DE1137266B

DE1137266B - Verfahren und Einrichtung zur Verbrennung von schwachmethanhaltigen Gasgemischen, insbesondere Grubenwettern

Info

Publication number: DE1137266B
Application number: DES68792A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Klaus Bursig; Dipl-Ing Wilhelm Simons
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-06-02
Filing date: 1960-06-02
Publication date: 1962-09-27

Description

Verfahren und Einrichtung zur Verbrennung von schwachmethanhaltigen Gasgemischen, insbesondere Grubenwettern Es sind Vorschläge bekanntgeworden, die in großen Mengen anfallenden Grubenwetter zur Energieerzeugung heranzuziehen und die in diesen Grubenwettern enthaltene geringe Methanmenge durch Verbrennung auszunutzen.. Bekanntlich bereitet die Verbrennung derartiger Gasgemische große Schwierigkeiten, weil zur Einleitung der Verbrennung Temperaturen von 1000° C und darüber erforderlich sind. Nun ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem zunächst ein gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff als Hilfsbrennstoff eine Zündflamme im Anfangsteilstück eines Brenners liefert, in dem die für die Verbrennung angestrebte Temperatur von über 1000° C erreicht wird. Dem Brennraum werden Teilmengen des zuvor durch einen Wärmeaustauscher vorgewärmten schwachmethanhaltigen Gasgemisches durch aufeinanderfolgende Einlässe zugeführt, so daß sich unter Aufrechterhaltung der Zündtemperatur eine fortgesetzte Verbrennung der eingeführten Teilmengen ergibt. Man kann hierbei anschließeird noch weitere Mengen des Gasgemisches unter Temperatursenkung und Vermeidung einer weiteren Verbrennung zuführen, um beispielsweise im Gasturbinenprozeß bestimmte Gastemperaturen vor dem Eintritt der Verbrennungsgase in die Turbine sicherzustellen.
Wenn auch auf dem angegebenen Weg die Möglichkeit gegeben ist, eine Verbrennung von Schwachgasmischungen zu erreichen, so bereitet doch die Ausbildung der Stufenkammer für die in Betracht kommenden hohen Temperaturen nicht unbeträchtliche Schwierigkeiten.
Durch die Erfindung wird eine wesentlich günstigere Verbrennung des schwachmethanhaltigen Gasgemisches bei wesentlich niedrigeren Temperaturen angestrebt, indem eine Verbrennung des Methangehalts in verschiedenen Kettenreaktionen - wie sie an sich bekannt sind - herbeigeführt wird. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß durch Verbrennung von hochprozentigem Methan unter Zutritt des den Sauerstoff liefernden Schwachgasgemisches eine Hilfsflamme erzielt wird und daß hierbei im Flammenkern unter gleichzeitiger Rufheizung des Gases die notwendigen Radikale erzeugt werden, welche Kettenreaktionen zur Verbrennung des Methans einleiten, wobei sich diese Reaktionen von der Hilfsflamme in das Schwachgasgemisch fortpflanzen.
Demnach ist für das erfindungsgemäße Verfahren charakteristisch die gleichzeitige Rufheizung des Gases durch die Hilfsflamme und die Abspaltung von Radikalen, so daß die Hilfsflamme die Einleitung von Kettenreaktionen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, beginnend bei 600° C, ermöglicht. Eine solche Verbrennung bei niedrigen Temperaturen wird nur dann erreicht, wenn hierbei - eine bestimmte Gastemperatur vorausgesetzt - beispielsweise folgende Radikale als Kettenträger vorhanden sind: CH"-, CH.-, OH-, O-, CH.O-, HCOO-.
Die verschiedenen Radikale bedingen verschiedene Reaktionsketten, wobei Druck und Temperatur für die einzelnen Ketten von maßgebendem Einfluß sind.
Wie Versuche zeigten, können arme Methanluftgemische durch unter Verwendung von hochprozentigen Methanmengen erzeugte Hilfsflammen vollkommen verbrannt werden, wenn bei einer Vorwärmtemperatur von 450° C und einem Methangehalt des Schwachgasgemisches von 1 Volumprozent etwa 40% der gesamten der Brennkammer zugeführten Wärmemenge aus der Hilfsflamme stammt, Bei höheren Drücken und höheren Vorheiztemperaturen kann der Anteil der mit der Hilfsflamme zugeführten Wärmemenge erheblich gesenkt werden, wobei noch eine Verminderung der Zündtemperatur erwartet werden kann.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit Gasturbinenanlagen angewendet, so kann die Vorwärmung des schwachmethanhaltigen Gasgemisches - wie an sich bekannt - durch Abgase der Gasturbine selbst erfolgen. Da bei einer vollständigen Verbrennung des Gasgemisches die aus der Brennkammer anfallenden Gase etwa eine Temperatur von 900° C aufweisen, kann dieses Gas, gegebenenfalls zusätzlich, in bekannter Weise durch einen Wärmeaustauscherabschnitt geführt werden, um die Schwachgasmenge aufzuheizen. Dabei werden die Abgase aus der Brennkammer auf die Turbineneintrittstemperatur abgekühlt, die durch die Werkstoffe der Turbine begrenzt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft in Gruben anwenden, in denen durch Anbohren der Flöze größere Methanmengen frei und abgesaugt werden. Das abgesaugte Gasgemisch, das etwa 40 bis 8011/o Methan (C H,1) enthält, wird dabei als Hilfsbrennstoff der Brennkammer benutzt.
Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand der Zeichnung erläutert werden, die eine Verbrennungseinrichtung für schwachmethanhaltige Gasgemische für eine Gasturbinenanlage wiedergibt. In der Fig. 1 bedeutet 1 die Gasturbine, die in bekannter Weise zum Antrieb von Verdichtern für die Grubenbewetterung oder von Generatoren dient. Die Gasturbine wird mit einem Gasgemisch betrieben, das in der Brennkammer 2 erzeugt wird. Der Brennkammer 2 werden aus einer primären Gasleitung 3 in verdichtetem Zustand schwachmethanhaltige Gasgemische, z. B. Grubenwetter, zugeführt. Außerdem wird der Brennkammer über eine Leitung 4 ein Hilfsbrennstoff in Form eines hochprozentigen Methanluftgemisches zugeleitet. Das hochprozentige Methangemisch tritt in den Brenner 5 der Brennkammer 2 ein. Das schwachmethanhaltige, über die Leitung 3 zugeführte Gemisch wird durch Einströmöffnungen 6 in die Brennkammer, gegebenenfalls unter Drallerzeugung, so hineingeführt, daß das Schwachgasgemisch die Flamme 5 a des hochprozentigen Methangemisches umhüllt.
Wesentlich ist für die Wirkungsweise der Brennkammer, daß das hochprozentige Methangemisch mit dem Sauerstoff des schwachmethanhaltigen Gasgemisches nach vorangehender Zündung verbrannt wird. Bei dieser Verbrennung tritt zunächst eine Rufheizung im Flammenkern ein, wobei Radikale auftreten, die Kettenreaktionen einleiten. Diese Kettenreaktionen pflanzen sich auf das schwachmethanhaltige Gasgemisch fort und bringen auf diesem Wege bereits bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (etwa 650° C bei 2 ata) das schwachmethanhaltige Gasgemisch zur vollständigen Verbrennung. Infolge der Verbrennung der gesamten zugeführten Methanbestandteile des Hilfsbrenngases und des armen Gasgemisches steigt innerhalb des Brennraumes der Brennkammer bei vollständiger Verbrennung die Gastemperatur auf einen höheren Wert, z. B. auf etwa 900° C an.
In der Anlage sind noch zwei Wärrneaustauscher 7 und 8 vorhanden. Der Wärmeaustauscher 7 ist vorgesehen, um den über die Leitung 9 zugeführten Abgasen der Turbine weitgehend die Restwärme zu entziehen und das über die Leitung 3 zugeführte schwachmethanhaltige Gasgemisch auf eine gewisse Temperatur - beispielsweise 400° C - vorzuwärmen. Der zweite Wärmeaustauscher 8 dient dazu, das Schwachgasgemisch weiter aufzuwärmen, wobei die Temperatur des dem Brennraum über die Leitung 10 entnommenen Gases auf eine für die Gasturbine zulässige Temperatur herabgesetzt wird, da bekanntlich im allgemeinen aus Materialgründen eine obere Grenze für die zulässige Temperatur des der Maschine zugeführten Gasgemisches gegeben ist. Diese liegt - wenn man von der Möglichkeit einer Wasser- oder Verdampfungskühlung absieht - in der Größenordnung von 700 bis 750''C.
Sind die zu verbrennenden Gasmengen sehr groß, so kann es unter Umständen Vorteile bieten, wenn der Hilfsbrenner in mehrere Hilfsbrenner aufgelöst wird. In diesem Fall werden die Einlaßöffnungen so in bezug auf die Hilfsbrenner angeordnet, daß die Hilfsflammen in gleichmäßiger Verteilung in den Gesamtstrom des Schwachgasgemisches eingeschaltet sind. Man kann vorzugsweise die Anordnung derart treffen, daß auf dem Boden der Brennkammer in symmetrischer Verteilung die Hilfsbrenner für das Hilfsbrenngas und ebenso verteilt zwischen diesen die Einlaßöffnungen für das Schwachgasgemisch angeordnet sind. Es ist jedoch bei dieser Anordnung auch möglich, die Einlaßöffnungen für das. Schwachgasgemisch wenigstens teilweise an dem Mantel der beispielsweise zylindrischen Brennkammer anzuordnen, andererseits ist es auch möglich, die Hilfsbrenner wenigstens zum Teil am Umfang des Brennkammermantels anzuordnen, wobei das Schwachgasgemisch durch Einlaßöffnungen am Brennkammerboden oder am Mantel der Brennkammer in diese eintreten kann. In der Fig. 2 ist noch eine Brennkammer mit mehreren Hilfsbrennern und zwischen diesen verteilten Einlaßöffnungen am Boden der Brennkammer angedeutet. Einzelheiten des beschriebenen Ausführungsbeispieles können selbstverständlich in beliebiger Weise abgewandelt werden. So kann von der Anwendung des einen oder anderen Wärmetauschers abgesehen werden, wenn es die Verhältnisse erfordern, und die Anwendung der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Gasturbinenanlagen beschränkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auch in der Weise abgeändert werden, daß zur Erzeugung der Hilfsflamme an Stelle von Methan ein anderer gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff zugeführt wird, der imstande ist, die für die Kettenreaktionen des Methans erforderlichen Radikale abzugeben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Verbrennen von schwachmethanhaltigen Gasgemischen, insbesondere Grubenwettern, die der Verbrennungszone nach Vorwärmung, z. B. auf eine Temperatur bis zu 600° C, zugeführt werden und unter Anwendung einer Hilfsflamrne, der ein gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff zugeführt wird, da-durch gekennzeichnet, daß die Hilfsflamme durch Verbrennung von hochprozentigem Methan oder von einem anderen gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoff geringen Molekulargewichts unter Zutritt des den Sauerstoff liefernden Schwachgasgemisches erzeugt wird und daß hierbei unter Rufheizung des Schwachgasgemisches die notwendigen Radikale erzeugt werden, die Kettenreaktionen zur Verbrennung des im Schwachgasgemisch enthaltenden Methans einleiten, wobei sich diese Reaktion von der Hilfsflamme in das Schwachgasgemisch hinein fortpflanzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Erzeugung der Hilfsflamme verwendete Methan aus der Grubenabsaugung gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Brennkammer austretende heiße Gasgemisch zur Begrenzung seiner Temperatur durch einen zur Aufheizung des Schwachgasgemisches, dienenden Wärmeaustauscher hindurchgeführt wird.
4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einer Brennkammer, die Zuleitungen für die Zuführung des Schwachgasgemisches von solcher Anordnung aufweist, daß die Hilfsflamme von dem Schwachgasgemisch eingehüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer einen zentral angeordneten Brenner für die Hilfsflamme sowie konzentrisch hierzu angeordnete Zuleitungen für die Zuführung des Schwachgasgemisches aufweist.
5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für große Gasvolumina mit mehreren Hilfsflammen, zwischen denen die Zuleitungen für das Schwachgasgemisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenkerne der Hilfsflammen in angenähert gleichmäßiger Verteilung in der Schwachgasmenge angeordnet sind und so eine vollkommene Verbrennung des Methangehaltes des Schwachgasgemisches sicherstellen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 876 621; französische Patentschrift Nr. 1058 920.