DE102011054797A1

DE102011054797A1 - Systeme, Verfahren und Vorrichtungen zum Regenerieren eines katalytischen Materials

Info

Publication number: DE102011054797A1
Application number: DE102011054797A
Authority: DE
Inventors: Gilbert O. Kraemer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-05-03
Also published as: JP6121094B2; FR2966907B1; CN102563589A; US9062569B2; JP2012097735A; US20120102970A1; FR2966907A1

Abstract

Ein Dampfgenerator (HRSG) (116), der in Strömungsverbindung stromabwärts von einer Verbrennungsvorrichtung (106) angeordnet ist, die eine Strömung von Abgasen erzeugt, schließt eine Heizvorrichtung (306), die konfiguriert ist, die von dem Gasturbinen-Triebwerk (106) abgegebenen Abgase zu erhitzen, die Oxide von Stickstoff (NO_x) einschließen, und einen Oxidationskatalysator (308) ein, der stromabwärts von der Heizvorrichtung (306) angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator (308) das Verringern einer Menge von NO_x in den Abgasen erleichtert, die in den Oxidationskatalysator (308) bei einer ersten Temperatur, die geringer ist als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material, und bei einer zweiten Temperatur geleitet werden, die etwa gleich mindestens der thermischen Regenerationstemperatur ist, so dass das katalytische Material gleichzeitig regeneriert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Systeme zur Behandlung von Emissionen und, mehr im Besonderen, auf einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator zum Einsatz beim Vermindern der NO₂-Bildung im Abgaspfad eines Verbrennungssystems und zum Regenerieren eines katalytischen Materials, das die Verminderung in der NO₂-Bildung erleichtert.
Während der Verbrennung von Erdgas und flüssigen Brennstoffen können Verunreinigungen, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UKW) und Stickstoffoxid (NO_x)-Emissionen, darauf jedoch nicht beschränkt, gebildet und/oder an die umgebende Atmosphäre abgegeben werden. Im Allgemeinen werden CO und UKW unter Verbrennungsbedingungen bei geringeren Temperaturen und/oder unter Verbrennungsbedingungen, bei denen eine ungenügende Zeit zur Verfügung steht, um eine Reaktion zu vervollständigen, gebildet werden. Im Gegensatz dazu wird NO_x im Allgemeinen unter Verbrennungsbedingungen bei höheren Temperaturen gebildet. Zumindest einige bekannte Quellen der Emission von Verunreinigungen schließen industrielle Boiler und Öfen, sich hin und her bewegende Triebwerke, Gasturbinen-Triebwerke und/oder Dampfgeneratoren ein.
Moderne Regulierungen der Luftqualität fordern zunehmend verringerte Emissionsniveaus für Energieerzeugungsanlagen, während sie auch erhöhte Anforderungen an die Brennstoffeffizienz stellen. Um die strengen Emissionskontrollstandards zu erfüllen, ist es erwünscht, NO_x-Emissionen durch Unterdrücken der Bildung von NO_x-Emissionen zu kontrollieren. Oxide von Stickstoff schließen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) ein, von dem bekannt ist, dass es einen sichtbaren gelben Rauch aus Abgasschornsteinen erzeugt, von dem behauptet wird, dass er zur Erzeugung „sauren Regens” beiträgt. Bekannte Verbrennungskontrollen können jedoch nur begrenzte Emissionskontrolle liefern und können sich als unangemessen erweisen, die erhöhten Standards und die sich häufig widersprechenden Ziele zu erfüllen, sodass weitere Verbesserungen von Systemen zur Behandlung von Abgas nach der Verbrennung erwünscht sind.
Eine bekannte Technologie zum Einsatz beim Kontrollieren von NO_x in Schornsteinemissionen ist die selektive katalytische Reduktion (SCR). In einem SCR-System haben Rauchgase von Energieerzeugungsanlagen häufig eine oxidierende Nettowirkung aufgrund eines hohen Anteils an Sauerstoff, der bereitgestellt wird, um eine angemessene Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes sicherzustellen. NO_x, das in dem Rauchgas vorhanden ist, kann nur sehr schwierig zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Ein SCR-Element kann benutzt werden, um wasserfreies Ammoniak mit dem Rauchgas zu vermischen, und die Gase werden über einen geeigneten Reduktionskatalysator bei einer geeigneten Temperatur geleitet, bevor sie in die Atmosphäre abgelassen werden. Die Reaktionsrate über dem Katalysator hängt jedoch von der Gas-Einlasstemperatur ab, da die Rate der NO_x-Zerstörung ungenügend ist, bis das Rauchgas zur geeigneten Temperatur erhitzt worden ist. Demgemäß reduziert während Übergangsphasen, wie während Anfahroperationen, das SCR-Element das NO_x im Allgemein nicht bis zu einem erwünschten Niveau, da die Rauchgastemperatur zu gering ist.
Ein anderes Herangehen an die NO_x-Entfernung ist Adsorption durch ein stromabwärts befindliches Medium und die nachfolgende Entfernung des NO_x aus dem stromabwärts befindlichen Medium. So ist, z. B., NO₂ relativ wasserlöslich, was seine Entfernung durch Adsorption durch eine wässerige Lösung stromabwärts in einer Rauchgas-Entschwefelungs-(FGD)-Einheit ermöglicht. NO ist jedoch weniger löslich als NO₂ und andere N_xO-Verbindungen in solchen Lösungen. Energieerzeugungssysteme können demgemäß einen Oxidationskatalysator benutzen, um NO zu einer löslicheren N_xO_v-Komponente zu oxidieren, wie NO₂ und N₂O₅. Darüber hinaus ist NO-Oxidation im Allgemeinen bei tiefen Temperaturen am wirksamsten. Schwefeldioxide (SO_x) und andere Verunreinigungen können jedoch den Oxidationskatalysator im Laufe der Zeit verschmutzen, was die NO-Oxidationsausbeute vermindert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt ist ein Dampfgenerator in Strömungsverbindung stromabwärts von einer Verbrennungsvorrichtung, die eine Strömung von Abgasen erzeugt, gekoppelt. Der Dampfgenerator schließt eine Heizvorrichtung ein, die konfiguriert ist, die Abgase zu erhitzen, die Oxide von Stickstoff (NO_x) einschließen, und ein Oxidationskatalysator ist stromabwärts von der Heizvorrichtung gekoppelt. Der Oxidationskatalysator erleichtert das Vermindern einer Menge von NO_x in den Abgasen, die bei einer ersten Temperatur, die geringer ist, als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material, und bei einer zweiten Temperatur in den Oxidationskatalysator geleitet werden, die etwa gleich mindestens der thermischen Regenerationstemperatur ist, sodass das katalytische Material gleichzeitig regeneriert wird.
In einem anderen Aspekt schließt eine Energieanlage mit kombiniertem Zyklus ein Gasturbinen-Triebwerk, das konfiguriert ist, einen Brennstoff in Luft zu verbrennen, um Wellenleistung und eine Strömung von Abgasen zu erzeugen, die Oxide von Stickstoff (NO_x) einschließt und einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) ein, der in Strömungsverbindung mit dem Gasturbinen-Triebwerk gekoppelt ist. Der HRSG schließt eine Heizvorrichtung, die konfiguriert ist, die Abgase zu erhitzen, und einen Oxidationskatalysator ein, der stromabwärts von der Heizvorrichtung gekoppelt ist, wobei der Oxidationskatalysator das Vermindern einer Menge von NO_x in den Abgasen erleichtert, die bei einer ersten Temperatur, die geringer ist als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material, und bei einer zweiten Temperatur in den Oxidationskatalysator geleitet werden, die etwa gleich mindestens der thermischen Regenerationstemperatur ist, sodass das katalytische Material gleichzeitig regeneriert wird.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Vermindern von Emissionen in einer Strömung von Abgasen bereitgestellt, die durch ein Gasturbinen-Triebwerk erzeugt werden, wobei die Strömung von Abgasen Oxide von Stickstoff (NO_x) einschließt. Das Verfahren schließt das Betreiben eines Oxidationskatalysators bei einer ersten Temperatur ein, um das Vermindern einer Menge von NO_x in den Abgasen zu erleichtern, die in den Oxidationskatalysator geleitet werden, wobei die erste Temperatur geringer als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material ist. Das Verfahren schließt auch das Messen der Effizienz eines Oxidationskatalysators bei der ersten Temperatur, Vergleichen der Effizienz des Oxidationskatalysators mit einem Schwellenwert und, auf der Grundlage des Vergleichs, das selektive Aktivieren einer Heizvorrichtung ein, um eine Temperatur der Abgase bis zu einer zweiten Temperatur zu erhöhen, um das Regenerieren des katalytischen Materials zu erleichtern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer beispielhaften Energieanlage mit kombiniertem Zyklus;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators (HRSG), der bei der Energieanlage mit kombiniertem Zyklus eingesetzt werden kann, die in 1 gezeigt ist;
3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des HRSG, der in 2 gezeigt ist;
4 ist eine grafische Darstellung, die eine Menge von NO₂ als einen Prozentsatz des totalen NO_x in einem Abgasstrom innerhalb der Energieanlage mit kombiniertem Zyklus veranschaulicht, die in 1 gezeigt ist, und
5 ist ein Fließbild, das ein beispielhaftes Verfahren zum Kontrollieren einer Temperatur eines Abgasstromes innerhalb der Energieanlage mit kombiniertem Zyklus, die in 1 gezeigt ist, veranschaulicht, um das Regenerieren eines Oxidationskatalysators während kontinuierlicher Energieerzeugung zu erleichtern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer beispielhaften Energieanlage 100 mit kombiniertem Zyklus. In der beispielhaften Ausführungsform schließt die Energieanlage 100 einen Verdichter 102 mit einer Luftaufnahme 104 ein, die Luft empfängt. Der Verdichter 102 ist mit einem Gasturbinen-Triebwerk 106 gekoppelt, das ein oder mehrere Verbrennungskammern 108 einschließt. Der Verdichter 102 komprimiert die durch die Luftaufnahme 104 empfangene Luft und leitet die komprimierte Luft in Verbrennungskammern 108, wo die komprimierte Luft mit Brennstoff vermischt und gezündet wird, um das Gasturbinen-Triebwerk mit heißen Verbrennungsgasen zum Antreiben einer ersten Welle 110 zu versorgen. Dei erste Welle 110 ist mit einem ersten Generator 112 gekoppelt und verursacht, dass der erste Generator 112 Elektrizität erzeugt. Darüber hinaus gibt das Gasturbinen-Triebwerk 106 Abgase einschließlich z. B., und nicht als Einschränkung, Oxide von Stickstoff (NO_x), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, an einen Abgaskanal 114 ab.
In der beispielhaften Ausführungsform schließt die Energieanlage 100 auch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 116 ein, der in Strömungsverbindung mit dem Gasturbinen-Triebwerk 106 gekoppelt ist. Der HRSG 116 ist spezifisch mittels des Abgaskanals 114 mit dem Gasturbinen-Triebwerk 106 gekoppelt, so dass der HRSG 116 die Abgase empfängt, die von dem Gasturbinen-Triebwerk 106 abgegeben werden. In der beispielhaften Ausführungsform schließt der HRSG 116 ein oder mehrere Wärmeaustauscher 118 und eine Ausrüstung 120 zur Behandlung von Emissionen ein. Wärmeaustauscher 118 entziehen den Abgasen Wärme und die Wärme wird benutzt, um Dampf zu erzeugen. Die Ausrüstung 120 zur Emissionsbehandlung behandelt die Abgase und die behandelten Abgase werden danach durch einen Abgasschornstein 122 an die Atmosphäre abgegeben.
Eine Dampfturbine 124 ist mit dem HRSG 116 derart gekoppelt, dass Dampf, der durch Wärmeaustauscher 118 erzeugt wird, in der Dampfturbine 124 zur Verwendung beim Antreiben der Rotation einer zweiten Welle 126 geleitet wird. Die zweite Welle 126 ist mit einem zweiten Generator 128 gekoppelt und verursacht, dass der zweite Generator 128 Elektrizität erzeugt. Der verbrauchte Dampf wird dann in einen Kühler 130 geleitet, der eine Vielzahl von Rohrbündeln 132 einschließt. Durch die Rohrbündel 132 geleitetes Kühlwasser kühlt den Dampf derart ab, dass der Dampf zu Wasser kondensiert. Das Wasser wird dann zurück zu den Wärmeaustauschern 118 geleitet.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm des HRSG 116. In der beispielhaften Ausführungsform empfängt der HRSG 116 einen Abgasstrom, der von dem (in 1 gezeigten) Gasturbinen-Triebwerk 106 durch die (in 1 gezeigte) Abgasleitung 114 abgegeben wird. In der beispielhaften Ausführungsform schließen die Wärmeaustauscher 118 mehrere Supererhitzer-Wärmeaustauscher 202, mehrere Wiedererhitzer-Wärmeaustauscher 204 und mehrere Ekonomisier-Wärmeaustauscher 206 ein. Der HRSG 116 schließt auch einen Hochdruck-Verdampfer 208, einen Zwischendruck-Verdampfer 210 und einen Niederdruck-Verdampfer 212 ein, die jeweils unter Nutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärme Dampf erzeugen. Jeder Verdampfer 208, 210 und 212 ist mit einer entsprechenden Drucktrommel gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Hochdruck-Verdampfer 208 mit einer Hochdrucktrommel 214, der Zwischendruck-Verdampfer 210 ist mit einer Zwischendrucktrommel 216 und der Niederdruck-Verdampfer 212 ist mit einer Niederdrucktrommel 218 gekoppelt. Der HRSG 116 schließt auch mindestens einen Kanalbrenner 220 ein, der Wärme in den Abgasstrom leitet, um die Produktion an Dampf zu fördern. In der beispielhaften Ausführungsform erzeugt der HRSG 116 Dampf bei einer Vielzahl von verschiedenen Drücken unter Benutzung der Hochdrucktrommel 214, der Zwischendrucktrommel 216 und der Niederdrucktrommel 218. Darüber hinaus leitet, in der beispielhaften Ausführungsform, jede Drucktrommel 214, 216 und 218 den unter Druck stehenden Dampf zu einer (nicht gezeigten) weiteren Dampfturbine. In einer alternativen Ausführungsform leitet jede Drucktrommel 214, 216 und 218 den unter Druck stehenden Dampf zu einer einzigen Dampfturbine, wie zu der (in 1 gezeigten) Dampfturbine 124. In der beispielhaften Ausführungsform ist die (in 1 gezeigte) Ausrüstung 120 zur Behandlung von Emissionen zwischen den Wärmeaustauschern 202, 204 und 206, den Verdampfern 208, 210 und 212 und den Kanalbrenner 220 gekoppelt, um das Vermindern einer Menge von Verunreinigungen zu erleichtern, die in Abgasstrom eingeschlossen sind. In einer alternativen Ausführungsform ist die Ausrüstung 120 zur Behandlung von in dem Abgasstrom enthaltenen Emissionen stromabwärts von den Wärmeaustauschern 118 angeordnet.
3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm und ein beispielhaftes Emissionsprofil für HRSG 116. Wie in 3 gezeigt, schließt der HRSG 116 einen Kanalbrenner 302 ein, der die Abgastemperatur erhöht, nachdem die Abgase von dem Gasturbinen-Triebwerk 106 durch Abgaskanal 114 (gezeigt in 1) abgegeben worden sind. Der Hochdruck-Verdampfer 208 ist in Strömungsverbindung stromabwärts von dem Kanalbrenner 302 vorgesehen und erhöht die Temperatur der Abgase ebenfalls. In einer Ausführungsform empfangen z. B. der Kanalbrenner 302 und der Hochdruck-Verdampfer 208 die Abgase bei einer Temperatur von etwa 1200 Grad Fahrenheit (°F). In dem Beispiel erhitzen der Kanalbrenner 302 und der Hochdruck-Verdampfer 208 die Abgase bis zu einer Temperatur oberhalb etwa 1200°F. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Hochdruck-Wärmeaustauscher 304 in Strömungsverbindung stromabwärts von dem Hochdruck-Verdampfer 208 angeordnet, um das Kühlen der Abgase auf zwischen etwa 400°F und etwa 650°F zu erleichtern.
In der beispielhaften Ausführungsform ist eine Heizvorrichtung 306 in Strömungsverbindung stromabwärts von dem Hochdruck-Wärmeaustauscher 304 angeordnet, um selektiv die Temperatur der Abgase zu erhöhen, um die Regeneration eines Oxidationskatalysators zu erleichtern. Spezifischer ist in einer Ausführungsform die Heizvorrichtung 306 durch einen zweiten Kanalbrenner gebildet, der die Abgase bis zu einer Temperatur von zwischen etwa 700°F und etwa 1250°F erhitzt, um die Regeneration eines Oxidationskatalysators innerhalb eines erwünschten Zeitrahmens zu gestatten. So erleichtert z. B. das Erhitzen der Abgase bis zu einer Temperatur zwischen etwa 700°F und etwa 1250°F die Regeneration des Oxidationskatalysators innerhalb von etwa 2 Stunden. Der zweite Kanalbrenner 306 kann derart konfiguriert sein, dass er die Abgase bis zu einer Temperatur zwischen etwa 400°F und etwa 650°F erhitzt, um die NO-Oxidation zu erleichtern. Der zweite Kanalbrenner kann irgendein geeigneter Kanalbrenner sein, der den Betrieb bei geringer Geschwindigkeit und/oder geringer Belastung während eines Übergangsbetriebes eines (in 1 gezeigten) Gasturbinen-Triebwerks 106 und/oder eines (in 1–3 gezeigten) HRSG 116 erleichtert. In einer Ausführungsform schließt z. B. der zweite Kanalbrenner ein im Wesentlichen kreisförmiges Gehäuse ein, das einen Brennstoffeinlass definiert, der mit einer Brennstoffquelle gekoppelt ist. Der zweite Kanalbrenner schließt auch eine Vielzahl von Brennstoffkreisläufen, die in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffeinlass gekoppelt sind, und obere und untere Flansche ein, die sich vom Gehäuse aus nach außen erstrecken, um das Leiten der Strömung von Abgasen unter den zweiten Kanalbrenner zu erleichtern. Die oberen und unteren Flansche sind jeweils derart positioniert, dass sie den Abgasstrom über und unter dem zweiten Kanalbrenner mit einer erwünschten Geschwindigkeit fördern, was die Strömung von Abgasen erleichtert, die für eine gewisse Zeit Flammen ausgesetzt sind, die durch den zweiten Kanalbrenner emittiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Heizvorrichtung 306 ein Heizelement auf Dampfbasis, das in Strömungsverbindung stromabwärts von dem Hochdruck-Wärmeaustauscher 304 angeordnet ist, um selektiv die Temperatur der Abgase zu erhöhen. So kann z. B. das Heizelement auf Dampfgrundlage eine Vielzahl superleitender Wärmeübertragungsrohre einschließen, die unter Bildung einer Platte angeordnet sind. Beispielhafte Wärmeübertragungsrohre schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Qu-Rohre ein, die kommerziell von Qu Energy Ltd. Hongkong, China, erhältlich sind. Darüber hin aus leitet eine (nicht gezeigte) Dampfquelle Dampf an den Wärmeübertragungsröhren vorbei, die Wärmeenergie aus dem Dampf absorbieren. Die Abgase vom (in 1 gezeigten) Gasturbinen-Triebwerk 106 werden durch die Wärmeübertragungsrohre geleitet, wo die Abgase mindestens einen Teil der Wärmeenergie von den Wärmeübertragungsrohren absorbieren. Beispielhafte Dampfquellen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, die Dampfturbine 124 (gezeigt in 1), einen (nicht gezeigten) Zusatzboiler, eine Drucktrommel, wie die Hochdrucktrommel 214, die Zwischendrucktrommel 216 und/oder die Niederdrucktrommel 218 (die jeweils in 2 gezeigt sind) oder irgendeine andere geeignete Dampfquelle ein, die in der Lage ist, Dampf mit genügend Wärmeenergie für das Heizelement auf Dampfgrundlage bereitzustellen.
In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Oxidationskatalysator 308 in Strömungsverbindung stromabwärts vom zweiten Kanalbrenner 306 angeordnet, um das Oxidieren des Stickstoffmonoxids (NO) bis zur Gleichgewichtskonzentration von NO₂ bei lokalen Abgastemperaturen an der Stelle des Oxidationskatalysators 308 in dem Abgasstrom zu erleichtern. Darüber hinaus erleichtert der Oxidationskatalysator 308 die zusätzliche Oxidation von NO zu einem oder mehreren N_xO_y-Gasen höherer Ordnung bei lokalen Abgastemperaturen. Spezifischer ist der Oxidationskatalysator 308 konfiguriert, NO bei einer ersten Temperatur zu oxidieren, die geringer ist als eine thermische Regenerationstemperatur für das von dem Oxidationskatalysator 308 benutzte katalytische Material. Die N_xO_y-Gasmoleküle werden stromabwärts durch wässerige Absorption oder Reaktion von dem Oxidationskatalysator 308 entfernt. So sind z. B. die N_xO_y-Gasmoleküle in Wasser löslich und können aus dem Abgasstrom durch Anwenden von Wasser unter Einsatz einer Wasserinjektions-Vorrichtung, wie einer oder mehreren (nicht gezeigten) Sprühdüsen, entfernt werden, die in dem Abgasschornstein 122 oder als alleinstehende Komponente in der Ausrüstung 122 zur Emissionsbehandlung (gezeigt in 1) bereitgestellt sind. In einigen Ausführungsformen ist ein Wasserkollektor bereitgestellt, der Wasserdampf in dem Abgasstrom kondensiert, um das schwere N_xO_y-Gas-Wasser leichter zu entfernen. Alternativ können die N_xO_y-Gase durch Aussetzen des Abgasstromes gegenüber einer wässerigen Lösung derart entfernt werden, dass eine chemische Reaktion zwischen den N_xO_y-Gasen und der Lösung das Entfernen der N_xO_y-Gase aus dem Abgasstrom erleichtert. Darüber hinaus kann die Wasserinjektions-Vorrichtung innerhalb eines HRSG 116 oder stromabwärts von dem HRSG 116 angeordnet sein, wie in einer Rauchgas-Entschwefelungs-(FGD)-Einheit (nicht gezeigt). Der Oxidationskatalysator 308 erleichtert eine verbesserte Rate der N_xO_y-Gasproduktion und -Ausbeute zwischen etwa 400°F und 650°F. Während der Produktion von N_xO_y-Gasen kann der Oxidationskatalysator jedoch eine Regeneration erfordern, wegen Verschmutzung durch Abgas-Verunreinigungen, wie SO_x, das bei hohen Temperaturen von dem Oxidationskatalysator entfernt werden kann. Ein beispielhafter Temperaturbereich zum Einsatz bei der Regeneration des Oxidationskatalysators liegt zwischen etwa 700°F und etwa 1250°F. Während der Regeneration benutzt das Gasturbinen-Triebwerk 106 einen zweiten Brennstoff, um Energie zu erzeugen, wie einen Brennstoff, der geringe Konzentrationen von Verunreinigungen aufweist, die während der Regeneration zu entfernen sind.
In der beispielhaften Ausführungsform schließt der HRSG 116 einen Niederdruck-Wärmeaustauscher 310 ein, der in Strömungsverbindung stromabwärts von dem Oxidationskatalysator 308 angeordnet ist. In der beispielhaften Ausführungsform kühlt der Niederdruck-Wärmeaustauscher 310 die Abgase, um die Entfernung der N_xO_y-Gase aus dem Abgasstrom mittels einer wässerigen Absorption oder Reaktion zu erleichtern. In einigen Ausführungsformen kann die Wasserinjektions-Vorrichtung innerhalb des Niederdruck-Wärmeaustauschers 310 angeordnet sein, um das Entfernen der N_xO_y-Gasmoleküle aus dem Abgasstrom zu erleichtern.
In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Kontroller bzw. Regler 312 mit z. B. dem HRSG 116 gekoppelt. Der Kontroller 312 kontrolliert bzw. regelt Aktivierung und/oder Leistungsfähigkeit des Heizelementes 306. Während eines Anfahrens einer Energieanlage 100 mit kombiniertem Zyklus (gezeigt in 1), aktiviert der Kontroller 312 das Heizelement 306, um den Abgasstrom zu erhitzen, um das Reduzieren von NO_x zu z. B. NO und NO₂ vor dem Ablassen der Abgase durch den Schornstein 122 an die Atmosphäre zu erleichtern. Das Anfahren der Anlage 100 kann ein Heißstarten, ein Warmstarten oder ein Kaltstarten sein. Das Heizelement 306 kann während der Spülstufe des Gasturbinen-Anfahrens betrieben werden. In einigen Ausführungsformen verursacht der Kontroller 312, dass das Heizelement 306 Abgasstrom während irgendeiner Übergangs-Betriebsphase oder Last oder geringer Geschwindigkeit erhitzt, um eine erhöhte Reduktion von NO_x durch Erhitzen der Abgase auf eine Temperatur zu erleichtern, die für NO_x-Reduktion zu dem erwünschten Emissionsniveau genügt.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Kontroller 312 mit einem oder mehreren (nicht gezeigten) Sensoren gekoppelt, die die Effizienz nachweisen, mit der Oxidationskatalysator 308 NO_x innerhalb des Abgasstromes oxidiert. Während Normalbetriebes benutzt das Gasturbinen-Triebwerk 106 z. B. einen Brennstoff mit hohem Schwefelgehalt und die Temperatur des Abgasstromes an einem Einlass des Oxidationskatalysators 308 liegt zwischen etwa 400°F und etwa 650°F. Darüber hinaus empfängt der Kontroller 312 Signale, die repräsentativ sind für eine Konzentration von NO_x in dem Abgasstrom an einem Einlass des Oxidationskatalysators 308 und/oder an einem Einlass des Abgasschornsteines 122. Auf der Grundlage der gemessenen Konzentration kann der Kontroller 312 bestimmen, wann das durch Oxidationskatalysator 308 benutzte katalytische Material regeneriert werden muss, um mindestens ein Minimalniveau der Verminderung von NO_x-Emissionen aufrechtzuerhalten. Der Kontroller 312 kann bestimmen, wann das katalytische Material regeneriert werden muss durch, indem z. B. die gemessene Verminderung von NO_x-Emissionen mit einem Schwellenwert verglichen wird. Der Schwellenwert kann auf der Grundlage lokaler Standards oder Gesetze eine geringere Grenze für NO_x-Emissionen sein. Alternativ kann der Kontroller 312 die Heizvorrichtung 306 aktivieren, wenn die gemessene Verringerung der NO_x-Emissionen innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes des Schwellenwertes liegt, oder er kann die Heizvorrichtung 306 auf der Grundlage einer Änderung in der N_xO_y-Erzeugung, auf der Grundlage vorhergesagter NO-Emissionen aktivieren. Um das Regenerieren des katalytischen Materials zu erleichtern, verursacht der Kontroller 312, dass das Gasturbinen-Triebwerk 106 die Verwendung von Brennstoff mit viel Schwefel beendet und zu einer Brennstoffquelle mit wenig Schwefel mit einem geringen Niveau von an Brennstoff gebundenem Stickstoff umschaltet. Darüber hinaus verursacht der Kontroller 312, dass die Wärmequelle 306 die Temperatur des Abgasstromes zu zwischen etwa 700°F und etwa 1250°F erhöht. Ist das katalytische Material bis zu einem Niveau beträchtlich oberhalb der unteren Grenze regeneriert, dann deaktiviert der Kontroller 312 die Heizvorrichtung 306 und verursacht, dass das Gasturbinen-Triebwerk 106 zur Verwendung des ursprünglichen Brennstoffes mit viel Schwefel zurückkehrt.
In einigen Ausführungsformen bezieht sich der Begriff „Kontroller” allgemein auf irgendein programmierbares System, einschließlich Computern, Systemen, Mikrokontrollern, Schaltungen mit verringertem Instruktionssatz (RISC), anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), programmierbaren Logikschaltungen (PLC) und irgendeiner anderen Schaltung oder irgendeinem anderen Prozessor, der in der Lage ist, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die obigen Beispiele sind nur beispielhaft und sollen in keiner Weise die Definition und/oder Bedeutung des Begriffes „Kontroller” beschränken.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer beispielhaften Energieerzeugungssystem-Umgebung beschrieben ist, sind Ausführungsformen der Erfindung betriebsfähig mit zahlreichen anderen Energieerzeugungssystem-Umgebungen oder -Konfigurationen für allgemeinen oder Spezialzweck. Die Energieerzeugungssystem-Umgebung soll keine Beschränkung des Umfanges der Verwendung oder Funktionalität irgendeines Aspektes der Erfindung nahe legen. Darüber hinaus sollte die Energieerzeugungssystem-Umgebung nicht dahingehend interpretiert werden, dass sie irgendeine Abhängigkeit oder irgendein Erfordernis bezüglich irgendeiner oder einer Kombination von Komponenten aufweist, die in der beispielhaften Betriebsumgebung veranschaulicht sind.
4 ist eine grafische Darstellung 400, die einen NO₂-Gleichgewichtsprozentsatz des gesamten NO_x in einem Abgasstrom für ein beispielhaftes Gasturbinen-Triebwerk, wie (in 1 gezeigtem) Gasturbinen-Triebwerk 106 veranschaulicht. Wie in 4 gezeigt, erleichtert eine geringere Abgastemperatur einen höheren Anteil von NO₂ in NO_x beim Gleichgewicht. Für eine Abgastemperatur von etwa 650°F macht NO₂ bis zu etwa 80% des gesamten NO_x aus. Bei Abgastemperaturen oberhalb etwa 1100°F macht NO₂ jedoch bis zu etwa 10% des gesamten NO_x aus.
5 ist ein Fließbild 500, das ein beispielhaftes Verfahren zum Vermindern von Emissionen in einer Strömung von Abgasen veranschaulicht, die durch (in 1 gezeigtes) Gasturbinen-Triebwerk 106 erzeugt werden. In der beispielhaften Ausführungsform wird (in 3 gezeigter) der Oxidationskatalysator 308 bei einer ersten Temperatur betrieben, 502, um das Vermindern einer Menge von NO_x in den Abgasen zu erleichtern, die in den Oxidationskatalysator 308 geleitet werden, wobei die erste Temperatur geringer als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material ist. Darüber hinaus misst, 504, der Kontroller 312 (gezeigt in 3) eine Effizienz des Oxidationskatalysators 308 bei der ersten Temperatur. In der beispielhaften Ausführungsform liegt die erste Temperatur zwischen etwa 400°F und etwa 650°F. Darüber hinaus misst Kontroller 312 eine Menge der NO-Oxidationsumwandlung, um die Reaktivierungswirksamkeit und eine Zeitdauer zu bestimmen, die für die Regeneration des katalytischen Materials notwendig ist. In der beispielhaften Ausführungsform vergleicht, 506, der Kontroller 312 die Effizienz des Oxidationskatalysators 308 mit einem Schwellenwert. Alternativ vergleicht der Kontroller 312 die Effizienz des Oxidationskatalysators 308 mit einem Wert, der innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes des Schwellenwertes liegt. Auf der Grundlage des Vergleichs aktiviert der Kontroller 312 selektiv, 508, die Heizvorrichtung 306 (gezeigt in 3), um die Abgastemperatur bis zu einer zweiten Temperatur zu erhöhen, um das Regenerieren des katalytischen Materials zu erleichtern. Um das Regenerieren des katalytischen Materials zu erleichtern, verursacht der Kontroller 312, dass das Gasturbinen-Triebwerk 106 den Einsatz eines Brennstoffes mit hohem Schwefelgehalt beendet und zu einer Brennstoffquelle mit wenig Schwefel mit einem geringen Niveau von an den Brennstoff gebundenem Stickstoff umschaltet, 510. Darüber hinaus verursacht der Kontroller 312, dass die Heizquelle 306 die Temperatur des Abgasstromes auf zwischen etwa 700°F und etwa 1250°F erhöht. Wenn das katalytische Material bis zu einem Niveau beträchtlich oberhalb der unteren Grenze regeneriert worden ist, deaktiviert, 512, der Kontroller 312 die Heizvorrichtung 306 und verursacht, dass das Gasturbinen-Triebwerk 106 zur Verwendung des ursprünglichen Brennstoffes mit hohem Schwefelgehalt zurückkehrt 514.
Beispielhafte Ausführungsformen von Systemen, Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung beim Vermindern von Emissionen, wie NO_x-Emissionen, sind hierin beschrieben. Die beschriebenen Ausführungsformen erleichtern das Erhöhen einer Temperatur von Abgasen aus einem Gasturbinen-Triebwerk durch Benutzen eines Kanalbrenners zum Erhöhen einer Fähigkeit eines Oxidationskatalysators, die Konzentration von NO der Abgase für nachfolgende Adsorption zu verringern, um Emission durch einen Abgasschornstein in die Atmosphäre zu verhindern. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit der Verminderung von NO_x beschrieben wurden, sollte es klar sein, dass andere katalytische Systeme durch gleiches Herangehen regeneriert werden könnten, um gewisse Verunreinigungen zu entfernen, wie Oxide von Schwefel (SO_x) aus Katalysatoren zur Emissionsverminderung, die für Gasturbine, Boiler und hin und her bewegtes Triebwerk nach der Behandlung benutzt werden.
Beispielhafte Ausführungsformen von Systemen, Verfahren und Vorrichtungen sind oben detailliert beschrieben. Die Systeme, Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können vielmehr Operationen der Verfahren und/oder Komponenten des Systems und/oder der Vorrichtung unabhängig und separat von anderen Operationen und/oder hierin beschriebenen Komponenten benutzt werden. Die beschriebenen Operationen und/oder Komponenten können auch in Kombination mit anderen Systemen, Verfahren und/oder Vorrichtungen definiert oder benutzt werden und sie sind nicht darauf beschränkt, nur mit den Systemen, Verfahren und Speichermedien ausgeführt zu werden, wie sie hierin beschrieben sind.
Ein Kontroller, wie der hierin beschriebene, schließt mindestens einen Prozessor oder eine Prozessoreinheit und einen Systemspeicher ein. Der Kontroller hat typischerweise mindestens eine gewisse Form von computerlesbaren Medien. Beispielsweise und nicht zur Einschränkung schließen computerlesbare Medien Computerspeichermedien und Kommunikationsmedien ein. Computerspeichermedien schließen flüchtige und nicht flüchtige, entfernbare und nicht entfernbare Medien ein, die in irgendeinem Verfahren oder irgendeiner Technologie zum Speichern von Information verwirklicht sind, wie computerlesbaren Instruktionen, Datenstrukturen, Programmmodulen oder anderen Daten. Kommunikationsmedien verkörpern typischerweise computerlesbare Instruktion, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten in einem modulierten Datensignal, wie einer Trägerwelle oder anderen Transportmechanismen, und schließen irgendwelche Informationsliefermedien ein. Der Fachmann ist mit dem modulierten Datensignal vertraut, von dem eines oder mehrere seiner Charakteristika festgelegt oder in einer solchen Weise geändert sind, um Information in dem Signal zu codieren. Kombinationen von irgendwelchen der Obigen sind auch in den Umfang der computerlesbaren Medien eingeschlossen.
Die Reihenfolge der Ausführung oder Leistung der Operationen in den Ausführungsformen der hierin veranschaulichten und beschriebenen Erfindung ist nicht wesentlich, sofern nichts anderes spezifisch angegeben. Die Operationen können somit in irgendeiner Reihenfolge ausgeführt werden, sofern nichts anderes spezifisch angegeben, und Ausführungsformen der Erfindung können zusätzliche oder weniger Operationen einschließen, als sie hierin offenbart sind. So ist es, z. B., vorgesehen, dass das Ausführen oder Durchführen einer speziellen Operation vor, gleichzeitig mit oder nach einer anderen Operation im Umfang der Aspekte der Erfindung liegt.
Werden Elemente von Aspekten der Erfindung oder Ausführungsformen davon eingeführt, dann sollen die Artikel „ein”, „eine”, „der/die/das” und „der/die/das genannte” bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Begriffe „umfassend”, „einschließend” und „aufweisend” sollen einschließend sein und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente außer den aufgeführten Elementen geben kann.
Diese Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Art und auch, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und Benutzens irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher einbezogener Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und er kann andere Beispiele einschließen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschließen.
Ein Dampfgenerator (HRSG) 116, der in Strömungsverbindung stromabwärts von einer Verbrennungsvorrichtung 106 angeordnet ist, die eine Strömung von Abgasen erzeugt, schließt eine Heizvorrichtung 306, die konfiguriert ist, die von dem Gasturbinen-Triebwerk 106 abgegebenen Abgase zu erhitzen, die Oxide von Stickstoff (NO_x) einschließen, und einen Oxidationskatalysator 308 ein, der stromabwärts von der Heizvorrichtung 306 angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator 308 das Verringern einer Menge von NO_x in den Abgasen erleichtert, die in den Oxidationskatalysator 308 bei einer ersten Temperatur, die geringer ist als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material, und bei einer zweiten Temperatur geleitet werden, die etwa gleich mindestens der thermischen Regenerationstemperatur ist, sodass das katalytische Material gleichzeitig regeneriert wird.
Bezugszeichenliste

100: Energieanlage mit kombiniertem Zyklus
102: Verdichter
104: Luftaufnahme
106: Gasturbinen-Triebwerk
108: Verbrennungskammer
110: Erste Welle
112: Erster Generator
114: Abgaskanal
116: Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator
118: Wärmeaustauscher
120: Ausrüstung zur Behandlung von Emissionen
122: Abgasschornstein
124: Dampfturbine
126: Zweite Welle
128: Zweiter Generator
130: Kondensator
132: Rohrbündel
202: Supererhitzer-Wärmeaustauscher
204: Wiedererhitzer-Wärmeaustauscher
206: Ekonomisier-Wärmeaustauscher
208: Hochdruck-Verdampfer
210: Zwischendruck-Verdampfer
212: Niederdruck-Verdampfer
214: Hochdrucktrommel
216: Zwischendrucktrommel
218: Niederdrucktrommel
220: Kanalbrenner
302: Kanalbrenner
304: Hochdruck-Wärmeaustauscher
306: Heizvorrichtung
308: Oxidationskatalysator
310: Niederdruck-Wärmeaustauscher
312: Kontroller bzw. Regler
400: Grafische Darstellung
500: Fließbild
502: Betreiben eines Oxidationskatalysators bei einer ersten Temperatur
504: Messen einer Effizienz des Oxidationskatalysators
506: Vergleichen der Effizienz mit einem Schwellenwert
508: Aktivieren einer Heizvorrichtung zum Einleiten der Regeneration von katalytischem Material
510: Umschalten von einem ersten Brennstoff zu einem zweiten Brennstoff
512: Deaktivieren der Heizvorrichtung, wenn katalytisches Material im Wesentlichen regeneriert ist
514: Zurückkehren zur Benutzung des ersten Brennstoffes

Claims

Dampfgenerator (116), der in Strömungsverbindung stromabwärts von einer Verbrennungsvorrichtung (106) angeordnet ist, die eine Strömung von Abgasen erzeugt, wobei der Dampfgenerator (116) umfasst: eine Heizvorrichtung (306), die zum Erhitzen der Abgase konfiguriert ist, die Oxide von Stickstoff (NO_x) enthalten, und einen Oxidationskatalysator (308), der stromabwärts von der Heizvorrichtung (306) angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator (308) das Vermindern einer Menge von NO_x in den Abgasen erleichtert, die in den Oxidationskatalysator (308) bei einer ersten Temperatur, die geringer ist als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material, und bei einer zweiten Temperatur geleitet werden, die etwa gleich mindestens der thermischen Regenerationstemperatur ist, so dass das katalytische Material gleichzeitig regeneriert wird.
HRSG (116) nach Anspruch 1, worin die Heizvorrichtung (306) dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage einer Effizienz des Oxidationskatalysators (308) beim Vermindern der Menge von NO_x in den Abgasen selektiv aktiviert zu werden.
HRSG (116) nach Anspruch 2, weiter umfassend einen Kontroller (312), der mit der Heizvorrichtung (306) verbunden ist, wobei der Kontroller (312) dazu eingerichtet ist: ein Signal zu empfangen, das für die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) repräsentativ ist, und die Heizvorrichtung (306) auf der Grundlage des Signals zu aktivieren.
HRSG (116) nach Anspruch 3, worin der Kontroller (312) weiter dazu eingerichtet ist: die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) mit einem Schwellenwert zu vergleichen und die Heizvorrichtung (306) zu aktivieren, wenn die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) geringer ist als der Schwellenwert.
HRSG (116) nach Anspruch 3, worin der Kontroller (312) weiter dazu eingerichtet ist: die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) mit einem Schwellenwert zu vergleichen und die Heizvorrichtung (306) zu aktivieren, wenn die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes des Schwellenwertes ist.
HRSG (116) nach Anspruch 1, worin die Heizvorrichtung (306) einen Kanalbrenner umfasst.
HRSG (116) nach Anspruch 1, worin die Heizvorrichtung (306) ein Heizelement auf Dampfbasis umfasst.
HRSG (116) nach Anspruch 1, worin die Heizvorrichtung (306) dazu eingerichtet ist, die Abgase zu erhitzen, bis die erste Temperatur zwischen etwa 400°F und etwa 650°F liegt.
HRSG (116) nach Anspruch 1, worin die Heizvorrichtung (306) dazu eingerichtet ist, die Abgase zu erhitzen, bis die zweite Temperatur zwischen etwa 700°F und 1250°F liegt.
Energieanlage (100) mit kombiniertem Zyklus, umfassend: ein Gasturbinen-Triebwerk (106), das zum Verbrennen eines Brennstoffes in Luft eingerichtet ist, um Wellenleistung und einen Abgasstrom zu produzieren, der Oxide von Stickstoff (NO_x) enthält, und einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) (116), der in Strömungsverbindung mit dem Gasturbinen-Triebwerk (106) steht, wobei der HRSG (116) umfasst: eine Heizvorrichtung (306), die zum Erhitzen der Abgase eingerichtet ist, und einen Oxidationskatalysator (308), der stromabwärts von der Heizvorrichtung (306) angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator (308) das Vermindern einer Menge von NO_x in den Abgasen erleichtert, die in den Oxidationskatalysator (308) bei einer ersten Temperatur, die geringer ist als eine thermische Regenerationstemperatur für ein katalytisches Material, und bei einer zweiten Temperatur geleitet werden, die etwa gleich mindestens der thermischen Regenerationstemperatur ist, so dass das katalytische Material gleichzeitig regeneriert wird.
Energieanlage (100) mit kombiniertem Zyklus gemäß Anspruch 10, weiter umfassend einen Kontroller (312), der mit der Heizvorrichtung (306) verbunden ist, wobei der Kontroller (312) dazu eingerichtet ist: ein Signal zu empfangen, das für die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) repräsentativ ist, und die Heizvorrichtung (306) auf der Grundlage des Signals selektiv zu aktivieren.
Energieanlage (100) mit kombiniertem Zyklus gemäß Anspruch 11, worin der Kontroller (312) weiter dazu eingerichtet ist: die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) mit einem Schwellenwert zu vergleichen und die Heizvorrichtung (306) zu aktivieren, wenn die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) geringer ist als der Schwellenwert.
Energieanlage (100) mit kombiniertem Zyklus nach Anspruch 11, worin der Kontroller (312) weiter dazu eingerichtet ist: die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) mit einem Schwellenwert zu vergleichen und die Heizvorrichtung (306) zu aktivieren, wenn die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes des Schwellenwertes ist.
Energieanlage (100) mit kombiniertem Zyklus nach Anspruch 11, worin der Kontroller (312) weiter dazu eingerichtet ist: das Gasturbinen-Triebwerk (106) zu veranlassen, die Verbrennung eines ersten Brennstoffes zu beenden und die Verbrennung eines zweiten Brennstoffes zu beginnen, wenn die Effizienz des Oxidationskatalysators (308) geringer ist als der Schwellenwert, wobei der zweite Brennstoff ein geringeres Niveau an Verunreinigungen enthält, die von dem Oxidationskatalysator (308) zu entfernen sind, als der erste Brennstoff.
Energieanlage (100) mit kombiniertem Zyklus nach Anspruch 10, worin die Heizvorrichtung (306) einen Kanalbrenner und/oder ein Heizelement auf Dampfgrundlage umfasst.