CH691327A5

CH691327A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Vormischverbrennung.

Info

Publication number: CH691327A5
Application number: CH203796A
Authority: CH
Inventors: Thomas Dr Sattelmayer; Dr Adnan Eroglu; Dr Juergen Haumann
Original assignee: Abb Alstom Power Ch Ag
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 2001-06-29
Also published as: DE19542644A1; DE19542644B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff und gasförmige Arbeitsmittel vorgängig der Zündung vermischt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Vormischverbrennung sind beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt. Dort ist die Untergrenze der Stickoxidproduktion durch die magere Löschgrenze bestimmt, die vom verwendeten Brennstoff, Luftvorwärmung usw. abhängt. Ausgehend von einer stöchiometrischen Mischung kann nun der Luftüberschuss so weit erhöht werden, bis eine möglichst geringe Flammentemperatur ereicht wird, ohne dass ein Löschen der Flamme eintritt.

Ein Teil der Überschussluft kann auch durch rezirkuliertes Rauchgas ersetzt werden. Die Löschgrenze verschiebt sich dann aber zu höheren Flammentemperaturen, wodurch die Stickoxidemissionen auf den Wert von ca. 5-15 ppm (normiert für 3% Rest-Sauerstoff) limitiert werden.

Bei Brennern mit thermischen Leistungen bis zu ca. 100 kW können niedrige Stickoxid-Emissionen auch durch eine aktive Flammenkühlung erreicht werden. Dazu wird die Verbrennungs wärme auf Einbauten übertragen und von dort an die Brennerwände abgestrahlt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Vormischverbrennung der eingangs genannten Art für beliebige thermische Leistungen, insbesondere für thermische Leistungen grösser 100 kW, geringste Stickoxid-Emissionen zu erhalten.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen verwendet werden, dass in einer ersten Stufe Brennstoff und Verbrennungsluft mit Luftüberschuss in einem Mischer gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch mittels einer Flammenstabilisierung stabilisiert und verbrannt wird, dass in einer zweiten Stufe Brennstoff und Verbrennungsluft und/oder Rauchgas in einem Mischer gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen zugemischt wird und dass diese Mischung nachverbrannt wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die erste Stufe mit einem Teil des verwendeten Brennstoffes an der mageren Löschgrenze betrieben werden kann und dass der restliche Teil des Brennstoffes in der zweiten Stufe so verbrannt wird, dass in der zweiten Stufe keine wesentliche Erhöhung der Stickoxidemission stattfindet.

Bei der Verwendung von Rauchgasen in der zweiten Stufe ist es vorteilhaft, den restlichen Brennstoff der zweiten Stufe mit dem Restsauerstoff der ersten Stufe zu verbrennen. Durch die Menge des verwendeten Rauchgases kann die Flammentemperatur eingestellt werden und die Bildung von zusätzlichen Stickoxiden kann auf ein Minimum beschränkt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein innerer Ringbrennkanal und ein äusserer Ringbrennkanal koaxial zueinander angeordnet sind und dass in den Ringbrennkanälen Mischungselemente angeordnet sind. Dadurch kann beispielsweise die Bildung von Kohlenmonoxiden auch bei sehr niedrigen Flammentemperaturen verhindert werden. Wird beispielsweise die zweite Stufe dem inneren Ringbrennkanal zugeordnet, wird verhindert, dass das kalte Rauchgas-/Brennstoff-Gemisch mit kalten Brennerwänden in Kontakt kommt, was zu hohen Kohlenmonoxid-Emissionen führen würde.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Vormischverfahrens;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen konzentrischen Brenner;
Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch den konzentrischen Brenner entlang der Ebene III-III in Fig.2;
Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit axial verschobenen Ringbrennkanälen;
Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit axial verschobenen Ringbrennkanälen;
Fig. 6 einen Teillängsschnitt durch einen Brenner mit darin angeordnetem Doppelkegelbrenner.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtungen der Arbeitsmittel sind durch Pfeile angegeben.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Vormischverfahren besteht im Wesentlichen aus einer ersten Stufe 1 und einer zweiten Stufe 2, wobei die Stufen im Wesentlichen mager betrieben werden. Die erste Stufe 1 besteht aus einem Mischer 21, in dem Verbrennungsluft 3 mit Brennstoff 7 vermischt wird, und einer Flammenstabilisierung 11. Das im Mischer 21 erhaltene Gemisch 23 wird also mittels der Flammenstabilisierung stabilisiert und gezündet. Die Mengen der Verbrennungsluft 3 und des Brennstoffes 7 werden so gewählt, dass die so erzeugte Vormischflamme mit Luftüberschuss an der mageren Löschgrenze betrieben wird (beispielsweise mit einer Luftzahl lambda APPROX 1.7 für Erdgas ohne Luftvorwärmung, was einer adiabaten Flammentemperatur von ca. 1600 K entspricht).

In der zweiten Stufe 2 wird nun ebenfalls Verbrennungsluft 4 und/oder rezirkuliertes Rauchgas 9 mit Brennstoff 8 in einem Mischer 22 vermischt. Das im Mischer 22 erhaltene Gemisch 24 wird den heissen Abgasen 25 der ersten Stufe zugemischt und diese Mischung nachverbrannt. Die Rauchgase 9 werden abgeleitet.

Wird im Mischer 22 Verbrennungsluft 4 mit Brennstoff 8 vermischt, wird die zweite Stufe 2 ebenfalls mit Luftüberschuss an der mageren Löschgrenze betrieben. Die Luftzahl kann dann gegenüber der Luftzahl im Mischer 21 der ersten Stufe 1 erhöht werden, ohne dass die Flamme löscht. Dadurch können geringe Flammentemperaturen und damit sehr geringe Stickoxidemissionen erreicht werden.

Wird im Mischer 22 rezirkuliertes Rauchgas 9 mit Brennstoff 8 vermischt, wird der Brennstoff 8 mittels des Restsauerstoffes der Abgase 25 aus der ersten Stufe 1 in der zweiten Stufe 2 verbrannt. Durch die geeignete Wahl der Menge des Rauchgases 9 kann eine Stickoxid-Bildung in der zweiten Stufe 2 vollständig vermieden werden, da der Brennstoff mit dem Rauchgas vorgemischt war. Dadurch muss das Rauchgas bei der Verbrennung ebenfalls aufgeheizt werden und heisse Stellen, in denen sich Stickoxide bilden könnten, werden vermieden.

Als Zielwert der Spitzentemperatur ist dabei wieder die kleinste erreichbare adiabate Flammentemperatur anzustreben. Die dazu benötigte Menge an Rauchgas 9 hängt dabei beispielsweise ab von der Rauchgastemperatur, vom Mischungsmechanismus zwischen Brennstoff 8 und Rauchgas 9, dem Wärmeverlust an den Brennerwänden während der Mischung sowie dem Entnahmeort des Rauchgases 9. Durch die Rezirkulation von Rauchgas 9 kann die Gesamt-Luftzahl lambda Gesamt gesenkt werden. Wird dies bei einem Heizkessel angewendet, erhöht sich der thermische Wirkungsgrad des Kessels.

Zahlenbeispiel:

Für eine Gesamt-Luftzahl lambda Gesamt von 1.05 und einen Sauerstoffgehalt von weniger als einem Prozent im Abgas ergibt sich für Erdgas als Brennstoff und ohne Lufterwärmung:

Erste Stufe: lambda = 1.7; 100% Verbrennungsluft; 62% Gesamt-Brennstoff ( SIMILAR Brennstoff 7)

Zweite Stufe: 38% Gesamtbrennstoff ( SIMILAR Brennstoff 8); Rauchgasmenge </= 62% Verbrennungsluftmenge.

Nach Fig. 2 besteht ein zweistufiger Brenner 30 im Wesentlichen aus koaxial um eine Symmetrieachse 29 angeordneten Ringbrennkanälen, einem inneren Ringbrennkanal 32 und einem um den inneren Ringbrennkanal angeordneten äusseren Ringbrennkanal 31. Der Ringbrennkanal 32 wird durch ein inneres, geschlossenes Rohr 33 und ein mittleres Rohr 34 begrenzt, der Ringbrennkanal 31 wird durch ein äusseres Rohr 35 und das mittlere Rohr 34 begrenzt. Am stromabwärtigen Ende der Ringbrennkanäle 31, 32, an den Brenneraustritten 36, 37, erweitert sich der durchströmte Querschnitt, wodurch sich eine Rückströmzone ausbildet, die zur Flammenstabilisierung dient. Der Brenner 30 ist auf einer Frontplatte 6 der Brennkammer 5 montiert. Auf der Frontplatte kann eine Trennwand 40 angeordnet sein.

Diese Trennwand 40 umschliesst den äusseren Ringbrennkanal 31 ringförmig und erstreckt sich stromabwärts in die Brennkammer 5. Die Trennwand 40 dient zur Einstellung der Querschnittserweiterung am stromabwärtigen Ende des äusseren Ringkanales und damit der Flammenstabilisierung.

Nach Fig. 2 und Fig. 3 sind stromauf der Brenneraustritte 36 und 37 über den Umfang der Ringbrennkanäle 31 und 32 mehrere als Mischungselemente fungierende Wirbelgeneratoren 20 ver teilt. Der nicht näher dargestellte, beispielsweise tetraederförmige Wirbelgenerator 20 ist aus der EP-A1-0 623 786 bekannt. Ein solcher Wirbelgenerator 20 besteht im Wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen, die in die Ringbrennkanäle hineinragen. Es sind dies eine Dachfläche und zwei Seitenflächen, die unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung verlaufen. Die beiden Seitenflächen stehen üblicherweise senkrecht auf den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 und sind mit einer Seite auf diesen Wänden fixiert. Die beiden Seitenflächen sind symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung.

Die Dachfläche liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verlaufenden, gebogenen Kante an den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 an. Die Verbindungskante der beiden Seitenflächen bildet die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators, die ebenfalls senkrecht zu den Wänden der Ringbrennkanäle 31, 32 verläuft. Die quer zum durchströmten Kanal verlaufende gebogene Kante der Dachfläche ist die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante. Beim Umströmen der Kanten des Wirbel-Generators wird die Strömung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Deren Wirbelachsen liegen in der Achse der Strömung. Die Drallzahl und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down), falls letzteres gewünscht würde, werden bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels der Dachfläche und des Winkels, den die beiden Seitenflächen einschliessen.

Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens wandert stromaufwärts. Der Wirbel-Generator 20 kann unterschiedliche Höhen h gegenüber der jeweiligen Ringbrennkanalhöhe H aufweisen. In der Regel wird man die Höhe h so mit der Kanalhöhe H abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Grösse erreicht, dass die volle Kanalhöhe H ausgefüllt wird, was zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt führt. Ein weiteres Krite rium, welches Einfluss auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Mit grösserem Verhältnis h/H steigt der Druckverlustbeiwert an.

Die Verhältnisse h/H können zudem in den verschiedenen Ringbrennkanälen 31, 32 verschieden ausgelegt werden, was die Durchmischung der Teilströme unterstützen kann.

Stromabwärts der Wirbelgeneratoren sind Brennstoffeindüsungen 38, 39 vorgesehen. Die Brennstoffzuleitungen zu den Brennstoffeindüsungen sind nicht dargestellt, sie werden jedoch üblicherweise innerhalb der Rohre 33, 34 und 35 angeordnet. Die stromabwärts liegende Strecke der Ringbrennkanäle 31, 32 bis zum Brenneraustritt 36, 37 dient somit als Vormischstrecke. Die Länge dieser Vormischstrecke ist dabei abhängig von der Ausgestaltung der Wirbelgeneratoren 20 und wird so abgestimmt, dass an den Brenneraustritten 36, 37 eine optimale Mischung erreicht wird.

Den Stufen 1 und 2 können nun im Wesentlichen der innere und der äussere Ringbrennkanal 32, 31 beliebig zugeordnet werden. Im Folgenden soll nun durch den äusseren Ringbrennkanal die erste Stufe definiert werden. Durch den äusseren Ringbrennkanal 31 wird Verbrennungsluft 3 geleitet und über die Brennstoffeindüsungen 38 Brennstoff 7 in die Verbrennungsluft 3 eingemischt. Das so erhaltene Gemisch 23 tritt aus dem äusseren Ringbrennkanal 31 aus und durch den Querschnittsprung am Brenneraustritt 36 bildet sich eine Rückströmzone. Die durch Zündung des Gemisches entstandene Vormischflamme wird durch diese Rückströmzone stabilisiert. Durch den inneren Ringbrennkanal 32 wird beispielsweise rezirkuliertes Rauchgas 9 geleitet und über die Brennstoffeindüsungen 39 Brennstoff 8 eingemischt. Dieses Gemisch 24 wird den Rauchgasen der Vormischflamme der ersten Stufe 1 zugemischt.

Dies geschieht durch den Querschnittssprung am Brenneraustritt 37. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit der Unterstützung der Durchmischung der Teilströme der ersten und der zweiten Stufe durch dem Brenner 30 nachgeschaltete beliebige Mischsysteme.

Nach Fig. 4 und 5 können die beiden Stufen 1, 2 auch entlang der Symmetrieachse 29 axial verschoben werden. Dadurch kann der Ort der Vermischung der Strömung der ersten Stufe 1 mit der Strömung der zweiten Stufe 2 genau eingestellt werden. Auch hier kann wieder die Trennwand 40 zur Einstellung der Querschnittserweiterung an der Frontplatte angeordnet werden.

In Fig. 4 erstreckt sich der innere Ringbrennkanal stromabwärts in die Brennkammer 5 hinein. Der äussere Ringbrennkanal 31 bildet dabei die erste Stufe 1, der innere Ringbrennkanal 32 die zweite Stufe. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung von rezirkuliertem Rauchgas 9 in der zweiten Stufe. Die Rauchgase 9 kommen hier nicht mit den kalten Aussenwandungen des Brenners in Kontakt und werden von den heissen Abgasen der ersten Stufe umschlossen. Dadurch wird die Gefahr der Bildung von Kohlenmonoxiden minimiert.

In Fig. 5 erstreckt sich der innere Ringbrennkanal stromaufwärts in den Brenner 30 hinein, d.h. der Brenneraustritt 37 des inneren Ringbrennkanales 32 liegt stromaufwärts des Brenneraustrittes 36 des äusseren Ringbrennkanales 31. Der äussere Ringbrennkanal 31 bildet hier die zweite Stufe 2, der innere Ringbrennkanal 32 die erste Stufe 1. Hier kommen nun die Abgase der ersten Stufe nicht in Berührung mit den kalten Aussenwandungen des Brenners.

Nach Fig. 6 sind der innere Ringbrennkanal 32 und das innere Rohr 33 durch einen Vormischbrenner 15 ersetzt. In der schematisch dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ei nen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Er besteht im Wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 18 für die Verbrennungsluft 3, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt. Zum Betrieb des Brenners mit gasförmigem Brennstoff sind im Bereich der tangentialen Schlitze 18 in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen in Form von Düsen vorgesehen.

Diese Düsen können mit speziellen Leitungen oder mittels der Brennstofflanze 17 versorgt werden. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 3 bereits in der Zone der Schlitze 18. Am Brenneraustritt 16 des Brenners 15 stellt sich jeweils eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner 15 stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Wirbelgeneratoren und der Doppelkegelbrenner können auch durch beliebige andere Mischelemente, die zur Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft oder Rauchgas geeignet sind, ersetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Deltaflügel, halbe Deltaflügel, Flügelprofile usw. handeln. Die Zahl der Ringbrennkanäle kann natürlich für eine feinere Stufung der Vormischung und Verbrennung auch erhöht werden. Die Ringbrennkanäle können beliebig ausgeformt werden und müssen nicht wie dargestellt zylindrisch verlaufen.

Sie können beispielsweise auch konisch verlaufen, sodass das innere Rohr im Wesentlichen als Kegel oder als Kegelstumpf ausgestaltet ist, dessen Spitze stromabwärts orientiert ist.

Bezugszeichenliste

1 Erste Stufe
2 Zweite Stufe
3 Verbrennungsluft erste Stufe
4 Verbrennungsluft zweite Stufe
5 Brennkammer
6 Frontplatte
7 Brennstoff erste Stufe
8 Brennstoff zweite Stufe
9 Rauchgas
11 Flammenstabilisierung
12 Nachverbrennung
15 Vormischbrenner
16 Brenneraustritt
17 Brennstofflanze
18 tangentiale Schlitze
20 Wirbel-Generator
21 Mischer erste Stufe
22 Mischer zweite Stufe
23 Gemisch Verbrennungsluft/Brennstoff
24 Gemisch Verbrennungsluft oder Rauchgas/Brennstoff
25 Abgase erste Stufe
29 Symmetrieachse
30 Brenner
31 äusserer Ringbrennkanal
32 innerer Ringbrennkanal
33 inneres

Rohr
34 mittleres Rohr
35 äusseres Rohr
36 äusserer Brenneraustritt
37 innerer Brenneraustritt
38 Brennstoffeindüsung äusserer Ringbrennkanal
39 Brennstoffeindüsung innerer Ringbrennkanal
40 Trennwand
H Kanalhöhe
h Höhe Wirbel-Generator

Claims

1. Verfahren zur Vormischverbrennung, wobei Brennstoff (7, 8) und gasförmige Arbeitsmittel (3, 4, 9) vorgängig der Zündung vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vormischverbrennung mindestens zwei Stufen (1, 2) verwendet werden, dass in einer ersten Stufe (1) Brennstoff (7) und Verbrennungsluft (3) mit Luftüberschuss in einem Mischer (21) gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch (23) mittels einer Flammenstabilisierung (11) stabilisiert und verbrannt wird, dass in einer zweiten Stufe (2) Brennstoff (8) und Verbrennungsluft (4) mit Luftüberschuss und/oder Rauchgas (9) in einem Mischer (22) gemischt werden, dass das so entstandene Gemisch (24) den in der ersten Stufe entstandenen Abgasen (25) zugemischt wird und dass diese Mischung nachverbrannt (12) wird.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe (2) die Verbrennungsluft (4) mit einem Luftüberschuss zugeführt wird, der mindestens demjenigen in der ersten Stufe (1) entspricht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Ringbrennkanal (32) und ein äusserer Ringbrennkanal (31) koaxial zueinander angeordnet sind und dass in diesen Ringbrennkanälen (31) und (32) Mischungselemente angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass um einen Vormischbrenner (15) konzentrisch ein genannter äusserer Ringbrennkanal (31) angeordnet ist und dass in diesem äusseren Ringbrennkanal (31) Mischungselemente angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungselemente Wirbelgeneratoren (20) sind.

6.

Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenneraustritt (37) des inneren Ringbrennkanals (32) oder der Brenneraustritt (16) des Vormischbrenners (15) gegenüber dem Brenneraustritt (36) des äusseren Ringbrennkanals (31) axial versetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringbrennkanäle (31, 32) zylindrisch ausgebildet sind.