DE4034008A1

DE4034008A1 - Zwei- oder mehrstufige kesselfeuerung mit geringer, no(pfeil abwaerts)x(pfeil abwaerts)-emission und entsprechende verfahren

Info

Publication number: DE4034008A1
Application number: DE19904034008
Authority: DE
Inventors: Helmut Maghon
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1991-05-08

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kesselfeuerung zur Erzeugung von Dampf und entsprechende Verfahren zur schad stoffarmen Feuerung. Ein aus Gründen des Umweltschutzes immer dringlicher werdendes Problem ist die Vermeidung von Schad stoffen bei der Befeuerung von Dampferzeugern. Besondere Be deutung kommt dabei den Stickoxiden zu, im folgenden mit NO_x bezeichnet. Bisher verwendete einstufige Kesselfeuerungen erzeugen z. T. erhebliche Anteile an NO_x bei der Verbrennung, da im Brennraum wegen des angestrebten nur geringen Luftüber schusses hohe Temperaturen auftreten, bei denen sich NO_x be sonders stark bildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kesselfeuerung, die eine gute Verbrennung bei gleichzeitig geringer Erzeugung von NO_x ermöglicht. Auch sollen Verfahren und Betriebsparameter für Kesselfeuerungen angegeben werden, bei denen die NO_x-Erzeugung besonders gering ist.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß für die Verringerung der NO_x-Produktion Verbrennungszonen vermieden werden müssen, in denen hohe Temperatur und gleichzeitig erhebliche Anteile an Sauerstoff vorhanden sind, wird erfindungsgemäß eine zwei- oder mehrstufige Verbrennung durchgeführt, wobei von der ersten Stufe eine Vormischung von Brennstoff und Luft bzw. sauerstoff haltigem Abgas erfolgt. Dementsprechend wird die Aufgabe durch eine Kesselfeuerung zur Erzeugung von Dampf gelöst, welche folgende Merkmale aufweist:

a) mindestens eine erste Reaktionszone hinter mindestens einem Vormischbrenner, der mindestens einen Einlaß für Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas und mindestens einen ersten Einlaß für Brennstoff aufweist;
b) mindestens eine erste Wärmetauscherzone mit ersten Wärme tauscherflächen, welche für eine Abkühlung der in der ersten Reaktionszone entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1300 bis 1600°C auf etwa 700 bis 1000°C ausgelegt sind;
c) mindestens eine zweite Reaktionszone mit Mitteln zur fein verteilenden Eindüsung von Brennstoff;
d) mindestens eine zweite Wärmetauscherzone mit zweiten Wärmetauscherflächen, welche für eine Abkühlung der in der zweiten Reaktionszone entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1200 bis 1600°C auf Auslaßtemperatur ausgelegt sind;
e) die einzelnen Reaktions- und Wärmetauscherzonen liegen in Strömungsrichtung hintereinander und/oder Überlappen sich jeweils teilweise.

Als Brennstoff kommt vor allem hochkaloriger fluidischer Brennstoff, insbesondere Erdgas oder Erdöl, in Betracht.

Wie anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert wird, ermöglicht es eine mehrstufige Verbrennung, die NO_x-Produktion stark zu reduzieren. In der ersten Stufe wird ein vorgemischtes brennstoffarmes Gemisch verbrannt, und zwar nur in solchem Mischungsverhältnis, daß die für die Bildung von NO_x notwendigen Temperaturen und Mischungsverhältnisse nicht oder nur in ge ringem Umfang auftreten. Geeignete Vormischbrenner sind z. B. in der EP-B-01 93 838 oder der EP-B-02 76 696 beschrieben. Anschließend werden die Verbrennungsgase durch Auskopplung von Wärme in der ersten Wärmetauscherzone soweit abgekühlt, daß auch bei der Verbrennung des restlichen Sauerststoffs durch Zugabe von weiterem Brennstoff in der zweiten Reaktionszone keine Bedingungen mehr entstehen können, die eine NO_x-Produktion begünstigen. Hier ist die Eindüsung durch eine Vielzahl kleiner Öffnungen von Vorteil, um eine etwa homogene Temperaturver teilung zu erhalten. In einer zweiten Wärmetauscherzone wird auch die in der zweiten Reaktionszone erzeugte Verbrennungs wärme weitestgehend ausgekoppelt, so daß sich die Gesamtbilanz des Prozesses bezüglich der Erzeugung und Auskopplung von Wärme nicht von der bei einer einstufigen Verbrennung unterscheidet. Ein Unterschied ist allerdings, daß die in dem gesamten Prozeß auftretenden Maximaltemperaturen geringer als bei einer ein stufigen Verbrennung sind, was im Hinblick auf die verwendeten Materialien und deren thermische Belastung von Vorteil ist, was jedoch wegen des geringeren ausnutzbaren Temperaturgradienten etwas größere Wärmetauscherflächen erforderlich machen kann. Es sei noch darauf hingewiesen, daß in der zweiten Reaktions zone keine Flammen im eigentlichen Sinne auftreten müssen, sondern die Reaktion in einem nicht zündfähigen Mischungsver hältnis allein aufgrund der dort herrschenden hohen Temperatur als flammenlose Verbrennung aufrechterhalten werden kann.

Eine solche Kesselfeuerung eignet sich ganz besonders als Teil einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage. Hierbei wird die Kesselfeuerung der Gasturbine nachgeschal tet und je nach der Betriebssituation entweder mit dem Abgas der Gasturbine oder mit Frischluft versorgt.

Üblicherweise sind die Wärmetauscherflächen in an sich be kannter Weise verlegte und angeschlossene Dampferzeugerrohre, die vorzugsweise zum Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine gehören.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur schadstoffarmen Feuerung eines Dampferzeugerkessels hat dementsprechend folgende Merk male:

a) in mindestens eine ersten Reaktionszone des Kessels werden Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas vorgemischt mit einem unterstöchiometrischen Anteil Brennstoff zugeführt und mit einer Maximaltemperatur von 1300 bis 1600°C verbrannt (Verbrennung unter Luftüberschuß);
b) in mindestens einer anschließenden, evtl. die erste Re aktionszone überlappenden, ersten Wärmetauscherzone wird über erste Wärmetauscherflächen, insbesondere Dampferzeu gerrohre, soviel Wärme aus den in der ersten Reaktionszone entstehenden Verbrennungsgasen ausgekoppelt, daß deren Temperatur auf 700 bis 1000°C, reduziert wird;
c) in mindestens einer zweiten Reaktionszone wird dann zusätz licher Brennstoff fein verteilt eingedüst, der mit dem Restsauerstoff der Verbrennungsgase reagiert, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase wieder ansteigt, beispiels weise auf 1200 bis 1600°C;
d) in mindestens einer zweiten Wärmetauscherzone wird über zweite Wärmetauscherflächen, insbesondere Dampferzeugerrohre, die Wärme, soweit möglich, aus den Verbrennungsgasen aus gekoppelt.

Weitere Einzelheiten der Verfahren werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht eine zwei- oder mehrstufige Verbrennung von Brennstoff bei geringer NO_x-Emission von beispielsweise 35 bis 65 mg/m³. Dabei kann das Prinzip der stufenweisen Verbrennung außer durch zwei Stufen auch durch drei oder mehr Stufen verwirklicht werden, wobei im Rahmen der konstruktiven Grenzen auch vielstufige, quasi-kontinuierliche Verbrennungsprozesse möglich sind, bei denen in Strömungsrichtung hintereinander in kurzen Ab ständen Anteile der Gesamtbrennstoffmenge eingespeist werden, wobei gleichzeitig durch Wärmetauscherflächen über die Länge der Feuerung Wärme ausgekoppelt wird, so daß nirgendwo die für NO_x-Bildung nötigen hohen Temperaturen und Brennstoff/ Luft-Konzentrationen auftreten.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine zwei stufige Kesselfeuerung unter Angabe signifikanter Parameter bei der Verbrennung von Luft mit Brennstoff, während Fig. 2 die gleiche Feuerungsanordnung unter Angabe signifikanter Parameter für den Betrieb mit dem Abgas einer Gasturbine ent hält.

In Fig. 1 ist in einer ersten Reaktionszone 1 mindestens ein schematisch angedeuteter Vormischbrenner angeordnet, dem über einen Einlaß 2 Luft zugeführt wird, welche eine Temperatur von 20°C, einen Sauerstoffgehalt von etwa 21% (Volumenprozent) und einen NO_x Gehalt von 0 mg/m³ hat. Über einen Einlaß 3 wird dem Vormischbrenner Brennstoff in unterstöchiometrischem Verhältnis zugeführt. Durch Verbrennung des entstehenden brennstoffarmen Gemisches entsteht am Ausgang der ersten Reaktionszone 1 eine Temperatur von etwa 1470°C, wobei die Verbrennungsgase einen Restanteil von 7,8% Sauerstoff und einen Schadstoffanteil von 30 mg NO_x/m³ aufweisen. In einer ersten Wärmetauscherzone 4 wird anschließend über Wärmetauscherflächen 5 so viel Wärme Q₁ ausgekoppelt, daß die Temperatur der Verbrennungsgase auf 800 bis 900°C sinkt. Dann wird in einer zweiten Reaktionszone 6 über einen zweiten Einlaß 7 Brennstoff fein verteilt zuge führt, wodurch die Temperatur wieder auf 1370 bis 1470°C steigt. Der Sauerstoff wird bis auf etwa 1% verbrannt und es ergibt sich ein NO_x-Gehalt von 35 bis 65 mg/m³. In einer zwei ten Wärmetauscherzone 8 kann die restliche Wärme Q₂ aus dem Abgas über zweite Wärmetauscherflächen 9 ausgekoppelt werden, bevor das Abgas entweicht. Es sei darauf hingewiesen, daß die beispielhaft angegebenen NO_x-Werte anhand von Modellrechnungen ermittelt wurden und als Massenkonzentration von NO₂ bezogen auf das Abgasvolumen im Normalzustand, nach Abzug des Feuchte gehaltes an Wasserdampf und bei 3% Sauerstoff (Volumenprozent) angegeben sind.

Fig. 2 zeigt die gleiche zweistufige Feuerungsanordnung wie Fig. 1 mit einer ersten Reaktionszone 11, einer ersten Wärme tauscherzone 14 mit ersten Wärmetauscherflächen 15, einer zweiten Reaktionszone 16 und einer zweiten Wärmetauscherzone 18 mit zweiten Wärmetauscherflächen 19. Im Unterschied zu Fig. 1 wird durch den Einlaß 12 das Abgas einer Gasturbine in den Vormischbrenner geleitet und über den Einlaß 13 mit einer entsprechenden Brennstoffmenge vermischt. Das Abgas der Gasturbine hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Temperatur von 540°C und einen Sauerstoffgehalt von 15%, wobei schon 34 mg NO_x/m³ aus dem Verbrennungsprozeß in der Gas turbine enthalten sind. Am Ende der ersten Reaktionszone 11 beträgt die Temperatur 1400°C bei 5,9% Restsauerstoff und etwa 60 mg NO_x/m³. Wiederum wird die Temperatur durch Wärme auskopplung Q₁ in der ersten Wärmetauscherzone 14 auf 800 bis 900°C gesenkt. In der zweiten Reaktionszone 16 wird durch den Einlaß 17 weiterer Brennstoff fein verteilt zugeführt, wodurch die Temperatur wieder auf 1200 bis 1300°C ansteigt. Der Sauer stoff wird wiederum bis auf 1% Rest verbrannt, wobei in der zweiten Reaktionszone 16 der NO_x-Anteil nur noch geringfügig auf etwa 65 mg/m³ ansteigt. Die Verbrennungswärme Q₂ kann dann in der zweiten Wärmetauscherzone 18 ausgekoppelt werden, bevor das Abgas zum Auslaß 20 gelangt.

Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die beiden ange gebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erfaßt auch mehrstufige Verbrennungen mit den verschiedensten Dimensionie rungen der Reaktionszonen und Wärmetauscherzonen. Insbesondere ist keine strikte Trennung dieser Zonen erforderlich, da mit der Wärmeauskopplung auch schon innerhalb der Reaktionszonen begonnen werden kann. Entscheidend ist, daß nicht die ganze Brennstoffmenge in einer Stufe mit der gesamten zur Verfügung stehenden Luft- bzw. Abgas-Menge verbrannt wird, da dies für die NO_x-Entstehung günstige Temperaturen und Konzentrations verhältnisse bewirkt, was durch die Zwischenauskopplung von Wärme und Benutzung von Vormischbrennern in der ersten Stufe gerade vermieden wird. Besonders geeignet ist die vor liegende Erfindung für kombinierte Gas- und Dampf-Kraftwerke, da eine zwei- oder mehrstufige Verbrennung sich an unter schiedliche Betriebsbedinungen gut anpassen läßt.

Claims

1. Kesselfeuerung zur Erzeugung von Dampf mit folgenden Merkmalen:

a) mindestens einer ersten Reaktionszone (1; 11) hinter min destens einem Vormischbrenner, der mindestens einen Einlaß (2; 12) für Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas und mindestens einen ersten Einlaß (3; 13) für Brennstoff aufweist;
b) mindestens einer ersten Wärmetauscherzone (4; 14) mit ersten Wärmetauscherflächen (5; 15), welche für eine Ab kühlung der in der ersten Reaktionszone (1; 11) entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1300 bis 1600°C auf etwa 700 bis 1000°C ausgelegt sind;
c) mindestens einer zweiten Reaktionszone (6; 16) mit Mit teln zur fein verteilenden Eindüsung (7; 17) von Brennstoff;
d) mindestens einer zweiten Wärmetauscherzone (8; 18) mit zweiten Wärmetauscherflächen (9; 19), welche für eine Ab kühlung der in der zweiten Reaktionszone (6; 16) entstehenden Verbrennungsgase von etwa 1200 bis 1600°C auf Auslaßtempe ratur ausgelegt sind;
e) die einzelnen Reaktions- und Wärmetauscherzonen liegen in Strömungsrichtung hintereinander und/oder überlappen sich je weils teilweise.

2. Kesselfeuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sie Teil einer kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Anlage und der Gasturbine nachgeschaltet ist.

3. Kesselfeuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wärmetauscherflächen (5, 9; 15, 19) Dampferzeugerrohre sind.

4. Verfahren zur schadstoffarmen Feuerung eines Dampferzeu gerkessels mit folgenden Merkmalen:.

a) in mindestens eine erste Reaktionszone (1; 11) des Kessels werden Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas vorgemischt mit einem unterstöchiometrischen Anteil Brennstoff zugeführt (2, 3; 12, 13) und mit einer Maximaltemperatur von 1300 bis 1600°C verbrannt;
b) in mindestens einer anschließenden, evtl. die erste Re aktionszone (1; 11) überlappenden, ersten Wärmetauscherzone (4; 14) wird über erste Wärmetauscherflächen (5; 15), ins besondere Dampferzeugerrohre, soviel Wärme (Q₁) aus den in der ersten Reaktionszone (1; 11) entstehenden Verbrennungsgasen ausgekoppelt, daß deren Temperatur auf 700 bis 1000°C, re duziert wird;
c) in mindestens einer zweiten Reaktionszone (6; 16) wird zusätzlich Brennstoff fein verteilt eingedüst (7; 17), der mit dem Restsauerstoff der Verbrennungsgase reagiert, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase wieder ansteigt, beispielsweise auf 1200 bis 1600°C;
d) in mindestens einer zweiten Wärmetauscherzone (8; 18) wird über zweite Wärmetauscherflächen (9; 19), insbesondere Dampf erzeugerrohre, die Wärme (Q₂), soweit möglich, aus den Verbren nungsgasen ausgekoppelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in die erste Reaktionszone (1) Luft mit Umgebungstemperatur zugeführt und die dazu vorgemischte Brenn stoffmenge pro Zeiteinheit so bemessen wird, daß die Verbren nungsgase eine Temperatur von etwa 1450 bis 1500°C erreichen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in die erste Reaktionszone (11) Abgas aus eine Gasturbine zugeführt wird, mit beispielsweise etwa 15% (Volumenprozent) Sauerstoffanteil und etwa 540°C Tem peratur, wobei die dazu vorgemischte Brennstoffmenge pro Zeiteinheit so bemessen wird, daß die Verbrennungsgase eine Temperatur von 1350 bis 1450°C erreichen.

7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß in die zweite Reaktionszone (8; 18) soviel Brennstoff fein verteilt eingedüst wird, daß der noch vorhandene Sauerstoff bis auf einen Rest von etwa 1% verbrannt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in drei oder mehr aufeinanderfolgenden Stufen erfolgt, wobei die erste und/oder zweite Reaktionszone (1, 6; 11, 16) in weitere Stu fen unterteilt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß drei oder mehr sich jeweils teilweise überlappende Reaktionszonen und Wärmetauscherzonen aufeinan derfolgen, so daß eine quasi-kontinuierliche Wärmeerzeugung und Wärmeauskopplung über die Länge der Kesselfeuerung erfolgt.