EP1723369A1 - Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases - Google Patents

Vormischbrenner sowie verfahren zur verbrennung eines niederkalorischen brenngases

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EP1723369A1
EP1723369A1 EP05708014A EP05708014A EP1723369A1 EP 1723369 A1 EP1723369 A1 EP 1723369A1 EP 05708014 A EP05708014 A EP 05708014A EP 05708014 A EP05708014 A EP 05708014A EP 1723369 A1 EP1723369 A1 EP 1723369A1
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EP
European Patent Office
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low
fuel gas
burner
premix
combustion
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EP05708014A
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English (en)
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EP1723369B1 (de
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Andreas Heilos
Berthold Köstlin
Bernd Prade
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
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    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F23D14/583—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration of elongated shape, e.g. slits
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a premix burner for burning a low-calorific fuel gas, in particular a synthesis gas.
  • the invention further relates to a method for burning a low calorific fuel gas.
  • a burner for gaseous fuels as is used in particular in a gas turbine system, is known for example from DE 42 12 810 AI. From this it can be seen that combustion air is supplied to the combustion through an air ring duct system and fuel through another ring duct system. A high-calorific fuel (natural gas or heating oil) is injected from the fuel duct into the air duct, either directly or from swirl vanes designed as hollow blades.
  • the combustible components of synthesis gas are essentially carbon monoxide and hydrogen.
  • the burner in the combustion chamber assigned to the gas turbine must then be designed as a dual or multiple fuel burner which can be used with both the synthesis gas and the second fuel, e.g. Natural gas or heating oil can be applied as needed.
  • the respective fuel is fed into the combustion zone via a fuel passage in the burner.
  • the calorific value of the synthesis gas is about five to ten times lower than the calorific value of natural gas.
  • the main constituent in addition to CO and H 2 are inert fractions such as nitrogen and / or water vapor and possibly also carbon dioxide. Due to the small calorific value, high volume flows of fuel gas have to be fed through the burner to the combustion chamber. The consequence of this is that one or more separate fuel passages must be made available for the combustion of low-calorie fuels, such as synthesis gas.
  • Such a multi-passage burner which is also suitable for syngas operation, is disclosed, for example, in EP 1 227 920 A1.
  • the quality of the mixture between synthesis gas and air at the flame front is an important factor in preventing temperature peaks and thus minimizing thermal nitrogen oxide formation.
  • premix combustion is also becoming increasingly important when burning low-calorific gases.
  • the object of the invention is therefore to provide a premix burner for burning a low-calorific fuel gas.
  • Another object of the invention is to provide a method for burning a low-calorific fuel gas.
  • the first-mentioned object is achieved according to the invention by a premix burner for burning a low-calorific fuel gas, with a premix air duct which extends along a burner axis and through which combustion air can be fed, and with a swirl device arranged in the premix air duct, the combustion air flowing downstream the swirl device is arranged a nozzle device for the low calorific fuel gas.
  • the invention is based on the consideration that the mixture of fuel and combustion air is of particular importance in order to ensure low-pollutant operation. Temperature peaks can only be avoided by mixing them as homogeneously as possible. Since high-volume fuel gas flows that are to be mixed with combustion air are involved in low-calorific fuel gases, the solution to the mixing task presented the experts with particular challenges in the design of such burners.
  • synthesis gas premix burner of the invention With the synthesis gas premix burner of the invention, a burner concept is proposed for the first time which makes the pollutant-related advantages of premix operation also applicable to low-calorie synthesis gases as fuel.
  • the injection device downstream of the swirl device is used to inject undiluted or partially diluted low-calorific fuel gas into the already twisted mass ström. In the spatial area downstream of the swirl device, this results in a largely homogeneous mixing of the synthesis gas and the swirled air mass flow.
  • the combustion of the premixed fuel gas-air mixture takes place downstream of the burner at a temperature corresponding to the premixed air ratio.
  • a small partial mass flow of the low-calorific fuel gas can be separated beforehand and fed into the combustion chamber via a support flame operated in diffusion mode, for example about 5% to 20% of the total volume flow of fuel gas.
  • This construction with the injection device downstream of the swirl device enables sufficiently large volume flows of low-calorific fuel gas to be mixed with the combustion air, with extraordinarily good mixing results being achievable. This has a particularly advantageous effect on the pollutant balance of the premix burner.
  • Another advantage is that the proven premixed combustion concept for high-calorific fuels such as natural gas or oil can be adopted unchanged, which means that lengthy optimizations and / or design changes are not necessary. That is, it is possible to expand a conventional combustion system, which is designed for high-calorific fuels, by means of the injection device which is connected to the air duct in terms of flow technology by an additional fuel passage for low-calorific fuel gases, and without the constructive implementation having an adverse influence on the existing conventional combustion system, e.g. with regard to pressure losses.
  • the premix burner can thus be operated both with the synthesis gas, which is generated, for example, from coal, industrial residues or waste, and with a second fuel, such as natural gas or oil.
  • a synthesis gas premixing operation only via the injection device downstream of the swirl device, the low-calorific fuel is sprayed into the premix air duct, a particularly homogeneous mixture being ensured as a result of the swirling combustion air.
  • This concept also avoids constructive measures that are associated with additional internals, so that in particular the swirled air mass flow is not impaired by any internals.
  • the premix burner burns according to the set air ratio at significantly lower temperatures, which ultimately leads to a minimization of the thermal nitrogen oxide formation during the combustion of the low-calorific fuel gas.
  • the injection device has a multiplicity of inlet openings for fuel gas which open into the premixing air duct.
  • the inlet openings for A ;, the low-calorific fuel gas are shaped in such a way that the formation of wake-up areas in the premix air duct is prevented.
  • the shape of the inlet openings should be selected so that these negative effects are prevented.
  • the inlet openings for the fuel gas have a cross section, the cross section having a longitudinal dimension and a transverse dimension. points, and wherein the longitudinal extent is greater than the transverse extent. In principle, an almost circular opening is also possible. However, it has been shown that the problem of trailing areas can be countered particularly effectively, for example, by an elliptical shape of the injection openings. This ensures safe operation of the premix burner.
  • the longitudinal dimension is preferably 3 to 10 times the transverse dimension. If the longitudinal extent is less than 3 times the transverse extent, the design of a circular inlet opening approaches and this could favor the formation of a wake area. On the other hand, a longitudinal expansion, which is more than 10 times the transverse expansion, is not absolutely necessary and should be avoided for spatial reasons.
  • the cross section of the inlet openings preferably has the shape of an elongated hole, or a rectangle with rounded corners or a drop. These shapes, in which one side can be shaped longer than the transverse side, have proven to be particularly suitable for the proper operation of the premix burner. It is also advantageous if no sharp edges are formed in the cross section of the inlet opening. In areas where the angle is less than 90 °, dead zones often occur in the flow. These edges are preferably designed with curves (chamfer).
  • Longitudinal dimension defined longitudinal axis is substantially parallel to the direction of flow of the combustion air.
  • the inlet opening with its narrower side is perpendicular to the swirled air mass flow and this significantly reduces the resistance that the low-calorific fuel gas generates on the way of the combustion air.
  • the escaping fuel gas still does not pose a major obstacle which the combustion run collides with, but the combustion air and the fuel gas only mix gradually and intimately over the longitudinal extent of the inlet opening.
  • there is no turbulence in the boundary layer between the combustion air and the low calorific fuel gas and consequently the formation of a wake is prevented.
  • a particularly good and homogeneous mixture of combustion air and fuel gas is achieved.
  • the flow direction of the combustion air has an angle with respect to the burner axis, this angle being between 0 ° and 90 °.
  • the injector device preferably has a gas distribution ring which surrounds the premix air duct radially outward.
  • the premix air duct is preferably designed as an annular duct which has an outer duct wall which is provided with a multiplicity of inlet openings, e.g. Is penetrated holes that are in flow communication with the gas distribution ring. This ensures that the full premix air duct.
  • the outer channel wall tapers like a cone in the flow direction of the combustion air. Due to the injection of the low calorific fuel gas through the inlet openings made in the outer cone, any additional fittings for the injection device which negatively influence the air flow can be dispensed with, so that operation with conventional combustion Substances (natural gas or heating oil) is still possible without restriction if required.
  • the premix burner is used in a particularly preferred embodiment in a combustion chamber, for example in an annular combustion chamber.
  • a combustion chamber is advantageously designed as a combustion chamber of a gas turbine, for example as an annular combustion chamber of a stationary gas turbine.
  • the object directed to the method is achieved according to the invention by a method for the combustion of a low-calorific fuel gas, in which combustion air imparts a swirl, low-calorific fuel gas is injected into the swirled combustion air and mixed with it, and the mixture is burned.
  • a particularly homogeneous combustion mixture can be achieved with this method, with high volume flows of low-calorific fuel gas being miscible with the combustion air.
  • undiluted or partially diluted low-calorific fuel gas is advantageously injected into the swirled combustion air.
  • the low-calorific fuel gas is preferably injected in such a way that the formation of wake areas in the premix air duct is prevented.
  • the method works particularly effectively against the blinding of trailing areas in the premixed air duct if the low-calorific fuel gas is preferably injected through inlet openings and these inlet openings have a cross section, the cross section having a longitudinal extent and a transverse dimension, and the longitudinal dimension being greater than the transverse dimension.
  • the longitudinal axis defined by the longitudinal extent is preferably essentially parallel to the flow direction of the combustion air, so that the low-calorific fuel gas is injected parallel to the flow direction of the combustion air.
  • a gasified fossil fuel in particular gasified coal, is used particularly advantageously as low-calorific fuel gas.
  • the method is preferably carried out when operating a gas turbine burner, a synthesis gas which is a low-calorific fuel being burned in the premix mode.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a premix burner according to the invention.
  • FIG. 2 shows a possible design of the rapid release openings shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic top view of an improved embodiment of the inlet openings
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of an inlet opening shown in FIG. 3
  • FIG. 5 shows a plan view of an elongated hole
  • the Premix air duct 2 is an annular duct 14 formed, which has an outer channel wall 15.
  • a - schematically represented - ring of swirl blades 5 is installed, which forms a swirl device. At least one of these swirl blades 5 is designed as a hollow blade 5a.
  • the hollow blade 5a is designed for the supply of high-calorific fuel 11, for example natural gas or heating oil.
  • the fuel ring channel 3 opens into this hollow recess 5a.
  • the premix burner 1 can be operated as a diffusion burner via the pilot burner 9. Usually, however, it is used as a premix burner, i.e. fuel and air are mixed first and then fed to the combustion.
  • the pilot burner 9 serves to maintain a pilot flame which stabilizes the combustion during the premix burner operation in the event of a possibly changing fuel / air ratio.
  • combustion air 10 and the high-calorific fuel 11 are mixed in the premix air duct 2 and then fed to the combustion.
  • the high-calorific fuel 11 is conducted from the fuel ring channel 3 into a hollow blade 5a of the swirl blade ring 5 and from there is introduced into the combustion air 10 in the premixing air channel 2 via the inlet 6.
  • a nozzle device 13 for the low-calorific fuel gas SG is provided in the flow direction of the combustion air 10 downstream of the swirl device 5.
  • the injection device 13 comprises a Number of inlet openings 16 for the fuel gas SG.
  • the inlet openings 16 open into the premix air duct 2.
  • the injection device 13 has a gas distribution ring 17 which surrounds the premix air duct 2 radially outward.
  • low-calorific fuel gas SG can be injected in its entirety into the premix air channel 2, which is designed as an annular channel 14, downstream of the swirl device 5, into the distributed combustion air stream 10.
  • the outer channel wall 15 of the ring channel 14 is penetrated by a large number of inlet openings 16, for example bores, which are in flow connection with the gas distribution ring 17.
  • the gas distribution ring 17 also ensures a distribution function, so that low-calorific fuel gas SG can be provided with the required pressure and volume flow and admixed with the swirled combustion air 10 through the large number of inlet openings 16 in the outer duct wall 15.
  • the gas distribution ring 17 can also delimit the premixing air duct 2 radially inwards, so that synthesis gas SG can be injected.
  • the outer duct wall 15 tapers in the direction of flow of the combustion air 10.
  • the premix burner 1 for burning a low-calorific fuel gas SG can be used in a combustion chamber of a gas turbine, for example an annular combustion chamber of a stationary gas turbine.
  • premix burner 1 of the invention is an optional one
  • the pre- Mixing burner 1 is designed as a two- or multi-fuel burner which can be charged with both low-calorific fuel gas SG and high-calorific fuel 11, for example natural gas or heating oil.
  • the premix burner 1 When the premix burner 1 is operated with low-calorific fuel gas SG, a swirl is imparted to the combustion air 10 and the low-calorific fuel gas SG is injected into the swirled combustion air 10 and mixed with it. This mixture is then burned. Partially diluted low-calorific fuel gas SG can also be injected into the swirled combustion air 10.
  • a gasified fossil fuel in particular gasified coal from a gasification device, is advantageously used as the low-calorific fuel gas SG.
  • a synthesis gas operation can be carried out particularly advantageously in a gas turbine.
  • the main advantage of the premix burner 1 according to the invention and of the method described for the combustion of a low-calorific fuel SG is that the proven premix combustion concept for natural gas and oil (high-calorific fuels) can be adopted unchanged.
  • any lengthy design burner optimizations and / or design changes are not required.
  • the premix burner 1 is only expanded by an additional fuel passage for low-calorific fuel gases SG, without the constructive implementation having any significant influence on the conventional operation of the combustion system with high-calorific fuels.
  • the proposed construction enables particularly favorable mixing properties of the low-calorific fuel gas SG with the combustion air 10, it being possible to supply the combustion process with a sufficiently large throughput (volume flow) of synthesis gas SG.
  • 2 shows a schematic top view of the inlet openings 16.
  • FIG. 2 shows in detail one possibility of constructing the inlet openings 16 shown in FIG.
  • the inlet openings 16 in this exemplary embodiment have bores 16 a with a circular cross section 18 in the outer duct wall 15, which open into the premix air duct 2.
  • the low-calorie combustion gas SG is Silicondust in the premix air duct 2 and there under the influence of strong air mass flow 10, it changes direction and is from the air with which it is mixed intensively transported away ⁇ advantage to participate in the combustion process.
  • Due to the circular shape of the cross section 18 when the low-calorific fuel gas SG flows out of the bores 16a wake areas 19 are formed downstream.
  • backflows 20 occur which run counter to the flow direction 21 of the combustion air 10 and thus the risk of flashbacks increase significantly.
  • the circular inlet openings 16a are therefore still in need of improvement.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of an improved embodiment of the inlet openings 16.
  • the inlet openings 16 are now designed as elongated holes 16b.
  • This design prevents the development of wake areas 19 within the premix burner 1 and at the same time enables a sufficient penetration depth of the low-calorific fuel gas SG.
  • the elongated holes 16b have a longitudinal dimension Li and a transverse dimension L 2 (see discussions on FIG. 5 to FIG. 7).
  • the longitudinal extent Li is usually about 3- fold to 10 times the transverse dimension, in this illustration, the FIG 3, the longitudinal extension of Li is about 6-fold greater than the transverse dimension L2.
  • a longitudinal axis A is defined by the longitudinal extent Li. This is parallel to the direction of flow 21 of the combustion air 10.
  • FIG. 4 schematically shows a longitudinal section of an elongated hole-shaped inlet opening 16b shown in FIG. 3 along the longitudinal axis A.
  • Longitudinal expansion Li is introduced in the outer channel wall 15.
  • the low-calorific fuel gas SG is injected into the premix air duct 2 by the gas distribution ring 17, in this illustration the space below the inlet opening 16b, through the inlet opening 16. There it meets the air mass flow 10 and mixes with it.
  • the point in the room where the first contact between the fuel gas SG and the combustion air 10 takes place is also called the stagnation point. In the arrangement shown, it is located upstream approximately at the end of the longitudinal extent Li, just above the inlet opening 16. From the S-tea point S, the gradual mixing of the fuel gas SG with the combustion air 10 begins and extends downstream over the inlet opening 16b and possibly further ,
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of three different configurations of the inlet openings 16.
  • the cross section 18 in FIG. 5 represents an elongated hole 16b, in FIG. 6 a rectangle 16c with rounded corners 22 and in FIG. 7 a drop 16d.
  • All three Embodiments have a longitudinal dimension Li and a transverse dimension L 2 , it generally being valid that the longitudinal dimension Li is greater than the transverse dimension L 2 .
  • the drop is rounded at the point of the acute angle.
  • the drop thus now has two curves with two radius of curvature Ri and R 2 , where R 1> R 2 .
  • the injection device 13 for the low calorific fuel gas SG can thus be adapted to the particular application situation and requirement with regard to the structural design, the number and the arrangement of the inlet openings 16. This results in favorable geometric configurations for the inlet openings 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner (1) zur Verbren­nung eines niederkalorischen Brenngases (SG), mit einem sich entlang einer Brennerachse (12) erstreckenden Luftkanal (2) über den Verbrennungsluft (10) zuführbar ist. In dem Luftka­nal (2) ist eine Dralleinrichtung (5) angeordnet, wodurch der Verbrennungsluft (10) ein Drall aufprägbar ist. Stromab der Dralleinrichtung (5) ist eine Eindüseeinrichtung (13) für das niederkalorische Brenngas (SG) vorgesehen. Dabei weist die Eindüseeinrichtung (13) solche Einlassöffnungen (16) für das Brenngas (SG) auf, das die Ausbildung von Nachlaufgebieten im Luftkanal (2) verhindert ist. Die Erfindung betrifft weiter­hin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG), bei dem Verbrennungsluft (10) ein Teil auf­geprägt, niederkalorisches Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedüst und mit dieser intensiv vermischt wird, und anschließend das Gemisch verbrannt wird.

Description

Beschreibung
Vormischbrenner sowie Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases
Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, insbesondere eines Synthesegases. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases.
Ein Brenner für gasförmige Brennstoffe, wie er insbesondere in einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, ist beispielsweise aus der DE 42 12 810 AI bekannt. Hieraus geht hervor, dass Verbrennungsluft durch ein Luft-Ringkanalsystem und Brenn- stoff durch ein weiteres Ringkanalsystem der Verbrennung zugeführt werden. Dabei wird ein hochkalorischer Brennstoff (Erdgas oder Heizöl) aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal eingedust, entweder direkt oder aus als Hohlschaufeln ausgebildeten Drallschaufeln.
Damit-.•soll u.a. eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und Luft erreicht werden, um eine stickoxidarme Verbrennung zu erzielen. Eine möglichst geringe Stickoxidproduktion ist aus Gründen des Umweltschutzes und entsprechenden gesetzlichen Richtlinien für Schadstoffemissionen eine wesentliche Anforderung an die Verbrennung, insbesondere an die Verbrennung in der Gasturbinenanlage eines Kraftwerks. Die Bildung von Stickoxiden erhöht sich exponentiell mit der Flammentemperatur der Verbrennung. Bei einer inhomogenen Mi- schung von Brennstoff und Luft ergibt sich eine bestimmte Verteilung der Flammentemperaturen im Verbrennungsbereich. Die Maximaltemperaturen einer solchen Verteilung bestimmen nach dem genannten exponentiellen Zusammenhang von Stickoxidbildung und Flammentemperatur maßgeblich die Menge der gebil- deten Stickoxide. Die Verbrennung eines homogenen Brennstoff- Luft-Gemischs erzielt demnach bei gleicher mittlerer Flammentemperatur einen niedrigeren Stickoxidausstoß als die Verbrennung eines inhomogenen Gemisches. Bei der Brennerausführung in der oben zitierten Druckschrift wird eine räumlich gute Mischung von Luft und Brennstoff erzielt .
Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile von Synthesegas im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Zum wahlweisen Betrieb einer Gasturbine mit Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung und einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff muss der Brenner in der der Gasturbine zugeordneten Brennkammer dann als Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt sein, der sowohl mit dem Synthesegas als auch mit dem Zweitbrennstoff, z.B. Erdgas oder Heizöl je nach Bedarf beaufschlagt werden kann. Der jeweilige Brennstoff wird hierbei über eine Brennstoffpassage im Brenner der Verbrennungszone zugeführt.
Abhängig vom Vergasungsverfahren und Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa fünf- bis zehnmal kleiner verglichen mit dem Heizwert von Erdgas. Hauptbestandteil neben CO und H2 sind inerte Anteile wie-^Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den kleinen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas durch den Brenner der Brennkammer zuge- führt werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorische Brennstoffen - wie z.B. Synthesegas eine oder mehrere gesonderte Brennstoffpassagen zur Verfügung gestellt werden müssen. Ein derartiger Mehrpassagenbrenner, der auch für den Synthesegasbetrieb geeignet ist, ist beispiels- weise in der EP 1 227 920 AI offenbart.
Neben der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur des Synthesegases ist besonders die Mischungsgüte zwischen Synthesegas und Luft an der Flammenfront eine wesentliche Einfluss- große zur Vermeidung von Temperaturspitzen und somit zur Minimierung der thermischen Stickoxidbildung. Im Hinblick auf zunehmend strengere Anforderungen an den Ausstoß von Stickoxiden gewinnt die Vormischverbrennung auch bei der Verbrennung von niederkalorischen Gasen zunehmend an Bedeutung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennga- ses.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Vormischbrenner zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, mit einem sich entlang einer Brennerachse erstre- ckenden Vormisch-Luftkanal über den Verbrennungsluft zuführbar ist, und mit einer in dem Vormisch-Luftkanal angeordneten Dralleinrichtung, wobei in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft stromab der Dralleinrichtung eine Eindüseeinrichtung für das niederkalorische Brenngas angeordnet ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Sicherstellung eines schadstoffarmen Betriebs die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft von besonderer Bedeutung ist. Temperaturspitzen können nur durch eine möglichst homogene Mischung vermieden werden. Da bei niederkalorischen Brenngasen hohe Volumenströme an Brenngas involviert sind, die mit Verbrennungsluft zu mischen sind, stellte hier die Lösung der Mischaufgabe die Fachwelt vor besondere Herausforderungen an die konstruktive Auslegung derartiger Brenner.
Mit dem Synthesegas-Vormischbrenner der Erfindung wird erstmals ein Brennerkonzept vorgeschlagen, welches die Schadstoffausstoß bezogenen Vorteile des Vormischbetriebs auch für niederkalorische Synthesegase als Brennstoff anwendbar macht. Durch die Eindüsevorrichtung stromab der Dralleinrichtung erfolgt die Eindüsung von unverdünnten bzw. teilverdünnten niederkalorischen Brenngas in den bereits verdrallten Massen- ström. Im räumlichen Bereich stromab der Drallvorrichtung erfolgt dadurch eine weitgehend homogene Vermischung des Synthesegases und dem verdrallten Luftmassenstromes. Die Verbrennung des vorgemischten Brenngas-Luftgemisches erfolgt stromab des Brenners bei einer der vorgemischten Luftzahl entsprechenden Temperatur. Zur Stabilisierung der niederkalorischen Vormischflamme kann - speziell im Teillastbereich - ein kleiner Teilmassenstrom des niederkalorischen Brenngases zuvor abgetrennt und im Brennraum über eine im Diffusionsbe- trieb betriebene Stützflamme zugeführt werden, z.B. etwa 5% bis 20% des Gesamtvolumenstroms an Brenngas..
Durch diese Konstruktion mit der Eindüseeinrichtung stromab der Dralleinrichtung sind ausreichend große Volumenströme von niederkalorischen Brenngas mit der Verbrennungsluft mischbar, wobei außerordentlich gute Mischungsergebnisse erzielbar sind. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Schad- stoffbilanz des Vormischbrenners aus.
Weiterhin von Vorteil ist, dass das bewährte Vormischverbren- nungskonzept für hochkalorische Brennstoffe wie Erdgas oder Öl unverändert übernommen werden kann, womit eventuelle langwierige Optimierungen und/oder konstruktive Änderungen nicht notwendig sind. D.h., es ist möglich ein herkömmliches Ver- brennungssystem, das auf hochkalorische Brennstoffe ausgelegt ist, mittels der an den Luftkanal strömungstechnisch angekoppelten Eindüseeinrichtung durch eine zusätzliche Brennstoffpassage für niederkalorische Brenngase zu erweitern, und zwar ohne das die konstruktive Umsetzung einen nachteiligen Ein- fluss auf das bestehende konventionelle Verbrennungssystem hätte, z.B. hinsichtlich auftretender Druckverluste.
Somit kann der Vormischbrenner sowohl mit dem Synthesegas, das beispielsweise aus Kohle, industriellen Rückständen oder Abfall erzeugt wird, als auch mit einem Zweitbrennstoff, wie z.B. Erdgas oder Öl, betrieben werden. Bei einem Synthesegas- Vormischbetrieb wird lediglich über die Eindüseeinrichtung stromab der Dralleinrichtung der niederkalorische Brennstoff in den Vormisch-Luftkanal eingedust, wobei in Folge der drallbehafteten Verbrennungsluft eine besonders homogene Mischung sichergestellt ist. Durch dieses Konzept sind auch konstruktive Maßnahmen, die mit zusätzlichen Einbauten einhergehen, vermieden, so dass insbesondere der verdrallte Luftmassenstrom durch eventuelle Einbauten nicht beeinträchtigt wird. Durch den Vormischbrenner erfolgt die Verbrennung entsprechend der eingestellten Luftzahl bei deutlich niedrigeren Temperaturen, was letztendlich zu einer Minimierung der thermischen Stickoxidbildung bei der Verbrennung des niederkalorischen Brenngases führt .
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Eindüseeinrichtung eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Brenngas auf, die in den Vormisch-Luftkanal einmünden. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Einlassöffnungen für A;, das niederkalorische Brenngas so ausgeformt:, dass die Ausbildung von Nachlaufgebieten im Vormisch-Luftkanal verhindert ist. Beim Einströmen eines Gases mit sehr hoher Geschwindigkeit, wie es der Fall nach einer Eindüseeinrichtung ist, kann hinter den Einlassöffnungen ein Nachlaufgebiet mit deutlich erhöhter Turbulenz entstehen. Das turbulente Nachlaufgebiet kann dazu führen, dass sich Rückströmungen und Rezirkulatio- nen bilden, die ihrerseits einen Flammenrückschlag nach sich ziehen können. Weiterhin kann der instationäre Charakter des Nachlaufs eine Strömungsablösung hervorrufen. Um einen sicheren Vormischbetrieb zu gewährleisten, sollte die Form der Einlassöffnungen so gewählt werden, dass diese negativen Effekte verhindert sind. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weisen die Einlassöffnungen für das Brenngas einen Querschnitt auf, wobei der Querschnitt eine Längsausdehnung und eine Querausdehnung auf- weist, und wobei die Längsausdehnung größer ist als die Querausdehnung. Eine nahezu kreisförmige Öffnung ist im Prinzip auch möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass z.B. durch eine elliptische Formgebung der Eindüseöffnungen dem Problem von Nachlaufgebieten besonders wirkungsvoll begegnet werden kann. Somit ist ein sicherer Betrieb des Vormischbrenners gewährleistet .
Vorzugsweise beträgt die Längsausdehnung das 3-fache bis 10- fache der Querausdehnung. Wenn die Längsausdehnung weniger als das 3-fache der Querausdehnung beträgt, nähert sich die Ausgestaltung einer kreisrunden Einlassöffnung und das könnte die Bildung eines Nachlaufgebiets begünstigen. Andererseits ist eine Längsausdehnung, die mehr als das 10-fache der Quer- ausdehnung beträgt, nicht zwingend notwendig und aus räumlichen Gründen zu vermeiden.
Bevorzugtermassen weist der Querschnitt der Einlassöffnungen die Form eines Langloches, oder eines Rechtecks mit abgerun- deten Ecken oder eines Tropfens auf. Diese Formen, bei denen eine Seite länger als die Quer-seite geformt werden kann, haben sich als besonders geeignet für einen einwandfreien Betrieb des Vormischbrenners erwiesen. Weiterhin von Vorteil ist, wenn beim Querschnitt der Einlassöffnung keine scharfe Kanten gebildet sind. In den Bereichen wo der Winkel kleiner als 90° ist entstehen häufig Totzonen in der Strömung. Diese Kanten werden vorzugsweise durch Rundungen ausgestaltet (Fase) .
Besonders bevorzugte Ausgestaltung ist, dass die durch die
Längsausdehnung festgelegte Längsachse im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft ist. In diesem Fall liegt die Einlassöffnung mit ihrr schmaleren Seite senkrecht zum verdrallten Luftmassenstrom und dadurch wird der Widerstand, den das niederkalorische Brenngas auf dem Weg der Verbrennungsluft erzeugt, deutlich reduziert. Das ausströmende Brenngas stellt weiterhin kein wesentliches Hindernis das auf das die Verbrennungslauf aufprallt, sondern die Verbrennungsluft und das Brenngas vermischen sich nur schrittweise und innig über der Längsausdehnung der Einlassö fnung. Infol- gedesen entstehen keine Verwirbelungen in der Grenzschicht zwischen der Verbrennungsluft und dem niederkalorschen Brenngas und somit wird eine Nachlaufbildung verhindert . Weiterhin wird eine besonders gute und homogene Vermischung von Verbrennungsluft und Brenngas erreicht.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft einen Winkel gegenüber der Brennerachse auf, wobei dieser Winkel zwischen 0° und 90° ist.
Vorzugsweise weist die Eindüseeinrichtung einen Gasvertei- lungsring auf, der den Vormisch-Luftkanal radial auswärts umgibt. Der Vormisch-Luftkanal ist dabei bevorzugt als Ringkanal ausgebildet, der eine äußere Kanalwand aufweist, die mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen, z.B. Bohrungen durchsetzt ist, die mit dem Gasverteilungsring in Strömungsverbin- düng stehen. Hierdurch wird es erreicht, dass über den vollen
Umfang des Ringkanals..'.eine Eindüsung von niederkalorischen c.-,> Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft gewährleistet ist. Je nach Anforderungen an den Volumenstrom von niederkalorischen Brenngas ist der Durchmesser der Bohrung, deren An- zahl und deren Verteilung an der äußeren Kanalwand entsprechend auszulegen. Durch entsprechende konstruktive Auslegung der Eindüseeinrichtung wird erreicht, dass ein hinreichend großer Brenngas-Volumenstrom eingedust und damit ein stabiler Synthesegas-Vormischbetrieb sichergestellt ist .
In bevorzugter Ausgestaltung verjüngt sich die äußere Kanalwand konusartig in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft. Bedingt durch die Eindüsung des niederkalorischen Brenngases durch den in den äußeren Konus eingebrachten Einlassöffnungen kann auf jegliche die Luftströmung negativ beeinflussende zusätzliche Einbauten für die Eindüseeinrichtung verzichtet werden, so dass der Betrieb auch mit konventionellen Brenn- Stoffen (Erdgas oder Heizöl) ohne Einschränkung bei Bedarf weiterhin möglich ist.
Besonders bevorzugte Ausgestaltung ist der Vormischbrenner in einer Brennkammer, beispielsweise in einer Ringbrennkammer, eingesetzt. Eine derartige Brennkammer ist vorteilhafter Weise als Brennkammer einer Gasturbine ausgestaltet, beispielsweise als eine Ringbrennkammer einer stationären Gasturbine.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases, bei dem Verbrennungsluft ein Drall aufgeprägt, niederkalorisches Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft eingedust und mit dieser vermischt, und das Gemisch verbrannt wird.
Mit diesem Verfahren ist ein besonders homogenes Verbrennungsgemisch erreichbar, wobei hohe Volumenströme an niederkalorischem Brenngas mit der Verbrennungsluft mischbar sind.
Hierbei wird vorteilhafter Weise unverdünnte oder teilver-**- dünntes niederkalorisches Brenngas in die verdrallte Verbrennungsluft eingedust.
Bevorzugtermassen wird bei diesem Verfahren das niederkalorische Brenngas so eingedust, dass die Ausbildung von Nachlaufgebieten im Vormisch-Luftkanal verhindert ist.
Das Verfahren wirkt besonders effektiv gegen die Ausblindung von Nachlaufgebieten im Vormisch-Luftkanal, wenn vorzugsweise das niederkalorische Brenngas durch Einlassöffnungen eingedust wird und diese Einlassöffnungen einen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt eine Längsausdehnung und Querausdehnung aufweist, und wobei die Längsausdehnung größer ist als die Querausdehnung. Bevorzugtermassen ist bei diesem Verfahren durch das Längsausdehnung festgelegte Längsachse im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft, so dass das niederkalorische Brenngas parallel zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft eingedust wird.
Als niederkalorisches Brenngas kommt ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle, besonders vorteilhaft zum Einsatz. Das Verfahren wird vorzugsweise beim Be- trieb eines Gasturbinenbrenners durchgeführt, wobei ein Synthesegas, das einen niederkalorischen Brennstoff darstellt, im Vormischbetrieb verbrannt wird.
In der Zeichnung sind zur näheren Erläuterung einige Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Sie zeigt:
FIG 1 ein Längsschnitt durch einen Vormischbrenner gemäß der Erfindung.
FIG 2 eine mögliche Auslegung der in FIG 1 gezeigten Eilass- Öffnungen
FIG 3 <eine schematische Draufsicht auf eine verbesserten Ausführungsform der Einlassöffnungen
FIG 4 ein Längsschnitt einer in FIG 3 gezeigten Einlassöffnung FIG 5 eine Draufsicht auf ein Langloch
FIG 6 eine Draufsicht auf ein Rechteck mit abgerundeten Kanten
FIG 7 eine Draufsicht auf ein Tropfen
FIG 1 zeigt einen Vormischbrenner 1, der in etwa rotationssymmetrisch bezüglich einer Brennerachse 12 ist. Ein entlang der Brennerachse 12 gerichteter Pilotbrenner 9 mit einem Brennstoff-Zufuhrkanal 8 und einem diesen konzentrisch umschließenden Luftzufuhr-Ringkanal 7 ist konzentrisch umgeben von einem Brennstoff-Ringkanal 3. Dieser Brennstoff-Ringkanal 3 ist teilweise konzentrisch umschlossen von einem Vormisch- Luftkanal 2. Der Vormisch-Luftkanal 2 ist als Ringkanal 14 ausgebildet, der eine äußere Kanalwand 15 aufweist. In diesem Vormisch-Luftkanal 2 ist ein - schematisch dargestellter - Kranz von Drallschaufeln 5 eingebaut, der eine Dralleinrichtung bildet. Mindestens eine dieser Drallschaufeln 5 ist als Hohlschaufel 5a ausgebildet. Sie weist einen durch mehrere kleine Öffnungen gebildeten Einlass 6 für eine BrennstoffZuführung auf. Die Hohlschaufel 5a ist dabei für die Zufuhr von hochkalorischen Brennstoff 11, z.B. Erdgas oder Heizöl, ausgelegt. Der Brennstoff-Ringkanal 3 mündet in diese Hohlschau- fei 5a.
Der Vormischbrenner 1 kann über den Pilotbrenner 9 als Diffusionsbrenner betrieben werden. Üblicherweise wird er aber als Vormischbrenner eingesetzt, d.h., Brennstoff und Luft werden zuerst gemischt und dann der Verbrennung zugeführt. Dabei dient der Pilotbrenner 9 zur Aufrechterhaltung einer Pilotflamme, die die Verbrennung während des Vormischbrennerbe- triebes bei einem eventuell wechselnden Brennstoff-Luftverhältnis stabilisiert.
Bei der Verbrennung von hochkalorischen« Brennstoff 11, d.h. z.B. Erdgas oder Heizöl, werden Verbrennungsluft 10 und der hochkalorische Brennstoff 11 im Vormisch-Luftkanal 2 gemischt und anschließend der Verbrennung zugeführt. Im gezeigten Aus- führungsbeispiel wird dabei der hochkalorische Brennstoff 11 aus dem Brennstoff-Ringkanal 3 in eine Hohlschaufel 5a des Drallschaufelkranzes 5 geleitet und von dort über den Einlass 6 in die Verbrennungsluft 10 im Vormisch-Luftkanal 2 eingeleitet.
Bei dem Vormischbrenner 1 der Erfindung ist darüber hinaus wahlweise auch die Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases SG, beispielsweise eines Synthesegases aus einem Kohle- vergasungsprozess, möglich. Hierzu ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 10 stromab von der Dralleinrichtung 5 eine Eindüseeinrichtung 13 für das niederkalorische Brenngas SG vorgesehen. Die Eindüseeinrichtung 13 umfasst eine Viel- zahl von Einlassöffnungen 16 für das Brenngas SG. Die Einlassöffnungen 16 münden in den Vormisch-Luftkanal 2. Die Eindüseeinrichtung 13 weist einen Gasverteilungsring 17 auf, der den Vormisch-Luftkanal 2 radial auswärts umgibt. Somit wird erreicht, dass niederkalorisches Brenngas SG vollumfänglich in den als Ringkanal 14 ausgebildeten Vormisch-Luftkanal 2 stromab der Dralleinrichtung 5 in den verteilten Verbrennungsluftstrom 10 eindüsbar ist. Die äußere Kanalwand 15 des Ringkanals 14 ist hierbei mit einer Vielzahl von Einlassöff- nungen 16, z.B. Bohrungen durchsetzt, die mit dem Gasverteilungsring 17 in Strömungsverbindung stehen. Auf diese Weise ist durch den Gasverteilungsring 17 auch eine Verteilerfunktion gewährleistet, so dass niederkalorisches Brenngas SG mit dem erforderlichen Druck und Volumenstrom bereitgestellt und durch die Vielzahl von Einlassöffnungen 16 in der äußeren Kanalwand 15 der verdrallten Verbrennungsluft 10 zugemischt werden kann. Vorteilhafter Weise ist hierdurch eine besonders homogene und gleichmäßige Vermischung von Verbrennungsluft 10 mit den niederkalorischen Brenngas SG erreicht . Durch ent- sprechende konstruktive Auslegung und strömungstechnische Dimensionierung wird erreicht, dass mittels der Eindüseeinrichtung 13, respektive dem Gasverteilungsring 17, ein hinreichend großer Volumenstrom an Brenngas SG zuführbar ist für den Synthesegas-Vormischbetrieb. In alternativer Ausgestal- tung oder als Zusatzoption zum radial auswärts angeordneten Gasverteilungsring 17 - hier in FIG 1 nicht näher dargestellt, kann der Gasverteilungsring 17 auch radial einwärts den Vormisch-Luftkanal 2 begrenzen, so dass Synthesegas SG eindüsbar ist. In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 10 verjüngt sich die äußere Kanalwand 15. Der Vormischbrenner 1 zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases SG ist in einer Brennkammer einer Gasturbine, beispielsweise einer Ringbrennkammer einer stationären Gasturbine einsetzbar.
Mit dem Vormischbrenner 1 der Erfindung ist ein wahlweiser
Betrieb mit einem Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung oder einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff möglich, da der Vor- mischbrenner 1 als Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt ist, der sowohl mit niederkalorischen Brenngas SG als auch mit hochkalorischen Brennstoff 11, z.B. Erdgas oder Heizöl, beaufschlagt werden kann.
Bei einem Betrieb des Vormischbrenners 1 mit niederkalorischen Brenngas SG wird der Verbrennungsluft 10 ein Drall aufgeprägt und das niederkalorische Brenngas SG in die verdrallte Verbrennungsluft 10 eingedust und mit dieser vermischt. Dieses Gemisch wird anschließend verbrannt. Dabei kann auch teilverdünntes niederkalorisches Brenngas SG in die verdrallte Verbrennungsluft 10 eingedust werden. Als niederkalorisches Brenngas SG kommt vorteilhafter Weise ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle aus einer Vergasungseinrichtung, zum Einsatz. Mit dem Vormischbrenner 1 ist besonders vorteilhaft ein Synthesegasbetrieb bei einer Gasturbine durchführbar.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Vormischbren- ners 1 und des beschriebenen Verfahrens zur Verbrennung eines niederkalorischen-.iBrennstoffs SG besteht darin, dass das bewährte Vormisch-Verbrennungskonzept für Erdgas und Öl (hochkalorische Brennstoffe) unverändert übernommen werden kann. Vorteilhafter Weise sind dabei eventuelle langwierige kon- struktive Brenneroptimierungen und/oder konstruktive Änderungen nicht erforderlich. Der Vormischbrenner 1 wird lediglich durch eine zusätzliche Brennstoffpassage für niederkalorische Brenngase SG erweitert, ohne das die konstruktive Umsetzung einen nennenswerten Einfluss auf den herkömmlichen Betrieb des Verbrennungssystems mit hochkalorischen Brennstoffen hat. Die vorgeschlagene Konstruktion ermöglicht besonders günstige Mischungseigenschaften des niederkalorischen Brenngases SG mit der Verbrennungsluft 10, wobei ein hinreichend großer Durchsatz (Volumenstrom) an Synthesegas SG der Verbrennungs- prozess zugeführt werden kann. FIG 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Einlassöffnungen 16. FIG 2 zeigt dabei im Detail eine Möglichkeit die in FIG 1 gezeigten Einlassöffnungen 16 konstruktiv auszulegen. Die Einlassöffnungen 16 in diesem Ausführungsbeispiel weisen Bohrungen 16a mit einem kreisrunden Querschnitt 18 in der äußeren Kanalwand 15 auf, die in den Vormisch-Luftkanal 2 münden. Das niederkalorische Brenngas SG wird in den Vormisch-Luftkanal 2 eingedust und dort unter dem Einfluss des starken Luftmassenstroms 10 ändert es seine Richtung und wird von der Luft, mit der es intensiv vermischt wird, abtranspor¬ tiert um am Verbrennungsprozess teilzunehmen. Aufgrund der kreisrunden Form des Querschnittes 18 beim Ausströmen des niederkalorischen Brenngases SG aus den Bohrungen 16a bilden sich stromabwärts Nachlaufgebiete 19. Infolge der starken Turbulenz in den Nachlaufgebieten 19 entstehen Rückströmungen 20, die entgegen der Strömungsrichtung 21 der Verbrennungsluft 10 verlaufen und damit die Gefahr von Flammenrückschlägen deutlich erhöhen. Die kreisförmigen Einlassöffnungen 16a sind daher noch verbesserungswürdig.
FIG 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine verbesserte Ausführungsform der Einlassöffnungen 16. Statt Bohrungen 16a mit kreisrundem Querschnitt 18, sind die Einlassöffnungen 16 nun als Langlöcher 16b ausgestaltet. Diese Bauweise verhin- dert die Entwicklung von Nachlaufgebieten 19 innerhalb des Vormischbrenners 1 und zugleich wird eine hinreichende Eindringtiefe des niederkalorischen Brenngases SG ermöglicht. Die Langlöcher 16b weisen eine Längsausdehnung Li und eine Querausdehnung L2 auf (siehe Diskussionen zu FIG 5 bis FIG 7) . Die Längsausdehnung Li beträgt in der Regel etwa das 3- fache bis 10-fache der Querausdehnung, in dieser Abbildung der FIG 3 ist die Längsausdehnung Li etwa 6-fach größer als die Querausdehnung L2. Durch die Längsausdehnung Li wird eine Längsachse A festgelegt. Diese ist parallel zur Strömungs- richtung 21 der Verbrennungsluft 10. Das führt dazu, dass die schmalere Seite des Langloches 16b quer zur Strömungsrichtung 21 der Verbrennungsluft 10 liegt und dadurch wird der Wider- stand, den die Verbrennungsluft 10 beim Kontakt mit dem Brenngas SG erfährt, deutlich verringert. Da die Strömungsrichtung 21 einen Winkel φ gegenüber der Brennerachse 12 aufweist und die Längsachse A parallel zur Strömungsrichtung 21 ist, weist nun die Längsachse A auch den Winkel φ gegenüber der Brennerachse 12.
In FIG 4 ist ein Längsschnitt einer in FIG 3 gezeigten lang- lochförmigen Einlassöffnung 16b entlang der Längsachse A schematisch dargestellt. Die Einlassöffnung 16b, die eine
Längsausdehnung Li aufweist, ist in der äußeren Kanalwand 15 eingebracht. Das niederkalorische Brenngas SG wird vom Gasverteilerring 17, in dieser Darstellung der Raum unter der Einlassöffnung 16b, durch die Einlassöffnung 16 in den Vor- misch-Luftkanal 2 eingedust. Dort trifft es auf den Luftmassenstrom 10 und vermischt sich mit diesen. Der Punkt im Raum wo der erste Kontakt zwischen dem Brenngas SG und der Verbrennungsluft 10 stattfindet nennt man auch Staupunkt. Bei der gezeigten Anordnung liegt er stromaufwärts etwa am Ende der Langsausdehnung Li, knapp über der Einlassöffnung 16. Ab dem S-teaupunkt S fängt die graduelle Vermengung des-Brenngases SG mit der Verbrennungsluft 10 an und erstreckt sich stromabwärts über der Einlassöffnung 16b und eventuell weiter.
Figuren 5, 6 und 7 zeigen in einer schematischen Draufsicht drei verschieden Ausgestaltungen der Einlassöffnungen 16. Der Querschnitt 18 in FIG 5 stellt ein Langloch 16b, in FIG 6 ein Rechteck 16c mit abgerundeten Ecken 22 und in FIG 7 einen Tropfen 16d dar. Alle drei Ausführungsformen weisen eine Längsausdehnung Li und eine Querausdehnung L2 auf, wobei allgemein gültig bleibt, dass die Längsausdehnung Li größer ist als die Querausdehnung L2. Damit die Ausbildung von Totzonen vermieden wird, ist bei dem Tropfen eine Rundung an der Stelle des spitzen Winkels eingebracht. Somit weist der Tropfen nun zwei Rundungen mit zwei Rundungsradien Ri und R2 auf, wobei Rι>R2. Die Eindüseeinrichtung 13 für das niederkalorische Brenngas SG kann also im Bezug auf die konstruktive Ausgestaltung, die Anzahl und die Anordnung der Einlassöffnungen 16 der jeweiligen Einsatzsituation und Anforderung angepasst werden. Daraus ergeben sich jeweils günstige geometrische Ausgestaltungen für die Einlassöffnungen 16.

Claims

Patentansprüche
1. Vormischbrenner (1) zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenngases (SG) , mit einem sich entlang einer Brennerachse (12) erstreckenden Vormisch-Luftkanal (2) über den Verbrennungsluft (10) zuführbar ist, und mit einer in dem Vormisch- Luftkanal (2) angeordneten Dralleinrichtung (5), wobei in Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) stromab der Dralleinrichtung (5) eine Eindüseeinrichtung (13) für das niederkalorische Brenngas (SG) angeordnet ist.
2. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 1, bei dem die Eindüseeinrichtung (13) eine Vielzahl von Einlassöffnungen (16) für Brenngas (SG) aufweist, die in den Vormisch-Luftkanal (2) einmünden.
3. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 2, bei dem die Einlassöffnungen (16) für das Brenngas (SG) so ausgeformt sind, dass die Ausbildung von Nachlaufgebieten (19) im Vormisch-Luftkanal (2) verhindert ist.
4. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 3, bei dem die Einlassöffnungen (16) für das Brenngas (SG) einen Querschnitt (18) aufweisen, wobei der Querschnitt (18) eine Längsausdehnung (Lx) und eine Querausdehnung (L2) aufweist, und wobei die Längsausdehnung (Li) größer ist als die Querausdehnung (L2) .
5. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 4, bei dem die Längsausdehnung (Li) das 3-fache bis 10-fache der Querausdehnung (L2) beträgt.
6. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem der Querschnitt (18) der Einlassöffnungen (16) die Form eines Langloches (16b) , oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken oder eines Tropfens ausweist .
7. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 4,5 oder 6, bei dem durch das Längsausdehnung (Li) festgelegte Längsachse (A) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) ist.
8. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) einen Winkel (φ) gegenüber der Brennerachse (12) aufweist, wobei 0° < φ < 90° .
9. Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eindüseeinrichtung (13) mindestens einen Gasver- teilungsring (17) aufweist, der den Vormisch-Luftkanal (2) radial auswärts oder radial einwärts umgibt.
10. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 9, bei dem der Vormisch-Luftkanal (2) als Ringkanal (14) ausge- bildet ist, der eine äußere oder innere Kanalwand (15) aufweist, die mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen (16) durchsetzt ist, die mit dem Gasverteilungsring (17) in Strömungsverbindung stehen .
11. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 10, mit einer sich in Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) konusartig verjüngenden äußeren Kanalwand (15) .
12. Brennkammer mit einem Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Gasturbine mit einer Brennkammer nach Anspruch 9.
14. Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brenn- gases (SG) , bei dem Verbrennungsluft (10) ein Drall aufgeprägt, niederkalorisches Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedust und mit dieser vermischt, und das Gemisch verbrannt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem teilverdünntes Brenngas (SG) in die verdrallte Verbrennungsluft (10) eingedust wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei dem das niederkalorische Brenngas (SG) so eingedust wird, dass die Ausbildung von Nachlaufgebieten (19) im Vormisch- Luftkanal (2) verhindert ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das niederkalorische Brenngas (SG) durch Einlassöff- nungen (16) eingedust wird und diese Einlassöffnungen (16) einen Querschnitt (18) aufweisen, wobei der Querschnitt (18) eine Längsausdehnung (Li) und Querausdehnung (L2) aufweist, und wobei die Längsausdehnung (Li) größer ist als die Querausdehnung (L2) .
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem durch die Längsausdehnung (Li) festgelegte Längsachse (A) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) ist, so dass das niederkalorische Brenngas (SG) parallel zur Strömungsrichtung (21) der Verbrennungsluft (10) eingedust wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem als niederkalorisches Brenngas (SG) ein vergaster fossiler Brennstoff, insbesondere vergaste Kohle, eingesetzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, das beim Betrieb eines Gasturbinenbrenners durchgeführt wird.
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