DE102008037502A1

DE102008037502A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Synthesegas in einer Brennkammer

Info

Publication number: DE102008037502A1
Application number: DE102008037502A
Authority: DE
Inventors: Willy Steve Ziminsky; Gilbert O. Kraemer; Ertan Yilmaz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2009-05-07
Also published as: CH698040A2; CN101424406B; JP2009108858A; US9080513B2; US20090107105A1; CN101424406A; CH698040B1

Abstract

Es wird eine Dry-Low-NOx-Brennkammer (14) zur Verfügung gestellt. Die Dry-Low-NOx-Brennkammer (14) umfasst eine Verbrennungszone (50), eine Düse (18), die zur Einspritzung eines gemischten gasförmigen Brennstoffs (80) in die Verbrennungszone strömungstechnisch mit der Verbrennungszone verbunden ist, wobei die Düse die gasförmige Brennstoffmischung aufnimmt, die eine vorgegebene Menge eines ersten gasförmigen Brennstoffs (76) und eine vorgegebene Menge eines zweiten gasförmigen Brennstoffs (78) enthält, wobei der modifizierte Wobbe-Index (MWI) des ersten gasförmigen Brennstoffs höher ist als der MWI des zweiten gasförmigen Brennstoffs und die Brennstoffreaktivität des ersten gasförmigen Brennstoffs niedriger ist als die Brennstoffreaktivität des zweiten gasförmigen Brennstoffs.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennkammer und insbesondere auf ein Dry-Low-NOx(DLN)-Verbrennungssystem (NOx = Stickoxide) für ein Gasturbinentriebwerk.
Verbrennungssysteme zumindest einiger bekannter Gasturbinentriebwerke verbrennen Synthesegas (oder: Syngas), um Abgase zum Antreiben einer Gasturbine zu erzeugen. Einige bekannte Synthesegase haben jedoch im Vergleich mit anderen Brennstoffen, wie beispielsweise Erdgas, einen niedrigen Heizwert und können ebenfalls einen im Vergleich mit anderen Brennstoffen niedrigen Modifizierten Wobbe-Index (MWI) haben. Außerdem weisen einige bekannte Synthesegase einen beträchtlichen Wasserstoffgehalt auf – basierend auf molaren Brennstoffanteilen – der einen hoch reaktiven Brennstoffstrom mit einem sehr kleinen charakteristischen chemischen Zeitmaß zur Folge haben kann. Aufgrund dieser Kombination von niedrigem MWI und hoher Brennstoffreaktivität kann es in konventionellen, vorgemischten DLN-Verbrennungssystemen bei der Verbrennung von Synthesegas zum Rückschlag kommen. „Rückschlag" bezieht sich auf einen Zustand, der auftreten kann, wenn die Aerodynamik von Brennstoffeinführung und -mischung durch die rapide chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses außer Kraft gesetzt wird, wodurch eine Stabilisierung der Reaktion in der Vormischvorrichtung ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass das charakteristische chemische Zeitmaß des Brennstoffs mit dem Rückschlag korreliert ist und dass die Reaktion mit zunehmender Länge des charakteristischen chemischen Zeitmaßes des Brennstoffs langsamer abläuft und damit die Neigung des Brennstoffs abnimmt, ein Rückschlagereignis auszulösen. Das Auftreten von Rückschlag kann im Lauf der Zeit die Brennkammer-Hardware beschädigen. Um das Auftreten von Rückschlag bei einigen bekannten Dry-Low-NOx-Verbrennungssystemen zu reduzieren, sind für den Normalbetrieb enggefasste Brennstoffspezifikationen sowohl für den Wasserstoffgehalt als auch den MWI erforderlich.
Um Rückschlagprobleme zu eliminieren, basieren einige bekannte Synthesegas verbrennende Verbrennungssysteme auf Diffusionsbrennkammern, die Brennstoff und Luft nicht vormischen und für Rückschlag nicht anfällig sind. Derartige Systeme spritzen ein Verdünnungsmittel ein, um die NOx-Emissionen durch die Unterdrückung der Spitzen-Reaktionstemperaturen zu reduzieren. Jedoch können die Nähe von Stickstoffvorrat und Verbrennungssystem sowie die eventuell erforderliche zusätzliche Verdichtung des Stickstoffs vor der Einspritzung die Verbrennungssysteme im Vergleich mit Systemen ohne Stickstoffeinspritzung in die Brennkammer komplexer und/oder kostenaufwendiger machen.
Bei einem anderen bekannten System wird ein Stickstoff-Wasserdampf-Gemisch als Verdünnungsmittel eingesetzt, ein weiteres bekanntes System spritzt ein Brennstoff-Wasserdampf-Gemisch in die Brennkammer, um die NOx- Bildung zu begrenzen, und ein wieder anderes System verwendet Kohlendioxid. Schlussendlich können sich Wasserverfügbarkeit und -qualität nachteilig auf derartige Systeme auswirken, und Brennkammern mit Dampfeinspritzung können kostenaufwendige und komplexe Dampfsysteme erfordern, um die nachteiligen Auswirkungen des Wassers zu vermeiden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren für den Betrieb einer Brennkammer zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Zufuhr einer vorgegebenen Menge eines ersten gasförmigen Brennstoffs zur Brennkammer, wobei der erste gasförmige Brennstoff einen ersten Modifizierten Wobbe-Index (MWI) und eine erste Brennstoffreaktivität aufweist, und die Zufuhr einer vorgegebenen Menge eines zweiten gasförmigen Brennstoffs zur Brennkammer, wobei der zweite gasförmige Brennstoff einen zweiten MWI aufweist, der niedriger als der erste MWI ist, und eine zweite Brennstoffreaktivität aufweist, die höher als die Brennstoffreaktivität des ersten Brennstoffs ist. Das Verfahren umfasst ebenfalls die Mischung des ersten und zweiten gasförmigen Brennstoffs zu einer gasförmigen Brennstoffmischung und die Einspritzung der gasförmigen Brennstoffmischung in die Brennkammer.
In einem anderen Gesichtspunkt wird eine Dry-Low-NOx-Brennkammer zur Verfügung gestellt. Die Brennkammer umfasst eine Verbrennungszone und eine Düse, die strömungstechnisch mit der Verbrennungszone verbunden ist, um eine gasförmige Brennstoffmischung in die Verbrennungs zone einzuspritzen. Die Düse nimmt die gasförmige Brennstoffmischung auf, die eine vorgegebene Menge eines ersten gasförmigen Brennstoffs und eine vorgegebene Menge eines zweiten gasförmigen Brennstoffs enthält, wobei der Modifizierte Wobbe-Index (MWI) des ersten gasförmigen Brennstoffs höher als der MWI des zweiten gasförmigen Brennstoffs ist und die Brennstoffreaktivität des ersten gasförmigen Brennstoffs niedriger als die Brennstoffreaktivität des zweiten gasförmigen Brennstoffs ist.
In einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verbrennungssystem zur Verfügung gestellt. Das Verbrennungssystem umfasst eine Dry-Low-NOx-Brennkammer und eine Mischvorrichtung, die strömungstechnisch mit einer ersten und zweiten gasförmigen Brennstoffquelle verbunden ist. Die Mischvorrichtung nimmt einen ersten gasförmigen Brennstoff mit einem ersten Modifizierten Wobbe-Index (MWI) und einer ersten Brennstoffreaktivität aus der ersten und einen zweiten gasförmigen Brennstoff mit einem zweiten MWI und einer zweiten Brennstoffreaktivität aus der zweiten gasförmigen Brennstoffquelle auf. Der zweite MWI ist niedriger als der erste MWI, und die zweite Brennstoffreaktivität ist höher als die erste Brennstoffreaktivität. Die Mischvorrichtung dient der Vereinigung des ersten und zweiten gasförmigen Brennstoffs zu einer gasförmigen Brennstoffmischung. Das System umfasst auch eine Einspritzvorrichtung, die strömungstechnisch mit der Dry-Low-NOx-Brennkammer und der Mischvorrichtung verbunden ist. Die Einspritzvorrichtung dient der Einspritzung der gasförmigen Brennstoffmischung in die Dry-Low-NOx-Brennkammer.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Teil-Seitenansicht eines beispielhaften Gasturbinen-Verbrennungssystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Teil-Seitenansicht eines beispielhaften Gasturbinen-Triebwerks 10. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Verdichter 12, eine Dry-Low-Nox-Brennkammer 14 und eine Turbine 16. In 1 wird nur eine Düse 18 der ersten Stufe der Turbine 16 gezeigt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Turbine 16 rotierbar mit dem Verdichter 12 über Rotoren (nicht gezeigt) gekoppelt, die mit einer einzigen gemeinsamen Welle (nicht gezeigt) verbunden sind. Der Verdichter 12 setzt Ansaugluft 20 unter Druck, die dann zu der Brennkammer 14 geleitet wird, wo sie die Brennkammer 14 kühlt und Luft für den Verbrennungsprozess liefert. Genauer gesagt, strömt die zur Brennkammer 14 geleitete Luft 20 im Allgemeinen in entgegengesetzter Richtung zu dem Luftstrom durch das Triebwerk 10. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 eine Vielzahl von Brennkammern 14, die in Umfangsrichtung um das Triebwerksgehäuse 22 angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform können die Brennkammern 14 zum Beispiel Rohrringbrennkammern sein.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Brennkammer 14 einen doppelwandigen Übergangskanal 24, der stromauf der Turbine 16 angeschlossen ist. Fer ner umfasst in der beispielhaften Ausführungsform jede Brennkammer 14 ein im Wesentlichen zylinderförmiges Brennkammergehäuse 26, das mit dem Triebwerksgehäuse 22 und einer Endabdeckungsbaugruppe 28 verbunden ist. Die Endabdeckungsbaugruppe 28 umfasst zum Beispiel Zuführrohre, Verteiler, Ventile für die Leitung gasförmigen Brennstoffs, Flüssigbrennstoffs, von Luft und/oder Wasser zur Brennkammer und/oder beliebige andere Komponenten, die die hier beschriebenen Funktionen des Triebwerks 10 ermöglichen.
In der beispielhaften Ausführungsform ist eine im Wesentlichen zylinderförmige Strömungshülse 30 innerhalb des Brennkammergehäuses 26 so angebracht, dass die Strömungshülse 30 im Wesentlichen konzentrisch mit dem Gehäuse 26 ausgerichtet ist. Die Strömungshülse 30 umfasst in der beispielhaften Ausführungsform ein darin angebrachtes Flammrohr 32. Das Flammrohr 32 ist im Wesentlichen konzentrisch in der Strömungshülse 30 ausgerichtet und ist mit einer Flammrohrdeckelbaugruppe 34 verbunden. Die Flammrohrdeckelbaugruppe 34 ist in dem Brennkammergehäuse 26 durch eine Vielzahl von Streben 36 und eine zugehörige Montagebaugruppe (nicht gezeigt) gesichert. Das Flammrohr 32 ist mit einer Innenwand 40 des Übergangskanals verbunden, und die Strömungshülse 30 ist mit einer Außenwand 42 des Übergangskanals 24 verbunden.
In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Luftkanal 38 zwischen dem Flammrohr 32 und der Strömungshülse 30, und entsprechend zwischen der Innen- und Außenwand 40 und 42 des Übergangskanals 24 definiert. Die Außenwand 42 des Übergangskanals umfasst eine Vielzahl in ihr definierter Öffnungen 44, die es ermöglichen, dass verdichtete Luft 20 aus dem Verdichter 12 in den Luftkanal 38 eintritt. In der beispielhaften Ausführungsform strömt Luft 20 in der der Richtung der Kernströmung (nicht gezeigt) im Allgemeinen entgegengesetzten Richtung von dem Verdichter 12 zur Endabdeckungsbaugruppe 28. Ferner umfasst in der beispielhaften Ausführungsform die Brennkammer 14 auch eine Vielzahl von Zündkerzen 46 und eine Vielzahl von Durchzündrohren 48. Die Zündkerzen 46 und Durchzündrohre 48 erstrecken sich durch Öffnungen (nicht gezeigt) in dem Flammrohr 32, die stromab der Flammrohrdeckelbaugruppe 34 in einem Verbrennungsbereich 50 definiert sind. Die Zündkerzen 46 und Durchzündrohre 48 entzünden Brennstoff und Luft in jeder Brennkammer 14, um Verbrennungsgase 52 zu erzeugen.
In der beispielhaften Ausführungsform, ist eine Vielzahl von Brennstoffdüsenbaugruppen 54 mit der Endabdeckungsbaugruppe 28 verbunden. Obwohl hier nur eine Art der Brennstoffdüsenbaugruppe 54 beschrieben wird, kann die Brennkammer 14 mehr als nur eine Art der Brennstoffdüsenbaugruppe oder eine beliebige andere Art Brennstoffdüse enthalten. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Flammrohrdeckelbaugruppe 34 eine Vielzahl von Vormischrohrbaugruppen 56, von denen jede im Wesentlichen eine jeweilige Brennstoffdüsenbaugruppe 54 umschreibt. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst jede Vormischrohrbaugruppe 56 eine Baugruppe mit zwei Rohren (nicht gezeigt), die durch eine Vormischrohr-„Huladichtung” („hula seal", nicht gezeigt) voneinander getrennt sind. Die „Huladichtung" ermöglicht die thermische Expansion und Kontraktion der Doppelrohrbaugruppe während der Expansion der Flammrohrdeckelbaugruppe 34 unter Betriebsbedingungen.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst jede Vormischrohrbaugruppe 56 einen (nicht veranschaulichten) Kragen, der einen (nicht gezeigten) Luftdrallkörper hält, der zum Beispiel angrenzend an eine radial ganz außen liegende Wand (nicht gezeigt) jeder Brennstoffdüsenbaugruppe 54 angeordnet sein kann, an jede Düsenbaugruppe 54 angeformt sein kann, und/oder jede andere geeignete Konfiguration aufweisen kann, die die hier beschriebenen Funktionen des Triebwerks 10 ermöglicht. Die Drallkörper sind so angeordnet, dass die durch den Luftkanal 38 strömende Luft 20 an einem Brennkammereinlassende 58 der Brennkammer 14 (zwischen der Endabdeckungsbaugruppe 28 und der Flammrohrdeckelbaugruppe 34) zur Richtungsumkehr und zum Passieren der Luftdrallkörper und Vormischrohrbaugruppen 56 gezwungen wird. Die Brennstoffkanäle (nicht gezeigt) in jedem der Luftdrallkörper leiten Brennstoff durch eine Anordnung von Öffnungen, die, in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus des Gasturbinentriebwerks 10, fortlaufend gasförmigen Brennstoff in die durchströmende Luft 20 einleiten, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, dass in der Verbrennungszone 50 und stromab der Vormischrohrbaugruppen 56 entzündet wird.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Brennkammer 14 eine Haupt-Brennstoffzuleitung 60, die über eine Brennstoff-Mischvorrichtung 66 mit einem ersten Brennstoffvorrat 62 und einem zweiten Brennstoffvorrat 64 verbunden ist. Genauer gesagt, ist eine erste Brenn stoffzuleitung 68 zwischen den ersten Brennstoffvorrat 62 und die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 gekoppelt und umfasst eine Vorrichtung zur Durchflussregelung 70. Eine zweite Brennstoffzuleitung 72 ist zwischen den zweiten Brennstoffvorrat 64 und die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 gekoppelt und umfasst eine zweite Vorrichtung zur Durchflussregelung 74. Obwohl nur zwei Durchflussregelvorrichtungen 70 und 74 dargestellt und beschrieben werden, kann die Brennkammer 14 jede geeignete Anzahl Durchflussregelvorrichtungen und/oder andere geeignete Komponenten umfassen, die die hier beschriebenen Funktionen der Brennkammer 14 ermöglichen. In der beispielhaften Ausführungsform können der erste Brennstoffvorrat 62, die erste Brennstoffzuleitung 68 und/oder die erste Durchflussregelvorrichtung 70 einen ersten Brennstoff 76 enthalten. Auf gleiche Weise können der zweite Brennstoffvorrat 64, die zweite Brennstoffzuleitung 72 und/oder die zweite Durchflussregelvorrichtung 74 einen zweiten Brennstoff 78 enthalten. In der beispielhaften Ausführungsform sind der erste 76 und der zweite Brennstoff 78 verschiedene Brennstoffe mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, wie unten detaillierter beschrieben wird. Die Haupt-Brennstoffzuleitung 60 ist dafür konfiguriert, eine Brennstoffmischung 80 aus der Brennstoff-Mischvorrichtung 66 in die Brennkammer 14 einzuspritzen.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 dafür konfiguriert, den ersten 76 und den zweiten Brennstoff 78 zu einer im Wesentlichen homogenen Brennstoffmischung 80 zu vereinigen. Alternativ können der erste und zweite Brennstoff 76 und 78 auch unter Verwendung anderer Mittel als der Mischvorrichtung 66 gemischt werden. Zum Beispiel können die Brennstoffe 76 und 78 in einem üblichen Brennstoffvorratsbehälter (nicht gezeigt), einer Endabdeckungsbaugruppe 28, in Vormischrohrbaugruppen 56, Brennstoffdüsenbaugruppen 54 und/oder jeder anderen Mischeinrichtung gemischt werden, die die hier beschriebenen Funktionen der Brennkammer ermöglicht. Außerdem erleichtert in der beispielhaften Ausführungsform die Mischvorrichtung 66 die Regelung des Modifizierten Wobbe-Index der Brennstoffmischung 80 durch die Anpassung des Verhältnisses des ersten 76 und zweiten Brennstoffs 78 in der Brennstoffmischung 80.
Der Begriff „Modifizierter Wobbe-Index" oder „MWI" bezieht sich hier auf einen temperatur-korrigierten Wobbe-Index. Der MWI wird durch die folgenden Formel berechnet:
wobei LHV der niedrigere Heizwert des Brennstoffs in British thermal units per standard cubic foot (BTU/scf), Tg die absolute Temperatur des Brennstoffs in Grad Rankine (°R) und SG das spezifische Gewicht des Brennstoffs relativ zur Luft unter ISO-Bedingungen ist. Eine derartige Gleichung wird zum Beispiel beschrieben in: Design Considerations for Heated Gas Fuel, von D. M. Erickson et al., GE Power Systems (März 2003). Als solcher ist der MWI ein errechneter Messwert des volumetrischen Energiegehalts eines Brennstoffs und steht in direkter Beziehung zu der Temperatur und dem niedrigeren Heizwert des Brennstoffs. Allgemein gesagt, weist ein niedriger MWI auf einen niedrigen Heizwert hin, während ein hoher MWI umgekehrt auf einen hohen Heizwert hinweist. Außerdem bezieht sich der Begriff „Brennstoffreaktivität" hier auf den Gehalt eines Brennstoffs an molarem Wasserstoff, der wiederum ein Indikator für das charakteristische chemische Zeitmaß des Brennstoffs ist. Wasserstoff ist bekanntermaßen extrem entflammbar, und das Hinzufügen von Wasserstoff zu einem gasförmigen Brennstoff kann eine signifikante Auswirkung auf Flammbarkeitsgrenzen, Flammengeschwindigkeit sowie allgemeine Verbrennungseigenschaften des gemischten Brennstoffstroms haben.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der erste Brennstoff 76 Synthesegas oder Syngas und der zweite Brennstoff 78 Erdgas. Die Begriffe „erster Brennstoff" und „Synthesegas" sowie „zweiter Brennstoff" und „Erdgas" können daher im Folgenden synonym gebraucht werden. Außerdem beziehen sich im Folgenden die Begriffe „Synthesegas" oder „Syngas" auf einen durch einen Vergasungsprozess erzeugten gasförmigen Brennstoff. Syngas umfasst hauptsächlich, aber nicht ausschließlich, Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2), wobei die Zusammensetzung von dem Einsatzmaterial abhängt. Überdies bezieht sich hier der Begriff „Erdgas" auf einen gasförmigen Brennstoff, der primär Methan (CH4) enthält, aber unter anderem auch Ethan (C2H6), Butan (C4H10), Propan (C3H8), Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2), Helium (He₂) und/oder Schwefelwasserstoff (H₂S) enthalten kann. Erdgas kann beispielsweise eine Zusammensetzung von 70–90 Volumenprozent Methan, 5–15 Volumenprozent Ethan und unter 5 Volumenpro zent Propan und Butan aufweisen, und der Rest der volumetrischen Zusammensetzung kann andere Gase umfassen, wie beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff und/oder Schwefelwasserstoff.
In Abhängigkeit von der Temperatur des Erdgases kann der MWI von Erdgas ungefähr zwischen 42 und 54 liegen. Der MWI von Synthesegas liegt im Allgemeinen unter circa 20. Ferner ist das charakteristische chemische Zeitmaß von Erdgas ungefähr 5- bis 10-mal langsamer als das charakteristische chemische Zeitmaß von Synthesegas. Der MWI-Bereich und die Brennstoffreaktivität von Synthesegas können im Allgemeinen das Auftreten von Rückschlag ermöglichen, und dementsprechend wird in der beispielhaften Ausführungsform eine vorgegebene Menge Erdgas 78 mit dem Synthesegas 76 vermischt, um die Reduzierung des charakteristischen chemischen Zeitmaßes des Synthesegases 76 zu erleichtern. Genauer gesagt, wird in der beispielhaften Ausführungsform ein Prozentsatz des Erdgases 78 und ein Prozentsatz des Synthesegases 76 gewählt, um die Regelung eines durch die Brennstoffmischung 80 erzeugten charakteristischen chemischen Zeitmaßes zu erleichtern, sodass im Vergleich mit einer ausschließlichen Verbrennung von Synthesegas 76 die Reduzierung von Rückschlag erleichtert wird. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Prozentanteile von Synthesegas 76 und Erdgas 78 so gewählt, dass eine Brennstoffmischung 80 mit einem MWI von ungefähr 15 bis 54 erzeugt wird. Außerdem hat die Brennstoffmischung 80 in der beispielhaften Ausführungsform eine Brennstoffreaktivität mit einem charakteristischen chemischen Zeitmaß, das zumindest doppelt so groß wie das des Synthesegases 76 ist. Eine Erdgasbeimischung von unter 10 Volumenprozent ist ausreichend, um das charakteristische chemische Zeitmaß des Synthesegases ungefähr zu verdreifachen und daher die Rückschlagneigung um den Faktor drei zu reduzieren.
In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Steuerungssystem 82 in Wirkbeziehung an die erste und zweite Brennstoff-Durchflussregelvorrichtung 70 und 74 gekoppelt, um die relative Menge des ersten und zweiten Brennstoffs 76 und 78 zu regeln, der in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 eintritt. Das Steuerungssystem 82 kann zum Beispiel ein Computersystem und/oder ein beliebiges anderes System sein, das die hier beschriebenen Funktionen der Brennkammer 14 ermöglicht. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Steuerungssystem 82 dafür konfiguriert, den ersten Brennstoff 76 mit einer vorgegebenen Masse und/oder einem vorgegebenen Volumenstrom durch die erste Brennstoffzuleitung 68 in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 strömen zu lassen, um das Erreichen eines vorgegebenen MWI und einer vorgegebenen Brennstoffreaktivität der Brennstoffmischung 80 zu erleichtern. In gleicher Weise ist das Steuerungssystem 82 dafür konfiguriert, den zweiten Brennstoff 78 mit einer vorgegebenen Masse und/oder einem vorgegebenen Volumenstrom durch die zweite Brennstoffzuleitung 72 in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 strömen zu lassen, um das Erreichen des vorgegebenen MWI und der vorgegebenen Brennstoffreaktivität der Brennstoffmischung 80 zu erleichtern.
Alternativ kann das Steuerungssystem 82 dafür konfiguriert sein, die relative Menge des ersten und zweiten Brennstoffs 76 und 78, der in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 eintritt, durch die Steuerung anderer Strömungseigenschaften als Masse und Volumenstrom zu steuern. In einer Ausführungsform ist das Steuerungssystem 82 mit der Brennstoff-Mischvorrichtung 66 verbunden, um die Mischung der Brennstoffe 76 und 78 in der Mischvorrichtung 66 zu regeln und/oder zu überwachen. In einer anderen Ausführungsform ist das Steuerungssystem 82 mit der Brennstoff-Mischvorrichtung 66 und/oder der Haupt-Brennstoffzuleitung 60 verbunden, um die in die Brennkammer 14 eingespritzte Menge der Brennstoffmischung 80 zu regeln. In einer weiteren Ausführungsform sind die Komponenten in der Endabdeckungsbaugruppe 28 mit dem Steuerungssystem 82 verbunden, um die Brennstoffmischung 80 zu steuern, die in die Brennkammer 14, die Brennstoffdüsenbaugruppen 54 und/oder die Vormischrohrbaugruppen 56 eintritt.
Beim Betrieb tritt Luft 20 durch einen Einlass (nicht gezeigt) in das Triebwerk 10 ein und wird in dem Verdichter 12 verdichtet. Die verdichtete Luft 20 wird aus dem Verdichter 12 ausgelassen und zur Brennkammer 14 geleitet. Die Luft 20 tritt in die Brennkammer durch die Öffnungen 44 ein und strömt dann durch den Luftkanal 38 zur Endabdeckungsbaugruppe 28 der Brennkammer 14. Am Einlassende 58 der Brennkammer wird eine Umkehr der Strömungsrichtung der durch den Luftkanal 38 strömenden Luft 20 erzwungen, und die Luft wird durch die Luftdrallkörper und Vormischrohrbaugruppen 56 umgeleitet.
Zur Erzeugung einer Brennstoffmischung 80 für die Zufuhr zur Brennkammer 14 durch die Endabdeckungs baugruppe 28, steuert das Steuerungssystem 82 die erste und zweite Brennstoff-Durchflussregelvorrichtung 70 und 74, um zu ermöglichen, dass der jeweilige Brennstoff 76 und 78 in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 einströmt. Genauer gesagt, wird die erste Brennstoff-Durchflussregelvorrichtung 70 so gesteuert, dass der erste Brennstoff 76 aus dem ersten Brennstoffvorrat 62 durch die erste Brennstoffzuleitung 68 ausgelassen und in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 eingespeist wird. Die zweite Brennstoff-Durchflussregelvorrichtung 74 wird in gleicher Weise so gesteuert, dass der zweite Brennstoff 78 aus dem zweiten Brennstoffvorrat 64 durch die zweite Brennstoffzuleitung 72 ausgelassen und in die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 eingespeist wird. Die Brennstoff-Durchflussregelvorrichtungen 70 und 74 sind so gesteuert, dass sie das Erreichen eines vorgegebenen Volumenprozentanteils der Brennstoffe 76 und 78 in der Brennstoffmischung 80 erleichtern.
In der beispielhaften Ausführungsform wird Erdgas 78 mit dem Synthesegas 76 gemischt, um eine Brennstoffmischung 80 mit einem Erdgas-Prozentanteil zwischen circa 5% und 50% des Gesamtvolumens der Brennstoffmischung 80 zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform beträgt der jeweilige Prozentsatz von Erdgas 78 und Synthesegas 76 in der Brennstoffmischung 80 circa 20 und circa 80 Volumenprozent. In einer weiteren Ausführungsform basieren die Volumenprozentanteile von Erdgas 78 und Synthesegas 76 auf der Auslegung der Dry-Low-NOx-Brennkammer 14, um zu ermöglichen, dass der MWI und die Brennstoffreaktivität der Brennstoffmischung 80 innerhalb der Auslegungsspezifikationen liegen.
In der beispielhaften Ausführungsform, vereinigt die Brennstoff-Mischvorrichtung 66 den ersten Brennstoff 76 und den zweiten Brennstoff 78 derart, dass die aus der Mischvorrichtung 66 ausgelassene Brennstoffmischung 80 im Wesentlichen homogen ist. Die Brennstoffmischung 80 wird aus der Brennstoff-Mischvorrichtung 66 durch die Haupt-Brennstoffzuleitung 60 ausgelassen und in die Brennkammer 14 eingespeist. Außerdem regelt in der beispielhaften Ausführungsform das Steuerungssystem 82 die Zufuhr der Luft 20 und Brennstoffmischung 80 zu den Düsenbaugruppen 54 und/oder Vormischrohrbaugruppen 56. Die anfängliche Zündung erfolgt, wenn das Steuerungssystem 82 eine Startsequenz des Gasturbinentriebwerks 10 initiiert, und die Zündkerzen 46 werden aus der Verbrennungszone 50 zurückgezogen, sobald eine kontinuierlich brennende Flamme vorhanden ist. Am entgegengesetzten Ende der Verbrennungszone 50 werden heiße Verbrennungsgase 52 durch den Übergangskanal 24 und den Turbinenleitapparat 18 zur Turbine 16 geleitet. In einer Ausführungsform wird während der Verbrennung ein Rückschlagereignis durch eine Erhöhung der Menge des in die Brennkammer 14 eingespritzten ersten Brennstoffs 76 korrigiert, da der erste Brennstoff 76 einen höheren MWI und eine niedrigere Brennstoffreaktivität aufweist als der zweite Brennstoff 78.
Die oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erleichtern die Dry-Low-NOx-Verbrennung von Synthesegas in einer Brennkammer ohne die Hinzufügung eines Verdünnungsmittels. Genauer gesagt, wird Erdgas mit Synthesegas gemischt, um die Verbrennung des Synthesegases in ei ner Dry-Low-NOx-Brennkammer zu erleichtern. Die Hinzufügung von Erdgas erleichtert die Verlangsamung des chemischen Zeitmaßes von Synthesegas, um Rückschlag zu verhindern, und erleichtert als Folge hiervon die Verringerung von Beschädigung und/oder Verschleiß der flammennahen Komponenten. Die Hinzufügung von Erdgas erleichtert es auch, den MWI des eingespritzten Brennstoffs innerhalb der Auslegungsspezifikationen zumindest einiger bekannter Dry-Low-NOx-Brennkammern zu halten, da kleine Mengen von Erdgas eine große Auswirkung auf die Verbrennungschemie von Synthesegas haben. Darüber hinaus erleichtern das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung auch die Verringerung der Kosten und der Komplexität der Brennkammer im Vergleich mit Brennkammern, in die Synthesegas und Verdünnungsmittel eingespritzt werden, da Erdgas als ein Backup-Brennstoff in Brennkammern eingesetzt werden kann und als solcher ohne zusätzliche Kosten und/oder Hardware jederzeit zur Nutzung verfügbar ist.
Beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Verbrennung von Synthesegas in einer Brennkammer sind oben im Detail beschrieben. Das Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt; vielmehr können Komponenten des Verfahrens und der Vorrichtung unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten genutzt werden. Zum Beispiel kann die Brennstoffmischung auch in Verbindung mit anderen Verbrennungssystemen und -verfahren genutzt werden und ist nicht auf die ausschließliche Anwendung bei der hier beschriebenen Dry-Low-Nox-Brennkammer beschränkt. Die vorlie gende Erfindung kann vielmehr in Verbindung mit vielen anderen Brennstoffverbrennungsanwendungen implementiert und eingesetzt werden.
Während die Erfindung mit Bezug auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung auch abgewandelt im Geiste und Anwendungsbereich der Patentansprüche genutzt werden kann.
Es wird eine Dry-Low-NOx-Brennkammer 14 zur Verfügung gestellt. Die Dry-Low-NOx-Brennkammer 14 umfasst eine Verbrennungszone 50, eine Düse 18, die zur Einspritzung eines gemischten gasförmigen Brennstoffs 80 in die Verbrennungszone strömungstechnisch mit der Verbrennungszone verbunden ist, wobei die Düse die gasförmige Brennstoffmischung aufnimmt, die eine vorgegebene Menge eines ersten gasförmigen Brennstoffs 76 und eine vorgegebene Menge eines zweiten gasförmigen Brennstoffs 78 enthält, wobei der Modifizierte Wobbe-Index MWI des ersten gasförmigen Brennstoffs höher ist als der MWI des zweiten gasförmigen Brennstoffs und die Brennstoffreaktivität des ersten gasförmigen Brennstoffs niedriger ist als die Brennstoffreaktivität des zweiten gasförmigen Brennstoffs.

10: Triebwerk
12: Verdichter
14: Brennkammer
16: Turbine
18: Turbinenleitapparat
20: Luft
22: Triebwerksgehäuse
24: Übergangskanal
26: Brennkammergehäuse
28: Endabdeckungsbaugruppe
30: Strömungshülse
32: Flammrohr
34: Flammrohrdeckelbaugruppe
36: Streben
38: Luftkanal
40: Innenwand
42: Außenwand
44: Öffnungen
46: Zündkerzen
48: Durchzündrohre
50: Verbrennungszone
52: Verbrennungsgase
54: Düsenbaugruppen
56: Vormischrohrbaugruppen
58: Einlassende der Brennkammer
60: Haupt-Brennstoffzuleitung
62: Erster Brennstoffvorrat
64: Zweiter Brennstoffvorrat
66: Mischvorrichtung
68: Erste Brennstoffzuleitung
70: Brennstoff-Durchflussregelvorrichtung
72: Zweite Brennstoffzuleitung
74: Regelvorrichtungen
76: Erster Brennstoff
78: Zweiter Brennstoff
80: Brennstoffmischung
82: Steuerungssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Design Considerations for Heated Gas Fuel, von D. M. Erickson et al., GE Power Systems (März 2003) [0017]

Claims

Dry-Low-NOx-Brennkammer (14), umfassend: eine Verbrennungszone (50); eine Düse (18), die zur Einspritzung eines gemischten gasförmigen Brennstoffs (80) in die Verbrennungszone strömungstechnisch mit der Verbrennungszone verbunden ist, wobei die Düse die gasförmige Brennstoffmischung aufnimmt, die eine vorgegebene Menge eines ersten gasförmigen Brennstoffs (76) und eine vorgegebene Menge eines zweiten gasförmigen Brennstoffs (78) enthält, wobei der Modifizierte Wobbe-Index (MWI) des ersten gasförmigen Brennstoffs höher ist als der MWI des zweiten gasförmigen Brennstoffs und die Brennstoffreaktivität des ersten gasförmigen Brennstoffs niedriger ist als die Brennstoffreaktivität des zweiten gasförmigen Brennstoffs.
Dry-Low-NOx-Brennkammer (14) nach Anspruch 1, wobei die Düse (18) eine gasförmige Brennstoffmischung (80) aufnimmt, die eine vorgegebene Menge Erdgas und eine vorgegebene Menge Synthesegas enthält.
Dry-Low-NOx-Brennkammer (14) nach Anspruch 2, wobei die Düse (18) eine gasförmige Brennstoffmischung (80) aufnimmt, die circa 5 bis 50 Volumenprozent Erdgas enthält.
Dry-Low-NOx-Brennkammer (14) nach Anspruch 1, wobei die Düse (18) einen ersten gasförmigen Brennstoff (76) mit einem MWI zwischen circa 42 und circa 54, und einen zweiten gasförmigen Brennstoff (78) mit einem MWI unter 20 aufnimmt.
Dry-Low-NOx-Brennkammer (14) nach Anspruch 1, wobei die Düse (18) eine gasförmige Brennstoffmischung (80) mit einem MWI von circa 15 bis 54 aufnimmt.
Verbrennungssystem, umfassend: eine Dry-Low-NOx-Brennkammer (14); eine Mischvorrichtung (66), die mit einer ersten gasförmigen Brennstoffquelle (76) und einer zweiten gasförmigen Brennstoffquelle (78) strömungstechnisch verbunden ist, wobei die Mischvorrichtung einen ersten gasförmigen Brennstoff mit einem ersten Modifizierten Wobbe-Index (MWI) und einer ersten Brennstoffreaktivität von der ersten gasförmigen Brennstoffquelle und einen zweiten gasförmigen Brennstoff mit einem zweiten MWI und einer zweiten Brennstoffreaktivität von der zweiten gasförmigen Brennstoffquelle aufnimmt, und wobei der zweite MWI niedriger als der erste MWI und die zweite Brennstoffreaktivität höher als die erste Brennstoffreaktivität ist, wobei die Mischvorrichtung zur Vereinigung des ersten und zweiten gasförmigen Brennstoffs zu einer gasförmigen Brennstoffmischung (80) dient, und eine Einspritzvorrichtung, die strömungstechnisch mit der Dry-Low-NOx-Brennkammer und der Mischvorrichtung verbunden ist, wobei die Einspritzvorrichtung zur Einspritzung der gasförmigen Brennstoffmischung in die Dry-Low-NOx-Brennkammer dient.
Verbrennungssystem nach Anspruch 6, wobei die Mischvorrichtung (66) einen ersten gasförmigen Brennstoff (76) mit einem ersten MWI zwischen circa 42 und circa 54 aufnimmt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 6, wobei die Mischvorrichtung (66) einen ersten gasförmigen Brennstoff (76) aufnimmt, bei dem es sich um Erdgas handelt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 8, wobei die Einspritzvorrichtung eine gasförmige Brennstoffmischung (80) aufnimmt, die circa 5 bis 50 Volumenprozent Erdgas enthält.
Verbrennungssystem nach Anspruch 6, wobei die Mischvorrichtung (16) einen zweiten gasförmigen Brennstoff (78) mit einem zweiten MWI unter circa 20 aufnimmt.