DE2254890C2

DE2254890C2 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine

Info

Publication number: DE2254890C2
Application number: DE19722254890
Authority: DE
Inventors: William C. Middletown N.J. Pfefferle
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-09
Publication date: 1982-10-21
Also published as: FR2159317A1; JPS4858210A; DE2254890A1; SE431575B; JPS592767B2; CA976769A; FR2159317B1; GB1415530A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine nach dem Ooerbegriff von Anspruch 1.

Aus der Literaturstelle DE-Z: »Technische Mitteilungen«, 58. Jahrgang, Heft 8, August 1965, Seite 466, ist ein Verfahren zum Beireiben einer Gasturbine der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Brennstoff-Luft-Gemisch als 1 reibgas vor dem Eintritt in den eigentlichen Turbinenbereich unvollkommen katalytisch verbrannt. Wendet man bei diesem bekannten Verfahren größere Brennstoffmengen oder energiereichere Brennstoffe an, so steigt die Gastemperatur unvermeidbar an. Hierunter leidet das Ansprechverhalten einer solchen Gasturbinenanlage auf sich ändernde Betriebsbedingungen und zudem besteht die Neigung, daß bei den anfallenden Abgasen der Gasturbinenanlage die Umgebung stark verschmutzende Bestandteile, wie Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid in relativ großen Mengen gebildet werden. Durch die Temperaturzunahme bedingt, ergibt sich in der Expansionszone der Gasturbinenanlage ein relativ hoher Wärmeverlust, so daß der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage abfällt und ein wirtschaftlicher Betrieb derselben unmöglich wird. Auch sind die Teile der Gasturbinenanlage großen Beanspruchungen ausgesetzt, wenn derart hohe Temperaturen, die bei der Verwendung von energiereichen Brennstoffen oder großen Brennstoffmer.gen auftreten, so daß man eine verkürzte Stand- und Betriebszeit einer solchen Gasturbinenanlage erhält.

Aus der DE-OS 19 39 535 ist eine flammlose katalytische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in porösen Sintersteinen bekannt. Durch diese flammlose katalytische Verbrennung soll Energie für Heizzwecke gewonnen werden.

Aus der US-PS 35 65 830 sind Festkörperkatalysato

ren bekannt, die bei unvollkommener katalytischer Verbrennung des Treibgases in einer Gasturbinenanlage verwendbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, das durch Verbrennung des Brennstoffs eine günstige Energieausbeute ermöglicht, ohne daß die dabei entstehenden Abgase die Umgebung stark verschmutzende Bestandteile, wie Kohlenwasserstoff. Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid enthalten. Zweckmäßigerweise soll das Betriebsverfahren so ausgelegt werden, daß eine Gasturbine als Antriebsaggregat alternativ zu Brennkraftmaschinen bei Fahrzeugen einsetzbar ist Einer solchen Anwendung standen bisher sowohl der zwangsläufig bei der Entspannung der Gase auftretende Energieverlust als auch die Schadstoffanteile in den Abgasen der Gasturbine entgegen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine nach der Erfindung kann ein energiereicher Brennstoff oder eine größere Brennstoffmenge eingesetzt werden, der bzw. die in Anwesenheit einer stöchiometrischen Luftmenge, die zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist, eine theoretische adiabate Flammontemperatur von größer als 1815°C hat. Ein solcher energiereicher Brennstoff wird vor dem Eintritt in die Gasturbine teilweise, d. h. unvollkommen, katalytisch oxidiert bzw. verbrannt. Hierdurch werden Betriebsbedingungen geschaffen, die der Bildung von unerwünschten Stickstoffoxiden in den Abgasen entgegenwirken. Das so unvollkommen katalytisch oxidierte Treibgas wird dann in die Expansionszone der Gasturbine eingeleitet und normalerweise nimmt durch die Expansion im Expansionsbereich der Gasturbine die Temperatur des Treibgases ab, da mechanische Energie erzeugt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren schließt sich aber an die unvollkommene katalytische Verbrennung unmittelbar eine thermische Verbrennung an, die sich über den Expansionsbereich der Gasturbine erstreckt, so daß im Expansionsbereich der Gasturbine sowohl eine thermische Verbrennung als auch eine Expansion abläuft, wobei zusätzlich Umwandlungsenergie freigesetzt wird. Diese thermische Verbrennung erfolgt unter Temperaturen, die etwa zwischen 815⁰C und 1650°C und vorzugsweise etwa zwischen 980⁰C und 1538°C liegen. Dieser Temperaturbereich beim Betreiben einer Gasturbine ist äußerst günstig, da hierbei die unerwünschte Bildung von Stickstoffoxiden unterdrückt werden. Der im Expansionsbereich der Turbine thermisch verbrannte restliche Brennstoffanteil nach der unvollkommenen vorhergehenden katalytischen Verbrennung ermöglicht einen Temperaturausgleich im Expansionsbereich der Gasturbine, so daß ein Wärmeverlust infolge der Expansion des Treibgases sowie Überhitzungen oder zu hohe Temperaturen vermieden werden. Wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren die gesamte Verbrennung des Brennstoffs, d. h. sowohl die unvollkommene katalytische Verbrennung als auch die thermische Verbrennung innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 815°C bis 1650°C abläuft, enthalten die Abgase der Gasturbine nur geringe Anteile von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen und minimale Mengen an Stickstoffoxid als Verunreinigungen. Bei einem solchen Verfahren zum Betreiben einer Gasturbi-

ne ist ein schnelles Ansprechen auf Veränderungen der Betriebsbedingungen beim Ablauf der Oxidation des Brennstoffs möglich. Der thermische Wirkungsgrad wird durch die kontinuierliche Aufwärmung im Expansionsbereich der Gasturbine verbessert und die maximale Temperatur innerhalb der Gasturbine liegt innerhalb eines Bereiches von etwa S15°C bis 1650⁰C oder vorzugsweise etwa zwischen 980⁰C und 1538⁰C. Da bei der Erfindung im Gasexpansionsbereich der Gasturbine eine thermische Oxidation eines unvoUkommen katalytisch verbrannten Gases erfolgt, kann ohne eine Erhöhung der Betriebstemperatur eine größere Brennstoffmenge eingesetzt werden. Hierdurch wird eine größere Energieausbeute ermöglicht. Durch alle diese nach der Erfindung erzielten Vorteile wird ein wirtschaftlicher Betrieb einer Gasturbine ermöglicht, die anstelle einer Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat selbst für kleinere Kraftfahrzeuge wie Personenkraftfahrzeuge einsetzbar ist. Die thermische Verbrennung im Expansionsbereich der Gasturbine kann in den Düsen der Gasturbine oder in den sicn bewegenden Leitkörpern bzw. Schaufeln eines sich drehenden Turbinenrades oder Turbinenläufers erfolgen.

Das Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine ist auch bei Turbinen anwendbar, welche ein einziges Schaufel- oder Laufrad besitzen, die eine einzige Turbinenstufe darstellen. Selbstverständlich läßt sich das Betriebsverfahren nach der Erfindung auch bei solchen Gasturbinenanlagen anwenden, die mehrere Expansionsbereiche oder Expansionsstufen haben.

Bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches reicht eine geringere Katalysatormenge aus, als für die vollständige katalytische Verbrennung des Brennstoffs benötigt wird. Alternativ kann die unvollständige Verbrennung auch auf andere Weise erfolgen, so lange die Temperatur des bei der unvollständigen Verbrennung erhaltenen Gases nicht höher als die maximale Arbeitstemperatur der Turbine wird. Beispielsweise kann der Brennstoff vermischt mit Luft zur unvollständigen Verbrennung eingesprüht werden, wobei aber möglicherweise örtlich relativ hohe Gastemperaturen auftreten können. Um solche relativ hohen Temperaturen zu vermeiden, kann man das unvollkommen verbrannte Gemisch mit kühlerer Luft oder einem anderen Gas vermischen, wodurch auch eine vollständige Verbrennung vor dem Eintritt in den Expansionsbereich der Gasturbine vermieden wird. Man kann auch die Kontakt- oder Verweilzeit des Brennstoff-Luft-Gemisches zur Erzielung einer unvollkommenen Verbrennung begrenzen.

Zur katalytischen unvollkommenen Verbrennung wird ein Gas verwendet, das ein inniges Gemisch von Brennstoff, Luft, und falls erwünscht, anderer dampf- oder gasförmiger Materialien darstellt. Die Gemischbestandteile sind mengenmäßig so gewählt, daß das Gemisch unter den Bedingungen des Katalysators eine theoretische, adiabatische Flammentemperatur von wenigstens etwa 870⁰C, vorzugsweise wenigstens etwa 982° C aufweist. Diese Werte basieren auf der vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu kohlendioxid und Wasser.

Die vor dem Expansionsbereich der Gasturbine ablaufende unvollkommene Verbrennung erfolgt im wesentlichen unter adiabatischen Bedingungen und sie kann diffusionsgesteuert sein. Auch ist eine Durchlaufsteuerung bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung möglich. Das Brennstoff-Luft-Gemisch, das für die unvollkommene Verbrennung zur Erzeugung

des Treibgases verwendet wird, enthält freien Sauerstoff in Anteilen von wenigstens etwa 1,1 oder sogar wenigstens 1,5, vorzugsweise etwa wenigstens 2,0, bezogen auf die Menge, die zur vollständigen Verbrennung bzw. Oxidation des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist. Wenn mehrere katalytische Verbrennungsbereiche unter Zwischenschaltung von jeweils eines Expansionsbereichs in einer Gasturbinenanlage verwendet werden, kann die Temperatur bei der katalytischen Verbrennung in den einzelnen aufeinanderfolgenden Stufen auch geringer als etwa 816° C sein, sich beispielsweise auf etwa 538° C belaufen oder einen Minimalwert von etwa 649⁰C haben. Vorzugsweise beläuft sich die Temperatur auf wenigstens etwa 816°C bis etwa 1538° C oder 1650° C.

Das Gemisch für die unvollkommene Verbrennung stromauf des Expansionsbereichs der Gasturbine befindet sich im Zündbereich oder auf der brennstoffmageren Seite des Zündbereichs. Um eine Verbrennung oder Detonation des Gemisches zu vermeiden, wenn der Brennstoff von der brennstoffreichen Seite des Zündbereichs oder von der brennsloffmageren Seite zugeführt wird, liegt die Geschwindigkeit der Brennstoff enthaltenden Gase oberhalb der maximalen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, und zwar wenigstens etwa vor oder während der Zeit, während der das Gemisch den Katalysator erreicht. Eine derartige Geschwindigkeit verhindert die Entstehung von Verbrennungstemperaturen, die wesentlich größer als 1650° C sind, da ein Zurückschlagen der Verbrennung vom Katalysator in die mit Brennstoff angereicherten Tropfen vermieden wird, bevor diese vollständig mit Luft vermischt sind. Die unvollkommene katalytische Verbrennung ist meist flammlos. Die thermische Verbrennung im Expansionsbereich der Turbine erfolgt mit oder ohne Flamme. Die Bildung einer Flamme im Expansionsbereich der Gasturbine ist zweckmäßig, da die Gasturbine dann schneller und einfacher auf sich ändernde Betriebsbedingungen ansprechen kann.

Die Verweilzeit des Gemisches bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung und der thermischen Verbrennung beläuft sich auf kleiner als 0,1 s und ist vorzugsweise kleiner als 0,05 s. Hierdurch kann eine Bildung von Stickstoffoxiden wirksam vermieden werden. Dis Abgase der Gasturbine, betrieben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, enthalten weniger als etwa 10 Vol.-Teile pro Million Kohlenwasserstoffe, weniger als 300 Vol.-Teile Kohlenmonoxid und weniger als etwa 15 Vol.-Teile Stickstoffoxid, vorzugsweise weniger als etwa 4 Vol.-Teile Stickstoffoxid.

Der dampfförmige Brennstoff wird beim erfindungsgemäßen Betriebsverfahren einer Gasturbine in Berührung mit freiem oder molekularem Sauerstoff und freiem oder molekularem Stickstoff verbrannt. Sauerstoff und Stickstoff werden meist mit Hilfe von Luft zugeführt, obwohl das Gemisch durch Zugabe konzentrierter Formen von Stickstoff oder gelöst mit zusätzlichen Stickstoffmengen oder anderen inerten Gasen angereichert werden kann. Die Nichtbrennstoff-Anteile des Gemisches werden gewöhnlich als Luft bezeichnet. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird der unvollkommenen Verbrennung häufig mit wenigstens etwa 10VoI.-% freiem Sauerstoff oder wenigstens sogar etwa 15 Vol.-% freiem Sauerstoff zugeführt. Bei der Erfindung werden Brennstoffe verwendet, die Kohlenwasserstoffe enthalten und daher als kohlenwasserstoffhaltig bezeichnet werden. Die Brennstoffe können im wesentlichen im dampf- bzw. gasförmigen

Zustand vorliegen und enthalten ausreichend Energie, um bei der Verbrennung mit einer stöchiometrischen Luftmenge eine adiabatische Flammentemperatur von wenigstens 1815°C zu erzeugen. Die Brennstoffe können bei Umgebungsbedingungen gasförmig oder flüssig sein und als Brennstoffe können beispielsweise Methan, Äthan, Propan sein oder Kohlenwasserstoffe geringeren Molekulargewichts wie Naphta bzw. Erdöl, Kerosin und andere normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffe als auch andere kohlenstoffhaltige Brennstoffe, wie Kohlenmonoxid, Alkanolen von 1—4 Kohlenstoffatomen, insbesondere Methanol oder andere Materialien enthalten, die gebundenen Sauerstoff haben. Der Brennstoff kann mit Bestandteilen vermischt werden, welche bei der Verbrennung im wesentlichen ineri sind.

Falls der Brennstoff nicht im Grundzustand gasförmig ist, wird er vorzugsweise verdampft bzw. vergast, bevor er verbrannt wird. Der Brennstoff, die Luft oder andere Bestandteile werden gut vermischt, um zu hohe örtliche Temperaturen zu vermeiden, die in unerwünschter Weise den Katalysator bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung beeinflussen oder zu einer vermehrten Stickstoffoxidbildung führen. Der Brennstoff kann jedoch bei der Berührung des Katalysators bei der katalytischen Verbrennung vollständig oder teilweise in flüssigem Zustand sein. Der warme Katalysator bewirkt eine Verdampfung bzw. Vergasung des Brennstoffs. Hierbei können sogar relativ hochsiedende Brennstoffe wie Restöle oder nichtdestillierte Mineralöle verwendet werden.

Hierbei auftretende Gasgeschwindigkeiten liegen oberhalb der maximalen linearen Gasgeschwindigkeit der Flammenausbreitung oder -Fortschreitung und liegen etwa oberhalb von 0,9 m/s. Die Gesamt-Gasgeschwindigkeit hinsichtlich des Volumens kann im Bereich von 1 — 10 oder mehr Millionen Vol.-Anteilen der Gesamtgasmenge (Normaltemperatur und Normaldruck) pro Volumen des gesamten Verbrennungsbereichs, und Stunde, angenommen werden. Das Volumen das Katalysators wird als Gesamt-Oberflächenvolumen bezeichnet, welches den aktiven Katalysator und die weniger aktive Abstützung einschließlich Leerstellen oder den Katalysator durchsetzender Gaskanäle einschließt. Die vorhandene Katalysatormenge bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung reicht aus, um eine stabile Verbrennung zu gewährleisten. Das Volumen des Katalysators bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung kann kleiner als etwa 0,5, vorzugsweise weniger als etwa 0,25 als die Menge gewählt werden, weiche für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist. Die Katalysatormenge kann etwa 0,02 oder 001 oder weniger des Volumens OeIrH⁰Cn welche für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs notwendig ist.

Bei der unvollkommenen katalytischen Verbrennung stromauf des Expansionsbereichs der Gasturbine wird der Brennstoff bis zu etwa 60 Gew.-% verbrannt und diese Menge kann sich bis auf etwa 75 Gew.-°/o belaufen, wobei diese Werte auf der theoretisch möglichen Umwandlung bei der Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser basieren. Die Verbrennung im Expansionsbereich der Gasturbine beläuft sich auf etwa 10%, zweckmäßigerweise wenigstens etwa 25% des Gesamtheits- bzw. Wärmewerts des Brennstoffs. Diese Menge kann bis zu etwa 60% oder mehr des Heizwertes des Brennstoffes betragen. Die Verweilzeit kann hierbei so klein gewählt werden, daß der größte Anteil der Verbrennung oder sogar im wesentlichen die gesamte Verbrennung im Expansionsbereich der Gasturbine stattfindet.

Das Abgas der Gasturbine kann gegebenenfalls beispielsweise durch katalytische oder thermische Oxidation oder Reduktion oder durch Kombination beider weiterbehandelt werden, um den Anteil von verbrennbaren Verunreinigungen im Abgas herabzusetzen. Bei der katalytischen Verbrennung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine werden große Mengen von Luft und anderer Gase zugeführt, ohne daß die Gefahr einer Flammenlöschung durch Verwendung von zu hohen Gasgeschwindigkeiten oder die Entstehung magerer

. ■ Gasgemische oberhalb des Zündbereichs auftreten können. Beim Arbeiten der Turbine ist das Volumenverhäitnis von Luft zu Brennstoff meist größer als etwa 20 :1. Auch sind Auslegungen von Turbinenanlagen möglich, bei denen das Luft-Brennstoffverhältnis bis , etwa 100 oder 200 oder mehr : 1 ist. Der Expansionsbereich der Gasturbine ist derart beschaffen, daß das Gas mit einem Faktor von wenigstens etwa 2 :1 expandiert wird, d. h. das Verdichtungsverhältnis beläuft sich auf wenigstens 2 :1.

Gegebenenfalls kann beim erfindungsgemäßen Verfahren die Luft oder sogar der Brennstoff aufgewärmt werden, bevor sie der unvollkommenen katalytischen Verbrennung zugeführt werden. Die Vorwärmung kann hierbei bis auf etwa 204⁰C, vorzugsweise auf etwa

.. 538° C bei Regeneratorturbinen erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt
Eine schematische Teilschnittansicht einer Gasturbi-

;■. ne, die nach der Erfindung betrieben werden soll.

Die in der Zeichnung dargestellte Gasturbine 10 hat eine drehbare Antriebswelle 11, welche einen der Turbine zugeordneten Luftverdichter 12 und ein Turbinenrad 14 aufweist. Gasturbinen haben meist mehrere Turbinenräder oder Turbinenstufen. Die Antriebswelle 11 läßt sich an irgendein Getriebe anschließen, um die vom Turbinenrad 14 auf die Antriebsweile 11 übertragene Energie zu nutzen. Die Gasturbine 10 läßt sich mit einem hohen oder mit einem

4ϊ verhältnismäßig niedrigen Kompressionsverhältnis betreiben. Der Aufbau, die Arbeitsweise und die Steuerung derartiger Gasturbinen sind an sich bekannt.

Ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie Propan oder einfach destilliertes Petrol-Naphta, tritt über die Leitung

so 15 und ein Ventil 16 in die Turbinenanlage ein. Das Ventil 16 regelt die der Gasturbine 10 zugeführte Brennstoffmenge. Der Brennstoff gelangt vom Ventil 16 ir. die Leitung 2! und wird in die in den Kompressor über einen Einlaß 23 eintretende Luft versprüht Das sich hierbei ergebende Gemisch aus versprühtem Brennstoff und Luft verändert sich von einem hohen Brennstoffanteil an der Oberfläche der Brennstofftropfen bis zu einem geringen Brennstoffanteil der durchmischten Brennstoff-Luft-Phase, so daß entzündbare Gase innerhalb des Gemisches bestehen müssen. Es wird infolgedessen eine Gasgeschwindigkeit oberhalb der Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit bzw. Zündgeschwindigkeit verwendet, um eine Detonation zu verhindern.

Das Treibgasgemisch aus Luft und Brennstoff gelangt über Mischflügel 22 und einen Wärmetauscher 25 in einen stationären katalytischen Brenner 30. Der Auslaß des katalytischen Brenners steht mit herkömmlichen

Gas-Expansionsdüsen 31 und mit dem Turbinenrad 14 in Verbindung. Der Gasstrom wird aus dem katalytischen Brenner 30 in die Expansionsdüsen 31 abgegeben. Der Aufbau dieser Düsen ist im einzelnen nicht erläutert, da sie als bekannt anzusehen sind. Das Brennstoff-Luft-Gemisch strömt ohne beträchtlichen Druckabfall durch den katalytischen Brenner 30. Strömungsaufwärts des Brenners 30 sind ein Zünder 36 und eine Brennstoffeinlaßleitung 38 vorgesehen. Die Einlaßleitung 38 mündet nahe des Zünders 36 in den Gaskanal 35. Das Einspritzen des Brennstoffes über die Leitung 38 wird durch ein Ventil 37 gesteuert. Ein Thermoelement 40 ist am Einlaß des katalytischen Brenners 30 zur Temperaturerfassung angeordnet. Der Gasstrom aus dem katalytischen Brenner 30 wird beim Durchgang durch '5 die Düsen und im Turbinenrad 14 weiter oxidiert, wobei der Gasstrom als Treibgas verwendet wird, um die Welle 11 in Umdrehung zu versetzen. Das Gas tritt über den Ablaßkanal 24 vom Turbinenrad 14 aus und tritt innerhalb des Wärmetauschers 25 in indirekten Wärmeaustausch mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Turbinenanlage ist der Zünder 36 in der Anlaufphase der Gasturbine eingeschaltet. Brennstoff tritt über die Leitung 38 in den Gaskanal 35 in der Anlaufphase ein und wird dabei mit einer Flamme verbrannt, bis die Temperatur des katalytischen Brenners 30 hoch genug ist, um die Oxidierung bzw. Verbrennung des Brennstoffes durch den Katalysator einzuleiten, wenn der Zünder 36 abgeschaltet wird. Das Ventil 16 bleibt während dieser Zeit geschlossen. Wenn der Katalysator in vollem Umfang wirksam ist, wird der Zünder 36 abgeschaltet und die Brennstoffzufuhr über die Leitung 38 wird unterbrochen, indem das Ventil 37 geschlossen wird.

Während der Anlaufphase der Gasturbine und des Aufwärmens des katalytischen Brenners 30 auf seine Arbeitstemperatur befindet sich das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Nähe des Zünders 36 in entflammbarem Zustand. Die Geschwindigkeit der in Berührung mit dem Zünder 36 befindlichen Gase liegt so hoch, daß die Flammenfortschreitungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird. Infolgedessen besteht während dieser Zeit eine Flamme im Bereich des Zünders 36 und die dadurch erzeugte Wärme dient zur Erhöhung der Temperatur des katalytischen Brenners 30 derart, daß er den Brennstoff verbrennt, wenn der Zünder 36 abgeschaltet ist Um die Verbrennung auf flammenlose Verbrennung oder Oxidation im Katalysator überzuführen, kann die Brennstoffzufuhr über die Leitung 38 unterbrochen werden, so daß die Flamme erlischt. Das Ventil 16 wird nunmehr geöffnet, so daß der über die Leitung 21 in den Luftstrom eintretende Brennstoff zur Oxidation verwendet wird. Die Geschwindigkeit der Gase innerhalb des katalytischen Brenners 30 liegt am Einlaß des katalytischen Brenners 30 oberhalb der maximalen Flammenfortschreitungsgeschwindigkeit.

Eine im wesentlichen vollständige Oxid;ation von Propan beim Betreiben der Gasturbine 10 kann erreicht werden, wenn es bei Temperaturen im Bereich von etwa 815°C bis 1650⁰C mit dem katalytischen Brenner 30 in Berührung kommt, um die Verbrennung einzuleiten und den Brennstoff teilweise zu oxidieren. Bei einer kleinen Gasturbine mit einem Verdichtungsverhältnis von 4:1, einer maximalen Arbeitstemperatur von 1036⁰C und einem maximalen Luftstromdurchsatz von etwa 0,9 kp/min muß der Katalysator einen Außendurchmesser von 38,1 mm und eine Länge von 114,3 mrn besitzen und die Form einer Honigwabenstruktur mit 100 Kanälen pro 6,45 cm² Querschnittsfläche aufweisen. Der Katalysator muß einen offenen Zwischenraum von etwa 70% des Querschnitts haben. Wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch unmittelbar vor dem Einlaß des katalytischen Brenners 30 eine Temperatur von 593°C besitzt, wandelt der Katalysator etwa 50% bis 60% des Brennstoffes um. Die vom katalytischen Brenner 30 austretenden Gase besitzen eine Temperatur von etwa 981⁰C. Nach Berührung mit dem Katalysator mit katalytischen Brenner 30 wird der Brennstoff durch thermische Verbrennung innerhalb der Expansionszone oxidiert, in welcher die Expansionsflächen von Düsen- und Leitkörpern eine Gasstrombahn mit einer Länge von etwa 101,6 mm bilden. Die Auslaßgase der Gasturbine 10 werden daraufhin durch einen weiteren Katalysator mit Honigwabenstruktur hindurchgeleitet, welcher beispielsweise einen Außendurchmesser von 76,2 mm, eine Länge von 50,8 mm, 200 Kanäle pro 6,45 cm² und eine offene Fläche von 68% aufweist, die innerhalb der Gase möglicherweise verbliebenen Verunreinigungen zu verbrennen, so daß die austretenden Gase minimale Anteile an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxiden haben. Diese Arbeitsweise ist mit einem Turbinenbetrieb vergleichbar, bei welchem die maximale Arbeitstemperatur etwa 1093⁰C beträgt, wenn dieselbe Brennstoffmenge vollständig verbrannt wird, bevor sie die Expansionszone der Gasturbine erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, deren Treibgas aus einem komprimierten und gegebenenfalls vorgewärmten Brennstoff-Luft-Gemisch durch unvollkommene katalytische Verbrennung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die unvollkommene katalytische Verbrennung unmittelbar eine sich über den Expansionsbereich der Gasturbine erstreckende thermische Verbrennung anschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch wenigstens etwa das l.lfache der Sauerstoffmenge enthält, die zur vollständigen Oxidation des Brennstoffs in Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens etwa 20 Vol.-Teile Luft pro Vol-Teil Brennstoff in dem Brennstoff-Luft-Gemisch vorhanden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch in weniger als etwa 0,1 s unvollkommen katalytisch verbrannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch der unvollkommenen katalytischen Verbrennung mit einer Gasgeschwindigkeit von größer als 0,9 m/s zugeführt wird.