DE102012100468A1

DE102012100468A1 - Brennkammer für die emissionsarme Verbrennung von mehreren vorgemischten reformierten Brennstoffen und verwandtes Verfahren

Info

Publication number: DE102012100468A1
Application number: DE201210100468
Authority: DE
Inventors: Abdul Rafey Khan; Hasan Karim; Jonathan D. Berry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-26
Also published as: JP5997445B2; US8931283B2; FR2970766A1; US20120186266A1; FR2970766B1; CN102619624A; JP2012153597A; CN102619624B

Abstract

Ein Reformer (60) zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine (16), speziell zur Behandlung eines ergänzenden Brennstofffeeds zu der Brennkammer konfiguriert, beinhaltet einen Reformerkern (62), der eine Katalysatorzusammensetzung (65) enthält, und einen Einlassströmungskanal zum Transportieren des Reformerbrennstoffgemischs, Luft und Dampf (gesättigt oder Heißdampf) in einen Reformerkern (62). Ein Auslassströmungskanal (66) transportiert den resultierenden Reformatstrom (55), der reformierte und thermisch gecrackte Kohlenwasserstoffe und beträchtliche Wasserstoffmengen enthält, aus dem Reformerkern (62) zur späteren Kombination mit dem Hauptbrennkammerfeed. Weil die katalytische partielle Oxidationsreaktion im Reformer hoch exotherm ist, wird die zusätzliche Wärme mithilfe von einer oder mehreren Wärmeaustauschereinheiten (72, 77) für einen ersten und/oder zweiten Zusatz-Gasturbinenbrennstoffstrom (40, 50) übertragen (und thermisch integriert), die thermisches Cracken und Verdampfen durchlaufen, bevor sie mit dem Reformat kombiniert werden. Das kombinierte wasserstoffangereicherte Feed verbessert die Brennkammerleistung beträchtlich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem und insbesondere ein Verbrennungsystem für eine Gasturbinenmaschine, die einen Brennstoffreformer benutzt, und die thermische Integration von während des Reformingprozesses erzeugter Wärme zum Erzeugen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs mit niedrigeren Emissionen und höherem Wirkungsgrad als ein Zusatzbrennstoff für den Gasturbinenbrennraum. Solche Zusatzbrennstoffe und andere zugeführten Stoffströme werden wie in der Fachwelt üblich nachfolgend als Feed bezeichnet.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gasturbinenmaschinen beinhalten im typischen Fall einen Verdichterabschnitt, einen Brennraumabschnitt und wenigstens eine Turbine, die sich dreht, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Verdichteraustritt mündet direkt in den Brennraumabschnitt, wo Kohlenwasserstoff-Brennstoff eingespritzt, gemischt und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase werden dann in mehrere Stufen der Turbine hinein und durch sie hindurch geleitet, die den Verbrennungsgasen Rotationsenergie entzieht.
Um ihren maximalen Betriebswirkungsgrad zu erreichen, müssen Gasturbinenverbrennungssysteme in einem breiten Bereich verschiedener Brennstoffzusammensetzungen, Drücke, Temperaturen und Luft-Brennstoff-Verhältnisse arbeiten und vorzugsweise die Fähigkeit haben, flüssige oder gasförmige Brennstoffe oder eine Kombination von beiden (als „Hybridbrenner”-Systeme bezeichnet) zu benutzen. Viele Kohlenwasserstoff-Brennstoffkandidaten zur Verwendung in Gasturbinenbrennkammern enthalten aber unerwünschte Verunreinigungen und/oder Nebenprodukte anderer Prozesse, die zur Behinderung der Verbrennung und/oder Verringerung der Kapazität und des Wirkungsgrads des Gasturbinensystems neigen. Viele Brennstoffkandidaten erzeugen auch Umweltverschmutzungsprobleme, insbesondere die Bildung unerwünschter NO_x-Komponenten.
Infolgedessen haben verschiedene Brennkammerkonstruktionen vom Stand der Technik versucht, allerdings nur mit begrenztem Erfolg, hohe Gasturbinenmaschinen-Leistungspegel unter Verwendung von flüssigen Brennstoffzusammensetzungen aufrecht zu erhalten und dabei gleichzeitig akzeptable Emissionswerte, speziell den NO_x- und CO-Mengen bei der Verbrennung, zu erzielen. Die meisten Gasturbinenbrennkammern, die niedrige NO_x-Emissionen erzielen können (als „Dry Low Nox” (DLN) bezeichnet), erfordern ein mageres, vorgemischtes Verbrennungsgemisch, das einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff niedrigerer Masse und eine überschüssige Luftmenge umfasst, um die NO_x-Erzeugung einzuschränken und zu begrenzen. Gewöhnlich verwenden derartige Brennkammern ein Gemisch aus verdichtetem Erdgas, das aus 90 bis 98 Volumen-% Methan (CH₄) mit kleineren Mengen von CO₂, O₂, N₂ und einem kleinen Bruchteil von kurzkettigen Kohlenwasserstoffen wie Ethan, Ethylen und Acetylen besteht. Diese magereren Gemische verbrennen meist bei einer niedrigeren Temperatur als in konventionellen Diffusionsflammenbrennkammern, wodurch geringere Schadstoffmengen, einschließlich Stickstoffoxide, erzeugt werden.
In der Vergangenheit wurden schon viele Versuche unternommen, Brennstoffe mit Alternativen zu Erdgas zu fahren, darunter flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen wie Öl und Dieselkraftstoff, allein oder in Verbindung mit anderen gasförmigen Brennstoffkomponenten. Um unter Verwendung von flüssigen Brennstoffen eine magere, vorgemischte und vorverdampfte Flamme zu erzeugen, muss der Brennstoff zuerst verdampft und, wenn möglich, zu besser brennfähigen Gasen mit höherem thermischen Wirkungsgrad reformiert werden, die mit Luft vermischt werden können, um vor der Entzündung in der Brennkammer einen akzeptablen Brennstoffdampf zu erzeugen. Selbst dann hat sich die Verwendung von flüssigen Brennstoffen, die Kohlenwasserstoffbestandteile mit höherer molekularer Masse in Verbindung mit anderen Gasbrennstoffelementen (einschließlich aliphatische Kohlenwasserstoffe niedrigerer molekularer Masse) enthalten, als problematisch erwiesen.
Ein anerkannter Ansatz zur Verwendung von Brennstoffen mit höherer molekularer Masse beinhaltet den Prozess des Reformierens der Brennstoffe, insbesondere Schweröl oder Naphtha, zu leichtere Kohlenwasserstoffkomponenten. Bekannte Reformingprozesse beinhalten aber komplexe und kostspielige prozessleittechnische Probleme, einschließlich potentielle Verluste in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad. Zum Beispiel sind Gasturbinenkonstruktionen, die als eine Brennstoffkomponente Öl verwenden, gegenüber Hochtemperaturkorrosion durch Verunreinigungen empfindlich, die nicht leicht zu besser verwertbaren Brennstoffen reformiert werden können. Infolgedessen fahren die meisten Gasturbinenmaschinen, die Flüssigbrennstoffe verwenden, entweder mit Flüssigerdgas (LNG) oder sehr leichten Ölen, die leicht in kleinere Kohlenwasserstoffkomponenten zerlegt und/oder effizient verdampft werden können. Zu den bekannten Umsetzungsprozessen zählen das katalytische Dampfreforming, das autotherme katalytische Reforming, die katalytische partielle Oxidation und die nichtkatalytische partielle Oxidation, die jeweils Vor- und Nachteile haben und verschiedene Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Verhältnisse erzeugen („Synthesegas”).
Die Reaktionsprodukte von bekannten Katalysatorsystemen (insbesondere Wasserstoff) sind zwar als Brennstoffkomponenten sehr erwünscht, sie können aber aufgrund der erhöhten Gastemperaturen infolge der katalytischen Reaktion potentiell erheblichen Schaden an Brennkammerbauteilen verursachen. Das heißt, die reformierten Produkttemperaturen übersteigen oft den zulässigen Schwellenwert für Werkstoffe, die zum Herstellen der Rohrleitungen für die Gasturbine verwendet werden. Damit der erhitzte Reformatdampf direkt in den Brennraum gespeist werden kann, sind daher für die abströmseitigen Rohrleitungen für den Hochtemperatur-Fluidtransport geeignete Werkstoffe erforderlich, was die Materialkosten des Systems bedeutend erhöht. Außerdem muss der katalytische Reformer auf eine Weise gekühlt werden, die eine Überhitzung und Beschädigung von Reformerbauteilen verhindert, was das System, selbst mit herkömmlichen Wärmetauschern, komplexer und kostspieliger macht.
Angesichts der hohen Temperaturen bei aktuellen Reformingverfahren war die Verwendung von brennstoffreformierenden Katalysatorsystemen zur Erzeugung von zusätzlichem Wasserstoff zur Verwendung in Gasturbinenmaschinen bisher sehr begrenzt. Die bekannten Katalysatorsysteme vom Stand der Technik bieten einfach kein akzeptables Verfahren für das Reforming schwererer Flüssigkeiten und/oder gasförmiger Brennstoffkomponenten bei gleichzeitiger effektiver Regulierung und Nutzung der von dem Reformingvorgang erzeugten exothermen Reaktionswärme.
Bei bekannten Systemen vom Stand der Technik bestehen daher immer noch verschiedene Probleme in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad. Zum Beispiel offenbart US-Patent Nr. 3 796 547 , Muenberger, eine Wärmeaustauschvorrichtung, die einen exothermen Katalysator verwendet, der in einem geschlossenen zylindrischen Behälter untergebracht sind, wobei ein oder mehrere Wärmetauscher in dem Katalysatorbett eingebettet sind, um bei der Regulierung der von der katalytischen Reaktion des Feedstroms erzeugten Wärme behilflich zu sein, wobei das Kühlmittel (gewöhnlich Wasser) von einer außenliegenden Quelle eingeführt wird und dann von den Wärmetauschern entfernt wird. Die Verwendung des behandelten Prozessstroms, um den reformierten Bestandteilen Kühlung zu verleihen oder aber um einen thermisch integrierten Prozess aufrecht zu erhalten, wird von Muenberger weder erwogen noch gelehrt.
US-Patent Nr. 6 444 179 , Sederquist, beschreibt einen Reformer des „autothermen” Brennstoffzellentyps zum Umsetzen eines Brennstoffs und zum Erzeugen von freiem Wasserstoff durch eine katalytische Reaktion unter Verwendung von Heißdampf. Der Brennstoffzellen-Reformer umfasst einen geschlossenen Druckbehälter mit erstem und zweitem Reaktantenverteiler, die jeweils aus einer Vielzahl von Mischröhren bestehen, die so konfiguriert sind, dass die von der katalytischen Reaktion erzeugte Wärme zum Erzeugen des in der Reaktion verwendeten Heißdampfs verwendet werden kann. Sederquist zieht nicht in Betracht, die zusätzliche Wärme zum Behandeln der Kraftstoffquelle zu verwenden.
US-Patent Nr. 6 083 425 , Clawson et al, illustriert ein konventionelles Verfahren zum Umsetzen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs in Wasserstoff und Kohlendioxid in einem „Reformer” unter Verwendung eines sauerstoffreichen Gasfeeds und von Dampf, die in eine Reaktionszone für partielle Oxidation, die einen Reformingkatalysator enthält, eingeführt werden. Clawson et al ziehen nicht in Betracht, den behandelten Brennstoffdampf zum Kühlen der reformierten Bestandteile zu verwenden.
Die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2005/0072137 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Schweröl durch Mischen des Öls mit „superkritischem” Hochdruckwasser hoher Temperatur und einem Oxidationsmittel zum Oxidieren von Vanadium und dann Abscheiden des resultierenden Vanadiumoxids. Auch Hokari et al verwenden die thermische Integration der vom Katalysator erzeugten Wärme nicht.
Das US-Patent Nr. 5113478 mehrerer Inhaber beschreibt eine Verdampfungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff, die eine Glühkerze verwendet, die in einem röhrenförmigen Körper angeordnet ist, in dem der flüssige Brennstoff infolge von Strahlungswärme aus dem Brennraum und von „wärmeaufnehmende” Rippen an der Außenseite des röhrenförmigen Elements verdampft wird, wenn die Temperatur der Brennkammer gewisse Schwellenwerte übersteigt.
Es besteht daher immer noch ein beträchtlicher Bedarf an einem Reformersystem, das bedeutende Mengen von freiem Wasserstoff erzeugen kann und gleichzeitig die exotherme Reaktionswärme zum Behandeln von Komponenten von flüssigem und/oder „Abgas” nutzen kann, um sie chemisch und thermisch als zusätzliche Brennstoffkomponenten praktikabel zu machen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine neue Reformerkonstruktion zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine vor, die zum Behandeln von wenigstens zwei und möglicherweise drei zusätzlichen Brennstofffeeds zu einer Brennkammer konfiguriert ist, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften des kombinierten Brennkammerfeeds zu verbessern. In Ausführungsbeispielen beinhaltet der Reformer ein Gehäuse für eine Reformerkernanordnung, die eine Katalysatorzusammensetzung für ein Verfahren der katalytischen partiellen Oxidation („CPOX”) und eine Vielzahl von radialen oder axialen Strömungsdurchgängen enthält. Der Reformer weist auch einen Einlassströmungskanal zum Transportieren von einem ersten Brennstoffgemisch, Luft und möglicherweise Dampf (vorzugsweise Heißdampf) in den Reformerkern auf. Ein Auslassströmungskanal transportiert den resultierenden Reformatproduktstrom, der reformierte und thermisch gecrackte Kohlenwasserstoffe enthält, zusammen mit beträchtlichen Mengen von freiem Wasserstoff, die von dem Reformerkern erzeugt werden.
Weil die CPOX-Reaktion hoch exotherm ist, kann die vom Reformer erzeugte zusätzliche Wärme über eine oder mehrere Wärmetauschereinheiten auf einen ersten oder einen zweiten Zusatz-Gasturbinenbrennstoffstrom (der Gase und/oder flüssige Brennstoffe enthält) übertragen werden, der thermisch gecrackt und verdampft wird, bevor einer oder beide zusätzlichen Brennstoffströme mit dem ursprünglichen reformatenthaltenden Wasserstoff zusammengeführt wird bzw. werden. Die zusammengeführten Ströme werden dann der Brennkammer der Gasturbine zugeführt, um ihre Leistung zu steigern und unerwünschte Emissionen zu reduzieren. Ein Ausführungsbeispiel beinhaltet einen oder mehrere Zerstäuber zum Behandeln des ersten Zusatzbrennstoffstroms sowie eine zuströmseitig vor den Zerstäubern angeordnete Kühlunterstation. Die Erfindung umfasst auch ein komplettes Gasturbinenmaschinensystem (einschließlich einer Brennkammer), das wasserstoffangereicherten und reformierten Brennstoff verwenden kann, sowie ein verwandtes Verfahren zum Reformieren von einem oder mehreren Kohlenwasserstoff-Brennstoffströmen unter Verwendung der neuen Reformerkonstruktion, um die Gesamtleistung der Gasturbinenmaschine zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenmaschine des Typs, der zum Einsetzen der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
2 ist ein Blockfließbild, das die grundlegenden Prozessschritte zeigt, die Systeme vom Stand der Technik beinhalten, die ein mageres, vorverdampftes, vorgemischtes Brennkammerfeed verwenden;
3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels (die die Hauptteile der Ausrüstung zeigt) für ein Verfahren für das Reforming eines vorgemischten, mehrere Brennstoffe umfassenden Feeds für eine Brennkammer einer Gasturbinenmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform des Reformers, der zum erfindungsgemäßen Erzeugen eines wasserstoffreichen reformierten Kohlenwasserstoff-Feedstroms zu der Brennkammer verwendet wird;
5 ist eine perspektivisch dargestellte Seitenansicht im Querschnitt der in 4 abgebildeten beispielhaften Reformerkonstruktion;
6 ist eine Seitenansicht im Querschnitt, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei ein mehrere Brennstoffe umfassendes Feed direkt in und durch ein axial ausgerichtetes CPOX-Katalysatorbett eingespritzt wird, zusammen mit einer oder mehreren Einspritzdüsen zum Einspritzen einer zusätzlichen Gasturbinenbrennstoffkomponente abströmseitig unmittelbar hinter dem Katalysatorbett in den heißen Reformatstrom;
7 ist eine Seitenansicht im Querschnitt, die eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ebenfalls direkte Brennstoffeinspritzung in und durch ein axial ausgerichtetes Katalysatorbett und eine oder mehrere Zusatzbrennstoffeinspritzdüsen nutzt, wobei aber die Einspritzung abströmseitig weiter von dem Katalysatorbett weg in den heißen Reformatstrom erfolgt;
8 ist eine Seitenansicht im Querschnitt, die noch eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, die direkte Brennstoffeinspritzung in und durch ein axial durchströmtes Katalysatorbett nutzt, wobei die Einspritzung durch eine oder mehrere Zusatzbrennstoffeinspritzdüsen unmittelbar neben dem Katalysatorbett erfolgt, und
9 ist eine Seitenansicht im Querschnitt, die eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, die ebenfalls eine direkte Brennstoffeinspritzung durch eine radial durchströmte (anstatt axial durchströmte) Katalysatorbettkonfiguration ähnlich der in 4 gezeigten verwendet und wobei die Zusatzbrennstoffeinspritzung in den heißen Reformatstrom an oder nahe am Ausgang des Katalysatorbetts erfolgt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine neue Brennstoffreformerkonstruktion zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine vor, bei der der Reformer die thermische Integration von Wärme erzielt, die während des Schrittes des katalytischen Reformierens erzeugt wird, wobei er gleichzeitig die Qualität des reformierten und danach mit dem Hauptbrennstofffeed zu der Brennkammer zusammengeführten Brennstoffstroms verbessert. Der Reformer kann einen vollständig verdampften Brennstoff oder alternativ eine Brennstoffkomponente zur Verwendung in einer Hybridbrenner-Brennkammer unter Verwendung eines kombinierten (und reformierten) flüssigen und gasförmigen Feeds produzieren.
Es wurde nun festgestellt, dass der Wirkungsgrad einer Brennkammer, die flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe, allein oder in Kombination, verwendet, beträchtlich verbessert werden kann, indem CPOX auf die hierin beschriebene Weise verwendet wird, um die Menge des freien Wasserstoffs, die im der Brennkammer zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisch vorhanden ist, zu erhöhen, was wiederum zur Erhöhung der Verbrennungsstabilität und des Regelverhältnisses führt, während das Niveau der unerwünschten Emissionen gleichzeitig gesenkt wird.
In einem Ausführungsbeispiel nutzt die Erfindung ein Verfahren der katalytischen partiellen Oxidation (CPOX: Catalytic partial oxidation process), um einen Teil des der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine zugeführten Brennstoffs zu reformieren. Weil die CPOX-Reaktion hoch exothermer Art ist, werden die Kohlenwasserstoff-Brennstoffquelle und das sauerstoffhaltige Gas wie z. B. Luft kombiniert und bei erhöhten Temperaturen mit dem Katalysator in Kontakt gebracht, um ein hohe Konzentrationen von Wasserstoff und reformierten (gecrackten) Kohlenwasserstoffkomponenten enthaltendes Reaktionsprodukt zu erzeugen. Der Reformer setzt also ein zusätzliches Luft-Brennstoff-Gemisch (das meist Erdgas und schwerere Kohlenwasserstoffgaskomponenten enthält) in einen wasserstoffreichen ergänzenden Brennstoff um, indem er das Zusatzbrennstoffgemisch mit einem Katalysator in Kontakt bringt, was zu einer exothermen Reaktion führt, die freien Wasserstoff und/oder ein Synthesegas-ähnliches Reaktionsprodukt (gewöhnlich reich an Wasserstoff mit zusätzlichem Kohlendioxid und unreagiertem freiem Stickstoff) erzeugt. Die Erzeugung von freiem Wasserstoff und/oder einem Synthesegas-ähnlichen Produkt dient zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Brennkammer und Turbine aufgrund der thermischen und Umweltvorteile bei Verwendung von Wasserstoff und kürzerkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen als Brennstoffquellen.
Anders als bei bekannten Systemen vom Stand der Technik, einschließlich den oben genannten, wird die während des Reformingschrittes erzeugte Wärme zum Verdampfen (und potentiellen Cracken) von einer oder mehreren separaten flüssigen „Abfall”-Brennstofffeeds verwendet, die hauptsächlich aus schwereren Ölen oder alternativ aus Brennstoffgasen mit höherer molekularer Masse bestehen, die Restmengen von schwereren Kohlenwasserstoffkomponenten enthalten, wie z. B. längerkettige aliphatische Verbindungen. Die resultierende kombinierte Zusatzbrennstoffquelle verbessert den allgemeinen Brennkammerbetrieb, indem sie „magerere” Betriebsbedingungen im endgültigen Brennkammerbrennstoff schafft, als sonst möglich wären. Insbesondere zählt zu den erfindungsgemäß behandelten Reformerbrennstoffen fast jeder Kohlenwasserstoffgasbrennstoff, einschließlich Gemische aus flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, wie Dieselkraftstoffe, Benzin und Öle mit höherer durchschnittlicher molekularer Masse.
Außerdem werden die Reaktionsprodukte des Reformerkatalysators aufgrund der exothermen Reaktion unter Verwendung eines CPOX-Katalysators bei einer viel höheren Temperatur abgelassen. Die während der Reaktion erzeugte zusätzliche Wärme wird dann benutzt, um die thermische Integration des gesamten Reformersystems durch Erhitzen (und vorzugsweise Verdampfen und/oder Cracken) von Kohlenwasserstoffkomponenten mit höherer molekularer Masse in den separaten „Abfall”-Flüssigkeits- und/oder „Abgas”-Feedströmen zu erzielen. Die Katalysator-Reformingreaktion führt auch zu einer bedeutenden Wasserstoffanreicherung des Brennkammerfeeds, sobald die Reformingprodukte mit der Hauptbrennstoffquelle kombiniert werden.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung bestehen etwa 80 bis 90% des in die Brennkammer eingespeisten Brennstoffs aus einer Hauptbrennstoffquelle, gewöhnlich einem gasförmigen Brennstoff-Luft-Gemisch. Die übrigen 10 bis 20% umfassen drei zusätzliche Brennstoffströme, die direkt am Reforming beteiligt sind, nämlich einen ersten reformierten, mit dem Katalysator behandelten (was freien Wasserstoff und kürzerkettige aliphatische Verbindungen erzeugt) Brennstoffstrom und zwei Zusatzbrennstoffströme, die einen oder mehrere flüssige „Abfall”-Brennstoffbestandteile aufweisen, möglicherweise einschließlich schwererer Öle. Beide Zusatzbrennstoffströme durchlaufen physikalische und chemische Änderungen (einschließlich etwas thermisches Cracken schwererer Bestandteile), während sie als Kühlmittel für das Reformat dienen.
Die während des Reformings erzeugte exotherme Wärme dient im Effekt zum Verdampfen und/oder thermischen Cracken der schwereren Komponenten in den gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in beiden Strömen. Der zweite Zusatzbrennstoffstrom kann sogar als fakultatives Kühlmittel für die den Reformer verlassenden Hochtemperatur-Reaktionsprodukte dienen. Alle drei Brennstoffströme (der reformierte Hauptbrennstoff- und der erste und der zweite Zusatzbrennstoffstrom) verbinden sich zu einem endgültigen Brennkammerfeed, das bedeutend reicher an Wasserstoff und kürzerkettigen aliphatischen Verbindungen ist.
Die vorliegende Erfindung sieht so eine verbesserte Gasreformerkonstruktion und ein verwandtes Verfahren zum Kühlen, d. h. thermischen Integrieren, des vom Reformer erzeugten Hochtemperatur-Reaktionsproduktstroms vor. Anders als Systeme vom Stand der Technik nutzt der gekühlte Reformer einen Teil eines weniger erwünschten Brennstoffstroms, um die Reaktoranordnung einschließlich des Druckbehältergehäuses für den Reformer zu kühlen. Das heißt, dass Teile des Stroms über, um und angrenzend an die Reaktoranordnung geleitet werden, um die Reaktorbauteile zu kühlen, wodurch Schäden am Brennstoffreformer und an abströmseitigen Rohrleitungen aufgrund von Überhitzung vermieden werden. Ein Vorteil der Erfindung beinhaltet daher die Verwendung von ergänzenden Brennstoffen vom „Abfall”-Typ zum Abkühlen des erhitzten Reformats, das vom Reaktor erzeugt wird, auf einen akzeptablen Grad, so dass das kombinierte Brennstoff-Reformat-Gemisch abströmseitig mit kostengünstigeren, für niedrigere Temperaturen ausgelegten Leitungsmaterialien transportiert werden kann.
Des Weiteren verbessern die erhöhten Wasserstoffpegel während stickstoffoxidarmem Betrieb brennkammerseitig die Flammenstabilität, was zu niedrigeren Emissionen und einem besserem Regelungsverhältnis führt. Die prozessgekoppelte Brennstoffreformerkonstruktion erlaubt auch die genaue Überwachung und Regelung des Brennstoffreaktivität, was zu größerer Brennstoffflexibilität und sparsamerem Brennstoffverbrauch führt.
In einer fakultativen Ausführungsform wird Dampf (entweder gesättigter oder Heißdampf, je nach der Zusammensetzung des Reformerbrennstofffeeds) direkt in den Reformer eingespeist, um die katalytische Reaktion zu ermöglichen. Dampf kann auch als separates Feed zu der Reaktoranordnung abströmseitig vom Reformer vorgesehen werden, um für eine zusätzliche Temperaturregelung des Reformats zu sorgen. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verdünnerstrom, wie z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid, als ergänzende Kühlung für die Reaktoranordnung und den Reformatstrom in oder um den Reformer geleitet.
Im Folgenden wird nun auf die Figuren Bezug genommen, wobei 1 ein Fließschema einer beispielhaften Gasturbinenmaschine zeigt, welche das/die erfindungsgemäße Reformingverfahren und Reformingvorrichtung aufweist. Die Gasturbinenmaschine 10 weist einen Verdichter 12, eine Vielzahl von Brennkammern, die eine Brennkammer 11 bilden, und eine Gasturbine 16 auf. Der Verdichter 12 und die Gasturbine 16 sind durch die rotierende Welle 15 (die eine einzelne Welle oder eine Vielzahl von Wellensegmenten umfassen kann) miteinander verbunden. Während des Betriebs führt der Verdichter 12 der Brennkammer 11 Druckluft zu, während eine Hauptbrennstoffquelle 13 den Hauptbrennstoffstrom zur Brennkammer 11 bereitstellt. Die Luft und der Brennstoff werden vermischt und verbrannt, wobei die heißen Verbrennungsgase direkt von der Brennkammer 11 in die Gasturbine 16 strömen, wo den Verbrennungsgasen Energie entzogen wird zum Erzeugen von Arbeit.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Reformer (an 14 mit gestrichelten Linien dargestellt) zuströmseitig der Brennkammer 11 angeordnet. Wie erwähnt, ist es eine Hauptaufgabe des Reformers, einen wasserstoffreichen Feedstrom zur Brennkammer zu erzeugen (wodurch die Qualität und der Wirkungsgrad des kombinierten Brennstofffeeds zu der Brennkammer insgesamt verbessert wird und unerwünschte Emissionen reduziert werden) und gleichzeitig eine thermische Integration einzusetzen, um einen zweiten Zusatzbrennstoffstrom zu behandeln.
2 ist ein Blockfließbild, das die grundlegenden Prozessschritte darstellt, die in Systemen vom Stand der Technik verwendet werden, die sich auf ein vorgemischtes Brennkammerbrennstofffeed stützen, aber ohne thermische Integration oder Modifikation der grundlegenden Brennstoffkomponenten. Gewöhnlich wird flüssiger Brennstoff 20 einer oder mehreren Wärmetauschereinheiten zugeführt, wie an 22 gezeigt. Die Temperatur des flüssigen Brennstoffs wird dann mit dem wärmeabgebenden Medium 23 erhöht, was vorzugsweise einen verdampften Brennstoffstrom zur Folge hat, der mit einem Inertgasträgerstrom 24 kombiniert wird. Zu dem bereits verdampften Gemisch wird ein zusätzliches mageres, vorgemischtes, vorverdampftes Brennstoffgas 25 gegeben und das so erhaltene kombinierte Brennstoffgemisch wird in eine konventionelle Verbrennungsvorrichtung 26 eingespeist, was eine relativ „saubere” Verbrennung und Verbrennungsnebenprodukte 27 ergibt.
Das in 2 abgebildete Verfahren vom Stand der Technik, insbesondere die Verwendung eines mageren vorverdampften, vorgemischten Gasfeeds („LPP”), kann zwei bedeutende Aspekte der Erfindung nicht erzielen, nämlich (1) die Umsetzung schwererer Gasbrennstoffkomponenten in freien Wasserstoff oder (2) die Verwendung der während der Reaktion erzeugten exothermen Wärme zum Behandeln von ergänzenden flüssigen Brennstoffkomponenten, einschließlich so genannten „Abfall”-Brennstoffen mit niedrigeren Brennwerten. Stattdessen muss in Systemen nach 1 von einer äußeren Quelle ein beträchtlicher Betrag zusätzlicher Wärme zugeführt werden, um die flüssigen Bestandteile zu verdampfen. Der in der Figur gezeigte Stand der Technik erfordert gewöhnlich auch die Verwendung eines Inertgases als separates Trägerfluid, eine Funktion, die von der Erfindung mit dem Reformerfeed selbst erzielt wird.
3 ist ein Fließschema, das die Hauptprozessschritte und Ausrüstungsteile für einen beispielhaften Prozess (allgemein als 30 gezeigt) zum Reformieren eines vorgemischten Hybridbrennstofffeeds für eine Brennkammer einer Gasturbinenmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der Reformer 31 (der vorzugsweise gasförmige, flüssige oder eine Kombination von flüssigen/gasförmigen Brennstofffeeds behandeln kann) ist zuströmseitig des an 58 gekennzeichneten Brennkammerabschnitts angeordnet, d. h. zuströmseitig eines Brennstoffverteilers (nicht gezeigt), um wenigstens einen Teil des Haupt-Brennkammerbrennstoffs zu reformieren, um ein wasserstoffreiches Reformat zu erzeugen.
Wie 3 veranschaulicht, weist der dem Reformer 31 zugeführte Brennstoff fakultativ ein oder mehrere Kohlenwasserstoffgase 33 auf, entweder allein oder in Kombination mit einem fakultativen flüssigen Brennstofffeed 34, d. h. einem flüssigen Brennstoff, der nominelle Brennstoffkomponenten mit einer höheren durchschnittlichen molekularen Masse umfasst. Das Reformerfeed weist auch ein fakulatives Dampffeed 35 der gesättigten oder Heißdampfart auf, je nach den chemischen Bestandteilen in der Zusatzbrennstoffquelle, die reformiert wird. In gewissen Fällen trägt die Verwendung von Dampf zur Modifizierung des resultierenden Synthesegasprodukts bei und um Anpassen des vom Reformer produzierten Verhältnisses von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid.
Der dem Reformer zugeführte Hauptbrennstoff weist auch Umgebungsluft 37 (dient als Trägerfluid) zusammen mit einem zweiten fakultativen Dampffeed 38 (ebenfalls gesättigt oder als Heißdampf) auf, das zum Fördern der Reformingreaktion ausgewählter Brennstoffkomponenten dient, die dem Reformerkern zugeführt werden. Die zwei vermischten Feedströme sind in 3 als kombinierte Reformerfeeds 32 und 36 abgebildet. Das sehr heiße Brennstofffeed 55 aus dem reformierten Endprodukt, das sich aus der exothermen katalytischen Reaktion im Reformerkern ergibt, beinhaltet bedeutende Mengen von freiem Wasserstoff. Der zusätzliche Wärmeanteil des konsolidierten Endprodukt-Brennstofffeeds 55 kann zum Behandeln eines separaten Zusatzbrennstoffstroms verwendet werden, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird.
3 zeigt die Verwendung des ersten Zusatz-Gasstroms 40, umfassend einen gasförmigen Brennstoff 41 zusammen mit Verdünnerstrom 42 (z. B. Stickstoff oder Wasser) und einem flüssigen Brennstofffeed 43, das, verglichen mit den Haupt-Reformerfeedströmen 32 und 36, im typischen Fall Kohlenwasserstoffe mit höherer molekularer Masse aufweist. Dieser erste Zusatzbrennstoffstrom 40 durchläuft einen Wärmebehandlungsschritt unter Verwendung der im Reformerkern erzeugten exothermen Reaktionswärme. Nominell reicht die während der Reaktion erzeugte zusätzliche Wärme aus, um die flüssige Speisung 43 zu verdampfen. Die durch die Reaktion erzeugte zusätzliche Wärme kann daher zum Erhitzen (und potentiell zum Cracken) von Teilen des ersten Zusatzbrennstoffstroms 40 an verschiedenen Randstellen am Reformerkern 31 verwendet werden.
3 stellt auch die Verwendung eines fakultativen zweiten Zusatzbrennstoffstroms 50 dar, der zusätzlichen flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 51 und möglicherweise schwerere Öle 52 umfasst, die zu einem Teil der endgültigen Zufuhr zur Brennkammer werden. Desgleichen verwendet auch der zweite Zusatzbrennstoffstrom 50 einen Teil der aufgrund der katalytischen Reaktion im Reformerkern erzeugten exothermen Wärme. Vorzugsweise reicht die exotherme Wärme von der Reformerreaktion aus, um beide flüssigen Feeds 50 und 40 zu verdampfen, die dann zu einem konsolidierten Endprodukt-Brennstofffeed 55 kombiniert werden.
Der zweite Zusatzbrennstoffstrom 50 in 3 kühlt die Mantelseite des Reformers, d. h. die Reformattemperatur wird gesenkt, während die flüssigen Brennstoffkomponenten verdampft werden. Bedeutsamerweise kann ein Teil des Feeds von dem ersten und dem zweiten Zusatzbrennstoff „minderwertigerer” Art sein und z. B. sogar Komponenten vom Hochofentyp mit relativ niedrigem Wärmeinhalt beinhalten. Diese schwerer zu verbrennenden Brennstoffe werden trotzdem als Brennstoffbestandteile nützlich, wenn sie verdampft und mit dem als Ergebnis des Reformingverfahren erhaltenen freien Wasserstoff kombiniert werden.
In der Ausführungsform von 3 wird das anfängliche reformierte Feed (jetzt mit zusätzlichem Wasserstoff angereichert) zusammen mit dem ersten und dem zweiten Zusatzbrennstoffstrom 40 und 50 zu einem konsolidierten Brennkammer-Brennstofffeed kombiniert. Das kombinierte und reformierte verdampfte Brennstofffeed 55 durchläuft konventionelle Brennstoffreinigungsvorgänge 56, um unerwünschte Schwerölreste zu beseitigen. Das endgültige Kohlenwasserstoff- und sauerstoffangereicherte Brennstofffeed 57 wird dann der Brennkammer 58 zugeführt, was zu verbrauchten (oxidierten) Gasemissionen 59 führt.
4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reformers (allgemein als 60 abgebildet), der zum Erzeugen eines wasserstoffreichen reformierten Kohlenwasserstoff-Feedstroms zur Brennkammer und gleichzeitig zum thermischen Integrieren der während des Reformings erzeugten Wärme verwendet wird. Wie oben angegeben, kann das erste Brennstofffeed 61 zum Reformer ein Gemisch von Brennstoffgasen (wie z. B. Erdgas) sowie eine oder mehrere fakultative flüssige Brennstoffkomponenten oder Inertgasströme beinhalten. Das gasförmige Feed zum Reformer weist Luft, Kohlenmonoxid und möglicherweise Dampf (vorzugsweise Heißdampf) auf, die an der katalytischen Reaktion (unter Verwendung von z. B. CPOX) zum Erzeugen von freiem Wasserstoff und beträchtlichen Wärmemengen aufgrund der exothermen Art der Reaktion beteiligt werden. Zum Regeln der Reaktionsgeschwindigkeit während vorübergehender oder anderer instabiler Betriebsarten können Stickstoff oder andere Verdünner verwendet werden. Das in den Reformerkern zugeführte gesamte unreformierte Feed strömt dann aus dem Reformerkern 62 durch das Katalysatorbett, wie gezeigt, und zur Reformerauslassöffnung 82 hinaus in die abströmseitige Ausrüstung, die über Flansch 80 mit dem Reformer verbunden ist.
Im Betrieb wird das Reformerfeed 61 unter hohem Druck in den Reformerkern 62 und dann in und durch eine Vielzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten radialen Öffnungen im Katalysatorbett 65 geführt, die in dieser Ausführungsform als linear voneinander beabstandet und den Reformerkern 62 umgebend abgebildet sind. Zusammengenommen definieren der Reformerkern 62, die Vielzahl von Brennstoffeinspritzöffnungen 63 und 64 und das Katalysatorbett 65 eine beispielhafte Reformerkernanordnung. Die Zahl und Beabstandung der Brennstoffeinspritzöffnungen 63 und 64 im Katalysatorbett 65 kann verschieden sein, je nach der Art des eingesetzten Katalysators sowie der Strömungscharakteristik und der Zusammensetzung des Reformerfeeds. Beispielsweise könnte eine Reihe von linear voneinander beabstandeten Öffnungen an verschiedenen radialen Positionen um die Nabe des Reformerkerns dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass die Strömung in und durch das Katalysatorbett einheitlich bleibt und durch das Katalysatorbett einen akzeptablen Druckabfall hat. Die so erhaltenen reformierten Produkte der katalytischen Reaktion (einschließlich beträchtliche Mengen von freiem Wasserstoff) verlassen das den Reformerkern umgebende Katalysatorbett 65 und strömen in den Reformatkanal 77 und weiter zu einer Sammelzone für das reformierte Produkt, die einen abströmseitig unmittelbar hinter dem Reformerkern befindlichen Auslassströmungskanal 66 definiert.
Der Wasserstoff und verdampfte Brennstoff enthaltende kombinierte reformierte Brennstoff sowie ein thermisch behandelter zweiter Brennstoffstrom 79 (unten beschrieben) werden wie von den Strömungsrichtungspfeilen in 4 gezeigt zusammengeführt, um ein kombiniertes reformiertes verdampftes Brennstoffgemisch zu erzeugen, das in den Reformatströmungskanal 81 und dann in einen erweiterten Strömungskanal strömt, der von dem gekelchten Hals 67 definiert wird. Der kombinierte Brennstoffstrom am Ausgang des Reformers 82 wird über Verbindungsflansch 80 direkt mit dem Haupt-Brennkammerfeed verbunden. Wie oben in Verbindung mit 3 beschrieben, kann dieser kombinierte Fluss einen zweiten Wärmeaustauschvorgang durchlaufen, um das kombinierte Gasfeed weiter abzukühlen, bevor es die Brennkammer erreicht.
4 zeigt auch ein Ausführungsbeispiel einer Vielzahl von Zerstäuberstationen, von den Druckzerstäubern 69 und 70 veranschaulicht, die ein erstes Zusatz-Gasturbinenbrennstofffeed 68 zu dem System zerstäuben (verdampfen). Wie oben angegeben, nutzt der so erhaltene zerstäubte Strom an 71 die während des katalytischen Reformings in dem Reformerkern erzeugte exotherme Wärme, um flüssige Komponenten in dem Sprühnebel zu verdampfen und wenigstens einen Teil der Kohlenwasserstoffkomponenten höherer molekularer Masse, die in dem zerstäubten Strom vorhanden sind, thermisch zu cracken. Der Zerstäubungsprozess trägt auch dazu bei, die Bildung von Schwermetallablagerungen und Fouling aufgrund der erhöhten Brennstofftemperaturen in oder nahe an dem Reformer zu verhindern. Die den Zerstäubern wie in 4 gezeigt zugeführten Zusatzbrennstoffkomponenten können verschiedene Gasbrennstoffe, Verdünner (oder Wasser) und flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe umfassen.
Unter gewissen Bedingungen müssen die Zusatzbrennstoffkomponenten 68 möglicherweise geringfügig gekühlt und ihr Druck muss möglicherweise geringfügig erhöht werden, bevor sie von den Druckzerstäubern 69 und 70 zerstäubt werden. In der Ausführungsform von 4 kann die Kühlung mithilfe eines Wassermantels, wie gezeigt, mit Kühlwassereinlass 73 und -auslass 74 erzielt werden. Falls notwendig können auch zusätzliche Trägergase (wie z. B. Stickstoff) als Hilfe beim Transportieren des zerstäubten Stroms aus dem Zusatzbrennstofftransportrohr 72 in das reformierte Hauptbrennstoffgemisch (siehe Trägergas 75 und die Vielzahl von Trägergaseinlassöffnungen neben den Zerstäubern und weiter stromabwärts, wie an 78 gezeigt) verwendet werden.
4 zeigt auch, wie CH₄, Brennstoff und Umgebungsluft in der Ausführungsform gleichzeitig in den Reformer gespeist und in und durch das Katalysatorbett 65 geführt werden. Die von der exothermen katalytischen Reaktion mit dem Reformerfeed erzeugte Wärme verursacht, dass die Wandung des Zusatzbrennstofftransportrohrs 72 (sowie der gesamte von dem Brennstoffrohr definierte Ringraum) sehr heiß wird, so dass die leitfähige und Strahlungswärme von der Reaktion wenigstens einige Kohlenwasserstoffkomponenten höherer molekularer Masse in dem Flüssigkeitsstrom, der zerstäubt wird, verdampfen und/oder thermisch cracken kann. Sowohl der verdampfte/gecrackte Strom als auch ursprüngliche reformierte Produkte (einschließlich Wasserstoff) werden dann in dem abströmseitigen Teil des Reformers im Reformatströmungskanal 81 kombiniert.
Alternativ kann eine kleine Menge flüssiger Brennstoff direkt in den heißen Reformerstrom eingespritzt werden (anstatt in das Zusatzbrennstofftransportrohr). Mit der Erfindung können beide Einspritzverfahren verwendet werden, je nach dem Typ und den physikalischen Eigenschaften des flüssigen Brennstoffs. Es wurde auch festgestellt, dass zusätzliches „restliches” Reforming und thermisches Cracken infolge des jetzt eine höherer Temperatur aufweisenden, wasserstoffreichen Reformatstroms normalerweise auf der Zuströmseite des Katalysatorbetts 65 im Reformatströmungskanal selbst stattfindet.
Wie oben in Verbindung mit 3 bemerkt, beinhaltet die Reformervorrichtung und das Verfahren von 4 ein fakultatives separates Dampffeed zu dem Reformer (entweder gesättigt oder als Heißdampf, je nach den das Reforming durchmachenden Komponenten). Die Menge und Wärmecharakteristik des Dampffeeds hängt teilweise von den chemischen Bestandteilen ab, die die Zusatzbrennstoffquelle, die reformiert wird, aufweist. Der Dampf trägt auch zur Regelung der Reformingreaktion mit wenigstens etwas partieller Oxidation von ausgewählten Kohlenwasserstoffverbindungen im Brennstoffstrom bei.
Weil die im Reformer stattfindende grundlegende katalytische CPOX-Reaktion hoch exotherm ist, muss die Reaktionswärme geregelt werden, um Schäden am Katalysator zu verhüten und um zu gewährleisten, dass die Reaktion die Produktion von freiem Wasserstoff im Verhältnis zur Zeit maximiert. Es ist eine Anzahl von akzeptablen Katalysatoren zum Erreichen der gewünschten CPOX-Reaktion bekannt, die im typischen Fall Edelmetalle wie z. B. Platin oder Rhodium oder andere Edelmetalle umfassen, die zur einfachen Verwendung in einer beengten katalytischen Reaktionskammer auf eine angemessene Trägerstruktur gelegt werden, die zwischen dem Einlass- und Auslassstrom positioniert ist. Der Fachmann versteht, dass der zur Verwendung in dem Reformingvorgang gewählte spezifische Katalysator (einschließlich diverse CPOX-Katalysatoren) zum Teil von den genauen Betriebsbedingungen auf der Zuströmseite der Brennkammer, den Feedzusammensetzungen usw. abhängt.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren von 4 besteht das Reformerfeed nominell aus Gasbestandteilen oder einer Kombination von gasförmigen und flüssigen Bestandteilen, darunter Erdgas, Methan, Naphtha, Butan, Propan, Diesel, Kerosin, Flugbenzin, Brennstoff auf Kohlebasis, Biokraftstoff, sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoff-Feedstocks und Gemischen davon. Bevorzugte Gasbestandteile enthalten weniger „Verunreinigungen” (z. B. andere Verbindungen als Kohlenwasserstoffverbindungen) als flüssige Brennstoffe, die oft Schwefelverbindungen oder andere anorganische Verbindungen enthalten, die dazu neigen, die katalytische Reformingreaktion zu hemmen. Die Erfindung kann trotzdem in einer „Zweistoff”-Kapazität verwendet werden, nämlich mit flüssigen und gasförmigen Feeds.
Das zu reformierende Gas kann auch eine beträchtlich unterschiedliche Zusammensetzung haben, von sehr „sauber” (mit ähnlicher Zusammensetzung wie Erdgas und freier Wasserstoff) bis zu „schmutzig” mit längerkettigen Kohlenwasserstoffen. Vorzugsweise ist die Wasserstoffkonzentration des Gases relativ niedrig, da die Anwesenheit von freiem Wasserstoff dazu neigt, den Gesamtwirkungsgrad des Reformingvorgangs zu reduzieren, d. h. die Reformerreaktion selbst erzeugt als ihr Hauptprodukt freien Wasserstoff. Es wurde festgestellt, dass die dem System zugeführte Schwerölmenge verglichen mit dem CH4-Brennstoff-Luft-Gemisch, das „reformiert” werden soll, etwa 10 bis 20 Gewichts-% betragen sollte. Außerdem können der Brennstoff für den Reformer und der Hauptbrennstoff zur Brennkammer aus den gleichen oder aus verschiedenen Brennstoffkomponenten bestehen, wodurch das System in einem Hybridbetrieb betrieben werden kann.
5 ist eine Seitenansicht im Querschnitt der in 4 abgebildeten beispielhaften Reformerkonstruktion. Zur leichteren Bezugnahme werden in Verbindung mit der perspektivischen Darstellung von 5 die gleichen Bezugszeichen beschrieben wie die oben in Verbindung mit 4 beschriebenen.
Die 6 bis 9 stellen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, wobei aber der Zusatzbrennstoff (entweder an einer unmittelbar an das CPOX-Katalysatorbett angrenzenden oder einer abströmseitig im Hauptreformatkanal befindlichen Stelle) direkt in das Reformat eingespritzt wird, anstatt ein System, das den Gasturbinenbrennstoff auf die in Verbindung mit den 3, 4 und 5 beschriebene Weise mit einem separaten Trägergasfeed kombiniert. 6 zeigt auch den Brennstoff, wie er axial in das Katalysatorbett eingespritzt wird und dann durch das Bett strömt und es in der axialen Richtung als ein heißer Reformatstrom verlässt. Zur leichteren Bezugnahme und für den einfacheren Vergleich mit 4 wurden gleiche Bauteile in der Ausführung von 6 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, wie sie in 4 verwendet werden.
Wie in der Ausführungsform von 4 beinhaltet das unreformierte erste Brennstofffeed zum Reformer, das in 6 an 61 allgemein gezeigt wird, gewöhnlich ein Gemisch von Brennstoffgasen (wie z. B. Erdgas) sowie eine oder mehrere flüssige Brennstoffkomponenten. Das unreformierte Brennstofffeed 61 kann auch Luft, Kohlenmonoxid und möglicherweise Dampf (vorzugsweise Heißdampf) aufweisen, die an der katalytischen Reaktion (z. B. bei Verwendung von CPOX) zum Erzeugen von freiem Wasserstoff und beträchtlichen Wärmemengen aufgrund der exothermen Art der katalytischen Reaktion beteiligt sind. Wie 6 veranschaulicht, strömt das unreformierte Feed in einem axialen Strömungsbild (im Gegensatz zu dem in 4 abgebildeten Radialströmungsfeed) direkt in und durch das Katalysatorbett 90 und strömt so direkt in und durch das Katalysatorbett. Das sich ergebende Reformat strömt in die Sammelzone 91 für das reformierte Produkt und in den Haupt-Reformatströmungskanal 81.
Im Betrieb strömt das unreformierte Brennstofffeed 61 unter hohem Druck direkt in und durch die Vielzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Brennstoffeinspritzöffnungen in der Katalysatorkammer 80, die axial um den Reformerkern ausgerichtet ist. Wie in der Ausführungsform von 4 kann die Zahl und Beabstandung der Brennstoffeinspritzöffnungen in dem Katalysatorbett verschieden sein, je nach dem Typ des eingesetzten CPOX-Katalysators und der Strömungscharakteristik und Zusammensetzung des Reformerfeeds. Die so erhaltenen reformierten Produkte der katalytischen Reaktion (einschließlich beträchtliche Mengen von freiem Wasserstoff) verlassen das Katalysatorbett 90 und strömen in die Sammelzone 91 für das reformierte Produkt und schließlich in den Haupt-Reformatströmungskanal 81.
6 zeigt auch die Verwendung einer Vielzahl von Zerstäuberstationen, veranschaulicht von den Druckzerstäubern 92, die ein zweites Brennstofffeed 68 zerstäuben (verdampfen), das über die Druckzerstäuber 92 direkt in die Sammelzone 91 für reformiertes Produkt eingespeist wird. Wie oben angegeben, nutzt der so erhaltene zerstäubte Strom die während des katalytischen Reformings in dem Reformerkern erzeugte exotherme Wärme, um flüssige Komponenten in dem Sprühnebel zu verdampfen und wenigstens einen Teil der Kohlenwasserstoffkomponenten höherer molekularer Masse, die in dem zerstäubten Strom vorhanden sind, thermisch zu cracken. Das zweite Gasturbinenbrennstofffeed 68 zu den Zerstäubern kann verschiedene gasförmige Brennstoffe, Verdünner (oder sogar Wasser) sowie flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe beinhalten.
Die Wasserstoff und verdampften Brennstoff enthaltenden reformierten Produkte der katalytischen Reaktion vereinigen sich dann, wie gezeigt, mit vernebeltem Brennstoff an der Sammelzone 91, um ein kombiniertes reformiertes verdampftes Brennstoffgemisch zu bilden, das an 82 aus dem Reformer aus- und über Verbindungsflansch 80 direkt in das Hauptbrennstofffeed eintritt. Ähnlich wie bei der Ausführungsform von 4 muss das zweite Brennstofffeed 68 möglicherweise geringfügig gekühlt und sein Druck geringfügig erhöht werden, bevor es von den Druckzerstäubern 92 zerstäubt wird. Die Kühlung wird mithilfe des gezeigten Wassermantels mit Kühlwassereinlass 73 und -auslass 74 erzielt.
Die Ausführungsform von 6 erwägt zwar, den Zusatzbrennstoff ohne zusätzliche Feeds direkt in den Reformer einzuspeisen, 6 zeigt aber auch (mit gestrichelten Linien) die potentielle Verwendung von wenigstens etwas zusätzlichem Trägergas (wie z. B. Stickstoff, CO₂, Dampf, sauerstoffarme AGR oder zusätzlichen gasförmigen Brennstoff), um beim Transport des zerstäubten Dampfs vom Druckzerstäuber 92 durch den kleinen Ringraum 92 zwischen jeder Zerstäuberdüse und dem Reformatkanal oder mittels fakultativem Trägergas 75 und damit verbundenen Trägergaseinlassöffnungen 78 (gestrichelt gezeigt) in das reformierte Hauptbrennstoffgemisch behilflich zu sein. Trägergas kann auch durch die kleinen Ringräume 93 eintreten.
7 stellt eine Seitenansicht im Querschnitt dar, die eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei ebenfalls eine direkte Brennstoffeinspritzung in und durch ein axial ausgerichtetes Katalysatorbett 90 unter Verwendung von einer oder mehreren Brennstoffeinspritzdüsen und Zerstäubern genutzt wird. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 6 findet die Kraftstoffeinspritzung abströmseitig weiter vom CPOX-Katalysatorbett entfernt statt und erfolgt direkt in den heißen Reformatstrom. Auch hier wurden zur leichteren Bezugnahme gleiche Teile in der Ausführungsform von 7 mit den gleichen Zeichen gekennzeichnet, die in 6 verwendet werden.
Außerdem strömt das unreformierte Hauptbrennstofffeed 61 zum Reformer wie in der Ausführungsform von 6 in einem axialen (anstatt radialen) Strömungsbild direkt in und durch das Katalysatorbett 90 und tritt aus dem Katalysatorbett aus- und in die Sammelzone 91 für das reformierte Produkt ein. Die Reformatprodukte bewegen sich dann im Hauptreformatkanal 81 weiter stromabwärts und zum Reformerausgang 82 hinaus, der über Verbindungsflansch 80 mit den abströmseitigen Brennkammerbauteilen verbunden ist. Im Betrieb strömt das Reformerfeed unter hohem Druck in den Reformerkern und direkt durch und in die Vielzahl von Öffnungen in der Katalysatorkammer 90 hinein, die als einheitlich voneinander beabstandete Öffnungen dargestellt sind, die axial um den Reformerkern angeordnet sind.
Die Ausführungsform von 7 beinhaltet auch eine Vielzahl von Flüssigbrennstoffzerstäubern, wie mit Druckzerstäubern 100 gezeigt, die zum Verdampfen des restlichen gasförmigen Turbinenbrennstoffs 68 dienen. Der verdampfte Brennstoff wird wie gezeigt direkt in die Sammelzone 91 für reformiertes Produkt eingespeist. Wie oben angegeben, verdampft die während des katalytischen Reformings erzeugte exotherme Wärme die flüssigen Komponenten in dem zerstäubten Strom 105 und crackt wenigstens einen Teil der Kohlenwasserstoffbestandteile mit größerer molekularer Masse, die in dem zerstäubten Strom anwesend sind. Außerdem, wie bei anderen oben besprochenen Ausführungsformen, dient das Reformatprodukt in der Sammelzone 91 für das reformierte Produkt als Trägerfluid, das einen ausreichenden Brennwert hat, um alle restlichen flüssigen Brennstoffkomponenten als Teil eines kombinierten Feeds zu der Gasturbinenmaschine zu verdampfen.
Der kombinierte reformierte, wasserstoffhaltige Brennstoff, zusätzlicher verdampfter Brennstoff und sämtlicher restlicher zerstäubter Brennstoff werden dann kombiniert, um das aus dem Reformer direkt in das Hauptbrennkammerfeed austretende Brennstoffgemisch zu bilden. Ähnlich wie bei der Ausführungsform von 6 muss der zusätzliche (Zusatz-)Gasturbinenbrennstoff 68 möglicherweise gekühlt und sein Druck erhöht werden, bevor er von den Druckzerstäubern 100 zerstäubt wird. Auch hier kann die Kühlung mithilfe eines Wassermantels 102, wie gezeigt, mit Kühlwassereinlass 73 und -auslass 74 erzielt werden.
Ähnlich der Ausführungsform von 6 erwägt auch 7 die Möglichkeit, den restlichen Gasturbinenbrennstoff 68 direkt in den Reformer einzuspeisen, ohne ein zusätzliches Gasfeed zu benötigen. 7 stellt aber auch (mit gestrichelten Linien) die fakultative Verwendung von zusätzlichem Trägergas 75 dar, um beim Transportieren des zerstäubten Stroms durch den kleinen Ringraum zwischen jeder Düse und dem Hauptreformatkanal 81 oder mittels der fakultativen Trägergaseinlassöffnungen (wieder gestrichelt gezeigt) an 78 behilflich zu sein.
In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform ist 8 eine Seitenansicht im Querschnitt, die die Verwendung der direkten Brennstoffeinspritzung in und durch ein axialdurchströmtes Katalysatorbett 90 zeigt, wobei die Einspritzung durch eine oder mehrere Zusatzbrennstoffeinspritzdüsen 95 in enger Nähe zum Katalysatorbett 90 erfolgt. Zur leichteren Bezugnahme sind in der Ausführungsform von 8 gleiche Bauteile mit den gleichen Zeichen gekennzeichnet wie in den 6 und 7. Die Ausführungsform von 8 unterscheidet sich von 7 in einem wesentlichen Aspekt, nämlich der Position der Einspritzdüsen für den zusätzlichen Gasturbinenbrennstoff 70, der in die Sammelzone 91 für das reformierte Produkt eingespritzt wird, d. h. unmittelbar neben dem Katalysatorbett 90 in dem kleinen Ringraum zwischen dem Bett und der Reformerwandung. 8 zeigt auch (mit gestrichelten Linien) die fakultative Verwendung, wenn notwendig, von Trägergas 75 als Hilfe beim Transportieren des zerstäubten Stroms durch fakultative Trägergaseinlassöffnungen 78 in das reformierte Hauptbrennstoffgemisch.
Schließlich ist 9 eine Seitenansicht im Querschnitt, die noch eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei in diesem Fall eine direkte Brennstoffeinspritzung durch eine radialdurchströmte Katalysatorbettkonfiguration ähnlich der in 4 abgebildeten verwendet wird und wobei die Einspritzung in den heißen Reformatstrom an oder nahe dem Ausgang des Katalysatorbetts 90 stattfindet. Die Ausführungsform von 9 unterscheidet sich von den Ausführungsformen der 6, 7 und 8 insofern, als sie radiale anstatt axiale Brennstofffeeds in und durch das Katalysatorbett 90 verwendet, ebenfalls mit Direkteinspritzung des restlichen Gasturbinenbrennstoffs 68 mittels einer oder mehreren Brennstoffeinspritzdüsen 92, wie gezeigt.
Alle der obigen Figuren veranschaulichen, dass die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffreformers in Verbindung mit einem konventionellen Erdgasbetrieb zu einer bedeutenden Verbessung der endgültigen Qualität des Brennkammerbrennstoffs führt und dabei trotzdem geringere NO_x-Emissionen und andere unerwünschte Verbrennungsnebenprodukte erzielt. Das neue Verfahren und die neue Reformerkonstruktion führen auch zu thermischer Integration aufgrund des verbesserten thermischen Wirkungsgrads bei der Bereitstellung zusätzlicher Energie zum Verdampfen und/oder thermischen Cracken von Brennstoffkomponenten unter Verwendung der oben beschriebenen Wärmetauschereinheiten.
Die Erfindung wurde zwar in Verbindung damit beschrieben, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform gilt, es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform begrenzt werden darf, sondern ganz im Gegensatz verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, die im Sinn und Umfang der angehängten Ansprüche eingeschlossen sind.
Ein Reformer 60 zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine 16, speziell zur Behandlung eines ergänzenden Brennstofffeeds zu der Brennkammer konfiguriert, beinhaltet einen Reformerkern 62, der eine Katalysatorzusammensetzung 65 enthält, und einen Einlassströmungskanal zum Transportieren des Reformerbrennstoffgemischs, Luft und Dampf (gesättigt oder Heißdampf) in einen Reformerkern 62. Ein Auslassströmungskanal 66 transportiert den resultierenden Reformatstrom 55, der reformierte und thermisch gecrackte Kohlenwasserstoffe und beträchtliche Wasserstoffmengen enthält, aus dem Reformerkern 62 zur späteren Kombination mit dem Hauptbrennkammerfeed. Weil die katalytische partielle Oxidationsreaktion im Reformer hoch exotherm ist, wird die zusätzliche Wärme mithilfe von einer oder mehreren Wärmeaustauschereinheiten 72, 77 für einen ersten und/oder zweiten Zusatz-Gasturbinenbrennstoffstrom 40, 50 übertragen (und thermisch integriert), die thermisches Cracken und Verdampfen durchlaufen, bevor sie mit dem Reformat kombiniert werden. Das kombinierte wasserstoffangereicherte Feed verbessert die Brennkammerleistung beträchtlich.
Bezugszeichenliste

12: Verdichter
11: Brennkammer
16: Gasturbine
15: Rotierende Welle
13: Hauptbrennstoffquelle
14: Reformer
20: Flüssiger Brennstoff
22: Wärmetauschereinheiten
23: Wärmeabgebendes Medium
24: Inertgasträgerstrom
25: Mageres, vorgemischtes, vorverdampftes Brennstoffgas
26: Verbrennungsvorrichtung
27: Verbrennungsnebenprodukte
30: Hauptverfahrensschritte und Ausrüstungsteile
31: Reformer
33: Kohlenwasserstoffgase
34: Flüssiges Brennstofffeed
35: Dampffeed
37: Umgebungsluft
38: Dampffeed
32 und 36: Feedströme
54: Endprodukt
53: Wärmetauscher
40: Erster Zusatzgasstrom
41: Gasförmiger Brennstoff
42: Verdünnerstrom
43: Flüssiges Brennstofffeed
44: Wärmetauscherstation
45: Erhitzter Zusatzstrom
50: Zweiter Zusatzgasstrom
51: Zusätzlicher flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff
52: Schwerere Öle
53: Wärmetauscherstation
54: Reformerprodukt
40 und 50: Erster und zweiter Zusatzbrennstoffstrom
55: Endproduktbrennstofffeed
56: Brennstoffreinigungsvorgang
57: Wasserstoffangereichertes Brennstofffeed
58: Brennkammer
59: Gasemissionen
60: Reformer
61: Reformerfeed
81: Reformatströmungskanal
62: Reformerkern
65: Katalysatorbett
63 und 64: Brennstoffeinspritzöffnungen
77: Ringförmiger Reformatkanal
66: Sammelzone für reformiertes Produkt
79: Erster Zusatzbrennstoffstrom
81: Reformatkanal
67: Gekelchter Hals
82: Reformer
80: Verbindungsflansch
69 und 70: Druckzerstäuber
71: Zerstäubter Strom an
73: Kühlwassereinlass
74: Kühlwasserauslass
72: Zusatzbrennstofftransportrohr
75: Trägergas
78: Trägergaseinlassöffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3796547 [0009]
US 6444179 [0010]
US 6083425 [0011]
US 5113478 [0013]

Claims

Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16), der zum Behandeln eines Brennstoffgemischs zu einer Gasturbinenmaschinen-Brennkammer (58) konfiguriert ist, umfassend: ein Reformergehäuse; eine in dem genannten Reformergehäuse angeordnete Reformerkernanordnung (62), die einen Katalysator (65) und eine Vielzahl von Strömungsdurchgängen (63, 64) enthält; einen Einlassströmungskanal zum Transportieren eines Reformerbrennstoffgemischs und eines sauerstoffhaltigen Stroms in die genannte Reformerkernanordnung (62); einen Auslassströmungskanal (66) für einen Reformatproduktstrom (55), der reformierte Kohlenwasserstoffe und freien Wasserstoff aus dem genannten Reformerkern (62) enthält; ein Gasturbinenbrennstofffeed (61) zu dem genannten Reformergehäuse und Wärmeaustauscheinrichtungen (72, 77), die zum Erhitzen und thermischen Cracken des genannten Gasturbinenbrennstofffeeds unter Verwendung von Wärme, die von der exothermen Reaktion des genannten Reformerbrennstoffgemischs mit dem genannten Katalysator (65) erzeugt wird, dimensioniert sind.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach Anspruch 1, wobei das genannte Brennstoffgemisch eines oder mehrere der Folgenden umfasst: einen gasförmigen Brennstoff (41), einen flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff (43), einen Verdünnerstrom (42), Kohlendioxid und Stickstoff.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der ferner ein zusätzliches Gasturbinenbrennstofffeed (50) abströmseitig von dem genannten Reformer (60) und zuströmseitig von der genannten Brennkammer (58) aufweist.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der ferner ein Dampffeed (35, 38) in die genannte Reformerkernanordnung (62) aufweist.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte zusätzliche Gasturbinenbrennstofffeed (40, 50) eines oder mehrere der Folgenden umfasst: einen gasförmigen Brennstoff (41), flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff (43, 51), einen Verdünnerstrom (42), Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der genannte Katalysator (65) das genannte Reformerbrennstoffgemisch (61) durch die genannte exotherme Reaktion reformieren kann, um freien Wasserstoff zu erzeugen.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte zweite Zusatz-Gasturbinenbrennstofffeed (50) einen flüssigen Brennstoff (51) und Kohlenwasserstofföle (52) mit größerer molekularer Masse (52) umfasst.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der ferner eine Vielzahl von Druckzerstäubern (69, 70) aufweist, die zum Zerstäuben des genannten zusätzlichen Gasturbinenbrennstofffeeds (40) zuströmseitig von den genannten Wärmetauschereinrichtungen (72, 77) konfiguriert sind.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der ferner eine Kühlunterstation (73, 74) aufweist, die zum Kühlen des genannten zusätzlichen Gasturbinenfeeds zuströmseitig von den genannten Druckzerstäubern (69, 70) konfiguriert ist.
Reformer (60) für eine Gasturbinenmaschine (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der genannte Reformatproduktstrom (55) als Trägerfluid mit ausreichendem Brennwert zum Verdampfen von restlichen flüssigen Brennstoffbestandteilen als Teil eines kombinierten Feeds zu der genannten Gasturbinenmaschine (16) dient.
Gasturbinenmaschinensystem (30), das einen wasserstoffangereicherten und reformierten Brennstoff verwendet und Folgendes umfasst: einen Verdichter (12); eine oder mehrere Brennkammern (11), die mit einer rotierenden Welle (15) verbunden sind und zum Transportieren von heißen Gasen zu der genannten Gasturbinenmaschine (16) konfiguriert sind; eine Hauptbrennstoffquelle für die genannten Brennkammern (11); einen zuströmseitig der genannten Brennkammern (11) befindlichen Reformer (14), der zum Aufnehmen einer Brennstoffquelle dimensioniert ist und einen Reformerkern (62) aufweist, der in einem Gehäuse angeordnet ist und eine Katalysatorzusammensetzung (65) enthält; einen Einlassströmungskanal zum Transportieren eines Reformerbrennstoffgemisch (61) und Sauerstoff enthaltenden Stroms in die genannte Reformerkernanordnung (62); einen Auslassströmungskanal (66) zum Transportieren eines Reformatproduktstroms (55), der reformierte Kohlenwasserstoffe und freien Wasserstoff enthält, von dem genannten Reformerkern (62); ein Gasturbinenbrennstofffeed (61) zu dem genannten Reformergehäuse und eine Wärmeaustauschereinheit (72, 77), die zum Übertragen von Wärme, die von der genannten Katalysatorzusammensetzung (65) erzeugt wird, in das genannte Gasturbinenbrennstofffeed (61) dimensioniert ist.
Gasturbinenmaschinen-(16)-System nach Anspruch 11, wobei der genannte Reformer (14) ferner eine oder mehr zusätzliche Gasturbinenbrennstofffeeds (40, 50) zuströmseitig von der genannten Brennkammer (11) aufweist.
Gasturbinenmaschinen-(16)-System nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der genannte Reformer (14) ferner Wärmeaustauscheinrichtungen (72, 77) aufweist, die zum thermischen Cracken und Verdampfen des genannten Gasturbinenbrennstofffeeds mithilfe von Wärme, die durch die Reaktion des genannten Reformerbrennstoffgemischs (61) mit der genannten Katalysatorzusammensetzung (65) erzeugt wird, dimensioniert sind.
Gasturbinenmaschinen-(16)-System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das genannte Zusatz-Gasturbinenfeed (50) eines oder mehrere der Folgenden umfasst: einen gasförmigen Brennstoff (41), flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff (51), einen Verdünnerstrom (42), Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser.
Verfahren zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs (51) für eine Gasturbinenmaschine (16), das die folgenden Schritte umfasst: Einspeisen eines Reformerbrennstoffs, der einen ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffgasen (33) und Sauerstoff enthaltenden Strom umfasst, in einen Reformerkern (62), der einen Katalysator (65) enthält; Hindurchführen des genannten Gemischs aus Kohlenwasserstoffgasen (33) und Sauerstoff enthaltenden Strom durch den genannten Katalysator (65), um freien Wasserstoff und Wärme infolge einer exothermen Reaktion zu erzeugen; Bilden eines erhitzten Reformatproduktstroms (55), der den genannten freien Wasserstoff enthält, abströmseitig von dem genannten Katalysator (65); Übertragen eines Teils der während der genannten exothermen Reaktion erzeugten Wärme auf ein Gasturbinenbrennstofffeed (57), um ein ergänzendes Brennstofffeed zu bilden; und Kombinieren des genannten Reformats und des genannten ergänzenden Brennstofffeeds an einem zuströmseitig von der Brennkammer (58) der genannten Gasturbinenmaschine (16).