DE102008037383A1

DE102008037383A1 - Niedrigemissions-Turbinensystem und -verfahren

Info

Publication number: DE102008037383A1
Application number: DE102008037383A
Authority: DE
Inventors: Ahmed Mostafa Elkady; Andrei Tristan Evulet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-04-02
Also published as: JP5584403B2; CN101397937B; US20090218821A1; US9404418B2; CH697918B1; CH697918A2; CN101397937A; JP2009085221A

Abstract

Es wird ein Turbinensystem zur Verfügung gestellt. Das Turbinensystem umfasst einen Verdichter, der für die Verdichtung von Umgebungsluft eingerichtet ist, und eine Brennkammer, die dafür eingerichtet ist, verdichtete Luft von dem Verdichter aufzunehmen und einen Brennstoffstrom zu verbrennen, um ein Abgas zu erzeugen. Das Turbinensystem umfasst außerdem eine Turbine, die das Abgas aus dem Verdichter aufnimmt, um Elektrizität zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases mit der Umgebungsluft gemischt wird, um einen sauerstoffarmen Luftstrom zu erzeugen, und wobei der sauerstoffarme Luftstrom unter Einsatz des Verdichters verdichtet und zu der Brennkammer geleitet wird, um den Brennstoffstrom zwecks Erzeugung eines NOx-armen Abgases zu verbrennen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbinensysteme und insbesondere auf Niedrigemissions-Turbinensysteme und -verfahren.
Verschiedene Typen von Gasturbinensystemen sind bekannt und werden verwendet. Zum Beispiel werden aeroderivative Gasturbinen für Anwendungen wie beispielsweise Energieerzeugung, Schiffsantriebe, Gasverdichtung, Kraft-Wärme-Kopplung, Offshore-Plattform-Energie und so weiter eingesetzt. Üblicherweise umfassen die Gasturbinen einen Verdichter zum Verdichten eines Luftstroms und eine Brennkammer, die die verdichtete Luft mit Brennstoff verbindet und das Gemisch entzündet, um ein Abgas zu erzeugen. Das Abgas wird darüber hinaus zwecks Energieerzeugung durch eine Turbine ausgedehnt.
Die Brennkammern derartiger Systeme sind üblicherweise dafür ausgelegt, Emissionen wie beispielsweise NOx- und Kohlenmonoxidemissionen (CO-Emissionen) zu minimieren. Bei einigen traditionellen Systemen wird eine mager vorgemischte Verbrennungstechnologie eingesetzt, um die Emissionen dieser Systeme zu reduzieren. NO_x-Emissionen werden üblicherweise durch eine Reduzierung der Flammentemperatur in der Reaktionszone der Brennkammer gemindert. Beim Betrieb wird eine niedrige Flammentemperatur durch die Vormischung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung erzielt. Ferner werden beim Einsatz bestimmter Gasturbinen systeme hohe Luftstromniveaus angewendet, was zu mageren Brennstoffmischungen führt, deren Flammentemperatur niedrig genug für eine Reduzierung der NO_x-Bildung ist. Da magere Flammen eine niedrige Flammentemperatur aufweisen, haben sie jedoch hohe CO-Emissionen zur Folge. Ferner wird das „Betriebsfähigkeitsfenster" derartiger Brennkammern sehr klein, und es ist erforderlich, beim Betrieb der Brennkammer der mageren Verlöschgrenze fernzubleiben. Im Ergebnis ist es schwierig, die in den Brennkammern eingesetzten Vormischer außerhalb ihres Entwurfsraums zu betreiben.
Werden darüber hinaus ausreichend magere Flammen Leistungseinstellungsänderungen, Strömungsstörungen oder Veränderungen in der Brennstoffzusammensetzung ausgesetzt, können die resultierenden Störungen des Äquivalenzverhältnisses den Ausfall der Verbrennung zur Folge haben. Ein solches Verlöschen kann bei stationären Turbinen einen Leistungsverlust und kostspielige Ausfallzeiten verursachen.
Bestimmte andere Systeme setzen zur Emissionsminderung Post-Combustion-Steuerungsverfahren (Steuerungsverfahren nach der Verbrennung) ein. Zum Beispiel können selektive katalytische Reduktionsverfahren (selective catalytic reduction techniques – SCR-Verfahren) als eine zusätzliche Maßnahme zur NO_x-Minderung eingesetzt werden. In einem SCR-Verfahren kann ein gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel wie beispielsweise Ammoniak direkt in das Abgas aus der Turbine eingespritzt werden, das dann über einen Katalysator geleitet wird, um mit den NO_x zu reagieren. Das Reduktionsmittel wandelt die NO_x in dem Abgas in Stickstoff und Wasser um. Die Einbeziehung zusätzlicher Komponenten, wie beispielsweise eines katalytischen Reak tors für den SCR-Prozess ist aufgrund der Kosten und der erhöhten Komplexität derartiger Systeme jedoch eine Herausforderung.
Dementsprechend existiert ein Bedarf an einem Turbinensystem mit reduzierten Emissionen. Es wäre außerdem wünschenswert, Verbrennungstechnologien zur Verfügung zu stellen, die die Gesamtleistung des Turbinensystems verbessern, ohne die thermische NO_x-Bildung dementsprechend zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG
Kurz gesagt, wird gemäß einer Ausführungsform ein Turbinensystem zur Verfügung gestellt. Das Turbinensystem umfasst einen Verdichter, der für die Verdichtung von Umgebungsluft eingerichtet ist, und eine Brennkammer, die dafür eingerichtet ist, verdichtete Luft aus dem Verdichter aufzunehmen und einen Brennstoffstrom zu verbrennen, um ein Abgas zu erzeugen. Das Turbinensystem umfasst außerdem eine Turbine, die das Abgas aus dem Verdichter aufnimmt, um Elektrizität zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases mit der Umgebungsluft gemischt wird, um einen sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden, und wobei der sauerstoffarme Luftstrom unter Einsatz des Verdichters verdichtet und zu der Brennkammer geleitet wird, um den Brennstoffstrom zur Erzeugung eines NO_x-armen Abgases zu verbrennen.
Eine andere Ausführungsform umfasst auch ein Turbinensystem. Das Turbinensystem umfasst einen Verdichter, der dafür eingerichtet ist, Umgebungsluft und zumindest einen Teil eines Abgases zu verdichten, um einen ver dichteten sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden. Das Turbinensystem umfasst auch eine Brennkammer, die dafür eingerichtet ist, den verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom aus dem Verdichter aufzunehmen und einen Brennstoffstrom in einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus zu verbrennen, um das Abgas zu erzeugen. Das Turbinensystem umfasst auch eine Turbine zur Aufnahme des Abgases aus der Brennkammer, um Elektrizität und ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases zu dem Verdichter rezirkuliert wird, um den sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Kombikraftwerk mit integrierter Kohlevergasung (Integrated Coal Gasification Combined Cycle System – IGCC) zur Verfügung gestellt. Das IGCC-System umfasst einen Vergaser, der für die Herstellung eines Synthesegasbrennstoffs aus Kohle eingerichtet ist, und ein mit dem Vergaser gekoppeltes Turbinensystem. Das Turbinensystem umfasst einen Verdichter, der dafür eingerichtet ist, Umgebungsluft und zumindest einen Teil eines Abgases zu verdichten, um einen verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden. Das System umfasst ferner eine Brennkammer, die dafür eingerichtet ist, den verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom aus dem Verdichter aufzunehmen und den Synthesegasbrennstoff in einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus zu verbrennen, um das Abgas zu erzeugen. Das Turbinensystem umfasst auch eine Turbine zur Aufnahme des Abgases aus der Brennkammer, um Elektrizität und ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases zu dem Verdichter rezirkuliert wird, um den sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren für den Betrieb eines Turbinensystems zur Verfü gung gestellt. Das Verfahren umfasst die Erzeugung eines verdichteten Luftstroms, die Verbrennung des verdichteten Luftstroms mit einem Brennstoffstrom, um ein Abgas zu bilden, und die Ausdehnung des Abgases, um Elektrizität zu erzeugen. Das Verfahren umfasst auch das Verdichten und Mischen eines ersten Teils des Abgases mit einem Luftstrom, um einen sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden, und die Verbrennung des sauerstoffarmen Luftstroms mit dem Brennstoffstrom, um ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Reduzierung der Emissionen eines Turbinensystems zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Verdichtung eines Luftstroms und zumindest eines Teils eines Abgases, um einen sauerstoffarmen Luftstrom herzustellen, und die Verbrennung des sauerstoffarmen Luftstroms mit einem Brennstoffstrom in einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus, um ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen. Das Verfahren umfasst auch die Ausdehnung des Abgases, um Elektrizität zu erzeugen.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
1 ist ein Diagramm eines beispielhaften Turbinensystems nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
2 ist ein Diagramm eines anderen beispielhaften Turbinensystems nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
3 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration des Turbinensystems aus 2 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
4 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration des Turbinensystems aus den 1–3 mit einem RQL-Verbrennungsmodus nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
5 ist eine grafische Darstellung der Mischung und Reaktion von Brennstoff und Luft in unterschiedlichen Verbrennungsmodi.
6 ist eine grafische Darstellung beispielhafter Ergebnisse hinsichtlich durch Turbinensysteme erzeugten NO_x, mit und ohne Anwendung der AGR- und RQL-Verfahren.
7 ist ein Diagramm eines Kombikraftwerks mit integrierter Kohlevergasung (IGCC-System) nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie unten detailliert erörtert, haben Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens die Funktion, Emissionen in Turbinensystemen zu reduzieren und Verbrennungstechnologien zur Verfügung zu stellen, um die Gesamt leistung der Turbinensysteme bei gleichzeitiger Reduzierung der NO_x-Bildung zu verbessern. Bei einigen der spezifischen Ausführungsformen umfasst das vorliegende Verfahren den Einsatz der Abgasrezirkulation (AGR) in Verbindung mit einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus (RQL-Modus), um Emissionen wie beispielsweise NO_x zu minimieren.
Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu und beziehen uns zuerst auf 1, die ein Turbinensystem 10 darstellt. Das Turbinensystem 10 umfasst einen Verdichter 12, der für die Verdichtung von Umgebungsluft 14 eingerichtet ist. Das Turbinensystem 10 umfasst ferner eine Brennkammer 16, die strömungstechnisch mit dem Verdichter 12 verbunden ist. Die Brennkammer 16 ist dafür eingerichtet, verdichtete Luft 18 aus dem Verdichter 12 aufzunehmen und einen Brennstoffstrom 20 zu verbrennen, um ein Abgas 22 zu erzeugen. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Brennkammer 16 eine Dry-Low-Emission- oder Dry-Low-NOx-Brennkammer (DLE- bzw. DLN-Brennkammer). Zusätzlich umfasst das Turbinensystem 10 eine erste Turbine 24, die sich stromab der Brennkammer 16 befindet. Die Turbine 24 ist dafür eingerichtet, das Abgas 22 auszudehnen, um eine externe Last – beispielsweise einen Generator 26 – anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform, wird der Verdichter 12 durch die von der Turbine 24 erzeugte Energie über eine Welle 28 angetrieben.
In dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein erster Teil 30 des Abgases 22 mit der Umgebungsluft 14 gemischt, um einen sauerstoffarmen Luftstrom 32 zu bilden. Bei bestimmten Ausführungsformen enthält der erste Teil 30 etwa 35% bis 50% des von der Turbine 24 erzeugten Abgases. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der sauerstoffarme Luftstrom ein Sauerstoffvolumen von weniger als circa 13%. Das Gemisch aus sauerstoffarmer Luft und Abgas, ab hier als sauerstoffarmer Luftstrom 32 bezeichnet, wird unter Einsatz des Verdichters 12 verdichtet und zu der Brennkammer 16 geleitet, um den Brennstoffstrom 20 zwecks Erzeugung eines NO_x-armen Abgases 34 zu verbrennen. Die Verbrennung des Brennstoffstroms 20 mit dem sauerstoffarmen Luftstrom 32 ermöglicht insbesondere die Reduzierung der Flammentemperatur und resultiert so in einer NO_x-Reduzierung. Außerdem ermöglicht die Verbrennung des Brennstoffstroms 20 mit dem sauerstoffarmen Luftstrom 32 eine brennstoffreiche Verbrennung, was zu einer weiteren NO_x-Reduzierung führt.
Der Begriff „brennstoffreiche Verbrennung" bezieht sich hier auf eine Verbrennung des Brennstoffstroms 20 und der Luft 32, bei der das Äquivalenzverhältnis oder Brennstoff-Oxidator-Verhältnis größer als circa 1 ist. In einer beispielhaften Ausführungsform weist der NO_x-arme Abgasstrom 34 einen NO_x-Gehalt von unter circa 30 ppm auf. In bestimmten Ausführungsformen enthält der NO_x-arme Abgasstrom 34 einen NO_x-Gehalt von unter circa 5 ppm.
In dieser Ausführungsform umfasst das Turbinensystem 10 einen Abhitzedampferzeuger (AHDE) 36, der dafür eingerichtet ist, zur Erzeugung von Dampf 38 das Abgas 30 der Turbine 24 aufzunehmen. Das Turbinensystem 10 umfasst ferner eine zweite Turbine, beispielsweise eine Dampfturbine 40, zur Erzeugung von zusätzlicher Elektrizität durch einen Generator 42, unter Verwendung des Dampfes 38 aus dem Abhitzedampferzeuger (AHDE) 36. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Turbinensystem 10 ein AGR-Ventil 44 zur Regelung des Durchflusses des ersten Teils 30 des Abgases aus dem AHDE 36 zu dem Verdichter 12. Ferner wird der sauerstoffarme Luftstrom 32 in einem RQL-Verbrennungsmodus mit dem Brennstoffstrom 20 in der Brennkammer 16 verbrannt. Der RQL-Verbrennungsmodus wird unten mit Bezug auf die 4 und 5 detaillert beschrieben.
2 ist ein Diagramm eines anderen beispielhaften Turbinensystems 60 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Wie bereits mit Bezug auf 1 erörtert, wird ein erster Teil 31 des Abgases 30 aus dem AHDE 36 mit der Umgebungsluft 14 gemischt, um den sauerstoffarmen Luftstrom 32 zu bilden. Anschließend wird der sauerstoffarme Luftstrom 32 unter Einsatz des Verdichters 12 verdichtet und zu der Brennkammer 16 geleitet, wo der Brennstoffstrom 20 verbrannt wird, um ein NO_x-armes Abgas 34 zu erzeugen. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein zweiter Teil 62 des Abgases aus dem AHDE 36 zu einem Kohlendioxidabsorptionssystem 64 geleitet. Es ist zu beachten, dass der erste Teil 30 des Abgases Kohlendioxid enthält. Wird daher der Teil 30 mit Umgebungsluft 14 gemischt und in der Brennkammer 16 verbrannt, wird die Gesamtkohlendioxidkonzentration an dem Kohlendioxidabsorptionssystem 64 erhöht. Es sollte beachtet werden, dass manchmal identische Bezugszeichen verwendet werden, um ein Gas in unterschiedlichen Stadien des Prozesses zu zeigen. Es kann ein Strömungsteiler 66 eingesetzt werden, um den ersten 30 und zweiten Teil 62 des Abgases aus dem AHDE abzuteilen.
3 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration 80 des Turbinensystems 60 aus 2. Wie bereits mit Bezug auf 1 und 2 erörtert, wird der erste Teil des Abgases 30 aus dem AHDE 36 unter Einsatz eines Mi schers 82 mit der Umgebungsluft 14 gemischt, um den sauerstoffarmen Luftstrom 32 zu bilden. Ferner wird der zweite Teil 62 des Abgases aus dem AHDE 36 zu dem Kohlendioxidabsorptionssystem 64 geleitet. In bestimmten Ausführungsformen kann der erste Teil 30 des Abgases konditioniert werden, bevor er mit der Umgebungsluft 14 gemischt wird, um den sauerstoffarmen Luftstrom 32 zu bilden. Insbesondere kann der erste Teil 30 des Abgases gekühlt, gereinigt und getrocknet werden, indem ihm vor der Mischung mit der Umgebungsluft 14 Kondenswasser entzogen wird.
Im Betriebszustand wird das Abgas 30 aus der Turbine 24 zu dem Abhitzedampferzeuger 36 geleitet. Der erste Teil 30 des Abgases kann zu einem Gebläse 84 und dann zu einem Wasserabschrecksystem 86 geleitet werden. Das Abgas 30 kann ferner durch ein Dekontaminationselement 88 geführt werden, um Kontaminanten aus dem Gas zu entfernen. Das dekontaminierte Abgas 30 kann dann zu einem Kühler/Kondensator 90 geleitet werden, bevor es in den Verdichter 12 eingeführt wird. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Kondensatreinigungsanlage 92 zur Entfernung von Säure aus dem Abgas 30 eingesetzt werden. Ferner kann dann konditioniertes Abgas 94 mit der Umgebungsluft 14 vermischt werden, um den sauerstoffarmen Strom 32 zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Teil 96 des konditionierten Abgases 94 zu einem Hilfsschlot geleitet werden.
Wie oben erörtert, wird ferner der sauerstoffarme Luftstrom 32 in einem RQL-Verbrennungsmodus mit dem Brennstoffstrom 20 in der Brennkammer 16 verbrannt. 4 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration 110 der Turbinensysteme aus den 1–3 mit dem RQL-Verbrennungsmodus. In dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst die Brennkammer 16 eine fette Zone 112, die dafür eingerichtet ist, die brennstoffreiche Verbrennung des Brennstoffstroms 20 zu ermöglichen, und eine Quench-Zone 114, die dafür eingerichtet ist, die Umstellung der brennstoffreichen Verbrennung auf eine brennstoffarme Verbrennung des Brennstoffstroms 20 zu ermöglichen.
Der Begriff „brennstoffarme Verbrennung" bezieht sich auf die Verbrennung des Brennstoffstroms 20 und der Luft 32, wobei das Äquivalenzverhältnis oder Brennstoff-Oxidator-Verhältnis kleiner als circa 1 ist. Die Brennkammer 16 umfasst ferner eine magere Zone 116, die dafür eingerichtet ist, die brennstoffarme Verbrennung des Brennstoffstroms 20 zu ermöglichen. In bestimmten Ausführungsformen werden etwa 60% bis 90% des sauerstoffarmen Luftstroms 32 mit dem Brennstoffstrom 20 gemischt und in die fette Zone 112 eingeführt, um die brennstoffreiche Verbrennung des Brennstoffstroms 20 zu erleichtern.
Im Betriebszustand wird der sauerstoffarme Strom 32 in der fetten Zone 112 verbrannt, um eine brennstoffreiche Verbrennung zu ermöglichen, die die Verbrennung unter sauerstoffarmen Bedingungen erleichtert, was zu einer Reduzierung der NO_x-Bildung führt. Insbesondere stellt eine unvollständige Verbrennung unter brennstoffreichen Bedingungen in der fetten Zone 112 eine Atmosphäre mit einer hohen Kohlenmonoxidkonzentration (CO-Konzentration) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen her. Außerdem wird das Vorhandensein von Sauerstoff in der fetten Zone 112 minimiert. Ein Ergebnis hiervon ist die Minimierung der Umwandlung von Stickstoff in NO_x. Außerdem reduzieren auch niedrigere Spitzentemperaturen – aufgrund partieller Verbrennung – die Bildung thermischer NO_x.
Die partiell verbrannten Verbrennungsgase aus der fetten Zone 112 werden ferner in der Quench-Zone 114 verdünnt. In bestimmten Ausführungsformen kann Quenchluft (Abschreckluft) 118 aus dem Verdichter 12 zur Verdünnung der partiell verbrannten Verbrennungsgase in die Quench-Zone 114 eingeführt werden. Außerdem kann in bestimmten Ausführungsformen Verdünnungsluft 120 in die magere Zone 116 eingeführt werden, um die brennstoffarme Verbrennung des Brennstoffstroms 20 zu erleichtern.
5 ist eine qualitative grafische Darstellung der Mischung und Reaktion von Brennstoff und Luft in unterschiedlichen Verbrennungsmodi. Die Abszissenachse 122 repräsentiert ein Äquivalenzverhältnis (ξ), das die Vermischung des Brennstoffs und der Luft anzeigt. In dieser beispielhaften Ausführungsform geben auf der Achse 122 angezeigte Ziffern wie beispielsweise 0 oder 1 den Massenanteil des Brennstoffs in der Luft an. Die Ordinatenachse 124 gibt eine Temperatur an, die die chemische Reaktion in verschiedenen Verbrennungsmodi anzeigt. Wie dargestellt, entwickelt sich in dem nicht vorgemischten Verbrennungsmodus 126 der reagierende Strom durch ein Äquivalenzverhältnis ξ von circa 1,0 und weist eine Anfangstemperatur T₀ auf. Ferner erreicht der reagierende Strom eine Maximaltemperatur T = T_stoic bei einem Äquivalenzverhältnis ξ = ξ_stoic zu der endgültigen Zusammensetzung ξ = ξ_final und Temperatur T = T_final. In dieser Ausführungsform stellt die Zone 128 nahe der Maximaltemperatur T_stoic den Bereich mit der größten NO_x-Erzeugung dar. Im RQL-Verbrennungsmodus, allgemein durch das Bezugszeichen 130 dargestellt, werden fette Produkte schnell mit Luft gemischt (dargestellt durch die Mischkurve 129), mit dem Ziel einer Reaktion, durch die ξ = ξ_final, T = T_final erreicht werden. Es ist zu beachten, dass die Flammentemperatur im brennstoffreichen Verbrennungsmodus reduziert wäre, was eine reduzierte NO_x-Bildung zur Folge hätte. Ferner wird im brennstoffarmen Verbrennungsmodus die Verbrennung unter Verwendung zusätzlichen Oxidators abgeschlossen, und um CO zu CO2 zu verbrennen, wodurch die Brennkammeraustrittstemperatur auf ein gewünschtes Niveau, T_final, erhöht wird.
Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren der Abgasrezirkulation in Verbindung mit der RQL-Verbrennung eine wesentliche Reduzierung der NO_x-Bildung. 6 ist eine grafische Darstellung beispielhafter Ergebnisse 140 hinsichtlich durch Turbinensysteme mit und ohne Anwendung der oben beschriebenen AGR- und RQL-Verfahren erzeugter NO_x. Die Abszissenachse 142 gibt das Brennstoff-Oxidator-Verhältnis oder ein Äquivalenzverhältnis an, und die Ordinatenachse 144 gibt die von den Turbinensystemen erzeugten NO_x-Werte (gemessen in ppm) an. Die Ergebnisse für das Turbinensystem ohne Anwendung des AGR- und RQL-Konzepts sind in dem Profil 146 dargestellt. Ergebnisse für das Turbinensystem mit den oben beschriebenen AGR- und RQL-Verfahren sind ferner in dem Profil 148 dargestellt. In dieser beispielhaften Ausführungsform gibt das Profil 148 die Ergebnisse für die NO_x-Bildung eines Turbinensystems mit circa 45% AGR an, wobei die Sauerstoffkonzentration auf circa 14,8 reduziert ist. Wie man sieht, sind die NO_x-Werte des Turbinensystems mit der AGR- und RQL-Verbrennung wesentlich niedriger als die NO_x-Werte des Turbinensystems, das keine AGR- und RQL-Verbrennung einsetzt, jenseits eines bestimmten interessierenden Äquivalenzverhältnisses.
7 ist ein Diagramm eines Kombikraftwerks mit integrierter Kohlevergasung (IGCC-System) 160 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Das IGCC-System 160 umfasst einen Vergaser 162 und ein mit dem Vergaser 162 gekoppeltes Turbinensystem 164. Zusätzlich umfasst das IGCC-System 160 eine mit dem Turbinensystem 164 gekoppelte Dampfturbine 168, die dafür eingerichtet ist, elektrische Energie durch die Nutzung der Wärme der Abgase des Turbinensystems 164 zu erzeugen.
Im Betriebszustand erhält der Vergaser 162 ein Brennstoff-Einsatzmaterial 170, zusammen mit Sauerstoff 172, der üblicherweise in einer Luftzerlegungsanlage (nicht gezeigt) vor Ort hergestellt wird. In der dargestellten Ausführungsform, enthält das Brennstoff-Einsatzmaterial 170 Kohle. In anderen Ausführungsformen kann das Brennstoff-Einsatzmaterial 170 einen beliebigen minderwertigen Brennstoff (Low Value Fuel – LVF) enthalten. Beispiele hierfür sind Kohle, Biomasse, Abfälle, Ölsand, Siedlungsabfälle, Koks und Ähnliches. Das Brennstoff-Einsatzmaterial 170 und der Sauerstoff 172 werden in dem Vergaser 162 zur Reaktion gebracht, um Synthesegas (Syngas) 174 zu erzeugen, das mit Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) angereichert wird. Einsatzmineralien werden ferner in ein Schlackeprodukt 176 umgewandelt, das für Straßenbetten, Deponie-Oberflächenabdichtung und andere Anwendungen genutzt werden kann.
Das durch den Vergaser 162 erzeugte Synthesegas 174 wird in eine Gaskühl- und -reinigungseinheit 178 geleitet, wo das Synthesegas 174 gekühlt wird und Kontaminanten 180 entfernt werden, um gereinigtes Synthesegas 182 zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform gehören zu den Kontaminanten 180 beispielsweise Schwefel, Quecksil ber oder Kohlendioxid. Das gereinigte Synthesegas 182 wird ferner in dem Turbinensystem 164 verbrannt, um elektrische Energie zu erzeugen. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein einströmender Luftstrom 184 durch einen Verdichter 186 verdichtet, und die verdichtete Luft zu einer Brennkammer 188 geleitet, um das Synthesegas 182 aus dem Vergaser 162 zu verbrennen. Der Brennkammergasstrom aus der Brennkammer 188 wird ferner durch eine Turbine 190 ausgedehnt, um einen Generator 192 anzutreiben, um elektrische Energie 194 zu erzeugen, die zur weiteren Nutzung zu einem Stromnetz 196 geleitet werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform werden Abgase 198 aus dem Turbinensystem 164 zu einem Abhitzedampferzeuger 200 (AHDE) geleitet und zum Kochen von Wasser genutzt, um Dampf 202 für die Dampfturbine 168 zu erzeugen. Ferner kann in bestimmten Ausführungsformen Wärme 204 aus der Dampfturbine 168 mit dem Abhitzedampferzeuger 200 gekoppelt werden, um die Leistung des Abhitzedampferzeugers 200 zu verbessern. Zusätzlich kann ein Teil des Dampfes 206 aus dem AHDE 200 in den Vergaser 162 eingeführt werden, um das H2:CO-Verhältnis des erzeugten Synthesegases 174 aus dem Vergaser 162 zu regeln. Die Dampfturbine 168 treibt einen Generator 208 an, um elektrische Energie 194 zu erzeugen, die wiederum für eine weitere Nutzung zum Stromnetz 196 geleitet wird.
In der dargestellten Ausführungsform wird ein Teil 210 des Abgases 198 mit der Umgebungsluft 184 gemischt, um einen sauerstoffarmen Luftstrom 212 zu bilden. In dieser beispielhaften Ausführungsform enthält der sauerstoffarme Luftstrom weniger als circa 12% Sauerstoff. Der sauerstoffarme Luftstrom 212 wird ferner unter Verwendung des Verdichters 186 verdichtet. Der verdichtete sauerstoffarme Luftstrom 212 wird dann mit dem Synthesegasbrennstoff 182 im oben mit Bezug auf die 4–5 beschriebenen RQL-Verbrennungsmodus verbrannt, um ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen weist das NO_x-arme Abgas einen NO_x-Gehalt von unter circa 30 ppm auf. Ein AGR-Ventil 214 kann eingesetzt werden, um den Durchfluss des Abgases 210 zu dem Verdichter 186 zu regeln. Ferner kann die Brennkammer 164, wie oben beschrieben, fette 112, Quench- 114 und magere Zonen 116 (siehe 4) umfassen, um den RQL-Verbrennungsmodus zu erleichtern. Außerdem kann, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, ein zweiter Teil 62 des Abgases zu einem Kohlendioxidabsorptionssystem 64 geleitet werden. Ferner kann in bestimmten Ausführungsformen das Abgas 210 zu einem Notschornstein 216 geleitet werden.
Die verschiedenen Gesichtspunkte des oben beschriebenen Verfahrens sind in unterschiedlichen Anwendungen, wie beispielsweise Kohlenstoffabsorptions- und Kohlenstoffsequestrationsanlagen, Niedrigemissionsgasturbinen und IGCC-Systemen von Nutzen. Wie oben erwähnt, setzt das Verfahren die Gasrezirkulation und den RQL-Verbrennungsmodus ein, um die NO_x-Bildung durch derartige Systeme wesentlich zu reduzieren. Das Verfahren verbessert vorteilhaft die Gesamtleistung des Turbinensystems und der Kohlenstoffabsorptions- und Kohlenstoffsequestrationsanlagen, ohne die thermische NO_x-Bildung entsprechend zu erhöhen. Das Verfahren eliminiert ferner den Bedarf an zusätzlichen Komponenten, beispielsweise einem katalytischen Reaktor, zur Reduzierung der NO_x-Werte in existierenden Turbinensystemen, wodurch die Kosten derartiger Systeme reduziert werden.
Während hier nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleuten viele Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es versteht sich von daher, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, die dem wahren Geist der Erfindung entsprechen.
Es wird ein Turbinensystem zur Verfügung gestellt. Das Turbinensystem umfasst einen Verdichter, der für die Verdichtung von Umgebungsluft eingerichtet ist, und eine Brennkammer, die dafür eingerichtet ist, verdichtete Luft von dem Verdichter aufzunehmen und einen Brennstoffstrom zu verbrennen, um ein Abgas zu erzeugen. Das Turbinensystem umfasst außerdem eine Turbine, die das Abgas aus dem Verdichter aufnimmt, um Elektrizität zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases mit der Umgebungsluft gemischt wird, um einen sauerstoffarmen Luftstrom zu erzeugen, und wobei der sauerstoffarme Luftstrom unter Einsatz des Verdichters verdichtet und zu der Brennkammer geleitet wird, um den Brennstoffstrom zwecks Erzeugung eines NO_x-armen Abgases zu verbrennen.

10: Turbinensystem
12: Verdichter
14: Umgebungsluft
16: Brennkammer
18: verdichtete Luft
20: Brennstoffstrom
22: Abgas
24: Turbine
26: Generator
28: Welle
30: erster Teil des Abgases
32: sauerstoffarmer Luftstrom
34: NO_x-armes Abgas
36: AHDE
38: Dampf
40: Dampfturbine
42: Generator
44: AGR-Ventil
60: Turbinensystem
62: zweiter Teil des Abgases
64: CO₂-Absorptionssystem
66: Strömungsteiler
80: Turbinensystem
82: Mischer
84: Gebläse
86: Wasserabschrecksystem
88: Dekontaminationselement
90: Kondensator
92: Kondensatreinigungsanlage
94: Abgas
96: konditioniertes Abgas
110: Gasturbinensystem
112: fette Zone
114: Quench-Zone
116: Verdünnungszone
118: Quenchluft
120: Verdünnungsluft
122: Äquivalenzverhältnis
124: Temperatur
126: nicht vorgemischter Verbrennungsmodus
128: Zone maximaler NO_x-Bildung
130: RQL-Verbrennungsmodus
140: Ergebnisse hinsichtlich der durch Turbinensysteme erzeugten NO_x
142: Äquivalenzverhältnis
144: NO_x-Wert
146: NO_x-Ergebnisse für Turbinensysteme ohne AGR + RQL}
148: NO_x-Ergebnisse für Turbinensysteme mit AGR + RQL
160: IGCC
162: Vergaser
164: Turbinensystem
168: Dampfturbine
170: Brennstoff-Einsatzmaterial
172: Sauerstoff
174: Synthesegas
178: Gaskühl- und Reinigungseinheit
180: Kontaminanten
182: gereinigtes Synthesegas
184: Luft
186: Verdichter
188: Brennkammer
190: Turbine
192: Generator
194: elektrische Energie
196: Stromnetz
198: Abgase
200: Abhitzedampferzeuger
202: Dampf
204: Wärme
206: Dampf
208: Generator
210: Abgas
212: sauerstoffarmer Luftstrom
214: AGR-Ventil
216: Notschornstein

Claims

Turbinensystem (10), umfassend: einen für die Verdichtung von Umgebungsluft (14) eingerichteten Verdichter (12); eine Brennkammer (16), die dafür eingerichtet ist, verdichtete Luft (18) aus dem Verdichter (12) aufzunehmen und einen Brennstoffstrom (20) zu verbrennen, um ein Abgas (22) zu erzeugen, und eine Turbine (24) zur Aufnahme des Abgases (22) aus der Brennkammer (16), um Elektrizität zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases (22) mit der Umgebungsluft gemischt wird, um einen sauerstoffarmen Luftstrom (32) zu bilden, und wobei der sauerstoffarme Luftstrom (32) unter Einsatz des Verdichters (12) verdichtet und zu der Brennkammer (16) geleitet wird, um den Brennstoffstrom (20) zwecks Erzeugung eines NOx-armen Abgases (34) zu verbrennen.
Turbinensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Teil des Abgases etwa 35% bis 50% des von der Turbine (24) erzeugten Abgases enthält.
Turbinensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (16) dafür eingerichtet ist, den Brennstoffstrom (20) in einem gestuften Fett-Mager-Verbrennungsmodus (rich-quench-lean mode, RQL-mode) zu verbrennen.
Turbinensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die Brennkammer (16) umfasst: eine fette Zone (112), die dafür eingerichtet ist, eine brennstoffreiche Verbrennung des Brennstoffstroms (20) zu ermöglichen; eine Quench-Zone (114), die dafür eingerichtet ist, die Umstellung der brennstoffreichen Verbrennung auf eine brennstoffarme Verbrennung des Brennstoffstroms (20) zu ermöglichen, und eine magere Zone (116), die dafür eingerichtet ist, die magere Verbrennung des Brennstoffstroms (20) zu ermöglichen.
Turbinensystem (10) nach Anspruch 4, wobei etwa 60% bis 90% des sauerstoffarmen Luftstroms (32) mit dem Brennstoffstrom gemischt und in die fette Zone eingeführt werden, um die brennstoffreiche Verbrennung zu erleichtern.
Turbinensystem (10), umfassend: einen Verdichter (12), der dafür eingerichtet ist, Umgebungsluft (14) und zumindest einen Teil eines Abgases (30) zu verdichten, um einen verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden; eine Brennkammer (16), die dafür eingerichtet ist, den verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom aus dem Verdichter (12) aufzunehmen und einen Brennstoffstrom (20) in einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus (RQL) zu verbrennen, um das Abgas zu erzeugen, und eine Turbine (24) zur Aufnahme des Abgases (22) aus der Brennkammer (16), um Elektrizität und ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases zu dem Verdichter rezirkuliert wird, um den sauerstoffarmen Luftstrom (32) zu bilden.
Ein Kombikraftwerk mit integrierter Kohlevergasung (IGCC-System) (160), umfassend: einen Vergaser (162), der dafür eingerichtet ist, aus Kohle einen Synthesegasbrennstoff herzustellen, und ein mit dem Vergaser (162) gekoppeltes Turbinensystem (10), das umfasst: einen Verdichter (12), der dafür eingerichtet ist, Umgebungsluft und zumindest einen Teil eines Abgases zu verdichten, um einen verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden; eine Brennkammer (16), die dafür eingerichtet ist, den verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom aus dem Verdichter aufzunehmen und den Synthesegasbrennstoff in einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus (RQL-Modus) zu verbrennen, um das Abgas zu erzeugen, und eine Turbine (24) zur Aufnahme des Abgases aus der Brennkammer, um Elektrizität und ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases zu dem Verdichter rezirkuliert wird, um den sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden.
Verfahren für den Betrieb eines Turbinensystems, umfassend: die Erzeugung eines verdichteten Luftstroms; die Verbrennung des verdichteten Luftstroms mit einem Brennstoffstrom, um ein Abgas zu bilden; die Ausdehnung des Abgases zur Elektrizitätserzeugung; die Verdichtung und Vermischung eines ersten Teils des Abgases mit dem Luftstrom, um einen sauerstoffarmen Luftstrom zu erzeugen, und die Verbrennung des sauerstoffarmen Luftstroms mit dem Brennstoffstrom, um ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen.
Verfahren zur Reduzierung der Emissionen eines Turbinensystems, umfassend: die Verdichtung eines Luftstroms und zumindest eines Teils eines Abgases, um einen sauerstoffarmen Luftstrom zu erzeugen; die Verbrennung des sauerstoffarmen Luftstroms mit einem Brennstoffstrom in einem Rich-Quench-Lean-Modus, um ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen, und die Ausdehnung des Abgases zur Elektrizitätserzeugung.
Turbinensystem, umfassend: einen Verdichter, der dafür eingerichtet ist, Umgebungsluft und zumindest einen Teil eines Abgases zu verdichten, um einen verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden; eine DLE-Brennkammer (DLE – Dry Low Emission), die dafür eingerichtet ist, den verdichteten sauerstoffarmen Luftstrom aus dem Verdichter aufzunehmen und einen Brennstoffstrom in einem Rich-Quench-Lean-Verbrennungsmodus (RQL-Modus) zu verbrennen, um das Abgas zu erzeugen; eine Turbine zur Aufnahme des Abgases aus der Brennkammer, um Elektrizität und ein NO_x-armes Abgas zu erzeugen, wobei ein erster Teil des Abgases zu dem Verdichter rezirkuliert wird, um den sauerstoffarmen Luftstrom zu bilden, und einen Abhitzedampferzeuger (AHDE), der dafür eingerichtet ist, zur Erzeugung von Dampf das Abgas der Turbine aufzunehmen.