EP1614967B1

EP1614967B1 - Verfahren und Vormischverbrennungssystem

Info

Publication number: EP1614967B1
Application number: EP04016246.3A
Authority: EP
Inventors: Andreas Heilos; Berthold Köstlin; Bernd Dr. Prade
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: EP1614967A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vormischverbrennungssystem zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine.
Eine Gasturbine ist eine Kraftmaschine, welche die Wärmeenergie eines heißen Gases in mechanische Energie umsetzt. Gasturbinen werden in der Technik, als Antriebsaggregate, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom, eingesetzt. Unter einer Gasturbinenanlage versteht man im Allgemeinen nicht nur die Gasturbine selbst, sondern ein Aggregat aus verschiedenen Bestandteilen. Dazu gehören unter anderem die hintereinander geschalteten Bestandteile Verdichter, Brennkammer, Gasturbine und Generator.
Zunächst wird in einem Verdichter angesaugte Luft komprimiert, die hinter dem Verdichter einer Brennkammer zuströmt. Die Brennkammer weist üblicherweise mehrere Brenner auf, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Brennraum die Luft erhitzen und auf diese Weise zu Heißgas umsetzen. Bei modernen Maschinen kann das Heißgas eine Temperatur von über 1400 °C aufweisen. Der Brennstoff könnte grundsätzlich in Form eines Brenngases oder in Form von Heizöl vorliegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft speziell die Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs, insbesondere in Form von niederkalorischem Gas. Unter einem niederkalorischen Brennstoff ist - im Unterschied zu einem Standardbrennstoff - insbesondere ein Brennstoff mit einem Heizwert von unterhalb von 20 MJ/kg, vorzugsweise unterhalb von 10 MJ/kg, zu verstehen. Dies könnte beispielsweise ein sehr niederkalorisches Erdgas sein oder ein so genanntes Synthesegas. Synthesegas weist üblicherweise Hauptanteile von CO, H₂ und ggf. Nebenanteile wie N₂ und CO₂ sowie Wasserdampf auf. Standardbrennstoff ist üblicherweise ein normal- und/oder hochkalorischer Brennstoff, dessen Heizwert weit oberhalb von 30 MJ/kg liegt. Normales Erdgas hat beispielsweise einen Heizwert in der Regel zwischen 40 bis 50 MJ/kg.
Das Heißgas strömt in der Regel von der Brennkammer in eine Gasturbine ein und wird dort unter Antrieb eines Rotors entspannt. Die aus der Gasturbine austretenden Abgase gelangen über einen Abgaskanal in einen Abhitzekessel oder direkt in einen Kamin. Zum Antrieb von Maschinen z. B. eines Generators, steht die Differenz aus der von der Gasturbine abgegebenen Leistung abzüglich der dem Verdichter zugeführten Leistung zur Verfügung.
Ziel einer Ausgestaltung einer Gasturbinenanlage ist es deshalb einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Darüber hinaus ist speziell bei der Verbrennung niederkalorischer Brennstoffe zunehmend auf strengere Anforderungen hinsichtlich des Ausstoßes von Stickoxiden zu achten. Dabei ist im Hinblick auf niederkalorische Brennstoffe vor allem Folgendes zu berücksichtigen: Verglichen mit den klassischen Standardbrennstoffen für Gasturbinen, wie Erdgas und Erdöl, ist nämlich der Heizwert eines niederkalorischen Brennstoffs, insbesondere eines niederkalorischen Brenngases, etwa zwei- bis zehnmal geringer.
Insbesondere im Hinblick auf den Heizwert eines Synthesegases ist zu berücksichtigen, dass die brennbaren Bestandteile des Synthesegases im Wesentlichen CO und H₂ sind, während die klassischen Standardbrennstoffe für Gasturbinen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen.
Um also einen optimalen Ausbrand einer mit niederkalorischem Brennstoff betriebenen Flamme zu erreichen ist vor allem auch auf die Mischungsgüte zwischen dem niederkalorischen Brennstoff und Luft in der Flamme zu achten. Demzufolge erfolgte bislang die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen im Rahmen einer Diffusionsflamme, also einer im Diffusionsbetrieb geführten Flamme. Dies hat zunächst den Vorteil, dass sich die Flammenfront gemäß einer nahestöchiometrischen Mischungsgüte zwischen niederkalorischem Brennstoff und Luft selbständig einstellt und zu einer guten Umsetzung des niederkalorischen Brennstoffs mit Luft führt.
Dabei besteht jedoch das Problem, dass sich gerade aufgrund der sich bei nahestöchiometrischen Mischungsverhältnisse einstellenden Flammenfront in der Flamme Temperaturspitzen auftreten, die für eine erhöhte Stickoxidemission sorgen. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass solche Temperaturspitzen im Bereich von 2000 °C oder mehr liegen können, während zur Erreichung einer aus thermodynamischen Gesichtspunkten sinnvollen Heißgasbeaufschlagung einer Gasturbine bereits Temperaturen im Bereich von 1500 °C ausreichend sind.
Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass bei der Verbrennung von niederkalorischen Gasen die Flamme im Diffusionsbetrieb bei der Verbrennung in definierter Weise beeinflusst wird. Zu diesen Maßnahmen gehören z. B. eine Reduzierung der maximalen stöchiometrischen Verbrennungstemperatur durch Zugabe von Inertgasen, wie Stickstoff oder Dampf, was auch unter dem Begriff "Quenching" bekannt ist. Der Druckschrift US- 5451160 offenbart ein solches Verbrennungssystem.
Als weitere Maßnahme sind turbulenzerzeugende Einbauten in einer Diffusionszone der Flamme vorgesehen. Solche turbulenzerzeugende Einbauten stören in definierter Weise die Flammenfront, so dass sich Spitzentemperaturen nicht mehr ausbilden können.
Als weitere Maßnahme wird auch eine Erhöhung der Drallstärke, sowohl bei einem Brennstoff- als auch bei einem Luftmassenstrom vorgeschlagen. Dies beeinflusst die Druckverhältnisse in der Flamme derart, dass bei der Diffusionsflamme nahestöchiometrische Brennstoff-Luft-Gemische, und damit Verbrennungstemperaturen im Bereich der Spitzentemperaturen, vermieden sind.
Die oben genannten Maßnahmen erweisen sich jedoch als einerseits unzulänglich und andererseits nicht vollkommen verlässlich hinsichtlich einer stabilen Verfahrensführung für die Verbrennung von niederkalorischen Gasen im Diffusionsbetrieb.
Wünschenswert wäre ein Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine, bei dem eine Verbrennung, im Vergleich zu Spitzentemperaturen einer Diffusionsflamme, bei deutlich niedrigeren Temperaturen erfolgt und was letztlich zu einer deutlichen Senkung der thermischen Stickoxidbildung führen sollte.
Der Druckschrift US-5169302.A offenbart ein Vermischverbrennungssystem zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine anzugeben, wobei eine Stickoxidemission im Vergleich zur im Diffusionsbetrieb betriebenen Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs verringert ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein eingangs genanntes wie im Anspruch 1 beanspruchtes Verfahren gelöst, bei dem erfindungsgemäß im Rahmen einer Vormischung der niederkalorische Brennstoff mit Luft zu einem nierderkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch vorgemischt wird und eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden wird und im Rahmen einer Verbrennung das niederkalorische Brennstoff-Luft-Gemisch zu einem Heißgas umgesetzt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs mit Luft zur Einstellung einer Mischungsgüte zwischen dem niederkalorischen Brennstoff und der Luft führt, die genügend weit entfernt von einer nahestöchiometrischen Mischungsgüte ist. Dies kann je nach Zweckmäßigkeit ein fettes, niederkalorisches Brennstoff-Luft-Gemisch sein, bei dem eine Luftzahl unterhalb von eins liegt, also ein Brennstoffanteil größer ist, als es für eine nahestöchiometrische Mischungsgüte erforderlich wäre. Je nach Zweckmäßigkeit kann alternativ auch ein mageres, niederkalorisches Brennstoff-Luft-Gemisch vorgesehen sein, bei dem die Luftzahl oberhalb von eins liegt und bei dem dementsprechend ein Brennstoffanteil geringer ist, als es für eine nahestöchiometrische Mischungsgüte erforderlich wäre.
Das Verfahren gemäß dem neuen Konzept betrifft also eine Vormischverbrennung, wobei vor einer Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches zunächst eine Vormischung erfolgt, bei der eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden wird. Dabei werden die eingangs erwähnten üblichen Maßnahmen vermieden, die letztendlich auf eine im Betrieb gestörte Diffusionsflamme führen und damit suboptimal sind. Dagegen führt die Vormischverbrennung auf besonders gut einzustellen Flammenbedingungen.
Eine solche Vormischverbrennung ist zwar grundsätzlich bekannt für Standardbrennstoffe, also für normal- und/oder hochkalorische Brennstoffe, also insbesondere für hochkalorische Brennstoffe, deren Heizwert deutlich über 30 MJ/kg liegt. Speziell in Bezug auf das hier beanspruchte Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs besteht jedoch das Problem, dass ein niederkalorischer Brennstoff, insbesondere ein Synthesegas, zwar einen geringeren Heizwert (unter 20 MJ/kg, vorzugsweise unter 15 MJ/kg, vorzugsweise unter 10 MJ/kg, vorzugsweise oberhalb von 4 MJ/kg) im Vergleich zu normal- und/oder hochkalorischen Brennstoffen hat, aber dennoch sehr viel schneller verbrennt und vor allem eine wesentlich höhere Reaktivität aufweist, als normal- und/oder hochkalorische Brennstoffe. Dies wiederum machte bislang eine Vormischung bei Verfahren zur Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen unmöglich, da niederkalorische Brennstoffe, anders als normal- und hochkalorische Brennstoffe, zu einer frühzeitigen Zündung bereits bei einer Vormischung neigen und dies zu einem unerwünschten Flammenrückschlag in einen Vormischraum führen kann.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass eine Umsetzung in Form einer unerwünschten Zündung und/oder Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches im Rahmen der Vormischung vermieden wird. Vorzugsweise wird dies durch eine Vermeidung von Rückstromgebieten und/oder Stromablösezonen im Vormischraum und/oder durch eine Anhebung des Geschwindigkeitsniveaus eines niederkalorischen Luft/Brennstoffstroms im Vormischraum erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, die Vormischung im Rahmen des Verfahrens zu verbessern.
Als besonders vorteilhaft im Rahmen der Vormischung erweist es sich, dass der niederkalorische Brennstoff in teilverdünnter Form der Vormischung zugeführt wird. Im Prinzip könnte der niederkalorische Brennstoff auch unverdünnt der Vormischung zugeführt werden. Bei einer teilverdünnten Zugabe ist die Gefahr einer vorzeitigen Zündung bei der Vormischung jedoch besonders gering.
Insbesondere hat die vorliegende Erfindung erkannt, dass zur Vermeidung der oben erläuterten Probleme für eine Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs mit Luft der niederkalorische Brennstoff mit einem sehr viel größeren Faktor als ein Standardbrennstoff, also als ein normalkalorischer oder hochkalorischer Brennstoff, der Vormischung zugeführt werden sollte. Insbesondere wird deshalb im Rahmen einer Vormischung der niederkalorische Brennstoff mit Luft zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch vorgemischt, wobei der niederkalorische Brennstoff in einer Menge zugeführt wird, die um einen Faktor von mindestens zwei, vorzugsweise etwa fünf bis zehn über derjenigen Menge eines Standardbrennstoffs liegt, die unter sonst gleichen Bedingungen benötigt würde.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens hat es sich zur Stabilisierung der Verbrennung des niederkalorischen Brennstoffs als vorteilhaft erwiesen, dass ein Bruchteil des niederkalorischen Brennstoffs über eine Pilotflamme direkt der Verbrennung zugeführt wird. Insbesondere erweist es sich dabei als zweckmäßig, die Pilotflamme im Diffusionsbetrieb zu führen. Auf diese Weise wird nämlich eine besonders hohe Stabilität der Pilotflamme erreicht, was wiederum der Stabilität der Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Heißgas zuträglich ist.
Besonders zu bevorzugen ist, dass zusätzlich oder alternativ zu dem niederkalorischen Brennstoff normal- und/oder hochkalorischer Brennstoff, also eine Form von Standardbrenngas oder Standardbrennstoff, mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vorgemischt wird. Grundsätzlich ist das oben beschriebene Verfahren gemäß dieser Weiterbildung also gleichermaßen mit unterschiedlich kalorischen Brennstoffen durchzuführen. Eine Menge des mit Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermischten Brennstoffs ist dabei in Übereinstimmung mit einer der oben erläuterten Weiterbildungen und in Übereinstimmung mit dem hier erläuterten Konzept einzustellen.
Im Rahmen einer speziellen Weiterbildung des Verfahrens erweist es sich dabei als besonders vorteilhaft, dass ein Massenstrom von Inertgas vor der Vormischung der Luft zugegeben wird. Dies kann insbesondere eine zusätzliche Menge an Luftstickstoff sein. Sowohl für den Fall einer unverdünnten, als auch für den Fall einer teilweise verdünnten niederkalorischen Vormischflamme kann ein Inertmassenstrom vor der Vormischung der Luft zugegeben werden.
Auf diese Weise kann nämlich der Volumenstrom an Brenngas, der üblicherweise durch einen Brenner dem Brennraum zugeführt werden muss, deutlich verringert werden. Dadurch werden die konstruktiven Änderungen am Brenner minimiert. Insbesondere ist gemäß dieser Weiterbildung des Verfahrens ein Inertmassenstrom nicht mehr dem Brenner zuzugeben, sondern kann bereits vor dem Brenner, insbesondere vor der Vormischung, der Luft zugegeben werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Unterschied im luftseitigen Druckverlust zwischen den Betrieben mit niederkalorischem Brennstoff einerseits und Standardbrennstoff andererseits minimiert werden kann. Dies gilt insbesondere für den Fall einer integrierten Luftentnahme.
Die Aufgabe betreffend die Vorrichtung wird durch die Erfindung mit einem eingangs genannten wie im Anspruch 10 beanspruchten Vormischverbrennungssystem gelöst, das erfindungsgemäß einen Vormischraum zur Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs mit Luft zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch aufweist, der zur Vermeidung einer Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches ausgelegt ist und das einen Brennraum zur Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Heißgas aufweist.
Die hinsichtlich des Verfahrens erläuterten Überlegungen und Vorteile gelten gleichermaßen für das hier erläuterte Vormischverbrennungssystem. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung betreffend das Vormischverbrennungssystem sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, insbesondere den Vormischraum gemäß obiger Aufgabenstellung zu realisieren.
Eine oben genannte unerwünschte Zündung und/oder Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches wird im Rahmen der Vormischung vor allem dadurch vermieden, dass der Vormischraum so ausgelegt ist, dass Rückstromgebiete oder Stromablösezonen möglichst vermieden sind. Der Vormischraum ist vorzugsweise weitgehend einbautenfrei und absatzfrei ausgeführt. Jedenfalls weist er möglichst wenige und nur schwache Kanten auf. An solchen Einbauten, Absätzen und/oder Kanten entstehen nämlich vorzugsweise Rückstromgebiete und/oder Stromablösezonen, was letztlich eine Verweilzeit eines Luft/ Brennstoff-Teilchens im Vormischraum erhöhen kann und so die Gefahr birgt, dass sich eine Flamme dort stabilisiert - es also zu einer ungewünschten Zündung und/oder Verbrennung kommen kann.
Als weitere Maßnahme lässt sich ein Geschwindigkeitsniveau eines niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches im Vormischraum erhöhen. Ein Geschwindigkeitsniveau eines niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches kann vorzugsweise 10 %, 20 % bis 30 % oder mehr über einem Geschwindigkeitsniveau liegen, das für einen Standardbrennstoff angemessen wäre. Zur Erreichung dieses Ziels kann vorzugsweise ein Kanalquerschnitt eines Vormischraums im Vergleich zu einem Ausgangsquerschnitt und/oder im Vergleich zu einem für Standardbrennstoff üblichen Kanalquerschnitt verkleinert werden. Durch eine derartige Kanalverengung kann das Geschwindigkeitsniveau angehoben werden und die Verweilzeit eines Luft/Brennstoff-Teilchens im Vormischraum verringert sich dadurch.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der Vormischraum einen ersten Verteiler für die Zuführung des niederkalorischen Brennstoffs aufweist.
Um das Vormischverbrennungssystem zusätzlich oder alternativ mit Standardbrennstoff zu beaufschlagen, hat es sich darüber hinaus als zweckmäßig erwiesen, dass der Vormischraum einen zweiten Verteiler für normal- und/oder hochkalorischen Brennstoff, also Standardbrennstoff, aufweist. Insbesondere ist dabei der erste Verteiler und der zweite Verteiler in unterschiedlicher Weise ausgelegt. Vor allem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der erste Verteiler einen Strömungsquerschnitt für den niederkalorischen Brennstoff aufweist, der um einen Faktor von mindestens zwei, vorzugsweise etwa fünf bis zehn über dem Strömungsquerschnitt für Standardbrennstoff, also für normal- und/oder hochkalorischen Brennstoff, eines zweiten Verteilers liegt. Durch die auf diese Weise großvolumige Zugabe des niederkalorischen Brennstoffs wird nicht nur sein niedrigerer Heizwert im Vergleich zu normal- und hochkalorischen Brennstoffen ausgeglichen, sondern auch die Umsetzung des niederkalorischen Brennstoffs in der Vormischung vermieden, da dem niederkalorischen Brennstoff ein größeres Volumen zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird vor allem eine frühzeitige Zündung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches im Vormischraum, also während der Vormischung, vermieden.
Um das hier beschriebene Vormischverbrennungssystem in konstruktiver Weise, bei bewährten Aufbauten eines Vormischverbrennungssystems für Standardbrennstoffe, zu realisieren, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der erste Verteiler in Form eines Verteilerrings für den niederkalorischen Brennstoff ausgebildet ist. Üblicherweise ist nämlich ein Vormischraum als eine ringzylindrische Ausführung bei einem Vormischverbrennungssystem vorgesehen. Diesem ist die Form des ersten Verteilers gemäß der Weiterbildung angepasst.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass vorteilhafterweise ein Pilotbrenner in gleicher Weise für einen niederkalorischen Brennstoff und/oder für einen Standardbrennstoff ausgelegt sein kann. Für die Durchführung des oben erläuterten Verfahrens mit der hier beschriebenen Weiterbildung des Vormischverbrennungssystems heißt dies, dass das Verfahren hinsichtlich einer Pilotflamme mit einem Pilotbrenner durchgeführt werden kann, der in einer bereits für Standardbrennstoff bestehenden Ausführung auch für einen niederkalorischen Brennstoff verwendet werden kann. Dies ist möglich, da bei einem Pilotbrenner eine Diffusionsflamme zu bevorzugen ist, bei der eine Menge des niederkalorischen Brennstoffs so gering ist, dass sie einerseits zum stabilen Betrieb der Diffusionsflamme ausreicht und andererseits eine Stickoxidemission vernachlässigbar gering ist.
Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, im Vormischraum einen Drallerzeuger vorzusehen. Dies führt zu einer verdrallten Vormischflammenführung. Aufgrund er Verdrallung weist die Vormischflammenführung ein auf der Außenseite durch den Drall erzeugtes höheres Druckniveau auf. Im Flammeninneren herrscht also ein niedrigeres Druckniveau. Aufgrund des Druckgradienten wird die Vormischflamme am Brenner gehalten. Ein Wegblasen oder Ausgehen der Flamme wird auf diese Weise vermieden. Insgesamt wird die Flammenstabilität durch den Drallerzeuger erhöht, was insbesondere bei niederkalorischen Brennstoffen, wie eingangs erläutert, von vergleichsweise hoher Wichtigkeit ist.
Die Erfindung führt auch auf eine Gasturbinenanlage mit einem Vormischverbrennungssystem der oben erläuterten Art. Insbesondere erweist sich ein solches Vormischverbrennungssystem bei einer integrierten Kohlevergasungsanlage als vorteilhaft. Solche Anlagen sind auch unter der Bezeichnung IGCC-Anlage bekannt (IGCC - Integration Gasification Combined Cycle).
Insbesondere erweist sich bei einer solchen Gasturbinenanlage eine Inertmassenstromzuführung in ein Luftplenum als vorteilhaft. Das heißt insbesondere bei einer IGCC-Anlage lässt sich ein Inertmassenstrom vor der Vormischung der Luft zugeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

FIG 1: eine besonders bevorzugte konstruktive Ausführung eines Vormischverbrennungssystems in einer teilweise perspektivischen Schnittansicht.

FIG 1 zeigt ein Vormischverbrennungssystem 10 mit einem Brenner 1 und einer nicht näher dargestellten Brennkammer mit einem Brennraum 3. Der Brenner 1 weist einen Brennereinsatz 5 auf, der mittels eines Nutrings 7 am Gehäuse einer nicht näher dargestellten Gasturbine gehalten ist. Im übrigen ist der Brenner 1 durch einen Brennerträger 8 am Gehäuse 6 einer Gasturbine gehalten. Das Vormischverbrennungssystem 10 ist gemäß der in FIG 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sowohl zur Verbrennung von niederkalorischem Brennstoff S1 auch von Standardbrennstoff E - gleichzeitig oder alternativ - geeignet.
Das Vormischverbrennungssystem 10 weist einen Vormischraum 9 auf. In dem Vormischraum 9 findet eine Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs mit Luft zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch statt, wobei eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden wird. Der für die Vormischung zur Verfügung stehende Raumbedarf des Vormischraums 9 ist in der FIG 1 zudem zum besseren Verständnis dunkel hinterlegt. Der Raumbedarf des Vormischraums 9 geht daran anschließend in einen Raumbedarf für die Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches zu einem Heißgas in Form eines Brennraums 3 in der Brennkammer über. Der Vormischraum 9 ist darüber hinaus zur Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs S₁ mit Luft L zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch ausgelegt und darüber hinaus zur Vermeidung einer Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches ausgelegt. Vorliegend wird ein Synthesegas mit einem Heizwert unterhalb von 20 MJ/kg, vorzugsweise unterhalb von 10 MJ/kg, typischerweise aber oberhalb von 4 MJ/kg, als niederkalorischer Brennstoff S₁ verwendet. Der Vormischraum 9 weist zur Zuführung des niederkalorischen Brennstoffs S₁ in Form des Synthesegases einen ersten Verteiler 11 in Form eines Verteilerrings auf. Der erste Verteiler 11 ist dabei zwischen einem nicht näher dargestellten Plenum 13 zur Zuführung der Luft und einem im Vormischraum 9 angebrachten Drallerzeuger 15 angeordnet. Vorzugsweise erfolgt über den Verteiler 11 eine Eindüsung des Synthesegases S₁ über die Bohrungen 12.
Der Drallerzeuger 15 ist dabei über eine Verankerung 17 in der Wandung 19 des Vormischraums 9 gehalten. Der in Form einer Schaufel ausgebildete Drallerzeuger 15 weist einen in Form von Bohrungen gebildeten zweiten Verteiler 21 für Standardbrennstoff E in Form von normal und/oder hochkalorischem Brennstoff, vorliegend in Form von Erdgas, auf. Normales Erdgas hat einen Heizwert in der Regel im Bereich von 40 bis 50 MJ/kg. Der zweite Verteiler 21 ist also in Form einer hohlen Achse im Drallerzeuger 15 gebildet. Der Drallerzeuger 15 selbst ist in Form einer Schaufel, insbesondere in Form einer Diagonalgitterschaufel gebildet. Vorzugsweise erfolgt über den zweiten Verteiler 21 eine Eindüsung von Erdgas über die Bohrungen 22. Der Drallerzeuger 15 mit den Bohrungen 22 ist vorliegend also zusätzlich als ein zweiter Verteiler 21 für Standardbrennstoff E ausgeführt. Der Standardbrennstoff E in Form von normal- und/oder hochkalorischem Erdgas wird dabei über ein Leitungssystem 23 dem zweiten Verteiler 21 zugeleitet.
Der erste Verteiler 11 weist vorliegend einen durch Bohrungen 12 gebildeten Strömungsquerschnitt für das Synthesegas S₁ auf. Der zweite Verteiler 21 weist vorliegend einen durch Bohrungen 22 gebildeten Stömungsquerschnitt für den Standardbrennstoff E in Form von Erdgas auf. Zur großvolumigen Zugabe des Synthesegases S₁ ist der Strömungsquerschnitt in Form der Bohrungen 12 um einen Faktor von etwa mindestens zwei, vorzugsweise fünf bis zehn größer als der Strömungsquerschnitt in Form der Bohrungen 22 ausgebildet. Das Verhältnis kann je nach Bauart durch eine Anzahl von Bohrungen 12, 22 einerseits und/oder durch einen Querschnitt der Bohrungen 12, 22 andererseits gebildet werden. U. a. hängt dies auch von der Zahl der Drallerzeuger 15 ab. Es könnten beispielsweise etwa zehn Bohrungen mit Querschnitten im Millimeterbereich pro Drallerzeuger vorgesehen sein.
Das vorliegende Vormischverbrennungssystem 10 eignet sich gemäß der in FIG 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform also gleichermaßen zur Vormischverbrennung sowohl von Synthesegas S₁ als auch von Standardbrennstoff E, z. B. in Form von Erdgas. Dabei wird das Synthesegas S₁ allerdings über einen ersten Verteiler 11 dem Vormischraum 9 zugeführt und das Erdgas über einen zweiten Verteiler 21 dem Vormischraum zugeführt. Zur Vermeidung einer frühzeitigen Zündung ist der Strömungsquerschnitt für das Synthesegas S₁ in Form der Bohrungen 12 sehr viel größer ausgelegt, als der Strömungsquerschnitt in Form der Bohrungen 22 für den Standardbrennstoff E.
Gemäß dem oben erläuterten Konzept ist bei der hier bevorzugten Ausführungsform ein zusätzlicher erster Verteiler 11 in Form eines Gasverteilungsrings stromauf eines Drallerzeugers 15 in Form einer Diagonalgitterschaufel vorgesehen. Die Zugabe des je nach Bedarf unverdünnten oder teilverdünnten niederkalorischen Brennstoffs S₁ in Form von niederkalorischem Gas oder Synthesegas erfolgt über den ersten Verteiler 11. Im Bereich des Drallerzeugers 15 und stromab erfolgt eine weitgehend homogene Vermischung des Synthesegases S₁ und des aus dem Plenum 13 zugeführten und nunmehr verdrallten Massenstroms der Luft L. Die Verbrennung des auf diese Weise vorgemischten niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt im Brenner 1 stromab des Vormischraums 9. Dazu herrscht gemäß der im Vormischraum 9 eingestellten Luftzahl eine entsprechende Temperatur T im Brennraum 3 der nicht näher dargestellten Brennkammer. Dadurch wird Heißgas H zum Antrieb einer nicht näher dargestellten Gasturbine erzeugt.
FIG 1 zeigt weiters einen Pilotbrenner 31 zur Stabilisierung der im Vormischraum 9 eingestellten, niederkalorischen Vormischflamme. Der Pilotbrenner 31 ist für niederkalorischen Brennstoff S₂ in Form von Synthesegas ausgelegt. Der Pilotbrenner 31 weist vorliegend eine zentral um eine Achse 25 angeordnete Zuführung 27 auf, mit der bei einem Standardeinsatz des Vormischverbrennungssystems 10, z. B. flüssiger Brennstoff in Form von Öl oder gasförmiger Standardbrennstoff E, in Form von Erdgas, zugeführt wird. Der Pilotbrenner 31 erzeugt dann eine Pilotflamme 29 zur Stabilisierung einer Vormischflamme. Bei einer Nutzung des Vormischverbrennungssystems 10 als reines Synthesegas-Vormischverbrennungssystem, wie vorliegend in der FIG 1 gezeigt, wird die zentrale Zuführung 27 nicht zur Zuführung von Standardbrennstoff E genutzt, sondern statt dessen mit Sperrluft L2 gesperrt.
Dagegen dient eine ringzylindrisch die zentrale Zuführung 27 umgebende Zuleitung 33 zur Zuführung von niederkalorischem Brennstoff S₂ in Form von Synthesegas in einen Vorraum 35 des Pilotbrenners 31. In dem Vorraum 35 findet eine teilweise Verwirbelung des Synthesegases statt, was in einem dem Vorraum 35 vorgelagerten weiteren Raum 37 zur Ausbildung einer nicht näher dargestellten Pilotflamme führt. Eine solche nicht näher dargestellte Pilotflamme im vorgelagerten Raum 37 wird über ein Zündsystem 39 gezündet. Das Zündsystem kann dabei beispielsweise einen Zünder 41 umfassen, der die Pilotflamme von einem Zündpunkt 43 aus im Vorraum 35 zündet. Die Pilotflamme im vorgelagerten Raum 37 ist speziell zur Stabilisierung einer niederkalorischen Vormischflamme, z. B. speziell im Teillastbereich oder bei starken Leistungsgradienten nützlich. Zur Bespeisung der Pilotflamme im vorgelagerten Raum 37 kann zweckmäßigerweise der niederkalorische Brennstoff S₂, also Synthesegas, als ein Teilmassenstrom vom niederkalorischen Brennstoff S₁ abgetrennt werden und dem Brennraum 3 über die Pilotflamme im vorgelagerten Raum 37 zugeführt werden. Bei der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform eines Synthesegas-Vormischbrenners 10 ist die Pilotflamme insbesondere als diffusionsbetriebene Stützflamme ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Pilotflamme besonders stabil brennt, da sie sich an einem nahestöchiometrischen Gemisch des Synthesegases S₂ mit Luft orientiert.
In einer Abwandlung der in FIG 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform könnte der Vorraum 35 größer dimensioniert werden, um auch für die Pilotflamme eine ausreichende Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs S₂ in Form von Synthesegas mit Luft zu ermöglichen. Diese Luft könnte beispielsweise aus dem Massenstrom L₂ im zentralen Bereich 27 des Pilotbrenners 31 abgezweigt werden.
Eine weitere Abwandlung der in FIG 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform berücksichtigt vorteilhaft ein weiteres Problem. Speziell beim Einsatz von Gasturbinen mit hohen Turbineneintrittstemperaturen T sind einer Stickoxidminimierung durch Zugabe von Inertmassenströmen (Quenching) normalerweise Grenzen gesetzt. Vorliegend bietet die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen S₁ in Form von Gas im Vormischbetrieb jedoch deutlich mehr Potenzial bezüglich der Minimierung der thermischen Stickoxidbildung. Insbesondere im Falle einer integrierten Kohlevergasungsanlage (IGCC-Anlage) mit einem Vormischverbrennungssystem 10 kann es deshalb zur Optimierung des Gesamtanlagenwirkungsgrades ggf. sinnvoll sein, eine zusätzliche Menge eines Inertgases I, z. B. Luft-Stickstoff, dem Gasturbinenprozess zuzuführen. Im Rahmen der weiteren Abwandlung der in FIG 1 gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform kann ein solcher Inertmassenstrom I in ein Luftplenum 13 stromauf des Brenners 1, also noch vor einer Vormischung, zugeführt werden. Üblicherweise müsste ein solcher Inertmassenstrom durch den Brenner 1 dem Brennraum 3 zugeführt werden. Ein Volumenstrom durch den Brenner 1 kann nunmehr deutlich verringert werden, wodurch die konstruktiven Änderungen am Brenner 1 selbst verringert werden.
Darüber hinaus ergibt sich auch der Vorteil, dass bei wechselnder Nutzung des Vormischverbrennungssystems 10 mit niederkalorischem Brennstoff S₁ einerseits und Standardbrennstoff E andererseits der Unterschied im luftseitigen Druckverlust zwischen den Betrieben mit niederkalorischem Brennstoff S₁, insbesondere für den Fall einer integrierten Luftentnahme, und Standardbrennstoff E minimiert werden kann.
Zusammenfassend wird zur Senkung einer Stickoxidemission bei der Verbrennung niederkalorischer Brennstoffe S₁, S₂ für den Betrieb einer Gasturbine wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem im Rahmen einer Vormischung der niederkalorische Brennstoff S₁, S₂ mit Luft L₁ zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch vorgemischt und eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden wird und im Rahmen einer Verbrennung das niederkalorische Brennstoff-Luft-Gemisch zu einem Heißgas H umgesetzt wird. Entsprechend sieht ein Vormischverbrennungssystem 10 einen Vormischraum 9 zur Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs S₁ mit Luft L₁ zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft

Claims

Verfahren zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs (S₁, S₂) für den Betrieb einer Gasturbine, bei dem:
Luft (L₁) aus einem Plenum (13) einem Vormischraum (9) zugeführt wird,

ein niederkalorischer Brennstoff (S₁) über einen in den Vormischraum (9) hineinragenden Verteiler (11) zwischen dem Plenum (3) und einem Drallerzeuger (15) mit einem zweiten Verteiler (21) für Standardbrennstoff (E) in Form einer hohlen Achse im Drallerzeuger (15) dem Vormischraum (9) zugeführt wird,

im Rahmen einer Vormischung der niederkalorische Brennstoff (S₁) mit Luft (L₁) zu einem niederkalorischen Brennstoff/ Luft-Gemisch vorgemischt und eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff/Luft-Gemisches vermieden wird, und

im Rahmen einer Verbrennung das niederkalorische Brennstoff/ Luft-Gemisch zu einem Heißgas (H) umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
niederkalorischer Brennstoff (S₁, S₂) mit einem Heizwert unterhalb von 20 MJ/kg verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
niederkalorischer Brennstoff (S₁, S₂) in Form von Synthesegas verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der niederkalorische Brennstoff (S₁, S₂) in teilverdünnter Form verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der niederkalorische Brennstoff (S₁) in einer Menge mit Luft (L₁) zu einem niederkalorischen Brennstoff/Luft-Gemisch vorgemischt wird, die um einen Faktor von etwa fünf bis zehn über derjenigen Menge eines Standardbrennstoffs liegt, die unter sonst gleichen Bedingungen benötigt würde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Bruchteil des niederkalorischen Brennstoffs (S₂) über eine Pilotflamme (29) direkt der Verbrennung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pilotflamme (29) im Diffusionsbetrieb geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich oder alternativ zu dem niederkalorischen Brennstoff (S₁) Standardbrennstoff (E) mit Luft (L₁) zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch vorgemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Massenstrom von Inertgas (I) vor der Vormischung der Luft (L₁) zugegeben wird.
Vormischverbrennungssystem (10) zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs (S₁, S₂) für den Betrieb einer Gasturbine mit
- einem Plenum (3) zur Zuführung von Luft (L₁),

- einem Vormischraum (9) zur Vormischung des niederkalorischen Brennstoffs (S₁) mit Luft (L₁) zu einem niederkalorischen Brennstoff/Luft-Gemisch, der zur Vermeidung einer Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff/Luft-Gemisches ausgelegt ist,

- einem Brennraum (3) zur Verbrennung des niederkalorischen Brennstoff/Luft-Gemisches zu einem Heißgas (H),
wobei der Vormischraum (9) einen ersten Verteiler (11) für die Zuführung des niederkalorischen Brennstoffs (S₁) und einen zweiten Verteiler (21) für Standardbrennstoff (E) aufweist, wobei der zweite Verteiler (21) in Form einer hohlen Achse in einem Drallerzeuger (15) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verteiler (11) zwischen dem Plenum (13) und dem Drallerzeuger (15) angeordnet ist und in den Vormischraum (9) hineinragt.
Vormischverbrennungssystem (10) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Verteiler (11) und der zweite Verteiler (21) in unterschiedlicher Weise ausgelegt sind.
Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Verteiler (11) einen Strömungsquerschnitt für den niederkalorischen Brennstoff aufweist, der um einen Faktor von etwa fünf bis zehn über dem Strömungsquerschnitt eines zweiten Verteilers (21) für Standardbrennstoff (E) liegt.
Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Verteiler (11) in Form eines Verteilerrings für den niederkalorischen Brennstoff (S₁) ausgebildet ist.
Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
gekennzeichnet durch
einen Pilotbrenner (31), der für einen niederkalorischen Brennstoff (S₂) und/oder einen Standardbrennstoff (E) in gleicher Weise ausgelegt ist.
Gasturbinenanlage mit einem Vormischverbrennungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 15 in Form einer integrierten Kohlevergasungsanlage.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 15 oder 16, bei der eine Zuführung für ein Inertgas (I) in ein Luftplenum (13) mündet.