DE4008698A1 - Verfahren zum trockenen verbrennen von kohlenwasserstoffen unter bildung eines geringen no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-gehaltes und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff und mehr im besonderen solche Verfahren, die eine Methode zum Vermindern der NO _x -Verbrennungsprodukte ein­ schließen.

Verfahren zum Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff werden viel in stationären Gasturbinen-Systemen zur Energieerzeugung benutzt. Die Verbrennungs-Nebenprodukte, die die Atmosphäre verunreinigen, sollen aufgrund der wachsenden Bedenken hinsichtlich der Qualität der Erdatmosphäre minimiert werden. Es werden daher Brennkammern für stationäre Gasturbinen-Systeme zur Energieerzeugung gefordert, die geringe Mengen an Stickstoffoxiden (NO, NO₂, N₂O etc., zusammen als NO _x bezeichnet) und von CO erzeugen. Solche Emulsionen führen zu saurem Regen und anderen Umweltproblemen. Das NO _x kann sich aus Reaktionen mit atmosphärischem Stickstoff ergeben, die zu "thermisch" und "prompt" gebildetem NO _x führen oder das NO _x kann sich aus am Brennstoff gebundenen Stickstoff (FBN) ergeben. Nach der gut begründeten Verbrennungstheorie erhält man NO _x nach dem "thermischen" Mechanismus aus atmosphärischem Stickstoff, der durch die Radikale gebunden wird, die für die Flammen-Initiierung und -Ausbreitung verantwortlich sind, wie die folgenden Gleichungen zeigen:

N₂+O=NO+N

N+O₂=NO+O

N+OH=NO+H

wobei die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit etwa durch die folgende Gleichung in SI-Einheiten gegeben ist:

Wegen der großen Aktivierungsenergie im Exponenten findet eine merkliche Bildung von NO _x unterhalb von etwa 1530°C nicht statt, was die Beschreibung "thermisch" bedingt.

Die Konzentration gewisser Radikalarten ist also wichtig, insbesondere bei geringen Drücken (in der Größenordnung des atmosphärischen Druckes). Die Radikale können in oberhalb des Gleichgewichtes liegenden Konzentrationen vorhanden sein, wie in einem Artikel von S.M. Correa et al. "Prediction and Measurement of a Non-equilibrium Turbulent Diffusion Flame", Zwanzigstes (Internationales) Symposium über Verbrennung, The Combustion Institute, Seiten 337-343, 1984 erläutert und den thermischen NO _x -Mechanismus verstärken. Da die die Radikale verbrauchenden Reaktionen bei den relativ hohen Drücken in energieerzeugenden Systemen schneller ablaufen, wird der Grad des Supergleichgewichtes und der sich daraus ergebenden Überschuß-Radikale vermindert. Hinsichtlich einer weiteren Diskussion über die Bildung von thermischen NO _x siehe die folgenden Artikel: M.C. Drake et al., "Superequilibrium and Thermal Nitric Oxide Formation in Turbulent Diffusion Flames", Comb. Flame, 69, Seiten 347-365, 1987; "Nitric Oxide Formation from Thermal and Fuel-Bound Nitrogen Sources in a Turbulent Non-Premixed Syngas Flame", Zwanzigstes Symposium (Int) über Verbrennung, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1983-1990, 1984 und S.M. Correa, "NO _x Formation in Lean Premixed Methane Flames", Engineering Systems Laboratory, 89CRD001, Januar 1989.

Das Vorherrschen von thermischem NO _x in konventionellen Brennkammern (Brennstoff und Luft nicht vorvermischt), was den hohen Temperaturen in den turbulenten Mischgrenzflächen zuzuschreiben ist, hat zur Wasser- oder Dampfinjektion zur NO _x -Steuerung geführt. Bei diesem Herangehen absorbiert injiziertes Wasser oder Dampf Wärme, vermindert die Spitzentemperaturen auf unterhalb der Schwelle zur NO _x -Bildung und vermindert so die NO _x -Emission. Die geringeren Temperaturen haben die unerwünschte Nebenwirkung des Abschreckens von CO verbrauchenden Reaktionen, so daß die CO-Mengen zunehmen und die Lebensdauer und Wirksamkeit der Brenn- Kammer vermindert werden. Die Technik der Injektion der Injektion von Wasser oder Dampf ist daher nicht ideal.

Promptes NO _x wird so bezeichnet, weil es sich (in Kohlenwasserstoff- Flammen) sehr rasch bildet, wenn atmosphärischer Stickstoff durch Alkylreste, z. B. CH, CH₂, CH₃ gebunden wird. Letzteres erfolgt in der Kohlenwasserstoffverbrennungs-Kinetikkette. Der Stickstoff wird als Cyanid (HCN, CN) gebunden, was zu NH _i - Verbindungen führt und schließlich durch sauerstoffhaltige Radikale zu NO _x oxidiert. Dieser Mechanismus erfordert nicht die hohen Temperaturen des thermischen Mechanismus, so daß promptes NO _x einer Steuerung durch Wasser- oder Dampfinjektion nicht zugänglich ist. FBN-NO _x ist sehr ähnlich, da der an den Brennstoff gebundene Stickstoff als NH _i -Verbindungen extrahiert wird, die zu NO _x oxidiert werden. FBN treten z. B. in Kohle auf und auch in sogenanntem "schmutzigen" Gas, das aus Kohle erhalten wird. Promptes NO _x ist jedoch nicht so sehr ein Problem wie FBN. Bei typischen Anwendungen kann FBN-NO _x in der Größenordnung von 500 ppm oder mehr vorliegen, während "konventionelle" Brennkammern mit Brennstoff ohne FBN 100 bis 300 ppm thermisches NO _x und 10 bis 30 ppm promptes NO _x ergeben. Es wäre erwünscht, schmutzigen (FBN)-Brennstoff mit weniger als 100 ppm NO _x und sauberen Brennstoff mit weniger als 10 ppm NO _x zu verbrennen.

Beschränkungen von Energieanlagen fordern, daß die Stabilität, das Abschaltverhältnis (d. h. Energieänderungen aufgrund von geringeren Energieanforderungen) und die Wirksamkeit ähnlich solchen von derzeitigen Ausrüstungen sein sollen. Steuertechniken für NO _x ohne Wasser- oder Dampfinjektion werden als "trockene" Verbrennung bezeichnet. Es sind zwei trockene Verbrennungstechniken, die einen geringen NO _x -Gehalt ergeben, vorgeschlagen worden:

• (i) Die Fett-Mager-Stufenverbrennung (ursprünglich zur thermischen und FBN NO _x -Steuerung beabsichtigt, doch aus den unten angegebenen Gründen nicht erfolgreich) und
• (ii) Magere Verbrennung mit Vorvermischung (zur thermischen NO _x - Steuerung beabsichtigt).

Bei der stufenweisen fetten-mageren Verbrennung wird die Brennkammer in eine erste Zone, die fett (Äquivalenzverhältnis Φ≅ 1,3 bis 1,8, wobei Φ=1 für stöchiometrische Bedingungen, Φ<1 für die fette und Φ<1 für die magere Verbrennung steht) und eine zweite Zone unterteilt, die mager betrieben wird. Wegen der Bedingungen außerhalb der Stöchiometrie sind die Temperaturen in jeder Zone für die NO _x -Bildung über den "thermischen" Mechanismus zu gering (d. h. sie liegen unterhalb von etwa 1530°C).

Bei den abgestuften Systemen nach dem Stande der Technik erfolgt jedoch das Vermischen der Luft mit dem aus der fetten Zone Ausströmenden bei endlichen Geschwindigkeiten und kann die Bildung von heißen, beinahe stöchiometrischen Wirbeln nicht verhindern. Die dazugehörigen hohen Temperaturen führen zur reichlichen Produktion von thermischem NO _x , die bei Temperaturen oberhalb von etwa 1530°C beginnt. Dies erfolgte sowohl im Laboratoriumsmaßstab als auch in einer Haupt-Gasturbinenausrüstung (100 MW- Klasse). Brennkammern für fette Gemische sind jedoch für Brennstoffe geeignet, die einen merklichen Gehalt an gebundenem Stickstoff aufweisen, da die Menge an Sauerstoff, die zur Erzeugung von FBN-NO _x verfügbar ist, begrenzt ist.

Brennkammern mit mageren Vormischungen, die brauchbar sind, wenn der Brennstoff keinen Stickstoff enthält, werden mit einem mageren (bei flüssigem Brennstoff vorverdampften) vorgemischten Brennstoff/Luft-Strom bei Φ≅0,7 versehen. Die sich ergebenden Temperaturen sind regelmäßig zu gering (d. h. unter etwa 1530°C), um den thermischen NO _x -Mechanismus zu aktivieren. Detaillierte Untersuchungen der chemischen Kinetik zweier solcher Brennkammern durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben zu der Feststellung geführt, daß der größte Teil des NO _x durch den "prompten" NO _x -Mechanismus erzeugt wird, der oben beschrieben ist (man erinnere sich, daß FBN nicht vorhanden ist). Dies bildet eine untere Grenze für die in gegenwärtigen Brennkammern für Kohlenwasserstoffbrennstoffe erhältliche minimale NO _x -Menge. Fortgeschrittene Brennkammern im Entwicklungsstadium der Anmelderin dieser Anmeldung haben eine scheinbare 30 bis 40 ppm NO _x - Barriere erreicht (unter Verwendung von sauberem Erdgas, das die gesamte NO _x -Produktion minimiert). Diese Barriere kann nur unter Zunahme an CO und einem unannehmbaren Verlust an Flammenstabilität durchstoßen werden. Solche (mageren) Brennkammern erzeugen auch unannehmbar hohe Mengen an NO _x aus FBN-Verbindungen im Brennstoff, falls solche vorhanden. Somit hat jedes System nach dem Stande der Technik seine Vor- und Nachteile.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das aus einer fett-gefahrenen Brennkammer Ausströmende abgekühlt, um eine Zündung während des Vermischens zu einem mageren Gemisch zu verhindern. Zündung und Flammenstabilisierung erfolgen erst, nachdem die magere Mischung erhalten ist. Nach einer Ausführungsform wird ein Teil der Luft unter fetten Bedingungen (z. B. einem Gesamt- Äquivalenzverhältnis Φ=2,5 bis 3,0) verbrannt, um einen teilweise verbrannten Strom zu erzeugen, der CO und H₂ enthält, die manchmal als Synthesegas bezeichnet werden und weiter sehr wenig CH₄ (den ursprünglichen Brennstoff), CO₂ und H₂O. Der heiße Gasstrom wird dann mittels Expansion durch eine Turbine oder mittels eines Wärmeaustauschers gekühlt. Der gekühlte Gasstrom wird mit dem restlichen Teil des Luftstromes ohne Zündung vermischt. Dann verbrennt man den mageren Strom (z. B. Φ=0,5 bis 0,6).

Die Erzeugung von NO _x wird aufgrund der relativ kühlen Temperaturen im fetten und mageren Verbrennungszyklus, deren Temperaturen unterhalb der für die Erzeugung von thermischen NO _x -Niveau liegen, minimiert. Das prompte NO _x wird auch minimiert, da die Menge an CH in den mageren Zyklen vernachlässigbar ist. FBN- NO _x wird minimiert, weil die fette Brennkammer mit zu wenig Sauerstoff für die Erzeugung von NO _x betrieben wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungszyklus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungszyklus gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im schematischen Diagramm der Fig. 1 wird ein beispielhaftes Verbrennungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dem gezeigten System umfaßt eine Hauptverbrennungsmaschine 10 einen Kompressor 12, einen Gasmischer 14 und eine primäre Brennkammer 16, deren Verbrennungsprodukte eine Turbine 18 antreiben. Ein System, das Kompressor 12, Mischer 14, Brennkammer 16 und Turbine 18 umfaßt, ist z. B. von der General Electric unter der Serienbezeichnung MS7000 erhältlich zum Antrieb eines 100 MW-Generators. Eine zweite Brennkammer 20 ist zur Aufnahme von 100% des Brennstoffes an einem Einlaß gekoppelt, wobei der Brennstoff vorzugsweise Methan, Kohle, Kohlegas oder ein flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoff ist. Das von der Brennkammer 20 Abgegebene wird in eine Gaskühlstufe 22 überführt, die eine Turbine oder Ausdehnungsdüsen umfassen kann, um das von der Brennkammer 20 erzeugte Gas zu kühlen. Der Einlaß der Brennkammer 20 erhält X% der Luft des Kompressors 12. Der übrige Teil der Luft (100-X%) wird dem Mischer 14 der Hauptmaschine 10 zugeführt.

Die Brennkammer 20 kann eine ähnliche Konstruktion haben, wie die Brennkammer in einem handelsüblichen Gasturbinengenerator, der als General Electric Company-Modell LM500 bekannt ist. Das Modell LM500 schließt jedoch einen Brennstoffkompressor und einen Luftkompressor zum Komprimieren des der Brennkammer 20 zugeführten Brennstoffes und der zugeführten Luft ein. Bei der dargestellten Ausführungsform der Maschine 10 ist jedoch der Luftkompressor nicht eingeschlossen, da die Luft durch den Kompressor 12 komprimiert wird und der Brennstoff komprimiert und dem Eingang der Brennkammer 20 zugeführt wird. Die Kühlstufe 22 kann eine Turbine einschließen, wie sie im LM500-Gasgenerator verfügbar ist. Eine Turbine ist für die Gaskühlstufe jedoch nicht wesentlich.

100% des Brennstoffes werden der Brennkammer 20 zugeführt, die diesen Brennstoff in einer fetten Verbrennungsmischung mit einer relativ geringen Menge an Luft, die über den Kompressor 12 zugeführt wird, verbrennt. So kann z. B. die Menge der der Brennkammer 20 zugeführten Luft 10% der dem Mischer 14 vom Kompressor 12 zugeführten Luft betragen. Die Verbrennungsprodukte werden der Kühlstufe 22 bei einer relativ heißen Temperatur zugeführt. Die Temperatur liegt unterhalb von etwa 1530°C, bei der thermisches NO _x erzeugt wird. Wegen der fetten Verbrennung ist für den Verbrennungsprozeß in der Brennkammer 20 wenig Sauerstoff verfügbar und die Temperatur der Brennkammer übersteigt daher nicht die Schwellentemperatur, bei der thermisches NO _x erzeugt wird. Die relativ fetten Eigenschaften des Verbrennungsprozesses erzeugen wenig O, OH und andere oxidierende Radikale im Verbrennungsprozeß, was die Menge an promptem NO _x minimiert. Auch begünstigt der fette Verbrennungsprozeß das Reformieren, d. h. er vermeidet die Erzeugung von CH-Gasprodukten und erzeugt stattdessen Gasprodukte, die hauptsächlich CO und H₂ umfassen. Die Mischung aus CO und H₂ wird häufig als Synthesegas bezeichnet. Die FBN-Bestandteile, wenn vorhanden, werden in N₂ (molekularen Stickstoff) umge­ gewandelt.

Die Verbrennungswirksamkeit der Brennkammer 20 liegt angenommenermaßen allgemein bei etwa 75% und daher bleiben etwa 25% des Brennstoffes in den Synthesegasprodukten unverbrannt. Die Brennkammer 20 arbeitet, da relativ fett betrieben, bei einem Äquivalenzverhältnis ER von etwa 2,5 bis 3. Natürlich variiert das Äquivalenzverhältnis zwischen dem Kopfende und dem Ausgang der Brennkammer 20. Das Ausgangs-ER liegt im angegebenen Bereich, wobei der Wert des Kopfendes innerhalb der fetten Stabilitätsgrenze geringer ist. Die Brennkammer 20 ist beispielhaft für ein komplexeres System, bei dem eine abgestufte Brennkammer mit zu den Produkten einer fetten primären Zone mit einem Φ von etwa 2 hinzugefügtem weiteren Brennstoff versehen wird. Der zugefügte Brennstoff fördert das Reformieren. Da die Temperatur unterhalb des Schwellenwertes für die Erzeugung thermischen NO _x liegt, ist dieses thermische NO _x am Ausgang der Brennkammer 20 im wesentlichen vernachlässigbar. Der Verbrennungsprozeß maximiert CO und H₂ sowie die Brennstoffumwandlung.

Die Kühlstufe 22 kann entweder eine Turbine oder ein Wärmeaustauscher sein, um das von der Brennkammer 20 erzeugte heiße Synthesegas abzukühlen und Leistung oder Wärme zu liefern, wie bei einer gegebenen Ausführungsform erforderlich. Die Abgabe einer solchen Turbine oder eines Wärmeaustauschers ist derart, daß das Synthesegas bis zu einer Temperatur unterhalb der Zündtemperatur abgekühlt wird, bevor es dem Mischer 14 im System 10 zugeführt wird. Diese Stufe ist kritisch.

Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält das von der fett betriebenen Brennkammer 20 erzeugte Synthesegas eine vernachlässigbare Gesamtmenge an NO _x wegen der geringen Temperatur und dem Mangel an oxidierenden Bestandteilen. FBN-Bestandteile werden in N₂ umgewandelt. Bei der Überführung zum Mischer 14 ist es jedoch wichtig, daß das Synthesegas auf eine Temperatur abgekühlt wird, die ausreichend gering ist, daß die Temperaturen im Prozeß des turbulenten Vermischens im Mischer 14 unterhalb der Schwelle für die Erzeugung von thermischem NO _x bleiben. Ohne das durch die Stufe 22 bewirkte Kühlen würde das von der Brennkammer 20 erzeugte heiße Synthesegas beim Vermischen mit Luft im Mischer 14 zur Zündung und Entflammung und zur Bildung von reichlich thermischem NO _x führen. Da das Synthesegasprodukt der Brennkammer 20 einen geringen Anteil an CH-Komponenten enthält, gibt es wenig promptes NO _x im System 10.

Die Brennkammern 16 und 20 schließen komplexere Verbrennungssysteme ein, einschließlich Primärbrennern (Kopfenden) und stromabwärts zugefügte Luft im Falle der Brennkammer 16, wie dies üblich ist und die stromabwärts erfolgende Zufuhr von Brennstoff im Falle der Brennkammer 20. Nimmt man an, in der Brennkammer 20 sei ein Vorbrenner enthalten, dann kann die Kühlstufe 22 mit einer Druckverminderungsdüse versehen sein, die den Druckabfall zum Mischen, der üblicherweise etwa 4% beträgt, erhöht. Luft, die zum Mischen zur Erzielung magerer Hauptbrennerbedingungen erforderlich ist, läßt man über Strahlen innerhalb einer solchen nicht dargestellten Düse eintreten. Bei Gebrauch einer solchen Düse können sowohl das Abkühlen als auch das Vormischen beide in der Düse stattfinden. In diesem Falle würde der Mischer 14 durch das in der Düse stattfindende Mischen darin kombiniert sein. Sonst vermischt der Mischer 14 das gekühlte Synthesegas, das sich bei einer Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur für die Erzeugung von thermischem NO _x von 1530°C befindet, mit Luft bei der Kompressortemperatur von z. B. etwa 315°C.

Das Vermischen des Synthesegases mit dem größten Teil des Luftstromes erzeugt einen mageren vorgemischten Strom mit einem Äquivalenzverhältnis Φ von etwa 0,5 am Kopfende der Brennkammer 16 und etwa 0,3 am Ausgang. Der Mischprozeß des Mischers 14 oder der nicht dargestellten Düsen findet bei einer ausreichend tiefen Temperatur statt, so daß eine Flamme und thermisches NO _x während der Verdünnung nicht gebildet werden können.

Relativ vernachlässigbare Mengen an Kohlenwasserstoffen sind am Mischer 14 verfügbar, da nur Luft vom Kompressor 12 beim Mischer 14 zu dem von der Brennkammer 20 erzeugten Synthesegas hinzugefügt wird. Es wird daher sehr wenig promptes NO _x in der Brennkammer 16 erzeugt. Die besonderen Betriebspunkte für die Brennstoff- und Luft-Mischer und die Drücke und Temperaturen können durch Analyse und experimentelle Variationen der Komponenten für eine gegebene Ausführungsform ausgewählt werden. Im besonderen werden die Stöchiometrien der Brennkammern 16 und 20 zur Erzeugung maximaler Leistung an der Turbine 18 optimiert. Ein elektrischer Generator oder eine andere Nutzungseinrichtung, die mit der Turbine 18 gekoppelt sind und dadurch angetrieben werden, sind nicht gezeigt.

Da die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen und FBN-NO _x im Synthesegas oder der Kühlstufe 22 minimiert sind und weil die Erzeugung von thermischem NO _x durch Halten der Temperaturen unterhalb der Schwellentemperatur minimiert ist, kann der der Brennkammer 20 zugeführte Brennstoff Kohlegas, flüssige Brennstoffe oder andere Arten von Brennstoffen mit relativ hohem Gehalt an im Brennstoff gebundenen Stickstoff umfassen. Wendet man den oben beschriebenen Prozeß in Verbindung mit Fig. 1 an, dann beeinflußt die Tatsache, daß die in der Brennkammer 20 benutzten Brennstoffe reich an Stickstoff sind, die erhaltenen Produkte im Synthesegas am Ausgang der Kühlstufe 22 nicht. Stickstoff in FBN-Bestandteilen wird zu N₂ umgewandelt.

Die Brennkammer 20 kann z. B. mit etwa 0,45 kg/s Methan (CH₄) sowie etwa 2,25 kg/s an Luft versehen werden. Die Brennkammer 20 hat, wie oben erwähnt, ein Gesamt-Äquivalenzverhältnis von etwa 3. Das aus der Kühlstufe 22 austretende Synthesegas umfaßt etwa eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,45 kg/s Kohlenmonoxid plus Wasserstoff (CO+H₂), der Rest ist hauptsächlich N₂ (Stickstoff). Dieses wird mit etwa 6,75 kg/s an Luft kombiniert und dem Mischer 14 zugeführt. Luft zum Verdünnen und Kühlen wird der Brennkammer 16 mit etwa 3,4 kg/s zugeführt, um am stromabwärts gelegenen Ausgang ein Äquivalenzverhältnis Φ von etwa 0,3 zu schaffen. Dieser Prozeß ergibt eine etwaige NO _x -Menge von 5 ppm NO _x . Den Brennkammern 20 und 16 werden Brennstoff und Luft an verschiedenen Eingängen am Kopfende und an stromabwärts gelegenen Eingängen zugeführt, wie dies bei üblichen Brennkammern der Fall ist. Die Brennkammer 16 benutzt Luft für die stromabwärts gelegenen Zugaben, während bei der Brennkammer 20 bei den stromabwärts gelegenen Eingängen Brennstoff zugeführt wird.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform mit zwei selbständigen handelsüblichen Verbrennungsmaschinen gezeigt, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Ein Kompressor 200 komprimiert den gesamten Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie Methan, zu einem Druck von etwa 20 bar und führt den komprimierten Brennstoff dem kombinierten Brennkammermischer 202 zu. Der Kompressor 204 liefert einen Anteil von X% der insgesamt erforderlichen Luft. Der Kompressor 204 führt komprimierte Luft der Brennkammer 202 zu. Die Brennkammer 202 besteht aus einem Kopfende, das nahe der fetten Grenze betrieben wird, wobei stromabwärts eine Zugabe von weiterem Brennstoff erfolgt, um die erforderliche Stöchiometrie zu erzielen. So kann X z. B. 10% der insgesamt erforderlichen Luft betragen. Die Brennkammer 202 verbrennt die Brennstoff/Luft- Mischung und führt die verbrannten Verbrennungsprodukte einer Turbine 206 zu. Der Zweck der Turbine 206 ist ähnlich dem der Kühlstufe 22 der Fig. 1, die ein Abkühlen der heißen Verbrennungsgase ergibt, um ein gekühltes Synthesegas aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) zu erzeugen. Das gekühlte Synthesegas wird dem Eingang des Mischers 208 zugeführt. Die übrige erforderliche Luft führt man dem Kompressor 210 zu. Wurden z. B. 10% der Luft dem Kompressor 204 zugeführt, dann führt man 90% der insgesamt zum Verbrennen erforderlichen Luft dem Kompressor 210 zu. Der Kompressor 210 schafft einen Druck von etwa 10 bar bei der dem Mischer 208 zugeführten Luft. Der Mischer 208 vermischt die Luft vom Kompressor 210 mit dem gekühlten Synthesegas der Turbine 206. Das gemischte gekühlte Gasprodukt führt man der Brennkammer 212 zu, deren heiße Gasprodukte zu einer Turbine 214 gelangen, die einen nicht dargestellten Generator antreibt.

Bei einem Rechnungsbeispiel zur Überprüfung des Verfahrens wurden etwa 0,23 kg/s Methan als Brennstoff dem Kompressor 200 zugeführt. Dies erfolgte beim atmosphärischen Druck bei Raumtemperatur (16°C). Zum Methan gab man 0,3% NH₃ (Ammoniak) hinzu. Das Ammoniak stellt an Brennstoff gebundenen Stickstoff in einem aus Kohle erhaltenen gasförmigen Brennstoff dar. Die Wirksamkeit des Brennstoffkompressors 200 wird zu etwa 0,9 angenommen. Das den Kompressor 200 verlassende Gas hat eine Temperatur von etwa 360°C.

Der Kompressor 204 komprimiert etwa 1,2 kg/s Luft, die mit Atmosphärendruck bei Raumtemperatur zugeführt wird. Die den Kompressor 204 verlassende Luft hat eine Temperatur von etwa 450°C und an beiden Ausgängen der Kompressoren 200 und 204 herrschen 20 bar. Die Brennkammer 202 vermischt Brennstoff und Luft und verbrennt die Kombination mit Φ bei etwa 2,0 am Kopfende und 3,0 an der Ausgangsöffnung. Die die fette Brennkammer 202 verlassende Mischung hat eine Temperatur von etwa 1380°C. Es wurde errechnet, daß die Produkte der Brennkammer 202 weniger als 1 ppm NO _x enthalten, welcher Wert bei abnehmendem Äquivalenzverhältnis zunimmt. Es wurde auch geschätzt, daß etwa 750 ppm NH _i , HCN vorhanden sind. Die Gasprodukte der Brennkammer 202 werden der Turbine 206 zugeleitet, die bei einem Druckverhältnis von etwa 2 : 1 betrieben wird, was zum Kühlen der Brennkammer-Gasprodukte und zum Erzeugen eines gekühlten Synthesegases in der Leitung 207 führt.

Die Brennkammer 202 verbrennt eine fette Brennstoff/Luft-Mischung zu der im stromabwärts gelegenen Bereich der Brennkammer weiterer Brennstoff hinzugefügt wird. Dies führt zur Reduktion der anfänglichen Produkte durch den stromabwärts hinzugefügten Brennstoff. Dieser Prozeß wird als "reformieren" bezeichnet, weil die Produkte des Synthesegases der Leitung 207 statt Brennstoff und Verbrennungsprodukte in erster Linie CO und H₂ sind. Die NO _x -Emissionen der Leitung 207 sind aufgrund der relativ geringen Temperaturen und des Mangels an oxidierenden Radikalen, wie O und OH, in der Brennkammer 202 gering. Dies wurde durch Laboratoriumsversuche und kinetische Untersuchungen bestätigt. Der Ausgangsdruck der Turbine 206 auf der Leitung 207 beträgt etwa 10,5 bar und das die Turbine Verlassende hat eine Temperatur von etwa 1170°C. Wird das Äquivalenzverhältnis am Kopfende der Brennkammer 202 zu hoch eingestellt, dann kann die Flamme in der Brennkammer instabil werden. Es kann auch zu viel Ruß geben, weil die Kombination aus Gas, Brennstoff und Luft zu fett ist. Weiter kann es eine zu starke Produktion an NO _x geben, da das Φ vermindert wird. Aus diesem Grunde ist es bevorzugt, daß am Kopfende das Φ der Brennkammer 202 im Bereich von 2 bis 2,5 liegt und stromabwärts weiterer Brennstoff hinzugegeben wird.

Dem Kompressor 210 wird die übrige Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 11,6 kg/s und, bei diesem Beispiel, bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck zugeleitet. Der Kompressor 210 arbeitet bei einer Wirksamkeit von 0,9. Der Ausgangsdruck des Kompressors 210 beträgt 10 bar, und die ihn verlassende Luft hat eine Temperatur von etwa 315°C. Diese Luft wird im Mischer 208 mit dem gekühlten Synthesegas vermischt und der Mager-Brennkammer 212 zugeführt. Die Mager-Brennkammer 212 hat am Kopfende ein Φ von etwa 0,6 und am Ausgang ein Φ von etwa 0,3. Die Verbrennungsprodukte am Ausgang der Brennkammer 212 haben eine Temperatur von etwa 1015°C und enthalten etwa 58 ppm NO _x und weniger als 1 ppm CO. Man erinnere sich, daß der Brennstoff FBN (0,3%) enthielt. Die Turbine 214 arbeitet mit einer angenommenen Wirksamkeit von 0,9 und der Ausgang hat eine Temperatur von etwa 540°C bei einem Druck von etwa 1 bar. Die 58 ppm NO _x und die weniger als 1 ppm CO-Produkte, die durch die Brennkammer 212 erzeugt werden, sind in Anbetracht der Verbrennung des 3% Ammoniak enthaltenden unreinen Brennstoffes, der dem Kompressor 200 zugeführt wird, ausgezeichnet. Normalerweise erzeugt ein solcher verunreinigter Brennstoff hunderte von ppm an NO _x . Natürlich erzeugen verschiedene Verhältnisse von Brennstoff, Luft und Verunreinigungen des Brennstoffes, wie FBN, verschiedene Werte der Temperatur bei den verschiedenen Stufen. Die 10% Luft, die dem Kompressor 204 zugeführt werden und die 90% Luft, die dem Kompressor 210 zugeführt werden, werden für eine Ausführungsform als optimal angesehen. Die Turbine 214 wird dann benutzt, um einen elektrischen Generator oder eine andere Nutzungseinrichtung anzutreiben.

Die Turbine 206 verursacht die Expansion der aus der Brennkammer austretenden Gase und vermindert die Temperatur des Synthesegases bis auf einen Wert, bei dem das Vermischen im Mischer 208 ohne vorzeitige Zündung erfolgen kann. Der Ausgangsdruck der Turbine 206 ist größer als der Betriebsdruck der Brennkammer 212 um etwa 5% (10,5 bar gegenüber 10 bar), um das Vermischen des Synthesegases der Leitung 207 und der Luft vom Kompressor 210 zu einer insgesamt mageren Mischung zu erleichtern. Die oben angegebenen Werte mit bezug auf die Anteile von Brennstoff zu Luft, die Wirksamkeiten der Kompressoren und Turbinen und die etwaigen Temperaturen beruhen auf Berechnungen der verschiedenen Betriebspunkte, Emissionen und der thermischen Gesamtwirksamkeit. Diese verschiedenen Annahmen sind in den Berechnungen enthalten, wie angegeben.

Die Gesamtströmungsgeschwindigkeit von Brennstoff und Luft ist verträglich mit Brennkammer-Kannen bzw. -Töpfen in derzeitigen Energieerzeugungsmaschinen. Die Berechnung der Zykluswirksamkeit der Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt, daß die Wirksamkeit von 30,7% vergleichbar ist mit einer Grundmaschine, die Kompressor 210, Mischer 208 und Brennkammer 212 umfaßt, wobei man bei der gleichen Niveau-Genauigkeit bei der Berechnung eine Zykluswirksamkeit von 30,5% erhält. Die geringfügige Verbesserung der Zykluswirksamkeit ist teilweise der direkten Verbesserung des Brayton-Zyklus mit den angegebenen Druckverhältnissen zuzuschreiben, da die Brennkammer 202 bei einem Druck von 20 bar betrieben wird, verglichen mit dem Druck von 10 bar bei der Brennkammer 212.

Claims (21)

1. Vorrichtung zum trockenen Verbrennen von Kohlenwasserstoffen unter Bildung eines geringen NO _x -Gehaltes, umfassend:
eine erste Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen eines fetten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes bei einem Äquivalenzverhältnis (ER), das ausreichend größer ist als eins, um heiße Verbrennungsgasprodukte zu erzeugen, die im wesentlichen CO und H₂ sowie eine vernachlässigbare NO _x - Menge umfassen;
eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Verbrennungsgasprodukte auf eine Temperatur unterhalb der, bei der eine Zündung und eine thermische NO _x -Bildung auftreten und
eine zweite Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen der gekühlten Verbrennungsgasprodukte bei einem ER, das ausreichend unterhalb von eins ist, um die Produktion von NO _x und CO zu minimieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Kühleinrichtung eine Turbineneinrichtung einschließt, die so gekoppelt ist, daß sie von den heißen Verbrennungsgasprodukten betrieben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Kühleinrichtung eine Wärmeaustauschereinrichtung einschließt, die Wärme aus den heißen Gasprodukten extrahiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einer Düse, die so gekoppelt ist, daß sie die heißen Gasprodukte zum adiabatischen Abkühlen durch rasche Expansion der Produkte aufnimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Verbrennungseinrichtung eine erste Brennkammer zum Verbrennen des Brennstoffes mit X % Luft einschließt und die zweite Verbrennungseinrichtung eine zweite Brennkammer zum Verbrennen der heißen Gasprodukte mit Y % Luft einschließt, worin X+Y=100 und X wesentlich kleiner als Y ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Ausgangs-ER-Wert der ersten Einrichtung im Bereich von etwa 2,0 bis 3,0 liegt und der Ausgangs-ER-Wert der zweiten Einrichtung im Bereich von etwa 0,3 bis 0,4 liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter eine Nutzungseinrichtung einschließend, die mit der zweiten Verbrennungseinrichtung gekoppelt ist, um aufgrund des Empfanges der gekühlten Verbrennungsgasprodukte Arbeit zu leisten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter einen Luftkompressor einschließend, um eine gegebene Menge Luft zu komprimieren und eine Einrichtung einschließend, um einen Teil der genannten gegebenen Luftmenge der ersten Verbrennungseinrichtung und den verbleibenden Teil der genannten gegebenen Luftmenge der zweiten Verbrennungseinrichtung zuzuführen, wobei die gegebene Luftmenge einer gegebenen Brennstoffmenge entspricht, die mit der ersten und zweiten Einrichtung verbrannt werden soll, um einen Gesamt- ER von 0,3 bis 0,4 zu ergeben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter eine Gasmischeinrichtung einschließend, um die gekühlten Verbrennungsgasprodukte mit dem übrigen Teil der Luft zu vermischen, bevor man die gekühlten Verbrennungsgasprodukte verbrennt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter einen ersten Kompressor zum Komprimieren eines ersten Luftteiles und einen zweiten Kompressor zum Komprimieren des Brennstoffes einschließend, wobei die erste Verbrennungseinrichtung den komprimierten Brennstoff mit dem komprimierten ersten Luftteil verbrennt, und mit einem dritten Kompressor zum Komprimieren eines zweiten Luftteiles, der eine größere Menge umfaßt als der erste Luftteil sowie einer Mischeinrichtung zum Vermischen der gekühlten Verbrennungsgasprodukte mit dem zweiten Luftteil, bevor man sie mit der zweiten Verbrennungseinrichtung verbrennt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin der erste Kompressor den ersten Luftteil zu einem Druck von etwa 20 bar und der zweite Kompressor den zweiten Luftteil zu einem Druck von etwa 10 bar komprimiert.

12. Vorrichtung zum trockenen Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff unter Bildung eines geringen NO _x -Gehaltes, umfassend:
einen Vorbrenner zum fetten Verbrennen eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes mit Luft zur Bildung von Verbrennungs­ produkten;
eine Kühleinrichtung zum Kühlen der heißen Verbrennungsprodukte des Vorbrenners auf eine Temperatur unterhalb der eine Zündung stattfindet und thermische NO _x -Produkte gebildet werden;
eine Mischeinrichtung zum Vermischen der gekühlten Verbrennungsprodukte mit Luft, um eine magere Mischung aus den gekühlten Verbrennungsprodukten und der Luft herzustellen und
eine Brennereinrichtung zum Verbrennen der mageren Mi­ schung.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter eine Kompressoreinrichtung einschließend, um zumindest die Luft vor dem Verbrennen in dem Vorbrenner und der Brennereinrichtung zu komprimieren.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter eine Kompressoreinrichtung zum Komprimieren der Luft und eine Einrichtung zum Zuführen eines Teiles der komprimierten Luft zum Vorbrenner und des übrigen Teiles der komprimierten Luft zur Brennereinrichtung einschließend.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter eine erste Kompressoreinrichtung zum Komprimieren des Brennstoffes und der Luft, die dem Vorbrenner zugeführt werden, und eine zweite Kompressoreinrichtung zum Komprimieren der Luft und zum Zuführen dieser komprimierten Luft zur Mischeinrichtung einschließend.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Kühleinrichtung eine Turbine zur Aufnahme der heißen Verbrennungsprodukte einschließt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter eine Turbine einschließend, der die verbrannte magere Mischung zugeführt wird.

18. Verfahren zum trockenen Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoff bei Bildung eines geringen NO _x -Gehaltes, um­ fassend:
fettes Verbrennen des Brennstoffes mit Luft zur Bildung heißer Verbrennungsgasprodukte;
Abkühlen der heißen Gasprodukte auf eine Temperatur unterhalb der, bei der Zündung auftritt und thermische NO _x - Produkte gebildet werden;
Vermischen der gekühlten heißen Gasprodukte mit Luft zur Bildung einer mageren Mischung aus den Produkten und Luft und
Verbrennen der Mischung.

19. Verfahren nach Anspruch 18, weiter die Stufe des Komprimierens der Luft vor dem fetten Verbrennen und vor dem Vermischen einschließend.

20. Verfahren nach Anspruch 19, weiter das Komprimieren des Brennstoffes vor dem fetten Verbrennen einschließend.

21. Verfahren nach Anspruch 20, das Komprimieren eines ersten Luftteiles vor dem fetten Verbrennen und das Komprimieren eines zweiten Luftteiles vor dem Vermischen einschließend, wobei der erste Luftteil bis zu einem Druck komprimiert wird, der höher als der des zweiten ist und der erste und der zweite Luftteil 100% der insgesamt erforderlichen Luft ausmachen.