DE19516829A1 - Fossil fuel gas turbine for power plant - Google Patents

Fossil fuel gas turbine for power plant

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Abstract

The gas turbine includes secondary measures for reducing unwanted nitrogen oxide in the exhaust gases generated by burning fossil fuel. The surfaces in contact with the exhaust gases are coated with a catalytically active material (38). Pref. the catalytically active coating is also applied to the surfaces of the turbine blades (40) and to the exhaust gas outlet (42). Nickel-chromium cermet or aluminium silicate may be used as a coating, and the coating may have a different chemical composition in the gas flow direction for matching the reducing exhaust gas temp.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine.The invention relates to a gas turbine.

Eine Gasturbine besteht üblicherweise aus einem Kompressor­ teil, einem Brennerteil und einem Turbinenteil. Der Kompres­ sorteil und der Turbinenteil befinden sich üblicherweise auf einer gemeinsamen Welle, die gleichzeitig einen Generator zur Elektrizitätserzeugung antreibt. Im Kompressorteil wird vor­ gewärmte Frischluft auf den im Brennerteil erforderlichen Druck verdichtet. Im Brennerteil wird die verdichtete und vorgewärmte Frischluft mit einem Brennstoff, wie z. B. Erdgas oder Erdöl, verbrannt. Das heiße Brennerabgas wird dem Turbi­ nenteil zugeführt und dort entspannt.A gas turbine usually consists of a compressor part, a burner part and a turbine part. The compress Sorteil and the turbine part are usually on a common shaft that also serves as a generator Electricity generation drives. In the compressor part is before warmed fresh air to that required in the burner section Compressed pressure. The compressed and preheated fresh air with a fuel such as B. natural gas or petroleum, burned. The hot burner exhaust gas is the Turbi fed part and relaxed there.

Eine detaillierte Information über den Aufbau und die Verwen­ dung von Gasturbinen gibt die Firmenschrift "Gas Turbines and Gas Turbine Power Plants" der Siemens AG, Mai 1994, Bestnr. A96001-U124-A259-V1-7600.A detailed information about the structure and the use Gas turbines are listed in the company publication "Gas Turbines and Gas Turbine Power Plants "from Siemens AG, May 1994, order no. A96001-U124-A259-V1-7600.

Bei der Verbrennung der verdichteten und vorgewärmten Frisch­ luft mit dem Brenngas entstehen als besonders unerwünschte Verbrennungsprodukte auch Stickoxide NOx. Diese Stickoxide gelten neben Schwefeldioxid SO₂ als Hauptverursacher für das Umweltproblem des sauren Regens. Man ist daher - auch auf­ grund strenger gesetzlicher Grenzwertvorgaben für den NOx- Ausstoß - gewillt, den NOx-Ausstoß von einer Gasturbine be­ sonders gering zu halten und dabei gleichzeitig die Leistung der Gasturbine weitgehend nicht zu beeinflussen.When the compressed and preheated fresh air is burned with the fuel gas, nitrogen oxides NO x also form as undesirable combustion products. In addition to sulfur dioxide SO₂, these nitrogen oxides are the main cause of the environmental problem of acid rain. One is therefore - also on the basis of strict legal limit values for NO x emissions - willing to keep the NO x emissions from a gas turbine particularly low and at the same time largely unaffected by the performance of the gas turbine.

So wirkt beispielsweise die Flammtemperaturabsenkung im Bren­ nerteil als stickoxidmindernd. Hierbei wird dem Brenngas oder der komprimierten und vorgewärmten Frischluft Wasserdampf beigefügt oder Wasser in den Brennraum eingespritzt. Solche Maßnahmen, die den Stickoxidausstoß der Gasturbine per se verringern, werden auch als Primärmaßnahmen zur Stickoxid­ minderung bezeichnet.For example, the lowering of the flame temperature in Bren works Part of it reduces nitrogen oxide. Here, the fuel gas or the compressed and preheated fresh air water vapor added or water injected into the combustion chamber. Such Measures that reduce the nitrogen oxide emissions of the gas turbine per se  decrease, are also considered primary measures to reduce nitrogen oxide called reduction.

Dementsprechend werden als Sekundärmaßnahmen alle Maßnahmen bezeichnet, bei denen einmal im Abgas einer Gasturbine - oder auch grundsätzlich eines Verbrennungsprozesses - enthaltene Stickoxide durch nachträgliche Maßnahmen verringert werden.Accordingly, all measures are considered secondary measures referred to, where once in the exhaust gas of a gas turbine - or also basically a combustion process - included Nitrogen oxides can be reduced through subsequent measures.

Hierzu hat sich weltweit das Verfahren der selektiven kataly­ tischen Reduktion (SCR) durchgesetzt, bei dem die Stickoxide zusammen mit einem Reduktionsmittel, meist Ammoniak, an einem Katalysator kontaktiert werden und dabei Stickstoff und Wasser bilden. Mit dem Einsatz dieser Technologie ist daher zwangsläufig der Verbrauch von Reduktionsmittel verbunden. Die im Abgaskanal angeordneten Katalysatoren zur Stickoxid­ minderung verursachen naturgemäß einen Druckabfall in der Rauchgasleitung, der einen Leistungsabfall der Turbine nach sich zieht. Selbst ein Leistungsabfall in Höhe von einigen Promille wirkt sich bei einer Leistung der Gasturbine von beispielsweise 150 MW und einem Stromverkaufspreis von etwa 0,15 DM /kWh Strom gravierend auf das mit einer solchen Ein­ richtung erzielbare Ergebnis aus.The process of selective catalyzing has been used worldwide table reduction (SCR), in which the nitrogen oxides together with a reducing agent, usually ammonia, on one Be contacted and thereby nitrogen and Form water. With the use of this technology is therefore inevitably linked to the consumption of reducing agents. The catalysts for nitrogen oxide arranged in the exhaust duct reduction naturally cause a pressure drop in the Flue gas pipe after a drop in performance of the turbine pulls itself. Even a drop in performance of some Per thousand affects the performance of the gas turbine for example 150 MW and an electricity sales price of about 0.15 DM / kWh of electricity seriously on that with such an direction achievable result.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur­ bine mit besonders geringem Stickoxidausstoß anzugeben, bei der gleichzeitig die mit einem Katalysatoreinsatz in der Rauchgasleitung verbundenen Nachteile besonders gering sind.The invention is therefore based on the object of a gastur bine with particularly low nitrogen oxide emissions, at which at the same time that with a catalyst insert in the Disadvantages associated with flue gas line are particularly small.

Diese Aufgabe wird bei einer Gasturbine der eingangs genann­ ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der mit dem Brennerabgas in Berührung kommenden Oberflä­ chen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist.This task is referred to at the beginning of a gas turbine th Art solved according to the invention in that at least one Part of the surface coming into contact with the burner exhaust gas Chen is provided with a catalytically active coating.

Auf diese Weise wird bereits in der Gasturbine eine Sekundär­ maßnahme zur Stickoxidminderung ergriffen. Diese Maßnahme kommt dabei ohne ein zusätzliches Reduktionsmittel aus, weil die Stickoxide zusammen mit Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid und anschließend zu Stickstoff und Sau­ erstoff reagieren. Aufgrund der hohen Abgastemperatur zeich­ net sich diese Maßnahme durch eine hohe Effizienz aus.In this way, a secondary already becomes in the gas turbine Measures taken to reduce nitrogen oxide. This measure does without an additional reducing agent because the nitrogen oxides together with oxygen to form nitrogen monoxide  and nitrogen dioxide and then nitrogen and sow react material. Due to the high exhaust gas temperature this measure is characterized by high efficiency.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die verfügbaren ruhenden Teile und Oberflächen des Innenraums mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen. Ebenso gut können alternativ oder auch zusätzlich die Turbinenschaufeln und/oder die Oberflächen des Brennerabgasauslasses mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein.In a particularly advantageous embodiment of the invention the available resting parts and surfaces of the interior provided with the catalytically active coating. As well can alternatively or additionally the turbine blades and / or the surfaces of the burner exhaust outlet with the be provided with a catalytically active coating.

Aufgrund der in Strömungsrichtung des Brennerabgas es abneh­ menden Abgastemperatur ist es für die Stickoxidminderung be­ sonders vorteilhaft, wenn die katalytisch aktive Beschichtung in Strömungsrichtung des Abgases eine unterschiedliche chemi­ sche Zusammensetzung zur Anpassung der Beschichtung an diese abnehmende Abgastemperatur aufweist.Because of the burner exhaust in the direction of flow it decrease exhaust gas temperature it is for nitrogen oxide reduction particularly advantageous if the catalytically active coating a different chemi in the flow direction of the exhaust gas cal composition to adapt the coating to this has decreasing exhaust gas temperature.

Als katalytisch aktive Beschichtung eignen sich besonders die nachfolgenden Stoffe: Perowskite der Elemente Lanthan, Mangan und Strontium, Nickel-Chrom-Cermets und Aluminiumsilikate mit Dreischichtstruktur. Hierbei kann das Aluminiumsilikat in be­ sonders vorteilhafter Weise ionengetauscht sein. So können beispielsweise Calcium- und/oder Magnesiumionen gegen Ionen der Metalle Zink, Mangan, Chrom, Cer oder Lanthan ausge­ tauscht sein.These are particularly suitable as a catalytically active coating following fabrics: perovskite of the elements lanthanum, manganese and strontium, nickel-chrome cermets and aluminum silicates Three-layer structure. Here, the aluminum silicate in be be particularly advantageously ion-exchanged. So can for example calcium and / or magnesium ions against ions the metals zinc, manganese, chromium, cerium or lanthanum be exchanged.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Dabei zeigt die Figur in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Gasturbine 2. In der Darstellung erkennt man einen Kompressorteil 4, jeweils einen auf gegenüberliegenden Seiten der Turbinenwelle 10 angeordne­ ten Brennerteil 6 und einen Turbinenteil 8. Die Turbinenwelle 10 ist mittels zwei Lagern 12, 14 gelagert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. The figure shows a schematic representation of a section through a gas turbine 2 . In the illustration, a compressor part 4 can be seen, in each case a burner part 6 arranged on opposite sides of the turbine shaft 10 and a turbine part 8 . The turbine shaft 10 is supported by means of two bearings 12 , 14 .

Im Kompressorteil sind auf der Turbinenwelle 10 Kompressor­ schaufeln 16 ringförmig angeordnet, die Frischluft 18 in den Kompressorteil hereinsaugen und verdichten. Der Kompressor­ teil 4 wird mit Ausnahme von volumenmäßig vergleichsweise ge­ ringen Teilströmen 20 von vorgewärmter und auf den Eintritts­ druck der Brennkammern 22 verdichteter Verbrennungsluft 24 verlassen.In the compressor part 10 compressor blades 16 are arranged in a ring on the turbine shaft, suck the fresh air 18 into the compressor part and compress it. The compressor part 4 will leave with the exception of relatively low volume ge partial flows 20 of preheated and compressed to the inlet pressure of the combustion chambers 22 combustion air 24 .

Die Verbrennungsluft 24 wird in Brennern 26 zusammen mit über Brennstoffzuführungsleitungen 28 herangeführtem Brennstoff 30, wie z. B. Erdgas oder Erdöl, in der Brennkammer 22 zu ei­ nem heißen Brennerabgas 32 verbrannt, symbolisiert darge­ stellt durch die Brennerflammen 34. Bei diesem Verbrennungs­ prozeß entstehen aufgrund der relativ hohen Flammtemperatur von etwa 1100°C Stickoxide. Zwar ist man bemüht, durch Ein­ leiten von kleinen Teilströmen 36 der Verbrennungsluft 24 die Flammtemperatur abzusenken, um hierdurch die Bildung von Stickoxiden herabzusetzen. Eine möglichst hohe Temperatur des Brennerabgases 32 am Turbineneintritt ist jedoch für den mit der Gasturbine 2 erreichbaren Wirkungsgrad entscheidend. In Abhängigkeit vom verwendeten Brennstoff enthält das Brenner­ abgas 32 unvermeidbar zwischen 50 und 500 ppm Stickoxide.The combustion air 24 is in burners 26 together with fuel 30 supplied via fuel feed lines 28 , such as. B. natural gas or oil, burned in the combustion chamber 22 to egg NEM hot burner exhaust gas 32 , symbolized Darge represents by the burner flames 34th This combustion process creates nitrogen oxides due to the relatively high flame temperature of around 1100 ° C. It is true that efforts are made to lower the flame temperature by passing small partial streams 36 of the combustion air 24 in order to reduce the formation of nitrogen oxides. However, the highest possible temperature of the burner exhaust gas 32 at the turbine inlet is decisive for the efficiency that can be achieved with the gas turbine 2 . Depending on the fuel used, the burner exhaust gas 32 inevitably contains between 50 and 500 ppm nitrogen oxides.

Zur Minderung des Stickoxidgehalts ist es bereits in der Brennkammer 22 vorgesehen, die mit Hitzeschilden ausgekleide­ ten Oberflächen (durch das Gitterraster angedeutet) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zu versehen. Diese Beschich­ tung besteht im Ausführungsbeispiel aus hitzebeständigen und zugleich katalytisch aktiven Perowskiten, beispielsweise aus einem Lanthan-Mangan-Perowskit und/oder aus einem Lanthan-Ko­ balt-Perowskit und/oder aus einem Lanthan-Chrom-Perowskit, wie z. B. La1-nSrn(Mn1-y-zCoyCrz)O3-x oder La1-nCan(Mn2-y- zCoyCrz)O3-x. Solche Schichten können beispielsweise durch Plasma- oder Flammspritzen, durch Sputtern, durch elektrosta­ tische Pulverbeschichtung, durch die CVD/PVD-Beschichtung oder ähnliche im Stand der Technik bekannte Beschichtungsver­ fahren aufgebracht werden. Die Dicke dieser katalytisch akti­ ven Beschichtung beträgt 5 bis 500 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 100 µm. To reduce the nitrogen oxide content, it is already provided in the combustion chamber 22 to provide the surfaces lined with heat shields (indicated by the grid pattern) with a catalytically active coating. In the exemplary embodiment, this coating consists of heat-resistant and at the same time catalytically active perovskites, for example of a lanthanum-manganese perovskite and / or of a lanthanum ko-perovskite and / or of a lanthanum-chrome perovskite, such as, for. B. La 1-n Sr n (Mn 1-yz Co y Cr z ) O 3-x or La 1-n Ca n (Mn 2-y- z Co y Cr z ) O 3-x . Such layers can be applied, for example, by plasma or flame spraying, by sputtering, by electrostatic powder coating, by the CVD / PVD coating or similar coating processes known in the prior art. The thickness of this catalytically active coating is 5 to 500 microns, preferably between 10 and 100 microns.

Ebenso verfügt der nicht mit Hitzeschilden armierte Teil der Brennkammern 22 über eine katalytisch aktive Beschichtung 38, die durch die als besonders dick gezeichneten Wandungen des Brennerabgasweges symbolisiert ist. Die katalytisch aktive Beschichtung 38 hat dabei dieselbe Zusammensetzung wie die vorstehend für den armierten Teil der Brennkammern 22 be­ schriebene Beschichtung.Likewise, the part of the combustion chambers 22 not reinforced with heat shields has a catalytically active coating 38 , which is symbolized by the walls of the burner exhaust gas path which are drawn as particularly thick. The catalytically active coating 38 has the same composition as the coating described above for the armored part of the combustion chambers 22 be.

Das Brennerabgas 32 wird anschließend durch das Passieren der Turbinenschaufeln 40 des Turbinenteils 8 entspannt. Die Tur­ binenschaufeln 40 werden dabei mittels der Teilströme 20 ge­ kühlt. Die Turbinenschaufeln 40 weisen ebenfalls eine kataly­ tisch aktive Beschichtung 38 auf, die aufgrund der an den Turbinenschaufeln 40 herrschenden Fliehkräfte, bedingt durch eine Drehfrequenz der Gasturbine 2 von 50 oder 60 Hz ver­ gleichsweise dünn ausgeführt ist. Auch diese katalytisch ak­ tive Beschichtung kann aus dem vorstehend genannten Material bestehen. Die katalytisch aktive Beschichtung 38 ist auch hier durch die als besonders dick gezeichneten Ränder der Turbinenschaufeln 40 symbolisiert.The burner exhaust gas 32 is then expanded by passing through the turbine blades 40 of the turbine part 8 . The door bin blades 40 are cooled by means of the partial flows 20 ge. The turbine blades 40 also have a catalytically active coating 38 , which is relatively thin due to the centrifugal forces prevailing on the turbine blades 40 , due to a rotational frequency of the gas turbine 2 of 50 or 60 Hz. This catalytically active coating can also consist of the material mentioned above. The catalytically active coating 38 is also symbolized here by the edges of the turbine blades 40 drawn as particularly thick.

Das im Turbinenteil 8 entspannte Brennerabgas 32′ strömt an­ schließend mit einer Temperatur von etwa 700°C durch einen Brennerabgasauslaß 42 einem hier nicht weiter dargestellten Abhitzedampferzeuger zu. Der Brennerabgasauslaß 42 sowie das Gehäuse 44 des Lagers 14 weisen ebenfalls die katalytisch ak­ tive Beschichtung 38 auf. Diese besteht hier aus einem Mate­ rial, welches nicht mehr die Temperaturbeständigkeit haben muß wie das Material der katalytisch aktiven Beschichtung 38 im Brennerteil 6 und im heißen Turbinenteil 8. Die Beschich­ tung besteht hier aus einem Aluminiumsilikat mit Dreischicht­ struktur, wie z. B. einem Montmorellonit oder Saponit oder ähnlichen Glimmermineralien. Zur Erhöhung der katalytischen Aktivität dieses Materials wird es zuvor ionengetauscht, d. h. aus dem Gitter des Aluminiumsilikats werden vergleichsweise gering aktive Ionen, wie Magnesium und Calcium, entfernt und durch katalytisch aktivere Ionen, wie z. B. Lanthan, Cer, Chrom, Mangan oder Zink, ersetzt.The relaxed in the turbine part 8 burner exhaust gas 32 'flows to closing at a temperature of about 700 ° C through a burner exhaust outlet 42 to a heat recovery steam generator, not shown here. The burner exhaust outlet 42 and the housing 44 of the bearing 14 also have the catalytically active coating 38 . This consists of a mate rial, which no longer has to have the temperature resistance like the material of the catalytically active coating 38 in the burner part 6 and in the hot turbine part 8 . The coating device here consists of an aluminum silicate with a three-layer structure, such as. B. a montmorellonite or saponite or similar mica minerals. To increase the catalytic activity of this material, it is ion-exchanged beforehand, ie comparatively less active ions, such as magnesium and calcium, are removed from the lattice of the aluminum silicate and replaced by more catalytically active ions, such as, for. B. lanthanum, cerium, chrome, manganese or zinc, replaced.

Aufgrund der bereits in der Gasturbine vorgesehenen kataly­ tisch aktiven Beschichtung 38 wird ein Teil der bei dem Ver­ brennungsvorgang entstehenden Stickoxide vor dem Austritt des Brennerabgases 32 in nachfolgende Komponenten, gesehen in Strömungsrichtung des Brennerabgases 32, eliminiert. Auf diese Weise können eventuell in der hier nicht weiter darge­ stellten Brennerabgasleitung vorgesehene DeNOx-Katalysatoren, die nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren) arbeiten, bezüglich ihres Volumens besonders gering ausgeführt werden. Ein besonderer Vorteil dieser er­ findungsgemäßen Gasturbinen 2 ist die Tatsache, daß für den Abbau der Stickoxide kein Reduktionsmittel benötigt wird, welches zuvor in das Brennerabgas 32 eingebracht werden müßte.Due to the already provided in the gas turbine catalytically active coating 38 is a part of the combustion process resulting in the Ver nitrogen oxides before the exit of the burner exhaust gas 32 in the following components, seen in the flow direction of the exhaust gas burner 32 is eliminated. In this way, possibly provided in the burner exhaust gas line not shown DeNO x catalysts that work according to the selective catalytic reduction (SCR) process, can be made particularly small in terms of their volume. A particular advantage of he gas turbines 2 according to the invention is the fact that no reducing agent is required for the decomposition of the nitrogen oxides, which would have to be introduced into the burner exhaust gas 32 beforehand.

Claims (9)

1. Gasturbine (2), bei der zumindest ein Teil der mit dem Brennerabgas (32, 32′) in Berührung kommenden Oberflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen ist.1. Gas turbine ( 2 ), in which at least part of the surfaces coming into contact with the burner exhaust gas ( 32 , 32 ') is provided with a catalytically active coating ( 38 ). 2. Gasturbine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ver­ fügbaren ruhenden Teile und Oberflächen des Innenraums mit der katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen sind.2. Gas turbine ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the available quiescent parts and surfaces of the interior are provided with the catalytically active coating ( 38 ). 3. Gasturbine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tur­ binenschaufeln (40) mit der katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen sind.3. Gas turbine ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the Tur binschaufeln ( 40 ) are provided with the catalytically active coating ( 38 ). 4. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ flächen des Brennerabgasauslasses (42) mit der katalytisch aktiven Beschichtung (38) versehen sind.4. Gas turbine ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the upper surfaces of the burner exhaust gas outlet ( 42 ) are provided with the catalytically active coating ( 38 ). 5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) in Strömungsrichtung des Brennerabgases (32, 32′) eine unterschiedliche chemische Zu­ sammensetzung zur Anpassung der Beschichtung an die in Strö­ mungsrichtung des Brennerabgases (32, 32′) sinkende Abgastem­ peratur aufweist.5. Gas turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the catalytically active coating ( 38 ) in the flow direction of the burner exhaust gas ( 32 , 32 ') a different chemical composition to adapt the coating to the flow direction of the burner exhaust gas ( 32 , 32 ′) has decreasing exhaust gas temperature. 6. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) Perowskite der Elemente Lanthan, Mangan und Strontium umfaßt.6. Gas turbine ( 2 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the catalytically active coating ( 38 ) comprises perovskites of the elements lanthanum, manganese and strontium. 7. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) Nickel-Chrom-Cermets umfaßt. 7. Gas turbine ( 2 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the catalytically active coating ( 38 ) comprises nickel-chromium cermets. 8. Gasturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kata­ lytisch aktive Beschichtung (38) ein Aluminiumsilikat mit Dreischichtstruktur umfaßt.8. Gas turbine ( 2 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the catalytically active coating ( 38 ) comprises an aluminum silicate with a three-layer structure. 9. Gasturbine (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Alu­ miniumsilikat ionengetauscht ist.9. Gas turbine ( 2 ) according to claim 8, characterized in that the aluminum minium silicate is ion-exchanged.
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