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EP1105678B1 - Verfahren zum betrieb eines hybridbrenners - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines hybridbrenners Download PDF

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EP1105678B1
EP1105678B1 EP99952350A EP99952350A EP1105678B1 EP 1105678 B1 EP1105678 B1 EP 1105678B1 EP 99952350 A EP99952350 A EP 99952350A EP 99952350 A EP99952350 A EP 99952350A EP 1105678 B1 EP1105678 B1 EP 1105678B1
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EP
European Patent Office
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premix
supply duct
burner
fuel
air supply
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP99952350A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1105678A1 (de
Inventor
Carsten Tiemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1105678A1 publication Critical patent/EP1105678A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1105678B1 publication Critical patent/EP1105678B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2206/00—Burners for specific applications
    • F23D2206/10—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00014—Pilot burners specially adapted for ignition of main burners in furnaces or gas turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a hybrid burner 2. according to the preamble of claim 1 or 2.
  • a hybrid burner is also known from EP 0 580 683 B1.
  • the Hybrid burner has a pilot burner system that is concentric is surrounded by a premix burner.
  • the pilot burner system has a central oil supply with one around it arranged around the inner gas supply channel.
  • the gas supply channel is surrounded by a concentrically arranged interior Air supply duct.
  • the pilot burner system is in turn surrounded from a supply channel system for various fuels, where this supply channel system a first gas supply channel and has a second gas supply channel and an oil supply channel.
  • An outer air supply duct surrounds the supply duct system of the fuels, the channels of this supply channel system each open into the outer air supply duct.
  • the outer Air supply duct and the fuel supply duct system form the premix burner of the hybrid burner.
  • the hybrid burner can be operated in different operating modes, being through the outer and inner air supply ducts Air and through one or more of the fuel supply serving channels fuel are supplied to a combustion.
  • a first diffusion mode is known, wherein combustion via the pilot burner's first gas supply channel Coal gas, via the second gas supply duct of the premix burner also coal gas and via the two air supply ducts Air is supplied.
  • fuel and air become like the first Diffusion mode and also water vapor over the first gas supply channel supplied.
  • a third diffusion mode fuel and air become like the first Diffusion mode and water through the oil supply channel fed.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a hybrid burner with a NO x reduction.
  • the object is achieved by a method according to the preamble of claim 1, in which oil via the fuel supply channel and water in a liquid state via the premixed fuel supply channel designed for supplying oil be incinerated.
  • the invention is based on the knowledge that during operation of the hybrid burner in the second or third diffusion mode according to EP 0 580 683 B1, the fanning of so-called Combustion chamber vibrations can be favored if the amount of water vapor supplied per unit of time Water vapor limit, or the supplied per unit of time Amount of water exceeds a water limit.
  • Combustion chamber vibrations occur when operating the hybrid burner standing pressure vibrations forming in the combustion chamber to understand.
  • the combustion chamber vibrations can to a high mechanical load on the combustion chamber lead forming parts of the gas turbine.
  • the invention starts from the further realization that the water limit and the Water vapor limit depend on which channel of the Hybrid burner the water is supplied.
  • the water is supplied via the premix fuel channel.
  • the water limit value or the water vapor limit value can be much higher than in the case of a hybrid burner which is operated after the first or second diffusion operation according to EP 0 580 683 B1.
  • the water supplied is used to reduce NO x during combustion of the fuel and air supplied.
  • the higher the amount of water supplied per unit of time the higher the NO x reduction rate.
  • the amount of water that can be supplied per unit of time is very much higher than in a method according to the prior art, and consequently the NO x emission is also reduced.
  • the output of the hybrid burner can be higher with the same NO x emission, because because a larger amount of water can be supplied, the amount of fuel and air combustible per unit of time can be correspondingly larger.
  • the task directed to the method is alternatively solved, by a method according to the preamble of the claim 2, where Fuel gas only through the Fuel feed channel and water via the premix fuel feed channel is fed.
  • Water is preferably in the liquid state via the premix fuel feed channel fed to the feed of Oil is designed. Water vapor is more preferred Premixed fuel feed channel fed to the feed is designed by fuel gas.
  • the figure shows a schematically and not to scale Hybrid burner.
  • a hybrid burner 20 is not closer to one Shown combustion chamber of a gas turbine.
  • the Hybrid burner has a pilot burner 21 and a premix burner 22 on.
  • the pilot burner 21 includes a fuel supply channel 1 for liquid or gaseous fuel, one Gas fuel supply channel 2 for gaseous fuel and an air supply duct 3.
  • the premix burner 22 includes one first premix fuel supply channel 8 and a second premix fuel supply channel 16, each for feeding Fuel gas are executed, a premix air supply duct 4 and a third premix fuel supply channel 12 for supply running on liquid fuel.
  • the gas fuel supply channel 2, the air supply duct 3, the first Premix fuel feed channel 8, the second premix fuel feed channel 16, the premix air supply duct 4 and the third premix fuel supply channel 12 are each as Ring channel formed.
  • the fuel supply channel 1 is along a main axis 30 centrally located. This is surrounded by the gas fuel supply channel 2, which in turn is surrounded by the air supply duct 3 is.
  • the air supply duct 3 has a mouth 31 which the Forms the mouth of the pilot burner.
  • the air supply duct 3 is surrounded by in front of its mouth 31 the third premix fuel supply channel 12.
  • the air supply channel 3 is still surrounded by the first premix fuel feed channel 8, which in turn is surrounded by the second Premix fuel feed channel 16.
  • the pilot burner 21 and the Premixed fuel supply channels 8, 12 and 16 are surrounded by the outer air supply duct 4.
  • the third premix fuel supply duct 12 opens into the outer air supply duct 4.
  • the first premix fuel supply channel 8 and the second premix fuel supply channel 16 open towards the mouth 31 viewed in front of the third premix fuel feed channel 12 into the premix air supply duct 4.
  • the hybrid burner 20 has an orifice 23 with which it flows in a combustion chamber 24, not shown, of a gas turbine empties.
  • the hybrid burner 20 is also in a so-called gas diffusion mode operable, being gaseous fuel exclusively via the fuel supply channel 1 or the gas fuel supply channel 2, air through the air supply duct 3 or the premix air supply duct 4 and water via the premix air supply duct 8, 12 and / or 16 takes place.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners (20). Der Hybridbrenner (20) weist einen Vormischbrenner (22) und einen Pilotbrenner (21) auf. Der Vormischbrenner (22) umfaßt einen Vormischluftzufuhrkanal (4), in den ein Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8, 12, 16) mündet. Der Pilotbrenner (21) umfaßt einen Luftzufuhrkanal (3) und einen Brennstoffzufuhrkanal (1, 2) für flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff. Beim Betrieb des Hybridbrenners (20) werden Luft über den Luftzufuhrkanal (3) und über den Vormischluftzufuhrkanal (4), Öl über den Brennstoffzufuhrkanal (1) und Wasser über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8, 12, 16) zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.
Ein solcher Brenner ist aus Dokument US-A-5 451 160 schon bekannt.
Ein Hybridbrenner ist auch bekannt aus der EP 0 580 683 B1. Der Hybridbrenner weist ein Pilotbrennersystem auf, das konzentrisch von einem Vormischbrenner umgeben ist. Das Pilotbrennersystem weist eine zentrale Ölzuführung mit einem um diese herum angeordneten inneren Gaszufuhrkanal auf. Der Gaszufuhrkanal ist umgeben von einem konzentrisch angeordneten inneren Luftzufuhrkanal. Das Pilotbrennersystem ist wiederum umgeben von einem Zufuhrkanalsystem für verschiedene Brennstoffe, wobei dieses Zufuhrkanalsystem einen ersten Gaszufuhrkanal und einen zweiten Gaszufuhrkanal und einen Ölzufuhrkanal aufweist. Ein äußerer Luftzufuhrkanal umgibt das Zufuhrkanalsystem der Brennstoffe, wobei die Kanäle dieses Zufuhrkanalsystems jeweils in den äußeren Luftzufuhrkanal münden. Der äußere Luftzufuhrkanal und das Zufuhrkanalsystem der Brennstoffe bilden den Vormischbrenner des Hybridbrenners.
Der Hybridbrenner ist in verschiedenen Betriebsarten betreibbar, wobei über den äußeren und den inneren Luftzufuhrkanal Luft und über einen oder mehrere der der Brennstoffzuführung dienende Kanäle Brennstoff einer Verbrennung zugeführt werden. Dabei ist eine erste Diffusionsbetriebsart bekannt, wobei der Verbrennung über den ersten Gaszufuhrkanal des Pilotbrenners Kohlegas, über den zweiten Gaszufuhrkanal des Vormischbrenners ebenfalls Kohlegas und über die beiden Luftzufuhrkanäle Luft zugeführt wird. Bei einer zweiten Diffusionsbetriebsart werden Brennstoff und Luft wie bei der ersten Diffusionsbetriebsart und darüber hinaus Wasserdampf über den ersten Gaszufuhrkanal zugeführt. Bei einer dritten Diffusionsbetriebsart werden Brennstoff und Luft wie bei der ersten Diffusionsbetriebsart und darüber hinaus Wasser über den Ölzufuhrkanal zugeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners mit einer NOx-Reduktion anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei dem Öl über den Brennstoffzufuhrkanal und Wasser in flussigem Zustand über den zur Zuführung von Öl ausgelegten Vormischbrennstoffzufuhrkanal einer Verbrennung zugeführt werden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß beim Betrieb des Hybridbrenners in der zweiten oder dritten Diffusionsbetriebsart nach der EP 0 580 683 B1 die Anfachung von sogenannten Brennkammerschwingungen begünstigt sein kann, wenn die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wasserdampf einen Wasserdampfgrenzwert, bzw. die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wasser einen Wassergrenzwert überschreitet. Unter Brennkammerschwingungen sind sich beim Betrieb des Hybridbrenners in der Brennkammer ausbildende, stehende Druckschwingungen zu verstehen. Die Brennkammerschwingungen können zu einer hohen mechanischen Belastung der die Brennkammer bildenden Teile der Gasturbine führen. Die Erfindung geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß der Wassergrenzwert und der Wasserdampfgrenzwert davon abhängen, über welchen Kanal des Hybridbrenners das Wasser zugeführt wird.
Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Hybridbrenner wird das Wasser über den Vormischbrennstoffkanal zugeführt. Dadurch kann der Wassergrenzwert, bzw. der Wasserdampfgrenzwert sehr viel höher sein, als bei einem Hybridbrenner, der nach dem ersten oder zweiten Diffusionsbetrieb nach der EP 0 580 683 B1 betrieben wird. Das zugeführte Wasser dient der NOx-Reduktion während einer Verbrennung vom zugeführten Brennstoff und Luft. Je höher die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wasser ist, um so höher ist die NOx-Reduktionsrate. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Vergleich zu einem Verfahren nach dem Stand der Technik die pro Zeiteinheit zuführbare Wassermenge sehr viel höher und folglich ist auch die NOx-Emission verringert. Des weiteren kann bei gleicher NOx-Emission die Leistung des Hybridbrenners höher sein, denn weil eine größere Wassermenge zuführbar ist, kann die pro Zeiteinheit verbrennbare Menge an Brennstoff und Luft entsprechend größer sein.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird alternativ gelöst, durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2, bei dem Brenngas ausschließlich über den Brennstoffzufuhrkanal und Wasser über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal zugeführt wird.
Auch bei diesem Verfahren ist die Zuführung einer größeren Menge an Wasser möglich, ohne daß es zu einer maßgeblichen Anregung von Brennkammerschwingungen kommt. Dadurch kann die NOx-Emission bei gleicher Leistung des Hybridbrenners vermindert werden. Ebenso kann bei gleicher NOx-Emission die Leistung des Hybridbrenners erhöht werden.
Vorzugsweise wird Wasser im flüssigen Zustand über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal zugeführt, der zur Zuführung von Öl ausgelegt ist. Weiter bevorzugt wird Wasserdampf über ein Vormischbrennstoffzufuhrkanal zugeführt, der zur Zuführung von Brenngas ausgelegt ist. Dadurch ist das Verfahren auf vorhandene und bereits im Betrieb einer Gasturbine eingesetzte Hybridbrenner oder äquivalente Brenneranordnungen anwendbar. Unter äquivalenten Brennaranordnungen werden beispielsweise solche Brenneranordnungen verstanden, die räumlich voneinander getrennt einen Vormischbrenner und einen Pilotbrenner aufweisen, wobei sich deren Flammen im Betrieb gegenseitig beeinflussen.
Die Verfahren sind anhand des in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt einen schematisch und nicht maßstäblich dargestellten Hybridbrenner.
In der Figur ist ein Hybridbrenner 20 für eine nicht näher dargestellte Brennkammer einer Gasturbine dargestellt. Der Hybridbrenner weist einen Pilotbrenner 21 und einen Vormischbrenner 22 auf. Der Pilotbrenner 21 umfaßt einen Brennstoffzufuhrkanal 1 für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, einen Gasbrennstoffzufuhrkanal 2 für gasförmigen Brennstoff und einen Luftzufuhrkanal 3. Der Vormischbrenner 22 umfaßt einen ersten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8 und einen zweiten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16, die jeweils zur Zuführung von Brenngas ausgeführt sind, einen Vormischluftzufuhrkanal 4 und einen dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12, der zur Zuführung von flüssigem Brennstoff ausgeführt ist. Der Gasbrennstoffzufuhrkanal 2, der Luftzufuhrkanal 3, der erste Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8, der zweite Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16, der Vormischluftzufuhrkanal 4 und der dritte Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 sind jeweils als Ringkanal ausgebildet.
Entlang einer Hauptachse 30 ist der Brennstoffzufuhrkanal 1 zentral angeordnet. Dieser ist umgeben von dem Gasbrennstoffzufuhrkanal 2, der wiederum von dem Luftzufuhrkanal 3 umgeben ist. Der Luftzufuhrkanal 3 weist eine Mündung 31 auf, die die Mündung des Pilotbrenners bildet.
Der Luftzufuhrkanal 3 ist vor seiner Mündung 31 umgeben von dem dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12. Der Luftzufuhrkanal 3 ist weiterhin umgeben von dem ersten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8, der wiederum umgeben ist von dem zweiten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16. Der Pilotbrenner 21 und die Vormischbrennstoffzufuhrkanäle 8, 12 und 16 sind umgeben von dem äußeren Luftzufuhrkanal 4. Der dritte Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 mündet in den äußeren Luftzufuhrkanal 4. Der erste Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8 und der zweite Vormischbrennstoffzufuhrkanal 16 münden in Richtung zur Mündung 31 betrachtet vor dem dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 in den Vormischluftzufuhrkanal 4.
Der Hybridbrenner 20 weist eine Mündung 23 auf, mit der er in eine nicht näher dargestellte Brennkammer 24 einer Gasturbine mündet.
Bei einem Diffusionsbetrieb des Hybridbrenners wird Luft jeweils über den Luftzufuhrkanal 3 und über den Vormischluftzufuhrkanal 4, Öl über den Brennstoffzufuhrkanal 1 und Wasser im flüssigem Zustand über den dritten Vormischzufuhrkanal 12 in die Brennkammer 24 zugeführt, wo das Öl und die Luft unter Anwesenheit des Wassers verbrannt werden. Bei einem weiteren Diffusionsbetrieb wird gleichzeitig mit einer Zuführung von Wasser über den dritten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 12 Wasserdampf über den zweiten Vormischbrennstoffzufuhrkanal 8 zugeführt.
Der Hybridbrenner 20 ist zusätzlich in einem sogenannten Gasdiffusionsbetrieb betreibbar, wobei gasförmiger Brennstoff ausschließlich über den Brennstoffzufuhrkanal 1 oder den Gasbrennstoffzufuhrkanal 2, Luft über den Luftzufuhrkanal 3 oder den Vormischluftzufuhrkanal 4 und Wasser über den Vormischluftzufuhrkanal 8, 12 und/oder 16 erfolgt.
Beim Gasdiffusionsbetrieb erfolgt dabei die Zuführung von Wasserdampf über den zweiten Vormischzufuhrkanal 8 und/oder die Zuführung von Wasser über den dritten Vormischzufuhrkanal 12.
All diesen Betriebsverfahren ist gemeinsam, daß eine Verbrennung von Brennstoff und Luft unter Anwesenheit einer großen Menge an Wasser durchgeführt werden kann, ohne daß es zu einer Anfachung von Verbrennungsschwingungen kommt. Somit ist die Menge der bei der Verbrennung gebildeten Stickoxide erheblich verringerbar. Die Betriebsverfahren sind einfach bei bestehenden Hybridbrennern anwendbar.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners (20), der einen Vormischbrenner (22) und einen Pilotbrenner (21) aufweist,
    wobei der Vormischbrenner (22) einen Vormischluftzufuhrkanal (4) und zumindest einen Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,16,12) aufweist, welcher in den Vormischluftzufuhrkanal (4) mündet, und wobei der Pilotbrenner (21) einen Luftzufuhrkanal (3) und einen Brennstoffzufuhrkanal (1,2) für flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff aufweist, wobei Luft über den Luftzufuhrkanal (3) und über den Vormischluftzufuhrkanal (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Öl über den Brennstoffzufuhrkanal (1) und Wasser in flüssigem Zustand über den zur Zufuhrung von Öl ausgelegten Vormischbrennstoffzufuhrkanal (12) zugeführt werden, wodurch die Bildung von Stickoxiden reduziert wird.
  2. Verfahren zum Betrieb eines Hybridbrenners (20), der einen Vormischbrenner (22) und einen Pilotbrenner (21) aufweist,
    wobei der Vormischbrenner (22) einen Vormischluftzufuhrkanal (4) und zumindest einen Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,16, 12) aufweist, der in den Vormischluftkanal (4) mündet und wobei der Pilotbrenner (21) einen Luftzufuhrkanal (3) und einen Brennstoffzufuhrkanal (1,2) für flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff aufweist, wobei Luft über den Luftzufuhrkanal (3) und über den Vormischluftzufuhrkanal (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngas ausschließlich über den Brennstoffzufuhrkanal (1,2) und Wasser über den Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,12,16) zugeführt werden, wodurch die Bildung von Stickoxiden reduziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Vormischbrennstoffzufuhrkanal (12) zur Zuführung von Öl ausgelegt ist und über diesen das Wasser in flüssigem Zustand zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Vormischbrennstoffzufuhrkanal (8,16) zur Zuführung von Brenngas ausgelegt ist und über diesen Wasserdampf zugeführt wird.
EP99952350A 1998-08-20 1999-08-10 Verfahren zum betrieb eines hybridbrenners Expired - Lifetime EP1105678B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19837865 1998-08-20
DE19837865 1998-08-20
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Publication Number Publication Date
EP1105678A1 EP1105678A1 (de) 2001-06-13
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EP (1) EP1105678B1 (de)
JP (1) JP2002523717A (de)
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