming in het ontsteekverbrandingsgebied en in het hoofdverbrandingsgebied, zodanig dat de 15 voeringwand wordt gekoeld. 7906127