WO2007028711A1 - Burner arrangement for a combustion chamber, associated combustion chamber and method for combusting fuel - Google Patents

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WO2007028711A1
WO2007028711A1 PCT/EP2006/065574 EP2006065574W WO2007028711A1 WO 2007028711 A1 WO2007028711 A1 WO 2007028711A1 EP 2006065574 W EP2006065574 W EP 2006065574W WO 2007028711 A1 WO2007028711 A1 WO 2007028711A1
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combustion chamber
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burners
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Definitions

  • the invention relates to a burner arrangement for a combustion chamber, in particular for a gas turbine combustor o- for a steam generator combustion chamber, with a plurality of burners, which are each designed for the combustion of a carbonaceous fuel under supply of effective as oxidant pure oxygen.
  • the invention is further directed to be ⁇ draws a combustion chamber and a steam generator having a combustion chamber and to a gas turbine with a combustion chamber.
  • the invention relates to a method for burning a carbonaceous fuel with supply of pure oxygen in such a combustion chamber.
  • an oxygen stream of high purity (up to 99, 9%) is introduced as an oxidant in the combustion chamber of a steam generator or a gas turbine instead of a nitrogen-containing combustion air, which is sucked to ⁇ before with removal of the nitrogen content in a zugeord ⁇ Neten air separation plant from Ambient air was extracted.
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 O water vapor
  • Nitrogen oxides (NO x ) and other pollutants are only produced in tively small amounts due by the fuel ent ⁇ held units or impurities.
  • the effluent from the combustion exhaust stream after condensation of water vapor content contains virtually only carbon dioxide (CO 2 ), which can be used commercially as a displacement medium for För ⁇ dermengenerhöhung in almost exhausted oil and natural gas deposits or deposited in saline aquifers underground and thus skyun until ,
  • a stoichiometric combustion can be set at the fuel ⁇ mass flow and the oxygen mass flow in relation with respect to each other in such a way as is required for the complete combustion of the fuel to carbon dioxide and water vapor through the associated chemical reaction equation. This could be minimized in addition to the exhaust gas losses and the intrinsic demand for fresh air, suction etc., or the intake losses occurring there.
  • a disadvantage of this concept is that the combustion chamber and the exhaust-gas-carrying components connected downstream thereof must be designed for comparatively high volume or mass flows, which results in a correspondingly high volume or mass flow. luminous construction with large flow cross-sections conditioned. This results in relatively high completion costs for such a power plant.
  • flame cooling by injecting water or steam or by the use of moist fuels can also be provided according to a second combustion concept.
  • the reduction of the firing temperature with increased exhaust gas losses is also bought here, since increasing the flue gas mass flow principally reduces the energy conversion efficiency.
  • the present invention therefore has for its object to provide a burner assembly of the type mentioned and an associated combustion chamber, which in simple and cost-held construction and operation with recourse to suitable combustion concepts combustion of a coal ⁇ containing fuel using the oxyfuel process with egg - enable a particularly high energy efficiency and with particularly ⁇ low residual emissions. Furthermore, to be specified for a system based on gene derarti principles ⁇ a particularly suitable method of operation.
  • the object is solved according to the invention by a first burner is so laid out ⁇ that the ratio of it in normal operation supplied per unit time to the amount of oxygen stoichiometrically necessary amount of oxygen is greater than for a second, seen in the direction of the flue gas flow further downstream burner.
  • At least one burner designed for normal operation with an excess of oxygen is arranged in front of a burner which is designed for normal operation with oxygen deficiency.
  • the furnace should be gers configured in a working according to the oxyfuel combustion chamber of a gas turbine or a steam generator such that the combustion ⁇ enthalpy of the carbonaceous fuel only Stepwise ⁇ se is released in stages and so by the spatial distribution ⁇ distribution of heat release sufficient cooling of the firing range limiting combustion chamber walls - in a steam generator through the flow medium to be vaporized and in a gas turbine combustor z. B. by an external cooling medium - is possible.
  • this principle of staged combustion is initially a burner assembly with staggered arranged in several burner levels burners into consideration, in which seen in the flow ⁇ direction of the flue gas first arranged burner for operation with lack of oxygen, further downstream burner are designed with excess oxygen.
  • Such an arrangement in which therefore the ratio ⁇ of a burner in normal operation per unit time supplied oxygen to - based on the fuel mass flow - stoichiometrically necessary amount of oxygen for the flue gas side first burner levels is smaller than for the last, has, for example, in conventional Verbrennungsprozes ⁇ proven proven in which nitrogen-containing combustion air is introduced into the combustion chamber.
  • an "inversely stepped firing” or an “inversely stepped oxygen supply” is provided, in which at least a part of the for a superstoichiometric operation (ie with excess oxygen) designed burner with respect to the flue gas flow direction before a number of designed for substoichiometric operation (ie, with oxygen deficiency) designed burners.
  • a plurality of arranged in the flow direction of the flue gas spaced each having a number of burners burner layers provided, wherein the ratio ⁇ of the normal amount per unit time supplied oxygen amount to stoichiometrically necessary amount of oxygen, hereinafter referred to as "air ratio "for a burner, the smaller the further it is in flow Direction of the flue gas is arranged downstream.
  • air ratio the ratio of the normal amount per unit time supplied oxygen amount to stoichiometrically necessary amount of oxygen
  • Particularly favorable conditions are, for example, for a large class of relevant burner configurations when the air ratio for the burner (s) of the first burner level seen in the flow direction of the heating gas is greater than 3 and preferably about 5, for the burner (s) of FIG Flow direction of the fuel gas seen last burner level, however, is less than 0.5 and preferably about 0.3.
  • gebil ⁇ Deten main group or a major portion of burners nachzuordnen a number of additional burners in the direction of flue gas flow, which are each designed for a normal operation of excess oxygen. That is, it is then, for example, a cascade of burners with ⁇ 5;
  • the rear burner seen in the flow direction of the flue gas for. B. the last or the last two burner levels, be designed as a diffusion burner, in which the oxygen and the fuel without premixing in the combustion region of the
  • an injection of water / water vapor can also be provided, in which case the water injected into the combustion chamber, together with the water vapor resulting from the combustion processes, is subsequently condensed out in a flue gas condensation plant and which is in the United ⁇ evaporation heat absorbed again as useful heat back won th ⁇ nen.
  • the concept described here can be applied to steam generators of very different types and is not limited to standing steam boilers.
  • the combustion chamber or the combustion chamber can also be arranged horizontally, whereby a substantially horizontal flow direction is predetermined for the flue gas.
  • the firebox can also be folded.
  • the concept is the
  • the aforementioned object is solved by each of a first burner and a second, seen in the direction of the flue gas flow further downstream burner lying per unit time supplied Sauer ⁇ fuel quantity and the respective amount of fuel to be adjusted in relation to ⁇ each other such that the ratio ⁇ of the amount of oxygen supplied to stoichiometrically necessary
  • Oxygen quantity for the first burner is greater than for the second.
  • the burners of the front burner walls seen in the flow direction of the flue gas are operated with oxygen excess ( ⁇ > 1) and the rear, boiler outlet side arranged burner levels with oxygen deficiency ( ⁇ ⁇ 1).
  • the fuel mass flow rate for all burners can, for example, in a first extreme case, be selected at the same size, wherein the oxygen mass flow is respectively set according to the locally desired ⁇ value (gestuf ⁇ te oxygen supply).
  • firing with Coal dust for example, is advantageous in terms of its tendency to have a graded supply of oxygen.
  • FIG. 1 to 3 show a first to third variant of a fos ⁇ sil heated steam generator in the longitudinal ⁇ cut, the burner arrangement is set out ⁇ each for an "inverse stepped firing" on the basis of the oxyfuel principle ⁇ .
  • the steam generator 2 shown in FIG. 1 has an upright steam boiler 4, the surrounding walls 6 of which are welded together in a gas-tight manner, in each case forming steam generator tubes combined into evaporator, superheater or economizer heating surfaces, in which steaming flow medium, eg. As water or a water / steam mixture flows.
  • a plurality of burners 8 are provided which are arranged in a combustion chamber 12 located above a funnel-shaped bottom area 10.
  • the burners 10 are used to burn a carbonaceous fossil fuel, eg. As coal, petroleum or natural gas, according to the so-called oxy-fuel process in which instead of nitrogen-containing ambient air pure oxygen is introduced as an oxidant in the combustion zone of the combustion chamber 12.
  • the flue gas R produced during the combustion consisting essentially of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O), leaves the combustion chamber 12 in the vertical flow direction 14 and then flows upward through the combustion chamber 14
  • Combustion chamber 12 subsequent portion of the vertical gas train 16 to deliver a majority of the amount of heat contained in it by convective heat exchange via the hinged in the throttle cable 16 Konvezzysterrorismflachen 18 to the flow medium guided therein, for. B. for overheating of the steam generated in the evaporator tubes of the surrounding walls 6.
  • the water fraction contained in the flue gas R is separated off in a condenser (not shown) connected downstream of the steam generator on the flue gas side, so that only pure carbon dioxide can be disposed of as an environmentally harmful combustion product or supplied to another utilization.
  • a stepped burner arrangement is provided to reduce the incipient combustion temperatures.
  • the burners 8 are arranged in ten arranged burner levels, wherein the burner 8 directly successive stages or planes are each spatially offset from each other.
  • a be for burner operation ⁇ Sonders specific ratio is the ratio ⁇ of the egg nem burner 8 per unit time amount of oxygen supplied to - based on the respective fuel mass flow - stoichiometrically necessary amount of oxygen according to the chemical reaction balance.
  • the burner of the steam generator 2 is in operation in the exemplary embodiment an otherwise übli ⁇ che, normally strictly necessary for oxyfuel processes on the control of combustion temperatures Rauchgasrezir- kulation not required.
  • a firing heat capacity of 1000 MW steam generator of the boiler or the accelerator cable passing through the flue gas mass flow rate is in accordance with model calculations only about 180 kg / s, which is much smaller than that of Dampferzeu ⁇ like with conventional design of the firing and flue gas recirculation are typically expected value of about 480 kg / s. Accordingly, the steam generator 2 in
  • Embodiment much narrower ge from the cross-sectional forth ⁇ be builds than similar steam generator konvent ionel ⁇ ler firing; sufficient is a cross-sectional area of For example, 8 mx 8 m (compared to the otherwise required 13 mx 13 m). This ensures a good cross-mixing of the combustion atmosphere in the combustion chamber interior.
  • the concept of "inverse stepped firing" has also the advantageous characteristic that is up to 70% of the ge ⁇ entire firing heat capacity of the steam generator 2 in the form of radiant heat emitted which ciency relatively high We ⁇ over the led in the evaporator tubes of the surrounding wall 6 can be removed flow medium. the remaining portion, about 30%, is gene on the flue gas R übertra ⁇ , but can be 18 also reclaimed in part with the aid of Konvetechnischsweflachen.

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Abstract

The invention relates to a burner arrangement for a combustion chamber (12) in addition to an associated combustion chamber (12), in particular a gas turbine combustion chamber or a steam generator combustion chamber, comprising a plurality of burners (8), which are equipped for the combustion of fuel which contains carbon by supplying pure oxygen, which is effective as an oxidation agent. The aim of the invention is to obtain a burner arrangement which has a particularly high energetic degree of efficiency and particularly low residue emissions and at the same time maintains the construction and operation thereof simple and economical and reverts to suitable fuelling concepts. Also, the acceptable material temperatures of the encircling walls (6) surrounding the combustion chamber (12) must not be exceeded. The inventive first burner (8) is embodied in such a manner that the ratio (?), per time unit, of the amount of oxygen guided therein, in normal operation, for the stochiometrically required amount of oxygen is greater than for a second burner (8) which is arranged downstream from the direction of the flow of flue gas (14).

Description

Beschreibungdescription
Brenneranordnung für eine Brennkammer, zugehörige Brennkammer sowie Verfahren zum Verbrennen eines BrennstoffsBurner arrangement for a combustion chamber, associated combustion chamber and method for burning a fuel
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung für eine Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer o- der für eine Dampferzeugerbrennkammer, mit einer Mehrzahl von Brennern, die jeweils für die Verbrennung eines kohlenstoff- haltigen Brennstoffs unter Zufuhr von als Oxidationsmittel wirksamen reinem Sauerstoff ausgelegt sind. Die Erfindung be¬ zieht sich ferner auf eine Brennkammer und auf einen Dampferzeuger mit einer Brennkammer sowie auf eine Gasturbine mit einer Brennkammer. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter Zufuhr von reinem Sauerstoff in einer derartigen Brennkammer .The invention relates to a burner arrangement for a combustion chamber, in particular for a gas turbine combustor o- for a steam generator combustion chamber, with a plurality of burners, which are each designed for the combustion of a carbonaceous fuel under supply of effective as oxidant pure oxygen. The invention is further directed to be ¬ draws a combustion chamber and a steam generator having a combustion chamber and to a gas turbine with a combustion chamber. Furthermore, the invention relates to a method for burning a carbonaceous fuel with supply of pure oxygen in such a combustion chamber.
Die Bemühungen zur Begrenzung des CO2-bedingten Klimawandels haben zu einer ganzen Reihe von technischen Optionen zur Realisierung emissionsarmer, fossilbefeuerter thermischer Kraftwerke geführt. Vergleiche von Kraftwerkskonzepten unterschiedlichen Typs mit einer CO2-Abtrennung haben gezeigt, dass die so genannten Oxifuel-Prozesse in technischer Hin- sieht und vom zu erwartenden Wirkungsgrad her besonders güns¬ tige Eigenschaften aufweisen. Zudem stellen sich Marktreife, Investitionskosten und Betriebskosten als günstig dar.Efforts to limit CO 2 -related climate change have resulted in a whole range of technical options for implementing low-emission, fossil-fired thermal power plants. Comparisons power plant concepts of different types with a CO 2 capture have shown that the so-called Oxifuel processes provides a technical way from the expected efficiency forth have particularly Güns ¬ term properties. In addition, market readiness, investment costs and operating costs are favorable.
Beim Oxyfuel-Prozess wird anstelle von stickstoffhaltiger Verbrennungsluft ein Sauerstoffström von hoher Reinheit (bis zu 99, 9 %) als Oxidationsmittel in die Brennkammer eines Dampferzeugers oder einer Gasturbine eingeleitet, welcher zu¬ vor unter Abtrennung des Stickstoffanteils in einer zugeord¬ neten Luftzerlegungsanlage aus angesaugter Umgebungsluft ex- trahiert wurde. Dadurch fallen als Verbrennungsprodukte bei der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffs im Idealfall nur Kohlendioxyd (CO2) und Wasserdampf (H2O) an; Stickoxide (NOx) und andere Schadstoffe entstehen nur in ver- gleichsweise geringen Mengen aufgrund von im Brennstoff ent¬ haltenen Anteilen oder Verunreinigungen. Damit enthält der aus der Brennkammer abströmende Abgasstrom nach der Kondensation des Wasserdampfanteils praktisch nur noch Kohlendioxyd (CO2) , welches beispielsweise als Verdrängermedium zur För¬ dermengenerhöhung bei nahezu erschöpften Erdöl- und Erdgasvorkommen kommerziell verwendet oder in salinen Aquiferen unterirdisch und damit klimaunwirksam deponiert werden kann.In the oxyfuel process, an oxygen stream of high purity (up to 99, 9%) is introduced as an oxidant in the combustion chamber of a steam generator or a gas turbine instead of a nitrogen-containing combustion air, which is sucked to ¬ before with removal of the nitrogen content in a zugeord ¬ Neten air separation plant from Ambient air was extracted. As a result, only carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O) are ideally produced as combustion products during the combustion of the carbon-containing fossil fuel; Nitrogen oxides (NO x ) and other pollutants are only produced in tively small amounts due by the fuel ent ¬ held units or impurities. Thus, the effluent from the combustion exhaust stream after condensation of water vapor content contains virtually only carbon dioxide (CO 2 ), which can be used commercially as a displacement medium for För ¬ dermengenerhöhung in almost exhausted oil and natural gas deposits or deposited in saline aquifers underground and thus klimaunwirksam ,
Die technische Machbarkeit derartiger „Null-Emissions-Kraft¬ werke" soll derzeit in einigen Pilotprojekten und Forschungs¬ anlagen nachgewiesen werden, wobei insbesondere die entspre¬ chenden Feuerungskonzepte noch Gegenstand intensiver For¬ schung sind. Generell hat die Feuerung bei Kraftwerksprozes- sen und Prozessen zur Nutzwärmeerzeugung einen wesentlichenThe technical feasibility of such "zero-emission power ¬ plants" is to be detected ¬ plants in some pilot projects and research currently, in particular the entspre ¬ sponding combustion concepts still the subject of intense For are ¬ research. Generally has sen the furnace at Kraftwerksprozes- and processes for useful heat generation an essential
Einfluss auf den Wirkungsgrad, und zwar sowohl in thermischer Hinsicht als auch vom Standpunkt der Emissionsvermeidung her. Dies gilt bei Oxyfuel-Prozessen sogar noch in verstärktem Maße, so dass der Aufwand für entsprechende Forschungsvorhaben und Optimierungsmaßnahmen gerechtfertigt ist.Influence on the efficiency, both from a thermal point of view and from the point of view of avoiding emissions. This is even more true for oxyfuel processes, so that the effort for corresponding research projects and optimization measures is justified.
Ideal wäre bei räumlich homogenen Bedingungen in der Brennkammer eine stöchiometrische Verbrennung, bei der Brennstoff¬ massenstrom und der Sauerstoffmassenstrom in Relation zuein- ander so eingestellt werden, wie dies bei der vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxyd und Wasserdampf durch die zugehörige chemische Reaktionsgleichung gefordert wird. Damit könnten neben den Abgasverlusten auch der Eigenbedarf für Frischlüfter, Saugzüge etc. beziehungsweise die dort auftretenden Ansaugverluste minimiert werden. In derIdeal would be at spatially homogeneous conditions in the combustion chamber a stoichiometric combustion can be set at the fuel ¬ mass flow and the oxygen mass flow in relation with respect to each other in such a way as is required for the complete combustion of the fuel to carbon dioxide and water vapor through the associated chemical reaction equation. This could be minimized in addition to the exhaust gas losses and the intrinsic demand for fresh air, suction etc., or the intake losses occurring there. In the
Praxis besteht ein erstes Problem bei der angestrebten stö- chiometrischen Verbrennung jedoch bereits darin, dass aufgrund unvermeidlicher Inhomogenitäten in der Verbrennungszone der Brennkammer, die alleine schon von der Flammenausdehnung, der Strömungsdynamik usw. herrühren, nicht garantiert werden kann, dass in allen Bereichen des Feuerraumes oder der Flamme genau die Sauerstoffmenge zur Verfügung steht, die (lokal) für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs notwendig ist. Dadurch entstehen im Rauchgas Strähnen mit Sauerstoff- überschuss und Sauerstoffmangel, die sich aufgrund der hohen Viskosität heißer Gase nur unzureichend vermischen. Die Folge sind unerwünscht hohe (Rest-) Emissionen von Kohlenmonoxyd (CO) und Kohlenwasserstoffen (CnH1n) .In practice, however, a first problem with the desired stoichiometric combustion already consists in the fact that due to unavoidable inhomogeneities in the combustion zone of the combustion chamber, which already originate from the flame expansion, the flow dynamics, etc., it can not be guaranteed that in all areas of the combustion chamber or the flame is exactly the amount of oxygen available, which (locally) for a complete combustion of the fuel necessary is. As a result, streaks with excess oxygen and lack of oxygen are formed in the flue gas, which mix only inadequately due to the high viscosity of hot gases. The result is undesirably high (residual) emissions of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (C n H 1n ).
Ein zweites, für die technische Realisierung des Oxyfuel-Ver- fahrens schwerwiegenderes Problem besteht darin, dass für viele Feuerungsarten und Brennstoffe die innerhalb der Brenn- kammer auftretenden Verbrennungstemperaturen die maximal zulässigen Materialtemperaturen der angrenzenden Brennkammerwände überschreiten. Im Fall einer nicht ganz vollständigen Oxyfuel-Verbrennung entstehen zudem Ascherückstände, für deren vernünftige Handhabung gewisse obere Grenztemperaturen ebenfalls nicht überschritten werden sollten. Gerade bei der nahstöchiometrischen Verbrennung mit reinem Sauerstoff als Oxydationsmittel werden derartige Probleme besonders ekla¬ tant, da dabei Temperaturen von über 3000 0C auftreten können .A second problem, which is more serious for the technical realization of the oxyfuel process, is that for many types of firing and fuels the combustion temperatures occurring within the combustion chamber exceed the maximum permissible material temperatures of the adjacent combustion chamber walls. In the case of incomplete oxyfuel incineration, ash residues are also produced, for which reasonable handling certain upper limit temperatures should also not be exceeded. Especially in the near-stoichiometric combustion with pure oxygen as an oxidant such problems are particularly ekla ¬ tant, since temperatures of over 3000 0 C can occur.
Um eine Beschädigung der Brennkammer durch unerlaubt hohe Temperaturen zu vermeiden, wurden daher verschiedene Konzepte zur Senkung der Verbrennungstemperaturen entwickelt. Allen bislang vorgeschlagenen Oxyfuel-Prozessen ist dabei die nah- stöchiometrische Oxidation des Brennstoffs in einem Inertgas¬ gemisch gemeinsam. Gemäß einem ersten vorgeschlagenen Verbrennungskonzept kann beispielsweise eine interne Rauchgas- rezirkulation vorgesehen sein, wie sie bei so genannten FLOX- Brennern zur Anwendung kommt. Durch die Beimischung des Rauchgases erfolgt der Verbrennungsprozess nicht-adiabat . Das heißt, den Verbrennungszonen wird bereits während der Verbrennung Wärme entzogen und auf das bereits abgekühlte, re¬ zirkulierte Rauchgas übertragen, so dass die lokalen Spitzen¬ temperaturen innerhalb der Brennkammer deutlich gesenkt wer- den. Ein Nachteil dieses Konzepts besteht jedoch darin, dass die Brennkammer und die ihr nachgeschalteten abgasführenden Komponenten für vergleichsweise hohe Volumen- beziehungsweise Massenströme ausgelegt sein müssen, was eine entsprechend vo- luminöse Bauweise mit großen Strömungsquerschnitten bedingt. Damit fallen für eine derartige Kraftwerksanlage relativ hohe Fertigstellungskosten an.Therefore, in order to prevent damage to the combustion chamber by unauthorized high temperatures, various concepts have been developed for lowering the combustion temperatures. All previously proposed oxyfuel processes is the near- stoichiometric oxidation of the fuel in an inert gas ¬ mixture together. According to a first proposed combustion concept, for example, an internal flue gas recirculation can be provided, as used in so-called FLOX burners. By adding the flue gas, the combustion process is non-adiabatic. That is, the combustion zones is removed already during the combustion heat and transferred to the already cooled, re ¬ circulated flue gas so that the local peaks ¬ temperatures advertising, significantly reduced within the combustion chamber to. However, a disadvantage of this concept is that the combustion chamber and the exhaust-gas-carrying components connected downstream thereof must be designed for comparatively high volume or mass flows, which results in a correspondingly high volume or mass flow. luminous construction with large flow cross-sections conditioned. This results in relatively high completion costs for such a power plant.
Außerdem ist es bei einem auf diesem Prinzip beruhendenBesides, it is based on one based on this principle
Dampferzeuger erforderlich, relativ große Wärmemengen durch konvektive Wärmeübertragung zur Verdampfung oder Überhitzung des Speisewassers nutzbar zu machen, wozu entsprechend groß dimensionierte, in den Gaszug eingehängte Konvektionsheizflä- chen notwendig sind. Unter energetischen Gesichtspunkten wäre es in der Regel aber wünschenswert, den Anteil der Strah¬ lungswärme an der Gesamtfeuerungsleistung möglichst groß zu halten .Steam generators required to make relatively large amounts of heat usable by convective heat transfer for evaporation or overheating of the feedwater, including correspondingly large-dimensioned, hung in the throttle cable Konvektionsheizflä- chen are necessary. An energy point, it would be desirable, as a rule, the proportion of Strah ¬ lung heat on the total combustion capacity as possible to keep large.
Alternativ zur Rauchgasrezirkulation kann gemäß einem zweiten Verbrennungskonzept auch eine Flammenkühlung durch Eindüsen von Wasser oder Dampf oder durch die Verwendung von feuchten Brennstoffen vorgesehen sein. Wie bei der Rauchgasrezirkulation wird allerdings auch hier die Reduzierung der Feuerungs- temperatur mit erhöhten Abgasverlusten erkauft, da die Erhöhung des Rauchgasmassenstroms den Wirkungsgrad der Energieum¬ wandlung prinzipiell herabsetzt.As an alternative to flue gas recirculation, flame cooling by injecting water or steam or by the use of moist fuels can also be provided according to a second combustion concept. As in the case of flue gas recirculation, however, the reduction of the firing temperature with increased exhaust gas losses is also bought here, since increasing the flue gas mass flow principally reduces the energy conversion efficiency.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art und eine zugehörige Brennkammer anzugeben, die bei einfach und kostengünstig gehaltener Bau- und Betriebsweise unter Rückgriff auf geeignete Feuerungskonzepte eine Verbrennung eines kohlen¬ stoffhaltigen Brennstoffs nach dem Oxyfuel-Verfahren mit ei- nem besonders hohen energetischen Wirkungsgrad und mit beson¬ ders geringen Restemissionen ermöglichen. Weiterhin soll ein besonders geeignetes Betriebsverfahren für eine auf derarti¬ gen Prinzipien beruhende Anlage angegeben werden.The present invention therefore has for its object to provide a burner assembly of the type mentioned and an associated combustion chamber, which in simple and cost-held construction and operation with recourse to suitable combustion concepts combustion of a coal ¬ containing fuel using the oxyfuel process with egg - enable a particularly high energy efficiency and with particularly ¬ low residual emissions. Furthermore, to be specified for a system based on gene derarti principles ¬ a particularly suitable method of operation.
In Bezug auf die Brenneranordnung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem ein erster Brenner derart aus¬ gelegt ist, dass das Verhältnis der ihm im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge größer ist als für einen zweiten, in Richtung der Rauchgasströmung gesehen weiter stromab liegenden Brenner.With respect to the burner assembly, the object is solved according to the invention by a first burner is so laid out ¬ that the ratio of it in normal operation supplied per unit time to the amount of oxygen stoichiometrically necessary amount of oxygen is greater than for a second, seen in the direction of the flue gas flow further downstream burner.
Vorteilhafterweise ist dabei in Richtung der Rauchgasströmung gesehen zumindest ein für einen Normalbetrieb mit Sauerstoff- überschuss ausgelegter Brenner vor einem Brenner angeordnet, der für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffmangel ausgelegt ist .Advantageously, as seen in the direction of the flue gas flow, at least one burner designed for normal operation with an excess of oxygen is arranged in front of a burner which is designed for normal operation with oxygen deficiency.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Vermeidung der mit einer Rauchgasrezirkulation verbundenen Nachteile die Feuerung in einer nach dem Oxyfuel-Prinzip arbeitenden Brennkammer einer Gasturbine oder eines Dampferzeu- gers derart ausgestaltet sein sollte, dass die Verbrennungs¬ enthalpie des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs nur schrittwei¬ se in Stufen freigesetzt wird und so durch die räumliche Ver¬ teilung der Wärmefreisetzung eine ausreichende Kühlung der den Feuerungsbereich begrenzenden Brennkammerwände - bei ei- nem Dampferzeuger durch das zu verdampfende Strömungsmedium und bei einer Gasturbinenbrennkammer z. B. durch ein externes Kühlmedium - möglich wird.The invention proceeds from the consideration that for the avoidance of associated with a flue gas recirculation disadvantages, the furnace should be gers configured in a working according to the oxyfuel combustion chamber of a gas turbine or a steam generator such that the combustion ¬ enthalpy of the carbonaceous fuel only Stepwise ¬ se is released in stages and so by the spatial distribution ¬ distribution of heat release sufficient cooling of the firing range limiting combustion chamber walls - in a steam generator through the flow medium to be vaporized and in a gas turbine combustor z. B. by an external cooling medium - is possible.
Bei der konkreten Ausgestaltung und technischen Umsetzung dieses Prinzips der gestuften Verbrennung kommt zunächst eine Brenneranordnung mit in mehreren Brennerebenen gestaffelt angeordneten Brennern in Betracht, bei der die in Strömungs¬ richtung des Rauchgases gesehen zuerst angeordneten Brenner für einen Betrieb mit Sauerstoffmangel, die weiter stromab angeordneten Brenner mit Sauerstoffüberschuss ausgelegt sind. Eine derartige Anordnung, bei der also das Verhältnis λ der einem Brenner im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur - bezogen auf den Brennstoffmassenstrom - stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge für die rauchgas- seitig ersten Brennerebenen kleiner ist als für die letzten, hat sich beispielsweise bei herkömmlichen Verbrennungsprozes¬ sen bewährt, bei denen stickstoffhaltige Verbrennungsluft in die Brennkammer eingeleitet wird. Auf diese Weise kann bei derartigen Anlagen insbesondere eine Minderung der NOx-Emis- sionen bewirkt werden, wobei die Wirksamkeit des Konzeptes vor allem darauf beruht, dass die mit einer überstöchiometri- schen Sauerstoffzufuhr arbeitenden Brenner am rauchgasaus- trittsseitigen Ende der Brennkammer in diesem Bereich aufgrund der vergleichsweise hohen Eintrittsimpulse für eine be¬ sonders gleichmäßige Vermischung der Verbrennungsatmosphäre sorgen. Damit werden nicht vollständig oxidierte Brennstoff¬ anteile und Zwischenprodukte des Verbrennungsprozesses in dieser Region der Brennkammer noch einmal besonders gut und vollständig umgesetzt bzw. oxidiert .In the concrete embodiment and technical implementation of this principle of staged combustion is initially a burner assembly with staggered arranged in several burner levels burners into consideration, in which seen in the flow ¬ direction of the flue gas first arranged burner for operation with lack of oxygen, further downstream burner are designed with excess oxygen. Such an arrangement, in which therefore the ratio λ of a burner in normal operation per unit time supplied oxygen to - based on the fuel mass flow - stoichiometrically necessary amount of oxygen for the flue gas side first burner levels is smaller than for the last, has, for example, in conventional Verbrennungsprozes ¬ proven proven in which nitrogen-containing combustion air is introduced into the combustion chamber. This can be done at such systems, in particular a reduction of NO x -Emis- be effected emissions, wherein the effectiveness of the concept is based above all the fact that the working with a superstoichiometric rule oxygen burner at rauchgasaus- occurs side end of the combustion chamber in this area because of the comparatively high inlet Impulse ensure be ¬ Sonder uniform mixing of the combustion atmosphere. This not completely oxidized fuel ¬ shares and intermediates of the combustion process in this region of the combustion chamber again particularly well and completely implemented or oxidized.
Nun hat sich allerdings überraschenderweise herausgestellt, dass dieses von herkömmlichen Verbrennungsprozessen bekannte und dort leicht einsichtige Konzept bei Verbrennungsvorgän¬ gen, die gemäß dem Oxyfuel-Verfahren in einer konzentrierten Sauerstoffatmosphäre ablaufen, im Hinblick auf die tempera- turseitig vorgegeben, durch die begrenzte Temperaturbeständigkeit der Brennkammerwerkstoffe auferlegten Randbedingungen nicht praktikabel oder zumindest unvorteilhaft ist. In einem derartigen Fall müssten nämlich die in Richtung der Rauchgasströmung zuerst angeordneten Brenner mit vergleichsweise großem Sauerstoffmangel (z. B. mit λ = 0,3) betrieben werden, wohingegen die Brenner der weiter stromab liegenden „oberen" Brennerebenen mit extrem hohem Sauerstoffüberschuss (z. B. mit λ = 5) betrieben werden müssten, um die zulässigen Verbrennungstemperaturen global gesehen nicht zu überschreiten. Am Übergang zwischen überstöchiometrischen und unterstöchio- metrischen Brennern würden dabei unweigerlich sehr hohe Tem- peraturspitzen entstehen, die auch durch die Wärmeabfuhr über die Brennkammerwand nicht ausreichend gemindert werden könn¬ ten, so dass ein (lokales) Überschreiten der zulässigen Verbrennungstemperaturen dort nicht vermeidbar wäre.Now, however surprisingly been found that this known conventional combustion processes and there easily insightful approach to Verbrennungsvorgän ¬ gen, which according to the oxyfuel process in a concentrated oxygen atmosphere expire specified temperature-turseitig with regard to, by the limited heat resistance of the combustion chamber materials imposed constraints is impractical or at least disadvantageous. In such a case, the burners arranged first in the direction of the flue gas flow would have to be operated with comparatively high oxygen deficiency (eg with λ = 0.3), whereas the burners of the downstream "upper" burner flats with extremely high oxygen excess (e.g. For example, at the transition between superstoichiometric and substoichiometric burners, very high temperature peaks would inevitably arise, which would not be due to the heat dissipation via the combustion chamber wall be sufficiently mitigated th could ¬, so a (local) exceeding the allowable combustion temperatures there would not be avoidable.
Aus diesem Grund ist gemäß dem nunmehr vorgeschlagenen Konzept eine „invers gestufte Feuerung" beziehungsweise eine „invers gestufte Sauerstoffzufuhr" vorgesehen, bei der zumindest ein Teil der für eine überstöchiometrische Betriebsweise (d. h. mit Sauerstoffüberschuss) ausgelegten Brenner in Bezug auf die Rauchgasströmungsrichtung vor einer Anzahl von für unterstöchiometrischen Betrieb (d. h. mit Sauerstoffmangel) konzipierten Brennern angeordnet ist.For this reason, according to the now proposed concept, an "inversely stepped firing" or an "inversely stepped oxygen supply" is provided, in which at least a part of the for a superstoichiometric operation (ie with excess oxygen) designed burner with respect to the flue gas flow direction before a number of designed for substoichiometric operation (ie, with oxygen deficiency) designed burners.
Zwar besteht bei einer derartigen Brenneranordnung prinzipiell die Gefahr, dass sich im Feuerraum lokal Strähnen aus Kohlenmonoxid (CO) ausbilden, die sich in den austrittsnah angeordneten „oberen" Brennerebenen aufgrund der dort ver- gleichsweise geringen Sauerstoffzufuhr und der kleineren Einströmimpulse nur schwer mit Sauerstoff untermischen lassen. Dies könnte unter Umständen unzulässig hohe CO-Emissionen verursachen. Jedoch ist diesem Problem im vorliegenden Fall dadurch entgegen gewirkt, dass aufgrund der ausgesprochen günstigen Verteilung der Verbrennungstemperaturen längs derAlthough in such a burner arrangement there is in principle the danger that strands of carbon monoxide (CO) form locally in the combustion chamber which are difficult to mix with oxygen in the "upper" burner levels arranged at the exit due to the comparatively low oxygen supply and smaller inflow impulses This could possibly cause inadmissibly high CO emissions, but in the present case this problem was counteracted by the fact that, due to the extremely favorable distribution of combustion temperatures along the
Rauchgasströmungsrichtung auch dann eine hinreichende Kühlung der Brennkammerwände durch das zu verdampfende Strömungsmedi¬ um (beziehungsweise durch das Kühlmedium im Fall einer Gas¬ turbine) erreichbar ist, wenn auf die ansonsten übliche Rauchgasrezirkulation verzichtet wird beziehungsweise die entsprechenden Rezirkulationsvolumenströme wesentlich geringer als bislang bei konventionellen Anlagen üblich ausgelegt werden. Daher kann die Brennkammer nunmehr vom Querschnitt her deutlich geringer gebaut werden als bei herkömmlichen Dampferzeugern mit vergleichbarer Feuerleistung, was die natürliche Durchmischung der Verbrennungsatmosphäre, insbeson¬ dere in den „oberen" Brennerebenen, fördert und die oben angesprochene CO-Problematik vom Ausmaß her wirkungsvoll be¬ grenzt .Flue gas flow direction even then sufficient cooling of the combustion chamber walls by the flow medium to be evaporated ¬ (or by the cooling medium in the case of a gas ¬ turbine) can be achieved, if the otherwise usual flue gas recirculation is dispensed with or the corresponding recirculation volume flows much lower than usual in conventional systems be interpreted. Therefore, the combustion chamber can now be built by the cross-sectional forth significantly lower than in conventional boilers with comparable fire power, which the natural mixing of the combustion atmosphere, particular insbeson ¬ in the "upper" burner levels, promotes, and the above-mentioned CO-issue of the extent ago be effectively ¬ borders.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung des oben geschilderten Konzeptes ist eine Mehrzahl von in Strömungsrichtung des Rauchgases beabstandet angeordneten, jeweils eine Anzahl von Brennern aufweisenden Brennerebenen vorgesehen, wobei das Verhältnis λ der im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge, im Folgenden kurz als „Luftverhältnis" bezeichnet, für einen Brenner umso kleiner ist, je weiter er in Strömungs- richtung des Rauchgases gesehen stromabwärts angeordnet ist. Mit anderen Worten: Der Auslegungswert von λ nimmt in Richtung der Rauchgasströmung monoton von Brennerebene zu Brennerebene ab.In a particularly advantageous embodiment of the above-described concept, a plurality of arranged in the flow direction of the flue gas spaced, each having a number of burners burner layers provided, wherein the ratio λ of the normal amount per unit time supplied oxygen amount to stoichiometrically necessary amount of oxygen, hereinafter referred to as "air ratio "for a burner, the smaller the further it is in flow Direction of the flue gas is arranged downstream. In other words, the design value of λ monotonically decreases in the direction of the flue gas flow from burner level to burner level.
Besonders günstige Verhältnisse liegen für eine große Klasse von relevanten Brennerkonfigurationen beispielsweise dann vor, wenn das Luftverhältnis für den oder die Brenner der in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen ersten Brennerebene größer als 3 ist und vorzugsweise etwa den Wert 5 besitzt, für den oder die Brenner der in Strömungsrichtung des Heizgases gesehenen letzten Brennerebene hingegen kleiner als 0,5 ist und vorzugsweise etwa den Wert 0,3 besitzt.Particularly favorable conditions are, for example, for a large class of relevant burner configurations when the air ratio for the burner (s) of the first burner level seen in the flow direction of the heating gas is greater than 3 and preferably about 5, for the burner (s) of FIG Flow direction of the fuel gas seen last burner level, however, is less than 0.5 and preferably about 0.3.
Dabei kann es weiterhin zweckmäßig sein, einer derart gebil¬ deten Hauptgruppe bzw. einem Hauptabschnitt von Brennern eine Anzahl von zusätzlichen Brennern in Richtung der Rauchgasströmung nachzuordnen, die jeweils für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffüberschuss ausgelegt sind. Das heißt, es liegt dann beispielsweise eine Kaskade von Brennern mit λ = 5;It may further be convenient to such a gebil ¬ Deten main group or a major portion of burners nachzuordnen a number of additional burners in the direction of flue gas flow, which are each designed for a normal operation of excess oxygen. That is, it is then, for example, a cascade of burners with λ = 5;
....; λ = 0,3; λ = 1,5 vor, wobei die zusätzliche überstö- chiometrische Brennerebene am Ende der Kaskade die vollstän¬ dige Umwandlung etwaig verbliebener CO-Strähnen in CO2 sicherstellt .....; λ = 0.3; λ = 1.5 before, wherein the additional überstö- chiometrische burner level ensures at the end of cascade, the completeness, ¬ ended conversion possible remaining CO strands in CO 2.
Alternativ oder zusätzlich können die in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen hinteren Brenner, z. B. der letzten oder der letzten beiden Brennerebenen, auch als Diffusionsbrenner ausgestaltet sein, bei denen der Sauerstoff und der Brennstoff ohne Vormischung in die Verbrennungsregion derAlternatively or additionally, the rear burner seen in the flow direction of the flue gas, for. B. the last or the last two burner levels, be designed as a diffusion burner, in which the oxygen and the fuel without premixing in the combustion region of the
Brennkammer eingeleitet werden. Dabei dringt der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff durch Diffusion über den Flammenrand in die Flamme hinein, wodurch sich in diesem vergleichsweise kritischen Bereich der „invers gestuften" Brenneranord- nung besonders vorteilhafte Strömungs- und Durchmischungsver¬ hältnisse ausbilden. Aus dem gleichen Grund können die in Rauchgasströmungsrich- tung hinteren (d. h. bei stehender Kesselbauweise oberen) Brennerebenen in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung für die Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs, der zum Beispiel in einem Vorvergaser des jeweiligen Brenners aus einem flüssigen Brennstoff erzeugt wird, ausgelegt sein. Auf diese Wei¬ se lassen sich nämlich in den „oberen" Brennerregionen auch bei vergleichsweise kleinen Volumenströmen relativ hohe Einströmimpulse erzielen, die für die Durchmischung der Verbren- nungsatmosphäre und damit für die Vermeidung von CO-Rückstän- den förderlich sind. Alternativ oder zusätzlich kann in diesem Bereich der Brennkammer auch eine Eindüsung von Wasser/ Wasserdampf vorgesehen sein. Dabei ist es in energetischer Hinsicht besonders günstig, wenn das in die Brennkammer ein- gedüste Wasser zusammen mit dem infolge der Verbrennungsvorgänge anfallenden Wasserdampf anschließend in einer Rauchgas- kondensationsanlage auskondensiert wird und die bei der Ver¬ dampfung aufgenommene Wärme wieder als Nutzwärme zurückgewon¬ nen wird.Combustion chamber to be initiated. Here, the oxygen required for combustion enters into it by diffusion through the edge flames into the flame, whereby in this critical area of the relatively "inverse stepped" Brenneranord- voltage particularly advantageous flow and Durchmischungsver ¬ ratios formed. For the same reason, the rear burner flue (in upper boiler design upper) in Rauchgasströmungsrich- can be designed in a further advantageous embodiment for the combustion of a gaseous fuel, which is produced for example in a Vorvergaser the respective burner of a liquid fuel. In this Wei ¬ se relatively high Einströmimpulse can in fact be in the "upper" Brenner regions even at relatively low flow rates achieved, the voltage atmosphere for the mixing of the combustion and thus for the avoidance of CO spillages are the conducive. Alternatively or additionally, In this area of the combustion chamber, an injection of water / water vapor can also be provided, in which case the water injected into the combustion chamber, together with the water vapor resulting from the combustion processes, is subsequently condensed out in a flue gas condensation plant and which is in the United ¬ evaporation heat absorbed again as useful heat back won th ¬ nen.
Zur Verbesserung der Durchmischung im Bereich der „oberen", mit einer unterstöchiometrischen Sauerstoffmenge versorgten Brennerebenen kann auch eine Teil-Rezirkulation des Rauchgases in dieser Region vorgesehen sein. Es ist also vorteilhaf- terweise eine Rauchgas-Rezirkulationsleitung derart an die Brennkammer angeschlossen, dass die Einleitung des rezirkulierten Rauchgases in die Brennkammer ausschließlich im Bereich der in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen hinteren Brennerebenen erfolgt. Dabei ist der Rezirkulationsteil- ström im Vergleich zu herkömmlichen Brennerkonzepten und bislang angedachten Oxyfuel-Prozessen jedoch eher klein gehalten, um den Gesamtvolumenstrom durch die Brennkammer nicht unnötig stark zu erhöhen.In order to improve the mixing in the region of the "upper" burner levels supplied with a substoichiometric amount of oxygen, a partial recirculation of the flue gas can also be provided in this region However, the Rezirkulationsteil- ström compared to conventional burner concepts and previously considered oxyfuel processes but kept rather small, not unnecessarily strong around the total volume flow through the combustion chamber of the recirculated flue gas into the combustion chamber in the combustion chamber only in the region of the flue gas to increase.
Schließlich ist es noch vorteilhaft, die Quervermischung und/oder den Drall der Rauchgasströmung im Brennkammerinnenraum durch darin angeordnete Strömungskörper oder Einbauten zu verbessern. Die Anordnung und Ausrichtung der Brennerdüsen sollte ebenfalls auf dieses Auslegungsziel hin optimiert sein .Finally, it is still advantageous to improve the transverse mixing and / or the swirl of the flue gas flow in the combustion chamber interior through flow bodies or internals arranged therein. The arrangement and orientation of the burner nozzles should also be optimized for this design goal.
Das hier geschilderte Konzept kann bei Dampferzeugern von ganz unterschiedlicher Bauart zur Anwendung kommen und ist nicht auf stehende Dampfkessel beschränkt. Beispielsweise kann der Feuerraum bzw. die Brennkammer auch liegend angeordnet sein, wodurch für das Rauchgas eine im Wesentlichen horizontale Strömungsrichtung vorgegeben ist. Alternativ kann der Feuerraum auch gefaltet sein. Überdies ist das Konzept derThe concept described here can be applied to steam generators of very different types and is not limited to standing steam boilers. For example, the combustion chamber or the combustion chamber can also be arranged horizontally, whereby a substantially horizontal flow direction is predetermined for the flue gas. Alternatively, the firebox can also be folded. Moreover, the concept is the
„invers gestuften Feuerung" auch bei Gasturbinenbrennkammern einsetzbar ."Inversely stepped firing" can also be used in gas turbine combustion chambers.
In Bezug auf das Verfahren wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst, indem die jeweils einem ersten Brenner und einem zweiten, in Richtung der Rauchgasströmung gesehen weiter stromab liegenden Brenner pro Zeiteinheit zugeführte Sauer¬ stoffmenge und die jeweilige Brennstoffmenge in Relation zu¬ einander derart eingestellt werden, dass das Verhältnis λ der zugeführten Sauerstoffmenge zur stöchiometrisch notwendigenWith respect to the method, the aforementioned object is solved by each of a first burner and a second, seen in the direction of the flue gas flow further downstream burner lying per unit time supplied Sauer ¬ fuel quantity and the respective amount of fuel to be adjusted in relation to ¬ each other such that the ratio λ of the amount of oxygen supplied to stoichiometrically necessary
Sauerstoffmenge für den ersten Brenner größer ist als für den zweiten. Vorteilhafterweise werden dabei die Brenner der in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen vorderen Brennerebenen mit Sauerstoffüberschuss (λ > 1) und die hinteren, kesselaustrittsseitig angeordneten Brennerebenen mit Sauerstoffmangel (λ < 1) betrieben.Oxygen quantity for the first burner is greater than for the second. Advantageously, in this case the burners of the front burner walls seen in the flow direction of the flue gas are operated with oxygen excess (λ> 1) and the rear, boiler outlet side arranged burner levels with oxygen deficiency (λ <1).
Dabei kann beispielsweise in einem ersten Extremfall der Brennstoffmassenstrom für sämtliche Brenner jeweils gleich groß gewählt werden, wobei der Sauerstoffmassenstrom jeweils gemäß dem lokal angestrebten λ-Wert eingestellt wird (gestuf¬ te Sauerstoffzufuhr) . Selbstverständlich sind auch der umgekehrte Fall, bei dem der Sauerstoffmassenstrom für alle Brenner gleich groß ist und der jeweilige Brennstoffmassenstrom entsprechend der Zielvorgabe für die räumliche λ-Verteilung angepasst wird (gestufte Brennstoffzufuhr) , und alle dazwi¬ schen liegenden Varianten möglich. Bei der Befeuerung mit Kohlenstaub beispielsweise ist von der Tendenz her eine ge¬ stufte Sauerstoffzufuhr vorteilhaft.The fuel mass flow rate for all burners can, for example, in a first extreme case, be selected at the same size, wherein the oxygen mass flow is respectively set according to the locally desired λ value (gestuf ¬ te oxygen supply). Of course, the reverse case in which the oxygen mass flow for all burners is the same size and the respective fuel mass flow is adjusted according to the target for the spatial λ distribution (stepped fuel supply), and all dazwi ¬ 's lying variants possible. When firing with Coal dust, for example, is advantageous in terms of its tendency to have a graded supply of oxygen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass durch die geschickte Kombination der Prinzipien „Oxyfuel-Verbrennung" und „invers gestufte Sauerstoffzu¬ fuhr" ein Befeuerungskonzept für einen Dampferzeuger realisierbar ist, das bei hohem energetischen Wirkungsgrad und bei gering gehaltener Schadstoffbelastung des Abgasstroms auf- grund der vergleichsweise moderaten Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer besonders geringe Anforderungen an die thermische Belastbarkeit der Umfassungswände und der daran angrenzenden Brennkammerkomponenten stellt, wodurch die Brennkammer vergleichsweise kostengünstig zu fertigen ist. Hinzu kommt, dass aufgrund des gegenüber herkömmlichen Tech¬ nologien wesentlich verringerten oder sogar ganz entfallenden Bedarfs an Rezirkulationsgas die diesbezüglichen Anlagenkomponenten für geringere Volumenströme konzipiert werden können beziehungsweise entfallen. Auch die Brennkammer selbst kann vom Durchmesser her deutlich kompakter als bislang notwendig ausgeführt werden.The advantages achieved by the invention are in particular that a lighting concept for a steam generator can be realized by the clever combination of the principles of "oxy-fuel combustion" and "inversely stepped Sauerstoffzu ¬ drove" that at high energy efficiency and low pollutant load Due to the comparatively moderate combustion temperatures in the combustion chamber, the exhaust gas flow makes particularly low demands on the thermal load capacity of the surrounding walls and the combustion chamber components adjacent thereto, as a result of which the combustion chamber can be manufactured comparatively inexpensively. In addition, due to the compared to conventional tech ¬ nologies significantly reduced or even completely eliminated need for recirculation, the relevant system components for lower flow rates can be designed or eliminated. Also, the combustion chamber itself can be performed by the diameter much more compact than previously necessary.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in jeweils schemati- scher Darstellung:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. In each case they show schematically:
FIG 1 bis FIG 3 eine erste bis dritte Variante eines fos¬ sil beheizten Dampferzeugers im Längs¬ schnitt, dessen Brenneranordnung jeweils für eine „invers gestufte Befeuerung" auf der Grundlage des Oxyfuel-Prinzips ausge¬ legt ist.1 to 3 show a first to third variant of a fos ¬ sil heated steam generator in the longitudinal ¬ cut, the burner arrangement is set out ¬ each for an "inverse stepped firing" on the basis of the oxyfuel principle ¬ .
Der in der FIG 1 dargestellte Dampferzeuger 2 weist einen aufrecht stehenden Dampfkessel 4 auf, dessen Umfassungswände 6 aus gasdicht miteinander verschweißten, jeweils zu Verdampfer-, Überhitzer- oder Economizerheizflachen zusammengefass- ten Dampferzeugerrohren gebildet werden, in denen ein zu ver- dampfendes Strömungsmedium, z. B. Wasser bzw. ein Wasser-/ Dampf-Gemisch, strömt. Zur Befeuerung des Dampferzeugers 2 ist eine Mehrzahl von Brennern 8 vorgesehen, die in einer o- berhalb eines trichterförmigen Bodenbereiches 10 befindlichen Brennkammer 12 angeordnet sind. Die Brenner 10 dienen zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffs, z. B. Kohle, Erdöl oder Erdgas, nach dem so genannten Oxy- fuel-Verfahren, bei dem anstelle von stickstoffhaltiger Umgebungsluft reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel in die Verbrennungszone der Brennkammer 12 eingeleitet wird. Der be¬ nötigte Sauerstoff wird in einer dem Dampferzeuger zugeord¬ neten LuftZerlegungsanlage (nicht dargestellt) gewonnen und über Rohrleitungen einer Vormischkammer des jeweiligen Brenners 8 zugeführt, in die auch eine zugehörige Brennstofflei- tung mündet.The steam generator 2 shown in FIG. 1 has an upright steam boiler 4, the surrounding walls 6 of which are welded together in a gas-tight manner, in each case forming steam generator tubes combined into evaporator, superheater or economizer heating surfaces, in which steaming flow medium, eg. As water or a water / steam mixture flows. For firing the steam generator 2, a plurality of burners 8 are provided which are arranged in a combustion chamber 12 located above a funnel-shaped bottom area 10. The burners 10 are used to burn a carbonaceous fossil fuel, eg. As coal, petroleum or natural gas, according to the so-called oxy-fuel process in which instead of nitrogen-containing ambient air pure oxygen is introduced as an oxidant in the combustion zone of the combustion chamber 12. The ¬ be forced oxygen (not shown) in a steam generator zugeord ¬ Neten air separation plant recovered and fed via pipes of a pre-mixing chamber 8 of the respective burner, and an associated Brennstofflei- opens into the tung.
Das bei der Verbrennung erzeugte, im Wesentlichen aus Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) bestehende Rauchgas R ver- lässt die Brennkammer 12 in vertikaler Strömungsrichtung 14 und durchströmt anschließend den nach oben hin sich an dieThe flue gas R produced during the combustion, consisting essentially of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O), leaves the combustion chamber 12 in the vertical flow direction 14 and then flows upward through the combustion chamber 14
Brennkammer 12 anschließenden Abschnitt des Vertikalgaszuges 16, um dabei einen Großteil der in ihm enthaltenen Wärmemenge durch konvektiven Wärmeaustausch über die in den Gaszug 16 eingehängten Konvektionsheizflachen 18 an das darin geführte Strömungsmedium abzugeben, z. B. zur Überhitzung des in den Verdampferrohren der Umfassungswände 6 erzeugten Dampfes. In einem dem Dampferzeuger rauchgasseitig nachgeschalteten Kondensator (nicht dargestellt) wird schließlich der im Rauchgas R enthaltene Wasseranteil abgetrennt, so dass nur noch reines Kohlendioxid als umweltschädliches Verbrennungsprodukt zu entsorgen oder einer anderweitigen Verwertung zuzuführen ist.Combustion chamber 12 subsequent portion of the vertical gas train 16 to deliver a majority of the amount of heat contained in it by convective heat exchange via the hinged in the throttle cable 16 Konvektionsheizflachen 18 to the flow medium guided therein, for. B. for overheating of the steam generated in the evaporator tubes of the surrounding walls 6. Finally, the water fraction contained in the flue gas R is separated off in a condenser (not shown) connected downstream of the steam generator on the flue gas side, so that only pure carbon dioxide can be disposed of as an environmentally harmful combustion product or supplied to another utilization.
Für eine möglichst vollständige Verbrennung des kohlenstoff¬ haltigen Brennstoffs und seine Umsetzung in die gewünschten Verbrennungsprodukte CO2 und H2O einerseits sowie für eineFor the most complete combustion of carbon-containing fuel ¬ and its conversion into the desired products of combustion of CO 2 and H 2 O on the one hand and for a
Reduktion der auftretenden Verbrennungstemperaturen andererseits ist eine gestufte Brenneranordnung vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel sind die Brenner 8 in zehn übereinander- liegenden Brennerebenen angeordnet, wobei die Brenner 8 direkt aufeinanderfolgender Stufen oder Ebenen jeweils räumlich gegeneinander versetzt sind. Ein für den Brennerbetrieb be¬ sonders relevante Kennzahl ist dabei das Verhältnis λ der ei- nem Brenner 8 pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur - bezogen auf den jeweiligen Brennstoffmassenstrom - stöchio- metrisch notwendigen Sauerstoffmenge gemäß der chemischen Reaktionsbilanz. In Abkehr der für Brennkammern herkömmlicher Bauart bei Zufuhr stickstoffhaltiger Verbrennungsluft maßgeb- liehen Auslegungsgrundsätze ist nunmehr im Rahmen der Oxy- fuel-Verbrennung eine Brennerkonfiguration vorgesehen, bei der die „überstöchiometrischen" Brenner mit Sauerstoffüber- schuss, d. h. mit λ > 1 unten, also am Beginn des Rauchgas- strömungskanals, angeordnet sind. Nach oben hin, also in Strömungsrichtung 14 des Rauchgases R nehmen die λ-Werte, wie aus der Figur ersichtlich ist, ab. Am rauchgasaustrittsseiti- gen, oberen Ende der Brennkammer 12 sind schließlich die für einen Betrieb mit unterstöchiometrischer Sauerstoffversorgung ausgelegten Brenner mit λ < 1 angeordnet. Die Verbrennungs- temperatur liegt über die gesamte Längsausdehnung der Brennkammer hinweg, d. h. von der ersten bis zur letzten Brennerebene, konstant bei etwa 1400 0C.On the other hand, a stepped burner arrangement is provided to reduce the incipient combustion temperatures. In the present example, the burners 8 are arranged in ten arranged burner levels, wherein the burner 8 directly successive stages or planes are each spatially offset from each other. A be for burner operation ¬ Sonders specific ratio is the ratio λ of the egg nem burner 8 per unit time amount of oxygen supplied to - based on the respective fuel mass flow - stoichiometrically necessary amount of oxygen according to the chemical reaction balance. In departure of the design principles which are decisive for combustion chambers of conventional design when nitrogen-containing combustion air is supplied, a burner configuration is now provided in the context of oxy-fuel combustion, in which the "superstoichiometric" burners with excess oxygen, ie with λ> 1 at the bottom, ie at As can be seen from the figure, the λ values, as can be seen in the figure, decrease toward the top, ie in the flow direction 14 of the flue gas R. Finally, the upper end of the combustion chamber 12 on the side of the flue gas outlet is the one for a flue gas outlet side Burner designed with substoichiometric oxygen supply with λ <1. The combustion temperature is constant over the entire longitudinal extent of the combustion chamber, ie from the first to the last burner level, at about 1400 ° C.
Infolge dieser Brennerkonfiguration ist beim Betrieb des Dampferzeugers 2 im Ausführungsbeispiel eine ansonsten übli¬ che, bei Oxyfuel-Prozessen zur Beherrschung der Verbrennungstemperaturen normalerweise zwingend notwendige Rauchgasrezir- kulation nicht erforderlich. Bei einem für eine Feuerwärmeleistung von 1000 MW ausgelegten Dampferzeuger beträgt der den Dampfkessel beziehungsweise den Gaszug durchsetzende Rauchgasmassenstrom gemäß Modellrechnungen lediglich etwa 180 kg/s, was wesentlich kleiner ist als der bei Dampferzeu¬ gern mit konventioneller Auslegung der Befeuerung und mit Rauchgasrezirkulation typischerweise zu erwartende Wert von etwa 480 kg/s. Dementsprechend kann der Dampferzeuger 2 imDue to this configuration, the burner of the steam generator 2 is in operation in the exemplary embodiment an otherwise übli ¬ che, normally strictly necessary for oxyfuel processes on the control of combustion temperatures Rauchgasrezir- kulation not required. In one designed for a firing heat capacity of 1000 MW steam generator of the boiler or the accelerator cable passing through the flue gas mass flow rate is in accordance with model calculations only about 180 kg / s, which is much smaller than that of Dampferzeu ¬ like with conventional design of the firing and flue gas recirculation are typically expected value of about 480 kg / s. Accordingly, the steam generator 2 in
Ausführungsbeispiel vom Querschnitt her wesentlich enger ge¬ baut werden als vergleichbare Dampferzeuger mit konventionel¬ ler Befeuerung; ausreichend ist eine Querschnittsfläche von beispielsweise 8 m x 8 m (gegenüber sonst erforderlichen 13 m x 13 m) . Dadurch ist eine gute Querdurchmischung der Verbrennungsatmosphäre im Brennkammerinnenraum gewährleistet. Das Konzept der „invers gestuften Befeuerung" hat überdies das vorteilhafte Charakteristikum, dass bis zu 70 % der ge¬ samten Feuerwärmeleistung des Dampferzeugers 2 in Form von Strahlungswärme freigesetzt wird, die mit relativ hohem Wir¬ kungsgrad über das in den Verdampferrohren der Umfassungswand 6 geführte Strömungsmedium abtransportiert werden kann. Der restliche Anteil, etwa 30 %, wird auf das Rauchgas R übertra¬ gen, kann aber mit Hilfe der Konvektionsheizflachen 18 ebenfalls zum Teil wieder nutzbar gemacht werden.Embodiment much narrower ge from the cross-sectional forth ¬ be builds than similar steam generator konvent ionel ¬ ler firing; sufficient is a cross-sectional area of For example, 8 mx 8 m (compared to the otherwise required 13 mx 13 m). This ensures a good cross-mixing of the combustion atmosphere in the combustion chamber interior. The concept of "inverse stepped firing" has also the advantageous characteristic that is up to 70% of the ge ¬ entire firing heat capacity of the steam generator 2 in the form of radiant heat emitted which ciency relatively high We ¬ over the led in the evaporator tubes of the surrounding wall 6 can be removed flow medium. the remaining portion, about 30%, is gene on the flue gas R übertra ¬, but can be 18 also reclaimed in part with the aid of Konvektionsheizflachen.
Es versteht sich von selbst, dass der Fachmann zahlreiche De- tails der Brenneranordnung und -konfiguration an auslegungs- seitig vorgegebene Randbedingungen und kraftwerkspezifische Bedürfnisse anpassen und variieren kann, ohne den Rahmen des durch die Ansprüche spezifizierten erfinderischen Konzeptes zu verlassen. Aus der Gesamtheit der in diesem Zusammenhang denkbaren Brennerkonfigurationen sind in FIG 2 und FIG 3 noch zwei weitere, besonders vorteilhafte Varianten exemplarisch dargestellt, wobei die relevanten Betriebsparameter sich direkt der jeweiligen Figur entnehmen lassen. It goes without saying that the person skilled in the art can adapt and vary numerous details of the burner arrangement and configuration to design-related boundary conditions and power plant-specific needs, without departing from the scope of the inventive concept specified by the claims. From the totality of conceivable burner configurations in this context, two further, particularly advantageous variants are shown by way of example in FIG 2 and FIG 3, wherein the relevant operating parameters can be seen directly from the respective figure.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brenneranordnung für eine Brennkammer (12), insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer oder für eine Dampferzeuger- brennkammer, mit einer Mehrzahl von Brennern (8), die jeweils für die Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter Zufuhr von als Oxidationsmittel wirksamen reinem Sauerstoff ausgelegt sind, wobei ein erster Brenner (8) derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (λ) der ihm im Normalbe- trieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stö- chiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge größer ist als für einen zweiten, in Richtung der Rauchgasströmung (14) gesehen weiter stromab liegenden Brenner (8).A burner arrangement for a combustion chamber (12), in particular for a gas turbine combustor or for a steam generator combustion chamber, with a plurality of burners (8), each designed for the combustion of a carbonaceous fuel with the supply of pure oxygen as an oxidant, wherein a first burner (8) is designed in such a way that the ratio (λ) of the amount of oxygen supplied to it during normal operation per unit time is greater for the stoichiometrically necessary amount of oxygen than for a second, further downstream in the direction of the flue gas flow (14) Burner (8).
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, wobei in Richtung der2. Burner arrangement according to claim 1, wherein in the direction of
Rauchgasströmung (14) gesehen zumindest ein für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffüberschuss (λ > 1) ausgelegter Brenner (8) vor einem Brenner (8) angeordnet ist, der für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffmangel (λ < 1) ausgelegt ist.Flue gas flow (14) seen at least one arranged for normal operation with excess oxygen (λ> 1) designed burner (8) in front of a burner (8), which is designed for normal operation with oxygen deficiency (λ <1).
3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der innerhalb eines Hauptabschnittes mit einer Mehrzahl von in Strö¬ mungsrichtung (14) des Rauchgases (R) gesehen aufeinanderfol¬ gend angeordneten, jeweils eine Anzahl von Brennern (8) auf- weisenden Brennerebenen das Verhältnis (λ) der im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stö- chiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge für einen Brenner (8) um so kleiner ist, je weiter er in Strömungsrichtung (14) des Rauchgases (R) gesehen stromab angeordnet ist.3. Burner arrangement according to claim 1 or 2, wherein within a main section with a plurality of Strö in ¬ flow direction (14) of the flue gas (R) successively ¬ arranged, each having a number of burners (8) pointing burner levels the ratio (λ) the oxygen quantity supplied per unit time during normal operation to the stoichiometrically necessary oxygen quantity for a burner (8) is the smaller, the further it is arranged downstream in the flow direction (14) of the flue gas (R).
4. Brenneranordnung nach Anspruch 3, bei der das Verhältnis (λ) der im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauer¬ stoffmenge zur stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge für den oder die Brenner (8) der in Strömungsrichtung des Rauchgases (R) gesehen ersten Brennerebene größer als 3 ist und vorzugsweise etwa den Wert 5 besitzt. 4. Burner arrangement according to claim 3, wherein the ratio (λ) of the supplied in normal operation per unit time Sauer ¬ substance amount to stoichiometrically necessary amount of oxygen for the burner or burners (8) in the flow direction of the flue gas (R) seen first burner level is greater than 3 and preferably about 5.
5. Brenneranordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der innerhalb des Hauptabschnittes das Verhältnis (λ) der im Normal¬ betrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stö- chiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge für den oder die Brenner (8) der in Strömungsrichtung des Rauchgases (R) gesehen letzten Brennerebene kleiner als 0,5 ist und vorzugsweise etwa den Wert 0,3 besitzt.5. Burner arrangement according to claim 3 or 4, wherein within the main section the ratio (λ) of the normal operation ¬ per unit time supplied oxygen amount to stoichiometrically necessary amount of oxygen for the burner or burners (8) in the flow direction of the flue gas (R) seen last burner level is less than 0.5, and preferably about 0.3 has.
6. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei dem Hauptabschnitt in Strömungsrichtung (14) des Rauchgases6. Burner arrangement according to one of claims 3 to 5, wherein the main portion in the flow direction (14) of the flue gas
(R) gesehen ein Nebenabschnitt mit einer Anzahl von zusätzlichen Brennern (8) nachgeordnet ist, die jeweils für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffüberschuss (λ > 1) ausgelegt sind.(R) is arranged downstream of a side section with a number of additional burners (8), which are each designed for normal operation with excess oxygen (λ> 1).
7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der zumindest die in Strömungsrichtung (14) des Rauchgases7. Burner arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein at least in the flow direction (14) of the flue gas
(R) gesehen letzte Brennerebene eine Anzahl von Diffusions¬ brennern aufweist.(R) seen last burner level has a number of diffusion ¬ burners.
8. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zumindest die in Strömungsrichtung (14) des Rauchgases8. Burner arrangement according to one of claims 1 to 7, wherein at least in the flow direction (14) of the flue gas
(R) gesehen letzte Brennerebene eine Anzahl von Brennern (8) aufweist, in denen ein gasförmiger Brennstoff verbrannt wird.(R) seen last burner level has a number of burners (8), in which a gaseous fuel is burned.
9. Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer oder Dampferzeugerbrennkammer, mit einer Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.9. combustion chamber, in particular gas turbine combustor or steam generator combustion chamber, with a burner assembly according to one of claims 1 to 8.
10. Brennkammer nach Anspruch 9, an die eine Rauchgas-Rezir- kulationsleitung derart angeschlossen ist, dass die Einleitung des rezirkulierten Rauchgases (R) in die Brennkammer (12) ausschließlich im Bereich der in Strömungsrichtung (14) des Rauchgases (R) gesehen hinteren Brennerebenen erfolgt.10. Combustion chamber according to claim 9, to which a flue gas recirculation line is connected in such a way that the introduction of the recirculated flue gas (R) into the combustion chamber (12) only in the region of the flow direction (14) of the flue gas (R) seen rear Burner levels done.
11. Brennkammer nach Anspruch 9 oder 10 mit einer Eindüsevorrichtung für Wasser oder Wasserdampf, die im Bereich der in Strömungsrichtung (14) des Rauchgases (R) gesehen hinteren Brennerebenen angeordnet ist.11. combustion chamber according to claim 9 or 10 with a device for injecting water or water vapor, in the range of in Flow direction (14) of the flue gas (R) seen rear burner levels is arranged.
12. Brennkammer nach einem der Ansprüche 9 bis 11 mit einer Anzahl von im Brennkammerinnenraum angeordneten drallerzeugenden und/oder die Quervermischung des Rauchgases (R) fördernden Strömungskörpern.12. Combustion chamber according to one of claims 9 to 11 with a number of arranged in the combustion chamber interior swirl-producing and / or the transverse mixing of the flue gas (R) promoting flow bodies.
13. Dampferzeuger mit einer Brennkammer (12) nach einem der Ansprüche 9 bis 12.13. steam generator with a combustion chamber (12) according to any one of claims 9 to 12.
14. Gasturbine mit einer Brennkammer (12) nach einem der Ansprüche 9 bis 12.14. Gas turbine with a combustion chamber (12) according to one of claims 9 to 12.
15. Verfahren zum Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes unter Zufuhr von als Oxidationsmittel wirkendem rei¬ nem Sauerstoff in einer eine Mehrzahl von Brennern (8) aufweisenden Brennkammer (12), bei dem die jeweils einem ersten Brenner (8) und einem zweiten, in Richtung der Rauchgasströ- mung (14) gesehen weiter stromab liegenden Brenner (8) pro Zeiteinheit zugeführte Sauerstoffmenge und die jeweilige Brennstoffmenge in Relation zueinander derart eingestellt werden, dass das Verhältnis (λ) der zugeführten Sauerstoff¬ menge zur stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge für den ersten Brenner (8) größer ist als für den zweiten.15. A method for burning a carbonaceous fuel with supply of acting as an oxidant rei ¬ nem oxygen in a plurality of burners (8) having combustion chamber (12), wherein each of a first burner (8) and a second, in the direction of Rauchgasströmung (14) seen downstream burner (8) per unit time supplied amount of oxygen and the respective amount of fuel in relation to each other are set such that the ratio (λ) of the supplied oxygen ¬ amount to stoichiometrically necessary amount of oxygen for the first burner (8 ) is greater than for the second.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der erste Brenner (8) mit Sauerstoffüberschuss (λ > 1) und der zweite Brenner mit Sauerstoffmangel (λ < 1) betrieben wird. 16. The method of claim 15, wherein the first burner (8) with excess oxygen (λ> 1) and the second burner is operated with oxygen deficiency (λ <1).
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