DE4104382A1

DE4104382A1 - Verfahren zum betreiben einer gasturbine mit verringerter stickoxidemission

Info

Publication number: DE4104382A1
Application number: DE19914104382
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dr Gross
Original assignee: BTB Blockheizkraftwerks Traeger und Betreiber GmbH
Current assignee: BTB Blockheizkraftwerks Traeger und Betreiber GmbH
Priority date: 1991-02-11
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1992-08-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit verringerter Stickoxidemission, insbesondere einer stationären Gasturbine für ein Heiz kraftwerk, durch Verbrennen von Brennstoff ggf. unter Wasserzugabe in einer der Turbine vorgeschalteten Brenn kammer unter Verwendung der Verbrennungsgase als Treib mittel für die Turbine sowie durch selektive nichtkata lytische Reduktion der Stickoxide mit Hilfe NH₂-bilden der Substanzen.

Gasturbinen sind vom Standpunkt der Luftverunreinigung schon aufgrund der hohen Abgasmenge im allgemeinen recht nachteilig.

Bei der Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen mit Luft bilden sich in der Brennkammer der Turbine entspre chend dem Verbrennungsablauf, insbesondere im Tempera turbereich zwischen 1900°C und 2500°C, Schadstoffe in Form von Stickoxiden (NO_x) aus, die mit den Abgasen ins Freie gelangen und eine erhebliche Umweltbelastung darstellen. Die Temperaturen, bei denen zuverlässig eine vollständige Verbrennung erfolgt, sind gleichzeitig auch die Temperaturen mit bevorzugter Stickoxidausbildung bei der Verbrennung, und zwar in Größenordnungen bis zu 300 mg/m³ Abgas. Der absolute Wert der Schadstoffemission wird durch die große Abgas menge noch erhöht.

Problematisch ist weiterhin die Tatsache, daß aufgrund des unzureichend gesteuerten Verbrennungsablaufs die in den Brennstoffen gespeicherte Energie nicht in vol lem Umfang in die gewünschte Energieform umgesetzt werden kann und dadurch die Leistung der Gasturbine unter den erreichbaren Werten bleibt.

Mit dem Ziel der Verminderung der Stickoxidemission und der Erhöhung der Leistung wurde bereits ein Verfah ren für den Betrieb einer Gasturbine vorgeschlagen, wonach durch Einbringen von Wasser oder Wasserdampf in den Brennraum die Verbrennungstemperatur gesenkt und dadurch die NO_x-Emission verringert wird und gleich zeitig durch den mit der Wassereinspritzung bewirkten erhöhten Turbinenmassenstrom die Leistung der Turbine verbessert wird. Gemäß den DE-OS 23 21 379 und 30 12 172 erfolgt die Dampfzufuhr in die Brennkammer der Gasturbine teilweise direkt und /oder über die Verbrennungsluft- bzw. Brennstoffzufuhr und eine Misch kammer.

Ebenfalls zur Erhöhung des Wirkungsgrades und zur Ein schränkung der Stickoxidbildung auf ein zulässiges Maß beschreibt die DE-OS 33 31 153 einen Gasturbinen prozeß, wonach zur Erzielung eines höheren Dampfdruk kes des der Brennkammer zugeführten Dampfes gegenüber dem Arbeitsdruck des Gasturbinenkreislaufs eine dem Abhitzedampfkessel nachgeschaltete Dampfturbine sowie ein weiterer, mit der Brennkammer verbundener Abhitze dampfkessel vorgesehen sind.

Abgesehen von den für die Durchführung der Verfahren teilweise recht hohen Investitionskosten bereitet die Anwendung dieser Maßnahmen insofern Schwierigkeiten, als mit der durch die Dampfzufuhr in die Brennkammer verbundenen merklichen Senkung der Verbrennungstempe ratur eine unvollständige Brennstoffausnutzung und eine deutliche Minderung der Arbeitsfähigkeit der die Turbine antreibenden Verbrennungsgase einhergeht, so daß zwar die Stickstoffemission verringert aber gleich zeitig die durch den verstärkten Turbinenmassenstrom bewirkte Leistungssteigerung eliminiert wird. Schließ lich besteht ein weiterer Mangel dieses Verfahrens darin, daß das Wasser nicht intensiv genug mit dem Brennstoff und der Verbrennungsluft vermischt wird, so daß die Stickoxidbildung begünstigende Temperatur spitzen nicht vermieden werden können und zudem der Anteil giftiger Kohlenmonoxidemissionen ansteigt.

Neben den bisher beschriebenen, während des Verbren nungsprozesses ablaufenden Primärmaßnahmen werden all gemein zur Minderung des Stickoxidgehalts in den bei der Verbrennung entstehenden Rauchgasen im wesentli chen zwei Verfahren, die auf der Basis von Ammoniak als Reduktionsmittel arbeiten und an bestimmte Rauch gastemperaturen gebunden sind, beschrieben. Bei diesen Verfahren wird Ammoniak direkt in die Verbrennungsgase eingemischt, wobei die Stickstoffoxide in molekularen Stickstoff (N₂) umgewandelt werden. Da bei Rauchgastem peraturen oberhalb 1100°C beim Eindüsen von NH₃ zu sätzliche Stickoxide gebildet werden und unterhalb 700°C die Stickoxidreduktion einfriert bzw. nur bei Anwesenheit eines Katalysators abläuft, wird zwischen der selektiven nichtkatalytischen Reduktion (SNCR), die an Temperaturen zwischen 700°C und 1100°C gebun den ist, und der zwischen 250°C und 500°C stattfinden den selektiven katalytischen Reduktion (SCR) unter schieden.

Beide Verfahren haben insofern Nachteile, als der Transport, die Lagerung und die Handhabung von flüssi gem Ammoniak mit Gefahren für die Umwelt verbunden und demzufolge besondere, aufwendige Sicherheitsvorkeh rungen erforderlich sind. Außerdem entstehen beim SCR-Verfahren erhebliche Mehrkosten durch die Verwen dung von Katalysatoren.

Gemäß der DE-OS 38 00 730 wurde auch schon vorgeschla gen, die mit dem Einsatz von reinem Ammoniak einherge henden Gefahren durch Herstellung einer Ammoniak-Wasser mischung zu beseitigen. Um eine für den Reduktionsvor gang vorteilhafte, möglichst gute Verteilung des Ammo niaks in dem Abgasstrom zu erreichen, ist es in diesem Fall jedoch erforderlich, die wäßrige Ammoniaklösung vorher in die gasförmige Phase zu überführen. Das Verdampfen der Lösung erfolgt hierbei in einem separa ten Trägergasstrom, der anschließend dem Abgasstrom beigemischt wird.

Dieses Verfahren ist mit Energieverlusten verbunden und außerdem nur für die selektive katalytische Reduk tion geeignet.

Der weiterhin unterbreitete Vorschlag zur Anwendung eines separaten Verdampfers für die wäßrige Ammoniak lösung bringt aufgrund der unterschiedlichen Dampfdrüc ke zwischen Ammoniak und Wasser Probleme bezüglich der Konstanz der in den Abgasstrom einzubringenden Ammoniakmenge und erfordert zudem zusätzliche apparati ve Aufwendungen. Zum anderen ist eine vollständige Durchmischung des Ammoniaks mit dem Abgasstrom, als Voraussetzung für das auf einer homogenen Gasphasenre aktion beruhende SCNR-Verfahren, nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren zum Betreiben einer Gasturbine gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 zu entwickeln, das bei geringen Anlagenkosten und niedrigem Kohlenmonoxidan teil in den Rauchgasen durch eine homogene Gasphasen reaktion mit an die Rauchgasparameter angepaßter Reduk tionsmittelzugabe und intensiver Durchmischung der Reaktionspartner eine verminderte Stickoxidemission aufweist und auf der Grundlage einer hohen Arbeitsfä higkeit des Treibgasstroms und einer großen Treibmit telmenge eine verbesserte Leistung der Turbine zur Folge hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn zeichen des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen ge löst.

Die Änderung der absoluten, dem Treibgasstrom in der Turbine zugeführten Reduktionsmittelmenge wird dabei in Abhängigkeit von der NO_x-Konzentration sowie der Temperatur und Menge des Treibgasstromes vorgenommen oder über die Differenz zwischen dem NO_x-Gehalt im Treibgasstrom vor der Turbine und im Abgasstrom gere gelt.

Bei den in den Treibgasstrom der jeweiligen Arbeitsstu fe der Turbine eingesprühten Reduktionsmittelteilströ men wird in Richtung der Austragsseite der Turbine entweder die Lösungsmenge oder durch entsprechendes, sich verringerndes Zumischen von Wasser die NH₃-Kon zentration erhöht, wobei das Eindüsen der wäßrigen Ammoniaklösung vorzugsweise am Umfang des Turbinenge häuses verteilt erfolgt.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung wird ein weiterer Teilstrom aus aufbereitetem, vorzugsweise mit dem Brennstoff und/oder der Verbrennungsluft ver mischtem Wasser oder Wasserdampf dem Verbrennungsvor gang zugeführt, wobei die Wasser- bzw. Dampfmenge im Verhältnis zu der in den Treibgasstrom eingebrachten Reduktionsmittelmenge umgekehrt proportional bzw. zur NH₃-Konzentration proportional geändert wird.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird der Wasser bedarf für die Konzentrationsänderung des Reduktions mittels und den Verbrennungsvorgang durch vorgewärm tes Wasser aus dem Speisewassernetz gedeckt.

Mit der Erfindung werden gegenüber den bekannten Be triebsverfahren für Gasturbinenanlagen verschiedene vorteilhafte Wirkungen erreicht.

Es entfallen die Sicherheitsvorkehrungen für die Durch führung des SNCR-Verfahrens mit reinem Ammoniak. Beim mengenmäßig und konzentrationsseitig differenzierten, auf die jeweiligen Temperaturverhältnisse abgestimmten Einführen der wäßrigen NH₃-Lösung zu einer Arbeitsstu fe oder mehreren Arbeitsstufen der Gasturbine werden der Wasser- und der Ammoniakanteil aufgrund der da durch bedingten intensiven Mischung sofort und voll ständig verdampft, so daß die Korrosion an den Turbi nenschaufeln fördernde Wassertropfen nicht entstehen können. Der durch die Dampfform und die geringen Strö mungsquerschnitte erzielte außerordentlich hohe Misch effekt bewirkt andererseits eine homogene Gasphasenre aktion für den Ablauf der selektiven nichtkatalyti schen Reduktion, die durch die Variation der NH₃-Kon zentration bzw. der Lösungsmenge optimal auf die durch die Treibgasparameter bestimmten Reaktionsbedingungen eingestellt, d. h. im vorgegebenen Temperaturbereich zwischen 700°C und 1100°C durchgeführt werden kann.

Die vorzugsweise vorgesehene Aufteilung des für die Rauchgastemperatursenkung bestimmten Wasseranteils auf die wäßrige Ammoniaklösung und die dem Verbren nungsvorgang zuzuführende Wassermenge erfolgt abge stimmt auf die herrschenden Treibgasparameter und hat für den Verbrennungsvorgang lediglich eine Senkung der Temperaturspitzen zur Folge, so daß die gerade durch extrem hohe Temperaturen verursachte starke NO_x-Bildung schon bei der Verbrennung vermindert wird und dennoch eine gute Brennstoffausnutzung und eine hohe Arbeitsfähigkeit des Treibgases gewährleistet ist. Eine Erhöhung der Kohlenmonoxidbildung, wie sie beim Einbringen großer Wassermengen in die Brennkam mer zu verzeichnen ist, tritt nicht auf. Außerdem steht der für die verbesserte Turbinenleistung erfor derliche hohe Treibgasstrom durch den insgesamt in der wäßrigen Ammoniaklösung vorhandenen Wasseranteil bzw. die Zugabe von Wasser zu den Teilströmen dennoch zur Verfügung.

Im Ergebnis des erfindungsgemäßen Vorschlages wird letztlich bei hoher Leistungsfähigkeit der Turbine zur Energie- und Wärmeerzeugung der Investitionsauf wand für die Schadstoffbeseitigung gering gehalten.

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel an hand der Zeichnung, in der ein Gasturbinenheizkraft werk mit Einrichtungen zur Reduzierung der Stickoxid emission schematisch dargestellt ist, näher erläutert.

Das Gasturbinenheizkraftwerk weist einen Gasturbinenteil, bestehend aus einer an eine Gaszufuhrleitung 1 ange schlossenen Brennkammer 2, die über eine Druckluftlei tung 3 mit einem Luftverdichter 4 und über eine Treib gasleitung 5 mit der Gasturbine 6 verbunden ist, auf. Die Welle der Gasturbine 6 ist einerseits an den Luftver dichter 4 und andererseits an einen Generator 7 gekup pelt. An die Gasturbine 6 schließt sich über eine Abgasleitung 8 ein Abhitzekessel 9 an, der über eine weitere Abgasleitung 10 mit dem (nicht dargestellten) Schornstein verbunden ist. Der Abhitzekessel 9 ist einem Speisewasserkreislauf, in den die Pumpen 11 sowie die Wärmeverbraucher 12 eingebunden sind, zugeordnet.

Im Gehäuse der gemäß dem Ausführungsbeispiel 4stufig ausgeführten Gasturbine 6 sind im Bereich der zweiten, dritten und vierten Stufe (II, III, IV), an einer Stelle oder mehrfach am Umfang verteilt, Düsen 15 ange ordnet, die über Reduktionsmittelleitungen 14 mit ei nem Reduktionsmittelbehälter 13 verbunden sind. In den Reduktionsmittelleitungen 14 befinden sich Mischven tile 16 und Dosierventile 17. Dem mit einem Gemisch aus einer 20%igen Ammoniak/Wasser-Lösung gefüllten Reduktionsmittelbehälter 13 ist eine Reduktionsmittel pumpe 18 nachgeschaltet.

Die Mischventile 16 stehen mit einer aus dem Speise wasserkreislauf abgezweigten Wasserleitung 23, in der sich ein Absperrventil 19 befindet, in Verbindung. Von einem weiteren Ventil 20 in der Wasserleitung 23 führt eine Zweigleitung über ein Dosierventil 24 zur Brennkammer 2 der Gasturbine 6. An den Speisewasser kreislauf ist über eine Pumpe 21 eine Frischwasserlei tung 22 angeschlossen.

In der Brennkammer 2 wird im Ergebnis der Verbrennung Treibgas mit einem NO_x-Gehalt von 280 mg/m³, bezogen auf 15% O₂ im Abgas, erzeugt. Die Treibgastemperatur liegt am Eingang in die Gasturbine 6 etwa bei 1300°C und fällt nach der ersten Turbinenstufe I, nachdem das Treibgas einen Teil seiner Energie in mechanische Ener gie umgewandelt hat, auf etwa 950°C.

In einer ersten Ausführungsvariante ist die Wasserzu fuhr zu den Mischdüsen 16 am Ventil 20 unterbrochen. Am Eintritt in die Turbinenstufe II wird über die Dü sen 15 die Ammoniak/Wasser-Lösung aus dem Reduktions mittelbehälter 13 in den Treibgasstrom gespritzt. Die ser Vorgang wird bei der entsprechend der weiter er zeugten mechanischen Energie verringerten Treibgastem peraturen am Eintritt in die Turbinenstufen III und IV wiederholt, wobei die über die Dosierventile 17 zu den Turbinenstufen II, III und IV zugeführten Reduk tionsmittelmengen bei konstanter Lösungskonzentration etwa im Verhältnis 0,5 : 0,8 : 1,0 erhöht werden.

Die absolute, über die Düsen 15 in die Gasturbine 6 eingesprühte Reduktionsmittelmenge wird in Abhängig keit von der in der Treibgasleitung 5 gemessenen NO_x- Konzentration, der Treibgastemperatur und der Treibgas menge geregelt.

Weiterhin ist es möglich, die Menge der zugeführten Ammoniak/Wasser-Lösung auf der Grundlage der NO_x-Kon zentration in der Treibgasleitung 5 und der zwischen der Treibgasleitung 5 und der Abgasleitung 8 gemesse nen NO_X-Konzentrationsdifferenz zu bestimmen.

Die auf diese Weise auf die jeweiligen Parameter in den einzelnen Stufen der Gasturbine abgestimmte Reduk tionsmittelzufuhr, die zudem mit einer innigen Vermi schung mit dem Treibgasstrom verbunden ist, gewährlei stet eine hohe Wirksamkeit der selektiven nichtkataly tischen Reduktion.

ln einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens, bei dem die NH₃-Konzentration des zugeführten Reduktionsmittels zur Turbinenaustrittsseite hin zu nimmt, wird den Turbinenstufen II, III und IV eine voreingestellte konstante Reduktionsmittelmenge zuge geben, deren Konzentration durch Mischung von Lösung aus dem Reduktionsmittelbehälter 13 mit aufbereitetem Wasser von Turbinenstufe zu Turbinenstufe zunimmt. Das Zumischen des Wassers erfolgt bei geöffnetem Ventil 20 in den Mischventilen 16.

Die gleichzeitig mit dem Einbringen von Reduktionsmit tel in die Gasturbine vorgesehene Zuführung von Wasser zur Brennkammer 2 erfolgt in der Weise, daß mit steigen der Reduktionsmittelzufuhr zur Turbine die in die Brennkammer 2 eingespritzte Wassermenge verringert wird und umgekehrt sich bei verminderter Reduktionsmit telmenge die Wasserzufuhr zur Brennkammer 2 erhöht. Diese Regelung erfolgt über die Dosierventile 17 und 24, wobei die Wasserzufuhr zu den Mischventilen 16 unterbrochen ist.

Wenn andererseits die NH₃-Konzentration des der Gastur bine zugeführten Reduktionsmittels geändert wird, ist die Änderung der Wasserzufuhr zur Brennkammer hierzu proportional, d. h. daß mit der eine verringerte NH₃- Konzentration bewirkenden Erhöhung der Wasserzugabe zu den Mischventilen 16 die Wasserzufuhr zur Brennkam mer 2 über das Dosierventil 24 verringert wird.

Als aufbereitetes Wasser wird im Ausführungsbeispiel vorgewärmte Flüssigkeit verwendet, die aus dem Speise wassernetz hinter dem Wärmeverbraucher 12 entnommen wird. Gleichzeitig wird dem Netz über die Wasserlei tung 22 und die Pumpe 21 Frischwasser zugeführt.

Bezugszeichenaufstellung

1 Gaszufuhrleitung
2 Brennkammer
3 Drucklkuftleitung
4 Luftverdichter
5 Treibgasleitung
6 Gasturbine
7 Generator
8 Abgasleitung
9 Abhitzekessel
10 Abgasleitung
11 Pumpe
12 Wärmeverbraucher
13 Reduktionsmittelbehälter
14 Reduktionsmittelleitung
15 Düse
16 Mischventil
17 Dosierventil
18 Reduktionsmittelpumpe
19 Absperrventil
20 Ventil
21 Pumpe
22 Frischwasserleitung
23 Wasserleitung
24 Dosierventil

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit verrin gerter Stickoxidemission, insbesondere einer statio nären Gasturbine für ein Heizkraftwerk, durch Ver brennen von Brennstoff ggf. unter Wasserzugabe in einer der Turbine vorgeschalteten Brennkammer unter Verwendung der Verbrennungsgase als Treibmittel für die Turbine sowie durch selektive nichtkatalyti sche Reduktion der Stickoxide mit Hilfe NH₂-bilden der Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom oder mehrere Teilströme einer wäßrigen Ammoniaklösung veränderbarer Konzentration oder Menge in den Treibgasstrom innerhalb der Gasturbine vor einer bzw. jeweils einer Antriebsstufe eingetra gen wird/werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der absoluten Reduktionsmittel menge in Abhängigkeit von der NO_x-Konzentration, der Temperatur und Menge des der Turbine zugeführten Treibgasstroms oder der Differenz zwischen der NO_x- Konzentration im Treibgasstrom vor der Turbine und im Abgasstrom geregelt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ammoniakkonzentration in den den Arbeitsstufen zugeführten Teilströmen bei jeweils gleicher Lösungsmenge zur Austrittsseite der Gastur bine hin steigt und die Konzentrationsänderung durch Zumischen von Wasser erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß bei gleichbleibender NH₃-Konzentra tion in den Teilströmen die jeweils zugeführte Lö sungsmenge in Richtung der Austrittsseite der Gastur bine erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel am Umfang des Turbinengehäuses verteilt in den Treibgasstrom eingespritzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teilstrom aus aufbe reitetem Wasser oder Wasserdampf, vorzugsweise ver mischt mit der Verbrennungsluft und oder dem Brenn stoff, in die Brennkammer der Gasturbine geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Treibgasstrom in der Gasturbine zugeführte gesamte Reduktionsmittelmenge umgekehrt proportional zu der dem Verbrennungsvorgang zugeführten Wasser- bzw. Dampfmenge geändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die NH₃-Konzentration der in den Treibgasstrom eingebrachten Lösung proportional zu der in die Brennkammer eingeleiteten Wasser- bzw. Dampfmenge geändert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zuführen von Wasser zum Verbrennungsvorgang bzw. den Reduktionsmittelteil strömen vorgewärmtes Wasser aus dem Speisewassernetz entnommen wird.