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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbereiten
von Rückstandsöl für die Verwendung in einer Gasturbine, insbesondere der bei Flugzeugen
und Schiffen einsetzbaren Düsentriebwerksbauweise.
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Die Erfindung bezieht sich insgesamt auf Brennstoffe für Gasturbinen
sowie auf Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von Rückstandsöl, damit dieses
als Brennstoff in Gasturbinen verwendet werden kann, insbesondere in Gasturbinen
der Flugtriebwerksbauweise. Unter Rückstandsöl sind echtes Rückstandsöl und gemischtes
Rückstandsöl zu verstehen, d. h. echtes Rückstandsöl, das mit Destillatöl verschnitten
oder verdünnt ist.
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Gasturbinenbrennstoffe sind hauptsächlich auf natürliche Gasöle oder
Destillatöle beschränkt, da die Wartung der Brennkammer und der Düsen bei Einsatz
solcher Brennstoffe minimal ist. Bei dem derzeitigen Energieengpaß ist die VerSorgung
mit derartigen Brennstoffen nicht immer gewährleistet. Außerdem sind diese Brennstoffe
ziemlich teuer und werden es in nächster Zukunft auch bleiben. Man möchte deshalb
an ihrer Stelle aus Wirtschaftlichkeitsgründen Rückstandsöle verwenden.
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Es wurde bereits versucht, geeignete Gasturbinenbrennstoffe aus Rückstandsölen
herzustellen. Diese Anstrengungen blieben insgesamt unhefriedigend, vor allem im
Hinblick auf Gasturbinen, die sich als Flugtriebwerke eignen. Die bekannten Prozesse
umfassen ein Behandeln der Rückstandsöle derart, daß der Gehalt an korrosiver Asche
und Pestfeststoffen reduziert wird, die sich an den Triebwerks flächen absetzen
oder zur Errosion an diesen Flächen führen könnten. Die bekannten Behandlungen bestehen
darin, daß das Rückstandsöl mit Wasser gewaschen wird, um Alkalimetalle zu entfernen,
und daß Additive bzw. Zusatzstoffe zugegeben werden, um die Schmelztemperatur der
Aschen zu erhöhen.
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Rückstandsöle haben insgesamt schlechte Zerstäubungseigenschaften
und können somit von herkömmlichen Gasturhinendüsen nicht ausreichend zerstäubt
werden. Dies führt zu einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrades und einer
schlechten Turbinenleistung. Außerdem sind schwerere langkettige Brennstoffagglomerate,
wie Asphaltine, Paraffine,Teer und dergleichen, wie sie in den Rückstandsölen vorhanden
sind, vergleichsweise langsam brennend. Da Gasturbinen, insbesondere in der Flugtriebwerksbauweise,
Brennkammern haben, die für kurzflammige Destillatbrennstoffe ausgelegt sind, führt
die lange Verbrennunaszeit der Rückstandsöle sowohl zu einer unvollständigen Verbrennung
in den Brennkammern als auch zu einer erhöhten Abscheidung von festem Kohlenstoff
auf dem Turbinenabschnitt oder einer Erosion dieses Abschnitts. Außerdem nehmen
die verunreinigenden Emissionen in unzulässiger Weise zu.
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Die Bestandteile, die am stärksten zur Korrosion durch heiße Asche
und zur Abscheidung von Feststoffresten und zur Erosion beitragen, sind hauptsächlich
in den langkettigen Brennstoffagglomeraten konzentriert, die infolge der großen
Teilchengrößen einen freien Zusatz der Inhibitorzusatzstoffe zu diesen Komponenten
beeinträchtigen und somit die Inhibitorwirkung reduzieren, die die Zusatzstoffe
sonst haben würden. Unter hestimmten Umständen führt dies zu einer Ansammlung des
Zusatzstoffes, beispielsweise Magnesiumasche, dort, wo die Bildung von Vanadiumpentoxyd
gehemmt werden soll, was zu einer schädlichen Schlackenbildung im Triebwerk führt.
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Diese Probleme sind besonders bei Düsentriebwerken nachteilig, bei
denen die Herstellervorschriften gewöhnlich weniger als 1 ppm entweder Natrium oder
Vanadium verlangen und bei denen der Vanadiumausschluß bei wirksamen Dosierungsraten
vom Tlersteller dafür gedacht war, die Magnesiumabscheidungen so qroß zu lassen,
daß eine Brückenbildung zwischen den Düsenleitflächen verursacht wird. Die wirtschaftlich
äußerst interessanten Rückstandsöle haben hingegen 30 bis 50 ppm und mehr
Natrium
und Vanadium, auch wenn sie sorgfältig ausgewählt werden.
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In der Literaturstelle "Experimental Investigation of the Combustion
Process of Natural and Emulsified Fuels", Trudy Instituta Goryachikh Iskopayemykh,
19, 1962, von V. M. Ivanov und P. I. Nefedov, NASA Tech. Translation TTF-258 (1965),
sind Verbrennungsversuche unter Verwendung von Rückstandsöl-Wasser-Dispersionen
oder -Emulsionen beschrieben. Diese Versuche zeigen, daß die Tröpfchenverbrennungszeiten
beträchtlich durch die Wasseremulgierung der Rückstandsöle reduziert werden können.
Die sogenannte "Emulsionsfeuerungstechnik" wird bei Dampfturbinenanlagen und Dieselaggregaten
verwendet, um deren Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern. So wird beispielsweise
die Emulsionsfeuerung dazu benutzt (Consolidated Edison of New York), um die Brennstoffserdampfung
in Rückstandsöl verwendenden Dampfkesselinstallationen zu erleichtern.
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Man hat jedoch in der Praxis noch nicht daran gedacht, die Emulsionsfeuerungstechnik
bei Gasturbinen anzuwenden und insbesondere bei Gasturbinen der Flugtriebwerksbauweise.
Der Grund dafür besteht darin, daß die Triebwerke gewöhnlich einen Luftüberschuß
von 400 % für Kühlzwecke erfordern. Man ging davon aus, daß jeglicher Vorteil aus
der zusätzlichen Wärmefreisetzung aufgrund der Emulsionsfeuerung durch die Forderung
nach noch mehr Kühlluft verloren ginge. Man ging weiterhin davon aus, daß eine vollständige
Verbrennung der Rückstandsöle nicht innerhalb der Abgrenzungen der kurzen Brennkammern
von Gasturbinen ausgeführt werden kann. Außerdem glaubte man nicht, daß die Brennkammern
dafür geeignet seien, langzeitig hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt zu
werden, die durch die leuchtend brennenden Rückstandsöle erzeugt werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin,
die Probleme und Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren
und eine Vorrichtung zu schaffen,
die es erlauben, daß minderwertige
Erdölbrennstoffe, wie sie ganz oder teilweise in Rückstnden vorhanden sind, in Gasturbinen
verbrannt werden, insbesondere in Gasturbinen der Flugtriebwerkbeuweise, ohne daß
eine gefährliche Überhitzung oder ein nachteiliger Einfluß auf die Triebwerksleistung
auftritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß RÜckstandsöl,
worunter bloßes Rückstandsöl und gemischte Rückstandsöle zu verstehen sind, gewaschen
wird, um seinen Alkalimetallgehalt zu reduzieren. Danach werden ein oder mehrere
Zusatzstoffe in den Brennstoff eingegeben, um die Aschenkorrosion und die Feststoffabscheidung
während der Verbrennung zu reduzieren. Dann wird Wasser in einer Menge von 3 bis
8 Gew.-$ zugegeben. Das Gemisch aus Wasser-Brennstoff-Zusatzstoff wird dann zur
Bildung einer Emulsion homogenisiert, wobei in der Emulsion die Tröpfchen des flüssigen
Wassers in der kontinuierlichen ölphase dispergiert sind. Diese Emulsion wird dann,
erforderlichenfalls nach einer Erhitzung, um die Viskosität auf den richtigen Wert
zu bringen, der Brennkammer einer Gasturbine zugeführt.
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Erfindungsgemäß wird die Homogenisierung-Emulgierung des Brennstoff-Wasser-Additiv-Gemisches
vorzugsweise so ausgeführt, daß die Brennstoffagglomerate und die langkettigen Kohlenwasserstoffe,
die einen hohen Aschegehalt ergeben würden, zerkleinert werden. Zweckmäßigerweise
wird die Emulsion in einer HDmogenisiereinrichtung hergestellt, in der das Gemisch
aus Rückstandsöl, Wasser und Zusatzstoff einer hohen Turbulenz und hohen Scherkräften
ausgesetzt wird, so daß im wesentlichen alle Wassertröpfchen in ihrer Größe auf
Durchmesser im Bereich von o,5 bis 5 lu reduziert und homogen in dem gesamten bl
dispergiert werden. Erfindungsgemäß beträgt die in dem bl dispergierte Wassermenge
3 bis 8 Gew.-% und beträgt optimal etwa 5 Gew.-%.
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Bei bestimmten Anlagen, beispielsweise bei Schiffsenergieaggregaten,
werden das Waschen, die Additivbehandlung und die Emulgierung in einem aneinandergereihten
Prozeß ausgeführt.
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Der vollständig behandelte Brennstoff wird direkt an die Gasturbinenbrennkammer
abgegeben. Bei anderen Anlagen oder für andere Verwendungszwecke können das Waschen,
die Additivbehandlung und die Emulgierung in einer oder mehreren Stufen vorher oder
auch an Ort und Stelle ausgeführt werden, beispielsweise in einer zentralen Aufbereitungsanlage,
die von der Stelle entfernt liegt, an der die Gasturbine oder die Gasturbinen mit
dem Brennstoff versorgt werden. Die erfindungsgemäß hergestellten Brennstoff-Additiv-Wasser-Emulsionen
sind in sich stabil und können, ohne daß eine Separierung stattfindet, während vergleichsweise
langer Zeiträume gespeichert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
haben die nachstehenden Vorteile bei der Verbrennung von Rückstandsöl in Gasturbinen:
1) Wenn die homogen dispergierten Wassertröpfchen den thermischen Bedingungen in
einer Gasturbinenbrennkammer ausgesetzt werden, gehen sie blitzartig in Dampf über,
was zu Mikroexplosionen der zerstEubten Brennstofftröpfchen führt, in denen die
Wassertröpfchen eingeschlossen sind. Diese Mikroexplosionen erzeugen eine zweite
Zerstäubungskraft, die die Brennstofftröpfchengröße auf Durchmesser von weniger
als 25 u reduzieren kann, was mit herkömmlichen Brennkammerzerstäubern allein nicht
möglich ist, mit denen Tröpfchen in der Größenordnung von 7o bis 150 u erreicht
werden. Diese Reduzierung der Brennstofftröpfchengrößen ermöglicht es, daß das Verbrennungssystem
näher an den stöchiometrischen Bedingungen arbeitet.
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2) Die Zerkleinerung der langkettigen Brennstoffagglomerate, die während
der Homogenisierung-Emuglierung eintritt, ergibt verringerte Tröpfchenverbrennungszeiten
und dementsprechend verkürzte Flammenmuster. Dies ermöglicht eine
relativ
vollständige und saubere Verbrennung der Rückstandsöle in den räumlich kurzen Brennkammern,
wie sie für Gasturbinen charakteristisch sind.
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3) Das Homogenisieren-Emuglieren zerkleinert auch die Asche tragenden
Agglomerate, wodurch die die Asche modifizierenden Zusatzstoffe einen verstärkten
Zugang erhalten und korrosive Asche bildende Bestandteile unterdrücken.
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4) Infolge des Homogenisierungs-Emulgierungs-Prozesses werden die
langkettigen Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Brennstoff nicht nur zerkleinert
oder verkürzt, sondern gleichzeitig auch in den Hauptkohlenwasserstoffbestandteilen
homogenisiert, was zur Folge hat, daß eine größere Kohlenstoffgehaltumwandlung (Brennstoffumwandlung)
insgesamt in dem Verbrennungsprozeß eintritt, wodurch die Turbinenerosion infolge
Kohlenstoffteilchen reduziert wird.
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5) Die Zugabe von Wasser zum Brennstoff ermöglicht eine Wassergasreaktion
während der Verbrennung, die den Verbrennungswirkungsgrad erhöht.
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6) Das dem Brennstoff zugegebene Wasser führt zu einer Reduzierung
der Spitzentemperatur in der Brennkammer, so daß die thermische Beanspruchung im
heißen Abschnitt des Triebwerkes reduziert wird.
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7) Die Zusatzstoffe, die die Korrosion und die Feststoffabscheidung
hemmen, sind über den ganzen Brennstoff gleichförmig infolge der Homogenisierung-Emulgierung
des Rückstandsöl-Wasser-Additiv-Gemisches verteilt. Diese verbesserte Additivdispersion
ermöglicht eine wirksamere Ausnutzung der Additive bzw. Zusatzstoffe und erleichtert
den Zugang der Additive zu den Brennstoffbestandteilen, wodurch eine mengenmäßige
Reduzierung der zuzusetzenden Zusatzstoffe möglich ist und in geeigneter Weise die
Korrosion infolge
heißer Asche und die Kohlenstoffabscheidung sowie
die Erosion in dem heißen Abschnitt des Triebwerkes unterbunden wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Aufbereiten von Rückstandsöl für die Verwendung als Brennstoff für Gasturbinen.
Das Rückstandsöl, bei dem es sich entweder um Rückstandsöl direkt oder um gemischtes
Rückstandsöl handeln kann, wird zur Reduzierung seines Alkalimetallgehaltes gewaschen.
Danach werden ein oder mehrere Zusatzstoffe in das bl eingegeben, um die Aschekorrosion
und die Feststoffabscheidung während der Verbrennung zu reduzieren. Es wird Wasser
in einer Menge von lo Gew.-% oder weniger zugesetzt.
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Dann wird das aus Rückstandsöl, Wasser und Zusatzstoffen bestehende
Gemisch homogenisiert, wobei eine Emulsion gebildet wird, in der die Tröpfchen des
flüssigen Wassers in einer kontinuierlichen blphase suspendiert sind. Diese Emulsion
wird anschließend der Gasturbine für die Verbrennung zugeführt.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Brennstoff zuführungsanordnung gemäß der
Erfindung, Fig. 2 schematisch ein Diagramm einer Brennstoffwaschstufe, die bei der
Anordnung von Fig. 1 verwendbar ist, Fig. 3 schematisch ein Diagramm einer Emulgier-Homogenisier-Stufe,
wie sie bei der Anordnung von Fig. 1 verwendet werden kann, Fig. 4 vergrößert eine
Brennstoff-Wasser-Emulsion, wie sie erfindungsgemäß hergestellt wird, und Fig. 5a
bis 5e in Diagrammen die Gasturbinenbrennkammerleistung und die Emmissionsvariablen,
abhängig von der Wassermenge in einer verbrannten Brennstoff-Wasser-Emulsion.
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Die Brennstoffaufbereitung gemäß Fig. 1 bis 5 wird anhand einer besonders
vorteilhaften Anordnung, nämlich anhand eines Brennstoffördersystems für ein Schiff,
erläutert, was so ausgelegt ist, daß es gemischtes Rückstandsöl Schiffsgasturbinen
der Flugtriebwerksbauweise zuführt. Unter Gasturbinen dieser Bauweise sind leichte,
für Flugzeuge geeignete Gasturbinen zu verstehen, beispielsweise wie die Triebwerke
FT4 und FT9 von Pratt & Wittney, die Triebwerkstypen LM 1500, LM 25oo und LM
5000 von General Electric, die Triebwerke Olympus, RB 211 und Tyne der Firma Rolls
Royce sowie das Modell 99o der Garret Air Research. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich jedoch im wesentlichen für alle
Anwendungszwecke und Installierungen für bzw. von Gasturbinen.
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Das Brennstoffördersystem gemäß Fig. 1 hat einen Großöltank oder Bunker
10 zum Speichern großer Mengen von Rückstandsöl.
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Nötigenfalls kann der Tank mit einer Heizeinrichtung versehen sein,
so daß die Viskosität des gespeicherten öls ausreichend niedrig ist, um eine einfache
Förderung des öls durch Pumpen und Rohre zu einer ölwaschstufe 12 zu ermöglichen.
Eine beispielsweise Ausführungsform einer Vorrichtung 12 zum Waschen des Rückstandsöls
ist in Fig. 2 gezeigt. In dieser Arheitsstufe wird Wasser zugegeben und mit dem
Rückstandsöl vermischt, so daß wasserlösliche anorganische Salze, die in dem Rückstandsöl
vorhanden sind, gelöst werden, und insbesondere Salze, die ein Alkalimetall, wie
Natrium oder Kalium, enthalten.
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Diese Salze sind normalerweise in den Rückstandsölen in Mengen von
bis zu 50 ppm vorhanden. Nach dem Umwandeln dieser Salze in die Ionenform in Wasser
können sie aus dem Brennstoff durch Trennen des Brennstoff-Wasser-Gemisches in die
Brennstoff-und Wasserkomponente durch Entfernen des Wassers ausgewaschen werden.
Für die Verwendung in Gasturbinen der Düsentriebwerkbauweise werden die Alkalimetallsalze
vorzugsweise so reduziert, daß bis zu einem Punkt gewaschen wird, an dem die Konzentration
an Natrium plus der Konzentration an Kalium 3 ppm und optimal 1 ppm nicht überschreitet.
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Von der Brennstoffwaschstufe 12 wird das Rückstandsöl durch Pumpen
oder unter dem Einfluß der Schwerkraft einer Emulgier-Homogenisier-Stufe 14 zugeführt.
In dieser Stufe werden Additive zur Unterbindung der heißen Aschenkorrosion und
der Abscheidung von restlichen Feststoffen und der Erosion in das Pückstandsöl sowie
eine vorgegebene Wassermenge zugegeben und in dem öl emulgiert. Dies erfolgt derart,
daß die Wasser-Zusatzstoff-Teilchen oder Tröpfchen über der kontinuierlichen ölphase
sehr fein verteilt und dispergiert, d. h. homogenisiert, werden.
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Eine solche Emulsion erzeugt, wenn sie in die Verbrennung eingebracht
wird, "llikroexplosionenn, bei denen die Flüssigbrennstoff-Emulsionströpfchen zersplittert
werden. Diese Zersplitterung ergibt eine sekundäre und sehr feine Zerstäubung der
Brennstofftröpfchen und begünstigt so die vollständige Verdampfung und Verbrennung
des Brennstoffes. Eine bevorzugte Ausfffhrungsform der Vorrichtung mit der Brennstoffemulgier-Homogenisier-Stufe
14 ist in Fig. 3 gezeigt.
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Nach dem Durchgang durch die Emulgier-Homogenisier-Stufe 14 wird der
nun als Emulsion vorliegende Brennstoff zu einer oder mehreren Gasturbinen 16 befördert.
Das Brennstoffördersystem gemäß der Erfindung ermöglicht ein Beschicken der Gasturbinen
mit Rückstandsöl oder gemischtem Rückstandsöl anstelle von Destillatbrennstoff.
Während eine Gasturbine der Flugtriebwerksbauweise gewöhnlich Düsentreibstoff, wie
JP-4 oder JP-5 oder eine auf Schiffen verwendete Gasturbine einen Brennstoff, wie
MGT-4 oder MGT-7, benötigt, ist es erfindungsgemäß möglich, anstelle dieser Brennstoffe
ein gemischtes Rnckstandsöl zu verwenden, beispielsweise verschiedene Redwood Nr.
1 Rückstandsöle odexr auch Rückstandsöl beispielsweise Nr. 6-Rtokstandsöl oder Bunkeröl
C, von denen jedes erheblich billiger als Destillatöl ist.
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Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Auiftihrungsform einer Brennstoffwaschstufe
12 des Systems von Fig. 1, wobei auch andere Ausführungsformen verwendet werden
können. Der Brennstoff aus dem
Schiffstank 1o wird in der Leitung
18 durch eine oder mehrere Pumpen 20 gepumpt. Die Leitung 18 und die Pumpe 20 sind
so dimensioniert, daß aus dem Tank lo in etwa zwei Stunden die Versrogung für einen
ganzen Tag abgezogen werden kann. Dem Brennstoff wird ein Demulgiermittel zugesetzt,
um die Bildung einer Emulsion mit dem Waschwasser zu verzögern, das in den Brennstoff
eingeführt wird. Dieser an sich bekannte Demulgator wird aus einem Speichertank
22, in dem er flüssig gespeichert ist, über eine Dosierpumpe 24 einem herkömmlichen
Brennstoffsieb 26 zugeführt, das den Demulgator mit dem Brennstoff filtert.
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Der aus dem Speichertank abgezogene Brennstoff wird zusammen mit dem
Demulgator durch die Pumpe 20 über einen statischen Mischer 28 einem Absetztank
30 zugeführt. Der statische Mischer 28 ist ausreichend groß ausgelegt, um den Mengenstrom
aus der Pumpe 20 aufzunehmen, beispielsweise für einen Mengenstrom von 1900 1/min.
Der hier verwendete Ausdruck statischer Mischer" soll einen Mischer bezeichnen,
der keine beweglichen sondern feststehende Blätter bzw. Schaufeln hat. Der dynamische
Mischeffekt wird durch die Bewegung der Flüssigkeit an diesen Schaufeln vorbei und
nicht umgekehrt erreicht. Solche statischen Mischer sind relativ preiswert und stehen
in verschiedenen Größen zur Verfügung.
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Ehe der der Pumpe 20 zugeführte Brennstoff den statischen Mischer
28 erreicht, wird aus einer Leitung 32 Wasser zugesetzt, vorzugsweise in einem Anteil
von etwa ein Teil Wasser pro neun Teile Brennstoff, obwohl der Wasseranteil von
5 bis 15 Vol.-% des sich ergebenden Gemisches reichen kann. Wenn dieses Brennstoff-Wasser-Gemisch
durch den statischen Mischer 28 geführt wird, wird das Wasser in innigen Kontakt
mit dem flüssigen Brennstoff gebracht, jedoch nicht so fein in Tröpfchen verteilt,
daß eine Emulsion entstehen würde. Dieses Brennstoff-Wasser-Gemisch wird dann dem
Absetztank 3o zugeführt, in dem es sich trennen kann, wobei eine Brennstoff-Wasser-Trennfläche
34 gebildet wird.
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Das über die Leitung 32 zugeführte und dem Brennstoff zugesetzte Waschwasser
ist kein Frischwasser, sondern Waschwasser, welches von einem anderen Waschvorgang
umgewälzt wurde. Obwohl dieses Waschwasser als Abstrom aus irgendeinem Waschvorgang
des Systems erhalten werden kann, wird bei der gezeigten Ausführungsform das anfänglich
dem Brennstoff über die Leitung 32 zugegebene Wasser aus dem Absetztank 30 auf einer
Höhe unter der Brennstoff-Wasser-Trennfläche 34 durch eine untere Absaugöffnung
36 entfernt. Dieses Wasser wird dann durch ein Sieb bzw. ein Filter 38, einen einziehbaren
Mengenstrommesser 40, eine Pumpe 42, ein Steuerventil 43 und ein RUckschlagventil
44 geführt. In dem System sind weitere Ventile V vorgesehen, um die Steuerung des
Strömungswege und des Mengenstroms zu erleichtern. Das Ventil 45 kann beispielsweise
dazu verwendet werden, einen Brennstoffstrom aus dem Tank 30 während der Überführung
von Brennstoff aus dem Bunker 10 zu verhindern.
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Das Brennstoff-Wasser-Gemisch wird in den Absetztank 30 über den statischen
Mischer 28 für einen relativ kurzen Zeitraum, (beispielsweise 2 h) während eines
24-h-Tages eingeführt.
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Normalerweise enthält der Absetztank oder der Maschinenraumtank an
Bord eines Schiffes, wenn er einmal gefüllt ist, etwa die Versorgung für 1 1/2 Tage
Brennstoff für die mit voller Kraft laufenden Schiffsmaschinen. Üblicherweise wird
der Absetztank erhitzt, um die Viskosität des Brennstoffs zu reduzieren, wodurch
die Trennung zwischen öl und Wasser begünstigt und beschleunigt wird. Bei Redwood
Nr. 1-Brennstoffen wird der Absetztank auf eine Minimaltemperatur von 380C (100
F) erhitzt.
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Vorzugsweise erfolgt eine Erhitzung auf eine höhere Temperatur von
etwa 660C (15ao). Die maximale Erhitzungstemperatur liegt bei etwa 930C (2oo0F),
da bei höheren Temperaturen das dem Brennstoff zugesetzte Wasser verdampfen würde.
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Der Inhalt des Absetztanks wird durch einen Fernpegelmesser und eine
Alarmvorrichtung 46 überwacht. Wenn sich zuviel Wasser auf dem Boden des Tanks absetzt,
wird es zu einem
Schlammtank durch öffnen eines Ventils 48 abgezogen.
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Schmutziges Waschwasser kann ebenfalls auf diese Weise abgezogen werden.
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Während der etwa 22 ht die pro Tag nach dem Vollpumpen des Absetztanks
3c verbleiben, wird der Inhalt des Absetztanks fortlaufend durch einen zweiten statischen
Mischer 50 umgewälzt, der ein Durchlaßvermögen von beispielsweise 265 1/min (70
GPM) hat. Diese Umwälzung erfolgt durch Abziehen von Wasser durch die untere Saugöffnung
36 unter der Brennstoff-Wasser-Trennfläche und durch Abziehen von Ol durch eine
hohe Absaugöffnung 52 über der Brennstoff-Wasser-Trennfläche. Der über die hohe
Saugöffnung 52 entfernte Brennstoff wird durch ein Sieb 54, einen Mengenstrommesser
56 mit Sichtmöglichkeit und ein Ventil 45 zur Pumpe 52 geführt. Aus der Pumpe 42
wird das Brennstoff-Wasser-Gemisch durch ein offenes Ventil 58 und den statischen
Mischer 50 sowie über ein Rückschlagventil 60 zur Oberseite des Absetztanks 30 zurückgeführt.
Während der fortlaufenden Umwälzung des Brennstoffs ist das Ventil 43 geschlossen,
die Pumpe 20 abgestellt. Bei einer geeigneten Umwälzung wird das gesamte Brennstoffvolumen
in dem Tank 30 etwa dreimal in einem Zeitraum von etwa 22 h umgewälzt.
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Das Verhältnis zwischen Brennstoff und Wasser, die durch den statischen
Mischer 50 umgewälzt werden, wird mit Hilfe der einsehbaren Mengenstrommesser 40
und 56 sowie ihrer zugeordneten Ventile V derart gesteuert, daß die Brennstoff-Wasser-Trennfläche
34 im wesentlichen auf der gleichen Höhe bleibt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der das Wasser anlänglich
mit dem Brennstoff in einem Anteil im Bereich von 5 bis 15 Vol.-% gemischt wird,
wird dieser Anteil während der fortlaufenden Umwälzung aufrechterhalten. Sollte
die Brennstoff-Wasser-Brennfläche 34 unter die gewünschte Höhe abfallen, beispielsweise
weil verunreinigtes Wasser aus dem System zum Schlammtank über das Ventil 48 oder
ein Ventil 62 abgezogen werden muß, kann frisches Zusatzwasser dem System über ein
Rückschlagventil 64 durch oeffnen eines Ventils 66 zugeführt werden.
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Der gewaschene Brennstoff wird durch eine Pumpe 70 aus dem Absetztank
30 über eine schwimmende Absaugeinrichtung 68 abgezogen, die so angeordnet ist,
daß sie das meiste wasserfreie öl aufnimmt. Dieses Abziehen kann beginnen, während
die Umwälzung noch läuft. Es kann auch eine vorausgehende Absetzperiode zur Begünstigung
der bl-Wasser-Trennung vorgesehen werden. Nach dem Abziehen wird der Brennstoff
durch eine Heizeinrichtung 72 geführt, um seine Viskosität weiter zu reduzieren.
Diese Heizeinrichtung benutzt heißes Wasser oder Dampf zum Steigern der Temperatur
des Brennstoffs auf etwa 930C 0 (200°F).
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Durch eine Pumpe 74 wird aus einem Frischwassertank 76 frisches Wasser
abgezogen und durch eine Heizeinrichtung 78 geführt, die seine Temperatur auf etwa
930C <2oo0F) ansteigen läßt.
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Dieses Frischwasser wird dann dem Brennstoffstrom in einem Anteil
im Bereich von 5 bis 15 Vol.-% und vorzugsweise lo Vol.-% des Gemisches zugesetzt.
In einem statischen Mischer 80 werden dann der Brennstoff und das Wasser innig vermischt.
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Die Kapazität des statischen Mischers 8o, die beispielsweise 114 1/min
(30 GPM) betragen kann, wird so gewählt, daß sie der Kapazität eines Zentrifugalreinigers
oder eines Separators 82 angepaßt ist, dem das Brennstoff-Wasser-Gemisch zugeführt
wird. Dieser Zentrifugalreiniger ist eine herkömmliche Zentrifuge, wie sie normalerweise
zum Waschen von Brennstoff verwendet wird.
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Der Zentrifugenreiniger 82 trennt das Brennstoff-Wasser-Gemisch in
seine Brennstoff- und Wasserkomponente. Der den Separator verlassende Brennstoff
wird über eine Leitung 84 zu einem Bereitschaftstank 86 geführt, der gewöhnlich
ein Volumen hat, das für den Betrieb der Schiffsmaschinen bei voller Kraft für einen
Tag ausreicht. Dieser Bereitschaftstank wird ebenfalls auf wenigstens 66°C (150°F)
erhitzt, so daß die niedrige Viskosität des Brennstoffs bei dieser Temperatur aufrechterhalten
wird.
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Das aus dem Brennstoff durch den Zentrifugenreiniger 82 separierte
Waschwasser wird über eine Leitung 88 dem Absetztank 30 zurückgeführt. Dieses Wasser
kann in den Tank auf der Oberseite, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, oder auf irgendeiner
anderen Höhe, beispielsweise unter der Brennstoff-Wasser-Trennfläche 34, eintreten.
Das Waschwasser ist somit für das Waschen der nächsten Charge an Rückstandsöl verfügbar,
das aus dem Bunker lo zum Absetztank 30 geführt wird. Dadurch wird nicht nur die
verbrauchte Frischwassermenge konserviert, sondern auch eine andere Einsparung erreicht,
beispielsweise die Menge des Demulgators, der jeder in den Tank gepumpten Brennstoffcharge
zuzusetzen ist, auf ein Minimum reduziert.
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Fig. 3 zeigt schematisch die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
mit der Brennstoffemulgier-Homogenisier-Stufe 14 in dem Brennstoffördersystem von
Fig. 1. Wie die Brennstoffwaschvorrichtung gemäß Fig. 2 ist diese Einrichtung für
die Verwendung an Bord eines gasturbinengetriebenen Schiffes ausgelegt, das mit
gemischtem Rückstandsöl angetrieben wird, das im Bereich von Redwood Nr. 1 loo s
bis looo s liegt.
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Das Brennstofföl aus dem Bereitschaftstank 86 des Schiffes wird über
die Leitung 9o durch eine oder mehrere Förderpumpen 92 über eine Heizeinrichtung
94 und Filter 96 zu einer Emulgier-Homogenisier-Vorrichtung 98 transportiert. In
der Heizeinrichtung 94, die zweckmäßigerweise mit Wasser oder Dampf arbeitet, wird
der Brennstoff auf etwa 93 0C (2000F) erhitzt, um die Viskosität des Redwood Nr.
l-Rückstandsöls auf einen Bereich von lo bis 20 Centistokes abzusenken. Die Filter
96 können aus primären und sekundären heißwasserummantelten tiefen Filterstufen
(Winslow) zum Entfernen von Teilchen bestehen, die größer als lo bis 15 u bzw. 3
bis 5 u sind.
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Nachdem der Brennstoff durch die Filter 96 hindurchgegangen ist, werden
die Korrosion und die Feststoffabscheidung unterbindende Zusatzstoffe und Wasser
über eine Leitung 99 zugegeben.
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Das Gemisch aus Ol, Wasser und Zusatzstoff wird dann in der Vorrichtung
98 emulgiert. Das Wasser wird aus dem Frischwassertank 100 durch eine Dosierpumpe
102 abgezogen und auf etwa 930C (2000F) in einer Wasserheizeinrichtung 104 erhitzt.
Von einem Zusatzstoffzuführungstank 106 wird ein Vanadiumascheinhibitor, beispielsweise
in Form einer organischen oder anorganischen Magnesiumverbindung, abgezogen und
dosiert in den Frischwasserstrom aus dem Tank 106 mittels einer Pumpe 108 zugeführt.
In gleicher Weise wird ein geeigneter Feststoffabscheidinhibitor des Typs Aminpolymerisat
von dem Zusatzstoffvorratstank llo abgezogen und dosiert in den Frischwasserstrom
mittels einer Pumpe 112 zugegeben. Dieser Zusatzstoff bzw.
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dieses Additiv dient dazu, daß eine Ansammlung von Restkohlenstoff
und Magnesiumasche in der Brennstoffhauptleitung der Turbine und an anderen heißen
Turbinenteilen,insbesondere bei schwereren ölen, wie Redwood Nr. 650-Sekundärölen,
die aus Gründen der Viskosität auf über 930C (2000F) erhitzt werden müssen Die Konzentrationen
der Zusatzstoffe, die für ein erfolgreiches Unterbinden der Aschebildung und der
Abscheidung von restlichen Feststoffen während der Verbrennung erforderlich sind,
entsprechen der üblichen Praxis. So ist beispielsweise der Magnesiuminhibitor so
einer solchen ausreichenden Menge zuzusetzen, daß ein minimaler Pegel von drei Teilen
Mg zu einem Teil V vorgesehen wird. Bei dem Aminpolymerisatzusatzstoff sollen Konzentrationen
von 25 bis 50 ppm vorliegen. Wegen der erhöhten Wirksamkeit der Inhibitoren, die
der Homogenisierung-Enulgierung beizumessen ist, hat es sich gezeigt, daß die Menge
der Zusatzstoffe, die zur Erzielung der genannten Pegel verwendet werden müssen,
gegenüber den bisher erforderlichen reduziert werden können. Dies führt nicht nur
zu Kosteneinsparungen, sondern auch zu einer Reduzierung der Magneslumaschebildung
in der Turbine.
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Es hat sich erfindungsgemäß als günstig erwiesen, daß das Wasser in
diskrete Tröpfchen in einem Bereich von o,5 bis 5 u im Durchmesser aufgebrochen
wird und daß die Tröpfchen gleichförmig in der umgebenden ölphase dispergiert sind.
Zur Erzeugung einer solchen homogenen Dispersion kann jede geeignete Einrichtung
98 oder jedes Verfahren verwendet werden, wenn damit das Brennstoff-Wasser-Zusatzstoff-Gemisch
emulgiert werden kann. Ein derartiger bekannter, vorteilhaft an Bord eines Schiffes
einsetzbarer nomogenisierer verwendet einen hohen Druck, hat eine Triplex-Kolbenpumpe,
die mechanisch das Gemisch rührt, unter Druck setzt bis zu etwa 175 bar (2,500 psig)
und es über eine Düsenöffnung mit hoher Geschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit)
in einen Niederdruckbereich abgibt, in dem annähernd 7 bar (100 psig) herrschen.
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Dieses Verfahren unterwirft die Mischung hohen Turbulenzkräften und
starken Scherkräften, was zur Folge hat, daß im wesentlichen die ganzen Wassertröpfchen
in der Mischung eine Durchmesserreduzierung auf o,5 bis 5 u erfahren und gleichzeitig
homogen in der kontinuierlichen ölphase verteilt werden. Da die Homogenisierpumpe
einen pulsierenden Abgabedruck hat, kann ein den Druck dämpfender Speicher am Abgabeende
der Vorrichtung vorgesehen werden.
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Infolge der hohen Turbulenz und der Scherkräfte, die auf das Gemisch
aus Rückstandsöl, Wasser und Zusatzstoffen in dem Homogenisier-Emulgier-Prozeß ausgeübt
werden, werden die Asche tragenden und langkettigen Kohlenwasserstoffagglomerate,
wie Paraffin-, Asphalt- und Kohlenstoffteilchen-Kristalle, auf Größen von nur wenigen
u zerkleinert. Dies hat die vorstehend erwähnten Vorteile. Die vollständige Verbrennung
des Brennstoffs innerhalb der Abgrenzungen der kurzen, für Destillatöl vorgesehenen
Brennkammern der Düsentriebwerke wird erleichtert, wobei unterbunden oder stark
eingeschränkt wird, daß im Turbinenabschnitt lang brennende "Schlackensubstanzen"
brennen. Das gleichzeitige Zerkleinern und Dispergieren der Brennstoffagglomerate,
das in dem Homogenisator 98 eintritt,
mischt die langkettigen Kohlenwasserstoffbestandteile
mit den Hauptbrennstoffbestandteilen. Dies führt zu einer größeren Umwandlung der
Kohlenwasserstoffe während der Verbrennung und reduziert so die Menge an Kohlenstoffrückständen,
die sich an der Turbine abscheiden könnten, oder die Erosion der Turbine.
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Das Zerkleinern der Brennstoffagglomerate in feinere Teilchen erhöht
auch die Oberfläche, die den Aschekorrosionsinhibitoren ausgesetzt wird. Verbunden
mit der innigen Dispersion und der innigen Vermischung der Zusatzstoffe, die sich
aus der Homoge nisierung-Emulgierung ergibt, erhöht ein derartiger zusStzlicher
Zutritt der Zusatzstoffe ihren Wirkungsgrad dahingehend, daß die Heißaschenkorrosion,
die Abscheidung von Restfeststoffen und die Erosion stark reduziert werden.
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Die in dem Homogenisierer 98 erzeugte Brennstoff-Wasser-Z satzstoff-Emulsion
wird einem abschließenden Erhitzer 116 zugeführt, der die Temperatur auf die Höhe
steigert, die für die Aufrechterhaltung der Viskosität des emulgierten Brennstoffes
in dem Bereich ausreicht, der für die Brennkammerdüsen erforderlich ist, um den
Brennstoff wirksam zu zerstäuben. Die Viskosität für ein Düsentriebwerk üblicher
Bauweise liegt bei 2 bis 15 Centistokes. Die Brennstoffemulsion wird dann durch
das magnetbetätigte Flammenrückschlagventil 118 und ein 40 u-Duplex-Sieb 120 der
Turbinenbrennkammer zugeführt.
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Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, enthält die Emulsion oder Dispersion,
die in der Emuglier-Homogenisier-Vorrichtung 98 erzeugt wurde, eine große Anzahl
von Wassertröpfchen 122 im Bereich von o,5 bis 5 p, die in der kontinuierlichen
ölphase 124 dispergiert sind. Jedes einzelne Brennstofftröpfchen (Emulsion), das
in die Gasturbinenbrennkammer durch die Zerstäuberdüsen injiziert wird, umschließt
mehrere dispergierte Wassertröpfchen. Diese Wassertröpfchen gehen explosionsartig
in Dampf über, wenn sie der Flamenstrahlung in der Brennkammer ausgesetzt sind,
wodurch die primären Brennstofftröpfchen wesentlich stärker als durch die Brennstoffdüsen
in
viel feinere Tröpfchen zersplittert werden. Diese zweite Zerstäubung des Brennstoffs
trägt sehr stark zur Brennstoffmischung und zur Verdampfung bei und begünstigt so
eine schnelle Verbrennung des Brennstoffs. Bei langsamer brennenden Rückstandsölen
soll die Größe der primären Brennstofftröpfchen unter den Auslegungsbereich der
Brennstoffdüsen, der bei Düsentriebwerken gewöhnlich bei etwa 70 bis 150 u liegt,
reduziert werden, vorzugsweise auf etwa 25 . Da bei schwereren Brennstoffen ein
Abfall im Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis und eine Steigerung in der Leuchtkraft
der Verbrennung verglichen mit Destillatölen vorhanden ist, möchte man in der Praxis
das Destillatkühlschema für die Turbinenbrennkammer so ändern, daß die größere Strahlungswärmefreigabe
der Rückstandsöle berücksichtigt wird. Natur und Ausmaß dieser Änderungen hängen
von den Umständen der jeweiligen Anwendung, der ursprünglichen Auslegung der Brennkammern
usw.
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ab, so daß im einzelnen nicht genau spezifiziert werden kann.
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Es hat sich jedoch für diesen Zweck als zufriedenstellend erwiesen,
die Musteranordnung der Luftverdünnungsöffnungen in der Brennkammer zu ändern, um
eine zusätzliche Ventilierung in kritischen Bereichen zu erhalten.
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In den Diagrammen der Figuren 5a bis 5e sind die Brennkammerleistungsvariablen
abhängig von der Wassermenge in einer verbrannten Brennstoff-Wasser-Emulsion gezeigt.
Die Diagramme wurden unter Verwendung von Daten erstellt, die aus Versuchen erhalten
wurden, welche zur Abschätzung der Verbrennungsleistung und der Verunreinigungsemissionen
eines emulgierten gemischten Rückstandsöles in einem FT12-Brenner ausgeführt wurden,
der so modifiziert wurde, daß er mit Einlaßluft und Brennstoffbedingungen einer
FT4-Brennkammer arbeitete. Insbesondere wurden der Verbrennungswirkungsgrad, der
Abgastemperaturmusterfaktor und die Verunreinigungsemissionswerte bestimmt. Es wurden
fünf Emulsionen untersucht, von denen jede auf einem 6,5-Zwischenrückstandsöl beruht,
das nominale Konzentrationen von Wasser von 0, 4, 5, 7,5 bzw. lo % enthielt.
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Die Eigenschaften des 6,5-Zwischenrückstandsöles sind in der nachstehenden
Tabelle genannt.
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TABELLE Dichte o,935 bei 210C (7o0F) H/C 1,22 N- Gew.-% o,11 S- Gew.-%
1 ,wo Viskosität 160 eSt bei 380C (looOF) Die Brennkammerversuchsanordnung hat einen
elektrischen Lufterhitzer (Widerstand), einen EinlaBdiffusor, eine zylindrische
Leitung, in welcher der Brenner montiert ist, einen wassergekühlten Geräteabschnitt
und ein fernbetätigtes Drosselventil, das in der Auslaßleitung angeordnet ist. Der
Brennkammereinlaßluftdruck wird auf 10,5 bar (150 psia) festgelegt, die Temperatur
auf 260 C (5oo0F). Die Brennstofftemperatur bei der Einspritzung wird im Bereich
von 70 bis 9o°C (160° bis 0 19o°F) gehalten. Der Brenner wird mit einem Gesamtmischungsverhältnis
von Brennstoff zu Luft von o,o14 betrieben, entsprechend der Reiseleistung der FT4-Gasturbine.
Zum Bestimmen der Brennkammerabgastemperaturprofile, aus denen die Verbrennungswirkungsgrade
und die Musterfaktoren abgeleitet werden, der NOx-, CO und HC-Konzentrationen und
der SAE-Rauchzahl werden querverschiebbare Sonden verwendet.
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Die Simulierung der Strömungscharakteristika des FT4-Brennkammerkopfes
wurde dadurch bewirkt, daß eine genormte FT4-Druckzerstäuberdüse mit Luftverwirbler
in einen FT12-Brennerbehälter eingebaut wurde. Für eine kontinuierliche Hintereinanderemulgierung
wird ein Hochdruckhomogenisierer verwendet, der bei 197 bar (28ovo psi) arbeitet.
In allen Fällen erschienen die Dispersionen mit 6,5-Zwischenrückstandsöl als kontinuierliche
Phase stabil über Zeiträume von mehreren Tagen. Das Rückstandsöl wurde erhitzt,
um seine Viskosität zu reduzieren,
um dadurch annehmbare Mengenströme
zu ermöglichen und um den Homogenisierungswirkungsgrad zu verbessern. Die Brennstofftemperatur
wurde jedoch unter 93 0C (2000F) gehalten, um eine thermische Zersetzung und eine
Niederschlagsbildung zu vermeiden. Mikrophotographien zeigten, daß das Wasser in
dem Rückstandsöl in Tröpfchen dispergiert ist und dabei Durchmesser in der Größenordnung
von 1 bis 3 u hat.
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Es wurden weiterhin Dispersionen unter Verwendung eines Nr. 2-Rückstandsöls
als kontinuierliche Phase hergestellt.
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Im Gegensatz zu den Dispersionen des 6,5-Zwischenrückstandsöls hat
sich gezeigt, daß sie instabil sind, so daß die Verwendung eines Emulgiermittels
nötig wird. Durch Zugabe von etwa 1/4 bis 1 % eines oberflächenaktiven Mittels erhält
man eine Reihe stabiler Dispersionen, die bis zu lo % Wasser in einem Nr. 2-Rückstandsöl
enthalten. Das oberflächenaktive Mittel war ein Sorbitanfettsäureester (Gemisch
aus 75 % Span 80 und 25 % Tween 85, Atlas Chemical Industries, Wilmington, Delaware).
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Die Anfangsreihen der Brennerversuche wurden unter Verwendung einer
genormten Druckzerstäuberbrennstoffdüse 18/1-FT4 ausgeführt. Ein schnelles Ansammeln
von Kohlenstoffabscheidungen in der Düse machte jedoch das Entfernen der inneren
Filtersiebe nötig. Ein darauffolgender Versuch zeigte, daß nach etwa zwei Stunden
eines kontinuierlichen Brennerbetriebs mit sowohl unvermischten als auch emulgierten
Rückstandsölen keine Kohlenstoffabscheidung in der Düse oder in der primären Verbrennungs
zone festgestellt wurde. Es zeigten sich geringe Verwerfungen an der Auskleidung
und ein geringer Kohlenstoffniederschlag in der Zwischenzone. Dies ergab sich aufgrund
eines erhöhten Strahlungswärmeübergangs infolge der Emissionen von dem teilchenförmigen
Kohlenstoff und aus der gesteigerten Verbrennungszeit, die für die Tröpfchenverbrennung
infolge der schlechten Zerstäubung und Verdampfung des Rückstandsöls erforderlich
war.
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Die Ergebnisse der Versuche sind in den Figuren 5a bis Se gezeigt.
Die Ergebnisse sind durch den Einfluß der erhöhten Wasserzugabe auf den Verbrennungswirkungsgrad
und auf die Verunreinigungsemissionen dargestellt. Aus Fig. 5a ist zu ersehen, daß
der Verbrennungswirkungsgrad bei einer Erhöhung der Wasserzugabe ansteigt, ein Maximum
bei etwa 5 % zugesetztem Wasser erreicht und danach abfällt, wahrscheinlich aufgrund
der lokalen Abkühlung in der Primär zone infolge der Wasserzugabe. Man erhält bei
Verwendung einer 5 %-Wasseremulsion eine 15 %-ige Steigerung, bezogen auf reinen
Brennstoff. In dem Diagramm ist der gemessene Wirkungsgrad für einen Betrieb mit
Rückstandsöl Nr. 2 zum Vergleich eingetragen.
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Die Differenzen (unter etwa 4 % Wasser) lassen sich auf eine weniger
wirksame Zerstäubung des Rückstandsöls und auf die erhöhte Zeit zurückführen, die
zum Verdampfen der schwereren Fraktionen des Rückstandsöls erforderlich ist. Zusätzlich
war bei allen Versuchen in dieser Reihe die Temperaturverteilung am Brennkammeraustritt
relativ gleichförmig, der Musterfaktor
war immer kleiner als o,2. Dies genügt den zugelassenen Brennkammerauslegungskriterien,
die für den Musterfaktor erfordern, daß er kleiner als o,3 ist.
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Die in Fig. 5 b gezeigten Rauchemissionen folgen einem dem Verbrennungswirkungsgrad
entgegengesetzten Trend, wobei zunächst ein Abfall auf einen Minimalwert und danach
ein Anstieg zu verzeichnen ist. Bei einem Wasserzusatz von etwa 4 % wurde eine Nettoreduzierung
der SAE-Rauchzahl von 16 % gemessen. Die Daten zeigen, daß die Brennstoffemulgierung
den Wirkungsgrad einer Gasturbinenbrennkammer günstig ändern kann, ohne das Turbineneinlaß-Temperaturprofil
oder die Rauchemissionen nachteilig zu beeinflussen, wobei ein Teil dieses günstigen
Verhaltens auf die verbesserte Zerstäubung aufgrund der Tröpfchenzersplitterung
zurückzuführen ist.
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Der Einfluß der Brennstoffemulgierung auf die gasförmigen Verunreinigungsemissionen
ist in den Figuren 5c, 5d und 5e gezeigt. In diesen Figuren sind die Emissionskonzentrationen
von NOx, CO und HC als Funktionen des Prozentanteils von Wasser im Brennstoff aufgezeichnet.
Die Ergebnisse zeigen, daß die NOxEmissionen am Anfang zunehmen, ein Maximum bei
4 % Wasserzugabe erreichen und dann abfallen, wahrscheinlich infolge der thermischen
Abkühlung und der abnehmenden Reaktionswerte. Ein dementsprechend entgegengesetzter
Trend ergibt sich sowohl für die CO- als auch für die HC-Emissionswerte.
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Obwohl die vorstehend beschriebenen Emissionsdaten nach Fig.
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5c und 5e konsistent sind und einem vorhersagbaren Trend folgen, können
die Daten nicht als schlüssig angesehen werden, da sie offensichtlich der Höhe der
nicht wirksamen Verbrennung widersprechen, die sich aus der Abgastemperaturmessung
herleiten läßt. Bekanntlich sind Temperaturen von mehr als 8000C (15000F) für eine
vollständige Destillation des Rückstandsöls erforderlich. Da jedoch die Gasproben
und das Analysesystem, wie sie bei den vorstehenden Versuchen verwendet werden,
auf Betriebstemperaturen von 1 80°C (35o0F) oder weniger begrenzt waren, kann eine
Kondensation von Kohlenwasserstoffen mit hohem Molekulargewicht eintreten, was zu
einem Verlust der Probe und zu einer falschen niedrigen HC-Emissionsmessung führen
kann.Außerdem kann unverbrannter flüssiger Brennstoff in dem Abgas enthalten sein,
was zu dem Fehler bei der Bestimmung der HC-Emissionen beiträgt.
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Um einen fein zerstäubten Brennstoffsprühnebel zu erhalten und um
gleichzeitig eine der in Betrieb auftretenden Schwirigkeiten bei der Verwendung
einer Druckzerstäubungsdüse, die bei den vorstehend beschriebenen Versuchen verwendet
wird, zu reduzieren, wird auch eine Versuchsreihe für feinemuglierte Brennstoffe
unter Verwendung einer Druckluftdüse ausgeführt.
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Die Druckluftdüse verwendet eine sekundäre Quelle von Luft unter hohem
Druck, um hohe Schwerkräfte und um eine verbesserte
Zerstäubung
zu erreichen. Die Druckluft wird mit einem Druck von 21 bar (300 psia) und einer
Temperatur von 150°C (3000F) der Düse in einem Mengenstrom zugeführt, der in etwa
2 % des Brennerluftstroms beträgt. Die Versuchsergebnisse bestätigten alle vorher
unter Verwendung der DruckzerstoRuberdiise auftretenden Trends. Beispielsweise sind
der Verbrennungswirkungsgrad ein Maximum und die Rauchemissionen ein Minimum bei
einer Emulsion, die 5 % Wasser enthält. Zusätzlich sind die erhaltenen Verbrennungswirkungsgrade
annähernd gleich den vorher erhaltenen, was anzeigt, daß möglicherweise die Düsensprüheigenschaften
ähnlich sind oder daß die sekundäre Zerstäubung infolge der Tröpfchenzersplitterung
der beherrschende Faktor ist. Die Gasverunreinigungsemissionen folgen ebenfalls
dem bereits festgestellten Verlauf. Nur die CO-Emissionswerte sind bei der Druckluftzerstäubung
beträchtlich reduziert. Dies kann sich aufgrund der Zuführung von Druckluft ergeben,
die eine anfängliche Luft-Brennstoff-Vormischung bewirkt und so die örtlichen Brennstoff-Luft-Gemischverhältnisse
in der Primärzone reduziert. Obwohl keine erkennbaren Schwierigkeiten während des
Betriebs infolge der Druckluftdüse während einer nominalen 2-h-Versuchsfolge auftraten,
zeigte eine abschliessende Untersuchung, daß bereits Ansammlungen von Kohlenstoffabscheidungen
an der Düsenfläche und an dem inneren Filtersieb vorliegen. Wie bei der Druckzerstäuberdüse
ist die Entfernung des inneren Filtersiebs eine mögliche Lösung für dieses Problem.
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Die vorstehenden Daten, die anhand der Figuren 5a bis 5e erläutert
wurden, zeigen insgesamt, daß die Brennstoffemulgierung den Wirkungsgrad herkömmlicher
Gasturbinenbrennkammern, einschließlich von Brennkammern für Flugtriebwerke, günstig
ändern kann, ohne daß das Turbineneinlaßtemperaturprofil oder die Verunreinigungsemissionswerte
nachteilig beeinflußt werden. Die Daten zeigen weiter, daß Rückstandsöl, wenn es
bis zu lo Gew.-% Wasser in der beschriebenen Weise emugliert wird, erfolgreich als
Brennstoff für Gas turbinen verwendet werden kann, und daß in diesem Fall, bezogen
auf ein Brennstofföldestillat
Nr. 2,eine insgesamt gleiche oder
verbesserte Turbinenleistung mit Wassergehalten in einem Bereich von etwa 3 bis
8 Gew.-% erhalten wird, wobei der maximale Vorteil bei etwa 5 % Wassergehalt erreicht
wird. Die Versuche ergeben nur eine geringfügige Verwerfung der Brennkammer in der
Zwischenzone infolge thermischer Beanspruchungen. Es zeigt sich eine Abscheidung
von Kohlenstoffresten in den Injektoren. Diese Schwierigkeit kann jedoch beseitigt
werden, insbesondere bei der Druckzerstäuberdüse, indem die inneren Filtersiebe
entfernt werden. Bei den vorstehenden Versuchen wurde kein Zusatzstoff zur Unterbindung
von Feststoffabscheidungen zugesetzt. Weitere Versuche mit derartigen Zusätzen zeigten,
daß sie hinsichtlich solcher Abscheidungen wirksam sind.