EP0533652B1

EP0533652B1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer gasturbine mit zuführung von zusatzstoffen

Info

Publication number: EP0533652B1
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: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: EP0533652A1; DE58909147D1; JP2977569B2; WO1989008803A1; IN171209B; JPH03503303A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Aus der AU-B-496757 bekannt ist ein Verfahren zum Betrieb einer mit vanadiumhaltigem Brennstoff befeuerten Gasturbine, die mindestens einen Brenner in einer Brennkammer sowie Mittel zur Zuführung einer in Wasser gelösten Magnesiumverbindung als Zusatzstoff in die Brennkammer aufweist, wobei der Brenner mit dem Brennstoff beaufschlagt wird.
Aus der EP-A-0 193 838 ist beispielsweise ein sogenannter Hybridbrenner bekannt, welcher auch Möglichkeiten zur Einspritzung von Wasser oder Dampf in die Verbrennungszone vorsieht. Wegen Einzelheiten der Brennerkonstruktion wird ausdrücklich 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 Erzeugung von umweltschädigendem NO_x zu verringern.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, dem Brennstoff bei der Feuerung von Gasturbinen Additive beizumischen, beispielsweise, 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 Vanadiumverbindungen, 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 Vanadate bilden, die sich durch so hohe Schmelzpunkte auszeichnen, daß sie bei den üblichen Schaufeltemperaturen in fester Form vorliegen. Unter zahlreichen Metallverbindungen haben sich insbesondere die des Magnesiums bewährt, da sich bei hinreichendem Magnesiumüberschuß Magnesium-Orthovanadat (Mg₃V₂O₈) bildet, das erst bei 1159°C schmilzt. Die entstehenden magnesiumhaltigen 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 Vanadiumgehalten die Verwendung eines Brennstoffes unwirtschaftlich machen können. Die Beimischung von preiswerteren, nicht öllöslichen Magnesium-Verbindungen als Suspension oder Emulsion bereitet schwerwiegende Stabilitätsprobleme und erfordert einen erheblichen apparativen Aufwand. Durch Magnesium-Oxid-Suspensionen kann es zum Verschleiß von Brennerdüsen kommen. Aus der AU-B 496 757, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist die Verwendung von in Wasser gelöstem Magnesiumsulfat, welches mit dem Brennstoff emulgiert wird, bekannt. Die Dosierung und Mischung mit dem Brennstoff ist jedoch relativ 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 Erfindung, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, welche eine zuverlässige und preisgünstige Beimischung von Magnesium in den Verbrennungsprozeß unter Vermeidung der genannten 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 Kennzeichen 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 Magnesiumverbindung zusammen mit dem Wasser in die Brennkammer ist verfahrenstechnisch wesentlich leichter zu beherrschen als das emulgieren einer in Wasser gelösten Magnesiumverbindung mit dem Brennstoff. Dadurch kann eine genaue Dosierung des einzubringenden Magnesiumanteils im Verhältnis zum Vanadiumanteil im Brennstoff problemlos bewerkstelligt werden. Die notwendigen Zusatzeinrichtungen am Brenner sind nicht besonders aufwendig und haben sich im Zusammenhang mit der Reduzierung von NO_x im Abgas schon bewährt. Durch direktes Einsprühen der in Wasser gelösten Magnesiumverbindung in die Flamme wird praktisch der gleiche Effekt erzielt wie bei einer Eindüsung zusammen 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 zugeführt werden. Dabei läßt sich die Konzentration der wasserlöslichen 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 Eindüsung 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 % MgSO₄ in Wasser. In der Brennerflamme läuft dann folgende Reaktion ab: $3 MgSO₄ + V₂O₅ → Mg₃V₂O₈ + 3SO₃.$

Die Menge des durch das Sulfat zusätzlich eingeführten Schwefels fällt gegenüber derjenigen Schwefelmenge, die gewöhnlich im Brennstoff enthalten ist, nicht ins Gewicht. Auch ansonsten ergeben sich gegenüber der Beimischung einer öllöslichen Magnesium-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 Brennstoffverbrauch von 10 kg/s etwa 160 kg MgSO₄/h. Wird eine 20%ige Lösung von MgSO₄ in Wasser eingesetzt, was genügend weit von der Löslichkeitsgrenze entfernt ist, so beträgt die benötigte Lösungsmenge 800 kg bzw. 670 l Lösung/h.
Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Ansprüchen 6, 7 und 8 angegeben. Demgemäß benötigen die an sich bekannten Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Zusatzvorrichtungen, nämlich mindestens einen zusätzlichen Vorratsbehälter für eine in Wasser gelöste Magnesiumverbindung 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 gewählt, 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 Eindüsung 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 Dosiereinrichtung 5 mit den Eindüsungsvorrichtungen 2, 3 für Wasser und/oder Dampf in Verbindung steht.
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Gasturbinenanlagen, in denen immer oder zeitweise vanadiumhaltiger Brennstoff verfeuert werden soll.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer mit vanadiumhaltigem Brennstoff befeuerten Gasturbine, die mindestens einen Brenner in einer Brennkammer sowie Mittel zur Zuführung einer in Wasser gelösten Magnesiumverbindung als Zusatzstoff in die Brennkammer aufweist, wobei der Brennstoff dem Brenner zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in Wasser gelöste Magnesiumverbindung mit dem Wasser gesondert von dem Brennstoff in die Brennkammer eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser mit der gelösten Magnesiumverbindung direkt in die Flamme des Brenners eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumverbindung ein Magnesiumsalz ist, vorzugsweise Magnesiumsulfat (MgSO₄).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Brennkammer pro Gewichtsanteil Vanadium etwa 3 Gewichtsanteile Magnesium zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der wasserlöslichen Magnesiumverbindung im Wasser so eingestellt wird, daß pro Volumenanteil Brennstoff etwa ein Zehntel oder weniger Volumenanteil Wasser mit gelöster Magnesiumverbindung eingedüst wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem für Wassereindüsung (2) und/oder Dampfeindüsung (3) in die Brennkammer ausgerüsteten Brenner (1), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zusätzlicher Vorratsbehälter für Wasser mit einer darin gelösten Magnesiumverbindung über eine Dosiereinrichtung (5) mit der Wasser- oder Dampfeindüsungseinrichtung (2, 3) im Brenner (1) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (4) ein Fassungsvermögen größer als 1 m³ hat.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser- oder Dampfeindüsungseinrichtung (2, 3) so dimensioniert ist, daß etwa ein Zehntel des pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffvolumens an Wasser mit gelöster Magnesiumverbindung eingedüst werden kann.