DE19626240A1

DE19626240A1 - Vormischbrenner und Verfahren zum Betrieb des Brenners

Info

Publication number: DE19626240A1
Application number: DE19626240A
Authority: DE
Inventors: Klaus Doebbeling; Hans Peter Knoepfel; Timothy Griffin
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1996-06-29
Filing date: 1996-06-29
Publication date: 1998-01-02
Also published as: EP0816759A2; EP0816759A3; EP0816759B1; CN1170844A; JPH1061916A; US5782627A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungs technik. Sie betrifft einen Vormischbrenner der Doppelkegel bauart und ein Verfahren zum Betrieb des Brenners.

Stand der Technik

Aus EP 0 321 809 B1 ist der prinzipielle Aufbau eines Bren ners der Doppelkegelbauart bekannt, auf den sich die Erfin dung bezieht. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus hoh len, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen und Zuführungen für gas förmige und flüssige Brennstoffe, bei dem die Mittelachsen der hohlen Teilkegelkörper eine in Strömungsrichtung sich er weiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zuein ander versetzt verlaufen. Im von den Teilkegelkörpern gebil deten kegelförmigen Innenraum ist am Brennerkopf eine Brenn stoffdüse plaziert. Der gasförmige Brennstoff wird dem Ver brennungsluftstrom vorgängig seiner Einströmung in den Bren nerinnenraum über entlang der Eintrittsschlitze angeordneten Gasinjektoren zugeführt. Die Bildung des Brennstoff/Luft-Ge misches geschieht somit direkt am Ende der tangentialen Luft eintrittsschlitze. Die Eintrittsebene der Verbrennungsluft und die Gaseintrittsebene (Belochungsebene) fallen bei diesem bekannten Stand der Technik zusammen.

Die Zunahme des Dralles entlang der Kegelachse, verbunden mit der plötzlichen Querschnittserweiterung am Brenneraustritt, führt dazu, daß sich stromab des Brenneraustrittes auf der Brennerachse eine Rückströmzone (innere Rezirkulationszone) bildet, die die Flamme stabilisiert. Erst im Staupunkt dieser inneren Rückströmzone wird die Zündung der Flamme eingelei tet.

In bestimmten Betriebszuständen, z. B. nahe der Löschgrenze oder bei magerem Betrieb der Vormischstufe, d. h. beim Über gang zum Kopfstufenbetrieb, bei dem zwecks Anfettung des Brennstoff/Luft-Gemisches zusätzlich Pilotgas in Achsnähe des Brenners eingedüst wird (interne Pilotisierung), neigt der Brenner zu Schwingungen. Das hat wiederum zur Folge, daß der betreibbare Bereich des Brenners, also sein Stabilitätsbe reich eingeschränkt wird und der Brenner frühzeitig ver löscht.

Die Ursache für die Schwingungen und das verlöschen bei ver gleichsweise brennstoffreichen Bedingungen ist die unzurei chende Flammenstabilisierung des Brenners. Der Brenner wird zwar durch die innere Rezirkulationszone stabilisiert, die im Kopfstufenbetrieb mit Zusatzbrennstoff versorgt wird. Die äußere Scherschicht des aus dem Brenner austretenden Brenn stoff/Luft-Gemisches, die eine wesentlich größere Kontakt fläche zwischen Frischgas und Abgas im Vergleich zur inneren Rezirkulationszone zur Verfügung stellt, wird jedoch bisher nicht zur Stabilisierung benutzt.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt die Auf gabe zugrunde, den bekannten Brenner der Doppelkegelbauart mit einfachen konstruktiven Mitteln so zu verändern und ihn so zu betreiben, daß eine zusätzliche Stabilisierung der Flamme erfolgt, ohne daß es zu einer nennenswerten Erhöhung der Schadstoffemissionswerte kommt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der Bren nersichel mindestens eine Bohrungen angeordnet ist, welche der Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in die äußere Rezirku lationszone dient. Erfindungsgemäß wird dies bei einem Ver fahren zum Betrieb des Brenners dadurch erreicht, daß ca. 3 bis 8% des gesamten gasförmigen Brennstoffes in die äußere Rezirkulationszone eingemischt werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, daß die Flammenstabilität verbessert wird, d. h. es treten gerin gere Druckpulsationen in der Flamme auf. Außerdem zeichnet sich der erfindungsgemäße Brenner gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch eine niedrigere magere Löschgrenze aus, so daß er einen erweiterten Betriebsbereich aufweist. Durch die Intensivierung der äußeren Reaktionsfront ergibt sich als weiterer Vorteil eine verkürzte Ausbrandlänge.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Bohrungen parallel zur Brennerachse ausgerichtet sind, weil diese Ausführung sehr einfach zu realisieren ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Bohrungen unter einem Winkel von ca. 45° zur Brennerachse schräg nach außen ange ordnet sind. Dann ist eine besonders intensive Mischung des Brennstoffes mit dem Abgas der äußeren Rezirkulationszone möglich. Gleiches wird in vorteilhafter Weise bewirkt, wenn die zusätzlichen Bohrungen in der Brennersichel derart ange ordnet sind, daß sie eine Eindüsung des Brennstoffes in Ge gendrallrichtung zur Drallrichtung des Abgases in der Rezir kulationszone bewirken.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Brenners der Doppelkegelbauart, der z. B. zum Be trieb einer Gasturbine eingesetzt wird, dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Doppelkegelbren ners;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Brenners mit der Brennkammer in schematischer Darstellung;

Fig. 3 einen Querschnitt des Brenners gemäß Fig. 1 entlang der Ebene III-III;

Fig. 4 einen Querschnitt des Brenners gemäß Fig. 1 entlang der Ebene IV-IV.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der verschiede nen Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den erfindungs gemäßen Brenner. Zum besseren Verständnis ist es vorteil haft, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Schnitte in den Fig. 2 bis 4 herangezogen werden.

Der Brenner besteht aus zwei hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 3, 4 der Teilkegelkörper 1, 2 zu einander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher An ordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 5, 6, durch welche die Verbrennungsluft 7 in den Innenraum 8 des Brenners gelangt. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben je weils einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10, die ebenfalls versetzt zueinander verlaufen, so daß auch in diesem Bereich die tangentiale Lufteintrittsschlitze 5, 6 vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 9, 10 ist eine Düse 11 zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12 untergebracht. Der Brenner kann auch ohne die zylindrischen Anfangsteile 9, 10 ausgeführt sein, so daß er rein kegelig ausgebildet ist. Dann ist die Brennstoffdüse 11 direkt in der Kegelspitze un tergebracht. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind, welche Brennstoffinjektoren darstellen. Durch die Brennstoffinjektoren 15 wird gasförmiger Brennstoff 16 der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 5, 6 strömenden Verbrennungsluft 7 zugemischt.

Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche Verdünnungs- bzw. Kühl luft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes 17 bzw. dessen Wand zugeführt werden kann.

Wird zum Betrieb des Brenners flüssiger Brennstoff 12 verwen det, so strömt dieser durch die Düse 11 und wird in einem spitzen Winkel in den Brennerinnenraum 17 eingedüst, wobei sich ein homogener Brennstoffspray einstellt. Das kegelige Flüssigbrennstoffprofil 23 wird von einem tangential einströ menden rotierenden Verbrennungsluftstrom 7 umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Flüssigbrennstof fes 12 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 7 verringert. Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, d. h. im Bereich der inneren Rezirkulationszone 24 erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der inneren Rezirkulationszone 24.

Diese wird im sogenannten Kopfstufenbetrieb (nicht darge stellt) mit Zusatzbrennstoff versorgt. Erst an dieser Stelle entsteht eine stabile Flammenfront 25. Die Flammenstabilisa tion ergibt sich durch Zunahme der Drallzahl in Strömungs richtung entlang der Kegelachse. Ein Rückschlagen der Flamme in das Innere des Brenners tritt unter normalen Betriebsbe dingungen nicht auf.

Wird gasförmiger Brennstoff 16 verbrannt, so geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 in den Luftein trittsschlitzen 5, 6, also vor Eintritt in den Brennerinnen raum 8.

Erfindungsgemäß sind im Bereich der Brennersichel 26 eine Reihe von Bohrungen 27 angeordnet, die der Zufuhr und Einmi schung von zusätzlichem gasförmigem Brennstoff 16 in die äuße re Rezirkulationszone 28 dienen. Der zusätzliche gasförmige Brennstoff 16 kann im Extremfall auch nur über eine einzige in der Brennersichel 26 angeordnete Bohrung 27 in die äußere Rezirkulationszone 28 eingebracht werden.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, befindet sich diese äußere Rezir kulationszone 28 im äußeren Bereich des Brennraumes 17, nahe der Wand der Brennkammer 21.

Die Bohrungen 27 können in verschiedener Weise in der Bren nersichel 26 angeordnet sein, beispielsweise parallel zur Brennerachse 22. In anderen Ausführungsbeispielen können sie auch unter einem Winkel zur Brennerachse 22 von etwa 45° schräg nach außen angeordnet sein, so daß der zusätzliche gasförmige Brennstoff 16 in Richtung Brennkammerwand einge düst wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bohrungen 27 so angeordnet sind, daß der zusätzliche gasförmige Brenn stoff 16 in Gegendrallrichtung zur Rezirkulationsströmung eingebracht wird, weil dann eine besonders intensive Mischung des Zusatzbrennstoffes mit dem rezirkulierendem Abgas erfolgt und die darauf beruhende Flammenstabilisierung besonders hoch ist.

Der Brenner ist erfindungsgemäß so zu betreiben, daß nur etwa 3 bis 8% des gesamten gasförmigen Brennstoffes durch die Öffnungen 27 in die äußere Rezirkulationszone 28 gelangen. Da an dieser Stelle bereits die Kühlluft 20 beigemischt ist und die rezirkulierenden Abgase bereits einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an die Frontplatte 18 abgegeben haben, be wirkt diese zusätzliche Brennstoffzugabe keine nennenswerte Erhöhung der NOx-Emissionen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Eindüsungen genügend klein sind, um eine Stabi lisierung an den Eintrittsstrahlen zu vermeiden. Nach der Brennstoffeinmischung erfolgt nach einer gewissen Zündver zugszeit Selbstzündung und zwar kurz vor oder direkt an der äußeren Scherschicht des austretenden Brennstoff/Luft-Gemi sches.

Durch die Erfindung wird eine externe Zusatzstabilisierung (durch Minipiloten) realisiert, die u. a. zu einer Erweiterung des Betriebsbereiches des Brenners und zu einer erhöhten Flammenstabilität führt.

Messungen an einem perfekt vorgemischten Versuchsbrenner ha ben gezeigt, daß eine Verschiebung der mageren Löschgrenze um ca. 100 K zu kleineren Temperaturen hin mit einer sehr ge ringen Zunahme der Schadstoffemissionen (zusätzlich ca. 1,5 vppmd 15% O₂, d. h. Konzentration des NOx im trockenen Abgas) möglich ist.

In Fig. 4 ist in einem Querschnitt eine konkrete Ausführung der Erfindung dargestellt. Der Querschnitt zeigt den Bereich der Brenneraustrittssichel 26. In der Sichel 26 sind an 14 Positionen am Umfang mit einer Winkelteilung von etwa 10° Bohrungen 26 mit einem Durchmesser von 0,8 mm angeordnet. Die Anzahl und Größe der Bohrungen 26 wurde so gewählt, daß ca. 3% des gesamten Brennstoffmassenstromes dort austreten und in die in Fig. 4 nicht dargestellte äußere Rezirkulationszone 28 eingemischt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das eben be schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die erfindungsge mäße Lösung kann ebenso auch für Brenner verwendet werden, die aus mehr als zwei Teilkegelkörpern bestehen, z. B. für so genannte Vierschlitzbrenner. Die Bohrungen 27 können außer dem sowohl in ihrer Anzahl als auch in ihrer Position in der Brennersichel 26 variieren. Es ist lediglich darauf zu ach ten, daß der zusätzliche Brennstoffmassenstrom, der in die äußere Rezirkulationszone eingemischt wird, nicht mehr als ca. 8% des Gesamtbrennstoffes ausmacht.

Bezugszeichenliste

1 Teilkegelkörper
2 Teilkegelkörper
3 Mittelachse von Pos. 1
4 Mittelachse von Pos. 2
5 tangentialer Lufteintrittsschlitz
6 tangentialer Lufteintrittsschlitz
7 Verbrennungsluft
8 Brennerinnenraum
9 zylindrischer Anfangsteil von Pos. 1
10 zylindrischer Anfangsteil von Pos. 2
11 Brennstoffdüse
12 flüssiger Brennstoff
13 Brennstoffleitung für Pos. 16
14 Brennstoffleitung für Pos. 16
15 Brennstoffinjektor für Pos. 16
16 gasförmiger Brennstoff
17 Brennraum
18 Frontplatte
19 Bohrung für Pos. 20
20 Verdünnungs- bzw. Kühlluft
21 Brennkammer
22 Brennerachse
23 Flüssigbrennstoffprofil
24 innere Rezirkulationszone
25 Flammenfront
26 Brennersichel
27 Bohrung
28 äußere Rezirkulationszone

Claims

1. Brenner zum Verbrennen von flüssigen (12) und gasförmi gen Brennstoffen (16), bestehend aus mindestens zwei hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkör pern (1, 2), mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen (5, 6) und mit Zuführungen (13, 14) für gasförmige (16) und flüssige Brennstoffe (12), bei welchem die Mittelachsen (3, 4) der hohlen Teilkegelkörper (1, 2) eine in Strö mungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, wo bei im von den Teilkegelkörpern (1, 2) gebildeten kegel förmigen Innenraum (8) am Brennerkopf eine Brennstoffdü se (11) für den flüssigen Brennstoff (12) plaziert ist und die Zuführungen (13, 14) für den gasförmigen Brenn stoff (16) mit Brennstoffinjektoren (15) versehen sind, und die Lufteintrittsschlitze (5, 6) brennraumseitig durch eine Brennersichel (26) abgeschlossen sind, da durch gekennzeichnet, daß in der Brennersichel (26) mindestens eine Bohrung (27) angeordnet sind, welche zur Zufuhr von gasförmigem Brennstoff (16) vorgesehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Bohrung (27) parallel zur Brenner achse (22) angeordnet ist.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Bohrung (27) unter einem Winkel zur Brennerachse (22), vorzugsweise von 45°, schräg nach außen angeordnet ist.

4. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der An sprüche 1 bis 3, wobei im Innenraum (8) des Brenners ei ne in Strömungsrichtung sich ausbreitende, die Wände des Innenraumes (8) nicht benetzende kegelförmige Flüssig brennstoffsäule (23) gebildet wird, welche von einem tan gential in den Brenner einströmenden rotierenden Ver brennungsluftstrom (7) umschlossen wird, und/oder dem Verbrennungsluftstrom (7) vor seiner Einströmung in den Innenraum (8) des Brenners gasförmiger Brennstoff (16) zugeführt wird, die Zündung des Gemisches erst am Aus gang des Brenners stattfindet, und im Bereich der Bren nermündung durch eine innere Rezirkulationszone (24) die Flamme stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß 3 bis 8% des Gesamtbrennstoffmassenstromes in die äußere Rezirkulationszone (28) eingemischt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in die äußere Rezirkulationszone (28) eingemischte Brennstoff (16) entgegen zur Drallrichtung der Rezirku lationsströmung eingedüst wird.