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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN

Nutzung von schwachkalorigenBrenngasen in Mikro- Gasturbinen

M. Flamme, A. Al- Halbouni, A. Giese und K. Görner

Gaswärme- Institut e.V.Essen

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTZiel des AiF Forschungsvorhabens

Entwicklung neuer Brenner- bzw. Bennkammerkonzeptefür Mikro-Gasturbinen für den Einsatz von Schwachgasen (Hu < 3 kWh/ m3) .

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTMikro- Gasturbinen

Capstone Mikro-GasturbineTurbec Mikro-Gasturbine (T100)

Microturbo

Mikro-Gasturbine

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTHeizwert von Brenngasen

Beispiele für Schwachgase:

Deponiegas

Grubengas

Biogas

Klärgas

Produktgas

Holzgas

Heizwertvergleich verschiedener Brenngase

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTVersuchsparameter

B rennstoff Schw achgase(H u < 3 kW h/m 3)

B rennerle istung [kW /bar] 20 – 35

Spez. B R -B elastung [M W /m 3bar] 10 – 15

Luftzah l [-] 2 - 3

Lufttem peratur [ °C ] 400 - 550

atm osphärischD ruck [bar]

b is 3 bar

D ruckverlust [-] < 5 %

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTVerbrennungskonzepte

Konzept der flammenlosen Oxidation

(FLOX®)

Konzept der kontinuierlichen Luftstufung

(COSTAIR)

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTFLOX® - Brenner

F L O XF L O XFlFlameless ameless OxOxidationidation

Vorgewärmte Luftbis 1000 °C

Brennraumwand

Luftstrahl

Abgas

Reaktionszone

Erdgas

(( (((

(( (((

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTCOSTAIR - Brenner

C O S T A I RC O S T A I RCoContinued StStaged AAir with IInternal RRecirculation

AbgasGasLuftGas

ReaktionszoneReaktionszone

LuftverteilerLuftverteiler

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTExperimentelle Untersuchungen

Experimentelle Untersuchungen unter

• atmosphärischen BedingungenGASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTGWI- Testbrennkammer (atmosphärisch)

L

D2

D1Luft

Gas

FLOX- oder COSTAIR- Brenner

BK-Länge

Abgas

PLuft , TLuft

Zündbrenner

T, CO, CO2, O2, NO, NO2, NOx

Absaugsonde

Beweglicher Zylinder

Pgas , TGas

Tw Tw Tw Tw Tw Tw

aa a a a a

c

PBK

Druckpulsation

L= 500 mm a = 50 mm

D1= 100 mm b = 100 mm

D2= 55 mm c = 150 mm

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTBetriebsparameter

Brennkammerdruck: atmosphärisch

Lufttemperatur: 420 - 550 °C

Gastemperatur: 20 °C

Brennerleistung: 20 - 35 kW/bar

Luftzahl: 2 bis 3

Druckverlust: < 5 %

BK-Wandtemperatur: 800 - 900 °C

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTUntersuchte Gasgemische

Zusammensetzung [Vol. - %]Gas-

gemischReferenz

CH4 CO H2 CO2 N2

Heizwert

Hu [kWh/m3]1 Deponie-/

Grubengas40 –10 0 0 0 60 - 90 3 - 1

2 Bio-/Klärgas

40 – 15 0 0 60 - 85 0 4 – 1,5

3 Deponie-/Biogas

20 0 0 20 - 40 60 - 40 2

4 Holzgas 5 10 30 0 55 1,75

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTOptimierter FLOX®- Brenner

Luft Variabler Abstand

Beweglicher Zylinder

- +

Gas

Luft

+ G

as

PLuftBrennraumGasdüsen

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse FLOX®- Brenner

BrenngasBrenngas: Erdgas: Erdgas

20 25 300123456789

10

012345678910

CO [

ppm

] be

i 15

vol.-

% 0

2

NO

x [ p

pm ]

bei 1

5 vo

l.- %

O2

Brennerleistung [KW]

CO, λ=2,5 NOx, λ=2,5 CO, λ=2 NOx, λ=2

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse FLOX®- Brenner

GasgemischGasgemisch: CH: CH44/N/N22

15 20 25 30 350,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

800

820

840

860

880

900

920

940

960

980

1000

NOx bei λ=2,0NOx

[ppm

] bei

15

Vol.-

%O

2

CH4 [Vol.-%]

T Abga

s in

[°C]

CO bei λ=2,0

CO [p

pm] b

ei 1

5 Vo

l.-%

O2

TAbgas

25 kW, GD-∅ = 3 mm, TLuft= 550 °C

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse FLOX®- Brenner

Gasgemisch Gasgemisch : CH: CH44/CO/CO22

20 25 30 350,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

2

4

6

8

10

12

14

NOx

NOx [

ppm

] bei

15

Vol.-

%O

2

CH4 [vol.-%]

CO

CO [p

pm] b

ei 1

5 Vo

l.-%

O2

Q = 25 kW, TLuft= 500 °C, λ = 2

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse FLOX®- Brenner

GasgemischGasgemisch: CH: CH44; CO; CO22; N; N22

CH4 CO2 N2 P λ CO NOx PLuft

Nr. [kW] [-]

1 20 40 40 25 1,7 7,3 0,42 33,6

2 20 60 20 25 1,6 11,7 0,39 32

800 - 900

TLuft

499

503

Gasgemisch

[ppm]

TWand

[vol.-%]

PGasTAbgas

98

98

[mbar]

810 - 920

[°C]

958

964

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse FLOX® - Brenner

GasgemischGasgemisch: 5 % CH: 5 % CH44; 10 % CO; 30 % H; 10 % CO; 30 % H22; 55 % N; 55 % N22

150 200 250 300 3500

1

2

3

4

5

6

7

5

10

15

20

25

NOx, λ = 3

Q= 25 kW, TLuft= 550°CNO

x[p

pm] b

ei15

Vol

.-%O

2

BK - Länge [mm]

CO, λ = 3

CO

[ppm

] bei

15 V

ol.-%

O2

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTOptimierter COSTAIR- Brenner

Gasdüsen

Hauptluft

PGas

PLuft

Brennerplatte

Brennraum

Luftverteiler

Luftöffnung

Gas

Gas

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse COSTAIR- Brenner

BrenngasBrenngas: Erdgas: Erdgas

20 25 30 35

2

4

6

8

10

0

5

10

15

20

25

30

35

NOx, λ=2,5 NOx, λ=3

NOx [

ppm

] bei

15

vol.-

% O

2

Brennerleistung [kW]

CO [p

pm] b

ei 1

5 vo

l.-%

O2

CO, λ=2,5 CO, λ=3

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse COSTAIR- Brenner

GasgemischGasgemisch: CH: CH44/N/N22

15 20 25 30 350

2

4

6

8

10

12

02468101214161820

NOx

NO

x [p

pm] b

ei 1

5 Vo

l.-%

O2

CH4 [vol.-%]

CO

CO

[ppm

] bei

15

Vol.-

% O

2

Q = 25 kW, TLuft = 500 °C, λ = 2,5

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse COSTAIR- Brenner

GasgemischGasgemisch: CH: CH44/N/N22

Q = 25 kW, TLuft = 500 °C, λ = 3

20 25 30 350

2

4

6

8

10

12

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

NOx bei λ =3,0

NO

x [p

pm] b

ei 1

5 Vo

l.-%

O2

CH4 [Vol.-%]

CO bei λ =3,0

CO

[ppm

] bei

15

Vol.-

% O

2

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse COSTAIR- Brenner

GasgemischGasgemisch: CH: CH44/CO/CO22

20 25 30 350

1

2

3

4

0

20

40

60

80

100 NOx

CO

[ppm

] bei

15

Vol.-

%O

2

NO

x [pp

m] b

ei 1

5 Vo

l.-%

O2

CH4 [vol.-%]

λ = 2,5

λ = 2,5

λ = 2λ = 2

CO

Q = 25 kW, Tair = 500 °C

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse COSTAIR- Brenner

GasgemischGasgemisch: CH: CH44; CO; CO22; N; N22

CH4 CO2 N2 P λ CO NOx PLuft

Nr. [kW] [-]

1 20 40 40 25 2 8,6 0,8 45

2 20 60 20 25 2 16 0,6 46

832 - 724

TLuft

519

513

Gasgemisch

[ppm]

TWand

[vol.-%]

PGas

84

88

[mbar]

855 - 777

TAbgas

[°C]

905

923

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse COSTAIR- Brenner

GasgemischGasgemisch: 5 % CH: 5 % CH44; 10 % CO; 30 % H; 10 % CO; 30 % H22; 55 % N; 55 % N22

150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

0

1

2

3

4

NOx

NO

x [pp

m] b

ei 1

5 Vo

l.-%

O2

CO

[ppm

] bei

15

Vol.-

% O

2

λ=2,5, TLuft=500°C

BK-Länge [mm]

CO

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTFlammenbilder von FLOX® und COSTAIR

Erdgas 20 % CH4; 80 % N2

5 % CH4; 10 % CO; 30 % H2; 55 % N2

FLOX®

COSTAIR

Betriebsbedingungen: 25 kW, TLuft = 500 °C , λ = 2

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTZusammenfassung (atmosphärisch)

CH4/N2 CH4 ≥ 15 Vol.-% ; λ ≤ 2,5 0,5 5

CH4/CO2 CH4 ≥ 25 Vol.-%; λ ≤ 2 0,5 7

CH4/CO2/N2 CH4 ≥ 20 Vol.-%; λ < 2 0,4 7

CH4/H2/CO/N2 λ ≤ 3,5 0,5 1

Gasgemisch Stabilitätsbereich NOx,min COmin

bei TLuft ca. 500 °C [ppm]

CH4/N2 CH4 ≥ 15 Vol.-% ; λ ≤ 3 1 2

CH4/CO2 CH4 ≥ 20 Vol.-%; λ ≤ 3 1 7

CH4/CO2/N2 CH4 ≥ 20 Vol.-%; λ ≤ 2,5 0, 6 8

CH4/H2/CO/N2 λ ≤ 3,5 5 1

FLO

X®C

OST

AIR

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTExperimentelle Untersuchungen

Experimentelle Untersuchungen unter

• atmosphärischen Bedingungen

• Druck bis zu 3 barE A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTLEAT Versuchsbrennkammer

Gassonde

Schraubenverdichter

Luft

LuftvorwärmerBrennraum

CH4

N2

Mischer

Gasdüsen

Luftdüsen

Thermoelemente

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTGT- Brennkammerprüfstand (LEAT)

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGT12- Düsen- FLOX ® - Brenner

Luftdüse

Luft

Gasgemisch

GasdüseL1

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse 12- Düsen- FLOX ® - Brenner

FLOX, Schwachgas(CH4/N2); 60kW; 450°C Lufttemperatur

0,0

3,0

6,0

9,0

12,0

1,25 1,5 1,75 2 2,25Luftzahl

NO

x [p

pm] @

15

Vol.-

% O

2

3 bar 20% CH43 bar 25% CH43 bar 33% CH4

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse 12- Düsen- FLOX ® - Brenner

Flox, Schwachgas(CH4/N2); 60 kW; 450°C Lufttemperatur

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

1,25 1,5 1,75 2 2,25

Luftzahl

CO

[ppm

] @ 1

5 Vo

l.-%

O2

3 bar 20% CH43 bar 25% CH43 bar 33% CH4

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTErgebnisse Costair- Brenner

Schwachgas, 3 bar, 60 kW, 450 °C

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,00

1

2

3

4

5

6

0

1

2

3

4

5

6

20/80

30/70

20/80

30/80Mixture

CH4/N2=30/70 and 20/80 vol.-%

NOx

Air ratio

CO

[ppm

] @ 1

5 Vo

l.-%

O2

NO

x [pp

m] @

15

Vol.-

%O

2

CO

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTZusammenfassung (Druckversuche)

12-Düsen-FLOX- Brenner und COSTAIR- Brenner unter Druckbedingungen erfolgreich getestet

atmosphärische Versuche des GWI bestätigt

NOx Emissionen unter Druck < 2 ppm bei Gasturbinenbedingungen

E A T

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTSchlussfolgerungen

• Die NOx - und CO- Emissionswerte sind < 10 ppm und unterschreiten deutlich die Grenzwerte der TA Luft 2002 für Gasturbinen. (TA-Luft-Grenzwerte für Deponie-, Bio- und Holzgas-verbrennung in Gasturbinen sind: NOx=150 mg/m3, CO = 100 mg/m3)

• Der Einsatz von Schwachgas unter Mikro-Gasturbinen-Bedingungen (Luftzahl und Lufttemperatur, Brennkammer-Belastung, Druckverlust, Wandtemperatur, etc.) ist möglich und es treten keine thermoakustischen Probleme auf.

Mit den Brennerkonzepten FLOX® und COSTAIR können Schwachgase mit Heizwerten Hu < 3 kWh/m3 effektiv und schadstoffarm in Mikro-Gasturbinen eingesetzt werden.

GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTDanksagung (1)

Das Forschungsprojekt (AiF-Projekt-Nr.: 13216 N) wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen - AiF gefördert.