DE4444125A1

DE4444125A1 - Verfahren zur schadstoffarmen Verbrennung

Info

Publication number: DE4444125A1
Application number: DE19944444125
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Wolfgang Dr Polifke; Thomas Dr Sattelmayer; Dieter Winkler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 1996-06-13

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schadstoffarmen Ver brennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe, das auf einer vorgemischten Verbrennung beruht.

Stand der Technik

In der Literatur, z. B. Leonard,G. und Stegmaier, J. "Develop ment of an Aeroderivative Gas Turbine Dry Emission Combustion System", ASME paper 93GT288, Cincinnati, OH, 1993, wird be richtet, daß vorgemischte Verbrennung zu sehr geringen Schadstoffkonzentrationen (Stickoxide NOx und CO) bei saube ren Brennstoffen, d. h. bei Brennstoffen ohne brennstoffge bundenen Stickstoff und ohne Schwefel, führt.

Vorgemischte Verbrennung benötigt zur Flammenstabilisierung eine Rückström- oder intensive Mischungszone. So wird z. B. bei dem aus EP 0 321 809 B1 bekannten Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, dessen Aufbau in der genannten Druck schrift beschrieben ist, so daß hier darauf verzichtet wird, gasförmiger Brennstoff mit Verbrennungsluft direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze des Brenners gemischt. Der Flüssig brennstoff wird in den Innenraum des Brenners so eingedüst, daß eine sich in Strömungsrichtung ausbreitende, die Wände des Innenraumes nicht benetzende kegelförmige Flüssigbrenn stoffsäule entsteht, welche von einem tangential in den Bren ner einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlos sen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Flüssigbrennstoffes durch die eingemischte Verbrennungsluft abgebaut. Die Zündung des Gemisches findet erst am Ausgang des Brenners statt und die Flamme wird im Bereich der Bren nermündung durch eine Rückströmzone (Bereich des Wirbelauf platzens, vortex breakdown), an deren Spitze die Zündung er folgt, stabilisiert.

Andere Vormischbrenner weisen z. B. eine separate Vormisch strecke auf, in der der Brennstoff mit der Luft gemischt wird, bevor das Gemisch im Brenner verbrannt wird.

Diese oben beschriebenen intensiven Mischzonen und Rückström zonen haben aber den Nachteil, daß sie wesentlich zur Bil dung von Stickoxiden beitragen. Obwohl die NOx- und CO-Emis sionswerte bei einer Vormischverbrennung im Vergleich zu ei ner konventionellen Diffusionsverbrennung schon wesentlich geringer sind, müssen diese im Hinblick auf den Umweltschutz und auf zu erwartende gesetzliche Grenzwerte künftig noch mehr abgesenkt werden.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung ein. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur schadstoffarmen gestuften Vormisch verbrennung auf einfach Art und Weise die NOx-Emissionen ge genüber dem bekannten Stand der Technik weiter abzusenken, die Flamme gut zu stabilisieren und ein gutes Teillastverhal ten zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren zur schadstoffarmen vorgemischten Verbrennung gas förmiger oder flüssiger Brennstoffe mit mindestens zwei Ver brennungsstufen des Brennstoff/Luft-Gemisches, von denen die erste Stufe in einer intensiven Misch- oder Rezirkulationszo ne abläuft, und die weitere(n) Verbrennungsstufe(n) nach Zu mischung von frischem Brennstoff/Luft-Gemisch in das heiße Abgas der ersten Stufe abläuft bzw. ablaufen, nur ein Teil des Brennstoff/Luft-Gemisches durch die Mischzone der ersten Verbrennungsstufe geleitet wird und der restliche Anteil des Brennstoff/Luft-Gemisches erst stromab der Mischzone in min destens einer weiteren Stufe in das heiße Abgas der ersten Verbrennungsstufe geleitet und verbrannt wird.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Stickoxidbildung bei der vorgemischten Verbrennung wesentlich verringert wird und dadurch die Umweltbelastung reduziert wird. Obwohl die zur Flammenstabilisierung notwen dige intensive Mischzone mit ihren negativen Folgen bezüglich der NOx-Emissionswerte in der ersten Verbrennungsstufe beibe halten wird, ist im Gesamtsystem nur ein kleiner Anteil der Rückströmzone vorhanden. Bei guter Flammenstabilisierung sind also nur geringe Schadstoffemissionen zu befürchten. Ein wei terer Vorteil besteht in dem guten Teillastverhalten, da durch Abschaltung der zweiten und gegebenenfalls weiterer Stufen eine einfache Anpassung an veränderte Betriebsbedin gungen erreicht werden kann.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn bei dem oben beschriebenen Verfahren aus der Mischzone Wärme entzogen wird und diese auf den an der Mischzone vorbeigeleiteten Anteil des Brennstoff/- Luft-Gemisches übertragen wird. Der Wärmeentzug aus der Mischzone führt zu einem weiteren Absenken der Stickoxidemis sionen. Die entzogene Wärmeenergie geht dabei dem System nicht verloren, sondern erhöht die Temperatur des Bypassstro mes und wird somit in der zweiten bzw. in weiteren Verbren nungsstufe(n) dem System wieder zugeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dar gestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahrensschema einer mischungsstabilisierten Vormischverbrennung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Verfahrensschema einer mischungsstabilisierten Vormischverbrennung mit gestufter Brennstoff/Luft- Zuführung;

Fig. 3 ein Verfahrensschema einer mischungsstabilisierten Vormischverbrennung mit gestufter Brennstoff/Luft- Zuführung und mit Wärmeübertragung aus der Misch zone auf den Bypassstrom;

Fig. 4 die Abhängigkeit der NOx-Emissionen vom jeweiligen Verfahrensmodell gemäß Fig. 1 bis 3;

Fig. 5, 6 jeweils eine Vorrichtung zur Realisierung des Ver fahrens gemäß Fig. 3.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schema einer bekannten Vormischverbrennung nach dem Stand der Technik. Dabei wird z. B. ein in einer Vor mischstrecke erzeugtes Brennstoff/Luft-Gemisch 1 einem Rühr reaktor 2 zugeführt, in dem eine vorgemischte Verbrennung ab läuft. Um eine stabile Flamme zu erzeugen, ist eine intensive Mischzone 3 (entspricht hier dem Rührreaktor 2) notwendig. Diese gewährleistet, daß das zuströmende Brennstoff/Luft- Gemisch 1 durch Vermischung mit dem heißen Abgas zündet. In einem Kolbenströmungsreaktor 4 findet dann zeitlich über die Länge des Reaktors 4 gestuft der Reaktionsfortschritt statt. Die zur Flammenstabilisierung notwendige intensive Mischzone 3 trägt aber nachteilig zur Erhöhung der NOx-Emissionswerte bei.

Deshalb wird erfindungsgemäß, wie in Fig. 2 gezeigt, eine gestufte Brennstoff/Luft-Zuführung durchgeführt. Es wird hierbei nicht das gesamte Brennstoff/Luft-Gemisch 1 durch den Rührreaktor 2 geleitet, sondern nur ein bestimmter Anteil 1a. Dadurch wird der von der Mischzone 3 verursachte Schadstoff anteil gegenüber der Variante nach Fig. 1 reduziert. Der nicht durch den Rührreaktor 2 (bzw. die Mischzone 3) geleite te Anteil des Brennstoff/Luft-Gemisches 1b (Bypassstrom) wird dann in einer nachfolgenden Stufe in das heiße Abgas gelei tet und verbrennt im Kolbenströmungsreaktor 4 ohne nennens werte Stickoxidbildung.

Selbstverständlich können in anderen Ausführungsbeispielen auch mehr als nur eine weitere Stufe für die Zuführung des Brennstoff/Luft-Gemisches 1b vorgesehen sein.

Fig. 3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Ver fahrensschema einer mischungsstabilisierten gestuften Vor mischverbrennung analog zu Fig. 2, wobei zusätzlich ein Wär meentzug aus der Mischzone 3 (Rührreaktor 2) stattfindet. Diese aus der Mischzone 3 entzogenen Wärmeenergie 12 wird dem Bypassstrom 1b zugeführt, so daß die Wärmeenergie 12 dem Sy stem insgesamt gesehen nicht verloren geht. Der Vorteil die ser Lösung besteht darin, daß damit eine weitere Verringe rung der Stickoxidemissionen erreicht wird.

Das wird anhand der in Fig. 4 dargestellten berechneten Ab hängigkeit der NOx-Emissionen vom jeweiligen Verbrennungsver fahren gemäß Fig. 1, 2, 3 besonders deutlich. Für das Ver brennungsmodell wurden eine Luftzahl λ= 2, eine Temperatur T = 630 K und ein Druck p = 15 bar gewählt. Mit der Variante 3 (gemäß Fig. 3) ist die größte Verringerung der NOx-Emis sionen zu erreichen. Die Stickoxidemissionen betragen bei dieser mischungsstabilisierten gestuften Vormischverbrennung, bei der ein Wärmetransfer aus der Mischzone 3 auf den an der Mischzone 3 vorbeigeführten Anteil des Brennstoff/Luft-Gemi sches 1b stattfindet, nur etwa 50% der NOx-Werte nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1. Auch ohne den Wärmetransfer ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Fig. 2 noch eine Reduktion der NOx-Werte gegenüber dem Stand der Technik zu erzielen.

In Fig. 5 wird eine praktische Ausführung einer gestuften vorgemischten Verbrennung mit interner Wärmeübertragung ge zeigt. In einer nicht dargestellten Vormischstrecke werden Brennstoff und Luft zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch 1 ver mischt. Von diesem Brennstoff/Luft-Gemisch 1 wird vor Ein tritt in den Brenner 5 ein Anteil 1b des Gemisches abge zweigt. Dieser wird am Brenner 5 außen vorbeigeleitet und in temperaturbeständige Rohre 6, die rings um die Misch- und Rückströmzone 3 des Brenners 5 angeordnet sind, eingeführt.

Selbstverständlich kann in einem anderen Ausführungsbeispiel an Stelle der Rohre 6 auch ein Ringspalt rings um die Misch- oder Rezirkulationszone 3 angeordnet sein, in dem der Brenn stoff/Luft-Gemischanteil 1b zur zweiten Verbrennungsstufe hingeführt wird.

Im Gegensatz zum Anteil 1b wird der Anteil 1a des Brenn stoff/Luft-Gemisches 1 über die Brenner 5 geleitet. Er ver brennt, wobei sich eine Misch- oder Rückströmzone 3 ausbil det, in der das zuströmende Brennstoff/Luft-Gemisch durch Vermischung mit dem heißen Abgas zündet. Die bei dieser er sten Verbrennungsstufe frei werdende Wärmeenergie erwärmt nun das in den Rohren 6 entlangströmende Brennstoff/Luft-Gemisch 1b, welches in einer zweiten Verbrennungsstufe ohne Mischzone in einem Kolbenströmungsreaktor 4 verbrennt.

Selbstverständlich kann in anderen Ausführungsbeispielen das Brennstoff/Luft-Gemisch 1 in mehr als nur zwei Ströme 1a, 1b aufgeteilt werden, so daß weitere Verbrennungsstufen entste hen, wenn diese Ströme in das heiße Abgas geleitet werden.

Durch den Wärmeentzug in der Mischzone 3 wird die Stickoxid bildung bei der vorgemischten Verbrennung reduziert und es kommt zu einer guten Flammenstabilisierung, da die durch den Primärbrenner 5 entstehende starke Mischzone 3 beibehalten wird, im Gesamtsystem aber nur ein kleiner Anteil der Misch zone vorhanden ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich dieses Verbrennungsverfahren durch ein gutes Teillast verhalten auszeichnet, da es ohne Probleme möglich ist, eine gestufte Schaltungsweise durchzuführen und beispielsweise durch Abschaltung der dritten Stufe eine Anpassung der Ver brennung an veränderte Betriebsbedingungen vorzunehmen.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel aufgezeigt, bei dem zur ersten Verbrennungsstufe ein Vormischbrenner der Doppelkegel bauart gemäß EP 0 321 809 B1 eingesetzt wird. Dieser Brenner hat eine integrierte Vormischstrecke. Die Verbrennungsluft 7a, 7b strömt über tangentiale Lufteintrittsschlitze 8a, 8b in den Brenner 5 ein und mischt sich am Ende der Luftein trittsschlitze 8a, 8b mit gasförmigem Brennstoff 9a, 9b zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch 1a. Der Brenner kann selbstver ständlich auch mit flüssigem Brennstoff betrieben werden. Die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches 1a erfolgt an der Spit ze der Rückströmzone 3, also im Bereich des Wirbelaufplat zens, am Ausgang des Brenners 5. Erfindungsgemäß wird nicht der gesamte Brennstoff 9 durch die erste Verbrennungsstufe geleitet, sondern ein Teil 9c des Gesamtbrennstoffes 9 wird in einem starken Mischer 10 mit einem Teil der Verbrennungs luft 7c vermischt. Dieses Gemisch 1b wird dann beispielsweise über Rohre 6 an der Rückströmzone 3 vorbeigeleitet, wobei es Wärmeenergie 12 aufnimmt. Anschließend wird es in einer zweiten und dritten Verbrennungsstufe dem heißen Abgas der ersten Stufe zugemischt und verbrannt. Auch hier treten die o.g. Vorteile des Verfahrens auf.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoff/Luft-Gemisch (gesamt)
1a, 1b Teilströme des Brennstoff/Luft-Gemisches
2 Rührreaktor
3 Misch- oder Rezirkulationszone
4 Kolbenströmungsreaktor
5 Brenner
6 Rohre
7a, 7b, 7c Verbrennungsluft
8a, 8b Lufteintrittsschlitze
9a, 9b, 9c gasförmiger Brennstoff (Teilströme)
10 Mischer
11 Abgas
12 Wärmeenergie aus der Mischzone

Claims

1. Verfahren zur schadstoffarmen vorgemischten Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe, wobei mindestens zwei Verbrennungsstufen des Brennstoff/Luft-Gemisches (1), von denen die erste Stufe in einer intensiven Misch- oder Rezirkulationszone (3) abläuft und der Flam menstabilisierung dient, und die weitere(n) Verbren nungsstufe(n) nach Zumischung von frischem Brennstoff/- Luft-Gemisch in das heiße Abgas der ersten Stufe ab läuft bzw. ablaufen, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil (1a) des Brennstoff/Luft-Gemisches (1) durch die Mischzone (3) der ersten Verbrennungsstufe geleitet wird und der restliche Anteil (1b) des Brennstoff/Luft- Gemisches (1) erst stromab der Mischzone (3) in minde stens einer weiteren Stufe in das heiße Abgas der ersten Verbrennungsstufe geleitet und verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Mischzone (3) Wärme entzogen wird und diese auf den an der Mischzone (3) vorbeigeleiteten Anteil (1b) des Brennstoff/Luft-Gemisches (1) übertragen wird.