DE102010037608A1 - System und Verfahren mit Nutzung eines emissionsarmen Gasturbinenzyklus mit partieller Luftzerlegung - Google Patents

System und Verfahren mit Nutzung eines emissionsarmen Gasturbinenzyklus mit partieller Luftzerlegung Download PDF

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Abstract

Ein System (30) und Verfahren zum Verringern von Stickoxidemissionen einer Gasturbine beinhalten eine erste Verbrennungsstufe (44), die dafür eingerichtet ist, mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft zu verbrennen, um Produkte (48) der ersten Verbrennungsstufe zu erzeugen. Eine zweite Verbrennungsstufe (50) ist dafür eingerichtet, die Produkte (48) der ersten Verbrennungsstufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoff (36) zu verbrennen, um Produkte (52) der zweiten Verbrennungsstufe mit einem niedrigeren Pegel an Stickoxidemissionen zu erzeugen, als sie durch Verbrennung mit verschlechterter Luft alleine oder durch stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.

Description

  • Hintergrund
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen-Kraftwerke und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Verringern der Stickoxid-(NOx)-Emissionen von Gasturbinen ohne Inkaufnahme entsprechender Nachteile bezüglich Verbrennungswirkungsgrad oder Kohlenmonoxid-(CO)-Emissionen.
  • Schadstoffemissionen aus Gasturbinen-Kraftwerken waren in den letzten Dekaden ein großes Problem. Es wurden einschneidende Vorschriften erlassen, um diese Emissionen, insbesondere Stickoxide, auf wenige Einheiten zu senken. Eine von den derzeit in Einsatz befindlichen Lösungsmöglichkeiten zum Verringern dieser NOx-Emissionen nutzt selektive katalytische Reaktoren (SCR)s. Selektive katalytische Reaktoren sind unerwünscht teuer, haben einen großen Platzbedarf und erzeugen zusätzliche Probleme hinsichtlich Ammoniakschlupf.
  • Verbrennung mit abgasangereicherter Luft ist eine bewährte Technik zum Verringern von NOx-Emissionen durch die Beeinträchtigung des NOx-Kinetik-Mechanismus, Veränderung der Flammenstruktur und Absenkung der Spitzenflammentemperatur. Stufenweise Verbrennung hat sich ebenfalls als NOx-Emissionen reduzierend in Anwendungen erwiesen, die beispielsweise axial gestufte, spät abmagernde und sequentielle Verbrennungssysteme (Zwischenerhitzung) umfassen.
  • Es wäre wünschenswert, ein System und ein Verfahren zu schaffen, das NOx-Emissionen weiter unter Grenzwerte absenkt, die mittels bekannter Techniken erzielbar sind, ohne Nachteile in Form von Verbrennungswirkungsgrad oder CO-Emissionen zu bewirken.
  • Kurzbeschreibung
  • Kurz gesagt, weist gemäß einer Ausführungsform ein Gasturbinenverbrennungssystem auf:
    eine erste Verbrennungsstufe, die dafür eingerichtet ist, mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft zu verbrennen, um Produkte der ersten Verbrennungsstufe zu erzeugen; und
    eine zweite Verbrennungsstufe, die dafür eingerichtet ist, die Produkte der ersten Verbrennungsstufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoff zu verbrennen, um Produkte der zweiten Verbrennungsstufe mit einem niedrigeren Pegel an Stickoxidemissionen zu erzeugen, als sie durch Verbrennung mit verschlechterter Luft alleine oder durch stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren zur Verringerung von Stickoxidemissionen von Gasturbinen auf:
    Verschlechtern von Luft mit Verdünnungsmitteln;
    Einführen der verschlechterten Luft in eine erste Verbrennungsstufe einer Gasturbine und Erzeugen von Verbrennungsprodukten einer ersten Verbrennungsstufe daraus;
    Anreichern der Verbrennungsprodukte aus der ersten Stufe mit Sauerstoff in einer zweiten Stufe; und
    Verbrennen der Verbrennungsprodukte aus der ersten Stufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoffgas, um Produkte der zweiten Verbrennungsstufe mit einem niedrigeren Pegel an Stickoxidemissionen zu erzeugen, als sie durch Verbrennung mit verschlechterter Luft alleine oder durch stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.
  • 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 bezeichnen, in welchen:
  • 1 eine vereinfachte Blockdarstellung ist, die eine einfache emissionsarme Gasturbine mit partieller Luftzerlegung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 2 eine vereinfachte Blockdarstellung ist, die eine einfache emissionsarme Gasturbine unter Anwendung eines integrierten Vergasungskombinationszyklus gemäß einer Ausführungsform anwendet;
  • 3 eine graphische Darstellung ist, die eine Verringerung von NOx-Emissionen unter Anwendung eines DLE-Brennersystems gemäß einer Ausführungsform darstellt; und
  • 4 eine graphische Darstellung ist, die eine Verringerung von NOx-Emissionen unter Anwendung eines DLN-Brennersystems gemäß einer Ausführungsform darstellt;
  • Obwohl die vorstehend angeführten Zeichnungsfiguren alternative Ausführungsformen darstellen, werden weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in der Diskussion angemerkt, in Betracht gezogen. In allen Fällen präsentiert diese Offenlegung dargestellte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung. Zahlreiche weitere Modifikationen und Ausführungsformen können von dem Fachmann abgeleitet werden, welche in den Schutzumfang und den Erfindungsgedanken der Prinzipien dieser Erfindung fallen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Obwohl die Verfahren und Vorrichtungen hierin im Zusammenhang mit einer in einer industriellen Umgebung eingesetzten Gasturbine beschrieben werden, wird es in Betracht gezogen, dass das hierin beschriebene Verfahren und die Vorrichtung Anwendung in weiteren Gasturbinensystemanwendungen einschließlich, jedoch ohne Einschränkung, bei in Flugzeugen eingebauten Turbinentriebwerken, finden können. Ferner sind die hierin dargestellten Prinzipien und Lehren auf Gasturbinen anwendbar, die eine Vielfalt von Brennstoffen verwenden, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Erdgas, Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff und Düsentreibstoff.
  • 1 ist eine vereinfachte Blockdarstellung, die ein einfaches emissionsarmes Gasturbinensystem 10 mit partieller Luftzerlegung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Gasturbinensystem 10 verwendet eine Vorrichtung 12 für partielle Luftzerlegung, die so arbeitet, dass sie über einen Luftverdichter 18 zugeführte verdichtete Luft in einen mit Sauerstoff angereicherten Gasstrom 14 und einen mit Stickstoff angereicherten Gasstrom 16 zerlegt. Eingangsluft wird über den Luftverdichter 18 verdichtet; und die verdichtete Luft wird der Vorrichtung 12 für partielle Luftzerlegung zugeführt.
  • Der mit Stickstoff angereicherte Gasstrom 16 wird verdichtet und dann mit verdichteter Luft aus dem Luftverdichter 18 vermischt, um verschlechterte Luft mittels eines Luftmischers 19 zu erzeugen. Die sich ergebende mit Verdunnungsmitteln verschlechterte Luft 20 wird einer ersten Brennerstufe 22 zugeführt, wo sie verbrannt wird und Verbrennungsprodukte der ersten Verbrennungsstufe erzeugt. Der mit Sauerstoff angereicherte Gasstrom 14 wird verdichtet und mit den Verbrennungsprodukten der ersten Stufe in einer zweiten Brennerstufe 24 vermischt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und zusätzliche Brennerstufen über die lediglich zwei Brennerstufen hinaus können gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien eingesetzt werden, um einen gewünschten NOx-Emissionspegel zu erzielen oder andere gewünschte Ergebnisse zu erzielen.
  • Eine Kombination von Luftverschlechterung und stufenweiser Verbrennung gemäß vorstehender Beschreibung verringert, wie die vorliegenden Erfinder herausgefunden haben, die NOx-Emissionen auf sehr niedrige Grenzwerte, die weder durch eine Luftverschlechterung alleine noch durch eine stufenweise Verbrennung alleine erzielt werden können. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass diese Struktur eine zuverlässige Technik für die Verringerung von NOx-Emissionen auf sehr niedrige Grenzwerte ohne Bewirkung von Nachteilen in Form von Verbrennungswirkungsgrad oder CO-Emissionen bereitstellt, wenn sie auf Gasturbinensysteme angewendet wird, die entweder trocken betriebene emissionsarme (DLN) Brenner oder trocken betriebene NOx-arme Brenner verwenden können.
  • 3 ist eine graphische Darstellung, die eine NOx-Emissionsverringerung bei Anwendung der hierin beschriebenen Prinzipien unter Anwendung von DLE-Brennersystemkonzepten veranschaulicht.
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die eine NOx-Emissionsverringerung bei Anwendung der hierin beschriebenen Prinzipien unter Anwendung von DLN-Brennersystemkonzepten veranschaulicht.
  • Es sollte angemerkt werden, dass mit Sauerstoff angereichertes Gas bisher in keine Stufe eines herkömmlichen stufenweisen Verbrennungsprozesses injiziert wurde. Dieses kann der Notwendigkeit einer sorgfältigen Beherrschung von Verbrennungsbedingungen zugeschrieben werden, um einen stabilen Betrieb, zulässige NOx- und CO-Emissionen zu erzielen, während sie gleichzeitig frei von als Dynamik bezeichnete Druckoszillationen bleiben, die üblicherweise mit der Kombination von Akustik und instabiler Energiefreisetzung des Verbrennungsprozesses in Verbindung stehen.
  • Insbesondere DLN-Brenner erfordern oft mehrere unabhängig gesteuerte Brennstoffeinspritzpunkte oder Brennstoffdüsen in jedem von einem oder mehreren parallelen identischen Brennern, um einen Gasturbinenbetrieb vom Hochfahren bis zur Volllast zu ermöglichen. Ferner funktionieren DLN-Verbrennungssysteme oft nur über einen relativ schmalen Bereich eines Brennstoffinjektordruckverhältnisses gut, wobei dieses Druckverhältnis eine Funktion des Brennstoffdurchsatzes, der Brennstoffdurchtrittsstromfläche und von Gasturbinenzyklusdrücken vor und hinter den Brennstoffdüsen ist. Eine korrekte Auswahl von Brennstoffdüsendurchtrittsflächen und eine Regelung der Brennstoffströme zu den verschiedenen Brennstoffdüsengruppen sind erforderlich, um diese Druckverhältnisgrenzwerte zu beherrschen. Korrekte Brennstoffdüsendurchtrittsflächen basieren auf tatsächlichen Brennstoffeigenschaften, welche nominell als konstant angenommen werden.
  • Die vorliegenden Erfinder entdeckten alleine durch Experimente, die Auswirkungen einer Verbrennung von Brennstoff mit verschlechterter Luft (mit Verdünnungsmitteln wie z. B. N2 und CO2 vermischter Luft, um die Gesamtsauerstoffkonzentration zu verringern) auf das Verbrennungsverhalten von Gasturbinen und Schadstoffemissionen, insbesondere in einem Gasturbinenverbrennungssystem, das eine erste Verbrennungsstufe, die mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft zum Erzeugen von Verbrennungsprodukten einer ersten Stufe verbrennt, und eine oder mehrere zusätzliche Verbrennungsstufen kombiniert, die dafür eingerichtet sind, die Verbrennungsprodukte der ersten Stufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoff zu verbrennen, um Verbrennungsprodukte der zweiten oder nachfolgenden Stufe mit einem geringeren Pegel an Stickoxidemissionen zu erzeugen, als sie durch Verbrennung mit verschlechterter Luft alleine oder durch eine stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.
  • Ein System und Verfahren zum erfolgreichen Absenken von NOx-Emissionen, die sich aus diesen Experimenten ergeben, sind in 1 dargestellt, in welcher ein Luftstrom in eine Einheit für partielle Luftzerlegung eintritt, die zwei Auslassströme mit einem mit N2 angereicherten Strom (verschlechterte Luft) und einem mit Sauerstoff angereicherten Strom erzeugt. Ein weiteres nachstehend detaillierter diskutiertes System und Verfahren zum erfolgreichen Absenken von NOx-Emissionen, die sich aus diesen Experimenten ergeben, ist in 2 dargestellt. Dieses System und Verfahren ist in IGCC-Kraftwerken nützlich, in welchen eine Luftzerlegungseinheit vorhanden ist und N2 aus einer Luftzerlegungseinheit (ASU) mit der Verbrennungsluft vermischt wird, um verschlechterte Verbrennungsluft zu erzeugen.
  • 2 ist eine vereinfachte Blockdarstellung, die ein einfaches emissionsarmes Gasturbinensystem 30 unter Anwendung eines Kombinationszyklus mit integrierter Vergasung gemäß einer Ausführungsform darstellt. Luft tritt in einen Verdichter 32 ein, in welchem die Luft verdichtet und an eine Luftzerlegungseinheit 34 weitergeleitet wird. Die Luftzerlegungseinheit 34 erzeugt zwei Gasströme, die einem mit Sauerstoff angereicherten Gasstrom 36 und einem mit Stickstoff angereicherten Gasstrom 38 beinhalten. Der mit Stickstoff angereicherte Gasstrom 38 wird mit der verdichteten Luft über einen Luftmischer 40 gemischt, um ein verschlechtertes Luftgemisch 42 zu erzeugen. Das verschlechterte Luftgemisch wird an eine erste Stufe 44 eines Brenners 46 geleitet, wo sie in Kombination mit einem synthetischen Gasbrennstoff 54 verbrannt wird, um Verbrennungsprodukte 48 einer ersten Stufe zu erzeugen. Diese Verbrennungsprodukte 48 der ersten Stufe werden an eine zweite Brennerstufe 50 geleitet, wo die Verbrennungsprodukte 48 der ersten Stufe mit dem synthetischen Gasbrennstoff 54 und angereichertem Sauerstoff 36 gemischt und verbrannt werden, so dass sich Verbrennungsprodukte 52 mit sehr niedrigen NOx-Emissionen ergeben. Die hierin dargestellten Prinzipien und Lehren sind auf Gasturbinen anwendbar, die eine Vielfalt von Brennstoffen wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Erdgas, Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff und Düsentreibstoff verwenden.
  • Zusammengefasst enthält ein Gasturbinenverbrennungssystem eine erste Brennerstufe, die dafür eingerichtet ist, mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft zu verbrennen, um Produkte der ersten Verbrennungsstufe zu erzeugen und eine zweite Brennerstufe, die dafür eingerichtet ist, die Produkte der ersten Verbrennungsstufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoff zu verbrennen, um Produkte der zweiten Verbrennungsstufe mit Stickoxidemissionen zu erzeugen, die wesentlich niedriger sind als die, die durch Verbrennung mit verschlechterter Luft alleine oder durch Techniken stufenweiser Verbrennung alleine erzielbar sind. Diese verringerten NOx-Emissionen werden ohne Nachteile im Verbrennungswirkungsgrad oder CO-Emissionen erzielt.
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit der Verwendung selektiver katalytischer Reaktoren erübrigen oder ansonsten die Größe und Kosten selektiver katalytischer Reaktoren aufgrund der Verwendung eines Brenners verringern, der geringere NOx-Emissionen erzeugt, als sie mit herkömmlichen Brennern erzielbar sind. Ferner kann die Verbrennungsdynamik mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen verringert werden, indem ein weiterer Steuerungsparameter, wie z. B. die Sauerstoffkonzentration, hinzugefügt wird. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen stellen eine kosteneffektive Technik zur Erzielung reduzierter NOx-Emissionen bereit, ohne zusätzliche Emissionssystem-Steuerausrüstung zu erfordern.
  • Von den vorliegenden Erfindern wurde herausgefunden, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen effektiver für die Verringerung von NOx-Emissionen als Systeme und Verfahren sind, die eine Dampf/Wasser-Injektion in einem Brenner nutzen oder, die ein trocken betriebenes NOx-armes Verbrennungssystem mit hohem Vorvermischungswirkungsgrad verwenden.
  • Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann 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.
  • Ein System 30 und Verfahren zum Verringern von Stickoxidemissionen einer Gasturbine beinhalten eine erste Verbrennungsstufe 44, die dafür eingerichtet ist, mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft zu verbrennen, um Produkte 48 der ersten Verbrennungsstufe zu erzeugen. Eine zweite Verbrennungsstufe 50 ist dafür eingerichtet, die Produkte 48 der ersten Verbrennungsstufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoff 36 zu verbrennen, um Produkte 52 der zweiten Verbrennungsstufe mit einem niedrigeren Pegel an Stickoxidemissionen zu erzeugen, als sie durch Verbrennung mit verschlechterter Luft alleine oder durch stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Einfaches Gasturbinensystem mit niedrigen Emissionen
    12
    Vorrichtung für partielle Luftzerlegung
    14
    mit Sauerstoff angereicherter Gasstrom
    16
    mit Stickstoff angereicherter Gasstrom
    18
    Luftverdichter
    19
    Luftmischer
    20
    Luftmischer-Ausgabeluft
    22
    erste Verbrennungsstufe
    24
    zweite Verbrennungsstufe
    30
    einfaches Gasturbinensystem mit niedrigen Emissionen
    32
    Luftverdichter
    34
    Luftzerlegungseinheit
    36
    mit Sauerstoff angereicherter Gasstrom
    38
    mit Stickstoff angereicherter Gasstrom
    40
    Luftmischer
    42
    Gemisch mit verschlechterter Luft
    44
    erste Verbrennungsstufe
    46
    Brenner
    48
    Ausgabeprodukte aus der ersten Verbrennungsstufe
    50
    zweite Verbrennungsstufe
    52
    Verbrennungsprodukte aus der zweiten Verbrennungsstufe
    54
    synthetischer Gasbrennstoff

Claims (10)

  1. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30), aufweisend: eine erste Verbrennungsstufe (44), die dafür eingerichtet ist, mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft zu verbrennen, um Produkte der ersten Verbrennungsstufe zu erzeugen; und eine zweite Verbrennungsstufe (50), die dafür eingerichtet ist, die Produkte der ersten Verbrennungsstufe in Kombination mit angereichertem Sauerstoff zu verbrennen, um Produkte der zweiten Verbrennungsstufe mit einem niedrigeren Pegel an Stickoxidemissionen zu erzeugen, als sie durch die Verbrennung von verschlechterter Luft alleine oder stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.
  2. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 1, welches ferner eine Vorrichtung (34) für partielle Luftzerlegung aufweist, die dafür eingerichtet ist, ein mit Sauerstoff angereichertes Gas zu erzeugen, und ferner dafür eingerichtet ist, ein mit Stickstoff angereichertes Gas zu erzeugen.
  3. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 2, das ferner einen Luftmischer (40) aufweist, der dafür eingerichtet ist, mit dem mit Stickstoff angereicherten Gas verschlechterte Luft zu erzeugen.
  4. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 3, wobei mit Verdünnungsmitteln verschlechterte Luft die mit dem mit Stickstoff angereicherten Gas verschlechterte Luft aufweist.
  5. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 2, wobei der angereicherte Sauerstoff das mit Sauerstoff angereicherte Gas aufweist.
  6. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei die erste Verbrennungsstufe (44) ferner dafür eingerichtet ist, einen vorbestimmten Brennstoff in Kombination mit der verschlechterten Luft zu verbrennen, um die Produkte der ersten Verbrennungsstufe zu erzeugen.
  7. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Verbrennungsstufen (44), (50) mit einem trocken betriebenen emissionsarmen Brenner (46) zusammengefasst sind.
  8. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Verbrennungsstufen (44), (50) mit einem trocken betriebenen stickoxidarmen Brenner (46) zusammengefasst sind.
  9. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei der niedrigere Pegel von Stickoxid um 10 ppm niedriger als der von Produkten der zweiten Verbrennungsstufe ist.
  10. Gasturbinen-Verbrennungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei die Produkte (52) der zweiten Verbrennungsstufe erzeugt werden, während gleichzeitig Verbrennungswirkungsgrad und Kohlenmonoxidemissionen auf Pegeln gehalten werden, die durch Verbrennung von verschlechterter Luft alleine oder durch stufenweise Verbrennung alleine erzielbar sind.
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