DE3545524C2 - Mehrstufenbrennkammer für die Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas mit verringerter NO¶x¶-Emission und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents
Mehrstufenbrennkammer für die Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas mit verringerter NO¶x¶-Emission und Verfahren zu ihrem BetriebInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer zur
Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas bei geringer NOx-
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 Brenn
kammer verbrannt, so entsteht wegen der Oxydation des in
der Verbrennung atomar freigesetzten Stickstoffs viel NOx.
Außerdem können die Maximal-Temperaturen in einer Diffu
sionsflamme so hoch sein, daß viel thermisches NOx ent
steht.
Verschiedene Wege zur Lösung dieses Problems sind bekannt,
so können beispielsweise NH₃ und HCN durch Gaswäsche zu
nächst entfernt werden, bevor die Verbrennung erfolgt.
Dies erfordert jedoch einen hohen Gasreinigungsaufwand.
Folgende Literaturstelle gibt einen Überblick über Hin
tergrund und Umfeld des Standes der Technik bei statio
nären 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 ge
bundenem Stickstoff angegeben. Danach erfolgt zunächst eine
Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches in einer
Primärstufe und anschließend eine Restverbrennung bei ho
hem Luftüberschuß in einer Sekundärstufe. Außerdem ist bei
dem dort beschriebenen Konzept eine Vormischkammer vor
gesehen.
In einer Veröffentlichung der AMERICAN SOCIETY OF ME-
CHANICAL ENGINEERS (ASME) Nr. 82-GT-29 mit dem Titel
"Alternative Fuels: Burner Concepts and Emission Charac
teristics of a Silo Combustor" von W. Krockow und H.
Schabbehard ist ferner der Einfluß verschiedener Maßnah
men auf die NOx-Erzeugung bei der Verbrennung von Brenn
stoff mit gebundenem Stickstoff behandelt. Daraus ist es
bekannt, daß ein hoher Anteil von Inertstoffen, beispiels
weise molekularer Stickstoff, die NOx 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
Rekombinationsrate 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 re
agiert und hohe wandnahe Temperaturen erzeugt. Außer
dem entsteht beim Zumischen von Luft für die Nachver
brennung im Bereich einer Luftzahl von λ ≈ 1 sehr
viel thermisches NOx, 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 Kühl
systeme für eine Primärbrennkammer beschrieben, jedoch
sind die dort beschriebenen Lesungen aufwendig und,
z. B. bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel, mit
verschiedenen Problemen verbunden.
In der DE 31 00 751 A1 ist ein Verfahren zum
stationären Gasturbine und einer mit dieser ausgerüsteten
Stromversorgungsanlage beschrieben. Hierbei wird zur
Verminderung der Bildung von thermischen Stickoxiden ein
sauerstoffarmes Luftgemisch aus einer Kohlevergasungsanlage
dem Einlaß des Verdichters der Gasturbine zugeführt. Der
Sauerstoffgehalt in dem Brenner der Gasturbine wird dadurch
auf 17 Vol.% bis 20 Vol.% gesenkt, so daß etwa 5 bis 20 Vol.%
der Luft durch Stickstoff ersetzt werden.
In der US-PS 2,636,345 ist ein Brenner einer einstufigen
Gasturbine beschrieben, in dem eine Kühlung der Verbrennungs
produkte erfolgt. Hierzu werden durch schraubenförmig ange
ordnete Öffnungen in einer Wand des Brenners Dampf oder zu
sätzliche Luft eingeführt, die sich schnell mit den Ver
brennungsprodukten vermischen. Hierbei entsteht bereits an
der Innenwand des Brenners eine Durchmischung der Ver
brennungsprodukte mit dem zugeführten Kühlmedium.
Die GB 2 116 308 A betrifft eine Gasturbinenanlage mit einer
zweistufigen Verbrennung, worin ein stickstoffhaltiger
flüssiger Brennstoff verbrannt wird. Eine Kühlung der Wand
des Brenners der Gasturbine wird nicht durchgeführt, vielmehr
ist die Innenwand des Brenners eine Keramik, wodurch eine
brennstoffreiche Verbrennung erreicht wird. Die Luftzahl,
d. h. das Verhältnis aus Verbrennungsluft zu Brennstoff, liegt
bei mindestens 0,4, vorzugsweise bei 0,6. Eine verbrennungs
luftreiche Verbrennung erfolgt bei einer Luftzahl von bis zu
2,5.
In der GB-PS 1 380 028 ist ein Dampfeinspritzsystem für eine
Gasturbine beschrieben. Hierbei werden in die Verbrennungs
zone einer einstufigen Verbrennung Dampf sowie Verbrennungs
luft durch Öffnungen in der Wand des Brenners eingeführt.
Durch eine Zuführung des Dampfes sowie der noch kühlen
Verbrennungsluft in den Brenner durch die Wand hindurch wird
eine Kühlung der heißen Verbrennungsprodukte erreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
einer Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem
Gas, bei geringer NOx-Emission, welche bei kleinem Bau
volumen trotz hoher Verbrennungstemperatur die Wände der Primär
zone vor Überhitzung schützt,
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. Ent
sprechende Verfahren zum Betrieb mit vorteilhaften Aus
gestaltungen sind in den Ansprüchen 8 bis 13 angegeben.
Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, ver
bindet die vorliegende Erfindung zwei wesentliche Wege
zur Reduzierung der NOx-Emission auf besonders wirksame
Weise. Zunächst wird der prinzipielle Weg der mehrstufi
gen Verbrennung mit einer brennstoffreichen Primär
stufe beschritten. Um jedoch das Bauvolumen der Primar
stufe 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 Öffnun
gen zum Einlaß eines Inertstoffes, vorzugsweise Stick
stoff, auf. Dabei sind die Öffnungen so geformt, daß der
Inertstoff entlang der Wände parallel zu den Verbrennungs
gasen einströmt. Auf diese Weise wird die Verbrennungs
zone von den Wänden verdrängt, da dort kein Sauerstoff vor
handen 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 Verbrennungstempe
raturen herrschen können. Grundsätzlich kann die Rest
verbrennung dann analog den bekannten Anordnungen erfol
gen.
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 Re
duzierung von thermischem NOx 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 Luftzer
legungsanlage eingesetzt werden kann.
Für manche Anwendungen ist es auch nicht unbedingt nötig,
hinter der Primärstufe getrennt Inertstoffe und Luft zu
zuführen, 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 Vor
verbrennung eines brennstoffreichen Gemisches und eine
Sekundärstufe 11 zur Restverbrennung. Durch einen Gasein
laß 1 und einen Lufteinlaß 2, der mit einem der besseren
Vermischung dienenden Drallstern 3 versehen ist, wird
in der Primärstufe 7 ein brennstoffreiches Gemisch er
zeugt. Die Wände 8 der Primärstufe 7 sind von einem Stick
stoff-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 Stick
stoff bevorzugt entlang der Wände 8 in Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase einströmt und so einen schützenden
Mantel in der Nähe der Wände 8 bildet. Dieser Mantel ver
drängt die Verbrennungszone von den Wänden 8, und außer
dem 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 herrschen
den hohen Verbrennungstemperaturen. Der zugeführte Stick
stoff beeinträchtigt den Verbrennungsvorgang in der Pri
märstufe nicht, wirkt sich aber bei der Restverbrennung
als zusätzlicher Inertstoff positiv aus, indem er die
Bildung von thermischem NOx 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 Luft
überschuß erfolgen kann. Durch diese Maßnahmen ent
stehen in der Sekundärstufe 11 ebenfalls nur geringe
Anteile NOx. Falls nötig, kann vor dem Auslaß 12 der
Brennkammer durch weitere Einlässe 10 den Abgasen noch
Mischluft zugeführt werden.
Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel stellt keines
falls 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 Pri
märstufe 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 NOx-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
Sekundärstufe (11) zur Restverbrennung bei hohem Luftüber
schuß etwa im Bereich λ = 1,3 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärstufe (7) über ihre Wände (8) verteilt eine
Vielzahl von Inertstoff-Einlaßöffnungen (5) aufweist, welche unmittelbar an
ein Inertstoffzuführsystem (4) angeschlossen sind,
das die Wände (8) umgibt.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß im Endbereich der Pri
märstufe (7) weitere Einlaßöffnungen (6) für größere An
teile Inertstoff vorhanden sind.
3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß im Endbereich der Primär
stufe (7) weitere Einlaßöffnungen (6) zur Zufuhr eines In
ertstoff-Luft-Gemisches 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, da
durch gekennzeichnet, daß die Sekundärstufe
(11) Lufteinlässe (10) zur Erhöhung der Luftzahl
aufweist.
7. Brennkammer nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sekundärstufe (11) Lufteinlässe (10) zur Mischluftzufuhr
aufweist.
8. Verfahren zur zweistufigen Verbrennung von stickstoff
haltigem Gas bei geringer NOx-Emission, insbesondere in
einer Brennkammer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
zunächst eine Vorverbrennung in einer Primärstufe (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 Verbrennungsgase durch
Ausbildung eines Inertstoff-Mantels von den Wänden (8) entfernt hält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (5) so
geformt sind, daß der Inertstoff entlang der Wände (8),
vorzugsweise in Gasströmungsrichtung, einströmen kann.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Inertstoff Stickstoff verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe
(7) zusätzliche Inertstoffmengen eingespeist werden, bevor
die Nachverbrennung in der Sekundärstufe (11) einsetzt.
12. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch ge
kennzeichnet, 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 Stick
stoff angeführt wird und dessen Gesamtanteil beim Eintritt in die
Sekundärstufe (11) etwa 10 bis 70% Gewichtsanteil beträgt.
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