DE3545524C2 - Mehrstufenbrennkammer für die Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas mit verringerter NO¶x¶-Emission und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas bei geringer NO_x- Emission nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer. Z. B. bei der Vergasung von Kohle mit Sauerstoff entsteht ein Gas mit mittlerem Heizwert, welches brennstoffgebundenen Stickstoff in Form von NH₃ und HCN enthält. Auch manche anderen Brennstoffe enthalten Stickstoff in gebundener Form. Wird ein solcher Brennstoff in einer normalen Brenn­ kammer verbrannt, so entsteht wegen der Oxydation des in der Verbrennung atomar freigesetzten Stickstoffs viel NO_x. Außerdem können die Maximal-Temperaturen in einer Diffu­ sionsflamme so hoch sein, daß viel thermisches NO_x ent­ steht.

Verschiedene Wege zur Lösung dieses Problems sind bekannt, so können beispielsweise NH₃ und HCN durch Gaswäsche zu­ nächst entfernt werden, bevor die Verbrennung erfolgt. Dies erfordert jedoch einen hohen Gasreinigungsaufwand.

Folgende Literaturstelle gibt einen Überblick über Hin­ tergrund und Umfeld des Standes der Technik bei statio­ nären Gasturbinen:

Final Report "ADVANCED COMBUSTION SYSTEMS FOR STATIONARY GAS TURBINE ENGINES", Volume I, II, III, IV von R. M. Pierce et al, Pratt & Whitney Aircraft Group Government Products Division United Technologies Corporation West Palm Beach, Florida 33402; Contract No. 68-02-2136. Angefertigt für U.S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development, Washington, DC 20460. Nr. FR-11405 vom 31. März 1980.

Im Band III dieser Literaturstelle ist auf den Seiten 2 folg. ein Konzept zur Verbrennung von Brennstoffen mit ge­ bundenem Stickstoff angegeben. Danach erfolgt zunächst eine Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches in einer Primärstufe und anschließend eine Restverbrennung bei ho­ hem Luftüberschuß in einer Sekundärstufe. Außerdem ist bei dem dort beschriebenen Konzept eine Vormischkammer vor­ gesehen.

In einer Veröffentlichung der AMERICAN SOCIETY OF ME- CHANICAL ENGINEERS (ASME) Nr. 82-GT-29 mit dem Titel "Alternative Fuels: Burner Concepts and Emission Charac­ teristics of a Silo Combustor" von W. Krockow und H. Schabbehard ist ferner der Einfluß verschiedener Maßnah­ men auf die NO_x-Erzeugung bei der Verbrennung von Brenn­ stoff mit gebundenem Stickstoff behandelt. Daraus ist es bekannt, daß ein hoher Anteil von Inertstoffen, beispiels­ weise molekularer Stickstoff, die NO_x Erzeugung reduziert. Wegen des niedrigen Heizwertes eines solchen Gemisches laufen alle Reaktionen auf niedrigem Temperaturniveau, daher aber auch sehr langsam ab. Dadurch werden große Brennkammern mit großen Oberflächen, die Kühlprobleme mit sich bringen, benötigt oder es wird eine zu niedrige Rekombinationsrate von atomarem Stickstoff zu N₂ erreicht.

Die o. g. Verbrennung in zwei Stufen hat den Vorteil, daß in der ersten brennstoffreichen Primärbrennkammer mit einer Luftzahl von λ = 0,6 bis 0,9 der Brennstoff zerfällt, wobei N rekombiniert, überwiegend zu N₂, da NO wegen des Sauerstoffmangels nur wenig entstehen kann. Allerdings bringen die hohen Temperaturen in der Primärbrennkammer große Kühlprobleme mit sich, weil eintretende Luft re­ agiert und hohe wandnahe Temperaturen erzeugt. Außer­ dem entsteht beim Zumischen von Luft für die Nachver­ brennung im Bereich einer Luftzahl von λ ≈ 1 sehr viel thermisches NO_x, was auch durch schnelle Zumischung von Luft nicht völlig vermieden werden kann.

Im Band II der o. g. Literaturstelle "ADVANCED COMBUSTION SYSTEMS . . .", werden z. B. auf Seiten 10 und 11 Kühl­ systeme für eine Primärbrennkammer beschrieben, jedoch sind die dort beschriebenen Lesungen aufwendig und, z. B. bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel, mit verschiedenen Problemen verbunden.

In der DE 31 00 751 A1 ist ein Verfahren zum stationären Gasturbine und einer mit dieser ausgerüsteten Stromversorgungsanlage beschrieben. Hierbei wird zur Verminderung der Bildung von thermischen Stickoxiden ein sauerstoffarmes Luftgemisch aus einer Kohlevergasungsanlage dem Einlaß des Verdichters der Gasturbine zugeführt. Der Sauerstoffgehalt in dem Brenner der Gasturbine wird dadurch auf 17 Vol.% bis 20 Vol.% gesenkt, so daß etwa 5 bis 20 Vol.% der Luft durch Stickstoff ersetzt werden.

In der US-PS 2,636,345 ist ein Brenner einer einstufigen Gasturbine beschrieben, in dem eine Kühlung der Verbrennungs­ produkte erfolgt. Hierzu werden durch schraubenförmig ange­ ordnete Öffnungen in einer Wand des Brenners Dampf oder zu­ sätzliche Luft eingeführt, die sich schnell mit den Ver­ brennungsprodukten vermischen. Hierbei entsteht bereits an der Innenwand des Brenners eine Durchmischung der Ver­ brennungsprodukte mit dem zugeführten Kühlmedium.

Die GB 2 116 308 A betrifft eine Gasturbinenanlage mit einer zweistufigen Verbrennung, worin ein stickstoffhaltiger flüssiger Brennstoff verbrannt wird. Eine Kühlung der Wand des Brenners der Gasturbine wird nicht durchgeführt, vielmehr ist die Innenwand des Brenners eine Keramik, wodurch eine brennstoffreiche Verbrennung erreicht wird. Die Luftzahl, d. h. das Verhältnis aus Verbrennungsluft zu Brennstoff, liegt bei mindestens 0,4, vorzugsweise bei 0,6. Eine verbrennungs­ luftreiche Verbrennung erfolgt bei einer Luftzahl von bis zu 2,5.

In der GB-PS 1 380 028 ist ein Dampfeinspritzsystem für eine Gasturbine beschrieben. Hierbei werden in die Verbrennungs­ zone einer einstufigen Verbrennung Dampf sowie Verbrennungs­ luft durch Öffnungen in der Wand des Brenners eingeführt. Durch eine Zuführung des Dampfes sowie der noch kühlen Verbrennungsluft in den Brenner durch die Wand hindurch wird eine Kühlung der heißen Verbrennungsprodukte erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas, bei geringer NO_x-Emission, welche bei kleinem Bau­ volumen trotz hoher Verbrennungstemperatur die Wände der Primär­ zone vor Überhitzung schützt, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennkammer nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben. Ent­ sprechende Verfahren zum Betrieb mit vorteilhaften Aus­ gestaltungen sind in den Ansprüchen 8 bis 13 angegeben.

Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, ver­ bindet die vorliegende Erfindung zwei wesentliche Wege zur Reduzierung der NO_x-Emission auf besonders wirksame Weise. Zunächst wird der prinzipielle Weg der mehrstufi­ gen Verbrennung mit einer brennstoffreichen Primär­ stufe beschritten. Um jedoch das Bauvolumen der Primar­ stufe trotz hoher Verbrennungstemperaturen kleinhalten zu können und um die Wände vor Überhitzung zu schützen, ist die Primärstufe von einem Inertstoff-Zuführsystem umgeben und ihre Wände weisen eine Vielzahl von Öffnun­ gen zum Einlaß eines Inertstoffes, vorzugsweise Stick­ stoff, auf. Dabei sind die Öffnungen so geformt, daß der Inertstoff entlang der Wände parallel zu den Verbrennungs­ gasen einströmt. Auf diese Weise wird die Verbrennungs­ zone von den Wänden verdrängt, da dort kein Sauerstoff vor­ handen ist und gleichzeitig werden die Wände durch den einströmenden Inertstoff gekühlt. Beide Effekte zusammen verringern die Wandtemperaturen ganz erheblich, obwohl im Inneren der Primärstufe hohe Verbrennungstempe­ raturen herrschen können. Grundsätzlich kann die Rest­ verbrennung dann analog den bekannten Anordnungen erfol­ gen.

Besonders günstig ist es jedoch, am Ende der Primärstufe noch eine zusätzliche Menge Inertstoffe zuzuführen, bevor die Restverbrennung erfolgt. Durch die Zufuhr weiterer Inertstoffe am Ende der Primärstufe wird die Temperatur gesenkt, bevor ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl von λ ≈ 1 erreicht wird. So läßt sich die Re­ duzierung von thermischem NO_x erreichen. Dabei kann grundsätzlich die Wahl des eigengespeisten Inertstoffes von dem verwendeten Brennstoff abhängig gemacht werden, wobei für stickstoffhaltige Kohlegase bevorzugt der ohnehin meist verfügbare Stickstoff aus der Luftzer­ legungsanlage eingesetzt werden kann.

Für manche Anwendungen ist es auch nicht unbedingt nötig, hinter der Primärstufe getrennt Inertstoffe und Luft zu­ zuführen, da auch die gemeinsame Zuführung beider Stoffe schon erhebliche Vorteile mit sich bringt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber auf alle für das Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Teile, die bei Gasturbinen üblicherweise vorhanden sind, verzichtet wurde.

Die Zeichnung zeigt eine Brennkammer, welche prinzipiell zwei Stufen aufweist, nämlich eine Primärstufe 7 zur Vor­ verbrennung eines brennstoffreichen Gemisches und eine Sekundärstufe 11 zur Restverbrennung. Durch einen Gasein­ laß 1 und einen Lufteinlaß 2, der mit einem der besseren Vermischung dienenden Drallstern 3 versehen ist, wird in der Primärstufe 7 ein brennstoffreiches Gemisch er­ zeugt. Die Wände 8 der Primärstufe 7 sind von einem Stick­ stoff-Zuführsystem 4 umgeben und weisen Öffnungen 5 auf, durch welche Stickstoff in die Primärstufe 7 einströmen kann. Dabei sind die Öffnungen 5 so geformt, daß der Stick­ stoff bevorzugt entlang der Wände 8 in Strömungsrichtung der Verbrennungsgase einströmt und so einen schützenden Mantel in der Nähe der Wände 8 bildet. Dieser Mantel ver­ drängt die Verbrennungszone von den Wänden 8, und außer­ dem kühlt der eintretende Stickstoff die Wände zusätzlich. Beide Effekte zusammen bewirken eine so starke thermische Entlastung der Wände, daß die Primärstufe sehr kompakt gebaut werden kann trotz der in ihrem Inneren herrschen­ den hohen Verbrennungstemperaturen. Der zugeführte Stick­ stoff beeinträchtigt den Verbrennungsvorgang in der Pri­ märstufe nicht, wirkt sich aber bei der Restverbrennung als zusätzlicher Inertstoff positiv aus, indem er die Bildung von thermischem NO_x behindert. Um diesen Effekt noch zu unterstützen und die Verbrennungsgase hinter der Primärstufe zunächst abzukühlen, weist diese in ihrem Endbereich weitere Einlaßöffnungen 6 zur Zufuhr größerer Mengen Stickstoff auf. Erst nachdem dieser zusätzliche Stickstoff sich mit den Verbrennungsgasen gemischt und diese abgekühlt hat, wird über Lufteinlässe 9 weitere Luft zugemischt, so daß die Restverbrennung bei Luft­ überschuß erfolgen kann. Durch diese Maßnahmen ent­ stehen in der Sekundärstufe 11 ebenfalls nur geringe Anteile NO_x. Falls nötig, kann vor dem Auslaß 12 der Brennkammer durch weitere Einlässe 10 den Abgasen noch Mischluft zugeführt werden.

Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel stellt keines­ falls die einzige Ausführungsmöglichkeit der Erfindung dar. Die Kühlung einer Primärstufe zur Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches durch Zuführung von Inertstoffen im Wandbereich läßt sich auch in Verbindung mit anderen Anordnungen verwirklichen. So kann der Pri­ märstufe prinzipiell eine Vormischstrecke vorgeschaltet sein, auch wenn die vorliegende Erfindung gerade auch geeignet ist, dies zu vermeiden. Ggf. ist ferner die Zusammenfassung der Einspeisung von Inertstoffen und Luft im Zwischenbereich zwischen Primärstufe und Sekundärstufe möglich, sofern dies durch sonstige Randbedingungen, wie beispielsweise Baulänge, erforderlich ist.

Claims (13)

1. Brennkammer zur Verbrennung von stickstoffhaltigem Gas bei geringer NO_x-Emission, bestehend aus mindestens einer Primärstufe (7) zur Vorverbrennung eines brennstoffreichen Gemisches mit einer Luftzahl etwa im Bereich λ = 0,6 bis 0,9, wobei das Gas über einen Gaseinlaß (1) und die Luft über einen Lufteinlaß (2), ggf. auch beide gemeinsam nach Durchlaufen einer Vormischstrecke, zuführbar sind, und mindestens einer Sekundärstufe (11) zur Restverbrennung bei hohem Luftüber­ schuß etwa im Bereich λ = 1,3 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstufe (7) über ihre Wände (8) verteilt eine Vielzahl von Inertstoff-Einlaßöffnungen (5) aufweist, welche unmittelbar an ein Inertstoffzuführsystem (4) angeschlossen sind, das die Wände (8) umgibt.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Pri­ märstufe (7) weitere Einlaßöffnungen (6) für größere An­ teile Inertstoff vorhanden sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich der Primär­ stufe (7) weitere Einlaßöffnungen (6) zur Zufuhr eines In­ ertstoff-Luft-Gemisches vorhanden sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertstoff-Zuführsystem (4) mit Stickstoff speisbar ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertstoffzuführsystem (4) wahlweise mit Stickstoff oder einem anderen Inertstoff, z. B. Dampf, speisbar ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sekundärstufe (11) Lufteinlässe (10) zur Erhöhung der Luftzahl aufweist.

7. Brennkammer nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärstufe (11) Lufteinlässe (10) zur Mischluftzufuhr aufweist.

8. Verfahren zur zweistufigen Verbrennung von stickstoff­ haltigem Gas bei geringer NO_x-Emission, insbesondere in einer Brennkammer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zunächst eine Vorverbrennung in einer Primärstufe (7) bei einer Luftzahl von etwa λ = 0 6 bis 0,9 und anschließend eine Nachverbrennung in einer Sekundärstufe (11) bei einer Luftzahl von etwa λ = 1,3 bis 2 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Primärstufe (7) über eine Vielzahl von Öffnungen (5) in den Wänden (8) der Primärstufe ein Inertstoff zugeführt wird, der die Wände (8) kühlt und die Verbrennungsgase durch Ausbildung eines Inertstoff-Mantels von den Wänden (8) entfernt hält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (5) so geformt sind, daß der Inertstoff entlang der Wände (8), vorzugsweise in Gasströmungsrichtung, einströmen kann.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Inertstoff Stickstoff verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe (7) zusätzliche Inertstoffmengen eingespeist werden, bevor die Nachverbrennung in der Sekundärstufe (11) einsetzt.

12. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Endbereich der Primärstufe (7) ein Inertstoff-Luft-Gemisch eingespeist wird zur Nachverbrennung in der Sekundärstufe (11).

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertstoff Stick­ stoff angeführt wird und dessen Gesamtanteil beim Eintritt in die Sekundärstufe (11) etwa 10 bis 70% Gewichtsanteil beträgt.