Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart und ein Verfahren zum Betrieb des Brenners.
Aus EP 0 321 809 B1 und aus DE-A-4416650 ist der prinzipielle Aufbau eines Brenners der Doppelkegelbauart bekannt, auf den sich die Erfindung bezieht. Dieser Brenner besteht im wesentlichen aus hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen und Zuführungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe, bei dem die Mittelachsen der hohlen Teilkegelkörper eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen. Im von den Teilkegelkörpern gebildeten kegelförmigen Innenraum ist am Brennerkopf eine Brennstoffdüse plaziert. Der gasförmige Brennstoff wird dem Verbrennungsluftstrom vorgängig seiner Einströmung in den Brennerinnenraum über entlang der Eintrittsschlitze angeordneten Gasinjektoren zugeführt. Die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches geschieht somit direkt am Ende der tangentialen Lufteintrittsschlitze. Die Eintrittsebene der Verbrennungsluft und die Gaseintrittsebene (Belochungsebene) fallen bei diesem bekannten Stand der Technik zusammen.
Die Zunahme des Dralles entlang der Kegelachse, verbunden mit der plötzlichen Querschnittserweiterung am Brenneraustritt, führt dazu, dass sich stromab des Brenneraustrittes auf der Brennerachse eine Rückströmzone (innere Rezirkulationszone) bildet, die die Flamme stabilisiert. Erst im Staupunkt dieser inneren Rückströmzone wird die Zündung der Flamme eingeleitet.
In bestimmten Betriebszuständen, z.B. nahe der Löschgrenze oder bei magerem Betrieb der Vormischstufe, d.h. beim Übergang zum Kopfstufenbetrieb, bei dem zwecks Anfettung des Brennstoff/Luft-Gemisches zusätzlich Pilotgas in Achsnähe des Brenners eingedüst wird (interne Pilotisierung), neigt der Brenner zu Schwingungen. Das hat wiederum zur Folge, dass der betreibbare Bereich des Brenners, also sein Stabilitätsbereich eingeschränkt wird und der Brenner frühzeitig verlöscht.
Die Ursache für die Schwingungen und das Verlöschen bei vergleichsweise brennstoffreichen Bedingungen ist die unzureichende Flammenstabilisierung des Brenners. Der Brenner wird zwar durch die innere Rezirkulationszone stabilisiert, die im Kopfstufenbetrieb mit Zusatzbrennstoff versorgt wird. Die äussere Scherschicht des aus dem Brenner austretenden Brennstoff/Luft-Gemisches, die eine wesentlich grössere Kontaktfläche zwischen Frischgas und Abgas im Vergleich zur inneren Rezirkulationszone zur Verfügung stellt, wird jedoch bisher nicht zur Stabilisierung benutzt.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Brenner der Doppelkegelbauart mit einfachen konstruktiven Mitteln so zu verändern und ihn so zu betreiben, dass eine zusätzliche Stabilisierung der Flamme erfolgt, ohne dass es zu einer nennenswerten Erhöhung der Schadstoffemissionswerte kommt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Brenner gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der Brennersichel mindestens eine Bohrungen angeordnet ist, welche der Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in die äussere Rezirkulationszone dient. Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zum Betrieb des Brenners dadurch erreicht, dass ca. 3 bis 8% des gesamten gasförmigen Brennstoffes in die äussere Rezirkulationszone eingemischt werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, dass die Flammenstabilität verbessert wird, d.h. es treten geringere Druckpulsationen in der Flamme auf. Ausserdem zeichnet sich der erfindungsgemässe Brenner gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch eine niedrigere magere Löschgrenze aus, so dass er einen erweiterten Betriebsbereich aufweist. Durch die Intensivierung der äusseren Reaktionsfront ergibt sich als weiterer Vorteil eine verkürzte Ausbrandlänge.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Bohrungen parallel zur Brennerachse ausgerichtet sind, weil diese Ausführung sehr einfach zu realisieren ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Bohrungen unter einem Winkel von ca. 45° zur Brennerachse schräg nach aussen angeordnet sind. Dann ist eine besonders intensive Mischung des Brennstoffes mit dem Abgas der äusseren Rezirkulationszone möglich. Gleiches wird in vorteilhafter Weise bewirkt, wenn die zusätzlichen Bohrungen in der Brennersichel derart angeordnet sind, dass sie eine Eindüsung des Brennstoffes in Gegendrallrichtung zur Drallrichtung des Abgases in der Rezirkulationszone bewirken.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Brenners der Doppelkegelbauart, der z.B. zum Betrieb einer Gasturbine eingesetzt wird, dargestellt.
Es zeigen:
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den erfindungsgemässen Brenner. Zum besseren Verständnis ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig zu Fig. 1 die Schnitte in den Fig. 2 bis 4 herangezogen werden.
Der Brenner besteht aus zwei hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachsen 3, 4 der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz 5, 6, durch welche die Verbrennungsluft 7 in den Innenraum 8 des Brenners gelangt. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 haben jeweils einen zylindrischen Anfangsteil 9, 10, die ebenfalls versetzt zueinander verlaufen, so dass auch in diesem Bereich die tangentiale Lufteintrittsschlitze 5, 6 vorhanden sind. In diesem zylindrischen Anfangsteil 9, 10 ist eine Düse 11 zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes 12 untergebracht. Der Brenner kann auch ohne die zylindrischen Anfangsteile 9, 10 ausgeführt sein, so dass er rein kegelig ausgebildet ist. Dann ist die Brennstoffdüse 11 direkt in der Kegelspitze untergebracht. Die beiden Teilkegelkörper 1, 2 weisen je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind, welche Brennstoffinjektoren darstellen. Durch die Brennstoffinjektoren 15 wird gasförmiger Brennstoff 16 der durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze 5, 6 strömenden Verbrennungsluft 7 zugemischt.
Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl Bohrungen 19 auf, durch welche Verdünnungs- bzw. Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes 17 bzw. dessen Wand zugeführt werden kann.
Wird zum Betrieb des Brenners flüssiger Brennstoff 12 verwendet, so strömt dieser durch die Düse 11 und wird in einem spitzen Winkel in den Brennerinnenraum 17 eingedüst, wobei sich ein homogener Brennstoffspray einstellt. Das kegelige Flüssigbrennstoffprofil 23 wird von einem tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom 7 umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Flüssigbrennstoffes 12 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 7 verringert. Die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt wird erst im Bereich des Wirbelaufplatzens, d.h. im Bereich der inneren Rezirkulationszone 24 erreicht. Die Zündung erfolgt an der Spitze der inneren Rezirkulationszone 24. Diese wird im sogenannten Kopfstufenbetrieb (nicht dargestellt) mit Zusatzbrennstoff versorgt. Erst an dieser Stelle entsteht eine stabile Flammenfront 25. Die Flammenstabilisation ergibt sich durch Zunahme der Drallzahl in Strömungsrichtung entlang der Kegelachse. Ein Rückschlagen der Flamme in das Innere des Brenners tritt unter normalen Betriebsbedingungen nicht auf.
Wird gasförmiger Brennstoff 16 verbrannt, so geschieht die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 in den Lufteintrittsschlitzen 5, 6, also vor Eintritt in den Brennerinnenraum 8.
Erfindungsgemäss sind im Bereich der Brennersichel 26 eine Reihe von Bohrungen 27 angeordnet, die der Zufuhr und Einmischung von zusätzlichem gasförmigem Brennstoff 16 in die äussere Rezirkulationszone 28 dienen. Der zusätzliche gasförmige Brennstoff 16 kann im Extremfall auch nur über eine einzige in der Brennersichel 26 angeordnete Bohrung 27 in die äussere Rezirkulationszone 28 eingebracht werden.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, befindet sich diese äussere Rezirkulationszone 28 im äusseren Bereich des Brennraumes 17, nahe der Wand der Brennkammer 21.
Die Bohrungen 27 können in verschiedener Weise in der Brennersichel 26 angeordnet sein, beispielsweise parallel zur Brennerachse 22. In anderen Ausführungsbeispielen können sie auch unter einem Winkel zur Brennerachse 22 von etwa 45° schräg nach aussen angeordnet sein , so dass der zusätzliche gasförmige Brennstoff 16 in Richtung Brennkammerwand eingedüst wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bohrungen 27 so angeordnet sind, dass der zusätzliche gasförmige Brennstoff 16 in Gegendrallrichtung zur Rezirkulationsströmung eingebracht wird, weil dann eine besonders intensive Mischung des Zusatzbrennstoffes mit dem rezirkulierendem Abgas erfolgt und die darauf beruhende Flammenstabilisierung besonders hoch ist.
Der Brenner ist erfindungsgemäss so zu betreiben, dass nur etwa 3 bis 8% des gesamten gasförmigen Brennstoffes durch die Öffnungen 27 in die äussere Rezirkulationszone 28 gelangen. Da an dieser Stelle bereits die Kühlluft 20 beigemischt ist und die rezirkulierenden Abgase bereits einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an die Frontplatte 18 abgegeben haben, bewirkt diese zusätzliche Brennstoffzugabe keine nennenswerte Erhöhung der NOx-Emissionen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Eindüsungen genügend klein sind, um eine Stabilisierung an den Eintrittsstrahlen zu vermeiden. Nach der Brennstoffeinmischung erfolgt nach einer gewissen Zündverzugszeit Selbstzündung und zwar kurz vor oder direkt an der äusseren Scherschicht des austretenden Brennstoff/Luft-Gemisches.
Durch die Erfindung wird eine externe Zusatzstabilisierung (durch Minipiloten) realisiert, die u.a. zu einer Erweiterung des Betriebsbereiches des Brenners und zu einer erhöhten Flammenstabilität führt.
Messungen an einem perfekt vorgemischten Versuchsbrenner haben gezeigt, dass eine Verschiebung der mageren Löschgrenze um ca. 100K zu kleineren Temperaturen hin mit einer sehr geringen Zunahme der Schadstoffemissionen (zusätzlich ca. 1,5 vppmd 15%O2, d.h. Konzentration des NOx im trockenen Abgas) möglich ist.
In Fig. 4 ist in einem Querschnitt eine konkrete Ausführung der Erfindung dargestellt. Der Querschnitt zeigt den Bereich der Brenneraustrittssichel 26. In der Sichel 26 sind an 14 Positionen am Umfang mit einer Winkelteilung von etwa 10° Bohrungen 26 mit einem Durchmesser von 0,8mm angeordnet. Die Anzahl und Grösse der Bohrungen 26 wurde so gewählt, dass ca. 3% des gesamten Brennstoffmassenstromes dort austreten und in die in Fig. 4 nicht dargestellte äussere Rezirkulationszone 28 eingemischt werden.
Die erfindungsgemässe Lösung kann ebenso auch für Brenner verwendet werden, die aus mehr als zwei Teilkegelkörpern bestehen, z.B. für sogenannte Vierschlitzbrenner. Die Bohrungen 27 können ausserdem sowohl in ihrer Anzahl als auch in ihrer Position in der Brennersichel 26 variieren. Es ist lediglich darauf zu achten, dass der zusätzliche Brennstoffmassenstrom, der in die äussere Rezirkulationszone eingemischt wird, nicht mehr als ca. 8% des Gesamtbrennstoffes ausmacht.