EP1446610A1 - Verbrennungsverfahren, insbesondere für verfahren zur erzeugung von elektrischem strom und/oder von wärme - Google Patents

Verbrennungsverfahren, insbesondere für verfahren zur erzeugung von elektrischem strom und/oder von wärme

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Publication number
EP1446610A1
EP1446610A1 EP02765278A EP02765278A EP1446610A1 EP 1446610 A1 EP1446610 A1 EP 1446610A1 EP 02765278 A EP02765278 A EP 02765278A EP 02765278 A EP02765278 A EP 02765278A EP 1446610 A1 EP1446610 A1 EP 1446610A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
oxygen
mixture
burner
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02765278A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elisabetta Carrea
Richard Carroni
Timothy Griffin
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1446610A1 publication Critical patent/EP1446610A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13002—Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C2900/99001—Cold flame combustion or flameless oxidation processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07001—Injecting synthetic air, i.e. a combustion supporting mixture made of pure oxygen and an inert gas, e.g. nitrogen or recycled fumes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • Combustion process in particular for processes for generating electrical current and / or heat
  • the invention relates to a combustion method, in particular for a method for generating electrical power and / or heat, with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a combustion method working with flameless combustion with the features of the preamble of claim 2.
  • Des the invention further relates to a plant, in particular a gas turbine plant, for carrying out such combustion processes, and to a special use of a combustion process which works with flameless combustion.
  • WO 98/55208 discloses a combustion process for a process for generating electrical current and / or heat, in which a gas mixture of oxygen, fuel and essentially nitrogen-free inert gas is formed and burned in a burner.
  • the inert gas is formed by the combustion exhaust gases of the burner, and this inherently nitrogen-free exhaust gas can contain negligible parasitic nitrogen components via the burned fuel.
  • the oxygen for the gas mixture is provided with the aid of an oxygen transport membrane, which is preferably heated and compressed air is applied to a barrier side. On its barrier side, this membrane extracts oxygen from the air there, transports it to a passage side of the membrane and releases it there. With the help of a purge gas, the oxygen can be removed on the passage side.
  • the combustion exhaust gas from the burner which can be additionally heated by combustion with fuel, is expediently used as the purge gas. Certain embodiments of such membranes are known as MCM (mixed conducting membrane).
  • the volume of the gas mixture of oxygen diluted with flushing gas and added fuel can be composed as follows: 2.5% CH, 5% O 2 , 27.5% CO 2, 65% H 2 O.
  • the temperature of this gas mixture is usually between 600 and 900 ° C. Under these conditions, existing lean premix burners and catalytic burners have a reactivity that is lower than that of conventional fuel / air mixtures at the same temperatures.
  • EP 0 463 218 A1 discloses a method for burning fuel in a combustion chamber, in which fuel is oxidized with preferably preheated combustion air in the presence of recirculated combustion exhaust gases. When air is burned, thermal NO x is always formed, the NO x formation increasing sharply with increasing flame temperature. To reduce the NO x emissions, the known method proposes to oxidize the fuel with extremely high combustion exhaust gas recirculation essentially without flames and without pulsations.
  • combustion exhaust gases from which useful heat previously removed from the system was previously extracted, are mixed with the preheated combustion air in a combustion exhaust gas recirculation ratio greater than or equal to 2, the exhaust gas recirculation ratio being the ratio of the mass flows of the recirculated combustion exhaust gas and of the supplied combustion air is defined, this exhaust gas-air mixture being maintained at a temperature which is higher than the ignition temperature, and the exhaust gas / air mixture is then brought together with the fuel to form an oxidation zone, in which essentially one flameless and pulsation-free oxidation takes place in the combustion chamber.
  • the NO x emissions during the combustion of air can be estimated to be reduced by a factor of 10.
  • the present invention is concerned with the problem of demonstrating satisfactorily functional possibilities for the combustion of weakly reactive and nitrogen-free gas mixtures.
  • the invention is based on the general idea of using the flameless combustion known for reducing the NO x emissions for the combustion of a nitrogen-free gas mixture. It is easy to see that the application of a method known for reducing the NO x emissions, which works with flameless combustion, in a nitrogen-free and thus without NO x emissions combustion method is obviously motivation-free, since the nitrogen-free combustion method with regard to its NO x emission values cannot be improved.
  • the invention now makes use of the knowledge that a combustion process using flameless combustion is particularly suitable for the combustion of weakly reactive gas mixtures.
  • the performance of the nitrogen-free combustion process can be significantly improved if a weakly reactive gas mixture is to be burned, in particular if the oxygen in the gas mixture to be burned is added using an oxygen transport membrane a larger amount of purge gas is obtained.
  • the invention achieves a synergy effect which was not to be expected in this way, since the known combustion process which works with flameless combustion expressly serves to reduce the NO x emissions, but which it does not do at all with a nitrogen-free combustion process from which the invention is based gives.
  • the present invention uses the flameless combustion method of combustion to another Purpose. This is because the use of flameless combustion enables reliable and stable combustion of a weakly reactive gas mixture in a nitrogen-free combustion process.
  • FIGS. 1 and 2 ' are greatly simplified schematic diagram of a burner for a device according to FIGS. 1 and
  • Fig. 3 is a view as in Fig. 2, but in another embodiment.
  • a device or system 1 has a mixture formation device 2 and a burner 3.
  • the mixture formation device 2 comprises an oxygen separation device 4, which is equipped with an oxygen transport membrane 5.
  • the membrane 5 has a blocking side 6 at the top and a passage side 7 according to FIG. 1 at the bottom the barrier side 6, the membrane 5 is supplied with an oxygen-containing gas Ai, for example air.
  • Oxygen (O 2 ) is then transported on the membrane 5 in accordance with an arrow 8, which is removed from the barrier side 6 of the membrane 5 and transported on its passage side 7.
  • the oxygen content of the gas Ai supplied on the blocking side 6 is accordingly reduced; Accordingly, the gas located in the oxygen separation device 4 is marked with A in FIG. 1.
  • Gas A 2 which has a reduced oxygen content, then emerges from the oxygen separation device 4.
  • the membrane 5 In order to increase the performance of the membrane 5, its passage side 7 is charged with an inert purge gas GER, which transports the oxygen out of the oxygen separation device 4.
  • the purge gas GER is formed by externally recirculated exhaust gas, which is taken from an exhaust line 9 after the burner 3.
  • the oxygen separation device 4 can also be designed as a heat exchanger. In this way, the temperature of the supplied oxygen-containing gas Ai can be increased to improve the performance of the oxygen separation device 4.
  • the oxygen-enriched, externally recirculated exhaust gas is fed to the burner 3 via a line 10.
  • a pump 11 or turbine or blower or the like can be used in line 10 to drive this gas mixture of oxygen and externally recirculated exhaust gas. be arranged.
  • a fuel injection device 12 is provided, which can form part of both the mixture formation device 2 and the burner 3.
  • a fuel line 13 supplies fuel F to the burner 3.
  • the burner 3 is equipped with an external exhaust gas recirculation 14, which takes a part of the combustion exhaust gases downstream of the burner 3 via a return line 15 branching off from the exhaust line 9 and ultimately admixes it again in front of the burner 3.
  • the serve externally recirculated exhaust gases GER for flushing the membrane 5.
  • the burner 3 here is equipped with an internal exhaust gas recirculation 16, in which a part of the exhaust gases remains in a combustion chamber of the burner 3, which is not shown in FIG. 1.
  • the combustion process which can be carried out with the system 1 works without nitrogen, so that the combustion exhaust gases generated by the burner 3 contain no or only parasitic NO x components which originate from the fuel.
  • the exhaust gas Gs essentially contains only CO 2 and vaporous water (H 2 O).
  • the burner 3 is designed to carry out flameless combustion.
  • the mixture formation device 2 is designed such that it only brings together the oxidizer O x together with the externally recirculated exhaust gases GER and the fuel F in the burner 3 in order to produce the gas mixture to be burned.
  • a corresponding interaction of the mixture-forming device 2 and the burner 3 ensures that the finished gas mixture, which in the embodiment shown in FIG. 1 is only formed by mixing the internally recirculated exhaust gas quantity GIR, has a temperature which is above the self-ignition temperature of this gas mixture. Under these conditions, the desired flameless combustion can be implemented in burner 3.
  • Such flameless combustion can also proceed with sufficient stability if the gas mixture to be burned has a very low oxygen content, that is to say a very weak reactivity. This is particularly the case if a relatively large amount of purge gas is used to remove the oxygen, that is to say a relatively high external exhaust gas recirculation rate, in order to increase the performance of the oxygen separation device 4. It is entirely possible that the external exhaust gas recirculation rate is selected to be so large that internal exhaust gas recirculation can be dispensed with more or less or that the internal exhaust gas recirculation can be kept very low.
  • the burner 3 can have a pre-combustion chamber 18 and a main combustion chamber 20 arranged downstream of the flow direction of the burner 3 symbolized by an arrow 19.
  • the burner 3 is expediently rotationally symmetrical with respect to an axis of symmetry 21.
  • the fuel injection device 12 is configured such that first injection nozzles 22 in the pre-combustion chamber 18 enable fuel to be pre-injected. Furthermore, second injection nozzles 23 are provided, which allow a main injection of fuel in the main combustion chamber 20. In the pre-combustion chamber 18, a mixing device 24, a catalyst device 25 and a swirling device 26 are arranged one behind the other in the flow direction 19.
  • the burner 3 according to FIG. 2 works as follows:
  • the pre-combustion chamber 18 is supplied with oxygen O x , which can be diluted more or less with externally recirculated exhaust gas GER, so that an oxygen-exhaust gas mixture O x + G E R is then supplied.
  • O x oxygen-exhaust gas mixture
  • G E R externally recirculated exhaust gas
  • a relatively small amount of fuel is injected via the first injection nozzles 22.
  • the individual components are mixed thoroughly in the mixing device 24.
  • a catalytically initiated takes place in the catalyst device 25, which contains a corresponding catalyst or stabilized combustion of the fuel F, whereby only a part of the amount of oxygen supplied is consumed.
  • the temperature increase of the gas mixture supplied to the main combustion chamber 20 can be achieved by the catalytic combustion. Due to the catalytic combustion in the pre-combustion chamber 18, the exhaust gas quantity and thus the exhaust gas concentration can be increased quasi internally, which makes it possible to reduce the externally recirculated exhaust gas quantity GER ZU. Since a high external exhaust gas recirculation rate leads to high pressure losses, which have to be compensated for by corresponding pump power, the overall efficiency of the turbine process can be improved by the internal catalytic exhaust gas generation proposed here.
  • a desired flow or swirl behavior can be forced onto the gas flow.
  • Further fuel F is then added in the main combustion chamber 20 via the second injection nozzles 23, the desired gas mixture then forming, the temperature of which is above the self-ignition temperature of this gas mixture.
  • this mixture formation may require an internal exhaust gas recirculation, which can be generated here by means of suitable, aerodynamically operating exhaust gas guiding devices.
  • such an exhaust gas guiding device is formed by a cross-sectional widening 27 at the transition from the pre-combustion chamber 18 into the main combustion chamber 20, which initiates an annular vortex roller symbolized by an arrow 28.
  • the exhaust gas guiding device thus formed causes a backflow of part of the exhaust gases against the flow direction 19 of the burner 3 through the vortex 28, so that this portion of the exhaust gases remains in the main combustion chamber 20.
  • the annular swirl roller shown in the vicinity of the axis of symmetry 21 and designated by 29 can be, for example, by the swirling device 26, in particular in connection with the cross-sectional expansion 27. This swirl roller 29 also supports the internal exhaust gas recirculation.
  • This recirculation due to the vortices 28 and 29 also supports the mixing of the internally recirculated exhaust gases with the gas mixture introduced into the main combustion chamber 20, as a result of which, for example, heating of the combustible mixture and stabilization of the reactions can also be achieved. Accordingly, the catalyst device 25, which leads to an increase in temperature in the mixture, is not absolutely necessary, but can e.g. in the partial load range.
  • the fuel injection device 12 can have a lance 30 which extends coaxially with the axis of symmetry 21.
  • This lance 30 has first injection nozzles 31 assigned to the pre-combustion chamber 18 and second injection nozzles 32 assigned to the main combustion chamber 20. With the aid of such a lance 30, a particularly homogeneous distribution of the injected fuel quantity can be achieved in the main combustion chamber 20, whereby the formation of flameless combustion is facilitated.
  • injection nozzles 22, 23, 31 and 32 are preferably distributed in a rotationally symmetrical manner with respect to the axis of symmetry 21, it being possible for more than the two exemplified nozzles to be provided for each type of nozzle.
  • the flameless combustion in the main combustion chamber 20 results in a combustion which is homogeneously distributed over the entire main combustion chamber 20 and which runs freely.
  • the flameless combustion thus produces a homogeneous temperature distribution over the entire main combustion chamber 20, which considerably simplifies the integration of the burner 3 into a heat exchanger and / or into an oxygen separation device 4 and a direct attachment of the burner 3 to a heat exchanger and / or an oxygen separation device 4 ,
  • a mixture of fuel and inert gas e.g. externally recirculated exhaust gas can be used.
  • Essentially pure oxygen can, for example, be produced cryogenically.
  • the mixture formation device 2 introduces substantially pure oxygen into the main combustion chamber 20, this takes place in order to achieve the desired gas mixture at a point in the vicinity of which the fuel injection also takes place.
  • An internal exhaust gas recirculation with a relatively high recirculation rate then serves to form the desired gas mixture.
  • the catalyst device 25 can be omitted in such an embodiment. It is also possible to introduce oxygen both into the pre-combustion chamber 18 and into the main combustion chamber 20, whereby on the one hand catalytic preheating of the supplied gas mixture can be achieved and on the other hand a more stable flameless combustion can be achieved. The latter embodiment is particularly advantageous when the burner 3 is under partial load.
  • exhaust gases Gs generated by the burner 3 for example. can be used in a gas turbine plant for generating electrical current.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere für ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme, bei dem ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Brennstoff und im wesentlichen stickstoffreien Inertgas gebildet und in einem Brenner (3) verbrannt wird. Um auch bei einem relativ hohen Anteil an Inertgas eine stabile Verbrennung gewährleisten zu können, ist die Verbrennung als flammenlose Verbrennung ausgebildet.

Description

Verbrennungsverfahren, insbesondere für Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren, insbesondere für ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit flammenloser Verbrennung arbeitendes Verbrennungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 2. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage, insbesondere Gasturbinenanlage, zur Durchführung derartiger Verbrennungsverfahren, sowie auf eine besondere Verwendung eines mit flammenloser Verbrennung arbeitenden Verbrennungsverfahrens.
Stand der Technik
Aus der WO 98/55208 ist ein Verbrennungsverfahren für ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme bekannt, bei dem ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Brennstoff und im wesentlichen stickstofffreien Inertgas gebildet und in einem Brenner verbrannt wird. Das Inertgas wird dabei durch die Verbrennungsabgase des Brenners gebildet, wobei in diesem an sich stickstofffreien Abgas über den verbrannten Brennstoff durchaus vernachlässigbare parasitäre Stickstoffanteile enthalten sein können. Der Sauerstoff für das Gasgemisch wird dabei mit Hilfe einer Sauerstoff-Transport-Membran bereitgestellt, die an einer Sperrseite mit vorzugsweise erhitzter und komprimierter Luft beaufschlagt ist. Diese Membran entzieht an ihrer Sperrseite der dort vorhandenen Luft Sauerstoff, transportiert diesen an eine Durchgangsseite der Membran und setzt ihn dort frei. Mit Hilfe eines Spülgases kann der Sauerstoff auf der Durchgangsseite abtransportiert werden. Zweckmäßig wird als Spülgas das Verbrennungsabgas des Brenners verwendet, das durch eine Verbrennung mit Brennstoff zusätzlich erwärmt sein kann. Bestimmte Ausführungsformen derartiger Membranen sind als MCM- Membran (mixed conducting membrane) bekannt.
Bei einem derartigen Verbrennungsprozess ist - abgesehen von parasitären Stickstoffanteilen im Brennstoff - kein Stickstoff beteiligt, so daß die entstehenden Abgase im wesentlichen nur CO2 und H2O in Form von Wasserdampf enthalten. Durch Auskondensieren des Wasserdampfes kann das CO2 separiert und relativ problemlos entsorgt werden. Da bei einem derartigen Verbrennungsprozess somit grundsätzlich keine schädlichen Emissionen anfallen, kann hier auch von einem Nullemissionsverfahren (zero emission process) gesprochen werden.
Um die Leistungsfähigkeit einer Sauerstoff-Transport-Membran zu steigern, ist ein relativ hoher Volumenstrom an Spülgas erforderlich. Bei diesen vorteilhaften gros- sen Spülgasmengen ergibt sich jedoch ein Abgas-Sauerstoff-Gemisch, dessen Sauerstoffanteil so gering ist, daß es nur noch sehr schwach reaktiv ist. Herkömmliche Verbrennungsverfahren, insbesondere mit Diffussionsflamme arbeitende Verbrennungsverfahren, sind nicht mehr anwendbar. Beispielsweise kann das Gasgemisch aus mit Spülgas verdünntem Sauerstoff und beigefügtem Brennstoff hinsichtlich seines Volumens wie folgt zusammengesetzt sein: 2,5 % CH , 5 % O2, 27,5 % CO2, 65 % H2O. Die Temperatur dieses Gasgemischs beträgt üblicherweise zwischen 600 und 900° C. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich bei existierenden Magervormischbrennern und katalytischen Brennern eine Reaktivität, die kleiner ist als bei sonst üblichen Brennstoff/Luft-Mischungen bei gleichen Temperaturen. Hierdurch kommt es zu hohen Zündverzugszeiten, zu einer reduzierten Flammengeschwindigkeit und zu engeren Magerlöschgrenzen. Darüber hinaus werden die Betriebsparameter auch dadurch verschlechtert, daß die erzielbare Temperatur der Verbrennungsgase deutlich reduziert ist und beispielsweise nur bei etwa 1.200° C liegt. Aufgrund dieser Bedingungen können herkömmliche Verbren- nungsverfahren nicht in zufriedenstellender weise zu einer stabilen Verbrennung eines derart schwach reaktiven Gasgemischs verwendet werden.
Bei der Integration eines Brenners in einen Wärmetauscher und/oder in eine mit einer Sauerstoff-Transport-Membran arbeitende Sauerstofftrenneinrichtung oder wenn der Brenner seine Verbrennungsabgase unmittelbar in einen Wärmetauscher oder eine solche Sauerstofftrenneinrichtung einspeist, ergeben sich weitere Probleme, da der Betrieb derartiger Wärmetauscher bzw. Sauerstofftrenneinrichtungen nur dann im Hinblick auf Wärmeübertragung und thermische Belastung optimal ist, wenn eine möglichst gleichmäßigeTemperaturverteilung erreicht wird. Bei herkömmlichen Verbrennungsverfahren ergeben sich jedoch üblicherweise un- gleichmäßige Temperaturverteilungen.
Aus der EP 0 463 218 A1 ist ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff in einem Verbrennungsraum bekannt, bei dem Brennstoff mit vorzugsweise vorgewärmter Verbrennungsluft in Gegenwart von zurückgeführten Verbrennungsabgasen oxidiert wird. Bei der Verbrennung von Luft wird stets thermisches NOx gebildet, wobei mit zunehmender Flammentemperatur die NOx-Bildung stark zunimmt. Zur Reduzierung der NOx-Emissionen schlägt das bekannte Verfahren vor, den Brennstoff mit extrem hoher Verbrennungsabgasrückführung im wesentlichen flammenlos und pulsationsfrei zu oxidieren. Dies wird dadurch erreicht, daß Verbrennungsabgase, denen vorher aus dem System nach außen abgeführte Nutzwärme entzogen wurde, mit der vorgewärmten Verbrennungsluft in einem Verbrennungs- abgasrückführverhältnis größer oder gleich 2 vermischt wird, wobei das Abgas- rückführverhältnis als das Verhältnis der Massenströme des rückgeführten Verbrennungsabgases und der zugeführten Verbrennungsluft definiert ist, wobei dieses Abgas-Luft-Gemisch auf einer Temperatur gehalten wird, die höher liegt als die Zündtemperatur, und wobei das Abgas/Luft-Gemisch sodann mit dem Brennstoff unter Ausbildung einer Oxidationszone zusammengebracht wird, in der eine im wesentlichen flammenlose und pulsationsfreie Oxidation in dem Verbrennungsraum stattfindet. Durch dieses bekannte Verfahren können die NOx-Emissionen bei der Verbrennung von Luft schätzungsweise um einen Faktor 10 reduziert werden. Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Problem, für die Verbrennung von schwach reaktiven und stickstofffreien Gasgemischen zufriedenstellend funktionsfähige Möglichkeiten aufzuzeigen.
Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die zur Reduzierung der NOx-Emissionen bekannte flammenlose Verbrennung zur Verbrennung eines stickstofffreien Gasgemischs zu verwenden. Es ist leicht erkennbar, daß die Anwendung eines zur Reduktion der NOx-Emissionen bekannten, mit flammenloser Verbrennung arbeitenden Verfahrens bei einem stickstofffrei und somit ohne NOx- Emissionen arbeitenden Verbrennungsverfahren offensichtlich motivationslos erfolgt, da das stickstofffrei arbeitende Verbrennungsverfahren hinsichtlich seiner NOx-Emissionswerte nicht verbessert werden kann. Die Erfindung nutzt nun die Erkenntnis, daß sich ein mit flammenloser Verbrennung arbeitendes Verbrennungsverfahren in besondererWeise zur Verbrennung schwach reaktiver Gasgemische eignet. Durch die erfindungsgemäße Kopplung eines stickstofffrei arbeitenden Verbrennungsprozesses mit einem flammenlos arbeitenden Verbrennungsprozess kann die Leistungsfähigkeit des stickstofffrei arbeitenden Verbrennungsprozesses deutlich verbessert werden, wenn ein schwach reaktives Gasgemisch verbrannt werden soll, insbesondere wenn der Sauerstoff des zu verbrennenden Gasgemischs mit Hilfe einer Sauerstoff-Transport-Membran bei größerer Spülgasmenge gewonnen wird. Durch die Erfindung wird ein Synergieeffekt erreicht, der so nicht zu erwarten war, da das bekannte mit flammenloser Verbrennung arbeitende Verbrennungsverfahren ausdrücklich zur Reduktion der NOx-Emissionen dient, die es aber bei einem stickstofffrei arbeitenden Verbrennungsverfahren, von dem die Erfindung ausgeht, gar nicht gibt. Insoweit nutzt die vorliegende Erfindung das mit flammenloser Verbrennung arbeitende Verbrennungsverfahren zu einem anderen Zweck. Denn durch die Verwendung der flammenlosen Verbrennung wird bei einem stickstofffrei arbeitenden Verbrennungsprozess eine zuverlässige und stabile Verbrennung eines schwach reaktiven Gasgemisches ermöglicht.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2' eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines Brenners für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine Ansicht wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 besitzt eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder Anlage 1 eine Gemischbildungseinrichtung 2 sowie einen Brenner 3. Die Gemischbildungseinrichtung 2 umfaßt eine Sauerstofftrenneinrichtung 4, die mit einer Sauerstoff- Transport-Membran 5 ausgestattet ist. Die Membran 5 besitzt entsprechend Fig. 1 oben eine Sperrseite 6 und entsprechend Fig. 1 unten eine Durchgangsseite 7. Auf der Sperrseite 6 wird der Membran 5 ein sauerstoffhaltiges Gas Ai, z.B. Luft, zugeführt. An der Membran 5 erfolgt dann entsprechend einem Pfeil 8 ein Transport von Sauerstoff (O2), der von der Sperrseite 6 der Membran 5 entnommen und auf deren Durchgangsseite 7 transportiert wird. In der Sauerstofftrenneinrichtung 4 wird demnach der Sauerstoffgehalt des auf der Sperrseite 6 zugeführten Gases Ai reduziert; dementsprechend ist in Fig. 1 das in der Sauerstofftrenneinrichtung 4 befindliche Gas mit A gekennzeichnet. Aus der Sauerstofftrenneinrichtung 4 tritt dann bezüglich seines Sauerstoffgehalts reduziertes Gas A2 aus.
Um die Leistungsfähigkeit der Membran 5 zu steigern, wird deren Durchgangsseite 7 mit einem inerten Spülgas GER beaufschlagt, das den Sauerstoff aus der Sauerstofftrenneinrichtung 4 abtransportiert. Das Spülgas GER wird im vorliegenden Fall durch extern rückgeführtes Abgas gebildet, das nach dem Brenner 3 einem Abgasstrang 9 entnommen wird.
Zweckmäßigerweise kann die Sauerstofftrenneinrichtung 4 außerdem als Wärmetauscher ausgebildet sein. Auf diese Weise kann zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Sauerstofftrenneinrichtung 4 die Temperatur des zugeführten sauer- stoffhaltigen Gases Ai erhöht werden.
Über eine Leitung 10 wird das mit Sauerstoff angereicherte, extern rückgeführte Abgas dem Brenner 3 zugeführt. Zum Antrieb dieses Gasgemischs aus Sauerstoff und extern rückgeführtem Abgas kann in der Leitung 10 eine Pumpe 11 oder Turbine oder Gebläse od.dgl. angeordnet sein.
Des weiteren ist eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 12 vorgesehen, die sowohl einen Bestandteil der Gemischbildungseinrichtung 2 als auch des Brenners 3 bilden kann. Im vorliegenden Fall führt eine Brennstoffleitung 13 Brennstoff F dem Brenner 3 zu. Wie bereits oben erwähnt ist der Brenner 3 mit einer externen Abgasrückführung 14 ausgestattet, die über eine vom Abgasstrang 9 abzweigende Rückführungsleitung 15 einen Teil der Verbrennungsabgase nach dem Brenner 3 entnimmt und letztlich vor dem Brenner 3 wieder zumischt. Im hier gezeigten Fall dienen die extern rückgeführten Abgase GER zur Spülung der Membran 5. Des weiteren ist der Brenner 3 hier mit einer internen Abgasrückführung 16 ausgestattet, bei der ein Teil der Abgase in einem in Fig. 1 nicht gezeigten Brennraum des Brenners 3 verbleibt. Diese mit G|R bezeichneten, intern rückgeführten Abgase vermischen sich im Brennraum mit den anderen, dem Brenner 3 zugeführten Gaskomponenten, um so das gewünschte Gasgemisch auszubilden, das eine relativ hohe Abgasrückführungsrate (extern und/oder intern) aufweist. Die interne Abgasrückführung ist in Fig. 1 außerdem durch Pfeile 17 symbolisiert.
Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Schema hervorgeht, arbeitet das mit der Anlage 1 durchführbare Verbrennungsverfahren ohne Stickstoff, so daß die vom Brenner 3 erzeugten Verbrennungsabgase keine oder nur noch parasitäre NOx-Anteile enthalten, die aus dem Brennstoff stammen. Das abgeleitete Abgas Gs enthält im wesentlichen nur CO2 und dampfförmiges Wasser (H2O).
Erfindungsgemäß ist der Brenner 3 zur Durchführung einer flammenlosen Verbrennung ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Gemischbildungseinrichtung 2 so ausgestaltet, daß sie zur Herstellung des zu verbrennenden Gasgemischs erst im Brenner 3 den Oxidator Ox zusammen mit den extern rückgeführten Abgasen GER und den Brennstoff F zusammenbringt. Des weiteren wird durch ein entsprechendes Zusammenspiel der Gemischbildungseinrichtung 2 und des Brenners 3 gewährleistet, daß das fertiggestellte Gasgemisch, das sich bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erst durch die Vermischung der intern rückgeführten Abgasmenge GIR ausbildet, eine Temperatur aufweist, die oberhalb der Selbstentzündungstemperatur dieses Gasgemischs liegt. Unter diesen Voraussetzungen kann im Brenner 3 die gewünschte flammenlose Verbrennung realisiert werden. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß eine derartige flammenlose Verbrennung auch dann hinreichend stabil ablaufen kann, wenn das zu verbrennende Gasgemisch einen sehr niedrigen Sauerstoffgehalt, also eine sehr schwache Reaktivität aufweist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zur Leistungssteigerung der Sauerstofftrenneinrichtung 4 eine relativ große Spülgasmenge zum Abtransport des Sauerstoffs, also eine relativ hohe externe Abgasrückführungsrate verwendet wird. Dabei ist es durchaus möglich, daß die externe Abgasrückführungsrate so groß gewählt ist, daß auf eine interne Abgasrückführung mehr oder weniger verzichtet werden kann oder daß die interne Abgasrückführung sehr niedrig gehalten werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß eine zuverlässige flammenlose Verbrennung realisierbar ist, wenn im Gasgemisch ein Volumenverhältnis von Inertgas, also extern rückgeführtes Abgas GER sowie intern rückgeführtes Abgas GIR, ZU Brennstoff F und Sauerstoff Ox größer als 2, insbesondere größer als 3, ist.
Entsprechend Fig. 2 kann der Brenner 3 entsprechend einer besondere Ausfüh- rungsform einen Vorbrennraum 18 und einen bezüglich einer durch einen Pfeil 19 symbolisierten Durchströmungsrichtung des Brenners 3 nachgeordneten Hauptbrennraum 20 aufweisen. Der Brenner 3 ist bezüglich einer Symmetrieachse 21 zweckmäßig rotationssymmetrisch ausgebildet.
Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 12 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 so ausgestaltet, daß erste Einspritzdüsen 22 im Vorbrennraum 18 eine Voreinspritzung von Brennstoff ermöglichen. Des weiteren sind zweite Einspritzdüsen 23 vorgesehen, die im Hauptbrennraum 20 eine Haupteinspritzung von Brennstoff ermöglichen. Im Vorbrennraum 18 sind hier in Strömungsrichtung 19 hintereinander eine Mixeinrichtung 24, eine Katalysatoreinrichtung 25 und eine Verwirbelungs- einrichtung 26 angeordnet.
Der Brenner 3 gemäß Fig. 2 arbeitet wie folgt:
Dem Vorbrennraum 18 wird Sauerstoff Ox zugeführt, der mehr oder weniger mit extern rückgeführtem Abgas GER verdünnt sein kann, so daß dann ein Sauerstoff-Abgas-Gemisch Ox + GER zugeführt wird. Über die ersten Einspritzdüsen 22 wird eine relativ kleine Brennstoffmenge eingespritzt. In der Mixeinrichtung 24 erfolgt eine intensive Durchmischung der einzelnen Komponenten. In der Katalysatoreinrichtung 25, die einen entsprechenden Katalysator enthält, erfolgt eine katalytisch initiierte oder stabilisierte Verbrennung des Brennstoffs F, wobei nur ein Teil der zugeführten Sauerstoffmenge verbraucht wird. Insbesondere ist es möglich, nur einen Teilstrom durch die Katalysatoreinrichtung 25 zu leiten, wodurch in diesem Teilstrom auch eine vollständige Verbrennung des Sauerstoffs realisierbar ist.
Durch die katalytische Verbrennung kann eine Temperaturerhöhung des dem Hauptbrennraum 20 zugeführten Gasgemischs erreicht werden. Durch die katalytische Verbrennung im Vorbrennraum 18 kann quasi intern die Abgasmenge und somit die Abgaskonzentration erhöht werden, wodurch es möglich ist, die extern rückgeführte Abgasmenge GER ZU reduzieren. Da eine hohe externe Abgasrückführungsrate zu hohen Druckverlusten führt, die durch entsprechende Pump- leistung ausgeglichen werden müssen, kann durch die hier vorgeschlagene interne katalytische Abgaserzeugung der Gesamtwirkungsgrad des Turbinenprozesses verbessert werden.
Bei der Durchströmung der Verwirbelungseinrichtung 26 kann der Gasströmung ein gewünschtes Strömungs- bzw. Wirbelverhalten aufgezwungen werden. Im Hauptbrennraum 20 erfolgt dann über die zweiten Einspritzdüsen 23 die Zugabe weiteren Brennstoffs F, wobei sich dann das gewünschte Gasgemisch ausbildet, dessen Temperatur oberhalb der Selbstentzündungstemperatur dieses Gasgemischs liegt. Je nach externer Abgasrückführrate kann für diese Gemischbildung eine interne Abgasrückführung erforderlich sein, die hier mittels geeigneter, aerodynamisch arbeitender Abgasleiteinrichtungen erzeugt werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch eine Querschnittserweiterung 27 beim Übergang vom Vorbrennraum 18 in den Hauptbrennraum 20 eine solche Abgasleiteinrichtung gebildet, die eine durch einen Pfeil 28 symbolisierte ringförmige Wirbelwalze initiiert. Die so gebildete Abgasleiteinrichtung bewirkt durch den Wirbel 28 eine Rückströmung eines Teils der Abgase entgegen der Durchströmungsrichtung 19 des Brenners 3, so daß dieser Anteil der Abgase im Hauptbrennraum 20 verbleibt. Die in der Nähe der Symmetrieachse 21 dargestellte und mit 29 bezeichnete ringförmige Wirbelwalze kann beispielsweise durch die Verwirbelungseinrichtung 26, insbesondere in Verbindung mit der Querschnittserweiterung 27, initiiert werden. Auch diese Wirbelwalze 29 unterstützt die interne Abgasrückführung.
Durch eine geeignete Wahl der Strömungsgeschwindigkeiten, der Verwirbelungen und insbesondere der internen Abgasrückführung können relativ große Aufenthaltszeiten für das zu verbrennende Gas im Brenner 3 erreicht werden, wodurch eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Brennstoffs gewährleistet werden kann.
Diese Rezirkulation aufgrund der Wirbel 28 und 29 unterstützt außerdem die Vermischung der intern rückgeführten Abgase mit dem in den Hauptbrennraum 20 ein- geleiteten Gasgemisch, wodurch beispielsweise auch eine Aufheizung der brennbaren Mischung sowie eine Stabilisierung der Reaktionen erzielbar ist. Dementsprechend ist die Katalysatoreinrichtung 25, die zu einer Temperaturerhöhung im Gemisch führt, nicht zwingend erforderlich, kann jedoch z.B. im Teillastbereich, hilfreich sein.
Entsprechend Fig. 3 kann bei einer besonderen Ausführungsform die Brennstoffeinspritzeinrichtung 12 eine Lanze 30 aufweisen, die sich koaxial zur Symmetrieachse 21 erstreckt. Diese Lanze 30 weist dem Vorbrennraum 18 zugeordnete erste Einspritzdüsen 31 sowie dem Hauptbrennraum 20 zugeordnete zweite Einspritzdüsen 32 auf. Mit Hilfe einer derartigen Lanze 30 kann im Hauptbrennraum 20 eine besonders homogene Verteilung der eingespritzten Brennstoffmenge erreicht werden, wodurch die Ausbildung einer flammenlosen Verbrennung erleichtert wird.
Es ist klar, daß die Einspritzdüsen 22, 23, 31 und 32 vorzugsweise rotationssym- metisch zur Symmetrieachse 21 verteilt angeordnet sind, wobei von jedem Düsentyp durchaus mehr als die zwei exemplarisch dargestellten Düsen vorgesehen sein können.
Durch die flammenlose Verbrennung im Hauptbrennraum 20 ergibt sich eine über den gesamten Hauptbrennraum 20 homogen verteilte Verbrennung, die pulsations- frei abläuft. Die flammenlose Verbrennung erzeugt somit eine homogene Temperaturverteilung über den gesamten Hauptbrennbraum 20, wodurch die Integration des Brenners 3 in einen Wärmetauscher und/oder in eine Sauerstofftrenneinrichtung 4 sowie ein unmittelbarer Anbau des Brenners 3 an einen Wärmetauscher und/oder an eine Sauerstofftrenneinrichtung 4 erheblich vereinfacht ist.
Da bei der flammenlosen Verbrennung eine einzelne Zündstelle innerhalb des Brennraums nicht mehr lokalisierbar ist, reduziert sich die Gefahr eines Flammenrückschlags.
Während bei den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen stets reiner Brennstoff in den Brenner 3 bzw. in den Hauptbrennraum 20 eingeleitet wird, kann bei einer anderen Ausführungsform zur Ausbildung des gewünschten Gasgemischs auch ein Gemisch aus Brennstoff und Inertgas, z.B. extern rückgeführtes Abgas, verwendet werden. Im Unterschied zu den dargestellten Ausführungsformen ist es ebenso möglich, anstelle eines Gemischs aus Sauerstoff und Inertgas, den Sauerstoff im wesentlichen in Reinform dem Brenner 3 bzw. dem Hauptbrennraum 20 zuzuführen. Im wesentlichen reiner Sauerstoff kann beispielsweise kryo- technisch hergestellt werden.
Bei einer Ausführungsform, bei der die Gemischbildungseinrichtung 2 im wesentlichen reinen Sauerstoff in den Hauptbrennraum 20 einbringt, erfolgt dies zur Erzielung des gewünschten Gasgemischs an einer Stelle, in deren Nähe auch die Brennstoffeinspritzung stattfindet. Eine interne Abgasrückführung mit relativ hoher Rückführungsrate dient dann zur Ausbildung des gewünschten Gasgemischs.
Sofern reiner Sauerstoff zur Verfügung steht und in der Nähe der Brennstoffeindü- sung in den Hauptbrennraum 20 eingeleitet wird, kann die flammenlose Verbrennungsreaktion aufgrund der lokal erhöhten Temperaturen relativ stabil initiiert werden. Insoweit kann bei einer solchen Ausführungsform die Katalysatoreinrichtung 25 entfallen. Ebenso ist es möglich, Sauerstoff sowohl in den Vorbrennraum 18 als auch in den Hauptbrennraum 20 einzuleiten, wodurch einerseits eine katalytisch Vorwärmung des zugeführten Gasgemischs erreichbar ist und andererseits eine stabilere flammenlose Verbrennung realisierbar ist. Die letztgenannte Ausführungsform ist insbesondere bei Teillast des Brenners 3 von Vorteil.
Es ist klar, daß die vom Brenner 3 erzeugten Abgase Gs beispielsweise. in einer Gasturbinenanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendbar sind.
Bezugszeichenliste
1 Anlage
2 Gemischbildungseinrichtung
3 Brenner
4 Sauerstofftrenneinrichtung
5 Sauerstoff-Transport-Membran
6 Sperrseite von 5
7 Durchgangsseite von 5
8 Sauerstofftransport
9 Abgasstrang
10 Leitung
11 Pumpe
12 Brennstoffeinspritzeinrichtung
13 Brennstoffleitung
14 externe Abgasrückführung
15 Rückführungsleitung
16 interne Abgasrückführung
17 Pfeil
18 Vorbrennraum
19 Strömungsrichtung 0 Hauptbrennraum Symmetrieachse erste Einspritzdüse zweite Einspritzdüse
Mixeinrichtung
Katalysatoreinrichtung
Verwirbelungseinrichtung
Querschnittserweiterung
Wirbelwalze
Wirbelwalze
Lanze erste Einspritzdüse zweite Einspritzdüse

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungsverfahren, insbesondere für ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme, bei dem ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Brennstoff und im wesentlichen stickstofffreien Inertgas gebildet und in einem Brenner (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung als flammenlose Verbrennung ausgestaltet ist.
2. Mit flammenloser Verbrennung arbeitendes Verbrennungsverfahren, insbesondere für ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme, bei dem ein Gasgemisch aus Oxidator, Brennstoff und Inertgas in einem Brenner (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidator im wesentlichen reiner Sauerstoff oder ein Gemisch aus im wesentlichen reinen Sauerstoff und im wesentlichen stickstofffreien Inertgas verwendet wird, und daß als Inertgas ein im wesentlichen stickstofffreies Inertgas verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasgemischs oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Gasgemischs liegt, wobei die Zumischung des Sauerstoffs oder eines Gemischs aus Sauerstoff und Inertgas und/oder die Zumischung des Brennstoffs oder eines Gemischs aus Brennstoff und Inertgas erst im Brenner (3) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas ein Gemisch aus inerten Gasen ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasgemisch ein Volumenverhältnis von Inertgas zu Brennstoff und Sauerstoff größer ist als 1 ,5, insbesondere 2,5.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas aus einem bei der Verbrennung des Gasgemischs entstehenden Abgas gebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumischung des Abgases zum Sauerstoff und/oder zum Brennstoff durch eine interne Ab- gasrückführung (16), bei der ein Teil der Abgase in einem Brennraum (20) des Brenners (3) verbleibt, und/oder durch eine externe Abgasrückführung (14) erfolgt, bei der ein Teil der Abgase nach dem Brenner (3) entnommen und vor den Brenner (3) rückgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Gasgemischs kryotechnisch hergestellter, im wesentlichen reiner Sauerstoff verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Gasgemischs ein Gemisch aus im wesentlichen reinen Sauerstoff und Inertgas verwendet wird, das dadurch gebildet wird, daß eine Sauer- stoff-Transport-Membran (5) aus einem an einer Sperrseite (6) der Membran (5) angeordneten sauerstoffhaltigen Gasgemisch (A1) Sauerstoff entnimmt und zu einer Durchgangsseite (7) der Membran (5) transportiert, wo der Sauerstoff mit dem als Spülgas verwendeten Inertgas abgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Gasgemischs der Brennstoff oder ein Gemisch aus Brennstoff und Inertgas bezüglich einer Durchströmungsrichtung (19) des Brenners (3) an wenigstens zwei hintereinander angeordneten Stellen (22, 23; 31 , 32) im Brenner (3) zugemischt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Gemischtemperatur im Brenner (3) und/oder zur Erhöhung des Abgasanteils im Gasgemisch vor einem Hauptbrennraum (20) eine katalytisch initiierte und/oder stabilisierte Vorverbrennung einer Teilmenge des Sauerstoffs und einer Teilmenge des Brennstoffs durchgeführt wird.
12. Anlage, insbesondere Gasturbinenanlage, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , mit einer Gemischbildungseinrichtung (2) zum Ausbilden eines im wesentlichen stickstofffreien Gasgemischs aus Oxidator, Brennstoff und Inertgas und mit einem zur Durchführung einer flammenlosen Verbrennung ausgebildeten Brenner (3), wobei die Gemischbildungs- einrichtung (2) erst im Brenner (3) Sauerstoff und Brennstoff zusammenbringt, derart, daß das fertiggestellte Gasgemisch eine Temperatur aufweist, die oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Gasgemischs liegt.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgasrückführung (14,16) vorgesehen ist und daß das Inertgas durch das bei der Verbrennung des Gasgemischs entstehende Abgas gebildet ist.
14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung eine interne Abgasrückführung (16), bei der ein Teil der Abgase in einen Brennraum (20) des Brenners (3) verbleibt, und/oder eine externe Abgasrückführung (14), bei der ein Teil der Abgase nach dem Brenner (3) entnommen und vor dem Brenner (3) rückgeführt wird, umfaßt.
15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Abgasrückführung (16) eine Verwirbelungseinrichtung (26) aufweist, die eine Gasströmung aus Sauerstoff oder aus einem Gemisch aus Sauerstoff und Abgas vor oder bei ihrem Eintritt in einen Brennraum (20) des Brenners (3) verwirbelt.
16. Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Abgasrückführung (16) in einem Brennraum (20) des Brenners (3) eine Abgasleiteinrichtung, z.B. in Form einer Querschnittserweiterung (27), aufweist, die eine Rückströmung eines Teils der Abgase innerhalb des Brennraums (20) entgegen der Durchströmungsrichtung (19) des Brenners (3) bewirkt oder unterstützt.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennstoffeinspritzeinrichtung (12) vorgesehen ist, mit der Brennstoff sowohl in einen vorgeschalteten Vorbrennraum (18) des Brenners (3) als auch in einen nachgeschalteten Hauptbrennraum (20) des Brenners (3) einbringbar ist.
18. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzeinrichtung (12) eine Lanze (30) aufweist, die sich zentrisch im Vorbrennraum (18) und im Hauptbrennraum (20) erstreckt und dem Vorbrennraum (18) zugeordnete Einspritzdüsen (31) sowie dem Hauptbrennraum (20) zugeordnete Einspritzdüsen (32) aufweist, durch die der Brennstoff in den Vorbrennraum (18) bzw. in den Hauptbrennraum (20) eingebracht wird.
19. Anlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorbrennraum (18) ein Katalysator oder eine einen Katalysator beinhaltende Katalysatoreinrichtung (25) angeordnet ist, durch den oder die in den Vorbrennraum (18) eingebrachter Brennstoff mit in den Vorbrennraum (18) eingebrachtem Sauerstoff zumindest teilweise verbrennt.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischbildungseinrichtung (2) eine Sauerstofftrenneinrichtung (4) mit einer Sauerstoff-Transport-Membran (5) aufweist, die aus einem an einer Sperrseite (6) der Membran (5) angeordneten sauerstoffhaltigen Gasgemisch Sauerstoff entnimmt und zu einer Durchgangsseite (7) der Membran (5) transportiert, wo der Sauerstoff mit einem Spülgas abgeführt wird, wobei als Spülgas das Abgas einer externen Abgasrückführung (14) verwendet wird.
21. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischbildungseinrichtung (2) im wesentlichen reinen Sauerstoff in einen Brennraum (20) des Brenners (3) in der Nähe einer Stelle einbringt, bei der der Brennstoff oder ein Gemisch aus Brennstoff und Inertgas in den Brennraum (20) eingebracht wird, wobei eine interne Abgasrückführung (16), bei der ein Teil der Abgase im Brennraum (20) verbleibt, das zur Ausbildung des Gasgemischs fehlende Inertgas liefert.
22. Verwendung eines mit flammenloser Verbrennung arbeitenden Verbrennungsverfahrens, insbesondere für ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme, zum Verbrennen eines aus Oxidator, Brennstoff und Inertgas gebildeten im wesentlichen stickstofffreien Gasgemischs.
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1616131A1 (de) * 2003-04-24 2006-01-18 Alstom Technology Ltd Verfahren und vorrichtung zum verfahren und vorrichtung zum betreiben eines brenners einer warmekraftmaschine, insbesondere einer gasturbinenanlage
NL1023570C2 (nl) * 2003-05-30 2004-12-01 Nederlandse Gasunie Nv Homogene oxidatie.
US7007487B2 (en) * 2003-07-31 2006-03-07 Mes International, Inc. Recuperated gas turbine engine system and method employing catalytic combustion
US7469543B2 (en) 2004-09-30 2008-12-30 United Technologies Corporation Rich catalytic injection
DE102005025345A1 (de) * 2005-05-31 2006-12-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben
SE529333C2 (sv) * 2005-11-23 2007-07-10 Norsk Hydro As Förbränningsinstallation
KR100759664B1 (ko) * 2006-09-12 2007-09-17 삼성에스디아이 주식회사 퍼징 장치가 구비된 연료전지 시스템 및 그 가동 정지 방법
US20090252995A1 (en) * 2008-04-03 2009-10-08 Eickhoff Steven J Fuel cell with oxygen transport membrane
US8667800B2 (en) * 2009-05-13 2014-03-11 Delavan Inc. Flameless combustion systems for gas turbine engines
US8925325B2 (en) 2011-03-18 2015-01-06 Delavan Inc. Recirculating product injection nozzle
US8851401B2 (en) 2011-03-18 2014-10-07 Delavan Inc. Flat fan air assist injectors
CA2902809C (en) 2013-03-13 2018-01-23 Industrial Turbine Company (Uk) Limited Lean azimuthal flame combustor
CN103615713B (zh) * 2013-11-28 2015-11-11 华中科技大学 一种煤粉富氧无焰燃烧方法及其系统
FR3039254B1 (fr) 2015-07-24 2021-10-08 Snecma Chambre de combustion comportant des dispositifs d'injection additionnels debouchant directement dans les zones de recirculation de coin, turbomachine la comprenant, et procede d'alimentation en carburant de celle-ci
JP7458370B2 (ja) * 2018-07-23 2024-03-29 ８ リバーズ キャピタル，エルエルシー 無炎燃焼による発電のためのシステムおよび方法
CN114110658A (zh) * 2021-11-19 2022-03-01 上海交通大学 氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3309866A (en) * 1965-03-11 1967-03-21 Gen Electric Combustion process and apparatus
AT287163B (de) * 1967-08-17 1971-01-11 Aichelin Fa J Industriebrenner, vorzugsweise fuer gasfoermige brennstoffe, mit rekuperativer luftvorwaermung
US3628332A (en) * 1970-04-16 1971-12-21 John J Kelmar Nonpolluting constant output electric power plant
US3689039A (en) * 1970-11-25 1972-09-05 Du Pont Method of heating oxygen-containing gases
US4204401A (en) * 1976-07-19 1980-05-27 The Hydragon Corporation Turbine engine with exhaust gas recirculation
JPS5535885A (en) * 1978-09-06 1980-03-13 Kobe Steel Ltd Combustion method capable of minimizing production of nitrogen oxide and smoke
US4498289A (en) * 1982-12-27 1985-02-12 Ian Osgerby Carbon dioxide power cycle
US4910963A (en) * 1988-11-21 1990-03-27 Vanzo Gordon F Solar energy process
ES2064538T3 (es) 1990-06-29 1995-02-01 Wuenning Joachim Procedimiento y dispositivo para la combustion de combustible en un recinto de combustion.
US5076779A (en) * 1991-04-12 1991-12-31 Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation Segregated zoning combustion
US5179903A (en) * 1991-06-24 1993-01-19 Abboud Harry I Closed loop incineration process
DE4202018C1 (en) * 1992-01-25 1993-04-29 Abb Patent Gmbh, 6800 Mannheim, De Combustion chamber for gas turbine plant - has two catalyst holders consisting of honeycomb segments with flame holder downstream of them.
DE4204320C1 (de) * 1992-02-13 1993-08-12 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De
US5201650A (en) * 1992-04-09 1993-04-13 Shell Oil Company Premixed/high-velocity fuel jet low no burner
US5407345A (en) * 1993-04-12 1995-04-18 North American Manufacturing Co. Ultra low NOX burner
US5636977A (en) * 1994-10-13 1997-06-10 Gas Research Institute Burner apparatus for reducing nitrogen oxides
US6170264B1 (en) * 1997-09-22 2001-01-09 Clean Energy Systems, Inc. Hydrocarbon combustion power generation system with CO2 sequestration
US5724805A (en) * 1995-08-21 1998-03-10 University Of Massachusetts-Lowell Power plant with carbon dioxide capture and zero pollutant emissions
US5855648A (en) * 1997-06-05 1999-01-05 Praxair Technology, Inc. Solid electrolyte system for use with furnaces
US5888272A (en) * 1997-06-05 1999-03-30 Praxair Technology, Inc. Process for enriched combustion using solid electrolyte ionic conductor systems
NO308400B1 (no) 1997-06-06 2000-09-11 Norsk Hydro As Kraftgenereringsprosess omfattende en forbrenningsprosess
NO308399B1 (no) * 1997-06-06 2000-09-11 Norsk Hydro As Prosess for generering av kraft og/eller varme
US6007326A (en) * 1997-08-04 1999-12-28 Praxair Technology, Inc. Low NOx combustion process
DE19858120A1 (de) * 1998-12-16 2000-06-21 Basf Ag Verfahren zur thermischen Behandlung von nicht brennbaren Flüssigkeiten
DE19925715A1 (de) * 1999-06-07 2000-12-14 Heinrich Koehne Verfahren und Vorrichtung zur homogenen Vermischung von Verbrennungsluft und Verbrennungsabgasen
JP2001182908A (ja) * 1999-12-22 2001-07-06 Tokyo Gas Co Ltd 低ＮＯｘバーナおよび低ＮＯｘバーナの燃焼方法
US6358040B1 (en) * 2000-03-17 2002-03-19 Precision Combustion, Inc. Method and apparatus for a fuel-rich catalytic reactor
NO314911B1 (no) * 2000-04-19 2003-06-10 Norsk Hydro As Fremgangsmåte for generering av varme og kraft samt anvendelse derav
US6382958B1 (en) * 2000-07-12 2002-05-07 Praxair Technology, Inc. Air separation method and system for producing oxygen to support combustion in a heat consuming device
US6282901B1 (en) * 2000-07-19 2001-09-04 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Integrated air separation process
DK1197258T3 (da) * 2000-10-13 2011-04-04 Alstom Technology Ltd Fremgangsmåde til drift af et kraftværksanlæg
EP1197256A1 (de) * 2000-10-13 2002-04-17 ALSTOM (Switzerland) Ltd Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von heissen Verbrennungsabgasen
DE10110783A1 (de) * 2001-03-06 2002-10-02 Innovationen Zur Verbrennungst Heizungsanlage und Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage
US6532745B1 (en) * 2002-04-10 2003-03-18 David L. Neary Partially-open gas turbine cycle providing high thermal efficiencies and ultra-low emissions

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03029725A1 *

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US20040209129A1 (en) 2004-10-21

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