DE19505614A1

DE19505614A1 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners

Info

Publication number: DE19505614A1
Application number: DE1995105614
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Juergen Dr Haumann; Hans Peter Knoepfel; Thomas Dr Sattelmayer; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1995-02-18
Filing date: 1995-02-18
Publication date: 1996-08-22

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus EP-0 321 809 ist ein Brenner bekanntgeworden, der eine vormischartige Verbrennung zuläßt, und sonst noch eine Reihe von Vorzügen aufweist, welche in dieser Druckschrift einge hend gewürdigt sind. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrich tung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren jeweilige Längssymmetrieachsen zueinander versetzt verlaufen, derge stalt, daß die benachbarten Wandungen der Teilkörper in de ren Längserstreckung tangentiale Kanäle für den Einlaß eines Verbrennungsluftstromes in den Brenner bilden. Vorzugsweise wird im von den Teilkörpern gebildeten Hohlraum über eine zentrale Düse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangentialen Kanäle in Längserstreckung vorhandenen weiteren Düsen ein gasförmiger Brennstoff eingebracht wird. Bei diesem Brenner ergibt sich die Flammen stabilisation im "Premixmode" durch die Zunahme des Dralles entlang des Kegelkörpers. Dies führt am Brenneraustritt, wo bestimmungsgemäß die kritische Drallzahl vorherrscht, ver bunden mit der plötzlichen brennraumbedingten Querschnittser weiterung, zu einer Rückströmzone, auch Rückströmblase ge nannt, auf der Brennerachse. In deren Staupunkt wird die Zün dung eingeleitet. Im Teillastbereich, bei bestimmten Konstel lationen, können sich jedoch Unzulänglichkeiten bezüglich der Flammenstabilisation ergeben. Das Auftreten solcher Unzuläng lichkeiten wird bei diesem Brenner auf zwei Arten gelöst:

1. Indem der Teillastbereich dem tiefsten Premix-Betriebs punkt entspricht, was bei atmosphärisch betriebenen Bren nern mit Rauchgasrezirkulation der Fall ist;
2. Indem im Teillastbereich Brennstoff über die Kopfstufe (Brennerachse) beigemischt wird, was bei Gasturbinenbe trieb zur Anwendung gelangt.

Beide Lösungen vermögen indessen nicht immer zu befriedigen, da entweder bei (1) der Druckabfall über den Brenner mit der Last steigt kann, oder bei (2) die NOx-Emissionen durch den Übergang vom Premix- auf Diffusionsmode ansteigen können. Kommt hinzu, daß beim genannten Brenner noch etwa 2% der Luft für die Kühlung der Brennerfront benötigt werden. Diese Luft wird erst im Bereich der Flamme in den Brennraum oder in die Brennkammer eingeleitet und vermischt sich somit nur un vollständigt mit dem vorgängig eingedüsten Brennstoff. Da durch steigt die Flammentemperatur um ca. 20°C: Es besteht hier sonach die latente Gefahr, daß die NOx-Emissionen des wegen ansteigen.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Maßnahmen zur Stabilisierung der Flamme vorzuschlagen, bei welchen die oben aufgeführten Nachteile beim Betrieb eines solchen Brenners nicht auftreten.

Beim erfindungsgemäßen Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens sind jene Maßnahmen von Bedeutung, welche durch Umlenkung des aus dem Vormischbrenner austretenden Verbren nungsluftstromes die Stabilisation der Flamme in der Scher schicht zwischen der Strömung entlang der Brennerfront und des Mediums innerhalb des Brennraumes bewirken. Die durch die Umlenkung entlang der genannten Front strömende Luft maxi miert die Stabilisierung der Flamme, wobei diese Front zugleich Kanalwand der gesamten in den Vormischbrenner ein strömenden Verbrennungsluft ist.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die gesamte zur Verfügung stehende Luft mit dem jeweils zum Einsatz gelangenden Brennstoff innerhalb des Vormisch brenners vermischt wird, was eine optimale Gemischbildung er gibt, welche zu einer kräftigen Verminderung der NOx-Emissio nen führt.

Durch die bereits gewürdigten Auslegung des Vormischbrenners wird des weiteren erreicht, daß die gesamte in den Brenner einströmende Verbrennungsluft zur Kühlung der Brennerfront benutzt werden kann.

Ein solcherart betriebener Vormischbrenner läßt einen großen Lastbereich zu; der Druckabfall über den Vormischbrenner kann unabhängig der Last gehalten werden. Auch eine Teillast flamme ist eine vollwertige Premixflamme, mit allen sich dar aus ergeben Vorteilen einer solchen Verbrennung.

Ferner muß ein weiterer Vorteil der Erfindung darin gesehen werden, daß durch die Umlenkung der Strömung neben der Sta bilisation in der Scherschicht zwischen der Strömung entlang der Brennerfront und des Mediums innerhalb des Brennraumes durch die Umlenkung der Strömung eine starke Rezirkulations zone ohne Inanspruchnahme resp. Erzeugung eines Dralles auf der Achse des Brenners erzielt wird, welche als weitere Sta bilisationszone dient.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strö mungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen rotationssymmetrischen Vormischbrenner, mit radialer Umlenkung eines axialen Luftstromes entlang der Brennerfront,

Fig. 2 einen weiteren Vormischbrenner, der gegenüber dem jenigen nach Fig. 1 mit einer radial angeordneten Flammumlenkung entlang der Brennerfront versehen ist und

Fig. 3 einen weiteren Vormischbrenner, im wesentlichen nach Fig. 1, wobei dieser mit einer Rauchgasrezirkulation betrieben wird.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit

Fig. 1 zeigt einen rotationsymmetrischen Vormischbrenner 100, wie dies aus der Mittelachse 117 hervorgeht. Dieser Vormisch brenner 100 ist durch einen radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Einströmungskanal 104 charakterisiert, dessen radial verlaufende Wand brennraumseitig 118 die Brennerfront 102 bildet. Der in Umfangsrichtung rotationssymmetrische Ein strömungskanal 104 kann unterteilt werden, dergestalt, daß einzelne in sich abgeschlossene Zellen entstehen, welche sich bis über die ganze Durchströmung des Vormischbrenners 100 er strecken. Diese Ausführungsart ist nicht dargestellt, da sie sich ohne weiteres nachempfinden läßt. Entlang der radialer Öffnung des Einströmungskanals 104 strömt eine Verbrennungs luft 101 in den Vormischbrenner 100 ein. Bei dieser Verbren nungsluft 101 kann es sich um Frischluft oder um ein mit rückgeführtem Rauchgas gebildetes Gemisch handeln, wobei sowohl die Frischluft als auch das Gemisch wahlweise mit ei nem Brennstoff angereichert sein können. Die Verbrennungsluft 101 kann je nach Betreibungsart auch kalorisch vorbehandelt sein. Nach dem Einlauf durch den Einströmungskanal 103 voll führt die Verbrennungsluft 101 eine 90° Umlenkung und strömt sodann axial in entgegensetzter Richtung gegenüber der Lage des Brennraumes 118 durch einen ersten ringförmigen Kanal 104. Am Ende dieses ersten ringförmigen Kanals 104 wird die Verbrennungsluft 101 um 180° umgelenkt und strömt sodann durch einen zweiten ringförmigen Kanal 105, der sich koaxial zum ersten Kanal 104 erstreckt, Richtung Brennraum 118. In nerhalb dieses zweiten ringförmigen Kanals 105 wirkt eine Brennstoff-Hauptstufe 106, welche so ausgelegt ist, daß der Brennstoff 106a radial oder quasi-radial zur axial strömenden Verbrennungsluft 101 eingedüst wird, was einen sehr hohen Vermischungsgrad ergibt. Stromab dieser Brennstoffeindüsung teilt sich die mit Brennstoff gemischte Verbrennungsluft 101 in zwei Gemischströme 101a, 101b auf, welche durch separate, ebenfalls ringförmig verlaufende Kanäle 107, 108 zum Austritt des Vormischbrenners 100 strömen. Während der äußere ring förmige Kanal 107 ohne eine weitere Brennstoffeindüsungen auskommt, steht der innenseitige, ringförmige Kanal 108 in Wirkverbindung mit einer Brennstoff-Teillaststufe 111, welche wiederum so ausgelegt ist, daß der Brennstoff 111a radial oder quasi-radial in das Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch 108 eingedüst wird. Beide Gemischströme 107, 108 weisen so nach eine unterschiedliche Brennstoffanreicherung auf, welche eine gestufte Verbrennung ermöglicht. Beide Gemischströme 107, 108 strömen parallel zum Ausgang des Vormischbrenners 100, wobei die Mündung des Vormischbrenners 100 im Bereich der Austrittsquerschnitte 114, 115 je eine Umlenkung im we sentlichen in die Radiale aufweist. Durch diese Umlenkung wird die Brennerfront 102 des Einströmungskanals 103 durch die sich dort bildende Flamme zwar unmittelbar belastet, da aber diese Brennerfront 102 inwendig durch die dort einströ mende Verbrennungsluft 101 fortlaufend optimal gekühlt wird, besteht keine Gefahr, daß diese Wand durchbrennt wird. Durch die beschriebene Umlenkung ergibt sich des weiteren, daß der aus den Austrittsquerschnitten 114 und 115 jeweils auströ mende Strahl an der Stirnfläche der Brennerfront 102 anlegt, so daß eine solche Strömungsführung ohne Drallbildung eine starke Rezirkulationszone 116 im Brennraum 118 ergibt, womit die Flamme solcherart ausgezeichnet stabilisiert wird. Die Konfiguration des Vormischbrenners 100 beinhaltet die Mö glichkeit, den Teillastbetrieb auf zwei verschiedene Arten zu bewerkstelligen:

a) Indem bei konstantem Verbrennungsluftstrom 101 auf die verschiedenen Brennstoff-Eindüsungen eingewirkt wird. Brennstoff wird vorliegend nur über die Teillaststufe 111 eingedüst, womit nur die Verbrennungsluft 101b durch den innenseitigen, ringförmigen Kanal 108 im Normalfall ein brennfähiges Gemisch bereitstellt.
b) Indem zunächst eine entsprechende Brennstoffeindüsung sowohl über die Hauptstufe als auch über die Teillast stufe vorgenommen wird. Die Austrittsquerschnitte 114, 115 der beiden koaxialen Kanäle 107, 108 werden jedoch der jeweiligen Last angepaßt, indem die mittlere Wand 112 und der innere Stößel 113 individuell in beiden axialen Richtung verschiebbar sind, dergestalt, daß die Austrittsquerschnitte 114, 115 der beiden ringförmigen Kanäle 107, 108 beliebig veränderbar sind.

Wie vorne dargelegt, kann die Strömungsführung bei den Aus trittsquerschnitten 114, 115 so gehandhabt werden, daß im Brennraum 118 eine starke Rezirkulationszone 116 ohne Drall bildung entsteht: Dies ist dann der Fall, wenn das Verhältnis zwischen dem jeweiligen Umlenkradius 119 resp. 120 der Kanäle 107, 108 und der Spalthöhe des entsprechenden Austrittsquer schnittes 114 resp. 115 größer Faktor 3 ausgelegt ist. Wird eine kompaktere Bauweise angestrebt, so kann der Strömung in nerhalb des zweiten Kanals 105, oder den Teilströmungen 101a, 101b innerhalb der Kanäle 107, 108, wahlweise ein Drall auf gesetzt werden. Somit kann das obengenannte Verhältnis ent sprechend verkleinert werden.

Fig. 2 zeigt einen Vormischbrenner 200 mit ebenfalls einer zweistufigen Auslegung der Verbrennung. Gegenüber Fig. 1 weist sie den Unterschied auf, daß die Brennerfront 102 mit einer radial angeordneten Umlenkung 201 erweitert ist, welche die Flamme axial zu richten vermag, falls in radialer Rich tung, aufgrund einer dort vorhandenen Kesselwand, nicht genü gend Platz vorhanden ist, und falls die Größe und die In tensität der Rezirkulationszone 216 beeinflußt werden soll. Die Vergrößerung dieser Rezirkulationszone 216 ist in der Figur schematisch entsprechend dargelegt.

Fig. 3 knüpft wiederum an Fig. 1, mit dem Unterschied, daß der Vormischbrenner 300 eine dort dargestellte Rauchgasrezir kulation 301 aufweist. Diese wird im Bereich des Einströ mungskanals 103 anhand eines dort eingeführten Rauchgaskanals 302 der Verbrennungsluft 101 beigegeben. Ansonsten gelten die in Fig. 1 beschriebenen Abläufe.

Bei allen dargestellten Beispielen ist die zweistufige Vari ante dargestellt worden; indessen, einstufige oder mehrstu fige Varianten sind nach der gezeigten Technik ohne weiteres ausführbar.

Des weiteren ist noch hinzuzufügen, daß die dargestellten Varianten, wegen der kühlenden Wirkung der in den Vormisch brenner 100, 200, 300 entlang der Brennerfront 102 einströ menden Verbrennungsluft 101, vorzugsweise bei Gasturbogruppen zum Einsatz gelangen werden. Ist eine kühlende Wirkung nicht vonnöten, so kann auf die radiale Einströmung der Verbren nungsluft 101 verzichtet werden. Die Verbrennungsluft kann dann axial einströmen, entlang der Mischstrecke innerhalb des zweiten Kanals 105 mit Brennstoff gemischt und durch die Aus trittsquerschnitte 114, 115 in den Brennraum 118 geleitet werden. Vorzugsweise wird eine solche Auslegung bei atmosphä rischen Kesselanlagen zum Einsatz gelangen.

Bezugszeichenliste

100 Vormischbrenner
101 Verbrennungsluft
101a Gemischstrom
101b Gemischstrom
102 Brennerfront
103 Einströmungskanal
104 Erster ringförmiger Kanal
105 Zweiter ringförmiger Kanal
106 Brennstoff-Hauptstufe
106a Brennstoff der Hauptstufe
107 Ringförmiger Kanal
108 Ringförmiger Kanal
109 Durchflußquerschnitt des Kanals 108
110 Durchflußquerschnitt des Kanals 107
111 Brennstoff-Teillaststufe
111a Brennstoff der Teillaststufe
112 Mittlere Wand
113 Innerer Stößel
114 Austrittsquerschnitt des Kanals 107
115 Austrittsquerschnitt des Kanals 108
116 Rezirkulationszone
117 Mittelachse
118 Brennraum
119 Umlenkradius
120 Umlenkradius
200 Vormischbrenner
201 Umlenkung
202 Rezirkulationszone
300 Vormischbrenner
301 Rauchgas
302 Rauchgaskanal

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, wobei innerhalb des Vormischbrenners eine Verbrennungsluft mindestens mit ei ner Brennstoffzuführung vermischt wird, und wobei die Bren nerfront des Vormischbrenners und die Flammenfront im Brenn raum örtlich aneinander angrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (101) radial über einen Einströ mungskanal (103) im Bereich der Brennerfront (102) in den Vormischbrenner (100) einströmt, daß die Verbrennungsluft (101) oder ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch (101a, 101b) innerhalb des Vormischbrenners (100) über mindestens eine Umlenkung der Strömungsrichtung zum Ausgang des Vor mischbrenners (100) geführt wird, und daß das Verbrennungs luft/Brennstoff-Gemisch (101a, 101b) am Ausgang des Vormisch brenners (100) durch radial oder quasi-radial gerichtete Aus trittsquerschnitte (114, 115) entlang der Brennerfront (102) umgelenkt wird und in den Brennraum (118) strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (101) nach einer ersten Brennstoffzuführung (106a) in zwei Teilströme (101a, 101b) aufgeteilt wird, daß mindestens ein Teilstrom eine weitere Brennstoffzuführung (111a) erfährt, und daß die Menge der beiden separat durch einen Kanal (107, 108) geführten Teilströme (101a, 101b) durch eine auf die Größe der Austrittsquerschnitte (114, 115) dieser Kanäle (107, 108) in den Brennraum (118) gerich tete Steuerung individuell verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Brennstoffzuführung (106a) die ganze Verbrennungsluft erfaßt, daß eine zweite Brennstoffzuführung (111a) nur einen Teilstrom (101b) erfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verhältnis zwischen Umlenkradien (119, 120) der Kanäle (107, 108) und Ringspalthöhe des jeweiligen Austrittsquer schnittes (114, 115) größer 3 im Brennraum (118) eine drall frei Rezirkulationszone (116) entsteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (101) vor oder im Bereich deren Einströmung in den Vormischbrenner (100) mit einem Brennstoff und/oder mit einem rückgeführten Rauchgas (301) vermischt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial einströmende Verbrennungsluft (101) die Brennerfront (102) fortlaufend von der kalorischen Belastung aus dem nach geschalteten Brennraum (118) kühlt.