DE3545524A1 - Mehrstufenbrennkammer fuer die verbrennung von stickstoffhaltigem gas mit verringerter no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und verfahren zu ihrem betrieb - Google Patents

Mehrstufenbrennkammer fuer die verbrennung von stickstoffhaltigem gas mit verringerter no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und verfahren zu ihrem betrieb

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas bei geringer NO x - Emission nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer. Z. B. bei der Vergasung von Kohle mit Sauerstoff entsteht ein Gas mit mittlerem Heizwert, welches brennstoffgebundenen Stickstoff in Form von NH3 und HCN enthält. Auch manche anderen Brennstoffe enthalten Stickstoff in gebundener Form. Wird ein solcher Brennstoff in einer normalen Brennkammer verbrannt, so entsteht wegen der Oxydation des in der Verbrennung atomar freigesetzten Stickstoffs viel NO x . Außerdem können die Maximal-Temperaturen in einer Diffusionsflamme so hoch sein, daß viel thermisches NO x entsteht.
Verschiedene Wege zur Lösung dieser Problems sind bekannt, so können beispielsweise NH3 und HCN durch Gaswäsche zunächst entfernt werden, bevor die Verbrennung erfolgt. Dies erfordert jedoch einen hohen Gasreinigungsaufwand.
Folgende Literaturstelle gibt einen Überblick über Hintergrund und Umfeld des Standes der Technik bei stationären Gasturbinen:
Final Report "ADVANCED COMBUSTION SYSTEMS FOR STATIONARY GAS TURBINE ENGINES", Volume I, II, III, IV von R. M. Pierce et al, Pratt & Whitney Aircraft Group Government Products Division United Technologies Corporation West Palm Beach, Florida 33402; Contract No. 68-02-2136. Angefertigt für U.S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development, Washington, DC 20460. Nr. FR-11405 vom 31. März 1980.
Im Band III dieser Literaturstelle ist auf den Seiten 2 folg. ein Konzept zur Verbrennung von Brennstoffen mit gebundenem Stickstoff angegeben. Danach erfolgt zunächst eine Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches in einer Primärstufe und anschließend eine Restverbrennung bei hohem Luftüberschuß in einer Sekundärstufe. Außerdem ist bei dem dort beschriebenen Konzept eine Vormischkammer vorgesehen.
In einer Veröffentlichung der AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGIENEERS (ASME) Nr. 82-GT-29 mit dem Titel "Alternativ Fuels: Burner Concepts and Emission Characteristics of a Silo Combustor" von W. Krockow und H. Schabbehard ist ferner der Einfluß verschiedener Maßnahmen auf die NO x -Erzeugung bei der Verbrennung von Brennstoff mit gebundenem Stickstoff behandelt. Daraus ist es bekannt, daß ein hoher Anteil von Inertstoffe, beispielswesie molekularer Stickstoff, die NO x -Erzeugung reduziert. Wegen des niedrigen Heizwertes eines solchen Gemisches laufen alle Reaktionen auf niedrigem Temperaturniveau, daher aber auch sehr langsam ab. Dadurch werden große Brennkammern mit großen Oberflächen, die Kühlprobleme mit sich bringen, benötigt oder es wird eine zu niedrige Rekombintaionsrate von atomarem Stickstoff zu N2 erreicht.
Die o. g. Verbrennung in zwei Stufen hat den Vorteil, daß in der ersten brennstoffreichen Primärbrennkammer mit einer Luftzahl von λ = 0,6 bis 0,9 der Brennstoff zerfällt, wobei N rekombiniert, überwiegend zu N2, da NO wegen des Sauerstoffmangels nur wenig entstehen kann. Allerdings bringen die hohen Temperaturen in der Primärbrennkammer große Kühlprobleme mit sich, weil eintretende Luft reagiert und hohe wandnahe Temperaturen erzeugt. Außerdem entsteht beim Zumischen von Luft für die Nachverbrennung im Bereich einer Luftzahl von λ ≈ 1 sehr viel thermisches NO x , was auch durch schnelle Zumischung von Luft nicht völlig vermieden werden kann.
im Band II der o. g. Literaturstelle "ADVANCED COMBUSTION SYSTEMS. . . . . .", werden z. B. auf Seiten 10 und 11 Kühlsysteme für eine Primärbrennkammer beschrieben, jedoch sind die dort beschriebenen Lösungen aufwendig und, z. B. bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel, mit verschiedenen Problemen verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas, bei geringer NO x -Emission, welche bei kleinem Bauvolumen die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennkammer nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben. Entsprechende Verfahren zum Betrieb mit vorteilhaften Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 8 bis 13 angegeben.
Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, verbindet die vorliegende Erfindung zwei wesentliche Wege zur Reduzierung der NO x -Emission auf besonders wirksame Weise. Zunächst wird der prinzipielle Weg der mehrstufigen Verbrennung mit einer brennstoffreichen Primärstufe beschritten. Um jedoch das Bauvolumen der Primärstufe trotz hoher Verbrennungstemperaturen kleinhalten zu können und um die Wände vor Überhitzung zu schützen, ist die Primärstufe von einem Inertstoff-Zuführsystem umgeben und ihre Wände weisen eine Vielzahl von Öffnungen zum Einlaß eines Inertstoffes, vorzugsweise Stickstoff, auf. Dabei sind die Öffnungen so geformt, daß der Inertstoff entlang der Wände parallel zu den Verbrennungsgasen einströmt. Auf diese Weise wird die Verbrennungszone von den Wänden verdrängt, da dort kein Sauerstoff vorhanden ist und gleichzeitig werden die Wände durch den einströmenden Inertstoff gekühlt. Beide Effekte zusammen verringern die Wandtemperaturen ganz erheblich, obwohl im Inneren der Primärstufe hohe Verbrennungstemperaturen herrschen können. Grundsätzlich kann die Restverbrennung dann analog den bekannten Anordnungen erfolgen.
Besonders günstig ist es jedoch, am Ende der Primärstufe noch eine zusätzliche Menge Inertstoffe zuzuführen, bevor die Restverbrennung erfolgt. Durch die Zufuhr weiterer Inertstoffe am Ende der Primärstufe wird die Temperatur gesenkt, bevor ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl von λ ≈ 1 erreicht wird. So läßt sich die Reduzierung von thermischem NO x erreichen. Dabei kann grundsätzlich die Wahl des eigengespeisten Inertstoffes von dem verwendeten Brennstoff abhängig gemacht werden, wobei für stickstoffhaltige Kohlegase bevorzugt der ohnehin meist verfügbare Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage eingesetzt werden kann.
Für manche Anwendung ist es auch nicht unbedingt nötigt, hinter der Primärstufe getrennt Inertstoffe und Luft zuzuführen, da auch die gemeinsame Zuführung beider Stoffe schon erhebliche Vorteile mit sich bringt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber auf alle für das Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Teile, die bei Gasturbinen üblicherweise vorhanden sind, verzichtet wurde.
Die Zeichnung zeigt eine Brennkammer, welche prinzipiell zwei Stufen aufweist, nämlich eine Primärstufe 7 zur Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches und eine Sekundärstufe 11 zur Restverbrennung. Durch einen Gaseinlaß 1 und einen Lufteinlaß 2, der mit einem der besseren Vermischung dienenden Drallstern 3 versehen ist, wird in der Primärstufe 7 ein brennstoffreiches Gemisch erzeugt. Die Wände 8 der Primärstufe 7 sind von einem Stickstoff- Zuführsystem 4 umgeben und weisen Öffnungen 5 auf, durch welche Stickstoff in die Primärstufe 7 einströmen kann. Dabei sind die Öffnungen 5 so geformt, daß der Stickstoff bevorzugt entlang der Wände 8 in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase einströmt und so einen schützenden Mantel in der Nähe der Wände 8 bildet. Dieser Mantel verdrängt die Verbrennungszone von den Wänden 8, und außerdem kühlt der eintretende Stickstoff die Wände zusätzlich. Beide Effekte zusammen bewirken eine so starke thermische Entlastung der Wände, daß die Primärstufe sehr kompakt gebaut werden kann trotz der in ihrem Inneren herrschenden hohen Verbrennungstemperaturen. Der zugeführte Stickstoff beeinträchtigt den Verbrennungsvorgang in der Primärstufe nicht, wirkt sich aber bei der Restverbrennung als zusätzlicher Inertstoff positiv aus, indem er die Bildung von thermischem NO x behindert. Um diesen Effekt noch zu unterstützen und die Verbrennungsgase hinter der Primärstufe zunächst abzukühlen, weist diese in ihrem Endbereich weitere Einlaßöffnungen 6 zur Zufuhr größerer Mengen Stickstoff auf. Erst nachdem dieser zusätzliche Stickstoff sich mit den Verbrennungsgasen gemischt und diese abgekühlt hat, wird über Lufteinlässe 9 weitere Luft zugemischt, so daß die Restverbrennung bei Luftüberschuß erfolgen kann. Durch diese Maßnahmen entstehen in der Sekundärstufe 11 ebenfalls nur geringe Anteile NO x . Falls nötig, kann vor dem Auslaß 12 der Brennkammer durch weitere Einlässe 10 den Abgasen noch Mischluft zugeführt werden.
Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel stellt keinesfalls die einzige Ausführungsmöglichkeit der Erfindung dar. Die Kühlung einer Primärstufe zur Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches durch Zuführung von Inertstoffen im Wandbereich läßt sich auch in Verbindung mit anderen Anordnungen verwirklichen. So kann der Primärstufe prinzipiell eine Vormischstrecke vorgeschaltet sein, auch wenn die vorliegende Erfindung gerade auch geeignet ist, dies zu vermeiden. Ggf. ist ferner die Zusammenfassung der Einspeisung von Inertstoffen und Luft im Zwischenbereich zwischen Primärstufe und Sekundärstufe möglich, sofern dies durch sonstige Randbedingungen, wie beispielsweise Baulänge, erforderlich ist.

Claims (13)

1. Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas bei geringer NO x -Emission, bestehend aus mindestens einer Primärstufe (7) zur Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches mit einer Luftzahl etwa im Bereich λ = 0,6 bis 0,9, wobei das Gas über einen Gaseinlaß (1) und die Luft über einen Lufteinlaß (2), ggf. auch beide gemeinsam nach Durchlaufen einer Vormischstrecke, zuführbar sind, und mindestens einer Sekundärstrecke (11) zur Restverbrennung bei hohem Luftüberschuß etwa im Bereich λ = 1,3 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstufe (7) über ihre Wände (8) verteilt eine Vielzahl von Einlaßöffnungen (5) aufweist, welche mit einem Inertstoffzuführsystem (4) in Verbindung stehen.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (5) so geformt sind, daß der Inertstoff entlang der Wände (8) vorzugsweise in Gasströmungsrichtung, einströmen kann.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe (7) weitere Einlaßöffnungen (6) für größere Anteile Inertstoff vorhanden sind.
4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertstoff-Zuführsystem (4) mit Stickstoff speisbar ist.
5. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertstoffzuführsystem (4) wahlweise mit Stickstoff oder einem anderen Inertstoff, z. B. Dampf, speisbar ist.
6. Brennkammer nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärstufe (11) Lufteinlässe (10) zur Erhöhung der Luftzahl auf etwa λ = 1,3 bis 2 aufweist sowie ggf. Lufteinlässe (13) zur Mischluftzufuhr.
7. Brennkammer nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe (7) weitere Einlaßöffnungen (6) zur Zufuhr eines Inertstoff- Luft-Gemisches vorhanden sind.
8. Verfahren zur zweistufigen Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas bei geringer NO x -Emission, insbesondere in einer Brennkammer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zunächst eine Vorverbrennung in einer Primästufe (7) bei einer Luftzahl von etwa λ = 0,6 bis 0,9 und anschließend eine Nachverbrennung in einer Sekundärstufe (11) bei einer Luftzahl von etwa λ = 1,3 bis 2 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Primärstufe (7) über eine Vielzahl von Öffnungen (5) in den Wänden (8) der Primärstufe ein Inertstoff zugeführt wird, der die Wände (8) kühlt und die Verbrennungszone von den Wänden (8) entfernt hält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertstoff Stickstoff verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbrennung von nicht stickstoffhaltigen Brennstoffen andere Inertstoffe, z. B. Dampf, verwendet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe (7) zusätzliche Inertstoffmengen eingespeist werden, bevor die Nachverbrennung in der Sekundärstufe (11) einsetzt.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe (7) ein Inertstoff-Luft-Gemisch eingespeist wird zur Nachverbrennung in der Sekundärstufe (11).
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertstoff Stickstoff dient und dessen Gesamtanteil beim Eintritt in die Sekundärstufe (11) etwa 10 bis 70% Gewichtsanteil beträgt.
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