WO2007090692A2 - Abhitzedampferzeuger mit porenbrennern - Google Patents

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WO2007090692A2
WO2007090692A2 PCT/EP2007/050117 EP2007050117W WO2007090692A2 WO 2007090692 A2 WO2007090692 A2 WO 2007090692A2 EP 2007050117 W EP2007050117 W EP 2007050117W WO 2007090692 A2 WO2007090692 A2 WO 2007090692A2
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burner
steam generator
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exhaust gas
recovery steam
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Richard Reppisch
Martin Weinberger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
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    • F23D2203/10—Flame diffusing means
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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a heat recovery steam generator with an exhaust gas upstream of a combustion plant or internal combustion engine, in particular a gas turbine, by ⁇ strömbaren exhaust duct, in which a number of serving for guiding a flow medium to be evaporated heating surfaces and a number of channel burners is arranged.
  • the invention further relates to a method for operating such a heat recovery steam generator.
  • a heat recovery steam generator is one of an incinerator downstream device in the hot exhaust stream ⁇ SSSR the incinerator is used to generate steam.
  • an exhaust duct, the channel ⁇ walls are usually thermally insulated to the inside or outside, provided with heating surfaces.
  • the heat energy contained in the exhaust gas of the incineration plant is delivered by convection to a flowing into the heating surfaces, to be vaporized or overheated medium.
  • the steam thus generated can be fed to a steam turbine for further energy production or used as process steam or for district heating extraction.
  • waste heat steam generators can be connected downstream of any firing plant or internal combustion engine.
  • heat recovery steam generators are used for additional energy production in gas and steam power plants (CCGT), in which the exhaust gas heat of a gas turbine is used to generate steam for a steam turbine.
  • CCGT gas and steam power plants
  • fuel is burned to drive the gas turbine and passed the resulting hot exhaust gas for heat transfer into the exhaust passage of the heat recovery steam generator.
  • the latter is equipped with a number of heating surfaces serving to guide a flow medium to be evaporated, which heating elements are connected in series in the flow direction of the exhaust gas. which are arranged.
  • the heat energy of the exhaust gas of the gas turbine is transferred to a water-steam cycle, which is coupled to a steam turbine integrated in the combined cycle gas turbine.
  • a catalyst can be provided in the flow direction on the output side, through which the exhaust gas of the gas turbine flows.
  • additional firing devices may be provided in the waste heat steam generator.
  • the temperature of the exhaust gas of the gas turbine is raised by at least one of these additional heat source in the heat recovery steam generator in order to achieve an increase in power of the gas and steam power plant independently of the power generation of the gas turbine.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a Abhit ⁇ zedampfer Weger of the type mentioned, which is equipped with compact design held with an additional firing, by means of a homogeneous combustion of a gas ⁇ shaped or liquid fuel with a high energy efficiency and with particularly low residual emissions is made possible. Furthermore, a suitable Trover ⁇ drive for a functioning on such a principle system should be specified.
  • At least one duct burner of a combustion step in the exhaust passage of the Abhit ⁇ zedampfer Wegers is a pore burner. This has, in contrast to a GR sentlichen having formed as a duct burner ⁇ th diffusion burner to no open flame.
  • the invention proceeds from the consideration that the depth of the supplementary firing of the HRSG to the egg NEN of the execution of the supplementary firing, particularly from, for installation and operation of the channel burner Benö ⁇ saturated space depth is dependent on the other hand, in addition by the Volume of the catalyst stage is determined.
  • the channel burner of a burner stage should have a compact design and can be operated even at a relatively small depth.
  • combustion in the burner stage should be particularly effective.
  • the catalyst stage could be correspondingly small dimensio defined ⁇ .
  • at least one duct burner of a burner stage in the heat recovery steam generator is designed as a pore burner.
  • the inlet-side part of the pore body has a so-called exclusion zone with pores of a certain pore size, so that below this pore size none
  • the porous material of the porous body has the advantage that caused turbulence in the flow of the fuel gas-air mixture in the pores TURBU ⁇ , can be achieved whereby a higher speed than in Verbrennungsgeschwin- diffusion burners.
  • the diffusion burner is characterized by an inhomogeneous spread Flammenaus ⁇ , the porous burner is characterized by uniform temperature fields at the same time do exactly ⁇ sierbarer and infinitely variable amount of heat.
  • all channel burners combined to form a firing stage are designed as pore burners, wherein the pore burners of the respective burner stage, viewed in the flow direction of the exhaust gas, are preferably arranged approximately at the same position.
  • the pore burners are arranged distributed uniformly over the plane of the burner stage, so that the flowing in the heating surfaces ⁇ de, to be evaporated medium is uniformly heated.
  • the porous burner In order not to exceed an allowable exhaust gas temperature in the heat recovery steam generator, the porous burner a burner stage, preferably through freely flowed through by the exhaust gas of the exhaust passage part ⁇ space separated from each other.
  • the temperature of the exhaust gas in particular immediately before the heat exchanger surfaces, in the allowable range be held.
  • a cooling of the burner is realized by the past led to the pore burner exhaust gas.
  • ⁇ preferably from the exhaust gas of the gas turbine required for combustion in the pore burner oxygen, can also possibly of further burner stages, which are seen in the flow direction arranged behind it, are provided by such an arrangement of the duct burner.
  • an effective heating of the waste heat steam generator ⁇ at the same time ensure sufficient cooling of each pore burner
  • the ratio of the total cross-sectional area of all pores should ⁇ combustor of a burner stage to Bypassquer- cut flat advantageously about 1: be 4.1.
  • Such an area ratio of pore burner cross-section Section surface and bypass surface a sufficiently high heat input for evaporating the flowing medium in the heating surfaces can be achieved without causing the exhaust temperature ⁇ rises in the exhaust duct above a predetermined limit.
  • the area is a high heat output of Abhitzedampferzeu ⁇ gers guaranteed with sufficient cooling of the pore burner.
  • a number of heating surfaces are arranged in front of the first burner stage.
  • heat is removed from the exhaust gas of the gas turbine by the transfer of heat energy to the medium to be evaporated flowing in the heating surfaces, and heat is again supplied by means of the burner stage connected downstream of the heating surfaces.
  • the additional heating of the exhaust gas steam is additionally generated, whereby the Leis ⁇ processing of the waste heat steam generator can be increased.
  • the fuel is mixed with the oxygen contained in the exhaust gas of the gas turbine in a pre-mixing chamber upstream of the combustion chamber before the beginning of the chemical reaction.
  • the mixing of the exhaust gas with the supplied via a fuel line each pore burner gaseous fuel for example, by a number of in the flow direction of the fuel mixture disposed baffle plates and / o ⁇ effected in the fine-pored zone of the porous body. This leads to an effective mixing of the fuel with the oxidizer.
  • porous media is not limited to the combustion of gaseous fuels, as can liquid fuel materials are used.
  • a pore burner for a a heat recovery steam generator based on an oil vapor / gas combustion mode of operation is used.
  • the porous burner a burner stage in the waste heat steam generator are designed for a combustion process in which the oxygen required for combustion is exclu ⁇ Lich obtained from the air flowing into the pores burner exhaust.
  • an additional supply of oxygen into the exhaust gas flow of the heat recovery steam generator or a direct introduction of the oxidant by means of a feed line into the premixing chamber of the porous burner can be dispensed with.
  • Such operation is possible by the relatively high content of residual oxygen in the exhaust gas of the heat recovery steam generator upstream gas turbine.
  • the proportion of oxygen in the exhaust gas is about 12% to 16%.
  • the pore body can be formed from a filling body with bulk material, which is preferably composed of ceramic and / or metallic material.
  • the bulk material may be solidified to a coherent porous mass or consist of loosely layered grains.
  • the Abhit ⁇ zedampfer Weger operated with the pore burners downstream of a gas turbine is heated by the exhaust gas heat and by means of a firing system flowing in the Konvezzysterrorismflachen the heat recovery steam generator Medi ⁇ .
  • the amount of fuel supplied per unit time of each Porenbren ⁇ ners the firing system depending on a specified target size ⁇ steam capacity of the heat recovery steam generator controlled by, for example, the temperature taken as the input ⁇ size in the scheme and then the fuel mass flow of the pore burner is regulated.
  • the burner can be maintained by the use of porous burners as ring channel on the one hand, the depth of the heat recovery steam generator ge ⁇ and secondly the emission of pollutants ⁇ is reduced by the more efficient combustion.
  • the pore burner provides a precisely metered, homogeneous and infinitely variable amount of heat, where it can be operated with liquid and gaseous fuels.
  • the pore burner allows stable combustion of oil vapor mixtures and low calorific gases.
  • the firing system described can be applied to various types of the ex ⁇ heat steam generator, in particular with standing or properties between the exhaust passage.
  • FIG shows therein the schematic View of a heat recovery steam generator, which is connected downstream of a gas turbine plant, not shown here.
  • the heat recovery steam generator 2 includes a lying exhaust passage 4, the gas-tight containment mitein ⁇ other and are connected (not shown) in which an exhaust gas of a gas turbine upstream thereof flows.
  • the heat energy contained in the exhaust gas is ben by convection to a flowing in a Konvezzysutzflache 6, 7 medium obtainge ⁇ .
  • the flow medium is for example water or a water-vapor mixture.
  • a burner stage 8 designed as an additional firing is arranged.
  • a first burner stage 12 is arranged as a firing device which includes a plurality of formed as a duct burner 8 pore burner 8, using a gaseous fuel and the oxygen-rich exhaust gas 5 of the gas turbine operated.
  • a gaseous fuel for example, natural gas, which is burned by the oxidant contained in the exhaust gas.
  • the exhaust gas 5 flows on the input side of the Porenbren ⁇ ners 8 in the premixing chamber, which mixes with the supplied via a fuel line fuel.
  • Downstream of the first burner stage 12 is a convection heating surface 6 leading to a vaporized flow medium, at which a large part of the heat energy contained in the exhaust gas 5 is released, as a result of which the exhaust gas 5 flowing in the exhaust gas channel 4 cools.
  • a second burner stage 13 In the flow direction of the exhaust gas 5 is arranged below a second burner stage 13, with ⁇ means of the performance of the heat recovery steam generator increases and the temperature of the passing exhaust gas 5 is angeho ⁇ ben that the pollutants contained in the exhaust gas 5 through the downstream catalyst stage 16 can be effectively reduced.
  • all of the burner burner 8 belonging to the channel burner 8 are preferably formed analogous to the burner stage 12 as a pore burner.
  • the pore burners 8 of the burner stages 12, 13 are in one
  • the pore burners 8 are ho ⁇ mogen distributed over the plane of the respective burner stage 12, 13 arranged. Furthermore, thus adhering to the ma ⁇ imum operating temperature of the heat recovery steam generator 2 is made ⁇ light.
  • the waste heat steam generator 2 has an inlet-side inlet opening 10, through which the exhaust gas 5 of the gas turbine is introduced into the exhaust gas channel 4.
  • the exhaust gas 5 flows through the exhaust gas channel 4 and leaves the heat recovery steam generator 2 through an outlet-side outlet opening 11.
  • the exhaust gas of the gas turbine is raised to the operating temperature of the heat recovery steam generator 2 by the first burner stage 12 arranged on the input side.
  • the thus heated exhaust gas gives off a large part of its heat energy to the convection heating surface 6 arranged downstream of the first burner stage 12 in the flow direction 5, the medium flowing in it being heated.
  • the distance between the first burner stage 12 and the downstream Konvezzysweflache 6 is determined essentially by the depth of space 18. This results CARDINAL ⁇ Lich from the required by the design of the porous burner 8 Room depth 18, since, in contrast to diffusion burners, only a minimal additional spatial depth 18 must be provided for mixing the hot pore burner exhaust gas flow with the bypass flow.
  • the purified through the catalyst stage 16 hot exhaust 5 is the thermal energy contained in it from to the tions2020flachen in the convection ⁇ 7 flowing medium.
  • the Konvezzysterrorismflachen 7 are arranged in the flow direction after the catalyst stage one behind the other.
  • the exhaust 5 cools to such an extent that this has only up a slight residual heat before it enters opening through the output side arranged from ⁇ escapes. 11
  • the exhaust gas previously delivered by the second burner stage 13 heat energy is almost entirely used for steam generation, so that as we ⁇ nig heat energy through the heat recovery steam generator 2 to the environmental cited dispensed.
  • the design of the heat recovery steam generator 2 can be kept extremely compact. This is made possible by the small spatial depth 18 wel ⁇ surface is substantially determined by the extent of Porenbrennerge- housing. In addition, such additional ⁇ firing allows a particularly effective combustion running. Due to the homogeneous flame front of the pore burner 8, the pollutant emission compared to conventional duct burners are much lower. Thus, in the exhaust duct 4 a waste of the catalyst stage can heat steam generator 2 16 with a ver ⁇ paratively small volume of catalyst are used.

Abstract

Ein Abhitzedampferzeuger (2) mit einem vom Abgas (5) einer ihm vorgeschalteten Feuerungsanlage oder Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine, durchströmbaren Abgaskanal (4), soll bei einer kompakten Bauweise für einen besonders Schadstoff armen Betrieb ausgelegt sein. Dazu sind im Abgaskanal (4) eine Anzahl von zur Führung eines zu verdampfenden Strömungsmediums dienenden Heizfläche und eine Anzahl von Kanalbrennern (8) angeordnet, wobei mindestens einer der Kanalbrenner (8) ein Porenbrenner (8) ist.

Description

Beschreibung
Abhitzedampferzeuger
Die Erfindung betrifft einen Abhitzedampferzeuger mit einem vom Abgas einer ihm vorgeschalteten Feuerungsanlage oder Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine, durch¬ strömbaren Abgaskanal, in dem eine Anzahl von zur Führung eines zu verdampfenden Strömungsmediums dienenden Heizflächen und eine Anzahl von Kanalbrennern angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abhitzedampferzeugers.
Bei einem Abhitzedampferzeuger handelt es sich um eine einer Verbrennungsanlage nachgeschaltete Einrichtung, bei der hei¬ ßer Abgasstrom der Verbrennungsanlage zur Dampferzeugung genutzt wird. Zu diesem Zweck ist ein Abgaskanal, dessen Kanal¬ wände üblicherweise nach innen oder außen thermisch isoliert sind, mit Heizflächen versehen. Die im Abgas der Verbren- nungsanlage enthaltene Wärmeenergie wird durch Konvektion an ein in den Heizflächen strömendes, zu verdampfendes oder zu überhitzendes Medium abgegeben. Der so erzeugte Dampf kann zur weiteren Energiegewinnung einer Dampfturbine zugeführt oder als Prozessdampf beziehungsweise für eine Fernwärmeaus- kopplung verwendet werden.
Prinzipiell können Abhitzedampferzeuger einer beliebigen Feuerungsanlage oder Verbrennungskraftmaschine nachgeschaltet sein. Beispielsweise werden Abhitzedampferzeuger zur zusätz- liehen Energiegewinnung in Gas- und Dampfkraftwerken (GuD) eingesetzt, bei denen die Abgaswärme einer Gasturbine zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine genutzt wird. Bei einem solchen GuD-Kraftwerk wird zum Antrieb der Gasturbine Brennstoff verbrannt und das dabei entstandene heiße Abgas zur Wärmeübertragung in den Abgaskanal des Abhitzedampferzeugers geleitet. Dieser ist mit einer Anzahl zur Führung eines zu verdampfenden Strömungsmediums dienenden Heizflächen ausgestattet, welche in Strömungsrichtung des Abgases hintereinan- der angeordnet sind. Somit wird die Wärmeenergie des Abgases der Gasturbine auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf übertragen, wobei dieser mit einer in die GuD-Anlage integrierten Dampfturbine gekoppelt ist.
Damit die Schadstoffemission, insbesondere die NOx- und CO- Ausbringung zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten gering gehalten wird, kann im Abgaskanal des Abhitzedampferzeugers ein Katalysator in Strömungsrichtung ausgangsseitig ange- bracht sein, der vom Abgas der Gasturbine durchströmt wird.
Um die Heizwärmeleistung des Abhitzedampferzeugers über das durch die Abgaswärme von der Gasturbine gebotene Potential hinaus erhöhen zu können, können im Abhitzedampferzeuger Zu- satzfeuerungen vorgesehen sein. Dabei wird durch mindestens eine dieser zusätzlichen Wärmequelle im Abhitzedampferzeuger die Temperatur des Abgases der Gasturbine angehoben, um eine Leistungserhöhung der GuD-Anlage unabhängig von der Leistungserzeugung der Gasturbine zu erreichen.
Üblicherweise werden zur Befeuerung eines Abhitzedampferzeu¬ gers aus einer Anzahl von Kanalbrennern bestehende Brennerstufen eingesetzt, welche vor und/oder zwischen den Heizflächen im Abgaskanal angeordnet sind. Dabei werden die zur Tem- peraturerhöhung des Abgases eingesetzten Kanalbrenner mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff betrieben. Gewöhnlich werden Diffusionsbrenner als Kanalbrenner eingesetzt, bei dem der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff aus dem Ab¬ gas der Gasturbine in die offene Flamme diffundiert . Dadurch wird die Flamme zum Flammenkern hin immer schlechter mit Sauerstoff versorgt, was zu höheren Emissionen durch eine inho¬ mogene Flammenausbreitung führt .
Im Falle einer Zusatzfeuerung wird die Raumtiefe des Abgaska- nals neben den Wärmetauscherflächen maßgeblich durch die Ausdehnung der offenen Flamme des Brenners vorgegeben. Somit verursacht der durch den Flammenausbrand entsprechend groß dimensionierte Abhitzedampferzeuger hohe Investitionskosten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abhit¬ zedampferzeuger der eingangs genannten Art anzugeben, der bei kompakt gehaltener Bauweise mit einer Zusatzfeuerung ausge- stattet ist, mittels der eine homogene Verbrennung eines gas¬ förmigen oder flüssigen Brennstoffs mit einem hohen energetischen Wirkungsgrad und mit besonders geringen Restemissionen ermöglicht wird. Weiterhin soll ein geeignetes Betriebsver¬ fahren für eine nach einem derartigen Prinzip funktionierende Anlage angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem mindestens ein Kanalbrenner einer Brennerstufe im Abgaskanal des Abhit¬ zedampferzeugers ein Porenbrenner ist. Dieser weist im we- sentlichen Unterschied zu einem als Kanalbrenner ausgebilde¬ ten Diffusionsbrenner keine offene Flamme auf.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Bautiefe der Zusatzfeuerung des Abhitzedampferzeugers zum ei- nen von der Ausführung der Zusatzfeuerung, insbesondere von der, für den Einbau und den Betrieb des Kanalbrenners benö¬ tigten Raumtiefe abhängig ist und zum anderen zusätzlich durch das Volumen der Katalysatorstufe bestimmt wird. Dabei sollten die Kanalbrenner einer Brennerstufe eine möglichst kompakte Bauform aufweisen und auch bei einer vergleichsweise nur geringen Raumtiefe betrieben werden können.
Um bei besonders niedrigen Emissionsgrenzwerten das Katalysatorvolumen und damit auch die Raumtiefe des Abhitzedampf- erzeugers weiter zu reduzieren, sollte die Verbrennung in der Brennerstufe besonders effektiv ablaufen. Mit einem Kanal¬ brenner, welcher durch niedrige Emissionswerte gekennzeichnet ist, könnte die Katalysatorstufe entsprechend klein dimensio¬ niert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass mindestens ein Kanalbrenner einer Brennerstufe im Abhitzedampferzeuger als Porenbrenner ausgebildet ist. Dabei besteht der Brennraum des Porenbren¬ ners aus einem durchströmbaren porösen Material, dessen Poro- sität sich in Längsrichtung des Gehäuses vorzugsweise derart ändert, dass in Strömungsrichtung des Gasgemisches die Poren¬ größe zunimmt. Der einlassseitige Teil des Porenkörpers weist dabei eine so genannte Sperrzone mit Poren einer bestimmten Porengröße auf, so dass unterhalb dieser Porengröße keine
Flamme entstehen kann. Auslassseitig des Porenkörpers befin¬ det sich eine vergleichsweise größere Reaktionszone mit einer Porengröße, welche eine Flammenentwicklung zulässt. Die An¬ wendung der Porenbrennergeometrie ermöglicht eine Verbrennung in der Reaktionszone des Porenkörpers ohne offene Flamme.
Das poröse Material des Porenkörpers hat den Vorteil, dass in der Strömung des Brenngas-Luftgemisches in den Poren Turbu¬ lenzen entstehen, wodurch eine höhere Verbrennungsgeschwin- digkeit erreicht werden kann als bei Diffusionsbrennern. Während der Diffusionsbrenner durch eine inhomogene Flammenaus¬ breitung gekennzeichnet ist, zeichnet sich der Porenbrenner durch homogene Temperaturfelder bei gleichzeitig exakt do¬ sierbarer und stufenlos regelbarer Wärmemenge aus.
Weiterhin findet bei Diffusionsbrennern im Flammenkern kaum eine Verbrennungsreaktion statt, da der notwendige Sauerstoff beim Diffundieren in die Flamme verbraucht wird. Die daraus resultierende unvollständige Verbrennung des Brennstoffs ver- ursacht hohe Schadstoffwerte, welche je nach Umweltauflagen durch zusätzliche Katalysatorstufen im Abgaskanal herabge¬ setzt werden müssen. Mit der Porenbrennertechnik hingegen lassen sich sehr geringe Schadstoffemissionswerte realisie¬ ren. Der Anteil von NOx und CO im Abgas eines Porenbrenners ist im Vergleich zu dem Diffusionsbrenner deutlich geringer. Durch den Einsatz der Porenbrenner liegen die zu erwartenden Emissionswerte bei etwa nur 1/5 im Vergleich zu Diffusions¬ brennern .
Da die Raumtiefe einer Zusatzfeuerung eines Abhitzedampferzeugers im Wesentlichen durch die Ausbrandlänge der Flamme bestimmt wird, kann durch den Einsatz des „flammenlosen" Po- renbrenners die Länge des Abgaskanals erheblich reduziert werden .
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind alle zu einer Brennstufe zusammengefassten Kanalbrenner als Porenbrenner ausgebildet, wobei die Porenbrenner der jeweiligen Brennerstufe in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vorzugsweise in etwa an der gleichen Position angeordnet sind. Dabei sind die Porenbrenner gleichmäßig über die Ebene der Brennerstufe verteilt angeordnet, so dass das in den Heizflächen strömen¬ de, zu verdampfende Medium gleichmäßig erwärmt wird. Durch die somit erreichte homogene Temperaturverteilung über die gesamte Heizfläche ist eine materialschonende und effiziente Betriebsweise des Abhitzedampferzeugers möglich. Dadurch das alle Kanalbrenner Porenbrenner sind, ist eine besonders kompakte Bauweise des Abhitzedampferzeugers möglich.
Um eine zulässige Abgastemperatur im Abhitzedampferzeuger nicht zu überschreiten, sind die Porenbrenner einer Brenner- stufe vorzugsweise durch frei vom Abgas durchströmbare Teil¬ räume des Abgaskanals voneinander getrennt. Durch die Vermi¬ schung von Bypass-Abgasluft und erhitzter Porenbrennerluft wird die Temperatur des Abgases, insbesondere unmittelbar vor den Wärmetauscherflächen, in einem zulässigen Bereich gehal- ten. Weiterhin wird durch das an den Porenbrennern vorbeigeleitete Abgas eine Kühlung der Brenner realisiert. Der vor¬ zugsweise aus dem Abgas der Gasturbine stammende, für die Verbrennung im Porenbrenner notwendige Sauerstoff kann durch eine derartige Anordnung der Kanalbrenner auch eventuell wei- terer Brennerstufen, welche in Strömungsrichtung gesehen dahinter angeordneten sind, zur Verfügung gestellt werden.
Insbesondere für eine effektive Beheizung des Abhitzedampf¬ erzeugers bei gleichzeitig ausreichenden Kühlung eines jeden Porenbrenners sollte das Verhältnis der Gesamtquerschnitts¬ fläche aller Porenbrenner einer Brennerstufe zur Bypassquer- schnittsflache vorteilhafterweise ungefähr 1:4,1 betragen. Durch ein derartiges Flächenverhältnis von Porenbrennerquer- schnittsfläche und Bypassfläche kann eine ausreichend hohe Wärmeeinbringung zum Verdampfen des strömenden Mediums in den Heizflächen erreicht werden, ohne dass dabei die Abgastempe¬ ratur im Abgaskanal über einen vorgegebenen Grenzwert an- steigt. Gerade bei einem in diesem Flächenverhältnis liegen¬ den Bereich ist eine hohe Heizleistung des Abhitzedampferzeu¬ gers bei ausreichender Kühlung der Porenbrenner gewährleistet .
In einer weiteren Variante sind in Strömungsrichtung des Abgases gesehen eine Anzahl von Heizflächen vor der ersten Brennerstufe angeordnet . Dem Abgas der Gasturbine wird auf diese Weise durch die Übertragung der Wärmeenergie auf das in den Heizflächen strömende zu verdampfende Medium Wärme entzo- gen und mittels der den Heizflächen nachgeschalteten Brennerstufe wieder Wärme zugeführt. Durch das zusätzliche Aufwärmen des Abgases wird zusätzlich Dampf erzeugt, wodurch die Leis¬ tung des Abhitzedampferzeugers erhöht werden kann. Mit einer derartige Anordnung der Heizflächen kann zudem Prozessdampf mit unterschiedlichem Druckniveau zur Verfügung gestellt werden .
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird der Brennstoff mit dem im Abgas der Gasturbine enthaltenen Sauerstoff in ei- ner dem Verbrennungsraum vorgelagerten Vormischkammer bereits vor Beginn der chemischen Reaktion vermischt. Dabei kann das Vermischen des Abgases mit dem über eine Brennstoffleitung dem jeweiligen Porenbrenner zugeführten gasförmigen Brennstoff beispielsweise durch eine Anzahl von in Strömungsrich- tung des Brennstoffgemisches angeordneten Prallplatten und/o¬ der in der feinporigen Zone des Porenkörpers erfolgen. Dadurch kommt es zu einer effektiven Vermischung des Brennstoffs mit dem Oxidator.
Das Konzept der Verbrennung in porösen Medien beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen, ebenso können flüssige Brennmaterialien eingesetzt werden. Denkbar wäre beispielsweise ein Porenbrenner für ei- nen Abhitzedampferzeuger auf der Grundlage einer Öldampf-Ab- gas-Verbrennung beruhenden Betriebsweise.
Vorzugsweise sind die Porenbrenner einer Brennerstufe im Ab- hitzedampferzeuger für einen Verbrennungsvorgang ausgelegt, bei dem der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff ausschlie߬ lich aus dem in den Porenbrenner einströmenden Abgas bezogen wird. Somit kann auf eine zusätzliche Sauerstoffzufuhr in den Abgasstrom des Abhitzedampferzeugers oder auf eine direkte Einbringung des Oxidationsmittels mittels einer Zuleitung in die Vormischkammer des Porenbrenners verzichtet werden. Eine derartige Betriebsweise ist durch den relativ hohen Gehalt an Restsauerstoff im Abgas der dem Abhitzedampferzeuger vorgeschalteten Gasturbine möglich. Der Anteil an Sauerstoff im Abgas beträgt dabei ca. 12 % bis 16 %.
Insbesondere im Bezug auf die Gestaltung und den Aufbau des Porenkörpers des Porenbrenners gibt es eine Vielzahl von Aus¬ führungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann der Porenkörper aus einem Füllkörper mit Schüttgut gebildet sein, der vorzugsweise aus keramischen und/oder metallischem Material zusammengesetzt ist. Die Porosität des auf diese Weise gebilde¬ ten Porenkörpers kann durch die Wahl geeigneter Korngrößen des Schüttguts eingestellt werden. Das Schüttgut kann dabei zu einer zusammenhängenden porösen Masse verfestigt sein oder aber aus locker geschichteten Körnern bestehen. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführung ergibt sich aus der relativ einfachen Herstellung des Porenkörpers mit einer in Strömungsrichtung des Brenngas-Abgas-Gemisches variierenden Po- rengröße .
Vorzugsweise ist der mit den Porenbrennern betriebene Abhit¬ zedampferzeuger einer Gasturbine nachgeschaltet, durch deren Abgaswärme und mittels einer Feuerungsanlage das in den Kon- vektionsheizflachen des Abhitzedampferzeugers strömende Medi¬ um erhitzt wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge eines jeden Porenbren¬ ners der Feuerungsanlage in Abhängigkeit von einer als Ziel¬ größe vorgegebenen Dampfleistung des Abhitzedampferzeugers geregelt, indem beispielsweise die Temperatur als Eingangs¬ größe in die Regelung übernommen und anschließend der Brennstoffmassenstrom des Porenbrenners geregelt wird.
Um auch bei unterschiedlicher Betriebsweise der Gasturbine die Abgastemperatur im Abgaskanal zu halten um dadurch eine konstante Dampfleistung oder Dampftemperatur bereitstellen zu können, wird vorzugsweise mittels geeigneter Sensoren die Ab¬ gastemperatur ausgangsseitig der Gasturbine und/oder der Dampfdruck im Wasser-Dampf-Kreislauf gemessen. Die somit er- haltenen Messerwerte werden mit einer als Zielgröße vorgege¬ benen Dampfleistung verglichen. Je nach Bedarf wird so die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge für die Porenbren¬ ner erhöht oder gesenkt. Vorzugsweise sind dabei alle Poren¬ brenner der Feuerungsanlage mit einer zentralen Brennstoff- zufuhrleitung verbunden, so dass die Heizleistung gleichzeitig für alle Kanalbrenner gleich eingestellt werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch den Einsatz von Porenbrennern als Kanal- brenner einerseits die Bautiefe des Abhitzedampferzeugers ge¬ ring gehalten werden kann und andererseits die Schadstoff¬ emission durch die effizientere Verbrennung vermindert wird. Zudem liefert der Porenbrenner eine exakt dosierte, homogene und stufenlos regelbare Wärmemenge, wobei er mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen betrieben werden kann. Darüber hinaus erlaubt der Porenbrenner eine stabile Verbrennung von Öl-Dampfgemischen und niederkalorischen Gasen. Die beschriebene Feuerungsanlage kann bei verschiedenen Bauformen des Ab¬ hitzedampferzeugers, insbesondere mit stehendem oder liegen- dem Abgaskanal, eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die FIG die schemati- sehe Darstellung eines Abhitzedampferzeugers, welcher einer hier nicht dargestellten Gasturbinenanlage nachgeschaltet ist .
Der Abhitzedampferzeuger 2 gemäß der FIG umfasst einen liegenden Abgaskanal 4, dessen Umfassungswände gasdicht mitein¬ ander verbunden sind und in den ein Abgas einer ihm vorgeschalteten Gasturbine (nicht dargestellt) strömt. Dabei wird die im Abgas enthaltene Wärmeenergie durch Konvektion an ein in einer Konvektionsheizflache 6, 7 strömendes Medium abgege¬ ben. Das Strömungsmedium ist beispielsweise Wasser bzw. ein Wasser-Dampf-Gemisch. Jeweils in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 5 gesehen vor den Konvektionsheizflachen 6, 7 ist eine als Zusatzfeuerung ausgebildete Brennerstufe 8 ange- ordnet .
Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Strö¬ mungsrichtung des Abgases 5 gesehen nach der Eintrittsöffnung 10 des Abhitzedampferzeugers 2 eine erste Brennerstufe 12 als Befeuerungseinrichtung angeordnet, welche eine Mehrzahl von als Kanalbrenner 8 ausgebildete Porenbrenner 8 umfasst, die unter Verwendung eines gasförmigen Brennstoffs und des Sauerstoffreichen Abgases 5 der Gasturbine betrieben werden. Als gasförmiger Brennstoff dient beispielsweise Erdgas, welches durch das im Abgas enthaltene Oxidationsmittel verbrannt wird. Dazu strömt das Abgas 5 eingangsseitig des Porenbren¬ ners 8 in dessen Vormischkammer, wobei dieses sich mit dem über eine Brennstoffleitung zugeführten Brennstoff vermischt.
Der ersten Brennerstufe 12 nachgeschaltet ist eine ein zu verdampfendes Strömungsmedium führende Konvektionsheizflache 6, an der ein großer Teil der im Abgas 5 enthaltenen Wärmeenergie abgegeben wird, wodurch sich das im Abgaskanal 4 strömende Abgas 5 abkühlt. In Strömungsrichtung des Abgases 5 nachfolgend angeordnet ist eine zweite Brennerstufe 13, mit¬ tels der die Leistung des Abhitzedampferzeugers erhöht und die Temperatur des vorbeiströmenden Abgases 5 soweit angeho¬ ben wird, dass die im Abgas 5 enthaltenen Schadstoffe durch die nachgeschaltete Katalysatorstufe 16 effektiv reduziert werden können. Dabei sind vorzugsweise alle zur Brennerstufe 13 gehörenden Kanalbrenner 8 analog zur Brennerstufe 12 als Porenbrenner ausgebildet .
Ausgangsseitig des Abhitzedampferzeugers 2 sind im Abgaskanal 4 in Strömungsrichtung des Abgases 5 gesehen hintereinander zwei Konvektionsheizflachen 7 angeordnet.
Die Porenbrenner 8 der Brennerstufen 12, 13 sind in einer
Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases 5 derart in einem Abstand zueinander angeordnet, so dass sich durchströmbare Kanäle 14 bilden, durch die ein Teil des Abgases 5 an jeden Porenbrenner 8 vorbeiströmen kann und diese dadurch ge- kühlt werden. Vorzugsweise sind dabei die Porenbrenner 8 ho¬ mogen über die Ebene der jeweiligen Brennerstufe 12, 13 verteilt angeordnet. Weiterhin ist somit die Einhaltung der ma¬ ximalen Arbeitstemperatur des Abhitzedampferzeugers 2 ermög¬ licht.
Der Abhitzedampferzeuger 2 verfügt über eine eingangsseitige Eintrittsöffnung 10, durch die das Abgas 5 der Gasturbine in den Abgaskanal 4 eingeleitet wird. Das Abgas 5 durchströmt den Abgaskanal 4 und verlässt den Abhitzedampferzeuger 2 durch eine ausgangsseitige Austrittsöffnung 11.
Beim Durchströmen des Abgaskanals 4 wird zunächst das Abgas der Gasturbine durch die eingangsseitig angeordnete erste Brennerstufe 12 auf die Betriebstemperatur des Abhitzedamp- ferzeugers 2 angehoben. Das somit erhitzte Abgas gibt einen Großteil seiner Wärmeenergie an die in Strömungsrichtung 5 nach der ersten Brennerstufe 12 angeordnete Konvektionsheiz- fläche 6 ab, wobei das in ihr strömende Medium erhitzt wird.
Der Abstand zwischen der ersten Brennerstufe 12 und der ihr nachgeschalteten Konvektionsheizflache 6 wird im Wesentlichen durch die Raumtiefe 18 bestimmt. Diese ergibt sich hauptsäch¬ lich aus der durch die Bauform der Porenbrenner 8 benötigten Raumtiefe 18, da im Gegensatz zu Diffusionsbrennern nur eine minimal zusätzliche Raumtiefe 18 zur Vermischung des heißen Porenbrennerabgasstroms mit dem Bypassstrom bereitgestellt werden muss .
Die Temperatur des durch die Konvektionsheizflache 6 herun¬ tergekühlten Abgases 5 wird durch die, in Strömungsrichtung 5 des Abgases 5 gesehen, nach der Konvektionsheizflache 6 ange¬ ordneten Brennerstufe 13 erneut angehoben. Das erhitzte Abgas durchströmt eine der Brennerstufe 13 nachgeschaltete Kataly¬ satorstufe 16, welche in einem durch die Raumtiefe 18 vorge¬ gebenen Abstand angeordnet ist. Dadurch werden die im Abgas enthaltenen Schadstoffe, insbesondere die CO- und NOx-Anteile reduziert . Das dafür erforderliche Katalysatorvolumen zur Re- duktion dieser Schadstoffemissionen kann durch den erfindungsgemäßen Einsatz der als Porenbrenner 8 ausgebildeten Kanalbrenner 8 gering gehalten werden.
Das durch die Katalysatorstufe 16 gereinigte heiße Abgas 5 gibt die in ihm enthaltene Wärmeenergie an das in den Konvek¬ tionsheizflachen 7 strömende Medium ab. Dazu sind die Konvektionsheizflachen 7 in Strömungsrichtung nach der Katalysatorstufe hintereinander angeordnet. Dabei kühlt sich das Abgas 5 so weit ab, dass dieses nur noch eine geringe Restwärme auf- weist bevor es durch die ausgangsseitig angeordnete Aus¬ trittsöffnung 11 entweicht. Dadurch wird die dem Abgas zuvor durch die zweite Brennerstufe 13 zugeführte Wärmeenergie fast vollständig zur Dampferzeugung genutzt, so dass möglichst we¬ nig Wärmeenergie durch den Abhitzedampferzeuger 2 an die Um- gebung abgegeben wird.
Erst durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Porenbrenner 8 als Kanalbrenner 8 in dem Abhitzedampferzeuger 2 kann die Bauform des Abhitzedampferzeugers 2 äußerst kompakt gehalten werden. Möglich ist dies durch die geringe Raumtiefe 18, wel¬ che im Wesentlichen durch die Ausdehnung der Porenbrennerge- häuse bestimmt ist. Zudem ermöglicht eine derartige Zusatz¬ feuerung eine besonders effektiv ablaufende Verbrennung. Durch die homogene Flammenfront der Porenbrenner 8 sind die Schadstoffemission im Vergleich zu konventionellen Kanalbrennern wesentlich geringer. Somit kann im Abgaskanal 4 des Ab- hitzedampferzeugers 2 eine Katalysatorstufe 16 mit einem ver¬ gleichsweise geringen Katalysatorvolumen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Abhitzedampferzeuger (2) mit einem vom Abgas (5) einer ihm vorgeschalteten Feuerungsanlage oder Verbrennungskraftma- schine, insbesondere einer Gasturbine, durchströmbaren Abgas¬ kanal (4), in dem eine Anzahl von zur Führung eines zu verdampfenden Strömungsmediums dienenden Konvektionsheizflachen (6, 7) und eine Anzahl von Kanalbrennern (8) angeordnet ist, wobei mindestens einer der Kanalbrenner (8) ein Porenbrenner (8) ist.
2. Abhitzedampferzeuger (2) nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von zu Brennerstufen (12, 13) zusammengefassten als Porenbrenner (8) ausgeführten Kanalbrennern (8), wobei die Po- renbrenner (8) der jeweiligen Brennerstufe (12, 13) in Strömungsrichtung des Abgases (5) gesehen in etwa an gleicher Position angeordnet sind.
3. Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 2, bei dem die Poren- brenner (8) einer Brennerstufe (12, 13) durch frei vom Abgas
(5) durchströmbare Teilräume (14) des Abgaskanals (4) vonein¬ ander getrennt sind.
4. Abhitzedampferzeuger (2) nach Anspruch 3, bei dem das Verhältnis der Gesamtquerschnittsfläche aller Porenbrenner
(8) einer Brennerstufe (12, 13) zur Bypassquerschnittsflache ungefähr 1:4,1 beträgt.
5. Abhitzedampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, der eine Anzahl von in Strömungsrichtung des Abgases (5) gesehen vor der ersten Brennerstufe (12) angeordneten Konvektionsheizflachen (6, 7) aufweist.
6. Abhitzedampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der jeweilige Porenbrenner (8) eine dem Verbrennungsraum vorgelagerte Vormischkammer zur Vormischung des in den Porenbrenner (8) einströmenden Abgases (5) mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff aufweist.
7. Abhitzedampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis
6, wobei der jeweilige Porenbrenner (8) für einen Verbrennungsvorgang ausgelegt ist, bei dem der zur Verbrennung des Brennstoffs notwendige Sauerstoff ausschließlich aus dem in den Porenbrenner (8) einströmenden Abgas (5) bezogen wird.
8. Abhitzedampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis
7, wobei der jeweilige Porenbrenner (8) einen Porenkörper oder ein poröses Schüttgut aus einem keramischen oder einem metallischen Material enthält.
9. Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine und mit einem der Gasturbine abgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verfahren zum Betreiben eines einer Feuerungsanlage oder einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Gastur¬ bine, abgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeugers (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die dem jeweiligen Porenbrenner (8) pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit von einer als Zielgröße vorgegebenen Dampfleistung des Abhitzedampferzeugers (2) geregelt wird.
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