EP0533652A1

EP0533652A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer gasturbine mit zuführung von zusatzstoffen.

Info

Publication number: EP0533652A1
Application number: EP89901457A
Authority: EP
Inventors: Norbert Czech
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1993-03-31
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: DE58909147D1; IN171209B; WO1989008803A1; EP0533652B1; JP2977569B2; JPH03503303A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Gasturbine mit Zuführung von Zusatzstoffen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 7.

Aus der EP-A-0 193 838 ist beispielsweise ein sogenannter Hybridbrenπer bekannt, welcher auch Möglichkeiten zur Ein¬ spritzung von Wasser oder Dampf in die Verbrennungszone vor¬ sieht. Wegen Einzelheiten der Brennerkonstruktion wird aus¬ drücklich auf diese Schrift Bezug genommen. Weitere Varianten von Brennern mit zusätzlicher Einspritzung von Inertstoffen sind auch aus der DE-A 36 06 625 bekannt. Wasser und/oder Dampf werden z. B. in die Verbrennungszone einer Brennkammer eingedüst, um dort die Temperatur zu senken und so die Erzeu¬ gung von umweltschädigendem NO zu verringern.

Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, dem Brennstoff bei der Feuerung von Gasturbinen Additive beizumischen, bei¬ spielsweise, um die Bauteile der Gasturbine vor Schäden zu schützen. Insbesondere gibt es Probleme durch vanadiumhaltige Brennstoffe, beispielsweise bestimmte Schweröle. Das Vanadium bildet an den heißgasführenden Bauteilen, insbesondere den Schaufeln einer Gasturbine, niedrigschmelzende Vanadiumverbin¬ dungen, die sehr aggressiv sind und schützende Oxidschichten schnell auflösen. Dies führt zu einer stark beschleunigten Hochtemperaturkorrosion. Zur Vermeidung dieser Korrosionsform ist es bekannt, dem Brennstoff Metallverbindungen beizumischen, die während der Verbrennung mit dem Vanadium reagieren und Va- nadate bilden, die sich durch so hohe Schmelzpunkte auszeich¬ nen, daß sie bei den üblichen Schaufeltemperaturen in fester Form vorliegen. Unter zahlreichen Metallverbindungen haben sich insbesondere die des Magnesiums bewährt, da sich bei hin¬ reichendem Magnesiumüberschuß Magnesium-Orthovanadat ( g,V₂0g) bildet, das erst bei 1159° C schmilzt. Die entstehenden mag- nesiumhaltigen Beläge sind andererseits gut von den Schaufeln wieder zu entfernen. Bisher wird das Magnesium dem Brennstoff entweder in Form von öllöslichen Verbindungen, kolloidalen Suspensionen oder in Form von wasserlöslichen Salzen, die emulgiert werden müssen, beigemischt.

Die Herstellung öllöslicher Additive ist sehr aufwendig und hat hohe Kosten zur Folge, die beispielsweise bei hohen Vana- diumgehalten die Verwendung eines Brennstoffes unwirtschaft¬ lich machen können. Die Beimischung von preiswerteren, nicht öllöslichen Magnesium-Verbindungen als Suspension oder Emul¬ sion bereitet schwerwiegende Stabilitätsprobleme und erfordert einen erheblichen apparativen Aufwand. Durch Magnesium-Oxid- Suspensionen kann es zum Verschleiß von Brennerdüsen kommen. Aus der AU-B 496757, von der die vorliegende Erfindung aus¬ geht, ist die Verwendung von in Wasser gelöstem Magnesium¬ sulfat, welches mit dem Brennstoff emulgiert wird, bekannt. Die Dosierung und Mischung mit dem Brennstoff ist jedoch rela- tiv aufwendig und nur schwer konstant zu halten. In fast allen Anwendungsfällen mußte daher bisher auf die teuren öllöslichen Additive zurückgegriffen werden.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin- düng, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zu schaf¬ fen, welche eine zuverlässige und preisgünstige Beimischung von Magnesium in den Verbrennungsprozeß unter Vermeidung der genann¬ ten Probleme ermöglichen. Insbesondere soll die Beimischung von im Wasser gelöstem Magnesiumsulfat in den Verbrennungsprozeß vanadiumhaltiger Brennstoffe erleichtert und verbilligt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Kenn¬ zeichen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das gesonderte Eindüsen einer in Wasser gelösten Magnesium- Verbindung zusammen mit dem Wasser in die Brennkammer ist ver¬ fahrenstechnisch wesentlich leichter zu beherrschen als das emulgiereπ einer in Wasser gelösten Magπesiumverbindung mit dem Brennstoff. Dadurch kann eine genaue Dosierung des einzu- bringenden Magnesiumanteils im Verhältnis zum Vanadiumanteil im Brennstoff problemlos bewerkstelligt werden. Die notwendi¬ gen Zusatzeinrichtungen am Brenner sind nicht besonders auf¬ wendig und haben sich im Zusammenhang mit der Reduzierung von NO im Abgas schon bewährt. Durch direktes Einsprühen der in Wasser gelösten Magnesiumverbindung in die Flamme wird prak¬ tisch der gleiche Effekt erzielt wie bei einer Eindusung zu¬ sammen mit dem Brennstoff. Als preisgünstige und leicht in Wasser lösbare Magnesiumverbindung kommt vorzugsweise Magnesiumsulfat in Betracht. Pro Gewichtsanteil Vanadium im Brennstoff sollten etwa drei Gewichtsanteile Magnesium zuge¬ führt werden. Dabei läßt sich die Konzentration der wasserlös¬ lichen Magnesiumverbindung im Wasser so einstellen, daß pro Volumenanteil Brennstoff etwa ein Zehntel Volumenanteil Wasser mit gelöster Magnesiumverbindung eingedüst werden muß. Dies stellt technisch kein Problem dar, weil bereits die Eindusung von wesentlich größeren Anteilen Wasser in anderem Zusammenhang gelöst ist.

Zur Erläuterung des ganzen Vorganges seien noch folgende Daten gegeben:

Bei 20° C lösen sich 25,8 % , bei 0" C 20,9 % MgSO^ in Wasser. In der Brennerflamme läuft dann folgende Reaktion ab:

3 MgS0₄ + V₂0₅ -> ^Mg₃ ^V2°8 ^{+ 3S0}3* Die Menge des durch das Sulfat zusätzlich eingeführten Schwe¬ fels fällt gegenüber derjenigen Schwefelmenge, die gewöhnlich im Brennstoff enthalten ist, nicht ins Gewicht. Auch ansonsten ergeben sich gegenüber der Beimischung einer öllöslichen Mag¬ nesium-Verbindung keine Nachteile für den Verbrennungsprozeß und die entstehenden Emissionen.

Die benötigten Mengen seien anhand des folgenden Beispiels erläutert: Bei einem angenommenen, relativ hohen Vanadiumgehalt von 300 ppm im Brennstoff und einem Dosierverhältnis Magnesium zu Vanadium von 3 : 1 benötigt eine Gasturbine mit einem Brenn¬ stoffverbrauch von 10 kg/s etwa 160 kg MgSO./h. Wird eine 20%ige Lösung von MgSO^ in Wasser eingesetzt, was genügend weit von der Löslichkeitsgrenze entfernt ist, so beträgt die benötigte Lösungsmenge 800 kg bzw. 670 1 Lösung/h.

Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den An- Sprüchen 6, 7 und 8 angegeben. Demgemäß benötigen die an sich bekannten Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens Zusatzvorrichtungen, nämlich mindestens einen zusätz¬ lichen Vorratsbehälter für eine in Wasser gelöste Magnesium¬ verbindung und eine Dosiereinrichtung, die die Einspeisung in die Brennkammer über Wasserdüsen ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt. Dabei wurde beispielhaft ein Brenner ge¬ wählt, wie er ausführlich in der EP-A-0 193 838 beschrieben ist. Auf Ausführungen zu den konstruktiven Einzelheiten des Brenners selbst wird hier verzichtet. Wichtig ist nur, daß der Brenner 1 Vorrichtungen zur Eindusung von Wasser 2 und/oder Dampf 3 aufweist. Nicht entscheidend ist, ob es sich um einen Vormischbrenner, einen Diffusionsbrenner oder einen sogenannten Hybridbrenner handelt. Erfindungsgemäß ist einem solchen Brenner mindestens ein Vorratsbehälter 4 zugeordnet, der über eine Do¬ siereinrichtung 5 mit den Eindüsungsvorrichtungen 2, 3 für Wasser und/oder Dampf in Verbindung steht.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Gasturbi¬ nenanlagen, in denen immer oder zeitweise vanadiumhaltiger Brennstoff verfeuert werden soll.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer mit vanadiumhaltigem Brennstoff befeuerten Gasturbine, wobei die Gasturbine mindestens einen Brenner in einer Brennkammer aufweist und wobei in die Brenn¬ kammer als Zusatzstoff eine in Wasser gelöste Magnesiumverbin¬ dung zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h¬ n e t, daß die in Wasser gelöste Magnesiumverbindung mit dem Wasser gesondert in die Brennkammer eingedüst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t, daß das Wasser mit der gelösten Magnesium- verbiπdung direkt in die Flamme des Brenners gesprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Magnesiumverbindung ein Mag¬ nesiumsalz ist, vorzugsweise Magnesiumsulfat (MgSO.).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in die

Brennkammer pro Gewichtsanteil Vanadium etwa 3 Gewichtsan¬ teile Magnesium zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kon¬ zentration der wasserlöslichen Magnesiumverbindung im Wasser so eingestellt wird, daß pro Volumenanteil Brennstoff etwa ein Zehntel oder weniger Volumenanteil Wasser mit gelöster Magnesiumverbindung eingedost wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem für Wassereindüsung

(2) und/oder Da pfeindüsung (3) in die Brennkammer ausgerüste¬ ten Brenner (1), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein zusätzlicher Vorratsbehälter für Wasser mit einer darin gelösten Magnesiumverbindung über eine Dosierein- richtuπg (5) mit der Wasser- oder Dampfeindüsungseinrichtung (2, 3) im Brenner (1) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t, daß der Vorratsbehälter (4) ein Fassungsver¬ mögen größer als 1 m hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Wasser- oder Dampfeindüsungs- einrichtung (2, 3) so dimensioniert ist, daß etwa ein Zehntel des pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffvolumens an Wasser mit gelöster Magnesiumverbindung eingedüst werden kann.