DE19546419A1 - Gasturbinenanlage und Verfahren zur Minderung der Stickoxide im Abgas der Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage und ein Verfahren zur Minderung der Stickoxide im Abgas der Gastur­ bine.

Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehen stets unerwünschte Stickoxide. Ihr Anteil im Abgas von Ver­ brennungsanlagen nimmt exponentiell mit der Höhe der Verbren­ nungstemperatur zu. Mit der Höhe der Verbrennungstemperatur wächst aber auch bei allen Wärmekraftmaschinen der maximal erzielbare thermische Wirkungsgrad.

Zur Minderung der Stickoxide im Abgas von Verbrennungsanlagen sind bereits Primärmaßnahmen bekannt. Diese laufen darauf hinaus, die Bildung der Stickoxide bei der Verbrennung zu mi­ nimieren, indem die Flammtemperatur, etwa durch Zumischen von Abgas, gesenkt und an die maximal zulässige Gaseintrittstem­ peratur der Wärmekraftmaschine angenähert wird. Wegen der sehr hohen Gaseintrittstemperaturen von Abgasturbinen ist durch solche Primärmaßnahmen aber nur eine begrenzte Absen­ kung der Stickoxide im Abgas der Gasturbine möglich.

Desweiteren ist es bekannt, Stickoxide durch Sekundärmaßnah­ men aus dem Abgas der Verbrennungsanlage oder der der Ver­ brennungsanlage nachgeschalteten Wärmekraftmaschine zu ent­ fernen. Bei diesen Sekundärmaßnahmen haben sich DeNOx-Anlagen durchgesetzt, die die Stickoxide mit Hilfe von speziell hier­ für entwickelten Katalysatoren in Gegenwart eines Reduktions­ mittels - meist NH₃ - in harmloses N₂ und H₂O umwandeln. Hierfür hat sich die Bezeichnung "SCR-Verfahren" eingebür­ gert, wobei SCR für Selektiv-Catalytic-Reduction steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nach­ teile bekannter Maßnahmen zur Minderung der Stickoxide im Ab­ gas von Gasturbinen zu mindern. Insbesondere soll der mit ei­ ner DeNOx-Anlage verbundene Platzbedarf und Druckabfall ver­ kleinert werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Reduktionsmittel zur nicht-kataly­ tischen Reduktion der Stickoxide bereits im Bereich der Ab­ gasturbine in den Abgasstrom eingedüst wird. Dies hat den Vor­ teil, daß durch nicht-katalytische Reduktion der Stickoxide bereits ein Teil der Stickoxide im Abgas, vor Verlassen der Gasturbine und vor Erreichen der nachgeschalteten DeNOx-An­ lage, abgebaut wird. Dadurch kann die DeNOx-Anlage relativ klein ausgeführt werden. Es hängt von der Menge des einge­ düsten Reduktionsmittels, von der Temperatur des Abgases und von der Verweilzeit im Abgas ab, wie groß der Anteil der Stickoxide ist, die so vor erreichen der DeNOx-Anlage abge­ baut werden können. Dieser Anteil kann unter Umständen sogar so groß sein, daß sich im Extremfall eine nachgeschaltete DeNOx-Anlage ganz erübrigt. Bei überstöchiometrisch eingedü­ stem Reduktionsmittel kann der in Strömungsrichtung hinter der DeNOx-Anlage möglicherweise auftretende Schlupf an Reduk­ tionsmittel durch einen nachgeschalteten Oxidationskataly­ sator abgebaut werden.

Bezüglich der Anlage wird diese Aufgabe erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß bei einer Gasturbinenanlage, bei der die Gasturbine einen Frischluftverdichter, mindestens eine Brenn­ kammer und eine Abgasturbine umfaßt, die Zuführungsleitung für das Reduktionsmittel an der Abgasturbine angeschlossen ist. Hierbei wird zusätzlich erreicht, daß das Reduktions­ mittel in Folge der Verwirbelung in der Abgasturbine innig mit dem Abgas vermischt wird. Dies und der große Abstand des Eindüseortes für das Reduktionsmittel in der Abgasturbine von einer der Gasturbine nachgeschalteten DeNOx-Anlage kommt der Reduktion der Stickoxide in der Abgasleitung und in der DeNOx-Anlage zugute.

Es hat sich als sehr zweckmäßig erwiesen, wenn das Redukti­ onsmittel an einer Stelle der Gasturbine eingedüst wird, an der das Abgas eine Temperatur unter 1050°C aufweist. Unter­ suchungen haben ergeben, daß die nicht-katalytische Reduktion der Stickoxide mit steigender Temperatur beschleunigt wird. Leider steigt aber auch bei Temperaturen über 1050°C die Oxidation des Ammoniaks zu NO_x und H₂O. Dies sind recht un­ erwünschte Nebeneffekte. Um diese unerwünschten Nebeneffekte in vertretbaren Grenzen zu halten sollte daher das Ammoniak an einer Stelle eingeleitet werden, an der das Abgas nicht über 1050°C heiß ist. Dies gilt auch für alle anderen denk­ baren stickstoffhaltigen Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstoff (NH₂)₂CO, Ammoniumformiat NH₄CO₂H und Azetamid NH₂COCH₃.

Bei Gasturbinen ist es bekannt, die Leitschaufeln und/oder Laufradschaufeln der Abgasturbine mit Kühlkanälen zu versehen und diese mit verdichteter Luft zu beaufschlagen. Es hat sich nun als sehr vorteilhaft erwiesen die Zuführung für das Re­ duktionsmittel, in Ausgestaltung der Erfindung, an die zu den Leitschaufeln der Abgasturbine führende Kühlluftleitung anzu­ schließen. Auf diese Weise läßt sich das Reduktionsmittel, mit Kühlluft vermischt, gleichmäßig im Abgas verteilen.

Das Gleiche läßt sich auch erreichen, wenn in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, die Zuführungsleitung für das Reduktionsmittel an eine Ringleitung angeschlossen ist, die einen Spannring im Bereich seiner mit dem Hohlraum des Laufrades kommunizierenden Durchbrüche für die Kühlluft für die Laufradschaufeln zumindest teilweise umschließt. Weil zu­ vor schon die Luftzuführungskanäle zu den Brennkammern abge­ zweigt sind, wird bei der Reduktionsmittelzuführung an dieser Stelle sicher gestellt, daß kein Reduktionsmittel in die Brennkammern gelangen kann. Bei der Verwendung von stick­ stoffhaltigen Reduktionsmitteln, wie z. B. NH₃, wäre es höchst unerwünscht, wenn Letztere in die Brennkammer gelangen, weil dadurch der Ausstoß von Stickoxiden erhöht würde. Dies gilt nicht wenn H₂ als Reduktionsmittel verwendet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Gasturbinenanlage,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbine mit den Anschlußstellen für die Reduktionsmittellei­ tung,

Fig. 3 eine Seitenansicht von drei mit ihren Fußteilen in Nu­ ten eines Spannringes gehaltenen Turbinenschaufeln und

Fig. 4 eine Turbinenschaufel mit Kühlmittelkanal im Schnitt.

Die Fig. 1 läßt in ihrer schematischen Darstellung den Aufbau eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes 1 erkennen. Dieses umfaßt eine Gasturbine 2 und einen an der Gasturbine ange­ schlossenen Generator 4 für die Erzeugung von elektrischer Energie. Die Abgasleitung 6 der Gasturbine 2 ist an einen Ab­ hitzedampferzeuger 8 eines Dampfturbinenkraftwerkes 10 ange­ schlossen. Dampfseitig ist der Abhitzedampferzeuger 8 an eine mehrstufige Dampfturbine 12 angeschlossen, die einen zweiten Generator 14 antreibt. Die Abgasleitung des Abhitzedampfer­ zeugers 8 führt über eine DeNOx-Anlage 16 und einen Wärme­ tauscher 18 in einen Kamin 20. In Strömungsrichtung hinter der DeNOx-Anlage 16 kann ein Oxidationskatalysator 106 für überschüssiges Reduktionsmittel in die Abgasleitung 6 einge­ baut sein. Die DeNOx-Anlage 16 kann unter Umständen auch ent­ fallen.

Die Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung den Aufbau der erfindungsgemäßen Gasturbine 2 mit einem Frischluftverdichter 22, einer Abgasturbine 24 und, im Ausführungsbeispiel, zwei Brennkammern 26, 28. Die Turbinenwelle 30 ist an der Ansaug­ seite des Frischluftverdichters 22 und an der Gasaustritts­ seite der Abgasturbine 24 gelagert. Im Gegensatz zum Lager 32 an der Ansaugseite des Frischluftverdichters 22 ist das Lager 34 an der Gasaustrittsseite der Abgasturbine 24 von einer Wärmeschutzkapsel 36 umschlossen. Im Inneren der Gasturbine erkennt man die auf der gemeinsamen Turbinenwelle 30 ring­ förmig angeordneten Laufradschaufeln 38 des Frischluftver­ dichters 22 und der Laufradschaufeln 40 der Abgasturbine 24. Dabei sind die einzelnen Laufradschaufeln 38, 40 wie die Fig. 3 und 4 zeigen mit ihrem mit Nuten 44 versehenen Fußteil 42 zwischen auf der Turbinenwelle 30 gelagerten, an ihren beiden Stirnseiten mit umlaufenden Ringnuten 46 versehenen, Spann­ ringen 48 eingespannt. Diese Spannringe 48 mit den mittels in den Nuten eingreifenden Keilen (nicht sichtbar) eingespannten Fußteilen 42 der Laufradschaufeln 38, 40 bilden in ihrer Ge­ samtheit einen die Turbinenwelle 30 umschließenden Hohlraum 50.

Anders als die Leit- und Laufradschaufeln des Frischluftver­ dichters 22, enthalten die Leit- und Laufradschaufeln der Ab­ gasturbine 24 je einen zentralen Kühlkanal 51 mit diversen Gasaustrittsöffnungen an der Schaufeloberfläche. Der Kühlka­ nal durchdringt den Fußteil 42 der Schaufel. Daher komunizie­ ren die Kühlkanäle 51 der Laufradschaufeln 40 mit dem Hohl­ raum 50. Das die Gasturbine umschließende Gehäuse 52 trägt sowohl die Leitschaufeln 54 des Frischluftverdichters 22 als auch die Leitschaufeln der Abgasturbine 24 und die zwischen Frischluftverdichter und Abgasturbine angeordneten beiden Brennkammern 26, 28.

Vor dem Frischluftansaugstutzen 58 des Frischluftverdichters 22 ist der hier über ein Getriebe angekuppelte Generator 4 nur schematisch angedeutet. An der hierzu gegenüberliegenden Seite des Frischluftverdichters 22 ist der die verdichtete Frischluft führende Ringspalt 62 an die die beiden Brennkam­ mern 26, 28 umschließenden Luftzuführungskanäle 64, 66 ange­ schlossen. Die beiden zylindrischen Brennkammern 26, 28 ent­ halten je zwei Brenner 68, 70, 72, 74, die sowohl an den je­ weiligen Luftzuführungskanälen 64, 66 als auch an je einer Zuführungsleitung 76, 78, 80, 82 für den Brennstoff ange­ schlossen sind. Der zentrisch im Inneren des jeweiligen Luft­ zuführungskanals 64, 66 einer jeden Brennkammer angeordnete Abgaskanal 84, 86 mündet in den ringförmigen Gaseintritts­ spalt 88 der Abgasturbine 24.

Zwischen dem Frischluftverdichter 22 und der Abgasturbine 24 ist auf der Turbinenwelle 30 ein sehr breiter Spannring 90 gelagert, der den Zwischenraum zwischen den Fußteilen 42 der letzten Reihe der Laufradschaufeln 38 des Frischluftverdich­ ters 22 und den Fußteilen 42 der ersten Reihe der Laufrad­ schaufeln 40 der Abgasturbine 24 überbrückt. Dieser breite Spannring 90 enthält - wie Fig. 2 zeigt - auf seinem der letz­ ten Laufradschaufelreihe des Frischluftverdichters 22 zuge­ wandten Ende Durchbrüche 92, 94 über die der Ringspalt 62 auf der Luftaustrittsseite des Frischluftverdichters 22 mit dem inneren Hohlraum 50 dieses breiten Spannringes 90 komuni­ ziert. Außerdem enthalten die Laufradschaufeln 40 der Ab­ gasturbine 24 - wie Fig. 3 zeigt - Kühlkanäle 51, die diese Schaufeln von ihrem Fußteil 42 in Längsrichtung bis zu ihrem oberen Ende durchziehen. Solche Kühlkanäle haben auch die Leitschaufeln 56 der Abgasturbine 24. In Fig. 2 erkennt man auch eine den breiten Spannring 90 der Turbinenwelle 30 um­ schließende Ringleitung 98. Sie ist an eine Zuführungsleitung 96 für das Reduktionsmittel angeschlossen. Diese Ringleitung 98 ist mit kleinen Austrittsdüsen (nicht sichtbar) versehen. Eine weitere Ringleitung 102 für das Kühlmittel umschließt das Gehäuse 52 der Gasturbine 2 in Höhe des zweiten Leit­ schaufelringes 56 der Abgasturbine 24. Diese Ringleitung 102 ist mit den Kühlkanälen 51 der Leitschaufeln der Abgasturbine 24 verbunden. An diese Kühlluftleitung 102 ist eine Zufüh­ rungsleitung 100 für das Reduktionsmittel angeschlossen.

Beim Betrieb des Gas- und Dampfturbinenkraftwerks 1 wird vom Frischluftverdichter 22 der Gasturbine 2, Frischluft über den Frischluftansaugstutzen 58 angesaugt und verdichtet. Diese Frischluft strömt über die die beiden Brennkammern 26, 28 um­ hüllenden Luftzuführungskanäle 64, 66 in die Brenner 68, 70, 72, 74. Zugleich strömt über die Zuführungsleitungen 76, 78, 80, 82 Brennstoffin die Brenner und wird in den Brennkammern 26, 28 mit der verdichteten Luft verbrannt. Ein kleiner Teil der verdichteten Luft gelangt über die Durchbrüche 92, 94 in dem breiten Spannring 90 in den inneren Hohlraum 50 und strömt von dort als Kühlluft durch die Kühlkanäle 51 in die Laufradschaufeln 40 der Abgasturbine 24. Es vermischt sich dort nach dem Austritt aus den Laufradschaufeln mit dem diese umspülenden Abgas 104. Über die vor den Durchbrüchen 92, 94 im breiten Spannring 90 im Ringspalt 62 angeordnete, an die Zuführungsleitung 96 für das Reduktionsmittel angeschlossene, Ringleitung 98 wird der in den breiten Spannring 90 einströ­ menden verdichteten Luft ein Reduktionsmittel für die Stickoxide, vorzugsweise Ammoniak (=NH₃) zugemischt. Durch die Zudosierung des Reduktionsmittels an dieser Stelle des Ringspalts 62 wird sichergestellt, daß kein Reduktionsmittel in eine der Brennkammern 26, 28 gelangen kann. Das nunmehr aus den Längsbohrungen 51 der Laufradschaufeln der Abgastur­ bine 24 austretende Reduktionsmittel-Kühlluftgemisch mischt sich mit den diese Laufradschaufeln 40 umströmenden Abgas 104. Letzteres ist hier bereits teilentspannt. Seine Tempera­ tur liegt in diesem Bereich der Abgasturbine zwischen 1000 bis 700°C. Bei dieser Temperatur findet, auch ohne Anwesen­ heit von katalytischem Material, bereits eine teilweise Re­ duktion der Stickoxide statt. Diese nicht-katalytische Reduk­ tion der Stickoxide setzt sich dann auf dem Weg der Abgase durch den Abhitzedampferzeuger 8 des Dampfkraftwerks 10 bis zur DeNOx-Anlage 16 fort. Dort wird dann das nunmehr auf ca. 350°C abgekühlte, teilentstickte, noch reduktionsmittelhal­ tige Abgas in Gegenwart der Katalysatoroberfläche der DeNOx-Anlage 16, gegebenenfalls unter weiterer Zudosierung von Am­ moniak über die Zuführungsleitung 101 für Reduktionsmittel, weiter entstickt.

Alternativ oder auch zusätzlich zur Ringleitung 98 kann auch Reduktionsmittel über ein an die Kühlluftkanäle 51 der Leit­ schaufeln 56 der Abgasturbine 24 angeschlossenen Kühlluft­ leitung 102 in die Abgasturbine 24 eingedüst werden. Es ver­ mischt sich dann ebenso wie das durch die Laufradschaufeln 40 der Abgasturbine 24 eingedüste Reduktionsmittel mit dem die Abgasturbine 24 durchströmenden Abgas 104.

Um die nicht katalytische Reduktion der Stickoxide vor Er­ reichen der DeNOx-Anlage 16 zu verstärken, können in der Ab­ gasturbine 24 auch überstöchiometrische Mengen an Reduktions­ mittel eingedüst werden. In diesem Fall braucht über die Zu­ führungsleitung 101 für das Reduktionsmittel an der DeNOx-An­ lage 16 kein weiteres Reduktionsmittel zugeführt zu werden. Statt dessen muß an der Abgasleitung 6, in Strömungsrichtung hinter der DeNOx-Anlage 16 ein Oxidationskatalysator 106 vor­ gesehen werden, der das überschüssige Reduktionsmittel zu N₂ und H₂O aufoxidiert. Hierfür eignen sich Oxidationskatalysa­ toren wie Zeolite, Manganchromit und auch Kupferchromit. Als Reduktionsmittel für die Stickoxide eignen sich außer Ammo­ niak NH3 auch Harnstoff (NH₂)₂CO, Ammoniumformiat NH₄COCH₃, Wasserstoff H2 und vorzugsweise additiv zu den vorgenannten stickstoffhaltigen Reduktionsmitteln auch Kohlenwasserstoffe. Das sind gesättigte, ungesättigte und aromatische Kohlenwas­ serstoffe wie z. B. Methan, Butan bis hin zum Heizöl, Äthylen, Azetylen sowie Benzol, Xylol usw . . Diese im Überschuß zugege­ benen Kohlenwasserstoffe haben den Nebeneffekt, daß sie die Abgase erneut aufheizen. Dies wirkt sich bei nachgeschalteten Wärmetauschern wie z. B. bei Gas- und Dampfturbinenkraftwerken leistungssteigernd aus. Außer dem gasförmigem Wasserstoff werden alle anderen genannten stickstoffhaltigen Reduktions­ mittel vorzugsweise als wäßrige Lösung eingedüst.

Es ist auch möglich die nicht-katalytische Reduktion der Stickoxide durch Optimierung des Verfahrensablaufs, wie z. B. überstöchiometrische Zugabe des Reduktionsmittels, Anpassung der Reaktions-Temperatur und -Zeit so zu verstärken, daß auf die nachgeschaltete DeNOx-Anlage 16 - nicht jedoch auf den Oxidationskatalysator 106 - verzichtet werden kann.

Das die DeNOx-Anlage 16 und den Oxidationskatalysator 106 verlassende nahezu stickoxidfreie Abgas kann dann seine rest­ liche Wärme in einen weiteren Wärmetauscher 18 abgeben, bevor es über den Kamin 20 ins Freie entweichen kann.

Claims (18)

1. Verfahren zur Minderung der Stickoxide im Abgas einer Gasturbine (2) bei dem ein Reduktionsmittel zur nicht­ katalytischen Reduktion der Stickoxide bereits im Bereich der Abgasturbine (24) in den Abgasstrom (104) eingedüst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem die Gastur­ bine (2) verlassenden Abgasstrom (104) enthaltene Reduktions­ mittel in einer der Gasturbine nachgeschalteten DeNOx-Anlage (16) durch selektive katalytische Reduktion abgebaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Reduktionsmittel an einer Stelle der Gasturbine (2) eingedüst wird, an der das Abgas (104) eine Temperatur unter 1050°C aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel an einer Stelle der Gasturbine (2) eingedüst wird, an der das Abgas (104) eine Temperatur unter 900°C aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel an einer Stelle der Gasturbine (2) eingedüst wird, an der das Abgas (104) eine Temperatur unter 800°C aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Ammoniak NH3 eingedüst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Harnstoff (NH₂)₂CO eingedüst wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Ammoniumformiat NH₄CO₂H eingedüst wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Azetamid NH₂COCH₃ eingedüst wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Wasserstoff H₂ eingedüst wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel ein Kohlenwasserstoff, wie z. B. Methan, Butan, Xylol, Benzol oder ähnliche eingedüst wird.

12. Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Gasturbine (2) einen Frischluftverdichter (22), mindestens eine Brennkammer (26, 28) und eine Abgasturbine (24) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitung (96, 100) für das Reduktionsmittel an der Abgasturbine (24) angeschlossen ist.

13. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (56) der Abgasturbine (24) mit einem durchgehenden Kühlkanal (51) versehen sind und die Zuführungsleitung (100) für das Reduk­ tionsmittel an die zu den Leitschaufeln (56) führende Kühl­ luftleitung (102) angeschlossen ist.

14. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (40) der Abgasturbine (24) mit einem durchgehenden Kühlkanal (51) versehen sind und die Zuführungsleitung (100) für das Reduktionsmittel an eine Ringleitung (98) angeschlossen ist, die einen Spannring (90) im Bereich seiner mit dem Hohlraum (50) des Laufrades komunizierenden Durchbrüche (92, 94) zumindest teilweise umschließt.

15. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (2) abgasseitig über eine Wärmetauscheranlage (8) an eine DeNOx-Anlage (16) zur selektiven katalytischen Reduktion der Abgase angeschlossen ist.

16. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranlage (8) vorzugsweise ein Abhitzedampferzeuger ist.

17. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheranlage (8) einem chemischen Herstellverfahren etwa als Synthe­ sereaktor zugeordnet ist.

18. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abgasleitung (6), in Strömungsrichtung hinter der DeNOx-Anlage (16), bzw. an deren Stelle, ein Oxidationskatalysator (106) zur Oxida­ tion von überschüssigem Reduktionsmittel angeschlossen ist.