DE4109304A1 - Verfahren zur verringerung der stickoxid-emission eines brenners bei heizoelbetrieb und gasbetrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für fluidische Brennstoffe, insbesondere Öl, Erdgas und/oder Kohlegas, wie er insbesondere für Gasturbinen Anwendung findet.

Im Hinblick auf die weltweiten Bemühungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Feuerungsanlagen, insbesondere bei Gasturbinen, wurden in den letzten Jahren Brenneranordnungen entwickelt, welche besonders einen geringen Ausstoß an Stick­ oxiden haben. Dabei wird vielfach Wert darauf gelegt, daß solche Brenner nicht nur mit einem Brennstoff, sondern mög­ lichst mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Öl, Erdgas und/oder Kohlegas wahlweise oder sogar in Kombination betreibbar sind, um die Versorgungssicherheit und Flexibilität beim Betrieb zu erhöhen. Solche Brenner sind beispielsweise in der EP-B1-01 93 838 und der EP-B1-02 76 696 beschrieben. Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus. Dabei ist es auch bekannt, daß zur weiteren Reduzierung des Schadstoffausstoßes in bestimmten Betriebszuständen zu­ sätzlich Inertstoffe, insbesondere Wasser oder Wasserdampf eingedüst werden können, wodurch die Verbrennungstempera­ tur gesenkt wird, was den Schadstoffausstoß an NOX verringert. Aus der WO 89/08 803 A1 ist es weiterhin bekannt, daß z. B. bei Verwendung bestehender Schweröle als Brennstoff dem eingedüsten noch Zusatzstoffe beigemischt werden können, um Schäden an den Bauteilen einer nachfolgenden Gasturbine zu vermeiden.

Eine Schwierigkeit bei der Auslegung von Brennern für alle möglichen verschiedenen Betriebsbedingungen und Betriebsstoffe besteht darin, daß die beim Betrieb jeweils benötigten Volumina völlig verschieden sind, so daß im allgemeinen nicht das gleiche Zuführungssystem und die gleichen Eindüsungsöffnungen wahlweise für flüssige oder gasförmige Stoffe verwendet werden können. Daher wurden bisher unterschiedliche Ein­ düsungssysteme für gasförmigen Brennstoff, flüssigen Brenn­ stoff, Wasser und Wasserdampf neben den ohnehin immer not­ wendigen Zuführungssystemen für die Verbrennungsluft vorge­ sehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Zahl der not­ wendigen Eindüsungssysteme zu verringern und dabei gleichzeitig eine für die Wirkung günstigere Verteilung der eingedüsten Inertstoffe zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, insbesondere für Gasturbinen, welcher ein äußeres Hauptbrennersystem, vorzugsweise mit einem Luft-Zufuhr-Ringkanal­ system und einer darin angeordneten Drallbeschaufelung, aufweist, wobei eine Vielzahl von ersten Auslaßdüsen zur Beimischung eines ersten gasförmigen Mediums und eine Vielzahl von zweiten Auslaßdüsen zur Beimischung eines zweiten flüssigen Mediums zum Hauptluftstrom vorhanden sind, wobei weiter als erstes Medium Wasserdampf und als zweites Medium Öl in den Hauptluftstrom eingedüst wird. Diese Lösung betrifft den Betrieb des Brenners als Heizöl-Vormischbrenner.

Eine andere Lösung beim Betrieb des Brenners als Gas-Vormisch­ brenner besteht in einem entsprechenden Verfahren, bei dem als erstes Medium Gas und als zweites Medium Wasser in den Haupt­ luftstrom eingedüst wird.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Brenner, wie er in der EP-B1-02 76 696 beschrieben ist. Statt über gesonderte zen­ trale Zufuhrsysteme Inertstoffe einzuspeisen, betrifft die Er­ findung eine andere Betriebsweise der bekannten Brenner, welche die Einsparung der gesonderten Einspeisungssysteme für Inert­ stoffe ermöglicht und gleichzeitig eine bessere Verteilung die­ ser Stoffe und damit eine größere Wirkung zur Verringerung des Schadstoffausstoßes erreicht. Ausgenutzt wird dabei die Tat­ sache, daß als Inertstoff sowohl Wasser wie auch Wasserdampf in Betracht kommen. Nun stehen bei dem Brenner nach dem Stand der Technik gerade zwei Einspeisungssysteme zur Beimischung von Medien zum Hauptluftstrom zur Verfügung, nämlich ein für gasförmige Stoffe und die entsprechenden Volumina dimen­ sioniertes System und ein für flüssige Stoffe dimensioniertes System. Dies ermöglicht es, bei Verwendung von gasförmigem Brennstoff diesen durch das entsprechende System einzuspeisen und gleichzeitig das andere Einspeisungssystem für die Bei­ mischung von Wasser als flüssigem Inertstoff zu verwenden. Umgekehrt kann im Falle der Einspeisung von flüssigem Brenn­ stoff durch das eine System das andere System gerade zur Ein­ speisung von Wasserdampf als gasförmigem Inertstoff verwendet werden. Die Veränderungen an der gesamten Brenneranordnung sind minimal, da lediglich die bisher vorhandenen Zuführungs­ leitungen für gasförmigen und flüssigen Brennstoff mit Arma­ turen versehen werden müssen, die wahlweise die Einspeisung von Wasserdampf bzw. Wasser zulassen. Die Dosierung kann über den Druck in den Zuführungssystemen geregelt werden.

Im übrigen bleibt die Brenneranordnung unverändert, wobei auch die hier nicht näher betrachteten inneren Systeme zur Aufrechterhaltung einer die Verbrennung stabilisierenden Pilotflamme oder zum wahlweisen Betrieb als Diffusionsbrenner unverändert übernommen werden können.

Die erfindungsgemäße Betriebsweise von Brennern läßt sich im Prinzip auf alle Brenneranordnungen übertragen, welche sowohl Eindüsungsvorrichtungen für gasförmige wie auch flüssige Brennstoffe enthalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, wobei bezüglich hier nicht näher beschriebener Einzelheiten ausdrücklich auf die EP-B1-02 76 696 und die EP-B1-01 93 838 Bezug genommen wird. Die Anordnung weist eine zentrale Ölzuführung 1, einen inneren Gaszufuhr­ kanal 2, einen inneren Luftzufuhrkanal 3 mit einer Drallbe­ schaufelung 6 und eine innere Öldüse 5 auf. Diese Bauteile, auf deren Einzelheiten es bei der vorliegenden Erfindung nicht ankommt, dienen der Aufrechterhaltung einer die Stabilität der Brennerflamme unterstützenden Pilotflamme und erlauben prinzipiell den Betrieb der ganzen Brenneranordnung als Diffusionsbrenner, was jedoch aus Gründen des Schadstoffaus­ stoßes im allgemeinen nicht ausgenutzt wird.

Das Hauptbrennersystem besteht aus einem konzentrisch um die innere Systeme angeordneten und schräg auf dieses zulaufenden äußeren Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem 4, welches eine Drall­ beschaufelung 7 enthält. Oberhalb der Drallbeschaufelung 7 befinden sich Düsenrohre 10 mit Auslaßöffnungen 11, welche über einen Ringkanal 9 mit einer Zuführungsleitung 8 in Ver­ bindung stehen, so daß mit diesem System ein Medium B dem Luftstrom (Medium A) zugeführt werden kann. Über eine Zufüh­ rungsleitung 12, einen Ringkanal 13 und Auslaßdüsen 14 kann dem Luftstrom A ein weiteres Medium C beigemischt werden, wie durch den Sprühstrahl 15 angedeutet ist. Beide Zufuhr­ systeme ermöglichen eine fein verteilte Beimischung zum Haupt­ luftstrom A. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die inneren Systeme des Brenners noch drei weitere Zufuhrsysteme enthalten für die Medien E, F und G, wobei im allgemeinen E Luft, F Gas und G Öl ist. Das Zufuhrsystem für das Medium B ist dabei für gasförmige Medien und entsprechend große Volumina ausgelegt, während das Zufuhrsystem für das Medium C für flüssige Stoffe und damit kleinere Volumina ausgelegt ist. Wird die beschriebene Anordnung mit Gas als Medium B betrieben, so kann der Ausstoß an NOX durch Eindüsung von Wasser als Medium C weiter verringert werden auf sehr nie­ drige Werte. Andererseits kann beim Betrieb des Brenners mit Öl als Medium C der NOX-Ausstoß durch Eindüsung von Wasser­ dampf als Medium B ebenfalls stark reduziert werden, bei­ spielsweise auf Werte kleiner gleich 25 ppm. Die vorliegende Erfindung eignet sich daher besonders für den Betrieb von Gasturbinenanlagen mit extrem hohen Ansprüchen an niedrige Schadstoff-Emissionswerte sowohl für den Betrieb mit Öl wie auch mit Gas.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners, insbesondere für Gas­ turbinen, welcher ein Hauptbrennersystem (4, 7) aufweist, vorzugsweise mit einem Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem (4) und einer darin angeordneten Drallbeschaufelung (7), wobei eine Vielzahl von ersten Auslaßdüsen (11) zur Beimischung eines ersten gasförmigen Mediums (B) und weiter eine Vielzahl von zweiten Auslaßdüsen (14) zur Beimischung eines zweiten flüs­ sigen Mediums (C) zum Hauptluftstrom (A) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Medium (B) Wasserdampf und als zweites Medium (C) Öl in den Hauptluftstrom eingedüst wird.

2. Verfahren zum Betrieb eines Brenners, insbesondere für Gas­ turbinen, welche ein Hauptbrennersystem (4, 7) aufweist, vor­ zugsweise mit einem Luft-Zufuhr-Ringkanalsystem (4) und einer darin angeordneten Drallbeschaufelung (7), wobei eine Vielzahl von ersten Auslaßdüsen (11) zur Beimischung eines ersten gas­ förmigen Mediums (B) und weiter eine Vielzahl von zweiten Aus­ laßdüsen (14) zur Beimischung eines zweiten flüssigen Mediums (C) zum Hauptluftstrom (A) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Medium (B) Gas und als zweites Medium (C) Wasser in den Hauptluftstrom ein­ gedüst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Auslaßdüsen (11) oberhalb der Drallbeschaufelung (7) und die zweiten Auslaß­ düsen (14) im Bereich der Drallbeschaufelung (7) angeordnet sind.