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DE112004000994T5 - Method of obtaining ultra-low NOx emissions from gas turbines operating at high turbine inlet temperatures - Google Patents

Method of obtaining ultra-low NOx emissions from gas turbines operating at high turbine inlet temperatures Download PDF

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DE112004000994T5
DE112004000994T5 DE112004000994T DE112004000994T DE112004000994T5 DE 112004000994 T5 DE112004000994 T5 DE 112004000994T5 DE 112004000994 T DE112004000994 T DE 112004000994T DE 112004000994 T DE112004000994 T DE 112004000994T DE 112004000994 T5 DE112004000994 T5 DE 112004000994T5
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DE
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air
fuel
air mixture
burner
gas turbine
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Ceased
Application number
DE112004000994T
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German (de)
Inventor
William C. Madison Pfefferle
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Precision Combustion Inc
Original Assignee
Precision Combustion Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Precision Combustion Inc filed Critical Precision Combustion Inc
Publication of DE112004000994T5 publication Critical patent/DE112004000994T5/en
Ceased legal-status Critical Current

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Abstract

Verfahren zum erniedrigten NOx-Verbrennen, wobei die kinetische Rate einer NOx-Bildung bei einer gegebenen Verbrennungstemperatur reduziert ist, mit den folgenden Verfahrensschritten:
a. Bereitstellen einer Zufuhr von Kraftstoff zu einem Gasturbinenbrenner (14);
b. Erhalten einer Zufuhr von Umgebungsluft in ausreichender Menge zum Bilden eines Kraftstoff-/Luftgemisches mit einem Äquivalenzverhältnis größer als ungefähr 0,55, wenn sie mit dem Kraftstoff gemischt wird;
c. Erhalten einer Zufuhr von gekühlten Verbrennungsgasen in einer so ausreichenden Menge, dass, wenn sie mit der Luft gemischt werden, der Sauerstoffgehalt des sich ergebenden Luftgemisches geringer als 18 Prozent ist;
d. Mischen der Luft mit den gekühlten Verbrennungsgasen; und
e. Zuführen des Luftgemisches zu dem Brenner (14).
A method of decreasing NOx combustion, wherein the kinetic rate of NOx formation at a given combustion temperature is reduced, comprising the following steps:
a. Providing a supply of fuel to a gas turbine combustor (14);
b. Obtaining a supply of ambient air in sufficient quantity to form a fuel / air mixture having an equivalence ratio greater than about 0.55 when mixed with the fuel;
c. Obtaining a supply of cooled combustion gases in a sufficient amount so that when mixed with the air, the oxygen content of the resulting air mixture is less than 18 percent;
d. Mixing the air with the cooled combustion gases; and
e. Supplying the air mixture to the burner (14).

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Figure 00000001

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Bereich der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der thermischen Leistungsfähigkeit von Gasturbinensystemen durch Ermöglichen von höheren Brenntemperaturen ohne inakzeptable Erzeugung von NOx. Besonders ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erhalten von niedrigen, Eindekaden-NOx-Emissionsniveaus von Gasturbinen mit hohen Turbineneinlasstemperaturen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung in kombinierten Kreislaufgasturbinensystemen auf ein Verfahren ausgerichtet, welches eine Verwendung eines höheren Druckverhältnisses, von Gasturbinen mit höherer Leistungsfähigkeit ohne Aufopferung von bzw. Verzicht auf Dampfkreislaufleistung, wodurch eine erhöhte Systemleistungsfähigkeit geschaffen wird.The The present invention relates to a method for improving the thermal efficiency of gas turbine systems by enabling higher firing temperatures without unacceptable generation of NOx. Especially, the present invention a method for obtaining low, single decay NOx emission levels gas turbines with high turbine inlet temperatures. Especially The present invention is in combined cycle gas turbine systems directed to a method which involves using a higher pressure ratio, Gas turbines with higher efficiency without sacrificing or dispense with steam cycle performance, thereby an increased System performance is created.

Beschreibung des Stands der Technikdescription of the prior art

Mit der vorliegenden Kenntnis der Wichtigkeit einer Verbesserung von Gasturbinensystemen zur Reduktion von Brennstoffkosten und ebenfalls zur Reduktion der Emissionen von Treibhausgasen hat es einen fortlaufenden Trend zum Betrieb solcher Systeme bei höheren Turbineneinlasstemperaturen gegeben. Dieses resultiert darin, dass Brennkammerausgangstemperaturen derart übermäßig höher sind, dass eine Grenze für erreichbare NOx-Emissionshöhen auf die erforderlichen Brennkammereinsatzzeiten angeordnet ist. Somit sind im Wesentlichen alle Gasturbinensysteme, die typischerweise mit einer Turbineneinlasstemperatur von mehr als 2200° F arbeiten, im Stand der Technik als „F-Klasse"-Maschinen bekannt, auch diejenigen mit trockenen niedrigen NOx-Verbrennungssystemen erfordern jetzt Leistungsfähigkeit raubende Nachbehandlung, um NOx-Emissionen von weniger als ungefähr 3 ppm zu erreichen. Mit Emissionsniveaus von 2 ppm oder niedriger, die steigend erforderlich sind, gibt es eine Trennung zwischen der Notwendigkeit für geringere NOx-Emissionen und der Notwendigkeit für reduzierte Emissionen von Treibhausgasen.With the present knowledge of the importance of improving Gas turbine systems to reduce fuel costs and also to Reduction of emissions of greenhouse gases has a continuous Trend for operating such systems given higher turbine inlet temperatures. This results in combustor exit temperatures being so excessively high, that a limit for achievable NOx emission levels is arranged on the required combustor service times. Thus, essentially all gas turbine systems that are typically associated with a turbine inlet temperature of more than 2200 ° F, known in the art as "F-class" machines, even those with dry low NOx combustion systems now require efficiency consuming post-treatment to reduce NOx emissions to less than about 3 ppm to reach. With emission levels of 2 ppm or lower, the rising, there is a separation between the need for lower NOx emissions and the need for reduced emissions of Greenhouse gases.

Es ist im Stand der Technik wohlbekannt, dass kombinierte Kreislaufgasturbinen-/Dampfturbinensysteme höhere Wirkungsgraderträge bringen als entweder einfache Kreislaufgasturbinen oder allein stehende Dampfturbinenkraftwerke, insbesondere wenn solche kombinierte Kreislaufsysteme mit Abgastemperaturen von Gasturbinen von mindestens ungefähr 1000° F arbeiten, typischerweise mehr mit 1100° F. Ein Gebrauch von Gasturbinen mit höherem Wirkungsgrad mit Druckverhältnissen von viel größer als 20:1 ist üblicherweise unvorteilhaft ohne Zunahmen von Turbineneinlasstemperatur, um eine ausreichend hohe Abgastemperatur beizubehalten. Daher besteht ein Bedarf für Gasturbinenbrennsystemen, die dazu fähig sind, ultraniedrige NOx-Emissionen bei den höheren geforderten Brennkammerauslasstemperaturen zu erreichen. Da die Leistungsfähigkeit von typischen Hochleistungsgasturbinen bei Umgebungstemperaturen unter dem Auslegungspunkt reduziert ist, gibt es weiterhin einen Bedarf für ein Verfahren zum Ermöglichen einer verbesserten Leistungsfähigkeit bei niedrigen Umgebungstemperaturen.It It is well known in the art that combined cycle gas turbine / steam turbine systems higher Efficiency earnings bring as either simple circulatory gas turbines or stand-alone Steam turbine power plants, especially when such combined cycle systems operate with exhaust gas temperatures of gas turbines of at least about 1000 ° F, typically more at 1100 ° F. A use of gas turbines with higher efficiency with pressure ratios from much bigger than 20: 1 is common unfavorably without increases in turbine inlet temperature, around a maintain sufficiently high exhaust gas temperature. Therefore, there is one Need for Gas turbine combustors that are capable of ultra-low NOx emissions the higher one to achieve required combustion chamber outlet temperatures. Because the Efficiency of typical high performance gas turbines at ambient temperatures below is reduced to the design point, there is still a need for a Method of enabling improved performance at low ambient temperatures.

Es wurde nun herausgefunden, dass NOx-Emissionen unter 3 ppm auch bei Verbrennungstemperaturen über denjenigen gut erreicht werden können, die für die höchsten Einlasstemperaturgasturbinen jetzt verfügbar sind. Durch Mischung von gekühlten Turbinenabgasen mit Frischluft wird Einlassluft mit reduziertem Sauerstoffgehalt dem Turbinenverdichter zugeführt. Vorteilhafterweise kann die Temperatur der dem Verdichter zugeführten Luft auf einen vorher festgelegten Wert gesteuert bzw. geregelt werden, ungeachtet dessen, wie niedrig die Umgebungslufttemperatur sein kann, wobei es der Turbine so ermöglicht wird, bei maximalem Wirkungsgrad betrieben zu werden, ungeachtet der Umgebungsbedingungen. Wenn maximale Leistung gefordert wird, kann die Einlasslufttemperatur bei einigem Opfer an Leistungsfähigkeit reduziert werden.It It has now been found that NOx emissions below 3 ppm are also at Combustion temperatures over those can be achieved well, the for the highest Inlet temperature gas turbines are now available. By mixing of cooled Turbine exhaust with fresh air will intake air with reduced Oxygen content supplied to the turbine compressor. Advantageously, the Temperature of the air supplied to the compressor to a previously controlled value, regardless of how low the ambient air temperature can be, being the turbine so allows is operated at maximum efficiency, regardless the environmental conditions. When maximum performance is required, The intake air temperature can at some sacrifice in performance be reduced.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erreichen von ultraniedrigen NOx-Verbrennungsemissionen, sogar bei den höchsten Verbrennungstemperaturen, die für vorhandene Gasturbinen gefordert werden, welche die Verwendung von Abgasrezirkulation (EGR) bzw. Abgasrückführung aufweisen.The The present invention is a method and an apparatus for the Achieving ultra-low NOx combustion emissions, even at the highest Combustion temperatures for existing gas turbines are required, which the use of Exhaust gas recirculation (EGR) or exhaust gas recirculation have.

In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Luft" auf ein Gas, welches das Oxidationsmittel Sauerstoff enthält. Zur Klarheit der Präsentation der Erfindung wird die üblichere Kraftstoff-/Luft-Terminologie („Kraftstoff-/Luftgemisch") benutzt, aber die Erfindung ist nicht als darin eingeschränkt zu betrachten.In In the present invention, the term "air" refers to a gas which the oxidizing agent contains oxygen. For clarity of presentation The invention is the more common Fuel / air terminology ("fuel / air mixture") used, but the The invention is not to be considered as limited therein.

Der Begriff „Äquivalenzverhältnis" wird benutzt, um die Proportionen von Kraftstoff und Luft in dem Kraftstoff-/Luftgemisch zu bezeichnen. Das „Äquivalenzverhältnis" ist das Verhältnis des aktuellen Kraftstoff-/Luftverhältnisses zu dem stöchiometrischen Kraftstoff-/Luftverhältnis, in welchem die stöchiometrischen Koeffizienten für die Reaktion berechnet werden, welche vollständige Oxidationsprodukte CO2 und H2O ergibt. Ein Äquivalenzverhältnis größer als 1,0 definiert ein an Kraftstoff reiches bzw. fettes Kraftstoff-/Luftgemisch, und ein Äquivalenzverhältnis kleiner als 1,0 definiert ein an Kraftstoff armes bzw. mageres Kraftstoff-/Luftgemisch.The term "equivalence ratio" is used to refer to the proportions of fuel and air in the fuel / air mixture The "equivalence ratio" is the ratio of the current air / fuel ratio to the stoichiometric air / fuel ratio, in which the stoichiometric coefficients calculated for the reaction which gives complete oxidation products CO 2 and H 2 O. An equivalence ratio greater than 1.0 defines a fuel rich air / fuel mixture, and an equivalence ratio less than 1.0 defines a fuel lean or lean fuel / air mixture.

Wie im Stand der Technik erkannt, weisen Kohlenwasserstoffbrennstoffe einen begrenzten Bereich von Kraftstoff-/Luftverhältnissen auf, innerhalb welcher sich eine Flamme ausbreiten kann. Die reiche bzw. fette Entflammbarkeitsgrenze für Verbrennung ist das höchste Äquivalenzverhältnis für Flammverbrennung, und in ähnlicher Weise ist die magere Entflammbarkeitsgrenze das niedrigste. Wie bekannt ist, erweitern sich diese Grenze typischerweise mit einer Zunahme der Temperatur oder des Drucks des Kraftstoff-/Luftgemisches und verengen sich mit einer Reduktion in der Sauerstoffkonzentration. Katalytische Verbrennung, wie sie zum Beispiel das Verfahren des US-Patents mit der Nr. 6,358,040 verwendet, ist verschieden von herkömmlicher Flammverbrennung und nicht auf Äquivalenzverhältnisse innerhalb der normalen Entflammbarkeitsgrenzen von Flammverbrennung begrenzt und ist somit in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt.As recognized in the art, have hydrocarbon fuels a limited range of fuel / air ratios within, within which a flame can spread. The rich or fat flammability limit for combustion is the highest equivalence ratio for flame combustion, and in a similar way Way, the lean flammability limit is the lowest. As known Typically, this limit typically increases with an increase the temperature or pressure of the fuel / air mixture and narrow with a reduction in oxygen concentration. Catalytic combustion, as for example the method of U.S. Patent No. 6,358,040 is different from conventional flame combustion and not on equivalence ratios within the normal flammability limits of flame combustion limited and is thus in the process of the present invention prefers.

In der vorliegenden Erfindung wird frische Einlassluft mit gekühlten Verbrennungsgasen in ausreichender Menge gemischt, um den Sauerstoffgehalt der sich ergebenden Mischung zu reduzieren, vorzugsweise auf zumindest achtzehn Mol-Prozent, mehr bevorzugt ist ungefähr fünfzehn Mol-Prozent oder weniger. Ausreichender Sauerstoff muss vorhanden sein, um eine Mischung mit Kraftstoff bei der Verbrennereinlasstemperatur mit der erforderlichen Flammtemperatur zu erreichen. Vorteilhafterweise können die Verbrennungsprodukte weniger als ein Prozent Restsauerstoff enthalten. Um eine vollständige Verbrennung von Kraft- bzw. Brennstoff zu erhalten, ist es bevorzugt, dass die Verbrennung ein an Kraftstoff armes Verhältnis mit einem Äquivalenzverhältnis von größer als ungefähr 0,55 aufweist, und mehr bevorzugt ist größer als ungefähr 0,6.In The present invention provides fresh intake air with cooled combustion gases mixed in sufficient quantity to increase the oxygen content to reduce the resulting mixture, preferably to at least eighteen Mole percent, more preferred is about fifteen Mole percent or less. Sufficient oxygen must be present Be sure to mix with fuel at the burner inlet temperature to reach with the required flame temperature. Advantageously, the Combustion products contain less than one percent residual oxygen. To a complete Combustion of fuel, it is preferable that the combustion is a poor fuel ratio with an equivalence ratio of greater than approximately 0.55, and more preferably greater than about 0.6.

In einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Einlassluft mit gekühltem Verbrennungsproduktgas vor dem Eintritt in den Verdichter einer Gasturbine gemischt. Optional können die gekühlten Verbrennungsgase separat verdichtet werden und dann mit verdichteter Luft gemischt werden, die den Verdichter der Gasturbine verlässt. Nach Verdichten wird das verdichtete Luftgemisch mit Kraftstoff gemischt und verbrannt, wodurch heiße Verbrennungsprodukte entstehen, die in der Turbine entspannt werden, um Leistung und heißes Abgas zu erzeugen. Das Abgas wird dann in eine Wärmerückgewinnungseinheit befördert. Typischerweise besitzt die Wärmerückgewinnungseinheit einen Dampfkessel auf, wobei in diesem Fall der Dampf für Wärme genutzt oder weiter in eine Dampfturbine für zusätzliche Leistungserzeugung befördert werden kann. Ein Teil der gekühlten Verbrennungsproduktgase von der Wärmerückgewinnungseinheit, typischerweise bei einer Temperatur von ungefähr 100 Grad Celsius, kann benutzt werden, um die frische Einlassluft zu verdünnen. Dieses hat den Vorteil einer Anhebung der Verbrennereinlasstemperatur und einer Verbesserung der Verbrennungsstabilität. Vorzugsweise werden Verbrennungsproduktgase jedoch so auf eine Temperatur unter ungefähr 50 Grad Celsius weiter gekühlt, wie zum Beispiel bei einem Durchlauf eines Wassersprühturms oder eines zweiten Wärmeaustauschers, bevor sie mit der Frischluft gemischt werden, die dem Verdichter zugeführt wird.In a preferred method of the present invention is the Intake air with cooled combustion product gas mixed before entering the compressor of a gas turbine. optional can they cooled Combustion gases are compressed separately and then with compressed Air are mixed, leaving the compressor of the gas turbine. To Compressing the compressed air mixture is mixed with fuel and burned, creating hot combustion products arise relaxed in the turbine to power and hot Generate exhaust gas. The exhaust gas is then conveyed to a heat recovery unit. typically, owns the heat recovery unit a steam boiler, in which case the steam is used for heat or further into a steam turbine for additional power generation promoted can be. Part of the chilled Combustion product gases from the heat recovery unit, typically at a temperature of about 100 degrees Celsius, can be used to fresh air intake to dilute. This has the advantage of increasing the burner inlet temperature and an improvement in combustion stability. Preferably, combustion product gases however, so cooled to a temperature below about 50 degrees Celsius, like for example, in a run of a water spray tower or a second heat exchanger, before they are mixed with the fresh air that is the compressor supplied becomes.

Um einen Turbinenwirkungsgrad zu maximieren, ist die Temperatur des rückgeführten Abgases dergestalt, dass, wenn es mit der Umgebungsluft gemischt wird, die Temperatur des der Gasturbine zugeführten Zuschlags dicht am Auslegungswert der Gasturbine liegt. Die Temperatur des Einlassgemisches zu dem Verdichter kann ohne weiteres gesteuert bzw. geregelt werden, indem ein gesteuerter Betrag von Abgas um den zweiten Kühler herum durch einen Bypass geleitet wird. Um einen Massenfluss durch den Verdichter zu maximieren (und somit Leistung zu maximieren), sollte die Temperatur des rückgeführten Abgases so nah als möglich an der der Umgebungsluft liegen, die der Gasturbine zugeführt wird, oder auch niedriger. Vorteilhafterweise wird eine Verbrennung stabilisiert, indem ein katalytischer Brenner verwendet wird.Around To maximize turbine efficiency is the temperature of the turbine recirculated exhaust gas such that when mixed with the ambient air, the Temperature of the gas turbine supplied supplement close to the design value the gas turbine is located. The temperature of the inlet mixture to the Compressor can be easily controlled or regulated by a controlled amount of exhaust around the second radiator passed through a bypass. To a mass flow through the To maximize compressors (and thus maximize performance) should the temperature of the recirculated exhaust gas as close as possible are at the ambient air, which is supplied to the gas turbine, or lower. Advantageously, a combustion is stabilized, by using a catalytic burner.

Es ist signifikant, dass eine stabile an Kraftstoff arme Verbrennung in einem Gasturbinenbrenner auch mit einer Reduktion im Sauerstoffgehalt erreicht werden kann, die ausreichend ist, um die kinetische Rate von NOx-Bildung während einer an Kraftstoff armen Verbrennung zu reduzieren.It is significant that a stable to fuel poor combustion in a gas turbine burner also with a reduction in oxygen content can be achieved, which is sufficient to the kinetic rate of NOx formation during to reduce fuel-lean combustion.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS

1 ist eine schematische Zeichnung eines typischen kombinierten Kreislaufgasturbinensystems der vorliegenden Erfindung. 1 FIG. 12 is a schematic drawing of a typical combined cycle gas turbine system of the present invention. FIG.

2 und 3 stellen jeweilige Aufzeichnungen bzw. Plots der berechneten NOx-Emissionen für eine typische vorgemischte Verbrennung von Kraftstoff und Luft mit und ohne Verwendung von EGR (= Abgasrückführung) der vorliegenden Erfindung dar. 2 and 3 represent respective plots of calculated NOx emissions for a typical premixed combustion of fuel and air with and without use of EGR (Exhaust Gas Recirculation) of the present invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

1 stellt ein Schema eines typischen kombinierten Kreislaufgasturbinensystems 10 der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 1 gezeigt ist, weist ein kombiniertes Kreislaufgasturbinensystem 10 einen Verdichter 11 auf, welcher verdichtete Luft einem Brenner 14 durch einen Strömungspfad 22 zuführt. Kraftstoff 13 tritt in den Brenner 14 durch Strömungspfad 23 ein, wobei es bevorzugt ist, dass er mit der verdichteten Luft vor der Verbrennung vorgemischt wird. Heiße Verbrennungsprodukte werden zur Turbine 12 über Strömungspfad 32 befördert. Turbine 12 und Dampfturbine 18 drehen sich und einen Leistungsgenerator bzw. Energieerzeuger 16. Abgase aus Turbine 12 werden einem Wärmerückgewinnungskessel 20 über Strömungspfad 33 zugeführt. Mit dem erzeugten Dampf wird Dampfturbine 18 über Strömungspfad 40 gespeist. Die gekühlte Abgase 37 treten durch Strömungspfad 34 aus, wobei ein Teil einem zusätzlichen Kühler 50 über Strömungspfad 35 zur Rückführung zu dem Einlass des Verdichters 11 über Strömungspfad 36 zugeführt wird. Kühler 50 weist einen Wärmeaustauscher auf, welcher weiterhin ein Kühlmittel 38 besitzt. Frischluft 40 zur Verbrennung wird den rückgeführten Abgasen in Strömungspfad 36 über Strömungspfad 21 zugesetzt, und beide Strömungen vermischen sich vor Eintritt in den Verdichter 11. Vorteilhafterweise ist Brenner 14 ein katalytischer Brenner, wie zum Beispiel im US-Patent mit der Nr. 6,358,040 beschrieben ist. 1 provides a schematic of a typical combined cycle gas turbine system 10 of the present invention. As in 1 shows a combined cycle gas turbine system 10 a compressor 11 on what compressed air a burner 14 through a flow path 22 supplies. fuel 13 enters the burner 14 through Strö mung path 23 it being preferred that it be premixed with the compressed air prior to combustion. Hot combustion products become a turbine 12 via flow path 32 promoted. turbine 12 and steam turbine 18 turn and a power generator or power generator 16 , Exhaust gases from turbine 12 become a heat recovery boiler 20 via flow path 33 fed. With the steam generated is steam turbine 18 via flow path 40 fed. The cooled exhaust gases 37 pass through flow path 34 out, with a part of an additional cooler 50 via flow path 35 for returning to the inlet of the compressor 11 via flow path 36 is supplied. cooler 50 has a heat exchanger, which further comprises a coolant 38 has. fresh air 40 for combustion, the recirculated exhaust gases in flow path 36 via flow path 21 added, and both flows mix before entering the compressor 11 , Advantageously, burner 14 a catalytic burner as described, for example, in U.S. Patent No. 6,358,040.

2 stellt die berechneten NOx-Emissionen für eine typisch vorgemischte Verbrennung von Kraftstoff und Luft mit und ohne Verwendung von Bereitstellung von EGR in den Einlass frischer Verbrennungsluft dar. Wie in 2 gezeigt ist, wird eine NOx-Bildung bei einer Verbrennungstemperatur von 2750° F von mehr als 5 ppm auf 3 ppm durch Verwendung von EGR zur Absenkung des Sauerstoffgehalts der Einlassluft auf 15 Prozent abgesenkt. Pfropfenströmungsverweilzeit (Plug Flow Residence Time) beträgt 30 Millisekunden. Der Sauerstoffgehalt kann weiter verringert werden, wobei sich geringere NOx-Emissionen ergeben. Sauerstoffgehalte der Einlassluft so gering wie ungefähr 11 Prozent sind machbar. 3 stellt den berechneten NOx-Vergleich für einen ähnlichen Brenner mit einer Pfropfenströmungsverweilzeit von nur fünfzehn Millisekunden dar. Wie in 3 gezeigt ist, gilt die NOx-Reduktion von EGR auch für Brenner mit reduzierter Verweilzeit. 2 represents the calculated NOx emissions for a typical premixed combustion of fuel and air with and without use of providing EGR into the fresh combustion air inlet 2 For example, NOx formation at a combustion temperature of 2750 ° F is reduced from more than 5 ppm to 3 ppm by using EGR to lower the oxygen content of the intake air to 15 percent. Plug flow residence time is 30 milliseconds. The oxygen content can be further reduced, resulting in lower NOx emissions. Oxygen levels of intake air as low as about 11 percent are feasible. 3 represents the calculated NOx comparison for a similar burner with a plug flow residence time of only fifteen milliseconds 3 is shown, the NOx reduction of EGR also applies to burners with reduced residence time.

ZusammenfassungSummary

Ein Verfahren zum Verbrennen weist folgende Verfahrensschritte auf: Bereitstellen von Kraftstoff (13) für einen Brenner (14) einer Turbine; Zuführen von Luft (21) zum Bilden eines Kraftstoff-/Luftgemisches mit einem Äquivalenzverhältnis größer als 0,55; Zuführen von gekühlten Verbrennungsgasen (37) und Mischen mit der Luft derart, dass der Gemischsauerstoff weniger als 18 % beträgt; und Zuführen des Gemisches zu dem Brenner (14).A method for burning comprises the following method steps: provision of fuel ( 13 ) for a burner ( 14 ) a turbine; Feeding air ( 21 ) for forming a fuel / air mixture with an equivalence ratio greater than 0.55; Supplying cooled combustion gases ( 37 ) and mixing with the air such that the mixture oxygen is less than 18%; and supplying the mixture to the burner ( 14 ).

Claims (10)

Verfahren zum erniedrigten NOx-Verbrennen, wobei die kinetische Rate einer NOx-Bildung bei einer gegebenen Verbrennungstemperatur reduziert ist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Bereitstellen einer Zufuhr von Kraftstoff zu einem Gasturbinenbrenner (14); b. Erhalten einer Zufuhr von Umgebungsluft in ausreichender Menge zum Bilden eines Kraftstoff-/Luftgemisches mit einem Äquivalenzverhältnis größer als ungefähr 0,55, wenn sie mit dem Kraftstoff gemischt wird; c. Erhalten einer Zufuhr von gekühlten Verbrennungsgasen in einer so ausreichenden Menge, dass, wenn sie mit der Luft gemischt werden, der Sauerstoffgehalt des sich ergebenden Luftgemisches geringer als 18 Prozent ist; d. Mischen der Luft mit den gekühlten Verbrennungsgasen; und e. Zuführen des Luftgemisches zu dem Brenner (14).A method of reducing NOx combustion, wherein the kinetic rate of NOx formation at a given combustion temperature is reduced, comprising the following steps: a. Providing a supply of fuel to a gas turbine combustor ( 14 ); b. Obtaining a supply of ambient air in sufficient quantity to form a fuel / air mixture having an equivalence ratio greater than about 0.55 when mixed with the fuel; c. Obtaining a supply of cooled combustion gases in a sufficient amount so that when mixed with the air, the oxygen content of the resulting air mixture is less than 18 percent; d. Mixing the air with the cooled combustion gases; and e. Feeding the air mixture to the burner ( 14 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-/Luftgemisch ein an Kraftstoff armes Äquivalenzverhältnis größer als ungefähr 0,6 aufweist.Method according to claim 1, characterized in that that the fuel / air mixture a fuel-poor equivalence ratio greater than approximately 0.6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftgemisch in einem Verdichter (11) einer Gasturbine (12) verdichtet wird, bevor es in den Brenner (14) eintritt.A method according to claim 1, characterized in that the air mixture in a compressor ( 11 ) a gas turbine ( 12 ) before it enters the burner ( 14 ) entry. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft und die gekühlten Verbrennungsgase vor dem Mischen verdichtet werden.Method according to claim 1, characterized in that that the air and the cooled Combustion gases are compressed prior to mixing. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlten Verbrennungsgase eine Temperatur von weniger als ungefähr 150 Grad Celsius aufweisen.Method according to claim 1, characterized in that that the cooled Combustion gases have a temperature of less than about 150 degrees Celsius. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) der Gasturbine (12) in einer kombinierten Kreislaufgasturbine eingebaut ist.Method according to claim 1, characterized in that the compressor ( 11 ) of the gas turbine ( 12 ) is installed in a combined cycle gas turbine. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit dem Luftgemisch vor dem Verbrennen vorher gemischt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the fuel with the air mixture before burning before is mixed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (14) ein katalytischer Brenner ist.Method according to claim 1, characterized in that the burner ( 14 ) is a catalytic burner. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gemisches, welches dem Verdichter (11) zugeführt wird, auf einem vorher festgelegten Wert beibehalten wird.A method according to claim 3, characterized in that the temperature of the mixture which the compressor ( 11 ) is maintained at a predetermined value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an zugeführter Umgebungsluft gesteuert wird, um die Sauerstoffkonzentration in den Verbrennungsgasen unter ungefähr einem Prozent beizubehalten.A method according to claim 1, characterized in that the amount of ambient air supplied is controlled to reduce the oxygen concentration in the combustion gases below about ei per cent.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7350471B2 (en) * 2005-03-01 2008-04-01 Kalex Llc Combustion system with recirculation of flue gas
US20080141645A1 (en) 2006-12-14 2008-06-19 General Electric Company System and method for low emissions combustion
US8087248B2 (en) 2008-10-06 2012-01-03 Kalex, Llc Method and apparatus for the utilization of waste heat from gaseous heat sources carrying substantial quantities of dust
US8695344B2 (en) 2008-10-27 2014-04-15 Kalex, Llc Systems, methods and apparatuses for converting thermal energy into mechanical and electrical power
US8176738B2 (en) 2008-11-20 2012-05-15 Kalex Llc Method and system for converting waste heat from cement plant into a usable form of energy
EP2348256A1 (en) * 2010-01-26 2011-07-27 Alstom Technology Ltd Method for operating a gas turbine and gas turbine
US8474263B2 (en) 2010-04-21 2013-07-02 Kalex, Llc Heat conversion system simultaneously utilizing two separate heat source stream and method for making and using same
CH704118A1 (en) * 2010-11-17 2012-05-31 Alstom Technology Ltd Method for operating combined cycle power plant, involves controlling combustion in-homogeneity ratio as function of flue gas recirculation rate of gases, and re-circulating flue gases into compressor inlet air of gas turbine
DE102011102720B4 (en) 2010-05-26 2021-10-28 Ansaldo Energia Switzerland AG Combined cycle power plant with exhaust gas recirculation
CH703218A1 (en) 2010-05-26 2011-11-30 Alstom Technology Ltd Method of operating a combined cycle with flue gas recirculation and power plant.
DE102011115364A1 (en) 2010-10-19 2012-04-19 Alstom Technology Ltd. power plant
RU2584749C1 (en) * 2014-12-22 2016-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" Turbo compressor power plant

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2624172A (en) * 1947-11-01 1953-01-06 Eugene J Houdry Process of generating power involving catalytic oxidation
US4040252A (en) * 1976-01-30 1977-08-09 United Technologies Corporation Catalytic premixing combustor
US4271664A (en) * 1977-07-21 1981-06-09 Hydragon Corporation Turbine engine with exhaust gas recirculation
US4498298A (en) * 1983-09-15 1985-02-12 Morgan George R Stirling cycle piston engine

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Publication number Publication date
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