NO763604L - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og brenner for forbrenning av et brenselsfluidum i tilknytning til en gassturbin

Oppfinnelsen angår forbrenning av et brenselsfluidum (gassformig og væskeformig/ f.eks. et hydrocarbon) i en gassturbin, og nærmere bestemt en fremgangsmåte ved forbrenning av slikt brensel, hvorved dannelse av oxyder av nitrogen fra nitrogen som er bundet i brenselet, minskes sterkt.

Det har vært erkjent at dannelse av nitrogenoxyder ved forbrenningsprosesser kan spores tilbake til fore-komsten av meget høye temperaturer under forbrenning av brenselet. Dette betegnes som den varmemekanisme ved hvilken molekylært nitrogen.oxyderes med.derav følgende dannelsé av nitrogenoxyder.

I US patentskrift nr. 3 048 131 er en to-trinns forbrenning av brensel beskrevet, hvor dannelsen av nitrogenoxyder minskes på grunn av varmemékanismen. Ved denne fremgangsmåte forbrennes først (i det første trinn) en brenselrik blanding, og resten av luften blir deretter tilsatt (i det annet trinn). Ved at den første forbrenning utføres på denne måte, hvorved en fullstendig forbrenning av brenselet utsettes, minskes den maksimale flammetemperatur. På grunn av den nedsatte f lamme temperatur* og utilstrekkelig oxygen fåes en minsket dannelse av nitrogenoxyder.

Ifølge US patentskrift nr. 3 832 122 anvendes også en to-trinns forbrenning. Disse forbrenningstrinn forekommer på hver side av et lag av ildfast materiale for å lette gjennomføringen av en overflatereaksjon på dette. Det er

nødvendig å avkjøle hele 'forbrenningsprosessene (det første og det annet trinn) og dessuten laget av ildfast materiale,

og det foretrekkes å anvende katalysatorer i laget av ild-

fast materiale. På samme måte som i US patentskrift 3 048 131 foretas en brenselrik forbrenning i det første

trinn (dvs. med 90 % av den samlede luftmengde for oppnåel-se av fullstendig forbrenning), og tilstrekkelig luft til å gi et overskudd ut over den støkiome.trisk nødvendige mengde anvendes i det annet forbrenningstrinn. Det er selvføl-gelig nødveniig at laget av ildfast materiale er anordnet i forbrenningskammeret, og dette er et konstruksjonstrekk som ikke kan aksepteres for en gassturbin.

I US patentskrift nr. 3 890 088 er beskrevet en to-trinns forbrenningsprosess, Hvor for den første forbren- . ning bare en del av brenselet forbrukes for at resten av brenselet skal kunne oppvarmes for dannelse av et varmt, fordampet brensel hvortil luft deretter tilsettes for dannelse av en jevn blanding. Denne blanding kommer deretter inn i forbrenningskammeret hvori den antennes for det annet forbrenningstrinn. Etter den første forbrenning avkjøles blandingen av brensel og luft sterkt før den innføres i f orbrenningskammeret for forbrenningen i det annet trinn'.

I US patentskrift nr. 3 890 088 behandles problemet ved kjemisk bundet nitrogen, og det tilveiebringes ifølge patentskriftet en spesiell konstruksjon for å kunne ta hånd om brenselet som inneholder en betydelig fraksjon av kjemisk bundet nitrogen, for å frigjøre det kjemisk bundne nitrogen. Den metode som anvendes i dette patentskrift, er å pyrolysere det fordampede brensel i fravær av en flamme for derved å frigjøre atomært nitrogen som skal'gjenforenes under dannelse av molekylært nitrogen.

■Gassturbinteknologien har stort behov for gjennom-førbare fremgangsmåter og anvendbare konstruksjoner for å muliggjøre utnyttelse av brensler som inneholder en betydelig fraksjon av kjemisk bundet nitrogen, men som fremdeles tilfredsstiller de offisielle forskrifter angående aksepter-bare utslipp av nitrogenoxyd.

Det tilveiebringes ifølge oppfinnelsen.en fremgangsmåte og et apparat for forbrenning av et brenselflui- dum (f.eks. et hydrocarbon) i en gassturbin, hvor dannelsen av oxyder av nitrogen fra nitrogen som er bundet i brenselet, minskes sterkt.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte som er angitt i krav l's overgrep, og fremgangsmåten er særpreget ved de i krav l's karakteriserende del angitte trekk.

Oppfinnelsen angår også en brenner for utførelse av foreliggende fremgangsmåte, som angitt i krav 7's overgrep, og brenneren er særpreget ved de i krav 7's karakteriserende del angitte trekk.

Ifølge oppfinnelsen anvendes en primær flammesone hvori alt brensel forbrennes nær den brenselrike forsøks-grense og som er skilt fra den sekundære forbrenningssone på nedstrømssiden (hvori sekundær forbrenningsluft innføres) ved hjelp av en forsinkelsessone hvori de varme reaksjons- v produkter fra flammésonen holdes på i det vesentlige den adiabatiske flammes temperatur og kjemiske omsetninger som'•• fører til dannelse av N;,/tillates å forekomme. Den minste oppholdstid som er nødvendig i forsinkelsessonen for de-varme primærprodukter,• er ca. 5 ms, og formålet er å få en så sterk dannelse av N2som'mulig. I motsetning til den brenselrike forbrenning i den primære flammesone er forbrenningen i den sekundære sone brenself att.i g.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under hen-visning til tegningene, hvorav

fig. 1 er et skjematisk snitt gjennom brenneren for en gassturbin og som omfatter særtrekkene ifølge.oppfinnelsen , og

fig. 2 er en diagramatisk presentasjon av innvirk-ningen av å nedsette temperaturen for forbrenningsproduktene fra første-trinns forbrenningen, for déretter å tilsette luft for annettrinns-forbrenningen.

For å.lette en forståelse av den foreliggende oppfinnelse bør visse tekniske uttrykk som anvendt heri nærmere defineres: Adiabatisk flanunetemperatur, dvs. den temperatur som fåes ved avslutning av omsetningen mellom brensel og luft uten tap av varme fra reaksjonssystemet til omgivelsene.

Ekvivalensforhold ($) , dvs. forholdet mellom brensel og luft dividert med det støkometriske forhold mellom brensel og luft. Når ekvivalensforholdet er mindre enn 1, er systemet brenselsfattig, og når ekvivalensforholdet er over 1, er systemet brenselsrikt.

Rik forsøksgrense, dvs. brenselsrik forbrenning hvor det generelle forhold mellom brensel og luft økes inntil grensen for opprettholdelse av flammen nås. For brensler av hydro-carbontypen faller denne grense som regel innenfor et område av ekvivalensforholdene av 1>2:1 i,5:1 .

Brenselsbundet nitrogen, dvs. nitrogenatomer som er kjemisk bundet i brenselsmolekyler som inneholder minst ett annet'element enn nitrogen, f,eks. ammoniakk, pyridin eller kino-lin. Nitrogenet er som'regel kjemisk bundet til carbon, hydrogen og av og til til oxygen i brenselet. Det er. ofte vanskelig iog kostbart å fjerne brenselsbundet nitrogen.

På.fig. 1 er vist en brenner 10 for en.gassturbin hvor brensel fra et brenselslager (ikke vist) kommer inn i forbrenningskammeret via brenselinjektoren 11. Luft for forbrenningen i primærsonen kommer inn gjennom hullet 12 i den øvre ende av brenneren. Brenselet og luft injiseres slik i primærsonen at det fås et sterkt turbulent område hvori en hurtig blanding av brensel og luft finner sted og. hvori en hurtig forbrenning av de blandede reaktanter forekommer. Ved denne forbrenning forbrukes hele den tilførte brenselmengde. Den nødvendige turbulens kan oppnås ved å la luften komme inn på en slik måte at det dannes en turbulent hvirvel hvori brenselstråler injiseres fra brenselinjektoren 11.

Den innførte brenselsmengde' reguleres slik at det samlede forhold mellom brensel og luft i primærsonen er på eller nær den rike forsøksgrense, f.eks. at ø er- 1,2:1 - 1,5:1 for brensler av hydrocarbon. Ved enden av brennerens primærsone som typisk kan ha en lengde som tilsvarer 1-2 diametere, vil primærsoneforbrenningen være i det vesentlige avsluttet, med unntagelse av omsetninger mellom bestand-deler som er tilstede i. lave konsentrasjoner. En. gjennom-føring av forbrenningen nær den rike forsøksgrense er av avgjørende betydning for å oppnå en sterkt nedsatt dannelse av oxyder av nitrogen, og det er av like stor viktighet at det tilveiebringes en forsinkelsessone hvori de varme pri-mærprodukter holdes på i det vesentlige den adiabatiske' f<l>ammetemperatur i en oppholdstid av minst ca. 5 ms (f.eks.

5 - 10 ms) før ytterligere forbrenningsluft kommer inn. Disse sett av betingelser tilveiebringes i forsinkelsessonen

o nedstrøms for primærsonen.

Selvom det er vist- at luft kommer inn- gjennom spalten 13, er denne luftstrøm bare tilstrekkelig til å be-skytte brennerforingen 14 mot å bli 'overopphetet. Denne strøm må holdes så liten at de primære reaksjonsprodukter kan holdes på i det vesentlige den adiabatiske flammetemperatur, og bidrar lite om noe til en ytterligere forbrenning.

I primærsonen brytes brenselsmolekylene ned til små molekyler som H2, CO, NH^, C02 og H20. Små.nitrogenholdige molekyler reagerer deretter videre under dannelse av NO og N2ved konkurrerende reaksjoner av typen:

(1) NH3^— * NH2+ V2H2

(2) NH2+ OH NO'+ andre uidentifiserte forbindelser-(3) NH2+ NO ^- mellomprodukter N2+ uidentifiserte forbindelser Det brenselsbundne nitrogen omdannes således til NO og N2. Det er tydelig ønskelig å oppnå en så sterk dannelse av N2som mulig, og dette gjøres ved å holde konsentrasjonen av oxyderencie radikaler (f.eks. hydroxylradikaler) så lav som mulig. Dette oppnås ved å gjennomføre forbrenningen så nær den rike forsøksgrense som mulig. Dersom de små brensels-holdige molekyler, som molekyler av ammoniakk, ikke omdannes . til N2eller NO i den rike primærsone, vil disse molekyler nesten kvantitativt omdannes til N0V(en formel som beteg-ner forurensende nitrogenoxyd) nedstrøms i forhold til den varme sekundærforbrenning. Dette unngås ved å tilveiebringe de ovenfor beskrevne forsinkelsessonebetingelser (nedstrøms . for den primære flammesone), hvor reaksjoner under forbruk av flammeradikalene avsluttes.

Lenger nedstrøms bringes annet trinns luft.inn i og blandes med de varme primære gassformige produkter via større hull 16 i foringen. 14. Luften innføres slik at det fåes en hurtig blanding med de primære gassformige produkter, og den innførte luftmengde er slik at den samlede blanding biir brenselsfattig (dvs. at ekvivalensforholdet senkes til under 1:1). I dette trinn forbrennes de varme gassformige produkter■fra forbrenningen av alt brensel i'primærsonen ved eller nær støkiometriske betingelser, og de høyeste temperaturer i brenneren nås.. På grunn av den høye temperatur er 'dette .det område i brenneren hvor dannelseshastigheten for oxyder av nitrogen på grunn av varmemekanismen er på sitt høyeste. De viktige forbrenningsreaksjoner avsluttes i denne sekundærsone.

Dannelsen av NO på grunn av.varmemekanismen kan uttrykkes som følger:

Disse reaksjoner forekommer i den sekundære sone, og dessuten vil brenselsbundet nitrogen som ikke er blitt omdannet til N2i forsinkelsessonen, i sterk grad her bli omdannet til NO .

Deretter innføres ytterligere luft i fortynnings-sonen gjennom hull 17 for å fortynne forbrenningsproduktene .fra det annet trinn og for derved å senke forbrénningspro-duktenes temperatur til et nivå som er aksepterbart f6r tur- ■ bininnløpet. En hvilken som helst kjemisk reaksjon som forekommer i denne sone er vanligvis minimal.

Kjøleluftspalter 13 er anordnet over størsteparten av foringens 14 overflateareal, slik at et beskyttende luft-lag fordeles over brennerforingens innvendige overflate.

For mer tydelig å beskrive den foreliggende oppfinnelse er bare et fåtall spalter 13 blitt inntegnet.

En gjennomføring av forbrenningen i overensstemmelse med den innen teknikkens stand fremsatte lære for å styre varmemekanismen er vist på fig. 2.. En rik blanding forbrennes således i den primære f orbrenningss.one (punktet A) . Etter hvert som.de varme, rike, gassformige produkter fra

den primære forbrenning beveger seg nedstrøms i brenneren, tilsettes sekundær forbrenningsluft til disse. Dersom denne luftvar'blitt tilsatt på en slik måte at ingen varme ville gå tapt fra de varme, primære, gassformige produkter til omgivelsene og forbrenningsreaksjonen var blitt avsluttet, vil forbrenningstemperaturen forløpe langs den adiabatiske kurve som øker opp til punktet B for deretter å avta langs kurven henimot punktet C. Den høyeste temperatur (punktet B) ville forekomme ved et ø ca. 1:1. Dersom denne høyeste temperatur er over ca. 1371° C, begunstiges dannelsen av NO i overensstemmelse med de ovenstående ligninger

(4) og (.5) , og dette er det som forekommer f.eks. ved forbrenning av hydrocarhoner. Når brensler som oppfører.seg på denne måte ved forbrenning med luft, således skal anvendes, er det innen teknikkens stand fremsatt den lære at temperaturer som be-gunstiger varmemekanismen, skal unngåes. Denne forbrennings-type forløper langs den med brutte streker opptrukne linje ifølge fig. 2 ved at tap av varme fra forbrenningssysternet med hensikt befordres etter hvert som luft tilsettes. Ved denne mekanisme vil temperaturkurven (den med brutte streker opptrukne linje) synke til under den adiabatiske kurve (den heltrukne linje) . Den høyeste gasstemperatur blir lavere, og derved minskes den hastighet hvormed NO dannes.' .Da imidlertid utbyttet av NO fra brenselsbi.mdet" nitrogen (i motsetning til nitrogen i forbrenningsluften) er forholdsvis uavhengig av det temperaturforløp som er vist

på fig. 2, har teknikkens stand ikke befattet seg med dette problem. Ifølge oppfinnelsen styres.de relative has-tigheter av de konkurrerende reaksjoner, som uttrykt ved de ovenstående ligninger (2) og (3). Ved å forbrenne brenselsrikt nær den rike forsøksgrense kan reaksjonen ifølge ligningen (2) bremses i forhold.til reaksjonen ifølge ligningen (3), hvorved dannelsen av N2 økes og mengden av NO minskes.

For imidlertid å kunne oppnå dette må den tilgjengelige tid for gjennomføring av disse reaksjoner forlenges, og for-brennings typen må holdes i det vesentlige uforandret (dvs. ved å forsinke tilsetning av luft for den sekundære forbrenning, minimal avkjøling) under denne forlengede tid for at det brenselsbundne nitrogen skal kunne forbrukes (og omdannes til N2) i en aksepterbar grad.

Hastigheten for reaksjonen ifølge den ovenstående ligning (3) er i virkeligheten blitt målt, og denne informa-sjon er blitt, anvendt for å utlede det følgende tilnærmede

•uttrykk for den tid (i millisekunder) som er nødvendig for å omdanne halvparten av det tilstedeværende NO på et hvilket som helst tidspunkt:

I de tidlige trinn av den rike.forbrenning kan konsentrasjonen av NO fra brenselsbundet nitrogen være 1000 ppm eller høyere. Ved denne konsentrasjon vil ^^-/ 2 være ca* 0/65 ms. Nær avslutningen av den meget rike primære forbrenning vil imidlertid NO-mengdene ha blitt minsket til noen få hundrede ppm. Når NO-mengden har falt til .100 ppm, vil t-jy2være ca. 6,5-ms. Det er således av avgjørende betydning å utsette en ytterligere tilsetning av luft inntil. NO-mengden er blitt minsket til et aksepterbart nivå i den rike sone.

Brensler for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte er ikke begrenset til brensler av hydrocarbon-typen da brenselsfluida i sin alminnelighet som inneholder brenselbundet nitrogen, med fordel kan forbrennes ved anven-delse av den foreliggende fremgangsmåte og det foreliggende apparat. For enkelte gassformige brensler med lav brenn-verdi (f. eks. gass fra forgas.sing av kull) vil den høyeste adiabatiske temperatur som oppstår ved forbrenning med luft, være så lav (ca. 1447° C) at dannelsen av NO på grunn av varmemekanismen kan holdes på under ca. 10 ppm. Utbyttet av NO fra brenselbundet nitrogen (f.eks. fra ammoniakk) vil imidlertid være høyt med mindre en eller annen forholdsregel taes for å innvirke på denne kilde for NO.

Den foreliggende oppfinnelse hvor brenselsbundet nitrogen forbrukes og omdannes til N2/byr på en løsning av dette problem.

Det foretrekkes å anvende en forsinkelsessone med en lengde av 15 - 30 cm. For en varmgasshastighet av ca. 30,5 m/s vil således gassturbinbrenneren bli forlenget slik at det fåes en forsinkelsessone med en lengde, av ca. 15 cm mellom primærsonen og sekundærsonen.

Ideelt bør ingen avkjølingsluft tilsettes til de varm*?, gassformige produkter fra primær forbrenningen før etter at disse gasser har passert gjennom forsinkelsessonen. I praksis kan det imidlertid være nødvendig med et liten mengde trykkluft for å avkjøle brennerforingen 14. Denne lufttilførsel vil ikke i vesentlig grad forandre det lokale ekvivalensforhold eller den lokale temperatur i forhold til den som forekommer ved enden av primærsonen.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte ved forbrenning av et brenselsfluidum i en gassturbinkonstruksjon, hvor brensel forbrennes med luft i en primær forbrenningssone og mer luft deretter tilsettes nedstrøms i forhold til den primære forbrenningssone for å bevirke en ytterligere forbrenning i en sekundær forbrenningssone, fulgt av ytterligere tilsetning av luft til en fortynningssone for å avkjøle reaksjonsproduktene før de kommer inn i turbininnløpet, karakterisert ved at a) hele mengden av et brenselsfluidum som inneholder brenselsbundet nitrogen, forbrennes i den primære forbrenningssone nær den rike forsøksgrense for brensel og luft, b) de varme, gassformige reaksjonsprodukter fra primærsonen holdes på i det vesentlige den adiabatiske flammetemperatur nedstrøms for den primære forbrenningssone i minst ca. 5 ms, c) sekundær luft blandes med de varme, gassformige det reaksjonsprodukter fra vforegående trinn slik at det fås en samlet brenselsfattig blanding, og for å bevirke sekundær forbrenning under tilnærmet støkiometriske betingelser, og d) ytterligere luft innføres og brandes nedstrøms for å fortynne produktne fra den sekundære forbrenning før de kom--.if inn i turbininnløpet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som brensel anvendes brensel av hydro-carbontypen og at ekvivalensforholdet for den primære forbrenning holdes på 1,2:1 - 1,5:1.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ekvivalensforholdet under den sekundære forbrenning holdes på 1,0:1-0,7:1.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det anvendes et ammoniakkholdig brensel.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at det som brensel anvendes et gassformig produkt erholdt ved forgassing av kull.

6. Fremgangsmåte ifølge kravl -5, karakterisert ved at det for reaksjonsproduktene fra den primære forbrenning anvendes en oppholdstid av ca. 10 ms i et område nedstrøms i forhold til flammesonen og oppstrøms i forhold til den sekundære forbrenning.

7. Brenner for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1-6, omTattende en primær forbrenningssone, en sekundær sone og en fortynningssone, karakterisert ved at den omfatter en forsinkelsessone mellom den primære forbrenningssone og den sekundære forbrenningssone for å holde gassformige produkter som mot-tas i forsinkelsessonen, på i det vesentlige den adiabatiske flammetemperatur i tilstrekkelig tid til at kjemiske reaksjoner 'vil bli avsluttet, hvorved en vesentlig mengde av nitrogenet i nitrogenholdige molekyler omdannes til molekylært nitrogen.

8. Brenner ifølge krav 7, karakterisert .ved at forsinkelsessonen har en lengde av 15 - 30 cm.

9. Brenner ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at forsinkelsessonen er fri for deler som hindrer strømmen av varme, gassfonnig e produkter fra den primære forbrenningssone til den sekundære sone.