NL8201667A

NL8201667A - Werkwijze voor het verbranden van een gasvormige of vloeibare brandstof.

Info

Publication number: NL8201667A
Application number: NL8201667A
Authority: NL
Original assignee: Neom Bv
Priority date: 1982-04-22
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1983-11-16

Description

k < I?

Nederlandse Energie Ontwikkelings Maatschappij B.V.

Uitvinder: Ir* Henricus J.C. SLEGERS te Sittard 1 PN 3381

WERKWIJZE VOOR HET VERBRANDEN VAN EEN GASVORMIGE OF VLOEIBARE

BRANDSTOF

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbranden van een gasvormige of vloeibare brandstof met behulp van een verbrandingsgas, waarbij naast de brandstof en het verbrandingsgas een verdunningsgas in een verbrandingskamer wordt geleid· 5 Bij het verbranden van gasvormige brandstoffen ontstaan door oxidatie van moleculaire stikstof uit de verbrandingslucht en door oxidatie van in de brandstof aanwezige stikstofverbindingen z.g. thermische stikstofoxiden, die samen met de overige verbrandingsgassen in de atmosfeer worden afgevoerd· De hoogte van de bij de verbranding 10 optredende temperatuur speelt bij de vorming van deze stikstofoxiden een belangrijke rol. De soort gasvormige brandstof die men voor de verbranding toepast heeft uiteraard ook invloed hierop, alsmede onder andere de verblijftijd en de zuurstofconcentratie. Voor de diverse soorten gasvormige brandstoffen, bijvoorbeeld aardgas, steenkoolgas, 15 bruinkoolgas of gas verkregen door vergassing van petroleumresiduen of zware oliën, treden dan ook verschillende ΝΟχ-emissies op die hun oorzaak vinden in onder andere de wijze van vergassing en de hoeveelheid in de uitgangsbrandstof aanwezige stikstof.

Uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7209416 is het bekend om 20 in de verbrandingskamer van een gasturbine-installatie naast gasvormige brandstof en verbrandingslucht een tweede luchtstroom van lagere temperatuur toe te voeren. Dit wordt gedaan om de vlamtemperatuur in de verbrandingskamer te verlagen waardoor een vermindering van de vorming van .thermische stikstofoxiden plaatsvindt. Een verlaging van 25 de vlamtemperatuur kan bij vuurhaarden plaatsvinden door recirculatie van rookgassen in de verbrandingskamer samen met als onder wind toegevoerde verbrandingslucht, zoals beschreven in Hydrocarbon Processing, Mei 1980, p. 133 linker kolom.Een andere mogelijkheid is injectie van water of stoom in de verbrandingsruimte.

30 Deze methoden hebben verscheidene nadelen. Zij vereisen bijzondere 8201667 2 W '« voorzieningen of gaan ten koste van het overall rendement van de installatie· Bij de eerste twee methoden is de verlaging van de zuurstofconcentratie slechts beperkt, immers lucht bevat ongeveer 21 gew.-% en rookgassen bevatten nog 15-16 gew.-% zuurstof, met als 5 gevolg, dat toch nog een hoge vlamtemperatuur optreedt en daardoor een ontoelaatbaar grote hoeveelheid stikstofoxiden wordt gevormd. Bovendien dient de constructie van de verbrandingskamer van de gasturbines te worden aangepast, hetgeen extra kosten oproept. Bij water- of stoominjectie wordt weliswaar de vlamtemperatuur verlaagd en daardoor 10 de stikstofoxidevorming verminderd, maar hierbij kan de verdam-pingswarmte van het water niet nuttig worden gebruikt.

Doel van de uitvinding is het verschaffen van een werkwijze die bovengenoemde nadelen niet heeft. Volgens de uitvinding wordt dit bereikt door als verdunningsgas stikstof toe te passen. Het is geble-15 ken, dat niettegenstaande de hiermee gepaard gaande toename van de stikstofconcentratie in de verbrandingskamer, op deze wijze de hoeveelheid gevormde stikstofoxiden tot een aanvaardbare waarde kan worden teruggebracht. De stikstof kan aan het verbrandingsgas toegevoegd worden of, indien gasvormige brandstof wordt toegepast, althans 20 gedeeltelijk aan het te verbranden gas. Een belangrijk voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is, dat geen ingrijpende constructieve aanpassing van de verbrandingskamer nodig is. De stikstof wordt gemengd met de verbrandingslucht en/of in het geval dat een gasvormige brandstof wordt gebruikt, aan de brandstof toegevoegd· Dit kan op een-25 voudige wijze worden gerealiseerd.

De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een werkwijze waarbij stikstof als verdunningsgas wordt toegepast bij de verbranding van een gasmengsel verkregen door vergassen van vaste en/of vloeibare brandstoffen of mengsels hiervan. Als vaste brandstof 30 kunnen steenkool, bruinkool en residuen van zware oliën worden toegepast. Als vloeibare brandstof kan men zware oliën toepassen. Mengsels van vaste brandstof, zoals steenkool met olie zijn ook toepasbaar als uitgangsbrandstof voor de bereiding van een gasvormig brandstof-mengsel· 35 De laatste jaren gaat men er steeds meer toe over om opnieuw steenkool toe te passen voor de opwekking van elektrische energie. Bij 8201667 *ί· <·* 3 met lucht vergassen van steenkool wordt een stookgas verkregen dat 60 3. 70 % niet brandbare componenten, zoals N2 en CO2, bevat* De stook-waarde van dit gas bedraagt ca. 3,5-5,0 Mj/m^. Bij verstoken van dit gas in een moderne gasturbineinstallatie zal de vlamtemperatuur, 5 afhankelijk van de gassamenstelling, de gastemperatuur en de temperatuur van de gecomprimeerde verbrandingslucht, ca* 1600-1700 eC bedragen.

Bij zuurstofvergassing van steenkolen kan een stookgas worden verkregen dat slechts 4 3 15 % inerte componenten bevat, zoals N2, CO2, Ar 10 en H20, terwijl de stookwaarde ca. 10-11 Mj/m^ bedraagt. Bij de moderne gasturbines zal de vlamtemperatuur afhankelijk van de gassamenstelling, de gastemperatuur en de temperatuur van de gecomprimeerde verbrandingslucht liggen rond 2200 d 2300 °G. Gezien een aantal voordelen van het zuurstofvergassingsproces, zoals compacte installatie en 15 afwezigheid van grote hoeveelheden stikstof bij het op reactietem-peratuur brengen in de vergassingsreactor, ligt het voor de hand om dit type vergassing toe te passen voor het opwekken van electriciteit.

Ben nadeel van door zuurstofvergassing verkregen kolengas is echter, dat bij verbranding in een gasturbine door de hoge vlamtemperatuur de 20 uitworp aan stikstofoxiden in vele gevallen ontoelaatbaar hoog is.

De werkwijze volgens de uitvinding kan dan ook met bijzonder voordeel worden toegepast bij het verbranden met verbrandingslucht van een door zuurstofvergassing van steenkool verkregen gasmengsel in een gasturbineinstallatie, door als verdunningsgas aan de verbrandingskamer de 25 stikstof toe te voeren, die is verkregen in de luchtscheiding waarin de zuurstof voor de steenkoolvergassing wordt afgescheiden.

De hoeveelheid toe te voegen stikstof is afhankelijk van de soort gasvormige brandstof waar men van uitgaat en van de nagestreefde maximale uitworp aan stikstofoxyden. Zo zal men bij toepassing van 30 kolengas een volumeverhouding van kolengas tot stikstof kiezen tussen 2 : 1 en 1 : 2, bij voorkeur tussen 1,2 : 1 en 0,8 : 1. Bij toepassing van aardgas als gasvormige brandstof zal men een volumeverhouding van aardgas tot stikstof kiezen van 2 : 1 tot 1:5, bij voorkeur tussen 1 : 1 en 0,5 : 1. In een gasturbineinstallatie wordt door verdunning 35 van aardgas met stikstof in een verhouding van 1 : 1 een vermindering van de vorming van stikstofoxyden verkregen van ongeveer 40 %. Bij een 8201667 4 «►* * ♦ verdunning van kolengas met stookwaarde van ca. 10 Mj/m^ met stikstof in een volumeverhouding 1 : 1 kan een vermindering aan stikstofoxyden van ongeveer 70 of zelfs meer % worden verkregen.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de 5 tekening. Deze geeft schematisch een werkwijze weer waarin de verdun-ningsmethode volgens de uitvinding wordt toegepast in een met kolengas gevoede gasturbineinstallatie.

Uit een kolenvoorbereidingsinstallatie 1 wordt steenkool in een kolenvergassingseenheid 2 gevoerd samen met gecomprimeerde 10 zuurstof, die uit een luchtseheidingsinstallatie 3 door zuurstof~ compressor 4 wordt aangevoerd· Bet in de vergassingseenheid 2 gevormde kolengas wordt gereinigd in een niet weergegeven reinigingsinstallatie. De uit het kolengas verwijderde zwavelhoudende gassen worden naar een zwavelwinningsinstallatie 5 geleid. Het gezuiverde kolengas en 15 stikstof uit de luchtseheidingsinstallatie worden in een verbrandings-kamer 6 geleid. De stikstof is op de vereiste druk gebracht in een compressor 7. Het is echter ook mogelijk de stikstof in de luchtcompressor te comprimeren. Door een luchtcompressor 8 wordt gecomprimeerde verbrandingslucht naar de verbrandingskamer 6 geleid. De in de 20 verbrandingskamer 6 door verbranding verkregen gassen worden samen met een verdere hoeveelheid gecomprimeerde lucht uit de compressor 8 naar een gasturbine geleid, waar de gassen expanderen, zodat door de turbine 9 een generator 10 en de luchtcompressor 8 worden aangedreven. De afgassen uit de turbine 9 worden bijvoorbeeld naar een afgassenketel 25 11 geleid waarin de warmte nog aanwezig in de gassen wordt gebruikt om stoom te vormen. De in de ketel gevormde stoom wordt naar een stoomturbine 12 geleid die een generator 13 aandrijft. De stikstof kan ook aan de verbrandingslucht worden toegevoerd. De stikstof uit de lucht-scheidingsinstallatie 3 wordt dan direct naar de inlaat van de lucht-30 compressor 8 gevoerd. Samen met lucht wordt de stikstof dan gecomprimeerd en een gedeelte van het lucht-stikstofmengsel wordt naar de verbrandingskamer 6 geleid. Bij een kolengas-stikstofvolumever-houding van 1 ί 1 wordt dan een vermindering van de hoeveelheid stikstofoxyden verkregen van 40 è 50 gew.-% vergeleken bij de situatie 35 waarin uitsluitend lucht wordt toegevoerd. Een nog verdere vermindering nl. met 70 £ 80 gew.-Z kan bij dezelfde kolengas-stikstofver- 8201667 «ς 5 houding evenwel worden bereikt door de stikstof toe te voegen aan het kolengas voordat dit in de verbrandingskamer 6 wordt gevoerd.

Aan de hand van enkele voorbeelden zal voor een gasturbine-installatie het effect van de maatregel volgens de uitvinding op de 5 stikstofoxidenuitworp worden aangegeven.

Voorbeeld I

a. Bij het verstoken van aardgas met de volgende samenstelling: methaan 81,3 vol. % 10 ethaan 2,9 " propaan 0,4 " diverse hogere koolwaterstoffen 0,2 " stikstof 14,3 " 15 kooldioxide 0,9 ” met een drukverhouding van 10, waarbij het aardgas werd toegevoerd bij 15 °C en ca. 16 bar, trad een stikstof-oxiden uitworp op van 100 index-eenheden. ·

De luchttemperatuur na compressie bedroeg 316 °C. De afge-20 leide theoretische vlamtemperatuur met dissociatie was 2100 °C.

b. Bij het aardgas met dezelfde samenstelling als in voorbeeld Ia werd stikstof bijgemengd in een volumeverhouding van lil.

Dit gasmengsel werd onder dezelfde kondities als in voorbeeld Ia toegevoerd aan een gasturbine-installatie. De uitworp aan stikstofoxi- 25 den daalde nu tot 60 index-eenheden. De afgeleide theoretische vlam-temperatuur met dissociatie was nu 1980 °C.

c. Wanneer aan aardgas met dezelfde samenstelling als in voorbeeld Ia stikstof werd toegevoegd in een volumeverhouding aardgas/stikstof van 1 : 2 en het aldus gevormde mengsel onder 30 dezelfde kondities als in voorbeeld Ia werd toegevoerd aan de gasturbine daalde de uitworp aan stikstofoxiden tot 40 index-eenheden. De afgeleide theoretische vlamtemperatuur met dissociatie was in dit geval 1870 °C.

8201667 -Λ 6

Voorbeeld II

a. Bij het verstoken van kolengas verkregen door vergassing - van steenkool met zuurstof dat de volgende samenstelling had: waterstof 36 vol· % 5 koolmonoxide 51 " kooldioxide 12 ” stikstof etc· 1 " met een drukverhouding van 10* waarbij het kolengas werd toegevoerd met een temperatuur van 250 °C en onder een druk van 16 bar trad een 10 stikstof-oxidenuitworp op van 100 index-eenheden.

De luchttemperatuur na compressie bedroeg 316 °C. De afgeleide theoretische vlamtemperatuur met dissociatie bedroeg 2240 °C.

b. Bij het verstoken van kolengas met dezelfde samenstelling als in voorbeeld Ha werd stikstof aan het kolengas toegevoegd in een 15 volumeverhouding kolengas/stikstof van 1 : 1 en het aldus verkregen gasmengsel werd onder dezelfde kondities als in voorbeeld ïïa aan de gasturbine toegevoerd. Dê uitworp aan stikstofoxiden bedroeg nu 22 index-eenheden.

De luchttemperatuur na compressie bedroeg 316 °C. De afgeleide theore-20 tische vlamtemperatuur met dissociatie was 1855 °C.

c· Bij het toevoegen van een hoeveelheid stikstof aan de verbrandingslucht vddr de compressor in een volumeverhouding kolengas/stikstof van 1 : 1* waardoor een stikstof-luchtmengsel gedeeltelijk in de verbrandingskamer terecht kwam en het kolengas, dat 25 dezelfde samenstelling had als in voorbeeld Ha, in de gasturbine verbrandde bedroeg de uitworp aan stikstofoxiden 63 index-eenheden.

De afgeleide theoretische vlamtemperatuur met dissociatie was 2130 eC.

8201667

Claims

1. Werkwijze voor het verbranden van een gasvormige of vloeibare brandstof met behulp van een verbrandingsgas waarbij naast de brandstof en het verbrandingsgas een verdunningsgas in de verbran-dingskamer wordt geleld, met het kenmerk, dat als verdunningsgas 5 stikstof wordt toegepast·

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stikstof aan het verbrandingsgas wordt toegevoegd·

3· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de stikstof althans gedeeltelijk aan de te verbranden gasvormige 10 brandstof wordt toegevoegd.

4· Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de stikstof als verdunningsgas wordt toegepast bij de verbranding van een gasmengsel verkregen door vergassen van vaste en/of vloeibare brandstoffen of mengsels hiervan. 15

5· Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat als vaste brandstof steenkool, bruinkool of residuen van zware oliën worden toegepast·

6* Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat men aan de verbrandingskamer van een gasturbineinstallatie waarin een door 20 vergassing van steenkool met zuurstof verkregen gasmengsel wordt verbrand verdunningsstikstof toevoert die is verkregen in de luchtscheiding waarin de zuurstof voor de steenkoolvergassing wordt afgescheiden.

7. Werkwijze volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat men aan 25 een door steenkoolvergassing verkregen gasvormig brandstofmengsel een hoeveelheid stikstof toevoert in een volumeverhouding van kolengas tot stikstof van 2 : 1 tot 1:2.

7 PN 3381

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat men de volumeverhouding kolengas : stikstof instelt tussen 1,2 : 1 en 0,8 : 1.

9. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat als vloeibare brandstof zware oliën worden toegepast.

10. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de stikstof wordt toegepast bij de verbranding van aardgas. 8201667 ·+

11. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat men bij de verbranding van aardgas een hoeveelheid stikstof toevoert in een volumeverhouding van aardgas tot stikstof van 2:1 tot 1:5.

12« Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat men de volu-5 meverhouding aardgas : stikstof instelt tussen 1 : 1 en 0,5 : 1.

13. Werkwijze voor het verbranden van een gasvormige of vloeibare brandstof zoals beschreven en toegelicht aan de hand van de tekening. WR/TS 8201667