DE4417536A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober­ begriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Brennkammer zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Bei Brennerkonfigurationen mit einer Vormischstrecke und einer in Abströmungsrichtung zum nachgeschalteten Brennraum freien Mündung stellt sich immer wieder das Problem, wie auf einfachste Art und Weise eine stabile Flammenfront bei extrem niedrigen Emissionswerten bewerkstelligt werden kann. Diesbe­ züglich sind bereits verschiedene Vorschläge bekanntgeworden, die an sich nicht zu befriedigen vermochten.

Eine bis anhin bekanntgewordene Ausnahme bildet die in EP-A1-0 321 809 offenbarte Erfindung, deren Vorschläge betreffend die Flam­ menstabilisierung, den Wirkungsgrad und die Schadstoff-Emis­ sionen einen Qualitätssprung darstellen.

Eine typische Feuerungsanlage, bei welcher die genannte Tech­ niken gegen einen Flammenrückschlag versagen müssen, betrifft eine auf Selbstzündung ausgelegte Brennkammer. Hier handelt es sich in der Regel um ein weitgehend zylindrisches Rohr oder um eine Ringbrennkammer, worin ein Arbeitsgas mit einer relativ hohen Temperatur ab ca. 850°C einströmt, dort mit einem eingedüsten Brennstoff die Bildung eines selbstzünden­ den Gemisches eingeleitet wird. Die kalorische Aufbereitung des Arbeitsgases zu Heißgas findet allein innerhalb dieses Rohres oder dieser Ringbrennkammer statt. Handelt es sich um eine Nachbrennkammer, welche zwischen einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine wirkt, so ist es schon aus Platzgründen unmöglich, eine Vormischstrecke oder Vormischbrenner einzu­ bauen sowie Hilfsmittel gegen einen Flammenrückschlag vorzu­ sehen resp. einzubauen, weshalb bis anhin auf diese an sich attraktive Verbrennungstechnik verzichtet werden mußte. Geht das Postulat dahin, eine Ringbrennkammer als Nachbrennkammer einer auf einer einzigen Welle gelagerten Gasturbogruppe vor­ zusehen, so ergeben sich betreffend der Minimierung der Länge dieser Brennkammer zusätzliche Probleme, welche mit der Flam­ menstabilisierung im Zusammenhang stehen. Selbst bei zufrie­ denstellender Lösung der Flammenstabilisierung ist aber der anfängliche Ausstoß verschiedener Schadstoff-Emissionen nach wie vor nicht gelöst. Der kritische Bereich liegt zwischen dem Selbstzündungsakt und einer Temperatur von ca. 1100°C. Hier werden hohe Emissionen, insbesondere in Form von CO und UHC produziert, die nicht mehr mit der Gesetzgebung vieler Länder im Einklang stehen. Erst wenn die Verbrennungstempera­ tur höher 1100°C liegt, ist ein guter Ausbrand bei minimier­ ten Schadstoff-Emissionen möglich.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Brennkammer der ein­ gangs genannten Art insbesondere die CO- und UHC-Emissionen im kritischen Bereich zwischen Selbstzündung und einer Tempe­ ratur von ca. 1100°C zu minimieren.

Es wird vorgeschlagen, die genannten Schadstoff-Emissionen durch eine stufenweise Inbetriebsetzung der vorhandenen Bren­ ner herabzusetzen. Zu diesem Zweck sollen die Brenner auf mindestens zwei Gruppen aufgeteilt werden. Die einzelnen Gruppen werden seriell nacheinander vom Selbstzündungspunkt aus auf mindestens 1100°C gefahren.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch das serielle Hochfahren in ein unterkritisches Gebiet der genannte durch hohe schadstoff-Emissionswerte charakteri­ sierte Lastbereich, insbesondere was die CO-und UHC-Emissi­ onswerte (UHC = ungesättigte Kohlen-Wasser-Stoffe) betrifft, signifikant überbrückt werden kann. Die zum Einsatz gelan­ gende Gruppe von Brennern wird im Mittel während der Start­ phase mit einer größeren Brennstoffmenge versorgt; die ein­ zelnen Brenner können somit stabiler betrieben werden. Sind alle Brennergruppen bis zu einer Temperaturstufe von ca. 1100°C nachgezogen worden, so werden sie anschließend ab dieser Temperaturstufe parallel auf die gewünschte Betriebs­ temperatur hochgefahren.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenstellung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel­ bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strö­ mungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine selbstzündende Brennkammer als Ringbrennkammer konzipiert,

Fig. 2 eine diagrammäßig erfaßte gestufte Startphase bei einer selbstzündenden Brennkammer und

Fig. 3 eine qualitative Erfassung der Schadstoff-Emis­ sionswerte zwischen einer nicht gestuften und einer gestuften Fahrweise während der Startphase bei einer selbstzündenden Brennkammer.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Fig. 1 zeigt, wie aus der Wellenachse 16 hervorgeht, eine Ringbrennkammer 1, welche im wesentlich die Form eines zusam­ menhängenden annularen oder quasi-annularen Zylinders auf­ weist. Darüber hinaus kann eine solche Brennkammer auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig angeord­ neter und einzeln in sich abgeschlossener Brennräume beste­ hen. Solche Ringbrennkammern eignen sich vorzüglich, als selbstzündende Brennkammern betrieben zu werden, welche in Strömungsrichtung zwischen zwei auf einer Welle gelagerten Turbinen plaziert sind. Wird eine solche Ringbrennkammer 1 auf Selbstzündung betrieben, so ist die stromauf wirkende Turbine 2 nur auf eine Teilentspannung der Heißgase 3 ausge­ legt, womit die Abgase 4 stromab dieser Turbine 2 noch mit einer recht hohen Temperatur in die Zuströmzone 5 der Ring­ brennkammer 1 strömen. Diese Zuströmzone 5 ist innenseitig und in Umfangsrichtung der Kanalwand 6 mit einer Reihe von wirbelerzeugenden Elementen 100, im folgenden nur noch Wir­ bel-Generatoren genannt, bestückt. Die Abgase 4 werden durch die Wirbel-Generatoren 100 derart verdrallt, daß in der anschließenden Vormischstrecke 7 keine Rezirkulationsgebiete im Nachlauf der genannten Wirbel-Generatoren 100 auftreten.

In Umfangsrichtung dieser als Venturikanal ausgebildete Vor­ mischstrecke 7 sind mehrere Brennstofflanzen 8 disponiert, welche die Zuführung eines Brennstoffes 9 und einer Stützluft 10 übernehmen. Auf diese Brennstofflanzen 8 wird weiter unten näher eingegangen. Die Zuführung dieser Medien zu den einzel­ nen Brennstofflanzen 8 kann bespielsweise über eine nicht gezeigte Ringleitung vorgenommen werden. Die von den Wirbel- Generatoren 100 ausgelöste Drallströmung sorgt für eine großräumige Verteilung des eingebrachten Brennstoffes 9, allenfalls auch der zugemischten Stützluft 10. Des weiteren sorgt die Drallströmung für eine Homogenisierung des Gemi­ sches aus Verbrennungsluft und Brennstoff. Der durch die Brennstofflanze 8 in die Abgase 4 eingedüste Brennstoff 9 löst eine Selbstzündung aus, soweit diese Abgase 4 jene spe­ zifische Temperatur aufweisen, welche die brennstoffabhängige Selbstzündung auszulösen vermag. Wird die Ringbrennkammer 1 mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben, muß für die Iniziierung einer Selbstzündung eine Temperatur der Abgase 4 ab ca. 850°C vorliegen. Bei einer solchen Verbrennung besteht, wie bereits oben gewürdigt, an sich die Gefahr eines Flammenrückschlages. Dieses Problem wird behoben, indem einerseits die Vormischzone 7 als Venturikanal ausgebildet wird, andererseits indem die Eindüsung des Brennstoffes 9 im Bereich der größten Einschnürung innerhalb der Vormischzone 7 disponiert wird. Durch die Verengung in der Vormischzone 7 wird die Turbulenz durch die Anhebung der Axialgeschwindig­ keit vermindert, was die Rückschlaggefahr durch die Verminde­ rung der turbulenten Flammengeschwindigkeit minimiert wird. Andererseits wird die großräumige Verteilung des Brennstof­ fes 9 weiterhin gewährleistet, da die Umfangskomponente der von den Wirbel-Generatoren 100 stammenden Drallströmung nicht beeinträchtigt wird. Hinter der relativ kurz gehaltenen Vor­ mischzone 7 schließt sich eine Verbrennungszone 11 an. Der Übergang zwischen der beiden Zonen wird durch einen radialen Querschnittssprung 12 gebildet, der zunächst den Durchfluß­ querschnitt der Verbrennungszone 11 induziert. In der Ebene des Querschnittssprunges 12 stellt sich auch eine Flammen­ front ein. Um eine Rückzündung der Flamme ins Innere der Vor­ mischzone 7 zu vermeiden muß die Flammenfront stabil gehal­ ten werden. Zu diesem Zweck werden die Wirbel-Generatoren 100 so ausgelegt, daß in der Vormischzone 7 noch keine Rezirku­ lation stattfindet; erst nach der plötzlichen Querschnittser­ weiterung ist das Aufplatzen der Drallströmung erwünscht. Die Drallströmung unterstützt das schnelle Wiederanlegen der Strömung hinter dem Querschnittssprung 12, so daß durch die möglichst vollständige Ausnutzung des Volumens der Verbren­ nungszone 11 ein hoher Ausbrand bei kurzer Baulänge erzielt werden kann. Innerhalb dieses Querschnittssprunges 12 bildet sich während des Betriebes eine strömungsmäßige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablö­ sungen entstehen, welche dann zu einer Stabilisierung der Flammenfront führen. Die in der Verbrennungszone 11 aufberei­ teten Abgase 4 zu Heißgasen 14 beaufschlagen anschließend eine weitere stromab wirkende Turbine 14. Die Abgase 15 kön­ nen anschließend zum Betrieb eines Dampfkreislaufes herange­ zogen werden, wobei im letztgenannten Fall die Anlage dann eine Kombianlage ist.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, worin die gestufte Fahrweise der Brenner während der Startphase ersichtlich ist. Die Abszisse 17 will die Abwicklung der nebeneinander angeordneten Brenner versinnbildlichen, während die Ordinate 18 die ersten ange­ fahrenen Temperaturstufen während der Startphase zeigen. Die gestufte Fahrweise besteht darin, daß die Brenner, d. h. die Brennstofflanzen aus Fig. 1, während der Startphase seriell mit Brennstoff versorgt werden. In einer ersten Stufe 19 wer­ den die Brennstofflanzen 8a, 8c, etc. in Betrieb genommen, und zunächst bis auf ca. 1100°C vorgezogen. Anschließend, bei zweistufiger Fahrweise, werden die restlichen Brenn­ stofflanzen 8b, 8d, etc. ebenfalls bis zum genannten Tempera­ turniveau von ca. 1100°C nachgezogen. Sobald alle Brenner auf diese neue Temperaturstufe 20 gebracht sind, werden sie dann gemeinsam, d. h. parallel auf die gewünschte Betriebstempera­ turstufe 21 hochgefahren. Da die gestuft in Betrieb genomme­ nen Brenner jeweils mit einer größeren Brennstoffmenge gefahren werden, gelingt es, den Bereich mit hohen Emissio­ nenwerten, wie oben bereits erwähnt, fetter zu durchfahren, wodurch die Brenner zunächst stabiler betrieben werden kön­ nen. Diese Fahrweise hat aber noch den zusätzlichen Vorteil, daß insbesondere auf die CO- und UHC-Emissionen im kriti­ schen Bereich zwischen 1000°C und 1100°C signifikant herabge­ setzt werden können. Die gestufte Fahrweise während der Startphase ist nicht auf 2 Gruppen von Brennern beschränkt.

Fig. 3 zeigt eine qualitative Gegenüberstellung betreffend die Schadstoff-Emissionen zwischen einer nicht gestuften und einer gestuften Fahrweise. Im Diagramm zeigt die Abszisse 22 den Lastbereich, wobei als Null jenes Temperaturniveau gemeint ist, bei welchem die Selbstzündung des Gemisches stattfindet, also in unserem Fall ab ca. 850°C. Die Ordinate 23 zeigt den Grad der Schadstoff-Emissionen. Die Kurve 24 zeigt den Verlauf der Schadstoff-Emissionen bei einer konven­ tionellen, nicht gestuften Fahrweise. Die Spitze versinn­ bildlich den CO- und UHC-Ausstoß im Intervall zwischen ca. 1000°C und ca. 1100°C. Anders die gestufte Fahrweise, wie die Kurve 25 zeigt. Erkenntlich ist hier ein Zweibuckelverlauf, entsprechend der gestuften Fahrweise mit zwei Brennergruppen. Größenordnung lassen sich mit der gestuften Fahrweise Emis­ sionswerte erzielen, die über die Hälfte kleiner gegenüber der herkömmlichen Fahrweise sind.

Bezugszeichenliste

1 Ringbrennkammer
2 Turbine
3 Heißgase
4 Abgase
5 Zuströmzone, Kanal der Zuströmzone
6 Kanalwand der Zuströmzone
7 Vormischzone
8 8a-8d etc. Brennstofflanzen
9 Brennstoff
10 Stützluft
11 Verbrennungszone
12 Querschnittssprung
13 Heißgase
14 Turbine
15 Abgase
16 Wellenachse
17 Abszisse
18 Ordinate
19 Erste Stufe
20 Neue gemeinsame Stufe
21 Betriebstemperaturstufe
22 Abszisse
23 Ordinate
24 Schadstoff-Emissionskurve, konventionell betrieben
25 Schadstoff-Emissionskurve, gestuft betrieben
100 Wirbel-Generatoren

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkammer, in welche ein Heißgas einströmt, und in welcher durch Eindüsung eines Brennstoffes über mehrere Brennstofflanzen in das Heißgas eine Selbstzündung ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstofflanzen (8) in mindestens zwei Gruppen auf­ geteilt werden, daß die einzelnen Gruppen (8a, 8c, . . .; 8b, 8d, . . .) bei gleichbleibender Heißgasströmung nacheinander mit Brennstoff (9) gespiesen werden und jeweils auf eine Tem­ peraturstufe im Bereich von 1100°C vorgezogen werden, daß anschließend von dieser Temperaturstufe aus alle Brenn­ stofflanzen (8) parallel auf die gewünschte Betriebstempera­ tur hochgefahren werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstofflanzen (8) mit Brennstoff (9) und mit einer Stütz­ luft (10) betrieben werden.

3. Brennkammer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer im wesentlichen aus einer Zuströmzone und einer Verbrennungszone besteht, wobei beide Zonen nach­ einander geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuströmzone (5) Wirbel-Generatoren (100) aufweist, von denen über den Umfang des durchströmten Kanals mehrere nebeneinan­ der angeordnet sind, daß sich stromab der Zuströmzone (5) eine Vormischzone (7) anschließt, in welche über eine Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter Brennstofflanzen (8) ein gas­ förmiger und/oder flüssiger Brennstoff (9) als Sekundärströ­ mung in eine gasförmige Hauptströmung (4) eindüsbar ist, daß zwischen Vormischzone (7) und Verbrennungszone (11) ein Quer­ schnittssprung (12) vorhanden ist, der den anfänglichen Strö­ mungsquerschnitt der Verbrennungszone (11) induziert.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischzone (7) ein venturiförmiger Kanal ist.