DE69010973T2

DE69010973T2 - Brenner.

Info

Publication number: DE69010973T2
Application number: DE69010973T
Authority: DE
Inventors: Ichiro Fukue; Shigemi Mandai; Nobuo Satoh; Satoshi Tanimura
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-05-11
Filing date: 1990-05-04
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2010-05-05
Also published as: DE69010973D1; US5094610A; EP0397046A3; EP0397046A2; EP0397046B1; JPH02147610U

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an Zweistufenbrennern in Boilern und Gasturbinen.
Herkömmliche Brennergeräte in Zweistufenbrennern, wie beispielsweise Boilern, besitzen Luftverwirbler 2 für das Zuführen von Verbrennungsluft um eine Brennstoffdüse 1, wie in den Figuren 5 und 6 gezeigt, und der Winkel dieser Verwirbler bezüglich der axialen Linie 3 wird normalerweise zwischen 30 und 45º festgelegt, um eine stabile Flamme aufrechtzuerhalten.
Ein Luftströmungsmuster in diesen Brennern ist in Figur 7 gezeigt. Gegen die Luftströmung 4 wird eine umlaufende Strömung 5 gebildet.
Selbst wenn bei dieser Art herkömmlicher Brenner die mager brennende Flamme verwendet wird, ist die Verringerung der NOx- Erzeugung begrenzt, und es war unmöglich, engen NOx- Kontrollanforderungen zu entsprechen, die seit kurzem auferlegt worden sind.
Im Fall von Gasturbinen-Zweistufenbrennern ist es insbesondere nötig geworden, die Bildung von NOx nicht nur an den zweistufigen Gas-, sondern auch an den Zweistufenölbrennern zu verringern. Herkömmliche Brenner waren jedoch nicht in der Lage, dieses Erfordernis zu erfüllen. Während es unerläßlich ist, eine teilweise vorgemixte Flamme zur Verringerung der Bildung von NOx zu verwenden, wenn ein Vormischbrennsystem für flüssigen Brennstoff in selber Weise wie für gasförmigen Brennstoff verwendet wird, könnten Fehl und Selbstzündungen auftreten, da die Zündtemperatur des flüssigen Brennstoffes etwa 250º C beträgt und die Luftemperatur etwa 350º C ist. Ein Vorgemischbrennsystem wurde daher nicht für ölbrennende Zweistufenbrenner verwendet.
US-A-4356698 offenbart ein Brennergerät, bei dem die Verbrennung durch die Verwendung von zwei Gruppen von Verwirblern gestuft ist, die unterschiedliche Winkel aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennergerät verfügbar zu machen, das die Bildung von NOx unter die Grenze zu reduzieren vermag, die bei herkömmlichen Brennern, wie oben beschrieben, immanent ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, schafft die Erfindung ein Brennergerät gemäß Patentanspruch 1, das einen Zündbrenner mit einer Düse und um diese herum angeordnete Verwirbler sowie zahlreiche Hauptbrenner aufweist, die um die Zündbrenner herum angeordnet ist, und von denen jeder eine Düse und Luftverwirbler besitzt, die um die Düsen für die Hauptbrenner angeordnet sind, wobei der Winkel der Verwirbler des Zündbrenners größer als der Winkel der Verwirbler für den Hauptbrenner ist, sodaß die Winkel dieser beiden Verwirblertypen sich kreuzen.
Gemäß diesem Brennergerät können die Hauptbrenner selbst eine ausreichende Umlaufströmung und eine stabile Flamme nicht halten, weil der Winkel der Luftverwirbler um die Hauptbrenner kleiner ist als der der Verwirbler um den Zündbrenner. Demzufolge vermischt sich Brennstoff von den Hauptbrennern mit Luft, die von den Luftwirbeln um die Hauptbrenner geliefert wird, und fliegt weg.
Der Brennstoff und die Luft von den Hauptbrennern bilden ein vorgemischtes Gas und beginnen die Verbrennung bei Kontakt und Mischen mit Hochtemperaturgas von dem Zündbrenner, der als Zündflamme dient, wodurch im hohen Maße die Erzeugung von NOx verringert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines Brennergerätes gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in Figur
Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Brennergerät zur Beschreibung der Funktionen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen
dem Verwirbelungswinkel und einem NOx-Verhältnis;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein herkömmliches Brennergerät;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Schnittlinie VI-VI in Figur 5;
Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des herkömmlichen Brennergerätes.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt eines Zweistufenbrenners mit dem Brennergerät gemäß der Erfindung. Figur 2 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie II-II von Figur 1.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, weist das Brennergerät gemäß der Erfindung einen Zündbrenner 11 und zahlreiche Hauptbrenner 12 auf, die diesen Zündbrenner 11 umgeben. Die Bezugzahl 13 bezeichnet einen Zweistufenbrenner, und der Zündbrenner 11 ist in der Mitte von einem Ende dieses Zweistufenbrenners angeordnet. Der Zündbrenner 11 besitzt eine Brennstoffzünddüse 11a in seiner Mitte und Luftverwirbler 11b, die die Düse 11a umgeben. Auch die Hauptbrenner 12, die um den Zündbrenner 11 herum angeordnet sind, besitzen eine Brennstoffhauptdüse 12a in ihrer Mitte und Hauptluftverwirbler 12b, die die Düse 12a umgeben.
Gemäß Figur 3 ist der Verwirblerwinkel 6 des Zündbrenners 11 zwischen 30º und 45º bezüglich einer axialen Linie 14 so festgelegt, daß die Wirbelströmung 15 der Zündbrennerluft und eine Umlaufende der Stömungsbereich 16, der für eine stabile Flamme nötig ist, gebildet werden. Andererseits ist der Verwirblungswinkel φ der Hauptbrenner 12 auf weniger als 20º bezüglich der axialen Linie 17 so festgelegt, daß die Wirbelströmung 18 der Hauptbrennerluft und ein umlaufender Strömungsbereich, der zu gering für eine stabile Flamme ist, gebildet werden.
Ebenso wie für die Richtung der Verwirbler ist die Richtung der Verwirblung zwischen den Verwirblern für den Zündbrenner 11 und den Verwirblern für die Hauptbrenner 12 unterschiedlich, während die Verwirbler für die Hauptbrenner 12 alle in die selbe Verwirbelungsrichtung orientiert sind.
Wie oben beschrieben, ist der Winkel Θ der Verwirbler llb für den Zündbrenner 12 größer festgelegt als der Winkel φ der Verwirbler der Hauptbrenner (d.h. Θ > φ), sodaß die beiden Winkel einander schneiden. Wie in Figur 4 gezeigt, erfolgt dies deshalb, damit eine stabile Verbrennung mit einem Verwirblerwinkel von mehr als 30º beibehalten werden kann, während die Verwirblung unstabil und sehr empfindlich für Grenzbedingungen bei einem Verwirblerwinkel zwischen 20º und 30º wird sowie ebenfalls weil, wenn der Winkel gleich oder weniger als 20º ist, ein NOx-Verhältnis in großem Maße verringert werden kann.
Genauer gesagt wird, weil der Winkel der Verwirbler für die Hauptbrenner 12 auf weniger als 20º eingestellt wird, die Flamme unstabil und weggeblasen, und die Entfernung, bei der die Flamme weggeblasen wird, kann zum Verdampfen und Mischen von Brennstoff mit Luft verwendet werden. Der Bereich bis zu einer Stelle, an der der Hauptbrenner-Verwirbelungswinkel und der Zündbrenner-Verwirbelungswinkel einander kreuzen, wird als Verdampfungszone verwendet, und der Bereich stromabwärts von dieser Stelle wird als Verbrennungszone verwendet. Demzufolge wird die Verbrennung in diesem Verbrennungsbereich durch die Zündflamme so initiert, daß nicht nur Rück- und Selbstzündung vermieden wird, sondern auch eine stabile Verbrennung beibehalten und das produzierte NOx verringert wird.
Auch wenn Dieselkraftstoff verwendet wird, wird der Durchmesser der Dieselkraftstoffpartikel entsprechend der Entfernung eingestellt, die für die Brennstoff-Tröpfchen benötigt wird, um zu verdampfen.
Weiterhin wird, da die Richtung der Verwirbler des Zündbrenners 11 entgegengesetzt zu den der Hauptbrenner 12 orientiert ist, in dem Bereich, in dem die Strömung von den Hauptbrennern und dem Zündbrenner einander kreuzen, die Richtung dieser Strömungen zu der Tangente dieser beiden Strömungen gerichtet, und die Stabilität der Flamme kann dadurch erreicht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindungen können die folgenden Wirkungen erreicht werden.
Die Hauptbrenner sind so ausgebildet, daß sie nicht eine stabile Flamme aufrecht erhalten können. Der Kraftstoff, der von der Kraftstoffdüse der Hauptbrenner geliefert wird, und die Luft, die von den Verwirblern geliefert wird, die die Hauptbrenner umgeben, werden gemischt und gelangen in Kontakt mit der Zündflamme des Zündbrenners und Brennpunkt. Eine vorgemischte Flamme wird bei den Hauptbrennern gebildet und mittels des Zündbrenners so gezündet, daß die vollständige Verbrennung erreicht und die Erzeugung von NOx verringert wird.
Da weiterhin mit der Erfindung ein vorgemischtes Gemisch ohne Verwendung einer Vormischdüse erzeugt wird, können Probleme gar nicht erst auftreten, die bei einer vorgemischten Flamme immanent sind, wie beispielsweise Rück- und Selbstzündung (Glühzündung).
Bei dem Brennergerät gemäß der Erfindung kann die Nox-Erzeugung reduziert werden, wenn entweder flüssiger oder gasförmiger Brennstoff verwendet wird, ebenso, wie wenn beide verwendet werden.
Wie oben detailliert beschrieben, kann das Brennergerät gemäß der Erfindung, das einen einfachen Aufbau besitzt, eine erhebliche N0x-Reduzierung erreichen, und seine Wirkungen in der Praxis sind außerordentlich signifikant.

Claims

1. Brennergerät, bestehend aus: einem Zündbrenner (11) mit einer Düse (11a) und Luftverwirblern (11b), die um die Düse (11a) herum angeordnet sind, und mit zahlreichen Hauptbrennern (12), die um den Zündbrenner (11) herum angeordnet sind und von denen jeder eine Düse (12a) und Luftverwirbler (12b) besitzt, die um die Düsen (12a) für die Hauptbrenner (12) angeordnet sind;

wobei der Winkel der Luftverwirbler (11b) des Zündbrenners (11) bezüglich der Brennerachse zwischen 30º und 45º eingestellt ist und wobei der Winkel zwischen den Luftverwirblern (12b) der Hauptbrenner (12) bezüglich der Brennerachse kleiner als die Winkel der Luftverwirbler (11b) des Zündbrenners (11) derart eingestellt ist, daß die Winkel der beiden Luftverwirblerarten (11b, 12b) sich kreuzen, wobei der Winkel der Luftverwirbler des Hauptbrenners so bemessen ist, daß die Hauptbrennerflamme weggeblasen wird, wobei die Entfernung, in der die Flamme weggeblasen wird, zur Verdampfung und Mischung von Kraftstoff mit Luft dient.

2. Brennergerät nach Anspruch 1, bei dem der Winkel der Luftverwirbler (12b) der Hauptbrenner (12) bezüglich der Brennerachse auf einen Wert kleiner als 20º eingestellt ist.

3. Brennergerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verdrehrichtung der Luftverwirbler (11b, 12b) zwischen denen der Hauptbrenner (12) und der des Zündbrenners (11) entgegengesetzt ist.

4. Verwendung des Brennergerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Gasturbine an einem Brennerbefestigungsgrundteil derselben montiert.