DE2918296A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von energie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von energie

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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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Description

1 D ^ Q *) O η L 3 ί O I Β D
. u :α g
Die Erfiri-riur.-^ besisht sich auf .-sins 'verrichtung und sin verfahren sr.::" Erhöhung dsr Effisieris: bsiiß Bet?rieb sin.es Snercriesrseuc^tHvesFSteiuei., in dsra flüssicrer Kraftstoff verbrannt vrira..
Bsi konventionellen Krafterse^gtiags3ysteiftsnf "vie sie bei·= s^islsiryeise ir. einer Gi.scürbinenanleja geiuäß Pig,. 1 sum 3insaiE icor3iie... i ifird Luft; mit eineiu Sauerstoff anteil von 2*; v"olnae:i% i:i einam Kompressor 1 Terdiehtety aia mit dem "<r=;ftstoff S^ rsac;iersn, der mittels -siner Sinsprits^orricht^ng 2 in Sasfornt oder in der Fora v"c:u Mikrotröpf säen in die verdientste Luft singebraolit vrirä« 3ie atif diese Waise erseugta Bnergia client äem Antrieb einer jkrheχtsxjizhlzjs 3, die über ei^ari Generator ^ beispielsv^siss 100 Msgawatt 'er- £~^gt. Die ■rjrbiraraa.ögaaa 5 h&ben si"a Temperatur von etwa 56O° C yv;d encrislte^ 15 % CG,«„ Solche Äfogasa können sur ::Beferi£rü;ig" 3i:iss Dampfkessels 6 dienen f dessen Dampf eine Dampfturbins 7 s,ntre=ibt., die mittels eines Generators 8 ■«eitere, baispialtrweise 60 Megawattf erbringen ka»a„ Die Abgoss 9 traten bei 150*" C ims? der dabei nicht umgewandelte Sauerstoff liege bei 15 volumen.!.. und der Gehalt an Stickstof zc^iäen lieqt Ixu Bereich von 40 - 5GO ppm« Die gesamte stungsabgabe des By^ tesis beträgt in diesem Fall 160 Megawatt
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und es werden 6% des Sauerstoffgehaltes der verwendeten Luft ausgenutzt. Die thermische Effizienz des Verfahrens ist gering, der Wirkungsgrad liegt bei 37%, und zwar wegen des hohen Anteiles an ungenutztem Sauerstoff.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die thermische Effizienz des oben beschriebenen Verfahrens zu verbessern, ohne dabei die Menge des in die Atmosphäre abgegebenen Stickstoffoxiden spürbar zu erhöhen.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung der gestellten Aufgabe v/erden erfindungsgemäß folgende Schritte vorgeschlagen:
(a) Verdichten von Luft und Verbrennen der verdichteten Luft zusammen mit flüssigem Kraftstoff, der sich in Gasform oder in der Form von Mikrotröpfchen befindet, in einer Gasturbine, die mit einem elektrischen Generator in Antriebsverbindung steht;
(b) Rückführung der im Schritt (a) anfallenden Abgase und deren Zusammenbringen nit einer vorbestimmten Kraftstoffmenge, so daß in dem so erhaltenen Gemisch ein stcchiometrischer SauerstoffÜberschuß von zumindest 1>5% vorliegt;
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(c) Verbrennen des im Schritt (b) erhaltenen Gemisches in einem katalytischen zweistufigen Vergasungsbrenner einer Gasturbine j, um mechanische Antriebsenergie oder Dampfenergie zuip Antrieb des unter (a) genannten oder eines zweiten elektrischen Generators zu erhalten, wobei der katalytische Zweistufenvergasungsbrenner als Block ausgebildet istf der Gasführungskanäle einschließt, durch die die Reaktionsgase so geführt sind,, daß der Druckabfall über den ganzen Brenner weniger als 10 % beträgt=
Vorzugsweise wird eine geringe Kraftstoffmenge den im Schritt (c) erhaltenen Abgasen zugemischt, die dann durch eine WO Niederschlageinheit (in der die Stickstoffoxide 2u Stickstoff und Wasser reduziert werden) geführt werden, wie es in der GB-Patentanmeldung 1330841 beschrieben ist. Hierauf folgt: ein Hinzufügen von mehr Sauerstoff und die Hindurchführung durch einen öxidationskatalysator und einen Wärmetauscher.
Unter diesen Bedingungen wird der beim Schritt (c) verwendete zweite Generator weitere.-160 Megawatt Leistung ergeben, die Abgase treten mit 160° C aus (vor dem NO,,-Niederschlag, dem Oxidationskatalysator'und der Wärmetauschereinheit), während sie nicht mehr als 50 Teile je 1 Million Stickstoffoxide und
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2% Sauerstoff enthalten. Auf diese Weise wurde das System zur Erzeugung von 260 Megawatt verbessert, die thermische Effizienz wurde auf den Wirkungsgrad von 41 % angehoben und die Menge des in die Atmosphäre abgegebenen Stickstoffoxides wurde reduziert und eliminiert, wenn eine nachfolgende NO -Niederschlagseinheit vorgesehen ist.
In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann als Alternative der Schritt (c) durch folgende Schritte ersetzt werden:
(c1) Verbrennen des im Schritt (b) erzeugten Gemisches in einer Brennkammer und unter Verwendung einer Flamme, wobei die Brennkammer so bemessen ist, daß der gesamte Druckabfall über die Brennkammer weniger als 10 % ist und
(d1) Verwenden der im Schritt (c1) angefallenen Abgase zum Beheizen eines Boilers, der zum Antrieb einer Dampfturbine herangezogen wird, die in Antriebsverbindung mit dem genannten oder einem weiteren Generator steht.
Ein praktischer Effekt der alternativen Schritte (c1) und (d1), d.h. eines zweistufigen Verfahrens, ist einerseits, daß der mechanische Gesamtwirkungsgrad etwas geringer als bei Verwendung eines einstufigen Verfahrens mit einem katalytischen zweistufigen Vergasungsbrenner der Gasturbine ist. Die alterna-
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tive Lösung stellt jedoch gegenüber vorbekannten Verfahren immer noch eine erhebliche Verbesserung dar. Auch bei der. .alternativen Lösung sind zweckmäßigerweise die zusätzlichen Stufen des NO Niederschlages, des Oxidationskatalysators und des Wärmeaustauschers vorgesehen.
In -Fig. 2 der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Veränderung der bekannten Lösungen schematisch dargestellt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung haben die Abgase 5 der Turbine wie vorher eine Temperatur von 560° C und einen 02~Gehalt von 15 %. Diesen Abgasen wird nun eine vorbestimmte Kraftstoffmenge 1T zugegeben und das auf diese Weise erzeugte Gemisch wird in einem katalytischen zweistufigen Vergasungsbrenner verbrannt, um einen Boiler 12 und eine Dampfturbine 13 zu "befeuern". Die Turbine Ϊ3 ist mit dem vorerwähnten oder einem weiteren Generator 14 gekoppelt, um zusätzliche 160 Megawatt an elektrischer Energie zu liefern.
Die Abgase werden bei 15, der Dampf wird bei 16 ins Freie abgegeben.
Bei der zweiten Lösung gemäß der Erfindung ist mit dem Bezugszeichen 12 in Fig. 2 die Flammenverbrennungskammer und der
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damit vereinigte Boiler bezeichnet, während die übrigen Bezugszeichen die vorherige Bedeutung haben.
Im katalytischen Brenner kann der erfindungsgemäße Block aus Keramik oder aus Metall bestehen. Beim Betrieb einer Anlage mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein Gesamtdruckabfall von nicht mehr als 6 inches Wassersäule bevorzugt. Großporige Keramikblöcke können zur Anwendung kommen, z.B. Blöcke mit 200 Zellen je inch , zu bevorzugen werden jedoch dünnwandige 'letallblöcke sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung enthält eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stromes eine Gasturbine mit einem katalytischen Brenner für die Verbrennung von flüssigem Kraftstoff, einen ersten Generator, der mit der Turbine in Antriebsverbindung steht, Mittel zum Zufügen von zusätzlichem Kraftstoff zu den Abgasen der Turbine, eine Plammenverbrennungskammer, einen Boiler, eine Dampfturbine und eine mit dieser in Wirkverbindung stehende zweite Arbeitsturbine .
Die Erfindung schließt auch die elektrische Energie ein, wenn sie mit einem Verfahren oder einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erzeugt worden ist.
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Dem Block kann vor dem Beschichten mit dem Katalysator eine Aufschlämmung zugeordnet werden. Die Aufschlämmung kann aus einem großflächigen, feuerfesten Metalloxid bestehen, beispielsweise von Beryllium, Magnesium, Silizium oder Aluminium oder aus Kombinationen von Metalloxiden, wie Bor-Aluminium-Oxid.
Der Block ist vorzugsweise aus einem oder mehreren Metallen der Gruppe mit Ru, Rh, Pd, Ir und Pt gefertigt. Es können jedoch auch Basismetalle oder Basismetall-Legierungen mit Komponenten aus Metallen der Platingruppe Anwendung finden.
Die Wände des Metall-Blockes haben vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 2 bis 4 Tausendstelinch. Die bevorzugten Charakteristiken eines mit einem Katalysator beschichteten Blockes sind (I), daß der Block infolge seines im Verhältnis zum Stoffanteil großen Freiraumanteiles für die durchzuleitenden Gase einen relativ geringen Widerstand darstellt und (II) , daß der Block ein hohes Oberflächen : Volumenverhältnis hat.
Geeignete Metalle der Platingruppe für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Blockes sind Platin, 10% Rhodium-Platin und Dispersionen, die mit Metallen der Platingruppe angereichert sind sowie Legierungen, wie sie in den GB-Patentanmeldungen 1280815 und 1348876 sowie in den US-Patentanmeldungen 3 689 987,
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"*"' : - 1*2"-"' : ' 3 696 502 und 3 709 667 beschrieben sind.
Für die Anwendung geeignete Basismetalle sind solche, die extrem harten Oxidationsbedingungen widerstehen können. Beispiele solcher Basismetalle bzw. -Legierungen sind Nickel-Chrom-Legierungen mit einem Gesamtanteil an Ni und Cr von mehr als 20 Gew.% und Legierungen aus Eisen, die zumindest eines der folgenden Elemente einschließen: Chrom (3-40 Gew.%), Aluminium (1-1O Gew.%), Kobalt (0-5 Gew.%), Nickel (0-72 Gew.%) und Kohlenstoff (0-0,5 Gew.%). Solche Substrate sind in der DE-OS 24 50 669 beschrieben.
Andere Beispiele für Basismetall-Legierungen, die den zu erwartenden harten Sinsatzbedingungen standhalten können, sind Eisen-Aluminium-Chrom Legierungen, die auch Yttrium enthalten können. Solche Legierungen können enthalten 0,5-12 Gew.% Al, 0,1-3,0 Gew.% Y, 0.20 Gew.% Cr und Resteisen. Solche Legierungen sind beschrieben in der US-PS 3 298 826. Ein anderer Bereich von Fe-Cr-Al-Y-Legierungen enthält 0,5-4 Gew.% Al, 0,5-3,0 Gew.% Y, 20,0-95,0 Gew.% Cr und Resteisen; solche Legierungen sind in der US-PS 3 027 252 beschrieben.
Basismetall-Legierungen die als Komponenten Metalle der Platingruppe enthalten, sind auch gut geeignet als katalytische
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Metallblöcke bei sehr hohen Oxidationsteraperaturen, beispielsweise als Katalysatoren bei der Verbrennung in Gasturbinen. Solche Legierungen sind in der US-PS 4 061 und in der DE-OS 25 30 245 beschrieben; sie enthalten zumindest 40 Gew.% Ni oder zumindest 40 Gew.% Co, eine Spur bis zu 30 Gew.% Cr und eine Spur bis zu 15 Gew.% von einem oder mehreren der Metalle Pt, Pd, Rh, Ir, Os und Ru. Die Legierungen können auch von einer Spur bis zu den angegebenen Gew.% von einem oder mehreren der nachfolgenden Elemente enthalten.
Co 25 Ti 6
Al 7
W 20
Mo 20
Hf 2
Mn 2 Si -1.5
V
Nb 5
B 0.15
C 0.15
Ta 10
Zr 3
Fe 20
Sh.und seltene _ rden 3
Die angegebenen Elemente finden
in der Form von Metallen oder Oxiden Anwendung
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Besteht das metallische Substrat entweder ausschließlich oder im wesentlichen aus einem Metall der Platingruppe, so kann es die Form einer aus miteinander verwobenen Drähten bestehenden Drahtgaze, eines Siebes oder einer gewellten Folie bzw. eines solchen Blattes haben. Besteht das metallische Substrat im wesentlichen aus Basismetallen, so hat es vorzugsweise die Form einer gewellten Folie oder eines gewellten Blattes. Diese Typen von Blöcken aus Basismetallen sind auch in der DE-OS 24 50 664 beschrieben, und sie können in Boilern gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung finden. Solche Blöcke aus Basismetallen können mit einer ersten Schicht beschichtet sein, die Sauerstoff enthält sowie mit einer zweiten Schicht, die katalytisch ist. Die Sauerstoff enthaltende Schicht besteht im allgemeinen aus einem Oxid der Elemente folgender Gruppe: Aluminium, Slizium, Titan, Zirkon, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium, Calzium-Oxid, Strontium-Oxid, Barium-Oxid, Chrom, Bor, Scandium-Oxid, Yttrium-Oxid oder aus Oxiden der Lanthaniden. Alternativ kann der Sauerstoff der ersten Schicht auch als ein Sauerstoff enthaltendes Anion aus folgender Gruppe sein Chromat, Phosphat, Silicat und Nitrat. Die zweite katalytische Schicht kann beispielsweise enthalten ein Metall aus folgender Gruppe Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au, Ag, eine Legierung, die zumindest eines der Metalle enthält, und Legierungen, die zumindest eines der Metalle und ein Basismetall enthalten.
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Erste und zweite Schicht können so auf dem Block aufgebracht bzw. so dem Block zugeordnet werden, x-rie es in der DE-OS 24 50 664 beschrieben ist.
Andere katalytische Blöcke haben Strukturen, wie sie in der GB-Patentanmeldung 51219/76 vom 8. Dezember 1976 beschrieben sind.
In der GB-Patentanmeldung 51219/76 ist ein Katalysator beschrieben, der ein metallisches Substrat enthält, auf dem ' eine Schicht aus einer oder mehreren intermetallischen Verbindungen der allgemeinen Formel A B aufgetragen ist, worin A aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ir und Pt und B aus der Gruppe Al, Sc, Y, den Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta ausgewählt ist und χ und y ganze Zahlen ab einschließlich 1 sind.
In der GB-Patentanmeldung 51219/76 ist die Oberflächenbeschichtung aus einer intermetallischen Verbindung vorzugsweise als dünner Film mit einer Dicke zwischen 2 und 15 Mikron aufgetragen.
Zahlreiche Verbindungen vom Typ AB sind miteinander mischbar und Strukturen, bei denen die auf den genannten metallischen
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Substraten aufgetragenen Oberflächenbeschichtungen mehr als eine Verbindung vom Typ A B enthalten, liegen im Bereich der vorliegenden Erfindung.
Wenn die metallische Verbindung in der Form einer Beschichtung auf der Oberfläche des metallischen Substrates aufgetragen ist, die nicht dicker als 15 Mikron ist, so liegt keine außergewöhnliche Sprödigkeit vor und das beschichtete Substrat kann ohne besondere Vorkehrungen gehandhabt werden.
Für die Aufbringung der Beschichtung in der Form eines dünnen Filmes aus intermetallischen Verbindungen auf der Oberfläche eines metallischen Blockes stehen mehrere Techniken zur Verfügung. Um beispielsweise Aluminium auf der Oberfläche einer Rhodium-Platin-Gaze aufbringen zu können, kann das Aluminium-Packungsverfahren angewendet werden. Bei diesem Verfahren wird die Gaze in einen temperaturbeständigen Behälter gepackt, der mit einer zweckentsprechenden Mischung von Chemikalien gefüllt ist, wobei dann Aluminium über die Dampfphase auf der Gazeoberfläche niedergeschlagen wird. Bei der Aluminisierungstemperatur von im allgemeinen 800 - 900° C findet eine Reaktion zwischen Platin und Aluminium statt, um die gewünschte intermetallische Verbindung zu ergeben.
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- -1-7 -η.
Alternativ kann eine chemische Dampfauftragung von Z Cl. angewendet werden, um eine Schicht aus Pt3Zr zu bilden oder es kann die Elektrolyseablagerung angewendet werden, entweder aus der wässrigen oder schmelzflüssigen Salzelektrolyse, zum Erhalt der gewünschten Verbindung.
Welche Methode auch angewendet wird, wesentlich ist die Bildung einer zusammenhängenden Schicht, die eine gute intermetallische Verbindung mit den Drähten der Gaze oder einem anderen Substrat eingeht.
Bei einer anderen Technik werden die Metalle, die die intermetallische Verbindung eingehen sollen, als eine geeignete Lösung in Wasser oder als organische Lösung aufbereitet. Die Verbindung wird durch die Hinzufügung eines Reduktionsmittels veranlaßt, sich auf dem metallischen Substrat in der Form einer Gaze oder dergleichen niederzuschlagen.
Das metallische Substrat wird in die Lösung eingegeben, während der Niederschlag erfolgt, und wird dabei mit einer einheitlichen, mikrokristallinen Schicht der intermetallischen Verbindung beschichtet.
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Claims (1)

  1. J 21 P 214
    Anmelder; JOHNSON, M&TTHEY & CO., LIMITED
    43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, England
    Titel; Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Energie
    Patentansprüche
    { 1. j Verfahren zur Erzeugung von Energie, gekennzeichnet durch folgende Merkmales
    1.1 Verdichten von Luft und Verbrennen dieser verdichteten Luft zusammen mit flüssigem Kraftstoff in Gasform oder in der Form mikroskopisch kleiner Tropfen in einer Gasturbine, die in Antriebsverbindung mit einem elektrischen Generator steht;
    1.2 Rückführen der bei 1.1 anfallenden Abgase und Hinzufügen einer bestimmten Menge Kraftstoff, so daß sich in dem Gemisch aus Abgasen und hinzugefügtem Kraftstoff ein stöchiometrischer Luftüberschuß von zumindest 1,5% ergibt;
    1.3 Verbrennen des sich gemäß 1.2 ergebenden Gemisches in einem katalytischen Vergasungsbrenner einer Gasturbine, die mechanische Energie oder Wasserenergie für den elektrischen Generator gemäß 1.1 oder für einen zusätzlichen Generator liefert, wobei der katalytische Brenner ein Block ist, in dem Gasführungskanäle zur Führung von Reaktionsgasen bei einem maximalen Druckabfall von weniger als 10 % vorgesehen sind.
    7.5.1979 - 2 -
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    INSPECTED
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine geringe Kraftstoffmenge den gemäß 1.3 sich ergebenden Abgasen zugemischt wird und daß dieses Gemisch durch eine NO -Niederschlageinheit geführt wird, in der Stickstoffoxide zu Stickstoff und Wasser reduziert werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale an der Stelle des Merkmals 1.3:
    3.1.3' Verbrennen des im Schritt 1.2 erzeugten Gemisches in einer Brennkammer und unter Verwendung einer Flamme, wobei die Brennkammer so bemessen ist, daß der gesamte Druckabfall über die Brennkammer weniger als 10 % ist;
    3.1.4" Verwenden des im Schritt 3.1.3' angefallenen Abgases zum Beheizen eines Boilers, der zum Antrieb einer Dampfturbine herangezogen wird, die in Antriebsverbindung mit dem genannten oder einem weiteren Generator steht.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus Keramik oder Metall hergestellt ist und als Substrat zum Tragen des katalytischen Materials dient oder selbst aus dem katalytischen Material besteht.
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    7.5.1979 - 3 -
    5. Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, gekennzeichnet durch eine Gasturbine mit einem kata-Xytischen Brenner zum Verbrennen von Kraftstoff, einen mit der Gasturbine in Antriebsverbindung stehenden ersten Generator, Mittel zum Hinzufügen von Kraftstoff zu den Abgasen der Turbine, einen katalytischen Brenner und eine zweite Turbine, die mit dem Brenner in Wirkverbindung steht.
    6. Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, gekennzeichnet durch eine Gasturbine mit einem katalytischen Brenner zum Verbrennen von Kraftstoff, einen mit der Turbine in Wirkverbindung stehenden ersten elektrischen Generator, Mittel zum Hinzufügen von Kraftstoff zu den Abgasen dieser Turbine, eine Flammbrennkammer, einen Boiler, eine Dampfturbine und einen mit dieser in Antriebsverbindung stehenden Generator.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische Brenner einen Block aus Keramik oder Metall einschließt, der das katalytische Material trägt oier selbst aus dem katalytischen Material besteht.
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    7.5.1979 . - 4 -
    SO9S46/078?
    ORl(SiMAL INSPECTED
    S.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem keramischen Block eine erste Beschichtung aus feuerfestem Metalloxid aus der Gruppe Beryllium, Magnesium, Silizium und Verbindungen der Metalloxide von Bor-Aluminium und von Silizium-Aluminium und eine zweite Beschichtung aus einem katalytischen Material zugeordnet ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische 3lock aus einem oder mehreren der Metalle der folgenden Gruppe hergestellt ist: Ru, Rh, Pd, Ir und Pt.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Block aus einem Basismetall, einer Basismetall-Legierung oder einer Basismetall-Legierung mit einem Metall der Platingruppe hergestellt ist.
    J 21 P 214
    7.5.1979 - 5
    §09846/073?
DE19792918296 1978-05-08 1979-05-07 Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von energie Withdrawn DE2918296A1 (de)

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