DE2261262C2 - Verfahren zum Oxidieren von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß in der thermischen Verbrennungszone höchstens 90% des zugeführten Brennstoffs verbrannt werden,

— daß die aus der thermischen Verbrennungszone abströmenden Gase abgeschreckt werden und

— daß did Oxidation von mindestens einem Teil des insgesamt zugeführten Brennstoffs anschließend im Katalysator bei etwa 815 bis 1650⁰C erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckung des teilweise verbrannten gasförmigen Produkts der thermischen Verbrennungszone durch Mischen mit zusätzlicher Luft durchgeführt wird.

3. Verfah^ren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge an Luft für die thermische Verbrennung uitJ an zusätzlicher Luft für die Abschreckung mindestens etwa das Doppelte der zur vollständigen Verbre.· nung des gesamten Brennstoffs stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der thermischen und der katalytischen Verbrennungszone weiterer Brennstoff zugesetzt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsprodukte durch eine Gasturbine geleitet werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oxidieren von kohlestoffhaltigen Brennstoffen, die beim adiabaten Verbrennen mit der stöchiometrischen Luftmenge eine Flammentemperatur von mindestens 1800⁰C entwikkeln, und die Verwendung des Verfahrens zum Betreiben einer Gasturbine.

Gasturbinen werden im großen Umfange als Antriebsmaschinen, besonders für Flugzeuge und ortsfeste Kraftwerke, verwendet. Man hat auch bereits mit gewissem Erfolg erhebliche Anstrengungen unternommen, um für Fahrzeuge geeignete Turbinen zu entwickeln. Bereits heute verwendet man Gasturbinen zum Treiben von großen Fahrzeugen, wie Lastwagen und Autobussen, und eines Tages werden solche Turbinen wahrscheinlich zum Antrieb von kleineren Fahrzeugen, wie Personenkraftwagen, verwendet werden.

Gasturbinen sind nicht nur leicht, klein und verhältnir mäßig frei von Schwingungs- und Wartungsproblemen, sondern sie bieten auch den weiteren Vorteil, daß ihre Auspuffgase arm an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen sind, sofern nur der Treibstoff mit einem großen Luftüberschuß bei Temperaturen verbrannt wird, bei denen eine praktisch vollständige Verbrennung erfolgt. Gasturbinen und andere Vorrichtungen, wie Dampfkessel, bei denen die Brennstoffe vorwiegend in der Flamme oxidiert werden, und die mit großen Luftüberschüssen arbeiten, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen, sind aber vom Gesichtspunkt der Luftverunreinigung mit Oxiden des Stickstoffs recht nachteilig. Wenn auch solche Abgase keinen höheren Gehalt an Oxiden des Stickstoffs aufweisen als beispielsweise die Auspuffgase von Kolbenmotoren, ist is doch die Gesamtverunreinigung der Luft mit Oxiden des Stickstoffs, die durch Gasturbinen oder Dampfkessel verursacht wird, höher, weil die Menge an Abgasen so groß ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtungen können

M verwendet werden, um dampfförmige, kohlenstoffhaltige Brennstoffe mit einem Luftüberschuß gegenüber der stöchiometrischen Luftmenge praktisch vollständig zu oxidieren. Vielfach kann es zweckmäßig sein, den Brennstoff in die Gasturbine in flüssiger Form einzuspritzen, statt ihn vor dem Einleiten in die Verbrennungszone zu verdampfen. Bei Verwendung einer katalytischen Verbrennungsvorrichtung wird aber der Brennstoff vonugsweise verdampft, bevor er mit dem Katalysator in Berührung kommt, z. B. durch Wärmeaustausch bei hohen Temperaturen. Die Verwendung eines solchen Wärmeaustauschers kann jedoch unerwünscht sein.

Aus der FR-PS 14 67 142 ist ein Verfahren zum Oxidieren von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bekannt, die beim adiabaten Verbrennen mit der stöchiometrischen Luftmenge eine Flammentemperatur von mindestens 1800⁰C entwickeln. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Brennstoff zunächst in einer thermischen Verbrennungszone mit Luft teilweise verbrannt und der unverbrannte Brennstoff wird dann an einem Oxidationskatalysator mi: Luft mindestens teilweise oxidiert. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei den dort angewandten sehr hohen Temperaturen die Bildung von beträchtlichen Mengen an unerwünschten Stickstoffoxiden begünstigt wird. Die französische Patentschrift enthält keinen Hinweis, daß in der thermischen Verbrennungsizone höchstens 90% des zugeführten Brennstoffs verbrannt werden dürfen und daß die aus der thermischen Verbrennungszone

so abströmenden Gase abgeschreckt werden sollen.

Aus der Firmenschrift »die Gasturbine« von Siemens-Schuckertwerke - AG, SSW 403/203, 1962, ist ein einstufiges Verbrennungsverfahren für flüssige und gasförmige Brennstoffe bekannt, bei dem die aus der thermischen Verbrennungszone kommenden heißen Gase durch Beimengung von Sekundärluft abgekühlt werden, bevor sie in eine Gasturbine geleitet werden. Diese Firmenschrift enthält keinerlei Angaben über die Verfahrensbedingungen, bei denen die Brennkammer betrieben wird.

Aus der DE-OS 19 39 535 ist ein einstufiges katalytisches Verbrennungsverfahren von Kohlenwas serstoff/Luftgemischen an nickel- oder platinenthaltenden, hochporösen Sintersteinen bekannt. Eine vorgeschaltete thermische Verbrennungsstufe und eine dazwischengeschaltete Kühlungüstufe der aus der thermischen Verbrennungstufe erhaltenen Produkte ist bei diesem Verfahren nicht vorgesehen. Die katalytische

Verbrennung erfolgt nicht adiabatisch und ein Überschuß an Sauerstoff ist bei Verwendung eines Nickelkatalysators wegen der Inaktivierungsgefahr nicht zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirkungsvolles Verfahren zum Oxidieren von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, die beim adiabaten Verbrennen mit der stöchiometrischen Luftmenge- eine Flammenterriperatur von mindestens 1800⁰C entwickeln, zur Verfügung zu stellen, wobei die Abgase sich zum Betreiben einer Gasturbine mit hohem Wirkungsgrad eignen und keine oder nur verhältnismäßig geringe Mengen an Stickstoffoxiden enthalten.

GeIoEt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in der thermischen Verbrennungszone höchstens 90% des zugeführten Brennstoffs verbrannt werden, die aus der thermischen Verbrennungszone abströmenden Gase abgeschreckt werden und die Oxidation von mindestens einem Teil des insgesamt zugeführten Brennstoffs anschließend im Katalysator bei etwa 815 bis 1650⁰C erfolgt

Eine besonders vorteilhafte Arbeitsweise wird erfindungsgemäß in einem Gasturbinensystem durchgeführt, wobei zunächst eine Teilverbrennung des Brennstoffs mit Luft in einer Flamme erfolgt und der Brennstoff vor seinem Eintritt in die Verbrennungszone nicht verdampft zu werden braucht Das Produkt der thermischen Oxidation ist verhältnismäßig reich an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, und da es mehr oder weniger schnell von der Temperatur, die e* bei der thermischen Oxidation erlangt hat heruntergekühlt wird, bilden sich in dieser Reaktionszone verhältnismäßig wenig Oxide des Stickstoffs. Die von der thermischen Verbrennungszone abströmenden Gase werden also abgeschreckt und dann zur weiteren Verbrennung von in den Gasen enthaltenen brennbaren Bestandteilen dem Katalysator zugeführt. Vorzugsweise werden bei dieser Verbrennung alles Kohlenmonoxid und alle in dem Gas enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, ohne daß es zur Bildung gröüerer Mengen an Oxiden des Stickstoffs kommt Die Erfindung ermöglicht daher den Betrieb einer Turbine mit hohem Wirkungsgrad unter nur geringer Luftverunreinigung durch unerwünschte Abgasbestandteile. Die Ergebnisse sind für die Gesellschaft von großer Bedeutung, weil die wirksame Ausnutzung von Brennstoffen bei nur geringer Verunreinigung der Atmosphäre notwendig ist und mit der Zeit immer wichtiger wird.

Die Erfindung eröffnet eine Möglichkeit, die Erzeugung übermäßiger Mengen an unerwünschten Oxiden des Stickstoffs in den Abgasen beispielsweise einer Gasturbine zu vermeiden und die Verbrennung teilweise auf thermische Weise in der Flamme durchzuführen, so daß die Turbine oder die sonstige Krafterzeugungsanlage schnell auf Änderungen in der Betriebsweise, z. B. auf Geschwindigkeits- oder Leistungsänderungen, reagiert obwohl die Verbrennung teilweise katalytisch erfolgt. Die Flamme in der erfindungsgemäß verwendeten thermischen Verbrennungszone kann auch zur schnellen Verdampfung des Brennstoffs ausgenutzt werden, wenn dieser der Zone in flüssiger Form zugeführt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß zur Erzielung eines gegebenen Gesamtverbrennungsgrades ein geringeres Volumen an Katalysator erforderlich ist als in einem System, bei dem schon die anfängliche Oxidation katalytisch durchgeführt wird, weil im vorliegenden Falle die Gase vor der katalytischer. Verbrennung schon teilweise verbrannt worden sind. Im allgemeinen muß der Katalysator ein ausreichendes Volumen haben, um die erforderliche Zeit für die katalytische Reaktion zur Verfügung zu stellen. Aber je größer das Volumen des Katalysators ist, desto länger braucht das System, um auf Änderungen in den Arbeitsbedingungen zu reagieren. Wenn z. B. die Temperatur in Verbrennungsvorrichtung mit einer anfänglichen katalytischen Verbrennungszone und die Drehzahl der Turbine geändert werden sollen, kommt die neue Arbeitsweise erst zur Auswirkung, wenn der größte Teil des Katalysators oder womöglich der ganze Katalysator sich auf der neuen Arbeitstemperatur befindet Dieses Aufheizverfahren kann für den zufriedenstellenden Betrieb der Turbine zu langsam sein, wenn die Turbine in einem System verwendet werden soll, wo es auf schnelle Reaktion ankommt, wie bei Kraftfahrzeugen. Durch die Erfindung wird die Reaktionszeit dadurch herabgesetzt daß als erste Oxidationszone eine thermische Oxidationszone verwendet wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung findet zunächst eine thermische Verbrennung statt, bei der ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit Luft teilweise oxidiert wird. Durch die Flamme wird bei dieser thermischen Verbrennung jeglicher Brennstoff, der in der thermischen Verbrennungszone etwa in flüssiger Form vorliegt zum Verdampfen gebracht Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, etwa 35 bis 75% des Brennstoffs thermisch zu Oxiden des Kohlenstoffs und Wasser zu oxidieren. Vorzugsweise beträgt der Gehalt der Gesamtbeschickung der thermischen Verbrennungszone an Sauerstoff mindestens etwa 90%, der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser stöchiometrisch erforderlichen Menge. Die Verbrennung in der thermischen Oxidationszone findet bei etwas niedrigeren Temperaturen statt als der theoretischen adiabatischen Flammentemperatur, die der Brennstoff entwickelt wenn er mit der stöchiometrischen Luftmenge vollständig verbrannt wird. Diese Differenz beruht auf der unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs sowie auf Strahlungsverlusten aus der Verbrennungszone. Ein gewisser Teil der bei der thermischen Verbrennung erzeugten Wärme kann auch zum Vorerhitzen von dem System etwa zugeführter Sekundärluft verwendet werden, falls dies erwünscht ist Die Temperatur in der thermischen Verbrennungszone beträgt in der Regel etwa 1090⁰C bis 2040⁰C, während die Temperaturen des aus dieser Zone abströmenden Gases vorzugsweise im Bereich von etwa 980 bis 1540⁰C liegen. Die Temperatur der thermischen Verbrennungsvorrichtung läßt sich dadurch steuern, daß man die Brennstoff- und/oaer Luftzufuhr zu der thermischen Verbrennungsvorrichtung variiert, und daß man das der Oxidation unterliegende Gctnisch abschreckt. Brennstoffe von höherer Energie können mit geringeren unterstöchiometrische Luftrrengen verbrannt werden als Brennstoffe von niedrigerer Energie, um die gewünscht*.· Temperatur in oer thermischen Oxidationszone aufrecht zu erhalten, Eine weitere Möglichkeit für die Temperatursteuerung in der thermischen Verbrennungsvorrichtung ist der indirekte Wärmeaustausch, ζ. B. mit der dem System zugeführten Luft.

Die Flamme der ersten Verbrennungszone wird abgeschreckt, vorzugsweise durch Vermischen der entstandenen Verbrennungsprodukte mit kühleren

Gasen, wenn die teilweise oxidierten Gase aus der ersten Verbrennungszone abströmen; vorzugsweise werden die gasförmigen Produkte der ersten Verbrennungszone mit Luft gemischt. Die gasförmigen Produkte der thermischen Verbrennungszone enthalten erhebliche Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, weil der Brennstoff nur teilweise oxidiert worden ist. An die thermische Teiloxidation schließt sich eine hinreichend schnelle Abschreckung der Flamme an, so daß das gasförmige Produkt verhältnismäßig arm an Oxiden des Stickstoffs ist. Wenm die Abgase der thermischen Oxidation sofort abgeschreckt werden, bleibt ihr Gehalt an Oxiden des Stickstoffs für eine gegebene Arbeitsweise klein. Die Menge der erzeugten Oxide des Stickstoffs kann auch dadurch auf ein Minimum gebracht werden, daß die Temperatur in der ersten Verbrennungszone unterhalb der theoretischen adiabatischen Flammentcmperatur gehalten wird, die erreicht werden würde, wenn der Brennstoff mit der siuciiitiiiicii'isONcfi LUiiFncfigc Vüiiäiäriuig £ü rvOiiicN-dioxid und Wasser oxidiert werden würde. Solche herabgesetzten Temperaturen können bis zu etwa 2040⁰C betragen, vorzugsweise bis zu etwa 1815°C, und können z. B. dadurch verwirklicht werden, daß die Mengen von Brennstoff, Luft und anderen Gasen, die der Verbrennungszone zugeführt werden, oder die Verweilzeit der Gase in der Verbrennungszone vor dem Abschrecken zweckentsprechend eingestellt werden. Der Abschreckungsschritt erfolgt vorzugsweise durch Vermischung der Verbrennungsgase mit mindestens einer ausreichenden Menge Luft von einer niedrigeren Temperatur, die vorzugsweise unterhalb etwa 1090°C liegt. Durch die Abschreckung kann die Temperatur der aus der thermischen Verbrennungszone abströmenden Gase um mindestens etwa 55"C, vorzugsweise um mindestens etwa 110⁰C, herabgesetzl: werden.

Statt die Abgase der thermischen Verbrennungszone durch Mischen mit Luft abzuschrecken, kann ihre Temperatur auch auf andere Weise herabgesetzt werden, z. B. durch indirekten Wärmeaustausch oder durch direkten Wärmeaustausch mit einem keramischen Wärmespeicher oder sogar mit dem Katalysator in der Oxidanonszone. Wenn aber das Produkt der thermischen Oxidation längere Zeit auf höheren Temperaturen verbleibt kann die Erzeugung von Oxiden des Stickstoffs eine unerwünschte Höhe erreichen. Um diese Verweilzeit herabzusetzen, beträgt die Geschwindigkeit der von der thermischen Verbrennungszone zur katalytischen Oxidationszone strömenden Gase in der Regel 15 m/sec bis 60 m/sec. Auch die Erzeugung von Turbulenz in den Gasen in der Abschreckzone sowie die Verkürzung des Weges, den die Gase von der thermischen Oxidationszone zur katalytischen Oxidationszone zurücklegen müssen, ist in dieser Beziehung von Vorteil.

Die zur katalytischen Verbrennungszone strömenden, teilweise oxidierten Abgase enthalten eine ausreichende Menge Luft um die theoretische adiabatische Flammentemperatur auf den gewünschten Wert einzustellen. Vorzugsweise enthält dieses Gasgemisch mindestens die Menge an freiem Sauerstoff, die stöchiometrisch erforderlich ist um die Abgase vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen. Im allgemeinen beträgt die gesamte, dem System zugeführte Luftmenge, nämlich die in die thermische Verbrennungszone eingeführte Luft und die weitere, dem zur katalytischen Verbrennungszone strömenden Produkt der thermischen Verbrennungszone zugesetzte Luft mindestens etwa das l,5fache und vorzugsweise mindestens etwa das Doppelte derjenigen Menge, die stöchiometrisch für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Wasser und Kohlendioxid benötigt wird. Die zusätzliche Luft kann Raumtemperatur oder vorzugsweise eine erhöhte Temperatur aufweisen, was man z. B. durch indirekten Wärmeaustausch mit der thermischen Verbrennungszone erreichen kann. Die Temperatur des Gemisches aus teilweise verbranntem Gas und Luft am

ίο Einlaß der katalytischen Verbrennungsvorrichtung beträgt vorzugsweise mindestens etwa 8I5°C, um ein richtiges Arbeiten in der katalytischen Verbrennungszone zu gewährleisten. Es kann auch zweckmäßig sein, zwischen der thermischen und der katalytischen Verbrennungszone weiteren Brennstoff zuzusetzen.

Das der katalytischen Verbrennungszone zugeführte Gasgemisch befindet sich unter den Bedingungen der Oxidation im entflammbaren Bereich oder auf der brennstoffarmen Seite des entflammbaren Bereichs.

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Katalysator bei Temperaturen von etwa 815 bis 1650°C, vorzugsweise von etwa 980 bis 1540⁰C, mit Luft oxidiert, und die Oxidation verläuft vorzugsweise im wesentlichen adiabatisch. Das Gasgemisch, welches den teilweise verbrannten Brennstoff, freien Sauerstoff und freien Stickstoff enthält, kann eine solche Zusammensetzung haben, daß seine theoretische adiabatische Flammentemperatur im Bereich von etwa 815 bis 1650⁰C '.,igt. Die Abgase von der katalytischen Verbrennungsvorrichtung haben einen verhältnismäßig niedrigen Gehalt an Oxiden des Stickstoffs, und oft hat das von dem Katalysator abströmende Produkt einen Wasser- und Kohlendioxidgehalt, der der vollständigen Oxidation von mindestens etwa 90Gew.-%, vorzugsweise mindestens etwa 99 Gew.-%, bezogen auf den der thermischen Oxidationszone zugeführten Brennstoff, entspricht. Die katalytische Zone trägt zu dieser Verbrennung gewöhnlich mindestens etwa 10% und vorzugsweise mindestens etwa 25% bei. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher ein gasförmiges Oxidationsprodukt entstehen, das weniger als 10 Raumteile Kohlenwasserstoffe je Million Raumteile (ppmv), weniger als 300 ppmv Kohlenmonoxid und weniger als etwa 15, vorzugsweise weniger als 5 ppmv an Oxiden des Stickstoffs enthält

Die Temperatur der Abgase der katalytischen Verbrennungszone liegt vorzugsweise in der Nähe der theoretischen adiabatischen Flammentemperatur des der katalytischen Oxidationszone zugeführten Gemisches aus Brennstoff und Luft z. B. bei etwa 165° C unter dieser theoretischen Rammentemperatur, da die Oxidation sich technisch unter im wesentlichen adiabatisviien Bedingungen durchführen läßt Daher können trotz geringer Wärmeverluste aus der Oxidationszone die Bedingungen im wesentlichen adiabatisch sein, wenn nur eine geringe oder gar keine absichtliche Mühhing der Oxidationszone durch indirekten Wärmeaustausch erfolgt Vorzugsweise arbeitet die katalytische Reaktionszone diffusionsgesteuert und flammenlos und der

μ größte Teil des Katalysators, oft sogar der gesamte Katalysator, befindet sich nahezu auf der theoretischen adiabatischen Flammentemperatur. Um eine entsprechende Temperatursteuerung zu erzielen, kann man die relativen Mengen an nichtoxidiertem Brennstoff, teilweise oxidiertem Brennstoff, freiem Stickstoff, freiem Sauerstoff und anderen Bestandteilen des der katalytischen Verbrennungsvorrichtung zugeführten Gemisches so unter Kontrolle zu halten, daß das

Gemisch die gewünschte adiabatischc Flammentemperatur aufweist.

Die Abgase der katalytischen Verbrennungs/.onc können zur Entwicklung verschiedener Formen von Energie zur Arbeitsleistung verwendet werden. Vorteilhaft kann man die Abgase als Treibmittel für eine Turbine verwenden. Da das Turbinenabgas in diesem Falle arm an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen sowie r./- Oxiden des Stickstoffs ist. kann es an die Außenluft abgelassen werden. Gegebenenfalls kann n man das Turbinenabgas weiter katalytisch behandeln oder z. B. mit weiterem Brennstoff mischen sind weiter katalytisch oxidieren, um die Gase für eine mögliche Verwendung in einer weiteren Turbinenstufe wieder aufzuheizen. Es ist auch möglich, die Turbinenabgase ' z. B. in einem Wärmeaustauscher zum Vorheizen der dem System zugeführten Luft zu verwenden.

Die katalytische Reaktion spielt sich erfindungsgemäß in einem Temperaturbereich ab, in dem die Turbine sich mit rech'. wor'C'lhaftpn Wirkungsgraden betreiben '< läßt. Gegebenenfalls kann man die Temperatur des Abgases der katalytischen Verbrennungsvorrichtung durch Verdünnen mit nicht erhitztem und/oder vorerhitzten Fremdgas, wie Luft, das nicht durch die Verbrennungszone strömt, herabsetzen. Das Vorerhit- -'" zen dieser Fremdgase kann z. B. durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Turbinenabgas erfolgen, und die Fremdgase können dem Oxidationsprodukt an einer Stelle zwischen der katalytischen Verbrennungszone und dem Einlaß zur Turbine zugesetzt werden. Durch m Einführung dieser Fremdgase erhält man ein Gesamtgasgen !sch von niedrigerer Temperatur, falls dies für den betreffenden Arbeitsvorgang erwünscht ist. Wenn sich aber die Abgase der katalytischen Verbrennungszone schon auf der Temperatur befinden, mit der sie der r> Turbine zugeführt werden sollen, können sie ohne Zusatz von Fremdgasen unmittelbar aus der Verbrennungszone in die Turbine geleitet werden.

Die erfindungsgemäß durchgeführte katalytische Verbrennung hat den weiteren Vorteil, daß man -w ziemlich große Mengen an Luft oder anderen Gasen durch die katalytische Verbrennungszone leiten kann, ohne daß man ein Ausblasen der Flamme durch die hohe Gasgeschwindigkeit oder die Bildung von mageren Gasgemischen oberhalb des Entflammungsbereichs zu -ti befürchten hätte, sofern nur die Temperatur des Katalysators ausreicht, um die Oxidation des Brennstoffs in dem durch die Verbrennungszone strömenden Luft-Brennstoffgemisch zu bewirken. Beim Betrieb von Turbinen liegt das Gewichtsverhältnis von Luft zu μ Brennstoff oft oberhalb etwa 20:1, und manche Turbinen sind sogar für Verhältnisse von Luft zu Brennstoff bis etwa 100 oder 200 :1 oder mehr gebaut. Solche Verhältnisse können in dem gasförmigen Gemisch vorliegen, das der katalytischen Verbrennungszone gemäß der Erfindung zugeführt wird. Die bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendete Luft kann mit Sauerstoff angereichert oder mit Stickstoff oder anderen im wesentlichen inerten Gasen verdünnt sein.

Es ist auch möglich, die Abgase der thermischen Oxidationszone zur Arbeitsleistung, z. B. in einer Turbine, zu verwenden. Wenn die Gase z. B. durch eine Turbine geleitet werden und auf diese Weise Arbeit leisten, sinkt dabei ihre Temperatur. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt daher darin, daß die Abgase einer ersten Turbine durch kataiytische Oxidation des teilweise verbrannten Brennstoffs mit Luft weiter verbrannt und auf diese Weise wieder auf ein so hohes F.nergieniveau gebracht werden können, daß sie als Treibmittel für eine zweite Turbine verwendet werden können. Die Abgase der katalytischen Oxidationszone gemäß der Erfindung können z. B. in dem Gasexpansionsbereich einer Gasturbine, beispielsweise in den Düsen oder den Bereichen der Turbinen-Radschaufeln, weiter oxidiert werden.

Die in der katalytischen Verbrennungsvorrichtung verwendeten festen Katalysatoren können verschiedene Formen und Zusammensetzungen haben und sind an sich für die Oxidation von Brennstoffen mit molekularem Sauerstoff bekannt. Die Katalysatoren können in Form verhältnismäßig kleiner fester Teilchen von verschiedenen Größen und Formen vorliegen; oft beträgt die größte Abmessung solcher Teilchen weniger als 2,5 cm, und viele solche Teilchen können eine oder mehrere Katalysatormassen oder -schichten in der Verbrennungszone bilden. Vorzugsweise besteht der Katalysator jedoch aus größeren Stücken und hat eine skelettartige Struktur, die von Gasströmungskanälen durchsetzt ist. Beispiele für diese bevorzugte Form sind einstückige oder wabenförmige Katalysatoren. Die Katalysatoren enthalten im allgemeinen eine oder mehrere Metallkomponenten, die katalytische Aktivität für die gewünschten Oxidationsreaktionen aufweisen, und in Anbetracht der ziemlich hohen Temperaturen, bei denen die Katalysatoren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten müssen, können Stoffe geeignet sein, die normalerweise als inaktiv oder nicht aktiv genug angesehen werden, um die Oxidation des Brennstoffs in ausreichendem Maße zu bewirken. Das katalytische Metall kann in gebundener Form, z. B. als Oxid, statt in elementarer Form, vorliegen, und vorzugsweise befindet sich die katalytische Metallverbindung auf einem weniger katalytisch aktiven oder sogar im wesentlichen inerten Träger, der z. B. keramischer Natur sein kann. Bei diesen Katalysatoren bildet die katalytisch stärker aktive Metallkomponente oft den geringsten Teil, während der Träger den überwiegenden Teil darstellt.

Die katalytisch aktiven Metalle sind z. B. Pt. Pd. Rh, Cu, Ni, Co. V, Fe und Ce.

Der Oxidationskatalysator mit einem einstückigen Trägerskelett kann sich dadurch auszeichnen, daß er von vielen Kanälen oder Wegen in der allgemeinen Richtung der Gasströmung durchsetzt wird. Die Strömungskanäle brauchen nicht geradlinig durch den Katalysatorkörper hindurchzuführen und können Strömungsumlenkungen oder Unterbrechungen enthalten. Das Trägerskelett besteht vorzugsweise aus einem chemisch indifferenten, starren, festen Werkstoff, der sein«. Form und Festigkeit auch noch bei hohen Temperaturen von beispielsweise bis 1650° C oder mehr beibehält. Der Träger kann einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gute Wärmeschockbeständigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Oft ist das Trägerskelett im Inneren porös, hat aber keine verhältnismäßig unporöse Oberfläche, und es kann zweckmäßig sein, die Oberfläche aufzurauhen, damit der Katalysiitorüberzug besser an ihr anhaftet, besonders wenn der Träger verhältnismäßig unporös ist. Der Träger kann metallisch, keramisch oder beides zugleich sein.

Die Kanäle, die den Katalysatorkörper oder das Trägerskelett durchsetzen, können von beliebiger Form und Größe sein, soweit dies mit der gewünschten spezifischen Oberfläche vereinbar ist, und sollen so groß

sein, dal) das Gasgemisch verhältnismäßig frei hindurchströmen kann. Die Kanäle können parallel oder im großen und ganzen parallel verlaufen, den Träger von der einen zur anderen Seite durchsetzen und voneinander vorzugsweise durch dünne Wände getrennt sein. Die Kanäle können auch in mehreren Richtungen verlaufen, und es können sogar benachbarte Kanäle miteinander in Verbindung stehen. Die Kanaleinlaßöffnungcn können über die ganze Vorderseite des Katalysatorträger verteilt sein.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Brennstoffe enthalten Kohlenstoff. Diese Brennstoffe haben eine so hohe F.nergie, daß bei ihrer Oxidation mit der stöchiomeirischen Luftmenge eine adiabatische Flammenternperatur von mindestens etwa 18I5°C erreicht wird. Die Brennstoffe können bei Raumtemperatur gasförmig oder flüssig sein; Beispiele für solche Brennstoffe sind Methan, Äthan, Propan und andere Kohlenwasserstoffe von niedrigem Molekulargewicht, ferner Benzin oder normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffe, wie Leuchtöl, und verhältnismäßig hochsiedende Brennstoffe, wie Mineralöldestillationsrückstände; weiterhin kommen auch andere Kohlenstoffhaltige Brennstoffe, wie Alkanole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, und andere, gebundenen Sauerstoff enthaltende Stoffe in Betracht. Der Brennstoff kann im Gemisch mit anderen Bestandteilen vorkommen oder anfallen, die sich bei der Oxidation indifferent verhalten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit einer thermischen Verbrennungszone, einer katalytischen Verbrennungszone und einer Turbine gemäß der Erfindung.

Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit einer thermischen Verbrennungszone, einer ersten Turbine, einer katalytischen Verbrennungszone und einer zweiten Turbine.

Wie F i g. 1 zeigt, trägt eine Kraftiibertragungswelle 10, einen Turboverdichter 12 und eine Gasturbine 14. Die Welle 10 kann z. B. so mit einem Kraftübertragungssystem verbunden sein, daß die der Welle von der Turbine 14 mitgeteilte Energie ausgenutzt wird. So kann man die Turbine 14 verwenden, um einen elektrischen Generator, ein Kraftfahrzeug oder dergleichen zu betreiben. Die Turbine 14 kann z. B. eine Turbine bekannter Bauart mit einem Druckverhältnis von beispielsweise 10:1 sein. Ein aus Kohlenwasserstoffen bestehender Brennstoff, z. B. JP-4-Turbinentreibstoff, der flüssig ist, wird der thermischen Verbrennungszone 16 durch Leitung 18 zugeführt und strömt durch die Pumpe 20 und das Ventil 22, welches die dem Turbinensystem zugeführte Brennstoffmenge regelt. Die der thermischen Verbrennungszone zuzuführende Luft tritt durch Leitung 24 in den Verdichter 12 ein und durch Leitung 26 aus. In die Leitung 26 mündet die Leitung 28 ein, welche die verdichtete Luft ihrerseits über das Regelventil 30 der thermischen Verbrennungszone 16 zuführt

Der Zünder 32 in der thermischen Verbrennungszone 16 zündet beim Anfahren den Brennstoff in Gegenwart der Luft Sobald die thermische Oxidation von selbst weiterläuft, kann der Zünder 32 abgeschaltet werden. Am Auslaß der thermischen Verbrennungszone befindet sich ein Thermoelement 34. mit dem die Temperatur in der thermischen Verbrennungszone an dieser Stelle gemessen wird. Der teilweise verbrannte Brennstoff wird in der Kühlzone 40 durch die au^ Leitung 38 über das Steuerventil 37 zugeführte Luft gekühlt. Das Gemisch aus Lu't und teilweise verbranntem Brennstoff gelangt in die katalytische Verbrennungszone 42. Diese katalytische Verbrennungszone 42 ist in der Zeichnung zwar getrennt von der Turbine 14 dargestellt; sie kann aber auch dicht bei der Turbine 14 liegen, oder zwischen der katalytischen Verbrennungszone und der Turbine 14 kann noch eine weitere thermische Oxidationszone

in angeordnet sein.

In der katalytischen Verbrennungszone 42 kommt das Gemisch aus teilweise verbranntem Brennstoff und Luft mit dem Katalysator 46 in Berührung. Die Thermoelemente 48 und 50, die sich kurz vor der Vorderseite bzw.

ι -. kurz hinter der Rückseite der Katalysatorschicht befinden, messen die Temperaturen der dem Katalysator 46 zugeführten bzw. der von ihm abströmenden Gase. Die katalytisch verbrannten Gase verlassen c.e katalytische Verbrennungszone 42 durch Leitung 52, d^:e

.■ο zur Turbine 14 führt, und treiben die Turbine 14 an, die ihrerseits die Weiie iö antreibt. Die Auspuffgase verlassen die Turbine 14 durch Leitung 54 und werden z. B. an die Außenluft abgelassen.

Eine andere Ausbildungsform der Erfindung ist in

;\ F i g. 2 dargestellt, in der gleiche Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Hier befindet sich die Turbine 14 zwischen der thermischen Verbrennungszone 16 und der katalytischen Verbrennungszone 46 und wird durch das Abgas der thermischen

;r Verbrennungszone getrieben, welches dann durch Leitung 36 von der Turbine 14 der katalytischen Verbrennungszone zugeführt wird. Die gasförmigen Produkte der katalytischen Verbrennungszone 42 werden zum Antrieb der zweiten Turbine 56 verwendet.

;-, die ihrerseits die Welle 58 antreibt. In diesem System wird die Turbine 14 als sogenannte freifahrende Turbine verwendet. Die Auspuffleitung 54 in F i g. I oder F i g. 2 kann z. B. als indirekte Wärmeque!^:e zum Vorerhitzen der Luft verwendet werden, die durch Ventil 37 und

:n Leitung 38 dem von der thermischen Verbrennungszone 16 kommenden, teilweise verbrannten Brennstoff beigemischt wird, bevor dieser in die katalytische Verbrennungszone bzw. in die Turbine 1-'. eingeführt wird.

4-, Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird beispielsweise ein Gemisch aus Benzin und dem l,5fachen der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge in einem typischen

.-,o Turbinenbrenner verbrannt, wobei etwa 50% des Brennstoffs oxidiert werden. 7,5 cm hinter dem Brennerkopf wird das teilweise oxidierte Abgas mit dem 2,5fachen der stöchiometrischen Luftmenge, bezogen auf den anfänglichen Brennstoff, gemischt Diese Sekundärluft wird auf 315° C vorerhitzt Das Gemisch wird dann beim Durchgang durch einen wabenförmigen Katalysatorkörper, der 1% Platin und 10% aktivierte Tonerde auf einem Wabenkörper aus Cordierit enthält, im wesentlichen vollständig oxidiert. Die Temperatur

eo der Gase beträgt am Einlaß der Katalysatorschicht 815° C und beim Abströmen aus dem Katalysator 1315° C. Ein anderer geeigneter Katalysator enthält statt Platin einen geringen Anteil an Chromoxid und Ceroxid als die Oxidation katalysierende Metallkomponenten auf einem Träger aus Tonerde. Die vom Katalysator abströmenden Gase können unmittelbar zum Antrieb einer Gasturbine verwendet oder zunächst durch Mischen mit Luft auf eine niedrigere Temperatur,

ζ. B a"/ etwa T⁰O⁰C, gekühlt werden, wenn die Turbine nur selche niedrigeren Temperaturen aushält.

Außer zum Treiben von Gasturbinen kann das Verfahren gemäß der Erfindung auch in anderen Fällen angewandt werden, in denen es vorteilhaft ist, den Brennstoff unter den oben angegebenen Bedingungen zu oxidieren, besonders wenn die Verunreinigung der Atmosphäre durch die Abgabe vermieden werden soll. Oft bedient man sich bei solchen Systemen der Wärme und/oder der Geschwindigkeit der Abgase aus der Oxidationszone, um im Endeffekt mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen. So kann dieses Verbrennungssystem als Wärmequelle für einen Dampfkessel verwendet werden, wobei die Wärme der Abgase ausgenutzt wird, um in einem Wasserröhrenkessel Dampf zu erzeugen. In solchen Fällen kann d'j Verbrennungszone in der oben für den Betrieb der Turbine beschriebenen Weise angefahren und die Verbrennung dann nach der Methode der Erfindung fortgesetzt werden. Mit anderen Worten: Die Verbren nungszone wird sowohl hinsichtlich der ^yündung als auch hinsichtlich der weiteren Arbf-itsweise im Sinne der obigen Beschreibung betrieben werden, mit dem einzigen Unterschied, daß die Abgase nicht zum Antreiben einer Gasturbine, sondern zur Dampferzeugung durch indirekten Wärmeaustausch verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Oxidieren von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, die beim adiabaten Verbrennen mit der stöchiometrischen Luftmenge eine Flammentemperatur von mindestens 1800⁰C entwickeln

— mit teilweiser Verbrennung des Brennstoffs mit Luft in einer thermischen Verbrennungszone und

— mit adiabatischer Oxidation von weiterem Brennstoff in Berührung mit einem festen Oxidationskatalysator,