WO1998012479A1 - Verfahren zur katalytischen verbrennung eines fossilen brennstoffs in einer verbrennungsanlage und anordnung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur katalytischen verbrennung eines fossilen brennstoffs in einer verbrennungsanlage und anordnung zur durchführung dieses verfahrens Download PDF

Info

Publication number
WO1998012479A1
WO1998012479A1 PCT/DE1997/002077 DE9702077W WO9812479A1 WO 1998012479 A1 WO1998012479 A1 WO 1998012479A1 DE 9702077 W DE9702077 W DE 9702077W WO 9812479 A1 WO9812479 A1 WO 9812479A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion chamber
combustion
elements
fuel
oxidation catalyst
Prior art date
Application number
PCT/DE1997/002077
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Hums
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP97943777A priority Critical patent/EP0925474A1/de
Priority to JP10514172A priority patent/JP2001500603A/ja
Publication of WO1998012479A1 publication Critical patent/WO1998012479A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03342—Arrangement of silo-type combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a method for the catalytic combustion of a fossil fuel in a combustion plant, in particular in a gas turbine combustion chamber, in which a fuel-oxygen mixture or a
  • Fuel / fresh air mixture with an overstoichiometric proportion of oxygen is contacted with an oxidation catalyst. It also relates to an arrangement for performing the method.
  • DeNOx plants In order to subsequently reduce the proportion of nitrogen oxides in the combustion exhaust gas of an incineration plant, DeNOx plants have established themselves as so-called secondary measures. In these DeNOx plants, the nitrogen oxides are converted to harmless nitrogen (N 2 ) and water (H 2 0) with the help of DeNOx catalysts in the presence of an admixed reducing agent - in the power plant area this is ammonia (NH 3 ).
  • catalytic combustors that burn the fuel flameless can operate at relatively low temperatures. Therefore, less nitrogen oxides are generated in them from the outset than with conventional combustion chambers with their rather hot flames.
  • catalytic combustion chambers have the property that their catalytic activity increases with temperature. This easily leads to local overheating of the catalyst, through which nitrogen oxides are increasingly formed. Such local overheating can also destroy the catalytic converter.
  • Combustion chamber for gas turbines with both pre-combustion chambers and catalytic combustion chambers The premix combustion chambers are located next to the catalytic combustion chambers, so that the hot flames of the pre-combustion chambers cannot strike the catalytic surfaces of the catalytic combustion chambers directly. These are protected against direct overheating by the flames of the premix combustion chambers.
  • the catalytic combustion chambers are provided with exhaust gas recirculation, the exhaust gas from the combustion chamber mixed with the fresh air through a type of jet pump flowing through the catalytic combustion chambers and preheating them without overheating them.
  • a combustion chamber arrangement for gas turbines is known from US Pat. No. 4,040,252, in which oxidation catalysts are arranged behind a conventional combustion chamber in the flow direction of the gases.
  • This combustion chamber arrangement is used with the conventional combustion chamber, i.e. H. started with flame, whereby the hot flame of the conventional combustion chamber flows through the catalytic surfaces and heats them up. This can lead to overheating of the catalytic surfaces and their destruction as soon as they start up. Only if after heating up the catalytic surfaces by the hot flame of the conventional combustion chamber whose flame extinguishes with the fuel-air mixture now set to be very lean, there is a narrow performance range in this version in which one can work with the more emission-free flameless catalytic combustion.
  • a suitable catalyst for the catalytic combustion of the fuel of a gas turbine is known from WO 93/18347 AI, a catalyst made of palladium oxide on a support made of a metal oxide such as cerium oxide, titanium dioxide, tantalum oxide or an aluminum oxide modified with a lanthanum oxide.
  • a metal oxide such as cerium oxide, titanium dioxide, tantalum oxide or an aluminum oxide modified with a lanthanum oxide.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement to determine the proportion of nitrogen oxides in the combustion exhaust gas of an incinerator by primary measures, i. H. by flameless catalytic oxidation of the fuel-oxygen or fuel-air mixture, as far as possible and thereby avoid local overheating in the area of the catalyst both to protect the catalyst itself and to minimize nitrogen oxide production.
  • the above-mentioned object is achieved according to the invention in that the fuel-oxygen mixture or the fuel-fresh air mixture with an excess of stoichiometric oxygen is contacted with an oxidation catalyst, the catalytically active material of which is titanium dioxide in the rutile modification and at least one Contains dopant which contains at least one of the elements of atomic numbers 58 (cerium) to 72 (tantalum) and additionally or alternatively at least one of the elements of subgroup 3 of the periodic table of the elements, in particular scandium (Sc), yttrium (Y) or lanthanum ( La).
  • an oxidation catalyst the catalytically active material of which is titanium dioxide in the rutile modification and at least one Contains dopant which contains at least one of the elements of atomic numbers 58 (cerium) to 72 (tantalum) and additionally or alternatively at least one of the elements of subgroup 3 of the periodic table of the elements, in particular scandium (Sc), yttrium (Y) or lanthanum (
  • the above object is achieved in that a gas path for a fuel-oxygen mixture or a fuel-fresh air mixture is provided, and that an oxidation catalyst is installed in the gas path, the catalytically active material of titanium dioxide (Ti0 2 ) in the rutile modification and at least one doping substance which contains at least one of the elements of atomic numbers 58 (cerium) to 72 (tantalum) and additionally or alternatively at least one of the elements of the 3rd subgroup of the periodic system of the elements, in particular scandium (Sc), Yttrium (Y) or lanthanum (La).
  • Titanium dioxide in the rutile modification catalyzes the oxidation of hydrocarbons with oxygen in the temperature range of 1000 to 1400 ° C that is of interest here.
  • the invention is based on the knowledge that the catalytic activity of this oxidation catalytic converter does not, as is customary, depend on the amount of a catalytically active element, such as the proportion of platinum in platinum catalysts, but that the catalytic activity depends on the density of the oxygen defect sites in the Crystal lattice depends. This density of the oxygen defect sites is limited by the material and can also be influenced by the locally and currently present oxygen content or oxygen partial pressure and by the temperature.
  • the temperature in the combustion chamber of the incineration plant can be adjusted to the gas turbine inlet temperature which is currently the maximum permissible for material technology reasons by merely regulating the fuel rate in the oxygen-inert gas mixture or in the fresh air quantity. This means that the temperature can always be kept well below the usual flame temperature. This primary measure significantly reduces the temperature-dependent formation rate of the nitrogen oxides.
  • the localizable catalytic activity of the catalyst prevents any local overheating. This serves both protecting the catalyst from overheating and limiting the formation of nitrogen oxides.
  • the catalytically active material comprises no more than 30% by weight of dopants.
  • elements of the dopant are generally in the form of their oxides.
  • the thermal shock sensitivity of the oxidation catalyst can be increased significantly if, in an appropriate further development, a metal, in particular zirconium (Zr), cerium (Ce) or hafnium (Hf), is added to the catalyst material as a further dopant in the fluorite structure.
  • a metal in particular zirconium (Zr), cerium (Ce) or hafnium (Hf) is added to the catalyst material as a further dopant in the fluorite structure.
  • the catalytic combustion described here can support combustion of the fossil fuel with the help of a burner.
  • the oxidation catalytic converter is assigned to a conventional combustion chamber, for example a premixing combustion chamber or a diffusion combustion chamber in a turbine. Further advantageous refinements are characterized in the subclaims.
  • FIG. 1 shows a gas turbine with a partially broken combustion chamber
  • FIG. 2 shows a perspective view of a catalytic converter element from FIGS 3 shows a diagram in which the catalytic activity A of the catalyst is plotted as a function of the oxygen content V in volume percent.
  • the gas turbine 1 shows a large gas turbine 1 as used in a gas turbine power plant and in a gas and steam turbine power plant for driving a generator.
  • a gas turbine 1 usually has an output of a few 100 MW.
  • the gas turbine 1 shown comprises a fresh air compressor 4 and an exhaust gas turbine 8, which are mounted on a common shaft 6.
  • the shaft 6 is coupled on the side of the fresh air compressor 4 to a generator 2, which is only indicated here.
  • Two radially arranged combustion chambers 12 and 14 can be seen on an intermediate part 10 between the fresh air compressor 4 and the exhaust gas turbine 8.
  • two fuel supply lines 16, 18 and 20, 22 open into each of the two combustion chambers 12, 14.
  • the combustion chamber 14 is shown broken, so that its structure can be seen.
  • the combustion chamber 14 contains a centrally arranged inner combustion chamber 24 within a cylindrical-conical wall 40.
  • the combustion chamber housing is designated by 26.
  • the space 28 between the combustion chamber housing 26 and the wall 40 of the inner combustion chamber 24 serves as a flow channel (ring-shaped in cross section) for the compressed fresh air coming from the fresh air compressor 4.
  • the two fuel supply lines 16, 18 and 20, 22 are connected to the end of the combustion chamber 12, 14 facing away from the center of the gas turbine 1.
  • the lines 20, 22 each open into a gas outlet nozzle 30 or 32, which protrude into the combustion chamber 24 open at this end of the combustion chamber 14.
  • the two gas outflow nozzles 30, 32 are followed at some distance in the direction of flow of the gases by a gas diffuser 34 which fills the entire cross section of the combustion chamber 24. This is followed at a predetermined distance by filling the entire cross section of the combustion chamber 24 Oxidation catalyst 36. In the exemplary embodiment, this consists of two layers 48, 50 of catalyst elements 38 placed one on top of the other.
  • the wall 40 of the combustion chamber 24 is lined with ceramic plates 42, so-called heat shields, downstream of the oxidation catalytic converter 36 in the flow direction.
  • a support structure is coated with catalytically active material in the exemplary embodiment.
  • the conical wall 40 of the combustion chamber 24 here is provided with small openings 43. Hot fuel gases can flow into the intermediate space 28 via these openings 43.
  • the catalyst element 38 shown in perspective in FIG. 2 contains a ceramic honeycomb body 39 made of aluminum oxide (A1 2 0 3 ) as the supporting structure.
  • this honeycomb body 39 could equally well consist of zirconium oxide (Zr0 2 ) or of an Si0 2 / Al 2 0 3 ceramic.
  • the honeycomb body 39 has continuous, mutually parallel channels 52 of rectangular cross section through which the gases coming from the gas diffuser 34 can flow.
  • the honeycomb body 39 is coated on its surface with the catalytically active material. In the exemplary embodiment, this coating is carried out by immersing the honeycomb body 39 in an aqueous slurry of the catalytically active material and then sintering.
  • the catalytically active material used for the oxidation catalyst 36 essentially consists of titanium dioxide (TiO 2 ) in the rutile modification.
  • the titanium oxide as dopants are temperature-resistant compounds of the ele duck mixed with atomic numbers 58 (cerium) to 72 (tantalum).
  • temperature-resistant connections of elements of subgroup 3 of the periodic system of elements such as scandium (Sc), yttrium (Y) or lanthanum (La), could also be added. These elements have the property that they can be used to adjust the catalytic activity in the temperature range of interest from 1000 to 1500 ° C. when working with mixing ratios of titanium oxide to the dopants mentioned from 70 to 100% by weight to 30 to 0% by weight becomes.
  • zirconium oxide in the fluorite structure is also added to the catalytically active material in amounts of 2% by weight. This significantly increases the stability of the catalytically active material, especially at high temperatures. This has to do with the fact that zirconium oxide has an anti-aging effect. This will reduce the catalytically active surface, ie. H. the porosity, counteracted by sintering. However, cerium or hafnium in the fluorite structure could equally well be used in amounts of about 2% by weight.
  • Oxygen content V This process is reversible.
  • the rate at which the number of oxygen defect sites adapts to the prevailing oxygen content V is greater at a higher temperature than at a lower temperature.
  • simply changing the oxygen content V can reversibly influence the catalytic activity A of the oxidation catalyst 36.
  • the number of oxygen defects and thus the catalytic activity A increases with decreasing oxygen content up to a certain maximum value Q and thereafter remains approximately constant. This means that, as is generally customary, the catalytic activity A initially rises with the temperature. This effect is intensified by an increase in the oxygen defect sites, which results from the oxygen content which decreases during the oxidation.
  • the catalytic activity A remains constant as soon as the maximum possible defect site density has been reached.
  • the present oxidation catalytic converter 36 has a built-in temperature limit, so to speak.
  • Limiting the maximum temperature protects the oxidation catalytic converter from overheating, but also limits the nitrogen oxide formation rate.
  • the lack of local temperature excesses in the catalyst area alone reduces the average formation rate of nitrogen oxides.
  • the rate of formation of nitrogen oxides can be further reduced by lowering the catalytic activity and thus the temperature in the oxidation catalytic converter by increasing the supply of fresh air or reducing the supply of fuel to a value which is adapted to the maximum permissible gas inlet temperature in the internal combustion engine. This further leads to the fact that a downstream
  • DeNOx system of conventional type can be made much smaller, which means both the installation costs and the Lowers operating costs.
  • the associated lower pressure drop in the exhaust gas duct of the gas turbine also results in a higher overall efficiency of the power plant. In extreme cases, as will be shown, it is even conceivable to completely save the downstream DeNOx system through the flameless catalytic oxidation of the fossil fuel.
  • the wall 40 of the inner combustion chamber 24 is lined with ceramic plates or combustion chamber stones 42 on the inside in the flow direction of the gases behind the oxidation catalytic converter 36.
  • these combustion chamber stones 42 are support plates, especially ceramic plates, which are also coated on the surface with the catalytically active material.
  • a powder mixture of the titanium oxide and the dopants used was sprayed onto the supporting structure of the combustion chamber stones 42 in a flame spraying process.
  • fresh air 44 is sucked in by the fresh air compressor 4, compressed and pressed into the intermediate space 28 between the wall 40 of the inner combustion chamber 24 and the combustion chamber housing 26. This is illustrated by arrows.
  • the incoming, compressed fresh air 44 cools the wall 40 of the inner combustion chamber 24; it is warmed up itself. This warming-up is increased even further because the wall 40 of the inner combustion chamber 24 in the direction of flow downstream of the oxidation catalytic converter 36 contains the small openings 43 through which hot exhaust gas 47 in the space 28 is mixed with the incoming fresh air 44.
  • the heated, compressed fresh air flows at the head of the combustion chamber 14 44 into the open combustion chamber 24.
  • the oxygen oxidizes the fuel gas 46.
  • the operator is given the hand To set the temperature in the catalytic converter 36 within wide limits by metered addition of the fuel 46 and / or the fresh air 44.
  • the operator need not fear that the catalyst 36 may overheat when working in the upper activity area because there is no longer a positive feedback effect in this area with the temperature. That is, accidental local temperature increases - unlike other catalysts - do not go hand in hand with an increase in catalytic activity A from a certain upper activity AQ - they do not rock up any further. This makes it possible to work far below the usual flame temperature, without local temperature excesses, and the primary generation of nitrogen oxides can thus be reliably minimized.
  • the specific surface area of the catalyst element 39 is in the range from 1 to 40 m 2 per gram. Quite good results can be achieved by soaking an inert ceramic with a specific surface area of 5 m 2 per gram with an aqueous slurry of the catalytic substance. Good results are also obtained by coprecipitating the mixture of the titanium oxide with the chosen dopants, that is, the joint precipitation of the substances from an aqueous solution. This co-precipitate can either be extruded into honeycomb bodies and then sintered or applied to a ceramic base and sintered together with the latter.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Bei der Verbrennung eines fossilen Energieträgers in einer Verbrennungsanlage (1) entstehen unerwünschte Stickoxide. Die Generation dieser Stickoxide steight überproportional mit der Temperatur in der Verbrennungsanlage (1) an. Um die Erzeugung der Stickoxide zu vermindern, sieht die Erfindung vor, daß der Brennstoff (46) samt Sauerstoff oder Frischluft (44) mit einem Oxidationskatalysator (36) kontaktiert wird. Das verwendete Katalysatormaterial enthält außer Titandioxid in der Rutilmodifikation noch einen Dotierungsstoff, der mindestens eines der Elemente der Ordnungszahlen 38 bis 72 des Periodischen Systems der Elemente sowie zusätzlich oder alternativ mindestens eines der Elemente der 3. Nebengruppe des Periodischen Systems, wie Scandium, Yttrium oder Lanthan, umfaßt. Die katalytische Aktivität (A) kann über den Sauerstoffgehalt (V) des zugeführten Gasgemisches (44, 46) eingestellt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur katalytischen Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in einer Verbrennungsanlage und Anordnung zur Durch- führung dieses Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur katalytischen Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in einer Verbrennungsanlage, insbesondere in einer Gasturbinenbrennkam- mer, bei dem ein Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch oder ein
Brennstoff-Frischluft-Gemisch mit überstöchiometrischem Sau- erstoffanteil mit einem Oxidationskatalysator kontaktiert wird. Sie bezieht sich auch auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens .
Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern bilden sich stets unerwünschte Stickoxide. Ihre Bildungsrate steigt überproportional mit der bei der Verbrennung herrschenden Temperatur. Der Verminderung der Bildung durch Primärmaßnahmen, wie z.B. der Absenkung der Flammtemperatur oder der Verbrennung mit reinem Sauerstoff statt mit Frischluft, sind enge technische oder/und kostenmäßige Grenzen gesetzt.
Zur nachträglichen Verminderung des Anteils der Stickoxide in dem Verbrennungsabgas einer Verbrennungsanlage haben sich als sogenannte Sekundärmaßnahmen DeNOx-Anlagen durchgesetzt. In diesen DeNOx-Anlagen werden die Stickoxide mit Hilfe von DeNOx-Katalysatoren in Gegenwart eines zugemischten Reduktionsmittels - im Kraftwerksbereich ist dies Ammoniak (NH3) - zu harmlosem Stickstoff (N2) und zu Wasser (H20) umgesetzt.
Es ist aber eine Eigenart dieser DeNOx-Anlagen, daß sie einen deutlichen Druckabfall im Abgaskanal erzeugen, welcher den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes minimiert . Darüber hinaus müssen ihnen permanent beachtliche Mengen an Reduktionsmittel zugeführt werden. Diese zusätzlichen Betriebskosten sowie die Baukosten dieser recht voluminösen DeNOx-Anlagen verteuern den Preis je erzeugter Kilowattstunde Elektrizität nicht unerheblich.
Es ist auch schon bekannt, daß katalytische Brennkammern, die den Brennstoff flammlos verbrennen, bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten können. In ihnen werden daher von vor- neherein weniger Stickoxide erzeugt als bei konventionellen Brennkammern mit ihren recht heißen Flammen. Katalytische Brennkammern haben jedoch die Eigenschaft, daß ihre katalyti- sehe Aktivität mit der Temperatur ansteigt. Dies führt leicht zu örtlichen Überhitzungen des Katalysators, durch die vermehrt Stickoxide gebildet werden. Solche lokalen Überhitzungen können auch zur Zerstörung des Katalysators führen.
Durch die EP 0 576 697 AI ist es bereits bekannt, einen
Brennraum für Gasturbinen sowohl mit Vor ischbrennkammern als auch mit katalytischen Brennkammern auszurüsten. Dabei befinden sich die Vormischbrennkammern neben den katalytischen Brennkammern, so daß die heißen Flammen der Vor ischbrenn- kammern nicht direkt auf die katalytischen Oberflächen der katalytischen Brennkammern auftreffen können. Diese sind so vor unmittelbarer Überhitzung durch die Flammen der Vormischbrennkammern geschützt. Zur Vorheizung sind die katalytischen Brennkammern mit einer Abgasrückführung versehen, wobei das Abgas aus dem Brennraum über eine Art Strahlpumpe mit der Frischluft vermischt die katalytischen Brennkammern durchströmt und diese vorwärmt, ohne sie zu überhitzen. Diese Konstruktion löst jedoch nicht das Problem, daß sich die katalytischen Oberflächen bei der Inbetriebnahme der katalytischen Brennkammer weiter aufheizen, dabei ihre katalytische Aktivität weiter steigern, wobei sich schließlich der überwiegende Anteil des StoffUmsatzes bei der Oxidation auf verhältnismäßig kleine Areale konzentriert, die sich dadurch weiter erhitzen und dabei katalytisch noch aktiver werden. Dies kann nicht nur dazu führen, daß sich diese Areale des Katalysators bis zur Selbstzerstörung aufheizen, sondern auch dazu, daß in diesen Arealen die Temperatur, bei der die Oxidation statt- findet, höher ansteigt als unbedingt notwendig. Daher werden vermehrt Stickoxide gebildet.
Durch die US-A 4,040,252 ist eine Brennkammeranordnung für Gasturbinen bekannt, bei der in S römungsrichtung der Gase hinter einer konventionellen Brennkammer Oxidationskatalysa- toren angeordnet sind. Diese Brennkammeranordnung wird mit der konventionellen Brennkammer, d. h. mit Flamme, angefahren, wobei die heiße Flamme der konventionellen Brennkammer durch die katalytischen Oberflächen strömt und diese aufheizt. Dies kann bereits beim Anfahren zur Überhitzung der katalytischen Oberflächen und zu deren Zerstörung führen. Nur wenn nach Aufheizung der katalytischen Oberflächen durch die heiße Flamme der konventionellen Brennkammer deren Flamme bei nunmehr sehr mager eingestelltem Brennstoff-Luftgemisch erlischt, gibt es bei dieser Ausführung einen schmalen Leistungsbereich, in dem mit der immissionsgünstigeren flammlosen katalytischen Verbrennung gearbeitet werden kann. Aber auch hier besteht die Gefahr, daß es im Katalysator -wegen der Zunahme der katalytischen Aktivität mit der Temperatur - lokal zu heißeren und damit katalytisch aktiveren und sich dadurch weiter aufheizenden Zonen kommt. In diesen Zonen können Temperaturen erreicht werden, die einerseits den Katalysator zerstören und die andererseits die vermehrte Bildung von Stickoxiden zur Folge haben.
Die gleichen Probleme, die anhand der US-A 4,040,252 geschildert wurden, ergeben sich auch für einen Brennkammeraufbau, der in der US-A-3, 943 , 705 offenbart ist. Auch hier ist ein Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung der Brenngase hinter einer Vielzahl kleinerer konventioneller Brennkammern angeordnet. Auch hier besteht die Gefahr der Überhitzung des Oxidationskatalysators durch die heißen Abgase der konventionellen Brennkammern, und auch hier kann es bei rein kata- lytischem Betrieb innerhalb des Katalysators zu örtlichen
Überhitzungen kommen, indem sich diese heißeren Zonen des Ka- talysators noch weiter aufheizen mit den bereits genannten negativen Folgen.
Als geeigneter Katalysator zur katalytischen Verbrennung des Brennstoffs einer Gasturbine ist aus der WO 93/18347 AI ein Katalysator aus Palladium-Oxid auf einem Träger aus einem Metalloxid wie Ceroxid, Titandioxid, Tantaloxid oder einem mit einem Lanthanoxid modifizierten Aluminiumoxid bekannt. Beim Betrieb einer mit einem derartigen Katalysator ausgestatteten Gasturbine muß jedoch die Temperatur des Katalysators durch aufwendige Maßnahmen stets derart eingestellt werden, daß der Katalysator durch Umwandlung des Palladium-Oxids in Palladium nicht seine katalytische Aktivität verliert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, um den Anteil der Stickoxide im Verbrennungsabgas einer Verbrennungsanlage durch Primärmaßnahmen, d. h. durch flammlose katalytische Oxidation des Brennstoff-Sauerstoff- oder Brennstoff-Luft-Gemisches, so weit wie möglich abzusenken und dabei lokale Überhitzungen im Bereich des Katalysators sowohl zum Schutz des Katalysators selbst als auch zur Minimierung der Stickoxidproduktion zu vermeiden.
Die oben genannte Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Brennstoff-Sauerstoff- Gemisch oder das Brennstoff-Frischluft-Gemisch mit über- stöchiometrischem Sauerstoffanteil mit einem Oxidationskata- lysator kontaktiert wird, dessen katalytisch aktives Material Titandioxid in der Rutilmodifikation und mindestens einen Dotierungsstoff enthält, der mindestens eines der Elemente der Ordnungszahlen 58 (Cer) bis 72 (Tantal) sowie zusätzlich oder alternativ mindestens eines der Elemente der 3. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, insbesondere Scandium (Sc) , Yttrium (Y) oder Lanthan (La), umfaßt. Bezüglich der Anordnung wird die obengenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gasweg für ein Brennstoff- Sauerstoff-Gemisch oder ein Brennstoff-Frischluft-Gemisch vorgesehen ist, und daß im Gasweg ein Oxidationskatalysator eingebaut ist, dessen katalytisch aktives Material Titandioxid (Ti02) in der Rutilmodifikation und mindestens einen Do- tierungsstoff enthält, der mindestens eines der Elemente der Ordnungszahlen 58 (Cer) bis 72 (Tantal) sowie zusätzlich oder alternativ mindestens eines der Elemente der 3. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, insbesondere Scandium (Sc) , Yttrium (Y) oder Lanthan (La), umfaßt.
Titandioxid in der Rutilmodifikation katalysiert im hier interessierenden Temperaturbereich von 1000 bis 1400 °C die Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die katalytische Aktivität dieses Oxidationskatalysators nicht, wie sonst üblich, von der Menge eines katalytisch aktiven Elementes - wie etwa bei Platinkatalysatoren von den Anteilen an Platin - abhängt, sondern daß die katalytische Aktivität von der Dichte der Sauerstoffdefektstellen im Kristallgitter abhängt. Diese Dichte der Sauerstoffdefektstellen ist materialbedingt nach oben hin begrenzt und darüber hinaus durch den lokal und momentan vorhandenen Sauerstoffgehalt oder Sauerstoffpartial- druck und durch die Temperatur beeinflußbar.
Dies hat zur Folge, daß die Temperatur in der Brennkammer der Verbrennungsanlage durch bloße Regelung der Brennstoffrate im Sauerstoff-Inertgasgemisch oder in der Frischluftmenge auf die aus erkstofftechnischen Gründen derzeit maximal zulässige Gasturbineneintrittstemperatur eingestellt werden kann. Das heißt, die Temperatur kann auf diese Weise stets deutlich unter der sonst üblichen Flammtemperatur gehalten werden. Durch diese Primärmaßnahme wird die temperaturabhängige Bil- dungsrate der Stickoxide deutlich abgesenkt. Darüber hinaus werden durch die begrenzbare katalytische Aktivität des Katalysators etwaige lokale Überhitzungen vermieden. Dies dient sowohl dem Schutz des Katalysators vor Überhitzung, als auch der Begrenzung der Bildung von Stickoxiden.
Mit der Dotierung des Titandioxids läßt sich durch Stabili- sieren der Sauerstof defektstellen sowohl die katalytische
Aktivität günstig beeinflussen als auch einer vorzeitigen Materialermüdung im Temperaturbereich von 1000-1400 °C vorbeugen. Diese Ermüdung würde sich durch einen Verlust an spezifischer Oberfläche anzeigen. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn das katalytisch aktive Material nicht mehr als 30 Gew.-% an Dotierungsstoffen umfaßt. Bei den genannten Bedingungen liegen Elemente des Dotierungs- stoffes im allgemeinen in Form ihrer Oxide vor.
Die Thermoschockempfindlichkeit des Oxidationskatalysators läßt sich deutlich steigern, wenn in zweckmäßiger Weiterbildung dem Katalysatormaterial als weiterer Dotierungsstoff ein Metall, insbesondere Zirkon (Zr) , Cer (Ce) oder Hafnium (Hf) , in der Fluoritstruktur zugesetzt ist.
Anzumerken ist noch, daß die hier beschriebene katalytische Verbrennung eine Verbrennung des fossilen Brennstoffs mit Hilfe eines Brenners unterstützen kann. Für diesen Fall ist dann vorgesehen, daß der Oxidationskatalysator einer herkömm- liehen Brennkammer, beispielsweise einer Vormischbrennkammer oder einer Diffusionsbrennkammer bei einer Turbine, zugeordnet ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Gasturbine mit teilweise aufgebrochener Brennkammer, FIG 2 eine perspektivische .Ansicht eines Katalysatorelements der FIG 1 und FIG 3 ein Diagramm, in dem die katalytische Aktivität A des Katalysators in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt V in Volumenprozent aufgetragen ist.
In der schaubildlichen Darstellung der Figur 1 erkennt man eine große Gasturbine 1, wie sie in einem Gasturbinenkraftwerk sowie in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk zum Antrieb eines Generators verwendet wird. Eine solche Gasturbine 1 hat üblicherweise eine Leistung von einigen 100 MW. Die dargestellte Gasturbine 1 umfaßt einen Frischluftverdichter 4 und eine Abgasturbine 8, die auf einer gemeinsamen Welle 6 gelagert sind. Die Welle 6 ist auf der Seite des Frischluft- verdichters 4 an einem hier nur angedeuteten Generator 2 angekuppelt. Zwischen dem Frischluftverdichter 4 und der Ab- gasturbine 8 sind an einem Zwischenteil 10 zwei radial angeordnete Brennkammern 12 und 14 zu erkennen. In jede der beiden Brennkammern 12, 14 münden im Ausführungsbeispiel je zwei BrennstoffZuführungsleitungen 16, 18 bzw. 20, 22.
In Figur 1 ist die Brennkammer 14 aufgebrochen dargestellt, so daß ihr Aufbau zu erkennen ist. Die Brennkammer 14 enthält einen zentrisch angeordneten inneren Brennraum 24 innerhalb einer zylindrisch-konischen Wand 40. Das Brennkammergehäuse ist mit 26 bezeichnet. Der Zwischenraum 28 zwischen dem Brennkammergehäuse 26 und der Wand 40 des inneren Brennraums 24 dient als (im Querschnitt ringförmiger) Strömungskanal für die vom Frischluftverdichter 4 kommende verdichtete Frischluft. Jeweils an dem dem Zentrum der Gasturbine l abgewandten Ende der Brennkammer 12, 14 sind die beiden Brennstoffzufüh- rungsleitungen 16, 18 bzw. 20, 22 angeschlossen. Die Leitungen 20, 22 münden in je eine Gasausströmdüse 30 bzw. 32, die in den an diesem Ende der Brennkammer 14 offenen Brennraum 24 hineinragen. Den beiden Gasausströmdüsen 30, 32 ist in Strömungsrichtung der Gase in einigem Abstand ein den gesamten Querschnitt des Brennraumes 24 ausfüllender Gasdiffusor 34 nachgeschaltet. Diesem folgt in einem vorgegebenen Abstand ein den gesamten Querschnitt des Brennraumes 24 ausfüllender Oxidationskatalysator 36. Dieser besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei aufeinander gesetzten Lagen 48, 50 von Katalysatorelementen 38.
Die Wand 40 des Brennraumes 24 ist in Strömungsrichtung hinter dem Oxidationskatalysator 36 mit keramischen Platten 42, sogenannten Hitzeschildern, ausgekleidet. Bei letzteren ist im Ausführungsbeispiel, ebenso wie bei den Katalysatorelementen 38, eine Tragstruktur mit katalytisch aktivem Material beschichtet. An dem dem Zwischenteil 10 zugewandten Ende des Brennraumes 24 ist die hier konische Wand 40 des Brennraumes 24 mit kleinen Öffnungen 43 versehen. Über diese Öffnungen 43 können heiße Brenngase in den Zwischenraum 28 einströmen.
Das in Figur 2 perspektivisch dargestellte Katalysatorelement 38 enthält als Tragstruktur einen keramischen Wabenkörper 39 aus Aluminiumoxid (A1203) . Dieser Wabenkörper 39 könnte aber ebenso gut auch aus Zirkonoxid (Zr02) oder aus einer Si02/Al203-Keramik bestehen. Der Wabenkörper 39 hat, wie die FIG 2 zeigt, durchgehende, zueinander parallele Kanäle 52 von rechteckigem Querschnitt, durch die die vom Gasdiffusor 34 kommenden Gase strömen können. Der Wabenkörper 39 ist an seiner Oberfläche mit dem katalytisch aktiven Material beschichtet. Dieses Beschichten ist im Ausführungsbeispiel durch Ein- tauchen des Wabenkörpers 39 in eine wäßrige Ausschlämmung des katalytisch aktiven Materials und anschließendes Sintern erfolgt. Alternativ ist es auch möglich, das katalytisch aktive Material alleine zu extrudieren und zu sintern oder mit nicht-katalytischem keramischen Material zu vermischen und aus dieser Mischung den Wabenkörper 39 zu extrudieren und zu sintern. Auch ein Aufwalzen auf eine Tragstruktur und anschließendes Sintern ist möglich.
Das verwendete katalytisch aktive Material des Oxidationska- talysators 36 besteht im wesentlichen aus Titandioxid (Ti02) in der Rutilmodifikation. Darüber hinaus sind dem Titanoxid als Dotierungsstoffe temperaturfeste Verbindungen der Ele- ente mit den Ordnungszahlen 58 (Cer) bis 72 (Tantal) zugemischt. Alternativ oder additiv könnten auch temperaturfeste Verbindungen von Elementen der 3. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, wie Scandium (Sc) , Yttrium (Y) oder Lanthan (La) , beigegeben sein. Diese Elemente haben die Eigenschaft, daß mit ihnen die katalytische Aktivität im interessierenden Temperaturbereich von 1000 bis 1500 °C eingestellt werden kann, wenn mit Mischungsverhältnissen von Titanoxid zu den genannten Dotierungsstoffen von 70 bis 100 Gew.% zu 30 bis 0 Gew.-% gearbeitet wird.
Im Ausführungsbeispiel ist dem katalytisch aktiven Material außer den vorgenannten Dotierungsstoffen noch Zirkonoxid in der Fluoritstruktur in Mengen von 2 Gew.-% zugemischt. Da- durch wird die Standfestigkeit des katalytisch aktiven Materials, insbesondere bei hohen Temperaturen, bedeutend erhöht. Dies hängt damit zusammen, daß sich Zirkonoxid versin- terungshemmend auswirkt . Hierdurch wird einer Verkleinerung der katalytisch aktiven Oberfläche, d. h. der Porosität, durch Versintern entgegengewirkt. Ebensogut könnten hierzu aber auch Cer oder Hafnium in der Fluoritstruktur in Mengen von etwa 2 Gew.-% eingesetzt werden.
Es wurde herausgefunden, daß die katalytische .Aktivität A dieses Katalysatormaterials direkt mit der Anzahl der Sauersoffdefektstellen zusammenhängt. Die Figur 3 zeigt die Anzahl der Sauerstoffdefektstellen im katalytisch aktiven Material, d.h. die katalytische Aktivität A, in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt V im Gas, der in Vol . % angegeben ist. Danach steigt die Zahl der Sauerstoffdefektstellen mit abnehmendem
Sauerstoffgehalt V. Dieser Vorgang ist reversibel. Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Zahl der Sauerstoffdefektstellen an den herrschenden Sauerstoffgehalt V anpaßt, bei höherer Temperatur größer als bei niedrigerer Temperatur. Somit läßt sich durch bloße Änderung des Sauerstoffgehalts V die katalytische Aktivität A des Oxidationskatalysators 36 reversibel beeinflussen. Von besonderer Bedeu- tung ist dabei, daß die Anzahl der Sauerstoffdefektstellen und damit die katalytische Aktivität A mit sinkendem Sauerstoffgehalt bis zu einem bestimmten Höchstwert Q ansteigt und danach etwa konstant bleibt. Das heißt, die katalytische Aktivität A steigt, wie allgemein üblich, zunächst mit der Temperatur an. Dieser Effekt wird noch durch eine Steigerung der Sauerstoffdefektstellen verstärkt, die sich durch den bei der Oxidation sich vermindernden Sauerstoffgehalt ergibt. Aber anders als bei vorbekannten Oxidationskatalysatoren bleibt hier die katalytische Aktivität A konstant, sobald die maximal mögliche Defektstellendichte erreicht ist. Daraus folgt in der Praxis, daß die katalytische Aktivität A so eingestellt werden kann, daß sie in Strömungsrichtung der Gase infolge der steigenden Temperatur und des abnehmenden Sauer- stoffgehalts V ansteigt und dabei einen Maximalwert erreicht, der dann nicht mehr überschritten werden kann. Dadurch ist es nicht mehr möglich, daß - wie bei bekannten Oxidationskatalysatoren - durch lokale geringfügige Temperaturschwankungen die geringfügig heißeren Stellen durch eine intensivierte ka- talytische Reaktion noch heißer werden. Der vorliegende Oxidationskatalysator 36 hat sozusagen eine eingebaute Temperaturbegrenzung .
Mit der Begrenzung der Maximaltemperatur wird einerseits der Oxidationskatalysator vor Überhitzung geschützt, andererseits aber auch die Bildungsrate der Stickoxide begrenzt. Allein schon das Fehlen von lokalen Temperaturexzessen im Katalysa- torbereich mindert die mittlere Bildungsrate der Stickoxide. Darüber hinaus kann die Bildungsrate der Stickoxide zusätz- lieh dadurch abgesenkt werden, daß die katalytische Aktivität und damit die Temperatur im Oxidationskatalysator durch vermehrte Frischluftzufuhr oder verminderte Brennstoffzufuhr auf einen Wert gesenkt wird, der der maximal zulässigen Gaseintrittstemperatur in der Verbrennungskraftmaschine angepaßt ist. Dies führt im weiteren dazu, daß eine nachgeschaltete
DeNOx-Anlage konventioneller Art sehr viel kleiner ausgeführt werden kann, was sowohl die Installationskosten als auch die Betriebskosten senkt. Durch den damit einhergehenden geringeren Druckabfall im Abgaskanal der Gasturbine wird so zugleich auch ein höherer Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerksanlage erreicht. In extremen Fällen ist es, wie noch gezeigt wird, so- gar denkbar, durch die flammlose katalytische Oxidation des fossilen Brennstoffes die nachgeschaltete DeNOx-Anlage gänzlich einzusparen.
Wie erwähnt, ist im Ausführungsbeispiel von Figur 1 die Wand 40 des inneren Brennraumes 24 auf der Innenseite in Strömungsrichtung der Gase hinter dem Oxidationskatalysator 36 mit keramischen Platten oder Brennkammersteinen 42 ausgekleidet. Diese Brennkammersteine 42 sind im Ausführungsbeispiel Tragplatten, speziell Keramikplatten, die oberflächlich eben- falls mit dem katalytisch aktiven Material belegt sind.
Hierzu wurde eine Pulvermischung des Titanoxids und der verwendeten Dotierungsstoffe im Flammspritzverfahren auf die Tragstruktur der Brennkammersteine 42 aufgespritzt. Alternativ wäre es auch möglich, eine Mischung des Titanoxids mit den gewählten Dotierungsstoffen durch ein Kopräzipitations- verfahren aus einer wässrigen Lösung auszufällen und auf der keramischen Unterlage (Tragstruktur) , etwa durch Aufwalzen, aufzutragen und dann auf dieser Unterlage durch Sintern zu befestigen.
Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird vom Frischluftverdichter 4 Frischluft 44 angesaugt, verdichtet und in den Zwischenraum 28 zwischen der Wand 40 des inneren Brennraums 24 und dem Brennkammergehäuse 26 gedrückt. Dies ist durch Pfeile veran- schaulicht. Dort kühlt die zuströmende, verdichtete Frischluft 44 die Wand 40 des inneren Brennraumes 24; sie wird dabei selbst aufgewärmt. Diese Aufwärmung wird noch gesteigert, weil die Wand 40 des inneren Brennraums 24 in S römungsrich- tung hinter dem Oxidationskatalysator 36 die kleinen Öffnun- gen 43 enthält, durch die heißes .Abgas 47 im Zwischenraum 28 der zuströmenden Frischluft 44 zugemischt wird. Am Kopf der Brennkammer 14 strömt die aufgeheizte, verdichtete Frischluft 44 in den dort offenen Brennraum 24 ein. Sie vermischt sich dort mit dem über die BrennstoffZuführungsleitungen 20, 22 und die Gasausströmdüsen 30, 32 zuströmenden Brenngas 46. Für den Fall optimaler katalytischer Verbrennung wird (durch nicht gezeigte Mittel) dafür gesorgt, daß der Sauerstoffanteil überstöchiometrisch zugeführt wird. Durch den Gasdif- fusor 34 wird das Frischluft -Brenngasgemisch 44, 46 gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des inneren Brennraumes 24 verteilt. Gleiches geschieht in der Brennkammer 12.
Beim Kontakt mit dem durch die Verbrennungswärme auf Betriebstemperatur aufgeheizten Oxidationskatalysator 36 oxidiert der Sauerstoff das Brenngas 46. Dies geschieht dank der bei 1000 bis 1400 °C recht hohen katalytischen Aktivität des Oxi- dationskatalysators 36 bereits deutlich unter der Temperatur der Flamme, mit der dasselbe Brennstoff-Luftgemisch 44, 46 sonst verbrennen würde. Und - was besonders wichtig ist - dies geschieht auch bei einem extrem mager eingestellten sonst nicht mehr zündfähigen, Brennstoff-Luftgemisch 44, 46. Weil die katalytische Aktivität A dieses Oxidationskatalysators 36 mit abnehmendem Sauerstoffgehalt ansteigt, ist es dem Betreiber an die Hand gegeben, die Temperatur im Katalysator 36 durch dosierte Zugabe des Brennstoffes 46 und/oder der Frischluft 44 in weiten Grenzen einzustellen. Außerdem muß der Betreiber nicht befürchten, daß der Katalysator 36 beim Arbeiten im oberen Aktivitätsbereich sich überhitzen kann, weil es keinen positiven Rückkopplungseffekt in diesem Bereich mehr mit der Temperatur gibt. D. h. zufällige lokale Temperaturerhöhungen gehen - anders als bei anderen Katalysa- toren - ab einer bestimmten oberen Aktivität AQ nicht mit einer Steigerung der katalytischen Aktivität A einher,- sie schaukeln sich dadurch nicht weiter auf. Dies erlaubt es weit unter der üblichen Flammtemperatur zu arbeiten, und zwar ohne lokale Temperaturexzesse, und damit läßt sich die primäre Er- zeugung von Stickoxiden zuverlässig zu minimieren. Lediglich beim Anfahren einer noch kalten Verbrennungsanlage 1, wenn der Katalysator 36 noch nicht seine Betriebstemperatur er- reicht hat, muß an den Gasausströmdüsen 30, 32 Brennstoff 46 so lange mit Flamme verbrannt werden, bis der Katalysator 36 seine Betriebstemperatur erreicht hat. Für diese induzierte Verbrennung mit Flamme sind nicht gezeigte herkömmliche Brenner vorgesehen. Sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, kann das Brennstoff-Frischluft-Gemisch 44, 46 magerer eingestellt werden, bis die Flamme verlischt und die Oxidation in der geschilderten Weise flammlos bei Temperaturen deutlich unter der Flammtemperatur erfolgt .
Um eine optimale Einstellbarkeit der Katalysatortemperatur zu ermöglichen, d.h. um einerseits eine lokale Überhitzung leichter auszuschließen und andererseits auch eine Auskühlung des Katalysatorelementes leichter zu vermeiden, hat es sich als sehr zweckmäßig erwiesen, wenn die spezifische Oberfläche des Katalysatorelementes 39 im Bereich von 1 bis 40 m2 pro Gramm liegt. Recht gute Ergebnisse können durch Tränken einer inerten Keramik mit einer spezifischen Oberfläche von 5 m2 pro Gramm mit einer wässrigen Aufschlämmung der katalytischen Substanz erreicht werden. Gute Ergebnisse werden auch durch Kopräzipitieren der Mischung des Titanoxids mit den gewählten Dotierungsstoffen, d. h. dem gemeinsamen Ausfällen der Stoffe aus einer wässrigen Lösung, erhalten. Dabei kann dieses Ko- präzipitat entweder zu Wabenkörpern extrudiert und dann gesintert oder aber auf einer keramischen Unterlage aufgetragen und gemeinsam mit letzterer gesintert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur katalytischen Verbrennung eines fossilen Brennstoffs (46) in einer Verbrennungsanlage (1) , insbeson- dere in einer Gasturbinenbrennkammer (24) , bei dem ein Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch oder ein Brennstoff-Frischluft-Gemisch (44, 46) mit überstöchiometrischem Sauerstoffanteil mit einem Oxidationskatalysator (36) kontaktiert wird, dessen katalytisch aktives Material Titandioxid (Ti02) in der Rutilmo- difikation und mindestens einen Dotierungsstoff enthält, der mindestens eines der Elemente der Ordnungszahlen 58 (Cer) bis 72 (Tantal) sowie zusätzlich oder alternativ mindestens eines der Elemente der 3. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, insbesondere Scandium (Sc) , Yttrium (Y) oder Lanthan (La), umfaßt.
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 die Menge aller Dotierungsstoffe im katalytisch aktiven Material weniger als 30 Gew.-% beträgt.
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 katalytische Aktivität (A) des Oxidationskatalysators (36) durch den lokal vorhandenen Sauerstoffgehalt (V) oder durch die Zufuhr des Brennstoffs (46) beeinflußt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die kata- lytische Verbrennung eine Brenner-induzierte Verbrennung des fossilen Brennstoffs (46) unterstützt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der kata- lytischen Verbrennung eine Brenner-induzierte Verbrennung des fossilen Brennstoffs (46) vorausgeht.
6. Anordnung zur katalytischen Verbrennung eines fossilen Brennstoffs (46) in einer Verbrennungsanlage (1) , insbesondere in einer Gasturbinenbrennkammer (24) , bei der ein Gasweg (24) für ein Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch oder ein Brenn- stoff-Frischluft-Gemisch (44, 46) vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Gasweg (24) ein Oxidationskatalysator (36) eingebaut ist, dessen katalytisch aktives Material Titandioxid (Ti02) in der Rutilmodifikation und mindestens einen Dotierungsstoff enthält, der mindestens eines der Elemente der Ordnungszahlen 58 (Cer) bis 72 (Tantal) sowie zusätzlich oder alternativ mindestens eines der Elemente der 3. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, insbesondere Scandium (Sc) , Yttrium (Y) oder Lanthan (La), umfaßt.
7. Anordnung 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 die Menge aller Dotierungsstoffe im katalytisch aktiven Material weniger als 30 Gew.-% beträgt.
8. Anordnung 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 der Oxidationskatalysator (36) in Kombination mit einer herkömmlichen Brennkammer, etwa einer Vormischbrennkammer oder einer Diffusionsbrennkammer, geschaltet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das katalytisch aktive Material des Oxidationskatalysators (36) als Dotierungsstoff mindestens ein Metall, insbesondere Zirkon
(Zr) , Cer (Ce) und/oder Hafnium (Hf) , in der Fluoritstruktur enthält .
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Oxidationskatalysator (36) mehrere dicht nebeneinander angeordnete Katalysatorelemente (38) umfaßt, die in ihrer Gesamtheit den gesamten Strömungsquerschnitt des Gaswegs, vorzugsweise des Brennraumes (24) einer Brennkammer (12, 14), ausfüllen.
11. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kata- lysatorelemente (38) jeweils als Tragstruktur einen keramischen Wabenkörper (39) umfassen.
12. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Gas- weg (24) mehrere, den gesamten Querschnitt ausfüllende Lagen (48, 50) von Katalysatorelementen (38) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
13. -Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Strömungsrichtung hinter dem Oxidationskatalysator (36) die Wand des Gasweges mit keramischen Platten oder Brennkammersteinen (42) ausgekleidet ist, welche mit dem katalytisch aktiven Material des Oxidationskatalysators (36) oberflächlich belegt sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Wand (40) des Brennraumes (24) einer Brennkammer (14) Öffnun- gen (43) zur Zumischung eines Teils der heißen verbrannten Abgase (47) zu der dem Oxidationskatalysator (36) zuströmenden Frischluft (44) zwecks Temperierung des Oxidationskatalysators (36) vorgesehen sind.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die spezifische Oberfläche des Oxidationskatalysators (36) größer als 1 m2/g und kleiner als 40 m2/g ist.
PCT/DE1997/002077 1996-09-16 1997-09-16 Verfahren zur katalytischen verbrennung eines fossilen brennstoffs in einer verbrennungsanlage und anordnung zur durchführung dieses verfahrens WO1998012479A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP97943777A EP0925474A1 (de) 1996-09-16 1997-09-16 Verfahren zur katalytischen verbrennung eines fossilen brennstoffs in einer verbrennungsanlage und anordnung zur durchführung dieses verfahrens
JP10514172A JP2001500603A (ja) 1996-09-16 1997-09-16 燃焼設備における化石燃料の触媒燃焼方法及びこの方法を実施するための装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19637727.7 1996-09-16
DE1996137727 DE19637727A1 (de) 1996-09-16 1996-09-16 Verfahren zur katalytischen Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in einer Verbrennungsanlage und Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1998012479A1 true WO1998012479A1 (de) 1998-03-26

Family

ID=7805799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1997/002077 WO1998012479A1 (de) 1996-09-16 1997-09-16 Verfahren zur katalytischen verbrennung eines fossilen brennstoffs in einer verbrennungsanlage und anordnung zur durchführung dieses verfahrens

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0925474A1 (de)
JP (1) JP2001500603A (de)
DE (1) DE19637727A1 (de)
WO (1) WO1998012479A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2119964A1 (de) 2008-05-15 2009-11-18 ALSTOM Technology Ltd Emissionsreduktionsverfahren für eine Brennkammer

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6460345B1 (en) * 2000-11-14 2002-10-08 General Electric Company Catalytic combustor flow conditioner and method for providing uniform gasvelocity distribution
EP1286112A1 (de) 2001-08-09 2003-02-26 Siemens Aktiengesellschaft Vormischbrenner und Verfahren zu dessen Betrieb

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3943705A (en) 1974-11-15 1976-03-16 Westinghouse Electric Corporation Wide range catalytic combustor
US4040252A (en) 1976-01-30 1977-08-09 United Technologies Corporation Catalytic premixing combustor
US4483944A (en) * 1983-07-27 1984-11-20 Corning Glass Works Aluminum titanate-mullite ceramic articles
US4857499A (en) * 1987-03-20 1989-08-15 Kabushiki Kaisha Toshiba High temperature combustion catalyst and method for producing the same
WO1993018347A1 (en) 1992-03-13 1993-09-16 Engelhard Corporation Catalytic combustion process using supported palladium oxide catalysts
EP0576697A1 (de) 1992-06-29 1994-01-05 Abb Research Ltd. Brennkammer einer Gasturbine
EP0718027A1 (de) * 1994-12-20 1996-06-26 Hitachi, Ltd. Katalysator enthaltendes, wärmegedämmtes Element damit versehene Gasturbine
US5551239A (en) * 1993-03-01 1996-09-03 Engelhard Corporation Catalytic combustion system including a separator body

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1358636A (en) * 1972-04-05 1974-07-03 British Titan Ltd Rutile titanium dioxide
DE19509893C1 (de) * 1995-03-17 1996-12-19 Siemens Ag Katalysatorträger aus Titandioxid sowie seine Verwendung

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3943705A (en) 1974-11-15 1976-03-16 Westinghouse Electric Corporation Wide range catalytic combustor
US4040252A (en) 1976-01-30 1977-08-09 United Technologies Corporation Catalytic premixing combustor
US4483944A (en) * 1983-07-27 1984-11-20 Corning Glass Works Aluminum titanate-mullite ceramic articles
US4857499A (en) * 1987-03-20 1989-08-15 Kabushiki Kaisha Toshiba High temperature combustion catalyst and method for producing the same
WO1993018347A1 (en) 1992-03-13 1993-09-16 Engelhard Corporation Catalytic combustion process using supported palladium oxide catalysts
EP0576697A1 (de) 1992-06-29 1994-01-05 Abb Research Ltd. Brennkammer einer Gasturbine
US5551239A (en) * 1993-03-01 1996-09-03 Engelhard Corporation Catalytic combustion system including a separator body
EP0718027A1 (de) * 1994-12-20 1996-06-26 Hitachi, Ltd. Katalysator enthaltendes, wärmegedämmtes Element damit versehene Gasturbine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2119964A1 (de) 2008-05-15 2009-11-18 ALSTOM Technology Ltd Emissionsreduktionsverfahren für eine Brennkammer

Also Published As

Publication number Publication date
DE19637727A1 (de) 1998-03-19
JP2001500603A (ja) 2001-01-16
EP0925474A1 (de) 1999-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0767345B1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage
EP0710797B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Vormischbrenners
EP1497589B1 (de) Brennkammer mit flammenloser oxidation
EP1251314A2 (de) Katalytisch arbeitender Brenner
DE69729505T2 (de) Arbeitsweise einer Gasturbinenbrennkammer
EP1279898B1 (de) Vormischbrenner mit hoher Flammenstabilität
EP0095788B1 (de) Brennkammer einer Gasturbine und Verfahren zu deren Betrieb
EP0576697B1 (de) Brennkammer einer Gasturbine
CH680014A5 (de)
DE10050248A1 (de) Brenner
EP1738109A1 (de) Katalytischer reaktor und verfahren zur verbrennung von brennstoff-luft-gemischen mittels eines katalytischen reaktors
DE19727730A1 (de) Gasturbinenaufbau
CH695793A5 (de) Verbrennungsverfahren, insbesondere für Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme.
CH672366A5 (de)
WO1998012479A1 (de) Verfahren zur katalytischen verbrennung eines fossilen brennstoffs in einer verbrennungsanlage und anordnung zur durchführung dieses verfahrens
DE69526212T2 (de) Verbesserte verfahren und katalytische, struktur, benutzend integralen wärmeaustausch mit wahlweise vorgeschaltetem flammenhalter
DE19521356C2 (de) Gasturbine, umfassend einen Verdichterteil, einen Brennerteil und einen Turbinenteil
JPH01242151A (ja) 高温燃焼器用触媒体およびその製造方法
EP1654497B1 (de) Verfahren zur verbrennung eines fluidischen brennstoffs sowie brenner, insbesondere für eine gasturbine, zur durchführung des verfahrens
AT402847B (de) Wärmeerzeuger mit einem teilweise katalytisch beschichteten metallischen wabenkörperreaktor
EP1491824B1 (de) Katalytischer Reaktor und zugehöriges Betriebsverfahren
WO1996041991A1 (de) Katalytische zündbrenner einer gasturbine
DE19604263A1 (de) Katalytischer Brenner
DE19541802A1 (de) Gasbrenner mit festkörpergestützter, flammloser Verbrennung
DE10136313A1 (de) Vormischbrenner mit hoher Flammenstabilität

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1997943777

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref country code: JP

Ref document number: 1998 514172

Kind code of ref document: A

Format of ref document f/p: F

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 09272749

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1997943777

Country of ref document: EP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1997943777

Country of ref document: EP