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(11) | EP 0 713 058 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung Multi-stage combustion chamber Chambre de combustion à plusieurs étage |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mehrstufigen 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 mindestens einer Nachbrennraum, der stromabwärts des Vorbrennraumes angeordnet ist und in den Sekundärbrennluft eingeleitet wird. Sie betrifft ebenfalls eine Brennkammer zur Durchführung des Vefahrens.
Stand der Technik
[0002] 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/MagerZweistufenbrennkammer", wobei in der ersten Verbrennungsstufe die Gase ein Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis aufweisen, welches grösser als 1 ist. In der zweiten Verbrennungsstufe weisen die Gase ein Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis 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 eingedüst. 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.
[0003] Moderne Brenner der Vormischbauart bieten die Möglichkeit, auch die erste Verbrennungstufe mager zu betreiben, was sich aufgrund der grossen Luftzahl und der niedrigeren Flammentemperaturen vorteilhaft auf die NOX-Bildung auswirkt. Bei einer solchen Vormischverbrennungtechnik muss nur sichergestellt 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.
Darstellung der Erfindung
[0004] 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.
[0005] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht,
- dass der Primärbrenner ein flammenstabilisierender Vormischbrenner ist, welcher an der unteren Stabilitätsgrenze betrieben wird,
- dass zwischen Vorbrennraum und Nachbrennraum das Rauchgas beschleunigt wird,
- und dass in die den Vorbrennraum verlassende Rauchgasströmung zwecks Bildung eines selbstzündenden Gemisches Kühlluft aus der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung und Zusatzbrennstoff eingeführt wird.
[0006] Eine Brennkammer zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich aus durch einen am Kopfende der Brennkammer angeordneten Doppelkegelbrenner der Vormischbauart, mit anschliessendem 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 Eintritt des Nachbrennraumes angeordnete Einspritzmittel für Zusatzbrennstoff.
[0007] Zwar ist aus der DE-A1 37 07 773 im Zusammenhang mit Prozesswärmeerzeugug bereits ein zweistufiges Verfahren und eine entsprechende Brennkammer bekannt, welche mit einem flammenstabilisierenden Doppelkegelbrenner als Primärbrenner arbeitet, bei welchem zwischen Vorbrennraum und Nachbrennraum 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 teilverbrannte 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 Luftstickstoffs zu vermeiden.
[0008] Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass der Vormischbrenner an der unteren Löschgrenze betrieben werden kann, wobei zunächt 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 aufgrund der kurzen Aufenthaltszeiten nur noch NOX-Werte kleiner als 6 ppm aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0009] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand vn Gasturbinen-Brennkammern schematisch dargestellt.
[0010] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt einer ersten zweistufigen Brennkammer;
- Fig. 2
- einen Teillängsschnitt einer zweiten fünf stufigen Brennkammer;
- Fig. 3A
- einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;
- Fig. 3B
- einen Querschnitt durch denselben Vormischbrenner im Bereich der Kegelspitze;
[0011] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen 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.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0012] 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 augebildet und besteht im wesentlichen aus einer Vorbrennkammer 61 und einer stromabwärts gelegenen Nachbrennkammer 62, welche beide mit einer Brennkammerwand 63 ummmantelt sind. Von der gesamten Verbrennungsluft wird ein Teil a der Vorbrennkammer 61 direkt zugeführt, während die Teile b und c zunächst Kühlfunktionen ausüben.
[0013] Auf die Vorbrennkammer 61, die sich am Kopfende der Brennkammer 60 befindet und deren Brennraum durch eine Frontplatte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufgesetzt. 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 Domwandung 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.
[0014] Beim schematisch in Fig. 3A und 3B dargestellten Vormischbrenner 110 handelt es sich jeweils um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Im wesentlichen besteht er aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind.
[0015] Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen 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 angeordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entstehende kegelige Brennstoffprofil 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 Brennstoffarten möglich ist.
[0016] Am Brenneraustritt 118 des Brennes 110 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone 122, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.
[0017] Im Beispielsfall wird der Vormischbrenner mit ca. 56% der insgesamt zur Verfügung stehenden Verbrennungluft betrieben und zwar nahe an der unteren Löschgrenze; d.h. die entsprechende Brennstoffmenge wird so eingestellt, dass im Brennraum 61 eine Temperatur von 1640K (ca. 1370°C) und ein NOX-Gehalt von 9 ppm vorherrschen.
[0018] Gemäss Fig. 1 bildet der Übergang vom Vorbrennraum 61 in den Nachbrennraum 62 eine Verengung, welche eine Beschleunigungszone 70 für das Arbeitsmittel darstellt. Hierdurch soll ein geeignetes Temperatur/Geschwindigkeitsfeld für eine stabile Selbstzündung stromabwärts von Brennstofflanzen geschaffen werden.
[0019] Am Eintritt in den Nachbrennraum 62 sind derartige Brennstofflanzen 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 eingedüst.
[0020] Stromaufwärts dieser Brennstoffeindüsung werden die restlichen 44% Luft dem Verbrennungsprozess auf geeignete Art beigemischt. Hierbei handelt es sich um jene Luft, die zunächst zur Kühlung der Brennkammerwandungen herangezogen wird. Diese Brennkammerwandungen sind sowohl im Bereich des Vorbrennraumes 61 als auch im Bereich des Nachbrennraumes 62 doppelwandig ausgeführt. Die innere Wand 63a ist in der Ebene der vorgesehenen Luftzufuhr mit Einlassöffnungen 64 vesehen. Die Luftmenge, die der Hauptströmung beigemischt wird, setzt sich aus zwei Teilströmen zusammen. Zum einen die Kühlluft b der Vorbrennkammer, die ca. 16% der Gesamtmenge ausmacht und zum andern die Kühlluft c der Nachbrennkammer, die ca. 28% der Gesamtmenge ausmacht.
[0021] 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%.
[0022] 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 Nachbrennraum 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.
[0023] Es versteht sich, dass der Nachbrennraum 62 in seiner axialen Erstreckung so dimensioniert ist, dass darin ein vollständiger Ausbrand stattfindet.
[0024] Fig. 2 zeigt schematisch eine fünfstufige Brennkammer, die folgendermassen betrieben werden kann:
Über die Brenstofflanze 120 wird Brennstoff dem Vormischbrenner 110 zugeleitet und mit ca. 10% der Verbrennungsluft a verbrannt. Die über die Lanze 120 zugeführte Brennstoffmenge 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 Temperatur 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 Brennraum 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 restlichen 42% Luft und über die Brennstofflanzen 132 die restliche 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 vorliegt.
- dass der Primärbrenner (110) ein flammenstabilisierender Vormischbrenner ist, welcher an der unteren Stabilitätsgrenze betrieben wird,
- dass zwischen Vorbrennraum (61, A) und Nachbrennraum (62, B, C, D, E) das Rauchgas beschleunigt wird,
- und dass in die den Vorbrennraum verlassende Rauchgasströmung zwecks Bildung eines selbstzündenden Gemisches Kühlluft aus der doppelwandigen Brennkammerbegrenzung und Zusatzbrennstoff eingeführt wird.
- am Kopfende der Brennkammer ein Vormischbrenner (110) angeordnet ist, mit anschliessendem Vorbrennraum (61, A),
dadurch gekennzeichnet,- dass eine dem Vorbrennraum folgende Beschleunigungsstrecke (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 Nachbrennraumes (62, B, C, D, E) Einspritzmittel für Zusatzbrennstoff angeordnet sind.
- in that the primary burner (110) is a flame-stabilizing premixing burner which is operated at the lower stability limit,
- in that the burnt gas is accelerated between precombustion space (61, A) and secondary combustion space (62, B, C, D, E),
- and in that, for the purpose of forming a self-igniting mixture, cooling air from the double-wall combustion-chamber boundary and additional fuel are introduced into the burnt-gas flow leaving the precombustion space.
- a premixing burner (110), having an adjoining precombustion space (61, A), being arranged at the head end of the combustion chamber, characterized
- in that an acceleration section (70) for the burnt gas is provided, which acceleration section (70) follows the precombustion space and leads into a secondary combustion space (62, B, C, D, E),
- in that inflow openings (64) are arranged in the area of the acceleration section (70) in the double-wall combustion-chamber boundary,
- and in that injection means for additional fuel are arranged at the inlet of the at least one secondary combustion space (62, B, C, D, E).
- en ce que le brûleur primaire (110) est un brûleur à prémélange stabilisateur de flamme, qui est conduit à la limite inférieure de stabilité,
- en ce que les gaz brûlés sont accélérés entre la chambre de précombustion (61, A) et la chambre de postcombustion (62, B, C, D, E), et
- en ce que de l'air de refroidissement provenant de l'enveloppe à double paroi de la chambre de combustion et un carburant d'appoint sont introduits dans le courant de gaz brûlés quittant la chambre de pré-combustion, en vue de la formation d'un mélange à allumage spontané.
- un brûleur à prémélange (110) est disposé à l'extrémité de tête de la chambre de combustion, avec une chambre de précombustion (61, A) qui s'y raccorde,
caractérisée- en ce qu'il est prévu, après la chambre de précombustion, une zone d'accélération (70) pour les gaz brûlés, qui débouche dans une chambre de postcombustion (62, B, C, D, E),
- en ce que des orifices d'entrée (64) sont disposés dans l'enveloppe à double paroi de la chambre de combustion, dans la région de la zone d'accélération (70), et
- en ce que des moyens d'injection pour un carburant d'appoint sont disposés à l'entrée de la au moins une chambre de postcombustion (62, B, C, D, E).