DE19521356A1 - Gasturbine, umfassend einen Verdichterteil, einen Brennerteil und einen Turbinenteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, welche einen Verdichterteil, einen Brennerteil und einen Turbinenteil auf­ weist.

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 Tur­ binenteil zugeführt und dort entspannt.

Eine detaillierte Information über den Aufbau und die Verwen­ dung von Gasturbinen gibt die Firmenschrift "Gasturbines and Gasturbine Power Plants" der Siemens AG, Mai 1994, Bestellnr. A 96001-U 124-A 259-V 1-7600.

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 als Hauptverursacher für das Um­ weltproblem des sauren Regens. Man ist daher - auch aufgrund strenger gesetzlicher Grenzwertvorgaben für den NO_x-Ausstoß - gewillt, den NO_x-Ausstoß von einer Gasturbine besonders ge­ ring zu halten und dabei gleichzeitig die Leistung der Gas­ turbine weitgehend nicht zu beeinflussen.

So wirkt beispielsweise die Flammtemperatur-Absenkung im Brennerteil als stickoxidmindernd. Hierbei wird dem Brenngas oder der komprimierten und vorgewärmten Frischluft Wasser­ dampf zugefügt oder Wasser in den Brennraum eingespritzt. Solche Maßnahmen, die den Stickoxidausstoß der Gasturbine per se verringern, werden als Primärmaßnahmen zur Stickoxidmin­ derung 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 Was­ ser 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 dem Ab­ gaskanal, der einen Leistungsabfall der Turbine nach sich zieht. Selbst ein Leistungsabfall in Höhe von einigen Promil­ le wirkt sich bei einer Leistung der Gasturbine von bei­ spielsweise 150 MW und einem Stromverkaufspreis von etwa 0,15 DM/kWh Strom gravierend auf das mit einer solchen Ein­ richtung erzielbare Ergebnis aus.

Bei den vorstehend beschriebenen Gasturbinen besteht daher grundsätzlich das Problem, daß jede dort vorgesehene Stick­ oxidminderung, primärer oder sekundärer Art, eine Leistungs­ einbuße oder eine Einbuße im Gesamtwirkungsgrad der Gasturbi­ nenanlage zur Konsequenz haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur­ bine anzugeben, welche sich durch besonders niedrige Stick­ oxidemissionen und gleichzeitig einen besonders hohen Wir­ kungsgrad auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Gasturbine, um­ fassend einen Verdichterteil, einen Brennerteil und einen Turbinenteil, gelöst, bei der im Brennerteil eine katalyti­ sche Brennkammer vorgesehen ist, wobei die Brennkammer im Strömungsrichtung eines Brenngas es eine im wesentlichen zy­ lindrische Ausdehnung hat und die dem Brenngas zuwendbare Wandung eine katalytisch aktive Beschichtung zur Oxidation des Brenngases aufweist.

Auf diese Weise wird durch die katalytisch induzierte Ver­ brennung des Brenngas es ein besonders niedriger Stickoxidge­ halt des Brennerabgases erreicht. Gleichzeitig sind Maßnahmen zur Flammtemperatur-Absenkung, wie beispielsweise Wasserein­ düsung oder Wasserdampf-Eindüsung, verzichtbar, so daß mit einer katalytischen Brennkammer besonders hohe Gastemperatu­ ren am Eintritt des Turbinenteils erreicht werden, wodurch mit einer solchen Gasturbine besonders hohe Wirkungsgrade bei der Brennstoffausnutzung erreichbar sind. Die im wesentlichen zylindrische Form der katalytischen Brennkammer und die kata­ lytisch aktive Beschichtung der Wandung tragen dazu bei, daß das Brenngas ausgehend von der Wandung zündet und ein Aus­ breiten der Flammenfront von der katalytisch aktiven Oberflä­ che der Wandung in die freie Strömung des Brenngas es ermög­ licht ist. Insbesondere die zylindrische Form trägt hierbei zu einer im wesentlichen konzentrischen und damit homogenen Verteilung der Flammenfront bei, wodurch eine vollständige und gleichmäßige Verbrennung des Brenngases resultiert.

Zur Erzielung einer besonders gut rotationssymmetrisch ausge­ bildeten Flammenfront ist es vorteilhaft, wenn eine Anzahl, zur Zylinderlängsachse der Brennkammer konzentrischer kataly­ tisch aktiv beschichteter Ringe vorgesehen ist.

Der Vorgang der Bildung einer weitgehend rotationssymmetri­ schen Flammenfront in der Brennkammer wird weiter unter­ stützt, wenn der oder die Ringe ausschließlich im äußeren Bereich des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts der Brennkammer angeordnet sind.

Zur Absenkung der katalytischen Zündtemperatur des Brenngas es in der Brennkammer ist es besonders vorteilhaft, wenn der Brennkammer ein Brenngas, umfassend einen Brennstoff-Haupt­ strom, einen präformierten Brennstoff-Teilstrom und Luft, zuführbar ist. Hierbei besteht der Brennstoff-Hauptstrom meist aus Erdgas und/oder Kohlegas und/oder Wasserstoff. Der präformierte Brennstoff-Teilstrom ist ein Teilstrom der vom Brennstoff-Hauptstrom abgetrennt und über eine Präformie­ rungsstufe geleitet wird. In dieser auf Katalysatorbasis ar­ beitenden Präformierungsstufe werden beispielsweise aus Erd­ gas katalytisch leichter als Erdgas zündende Stoffe, wie z. B. Alkohole, Aldehyde und Wasserstoff, gebildet. Ein mit einem solchen präformierten Brennstoff-Teilstrom versetztes Brenngas hat daher eine ausgezeichnete katalytische Zündfä­ higkeit.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform bezüglich der Zündfähigkeit des in die katalytische Brennkammer eingeleite­ ten Brenngases kann es vorsehen, daß ein präformierter Brenn­ stoff-Teilstrom, gegebenenfalls vorgemischt mit Luft, durch Bohrungen in der Wandung in die Brennkammer eintritt. Auf diese Weise wird das vergleichsweise leicht zündende Gasge­ misch des präformierten Brennstoff-Teilstroms direkt mit der katalytisch aktiven Beschichtung in Berührung gebracht und zündet spontan, so daß eine betriebssichere räumlich stehende Zündung von der Gestalt eines Hohlzylinders in der kataly­ tischen Brennkammer gebildet ist.

Zum Schutz der katalytisch aktiven Beschichtung, die sich auf der dem Brenngas zuwendbaren Wandung der katalytischen Brenn­ kammer befindet, kann es vorgesehen sein, die Wandung zu küh­ len. Hierbei kann die Wandung beispielsweise mit Luft gekühlt werden, wobei gleichzeitig eine Vorwärmung der Luft erzielt wird. Diese vorgewärmte Luft kann beispielsweise nachfolgend in den Verdichterteil auf den Brennkammer-Eintrittsdruck ver­ dichtet werden.

Die katalytische Wirkung der katalytisch aktiven Beschichtung tritt besonders vorteilhaft dann ein, wenn die katalytisch aktive Beschichtung Titandioxid, welches vorzugsweise flamm- und plasmagespritzt ist, und einen Edelmetallanteil, ausge­ wählt aus Platin, Rhodium, Palladium, Iridium, Rhenium und/oder einen Metalloxidanteil, bestehend aus einem oder mehreren Übergangsmetalloxiden, aufweist. Als Übergangsmetal­ loxide kommen solche Oxide in Frage, welche eine stark oxi­ dierende katalytische Wirkung haben, wie z. B. Kupferoxid, Chromoxid, Eisenoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Vanadium­ oxid, Manganoxid, Ceroxid sowie weitere Oxide der Lanthanoi­ den.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Gasturbine mit ka­ talytischer Brennkammer;

Fig. 2 in schematischer Darstellung die Gasturbine gemäß Fig. 1 mit geringfügig gegenüber Fig. 1 modifizier­ ter katalytischer Brennkammer; und

Fig. 3 eine katalytische Brennkammer im Querschnitt.

In den Fig. 1 bis 3 gleiche Teile haben die gleichen Be­ zugszeichen.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 erkennt man eine Gasturbine 2, welche einen Verdichterteil 4, einen Bren­ nerteil 6 und einen Turbinenteil 7 umfaßt. Der Brennerteil 6 umfaßt eine katalytische Brennkammer 8, deren Wandung 10 eine katalytisch aktive Beschichtung 12 aufweist.

Die katalytische Brennkammer 8 hat im Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt. In die katalytische Brennkam­ mer 8 strömt ein Brenngas 14 ein, welches im Ausführungsbei­ spiel aus im Verdichterteil 4 verdichteter Luft 16, einem Brennstoff-Hauptstrom 18 und einem präformierten Brennstoff- Teilstrom 20 besteht. Dieser präformierte Brennstoff-Teil­ strom 20 wird von einem ursprünglichen Brennstoff-Strom 22 abgetrennt und über eine Präformierungsstufe 24 geleitet. Der Brennstoff-Strom 22 besteht im Ausführungsbeispiel aus Erd­ gas, woraus in der Präformierungsstufe 24 katalytisch leich­ ter als Erdgas zündende Stoffe, wie z. B. Alkohole, Aldehyde und Wasserstoff, gebildet werden. Die Präformierungsstufe 24 umfaßt zur Ausübung ihrer Funktion einen nicht weiter darge­ stellten keramischen Wabenkatalysator auf Titandioxid-Basis, welcher zusätzlich einen Edelmetallanteil, bestehend aus oberflächlich auf den Wabenkatalysator aufgebrachtem Platin und Palladium umfaßt.

Die katalytisch aktive Beschichtung 12 auf der Wandung 10 der katalytischen Brennkammer 8 besteht aus einer flammgespritz­ ten Titandioxid-Schicht mit einer Dicke von etwa 500 µm, auf die zusätzlich Edelmetallpartikel von Platin, Rhodium und Palladium sowie Partikel von Übergangsmetalloxiden, wie Ceroxid, Vanadiumoxid und Chromoxid, aufgebracht sind. Alter­ nativ zu einer flammgespritzten Titandioxid kann ebenso eine plasmagespritzte Titandioxid-Schicht vorgesehen sein. Beide Schichten zeichnen sich durch ihre große Festigkeit auf der meist aus einem austenitischem Stahl bestehenden Wandung 10 der katalytischen Brennkammer 8 aus.

Beim Betrieb der Gasturbine 2 strömt nun das Brenngas 14 in die katalytische Brennkammer 8 ein und entzündet sich an der katalytisch aktiven Beschichtung 12 der Wandung 10. Die auf diese Weise gebildete stromaufwärts gelegene Flammenfront 26 ist ebenso wie die stromabwärts gelegene Flammenfront 28 weitgehend rotationssymmetrisch, so daß die Temperaturvertei­ lung in der katalytischen Brennkammer 8 entlang der Haupt­ strömungsrichtung im Bezug auf den Querschnitt etwa kreisför­ mige Isothermen aufweist. Dies ist für eine gleichmäßige und schadstoffarme Verbrennung des Brenngases 14 von Vorteil.

Das auf diese Weise katalytisch verbrannte Brenngas 14 tritt mit einer Temperatur von etwa 1100°C in den Turbinenteil 7 der Gasturbine 2 ein und wird dort entspannt. Die im Turbi­ nenteil übertragene thermische Energie wird zum Antrieb eines hier nicht weiter dargestellten Generators zur Elektrizi­ tätserzeugung genutzt. Dieser Generator ist auf der selben hier nicht weiter dargestellten Welle angeordnet wie die Gas­ turbine 2. Das den Turbinenteil 7 verlassende Brennerabgas 30 ist aufgrund der katalytischen Verbrennung des Brenngas es 14 besonders stickoxidarm und weist einen Stickoxidgehalt von etwa 70 ppm auf. Das Brennerabgas 30 kann in einem hier nicht weiter dargestellten Abhitzedampferzeuger zur Dampferzeugung genutzt werden.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine gegenüber Fig. 1 geringfügig modifizierte Gasturbine 2′. Hierbei be­ schränken sich die Modifikationen auf die Ausgestaltung der katalytischen Brennkammer 8. Die in Fig. 2 vorliegende kata­ lytische Brennkammer 8′ unterscheidet sich von Fig. 1 da­ durch, daß in der Wandung 10 Bohrungen 32 vorgesehen sind, durch die der präformierte Brennstoff-Teilstrom 20 und Luft 16 in die Brennkammer 8′ eintreten.

Diese Maßnahme hat gegenüber der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 zwei Vorteile. Der erste Vorteil besteht darin, daß das Gas­ gemisch mit der niedrigsten katalytischen Zündtemperatur un­ mittelbar an der katalytisch aktiven Beschichtung 12 in die Brennkammer 8′ eintritt und sich deshalb vergleichsweise spontan entzündet. Diese Maßnahme trägt daher ganz besonders zur Stabilisierung der stromaufwärts gelegenen Flammenfront 26 bei. Der zweite Vorteil besteht darin, daß die Wandungen 10 durch das entlangströmende Gemisch aus präformiertem Brennstoff-Teilstrom 20 und Luft 16 gekühlt werden. Durch diese Kühlung wird auch die thermische Belastung der kataly­ tisch aktiven Beschichtung 12 herabgesetzt, was sich günstig auf die Haltbarkeit dieser Beschichtung 12 auswirkt. Eine Kühlung der Wandung 10 kann in hier nicht dargestellter Weise alternativ auch durch eine Strömung von Luft 16 erzielt wer­ den, welche in den Verdichterteil 4 eintritt.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Querschnitt einer gegenüber den Fig. 1 und 2 modifizierten katalyti­ schen Brennkammer 34. Man erkennt wieder die Wandung 10 und die katalytisch aktive Beschichtung 12 zur Oxidation des Brenngases 14. Unter der Oxidation des Brenngases wird selbstverständlich verstanden, daß der im Brenngas 14 enthal­ tene Brennstoff 22 oxidiert und der über die Luft 16 herange­ führte und zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff reduziert wird. Unter der katalytisch aktiven Beschichtung 12 zur Oxi­ dation des Brenngases 14 ist daher die Beschichtung gemeint, welche den gesamten Verbrennungsvorgang mit oxidierten und reduzierten Verbrennungsprodukten induziert.

Die Brennkammer 34 weist zusätzlich drei konzentrisch ange­ ordnete Ringe 36 auf. Diese konzentrischen Ringe 36 sind dünne Blechstreifen, bestehend aus dem Material der Wandung 10. Die Ringe 36 verfügen über dieselbe katalytisch aktive Beschichtung 12, mit welcher auch die Wandung 10 der Brenn­ kammer 34 beschichtet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung ist die katalytisch aktive Beschichtung 12 nur in einem ausgewählten Quadranten eingezeichnet. Auch die die Ringe 36 haltenden Stege 38 verfügen über diese kataly­ tisch aktive Beschichtung 12. Die Ringe 36 sind ausschließ­ lich im äußeren Bereich des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts der Brennkammer 34 angeordnet, um die anfängli­ che Zündung des Brenngases 14 auf den äußeren Bereich des Querschnitts der Brennkammer 34 zu beschränken. Ein Ausweiten der Flammenfront in die freie Strömung des Brenngas es 14 hin­ ein erfolgt dann selbsttätig. Die Ringe 36 mit der kataly­ tisch aktiven Beschichtung 12 tragen so zur Stabilisierung der Flammenfront und zur Sicherung einer vollständigen und deshalb besonders schadstoffarmen Verbrennung bei.

Claims (7)

1. Gasturbine (2, 2′) umfassend einen Verdichterteil (4), einen Brennerteil (6) und einen Turbinenteil (7), bei der im Brennerteil (6) eine katalytische Brennkammer (8, 8′, 34) vorgesehen ist, wobei die Brennkammer (8, 8′, 34) in Strö­ mungsrichtung eines Brenngases (14) eine im wesentlichen zy­ lindrische Ausdehnung hat, und wobei die dem Brenngas (14) zuwendbare Wandung (10) eine katalytisch aktive Beschichtung (12) zur Oxidation des Brenngases (14) aufweist.

2. Gasturbine (2, 2′) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine An­ zahl von zur Zylinderlängsachse der Brennkammer (8, 8′, 34) konzentrisch angeordnet er und katalytisch aktiv beschichteter Ringe (36) vorgesehen ist.

3. Gasturbine (2, 2′) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ringe (36) ausschließlich im äußeren Bereich des im we­ sentlichen kreisförmigen Querschnitts der Brennkammer (8, 8′, 34) angeordnet sind.

4. Gasturbine (2, 2′) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ kammer (8, 8′, 34) ein Brenngas (14), umfassend einen Brenn­ stoff-Hauptstrom (18), einen präformierten Brennstoff-Teil­ strom (20) und Luft (16), zuführbar ist.

5. Gasturbine (2, 2′) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein präformierter Brennstoff-Teilstrom (20), gegebenenfalls vor­ gemischt mit Luft (16), durch Bohrungen (32) in der Wandung (10) in die Brennkammer (8′) eintritt.

6. Gasturbine (2, 2′) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wan­ dung (10) kühlbar ist.

7. Gasturbine (2, 2′) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (12) Titandioxid, vorzugsweise flamm- oder plasmagespritzt, und einen Edelmetallanteil, aus­ gewählt aus einem oder mehreren der Edelmetalle Platin, Rho­ dium, Palladium, Iridium, Rhenium, und/oder einen Metalloxid­ anteil, ausgewählt aus einem oder mehreren Übergangsmetall­ oxiden, aufweist.