DE19521308A1 - Gasturbine zur Verbrennung eines Brenngases - Google Patents
Gasturbine zur Verbrennung eines BrenngasesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine zur Verbren
nung eines Brenngases.
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
Turbinenteil 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 NOx. Diese Stickoxide
gelten neben Schwefeldioxid als Hauptverursacher für das Um
weltproblem des sauren Regens. Man ist daher - auch aufgrund
strenger gesetzlicher Grenzwertvorgaben für den NOx-Ausstoß - ge
willt, den NOx-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.
Neuere Überlegungen bezüglich der Ausgestaltung des Brenner
teils gehen dahin, daß die üblicherweise eingesetzten Diffu
sionsbrenner oder drallstabilisierten Vormischbrenner durch
eine katalytische Brennkammer ersetzt werden. Mit einer kata
lytischen Brennkammer werden niedrigere Stickoxid-Emissionen
erreicht als dies mit den obengenannten Brennertypen möglich
ist. Auf diese Weise können die bekannten Nachteile des
SCR-Verfahrens (große Katalysatorvolumina, Reduktionsmittel-
Verbrauch, hoher Druckverlust) überwunden werden.
Ein Nachteil einer katalytischen Brennkammer und ebenfalls
einer herkömmlichen Brennkammer besteht in der zur Verbren
nung notwendigen Zündtemperatur, die im Fall der Verwendung
von Erdgas bei einem Wert von etwa 400°C liegt. Diese Tatsa
che schränkt den Arbeitsbereich der Brennkammer in einer Gas
turbine zu stark ein und macht den Einsatz eines Hilfsbren
ners erforderlich, der naturgemäß eine Stickoxidquelle dar
stellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Betriebs
bereich einer Brennkammer zu erweitern und dahingehend aus
zugestalten, daß die Verwendung eines Hilfsbrenners umgangen
werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Gasturbine zur Verbrennung eines Brenngases vorgesehen ist,
bei der ein Leitungssystem derart vorgesehen ist, daß ein
Teil des Brenngases vom übrigen Brenngas abgezogen, über eine
Präformierungsstufe geleitet und anschließend wieder dem
Brenngas zur Absenkung der Zündtemperatur des Brenngases
zugeführt wird.
Auf diese Weise wird der abgezogene Brennstoff-Teilstrom in
dem Präformierungsschritt in beispielsweise auch katalytisch
leicht verbrennbare Stoffe, wie z. B. Alkohole, Aldehyde,
Wasserstoff, zerlegt. Diese Stoffe werden dem übrigen Brenn
gas-Strom wieder zugeführt, so daß das auf diese Weise herge
stellte Gemisch eine tiefer liegende Zündtemperatur aufweist
als dies bei reinem Erdgas der Fall ist. Unter der Zuführung
dieses präformierten Brenngas-Teilstromes zur Absenkung der
Zündtemperatur des Brenngases wird es einerseits verstanden,
daß der präformierte Brenngas-Teilstrom zunächst dem Brenngas
zugeführt und anschließend mit der Verdichterluft vermischt
wird. Alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, daß der
präformierte Brenngas-Teilstrom einem Gasgemisch zugeführt
wird, welches aus der Verdichterluft und dem übrigen Brenn
gas-Teilstrom besteht. Die auf diese Weise gewonnenen ver
gleichsweise leicht zündenden Gasgemische weisen in Abhängig
keit von der Menge des abgezogenen und anschließend präfor
mierten Brenngas-Teilstroms eine Zündtemperatur im Bereich
von 200 bis 350°C auf.
Zur besonders guten Präformierung des abgezogenen Brenngas-
Teilstroms kann es vorgesehen sein, daß die Präformierungs
stufe in Strömungsrichtung des Brenngas-Teilstroms gegebenen
falls eine Vorwärmeinrichtung für den Brenngas-Teilstrom und
eine Katalysatoranlage umfaßt. Die Vorwärmeinrichtung kann
insbesondere dann vorgesehen sein, wenn der Brenngas-Teil
strom unvorgewärmt in die Präformierungsstufe eintritt. Eine
für die anschließende Präformierung in der Katalysatoranlage
vorteilhafte Temperatur des Brenngas-Teilstroms am Eintritt
der Katalysatoranlage kann bei etwa 100°C liegen.
Bezüglich der Katalysatoranlage ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Katalysatoranlage einen waben- und/oder plattenför
migen Katalysator umfaßt, der im wesentlichen aus Titandioxid
TiO₂ besteht und mindestens ein Übergangsmetalloxid und/oder
mindestens ein Edelmetall umfaßt. Unter Übergangsmetalloxiden
werden insbesondere die Oxide der 3d-Reihe und der 4f-Reihe
(Lanthanoiden, Seltene Erdmetalle) im periodischen System der
Elemente verstanden. Geeignete Edelmetalle sind insbesondere
Rhodium, Iridium, Palladium, Platin. Insbesondere eignen sich
Molybdänoxid, Wolframoxid, Vanadiumoxid, Chromoxid, Eisen
oxid, Ceroxid, Manganoxid, Nickeloxid und Cobaldoxid. Weiter
können auch noch Metalloxide vom Spinell-Typ der vorstehend
genannten Metalle und Metalloxide verwendet sein.
Eine verfahrenstechnisch besonders vorteilhafte Lösung sieht
es vor, daß maximal 25 Vol.-% des Brenngases abgezogen und
anschließend über die Präformierungsstufe geleitet werden.
Diese Begrenzung definiert einen bevorzugten Bereich, bei dem
der Aufwand (Katalysatorvolumen) im Vergleich zum Nutzen
(katalytische Zündtemperaturabsenkung) zueinander ausgewogen
ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Figur
näher erläutert. Dabei zeigt die Figur in schematischer Dar
stellung eine Gasturbine 2 mit einem Leitungssystem 4 zur Er
zielung einer vergleichsweise geringen katalytischen Zünd
temperatur eines Brenngases 6. Die Gasturbine besteht aus ei
nem Verdichterteil 8, einer katalytischen Brennkammer 10 und
einem Entspannungsteil 12. Der Verdichterteil 8 und der Ent
spannungsteil 12 sind auf einer gemeinsamen Welle 14 angeord
net, über die ein hier nicht weiter dargestellter Generator
zur Elektrizitätserzeugung angetrieben wird. Im Verdichter
teil 8 wird vorgewärmte Luft 16 auf den Eintrittsdruck der
katalytischen Brennkammer 10 verdichtet. Für das Brenngas 6,
im Ausführungsbeispiel Erdgas, ist ein Leitungssystem 4 vor
gesehen, mit dem ein Teil des Brenngases 6, hier etwa 15 Vol.-%,
einer Präformierungsstufe 18 als Brenngas-Teilstrom 20
zugeführt wird. Das übrige Brenngas 6 wird direkt der kataly
tischen Brennkammer 10 zugeführt.
Der Brenngas-Teilstrom 20 wird in der Präformierungsstufe 18
zunächst mittels eines Wärmetauschers 22 auf etwa 100°C er
wärmt. Der erwärmte Brenngas-Teilstrom 20 durchströmt an
schließend Wabenkatalysatoren 24, die im wesentlichen aus Ti
tandioxid bestehen und ein Gemisch von Vanadiumoxid, Wolf
ramoxid, Molybdänoxid, Platin und Rhodium umfassen. Bedingt
durch die katalytische Wirkung der Wabenkatalysatoren 24 wird
der größte Teil des Brenngas-Teilstroms 20 präformiert, d. h.
aus dem Erdgas 6 bilden sich katalytisch leichter zündende
Stoffe, wie Alkohole, Aldehyde und Wasserstoff. Der auf diese
Weise präformierte Brenngas-Teilstrom 20 wird ebenfalls der
katalytischen Brennkammer 10 zugeführt.
In der katalytischen Brennkammer 10 wird das Brenngas 6, der
präformierte Brenngas-Teilstrom 20 und die vorgewärmte und
verdichtete Luft 16 mittels eines Mischelements, z. B. eines
statischen Mischers 26, vermischt und anschließend geeigneten
Katalysatoren, hier Wabenkatalysatoren 28, zugeführt. Die Wa
benkatalysatoren 28 weisen eine besonders starke Oxidations
wirkung zur katalytischen Verbrennung von Brenngas 6, Brenn
gas-Teilstrom 20 und vorgewärmter, verdichteter Luft 16 auf.
Sie weisen im Ausführungsbeispiel als Grundstoff Titandioxid
TiO₂ auf und umfassen als katalytische aktive Komponenten
Platin, Rhodium, Iridium sowie Ceroxid und Chromoxid auf. Die
vorstehend genannten Edelmetalle sind zu jeweils 1 Gew.-% und
die vorstehend genannten Metalloxide sind zu jeweils
3 Gew.-% in den Wabenkatalysatoren 28 vorhanden. Es sind je
doch auch andere Zusammensetzungen der katalytisch aktiven
Komponenten möglich.
Aufgrund der Präformierung des Brenngas-Teilstroms 20 zündet
das mittels des statischen Mischers 26 vermischte Gasgemisch
bereits bei einer Temperatur von etwa 250°C und verbrennt
anschließend vollständig in den Wabenkatalysatoren 28. Das in
den Entspannungsteil eintretende heiße Brennerabgas 30 der
katalytischen Brennkammer 10 weist eine Temperatur von etwa
1100°C auf und wird im Entspannungsteil 12 entspannt. Nach
der Entspannung des Brennerabgases 30 wird es einem hier
nicht weiter dargestellten Abhitzedampferzeugers zugeführt.
Aufgrund der vergleichsweisen niedrigen katalytischen Zünd
temperatur des in der katalytischen Brennkammer 10 verbrann
ten Gasgemisches kann auf den Einsatz eines Hilfsbrenners,
der eine Stütz- oder Pilotflamme erzeugt, ganz verzichtet
werden. Damit scheidet dieser Hilfsbrenner auch als Stick
oxidquelle aus, so daß das Brennerabgas 30 bei Austritt aus
dem Entspannungsteil 12 einen vergleichsweise niedrigen
Stickoxidgehalt besitzt.
Claims (5)
1. Gasturbine (2) zur Verbrennung eines Brenngases (6), wobei
ein Leitungssystem (4) derart vorgesehen ist, daß ein Teil
(20) des Brenngases (6) vom übrigen Brenngas (6) abgezogen,
über eine Präformierungsstufe (18) geleitet und anschließend
wieder dem Brenngas (6) zur Absenkung der katalytischen
Zündtemperatur des Brenngases (6) zugeführt wird.
2. Gasturbine (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Präformierungsstufe (18) in Strömungsrichtung des Brenngas-
Teilstroms (20) gegebenenfalls eine Vorwärmeinrichtung (22)
für den Brenngas-Teilstrom (20) und eine Katalysatoranlage
(24) umfaßt.
3. Gasturbine (2) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kata
lysatoranlage (24) einen waben- und/oder plattenförmigen Ka
talysator (24) umfaßt, der im wesentlichen aus Titandioxid
besteht und mindestens ein Übergangsmetalloxid und/oder min
destens ein Edelmetall umfaßt.
4. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß etwa maxi
mal 25 Vol.-% des Brenngases abgezogen und über die Präfor
mierungsstufe (18) geleitet werden.
5. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch eine katalytische
Brennkammer (10).
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