DE2548680A1 - Verfahren zum betreiben einer gasturbine - Google Patents

Description

Dr. ing. Walter Abitz
Dr. Dieter F. Morf
Dr.' Y Im ο -A. Brauns

8 Münzen liü,.■■^.^ο,.^ι.Α-δίΓ. 28 30. Oktober 1975

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ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION Murray Hill, N.J., V.St.A.

Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine sowie ein Turbinensystem mit einer geeigneten Vorrichtung zur Verwendung eines Katalysators, um die adiabatische Dauerverbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in innigem Gemisch mit Luft durchzuführen. Die Verbrennung wird in Gegenwart eines Katalysators mit einem selektiv gesteuerten Volumenverhältnis von Brennstoff zu Luft so durchgeführt, dass man eine im wesentlichen konstante Verbrennungstemperatur im Bereich von etwa 650 bis 1750° C erhält. Das Brennstoff-Luftgemisch wird durch einen festen Oxidationskatalysator für die Verbrennung bei einer vorgegebenen Temperatur geleitet, die auf ungefähr konstanter Höhe gehalten wird. Dann kann eine selektiv gesteuerte Menge von Zusatzluft mit den durch die Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches erzeugten Verbrennungsprodukten gemischt werden. Die Verbrennungsprodukte kennzeichnen sich durch einen hohen Wärmeinhalt und in typischer Weise durch einen niedrigen Gehalt an Oxiden des Stickstoffs. Wenn es die Bedingungen gestatten, wird die vorgegebene Verbrennungstemperatur vorzugsweise so gewählt, dass

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sie wesentlich über der momentanen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches, aber unter derjenigen Temperatur liegt, bei der sich wesentliche Mengen von Oxiden des Stickstoffs bilden würden. Jedoch kann der verfügbare Brennstoff oder die verfügbare Verbrennungsluft das Arbeiten oberhalb der momentanen Selbstentzündungstemperatur ausschliessen. Die Vorteile des Arbeitens bei einer ungefähr konstanten Temperatur können bei jeder beliebigen Verbrennungstemperatur erreicht werden, und eine solche Arbeitsweise ermöglicht in katalytischen Verbrennungssystemen, die unter durch die Massenübertragung begrenzten Bedingungen arbeiten, den Durchsatz grosser Mengen an Ausgangsgut. Verfahren und Vorrichtung gemäss der Erfindung ermöglichen daher einen hochgradig wirksamen Turbinenbetrieb und eine schnelle Reaktion auf Änderungen in der Betriebsweise des Systems bei verhältnismässig geringer Luftverunreinigung.

Vom praktischen Gesichtspunkt arbeiten adiabatische Verbrennungssysteme mit verhältnismässig geringen WärmeVerlusten, und praktisch alle von der Verbrennungszone abgegebene Wärme erscheint in den Abgasen als thermische Energie zur Krafterzeugung. Im allgemeinen arbeiten herkömmliche adiabatische thermische Verbrennungssysteme durch Zünden eines Gemisches aus Brennstoff und Luft in entflammbaren Mengenverhältnissen, worauf das Gemisch weiterbrennt. Häufig liegen Brennstoff und Luft in stöchiometrischen Mengenverhältnissen vor. Diese herkömmlichen Systeme arbeiten gewöhnlich bei so hohen Temperaturen in der Verbrennungszone, dass sich Oxide des Stickstoffs (NO ) bilden. Solche Systeme lassen sich nicht mit stark verunreinigter Luft betreiben, wie sie in dem Restgas von Salpetersäurefabriken vorliegt.

Viele für Turbinen verwendete thermische Verbrennungskammern arbeiten mit gesonderter Zuführung von Luft und Brennstoff zur Verbrennungszone ohne vorheriges Vermischen. Solche Verbrennungskammern haben häufig eine unveränderliche Anordnung

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des Lufteinlasses, so dass ein vorgegebener Bruchteil der zugeführten Luft in die Verbrennungszone und der Rest in eine Verdünnungszone gelangt. In diesem Falle kann die Turbinenleistung variiert werden, indem man die Geschwindigkeit des der Verbrennungskammer zugeführten Brennstoffstromes einregelt und auf diese Weise die Temperatur der dem Turbineneinlass zugeführten Verbrennungsprodukte und mithin die Leistung der Turbine variiert.

Herkömmliche Verbrennungskammern erzeugen häufig grosse Mengen an Luftverunreinigungen, weil die Verbrennung mit einem schlechten Wirkungsgrad stattfindet. Bei den bisher bekannten Verbrennungskammern kann das Brennstoffzuführungssystem normalerweise nur über einen kleinen Teil des gesamten Arbeitsbereichs hinweg die optimale Menge an Brennstoff zuführen. Diese engen Grenzen der wirksamsten Betriebsweise führen unter manchen Arbeitsbedingungen zur Bildung grosser Mengen von CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und dergleichen. So kann z.B. im Leerlauf die Brennstoff strömungsgeschwindigkeit so gering sein, dass wegen des niedrigen Brennstoffdruckes eine unzureichende Zerstäubung an der Brennstoffdüse stattfindet; ferner ist das Gesamtverhältnis von Luft zu Brennstoff in der Verbrennungszone verhältnismässig hoch, wenn die Leistung der Turbine vermindert wird, weil dann nur die Brennstoffströmungsgeschwindigkeit verringert wird, während die Luftströmungsgeschwindigkeit mindestens für eine kurze Zeitdauer nachher konstant bleibt. Diese überschüssige Luft führt zu einer vorzeitigen Kühlung, wodurch CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und dergleichen entstehen. Beim Betrieb oberhalb der optimalen Plangrenzen arbeitet die Verbrennungszone leicht - wenigstens in gewissen regellosen Bereichen - mit einem zu fetten Brennst off gemisch, was dazu führt, dass unverbrannte Brennstofftröpfchen unter Rußbildung verkoken und in der Verdünnungszone mit hoher Emission an CO, Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen gekühlt werden. Diese Bedingungen liegen z.B. bei vielen Flugzeugen beim Start vor.

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Man hat bereits versucht, das Verhältnis von Brennstoff zu Luft int herkömmlichen Verbrennungskammern zu steuern. Diese Versuche konnten aber nicht in zufriedenstellender Weise das Problem der Dauerverbrennung mit geringer Schadstoffemission bei Änderung der Belastung der Turbine und sonstiger Arbeitsbedingungen bewältigen. Bei herkömmlichen Verbrennungskammern mit unveränderlicher geometrischer Anordnung, die Brennstoff in Luft bei ungefähr dem stöchiometrischen Verhältnis verbrennen, ist das Lochmuster in der Verbrennungskammerauskleidung gewöhnlich so gestaltet, dass die Verbrennungszone bei nahezu vollständiger Belastung am besten arbeitet. Wie bereits erwähnt, verringert sich das Gesamtverhältnis von Brennstoff zu Luft bei diesen Vorrichtungen bei schwacher Belastung oder beim Leerlauf, wodurch in der Verbrennungszone ein magereres Gemisch entsteht, was zur Verminderung des Wirkungsgrades der Verbrennung und zur Erhöhung der Schadstoffemission in den Auspuffgasen führen kann. Es ist vorgeschlagen worden, dieser Schwierigkeit durch eine veränderliche Anordnung der Verbrennungskammer Herr zu werden, damit die Verbrennungszone bei allen Arbeitsbedingungen der Turbine mit einem konstanten Verhältnis von Brennstoff zu Luft, nämlich nahezu dem stöchiometrischen Verhältnis, arbeiten kann. Hierdurch wird zwar das Problem der Emission von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid gelöst; das Problem der Emission von NO wird aber nicht einmal angesprochen. Die Bildung von ΝΟ_χ erfolgt bei verhältnismässig hohen Temperaturen, die in adiabatischen Verbrennungssystemen bei nahezu stöchiometrischen Verhältnissen von Brennstoff zu Luft unweigerlich erreicht werden. Durch die blosse Änderung der geometrischen Anordnung der Verbrennungskammer derart, dass nahezu stöchiometrische Verhältnisse innegehalten»werden, wird also das Problem der NO -Bildung nicht vermieden. Ferner ändert sich bei konstantem Verhältnis von Brennstoff zu Luft die Verbrennungstemperatur mit der Temperatur, die die Luft am Einlass zur Verbrennungskammer aufweist, so dass die Verbrennungstemperatur nicht konstant bleibt.

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Entflammbare Gemische der meisten Brennstoffe brennen für die vollständige Verbrennung normalerweise bei verhältnismässig hohen Temperaturen, nämlich oberhalb etwa 1800 C, was zur Bildung wesentlicher Mengen von NO führt. Im Falle von herkömmlichen thermischen Verbrennungskammern für Gasturbinen ist die NO -Bildung vermindert worden, indem man die Verweilzeit der Verbrennungsprodukte in der Verbrennungszone begrenzt hat. Da aber grosse Mengen von Gasen durchgesetzt werden, kommt es trotzdem zur Bildung unerwünschter Mengen von NO . Viele herkömmliche Verbrennungskammern haben dadurch, dass bei ihnen der Brennstoff in Tröpfchenform gesondert von der Luft in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, ernsthafte Nachteile in bezug auf den Betrieb mit nur geringer Luftverunreinigung. Ein solches System ermöglicht nämlich nicht eine Dauerverbrennung mit einem sehr mageren Brennstoffgemisch. Infolgedessen erreicht die Temperatur an den Tröpfchengrenzen häufig ungefähr die theoretische adiabatische Flammentemperatur eines stöchiometrischen Gemisches aus Brennstoff und Luft; diese Temperatur liegt wesentlich über 1800° C und in typischer Weise sogar über 2200° C. Obwohl also die Gesamttemperatur in der Verbrennungskammer ziemlich niedrig und nicht hoch genug zur Bildung von NO sein mag, liegt die Temperatur in der Nähe

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der Tröpfchenoberfläche gewöhnlich so hoch, dass sich NO bildet. Daher enthalten die Verbrennungsprodukte NO .

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In der USA-Patentanmeldung Serial No. 358 411 vom 8. Mai 1973 ist die katalytisch unterstützte thermische Verbrennung beschrieben. Nach dieser Methode lassen sich kohlenstoffhaltige Brennstoffe sehr wirksam z.B. bei Temperaturen von etwa 925 bis 1750 C verbrennen, ohne dass es zur Bildung wesentlicher Mengen von Kohlenmonoxid oder Oxiden des Stickstoffs kommt. Dieses Verfahren wird als katalytisch unterstützte thermische Verbrennung bezeichnet. Kurz zusammengefasst, wird in der genannten USA-Patentanmeldung folgendes ausgeführt: Bei der herkömmlichen thermischen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen wird ein entflammbares Gemisch aus Brennstoff und

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Luft oder aus Brennstoff, Luft und Inertgas an einem Zünder, z.B. einem Funken, gezündet. Dann brennt das Gemisch ohne weitere Unterstützung durch den Zünder weiter. Entflammbare Gemische aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen brennen normalerweise bei verhältnismässig hohen Temperaturen (d.h. normalerweise weit über 1800° C). Bei diesen Temperaturen bilden sich, wenn Stickstoff anwesend ist, was im Falle der Verwendung von Luft für die Verbrennungsreaktion immer der Fall ist, unweigerlich wesentliche Mengen an Oxiden des Stickstoffs. Gemische aus Brennstoff und Luft oder aus Brennstoff, Luft und Inertgas, die theoretisch bei Temperaturen unter etwa 1800 C brennen würden, sind zu brennstoffarm, um eine stabile Flamme zu unterhalten, und lassen sich daher in herkömmlichen thermischen Verbrennungssystemen nicht zufriedenstellend verbrennen.

Andererseits wird der Brennstoff bei der herkömmlichen katalytischen Verbrennung bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen (typisch im Bereich von über 100° C bis annähernd 800° C) verbrannt, wobei wenig oder keine Oxide des Stickstoffs entstehen. Obwohl die herkömmliche katalytische Verbrennung relativ langsam vor sich geht, so dass für die meisten Anwendungszwecke zu grosse Katalysatormengen erforderlich wären, um grosse Mengen an gasförmigen Oxidationsprodukten zu erzeugen, wird für einige wichtige Anwendungszwecke, z.B. für die Verbrennung von Restgasen von Athylenoxid- oder Salpetersäurefabriken, in grossem Umfange von der herkömmlichen, durch Massentransport begrenzten Verbrennung Gebrauch gemacht.

Wie in der USA-Patentanmeldung Serial No. 358 411 ausgeführt wird, verlaufen die herkömmlichen katalytischen Verbrennungsreaktionen von dem Bereich A' bis zum Bereich C des Diagramms der Fig. 3· Dieses Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur für einen gegebenen Katalysator und eine gegebene Kombination von Reaktionsbedingungen. Bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen (im Bereich A der Fig. 3) nimmt die katalytische Reaktionsgeschwin-

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digkeit exponentiell mit der Temperatur zu. Wenn die Temperatur aber weiter erhöht wird, tritt die Reaktion in eine Obergangszone (Bereich B in Fig. 3) ein, wo die Geschwindigkeit, mit der Brennstoff und Sauerstoff zur katalytischen Oberfläche gelangen, beginnt, den weiteren Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit zu begrenzen. Wenn die Temperatur noch weiter gesteigert wird, kommt man in die sogenannte Zone der durch Massentransport begrenzten Reaktion (Bereich C in Fig. 3)» in der die Reaktionsteilnehmer nicht mehr schnell genug zur katalytischen Oberfläche gelangen können, um mit der katalytischen Oberflächenreaktion Schritt zu halten, und die Reaktionsgeschwindigkeit infolgedessen ungeachtet weiterer Temperatursteigerungen abfällt. In der durch Massentransport begrenzten Zone kann die Reaktionsgeschwindigkeit nicht durch Erhöhung der Aktivität des Katalysators gesteigert werden, weil die katalytische Aktivität hier nicht der die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmende Faktor ist. Vor der in der USA-Patentanmeldung Serial No. 358 411 beschriebenen Erfindung bestand die einzige Möglichkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit in der durch Massentransport begrenzten Zone zu steigern, in der Steigerung der Massentransportgeschwindigkeit. Dies erfordert aber eine Erhöhung des Druckabfalls im Katalysator und infolgedessen einen erheblichen Energieverlust. Es kann sogar sein, dass keine Möglichkeit für einen hinreichenden Druckabfall zur Verfügung steht, um die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen. Ein stärkerer Massentransport und mithin eine höhere Energie lässt sich natürlich immer dadurch erzielen, dass man die Katalysatoroberfläche vergrössert. Ir vielen. Fällen bedingt dies aber die Verwendung von Katalysatorbehältern von solcher Grosse und Umständlichkeit, dass die Kosten nicht gerechtfertigt sind, und der Katalysator selbst Ist schwer zu handhaben. Im Falle von Gasturbinen kann, das Reaktionsgefäss z.B. grosser sein als die Turbine selbst.

Wie in der USA-Patentanmeldung Serial No. 358 411 ausgeführt wird, ist es möglich, eine im wesentlichen adiabatische Ver-

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trennung in Gegenwart eines Katalysators bei einer Reaktionsgeschwindigkeit durchzuführen, die die durch Massentransport begrenzte Geschwindigkeit um ein Vielfaches übersteigt. Wenn man nämlich die Arbeitstemperatur des Katalysators erheblich in die durch Massentransport begrenzte Zone hinein steigert, beginnt die Reaktionsgeschwindigkeit schliesslich mit der Temperatur schnell zuzunehmen (vgl. Bereich D der Fig. 3). Dies ist ein scheinbarer Widerspruch zu den Gesetzen der Massentransportkinetik bei katalytischen Reaktionen. Die Erscheinung kann durch den Umstand erklärt werden, dass die Temperatur der Katalysatoroberfläche und der Gasschicht in der Nähe der Katalysatoroberfläche über der momentanen Selbstentzündungstemperatur des Gemisches aus Brennstoff, Luft und Inertgas und auf einer Höhe lieht, bei der die thermische Verbrennung mit höherer Geschwindigkeit vor sich geht als die katalytische Verbrennung. Die momentane Selbstentzündungstemperatur ist diejenige Temperatur, bei der die Zündungsverzögerung des in den Katalysator eintretenden Gemisches im Verhältnis zur Verweilzeit des der Verbrennung unterliegenden Gemisches in der Verbrennungszone zu vernachlässigen ist. Die in diese Katalysatorschicht eintretenden Moleküle brennen spontan ohne Transport zur Katalysatoroberfläche. Es ist anzunehmen, dass die Schicht, in der eine thermische Verbrennung stattfindet, mit fortschreitender Verbrennung und steigender Temperatur tiefer wird. Schliesslich wird im wesentlichen das ganze Gas im katalytischen Bereich auf die Temperatur erhitzt, bei der eine thermische Verbrennung in praktisch dem gesamten Gasstrom und nicht nur nahe der Oberfläche des Katalysators stattfindet. Wenn dieses Stadium in dem Katalysator erreicht ist, läuft die thermische Reaktion ohne weitere Berührung der Gase mit dem Katalysator weiter. Infolgedessen wird der Anwendungsbereich der katalytischen Verbrennung für den Betrieb von Turbinen'bedeutend erweitert.

Die obigen Ausführungen sollen nur eine mögliche Erklärung für die Verbrennung von Brennstoff-Luftgemischen in Gegenwart

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eines Katalysators geben, wenn sie zusammen mit anderen hier angegebenen Verfahren als Teil des Verfahrens gemäss der Erfindung durchgeführt wird.

Erfindungsgemäss wird eine Gasturbine durch Verbrennen eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs innerhalb eines Zeitraums betrieben, in welchem die Mengen an Brennstoff und Verbrennungsluft verändert werden oder die Temperatur der Verbrennungsluft verändert wird. Einlassluft wird verdichtet und mindestens ein Teil derselben innig mit dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff gemischt. Dieses Gemisch wird dann in eine temperaturgesteuerte katalysatorhaltige Verbrennungszone geleitet, wo es bei einer ungefähr konstanten Temperatur von mindestens etwa 540 C verbrannt wird; Verbrennungstemperaturen von weniger als 5^0 bis 650 C liefern im allgemeinen keine Turbineneinlasstemperaturen, die hoch genug sind, um die gewünschten Energiemengen zu erzeugen. Wenn man in dem oben beschriebenen Bereich von höheren Temperaturen arbeitet, in dem die Reaktionsgeschwindigkeit nicht durch Massentransport begrenzt ist, sollen die Katalysatortemperaturen im Bereich von etwa 925 bis 1750 C liegen. Das Volumenverhältnis von Brennstoff zu Luft wird als Funktion der Temperatur des in die Verbrennungszone eintretenden Gases so gesteuert, dass die Verbrennungstemperatur oder die theoretische adiabatische Flammentemperatur des Gemisches über einen weiten Bereich von Brennstoffzuführungsgeschwindigkeiten hinweg konstant bleibt. Die aus der Verbrennungszone austretenden Verbrennungsprodukte werden in einer Sekundärzone (Mischzone) mit mindestens einem Teil und vorzugsweise dem grössten Teil des Restes der dem Turbinensystem zugeführten verdichteten Luft gemischt.

Die aus der Gasturbine gewonnene Energie kann so ohne Änderung der Temperatur in der Verbrennungszone durch Einregeln des Gesamtvolumens des Brennstoff-Luftgemisches, das der Verbrennungszone zugeführt wird, und des Volumens der mit den Verbrennungsprodukten gemischten Zusatz- oder Umgehungsluft ge-

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steuert werden. Durch diese Einstellungen wird die Temperatur des der Turbine zugeführten Gasgemisches und mithin die von der Turbine erzeugte Energie geregelt. Da die Temperatur des Gemisches aus Verbrennungsprodukten und Umgehungsluft in erster Linie von der Temperatur und den relativen Mengen der Verbrennungsprodukte und der Umgehungsluft abhängt und die Verbrennungstemperatur verhältnismässig konstant bleibt, ist es möglich, eine schnelle Reaktion des Gasturbinensystems auf verschiedene Leistungsanforderungen zu erzielen, indem man die Menge der mit den Verbrennungsprodukten zu mischenden Zusatz- oder Umgehungsluft variiert. Hierdurch werden die typischen Unzulänglichkeiten von katalytischen Systemen vermieden, bei denen eine Änderung in den Arbeitsbedingungen eine Änderung der Katalysatortemperatur erfordert, die ihrerseits das Ansprechen der Temperatur der Verbrennungsprodukte auf die Änderung der Brennstoffzuführungsgeschwindigkeit verzögert. Eine solche Verzögerung ist besonders bei Turbinen für Kraftfahrzeuge nachteilig, von denen ein nahezu augenblickliches Ansprechen verlangt wird. Ferner können selbst bei niedrigen Turbineneinlasstemperaturen niedrige Verbrennungstemperaturen vermieden werden. Die Verbrennungskammer braucht daher nicht bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten, was ihrer Leistung abträglich sein und zur Bildung eines Abgases mit hohem Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen führen könnte. Andererseits wird dadurch, dass Verbrennungstemperaturen wesentlich oberhalb etwa 1750° C vermieden werden, die Bildung übermässiger Mengen an Oxiden des Stickstoffs bei der Verbrennung vermieden.

Gemäss der Erfindung wird die Einlassluft von einer Verdichterturbine verdichtet und dann vorzugsweise in mindestens zwei Teile geteilt. Der eine Teil wird innig mit einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff gemischt und zur Verbrennung der Verbrennungszone zugeleitet, während der andere Teil mit den Verbrennungsprodukten gemischt wird. Die relativen Luftmengen in jedem dieser Teile sind einstellbar und hängen proportional voneinander ab.

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Das Brennstoff-Luftgemisch wird durch Messung verschiedener Parameter und Zuführung voneinander abhängiger Mengen an Brennstoff und Luft, die mit Hilfe geeigneter Organe in Abhängigkeit von diesen Parametern gesteuert werden, auf einer etwa konstanten theoretischen adiabatischen Flammentemperatur gehalten. So kann man z.B. einen Luftströmungsmesser und ein Temperaturmessgerät in Kombination mit einem Zerlegungsventil zur Regelung der Luftströmung zur Verbrennungszone in Abhängigkeit von der Brennstoffströmung zur Verbrennungszone, z.B. ein Venturi-Messgerät oder eine ähnliche Vorrichtung in Kombination mit einem Thermoelement und einem Luftströmungs-Regelventil, verwenden, um die Menge der Luft zu bestimmen, die bei einer gegebenen Temperatur der Einlassluft mit dem Brennstoff gemischt werden soll. Anstelle des Venturi-Messgerätes kann man einen Anzeiger für die Verdichtergeschwindigkeit zusammen mit einem Ventilstellungsanzeiger an dem die Luftströmung steuernden Ventil verwenden. Ein Steuerventil für die Brennstoffströmung wird von einem Brennstoffströmungssteuergerät Je nach den Leistungsanforderungen an die Turbine geregelt. Die Strömung der Luft zur Verbrennungskammer ihrerseits steht zu der Brennstoffströmung zur Verbrennungskammer als Funktion der Einlasslufttemperatur derart in Beziehung, dass eine vorgegebene Verbrennungstemperatur innegehalten wird. Die Strömungs- und Temperaturmessgeräte übertragen zu dem Brennstoff Strömungssteuergerät Signale, die zu dem Volumen und der Temperatur der Luft in Beziehung stehen. Als Reaktion auf diese Signale stellt das Brennstoffströmungssteuergerät das Lüftströmungs-Steuerventil so ein, dass es eine bestimmte Menge Luft zum Vermischen mit dem Brennstoff in das System gelangen lässt. Wenn die der Verbrennungszone zugeführte Brennstoffmenge geändert wird, wird die Menge der mit dem Brennstoff zu mischenden Luft proportional derart geändert, dass in der Verbrennungszone eine vorgegebene, im wesentlichen konstante Temperatur innegehalten wird. Diese Arbeitsweise kann natürlich so geplant werden, dass die Brennstoffmenge von der Menge der Luft abhängt, die bei einer gegebenen Temperatur in die Verbrennungszone geleitet wird.

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Das Verhältnis von Brennstoff zu Luft in dem der Verbrennungszone zugeführten Gemisch wird letztlich durch die gewünschte Arbeitstemperatur in der Verbrennungszone bestimmt. Die Arbeitstemperatur bestimmt sich durch die theoretische adiabatische Flammentemperatur des der Verbrennungskammer zugeführten Brennstoff-Luftgemisches und hängt daher sowohl von der Anfangstemperatur der Luft als auch von der Menge des darin enthaltenen Brennstoffs ab.

Beim Betrieb einer Turbine treten verschiedene Änderungen in der Belastung auf. So kann z.B. eine Erhöhung oder eine Verminderung der Ausgangsgeschwindigkeit der Turbine erforderlich sein, wodurch sich die Menge des benötigten Brennstoffs ändert. Aber selbst bei konstanter Geschwindigkeit kommen Belastungsänderungen vor. Auf gewissen Anwendungsgebieten von Turbinen, z.B. bei Kraftfahrzeugen, führen Erhöhungen oder Verminderungen der Turbinenleistung oft zu einer Erhöhung oder Verminderung der Verdichtergeschwindigkeit und mithin zu einer Erhöhung bzw. Verminderung der Verdichtung und der Temperatur der durch den Verdichter zugeführten Luft. Die theoretische adiabatische Flammentemperatur eines Gemisches von gegebenem Volumenverhältnis von Brennstoff zu Luft ändert sich direkt mit der Temperatur der in dem Gemisch enthaltenen Luft. Wenn z.B. die Leistungsanforderungen an die Turbine erhöht werden, muss eine Anzahl von miteinander zusammenhängenden Steuerungsänderungen durchgeführt werden; die dem System zugeführte Luft befindet sich dann, falls kein Ausgleich dafür vorgesehen ist, auf einer höheren Temperatur und würde die adiabatische Flammentemperatur eines gegebenen Brennstoff-Luftgemisches erhöhen. Ferner bedingt eine Leistungssteigerung auch eine Erhöhung in der Brennstoffzufuhr, und deshalb muss derjenige Teil der gesamten verdichteten Luft, der der Verbrennungskammer zugeführt wird, vergrössert werden, um die theoretische adiabatische Flammentemperatur ungefähr konstant zu halten. Derjenige Teil der gesamten verdichteten Luft, der zur Umgehungsleitung geleitet wird, wird verkleinert, so dass die Temperatur des Ge-

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misches aus Verbrennungsprodukten und Zusatzluft steigen kann. Die relativen Mengen beider Luftströme, nämlich der der Verbrennungskammer zugeführten Luft und der die Verbrennungskammer umgehenden Luft, ändern sich in umgekehrtem Sinne. Diese untereinander abhängigen Änderungen halten die Temperatur in der Verbrennungskammer ungefähr konstant, indem das der Verbrennungskammer zugeführte Brennstoff-Luftgemisch so gesteuert wird, dass es eine ungefähr konstante theoretische adiabatische Flammentemperatur aufweist.

Die Verbrennungsprodukte werden vorzugsweise mit kühlerer Zusatzlunft gemischt, um sie abzukühlen und für die Gasturbine ein Antriebsgas von geeigneter Temperatur zu erhalten. Die Zusatzluft kann sich auf jeder zweckmässigen Temperatur, z.B. auf derjenigen Temperatur befinden, mit der sie vom Verdichter abgegeben wird, oder sie kann eine etwas niedrigere oder höhere Temperatur aufweisen, was z.B. durch Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen der Turbine bewerkstelligt werden kann. Die verdichtete Luft kann auch zu einem gewissen Grade durch Verwendung als Kühlgas für die Wandungen der Verbrennungskammer erhitzt werden, wenn dies erforderlich ist, um eine Überhitzung der Wandungen zu verhindern. Zweckmässig befindet sich die Zusatzluft auf einer Temperatur von etwa 40 bis 1100° C und vorzugsweise von etwa 260 bis 800° C. Je grosser die Menge der kühleren Zusatzluft ist, die mit den Verbrennungsprodukten gemischt wird, desto niedriger wird die Temperatur dieses Gasgemisches, und desto weniger Energie kann aus dem Gasgemisch gewonnen werden, wenn es als Antriebsgas für eine Turbine verwendet wird. Wenn die Menge der Zusatzlunft vermindert wird, steigt die Leistung der Turbine. Die Temperatur des dem Turbineneinlass zugeführten Gasgemisches liegt im allgemeinen bei etwa 425 bis 1375 C und vorzugsweise im Interesse eines erhöhten Wirkungsgrades der Turbine bei etwa 600 bis 1480° C. Eine andere Möglichkeit, die Energie des Gemisches aus Verbrennungsprodukten und umgeleiteter Luft in Abhängigkeit von erhöhten Brennstoff mengen zu vergrössern, ist die, die der Ver-

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brennungszone zugeführte Luftmenge und die Menge der mit den Verbrennungsprodukten zu mischenden Zusatzluft proportional zu vergrössern. Dies kann mit Hilfe einer geeigneten Luftströmungs-Steuervorrichtung, wie eines Flügelventils, eines Schlitzventils oder dergleichen, erfolgen, welches die Menge der in den Verdichter eingeführten Luft in Abhängigkeit von der zugeführten Brennstoffmenge regeln kann. Die Verbrennungsprodukte bleiben auf einer etwa konstanten Temperatur, und die Temperatur des Gemisches aus Verbrennungsprodukten und Umgehungsluft bleibt etwa die gleiche, weil die zusätzliche Menge von Verbrennungsprodukten durch eine proportional grössere Menge von Zusatzluft gekühlt wird. Da insgesamt eine grössere Gasmenge erzeugt wird, steht der Turbine mehr Energie zur Ver-' fügung.

Für bestimmte Anwendungszwecke, z.B. für Hochtemperaturturbinen, kann die Zusatzluft vollständig fortgelassen werden. In diesem Falle ist die Turbineneinlasstemperatur konstant und im wesentlichen die gleiche wie die Verbrennungstemperatur. Der Brennstoff kann dann vorteilhaft bereits am Einlass des Luftverdichters oder sogar in dem Verdichter selbst mit Luft gemischt werden.

Die Steuerungsmethode unter Verwendung eines Regelorgans am Einlass des Verdichters ist vorteilhaft, da die Temperatur des Gasgemisches am Turbineneinlass konstant bleibt und die Turbine dadurch gegen Wärmeschock geschützt wird und sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Belastungen mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten kann. Die Verwendung eines Regelorgans für die Einlassluft am Luftverdichter ist besonders vorteilhaft für Turbinen, die bei der Temperatur der Verbrennungsprodukte arbeiten, weil die Umgehungsluft dann vorteilhaft fortgelassen und die Steuerung durch Regelung der der Turbine zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit von dem Brennstoff erzielt werden kann, so dass der Vorteil des Betriebs bei hoher Temperatur voll ausgenutzt wird. Unter Umständen

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kann das Regelorgan für die Einlassluft am Verdichter mit einem Luftregelventil oder einem LuftZerlegungsorgan hinter dem Verdichter kombiniert werden, um ein schnelleres Ansprechen und einen grösseren Leistungsbereich zu erzielen.

Bei dem System gemäss der Erfindung kann die Ausgangsleistung der Turbine analog der oben beschriebenen Methode vermindert werden, indem man die Gesamtmenge der verfügbaren Luft verringert, oder indem man die Menge der der Verbrennungszone zugeführten Luft verringert und die Menge der mit den Verbrennungsprodukten zu mischenden Zusatzluft vergrössert, oder durch eine Kombination beider Maßnahmen.

Die Ausgangsleistung der Turbine kann also erfindungsgemäss nach verschiedenen Methoden oder einer Kombination dieser verschiedenen Methoden gesteuert werden.

Bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung erfolgt die Verbrennung durch Überleiten eines innigen Gemisches aus Luft und kohlenstoffhaltigem Brennstoff über einen im wesentlichen starren, festen Oxidationskatalysator. Mindestens ein Teil des verfügbaren Brennstoffs wird unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen verbrannt. Unter "im wesentlichen adiabatischen Bedingungen" ist in diesem Falle zu verstehen, dass die Arbeitstemperatur des Katalysators infolge von Warmeverlusten aus dem Katalysator um nicht mehr als etwa 167 C, gewöhnlich um nicht mehr als etwa 83 C, von der adiabatischen Flammentemperatur des Gemisches abweicht.

Eine solche Verbrennung erfolgt bei erheblich niedrigeren Temperaturen als die herkömmliche adiabatische thermische Verbrennung, und daher ist es möglich, ohne Bildung wesentlicher Mengen von ΝΟ_χ zu arbeiten. Ferner wird der Katalysator durch die Innehaltung einer ungefähr konstanten katalytischen Verbrennungstemperatur gegen die physikalische Schädigung infolge von Temperaturwechsel geschützt. Eine solche Verbrennung in

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Gegenwart eines festen Katalysators braucht nicht durch den Massentransport begrenzt zu sein, wie es bei der herkömmlichen katalytischen Verbrennung der Fall ist, und bei den angegebenen Arbeitstemperaturen wird die Reaktionsgeschwindigkeit dann wesentlich über die Massentransportgrenze hinaus erhöht und ist z.B. mindestens fünfmal höher als die durch Massentransport begrenzte Geschwindigkeit. Es sind Reaktionsgeschwindigkeiten bis zum lOOfachen oder einem noch grösseren Vielfachen der durch Massentransport begrenzten Reaktionsgeschwindigkeit erreichbar. Solche hohen Reaktionsgeschwindigkeiten ermöglichen hohe Raumströmungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs, die normalerweise bei herkömmlichen katalytischen Reaktionen nicht erzielbar sind. Erfindungsgemäss kann man z.B. mindestens eine Brennstoffmenge verwenden, die an Heizwert etwa 4800 kg Propan je Stunde je m Katalysator entspricht, und diese Menge kann sogar mindestens noch mehrmals grosser sein, z.B. eine Brennstoffmenge, die einem Heizwert von mindestens etwa 16 000 kg Propan je Stunde je m Katalysator äquivalent ist. Ferner ist es nicht erforderlich, die Verhältnisse von Brennstoff zu Luft in dem entflammbaren Bereich zu halten, und infolgedessen besteht nicht das bei herkömmlichen Verbrennungsvorrichtungen auftretende Problem des Auslöschens der Flamme infolge von Schwankungen in dem Verhältnis von Brennstoff zu Luft.

Wie bereits erwähnt, wird die adiabatische Flammentemperatur von Brennstoff-Luftgemischen bei einer gegebenen Kombination von Bedingungen (z.B. Anfangstemperatur und zu geringerem Ausmaß Druck) durch das Verhältnis von Brennstoff zu Luft bestimmt. Die bei der oben beschriebenen Verbrennung in Gegenwart eines Katalysators angewandten Gemische befinden sich im allgemeinen im entflammbaren Bereich oder sind brennstoffarm ausserhalb des entflammbaren Bereichs,* -es kann jedoch vorkommen, dass das Brennstoff-Luftgemisch keinen genau definierten entflammbaren Bereich hat, aber trotzdem eine theoretische adiabatische Flammentemperatur innerhalb der Arbeitsbedingun-

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gen gemäss der Erfindung aufweist. Die Verhältnisse von der Verbrennungszone zugeführtem Brennstoff und zugeführter Luft sind typisch derart, dass ein stöchiometrischer Überschuss von Sauerstoff über diejenige Menge vorhanden ist, die für die vollständige Umwandlung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist. Vorzugsweise beträgt der Gehalt des Brennstoff-Luftgemisches an freiem Sauerstoff mindestens das etwa 1,5fache der für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen stöchiometrischen Menge.

Die Erfindung wird zwar unter besonderer Bezugnahme auf Luft als der nicht aus Brennstoff bestehenden Komponente beschrieben; jedoch erfolgt die Verbrennung natürlich nur durch den Sauerstoff. Gegebenenfalls kann der Sauerstoffgehalt der nicht aus Brennstoff bestehenden Komponente variiert werden, und alle derartigen Gemische werden hier als "Luft" bezeichnet. Das der Verbrennungszone zugeführte Brennstoff-Luftgemisch braucht nur 10 Volumprozent oder weniger freien Sauerstoff zu enthalten, was z.B. der Fall sein kann, wenn man als Quelle für Sauerstoff einen Abgasstrom verwendet, in dem bereits ein Teil des Sauerstoffs reagiert hat.

Die verwendbaren kohlenstoffhaltigen Brennstoffe können bei normalen Bedingungen von Temperatur und Druck gasförmig oder flüssig sein. Geeignete Kohlenwasserstoffbrennstoffe sind z.B. aliphatische Kohlenwasserstoffe von niedrigem Molekulargewicht, wie Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Benzin, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Äthylbenzol, Xylol, Schwerbenzin, Dieselöl, Düsentreibstoff, andere Destillatbrennstoffe' von mittlerer Siedelage, mit Wasserstoff behandelte schwerere Brennstoffe und dergleichen.' Andere geeignete kohlenstoffhaltige Brennstoffe sind Kohlenmonoxid, Alkohole, wie Methanol, Äthanol, Isopropanol, Äther, wie Diäthyläther,und aromatische Äther, wie Äthylphenyläther. Beim Verbrennen von verdünnten Brennstoffen, die inerte Gase enthalten, wie z.B. von Kohlengas von niedrigem Heizwert, können

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die Brennstoff-Luftgemische mit adiabatischen Flammentemperaturen in dem hier angegebenen Bereich brennstoffreich (fett) oder brennstoffarm (mager) sein. Wenn fette Gemische verwendet werden, kann den aus der Katalysatorzone austretenden Verbrennungsprodukten weitere Luft oder weiteres Brennstoff-Luftgemisch zugesetzt werden, um einen Gesamtluftüberschuss für die vollständige Verbrennung der Brennstoffkomponenten zu Kohlendioxid und Wasser zur Verfügung zu stellen. Thermische Reaktionen können sich auch noch hinter der katalysatorhaltigen Zone abspielen, sofern die Temperatur des Abgases wesentlich über der momentanen Selbstentzündungstemperatur liegt.-

Beim Arbeiten mit fetten Brennstoffgemischen ist es oft zweckmässig, ein Brennstoff-Luftgemisch zu verwenden, das mindestens etwa 25 und vorzugsweise mindestens etwa 35 Gewichtsprozent derjenigen Menge an freiem Sauerstoff enthält, die für die vollständige Oxidation des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist. Beim Arbeiten mit fetten Brennstoff gemischen können daher die aus der Verbrennungszone austretenden Verbrennungsprodukte einen verhältnismässig hohen Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen haben. Die teilweise oxidierten Verbrennungsprodukte können mit mindestens der ausreichenden Menge an Luft gemischt werden, um den noch darin enthaltenen Brennstoff vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen. Das Gemisch aus teilweise verbrannten Verbrennungsprodukten und Luft kann in einer sich unmittelbar an den Auslass der primären Verbrennungszone anschliessenden thermischen Verbrennungszone verbrannt werden. Gegebenenfalls kann die thermische Oxidation sogar teilweise in dem Bereich der Turbinenschaufeln erfolgen. Es ist auch möglich, die teilweise verbrannten Verbrennungsprodukte zum Antrieb einer ersten Turbine zu verwenden und die Abgase dieser Turbine dann thermisch oder katalytisch mit einer zusätzlichen Luftmenge weiter zu verbrennen, um die Gase wiederaüfzuheizen und Energie für eine zweite Turbine zu gewinnen.

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Die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches vor der Verbrennungszone ist vorzugsweise höher als die maximale Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit an oder vor dem Katalysatoreinlass, um ein Zurückschlagen zu vermeiden, das zu einer stöchiometrischen Verbrennung bei hoher Temperatur und mithin zur Bildung von NO führt. Vorzugsweise wird diese Geschwindigkeit in der Nähe des Katalysatoreinlasses innegehalten. Geeignete lineare Gasgeschwindigkeiten liegen gewöhnlich über etwa 90 cm/sec; jedoch können je nach Faktoren, wie Temperatur, Druck und Zusammensetzung, erheblich höhere Geschwindigkeiten erforderlich sein. .

Der Katalysator arbeitet im allgemeinen bei Temperaturen in der Nähe der theoretischen adiabatischen Flammentemperatur des. der Verbrennungszone zugeleiteten Brennstoff-Luftgemisches. Es ist nicht erforderlich, dass der gesamte Katalysator sich auf diesen Temperaturen befindet; jedoch befindet sich vorzugsweise der grösste Teil oder im wesentlichen die Gesamtheit der Katalysatoroberfläche auf einer solchen Arbeitstemperatur. Diese Temperaturen liegen gewöhnlich im Bereich von etwa 650 bis 1750° C, vorzugsweise von etwa 1100 bis 1650° C. Bei Temperaturen unter etwa 800° C verläuft die Verbrennung in üblicher Weise als heterogene, durch den Massentransport begrenzte Oxidationsreaktion an der Oberfläche des Katalysators. Bei Temperaturen über etwa 925° C ist die Reaktion nicht mehr durch den Massentransport zur Oberfläche des Katalysators begrenzt. Die Temperatur der den Katalysator enthaltenden Zone wird gesteuert, indem man die Zusammensetzung des Brennstoff-Luftgemisches und mithin die adiabatische Flammentemperatur sowie die Gleichmässigkeit des Gemisches steuert. Energiereichere Brennstoffe können mit grösseren Luftmengen gemischt werden, um die gewünschte Temperatur in der Verbrennungszone aufrechtzuerhalten. Am oberen Ende des Temperaturbereichs sind kürzere Verweilzeiten der Gase in der Verbrennungszone angebracht, um die Gefahr der Bildung von Ν0_χ zu verringern. Die Verweilzeit richtet sich weitgehend

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nach Temperatur, Druck und Raumströmungsgeschwindigkeit und wird im allgemeinen in Millisekunden gemessen. Die Verweilzeit der Gase in der den Katalysator enthaltenden Zone und in einer etwa darauffolgenden thermischen Verbrennungszone kann unter etwa 0,1 Sekunde, vorzugsweise unter etwa 0,05 Sekunde, liegen. Die Raumströmungsgeschwindigkeit der Gase kann z.B. oft im Bereich von 0,5 bis 10 oder mehr Millionen m Gesamtgas ' (gemessen bei NTP) je m der gesamten Verbrennungszone je . Stunde liegen. Bei einer ortsfesten Turbine, die mit Dieselöl arbeitet, können typische Verweilzeiten etwa 30 Millisekunden oder weniger betragen, während bei einer Kraftfahrzeugturbine, die mit Benzin betrieben wird, die typische Verweilzeit weniger als 5 Millisekunden betragen kann. Die gesamte Verweilzeit in dem Verbrennungssystem soll ausreichen, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffs herbeizuführen, soll aber nicht so lang sein, dass sich NO bildet.

Jv.

In den Abgasen enthaltene Oxide des Stickstoffs können aus der dem System zugeführten Luft oder sogar aus Verunreinigungen des Brennstoffs stammen. Die Verbrennung erfolgt jedoch beim Betrieb der Turbine gemäss den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im wesentlichen ohne Bildung von N0_v. In typi-

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scher Weise enthalten die Verbrennungsprodukte weniger als etwa 15 und oft weniger als etwa 10 ppm N0„ (bezogen auf das

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Volumen) über diejenige Menge hinaus, die dem Verbrennungssystem zugeführt worden ist. Der Gehalt des Abgases an NO kann sogar geringer sein als derjenige der zugeführten Luft. Ferner kann das Abgas von der Verbrennung eines stickstofffreien kohlenstoffhaltigen Brennstoffs weniger als etwa 2 ppm NO (bezogen auf das Volumen) enthalten. Von weiterer Bedeutung ist es, dass das Abgas weniger als 10 ppm Kohlenwasserstoffe und häufig weniger als 300 ppm Kohlenmonoxid sowie weniger als 20 ppm NO , bezogen auf das Volumen, enthalten

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kann. Abgase mit so geringem Gehalt an Luftverunreinigungen sind vorteilhaft und liegen weit unter den Normen der "Federal Emission Standards", die von der "Environmental Protection

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Agency¹¹ für 1976 für die Schadstoffemission von Kraftfahrzeugen festgelegt worden sind.

Um den thermischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu verbessern, kann die Luft und sogar der Brennstoff vor dem Einleiten in die den Katalysator enthaltende Verbrennungszone erhitzt werden. Das Brennstoff-Luftgemisch für eine mit voller Geschwindigkeit laufende Nichtregenerativturbine kann z.B.· vor dem Überleiten über den Katalysator eine Temperatur von mindestens etwa 200° C aufweisen, während es für eine Regene-. rativturbine beispielsweise eine Temperatur von etwa 540 C haben kann. Gewöhnlich ist es nicht nötig, das Brennstoff-Luftgemisch auf über 800° C vorzuerhitzen.

Als festen oder starren Oxidationskatalysator kann man für die Zwecke der Erfindung verschiedene, für die Oxidation von Brennstoffen übliche Katalysatoren verwenden. Der Katalysator kann z.B. aus einem Träger und einer aktiven Komponente mit oder ohne Zusatz anderer Aktivatoren oder Beschleuniger bestehen. Diese Katalysatoren können die verschiedensten Stoffe enthalten und die verschiedensten Formen haben. Zum Beispiel kann der Katalysator aus einer Schüttung von Tabletten, Sätteln, Ringen oder dergleichen bestehen. Vorzugsweise besteht der Katalysator aus einer monolithischen oder einstückigen Struktur in Form eines keramischen Trägers, der mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Komponenten getränkt ist. Monolithische Strukturen dieser Art können geformte keramische Fasern, gewöhnlich in zylindrischer Form, oder dünnwandige Wabenkörper sein. Die Strömungskanäle in den Wabenkörpern verlaufen' gewöhnlich parallel und können jede beliebige Querschnittsform, z.B. dreieckig oder sechseckig, haben. Die

Anzahl der Kanäle je cm kann je nach dem besonderen Verwendungszweck variieren; im Handel sind monolithische Wabenkörper mit etwa 7,75 bis 310 Kanälen je cm² erhältlich. Der Träger des Wabenkörpers ist zweckmässig porös, kann aber auch im wesentlichen unporös sein, und ist katalytisch verhältnismäs-

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sig inert. Der Träger kann mit einem porösen Film oder Überzug, z.B. aus Aluminiumoxid, versehen sein, der mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Komponenten getränkt ist. Körper dieser Art sind besonders geeignet, weil der Druckabfall der Gase in ihnen verhältnismässig gering ist und sie im allgemeinen selbsttragend sind. Die katalytisch aktive Komponente des Katalysators ist im allgemeinen ein Metall entweder in elementarer Form oder in Form einer Verbindung, wie eines Oxids. Beispiele für solche Metalle sind Zirkonium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Cer, Kobalt, Nickel und Eisen. Der jeweilige Katalysator und seine Menge können sich in erster Linie nach der Bauart des Verbrennungssystems, der Art des Brennstoffs und der Arbeitstemperatur richten. Der Druckabfall der durch den Katalysator strömenden Gase kann z.B. weniger als etwa 0,7 kg/cm betragen und beträgt vorzugsweise weniger als etwa 0,2 kg/cm oder weniger als 10 % des Gesamtdruckes.

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

Fig. 1 erläutert in schematischer Darstellung das Verfahren und eine Vorrichtung gemäss der Erfindung in einer Ausführungsform, die mit einem Verdichter 10, einer den Katalysator enthaltenden Verbrennungskammer 26 und einer Turbine 14 arbeitet.

Fig. 2 erläutert in schematischer Darstellung das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung in einer Ausführungsform, die mit einem Verdichter 10, einer Verbrennungskammer 26, einer freien Turbine 15 und einer Leistungsturbine 54 ar. beitet.

Fig. 3 ist das oben beschriebene Diagramm, das die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur für eine Verbrennung in Gegenwart eines festen Oxidationskatalysators darstellt.

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Fig. 4 erläutert in schematischer Darstellung das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung in einer Ausführungsform, die von einem Katalysator zur Verbrennung von Brennstoff Gebrauch macht, wobei die Verbrennungsluft in Form des Restgases einer chemischen Anlage, nämlich einer Anlage zur Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak, zugeführt wird.

In Fig. 1 wird der Luftverdichter 10 von der rotierenden Welle 12 angetrieben, die ihrerseits von der Turbine 14 angetrieben wird. Die Welle 12 kann mit einem geeigneten Kraftübertragungssystem verbunden sein, um die der Welle 12 durch die Turbine 14 mitgeteilte Energie auszunutzen. Die Turbine 14 treibt einen elektrischen Generator oder ein Kraftfahrzeug über ein automatisches Getriebe. Das Turbinensystem einschliesslich der Turbine 14 und des Verdichters 10 kann z.B. eine Turbine mit einem hohen Verdichtungsverhältnis von 10:1 aufweisen. Im allgemeinen haben Turbinen Verdichtungsverhältnisse von minde-? stens etwa 2:1 und typisch von mindestens etwa 5 :1, so dass die Verbrennung bei höheren Drücken als dem Aussendruck erfolgt. Die Verdichtungsverhältnisse beziehen sich auf die ungefähre Anzahl von Atmospären, unter eier sie Verbrennung stattfindet. Kraftfahrzeuge arbeiten im allgemeinen mit Turbinen mit einem Verdichtungsverhältnis von etwa 5:1, so dass die Verbrennung bei der Nenngeschwindigkeit unter einem Druck von etwa 5 ata stattfindet, wenn die Umgebungsluft sich auf 1 at befindet. Bauart, Betriebsweise und Steuerung von Turbinen sind dem Fachmann bekannt; sie brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Die Einlassluft wird der Einlassleitung 13 zugeführt und in dem Luftverdichter 10 verdichtet. Die verdichtete Luft strömt durch Leitung 22 zu dem Luftzuteilungsventil 24, wo sie in einen mit dem Brennstoff zu mischenden Teil und einen zweiten, mit den Verbrennungsprodukten zu mischenden Teil zerlegt wird.

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Der mit dem Brennstoff zu mischende Teil der verdichteten Luft strömt von dem Zuteilungsventil 24 durch Leitung 28, in der sich ein Strömungsmesser 30 und ein Thermoelement 23 befinden. Die Luft strömt durch den Strömungsmesser 30, an dem Thermoelement 23 vorbei, wird mit dem Brennstoff gemischt und tritt dann in die Verbrennungskammer 26 ein. Der Strömungsmesser misst das Volumen und das Thermoelement 23 die Temperatur der durch Leitung 28 strömenden Luft. Die Menge des dem Turbinensystem durch Leitung 36 zugeführten Brennstoffs wird durch den in dieser Leitung befindlichen Brennstoffströmungsmesser 37 gemessen. Diese Menge wird durch das Brennstoffzuführungs-Steuerventil 32, das sich ebenfalls in der Leitung 36 befindet, geregelt. Ein Steuergerät 25 für die Brennstoffströmung spricht über ein Bedarf-Eingangsorgan 35 auf den Energiebedarf an. Das Eingangsorgan 35 seinerseits reagiert auf ein nicht dargestelltes Organ, wie eine Handsteuerung oder ein Regelgerät oder dergleichen. Das Steuergerät 25 wirkt auf das Brennstoffzuführungs-Steuerventil 32 und auf das Luftzuteilungsventil 24 durch die Ausgangsleitung 34 bzw. 31 ein. Das Steuergerät 25 reagiert nicht nur auf das Bedarf-Eingangsorgan 35, sondern auch auf die von den Strömungsmessern 30 und 37 kommenden Volumenmesswertsignale und auf die von dem Thermoelement 23 kommenden Temperaturmesswertsignale auf dem Wege über die Leitungen 27, 39 bzw. 29. Auf diese Weise wird das Verhältnis der durch das LuftZuteilungsventil 24 in die Leitung 28 strömenden Luftmenge zu der durch das Brennstoffzuführungs-Steuerventil 32 zur Vermischung mit dieser Luft in Leitung 28 strömenden Brennstoffmenge so gesteuert, dass in der Verbrennungskammer 26 eine verhältnismässig konstante adiabatische ,Flammentemperatur erhalten bleibt.

Da das Brennstoff-Luftgemisch sich in dem entflammbaren Bereich befindet oder diesen durchschreitet, arbeitet man mit einer Gasgeschwindigkeit oberhalb der Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit des betreffenden Brennstoff-Luftgemisches unter den Bedingungen, die am Einlass der Katalysatorzone

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herrschen, um einer Entflammung und möglichen Detonationen vorzubeugen. Das der Verbrennungskammer 26 mit dieser Geschwindigkeit zugeführte Brennstoff-Luftgemisch wird in der Kammer mit dem Katalysator 38 in Berührung gebracht. Vor dem Katalysator befindet sich ein Thermoelement 40 zum Messen der Temperatur der Verbrennungskammer an dieser Stelle. Hinter dem Katalysator befindet sich ein Thermoelement 42. zum Messen der Temperatur der Verbrennungsprodukte.

Beim Anfahren des Verbrennungssystems werden Brennstoff und Luft der Verbrennungskammer 26 in Mengen zugeführt, die durch das Luftzuteilungsventil 24 und das Brennstoffzuführungs-Steuerventil 32 so gesteuert werden, dass man unter den Bedingungen des Anfahrens ein entflammbres Gemisch mit einer Geschwindigkeit erhält, die unter der maximalen Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit liegt. Das Brennstoff-Luftgemisch wird dann von dem Zünder 44 gezündet und brennt unter Flammenbildung, bis der Katalysator 38 sich auf einer so hohen Temperatur befindet, dass er die Verbrennung nach dem Abschalten des Zünders 44 katalysiert. Um den Katalysator 38 gegen übermässig hohe Temperaturen zu schützen, kann man den Zünder 44 und die Stelle, an der das Brennstoff-Luftgemisch aus Leitung 28 in die Verbrennungskammer 26 eintritt, durch einfache mechanische Änderung der Verbrennungskammer an solche Stellen .verlegen, dass die bei der Verbrennung des Brennstoffs entstehende Flamme nicht direkt auf den Katalysator 38 auftrifft. Sobald die Arbeitsweise des Katalysators stabil geworden ist, wird der Zünder 44 abgeschaltet, und die Ventile 24 und 32 werden auf ihre normalen Stellungen für das Arbeiten bei gesteuerter Temperatur eingestellt, wobei die Flamme erlöscht, da die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches an oder vor dem Katalysatoreinlass über der maximalen Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit des Gemisches unter den Bedingungen liegt, unter denen sich das Gemisch befindet.

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Der zweite Teil der verdichteten Luft strömt aus dem Luftzuteilungsventil 24 durch Leitung 46 in eine Mischkammer 48, die sich unmittelbar hinter dem Auslass der Verbrennungskammer 26 befindet. In der Mischkammer 48 wird der zweite Teil der Luft als Zusatzluft mit den aus der Verbrennungskammer 26 ausströmenden Verbrennungsprodukten gemischt, um ein kühleres Antriebsgas für die Turbine 14 zu erhalten. Dieses Gasgemisch strömt dann durch Leitung 50 zur Turbine 14, wo es dazu dient, die Turbine 14 anzutreiben und die Welle 12 in Umdrehung zu versetzen. Das aus der Turbine 14 strömende Abgas wird durch Leitung 52 abgeleitet.

Eine Änderung der Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Turbinensystems kann folgendermassen erfolgen: Wenn z.B. die Ausgangsleistung der Turbine erhöht werden soll, wird das Bedarf-Eingangsorgan 35 so eingestellt, dass es von dem Steuergerät 25 eine solche Erhöhung verlangt. Als Reaktion auf das Steuergerät 25 erhöht das Brennstoffregelventil 3.2 die Menge des Brennstoffs, und das LuftZuteilungsventil 24 erhöht die Menge der Luft in dem richtigen Verhältnis, um das der Verbrennungskammer 26 zugeführte Gemisch auf einer konstanten adiabatischen Flammentemperatur zu halten. Das Steuergerät 25 überwacht das Verfahren so, dass als Reaktion auf die von den Strömungsmessern 30 und 37 und von dem Thermoelement 23 kommenden Signale eine verhältnismässig konstante adiabatische Flammentemperatur des Gemisches innegehalten wird. Daher verbrennt das Brennstoff-Luftgemisch, und die Verbrennungsprodukte verlassen die Verbrennungskammer 26 bei ungefähr derselben Temperatur, auf der sie sich befanden, bevor die An- . derung in den Arbeitsbedingungen vorgenommen wurde.

Da der grösste Teil der dem Verbrennungssystem zugeführten Luft von dem Ventil 24 durch die Leitung 28 zur Verbrennungskammer 26 gelenkt worden ist, strömt ein entsprechend geringerer Teil der Luft durch Leitung 46 zur Vermischung mit den Verbrennungsprodukten in der Kammer 48. Das durch Leitung 50

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zur Turbine 14 strömende Gasgemisch befindet sich nun notwendigerweise auf einer höheren Temperatur, weil es aus einer grösseren Masse von Verbrennungsprodukten und einer kleineren Masse von Zusatzluft besteht. Daher wird der Wärmeinhalt der der Turbine 14 zugeführten Antriebsgase vergrössert, so dass die Turbine mit einer höheren Ausgangsleistung arbeiten kann, obwohl die Temperatur in der Verbrennungskammer 26 verhältnismässig konstant bleibt.

Fig. 2 zeigt eine andere AusfUhrungsform des Turbinensystems gemäss der Erfindung, die sich besonders für Kraftfahrzeuge eignet, bei denen erhebliche Teile ihrer Arbeitszeit aus Leerlauf und Geschwindigkeitsänderungen bestehen. Das Turbinensystem gemäss Fig. 2 ähnelt dem in Fig. 1 dargestellten, und gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem System gemäss Fig. 2 tritt aber die Einlassluft in das Turbinensystem durch den Lufteinlass 16 ein. Ein Luftströmungsregelventil 18, das aus einstellbaren Luftschlitzen 20 besteht, befindet sich in dem Lufteinlass 16 und steuert, die dem Turbinensystem zugeführte Luftmenge. Das Ventil 18 ist so geschaltet, dass es entweder direkt oder, wie dargestellt, über das Regelorgan 41a, die Leitung 41 und das Steuergerät 25 auf das Bedarf-Eingangsorgan 35 reagiert. Das System arbeitet in der gleichen Weise wie dasjenige gemäss Fig. 1, mit dem Unterschied, dass die Steuerung der gesamten Luftströmung eine zusätzliche Variable bildet. Nachdem die Luft durch den Lufteinlass 16 zugeführt worden ist, strömt sie durch das Luftströmungsregelventil 18 zum Verdichter 10 und wird, wie oben beschrieben, verdichtet. Die Verbrennungsprodukte werden nach dem Vermischen mit Zusatzluft in der Mischkammer 48 zum Antrieb der freien Turbine 15 verwendet, die ihrerseits den Luftverdichter 10 über die Welle 11 antreibt. Gegebenenfalls kann man die freie Turbine 15 unter Verwendung eines Reglers, z.B. einer Vorrichtung zum Ändern der Neigung und/oder des Öffnungsgrades der Turbinendüsen, mit konstanter Geschwindigkeit laufen lassen. Das Abgas aus der freien Tur-

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bine 15 strömt durch Leitung 53 in die Leistungsturbine 54, die eine Kraftübertragungswelle 58 antreibt. Die Kraftübertragungswelle 58 kann mit einem geeigneten Kraftübertragungssystem verbunden sein, um die ihr von der Turbine 54 mitgeteilte Energie auszunutzen.

Das Gasgemisch tritt in die freie Turbine 15 "bei der gewünschten Temperatur ein, und die freie Turbine 15 entnimmt den Gasen so viel Energie, dass sie den Verdichter 10 antrei- ben kann. Die Abgase der freien Turbine 15 werden zum Antrieb der Leistungsturbine 54 verwendet. Wenn das Turbinensystem leerläuft, ist das Lufteinlaßsteuerventil 18 nahezu geschlossen, d.h. die Schlitze 20 befinden sich nahezu in Schließstellung. Dann wird die zur Verfügung stehende Energie weitgehend von der freien Turbine 15 verbraucht, und das Antriebsgas enthält nicht mehr genügend Energie, um auch noch die Turbine 54 anzutreiben. Wenn das Lufteinlaßsteuerventil 18 geöffnet wird, gelangt eine grössere Luftmenge in das System. Das Luftzuteilungsventil 24 lässt dann eine proportional grössere Menge Luft in die Verbrennungskammer 26 strömen. Das Steuergerät 25 überwacht die Strömungsmesser 30 und 37 und das Thermoelement 23 so, dass eine konstante adiabatische Flammentemperatur des Brennstoff-Luftgemisches erhalten bleibt.

Das Turbinensteuersystem gemäss Fig. 2 kann auch mit der nur eine Welle aufweisenden Turbine gemäss Fig. 1 oder mit anderen Turbinen betrieben werden, und in ähnlicher Weise kann das in Fig. 1 dargestellte System mit der in Fig. 2 erläuterten freien Turbine verwendet werden."

Fig. 4 erläutert eine Ausführungsforjn des Turbinensystems gemäss der Erfindung, bei der der Katalysator in herkömmlicher Weise bei Temperaturen arbeitet, die die momentane Selbstentzündungstemperatur des Verbrennungsgemisches nicht zu übersteigen brauchen. Das Turbinensystem gemäss Fig. 4 ähnelt demjenigen, das an Hand von Fig. 1 beschrieben .wurde, und gleiche

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Teile sind mit gleichen Bezugs zeichen versehen. Bei dieser Ausführungsform liefert eine Salpetersäureanlage 61, in der sich an die katalytische Oxidation des Ammoniaks zu NO eine weitere Oxidation zu NOp und schliesslich zu Salpetersäure anschliesst, das sauerstoffhaltige Restgas für die katalytische Verbrennungskammer 26. Dieses Restgas enthält nutzbare Wärme von der Oxidation des Ammoniaks und von der durch den Verdichter 10 zugeführten Verdichtungsenergie. Bei dem in Fig. 4 dargestellten System strömt mindestens ein Teil der verdichteten Luft aus dem Zuteilungsventil 24 durch Leitung 62 zum Zerlegungsventil 63. Der Hauptteil dieser Luft strömt dann durch Leitung 64 zur Salpetersaureanlage 61 und wird dort verwendet. Das Re st gas aus der Salpetersaureanlage 61 strömt durch Leitung 28, wird mit gesteuerten Mengen an Brennstoff, die aus Leitung 36 zugeführt werden, gemischt, und das Gemisch gelangt zur Verbrennungskammer 26. Das Restgas enthält etwa 2 bis 3 % Sauerstoff und dient als Verbrennungsluft.

Für den Fall, dass steuerbare geringe Mengen verdichteter Luft von dem Zerlegungsventil 63 an der Salpetersäureanlage 61 vorbeigeleitet werden sollen, um das Auftreten von Strömungsstößen in der Anlage zu vermeiden, steht eine Umgehungsleitung 65 zur Verfügung. Zwischen dem Brennstoffströmungs-Steuergerät 25 und der Anlage 61 ist eine Zweiwegverbindung 66 vorgesehen, so dass.das Steuergerät 25 auf Strömungsänderungen in der Salpetersäureanlage 61 reagiert und andererseits die Instrumente der Salpetersäureanlage auch auf Änderungen im Energiebedarf reagieren, so dass auf dem Wege über eine Verbindung 67 von der Salpetersäureanlage zum Ventil 63 das letztere so eingeregelt werden· kann, dass die gewünschte Luftströmung zur Anlage 61 erhalten bleibt.

Die folgenden Beispiele erläutern im einzelnen die Ausführungsformen gemäss der Erfindung, insbesondere das Verfahren zum Steuern der Temperatur in einer Verbrennungszone auf einen

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ungefähr konstanten Wert, wobei die Verbrennungszone durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in Gegenwart eines Katalysators zu Verbrennungsprodukten betrieben wird, die nur sehr geringe Mengen an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Oxiden des Stickstoffs enthalten. Alle Mengenverhältnisse beziehen sich, falls nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht.

Als Katalysator wird in den Beispielen ein einstückiger Wabenkörper mit einem Nenndurchmesser von 15,24 cm verwendet, der in der Verbrennungszone in Form zweier gesonderter Stücke angeordnet ist, von denen jedes von parallelen Strömungskanälen einer Länge von 5,7 cm durchsetzt wird. Zwischen den beiden Stücken befindet sich ein kleiner Raum von etwa 6,4 mm Weite.

2 Beide Katalysatorstücke haben etwa 15,5 Strömungskanäle je cm •Querschnittsfläche, und die Wandungen der Kanäle haben eine Dicke von 0,25 mm. Die Katalysatoren haben ähnliche Zusammensetzungen und bestehen aus einem Wabenkörper aus-Zirkon-Mullit mit einem Aluminiumoxidüberzug, der Palladium, Chromoxid und Ceroxid enthält.

Der in diesen Beispielen verwendete Katalysator kann hergestellt werden, indem man 2400 g aktiviertes Aluminiumoxidpulver mit Teilchengrössen von weniger als 0,425 mm in einem Mischer in einer Lösung von 2526 g Cr(NO,),·9Η₂0 und 1382 g Ce(NO,),·6Η₂0 in 890 ml Wasser aufschlämmt. Das Gemisch wird über das Wochenende bei 120° C getrocknet. Die getrockneten Feststoffe werden zerkleinert und auf Teilchengrössen von weniger als 0,425 mm ausgesiebt, worauf man das Pulver 4 Stunden bei 1000° C calciniert. Eine 13,25 1 fassende Kugelmühle wird mit 3200 g dieses Pulvers und 3200 ml Wasser sowie 145,4 g Palladiumnitrat beschickt. Die Mühle wird 17 Stunden mit ^; 54 U/min umlaufen gelassen. Der so erhaltene Schlicker hat eine Dichte von 1,63 g/ml, einen pH-Wert von 4,20 und eine Viscosität von 12 cP. 1625 g dieses Schlickers werden mit

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1180 ml einer 1-prozentigen Salpetersäurelösung verdünnt. Der Wabenkörper aus Zirkon-Mullit wird in den verdünnten Schlicker getaucht, eine Minute darin gehalten und dann herausgezogen, worauf man den überschüssigen Schlicker mit Luft abbläst. Der beschichtete Wabenkörper wird 16 Stunden bei 110° C getrocknet und dann 2. Stunden bei 500 C calciniert. Der Wabenkörper wird gekühlt und zeigt'dann eine Aufnahme von 11,0 Gewichtsprozent Schlicker oder Überzug.

Der anfängliche oder stromaufwärts gelegene Teil des Katalysators in der Verbrennungskammer der Beispiele 1 und 2 hat einen katalytischen Überzug von 13,9 Gewichtsprozent des Katalysators. Dieser Überzug besteht zu 70 Gewichtsprozent aus Aluminiumoxid, zu 14 Gewichtsprozent aus Cr^O, und zu 16 Gewichtsprozent aus CeO2» Ferner enthält der Katalysator 0,23 Gewichtsprozent Palladium (berechnet) in dem Überzug. Der in der Strömungsrichtung darauffolgende Katalysator hat einen ähnlichen Überzug aus Aluminiumoxid, Ceroxid und Chromoxid in einer Menge von 11,0 Gewichtsprozent des Katalysators. Dieser Katalysator enthält 0,18 Gewichtsprozent Palladium (berechnet) in dem Überzug.

Beispiel 1

Eine Turbine wird gemäss Fig. 1 betrieben. Luft wird dem System mit einer Geschwindigkeit von 0,36 kg/sec zugeleitet und verdichtet. Die verdichtete Luft wird auf 315° C vorerhitzt. 0,18 kg/sec der verdichteten Luft werden mit so viel Schwerbenzin gemischt, dass das Gemisch eine theoretische adiabatische Flammentemperatur von 1260° C aufweist.

Das Brennstoff-Luftgemisch wird an einem Katalysator verbrannt, der 1,0 Gewichtsprozent Platin und 10,0 Gewichtsprozent aktiviertes Aluminiumoxid auf einem Wabenkörper aus Cordierit enthält; das aktivierte Aluminiumoxid hat eine spe-

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zifische Oberfläche von 150 m /g, und der Wabenkörper ist

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5,1 cm dick. Die aus der Verbrennungszone abströmenden Verbrennungsprodukte haben eine Temperatur von 1200 C. Sie werden mit 0,18 kg/sec vorerhitzter Zusatzlunft gemischt, und die Temperatur des Antriebsgases für die Turbine beträgt 760° C. Wenn das Antriebsgas diese Temperatur aufweist, läuft die Turbine im Leerlauf. Eine Änderung im Betrieb der Turbine wird vorgenommen, indem man 0,27 kg/sec Luft mit dem Brennstoff misqht. Die Verbrennungsprodukte befinden sich immer noch auf einer Temperatur von 1200° C. Die Verbrennungsprodukte werden mit 0,09 kg/sec Zusatzluft gemischt, so dass ein Antriebsgas für die Turbine mit einer Temperatur von 980° C entsteht, was für eine erhöhte Ausgangsleistung der Turbine ausreicht.

Beispiel 2

Eine Turbine wird gemäss dem in Fig. 2 abgebildeten Schema mit technischem unverbleitem Benzin betrieben. Die Brennstoffströmungsgeschwindigkeit beträgt 30,4 kg/h, und die Menge der Verbrennungsluft wird mit dem Luftströmungssteuerventil 18 auf 975 kg/h eingestellt. Die Nenngeschwindigkeit der verdichteten Luft beträgt 12,2 m/sec. Die Temperatur des Brennstoff-Luftgemisches am Einlass der Verbrennungskammer beträgt 365 C, die Verbrennungstemperatur in der Nähe des Katalysators 1315° C, und die Menge der Verdünnungsluft wird so eingestellt, dass ein Abgasgemisch mit einer Temperatur von 925° C anfällt. Das aus der Verdünnungszone abströmende Abgasgemisch wird in einer Turbine expandieren gelassen, wobei es die Turbine in Umdrehung versetzt, und wird durch eine Prüfkammer abgezogen, um seinen Gehalt an Luftverunreinigungen zu bestimmen. Es wird gefunden, dass:das Abgas nur wenig Verunreinigungen enthält. Dann wird die*Ausgangsleistung erhöht, indem man das Luftströmungssteuerventil so einstellt, "dass es die Luftströmung · auf 272 kg/h erhöht. Die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes wird proportional auf 84,4 kg/h erhöht, um die Temperatur in der Verbrennungszone konstant zu halten. Das Verhältnis von Verdünnungsluft zu Verbrennungsluft sowie die Tem-

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peraturen der aus der Verbrennungskammer abströmenden Verbrennungsprodukte und der aus der Verdünnungszone strömenden Abgase, werden konstant gehalten. Wiederum zeigt das Abgas nur einen geringen Gehalt an Verunreinigungen.

Beispiel 3

Eine Turbine wird gemäss Beispiel 2 mit technischem unverbleitem Benzin betrieben, wobei jedoch in diesem Falle das Luftzerlegungsorgan einstellbar ist. Die Brennstoffgeschwindigkeit beträgt 52 kg/h und die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft 1815 kg/h. Die Verbrennungsluft wird mit einer Nenngeschwindijgkeit .von 10,7 m/sec dem Einlass der Verbrennungskammer zugeführt. Die' Temperatur des Brennstoff-Luftgemisches am Einlass der Verbrennungskammer beträgt 430 C. Die Temperatur in der Verbrennungszone beträgt 1345° C, und die Verbrennungsprodukte werden mit so viel Verdünnungsluft gemischt, dass das Abgas eine Temperatur von 1150° C aufweist. Das Abgas aus der Verdünnungszone wird in einer Turbine expandieren gelassen, wobei es die Turbine in Umdrehung versetzt, und wird dann durch eine Prüfkammer gemäss Beispiel 2 geleitet. Durch Verminderung der Gesamtluftströmung zum Verdichter mit Hilfe eines Luftströmungs-Regelgerätes auf 1360 kg/h wird die Ausgangsleistung herabgesetzt. Hierbei wird auch das Verhältnis der der Verbrennungskammer zugeführten Luftmenge zu der der Verdünnungszone zugeführten Luftmenge so verringert, dass das aus der Verdünnungszone strömende Abgas eine Temperatur von 1040° C aufweist, und die Brennstoffströmung wird so eingestellt, dass in der Verbrennungszone eine Temperatur von 1345° C erhalten bleibt. Der Gehalt der Abgase an Verunreinigungen ist wiederum sehr gering. *

Beispiel 4

Eine mit einer Gasturbine betriebene, 136 t Salpetersäure pro Tag erzeugende Anlage wird mit dem Turbinensystem gemäss Fig. betrieben. Luft tritt in das System mit einer Geschwindigkeit

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von 9 kg/sec ein und wird auf 10 at verdichtet. 85 bis 95 % der Luft werden der Salpetersäureanlage zur Verwendung darin zugeführt. Restgas von der Salpetersäureanlage strömt zu dem katalytischen Verbrennungsreaktor, der unter durch Massen-· transport begrenzten Bedingungen arbeitet, und dann zu einer Turbine, die die für den Betrieb der Anlage benötigte Energie erzeugt. Das Restgas wird innig mit Brennstoff gemischt und dann dem katalytischen Reaktor in solchen Mengen zugeführt, dass die Katalysatortemperatur bei 760 C konstant bleibt. Die Ausgangsleistung der Turbine wird durch Steuerung der den katalytischen Reaktor umgehenden Luftmenge so eingeregelt, dass die Turbineneinlasstemperatur variieren kann. Um schnelle Änderungen'in der Ausgangsleistung zu ermöglichen, ohne dass es in der Salpetersäureanlage zu Strömungsstößen kommt, kann die Zusatzluft, die für Ausgangsleistungen oberhalb derjenigen erforderlich ist, die aus dem Restgas der Salpetersäureanlage unter stetigen Betriebsbedingungen gewonnen werden können, dem katalytischen Reaktor ohne Durchgang durch die Salpetersäureanlage zugeführt werden.

Herkömmliche katalytische Systeme für Salpetersäureanlagen können gewöhnlich nur 80 % des Energiebedarfs der Anlage liefern, weil sie nicht imstande sind, bei unterschiedlichen Belastungen zu arbeiten. Dies liegt an der grosseri Katalysatormasse, die erforderlich ist, und an der sich daraus ergebenden hohen thermischen Trägheit einer solchen grossen Katalysatormasse gegenüber Temperatüränderungen. Infolgedessen kann die Einlasstemperatür der Turbine und mithin ihre Ausgangsleistung für typische Belastungsschwankungen nicht schnell genug geändert werden. Im Gegensatz dazu liefert das System dieses Beispiels zusätzliche Energie, die anderweitig genutzt werden kann. Man kann mit volumetrischeh Raumströmungsgeschwindigkeiten durch den katalytischen Reaktor im Bereich von 30 000 bis 200 000 Raumteilen je Raumteil je Stunde arbeiten.

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Claims (11)

•ar Engelhard Minerals & Chemicals Corporation B-1097a Patentansprüche

1.'Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine durch Verbrennen

von kohlenstoffhaltigem Brennstoff im Verlaufe eines Arbeitszeitraums der Turbine, in dem Schwankungen im Brennstoffbedarf oder in der Temperatur der Verbrennungsluft auftreten, durch inniges Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, Verbrennen mindestens eines Teils des in dem Gemisch enthaltenen Brennstoffs unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen in Gegenwart eines festen Oxidationskatalysators zu Verbrennungsprodukten von hoher Wärmeenergie und Zuführen der Verbrennungsprodukte zu einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass man im wesentlichen gleichzeitig mit der Erzeugung des Brennstoff-Luftgemisches das Verhältnis von Brennstoff zu Verbrennungsluft in dem Gemisch so steuert, dass die adiabatische Flammentemperatur des Gemisches auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass man das Brennstoff-Luftgemisch derart erzeugt und steuert, dass es eine solche adiabatische Flammentemperatur aufweist, dass der Katalysator bei einer Temperatur wesentlich über der momentanen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luftgemisches, aber unterhalb derjenigen Temperatur arbeitet, bei der sich eine wesentliche Menge von Oxiden des Stickstoffs bilden würde.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Verbrennungsprodukten vor ihrer Zuführung zu der Turbine Zusatzluft beimischt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Menge der dem Brennstoff zugemischten Verbrennungsluft und die Menge der den Verbrennungsprodukten zügemischten Zusatzluft umgekehrt proportional derart steuert, dass eine Erhöhung der Menge der dem Brennstoff zugemischten Verbrennungsluft eine Verminderung der den Verbrennungsprodukten zugemischten Zusatzluft und eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Turbine zur Folge hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man den Katalysator in einer Verbrennungszone anordnet und das Brennstoff-Luftgemisch der Ver.brennungszone mit einer Geschwindigkeit zuführt, die an oder vor dem Katalysator über der maximalen Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit des Gemisches liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Variieren der Brennstoffmenge in dem Brennstoff -Luftgemisch die Ausgangsleistung der Turbine in direkter Abhängigkeit von der Brennstoffmenge variiert.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Brennstoff-Luftgemisch so erzeugt und steuert, dass es eine adiabatische Flammentemperatur im Bereich von etwa 925 bis 1750° C aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luftgemisch das etwa 1,5fache der Sauerstoffmenge enthält, die stöchiometrisch erforderlich ist, um den Brennstoff vollständig zu Kohlendioxid und Was-: ser zu verbrennen.

9. Verfahren nach Anspruch Λ bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Brennstoff-Luftgemisch in Gegenwart des Katalysators bei einer Verweilzeit von.weniger als etwa 0,05 see verbrennt.

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10. Turbinensystem, enthaltend

(a) eine Gasturbine,
■ (b) einen Luftverdichter,

(c) eine an den Verdichter angeschlossene Mischzone zur Aufnahme von verdichteter Luft und Brennstoff und Erzeugung eines innigen Gemisches aus Brennstoff und verdichteter Luft,

(d) ein Messorgan zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit der in die Mischzone gelangenden verdichteten Luft,

(e) Brennstoffregel- und -zuführorgane, die auf den Energiebedarf der Turbine ansprechen und mit dem Messorgan derart verbunden sind, dass sie der Mischζone die Brennstoffmenge zuführen, die erforderlich ist, um ein gesteuertes Verhältnis von Brennstoff zu verdichteter Luft zu erhalten,

(f) eine Verbrennungskammer mit einem Oxidationskatalysator zur Aufnahme und Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches und

(g) eine Leitung zum Zuführen der Verbrennungsprodukte zu der Turbine,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Messorgan (d) (30) mit einem Temperaturmessgerät (23) zum Messen der Temperatur der verdichteten Luft kombiniert ist und die Brennstoffregel- und -zuführorgane (e) (25» 37) ebenfalls mit dem Temperaturmessgerät (23) in Verbindung stehen.

11. Turbinensystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein selektiv auf den Energiebedarf der Turbine (15) reagierendes Zerlegungsorgan (24) zur Aufnahme von verdichteter Luft aus dem Verdichter (10), das imstande ist, die verdichtete Luft selektiv in einen ersten und einen zweiten Teil zu zerlegen, eine Leitung (28) zum Zuführen des ersten

' Teils der verdichteten Luft zu der Mischzone und eine zwei-

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te Mischzone (48) zur Aufnahme der Verbrennungsprodukte und des zweiten Teils der verdichteten Luft.

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