EP1614967B1

EP1614967B1 - Method and premixed combustion system

Info

Publication number: EP1614967B1
Application number: EP04016246.3A
Authority: EP
Inventors: Andreas Heilos; Berthold Köstlin; Bernd Dr. Prade
Original assignee: Siemens AG
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.The invention relates to a method and a Vormischverbrennungssystem for combustion of a low calorific fuel for the operation of a gas turbine.

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.A gas turbine is an engine that converts the heat energy of a hot gas into mechanical energy. Gas turbines are used in the art, as drive units, for example for the production of electric power. Under a gas turbine plant is generally understood not only the gas turbine itself, but an aggregate of various components. These include, among others, the components connected in series compressor, combustion chamber, gas turbine and 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.First, air sucked in a compressor is compressed, which flows in behind the compressor of a combustion chamber. The combustion chamber usually has a plurality of burners, which heat the air by the combustion of a fuel in a combustion chamber and in this way convert it to hot gas. In modern machines, the hot gas may have a temperature of over 1400 ° C. The fuel could basically be in the form of a fuel gas or in the form of fuel oil.

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.The present invention specifically relates to the combustion of a low calorific fuel, especially in the form of low calorific gas. Under a low calorific fuel - in contrast to a standard fuel - in particular a fuel with a calorific value of below 20 MJ / kg, preferably below 10 MJ / kg to understand. This could for example be a very low calorific natural gas or a so-called synthesis gas. Synthesis gas usually has major proportions of CO, H ₂ and optionally minor proportions such as N ₂ and CO ₂ and water vapor. Standard fuel is common a normal and / or high calorific fuel whose calorific value is well above 30 MJ / kg. For example, normal natural gas typically has a calorific value of between 40 to 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.The hot gas usually flows from the combustion chamber into a gas turbine and is relaxed there by driving a rotor. The exiting from the gas turbine exhaust pass through an exhaust duct in a waste heat boiler or directly into a chimney. For driving machines z. As a generator, the difference is the output from the gas turbine power minus the power supplied to the compressor available.

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.The aim of an embodiment of a gas turbine plant is therefore to achieve the highest possible efficiency. In addition, especially in the combustion of low calorific fuels is increasingly pay attention to stricter requirements with regard to the emission of nitrogen oxides. In particular, the following should be taken into account with regard to low-calorific fuels: Compared with the classic standard fuels for gas turbines, such as natural gas and crude oil, the calorific value of a low calorific fuel, in particular a low calorific fuel gas, is about two to ten times lower.

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.In particular, with regard to the calorific value of a synthesis gas is to be considered that the combustible components of the synthesis gas are substantially CO and H ₂ , while the classic standard fuels for gas turbines consist essentially of hydrocarbon compounds.

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.So in order to achieve optimum burnout of a flame operated with low-calorie fuel, attention must be paid in particular to the quality of the mixture between the low-calorie fuel and air in the flame. Consequently, so far the combustion of low calorific fuels in Frame of a diffusion flame, so a run in the diffusion mode flame. This initially has the advantage that the flame front automatically adjusts itself according to a near-stoichiometric mixture quality between low-calorie fuel and air and leads to a good conversion of the low-calorie fuel with air.

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.In this case, however, there is the problem that temperature peaks occur due to the flame front in the flame, which adjusts itself to near-stoichiometric mixing ratios, which causes an increased nitrogen oxide emission. In addition, it should be remembered that such temperature peaks can be in the range of 2000 ° C. or more, while temperatures in the range of 1500 ° C. are already sufficient to achieve a hot gas loading of a gas turbine which makes sense from a thermodynamic point of view.

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.So far, this problem has been solved by the fact that in the combustion of low calorific gases, the flame in the diffusion mode during combustion is influenced in a defined manner. These measures include, for. B. a reduction of the maximum stoichiometric combustion temperature by adding inert gases such as nitrogen or steam, which is also known by the term "quenching". The publication US-5451160 discloses such a combustion system.

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.As a further measure, turbulence-producing internals are provided in a diffusion zone of the flame. Such turbulence-producing internals disturb the flame front in a defined manner, so that peak temperatures can no longer be formed.

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.As a further measure, an increase in the swirl intensity, both in a fuel and in an air mass flow is proposed. This influences the pressure conditions in the flame such that in the case of the diffusion flame, near-stoichiometric fuel-air mixtures and thus combustion temperatures in the range of peak temperatures, are avoided.

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.However, the measures mentioned above are on the one hand inadequate and, on the other hand, are not completely reliable with regard to a stable procedure for the combustion of low-calorific gases in the diffusion mode.

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.It would be desirable to have a method for burning a low calorific fuel for the operation of a gas turbine, in which a combustion, compared to peak temperatures of a diffusion flame, at significantly lower temperatures and which should ultimately lead to a significant reduction in the thermal nitric oxide formation.

Der Druckschrift US-5169302.A offenbart ein Vermischverbrennungssystem zur Verbrennung eines niederkalorischen Brennstoffs für den Betrieb einer Gasturbine.The publication US 5169302.A discloses a compound combustion system for combusting a low calorific fuel for operation of a gas turbine.

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.At this point, the invention begins, the object of which is to specify a method and a device for combustion of a low-calorie fuel for the operation of a gas turbine, wherein a nitrogen oxide emission is reduced in comparison to the combustion of a low-calorie fuel operated in the diffusion mode.

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.With regard to the method, the object is achieved by a method as claimed in claim 1, wherein according to the invention as part of a premix of low calorific fuel with air to a nierderkalorischen fuel-air mixture is premixed and a reaction of low calorific fuel-air mixture is avoided and the low calorie fuel-air mixture is converted to a hot gas in the context of a combustion.

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.The invention is based on the consideration that a premixing of the low calorific fuel with air leads to the adjustment of a mixing quality between the low calorie fuel and the air, which is sufficiently far removed from a near stoichiometric mixture quality. This can be a fat, low calorie, depending on the purpose Fuel-air mixture in which an air ratio is less than one, so a fuel content is greater than would be required for a near-stoichiometric mixture quality. Depending on the expediency may alternatively be provided a lean, low calorific fuel-air mixture in which the air ratio is above one and in which accordingly a fuel content is lower than would be required for a nahestöchiometrische mixture quality.

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.Thus, the method according to the new concept relates to a premix combustion, wherein before a combustion of the low calorific fuel-air mixture initially a premix takes place, in which a conversion of the low-calorie fuel-air mixture is avoided. The above-mentioned conventional measures are avoided, which ultimately lead to a disturbed in operation diffusion flame and thus are suboptimal. In contrast, premix combustion leads to particularly well adjusted flame conditions.

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.Although such premix combustion is known in principle for standard fuels, ie for normal and / or high calorific fuels, ie in particular for high calorific fuels whose calorific value is well above 30 MJ / kg. However, especially with respect to the method of combustion of a low calorie fuel claimed here, there is the problem that a low calorific fuel, in particular a synthesis gas, has a lower calorific value (below 20 MJ / kg, preferably below 15 MJ / kg, preferably below 10 MJ / kg, preferably above 4 MJ / kg) compared to normal and / or high calorific fuels, but still burns much faster and above all has a much higher reactivity than normal and / or high caloric fuels. This, in turn, has made premixing impossible in low calorific fuel combustion processes since low calorific fuels, unlike normal and high calorific fuels, tend to premature ignition already at a premix and this can lead to an undesirable flashback in a pre-mixing chamber.

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.In contrast, the present invention is based on the finding that a conversion in the form of an undesired ignition and / or combustion of the low-calorie fuel-air mixture is avoided within the premix. This is preferably achieved by avoiding return flow regions and / or flow separation zones in the pre-mixing space and / or by raising the speed level of a low-calorie air / fuel flow in the pre-mixing space.

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.Advantageous developments of the method according to the invention can be found in the dependent claims and specify in particular advantageous ways to improve the premix in the context of the method.

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.It proves to be particularly advantageous in the context of the premix that the low calorific fuel is supplied in partially diluted form to the premix. In principle, the low calorific fuel could also be fed undiluted to the premix. In a partially diluted addition, the risk of premature ignition in the premix, however, is particularly low.

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.In particular, the present invention has recognized that in order to avoid the above-discussed problems for premixing the low calorific fuel with air, the low calorific fuel should be fed to the premix with a much larger factor than a standard fuel, ie, a standard calorific or high calorific fuel. In particular, therefore, as part of a premix, the low calorific fuel is premixed with air to a low calorific fuel-air mixture, the low calorific fuel being supplied in an amount by a factor of at least two, preferably about five until ten is above that amount of a standard fuel that would otherwise be required under the same conditions.

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.In the context of a further embodiment of the proposed method, it has proved to be advantageous for stabilizing the combustion of the low calorie fuel that a fraction of the low calorific fuel is fed directly to the combustion via a pilot flame. In particular, it proves to be expedient to guide the pilot flame in the diffusion mode. In this way, namely, a particularly high stability of the pilot flame is achieved, which in turn is beneficial to the stability of the combustion of the low-calorie fuel-air mixture to a hot gas.

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.It is particularly preferable that, in addition to or as an alternative to the low calorific fuel, normal and / or high calorific fuel, ie a form of standard fuel gas or standard fuel, is premixed with air to form a fuel / air mixture. In principle, therefore, the method described above according to this development is likewise to be carried out with different caloric fuels. A quantity of the fuel mixed with air to form a fuel-air mixture is set in accordance with one of the developments explained above and in accordance with the concept explained here.

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.Within the scope of a specific development of the process, it proves to be particularly advantageous that a mass flow of inert gas is added before the premixing of the air. This may in particular be an additional amount of atmospheric nitrogen. Both in the case of an undiluted and, in the case of a partially diluted low calorific premix flame, an inert mass stream may be added prior to premixing the air.

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.In this way, namely, the volume flow of fuel gas, which is usually supplied through a burner to the combustion chamber must be significantly reduced. This minimizes the design changes to the burner. In particular, according to this further development of the method, it is no longer possible to add an inert mass flow to the burner, but instead it can be added to the burner before the burner, in particular before the premix. This results in the advantage that the difference in the air-side pressure loss between the low-calorie fuel on the one hand and standard fuel on the other hand can be minimized. This is especially true in the case of integrated air extraction.

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.The object concerning the device is achieved by the invention with a pre-mixing as claimed in claim 10, which according to the invention has a premixing chamber for premixing the low calorific fuel with air to a low calorific fuel-air mixture, to avoid a reaction of the low calorific fuel Air mixture is designed and having a combustion chamber for combustion of the low calorific fuel-air mixture to a hot gas.

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.The considerations and advantages explained with respect to the method apply equally to the premix combustion system described here. Advantageous developments of the invention relating to the premix combustion system can be found in the subclaims and specify in detail advantageous possibilities, in particular to realize the premixing chamber according to the above task.

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.An above-mentioned undesired ignition and / or combustion of the low-calorie fuel-air mixture is avoided in the premix mainly by the fact that the premixing chamber is designed so that backflow areas or Stromablösezonen are avoided as possible. The pre-mixing chamber is preferably carried out largely free of installation and sales. Anyway, he has as few and only weak Edges up. At such internals, paragraphs and / or edges namely preferably reverse current areas and / or Stromablösezonen, which ultimately can increase a residence time of an air / fuel particle in the premixing and thus entails the risk that a flame stabilized there - so it is an undesirable Ignition and / or combustion can occur.

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.As a further measure, it is possible to increase a speed level of a low-calorie fuel-air mixture in the premixing chamber. A speed level of a low calorific fuel-air mixture may preferably be 10%, 20% to 30% or more above a speed level that would be appropriate for a standard fuel. To achieve this goal, a channel cross-section of a premixing space can preferably be reduced in comparison to an initial cross-section and / or in comparison to a channel cross-section which is customary for standard fuel. By such a channel constriction, the speed level can be increased and the residence time of an air / fuel particle in the premixing space is reduced thereby.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass der Vormischraum einen ersten Verteiler für die Zuführung des niederkalorischen Brennstoffs aufweist.It has proved to be particularly advantageous that the premixing chamber has a first distributor for the supply of the low-calorie fuel.

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.In addition, in order to additionally or alternatively apply standard fuel to the premix combustion system, it has proven to be expedient that the premix space has a second distributor for normal and / or high calorific fuel, ie standard fuel. In particular, the first distributor and the second distributor are designed in different ways. Above all, it has proved to be advantageous that the first distributor has a flow cross-section for the low-calorie fuel, which is a factor of at least two, preferably about five to ten, above the flow cross-section for standard fuel, So for normal and / or high calorific fuel, a second distributor is. By so large volume addition of the low calorific fuel not only its lower calorific value is compensated compared to normal and high calorific fuels, but also the implementation of low calorific fuel in the premix avoided because the low calorific fuel is a larger volume available. In this way, above all, early ignition of the low-calorie fuel-air mixture in the premixing space, that is to say during premixing, is avoided.

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.In order to realize the premix combustion system described here in a constructive manner, with proven constructions of a premix combustion system for standard fuels, it has proved expedient that the first distributor is designed in the form of a distributor ring for the low-calorie fuel. In fact, a pre-mixing space is usually provided as a ring-cylindrical design in a premix combustion system. This is adapted to the shape of the first distributor according to the development.

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.In addition, it has been shown that advantageously a pilot burner can be designed in the same way for a low calorific fuel and / or for a standard fuel. For carrying out the method explained above with the further development of the premix combustion system described here, this means that the method can be carried out with regard to a pilot flame with a pilot burner which can also be used for a low-calorie fuel in an embodiment already existing for standard fuel. This is possible because in a pilot burner, a diffusion flame is to be preferred in which an amount of low calorific fuel is so low that on the one hand it is sufficient for stable operation of the diffusion flame and, on the other hand, a nitrogen oxide emission is negligibly small.

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.It has also proven to be advantageous to provide a swirl generator in the premixing chamber. This leads to a twisted premix flame guidance. Due to its twisting, the premix flame guide has a higher pressure level generated on the outside by the swirl. Inside the flames there is a lower pressure level. Due to the pressure gradient, the premix flame is held on the burner. Blowing or going out of the flame is avoided in this way. Overall, the flame stability is increased by the swirl generator, which is especially of low calorific fuels, as explained above, of relatively high importance.

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).The invention also relates to a gas turbine plant having a premix combustion system of the type described above. In particular, such a premix combustion system proves to be advantageous in an integrated coal gasification plant. Such plants are also known under the name IGCC plant (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.In particular, in such a gas turbine plant, an inert mass flow supply into an air plenum proves to be advantageous. This means, in particular, in the case of an IGCC system, it is possible to add an inert mass flow before premixing the air.

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.

Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. This is not intended to represent the embodiments significantly, but the drawing, where appropriate for explanation, executed in a schematized and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings directly recognizable from the drawing reference is made to the relevant prior art. In detail, the drawing shows in:

FIG. 1: a particularly preferred structural design of a Vormischverbrennungssystems in a partially perspective sectional view.

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. FIG. 1 shows a Vormischverbrennungssystem 10 with a burner 1 and a combustion chamber not shown with a combustion chamber 3. The burner 1 has a burner insert 5, which is held by means of a Nutrings 7 on the housing of a gas turbine, not shown. Moreover, the burner 1 is held by a burner carrier 8 on the housing 6 of a gas turbine. The premix combustion system 10 is according to the in FIG. 1 shown preferred embodiment both for combustion of low calorific fuel S1 and standard fuel E - simultaneously or alternatively - suitable.

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.The premix combustion system 10 has a premix space 9. In the premixing chamber 9, a premixing of the low-calorie fuel with air takes place to a low-calorie fuel-air mixture, wherein an implementation of the low-calorie fuel-air mixture is avoided. The space available for premixing the premixing chamber 9 is in the FIG. 1 also darkened for better understanding. The space requirement of the premixing chamber 9 then passes into a space required for the combustion of the low-calorie fuel-air mixture to form a hot gas in the form of a combustion chamber 3 in the combustion chamber. The premixing chamber 9 is moreover designed for premixing the low-calorie fuel S ₁ with air L to a low-calorie fuel-air mixture and, moreover, designed to avoid reacting the low-calorie fuel-air mixture. In the present case, a synthesis gas with a calorific value below 20 MJ / kg, preferably below 10 MJ / kg, but typically above 4 MJ / kg, is used as low calorific fuel S ₁ . The premixing chamber 9 has a first distributor for supplying the low-calorie fuel S ₁ in the form of the synthesis gas 11 in the form of a distribution ring on. The first distributor 11 is arranged between a plenum 13, not shown, for supplying the air and a swirl generator 15 mounted in the pre-mixing chamber 9. Preferably, via the distributor 11, an injection of the synthesis gas S ₁ via the bores 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.The swirl generator 15 is held by an anchoring 17 in the wall 19 of the premixing chamber 9. The formed in the form of a blade swirl generator 15 has a formed in the form of bores second distributor 21 for standard fuel E in the form of normal and / or high calorific fuel, in the present case in the form of natural gas on. Normal natural gas typically has a calorific value in the range of 40 to 50 MJ / kg. The second distributor 21 is thus formed in the form of a hollow axis in the swirl generator 15. The swirl generator 15 itself is formed in the form of a blade, in particular in the form of a diagonal lattice blade. Preferably, via the second distributor 21, an injection of natural gas via the bores 22 takes place. In this case, the swirl generator 15 with the bores 22 is additionally designed as a second distributor 21 for standard fuel E. The standard fuel E in the form of normal and / or high-calorie natural gas is fed via a line system 23 to the second distributor 21.

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.In the present case, the first distributor 11 has a flow cross section for the synthesis gas S ₁ formed by bores 12. In the present case, the second distributor 21 has a flow cross-section formed by bores 22 for the standard fuel E in the form of natural gas. For large-volume addition of the synthesis gas S _{1 of} the flow cross-section in the form of holes 12 by a factor of about at least two, preferably five to ten is greater than the flow cross-section in the form of holes 22 formed. Depending on the design, the ratio can be determined by a number of bores 12, 22 on the one hand and / or by a cross section of the bores 12, 22 on the other hand be formed. U. a. This depends on the number of swirl generators 15. For example, about ten holes could be provided with cross sections in the millimeter range per swirl generator.

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.The present premix combustion system 10 is suitable according to the in FIG. 1 shown preferred embodiment, therefore, equally for premix combustion of both synthesis gas S ₁ and standard fuel E, z. In the form of natural gas. In this case, however, the synthesis gas S _{1 is} supplied to the premixing chamber 9 via a first distributor 11 and the natural gas is supplied to the premixing chamber via a second distributor 21. To avoid premature ignition, the flow cross section for the synthesis gas S ₁ in the form of the bores 12 is designed to be much larger than the flow cross section in the form of the bores 22 for the standard fuel 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.According to the concept discussed above, in the preferred embodiment here, an additional first distributor 11 in the form of a gas distribution ring is provided upstream of a swirl generator 15 in the form of a diagonal lattice scoop. The addition of the undiluted or partially diluted low-calorie fuel S ₁ in the form of low-calorie gas or synthesis gas takes place via the first distributor 11. In the area of the swirl generator 15 and downstream, a largely homogeneous mixing of the synthesis gas S ₁ and that fed from the plenum 13 takes place and now Verdrallten mass flow of the air L. The combustion of the pre-mixed in this way low-calorie fuel-air mixture takes place in the burner 1 downstream of the premixing chamber 9. This prevails according to the set air in the pre-mixing 9 a corresponding temperature T in the combustion chamber 3 of not shown combustion chamber. As a result, hot gas H is generated to drive a gas turbine, not shown.

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. FIG. 1 further shows a pilot burner 31 for stabilizing the low calorific premix flame set in the premixing chamber 9. The pilot burner 31 is designed for low calorific fuel S ₂ in the form of synthesis gas. In the present case, the pilot burner 31 has a feed 27 arranged centrally about an axis 25, with which, in the case of standard use of the premix combustion system 10, e.g. B. liquid fuel in the form of oil or standard gaseous fuel E, in the form of natural gas, is supplied. The pilot burner 31 then generates a pilot flame 29 for stabilizing a premix flame. Using the premix combustion system 10 as a pure syngas pre-mixed combustion system, such as presently disclosed in US Pat FIG. 1 shown, the central feed 27 is not used to supply standard fuel E, but instead blocked with blocking air L2.

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 contrast, a ring cylindrical the feed line 33 surrounding the central supply 27 for supplying low calorific fuel S ₂ in the form of synthesis gas in an antechamber 35 of the pilot burner 31. In the antechamber 35 takes place a partial turbulence of the synthesis gas instead, resulting in the antechamber 35 upstream further Room 37 leads to the formation of a pilot flame, not shown. Such a pilot flame not shown in the upstream space 37 is ignited by an ignition system 39. The ignition system may include, for example, an igniter 41 which ignites the pilot flame from an ignition point 43 in the antechamber 35. The pilot flame in the upstream space 37 is specifically designed to stabilize a low calorific premix flame, e.g. B. especially useful in the partial load range or with strong power gradients. For feeding the pilot flame in the upstream space 37, the low-calorie fuel S ₂ , that is synthesis gas, can be separated off from the low-calorie fuel S ₁ as a partial mass flow and fed to the combustion chamber 3 via the pilot flame in the upstream space 37. At the in FIG. 1 In the embodiment of a synthesis gas premix burner 10 shown, the pilot flame is designed in particular as a diffusion-operated support flame. This has the advantage that the pilot flame is particularly stable burns, since it is based on a near-stoichiometric mixture of the synthesis gas S ₂ with air.

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.In a modification of the in FIG. 1 shown preferred embodiment, the vestibule 35 could be larger sized to allow for the pilot flame sufficient premixing of low calorific fuel S ₂ in the form of synthesis gas with air. This air could for example be diverted from the mass flow L ₂ in the central region 27 of the pilot burner 31.

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.Another variation of in FIG. 1 shown preferred embodiment advantageously takes into account another problem. Especially when using gas turbines with high turbine inlet temperatures T, nitrogen oxide minimization by the addition of inert gas streams (quenching) is normally limited. In the present case, however, the combustion of low-calorie fuels S ₁ in the form of gas in premix operation offers significantly more potential with regard to the minimization of thermal nitrogen oxide formation. In particular, in the case of an integrated coal gasification plant (IGCC plant) with a premix combustion system 10, it may therefore be useful to optimize the overall system efficiency, an additional amount of an inert gas I, z. As air-nitrogen, supply the gas turbine process. As part of the further modification of in FIG. 1 As shown particularly preferred embodiment, such an inert mass flow I in an air plenum 13 upstream of the burner 1, so even before a premix, are supplied. Usually, such an inert mass flow would have to be supplied to the combustion chamber 3 through the burner 1. A volume flow through the burner 1 can now be significantly reduced, whereby the design changes to the burner 1 itself are reduced.

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.In addition, there is also the advantage that with alternating use of the premix combustion system 10 with low-calorie fuel S ₁ on the one hand and standard fuel On the other hand, the difference in the air-side pressure loss between the low-calorie fuel S _{1 operations} , in particular in the case of integrated air extraction, and standard fuel E can be minimized.

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-LuftIn summary, to reduce nitrogen oxide emission in the combustion of low calorific fuels S ₁ , S ₂ for the operation of a gas turbine, a method is proposed in which, as part of a premix, the low calorific fuel S ₁ , S ₂ with air L ₁ to a low calorific fuel air Pre-mixed mixture and an implementation of low calorie fuel-air mixture is avoided and the low calorie fuel-air mixture is converted to a hot gas H in the context of combustion. Accordingly, a premix combustion system 10 sees a premix space 9 for premixing the low calorific fuel S ₁ with air L ₁ to a low calorie fuel air

Claims

Method for combusting a low-calorific fuel (S₁, S₂) for operating a gas turbine, in which: air (L₁) is fed from a plenum (13) to a premix chamber (9),
a low-calorific fuel (S₁) is fed to the premix chamber (9) via a distributor (11) projecting into the premix chamber (9) between the plenum (3) and a swirl generator (15) with a second distributor (21) for standard fuel (E) in the form of a hollow shaft in the swirl generator (15),
in the context of premixing, the low-calorific fuel (S₁) is premixed with air (L₁) to give a low-calorific fuel-air mixture and conversion of the low-calorific fuel-air mixture is avoided, and
in the context of combustion, the low-calorific fuel-air mixture is converted to a hot gas (H).
Method according to Claim 1,
characterized in that
use is made of a low-calorific fuel (S₁, S₂) with a heating value of less than 20 MJ/kg.
Method according to Claim 1 or 2,
characterized in that
use is made of a low-calorific fuel (S₁, S₂) in the form of syngas.
Method according to one of Claims 1 to 3,
characterized in that
the low-calorific fuel (S₁, S₂) is used in a partially diluted form.
Method according to one of Claims 1 to 4,
characterized in that
the low-calorific fuel (S₁) is premixed with air (L₁) to give a low-calorific fuel-air mixture in a quantity approximately 5 to 10 times greater than the quantity of a standard fuel which would be required under otherwise identical conditions.
Method according to one of Claims 1 to 5,
characterized in that
a fraction of the low-calorific fuel (S₂) is fed directly to the combustion via a pilot flame (29).
Method according to Claim 6,
characterized in that
the pilot flame (29) is operated in diffusion mode.
Method according to one of Claims 1 to 7,
characterized in that
in addition or as an alternative to the low-calorific fuel (S₁), standard fuel (E) is premixed with air (L₁) to give a fuel-air mixture.
Method according to Claim 8,
characterized in that
a mass flow of inert gas (I) is added to the air (L₁) prior to premixing.
Premix combustion system (10) for combusting a low-calorific fuel (S₁, S₂) for operating a gas turbine, having
- a plenum (3) for supplying air (L₁),

- a premix chamber (9) for premixing the low-calorific fuel (S₁) with air (L₁) to give a low-calorific fuel-air mixture which is configured so as to avoid conversion of the low-calorific fuel-air mixture,

- a combustion chamber (3) for combusting the low-calorific fuel-air mixture to give a hot gas (H),
wherein the premix chamber (9) has a first distributor (11) for supplying the low-calorific fuel (S₁) and a second distributor (21) for standard fuel (E), wherein the second distributor (21) is in the form of a hollow shaft in a swirl generator (15), characterized in that the first distributor (11) is arranged between the plenum (13) and the swirl generator (15) and projects into the premix chamber (9).
Premix combustion system (10) according to Claim 10,
characterized in that
the first distributor (11) and the second distributor (21) are configured differently.
Premix combustion system (10) according to Claim 10 or 11,
characterized in that
the first distributor (11) has a flow cross section for the low-calorific fuel which is approximately 5 to 10 times greater than the flow cross section of a second distributor (21) for standard fuel (E).
Premix combustion system (10) according to one of Claims 10 to 12,
characterized in that
the first distributor (11) is in the form of a distributor ring for the low-calorific fuel (S₁).
Premix combustion system (10) according to one of Claims 10 to 13,
characterized by
a pilot burner (31) which is identically configured for a low-calorific fuel (S₂) and/or a standard fuel (E).
Gas turbine plant having a premix combustion system (10) according to one of Claims 10 to 14.
Gas turbine plant according to Claim 15, in the form of an integrated coal gasification plant.
Gas turbine plant according to Claim 15 or 16, in which a supply for an inert gas (I) opens into an air plenum (13).