EP0321809B1 - Procédé pour la combustion de combustible liquide dans un brûleur - Google Patents

Procédé pour la combustion de combustible liquide dans un brûleur Download PDF

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EP0321809B1
EP0321809B1 EP88120667A EP88120667A EP0321809B1 EP 0321809 B1 EP0321809 B1 EP 0321809B1 EP 88120667 A EP88120667 A EP 88120667A EP 88120667 A EP88120667 A EP 88120667A EP 0321809 B1 EP0321809 B1 EP 0321809B1
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Jakob Dr. Keller
Thomas Dr. Sattelmayer
Daniel Styner
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General Electric Switzerland GmbH
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C1/00—Combustion apparatus specially adapted for combustion of two or more kinds of fuel simultaneously or alternately, at least one kind of fuel being either a fluid fuel or a solid fuel suspended in a carrier gas or air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/40—Mixing tubes; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the present invention relates to a method for the combustion of liquid fuel in a burner without a premix section according to the preamble of claim 1. It also relates to a burner for carrying out this method.
  • a burner is known from EP-A1-0 210 462, which is formed from at least two double-curved hollow partial cone bodies acted upon with tangential air entry. These bodies are folded in the direction of flow along diagonals that open outwards in the shape of a cone. One curved fold side forms an inner cone with an increasing cone inclination in the outflow direction, while the other curved fold side forms an outer cone with a decreasing cone inclination in the outflow direction. At their ends, the inner cones each carry a fuel line along their entire axial extent for the supply of the gaseous fuel which flows through several fuel nozzles into the interior of the burner in order to mix there with the tangentially flowing combustion air.
  • the burner also has a separate supply of a liquid fuel, which is a dual burner.
  • the injection of the liquid fuel is directed axially onto the outer cone in such a way that, depending on the strength of the injection, a different length of fuel film is formed.
  • weighty mixing is carried out by the tangentially introduced combustion air, which rolls up the fuel film in layers due to its swirling movement in the axial direction, making the generation of a strong mixture superfluous. Because the impulse of the injection of liquid fuel is adapted to the load of the machine, the mixture is never too lean or too rich.
  • this burner results in a vortex flow which is low in swirl in the center but has an excess of axial speed. Because the number of swirls increases strongly in the axial direction and reaches the breakdown value or the critical value at the end of the burner, this results in a positionally stable vortex backflow.
  • the oil injection is structurally relatively complex. But the design of the folded cone sections and their coordination with each other is not easy to handle.
  • the object of the invention is to simplify the physical configuration of the burner in a method and a burner of the types mentioned at the beginning and at the same time to minimize the NO x emission values from the premixed combustion of liquid fuel, without changing the flow field in the burner with the stable vortex backflow zone.
  • Another advantage of the invention results from the possibility that the burner according to the invention can also be used in gas turbines, the pressure ratio of which is so high over approximately 12 that, due to the principle, no pre-evaporation of the liquid fuel is possible because the fuel has previously ignited would. Finally, the burner according to the invention can also be used in those cases in which no or only insufficient air preheating for evaporation can be achieved.
  • an essential advantage of the invention is that the burner according to the invention consists of a few components that are easy to manufacture and assemble.
  • FIGS. 2-4 In order to better understand the structure of the burner, it is advantageous if the reader uses the individual sections according to FIGS. 2-4 simultaneously with FIG. 1. Furthermore, in order not to make Fig. 1 unnecessarily confusing, the baffles 21a, 21b shown schematically according to Figs. 2-4 have only been hinted at. In the description of FIG. 1 below, the remaining FIGS. 2-4 are optionally referred to as required.
  • the burner according to FIG. 1 consists of two half hollow tapered bodies 1, 2 which are offset from one another.
  • the offset of the respective central axis 1b, 2b of the partial cone bodies 1, 2 to each other creates a tangential air inlet slot 19, 20 on both sides in a mirror-image arrangement (FIGS. 2-4), through which the combustion air 15 enters the interior of the burner, ie flows into the cone cavity 14.
  • the two partial cone bodies 1, 2 each have a cylindrical initial part 1 a, 2 a, which likewise run offset from one another analogously to the partial cone bodies 1, 2, so that the tangential air inlet slots 19, 20 are present from the beginning.
  • a nozzle 3 is accommodated, the fuel injection 4 of which coincides with the narrowest cross section of the conical cavity 14 formed by the two partial cone bodies 1, 2.
  • the burner can be made purely conical, that is to say without cylindrical initial parts 1a, 2a.
  • Both partial cone bodies 1, 2 each have a fuel line 8, 9, which are provided with openings 17 through which the gaseous fuel 13 is mixed with the combustion air 15 flowing through the tangential air inlet slots 19, 20. The position of these fuel lines 8, 9 is shown schematically in FIGS.
  • the fuel lines 8, 9 are attached to the end of the tangential air inlet slots 19, 20, so that the admixture 16 of the gaseous fuel 13 with the incoming combustion air 15 also takes place there .
  • the burner On the combustion chamber side 22, the burner has a collar-shaped anchoring for the partial cone body 1, 2 serving end plate 10 with a number of holes 11 through which, if necessary, dilution air or cooling air 18 can be supplied to the front part of the combustion chamber 22 or its wall.
  • the liquid fuel 12 flowing through the nozzle 3 is injected into the cone cavity 14 at an acute angle, in such a way that the most homogeneous conical fuel spray is obtained in the burner outlet plane, it being very important to ensure that the inner walls of the partial cone bodies 1, 2 injected liquid fuel 12 are not wetted.
  • the fuel injector 4 can be an air-assisted nozzle or a pressure atomizer.
  • the conical liquid fuel profile 5 is enclosed by a rotating combustion air stream 15 flowing in tangentially. In the axial direction, the concentration of the liquid fuel 12 is continuously reduced by the mixed-in combustion air 15. If gaseous fuel 13/16 is burned, the mixture is formed with the combustion air 15 directly at the end of the air inlet slots 19, 20.
  • the nitrogen oxide and carbon monoxide emissions are low if the excess air is at least 60%. In the case of complete evaporation before entering the combustion zone, the pollutant emission values are lowest. The same also applies to near-stoichiometric operation when the excess air is replaced by recirculating exhaust gas.
  • the partial cone bodies 1, 2 with regard to the taper inclination and the width of the tangential air inlet slots 19, 20, narrow limits must be observed so that the desired flow field of the air with its return flow zone 6 is established in the area of the burner mouth for flame stabilization.
  • the backflow zone 6 which is once geometrically fixed, is inherently position-stable, because the swirl number increases in the direction of flow in the region of the cone shape of the burner.
  • the design of the burner is particularly suitable, given the given overall length of the burner, of changing the size of the tangential air inlet slots 19, 20 by fixing the partial cone bodies 1, 2 to the end plate 10 by means of a releasable connection.
  • the distance between the two central axes 1b, 2b decreases or increases as a result of radial displacement of the two partial cone bodies 1, 2 to and from one another, and the gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 changes accordingly, as can be seen particularly well from FIGS. 2-4 emerges.
  • the partial cone bodies 1, 2 can also be displaced relative to one another in another plane, as a result of which even an overlap thereof can be controlled. Yes, it is even possible to spirally move the partial cone bodies 1, 2 with one another by means of a counter-rotating movement. It is therefore in your hand to vary the shape and size of the tangential air inlets 19, 20 as desired, so that the burner can be used universally without changing its overall length.
  • 2-4 also shows the position of the guide plates 21a, 21b. They have flow introduction functions, whereby they, of different lengths, extend the respective end of the partial cone bodies 1 and 2 in the direction of flow of the combustion air 15.
  • the channeling of the combustion air into the cone cavity 14 can be optimized by opening or closing the guide plates 21a, 21b around the pivot point 23, in particular this is necessary if the original gap size of the tangential air inlet slots 19, 20 is changed.

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Claims (8)

1. Procédé pour la combustion de combustible liquide dans un brûleur sans zone de prémélange, dans lequel on forme, dans le volume intérieur (14) du brûleur, une colonne (5) de combustible liquide en forme de cône s'évasant dans le sens de l'écoulement et ne mouillant pas les parois du volume intérieur (14), laquelle est enveloppée par un courant d'air de combustion (15) rotatif pénétrant tangentiellement dans le brûleur, où l'allumage du mélange se produit à la sortie du brûleur et où la flamme est stabilisée dans la région de l'embouchure du brûleur par une zone de courant inverse (6).
2. Brûleur pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, se composant de corps coniques partiels creux qui se complètent pour former un corps, avec des fentes d'entrée d'air tangentielles et des moyens d'alimentation pour des combustibles gazeux et liquides, caractérisé en ce que les axes (1b, 2b) des corps coniques partiels creux (1, 2) présentent une conicité s'évasant dans le sens de l'écoulement et sont déportés l'un par rapport à l'autre en direction longitudinale, en ce que, dans le volume intérieur conique (14) formé par les corps coniques partiels (1, 2) est disposé un injecteur de combustible (3) dont le gicleur (4) se trouve au milieu de la ligne reliant les axes (1b, 2b) des corps coniques partiels (1, 2) déportés l'un par rapport à l'autre.
3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit un combustible gazeux (13/16) dans le courant d'air de combustion (15) avant son entrée dans le volume intérieur (14) du brûleur.
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'en marche quasi-stoechiométrique, l'air excédentaire est remplacé par des gaz d'échappement recyclés dans le courant d'air de combustion (15).
5. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les corps coniques partiels (1, 2) peuvent être rapprochés ou éloignés l'un de l'autre.
6. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le gicleur (4) est un injecteur avec air d'appoint.
7. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'injecteur (3) est un pulvérisateur à haute pression.
8. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les corps coniques partiels (1, 2) sont pourvus de déflecteurs mobiles (21a, 21b) du côté de la naissance de l'écoulement.
EP88120667A 1987-12-21 1988-12-10 Procédé pour la combustion de combustible liquide dans un brûleur Expired - Lifetime EP0321809B1 (fr)

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CH4980/87 1987-12-21
CH4980/87A CH674561A5 (fr) 1987-12-21 1987-12-21

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EP0321809A1 EP0321809A1 (fr) 1989-06-28
EP0321809B1 true EP0321809B1 (fr) 1991-05-15

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EP (1) EP0321809B1 (fr)
JP (1) JP2608320B2 (fr)
KR (1) KR0129752B1 (fr)
AT (1) ATE63628T1 (fr)
CA (1) CA1312816C (fr)
CH (1) CH674561A5 (fr)
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