Neue Feuerungssysteme mit hoher Brennstoffflexibilität für Gasturbinen

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1 22. Deutscher Flammentag, 21./22. Sept. 2005, TU Braunschweig Neue Feuerungssysteme mit hoher Brennstoffflexibilität für Gasturbinen Dr.-Ing. A. Giese; Dr.-Ing. habil. A. Al-Halbouni; Dr.-Ing. M. Flamme; Prof. Dr.-Ing., habil K. Görner, Gaswärme-Institut e.v. Essen, Dipl.-Ing. B. Rosendahl; Prof. Dr.-Ing. V. Scherer, Ruhr-Universität Bochum Kurzfassung Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung, dem Klima- und Umweltschutz und den politischen Rahmenbedingungen kommt der ökonomischen und ökologischen effizienten Verwertung fossiler Energieträger eine immer größere Rolle zu. Durch die Zunahme des Strombedarfs der Industrieländer steigt der Brennstoffverbrauch rapide. Wobei neben konventionellen hochkalorigen Energiequellen, wie Erdgas, Erdöl und Kohle zunehmend mittel- und schwachkalorige Energieträger wie Bio-, Gruben-, Deponie- und Prozessgas in den Mittelpunkt des Interesses der Industrie als Alternative rücken. Im Rahmen eines europäischen /1/ und eines deutschen /2/ Forschungsprojektes wurden zwei Brennerkonzepte, die flammenlose Oxydation (FLOX ) und die kontinuierliche Luftstufung (COSTAIR), für den Einsatz in Gasturbinen untersucht und entsprechend den Betriebsbedingungen von Gasturbinen modifiziert. Während der Schwerpunkt des europäischen Projektes in der Entwicklung dieser Brennersysteme für die Anwendung mit Erdgas lag, konzentrierte sich das deutsche Projekt auf schwachkalorige Gase mit einem CH 4 -Anteil < 30 Vol.-%. Brennersysteme Für den Einsatz in Gasturbinen wurden die Verbrennungskonzepte der flammenlosen Oxydation (Bild 1a) und der kontinuierlichen Luftstufung (Bild 1b) für die Anwendung von Erd- und schwachkalorigen Gasen untersucht. Bei der flammenlosen Oxidation (FLOX) wird durch den hohen Eintrittsimpuls von Luft und Gas in den Brennraum heißes Abgas in die Reaktionszone eingesaugt und sorgt so für eine Verdünnung der Reaktionszone. Dies führt zu einem gleichmäßigen Temperaturprofil. Durch die Verringerung des Sauerstoffpartialdrucks, den Abbau der Temperaturspitzen und eine kurze Verweilzeit werden sehr niedrige NO x -Emissionen erreicht.

2 Die kontinuierliche Luftstufung (COSTAIR) wird durch einen zentral angeordneten Luftverteiler realisiert. Durch eine Vielzahl von Öffnungen auf der Oberfläche des Luftverteilers wird die Luft kontinuierlich in die Reaktionszone gestuft. Durch den hohen Austrittsimpuls aus den Gasdüsen wird zusätzlich Abgas in die Reaktionszone eingesaugt. Somit werden mehrere NO x -mindernde Maßnahmen kombiniert, die Luftstufung und die Rezirkulation von Abgasen. Die Form des Luftverteilers und die darauf befindlichen Öffnungen können dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. So sind zylindrische oder kegelförmige Luftverteiler mit runden Öffnungen, Schlitzen oder Kiemen zur Verdrallung der Luft möglich. Bild 1. Untersuchte Verbrennungskonzepte Bild 2. Brennerdesigns

3 Mit Hilfe der numerischen Simulation wurden die im Bild 2 dargestellten Brennersysteme für die zwei Verbrennungskonzepte zuerst für den Einsatz von Erdgas entwickelt und optimiert. Die dabei entwickelten Brennerdesigns wurden mittels ausgewählter Experimente unter atmosphärischen Bedingungen am Gaswärme-Institut e.v. Essen überprüft. Anschließend wurden die Brennersysteme für den Einsatz mit schwachkalorigen Gasen durch scale-up und numerische Simulation angepasst /3/. Experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen Gasgemischen zeigten die Eignung dieser Brennersysteme über einen weiten Parameterbereich für Mikrogasturbinen. a) Temperaturverteilung b) Rezirkulationsgeschwindigkeit Bild 3. Numerisch berechnete Verteilungen für den FLOX- und den COSTAIR-Brenner Im Bild 3 sind typische numerisch berechnete Temperaturverteilungen und Rezirkulationsgebiete für die untersuchten Brennersysteme zu sehen Bild 4. NO x - und CO-Emissionen für Erdgas unter atmosphärischen Bedingungen

4 Bild 5. NO x - und CO-Emissionen für schwachkalorige CH 4 /N 2 -Gase unter atmosphärischen Bedingungen Bild 6. NO x - und CO-Emissionen für schwachkalorige Gase im Gemisch CH 4 /CO/H 2 /N 2 Unter atmosphärischen Bedingungen Die Bilder 4 bis 6 zeigen ausgewählte experimentelle Ergebnisse der NO x - und CO- Emissionen unter atmosphärischen Bedingungen für Erdgas (Bild 4) und schwachkalorige Gase der Zusammensetzung CH 4 /N 2 (Bild 5) und CH 4 /CO/H 2 /N 2 (Bild 6). Die NO x - und CO-Werte für die hier untersuchten Gasgemische liegen für den FLOX- und COSTAIR-Brenner bei atmosphärischen Bedingungen unter 10 ppm bez. auf 15 Vol.-% O 2 im Abgas. Um den Einsatz der Brennersysteme unter Mikrogasturbinenbedingungen zu testen, wurden an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozess-

5 technik Versuche unter Druck durchgeführt. Die umgebaute Versuchsanlage ist im Bild 7 dargestellt. Bild 7. Druckversuchsstand der Uni Bochum (LEAT) Bild 8. NO x - und CO-Emissionen für schwachkalorige CH 4 /N 2 -Gase bei 3 bar Betriebsdruck Bild 8 zeigt die NO x - und CO-Emissionen beider Verbrennungskonzepte für zwei CH 4 /N 2 - Gasgemische bei einem Druck von 3 bar. Die unter atmosphärischen Bedingungen vorhergesagten Werte konnten unter Mikrogasturbinenbedingungen bestätigt werden. Auch hier liegen die gemessenen Werte unter 10 ppm bez. auf 15 Vol.-% O 2 im Abgas.

6 In der nachfolgenden Tabelle sind die festgestellten Einsatz- und Stabilitätsgrenzen des FLOX- und COSTAIR-Brenners für verschiedene Gasgemische zusammengefasst. Zusammenfassung Für den Einsatz in Gasturbinen wurden die Verbrennungskonzepte der flammenlosen Oxidation (FLOX) und der kontinuierlichen Luftstufung (COSTAIR) entwickelt, die sowohl für Erd- als auch für schwachkalorige Gase über einen weiten Parameterbereich einsetzbar sind und dabei stabil und pulsationsarm arbeiten. Sowohl unter atmosphärischen als auch unter Druckbedingungen werden niedrigste NO x - und CO-Emissionen unter 10 ppm bez. auf 15 Vol.-% O 2 erreicht. Literaturangaben /1/ Abschlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben (AiF-Nr N): Neue Brennersysteme zur dezentralen Nutzung von schwachkalorigen Gasen in Mikro- Gasturbinen (MGT). (abgeschlossen ) /2/ Abschlussbericht zum EU-Forschungsprojekt (Contract-N : ENK5-CT ): New combustion systems for gas turbines. (abgeschlossen ) /3/ Giese, A.; Al-Halbouni, A.: Einsatz von scale-up-kriterien und numerischer Simulation zur Aufstellung von Brennersystemen für schwachkalorige Gase. GWI Int., 52 (2003), S