DE102009026400A1

DE102009026400A1 - Systeme und Verfahren für gestufte Verbrennung

Info

Publication number: DE102009026400A1
Application number: DE102009026400A
Authority: DE
Inventors: John Dewey Blouch; Ertan Yilmaz; Balachandar Loveland Varatharajan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2010-04-22
Also published as: CN101726004B; US20100095649A1; CN101726004A; JP2010096488A; CH699761A2; CH699761B1; JP5620655B2

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für gestufte Verbrennung bereitgestellt. Ein gestuftes Verbrennungssystem (10) enthält eine erste Brennstoffquelle zum Zuführen eines ersten Brennstoffs mit einer ersten chemischen Zusammensetzung, eine erste Einspritzdüse (12) zum Einspritzen des ersten Brennstoffs, eine zweite Brennstoffquelle zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung dergestalt, dass sich eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet, und eine zweite Einspritzdüse (14), die sich zur Einspritzung des zweiten Brennstoffs stromabwärts von der ersten Einspritzdüse (12) befindet.

Description

HINTERGRUND
Ausführungsformen der Erfindung betreffen Systeme und Verfahren für die gestufte Verbrennung.
Es gibt verschiedene Arten von Gasturbinensystemen. Beispielsweise werden aus Luftfahrtantrieben abgeleitete Gasturbinen für Anwendungen, wie z. B. Stromerzeugung, Schiffsantrieb, Gasverdichtung, Kraft/Hitze-Kopplung und Energieversorgung von Offshore-Plattformen eingesetzt. Ein Gasturbinensystem enthält wenigstens einen Verdichter zum Verdichten eines Luftstroms, eine Brennkammer, die die verdichtete Luft mit Brennstoff vermischt und das Gemisch zündet, um ein Arbeitsgas zu erzeugen, und einen Turbinenabschnitt für die Expansion des Arbeitsgases und die Erzeugung von Energie. Die Brennkammer ist im Wesentlichen koaxial zu dem Verdichter und dem Turbinenabschnitt angeordnet.
Es ist für die Brennkammern der Gasturbinensysteme vorteilhaft, Emissionen wie z. B. Stickstoffoxide (NO_x), Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu minimieren. Eine axiale Stufung ist ein Lösungsansatz zur Reduzierung derartiger Emissionen.
Selbst mit axialer Stufung wird NO_x in größeren Mengen bei höheren Flammentemperaturen erzeugt. NO_x-Emissionen können durch Absenken der Flammentemperatur und/oder Verkürzen der Verweilzeit des Brennstoffs in Hochtemperaturzonen verringert werden. Kohlenstoffmonoxid wird als ein Zwischenprodukt von Brennstoff und Kohlendioxid erzeugt. Im Vergleich zu NO_x-Emis sionen begünstigen eine längere Verweilzeit und höhere Temperaturen niedrige Kohlenmonoxidemissionen. Eine Anfangsflammenzone (oder erste Stufe) einer gestuften Brennkammer hat eine niedrige Flammentemperatur und lange Verweilzeit, um NO_x- und Kohlenmonoxid-Anforderungen auszugleichen. Eine zweite Flammenzone wird dazu genutzt, um die Verbrennungsprodukte auf die gewünschte Endtemperatur zu bringen, während gleichzeitig die Verweilzeit bei dieser Temperatur minimiert wird. Typischerweise befindet sich die Einspritzdüse der zweiten Stufe in einer Zone mit höherer Temperatur als die Einspritzdüse der ersten Stufe. Somit ist die Einspritzdüse der zweiten Stufe anfälliger für eine Hitzeschädigung. Gelegentlich können Luft, Dampf, Stickstoff oder ein anderes inertes Gas mit dem Brennstoff gemischt oder gleichzeitig in die zweite Stufe eingespritzt werden, um das thermische Verhalten zu verbessern und eine Kühlung bereitzustellen.
Axiale Stufung wird auch zur Bekämpfung weiterer Brennkammerprobleme eingesetzt, die als Verbrennungsdynamik oder -akustik bekannt sind. Die Verbrennungsdynamik ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen der aus der Verbrennung freigesetzten Hitze und den in der Brennkammer oder den Brennstoffleitungen auftretenden Druckwellen. Bei der axialen Stufung wird das Problem der Verbrennungsdynamik durch Verteilen der Verbrennung über die zwei Zonen angegangen, um die Wechselwirkung zu entkoppeln oder abzuschwächen.
Brenneigenschaften des Brennstoffs schränken oft Auslegungsoptionen in axial gestuften Brennkammern ein. Beispielsweise können langsame Reaktionsgeschwindigkeiten zu unvollständiger Verbrennung und der Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen. Andererseits können Reaktionsgeschwindigkeiten, die zu hoch sind, zu einer Flammenhaltung führen, bei der sich die Reaktionszone der zweiten Stufe so nahe an der Einspritzdüse der zweiten Stufe befindet, dass sie eine Beschädigung erleiden kann. Schließlich kann eine schlechte Vermischung zwischen dem Brennstoff der zweiten Stufe und Produkten der primären Stufe sowohl die vorstehend erwähnten Probleme zusätzlich zur Bewirkung heißer Flammenzonen, die höheres NO_x, schlecht stabilisierte Flammen erzeugen, als auch weitere Probleme verstärken. Typischerweise können ein oder mehrere Verdünnungsmittel oder Luft dem Brennstoff zugesetzt oder in der Nähe des Brennstoffs in der gestuften Brennkammer eingespritzt werden, um den Impuls des eingespritzten Brennstoffs zur Verbesserung des Mischprozesses zu erhöhen.
Typischerweise arbeitet die axial gestufte Brennkammer durch Übertragen von Wärmeenergie aus einer Stufe mit magerer Verbrennung oder der ersten Stufe an eine Stufe mit fetterer Verbrennung oder die zweite Stufe, um eine Teiloxidationsreaktion zu beschleunigen. Der Wärmeaustausch zwischen den Stufen wird dazu genutzt, die Teiloxidationsreaktion, die in der Stufe mit den höheren der zwei Äquivalenzverhältnisse auftritt, zu beschleunigen. Der Wärmeaustausch kann durch eines oder mehrere von einer direkten Vermischung der Verbrennungsgase der zwei Stufen, oder einem Übertragungsmechanismus der Wärmeenergie ohne die tatsächliche Vermischung der Gasprodukte oder durch Einführen von Dampf in eine oder beide von den Stufen ermöglicht werden.
KURZBESCHREIBUNG
Es wäre wünschenswert, über mehr Flexibilität bei der Auslegung von axial gestuften Verbrennungssystemen zu verfügen und unerwünschte Emissionen in derartigen Verbrennungssystemen zu verringern.
Kurz gefasst enthält gemäß einer hierin offengelegten Ausführungsform ein gestuftes Verbrennungssystem eine erste Brennstoffquelle zum Zuführen eines ersten Brennstoffs mit einer ersten chemischen Zusammensetzung, eine erste Einspritzdüse zum Einspritzen des ersten Brennstoffs, eine zweite Brennstoffquelle zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung, wobei eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff, oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung sich von der einer zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet, und eine zweite Einspritzdüse, die sich zum Einspritzen des zweiten Brennstoffs stromabwärts von der ersten Einspritzdüse befindet.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine gestufte Brennkammer bereitgestellt, die dafür konfiguriert ist, getrennt zwei oder mehr Brennstoffe mit variierenden chemischen Zusammensetzungen bei zwei oder mehr Stufen der Brennkammer einzuführen, wobei sich eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff, oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren für eine gestufte Verbrennung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Einführung eines Brennstoffs bei einer ersten Stufe; und dann die Einführung eines zweiten Brennstoffs mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung gegenüber dem ersten Brennstoff bei einer zweiten Stufe, wobei sich eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff, oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ers ten chemischen Zusammensetzung von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren für eine gestufte Verbrennung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Einführung eines ersten Brennstoffs in eine Trennvorrichtung zum chemischen Trennen des ersten Brennstoffs, um einen ersten Brennstoff und einen zweiten Brennstoff zu erzeugen, wobei der erste Brennstoff weniger reaktiv als der zweite Brennstoff ist, die Einführung des ersten Brennstoffs bei einer ersten Stufe und dann die Einführung des zweiten Brennstoffs bei einer zweiten Stufe.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren für gestufte Verbrennung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Einführung eines Ausgangsbrennstoffs in einen Separator zum chemischen Trennen des Ausgangsbrennstoffs, um einen ersten Brennstoff und zweiten Brennstoff zu erzeugen, wobei der erste Brennstoff weniger reaktiv als der zweite Brennstoff ist, die Einführung des ersten Brennstoffs bei einer ersten Stufe; und dann die Einführung des zweiten Brennstoffs bei einer zweiten Stufe.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren für gestufte Verbrennung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Aufteilung eines ersten Brennstoffs in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil; die Einführung des ersten Anteils des ersten Brennstoffs bei einer ersten Stufe; die Vermischung des zweiten Anteils des ersten Brennstoffs mit einem zusätzlichen Brennstoff zum Erzeugen eines zweiten Brennstoffs, wobei der erste Brennstoff weniger reaktiv als der zweite Brennstoff ist; und dann die Einführung des zweiten Brennstoffs bei der zweiten Stufe.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen darstellen, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht einer Triebwerksbrennkammer ist;
2–5 Blockdiagramme exemplarischer Ausführungsformen gestufter Verbrennungssystem sind, die hierin offengelegt werden;
6 eine Querschnitts-Seitenansicht einer Brennkammer für einen Brennkammerabschnitt ist, der in einem eine Turbine enthaltenden System eingesetzt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform, gemäß Darstellung in 1, weist ein gestuftes Verbrennungssystem 10 auf: eine erste Brennstoffquelle zum Zuführen eines ersten Brennstoffs mit einer ersten chemischen Zusammensetzung, eine zweite Brennstoffquelle zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung, sodass eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff, oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen n in der ersten chemischen Zusammensetzung sich von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet. So wie hierin verwendet bedeutet eine unterschiedliche ”relative reaktive Konzentration” eine unter schiedliche Konzentration zwischen den reaktiven Komponenten (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen) unabhängig davon, ob einer oder beide von den Brennstoffen eine oder mehrere nicht-reaktive Komponenten, wie z. B. Stickstoff, Kohlendioxid und Dampf haben kann. Mit anderen Worten, wenn nicht-reaktive Komponenten aus den ersten und zweiten Brennstoffen zu entfernen wären, wären die sich ergebenden chemischen Zusammensetzungen immer noch unterschiedlich. So wie hierin verwendet beinhalten Singularformen, wie z. B. ”ein, einer, eines” und ”der, die, das” auch Mehrzahlbezüge, sofern es der Kontext nicht deutlich anderweitig vorgibt. Beispielsweise können, obwohl nur eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Brennstoff aus jeder entsprechenden Brennstoffquelle dargestellt ist, in einigen Ausführungsformen mehrere Einspritzdüsen verwendet werden, um den ersten und/oder zweiten Brennstoff einzuspritzen.
In bestimmten Ausführungsformen kann der zweite Brennstoff einen reaktiveren Brennstoff als den ersten Brennstoff beinhalten. In einigen von diesen Ausführungsformen ist der erste Brennstoff ein Brennstoff mit geringerem Energiegehalt als der zweite Brennstoff. In den anderen Ausführungsformen ist der erste Brennstoff ein Brennstoff mit höherem Energiegehalt als der zweite Brennstoff. In der vorliegend betrachteten Ausführungsform sind eine erste Einspritzdüse 12 für die Einspritzung des ersten Brennstoffs und eine zweite Einspritzdüse 14 für die Einspritzung des zweiten Brennstoffs vorhanden, wobei sich die zweite Einspritzdüse 14 stromabwärts von der ersten Einspritzdüse 12 befindet. Die erste Einspritzdüse 12 kann sich in einer ersten Stufe des gestuften Verbrennungssystems 10 befinden. Ebenso kann sich die zweite Einspritzdüse 14 in einer ersten Stufe des gestuften Verbrennungssystems 10 befinden. Typischerweise ist das stromaufwärts liegende Ende der zweiten Stufe mit dem stromabwärts liegenden Ende der ersten Stufe über einen Verengungsbereich mit verringertem Querschnitt verbunden. Mit anderen Worten, der Verengungsbereich kann so verjüngt sein, dass der Querschnitt des Verengungsbereiches nahe an der ersten Stufe größer als der Querschnitt nahe an der zweiten Stufe ist. Die ersten und zweiten Stufen können einen runden Querschnitt haben, obwohl auch andere Konfigurationen verwendet werden können.
In einer Ausführungsform können sowohl der erste als auch zweite Brennstoff flüssige Brennstoffe oder beide gasförmige Brennstoffe sein. In einer weiteren Ausführungsform kann einer von dem ersten Brennstoff oder dem zweiten Brennstoff ein flüssiger Brennstoff sein und der andere kann ein gasförmiger Brennstoff sein. So wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff ”reaktiverer Brennstoff” auf einen Brennstoff, der eine relativ schnellere Reaktionsgeschwindigkeit hat und in ähnlicher Weise bezieht sich der Begriff ”weniger reaktiver Brennstoff” auf einen Brennstoff, der eine relativ langsamere Reaktionsgeschwindigkeit hat. Ferner bezieht sich, so wie hierin verwendet, der Begriff ”Hochenergiebrennstoff” auf einen Brennstoff, der eine höhere Energiedichte besitzt, und in ähnlicher Weise bezieht sich der Begriff ”Niederenergiebrennstoff” auf einen Brennstoff, der eine niedrige Energiedichte besitzt. Es sollte angemerkt werden, dass ein Hochenergiebrennstoff reaktiver als der Niederenergiebrennstoff sein kann oder auch nicht.
Das Verbrennungssystem 10 wird in jeder gewünschten Anwendung eingesetzt, wobei verschiedene Beispiele eine Gasturbine, einen Gasgenerator, ein Gasturbinen-Triebwerk oder Wärmeerzeugungsvorrichtungen beinhalten. In dem dargestellten Beispiel enthält das Verbrennungssystem eine Eintrittsöffnung 16 für die Luft und eine Austrittsöffnung 18. Bezugszeichen 20 und 22 bezeichnen erste bzw. zweite Verbrennungsstufen. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, in welchen der jeder Stufe zugeführte Brennstoff derselbe mit dem einzigen Unterschied ist, dass das zusätzliche Gas, wie z. B. Luft, unterschiedlich bei unterschiedlichen Stufen zugemischt werden kann, kann eine Einspritzung von reaktiverem Brennstoff stromabwärts von dem durch die erste Einspritzdüse zugeführten Brennstoff erfolgen, sodass sich weniger Schadstoffe ergeben, ein konstanteres Brennstoff/Luft-Verhältnis in der Verbrennungszone eingehalten wird, und das Auftreten von Flammenrückschlag in der Primärzone verringert wird. In einer Ausführungsform werden einer oder beide von den ersten und zweiten Brennstoffen mit Luft vor der Zuführung zu den ersten bzw. zweiten Einspritzdüsen vorvermischt. In einer weiteren Ausführungsform kann Brennstoff in Luft in einen stromaufwärts befindlichen Teil der Brennkammer so eingespritzt werden, dass sich der Brennstoff und die Luft vor der Flammenzone vermischen können. Zusätzlich können kleine Mengen von Luft in die zweite Stufe für Kühlungszwecke eingespritzt werden.
Brennstoffe, die reaktiver als Erdgas sind, wie z. B. Wasserstoff, Ethan oder andere Kohlenwasserstoffe, haben tendenziell höhere Flammengeschwindigkeiten und/oder schnellere Zündzeiten, die zu einer vorzeitigen Verbrennung in Teilen des Brennkammersystems führen können, die nicht dafür ausgelegt sind, Flammentemperaturen zu widerstehen. So wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff ”Erdgas” auf gasförmigen Brennstoff, welcher primär (CH₄) und einige oder mehrere, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Ethan (C₂H₆), Butan (C₄H₁₀), Propan (C₃H₈), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂), Helium (He₂), Wasserstoffsulfid (H₂S) oder Kombinationen davon enthält. Bei Brennstoffen, die weniger reaktiv als Erdgas sind (z. B. ein Brennstoff mit höheren Konzentrationen von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, oder Stickstoff oder Kombinationen davon) können langsame Flammengeschwindigkeiten zu einem Erlöschen führen, sodass der Nettostrom die Flamme aus ihrer normalen Stabilisierungszone blasen und verlöschen lassen kann. Wenn die Gesamtverweilzeit in der Brennkammer zu niedrig ist, kann die Verbrennung nicht vollständig stattfinden. In diesem Falle können unverbrannter Brennstoff oder zu viel Kohlenmonoxid in dem Abgas vorhanden sein.
Durch Ändern der reaktiven Komponenten der Brennstoffströme und somit durch Variieren der Brennstoffzusammensetzungen, die bei den unterschiedlichen Stufen eingespritzt werden, kann die Effektivität einer gestuften Verbrennung gesteigert werden. Beispielsweise kann etwas von dem reaktiveren Brennstoff bei der zweiten Stufe der Brennkammer eingeführt werden, sodass der zweite Brennstoff schnell verbrennt und die Verweilzeit minimiert. Demzufolge kann der langsamer reagierende Brennstoff der ersten Zone der Brennkammer zugeführt werden, um eine vollständige Verbrennung durch Erhöhen der Verweilzeit des ersten Brennstoffs in der Brennkammer zu ermöglichen.
Zusätzlich können inerte Substanzen, wie z. B. Stickstoff und Kohlendioxid, bei der zweiten Stufe zur Wärmesteuerung eingeführt werden. Beispielsweise kann Stickstoff bei der zweiten Stufe eingeführt werden, um die Kühlung der Einspritzdüse zu unterstützen.
In einer Ausführungsform hat der erste Brennstoff einen höheren Kohlenstoffanteil als der zweite Brennstoff. In einer weiteren Ausführungsform hat der zweite Brennstoff einen höheren Wasserstoffanteil als der erste Brennstoff. In einem spezifischeren Beispiel weist der erste Brennstoff eines oder mehreres von Erdgas oder Kohlenmonoxid oder Wasserstoff, oder Stickstoff auf, und der zweite Brennstoff weist eines oder mehreres von Wasserstoff, Methan, Kohlenwasserstoffen grö ßer als Methan oder Erdgas auf. Es dürfte sich verstehen, dass die Anzahl von Brennstoffquellen nicht notwendigerweise auf zwei beschränkt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verbrennungssystem mehr als zwei Brennstoffquellen enthalten. Die gestufte Verbrennung kann auch axial gestuft sein, oder radial gestuft sein oder in irgendeiner anderen Form konfiguriert sein.
In einigen Ausführungsformen kann sich die zweite Einspritzdüse in einem Strom von Verbrennungsprodukten aus der ersten Stufe befinden. In einer Ausführungsform, in welcher das gestufte Verbrennungssystem in einer Gasturbine angewendet wird, kann sich die zweite Einspritzdüse in einem Turbineneinlassabschnitt oder auf dem Schaufelblatt der ersten Stufe eines Turbinenabschnittes befinden. In dieser Ausführungsform kann das Verbrennungssystem einen Einlassabschnitt, einen Verdichterabschnitt stromabwärts von dem Einlassabschnitt, einen Brennkammerabschnitt mit der ersten Stufe, die die erste Einspritzdüse einsetzt, eine zweite Stufe, die die zweite Einspritzdüse einsetzt und stromabwärts von der ersten Stufe angeordnet ist, um einen Strom von Verbrennungsprodukten der ersten Stufe weiter zu verbrennen, einen Turbinenabschnitt und einen Auslassabschnitt enthalten. Die Einspritzdüse enthält eine Kupplung; eine Wand, die eine einen Brennstoffmischkanal umgebende Schaufelblattform definiert; und wenigstens einen Austritt zur Verbindung zwischen dem Brennstoffmischkanal und dem Strom primärer Verbrennungsprodukte. In weiteren Ausführungsformen kann sich die zweite Einspritzdüse auf einer Oberfläche einer Wand der Brennkammer so befinden, dass sich die zweite Einspritzdüse in einem Strom von Verbrennungsprodukten der ersten Stufe befindet.
Gemäß 2 enthält eine erste Brennstoffquelle 24 einen in eine erste Einspritzdüse 12 einzuführenden ersten Brenn stoff 26. Eine zweite Brennstoffquelle 30 enthält einen in die Brennkammer durch die zweite Einspritzdüse 14 einzuführenden zweiten Brennstoff 32. Beispielsweise kann der erste Brennstoff 26 Erdgas enthalten und der zweite Brennstoff 32 kann etwa 50 Volumenprozent Methan und etwa 50 Volumenprozent Kohlenmonoxid enthalten. In einer weiteren Ausführungsform enthält der erste Brennstoff 26 Erdgas und der zweite Brennstoff 32 enthält etwa 50 Volumenprozent Methan und etwa 50 Volumenprozent Wasserstoff.
In einer Ausführungsform enthält wenigstens eine von den ersten und zweiten Brennstoffquellen einen Separator zum chemischen Trennen eines Ausgangsbrennstoff in den ersten Brennstoff und den zweiten Brennstoff oder beide. In der Ausführungsform von 3 ist beispielsweise ein Brennstoffseparator 38 für die chemische Trennung eines durch eine Ausgangsbrennstoffquelle 36 zugeführten Brennstoffs bereitgestellt. In der dargestellten Ausführungsform wird der in der Brennstoffquelle 36 enthaltene Ausgangsbrennstoff in einen ersten Brennstoff 40 und zweiten Brennstoff 44 getrennt. Der erste Brennstoff 40 wird zu der ersten Einspritzdüse 12 und der zweite Brennstoff 44 zu der zweiten Einspritzdüse 14 transportiert.
In einem Beispiel, in welchem der Brennstoff in der Brennstoffquelle 36 etwa 90 Volumenprozent Wasserstoff und etwa 10 Volumenprozent Kohlenmonoxid enthält, enthält der erste Brennstoff 40 ein Gemisch von etwa 20 Volumenprozent Kohlenmonoxid und 80 Volumenprozent Wasserstoff, während der zweite Brennstoff 44 etwa 100 Volumenprozent Wasserstoff enthält. In dieser Ausführungsform kann der Brennstoff in der Brennstoffquelle 36 vorbehandelt werden, um wenigstens einen Teil des Kohlenstoffes abzutrennen.
In einem weiteren Beispiel enthält der Brennstoff in der Brennstoffquelle 36 Gas, das in einem Kombinationszyklus mit integrierter Vergasung verwendet wird, wie z. B. ”Syngas”. So wie hierin verwendet, kann ”Syngas” gasförmigen Brennstoff beinhalten, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂), wobei die Zusammensetzung abhängig von dem Ausgangsmaterial ist. Beispielsweise kann der Ausgangsbrennstoff eine Zusammensetzung haben, die etwa 40 Volumenprozent Wasserstoff, etwa 40 Volumenprozent Kohlenmonoxid und etwa 20 Volumenprozent Kohlendioxid enthält, der erste Brennstoff 40 kann ein Gemisch aus etwa 33,3 Volumenprozent Wasserstoff und etwa 66,6 Volumenprozent Kohlenmonoxid enthalten, und der zweite Brennstoff 44 kann etwa 50 Volumenprozent Wasserstoff und etwa 50 Volumenprozent Kohlendioxid enthalten.
In einem weiteren Beispiel, in welchem der Brennstoff in der Brennstoffquelle 36 etwa 50 Volumenprozent Wasserstoff und etwa 50 Volumenprozent Kohlenmonoxid enthält, enthält der erste Brennstoff 38 etwa 100 Volumenprozent Kohlenmonoxid, während der zweite Brennstoff 44 etwa 100 Volumenprozent Wasserstoff enthält.
In noch einem weiteren Beispiel, in welchem der Brennstoff in der Brennstoffquelle 36 etwa 50 Volumenprozent Methan und etwa 50 Volumenprozent Wasserstoff enthält, enthält der erste Brennstoff 38 ein Gemisch von etwa 80 Volumenprozent Methan und etwa 20 Volumenprozent Wasserstoff, während der zweite Brennstoff 44 etwa 20 Volumenprozent Methan und etwa 80 Volumenprozent Wasserstoff enthält.
In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eine von den ersten und zweiten Brennstoffquellen einen Brennstoffreformer 58 auf. Beispielsweise liefert gemäß 4 eine Aus gangsbrennstoffquelle 50 einen Brennstoff 51, der in zwei Zweige entlang Brennstoffpfaden 52 und 56 aufgeteilt ist. Der erste Brennstoff 51 wird zu der ersten Einspritzdüse 12 entlang dem Brennstoffpfad 52 transportiert, und entlang dem Pfad 56 wird der Brennstoff einem Reformer 58 zugeführt, um den Brennstoff chemisch zu reformieren, um einen zweiten Brennstoff 60 für die zweite Einspritzdüse 14 zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann der Reformer, wie z. B. der Reformer 58, zur Reformierung von Erdgas oder anderem Kohlenwasserstoffbrennstoff beispielsweise in ein Gemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff verwendet werden. In einem Beispiel, in welchem der Brennstoff 51 in der Ausgangsbrennstoffquelle 50 Methan enthält, enthält der erste Brennstoff Methan und der zweite Brennstoff 60 enthält ein Gemisch von etwa 60 Volumenprozent Kohlenmonoxid, 20 Volumenprozent Wasserstoff und 70 Volumenprozent Methan.
In einer weiteren Ausführungsform enthält wenigstens eine von den ersten und zweiten Brennstoffquellen einen Brennstoffmischer, um wenigstens einen Anteil des ersten Brennstoffs und wenigstens einen Anteil eines weiteren Brennstoffs zu vermischen. Gemäß Darstellung in 5 enthält eine erste Brennstoffquelle 66 einen ersten Brennstoff 67. Ein erster Anteil 68 des ersten Brennstoffs 67 wird in die erste Einspritzdüse 12 geführt. Eine zweite Brennstoffquelle 72 liefert einen zweiten Brennstoff 74, der in die zweite Einspritzdüse 14 geführt wird. Die zweite Brennstoffquelle 72 ist eine Kombination einer zusätzlichen Brennstoffquelle 78. In dieser dargestellten Ausführungsform mischt ein Mischer 80 einen Anteil 82 des ersten Brennstoffs mit dem zusätzlichen Brennstoff 84, um einen zweiten Brennstoff 74 zu erzeugen.
In einem Beispiel, in welchem der erste Brennstoff 67 ein Erdgas ist und die zusätzliche Brennstoffquelle 78 einen Brennstoff mit niedrigem Energiegehalt enthält, wie z. B. Stickstoff, enthält der zweite Brennstoff 74 50 Volumenprozent des Brennstoffs mit niedrigem Energiegehalt (wie z. B. Stickstoff) und 50 Volumenprozent Erdgas. In einem weiteren Beispiel ist der erste Brennstoff 67 ein Erdgas, enthält die zusätzliche Brennstoffquelle 78 einen Brennstoff mit hohem Energiegehalt, wie z. B. Wasserstoff, und der zweite Brennstoff 74 enthält 50 Volumenprozent des Brennstoffs mit hohem Energiegehalt (wie z. B. Wasserstoff) und 50 Volumenprozent Erdgas. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann, falls gewünscht, Luft mit jedem der ersten und zweiten Brennstoffe gemischt werden.
In 6 ist allgemein eine axial gestufte Brennkammer 90 für eine Turbine dargestellt, die ein System mit einem Brennkammerabschnitt 92 enthält. Das eine Turbine enthaltende System ist im Detail im U.S. Patent Nr. 6 868 676 , welches hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit beinhaltet ist, dargestellt. Der Brennkammerabschnitt 92 enthält eine erste Stufe 94 und eine zweite Stufe 96 stromabwärts von der ersten Stufe 92. In der dargestellten Ausführungsform enthält die zweite Stufe 96 eine Einspritzdüse 98, um ein Brennstoffgemisch der zweiten Stufe in einem Strom von Verbrennungsprodukten der ersten Stufe 94 quer einzuspritzen. Pfeile 99 stellen die Einströmrichtung der Luft dar und der Pfeil 101 repräsentiert die Austrittsrichtung des Abgases zu dem Turbinenabschnitt. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann das den Turbinenabschnitt enthaltende System auch einen Eingangsabschnitt, einen Verdichterabschnitt stromabwärts von dem Einlassabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Auslassabschnitt enthalten. Der Brennkammerabschnitt 92 kann eine ringförmige Anordnung von mehreren in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Brennkammern 90 beinhalten. Ein Brennstoff/Luft-Gemisch wird in jeder Brennkammer 90 verbrannt, um einen heißen energetischen Gas strom zu erzeugen, welcher durch ein Übergangsstück 100 strömt, um das Gas zu dem Schaufelblatt 102 der ersten Stufe des (nicht dargestellten) Turbinenabschnittes strömen zu lassen. Es wird in Betracht gezogen, dass die vorliegende Technik in Verbindung mit unterschiedlichen Brennkammersystemen einschließlich, und nicht darauf beschränkt, runden Brennkammersystemen und ringförmigen Brennkammersystemen verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann verdichtete Luft der ersten Stufe 94 des Brennkammerabschnittes 92 zur Kombination und Verbrennung mit einem Brennstoffgemisch in einer primären Reaktionszone 104 von jeder der mehreren Brennkammern 90 zugeführt werden. In einer Ausführungsform können Einspritzdüsen 98, wie z. B. für das Schaufelblatt 102 der ersten Stufe in dem Turbinenabschnitt vorgesehen sein.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
Es werden Systeme und Verfahren für gestufte Verbrennung bereitgestellt. Ein gestuftes Verbrennungssystem 10 enthält eine erste Brennstoffquelle zum Zuführen eines ersten Brennstoffs mit einer ersten chemischen Zusammensetzung, eine erste Einspritzdüse 12 zum Einspritzen des ersten Brennstoffs, eine zweite Brennstoffquelle zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung dergestalt, dass sich eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet, und eine zweite Einspritzdüse 14, die sich zur Einspritzung des zweiten Brennstoffs stromabwärts von der ersten Einspritzdüse 12 befindet.

10: gestuftes Verbrennungssystem
12: erste Einspritzdüse
14: zweite Einspritzdüse
16: Eintrittsöffnung
18: Austrittsöffnung
20: erste Stufe
22: zweite Stufe
24: erste Brennstoffquelle
26: erster Brennstoff
32: zweiter Brennstoff
36: Ausgangsbrennstoffquelle
38: Brennstoffseparator
40: erster Brennstoff
44: zweiter Brennstoff
50: Brennstoffquelle
51: Brennstoff
52: Brennstoffpfad
56: Brennstoffpfad
58: Brennstoffreformer
66: erste Brennstoffquelle
67: erster Brennstoff
68: erster Anteil
72: zweite Brennstoffquelle
74: zweiter Brennstoff
78: Brennstoffquelle
80: Mischer
82: Anteil
84: Brennstoff
90: axial gestufte Brennkammer
92: Brennkammerabschnitt
94: erste Stufe
96: zweite Stufe
98: Einspritzdüse
99: Pfeile
100: Übergangsstück
101: Pfeil
102: Schaufelblatt der ersten Stufe
104: primäre Reaktionszone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6868676 [0037]

Claims

Gestuftes Verbrennungssystem (10): mit einer ersten Brennstoffquelle zum Zuführen eines ersten Brennstoffs mit einer ersten chemischen Zusammensetzung; mit einer ersten Einspritzdüse (12) zum Einspritzen des ersten Brennstoffs; mit einer zweiten Brennstoffquelle zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung dergestalt, dass sich eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet; und mit einer zweiten Einspritzdüse (14), die sich zur Einspritzung des zweiten Brennstoffs stromabwärts von der ersten Einspritzdüse (12) befindet.
Gestuftes Verbrennungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei einer von den ersten und zweiten Brennstoffen reaktiver als der andere von den ersten und zweiten Brennstoffen ist.
Gestuftes Verbrennungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei einer von den ersten und zweiten Brennstoffen einen höheren Energiegehalt als der andere von den ersten und zweiten Brennstoffen hat.
Gestuftes Verbrennungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Brennstoff einen höheren Kohlenstoffgehalt als der zweite Brennstoff hat.
Gestuftes Verbrennungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der zweite Brennstoff einen höheren Wasserstoffgehalt als der erste Brennstoff hat.
Gestuftes Verbrennungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Einspritzdüsen (12, 14) axial gestuft sind.
Gestufte Brennkammer, die dafür konfiguriert ist, getrennt zwei oder mehr Brennstoffe mit variierenden chemischen Zusammensetzungen bei zwei oder mehr Verbrennungsstufen so einzuführen, dass sich eine relative reaktive Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung sich von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet.
Verfahren für gestufte Verbrennung, mit den Schritten: bei einer ersten Stufe, Einführen des ersten Brennstoffs; und dann bei einer zweiten Stufe, Einführen eines zweiten Brennstoffs mit einer unterschiedlichen relativen reaktiven chemischen Zusammensetzung als der des ersten Brennstoffs dergestalt, dass sich eine Konzentration von einem oder mehreren von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, einem Kohlenwasserstoff oder einer Kombination von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen in der ersten chemischen Zusammensetzung von der der zweiten chemischen Zusammensetzung unterscheidet.
Verfahren für gestufte Verbrennung, ferner mit den Schritten: Einführen eines Ausgangsbrennstoffs in einen Separator zum chemischen Trennen des Ausgangsbrennstoffs, um einen ersten Brennstoff und einen zweiten Brennstoff zu erzeugen, wobei der erste Brennstoff weniger reaktiv als der zweite Brennstoff ist; Einführen des ersten Brennstoffs bei einer ersten Stufe; und dann Einführen des zweiten Brennstoffs bei einer zweiten Stufe.
Verfahren für gestufte Verbrennung, mit den Schritten: Aufteilen des ersten Brennstoffs in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil; Einführen des ersten Anteils des ersten Brennstoffs bei einer ersten Stufe; Mischen des zweiten Anteils des ersten Brennstoffs mit einem zusätzlichen Brennstoff, um einen zweiten Brennstoff zu erzeugen, wobei der erste Brennstoff weniger reaktiv als der zweite Brennstoff ist; und dann Einführen des zweiten Brennstoffs bei einer zweiten Stufe.