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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
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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) .
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTMikro- Gasturbinen
Capstone Mikro-GasturbineTurbec Mikro-Gasturbine (T100)
Microturbo
Mikro-Gasturbine
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTHeizwert von Brenngasen
Beispiele für Schwachgase:
Deponiegas
Grubengas
Biogas
Klärgas
Produktgas
Holzgas
Heizwertvergleich verschiedener Brenngase
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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 %
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTVerbrennungskonzepte
Konzept der flammenlosen Oxidation
(FLOX®)
Konzept der kontinuierlichen Luftstufung
(COSTAIR)
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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
(( (((
(( (((
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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
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTExperimentelle Untersuchungen
Experimentelle Untersuchungen unter
• atmosphärischen BedingungenGASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN
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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
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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
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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
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTOptimierter FLOX®- Brenner
Luft Variabler Abstand
Beweglicher Zylinder
- +
Gas
Luft
+ G
as
PLuftBrennraumGasdüsen
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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
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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
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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
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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
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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
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTOptimierter COSTAIR- Brenner
Gasdüsen
Hauptluft
PGas
PLuft
Brennerplatte
Brennraum
Luftverteiler
Luftöffnung
Gas
Gas
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTExperimentelle Untersuchungen
Experimentelle Untersuchungen unter
• atmosphärischen Bedingungen
• Druck bis zu 3 barE A T
GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTLEAT Versuchsbrennkammer
Gassonde
Schraubenverdichter
Luft
LuftvorwärmerBrennraum
CH4
N2
Mischer
Gasdüsen
Luftdüsen
Thermoelemente
E A T
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGTGT- Brennkammerprüfstand (LEAT)
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GASWÄRME-INSTITUT E.V.ESSEN MGT12- Düsen- FLOX ® - Brenner
Luftdüse
Luft
Gasgemisch
GasdüseL1
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.