Beschreibung

Vormischbrenner und Verfahren zum Betrieb eines Vormischbren- ners

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner, insbesondere einen Synthesegas-Vormischbrenner, und ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners .

Vormischbrenner umfassen typischerweise eine Vormischzone, in der Luft und Brennstoff vermischt werden, bevor das Gemisch in eine Brennkammer geleitet wird. Dort verbrennt das Gemisch, wobei ein unter erhöhtem Druck stehendes Heißgas erzeugt wird. Dieses Heißgas wird zur Turbine weitergeleitet. Im Zusammenhang mit dem Betrieb von Vormischbrennern kommt es vor allem darauf an, die Stickoxidemissionen gering zu halten und einen Flammenrückschlag zu vermeiden.

Synthesegas-Vormischbrenner zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen Synthesegase als Brennstoff verwendet werden. Verglichen mit den klassischen Turbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile der Synthesegase im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Abhängig vom Vergasungsverfahren und dem Gesamtanlagenkonzept ist der

Heizwert des Synthesegases etwa 5- bis 10-mal kleiner als der von Erdgas .

Neben der stöchiometrischen Verbrennungstemperatur des Syn- thesegases ist die Mischungsgüte zwischen Synthesegas und

Luft an der Flammenfront eine wesentliche Einflussgröße zur Vermeidung von Temperaturspitzen und somit zur Minimierung der thermischen Stickoxidbildung.

Hauptbestandteile der Synthesegase sind neben Kohlenmonoxid und Wasserstoff auch inerte Anteile. Bei den inerten Anteilen handelt es sich um Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den geringen

Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas in die Brennkammer eingeleitet werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen, wie zum Beispiel Synthesegasen, deutlich größere Eindüsquer- schnitte notwendig sind als bei herkömmlichen hochkalorischen Brenngasen .

Der in die Brennkammer eingeleitete Luftmassenstrom wird typischerweise mit Hilfe eines Luftdrallerzeugers verdrallt. In diesen verdrallten Luftmassenstrom wird der Brennstoff über eine oder mehrere nebeneinander bzw. hintereinander angeordnete kreisrunde Bohrungsreihen eingedüst.

Um eine hinreichende Vermischung zwischen Brennstoff und Luft zu gewährleisten, ist eine ausreichende Eindringtiefe der einzelnen Brennstoffstrahlen in den Luftmassenstrom notwendig. Im Vergleich zu hochkalorischen Brennergasen wie Erdgas sind entsprechend größere, freie Eindüsquerschnitte erforderlich. Dies hat zur Folge, dass die Brennstoffstrahlen die Luftströmung empfindlich stören, was letztendlich zu einer lokalen Ablösung der Luftströmung in Nachlaufgebiet der Brennstoffstrahlen führt. Die sich ausbildenden Rückströmgebiete innerhalb des Brenners sind unerwünscht und insbesondere bei der Verbrennung von hoch reaktivem Synthesegas unbe- dingt zu vermeiden. Im Extremfall führen diese lokalen Rückströmgebiete innerhalb der Mischzone des Brenners zu einem Flammenrückschlag in die Vormischzone und somit zu einer Brennerschädigung .

Das Risiko des Flammenrückschlages kann weitgehend dadurch vermieden werden, dass die Verbrennung von hoch reaktiven Synthesegasen im Diffusionsbetrieb erfolgt. Zur Realisierung von niedrigen Stickoxidemissionen ist jedoch eine gegebenenfalls starke Verdünnung mit Inertgasen, vorzugsweise mit Dampf, notwendig. Im Falle einer Vormischverbrennung kann die Ausbildung von Nachlaufgebieten bzw. Heißgasrückströmgebieten innerhalb des Brenners durch geeignete Formgebung der Eindüs-

bohrungen reduziert, aber nicht grundsätzlich vermieden werden .

In EP 1 614 963 Al wird zur Senkung der Stickoxidemissionen und zur Verhinderung von Flammenrückschlägen bei der Verbrennung niederkalorischer Brennstoffe für den Betrieb einer Gasturbine ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein niederkalorischer Brennstoff mit Luft stufenweise vorgemischt wird.

In EP 1 614 967 Al wird weiterhin ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffes für den Betrieb einer Gasturbine vorgeschlagen, bei dem im Rahmen einer Vormischung der niederkalorische Brennstoff mit Luft zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luftgemisch vorgemischt wird und eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luftgemisches vermieden wird.

Speziell zur Verhinderung von Flammenrückschlägen wird in EP 1 507 120 Al eine Gasturbine mit einer Ringbrennkammer vorge- schlagen, bei der ein Drallgitter in einem Verbrennungsluft- eintrittsbereich um den ganzen Umfang der Ringbrennkammer angeordnet ist, wodurch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit der eintretenden Verbrennungsluft im Vergleich zu einzelnen Lufteintrittsbereichen mit jeweils einem Drallgitter erreicht wird. Dies bewirkt eine höhere Sicherheit gegen Flammenrückschläge und eine geringere Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen .

Um einen sicheren Vormischbetrieb zu gewährleisten, ist eine Strömungsablösung bzw. ein Rückströmgebiet innerhalb der Vor- mischzone des Brenners unbedingt zu vermeiden. Zumindest aber sind potenzielle Rückströmgebiete derart zu gestalten, dass keine Beschädigung des Brenners erfolgt. In der Regel treten die Rückströmgebiete in wandnahen Zonen im Nachlauf der Brennstoffgasstrahlen auf.

Im Hinblick auf die Stickoxidminimierung ist insbesondere die Zugabe von Inertmassenströmen als Verdünnungsmedium in den

Luftmassenstrom oder den Brennstoffmassenstrom (Quenching) üblich. Der Einsatz der mageren Vormischtechnologie ermöglicht die Verringerung der Menge des verwendeten Verdünnungsmediums, was die Anlagenwirtschaftlichkeit steigert. Durch die dann fehlende Inertisierung liegt aber dann ein hochreaktiver Brennstoff vor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners zur Verfügung zu stellen, bei welchen die Ausbildung von Heißgasrückströmge- bieten vermieden wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Vormischbrenner zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners nach Anspruch 1 und einen Vormischbrenner nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf einen Vormischbrenner, welcher eine Vormischzone umfasst. In die Brennkammer wird ein Luftmassenstrom und Brennstoff einge- düst, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet ausbilden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich da- durch aus, dass ein nicht brennstoffhaltiges Fluid stromabwärts zur Brennstoffeindüsung in die Vormischzone eingedüst wird.

Durch die lokale Eindüsung von beispielsweise kalter Luft in die Nachlauf- oder Rückströmgebiete wird die Ausbildung selbiger innerhalb der Vormischzone des Brenners weitgehend verhindert. Zumindest wird der Brennstoff in diesen Gebieten soweit verdünnt und abgekühlt, dass keine Reaktion bzw. keine Entzündung des Brennstoff-Luftgemisches innerhalb der Vor- mischzone des Brenners auftreten kann. Dadurch wird ein sicherer Vormischbetrieb des Brenners ermöglicht.

Insbesondere kann das Fluid entlang der im potentiellen Heiß- gasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche der Vormischzone in Hauptströmungsrichtung in die Vormischzone eingedüst werden. Das Eindüsen eines Fluids entlang der Bauteiloberfläche in Hauptströmungsrichtung verhindert die tatsächliche Ausbildung des Heißgasrückströmgebietes und/oder verdünnt und kühlt das dortige Brennstoff-Luftgemisch derart ab, dass keine Zündbedingungen vorherrschen.

Der Brennstoff kann insbesondere senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstromes in die Vormischzone eingedüst werden, was im Hinblick auf eine gründliche Vermischung von Luft und Brennstoff vorteilhaft ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, den Brennstoff an der Konusseite und/oder an der Nabenseite in die Vormischzone einzudüsen. Weiterhin kann der Brennstoff über mindestens eine Drallschaufel in die Vormischzone eingedüst werden. Bei dem Brennstoff kann es sich insbesondere auch um ein Synthesegas handeln .

Das entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche in die Vormischzone eingedüste Fluid kann beispielsweise Luft oder ein Inertgas sein. Als Inertgase bezeichnet man Gase, die sehr reaktionsträge sind, sich also an nur wenigen chemischen Reaktionen beteiligen. Als I- nertgas können insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff, aber auch alle Edelgase verwendet werden. Die Verwendung eines Inertgases ist besonders geeignet, wenn Zündbedingungen für leicht entzündliche Brennstoffe vermieden werden sollten.

Bei der Verwendung von Luft als in die Vormischzone eingedüs- tes Fluid ist es vorteilhaft, Luft des der Vormischzone ohnehin zugeführten Luftmassenstromes zu verwenden. Beispielswei- se kann ein Anteil von 10 % der gesamten der Vormischzone zugeführten Luft abgezweigt werden und entlang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche der Vormischzone in diese eingedüst werden. Der Anteil der ent-

lang der im potentiellen Heißgasrückströmgebiet befindlichen Oberfläche der Vormischzone eingedüsten Luft kann beliebig gewählt werden. Die Höhe des vorzugsweise zu verwendenden Anteils der Luft hängt dabei von der Geometrie der Vormischzo- ne, von der Geschwindigkeit des Luftmassenstromes und der Geschwindigkeit des eingedüsten Brennstoffes ab.

Der erfindungsgemäße Vormischbrenner weißt eine Vormischzone, einen Luftdrallerzeuger mit einer Luftzufuhr und eine oder mehrere Brennstoffdüsen auf. Dabei kann der Brennstoff durch die Brennstoffdüsen in einen von dem Luftdrallerzeuger in der Vormischzone verdrallten Luftmassenstrom eingedüst werden, wobei sich ein potentielles Heißgasrückströmgebiet ausbilden kann. Der erfindungsgemäße Vormischbrenner zeichnet sich da- durch aus, dass die Vormischzonenoberflache im potentiellen Heißgasrückströmgebiet mindestens eine öffnung aufweist, durch die ein Fluid in die Vormischzone eingedüst werden kann. Insbesondere können öffnungen vorhanden sein, die so angeordnet sind, dass das Fluid in Hauptströmungsrichtung des Brenners entlang der Oberfläche der Vormischzone eingedüst werden kann.

Durch die lokale Eindüsung eines Fluids in das potenzielle Heißgasrückströmgebiet wird die Ausbildung des Heißgasrück- Strömgebietes innerhalb der Vormischzone des Brenners weitgehend verhindert. Zumindest aber wird das Heißgas in dem Heißgasrückströmgebiet soweit verdünnt und abgekühlt, dass keine Reaktion in Form einer Entzündung des Luft-Gasgemisches innerhalb der Vormischzone des Brenners auftreten kann. Dies verhindert Flammenrückschläge und mindert die Stickoxidbildung, ermöglicht also einen sicheren Vormischbetrieb des Brenners .

Vorzugsweise weist die Vormischzonenoberflache im Heißgas- rückströmgebiet mehrere öffnungen auf. Die öffnung oder die

öffnungen können vorteilhafterweise über einen Fluidkanal mit der zum Luftdrallerzeuger führenden Luftzufuhr so verbunden

sein, dass durch die öffnung ein Teil der Luft als Fluid in die Brennkammer eingedüst werden kann.

Die Brennstoffdüsen können sich an der Konusseite und/oder and der Nabenseite der Vormischzone befinden. Vorteilhafterweise sind die Brennstoffdüsen in einer oder mehreren hintereinander liegenden Reihen stromabwärts des Luftdrallerzeugers angeordnet. Dadurch wird eine abgestufte Brennstoffeindüsung möglich. Weiterhin können sich die Brennstoffdüsen und/oder die öffnungen in dem Luftdrallerzeuger, vorzugsweise in mindestens einer Drallschaufel, befinden.

Die einzelnen Brennstoffdüsen können zum Beispiel als runde Bohrungen ausgestaltet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Brennstoffdüsen so zu gestalten, dass der Brennstoff senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstromes in die Brennkammer eingedüst werden kann, was die Vermischung fördert. Selbstverständlich kann der Brennstoff auch in jedem beliebigen anderen Winkel zum Luftmassenstrom eingedüst werden. Bei dem verwendeten Brennstoff kann es sich insbesondere um ein Synthesegas handeln.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben .

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Vormischbrenners .

Fig. 2 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse im Inneren des in Figur 1 gezeigten Vormischbrenners.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners.

Fig. 4 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse im Inneren des in Figur 3 gezeigten Vormischbrenners.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Drallschaufel.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 genauer beschrieben. Die Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines herkömmlichen Vor- mischbrenners 1. Der Vormischbrenner 1 umfasst unter anderem ein Gehäuse 7, eine Vormischzone 2, einen Luftdrallerzeuger 10 und eine oder mehrere Brennstoffdüsen 11. Die Vormischzone 2 ist radialsymmetrisch um die Mittelachse 12 angeordnet. Die von der Mittelachse 12 aus gesehen äußere Seite der Vormischzone 2 wird nachfolgend als Konusseite 3 bezeichnet. Die der Mittelachse 12 zugewandter Seite der Vormischzone 2 wird nachfolgend als Nabenseite 4 bezeichnet.

über eine Luftzufuhr 16 gelangt ein Luftmassenstrom 5 zum Luftdrallerzeuger 10. Der Luftdrallerzeuger 10 verdrallt den Luftmassenstrom 5 und leitet diesen in die Vormischzone 2 weiter. Von dort aus wird der Luftmassenstrom in Hauptströmungsrichtung 9 zur Brennkammer (nicht dargestellt) weitergeleitet.

An der Nabenseite 4 der Vormischzone 2 befinden sich eine o- der mehrere Brennstoffdüsen 11. Durch die Brennstoffdüsen 11 wird Brennstoff 6 im vorliegenden Beispiel senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstroms 5 in die Vormischzone 2 geleitet. Zur Brennstoffdüse 11 in Hauptströmungsrichtung 9 stromabwärts bildet sich nun ein Heißgasrück- strömgebiet 8 aus. Anstelle eines senkrechten Eindüsens zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstroms 5 kann der Brennstoff 6 auch in einem beliebigen anderen Winkel zur Hauptströmungsrichtung 9 eingedüst werden.

Die Strömungsrichtung des eingedüsten Brennstoffes ist durch Pfeile 6 gekennzeichnet, die Strömungsrichtung des zugeführten Luftmassenstromes ist durch Pfeile 5 gekennzeichnet. Die

Hauptströmungsrichtung im Inneren der Vormischzone 2 ist durch Pfeile 9 markiert.

In Figur 2 sind die Strömungsverhältnisse im Inneren der Vor- mischzone 2 schematisch skizziert. Man sieht in Figur 2 eine Draufsicht auf die Brennstoffdüsen 11 vom Inneren der Vormischzone 2 aus. Die Hauptströmungsrichtung des an den Brennstoffdüsen vorbeiströmenden Luftmassenstromes ist durch Pfeile 9 gekennzeichnet. Stromabwärts der Brennstoffdüsen 11 in Hauptströmungsrichtung 9 bilden sich nun Heißgasrückströmge- biete 8 aus. Die Strömungsrichtung des zurückströmenden Heißgases ist durch Pfeile 13 gekennzeichnet.

Die Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Vormischbrenners 1. Der grundsätzliche Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise des in Figur 3 gezeigten Vormischbrenners 1 entspricht in Wesentlichen dem bzw. der des im Zusammenhang mit dem in Figur 1 gezeigten Vormischbrenners .

Zusätzlich zu dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Vormischbrenner umfasst der erfindungsgemäße Vormischbrenner eine oder mehrere Fluideinlassöffnungen 14, welche sich stromabwärts zu der bzw. den Brennstoffdüsen 11 in Hauptströ- mungsrichtung 9 befinden. Die Fluideinlassöffnungen 14 münden in die Vormischzone 2. Durch diese Fluideinlassöffnungen 14 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Inertgas, in Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst werden. Die Strömungsrich- tung des eingedüsten Fluids ist durch Pfeile 15 gekennzeichnet. Sie verläuft dabei innerhalb der Vormischzone 2 im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 9. Das einge- düste Fluid verhindert die Ausbildung eines Heißgasrückström- gebietes, wie es bei dem im Zusammenhang mit Figur 1 be- schriebenen Vormischbrenner auftritt.

In Figur 4 sind die Strömungsverhältnisse im Inneren der in Figur 3 gezeigten Vormischzone 2 schematisch skizziert. Man

sieht in Figur 4 eine Draufsicht auf die Brennstoffdüsen 11 und die Fluideinlassöffnungen 14 von der Vormischzone 2 aus gesehen. Die Hauptströmungsrichtung der vom Drallerzeuger 10 in Richtung der Brennstoffdüsen 11 und der Fluideinlassöff- nungen 14 strömenden Luft ist durch Pfeile 9 gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung des durch die Fluideinlassöffnungen 14 eingedüsten Fluids ist durch Pfeile 15 gekennzeichnet. Durch das einströmende Fluid wird das Heißgas 13 in Hauptströmungsrichtung 9 mitgeführt. Ein Rückströmen des Heißgases 13 ent- gegen der Hauptströmungsrichtung 9 wird auf diese Weise wirksam verhindert.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem über die Fluideinlassöffnungen 14 eingedüsten Fluid um Luft, welches über einen Fluidkanal mit dem Luftmassenstrom 5 verbunden ist und von diesem abgezweigt wurde. Es hat sich im Hinblick auf das Vermeiden der Heißgasrückströmung als günstig herausgestellt, etwa 5 % bis 20 %, vorzugsweise 10 %, der gesamten der Vormischzone 2 zugeführten Luft über die Flui- deinlassöffnungen 14 der Vormischzone 2 zuzuführen. Anstelle der Luft kann über die Fluideinlassöffnungen 14 alternativ ein Inertgas, beispielsweise Kohlendioxid, Wasserdampf oder Stickstoff in die Vormischzone 2 eingedüst werden. Aber auch das Eindüsen eines Edelgases ist grundsätzlich möglich.

Der Brennstoff kann wahlweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstromes 5 in die Vormischzone 2 eingedüst werden, wie im Zusammenhang mit Figur 1 und Figur 3 beschrieben, oder der Brennstoff kann in einem beliebigen Winkel zur Hauptströmungsrichtung 9 des Luftmassenstromes in die Vormischzone 2 eingedüst werden. Grundsätzlich können sich die Brennstoffdüsen 11 sowohl an der Konusseite 3 als auch an der Nabenseite 4 der Vormischzone 2 oder in den Drallschaufeln 17 befinden. In dem Fall, dass sich die Brenn- stoffdüsen 11 an der Konusseite 3 der Vormischzone 2 befinden, ist es vorteilhaft, auch die Fluideinlassöffnungen 14 entsprechend an der Konusseite 3 zu platzieren. Die Fluideinlassöffnungen 14 sollten sich dann wiederum in Hauptströ-

mungsrichtung 9 stromabwärts zu den Brennstoffdüsen befinden und ein Eindüsen des Fluids in Hauptströmungsrichtung 9 ermöglichen .

Die Brennstoffdüsen 11 können in einer oder mehreren hintereinander liegenden Reihen stromabwärts des Luftdrallerzeugers 10 angeordnet sein. Sie können vorteilhafterweise als runde Bohrungen ausgestaltet sein. Bei dem durch sie eingedüsten Brennstoff kann es sich insbesondere auch um ein Synthesegas handeln.

Im Folgenden wird eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung beschrieben, bei der der Brennstoff 6 und das nicht brennstoffhaltige Fluid 15 über Drallschaufeln 17 in die Vor- mischzone eingedüst werden. In Figur 5 ist schematisch ein

Schnitt durch eine Drallschaufel 17 gezeigt. Die Drallschaufel 17 weist in ihrem Inneren einen BrennstoffStrömungskanal 18 und einen dazu stromabwärts der Hauptströmungsrichtung 9 befindlichen Fluidströmungskanal 19 auf.

Der Brennstoff 6 wird über den BrennstoffStrömungskanal 18 durch Brennstoffdüsen 11 aus der Drallschaufel 17 in die Vormischzone 2 eingedüst. Das Fluid 15, bei dem es sich vorzugsweise um ein Inertgas handelt, wird über den Fluidströ- mungskanal 19 durch Fluideinlassöffnungen 20, 21, 22 in die Vormischzone 2 eingedüst. Dabei befinden sich die Fluideinlassöffnungen 20, 21, 22 in Hauptströmungsrichtung 9 stromabwärts zu den Brennstoffdüsen 11. Im der vorliegenden Ausführungsvariante wird ein Teil des Fluids 15 durch Fluideinlassöffnungen 20, die stromabwärts neben den Brennstoffdüsen 11 angeordnet sind, im Wesentlichen entgegen der Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst. Durch weiter stromabwärts neben den Fluideinlassöffnungen 20 angeordnete Fluideinlassöffnungen 21 wird ein Teil des Fluids 15 nahezu senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst. Stromabwärts neben den Fluideinlassöffnungen 21 sind weitere Fluideinlassöffnungen 22 angeordnet, durch die ein Teil des Flu-

ids 15 im Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung 9 in die Vormischzone 2 eingedüst wird.

Durch die beschriebene Anordnung der Fluideinlassöffnungen 20, 21, 22 wird die Entstehung eines Heißgasrückströmgebie- tes stromabwärts der Brennstoffdüsen 11 vermieden und so ein sicherer Vormischbetrieb des Brenners ermöglicht.