DE2307742A1 - Verfahren zum betreiben einer gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Oxydation eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs im Gemisch mit Luft in einer Turbinenanlage. Die Verbrennung wird über eine beträchtliche Betriebsdauer unter Verwendung eines annähernd konstanten Volunverhältnisses Brennstoff-zu-Luft bei einer im.wesentlichen konstanten Verbrennungstemperatur in dem bereich von 816 bis 1815°C (1500 to 33OO°F), vorzugsweise etwa 616 bis 165O°C (1500 to 3000°F), gehalten. Vorteilhafterweise erfolgt die Oxydation des Lrennstoff/Luft-Gen.isches katalytisch. Anschließend kann weitere verdichtete Luft mit den Produkten der Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches vereinigt werden. Insbesondere wira gemäß uer Erfindung ein außerordentlich wirksamer Betrieb einer Turbine erreicht, wobei eine Verunreinigung der Atmosphäre durch unerwünschte Abgase gering gehalten und die Oxydation so gesteuert v/erden kann, daß sie auf Änderungen

30983W0498

L-1097 ■ .

des Systems rasch anspricht.

Gemäß der Erfindung wird eintretende Luft verdichtet,- und v/enigstens ein Teil der verdichteten Luft wird mit einem kohlenstoffhaltigen ürennstoff innig vermischt. Das erhaltene Gemisch wird einer Verbrennungszone zugeführt und in dieser bei annähernd konstanter Temperatur in den-. Bereich von etwa 816 bis 1815°C (1500 to 33OO°F), vorzugsweise etwa 816 bis 165O°C (1500 to 3000⁰F), oxydiert, während über eine längere Betriebsdauer die rienge an brennstoff, die der Verbrennungszone zugeführt wird, variiert. Das etwa konstante Volumverhältnis Lrennstoff-zu-Luft stellt sich als eine Funktion der Temperatur des in die Verbrennungszone eintretenden Gases ein, derart, daß die Verbrennungstemperatur des Gemisches über einen weiten Bereich des brennstoffeinganges etwa konstant bleibt. Bei dem bevorzugten katalytischen Oxydationssystems gemäß der Erfindung wird der Katalysator durch die Einhaltung einer im wesentlichen konstanten Verbrennungster.tperatur gegen einen durch Temperaturschwankungen verursachten physikalischen Abbau geschützt, und es treten keine auf Temperaturschwankungen des Katalysators zurückzuführenden Verzögerungen auf. Daher spricht die Turbine rascher auf erwünschte Änderungen des Eetriebs an. Außerdem können auch bei verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperaturen der Turbine niedrige Verbrennungstemperaturen vermieden x^erden. D.h. die katalytische Verbrennung muß nicht bei so niedrigen Temperaturen erfolgen, daß die Katalysatorwirkung verschlechtert wird und Abgase mit hohem Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen erhalten werden. Andererseits wird durch Vermeidung von Verbrennungsteir.peraturen von beträchtlich über etwa 165O°C (3000 F) die Bildung unerwünscht großer Mengen an Stickoxiden während der katalytischen Verbrennung vermieden.

Die Verbrennungsgase werden mit wenigstens einem Teil und vor-

309 8 3~4^ (H 9 8

zugsweise den Iiauptteil oder sogar der Ge sari tine nge des restlichen Teils der dem Turbinensystem zugeführten verdichteten Luft vereinigt. Diese zugesetzte Luft kann irgendeine erwünschte Temperatur unter der Verbrennungsterr.peratur haben, und sie kann verwendet v/erden, um die Verbrennungsgase rasch abzukühlen. Durch die rasche Abkühlung wird die Möglichkeit der Bildung von Stickoxiden durch Verringern der Zeit, für die Stickstoff und Sauerstoff der Luft bei der höheren Temperatur r.iteinander in Kontakt stehen, verringert. Der Zusatz von Luft dient auch der änderung der Temperatur der in die Turbine eintretenden vereinigten Gase. Die Leistung einer Gasturbine kann also durch Linstellen des in die Verbrennungszone eintretenden Volur.ens an den Geroisch von Brennstoff und Luft und die llenge an Luft, die mit den Verbrennungsgasen vermischt wird, so daß die Temperatur des Arbeitsmittels reguliert wird, gesteuert werden. Da die Temperatur der vereinigten Gase zum Teil von der zugesetzten Luft abhängt, kann durch Verringern oder Lrhöhen der llenge an zugesetzter Luft ein rasches Ansprechen der Turbine auf verschiedene Leistungsforderungen erzielt v/erden. Zweckmäßig wird die Menge an Brennstoff/Luft-Gemisch, die eier Verbrennungszone zugeführt wird, je nach Erfordernis nach oben oder unten abgeändert, bis Brennstoffverbrauch und Turbinenteniperatur der gewünschten Leistungsabnahmc angepaßt sind.

Gasturbinen v/erden in großem Umfang als Kraftmaschinen, insbesondere für die Luftfahrt und für stationäre Anlagen verwendet. Ls ist auch schon mit einigen Erfolg versucht worden, Turbinen für Automobile zu entwickeln. Gasturbinen zum Antreiben großer Fahrzeuge, wie Lastkraftwägen und Autobussen, sind bereits entwickelt, und schließlich können solche Turbinen auch als Antriebsmaschinen für kleinere Kraftfahrzeuge, wie Personenkraftwagen, verwendet v/erden. Die Verwendung von Gasturbinen als Antriebsmaschine!! für solche Fahrzeuge wird dadurch noch

309834/0498

vorteilhafter, daß Turbinen entwickelt worden sind, die bei Temperaturen in der Größenordnung von etwa 616 bis 165O°C (1500 to 3000⁰F), wo sie sehr wirksam arbeiten, betrieben werden können.

GasturbinenrOtoren sind nicht nur leicht, klein, verhältnismäßig vibrationsfrei und leicht zu warten, sondern haben außerdem die sehr erwünschte Eigenschaft, daß ihre Abgase einen geringen Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlenv/asserstof fen haben. Da der Brennstoff in Anwesenheit beträchtlicher Überschüsse an Luft und bei Temperaturen, bei denen eine im wesentlichen vollständige Verbrennung erfolgt, verbrannt wird, v/erden bei der Verbrennung hauptsächlich verhältnismäßig ungiftiges Kohlendioxid und Wasser erzeugt. Gasturbinen und andere Systeme, wie Dampferzeuger, bei denen Brennstoffe hauptsächlich in Flammen sehr hoher Temperatur verbrannt werden, haben jedoch den großen Nachteil, daß die Atmosphäre mit Stickoxiden verunreinigt wird. Wenn auch der prozentuale Gehalt von Turbinenabgasen/riögticherv/eise nicht größer ist als derjenige eines Explosionsmotors mit Kolben und Zylinder, ist doch die Menge an Abgasen einer Turbine so groß, daß die Gesamtverunreinigung der Atmosphäre durch Stickoxide größer sein kann. Gemäß der Erfindung v/ird die Oxydation, vorzugsweise katalytisch, bei einer Temperatur zwischen etwa 616 und 165O°C (1500 and 3000°F) so geführt, daß eine wirksame Ausnützung des Brennstoffs erzielt wird, ohne daß unerwünscht große Mengen an Stickoxiden und zu hohe Temperaturen erzeugt werden. Die Temperatur des Arbeitsmittels für die Turbine liegt oft in dem erwünschten Bereich von etwa 427 bis 14S2°C (800 to 27OO°F) und für eine erhöhte Turbinenwirkung in dem Bereich von etwa 593 bis 1462°C (HOO⁰F to 27OO°F).

309834/0498

Gemäß der Erfindung wird die Eingangsluft gewöhnlich durch einen Turbinenverdichter verdichtet. Vorzugsweise wird die verdichtete Luft in v/enigstens zwei Teile aufgeteilt, wobei der eine Teil rit dem zu verbrennenden brennstoff vermischt und ein anderer Teil mit den Verbrennungsgasen vereinigt v/ira. Die Hengenanteile sind vorzugsweise so veränderlich, daß ein größerer oder geringerer Anteil an Luft mit dem Brennstoff vermischt und der Rest oder ein Teil des Restes mit den Verbrennungsgasen vereinigt wird. Auch die in das System eintretende Menge an Luft kann gewünschtenfalls in irgendeiner zweckmäßigen Weise gesteuert werden. Beispielsweise kann die ^Menge an Luft, die in den Verdichter eintritt, mittels einer Drosselklappe oder durch verstellbare Schlitze reguliert werden.

Das zu verbrennende Brennstoff/Luft-Gemisch wird durch inniges Vermischen eines Teiles der verdichteten Luft mit einem kohlenstoffhaltigen brennstoff erhalten. Das Gemisch wird bei gegebener Eingangsluftter.peratur unter normalen Betriebsbedingungen durch geeignete Mittel bei einem konstanten Volumverhältnis Brennstoffzu-Luft gehalten, beispielsweise kann zur Bestimmung der mit dem Brennstoff vermischten Luftir.enge ein Strömungsfühler, beispielsweise ein Venturi-Ileßgerät oder dgl., verwendet werden. Der Strömungsfühler gibt ein das mit dem Brennstoff zu vermischende Luftvolumen betreffendes Signal an ein Brennstoffströmungsventil, uas daraufhin eine bestir.oate Menge Brennstoff in das System strömen läßt, so daß sich das gewünschte Volumverhältnis Brennstoff/Luft einstellt. Kenn also die Menge an Luft, die der Verbrennungszone zuströmt, erhöht oder gesenkt wird, so wird die Menge an Brennstoff, die mit der Luft vermischt wird, proportional erhöht oder gesenkt, so daß das Volumverhältnis Brennstoff/Luft im wesentlichen konstant gehalten v/ird.

Das Volumverhältnis Brennstoff/Luft ergibt sich zum Teil aus

3098341CK98

L-1O07

der gewünschten Betriebstemperatur der Verbrennungszone und dem für den Betrieb der Gasturbine gewünschten TenperaturLe-. reich, da die adiabatische Flamr.vtemneratur, unabhängig von der verbrannten brennstoffmenge, für ein gegebenes Volumverhältnis Brennstoff/Luft etwa konstant bleibt. Das Genisch von Brennstoff und Luft in der Verbrennungszone kann entweder arm an Brennstoff sein, d.h. die Menge an in den Gemisch anwesender Luft kann grüßer sein als für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich, oder es kann reich an brennstoff sein, so daß eine für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs ungenügende Menge an Sauerstoff anwesend ist und daher Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid erzeugt werden. Normalerweise wird für den Betrieb des Systems gemäß der Lrfinuung ein Volumverhältnis Brennstoff/Luft gewählt, das bei den Verbrennungsbedingungen eine theoretische adiabatische Flammtempera- tur von wenigstens etwa 816⁰C (15OO°F) und vorzugsweise zwisehen 927 und 165O°C (about 1700 to 3000⁰F) ergibt. D.h. wenn Gemische ir.it geringem Brennstoff gehalt verwendet werden, werden energiereiche statt energiearme Brennstoffe mit größeren Mengen an Luft und möglicherweise anderen Gasen vermischt, um während der Verbrennung etwa die gewünschte Temperatur einzuhalten. Wenn dagegen brennstoffreiche Gemische verwendet werden, werden energiereiche re Brennstoffe mit geringeren Mengen an Luft und möglicherweise größeren Mengen an Inertgasen als energiearme Brennstoffe vermischt, um bei der Verbrennung etwa die gewünschte Temperatur einzuhalten.

Wenn in dem System gemäß der Erfindung in der Verbrennungszone ein brennstoffarmes Gemisch verwendet werden soll, beträgt der.Gehalt des Brennstoff/Luft-Gemisches an freiem Sauerstoff in dieser Verbrennungszone oft wenigstens das etwa 1,5-, vorzugsweise v/enigstens etwa das 2-Fache derjenigen i'enge, die für eine vollständige Oxydation des Brennstoffs zu

- 6 309834/0498

Kohlendioxid und Lasser erforderlich ist. Dein Eetrieb der Verbrennungszone nit einem brennstoffreichen Cer.isch ist es oft erwünscht, ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu verwenden, das wenigstens etwa 25 und vorzugsweise wenigstens etwa 35 bis zu weniger als 100% derjenigen Menge an freiem Sauerstoff, die für eine vollständige Oxydation des brennstoffe zu Kohlendioxid und »;asser erforderlich ist, zu verwenden. Der Abfluß der Anfangsverbrennungszone kann daher einen verhältnismäßig hohen Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlenv/asserstoff haben. Das teilweise oxydierte Abgas kann mit einer !!enge an freier, Sauerstoff, beispielsweise in der Form von Luft, die v/enigstens ausreicht, um das Abgas vollständig zu Kohlendioxid und Wasser» zu verbrennen, venr.ischt v/erden. Das Gemisch des teiloxydierten Abflusses mit Luft kann, beispielsweise in einer am Auslaß der Verbrennungszone angeordneten thermischen Oxydationszone, thermisch verbrannt werden. Gewünschtenfalls kann die thermische Oxydation wenigstens teilweise im Gebiet der Turbinenschaufeln erfolgen. Auch ist es möglich, den teiloxydierten Abfluß als Arbeitsmittel in einer ersten Turbine zu verwenden und dann die Abgase, entweder thermisch oder katalytisch, mit einer v/eiteren Menge an Luft zu oxydieren, um die Gase für eine Verwendung als Arbeitsmittel in einer zv/eiten Turbine v/ieder aufzuheizen.

Gemäß der Erfindung werden Brennstoff und Luft innig miteinander vermischt, und das Gemisch wird in einer Verbrennungszone oxydiert. Das Brennstoff/Luft-Gemisch kann thermisch oxydiert oder, mit besonderem Vorteil, durch Kontakt ir.it einem festen Verbrennungskatalysator katalytisch verbrannt v/erden. Die thermische oder nicht-katalytische Oxydation in der Anfangsverbrennungszone wird vorzugsv/eise unter Verwendung eines Flaiu.^halters (flame holder) durchgeführt. Der Flamnhalter dient dazu, ein Rückschlagen der Flamme bis hinter den Flammhalter zu verhindern, so daß die Gefahr einer Entzündung des Lrennstoff/

30 9 8 34/0498

Luft-Genisches vor der gewünschten Verbrennungsstelle vernieden wird.

Die Temperatur der Verbrennung^zone liegt vorzugsweise in der Nähe der adiabatischen Flamirteiaperatur des gewählten Volumverhältnisses Brennstoff/Luft, beispielsweise innerhalb etwa ie7°C oder sogar 83°C (about 3OO°F or even 15O°F) dieser theoretischen Flammtemperatur, da die Oxydation in der technisch praktizierten Weise unter im wesentlichen adiabatischen Ledingungen durchgeführt werden kann. D.h. die Bedingungen in der Verbrennungszone können im wesentlichen adiabatisch sein, weil eine zweckdienliche Kühlung des Oxydationssystems durch indirekten Wärmeaustausch, wenn überhaupt, so nur in geringem Umfang erfolgt. V/enn beispielsweise ein energiereicher ßrennstoff verwendet wird, kann es erwünscht sein, durch einen indirekten Wärmeaustausch mit der Verbrennungszone die Temperatur in der Verbrennungszone niedrig zu halten. Der V/ärmeaustausch kann beispielsweise durch Kontakt mit der zum raschen Abkühlen der Verbrennungsgase oder auch des Brennstoff/Luft-Gemisches vor seiner Verbrennung, um die Verdampfung des gesamten Brennstoffes zu gewährleisten, erfolgen.

Das der Verbrennungskammer zugeführte Erennstoff/Luft-Gemisch kann innerhalb oder an der brennstoffarmen Seite des L'ntzündungsbereiches bei den Oxydationsbedingungen sein. Solche brennstoffarmen Gemische können verwendet werden, wenn die Verbrennung katalytisch erfolgt und um zu hohe Temperaturen und eine unerwünscht hohe Erzeugung von Stickoxiden zu vermeiden. Die Geschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Ger.iisches vor der Verbrennungszone ist größer als die maximale Flar.imfortschreitungsgeachwindigkeit, wenn die Oxydation nicht-katalytisch erfolgt, unu vordeia Katalysatoreinlaß, wenn die "Oxydation katalytisch erfolgt. Dadurch wird eine Entzündung oc.er sogar Detonation der Gase·

- 8 309834/0498

vor der Verbrenn ungs zone, v/eil sich das Gemisch während oaer nach uer.. Vermischen von brennstoff und Luft in den; i.xplosions- oder Lntzüncungsbercich befindet, vermieden, i.enn die Oxydation katalytisch erfolgt, kann eine anschließende thermische Verbrennung hinter dem Katalysator, beispielsweise vor cc·:; Absclirecken der Verbrennungsgase, erfolgen. Das Auftreten einer Flanli-e bei cieser .nachverbrennung muß nicht von Jachteil sein, weil das Volunverhältnis Brennstoff/Luft so gesteuert wird, uaß etv/a uie gewünschte Flainnter.peratur erhalten wird.

Obwohl die Zusammensetzung der beschickung für die Verbrennungszoi:e gesteuert wird, kann die Zeit, für die das Leschickungsgeiviiscli und das Oxydationsreaktionsgenisch bei den für die Oxydation angewandten Temperaturen in Kontakt iriteinanaer stehen, beträchtlich sein, und vorzugsweise wird diese Zeit nicht derart ausgedehnt, daß die Erzeugung von Stickoxicen unerwünscht erhöht wird. Wormalerweise wird bei Verwendung eines Katalysators in aer Verbrennungszone eine im wesentlichen konstante Temperatur, die vorzugsweise innerhalb etv/a 5G°C (100 F) und vorzugsweise innerhalb etwa 28°C (50⁰F) uer theoretischen adiabatisclien Flairiritciuperatur des der Verbrennungszone zugeführten Gemisches liegt, eingehalten. Iru allgemeinen beträgt die Verweilzeit ues Gases in der Oxydationszone weniger als etwa 0,1 Sekunden, vorzugsweise weniger als etwa 0,05 Sekunden, und ist vorzugsweise ausreichend, um die gewünschte Verbrennung OC3 Brennstoffes ohne Urzeugung zu großer :icngen an Stickoxiden zu bewirken, .iach den Verfahren cer.äß der Lrfindung kann auf diese '/.eise ein Turbinenabfluß rat einen· Cehalt von weniger als 10 Voluir.teilen je Million (ppmv) Kohlenwasserstoffen, v/eniger als etwa 300 ppir^v Kohlenrronoxid und weniger als etwa 15 ppr.v an Ctickoxiden, vorzugsv/eise v/eniger als etwa 4 ppr.w an otickoxiden, erhalten v/erden. Auch kann es erwünscht sein, aas bei den. Verfahren gemäß der Lrfindung erhaltene Turbinenab-

- 9 309834/CH98

gas einer katalytischer* oder thermischen Oxydation oder Peduktion oder Leiden zu unterwerfen, uio die Menge an verbrennharen Gasen ouer anderen Verunreinigungen in den: Abgas zu verrinyern.

Geeignete Gasgeschwindigkeiten für das Lrennstoff/Luft-Ger.äsch vor cer Verbrennungszone, die über der ir.axir.alen linearen Flai.jv,-fortschreitungsgeschwinüigkeit liegen, sind in allgemeinen Geschwindigkeiten über etwa 0,92 m/sec (3 feet per second), und die Gesaiatgasüurchsatzgcschwindigkeit kann beispielsweise in der. gereich von etv/a 1 bis 10 oder mehr Millionen Volumen Gesaiutgas (standard temperature ana pressure) je Volumen Gesaiatverbrennungszonen je Stunde liegen. Das Katalysatorvoluiren in einem solchen System gemäß der Erfindung wird als das gesamte Oberflächenvolumen, das den aktiven Katalysator und ggfs. den weniger aktiven Katalysatorträger umschließt, einschließlich etwaiger Hohlräume oder Gasaur chtr i ttsv/ege aurch den Katalysator, genommen. Der Entzündungsbereich aes Lrennstoff/Luft-Gemisches und die Löchstgeschwinaigkeit für die Unterhaltung einer Flamme werden aber natürlich, wie dem Fachmann bekannt, durch verschiedene Betriebsbedingungen, wie die anwesenden '!engen an Luft und brennstoff, die Art des Brennstoffs, Temperatur und Druck, vorgegeben. Außerdem kann bei einem betrieb gemäß der Erfindung beispielsweiibeini /anlaufen der Maschine oder der Verbrennung eine Flamme anwesend sein, um den Katalysator, falls ein solcher verwendet wird, auf eine Temperatur, bei der er die Oxydation fördert, zu bringen_; oder eine Flamme kann zu Zeiten, wenn ein Betriebs- oder anderes Problem die Katalysatorten.peratur auf unter diesen wirksamen Wert absinken läßt, anwesend sein.

Die Verbrennungsabgase können mit weiterer, kühlerer Luft abgeschreckt v/erden, so daß ein Arbeitsmittel für die Gasturbine mit der gewünschten Temperatur erhalten wird. Diese weitere

- 10 -

309834/0498

Luft kann irgendeine zweckmäßige Temperatur, beispielsweise diejenige, mit der sie aus den Verdichter austritt, haben, oder sie kann beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch irit der katalytischen Verbrennungszone oder mit dem Turbinenabgas auf eine etwas niedrigere oder höhere Temperatur gebracht sein. Zweckmäßig kann die zugesetzte Luft eine Temperatur zwischen etwa 3S und 1O93°C (100 and 1000⁰F), und vorzugsweise etwa 2GO bis 816°C (500 to 1500°F) haben. Je größer die Menge an kühlerer Luft, die iv.it den Verbrennungsgasen vermischt wird, ist, desto niedriger ist die Temperatur des erhaltenen Gasgemisches und infolge uesscn auch die rr.it dieser.; Gemisch bei seiner Verwendung als Arbeitsmittel in einem Turbinensystem erzielbare Leistung. Entsprechend wird Lei einer Verringerung der Menge an zugesetzter Luft die Turbinenleistung erhöht.

Gemäß der Erfindung kann also die ir.it dem Arbeitsmittel erzielbare Turbinenleistung durch Verringerung der Menge an Luft, die den Verbrennungsgasen zugeiaischt wird, erhöht werden. Außerdem kann eine Lrhöhung der Leistung durch Erhöhen der Menge an Luft, die der Verbrennungszone zugeführt wird, und damit Erhöhen der Menge an brennstoff, die ueia System zwecks Einhaltung eines etwa konstanten Verhältnisses brennstoff/Luft zugeführt wird, erzielt werden. Die Temperatur in der Verbrennungszone bleibt im wesentlichen konstant, weil aas Verhältnis Brennstoff/Luft konstant bleibt; jedoch wird eine größere Menge an Verbrennungsgasen erzeugt. Wenn aber eine größere !!enge an diesen Verbrennungsgasen beispielsweise

ir.it einer geringeren Menge an weiterer Luft als vor uer Erhöhung der der Verbrennungszone zugeleiteten Luftmenge vereinigt wire, haben die vereinigten Gase eine höhere Temperatur, und die Leistungsabnähme der Turbine kann entsprechend erhöht werden. D.h. die Mengen an Luft für uie Verbrennungszone und mit den Verbrennungsgasen in vermischender Luft können in einander entgegengesetzten". Sinn variiert werden, und die Änderung erfolgt vorzugsweise etwa umgekehrt proportional (unwisely proportional).

3-4^0*9

Line andere Maßnahne zur Erhöhung der Energie des Arbeitsmittels bestellt beispielsweise darin, daß man proportional die Menge an Luft für die Verbrennungszone und die Menge an mit den Verbrennungsgas zu vermischender v/eiterer Luft erhöht. Das Verbrennungsgas bleibt bei etwa konstanter Temperatur, und auch die ϊemperatμr der vereinigten Gase bleibt etwa gleich, weil die zusätzliche Menge an Verbrennungsgas mit einer proportional erhöhten Menge an zugesetzter Luft abgekühlt wird. Da jedoch eine größere Menge an vereinigten Gasen erzeugt wird, ist die V.irkung, obwohl diese Gase sich bei der gleichen Temperatur wie vor der Betriebsänderung befinden, diejenige, daß eine größere Leistungsabnahne von der Turbine möglich ist. Eine Verringerung der Leistungsabnähme einer Turbine kann bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung durch Verringern der Menge an der Verbrennungszone zugeführter Luft oder durch Erhöhen der Menge an mit den Verbrennungsgasen zugesetzter Luft oder einer Kombination davon bewirkt werden. Eine Steuerung des Energieausgangs einer Turbine kann also durch verschiedene Maßnahmen oder Kombinationen davon erzielt v/erden. Da der Turbinenausgang zu einem Teil durch die Menge an der den Verbrennungsgasen zugesetzten kühleren Luft beeinträchtigt wird, kann ein rascheres Ansprechen auf eine Änderung der Betriebsbedingungen erzielt werden, wenn eine katalytische Verbrennung verwendet v/ird, verglichen mit der normalen Verzögerung, die bei katalytischen Verbrennungssystemen, bei denen der Katalysator nicht bei etwa konstanter Temperatur gehalten wird, auftritt.

Die Menge an Luft, die dem Turbinensystem geruäß der Erfindung zugeführt wird, d.h. die dem Verdichter zugeführte Luft, kann beispielsweise durch Verwendung einer geeigneten Luftströrnungssteuervorrichtung, wie einer Drosselklappe oder einstellbaren Schlitzen oder dgl., die die Menge an in den Verdichter eintretender Luft begrenzen können, reguliert v/erden. D.h. es können

- 12 -

309834/0498

b-1097

weitere oder alternative I'.ittel zur Steuerung des Turbinenausj'angs vorgesehen werden. Beispielsweise kann das Mengenverhältnis vcn Luft, die der Verbrennung3zone zugeführt wire, und Luft, uie ui.. die Verbrennungs zone herum geführt und mit dein Verbrennungsgas vereinigt wird, konstant gehalten v/erden, und das Verhältnis tirennstof f/Luft und die Temperatur der Verbrennungs zone bleiben noch etwa gleich. Dadurch bleiben die in die Turbine eintretenden vereinigten Gase etwa auf der gleichen Temperatur; eine änderung des Volur.ens an Luft und brennstoff, die in das Sys ten eintreten, führt jecoch zu einer proportionalen JLr.derung der "asse an dem Gas von dieser Teipcratur, so daß irehr Energie für die Turbine zur Verfügung steht und die Turbinenleistung entsprechend erhöht ist. Da die aer Turbine zuströmenden Gase im v/esentlichen konstante Temperatur haben, werden thermische Schocks vemieden,und die Lebensdauer der Turbine wird erhöht. Entsprechend kann die Turbinenleistung durch Verringerung des Gesamtvolumens an Luft, das in das System einströmt, verringert werden. Die Turbinenleistung kann aber auch durch eine Kombination von L'rhöhen oder Senken der Luftr.enge, uie in den Verdichter eintritt, und Ändern des Mengenverhältnisses an verdichteter Luft, die der Verbrennungszone zuströrr.t oder daran vorbeigeführt und mit den Verbrennungsgasen vereinigt wird, gesteuert v/erden. In jedem Fall bleiben Verbrennungstemperatur und Verhältnis Lrennstoff/Luft in dem der Verbrennungszone zuströiuenaen Gemisch über eine beträchtliche Periode aes betriebs der Turbine, während der die verwendete Lrennstoffmenge und die Turbinenleistung erhöht oder gesenkt v/erden, verhältnismäßig konstant.

Line katalytische Verbrennung in dem Verfahren gemäß aer Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß ziemlich große !'engen an Luft oder anuere:.'. Gas uurch Uie Verbrennungszone geführt werden können, ohne oaß die Gefahr eines Flamnverlustes durch Anwendung zu großer

- 13 -

309 8.3 A/0498

Gasnesciiwinöigkeiten auftritt oder sich verarmte Gasgemische über uem Lntzündungsbereich bilden, solange nur uie Ter.pe-ratur des Katalysator«? ausreicht, uir. die 0>:yaation des Brennstoffs ir. deir. Luft/brennstoff-Gemisch, das durch die Verbrennungszone ströiat, zu bewirken, ^ei therr.ischen Verbrennungssystci icn kann der Flammhalter so ausgcbiluet sein, daß er einer V.iedereinstellung der brennstoffOxydation dient, beim betrieb von Turbinen beträgt das Verhältnis von Gesamtluf tvolur.en zu brennstoffeingang oft mehr als etv/a 20:1, und manche Turbinen sind mit Verhältnissen Luft/brennstoff bis zu etv/a 100 oder 200 oder darüber : 1 zu betreiben. Die Gasentspannungszone ist im allgemeinen derart, daß das Gas darin um einen Faktor von wenigstens etwa 2:1 entspannt wird, d.h. das Verdichtungsverhältnis beträgt wenigstens etv/a 2:1.

Gemäß einer Durchführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Verbrennungsgase in indirektem Wärmeaustausch mit der Verdichterausgangsluft oder mit der zusätzlichen Luft, die den Verbrennungsgasen zugemischt werden soll, geführt. Dadurch wird Wärme zu dem Turbinensystem zurückgeführt und dessen wirkung erhöht. Ein solches Erwärmen der Luft in dem Turbinensystem gemäß der Erfindung kann bis zu wenigstens etv/a 316°C (GOO⁰F) , Vorzugs weise bis zu wenigstens etwa 538°C (1000⁰F) in typischen Regenerativturbinen erfolgen.

iiei der Verbrennung gemäß der Erfindung wird dampfförmiger Brennstoff in Kontakt mit freiem oder molekularem Sauerstoff und freiem oder molekularem Stickstoff oxydiert. Sauerstoff und Stickstoff v/crden zum größten Teil in der Form von Luft zugeführt, obwohl das Gemisch durch Zumischen von konzentrierteren Formen von Sauerstoff angereichert oder durch Susatz v/eiterer !!engen an Stickstoff oder anderen im wesentlichen inerten Casen verdünnt werden kann. Jie Uichtbrennstoffkomponenten des Gemisches

- 14 309 8-3 A/0498

L-1097

hier allger.ein als Luft bezeichnet. Die in dem Verfahren geir.äß der Erfindung verv/endeten brennstoffe enthalten Kohlenstoff und v/erden daher als kohlenstoffhaltig bezeichnet. Diese Lrennstoffe haben einen solchen Energiegehalt, daß sie, wenn sie mit einer stöchior.etrischen !!enge an Luft oxydiert werden, eine adiabatische riai.i .ter..peratur von wenigstens etwa 1815°C (33OO°F) ergeben. Lie Lrennstoffe können bei liormalbedinguncen gasförmig oder flüssig sein. Beispiele für solclie brennstoffe sind Methan, Äthan, Propan und andere Kohlenwasserstoffe von niedriger, llolekulargev/iclit; Naphtha, kerosin und andere normalerweise flüssige Kohlenv/asserstoffe; sowie andere kohlenstoffhaltige Erennstoffe, v.'ie Kohlenmonoxid, Alkanole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, insbesondere Methanol, und andere, gebundenen Sauerstoff enthaltende Materialien. Der Brennstoff kann im Gemisch mit Komponenten, die in der. Oxyüationssysterr. im wesentlichen inert sind, auftreten oaer erhalten v/erden, üer brennstoff hat einen verhältnismäßig hohen Lnergiegehalt und ist derart, daß er die Herstellung des OxydationsLeschickungsstroi^es für das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht.

iVcnn der Lrennstoff norraalerweise kein Gas ist, wird er v/enigstens teilweise und vorzugsweise im wesentlichen vollständig verdampft, bevor er die Verbrennungszone erreicht, und Brennstoff, Luft und ggfs. andere Bestandteile der Beschickung v/erden cut miteinander vernascht, um lokale überhitzungen, die eine unerwünschte Wirkung auf einen in der Verbrennungszone verwendeten Katalysator haben können oaer zu einer Erhöhung der Erzeugung von Stickoxiden führen können, zu vermeiden. Wenn beispielsweise die Verbrennung katalytisch erfolgt, kann der Lrennstoff, wenn er mit den Katalysator in Kontakt komrt, teilweise in flüssiger Phase vorliegen, da der heiße Katalysator uie Verdampfung des Brennstoffes bewirkt. Das so gebildete Lrennstoff/Luft-Ger..isch befindet sich dann in Kontakt mit dem

- 15 -

30 9.83WG498

Katalysator und wird nach der:·. Verfahren gemäß eier Erfindung oxydiert. In solchen Systemen ist sogar die Vervendung verhältnismäßig hoch-siedender t^rennstoff&, wie Pöickstandsölen oder nichtöestillierten Mineralöle^ zulässig.

Die festen Katalysatoren, die in dem Verfahren geir.äß der Erfindung verv/endet werden können, können in verschiedener Form vorliegen und verschiedene Zusammensetzungen haben und können solcne sein, wie sie für aie Oxydation von brennstoffen in Gegenwart von molekularem Sauerstoff allgemein bekannt sind. Der Katalysator kann in der Form verhältnismäßig kleiner fester Teilchen von verschiedener Größe und Form vorliegen, wobei die Teilchengröße oft unter 2,54 cm (one inch) als größter Abmessung liegt und eine Anzahl solcher Teilchen zusammen in einer oder mehreren Katalysatormassen oder -betten in der Verbrennungszone angeordnet sind. Der Katalysator hat vorzugsweise eine größere Form und ein Skelettgefüge mit Gasdurchtrittswegen. Die einheitlichen oder Honigwaben-Katalysatoren (honeycomb-type catalysts) sind Beispiele für diese bevorzugten Katalysatoren; vgl. US-PS 3 565 830. Die Katalysatoren haben im allgemeinen eine oder mehrere Metallkoraponenten, die hinsichtlich der gewünschten Oxydationen katalytisch aktiv sind, und wegen der ziemlich hohen Temperaturen denen die in dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten Katalysatoren ausgesetzt werden, können Materialien, die normalerweise als verhältnismäßig inaktiv oder ungenügend aktiv, um die Oxydation von Brennstoff hinreichend zu fördern, angesehen werden, geeignet sein. Das katalytische Metall kann statt ausschließlich in elementarem Zustand auch in gebundener Form, beispielsweise als ein Oxid, vorliegen, und vorzugsweise befindet sich das katalytische Metall oder die katalytische lietallverbindung auf einem katalytisch weniger aktiven oder sogar praktisch inerten Träger, der beispielsweise ein keramisches "atorial sein kann. In diesen Katalysatoren bildet die katalytisch aktive Ketallkomponente oft den geringeren und der Träger den größeren Anteil.

30983 4i£ 0-498

Die katalytisch aktiven .Metalle sind oft Metalle der Schwerretallyruppen des Periodensystems, d.h. der Gruppen ID, HL oder III his VIII oder "Tetalle der seltenen L'rden oder Lanthaniuen. Von diesen Metallen werden die katalytisch aktiven Formen verwendet, und die O;:ide eines bestimmten Metalls, beispielsweise Aluriniur.s, können je nach ihrem physikalischen Zustand, den hydratationsgrac und anderen Faktoren mehr oder weniger aktiv sein. Ir allgemeinen kann jedoch gesagt werden, daß die katalytischen Komponenten der Metalle der Gruppen III und IV, beispielsweise Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Circoniumoxid und ihre Gemische, weniger aktiv sind als die katalytischen Fornen aer Metalle der Gruppe VIII, insbesondere der Platingruppe, wie Platin, Palladium und Rhodium; oder der Metalle der Gruppen IL, IIL, V, VI, VII, uie Eiseninetalle der Gruppe VIII una die Metalle der seltenen trden, beispielsweise Cu, Cr, Hi, Co, V, Fe, Ce und dgl. In einigen bevorzugten Formen können die verwendeten Katalysatoren aus sowohl einer aktiveren Komponente mit einem oder mehreren Iletallen der Gruppen IL, HB und V bis VIIX oder rietallen der seltenen urden sowie einer oder mehreren katalytisch weniger aktiven Komponenten wit Metallen der Gruppen III und IV bestehen, und diese Kombinationen können sich, was bevorzugt ist, auf einem noch weniger aktiven oder sogar im wesentliehen inerten Träger befinden. Leispielsveise kann ein solcher Katalysator 1% Platin in aktiver Form und 10% Aluminiumoxid in aktiver Form, auf einem iionigwaben-Träger aus alpha-/iluminiumoxid oder Coruierit enthalten, oder das Platin kann durch geringe Mengen an dhror.- und Ceroxid ersetzt sein. Die Katalysatoren haben oft eine Oberfläche, einschließlich des Porengebietes in der Oberfläche, von v/enigstens etwa 10 una vorzugsweise wenigstens etwa 50 m /g. Der Katalysator ist in der Verbrennungszone vorzugsv/eise so angeordnet, daß der Druckabfall der ihn durchströmenden Gase weniger als etwa 0,7 at (10 psi) oder sogar weniger als etwa 0,21 at (3 psi) beträgt.

- 17 309834/Q498

Der einheitliche Oxydationskatalysator r.it Trägerskelett zeichnet sich dadurch aus, daß er eine Vielzahl von Stroi^ungskanälen oder -wegen, die sich in der allgeneinen Getsströrungsrichtung durch ihn hindurch erstrecken, aufweist. Die■Strömungskanäle müssen nicht geradlinig durch das Katalysatorgefüge führen und können Ströiaungsabweiser oder Spoiler enthalten. Das Trägerskelett besteht vorzugsweise aus einem chemisch praktisch inerten, starren, festen Material, das bei hohen Temperaturen von beispielsweise bis zu etwa 1G5O°C (300O⁰F) oder darüber seine Form und Festigkeit behält. Der Träger hat zweckmäßig einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, gute Beständigkeit gegen thermischen Schock und geringe thermische Leitfähigkeit. Oft ist das Trägerskelett porös, kann jedoch eine verhältnismäßig nicht-poröse Oberfläche besitzen, und es kann erwünscht sein, diese Oberfläche so aufzurauhen, daß sie den Katalysatorüberzug besser hält, insbesondere wenn der Träger verhältnismäßig nicht-porös ist. Der Träger kann aus einem metallischen oder keramischen Material oder einer Kombination davon bestehen.

Die den einheitlichen Körper oder das Skelettgefüge durchsetzenden Kanäle können irgendeine Form und Größe haben, die mit der gewünschten Oberfläche vereinbar ist und die einen verhältnisrr.üßi' freien Durchgang des Gasgemisches zulassen. Die Kanäle können parallel oder allgemein parallel sein und sich von einer Seite des Trägers bis zu einer gegenüberliegenden Seite erstrecken, wobei solche Kanäle vorzugsweise durch dünne Viändc voneinander getrennt sind. Die Kanäle können sich aber auch in rrehreren Richtungen erstrecken und können sogar mit einem oder mehreren benachbarten Kanälen in Verbindung stehen. Die Kanaleinlaßcffnungen können über im wesentlichen die gesamte Oberfläche oder den Querschnitt des Trägers, die zuerst mit dem zu oxydierenden Cas in Kontakt kor.xien, verteilt sein.

30 9 8 3-4/©4-9 8

In con Zeichnungen veranschaulicht

Ficur 1 die Durchführung des Verfahrens ger.äß der Erfindung in einer Turbinenanlage mit einen Verdichter und einer Turbine und

Figur 2 die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in einer Turbinenanlage mit einen Verdichter, einer freien Turbine und einer Wutzleistungsturbine.

Geraß Figur 1 wird der Luftverdichter 10 von einer Welle 12, die durch die Turbine 14 gedreht wird, betrieben. Die Welle 12 kann mit irgendeinem geeigneten Energieübertragungssystem verbunden sein, UTU die durch die Turbine 14 auf sie übertragene Energie zu nützen. Die Turbine kann beispielsweise ein hohes oder verhältnismäßig niedriges Verdichtungsverhältnis haben. Aufbau und betrieb solcher Turbinen sind bekannt, und Einzelheiten müssen daher hier nicht beschrieben werden.

Aus Leitung 13 tritt Luft in den Verdichter 10 ein und wird in diesem verdichtet. Die verdichtete Luft strömt durch Leitung zu dem Ventil 24, von dem sie in einen Teil, der mit dorn brennstoff vermischt werden soll, und einen Teil, der mit den Verbrennungsgasen vermischt werden soll, aufgeteilt wird.

Der Teil der verdichteten Luft, der mit dem Lrennstoff vermischt werden soll, strömt von dem Ventil 24 durch Leitung 28 und das Ausflußineßgerät 30, das in der Leitung 28 angeordnet ist, zu der brennkammer 26. In dem Ausflußmeßgerät 30 v/ird das der Brennkar r.er zuströmende Luftvoluir.en gemessen, und diese Information wird durch die Verbindung 34, die ein elektrisches übertragungssystem sein kann, an das Lrennstoffzufuhrventil 32 gegeben. Durch dieses Brennstoffzufuhrventil 32 wird die Menge an Lrenn-

- 19 309834/0498

stoff, die durch Leitung 36 in das Turbinensysten· eintritt, so reguliert, daß das Volumverhältnis I^rennstoff-zu-Luft etwa konstant gehalten wird, und der Lrennstoff strömt dann der Leitung 28 zu, in der er mit Luft vermischt und der Brennkammer 26 zugeführt wird.

Ja das Erennstoff/Luft-Gemisch in dem Entzündungsbereich ist oder diesen Bereich durchschreitet, wird eine Gasgeschwindigkeit über der Flammfortschreitungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches bei den bedingungen am Einlaß des Katalysators angewandt, um eine Lntzündung und mögliche Detonationen zu verhindern. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird dann mit dem Katalysator 38 in Kontakt gebracht. Das Thermoelement 40 befindet sich vor dem Katalysator, so daß die Temperatur der Brennkammer an dieser Stelle gemessen werden kann. Das Thermoelement 42 ist hinter den Katalysator 38 angeordnet, so daß die Temperatur der Verbrennungsgase bestimmt v/erden kann.

Während der Inbetriebnahme des Oxydationssysters können Brennstoff und Luft in einer Menge, die durch das Luftverteilungsventil 24 und das Brennstoffzufuhrventil so reguliert ist, daß ein entzündliches, aber nicht explosives Gemisch mit einer Geschwindigkeit unter der maximalen Flammfortschreitungsgeschwindigkeit bei den Bedingungen der Inbetriebnahme gebildet wird, in die katalytische Brennkammer 26 eingeführt v/erden. Das Brennstoff/Luft-Gemisch kann durch die Zündeinreichung 44 entzündet werden und verbrennt dann mit einer Flamme, bis der Katalysator 36 sich bei einer ausreichend hohen Temperatur befindet, um die Oxydation in Gang zu halten, wenn die Zündeinrichtung 44 abgeschaltet 'wird. Lm den Katalysator zu schützen, können die Zündeinrichtung 44 und die Stelle, an der der Brennstoff aus Leitung in die katalytische Brennkammer 26 eintritt, so angeordnet sein, daß die bei der Oxydation des Brennstoffes gebildete Flamme nicht direkt auf den Katalysator 38 auf trifft, da die hohe x'ei peratur

3098 3-ü 2Φ 498

der Flarare sonst zu einer Schädigung des Katalysators führen könnte, »enn der Katalysator seine Funktion übernorx-en hat, kann die Zündeinrichtung 44 außer betrieb genetzt und die Ventile 24 und 32 können in die normale Betriebsstellung, bei der die Flarane erlöscht, da tue Geschwindigkeit des urennstoff/Luft-Genisches air. oder vor uera Katalysatoreinlaß hcher ist als die rcaxiinale FlaniTifortschreitungsgeschvindigkeit des Cor isches bei den tedingungen, unter denen es steht, eingestellt werden.

Der andere Teil der verdichteten Luft strcrtt von dcit Luftverteilerventil 24 durch Leitung 46 zu der Mischkairrer 43, die an der Lrennkanrcer 26 angeordnet ist. In der Mischkauuner 46 wird diese zusätzliche Luft nit den aus der katalytischem Brennkammer 26 austretenden Verbrennungsgasen vermischt, so daß ein kühleres Arbeitsmittel zuti betreiben einer Turbine erhalten wird. Die vereinigten Gase ströcen durch Leitung 50 zu der Turbine 14 und dienen als Arbeitsmittel für diese. Das Turbinenabgas tritt durch Leitung 52 aus den System aus.

Line üetriebsänderung des durch Figur 1 veranschaulichten Turbinensystefcs kann wie folgt bewirkt werden. Uenn beispielsweise eine höhere Turbinenleistungsabnahnie erforderlich ist, wird das Ventil 24 so eingestellt, daß ein größerer Anteil der Luft vom Verdichter IO durch Leitung 22 der katalytischen Lrennkaciiuer 26 zugeführt wird. Das Ausflußiueßgerät 30 spricht auf die Lrhöhung der Menge an Luft, die mit den Brennstoff verrcischt werden soll, in der Weise an, daß es das Ventil 3C so einreguliert, daß eine entsprechend größere Menge an Brennstoff der katalytischen i>rennkaL»r..er zu3trör.t. uas Lrennstoff/Luft-Genisch wird katalytisch verbrannt und tritt mit etwa der gleichen Temperatur wie vor der Änderung der Letriebsbeaingungen aus der katalytischen Lrennkairxer aus.

- 21 -

309834/0498

L-1G37 23G77A2

Da ein größerer Anteil der in der: Verdichter 10 verdichteten Luft euren das Ventil 24 der katalytischer* Lrennkar.iner zugeführt vird, ströiut eine geringere rtenge an Luft durch Leitung 4C, UT. in der nischkaifiuer 46 nit Verbrennun«~sgasen veri.tischt zu v/erden. Jie cairch Leitung 5O der Turbine zuströmenden vereinigten Gase befinden sich dann natürlich bei einer höheren Temperatur, v/eil r.ehr Verbrennungsabgase von der höheren, konstanten Temperatur und v/eniger zusätzliche Luft von der niedrigeren Temperatur miteinander vermischt wurden- Danit ist der V.'ärmegehalt des Turbifienarbeitsraittels und daiait die Leistungsabnahrc cer Turbine erhöht.

Figur 2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsforru des Turbiner systems gemäß der Erfindung, das sich insbesondere für Kraftfahrzeuge eignet, wo bei normalen Betriebsbedingungen beträchtlic. Seiten durch Leerlauf oder Geschv/indigkeitsänderungen verstreich^ Das Turbinensysten von Figur 2 gleicht demjenigen von Figur 1 vergehend, und gleiche Teile sind mit gleichen liezugszahlen versehe In dem System von Figur 2 tritt die Eingangsluft jedoch durch den Lufteinlaß 16 in das Turbinensysten ein. Im Lufteinlaß 16 be findet sich ein StrCr.ungsregulierungsventil i8# £as verstellbare Schlitze 20 aufweist und die !!enge an Luft, die der. Turbinensyst zuströmt, steuert. Die Luft ntrönt zu dec Verdichter 10 und wir in diesen so verdichtet, wie es für die oben beschriebene kata-Iytische Oxydation erforderlich ist. Das Gemisch der Abgase der katalytischen Oxydation nit zusätzlicher Luft wird zur» Betreiben der Turbine 15, die ihrerseits über die Welle 11 den Luftverdichter 10 antreibt, verwendet. Die freie Turbine 15 kann durch einen Regler bei konstanter Geschwindigkeit gehalten werden. Das Abgas der freien Turbine 15 wird über Leitung 53 der Turbine 54, die die Welle 56 antreibt, zugeführt. Die l.'elle 51 kann nil irgendeiner, geeigneten Energieübertragungssysterc, von der.: die Turbinenleistung abgcnoca^en wird, verbunden sein, riit besonderen Vorteil wird die Antriebswelle 58 zuia Antreiben eines Kraftfahr-

- 22 -

30983W0498

Zeuges verwendet.

Für den Letrieb des Turbinensystens von Figur 2 kann das Luftverteilcrventil 24 so eingestellt werden, daß das Genisch der Abgase ucr hatalytischen brennkammer und der zugesetzten Luft eine geviünsclite Temperatur hat. V.'enn ciae Luftverteilerventil in dieser Stellung gehalten wiru, bleibt die Tenperatur der vereinigten Gase auch bei variierenden "engen von Luft, die der« Turbinensysten zugeführt veruen, etwa konstant, da die !!enge an Abgas der katalytischen Lrcnnkar.irr.er, die bei etwa konstanter Temperatur bleibt, i.;it einer direkt proportionalen !!enge an zugesetzter Luft vereinigt wird.

jie vereinigten Gase treten rr.it einer etwa konstanten erwünschten Temperatur in die freie Turbine 15 ein, und die freie Turbine verbraucht so viel L'nergie des Arbeitsmittels, um den Luftverdichter 10 zu betreiben. Da die Linlaßtemperatur der freien Turbine nahezu konstant ist, haben uie Turbinenschaufeln eine lange Lebensdauer, Das Abgas der freien Turbine 15 wird als Arbeitsmittel für uie Leistungsturbine 54 verwendet. Dein Leerlauf des Turbinensystei.iS ist das Lufteingangsventil Ib nahezu geschlossen, d.h. die Schlitze 20 befinden sich nahezu in Schließstellung. Die von der freien Turbine 15 verbrauchte Energie überläßt dent austretenden Arbeitsmittel nicht genügend Lnergie, um die Leistungsturbine 15 zu betreiben. V.'enn das Lufteingangsventil IC cjeöffnet wire, tritt eine größere Luftmenge in das System ein. jas Luftverteilerventil 24 schickt eine anteilsmäßig größere ."!enge an Luft zu der katalytischen brennkammer für eine Umsetzung i.it dem brennstoff. Das Ausflußmeßgerät 30 stellt die Erhöhung der Luftströii.ungsgcschwindigkeit fest und reguliert das brennstoff steuerventil 32 so ein, daß eine größere Menge an brennstoff erforderlich ist, um das Voluiaverhältnis Drennstoff/Luft •:nd die Katalynatortemperatur konstant zu halten. Dadurch läßt

- 23 30983 4/0498

das Brennstoffzufuhrventil eine entsprechend größere .''enge an Brennstoff in das System einströmen.

Das Luftv^rteilervcntil 2 4 läßt auch eine entsprechend größere !■!enge an kühlerer, zusätzlicher Luft, an der katalytischen Brennkammer vorbei zur Vermischung nit derr· Abgas dieser Lrennkaiumer strömen. Die vereinigten Gase unterliegen daher keiner Terriperaturänderung. Durch die Turbine 15 strömt aber eine größere Masse an Arbeitsmittel, das die Welle 11 antreibt und uen Luftverdichter die erforderliche Lnergie überträgt, und in den durch Leitung 53 von der freien Turbine 15 abströmenden Arbeitsmittel bleibt eine größere Energiemenge, die zum Betreiben der Turbine 54 genützt wird.

Eine BetriebsSnderung des durch Figur 2 veranschaulichten Turbinensystens erfolgt beispielsweise durch öffnen der Schlitze 20, so daß mehr Luft in das Turbinensystem eintreten kann. Das Ventil 24 bleibt etwa in der gleichen Stellung. Da jedoch dem Ventil 24 eine größere Menge an Luft zuströmt, wird eine entsprechend größere Menge an Luft in die Brennkammer eingeführt. Diese Erhöhung der Luftmenge wird von dera Ausflußmeßgerät 30 erfaßt, und durch dieses wird das Ventil 32 so einreguliert, daß eine entsprechend größere Menge an Brennstoff in das Turbinensystem eintritt, so daß das Verhältnis Brennstoff-zu-Luft in der Brennkammer etwa konstant gehalten wird. Daher bleibt das Abgas der katalytischen Brennkammer etwa bei der gleichen Temperatur wie.vor der Betriebsänderung. Dieses Abgas wird mit einer entsprechend größeren .Menge an zusätzlicher Luft vermischt, da bei der Betriebsänderung die Einstellung des Ventils 24 nicht geändert wurde. Daher bleibt aber auch die Temperatur des den Turbinen zuströmenden Arbeitsmittels im wesentlichen gleich. Da jedochidie Masse an Arbeitsmittel größer ist, wird die für die Turbinen verfügbare Energie und damit die Turbinenleistungsabnahr.e erhöht.

- 24 30983W0498

Beim betrieb einer Turbine in einen System gemäß der Erfindung, wie es durch Figur 1 veranschaulicht ist, wird beispielsweise Luft verdichtet und rr.it einer Geschwindigkeit von etv;a O,t Cew.-Teilen je Sekunde in das System eingeführt. Die verdichtete Luft v;ird auf etv/a 316°C (60O⁰F) vorgewärmt. Ltv;a 0,4 Teile je Sekunde verdichtete Luft './erden mit einer solchen !'enge an Naphtha vermischt, daß die theoretische adiabatische Flammtemperatur des Gemisches etwa 12C0°C (23OO°F) beträgt. Die Größe des Verhältnisses Lrennstoff-zu-Luft, die erforderlich ist, damit die gewünschte auiabatische Flamntemperatur erhalten wird, hängt unter anderem von den verwendeten Brennstoff und der Temperatur der Luft in der Brennkammer ab, wie dem Fachmann bekannt ist.

Das Gemisch Brennstoff/Luft wird unter Verwendung eines Katalysators aus 1,0 Gew.-* Platin und 10,0 Gew.-% aktiver. Aluminiumoxid auf einem ilonigwaben/Cordierit-Träger, wobei das aktive Aluminiumoxid eine Oberfläche von etwa 150 m /g und der Honigwaben-Träger eine Dicke von 5,1 cm (two inches) hat, katalytisch verbrannt. Das Abgas der Verbrennungszone hat eine Temperatur von etwa 12O4°C (22OO°F). Dieses Abgas wird mit 0,4 Teilen je Sekunde zusätzlicher Luft von 316°C (600⁰F) vermischt, und die Temperatur des Arbeitsmittels für die Turbine beträgt 76O°C (1400°F). Wenn aas Arbeitsmittel bei dieser Temperatur ist, wird von der Turbine keine Leistung abgenommen. Eine Betriebsanderung des Turbinensystems wird dadurch herbeigeführt, daß 0,6 Teile Luft je Sekunde n;it dem brennstoff vermischt werden. Das Verbrennungsgas befindet sich bei einer Temperatur von 12O4°C (220O⁰F). Zusätzliche Luft wird in einer rienge von 0,2 Teilen je Sekunde mit den Verbrennungsgasen vermischt, wobei ein Arbeitsmittel für die Turbine mit einer Temperatur von etwa 1O66°C (1950⁰F) erhalten wird.

- 25 -309834/CU98

Claims (15)

1. PatentansDrüche

   Verfahren zum betreiben einer Gasturbine durch Oxydieren eines kohlenstoffhaltigen Lrcnnstoffes, der bein Verbrennen mit einer stöchiornetrischen !'enge an Luft eine adiabatische Flaiidv.temperatur von wenigstens etwa 1815°C (33OO°F) ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß man

   a. Luft rr.it einer solchen ilenge an Lrennstoff, daß das Volumverhältnis Brennstoff-zu-Luft etwa konstant bleibt, vermischt;

   b. das Drennstoff/Luft-Gemisch einer katalytischen Verbrennungszone und einem festen Oxydationskatalysator ir. der katalytischen Verbrennungszone mit einer Temperatur von etwa 816 bis 165O°C (1500 to 3000°F)zuführt, um dieses Gemisch bei etwa konstanter Temperatur zu oxydieren über eine Dauer des Turbinenbetriebs, v/ährend der die !!enge an der Verbrennungszone zugeführtem Lrennstoff variiert wird, v/obei die Geschwindigkeit des der katalytischen Verbrennungszone zuströmenden Brennstoff/Luft-Genisches vor dem Einlaß des Katalysators über der maximalen Flammfortschreitungsgeschwindigkeit gehalten wird;

   c. kühlere weitere Luft mit dem gebildeten oxydierten Brennstoff/Luft-Gemisch vermischt; und

   d. die vereinigten Gase als Arbeitsmittel einer Turbine zuführt.

   - 26 30983 A/0498
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Oxydation des Lrennstoff/Luft-Gemisches bei einer Temperatur von etwa 927 bis 165O°C (1700 to 3000°F) erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die "■enge an Luft, die der katalytischen Verbrennungszone zuströrr.t, und die '!enge an kühlerer zusätzlicher Luft, die ir.it den Verbrennungsgasen vermischt wird, umgekehrt proportional variiert werden und eine Erhöhung der Menge an Luft, die der katalytischen Verbrennungszone zuströmt, eine Erhöhung der Leistungsabnahrr.e der Turbine ergibt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die !!enge an Luft, die in das Turbinensystem eintritt, variiert wird, so daß die Lnergieabnahme der Turbine in direkter Beziehung dazu variiert.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch cekennzeichnet, daß die !!enge an Luft, die der katalytischen Verbrennungszone zuströmt, etwa umgekehrt proportional zu der .Menge an Luft, die mit den Verbrennungsgasen vereinigt wird, gehalten wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die !!enge an Luft, die der katalytischen Verbrennungszone zuströmt, etwa umgekehrt proportional zu der Menge an Luft, die mit den Verbrennungsgasen vereinigt wird, gehalten wird.
7. 7. Turbinensystem bestehend aus

   a. einem Luftverdichter;

   b. einer Einrichtung zur Aufnahme verdichteter Luft von deir. Verdichter und Aufteilen dieser verdichteten Luft in einen ersten und einen zweiten Anteil;

   - 27 -309834/0498

   c. einer mit der Aufteileinrichtung verbundenen Meßeinrichtung ZUTi Messen der i'enye an Luft in der. ersten Anteil;

   d. einer Lrennstoffreguliereinrichtung, die rät der Meßeinrichtung für den ersten Luftanteil in Verbindung steht und so viel Brennstoff einströmen läßt, wie notwendig ist, um das Volumverhältnis Lrcnnstoff zu erster^ Luftanteil etwa konstant zu halten;

   e. einer Lrennstoffmischzone, die den ersten Luftanteil und den Lrennstoff aufnimmt,"

   f. einer Brennkammer, die das Brennstoff/Luft-Gemisch von der Brennstoffmischzone aufnimmt und verbrennt;

   g. einer nachgeschaltete Mischzone, die Verbrennungsgase und den zweiten Luftanteil aufnirur,t und vereinigt;

   h. einer Turbine; und

   i. einer Einrichtung, um das vereinigte Gemisch von der nachgeschalteten ilischzone der Turbine zuzuführen.
8. 8. Turbinensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die brennkammer einen Oxydationskatalysator enthält.
9. 9. Turbinensystem nach Anspruch δ, gekennzeichnet durch eine mit dem Luftverdichter verbundene Lufteingangsreguliereinrichtung, die die Menge an dem Verdichter zuströmender Luft steuert.

   - 28 -

   30983 WQ498
10. 10. Turbinensystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch

    eine mit den Luftverdichter verbundene Lufteingangsreguliereinrichtung, die die Menge an dem Verdichter zuströirienoer Luft steuert.
11. 11. Verfahren zum Eetreiben einer Gasturbine durch Oxydieren eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes, der beim Verbrennen mit einer stöchiometrischen Luftmenge eine adiabatische Flammten.peratur von wenigstens etwa 1815°C (33OO°F) ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß man Luft mit einer solchen Menge an Brennstoff, daß ein Gemisch mit einem etwa konstanten Voluiaverhältnis Brennstoff-zu-Luft erhalten wird, vermischt; das Erennstoff/Luft-Gemisch einer Verbrennungszone zuführt; das Gemisch bei einer etwa konstanten Temperatur von etwa 816 bis 1315°C (15OO to 33OO°F) während einer Eetriebsperioüe der Turbine, in der die Menge an der Verbrennungszone zugeführtem Brennstoff variiert wird, oxydiert, wobei die Geschwindigkeit des Luft/Lrennstoff-Gemisches, das der Verbrennungszone zugeführt v/ird, vor der Verbrennungszone über der maximalen Flammfortschreitungsgeschwindigkeit gehalten wird; kühlere weitere Luft mit dem Oxydationsabgas vermischt; und die vereinigten Gase als Arbeitsmittel einer Turbine zuführt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation bei einer Temperatur von etwa 927 bis 165O°C (17OO to 3000°F) erfolgt.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation bei einer Temperatur von etv?a 9 27 bis 165O°C (1700 to 3000°F) erfolgt.

    - 29 -

    309834/0498

    E-1097
14. 14. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation bei einer Temperatur von etwa 927 bis 1G5O°C (1700 to.3000⁰F) erfolgt.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation bei einer Temperatur von etwa 927 bis 16 5O°C (1700 to 3000°F) erfolgt.

    - 30 309834/0498

    . S1

    Leerseite