EP0832398B1

EP0832398B1 - Katalytische gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: EP0832398B1
Application number: EP96915991A
Authority: EP
Inventors: Erich Hums; Nicolas Vortmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 2000-01-12
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: RU2143643C1; EP0832398A1; JPH11507433A; DE19521356C2; DE59604179D1; DE19521356A1; WO1996041992A1; ES2142587T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer katalytischen Brennkammer wie beispielsweise in Dokument JP-61 053 425 gezeigt. Als ein Brennstoff ist dabei ein Kohlenwasserstoff und/oder wasserstoffhaltiger Energieträger sowohl in flüsssiger als auch in gasförmiger Form vorgesehen. Ein derartiger Brennstoff ist beispielsweise Erdgas, Erdöl oder Methan. Ein solcher Brenner kann bevorzugt eingesetzt werden in einer Gasturbine.

Eine Gasturbine besteht üblicherweise aus einem Kompressorteil, einem Brennerteil und einem Turbinenteil. Der Kompressorteil und der Turbinenteil befinden sich üblicherweise auf einer gemeinsamen Welle, die gleichzeitig einen Generator zur Elektrizitätserzeugung antreibt. Im Kompressorteil wird vorgewärmte Frischluft mit einem Brennstoff der genannten Art verbrannt. Das heiße Brennerabgas wird dem Turbinenteil zugeführt und dort entspannt.

Eine detaillierte Information über den Aufbau und die Verwendung einer Gasturbine gibt die Firmenschrift "Gasturbines and Gasturbine Power Plants" der Siemens AG, Mai 1994, Bestellnr. A 96001-U 124-V 1-7600.

Bei der Verbrennung eines Brennstoffs der genannten Art entstehen als besonders unerwünschte Verbrennungsprodukte auch Stickoxide NO_x. Diese Stickoxide gelten neben Schwefeldioxid als Hauptverursacher für das Umweltproblem des sauren Regens. Man ist daher - auch aufgrund strenger gesetzlicher Grenzwertvorgaben für den NO_x-Ausstoß - gewillt, den NO_x-Ausstoß von einer Gasturbine besonders gering zu halten und dabei gleichzeitig die Leistung der Gasturbine weitgehend nicht zu beeinflussen.

So wirkt beispielsweise eine Flammtemperatur-Absenkung im Brenner als stickoxidmindernd. Hierbei wird dem Brennstoff oder der komprimierten und vorgewärmten Frischluft Wasserdampf zugefügt oder Wasser in den Brennraum eingespritzt. Solche Maßnahmen, die den Stickoxidausstoß per se verringern, werden als Primärmaßnahmen zur Stickoxidminderung bezeichnet.

Dementsprechend werden als Sekundärmaßnahmen alle Maßnahmen bezeichnet, bei denen einmal im Abgas z.B. einer Gasturbine oder auch grundsätzlich eines Verbrennungsprozesses enthaltene Stickoxide durch nachträgliche Maßnahmen verringert werden.

Hierzu hat sich weltweit das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) durchgesetzt, bei dem die Stickoxide zusammen mit einem Reduktionsmittel, meist Ammoniak, an einem Katalysator kontaktiert werden und dabei Stickstoff und Wasser bilden. Mit dem Einsatz dieser Technologie ist daher zwangsläufig der Verbrauch von Reduktionsmittel verbunden. Die im Abgaskanal angeordneten Katalysatoren zur Stickoxidminderung verursachen naturgemäß einen Druckabfall, der bei Einsatz des Brenners in einer Turbine einen Leistungsabfall nach sich zieht. Selbst ein Leistungsabfall in Höhe von einigen Promille wirkt sich bei einer Leistung der Gasturbine von beispielsweise 150 MW und einem Stromverkaufspreis von etwa 0,15 DM/kWh Strom gravierend auf das mit einer solchen Einrichtung erzielbare Ergebnis aus.

Als eine Primärmaßnahme zum Abbau von Stickoxiden ist aus der GB 2 268 694 A eine katalytische Brennkammer vorgesehen, wobei die Zündtemperatur eines Brennstoffes durch eine teilweise katalytische Oxidation abgesenkt wird. Die hierfür vorgesehenen Katalysatoren sind quer zur Strömungsrichtung des Brennstoffs eingebaut und erstrecken sich über den gesamten Strömungsquerschnitt. Damit ist ein hoher Strömungswiderstand gegeben.

Bei den vorstehend beschriebenen Brennern besteht daher grundsätzlich das Problem, daß jede dort vorgesehene Stickoxidminderung, primärer oder sekundärer Art, eine Leistungseinbuße oder eine Einbuße im Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage zur Konsequenz hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner, insbesondere für eine Gasturbine, anzugeben, welcher sich durch besonders niedrige Stickoxidemissionen und gleichzeitig einen besonders hohen Wirkungsgrad auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Brenner gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem eine katalytische Brennkammer vorgesehen ist, wobei die Brennkammer in Strömungsrichtung eines Brennstoffes eine im wesentlichen zylindrische Ausdehnung hat und die dem Brennstoff zugewandte Wandung eine katalytisch aktive Beschichtung zur Oxidation des Brennstoffes aufweist. Auf diese Weise wird durch die katalytisch induzierte Verbrennung des Brennstoffes ein besonders niedriger Stickoxidgehalt des Brennerabgases erreicht. Gleichzeitig ist durch die Beschichtung der Wandung der Brennkammer keine Erhöhung des Strömungswiderstands verbunden, so daß mit einer derartigen katalytischen Brennkammer besonders hohe Wirkungsgrade in einer Gasturbine erreichbar sind. Die im wesentlichen zylindrische Form der katalytischen Brennkammer und die katalytisch aktive Beschichtung der Wandung tragen dazu bei, daß der Brennstoff ausgehend von der Wandung zündet und ein Ausbreiten der Flammenfront von der katalytisch aktiven Oberfläche der Wandung in die freie Strömung des Brenngases ermöglicht ist. Insbesondere die zylindrische Form trägt hierbei zu einer im wesentlichen konzentrischen und damit homogenen Verteilung der Flammenfront bei, wodurch eine vollständige und gleichmäßige Verbrennung des Brennstoffes resultiert.

Zur Erzielung einer besonders gut rotationssymmetrisch ausgebildeten Flammenfront ist es vorteilhaft, wenn eine Anzahl zur Zylinderlängsachse der Brennkammer konzentrischer katalytisch aktiv beschichteter Ringe vorgesehen ist.

Der Vorgang der Bildung einer weitgehend rotationssymmetrischen Flammenfront in der Brennkammer wird weiter unterstützt, wenn der oder die Ringe ausschließlich im äußeren Bereich des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts der Brennkammer angeordnet sind.

Zur Absenkung der katalytischen Zündtemperatur des Brennstoffes in der Brennkammer ist es vorgesehen, daß der Brennkammer ein Brennstoff, umfassend einen Brennstoff-Hauptstrom, einen präformierten Brennstoff-Teilstrom und Luft, zuführbar ist. Hierbei besteht der Brennstoff-Hauptstrom meist aus Erdgas und/oder Kohlegas und/oder Wasserstoff. Der präformierte Brennstoff-Teilstrom ist ein Teilstrom der vom Brennstoff-Hauptstrom abgetrennt und über eine Präformierungsstufe geleitet wird. In dieser auf Katalysatorbasis arbeitenden Präformierungsstufe werden beispielsweise aus Erdgas katalytisch leichter als Erdgas zündende Stoffe, wie z.B. Alkohole, Aldehyde und Wasserstoff, gebildet. Ein mit einem solchen präformierten Brennstoff-Teilstrom versetztes Brenngas hat daher eine ausgezeichnete katalytische Zündfähigkeit.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform bezüglich der Zündfähigkeit des in die katalytische Brennkammer eingeleiteten Brennstoffes kann es vorsehen, daß ein präformierter Brennstoff-Teilstrom, gegebenenfalls vorgemischt mit Luft, durch Bohrungen in der Wandung in die Brennkammer eintritt. Auf diese Weise wird das vergleichsweise leicht zündende Gasgemisch des präformierten Brennstoff-Teilstroms direkt mit der katalytisch aktiven Beschichtung in Berührung gebracht und zündet spontan, so daß eine betriebssichere räumlich stehende Zündung von der Gestalt eines Hohlzylinders in der katalytischen Brennkammer gebildet ist.

Zum Schutz der katalytisch aktiven Beschichtung, die sich auf der dem Brenngas zuwendbaren Wandung der katalytischen Brennkammer befindet, kann es vorgesehen sein, die Wandung zu kühlen. Hierbei kann die Wandung beispielsweise mit Luft gekühlt werden, wobei gleichzeitig eine Vorwärmung der Luft erzielt wird. Diese vorgewärmte Luft kann beispielsweise nachfolgend in den Verdichterteil auf den Brennkammer-Eintrittsdruck verdichtet werden.

Die katalytische Wirkung der katalytisch aktiven Beschichtung tritt besonders vorteilhaft dann ein, wenn die katalytisch aktive Beschichtung Titandioxid, welches vorzugsweise flamm- und plasmagespritzt ist, und einen Edelmetallanteil, ausgewählt aus Platin, Rhodium, Palladium, Iridium, Rhenium und/oder einen Metalloxidanteil, bestehend aus einem oder mehreren Übergangsmetalloxiden, aufweist. Als Übergangsmetalloxide kommen solche Oxide in Frage, welche eine stark oxidierende katalytische Wirkung haben, wie z.B. Kupferoxid, Chromoxid, Eisenoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Vanadiumoxid, Manganoxid, Ceroxid sowie weitere Oxide der Lanthanoiden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1: in schematischer Darstellung den Brenner einer Gasturbine mit katalytischer Brennkammer;
FIG 2: in schematischer Darstellung den Brenner einer Gasturbine gemäß Figur 1 mit geringfügig gegenüber Figur 1 modifizierter katalytischer Brennkammer; und
FIG 3: eine katalytische Brennkammer im Querschnitt.

In den Figuren 1 bis 3 haben gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen.

In der schematischen Darstellung gemäß Figur 1 erkennt man eine Gasturbine 2, welche einen Verdichterteil 4, einen Brennerteil 6 und einen Turbinenteil 7 umfaßt. Der Brennerteil 6 umfaßt eine katalytische Brennkammer 8, deren Wandung 10 eine katalytisch aktive Beschichtung 12 aufweist.

Die katalytische Brennkammer 8 hat im Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt. In die katalytische Brennkammer 8 strömt als Brennstoff 14 ein Brenngas ein, welches im Ausführungsbeispiel aus im Verdichterteil 4 verdichteter Luft 16, einem Brennstoff-Hauptstrom 18 und einem präformierten Brennstoff-Teilstrom 20 besteht. Dieser präformierte Brennstoff-Teilstrom 20 wird von einem ursprünglichen Brennstoff-Strom 22 abgetrennt und über eine Präformierungsstufe 24 geleitet. Der Brennstoff-Strom 22 besteht im Ausführungsbeispiel aus Erdgas, woraus in der Präformierungsstufe 24 katalytisch leichter als Erdgas zündende Stoffe, wie z.B. Alkohole, Aldehyde und Wasserstoff, gebildet werden. Die Präformierungsstufe 24 umfaßt zur Ausübung ihrer Funktion einen nicht weiter dargestellten keramischen Wabenkatalysator auf Titandioxid-Basis, welcher zusätzlich einen Edelmetallanteil, bestehend aus oberflächlich auf den Wabenkatalysator aufgebrachtem Platin und Palladium umfaßt.

Die katalytisch aktive Beschichtung 12 auf der Wandung 10 der katalytischen Brennkammer 8 besteht aus einer flammgespritzten Titandioxid-Schicht mit einer Dicke von etwa 500 µm, auf die zusätzlich Edelmetallpartikel von Platin, Rhodium und Palladium sowie Partikel von Übergangsmetalloxiden, wie Ceroxid, Vanadiumoxid und Chromoxid, aufgebracht sind. Alternativ zu einer flammgespritzten Titandioxid kann ebenso eine plasmagespritzte Titandioxid-Schicht vorgesehen sein. Beide Schichten zeichnen sich durch ihre große Festigkeit auf der meist aus einem austenitischem Stahl bestehenden Wandung 10 der katalytischen Brennkammer 8 aus.

Beim Betrieb der Gasturbine 2 strömt nun der Brennstoff 14 in die katalytische Brennkammer 8 ein und entzündet sich an der katalytisch aktiven Beschichtung 12 der Wandung 10. Die auf diese Weise gebildete stromaufwärts gelegene Flammenfront 26 ist ebenso wie die stromabwärts gelegene Flammenfront 28 weitgehend rotationssymmetrisch, so daß die Temperaturverteilung in der katalytischen Brennkammer 8 entlang der Hauptströmungsrichtung im Bezug auf den Querschnitt etwa kreisförmige Isothermen aufweist. Dies ist für eine gleichmäßige und schadstoffarme Verbrennung des Brennstoffes 14 von Vorteil.

Der auf diese Weise katalytisch verbrannte Brennstoff 14 tritt mit einer Temperatur von etwa 1100 °C in den Turbinenteil 7 der Gasturbine 2 ein und wird dort entspannt. Die im Turbinenteil übertragene thermische Energie wird zum Antrieb eines hier nicht weiter dargestellten Generators zur Elektrizitätserzeugung genutzt. Dieser Generator ist auf der selben hier nicht weiter dargestellten Welle angeordnet wie die Gasturbine 2. Das den Turbinenteil 7 verlassende Brennerabgas 30 ist aufgrund der katalytischen Verbrennung des Brenngases 14 besonders stickoxidarm und weist einen Stickoxidgehalt von etwa 70 ppm auf. Das Brennerabgas 30 kann in einem hier nicht weiter dargestellten Abhitzedampferzeuger zur Dampferzeugung genutzt werden.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine gegenüber Figur 1 geringfügig modifizierte Gasturbine 2'. Hierbei beschränken sich die Modifikationen auf die Ausgestaltung der katalytischen Brennkammer 8. Die in Figur 2 vorliegende katalytische Brennkammer 8' unterscheidet sich von Figur 1 dadurch, daß in der Wandung 10 Bohrungen 32 vorgesehen sind, durch die der präformierte Brennstoff-Teilstrom 20 und Luft 16 in die Brennkammer 8' eintreten.

Diese Maßnahme hat gegenüber der Ausgestaltung gemäß Figur 1 zwei Vorteile. Der erste Vorteil besteht darin, daß das Brennstoffgemisch mit der niedrigsten katalytischen Zündtemperatur unmittelbar an der katalytisch aktiven Beschichtung 12 in die Brennkammer 8' eintritt und sich deshalb vergleichsweise spontan entzündet. Diese Maßnahme trägt daher ganz besonders zur Stabilisierung der stromaufwärts gelegenen Flammenfront 26 bei. Der zweite Vorteil besteht darin, daß die Wandungen 10 durch das entlangströmende Gemisch aus präformiertem Brennstoff-Teilstrom 20 und Luft 16 gekühlt werden. Durch diese Kühlung wird auch die thermische Belastung der katalytisch aktiven Beschichtung 12 herabgesetzt, was sich günstig auf die Haltbarkeit dieser Beschichtung 12 auswirkt. Eine Kühlung der Wandung 10 kann in hier nicht dargestellter Weise alternativ auch durch eine Strömung von Luft 16 erzielt werden, welche in den Verdichterteil 4 eintritt.

Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung den Querschnitt einer gegenüber den Figuren 1 und 2 modifizierten katalytischen Brennkammer 34. Man erkennt wieder die Wandung 10 und die katalytisch aktive Beschichtung 12 zur Oxidation des Brennstoffes 14. Unter der Oxidation des Brennstoffes wird selbstverständlich verstanden, daß der Brennstoff 14, 22 oxidiert und der über die Luft 16 herangeführte und zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff reduziert wird. Unter der katalytisch aktiven Beschichtung 12 zur Oxidation des Brenngases 14 ist daher die Beschichtung gemeint, welche den gesamten Verbrennungsvorgang mit oxidierten und reduzierten Verbrennungsprodukten induziert.

Die Brennkammer 34 weist drei konzentrisch angeordnete Ringe 36 auf. Diese konzentrischen Ringe 36 sind dünne Blechstreifen, bestehend aus dem Material der Wandung 10. Die Ringe 36 verfügen über dieselbe katalytisch aktive Beschichtung 12, mit welcher auch die Wandung 10 der Brennkammer 34 beschichtet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung ist die katalytisch aktive Beschichtung 12 nur in einem ausgewählten Quadranten eingezeichnet. Auch die die Ringe 36 haltenden Stege 38 verfügen über diese katalytisch aktive Beschichtung 12. Die Ringe 36 sind ausschließlich im äußeren Bereich des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts der Brennkammer 34 angeordnet, um die anfängliche Zündung des Brennstoffes 14 auf den äußeren Bereich des Querschnitts der Brennkammer 34 zu beschränken. Ein Ausweiten der Flammenfront in die freie Strömung des Brenngases 14 hinein erfolgt dann selbsttätig. Die Ringe 36 mit der katalytisch aktiven Beschichtung 12 tragen so zur Stabilisierung der Flammenfront und zur Sicherung einer vollständigen und deshalb besonders schadstoffarmen Verbrennung bei.

Claims

Brenner mit einer katalytischen Brennkammer (8, 8', 34), wobei die Brennkammer (8, 8', 34) in Strömungsrichtung eines Brennstoffes (14) eine im wesentlichen zylindrische Ausdehnung hat, und wobei die dem Brennstoff (14) zugewandte Wandung (10) der Brennkammer eine katalytisch aktive Beschichtung (12) zur Oxidation des Brennstoffes (14) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer (8, 8', 34) ein Brennstoff (14), umfassend einen Brennstoff-Hauptstrom (18), einen präformierten Brennstoff-Teilstrom (20) und Luft (16), zuführbar ist, wobei zur Präformierung eine von dem Brennstoff-Teilstrom (20) durchströmbare, katalytische Präformierungsstufe (24) vorgesehen ist, welche den Brennstoff (14) zumindest teilweise in leichter zündende Stoffe, insbesondere in Alkohole, Aldehyde oder Wasserstoff, zerlegt.
Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von zur Zylinderlängsachse der Brennkammer (8, 8', 34) konzentrisch angeordneter und katalytisch aktiv beschichteter Ringe (36) vorgesehen ist.
Brenner nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ringe (36) ausschließlich im äußeren Bereich des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts der Brennkammer (8, 8', 34) angeordnet sind.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein präformierter Brennstoff-Teilstrom (20), gegebenenfalls vorgemischt mit Luft (16), durch Bohrungen (32) in der Wandung (10) in die Brennkammer (8') einbringbar ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) kühlbar ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Beschichtung (12) Titandioxid, vorzugsweise flamm- oder plasmagespritzt, und einen Edelmetallanteil, ausgewählt aus einem oder mehreren der Edelmetalle Platin, Rhodium, Palladium, Iridium, Rhenium, und/oder einen Metalloxidanteil, ausgewählt aus einem oder mehreren Übergangsmetalloxiden, aufweist.
Gasturbine, umfassend einen Brenner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.