DE3100849A1 - "brenner fuer eine stationaere gasturbine und verfahren zum betreiben eines solchen brenners" - Google Patents
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Description
Brenner für eine stationäre Gasturbine und Verfahren zum Betreiben eines solchen Brenners
Die Herabsetzung bzw. die Beseitigung von Emissionen, insbesondere der Oxide von Stickstoff (NO ) hat eine in
Ji ι
zunehmendem Maße ansteigende Beachtung erlangt und es wurden für die damit verbundenen Probleme erhebliche Mittel
aufgewendet.
Es wurde gefunden, daß NO in den Brennern von stationären
Gasturbinen durch zwei NO bildende Mechanismen er-
Ji
halten wird. Thermisches NO wird durch die infolge der
Ji
hohen Flammentemperatur in Gang gebrachte Reaktion zwischen
dem Stickstoff und dem Sauerstoff in der Luft gebildet, und Brennstoff-NO andererseits stammt aus der Oxi-
Ji
dation von organischen Stickstoffverbindungen in dem
Brennstoff.
Zur Regelung der NO -Emissionen von stationären Gasturbi-
Ji
nen haben viele behördliche Stellen Verordnungen vorgeschlagen oder verfügt. Beispielsweise hat die United States
1300B0/04M
Environmental Protection Agency eine Verordnung vorgeschlagen, welche die NO -Emissionen auf 75 ppm bei 15 %
Ji
Sauerstoff mit einer Leistungsgrad-Korrektur begrenzt. In Southern California beschränkt die Los Angeles County
Air Pollution Control District's Los Angeles County Rule 6 7 No -Emissionen auf 63,6 kg (140 lbs) pro Stunde.
Ji
Es wurde gefunden, daß die NO -Emissionen einer stationären Gasturbine durch Zusatz eines geeigneten, die NO-Bildung
unterdrückenden Fluidums zu der zugeführten Luft des Gasturbinen-Brenners reguliert werden können.
Ein Beispiel umfaßt die Umwälzung der Abgase von einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftanlage.
Ein anderes Beispiel umfaßt die Zufuhr einer sauerstoffarmen Luftmischung, welche das Nebenprodukt einer Sauerstoffabtrennungseinheit
in einer Kohlevergasungsanlage ist, wobei der Sauerstoff zusammen mit Kohle zur Erzeugung eines Kokereigases von mittlerem Heizwert verwendet
wird, welches als Brennstoff für den Brenner der stationären Gasturbine eingesetzt wird.
Beispiele von anderen brauchbaren, die Bildung von NO
unterdrückenden Mitteln außer den vorstehenden sind Stickstoff, Kohlendioxid und andere hochspezifische Heizgase,
die relativ inert sind.
Wenn die Bildung von NO unterdrückende Mittel verwendet
Ji
werden, setzt man diese gewöhnlich der dem Verdichter für die stationäre Gasturbine zugeführten Luft zu. Jedoch
verwenden herkömmliche technische Gasturbinen einen Teil (15 % oder mehr) der aus dem Verdichter ausgestoßenen
13ÖÖSÖ/0U4
Luft für die Kühlung der Düse und der Turbine. Da diese Luftströme keine NO -Emissionen bewirken, bedeutet der
Zusatz der die Bildung von NO unterdrückenden Mitteln
Ji
zu diesen Strömen eine Verschwendung des Mittels. Eine minimale Strömungsrate des Mittels ist in verstärktem
Maße erwünscht und eine Anreicherung einer festgelegten Menge des Mittels in lediglich der Brennerluft oder vorzugsweise
in der primären Reaktionszone wird eine bessere NO -Steuerung ergeben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und Einrichtungen zur Anreicherung von die Bildung
von NO unterdrückenden Mitteln in der Verbrennungsluft zu schaffen, die eine maximale Verringerung an NO
Ji
ergibt, während der Zusatz an dem Mittel zu den Kühlluft-Strömen auf ein Minimum herabgesetzt wird. Diese und andere
Aufgaben der vorliegenden Erfindung lassen sich von dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
entnehmen, in welcher
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die Erfindung betrifft einen die NO -Bildung unterdrückenden Brenner einer stationären Gasturbine, und insbesondere
einen solchen Brenner, bei welchem ein Luftstrom-Teiler den Luftstrom zu der Reaktionszone und der Verdünnungszone des Brenners so teilt, daß das die NO -Bildung unterdrückende
Mittel in der Reaktionszone durch Einspritzen an einem geeigneten Punkt unter Ausnützung des vom Verdichter
her strömenden, radial geschichteten Stroms konzentriert werden kann.
130Ö6Ö/OU4
Die Figuren 1 und 2 sind schematische Darstellungen eines herkömmlichen Brenners für eine stationäre Gasturbine
mit Luftstromumkehr, der gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert wurde. Es sei bemerkt, daß, obwohl die Erfindung
unter Bezug auf einen Brenner mit Luftstromurnkehr
beschrieben wird, offensichtlich auch andere Brenneranordnungen
im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Der herkömmliche Brenner für eine stationäre Gasturbine enthält ein Brennrohr 1, welches in Strömungsrichtung eine
Reaktionszone, eine Verdünnungszone und eine Ubergangszone,
die zu der Gasturbine führt, enthält. Eine Brennstoffdüse 2, die gewöhnlich achsensymmetrisch angeordnet ist,
führt einen geeigneten gasförmigen oder flüssigen Brennstoff durch das Brennrohr 1 in die Reaktionszone ein.
Geeignete Einrichtungen zur Einführung von Verbrennungsluft durch das Brennrohr 1 in die Reaktionszone, wie Lufteintrittsöffnungen
3, und geeignete Einrichtungen zum Einführen von Luft zur Verdünnung in die Verdünnungszone,
wie Lufteintrittsöffnungen 4, sind vorgesehen. Das Brennrohr 1 wird von einem äußeren Mantel 5 umhüllt. Ein Luftkanal
6 führt verdichtete Luft von dem Luftverdichter der stationären Gasturbine in den Brenner ein und steht in
Verbindung mit dem zwischen dem äußeren Mantel 5 und dem Brennrohr 1 gebildeten Kanal 7. Es ist üblich, die Verbindung
des Luftkanals 6 mit dem Kanal 7 so anzuordnen, daß die Strömung des Fluidums innerhalb des Kanals 7,
d. h. zwischen dem äußeren Mantel 5 und dem Brennrohr 1, gegenüber
der Strömung der Strömungsmittel, in dem Brennrohr entgegengesetzt ist, um eine Kühlung des Brennrohrs 1 zu bewirken.
130060/04M
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dafür gesorgt, den Luftstrom in die Luft, welche innerhalb der Reaktionszone
für Verbrennungszwecke verwendet werden soll, und in
den Rest der Luft, die für eine Verwendung als Verdünnungsmittel in der Verdünnungszone oder für eine Oberflächenkühlung
der Verdünnungszone und gegebenenfalls der Ubergangszone bestimmt ist, aufzuteilen. Dies wird
durch Einsetzen einer ringförmigen Strömungsblende 8 innerhalb des Kanals 7 bewerkstelligt, der vom Brennrohr 1
und dem äußeren Mantel 5 gebildet ist. An dem einen Ende in Längsrichtung ist die Strömungsblende 8 mit dem Brennrohr
1 etwa am Teilungspunkt zwischen der Reaktionszone
und der Verdünnungszone verbunden. Das andere Ende der Strömungsblende 8 erstreckt sich gewöhnlich bis in die
Nähe der Verbindung der Kanäle 6 und 7.
Die Strömung in einem Gasturbinen-Axialverdichter erfolgt überwiegend in der axialen Richtung und daher bleibt eine
radial geschichtete Eintrittsströmung an dem Verdichterausgang getrennt. Durch Auswahl der richtigen Stelle für
das Einspritzen des die Bildung von NO unterdrückenden Mittels am Verdichtereingang oder stromabwärts des Verdichters
können die Mittel in der Verbrennungsluft angereichert werden, welche dadurch die Herabsetzung der NO-Werte
maximiert. Daher bewirkt das Einspritzen des die Bildung von NO herabdrückenden Mittels an diskreten
Stellen am Verdichtereingang niedrigere NO -Emissionen,
Ji
als ein homogenes Mischen der Ströme stromaufwärts des Verdichtereingangs. Die Turbinenkühl-Strömungsraten
werden nicht geändert und sie enthalten keine wesentlichen Mengen an die Bildung von NO unterdrückendem
Mittel. Die Einspritzung des die Bildung von NO unter-
- /10 -
13005Ö/0U4
drückendem MittelCwird in den Figuren 1 und 2 durch den
Injektor 9 für das unterdrückende Mittel wiedergegeben.
Der Luftstrom in dem Luftstromkanal 6 ist entlang des Kanals 6 vorzugsweise longitudinal mit einer geringen
Querkomponente und er wird durch den Luftstrom-Teiler 10, der vorzugsweise die Form eines aerodynamisch gekrümmten
Ablenkschirms oder schaufelartige Form hat, in zwei Wege aufgeteilt. Durch eine geeignete Konstruktion der
Strömungsblende 8 und des Luftstrom-Teilers 10 ist die Strömung der Luft im Kanal 7 in der Nachbarschaft der
Übergangszone entweder genau wie die Strömung der Luft
in der Nachbarschaft der Verdünnungszone oder der Reaktionszone,
obwohl die Luftströme zu den letztgenannten zwei Zonen voneinander getrennt bleiben.
In Figur 1 ist der Luftstrom zu der Reaktionszone sowohl von dem Luftstrom zu der Verdünnungszone und der benachbarten
Übergangszone getrennt. Demgemäß ist in dieser Ausführungsform der Luftstrom-Teiler 10 mit der Strömungsblende 8 verbunden. Der Strom der Luft zu der Reaktionszone erfolgt über den Weg 11, der vom Luftstrom-Teiler 10,
der Strömungsblende 8, dem äußeren Mantel 5 und dem Teil des Brennrohrs 1 gebildet wird, welcher der Reaktionszone
benachbart ist. Der Weg 12 für den Luftstrom zu der Verdünnungszone wird von dem Luftstrom-Teiler 10, der Strömungsblende
8, dem äußeren Mantel 5 und dem Teil des Brennrohrs 1 gebildet, welcher sowohl der Verdünnungszone als
auch der Übergangszone benachbart ist. In Figur 1 gibt
die Anordnung des Injektors 9 für das die NO -Bildung unterdrückende Mittel die Injektion des Mittels an den
äußeren Enden der Schaufeln des Luftverdichters wieder.
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130060/0444
Als Ergebnis einer derartigen Anordnung und des radial geschichteten Luftstroms vom Verdichter werden im wesentlichen
parallele Ströme im Kanal 6 vorhanden sein, wobei die Hauptmenge des die Bildung von NO unterdrückenden
Mittels auf dem Weg 11 zur Reaktionszone geführt wird.
In Figur 2 ist die Verdünnungszone von der Reaktionszone
und der Ubergangszone getrennt. Dies wird durch die Verbindung des aerodynamisch gekrümmten Ablenkschirms 10
mit dem Brennrohr 1, anstatt wie in Figur 1 mit der Strömungsblende 8, bewirkt. Demzufolge wird in Figur 2 der
Weg 13 zu der Verdünnungszone durch den Luftstrom-Teiler 10, die Strömungsblende 8 und den Teil des Brennrohrs
umgrenzt, welcher der Verdünnungszone benachbart ist. Der Luftstrom-Weg 14 zu der Reaktionszone wird durch den
Teil des Brennrohrs 1, welcher der Reaktionszone und dem Übergangsstück benachbart ist, die Strömungsblende 8, den
äußeren Mantel 5 und den Luftstrom-Teiler 10 gebildet. Die Anordnung des Injektors 9 für das die NOx~Bildung
unterdrückende Mittel in Figur 2 gibt die Einspritzung des die NO -Bildung unterdrückenden Mittels an den Wurzein
der Eingangsschaufeln des Luftverdichters für die Gasturbine wieder, und als Ergebnis des radial geschichteten
Verdichter-Luftstroms wird das die NO -Bildung unterdrückende Mittel in dem zu der Reaktionszone geführten
Luftstrom konzentriert.
Basierend auf den Daten, die im Zusammenhang mit der Herabsetzung
von Ν0χ durch Injektion einer sauerstoffarmen
Luftmischung gesammelt wurden, wurde bestimmt, daß man eine etwa 55%ige Herabsetzung an NO realisieren kann,
wenn die sauerstoffarme Luftmischung mit den Luftströmen
- /12 -
13Q0S0/OU4
für die Verbrennung und die Kühlung homogen gemischt wird. Beim Arbeiten gemäß der vorliegenden Erfindung, d.h. durch
Einleiten der sauerstoffarmen Luftmischung durch Injektionsöffnungen für das die Bildung von NO herabdrückende
Mittel in die Verbrennungsluft zur Konzentrierung der Mischung konnte eine geschätzte 63%ige Herabsetzung erzielt
werden. Da die bequemen Methoden zur Herabsetzung von NO bereits bekannt und technisch eingeführt sind, und zusätzliche Verbesserungen hinsichtlich einer Verringerung von
NO extrem schwierig zu erzielen sind, stellt die zusatzliehe
Herabsetzung von NO , welche mit Hilfe der vorliegenden Erfindung möglich ist, einen signifikanten Vorteil
dar und kann den Unterschied zwischen der Erfüllung und Nichterfüllung von staatlicherseits vorgeschlagenen, die
Emissionen betreffenden Regelungen bedeuten.
Bei der praktischen Durchführung der in den Figuren 1 oder 2 erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
wird das die Bildung von NO unterdrückende Mittel in der Verbrennungsflammenzone angereichert, und es konnte die
55%ige NO -Herabsetzung unter Verwendung von nur etwa 30 % des oben benötigten Stromes an die NO -Bildung herabsetzendem
Mittel erzielt werden. Wahlweise sind unter Verwendung der gleichen Strömungsratö an die Bildung von NO
herabsetzendem Mittel größere Herabsetzungen von NO möglieh,
jedoch wird die Gesamtverringerung letzten Endes durch Kriterien der Flammenstabilität begrenzt werden.
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13Q050/QU4
Leerseite
Claims (12)
- PatentansprücheBrenner für eine stationäre Gasturbine, g e k e η η e i c h η e t durch eine Reaktionszone, eine Verdünnungszone, ein Brennrohr (1), das die Reaktions- und Verdünnungszonen umhüllt, Einrichtungen (3) zur Einführung von Luft durch das Brennrohr in die Reaktionszone, Einrichtungen (4) zur Einführung von Luft durch das Brennrohr in die Verdünnungszone, eine Brennstoffdüse (2) zum Einführen von Brennstoff durch das Brennrohr in die Reaktionszone und Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms zu den Einrichtungen zur Einführung von Luft in die Reaktionszone und in die Verdünnungszone, wobei die Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms einen Luftstrom-Teiler (10) zum Aufteilen des Luftstroms in einen ersten Weg (11, 14), der in Verbindung mit den Einrichtungen zur Einführung von Luft in die Reaktionszone steht, und einen zweiten Weg (12, 13), der in Verbindung mit den Einrichtungen zur Einführung von Luft in die Verdünnungszone steht, umfassen.
- 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom-Teiler (10) ein aerodynamisch gekrümmter Ablenkschirm ist.13QÖ50/CUU
- 3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Weg voneinander durch eine innerhalb der Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms angeordnete Strömungsblende(8) getrennt sind, und daß die Strömungsblende mit dem Brennrohr (1) an einem Punkt zwischen der Reaktions- und der Verdünnungszone verbunden ist.
- 4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen das Brennrohr (1) umhüllenden äußeren Mantel (5) enthält, und daß die Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms den zwischen dem Brennrohr und dem äußeren Mantel gebildeten Kanal umfassen.
- 5. Brenner nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkschirm mit der Strömungsblende (8) verbunden ist.
- 6. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkschirm mit dem Brennrohr (1) verbunden ist.
- 7. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Fluiduminjektor(9) enthält, der so angeordnet ist, daß er ein Fluidum in die Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms an einem Punkt einspritzt, der so angepaßt ist, daß das injizierte Fluidum infolge eines, vom Verdichter her strömenden, radial geschichteten Stroms und des Luftstrom-Teilers in einem der beiden Wege konzentriert ist.1300SU/OU4
- 8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (9) so angeordnet ist, daß er das injizierte Fluidum infolge des vom Verdichter her strömenden, radial geschichteten Stroms in dem ersten Weg konzentriert.
- 9. Verfahren zum Betreiben eines Brenners für eine stationäre Gasturbine, enthaltend eine Reaktionszone, eine Verdünnungszone, ein Brennrohr (1), welches die Reaktionszone und die Verdünnungszone umhüllt, Einrichtungen (3) zur Einführung von Luft durch das Brennrohr in die Reaktionszone, Einrichtungen (4) zur Einführung von Luft durch das Brennrohr in die Verdünnungszone, eine Brennstoffdüse (2) zum Einführen von Brennstoff durch das Brennrohr in die Reaktionszone, und einen umhüllenden äußeren Mantel (5), durch Einführen von Brennstoff durch die Brennstoffdüse in die Reaktionszone und Einführen von Luft in einen, vom äußeren Mantel und dem Brennrohr begrenzten Luftstromkanal und dadurch von dort mittels der Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms in die Reaktionszone und der Einrichtungen zum Fördern eines Luftstroms in die Verdünnungszone, dadurch gekenn ze ichnet, daß man den Luftstrom in den Luftstromkanal in einen mit den Einrichtungen zur Einführung von Luft in die Reaktionszone in Verbindung stehenden ersten Weg, und in einen mit den Einrichtungen zur Einführung von Luft in die Verdünnungszone in Verbindung stehenden zweiten Weg -teilt, und ein die Bildung von NO unterdrückendes Fluidum in dem LuftstromJides ersten Weges konzentriert.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e -130050/0444— A -·kennzeichnet, daß der Luftstrom mittels eines Luftstrom-Teilers (10) aufgeteilt wird und ein die Bildung von NOV unterdrückendes Fluidum in den Luftstrom stromaufwärts des Luftstrom-Teilers eingespritzt und in den ersten Weg mittels eines, vom Verdichter her strömenden, radial geschichteten Stroms gefördert wird.
- 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das die Bildung von NO unterdrückende Mittel in einen Luftverdichter injiziert und der Ausstoß des Luftverdichters durch den Luftstromkanal in den Brenner gefördert wird.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom durch den Luftstromkanal in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom des Fluidums innerhalb des Brennrohrs fließt.13Ö05Q/CUU
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