DE19516829A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine.

Eine Gasturbine besteht üblicherweise aus einem Kompressor­ teil, einem Brennerteil und einem Turbinenteil. Der Kompres­ sorteil und der Turbinenteil befinden sich üblicherweise auf einer gemeinsamen Welle, die gleichzeitig einen Generator zur Elektrizitätserzeugung antreibt. Im Kompressorteil wird vor­ gewärmte Frischluft auf den im Brennerteil erforderlichen Druck verdichtet. Im Brennerteil wird die verdichtete und vorgewärmte Frischluft mit einem Brennstoff, wie z. B. Erdgas oder Erdöl, verbrannt. Das heiße Brennerabgas wird dem Turbi­ nenteil zugeführt und dort entspannt.

Eine detaillierte Information über den Aufbau und die Verwen­ dung von Gasturbinen gibt die Firmenschrift "Gas Turbines and Gas Turbine Power Plants" der Siemens AG, Mai 1994, Bestnr. A96001-U124-A259-V1-7600.

Bei der Verbrennung der verdichteten und vorgewärmten Frisch­ luft mit dem Brenngas entstehen als besonders unerwünschte Verbrennungsprodukte auch Stickoxide NO_x. Diese Stickoxide gelten neben Schwefeldioxid SO₂ als Hauptverursacher für das Umweltproblem des sauren Regens. Man ist daher - auch auf­ grund strenger gesetzlicher Grenzwertvorgaben für den NO_x- Ausstoß - gewillt, den NO_x-Ausstoß von einer Gasturbine be­ sonders gering zu halten und dabei gleichzeitig die Leistung der Gasturbine weitgehend nicht zu beeinflussen.

So wirkt beispielsweise die Flammtemperaturabsenkung im Bren­ nerteil als stickoxidmindernd. Hierbei wird dem Brenngas oder der komprimierten und vorgewärmten Frischluft Wasserdampf beigefügt oder Wasser in den Brennraum eingespritzt. Solche Maßnahmen, die den Stickoxidausstoß der Gasturbine per se verringern, werden auch als Primärmaßnahmen zur Stickoxid­ minderung bezeichnet.

Dementsprechend werden als Sekundärmaßnahmen alle Maßnahmen bezeichnet, bei denen einmal im Abgas einer Gasturbine - oder auch grundsätzlich eines Verbrennungsprozesses - enthaltene Stickoxide durch nachträgliche Maßnahmen verringert werden.

Hierzu hat sich weltweit das Verfahren der selektiven kataly­ tischen Reduktion (SCR) durchgesetzt, bei dem die Stickoxide zusammen mit einem Reduktionsmittel, meist Ammoniak, an einem Katalysator kontaktiert werden und dabei Stickstoff und Wasser bilden. Mit dem Einsatz dieser Technologie ist daher zwangsläufig der Verbrauch von Reduktionsmittel verbunden. Die im Abgaskanal angeordneten Katalysatoren zur Stickoxid­ minderung verursachen naturgemäß einen Druckabfall in der Rauchgasleitung, der einen Leistungsabfall der Turbine nach sich zieht. Selbst ein Leistungsabfall in Höhe von einigen Promille wirkt sich bei einer Leistung der Gasturbine von beispielsweise 150 MW und einem Stromverkaufspreis von etwa 0,15 DM /kWh Strom gravierend auf das mit einer solchen Ein­ richtung erzielbare Ergebnis aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur­ bine mit besonders geringem Stickoxidausstoß anzugeben, bei der gleichzeitig die mit einem Katalysatoreinsatz in der Rauchgasleitung verbundenen Nachteile besonders gering sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Gasturbine der eingangs genann­ ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der mit dem Brennerabgas in Berührung kommenden Oberflä­ chen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist.

Auf diese Weise wird bereits in der Gasturbine eine Sekundär­ maßnahme zur Stickoxidminderung ergriffen. Diese Maßnahme kommt dabei ohne ein zusätzliches Reduktionsmittel aus, weil die Stickoxide zusammen mit Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid und anschließend zu Stickstoff und Sau­ erstoff reagieren. Aufgrund der hohen Abgastemperatur zeich­ net sich diese Maßnahme durch eine hohe Effizienz aus.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die verfügbaren ruhenden Teile und Oberflächen des Innenraums mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen. Ebenso gut können alternativ oder auch zusätzlich die Turbinenschaufeln und/oder die Oberflächen des Brennerabgasauslasses mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein.

Aufgrund der in Strömungsrichtung des Brennerabgas es abneh­ menden Abgastemperatur ist es für die Stickoxidminderung be­ sonders vorteilhaft, wenn die katalytisch aktive Beschichtung in Strömungsrichtung des Abgases eine unterschiedliche chemi­ sche Zusammensetzung zur Anpassung der Beschichtung an diese abnehmende Abgastemperatur aufweist.

Als katalytisch aktive Beschichtung eignen sich besonders die nachfolgenden Stoffe: Perowskite der Elemente Lanthan, Mangan und Strontium, Nickel-Chrom-Cermets und Aluminiumsilikate mit Dreischichtstruktur. Hierbei kann das Aluminiumsilikat in be­ sonders vorteilhafter Weise ionengetauscht sein. So können beispielsweise Calcium- und/oder Magnesiumionen gegen Ionen der Metalle Zink, Mangan, Chrom, Cer oder Lanthan ausge­ tauscht sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Gasturbine 2. In der Darstellung erkennt man einen Kompressorteil 4, jeweils einen auf gegenüberliegenden Seiten der Turbinenwelle 10 angeordne­ ten Brennerteil 6 und einen Turbinenteil 8. Die Turbinenwelle 10 ist mittels zwei Lagern 12, 14 gelagert.

Im Kompressorteil sind auf der Turbinenwelle 10 Kompressor­ schaufeln 16 ringförmig angeordnet, die Frischluft 18 in den Kompressorteil hereinsaugen und verdichten. Der Kompressor­ teil 4 wird mit Ausnahme von volumenmäßig vergleichsweise ge­ ringen Teilströmen 20 von vorgewärmter und auf den Eintritts­ druck der Brennkammern 22 verdichteter Verbrennungsluft 24 verlassen.

Die Verbrennungsluft 24 wird in Brennern 26 zusammen mit über Brennstoffzuführungsleitungen 28 herangeführtem Brennstoff 30, wie z. B. Erdgas oder Erdöl, in der Brennkammer 22 zu ei­ nem heißen Brennerabgas 32 verbrannt, symbolisiert darge­ stellt durch die Brennerflammen 34. Bei diesem Verbrennungs­ prozeß entstehen aufgrund der relativ hohen Flammtemperatur von etwa 1100°C Stickoxide. Zwar ist man bemüht, durch Ein­ leiten von kleinen Teilströmen 36 der Verbrennungsluft 24 die Flammtemperatur abzusenken, um hierdurch die Bildung von Stickoxiden herabzusetzen. Eine möglichst hohe Temperatur des Brennerabgases 32 am Turbineneintritt ist jedoch für den mit der Gasturbine 2 erreichbaren Wirkungsgrad entscheidend. In Abhängigkeit vom verwendeten Brennstoff enthält das Brenner­ abgas 32 unvermeidbar zwischen 50 und 500 ppm Stickoxide.

Zur Minderung des Stickoxidgehalts ist es bereits in der Brennkammer 22 vorgesehen, die mit Hitzeschilden ausgekleide­ ten Oberflächen (durch das Gitterraster angedeutet) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zu versehen. Diese Beschich­ tung besteht im Ausführungsbeispiel aus hitzebeständigen und zugleich katalytisch aktiven Perowskiten, beispielsweise aus einem Lanthan-Mangan-Perowskit und/oder aus einem Lanthan-Ko­ balt-Perowskit und/oder aus einem Lanthan-Chrom-Perowskit, wie z. B. La_1-nSr_n(Mn_1-y-zCo_yCr_z)O_3-x oder La_1-nCa_n(Mn_{2-y- z}Co_yCr_z)O_3-x. Solche Schichten können beispielsweise durch Plasma- oder Flammspritzen, durch Sputtern, durch elektrosta­ tische Pulverbeschichtung, durch die CVD/PVD-Beschichtung oder ähnliche im Stand der Technik bekannte Beschichtungsver­ fahren aufgebracht werden. Die Dicke dieser katalytisch akti­ ven Beschichtung beträgt 5 bis 500 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 100 µm.

Ebenso verfügt der nicht mit Hitzeschilden armierte Teil der Brennkammern 22 über eine katalytisch aktive Beschichtung 38, die durch die als besonders dick gezeichneten Wandungen des Brennerabgasweges symbolisiert ist. Die katalytisch aktive Beschichtung 38 hat dabei dieselbe Zusammensetzung wie die vorstehend für den armierten Teil der Brennkammern 22 be­ schriebene Beschichtung.

Das Brennerabgas 32 wird anschließend durch das Passieren der Turbinenschaufeln 40 des Turbinenteils 8 entspannt. Die Tur­ binenschaufeln 40 werden dabei mittels der Teilströme 20 ge­ kühlt. Die Turbinenschaufeln 40 weisen ebenfalls eine kataly­ tisch aktive Beschichtung 38 auf, die aufgrund der an den Turbinenschaufeln 40 herrschenden Fliehkräfte, bedingt durch eine Drehfrequenz der Gasturbine 2 von 50 oder 60 Hz ver­ gleichsweise dünn ausgeführt ist. Auch diese katalytisch ak­ tive Beschichtung kann aus dem vorstehend genannten Material bestehen. Die katalytisch aktive Beschichtung 38 ist auch hier durch die als besonders dick gezeichneten Ränder der Turbinenschaufeln 40 symbolisiert.

Das im Turbinenteil 8 entspannte Brennerabgas 32′ strömt an­ schließend mit einer Temperatur von etwa 700°C durch einen Brennerabgasauslaß 42 einem hier nicht weiter dargestellten Abhitzedampferzeuger zu. Der Brennerabgasauslaß 42 sowie das Gehäuse 44 des Lagers 14 weisen ebenfalls die katalytisch ak­ tive Beschichtung 38 auf. Diese besteht hier aus einem Mate­ rial, welches nicht mehr die Temperaturbeständigkeit haben muß wie das Material der katalytisch aktiven Beschichtung 38 im Brennerteil 6 und im heißen Turbinenteil 8. Die Beschich­ tung besteht hier aus einem Aluminiumsilikat mit Dreischicht­ struktur, wie z. B. einem Montmorellonit oder Saponit oder ähnlichen Glimmermineralien. Zur Erhöhung der katalytischen Aktivität dieses Materials wird es zuvor ionengetauscht, d. h. aus dem Gitter des Aluminiumsilikats werden vergleichsweise gering aktive Ionen, wie Magnesium und Calcium, entfernt und durch katalytisch aktivere Ionen, wie z. B. Lanthan, Cer, Chrom, Mangan oder Zink, ersetzt.

Aufgrund der bereits in der Gasturbine vorgesehenen kataly­ tisch aktiven Beschichtung 38 wird ein Teil der bei dem Ver­ brennungsvorgang entstehenden Stickoxide vor dem Austritt des Brennerabgases 32 in nachfolgende Komponenten, gesehen in Strömungsrichtung des Brennerabgases 32, eliminiert. Auf diese Weise können eventuell in der hier nicht weiter darge­ stellten Brennerabgasleitung vorgesehene DeNO_x-Katalysatoren, die nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren) arbeiten, bezüglich ihres Volumens besonders gering ausgeführt werden. Ein besonderer Vorteil dieser er­ findungsgemäßen Gasturbinen 2 ist die Tatsache, daß für den Abbau der Stickoxide kein Reduktionsmittel benötigt wird, welches zuvor in das Brennerabgas 32 eingebracht werden müßte.

Claims (9)

1. Gasturbine (2), bei der zumindest ein Teil der mit dem Brennerabgas (32, 32′) in Berührung kommenden Oberflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen ist.

2. Gasturbine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ver­ fügbaren ruhenden Teile und Oberflächen des Innenraums mit der katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen sind.

3. Gasturbine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tur­ binenschaufeln (40) mit der katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen sind.

4. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ flächen des Brennerabgasauslasses (42) mit der katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen sind.

5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) in Strömungsrichtung des Brennerabgases (32, 32′) eine unterschiedliche chemische Zu­ sammensetzung zur Anpassung der Beschichtung an die in Strö­ mungsrichtung des Brennerabgases (32, 32′) sinkende Abgastem­ peratur aufweist.

6. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) Perowskite der Elemente Lanthan, Mangan und Strontium umfaßt.

7. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) Nickel-Chrom-Cermets umfaßt.

8. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) ein Aluminiumsilikat mit Dreischichtstruktur umfaßt.

9. Gasturbine (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Alu­ miniumsilikat ionengetauscht ist.