Experimentelle Charakterisierung eines atmosphärisch betriebenen, FLOX-basierten Mikrogasturbinenbrenners für Erdgas

Abstract

Als Baustein bei der Umsetzung der Energiewende bieten sich dezentrale, gasturbinen-basierte Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung an, da diese neben elektrischer Energie ebenfalls Wärme in einem nutzbaren Umfang zur Verfügung stellen. Gleichzeitig ermöglicht die gute Teillastfähigkeit der Mikrogasturbine (MGT) eine dynamische Pufferung von Netzschwankungen. Um MGTs im Vergleich zu Gasmotoren konkurrenzfähiger zu gestalten, ist eine weitere Optimierung des elektrischen Anlagenwirkungsgrads notwendig. Darüber hinaus würden weitere Verbesserungen der Systemkomponenten hinsichtlich Schadstoffemissionen, Brennstoffflexibilität und Zuverlässigkeit die Marktfähigkeit der MGT Systeme weiter fördern. Dabei kommt der Gasturbinenbrennkammer als einer der Kernkomponenten eine entscheidende Bedeutung zu. Ein vielversprechendes Konzept zur Erreichung der herausfordernden Ziele ist der Einsatz der Flammenlosen Oxidation (FLOX®), welche sich im Industrieofenbau durch geringe Schadstoffemissionen, hohe Brennstoffflexibilität und geringen Druckverlust auszeichnet. Auf der anderen Seite wurde dieses Verbrennungsverfahren bisher noch nie in einer Gasturbinenbrennkammer unter realen Bedingungen eingesetzt. Das Ziel ist daher die Entwicklung eines erdgasbetriebenen, FLOX®-basierten Brennersystems für eine Turbec T100 MGT, welche im gesamten gasturbinen-relevanten Lastbereich zuverlässig und emissionsarm betrieben werden kann. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der experimentellen Charakterisierung von neuen FLOX®-Brennervarianten auf einem atmosphärischen Einzelbrennerprüfstand. Dabei wurden MGT-typische Vorwärmtemperaturen und druckskalierte Massenströme realisiert, so dass eine Emulation des MGT-Betriebs möglich war. Zunächst wurden anhand eines einstufigen, teilvorgemischten FLOX®-Brenners das grundlegende Verbrennungsverhalten, die Abgasemissionen und der mögliche Arbeitsbereich als Funktion der Vorwärmtemperatur, der Luftzahl und der thermischen Leistung analysiert. Eingesetzt wurden hier sowohl die Detektion der OH*-Chemolumineszenz zur Charakterisierung der globalen Reaktionszonen als auch eine Gasanalytik zur Messung der Schadstoffemissionen. Die Brenner wiesen insgesamt einen weiten Arbeitsbereich auf mit einer Luftzahl beim mageren Verlöschen des Volllastpunkts von 3,1. Bei Teillast stiegen die erreichbaren Luftzahlen weiter an. Die Flammenuntersuchungen zeigten bei kleinen Luftzahlen diskrete, separierte Reaktionzonen oberhalb der Düsenaustritte, welche mit steigender Luftzahl zu einer homogenen Reaktionszone verschmolzen und ab einer Grenzluftzahl insgesamt ins Volumen expandierten. Ein vergleichbares Verhalten wurde beim Absenken der Vorwärmtemperatur sowie bei der Reduzierung der thermischen Leistung beobachtet. Dieses Verhalten konnte in Beziehung zur leistungs- und vorwärmtemperatur-spezifischen, mageren Verlöschgrenze gesetzt werden, was eine globale Beschreibung des Verhaltens ermöglichte. Trotz des weiten Arbeitsbereiches des einstufigen Brenners zeigte sich beim Vergleich mit der MGT-Lastlinie die Notwendigkeit zu einer Verbesserung der Stabilisierung bei Teillast. Daher wurde eine zweistufige Brennervariante mit zentral angeordneter, drall-stabilisierter Pilotstufe entwickelt. Durch den Pilotbrenner konnte bei Teillast eine deutliche Erweiterung des Arbeitsbereichs erzielt werden. Um die Interaktion zwischen Pilot- und Hauptstufe sowie die Turbulenz-Chemie-Interaktion näher untersuchen zu können, wurden an ausgewählten Lastpunkten die planare laserinduzierte Floureszenz am OH-Radikal (OH-PLIF) und Particle Image Velocimetry (PIV) in verschiedenen Lichtschnittebenen gemessen. Die Erfassung der Messsignale erfolgte an einigen Lastpunkten simultan. Anhand der aus den OH-PLIF Daten abgeleiteten lokalen Reaktionszonen konnte ebenfalls eine starke Vergrößerung des eingenommenen Reaktionsraums für steigende Luftzahlen beobachtet werden. Ferner wurde der Einfluss des Pilotbrenners auf die Stabilisierung der Hauptstufe beschrieben. Des Weiteren wurde mittels der PIV Daten eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone quantifiziert, welche Radikale und Wärme zu den eintretenden Frischgasstrahlen zurückführt. Durch die Kombination aus OH-PLIF und PIV Daten konnte gezeigt werden, dass die Turbulenz-Chemie-Interaktion mit steigender Luftzahl stark zunimmt und das Verbrennungsverhalten signifikant beeinflusst. Ausgewählte Lastpunkte wurden dabei in das Diagramm zur Klassifizierung turbulenter Vormischflammen eingeordnet und wiesen an der Stelle, an welcher die Verbrennung ins Volumen expandierte, einen Regimeübergang auf. Abschließend wurde eine erste Optimierung der Brennstoffaufteilung zwischen Haupt- und Pilotstufe hinsichtlich der Abgasemissionen für alle MGT-relevanten Lastpunkte durchgeführt. Dabei wurden bei Vollastbedingungen NOx-Emissionen von 5 ppm (bei 15 Vol-% O2), CO-Werte von 20 ppm und UHC-Emissionen unterhalb der Nachweisgrenze erzielt. Ferner wurde ein relativer Brennerdruckverlust von 2,9% erreicht. Im Rahmen der Arbeit wurde ein im gesamten MGT-Arbeitsbereich voll funktionsfähiger, emissionsarmer, zweistufiger FLOX®-Brenner entwickelt. Mit Hilfe der eingesetzten Messtechniken wurden für die Brennervarianten eine systematische Charakterisierung des Flammenverhaltens durchgeführt und ein umfangreicher Datensatz generiert, welcher als Basis für eine Validierung der im Entwicklungsprozess eingesetzten numerischen Modelle dient.