Beschreibung

Brenneranordnung für eine Brennkammer, zugehörige Brennkammer sowie Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung für eine Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer o- der für eine Dampferzeugerbrennkammer, mit einer Mehrzahl von Brennern, die jeweils für die Verbrennung eines kohlenstoff- haltigen Brennstoffs unter Zufuhr von als Oxidationsmittel wirksamen reinem Sauerstoff ausgelegt sind. Die Erfindung be ^¬ zieht sich ferner auf eine Brennkammer und auf einen Dampferzeuger mit einer Brennkammer sowie auf eine Gasturbine mit einer Brennkammer. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs unter Zufuhr von reinem Sauerstoff in einer derartigen Brennkammer .

Die Bemühungen zur Begrenzung des CO ₂ -bedingten Klimawandels haben zu einer ganzen Reihe von technischen Optionen zur Realisierung emissionsarmer, fossilbefeuerter thermischer Kraftwerke geführt. Vergleiche von Kraftwerkskonzepten unterschiedlichen Typs mit einer CO ₂ -Abtrennung haben gezeigt, dass die so genannten Oxifuel-Prozesse in technischer Hin- sieht und vom zu erwartenden Wirkungsgrad her besonders güns ^¬ tige Eigenschaften aufweisen. Zudem stellen sich Marktreife, Investitionskosten und Betriebskosten als günstig dar.

Beim Oxyfuel-Prozess wird anstelle von stickstoffhaltiger Verbrennungsluft ein Sauerstoffström von hoher Reinheit (bis zu 99, 9 %) als Oxidationsmittel in die Brennkammer eines Dampferzeugers oder einer Gasturbine eingeleitet, welcher zu ^¬ vor unter Abtrennung des Stickstoffanteils in einer zugeord ^¬ neten Luftzerlegungsanlage aus angesaugter Umgebungsluft ex- trahiert wurde. Dadurch fallen als Verbrennungsprodukte bei der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffs im Idealfall nur Kohlendioxyd (CO ₂ ) und Wasserdampf (H ₂ O) an; Stickoxide (NO _x ) und andere Schadstoffe entstehen nur in ver-

gleichsweise geringen Mengen aufgrund von im Brennstoff ent ^¬ haltenen Anteilen oder Verunreinigungen. Damit enthält der aus der Brennkammer abströmende Abgasstrom nach der Kondensation des Wasserdampfanteils praktisch nur noch Kohlendioxyd (CO ₂ ) , welches beispielsweise als Verdrängermedium zur För ^¬ dermengenerhöhung bei nahezu erschöpften Erdöl- und Erdgasvorkommen kommerziell verwendet oder in salinen Aquiferen unterirdisch und damit klimaunwirksam deponiert werden kann.

Die technische Machbarkeit derartiger „Null-Emissions-Kraft ^¬ werke" soll derzeit in einigen Pilotprojekten und Forschungs ^¬ anlagen nachgewiesen werden, wobei insbesondere die entspre ^¬ chenden Feuerungskonzepte noch Gegenstand intensiver For ^¬ schung sind. Generell hat die Feuerung bei Kraftwerksprozes- sen und Prozessen zur Nutzwärmeerzeugung einen wesentlichen

Einfluss auf den Wirkungsgrad, und zwar sowohl in thermischer Hinsicht als auch vom Standpunkt der Emissionsvermeidung her. Dies gilt bei Oxyfuel-Prozessen sogar noch in verstärktem Maße, so dass der Aufwand für entsprechende Forschungsvorhaben und Optimierungsmaßnahmen gerechtfertigt ist.

Ideal wäre bei räumlich homogenen Bedingungen in der Brennkammer eine stöchiometrische Verbrennung, bei der Brennstoff ^¬ massenstrom und der Sauerstoffmassenstrom in Relation zuein- ander so eingestellt werden, wie dies bei der vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxyd und Wasserdampf durch die zugehörige chemische Reaktionsgleichung gefordert wird. Damit könnten neben den Abgasverlusten auch der Eigenbedarf für Frischlüfter, Saugzüge etc. beziehungsweise die dort auftretenden Ansaugverluste minimiert werden. In der

Praxis besteht ein erstes Problem bei der angestrebten stö- chiometrischen Verbrennung jedoch bereits darin, dass aufgrund unvermeidlicher Inhomogenitäten in der Verbrennungszone der Brennkammer, die alleine schon von der Flammenausdehnung, der Strömungsdynamik usw. herrühren, nicht garantiert werden kann, dass in allen Bereichen des Feuerraumes oder der Flamme genau die Sauerstoffmenge zur Verfügung steht, die (lokal) für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs notwendig

ist. Dadurch entstehen im Rauchgas Strähnen mit Sauerstoff- überschuss und Sauerstoffmangel, die sich aufgrund der hohen Viskosität heißer Gase nur unzureichend vermischen. Die Folge sind unerwünscht hohe (Rest-) Emissionen von Kohlenmonoxyd (CO) und Kohlenwasserstoffen (C _n H _1n ) .

Ein zweites, für die technische Realisierung des Oxyfuel-Ver- fahrens schwerwiegenderes Problem besteht darin, dass für viele Feuerungsarten und Brennstoffe die innerhalb der Brenn- kammer auftretenden Verbrennungstemperaturen die maximal zulässigen Materialtemperaturen der angrenzenden Brennkammerwände überschreiten. Im Fall einer nicht ganz vollständigen Oxyfuel-Verbrennung entstehen zudem Ascherückstände, für deren vernünftige Handhabung gewisse obere Grenztemperaturen ebenfalls nicht überschritten werden sollten. Gerade bei der nahstöchiometrischen Verbrennung mit reinem Sauerstoff als Oxydationsmittel werden derartige Probleme besonders ekla ^¬ tant, da dabei Temperaturen von über 3000 ⁰ C auftreten können .

Um eine Beschädigung der Brennkammer durch unerlaubt hohe Temperaturen zu vermeiden, wurden daher verschiedene Konzepte zur Senkung der Verbrennungstemperaturen entwickelt. Allen bislang vorgeschlagenen Oxyfuel-Prozessen ist dabei die nah- stöchiometrische Oxidation des Brennstoffs in einem Inertgas ^¬ gemisch gemeinsam. Gemäß einem ersten vorgeschlagenen Verbrennungskonzept kann beispielsweise eine interne Rauchgas- rezirkulation vorgesehen sein, wie sie bei so genannten FLOX- Brennern zur Anwendung kommt. Durch die Beimischung des Rauchgases erfolgt der Verbrennungsprozess nicht-adiabat . Das heißt, den Verbrennungszonen wird bereits während der Verbrennung Wärme entzogen und auf das bereits abgekühlte, re ^¬ zirkulierte Rauchgas übertragen, so dass die lokalen Spitzen ^¬ temperaturen innerhalb der Brennkammer deutlich gesenkt wer- den. Ein Nachteil dieses Konzepts besteht jedoch darin, dass die Brennkammer und die ihr nachgeschalteten abgasführenden Komponenten für vergleichsweise hohe Volumen- beziehungsweise Massenströme ausgelegt sein müssen, was eine entsprechend vo-

luminöse Bauweise mit großen Strömungsquerschnitten bedingt. Damit fallen für eine derartige Kraftwerksanlage relativ hohe Fertigstellungskosten an.

Außerdem ist es bei einem auf diesem Prinzip beruhenden

Dampferzeuger erforderlich, relativ große Wärmemengen durch konvektive Wärmeübertragung zur Verdampfung oder überhitzung des Speisewassers nutzbar zu machen, wozu entsprechend groß dimensionierte, in den Gaszug eingehängte Konvektionsheizflä- chen notwendig sind. Unter energetischen Gesichtspunkten wäre es in der Regel aber wünschenswert, den Anteil der Strah ^¬ lungswärme an der Gesamtfeuerungsleistung möglichst groß zu halten .

Alternativ zur Rauchgasrezirkulation kann gemäß einem zweiten Verbrennungskonzept auch eine Flammenkühlung durch Eindüsen von Wasser oder Dampf oder durch die Verwendung von feuchten Brennstoffen vorgesehen sein. Wie bei der Rauchgasrezirkulation wird allerdings auch hier die Reduzierung der Feuerungs- temperatur mit erhöhten Abgasverlusten erkauft, da die Erhöhung des Rauchgasmassenstroms den Wirkungsgrad der Energieum ^¬ wandlung prinzipiell herabsetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art und eine zugehörige Brennkammer anzugeben, die bei einfach und kostengünstig gehaltener Bau- und Betriebsweise unter Rückgriff auf geeignete Feuerungskonzepte eine Verbrennung eines kohlen ^¬ stoffhaltigen Brennstoffs nach dem Oxyfuel-Verfahren mit ei- nem besonders hohen energetischen Wirkungsgrad und mit beson ^¬ ders geringen Restemissionen ermöglichen. Weiterhin soll ein besonders geeignetes Betriebsverfahren für eine auf derarti ^¬ gen Prinzipien beruhende Anlage angegeben werden.

In Bezug auf die Brenneranordnung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem ein erster Brenner derart aus ^¬ gelegt ist, dass das Verhältnis der ihm im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stöchiometrisch

notwendigen Sauerstoffmenge größer ist als für einen zweiten, in Richtung der Rauchgasströmung gesehen weiter stromab liegenden Brenner.

Vorteilhafterweise ist dabei in Richtung der Rauchgasströmung gesehen zumindest ein für einen Normalbetrieb mit Sauerstoff- überschuss ausgelegter Brenner vor einem Brenner angeordnet, der für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffmangel ausgelegt ist .

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, dass zur Vermeidung der mit einer Rauchgasrezirkulation verbundenen Nachteile die Feuerung in einer nach dem Oxyfuel-Prinzip arbeitenden Brennkammer einer Gasturbine oder eines Dampferzeu- gers derart ausgestaltet sein sollte, dass die Verbrennungs ^¬ enthalpie des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs nur schrittwei ^¬ se in Stufen freigesetzt wird und so durch die räumliche Ver ^¬ teilung der Wärmefreisetzung eine ausreichende Kühlung der den Feuerungsbereich begrenzenden Brennkammerwände - bei ei- nem Dampferzeuger durch das zu verdampfende Strömungsmedium und bei einer Gasturbinenbrennkammer z. B. durch ein externes Kühlmedium - möglich wird.

Bei der konkreten Ausgestaltung und technischen Umsetzung dieses Prinzips der gestuften Verbrennung kommt zunächst eine Brenneranordnung mit in mehreren Brennerebenen gestaffelt angeordneten Brennern in Betracht, bei der die in Strömungs ^¬ richtung des Rauchgases gesehen zuerst angeordneten Brenner für einen Betrieb mit Sauerstoffmangel, die weiter stromab angeordneten Brenner mit Sauerstoffüberschuss ausgelegt sind. Eine derartige Anordnung, bei der also das Verhältnis λ der einem Brenner im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur - bezogen auf den Brennstoffmassenstrom - stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge für die rauchgas- seitig ersten Brennerebenen kleiner ist als für die letzten, hat sich beispielsweise bei herkömmlichen Verbrennungsprozes ^¬ sen bewährt, bei denen stickstoffhaltige Verbrennungsluft in die Brennkammer eingeleitet wird. Auf diese Weise kann bei

derartigen Anlagen insbesondere eine Minderung der NO _x -Emis- sionen bewirkt werden, wobei die Wirksamkeit des Konzeptes vor allem darauf beruht, dass die mit einer überstöchiometri- schen Sauerstoffzufuhr arbeitenden Brenner am rauchgasaus- trittsseitigen Ende der Brennkammer in diesem Bereich aufgrund der vergleichsweise hohen Eintrittsimpulse für eine be ^¬ sonders gleichmäßige Vermischung der Verbrennungsatmosphäre sorgen. Damit werden nicht vollständig oxidierte Brennstoff ^¬ anteile und Zwischenprodukte des Verbrennungsprozesses in dieser Region der Brennkammer noch einmal besonders gut und vollständig umgesetzt bzw. oxidiert .

Nun hat sich allerdings überraschenderweise herausgestellt, dass dieses von herkömmlichen Verbrennungsprozessen bekannte und dort leicht einsichtige Konzept bei Verbrennungsvorgän ^¬ gen, die gemäß dem Oxyfuel-Verfahren in einer konzentrierten Sauerstoffatmosphäre ablaufen, im Hinblick auf die tempera- turseitig vorgegeben, durch die begrenzte Temperaturbeständigkeit der Brennkammerwerkstoffe auferlegten Randbedingungen nicht praktikabel oder zumindest unvorteilhaft ist. In einem derartigen Fall müssten nämlich die in Richtung der Rauchgasströmung zuerst angeordneten Brenner mit vergleichsweise großem Sauerstoffmangel (z. B. mit λ = 0,3) betrieben werden, wohingegen die Brenner der weiter stromab liegenden „oberen" Brennerebenen mit extrem hohem Sauerstoffüberschuss (z. B. mit λ = 5) betrieben werden müssten, um die zulässigen Verbrennungstemperaturen global gesehen nicht zu überschreiten. Am übergang zwischen überstöchiometrischen und unterstöchio- metrischen Brennern würden dabei unweigerlich sehr hohe Tem- peraturspitzen entstehen, die auch durch die Wärmeabfuhr über die Brennkammerwand nicht ausreichend gemindert werden könn ^¬ ten, so dass ein (lokales) überschreiten der zulässigen Verbrennungstemperaturen dort nicht vermeidbar wäre.

Aus diesem Grund ist gemäß dem nunmehr vorgeschlagenen Konzept eine „invers gestufte Feuerung" beziehungsweise eine „invers gestufte Sauerstoffzufuhr" vorgesehen, bei der zumindest ein Teil der für eine überstöchiometrische Betriebsweise

(d. h. mit Sauerstoffüberschuss) ausgelegten Brenner in Bezug auf die Rauchgasströmungsrichtung vor einer Anzahl von für unterstöchiometrischen Betrieb (d. h. mit Sauerstoffmangel) konzipierten Brennern angeordnet ist.

Zwar besteht bei einer derartigen Brenneranordnung prinzipiell die Gefahr, dass sich im Feuerraum lokal Strähnen aus Kohlenmonoxid (CO) ausbilden, die sich in den austrittsnah angeordneten „oberen" Brennerebenen aufgrund der dort ver- gleichsweise geringen Sauerstoffzufuhr und der kleineren Einströmimpulse nur schwer mit Sauerstoff untermischen lassen. Dies könnte unter Umständen unzulässig hohe CO-Emissionen verursachen. Jedoch ist diesem Problem im vorliegenden Fall dadurch entgegen gewirkt, dass aufgrund der ausgesprochen günstigen Verteilung der Verbrennungstemperaturen längs der

Rauchgasströmungsrichtung auch dann eine hinreichende Kühlung der Brennkammerwände durch das zu verdampfende Strömungsmedi ^¬ um (beziehungsweise durch das Kühlmedium im Fall einer Gas ^¬ turbine) erreichbar ist, wenn auf die ansonsten übliche Rauchgasrezirkulation verzichtet wird beziehungsweise die entsprechenden Rezirkulationsvolumenströme wesentlich geringer als bislang bei konventionellen Anlagen üblich ausgelegt werden. Daher kann die Brennkammer nunmehr vom Querschnitt her deutlich geringer gebaut werden als bei herkömmlichen Dampferzeugern mit vergleichbarer Feuerleistung, was die natürliche Durchmischung der Verbrennungsatmosphäre, insbeson ^¬ dere in den „oberen" Brennerebenen, fördert und die oben angesprochene CO-Problematik vom Ausmaß her wirkungsvoll be ^¬ grenzt .

In besonders vorteilhafter Weiterbildung des oben geschilderten Konzeptes ist eine Mehrzahl von in Strömungsrichtung des Rauchgases beabstandet angeordneten, jeweils eine Anzahl von Brennern aufweisenden Brennerebenen vorgesehen, wobei das Verhältnis λ der im Normalbetrieb pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur stöchiometrisch notwendigen Sauerstoffmenge, im Folgenden kurz als „Luftverhältnis" bezeichnet, für einen Brenner umso kleiner ist, je weiter er in Strömungs-

richtung des Rauchgases gesehen stromabwärts angeordnet ist. Mit anderen Worten: Der Auslegungswert von λ nimmt in Richtung der Rauchgasströmung monoton von Brennerebene zu Brennerebene ab.

Besonders günstige Verhältnisse liegen für eine große Klasse von relevanten Brennerkonfigurationen beispielsweise dann vor, wenn das Luftverhältnis für den oder die Brenner der in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen ersten Brennerebene größer als 3 ist und vorzugsweise etwa den Wert 5 besitzt, für den oder die Brenner der in Strömungsrichtung des Heizgases gesehenen letzten Brennerebene hingegen kleiner als 0,5 ist und vorzugsweise etwa den Wert 0,3 besitzt.

Dabei kann es weiterhin zweckmäßig sein, einer derart gebil ^¬ deten Hauptgruppe bzw. einem Hauptabschnitt von Brennern eine Anzahl von zusätzlichen Brennern in Richtung der Rauchgasströmung nachzuordnen, die jeweils für einen Normalbetrieb mit Sauerstoffüberschuss ausgelegt sind. Das heißt, es liegt dann beispielsweise eine Kaskade von Brennern mit λ = 5;

....; λ = 0,3; λ = 1,5 vor, wobei die zusätzliche überstö- chiometrische Brennerebene am Ende der Kaskade die vollstän ^¬ dige Umwandlung etwaig verbliebener CO-Strähnen in CO ₂ sicherstellt .

Alternativ oder zusätzlich können die in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen hinteren Brenner, z. B. der letzten oder der letzten beiden Brennerebenen, auch als Diffusionsbrenner ausgestaltet sein, bei denen der Sauerstoff und der Brennstoff ohne Vormischung in die Verbrennungsregion der

Brennkammer eingeleitet werden. Dabei dringt der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff durch Diffusion über den Flammenrand in die Flamme hinein, wodurch sich in diesem vergleichsweise kritischen Bereich der „invers gestuften" Brenneranord- nung besonders vorteilhafte Strömungs- und Durchmischungsver ^¬ hältnisse ausbilden.

Aus dem gleichen Grund können die in Rauchgasströmungsrich- tung hinteren (d. h. bei stehender Kesselbauweise oberen) Brennerebenen in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung für die Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs, der zum Beispiel in einem Vorvergaser des jeweiligen Brenners aus einem flüssigen Brennstoff erzeugt wird, ausgelegt sein. Auf diese Wei ^¬ se lassen sich nämlich in den „oberen" Brennerregionen auch bei vergleichsweise kleinen Volumenströmen relativ hohe Einströmimpulse erzielen, die für die Durchmischung der Verbren- nungsatmosphäre und damit für die Vermeidung von CO-Rückstän- den förderlich sind. Alternativ oder zusätzlich kann in diesem Bereich der Brennkammer auch eine Eindüsung von Wasser/ Wasserdampf vorgesehen sein. Dabei ist es in energetischer Hinsicht besonders günstig, wenn das in die Brennkammer ein- gedüste Wasser zusammen mit dem infolge der Verbrennungsvorgänge anfallenden Wasserdampf anschließend in einer Rauchgas- kondensationsanlage auskondensiert wird und die bei der Ver ^¬ dampfung aufgenommene Wärme wieder als Nutzwärme zurückgewon ^¬ nen wird.

Zur Verbesserung der Durchmischung im Bereich der „oberen", mit einer unterstöchiometrischen Sauerstoffmenge versorgten Brennerebenen kann auch eine Teil-Rezirkulation des Rauchgases in dieser Region vorgesehen sein. Es ist also vorteilhaf- terweise eine Rauchgas-Rezirkulationsleitung derart an die Brennkammer angeschlossen, dass die Einleitung des rezirkulierten Rauchgases in die Brennkammer ausschließlich im Bereich der in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen hinteren Brennerebenen erfolgt. Dabei ist der Rezirkulationsteil- ström im Vergleich zu herkömmlichen Brennerkonzepten und bislang angedachten Oxyfuel-Prozessen jedoch eher klein gehalten, um den Gesamtvolumenstrom durch die Brennkammer nicht unnötig stark zu erhöhen.

Schließlich ist es noch vorteilhaft, die Quervermischung und/oder den Drall der Rauchgasströmung im Brennkammerinnenraum durch darin angeordnete Strömungskörper oder Einbauten zu verbessern. Die Anordnung und Ausrichtung der Brennerdüsen

sollte ebenfalls auf dieses Auslegungsziel hin optimiert sein .

Das hier geschilderte Konzept kann bei Dampferzeugern von ganz unterschiedlicher Bauart zur Anwendung kommen und ist nicht auf stehende Dampfkessel beschränkt. Beispielsweise kann der Feuerraum bzw. die Brennkammer auch liegend angeordnet sein, wodurch für das Rauchgas eine im Wesentlichen horizontale Strömungsrichtung vorgegeben ist. Alternativ kann der Feuerraum auch gefaltet sein. überdies ist das Konzept der

„invers gestuften Feuerung" auch bei Gasturbinenbrennkammern einsetzbar .

In Bezug auf das Verfahren wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst, indem die jeweils einem ersten Brenner und einem zweiten, in Richtung der Rauchgasströmung gesehen weiter stromab liegenden Brenner pro Zeiteinheit zugeführte Sauer ^¬ stoffmenge und die jeweilige Brennstoffmenge in Relation zu ^¬ einander derart eingestellt werden, dass das Verhältnis λ der zugeführten Sauerstoffmenge zur stöchiometrisch notwendigen

Sauerstoffmenge für den ersten Brenner größer ist als für den zweiten. Vorteilhafterweise werden dabei die Brenner der in Strömungsrichtung des Rauchgases gesehen vorderen Brennerebenen mit Sauerstoffüberschuss (λ > 1) und die hinteren, kesselaustrittsseitig angeordneten Brennerebenen mit Sauerstoffmangel (λ < 1) betrieben.

Dabei kann beispielsweise in einem ersten Extremfall der Brennstoffmassenstrom für sämtliche Brenner jeweils gleich groß gewählt werden, wobei der Sauerstoffmassenstrom jeweils gemäß dem lokal angestrebten λ-Wert eingestellt wird (gestuf ^¬ te Sauerstoffzufuhr) . Selbstverständlich sind auch der umgekehrte Fall, bei dem der Sauerstoffmassenstrom für alle Brenner gleich groß ist und der jeweilige Brennstoffmassenstrom entsprechend der Zielvorgabe für die räumliche λ-Verteilung angepasst wird (gestufte Brennstoffzufuhr) , und alle dazwi ^¬ schen liegenden Varianten möglich. Bei der Befeuerung mit

Kohlenstaub beispielsweise ist von der Tendenz her eine ge ^¬ stufte Sauerstoffzufuhr vorteilhaft.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass durch die geschickte Kombination der Prinzipien „Oxyfuel-Verbrennung" und „invers gestufte Sauerstoffzu ^¬ fuhr" ein Befeuerungskonzept für einen Dampferzeuger realisierbar ist, das bei hohem energetischen Wirkungsgrad und bei gering gehaltener Schadstoffbelastung des Abgasstroms auf- grund der vergleichsweise moderaten Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer besonders geringe Anforderungen an die thermische Belastbarkeit der Umfassungswände und der daran angrenzenden Brennkammerkomponenten stellt, wodurch die Brennkammer vergleichsweise kostengünstig zu fertigen ist. Hinzu kommt, dass aufgrund des gegenüber herkömmlichen Tech ^¬ nologien wesentlich verringerten oder sogar ganz entfallenden Bedarfs an Rezirkulationsgas die diesbezüglichen Anlagenkomponenten für geringere Volumenströme konzipiert werden können beziehungsweise entfallen. Auch die Brennkammer selbst kann vom Durchmesser her deutlich kompakter als bislang notwendig ausgeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in jeweils schemati- scher Darstellung:

FIG 1 bis FIG 3 eine erste bis dritte Variante eines fos ^¬ sil beheizten Dampferzeugers im Längs ^¬ schnitt, dessen Brenneranordnung jeweils für eine „invers gestufte Befeuerung" auf der Grundlage des Oxyfuel-Prinzips ausge ^¬ legt ist.

Der in der FIG 1 dargestellte Dampferzeuger 2 weist einen aufrecht stehenden Dampfkessel 4 auf, dessen Umfassungswände 6 aus gasdicht miteinander verschweißten, jeweils zu Verdampfer-, überhitzer- oder Economizerheizflachen zusammengefass- ten Dampferzeugerrohren gebildet werden, in denen ein zu ver-

dampfendes Strömungsmedium, z. B. Wasser bzw. ein Wasser-/ Dampf-Gemisch, strömt. Zur Befeuerung des Dampferzeugers 2 ist eine Mehrzahl von Brennern 8 vorgesehen, die in einer o- berhalb eines trichterförmigen Bodenbereiches 10 befindlichen Brennkammer 12 angeordnet sind. Die Brenner 10 dienen zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen fossilen Brennstoffs, z. B. Kohle, Erdöl oder Erdgas, nach dem so genannten Oxy- fuel-Verfahren, bei dem anstelle von stickstoffhaltiger Umgebungsluft reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel in die Verbrennungszone der Brennkammer 12 eingeleitet wird. Der be ^¬ nötigte Sauerstoff wird in einer dem Dampferzeuger zugeord ^¬ neten LuftZerlegungsanlage (nicht dargestellt) gewonnen und über Rohrleitungen einer Vormischkammer des jeweiligen Brenners 8 zugeführt, in die auch eine zugehörige Brennstofflei- tung mündet.

Das bei der Verbrennung erzeugte, im Wesentlichen aus Kohlendioxid (CO ₂ ) und Wasserdampf (H ₂ O) bestehende Rauchgas R ver- lässt die Brennkammer 12 in vertikaler Strömungsrichtung 14 und durchströmt anschließend den nach oben hin sich an die

Brennkammer 12 anschließenden Abschnitt des Vertikalgaszuges 16, um dabei einen Großteil der in ihm enthaltenen Wärmemenge durch konvektiven Wärmeaustausch über die in den Gaszug 16 eingehängten Konvektionsheizflachen 18 an das darin geführte Strömungsmedium abzugeben, z. B. zur überhitzung des in den Verdampferrohren der Umfassungswände 6 erzeugten Dampfes. In einem dem Dampferzeuger rauchgasseitig nachgeschalteten Kondensator (nicht dargestellt) wird schließlich der im Rauchgas R enthaltene Wasseranteil abgetrennt, so dass nur noch reines Kohlendioxid als umweltschädliches Verbrennungsprodukt zu entsorgen oder einer anderweitigen Verwertung zuzuführen ist.

Für eine möglichst vollständige Verbrennung des kohlenstoff ^¬ haltigen Brennstoffs und seine Umsetzung in die gewünschten Verbrennungsprodukte CO ₂ und H ₂ O einerseits sowie für eine

Reduktion der auftretenden Verbrennungstemperaturen andererseits ist eine gestufte Brenneranordnung vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel sind die Brenner 8 in zehn übereinander-

liegenden Brennerebenen angeordnet, wobei die Brenner 8 direkt aufeinanderfolgender Stufen oder Ebenen jeweils räumlich gegeneinander versetzt sind. Ein für den Brennerbetrieb be ^¬ sonders relevante Kennzahl ist dabei das Verhältnis λ der ei- nem Brenner 8 pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge zur - bezogen auf den jeweiligen Brennstoffmassenstrom - stöchio- metrisch notwendigen Sauerstoffmenge gemäß der chemischen Reaktionsbilanz. In Abkehr der für Brennkammern herkömmlicher Bauart bei Zufuhr stickstoffhaltiger Verbrennungsluft maßgeb- liehen Auslegungsgrundsätze ist nunmehr im Rahmen der Oxy- fuel-Verbrennung eine Brennerkonfiguration vorgesehen, bei der die „überstöchiometrischen" Brenner mit Sauerstoffüber- schuss, d. h. mit λ > 1 unten, also am Beginn des Rauchgas- strömungskanals, angeordnet sind. Nach oben hin, also in Strömungsrichtung 14 des Rauchgases R nehmen die λ-Werte, wie aus der Figur ersichtlich ist, ab. Am rauchgasaustrittsseiti- gen, oberen Ende der Brennkammer 12 sind schließlich die für einen Betrieb mit unterstöchiometrischer Sauerstoffversorgung ausgelegten Brenner mit λ < 1 angeordnet. Die Verbrennungs- temperatur liegt über die gesamte Längsausdehnung der Brennkammer hinweg, d. h. von der ersten bis zur letzten Brennerebene, konstant bei etwa 1400 ⁰ C.

Infolge dieser Brennerkonfiguration ist beim Betrieb des Dampferzeugers 2 im Ausführungsbeispiel eine ansonsten übli ^¬ che, bei Oxyfuel-Prozessen zur Beherrschung der Verbrennungstemperaturen normalerweise zwingend notwendige Rauchgasrezir- kulation nicht erforderlich. Bei einem für eine Feuerwärmeleistung von 1000 MW ausgelegten Dampferzeuger beträgt der den Dampfkessel beziehungsweise den Gaszug durchsetzende Rauchgasmassenstrom gemäß Modellrechnungen lediglich etwa 180 kg/s, was wesentlich kleiner ist als der bei Dampferzeu ^¬ gern mit konventioneller Auslegung der Befeuerung und mit Rauchgasrezirkulation typischerweise zu erwartende Wert von etwa 480 kg/s. Dementsprechend kann der Dampferzeuger 2 im

Ausführungsbeispiel vom Querschnitt her wesentlich enger ge ^¬ baut werden als vergleichbare Dampferzeuger mit konventionel ^¬ ler Befeuerung; ausreichend ist eine Querschnittsfläche von

beispielsweise 8 m x 8 m (gegenüber sonst erforderlichen 13 m x 13 m) . Dadurch ist eine gute Querdurchmischung der Verbrennungsatmosphäre im Brennkammerinnenraum gewährleistet. Das Konzept der „invers gestuften Befeuerung" hat überdies das vorteilhafte Charakteristikum, dass bis zu 70 % der ge ^¬ samten Feuerwärmeleistung des Dampferzeugers 2 in Form von Strahlungswärme freigesetzt wird, die mit relativ hohem Wir ^¬ kungsgrad über das in den Verdampferrohren der Umfassungswand 6 geführte Strömungsmedium abtransportiert werden kann. Der restliche Anteil, etwa 30 %, wird auf das Rauchgas R übertra ^¬ gen, kann aber mit Hilfe der Konvektionsheizflachen 18 ebenfalls zum Teil wieder nutzbar gemacht werden.

Es versteht sich von selbst, dass der Fachmann zahlreiche De- tails der Brenneranordnung und -konfiguration an auslegungs- seitig vorgegebene Randbedingungen und kraftwerkspezifische Bedürfnisse anpassen und variieren kann, ohne den Rahmen des durch die Ansprüche spezifizierten erfinderischen Konzeptes zu verlassen. Aus der Gesamtheit der in diesem Zusammenhang denkbaren Brennerkonfigurationen sind in FIG 2 und FIG 3 noch zwei weitere, besonders vorteilhafte Varianten exemplarisch dargestellt, wobei die relevanten Betriebsparameter sich direkt der jeweiligen Figur entnehmen lassen.