DE4441235A1 - Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung - Google Patents
Brennkammer mit MehrstufenverbrennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehr
stufigen Brennkammer, mit mindestens einem Primärbrenner der
Vormischbauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes der
über Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung
mit Primärbrennluft intensiv vermischt wird, und mit minde
stens einer Nachbrennraum, der stromabwärts des Vorbrennrau
mes angeordnet ist und in den Sekundärbrennluft eingeleitet
wird. Sie betrifft ebenfalls eine Brennkammer zur Durchfüh
rung des Verfahrens.
Eine solche zweistufige Brennkammer und ein Verfahren zu
deren Betrieb ist bekannt aus der DE-C2 31 49 581. Als
Primärbrenner der Vormischbauart werden dort Wirbelbecher
mit zentralen Brennstoffeinspritzdüsen verwendet. Bei der
Brennkammer handelt es sich um eine sogenannte "Fett/Mager-
Zweistufenbrennkammer", wobei in der ersten Verbrennungs
stufe die Gase ein Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis
aufweisen, welches größer als 1 ist. In der zweiten Ver
brennungsstufe weisen die Gase ein Brennstoff/Luft-Aquiva
lenzverhältnis auf, welches kleiner als 1 ist. Der Übergang
vom fetten auf das magere Gemisch ist schnellstmöglich zu
realisieren. Deshalb wird das Gemisch beschleunigt, und die
Sekundärbrennluft wird in das beschleunigte Gemisch einge
düst. Der Zweck der Beschleunigung ist darin zu sehen, die
Aufenthaltsdauer des Gemisches in der Zone, in welcher das
Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis 1 beträgt, möglichst
klein zu halten. Denn bei diesem mittleren Verhältnissen ist
die Bildungsgeschwindigkeit von NOx am größten.
Moderne Brenner der Vormischbauart bieten die Möglichkeit,
auch die erste Verbrennungsstufe mager zu betreiben, was sich
aufgrund der großen Luftzahl und der niedrigeren Flammen
temperaturen vorteilhaft auf die NOx-Bildung auswirkt. Bei
einer solchen Vormischverbrennungstechnik muß nur sicherge
stellt werden, daß die Flammstabilität, insbesondere bei
Teillast, nicht an die Löschgrenze stößt. Als Regel gilt,
daß solche Vormischbrenner, wenn sie einstufig betrieben
werden und wenn Temperaturen von 1800K (ca. 1530°C) verlangt
werden, etwa 25-30 ppm NOx erzeugen.
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Benutzung
solcher moderner Vormischbrenner ein "Mager/Mager"-Verfahren
und die zugehörige Brennkammer zu schaffen, mit denen extrem
tiefe NOx-Emissionen erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
- - daß der Primärbrenner ein flammenstabilisierender Vor mischbrenner ist, welcher an der unteren Stabilitäts grenze betrieben wird,
- - daß zwischen Vorbrennraum und Nachbrennraum das Rauch gas beschleunigt wird,
- - und daß in die den Vorbrennraum verlassende Rauchgas strömung zwecks Bildung eines selbstzündenden Gemisches Kühlluft aus der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung und Zusatzbrennstoff eingeführt wird.
Eine Brennkammer zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet
sich aus durch einen am Kopfende der Brennkammer angeordne
ten Doppelkegelbrenner der Vormischbauart, mit anschließen
dem Vorbrennraum, durch eine dem Vorbrennraum folgende
Beschleunigungsstrecke für das Rauchgas, welche in einen
Nachbrennraum mündet, und durch Luft-Einströmöffnungen, die
im Bereich der Beschleunigungsstrecke in der doppelwandigen
Brennkammerbegrenzung angeordnet sind, sowie durch am Ein
tritt des Nachbrennraumes angeordnete Einspritzmittel für
Zusatzbrennstoff.
Zwar ist aus der DE-A1 37 07 773 im Zusammenhang mit Pro
zeßwärmeerzeugug bereits ein zweistufiges Verfahren und
eine entsprechende Brennkammer bekannt, welche mit einem
flammenstabilisierenden Doppelkegelbrenner als Primärbrenner
arbeitet, bei welchem zwischen Vorbrennraum und Nachbrenn
raum das Gas beschleunigt wird und bei welchem der zweiten
Stufe Luft beigemischt wird. Allerdings wird - wie beim
bereits eingangs erwähnten Stand der Technik - diese
Vorbrennkammer unterstöchiometrisch mit einer Luftzahl
Lambda = 0.7 betrieben. Hierdurch erreicht das teilver
brannte Gas eine Temperatur von 1800-1900°C. Bei der in die
beschleunigte Gasströmung eingeleiteten Luft handelt es sich
um sogenannte Abschreckluft (Quenchluft), die rasch in die
Hauptströmung einzudüsen ist, um ein Oxidieren des Luft
stickstoffs zu vermeiden.
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen,
daß der Vormischbrenner an der unteren Löschgrenze betrie
ben werden kann, wobei zunächst nur ca. 9 ppm NOx produziert
werden; der selbstzündende Nachverbrennprozeß liefert Gase
mit der gewünschten hohen Temperatur von 1800K (ca. 1530°C),
welche Gase infolge der Zufuhr von weiterer Luft und auf
grund der kurzen Aufenthaltszeiten nur noch NOx-Werte klei
ner als 6 ppm aufweisen.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin
dung anhand von Gasturbinen-Brennkammern schematisch darge
stellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer ersten zweistu
figen Brennkammer;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer zweiten fünfstu
figen Brennkammer;
Fig. 3A einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner
der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines
Austritts;
Fig. 3B einen Querschnitt durch denselben Vormisch
brenner im Bereich der Kegelspitze.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli
chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise
die vollständige Brennkammer und deren Zuordnung zu einer
Anlage, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen
und dergleichen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist
mit Pfeilen bezeichnet.
In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet,
welches in der Regel die von einem nicht dargestellten
Verdichter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer
beispielsweisen ringförmigen Brennkammer 60 zuführt. Diese
Brennkammer ist zweistufig ausgebildet und besteht im wesent
lichen aus einer Vorbrennkammer 61 und einer stromabwärts
gelegenen Nachbrennkammer 62, welche beide mit einer Brenn
kammerwand 63 ummmantelt sind. Von der gesamten Verbren
nungsluft wird ein Teil a der Vorbrennkammer 61 direkt zuge
führt, während die Teile b und c zunächst Kühlfunktionen
ausüben.
Auf die Vorbrennkammer 61, die sich am Kopfende der Brenn
kammer 60 befindet und deren Brennraum durch eine Front
platte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufge
setzt. In diesem Dom ist ein Brenner 110 so angeordnet, daß
der Brenneraustritt zumindest annähernd bündig ist mit der
Frontplatte 54. Die Längsachse 51 des Primärbrenners 110
verläuft koaxial zur Längsachse 52 der Brennkammer 60. Über
den Umfang verteilt ist eine Mehrzahl von solchen Brennern
110 nebeneinander auf der kreisringförmigen Frontplatte 52
angeordnet. Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwan
dung strömt die Verbrennungsluft a aus dem Plenum 50 in das
Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird
dem Brenner über eine Brennstofflanze 120 zugeführt, welche
die Dom- und die Plenumwand durchdringt.
Beim schematisch in Fig. 3A und 3B dargestellten Vormisch
brenner 110 handelt es sich jeweils um einen sogenannten
Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der eingangs
genannten EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesentlichen
besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111,
112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind.
Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden
Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandun
gen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung
tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf
diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Dort ist eine
erste Brennstoffdüse 116 für flüssigen Brennstoff angeord
net. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die
Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Brennstoffpro
fil wird von der tangential einströmenden Verbrennungsluft
umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des
Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermischung mit der
Verbrennungsluft abgebaut. Im Beispielsfall kann der Brenner
ebenfalls mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden.
Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 119 in den
Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte
Gaseinströmöffnungen 117 vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt
die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in
der Zone der Eintrittsschlitze 119. Es versteht sich, daß
auf diese Weise auch ein Mischbetrieb mit beiden Brenn
stoffarten möglich ist.
Am Brenneraustritt 118 des Brenners 110 stellt sich eine mög
lichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beauf
schlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am
Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulati
onszone 122, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme
selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner
stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benö
tigen.
Im Beispielsfall wird der Vormischbrenner mit ca. 56% der
insgesamt zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft betrieben
und zwar nahe an der unteren Löschgrenze; d. h. die entspre
chende Brennstoffmenge wird so eingestellt, daß im Brenn
raum 61 eine Temperatur von 1640K (ca. 1370°C) und ein NOx-
Gehalt von 9 ppm vorherrschen.
Gemäß Fig. 1 bildet der Übergang vom Vorbrennraum 61 in den
Nachbrennraum 62 eine Verengung, welche eine Beschleuni
gungszone 70 für das Arbeitsmittel darstellt. Hierdurch soll
ein geeignetes Temperatur/Geschwindigkeitsfeld für eine
stabile Selbstzündung stromabwärts von Brennstofflanzen
geschaffen werden.
Am Eintritt in den Nachbrennraum 62 sind derartige Brenn
stofflanzen 121 angeordnet. Im Falle einer Ringbrennkammer
sind mehrere solcher Lanzen über dem Umfang verteilt. Aus
ihnen wird der Zusatzbrennstoff - gleichmäßig über den
Strömungsquerschnitt verteilt - in die Hauptströmung einge
düst.
Stromaufwärts dieser Brennstoffeindüsung werden die restli
chen 44% Luft dem Verbrennungsprozeß auf geeignete Art bei
gemischt. Hierbei handelt es sich um jene Luft, die zunächst
zur Kühlung der Brennkammerwandungen herangezogen wird.
Diese Brennkammerwandungen sind sowohl im Bereich des Vor
brennraumes 61 als auch im Bereich des Nachbrennraumes 62
doppelwandig ausgeführt. Die innere Wand 63a ist in der
Ebene der vorgesehenen Luftzufuhr mit Einlaßöffnungen 64
versehen. Die Luftmenge, die der Hauptströmung beigemischt
wird, setzt sich aus zwei Teilströmen zusammen. Zum einen
die Kühlluft b der Vorbrennkammer, die ca. 16% der Gesamt
menge ausmacht und zum andern die Kühlluft c der Nachbrenn
kammer, die ca. 28% der Gesamtmenge ausmacht.
Es versteht sich, daß dieser Vorgang mit Druckverlusten
verbunden ist. So beträgt beispielsweise der Druckverlust
der Luft über die Wandkühlung ca. 4%, jener über die
Mischung von Verbrennungsgasen und Kühlluft ca. 2%.
Die Mischtemperatur nach dem Zumischen der Kühlluft zu den
Verbrennungsgasen des Vorbrennraumes beträgt ca. 980°C, so
daß das am Eintritt in den Nachbrennraum 62 vorliegende
Brennstoff/Luft-Gemisch selbstzündend ist. Die Menge an
Zusatzbrennstoff wird dabei so gewählt, daß im Nachbrenn
raum 62 die gewünschte Endtemperatur von 1700K (ca. 1430°C)
herrscht. Der anläßlich der Vorverbrennung entstandene NOx-
Gehalt von 9 ppm ist durch die Verdünnung auf weniger als 6
ppm reduziert.
Es versteht sich, daß der Nachbrennraum 62 in seiner axia
len Erstreckung so dimensioniert ist, daß darin ein voll
ständiger Ausbrand stattfindet.
Fig. 2 zeigt schematisch eine fünf stufige Brennkammer, die
folgendermaßen betrieben werden kann:
Über die Brennstofflanze 120 wird Brennstoff dem Vormisch
brenner 110 zugeleitet und mit ca. 10% der Verbrennungsluft
a verbrannt. Die über die Lanze 120 zugeführte Brennstoff
menge wird dabei so eingestellt, daß im Brennraum A eine
Temperatur von 1640K (ca. 1370°C) und ein NOx-Gehalt von 9
ppm vorherrscht. Das Gemisch wird beschleunigt; in der Ebene
b werden weitere 8% Luft, in diesem Fall Wand-Kühlluft, und
über die Brennstofflanzen 121 eine entsprechende Menge
Brennstoff eingeführt, so daß im Brennraum B eine Tempera
tur von 1500K (ca. 1230°C) herrscht. In der Ebene c werden
weitere 14% Luft und über die Brennstofflanzen 130 eine
entsprechende Menge Brennstoff eingeführt, so daß im Brenn
raum C ebenfalls eine Temperatur von 1500K (ca. 1230°C)
herrscht. In der Ebene d werden weitere 26% Luft und über
die Brennstofflanzen 131 eine entsprechende Menge Brennstoff
eingeführt, so daß auch im Brennraum D eine Temperatur von
1500K (ca. 1230°C) herrscht. In der Ebene e werden die rest
lichen 42% Luft und über die Brennstofflanzen 132 die rest
liche Menge Brennstoff eingeführt, so daß im Brennraum E
die gewünschte Endtemperatur von 1700K (ca. 1430°C)
herrscht. Durch die sukksessive Reduzierung des anläßlich
der Vorverbrennung entstandenen NOx ist es durchaus möglich,
daß im Brennraum E nur noch ein NOx-Gehalt von 3 ppm vor
liegt.
Im Ergebnis ist festzustellen, daß die optimale Anzahl
Verbrennungsstufen hinsichtlich des zu errechnenden NOx
Wertes in Funktion des in Kauf zu nehmenden Druckverlustes
sowie der Brennkammerlänge zu wählen ist.
Bezugszeichenliste
50 Plenum
51 Längsachse des Primärbrenners
52 Längsachse der Brennkammer
54 Frontplatte der Vorbrennkammer
55 Dom
60 Brennkammer
61, A Vorbrennkammer
62, B, C, D, E Nachbrennkammer
63 Brennkammerwand
63a innere Brennkammerwand
64 Einlaßöffnung
70 Beschleunigungsstrecke
74 Frontplatte
75 Dom
110 Doppelkegelbrenner
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Brennstoffdüse
117 Gaseinströmöffnung
118 Brenneraustritt
119 tangentialer Spalt
120, 121, 130, 131, 132 Brennstofflanze
122 Rückstromkalotte
a, b, c, d, e Luftzufuhr
51 Längsachse des Primärbrenners
52 Längsachse der Brennkammer
54 Frontplatte der Vorbrennkammer
55 Dom
60 Brennkammer
61, A Vorbrennkammer
62, B, C, D, E Nachbrennkammer
63 Brennkammerwand
63a innere Brennkammerwand
64 Einlaßöffnung
70 Beschleunigungsstrecke
74 Frontplatte
75 Dom
110 Doppelkegelbrenner
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Brennstoffdüse
117 Gaseinströmöffnung
118 Brenneraustritt
119 tangentialer Spalt
120, 121, 130, 131, 132 Brennstofflanze
122 Rückstromkalotte
a, b, c, d, e Luftzufuhr
Claims (3)
1. Verfahren zum Betrieb einer mehrstufigen Brennkammer,
mit mindestens einem Primärbrenner (110) der Vormisch
bauart, bei dem innerhalb eines Vormischraumes der über
Düsen eingespritzte Brennstoff vorgängig der Zündung
mit Primärbrennluft intensiv vermischt wird, und mit
mindestens einer Nachbrennraum (62, B, C, D, E), der
stromabwärts des Vorbrennraumes (61, A) angeordnet ist,
und in den Sekundärbrennluft eingeleitet wird
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Primärbrenner (110) ein flammenstabili sierender Vormischbrenner ist, welcher an der un teren Stabilitätsgrenze betrieben wird,
- - daß zwischen Vorbrennraum (61, A) und Nachbrenn raum (62, B, C, D, E) das Rauchgas beschleunigt wird,
- - und daß in die den Vorbrennraum verlassende Rauchgasströmung zwecks Bildung eines selbstzün denden Gemisches Kühlluft aus der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung und Zusatzbrennstoff einge führt wird.
2. Brennkammer zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- - daß am Kopfende der Brennkammer ein Vormischbren ner (110) angeordnet ist, mit anschließendem Vor brennraum (61, A),
- - daß eine dem Vorbrennraum folgende Beschleuni gungsstrecke (70) für das Rauchgas vorgesehen ist, welche in einen Nachbrennraum (62, B, C, D, E) mündet,
- - daß im Bereich der Beschleunigungsstrecke (70) Einströmöffnungen (64) in der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung angeordnet sind
- - und daß am Eintritt des mindestens einen Nach brennraumes (62, B, C, D, E) Einspritzmittel für Zusatzbrennstoff angeordnet sind.
3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vormischbrenner ein Doppelkegelbrenner (110)
ohne mechanischen Flammenhalter ist.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4441235A DE4441235A1 (de) | 1994-11-19 | 1994-11-19 | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
EP95810698A EP0713058B1 (de) | 1994-11-19 | 1995-11-08 | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
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JP7297079A JPH08219445A (ja) | 1994-11-19 | 1995-11-15 | 多段燃焼式燃焼室及びその運転法 |
US08/558,535 US5645410A (en) | 1994-11-19 | 1995-11-16 | Combustion chamber with multi-stage combustion |
CN95118855A CN1130741A (zh) | 1994-11-19 | 1995-11-19 | 多级燃烧的燃烧室 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4441235A DE4441235A1 (de) | 1994-11-19 | 1994-11-19 | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4441235A1 true DE4441235A1 (de) | 1996-05-23 |
Family
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4441235A Withdrawn DE4441235A1 (de) | 1994-11-19 | 1994-11-19 | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
DE59502165T Expired - Fee Related DE59502165D1 (de) | 1994-11-19 | 1995-11-08 | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE59502165T Expired - Fee Related DE59502165D1 (de) | 1994-11-19 | 1995-11-08 | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
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US (1) | US5645410A (de) |
EP (1) | EP0713058B1 (de) |
JP (1) | JPH08219445A (de) |
CN (1) | CN1130741A (de) |
DE (2) | DE4441235A1 (de) |
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