DE68914051T2

DE68914051T2 - Gasturbine.

Info

Publication number: DE68914051T2
Application number: DE68914051T
Authority: DE
Inventors: Peter John Davidson; Jeremy Charles Bausor Hunns; Warwick John Lywood
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: EP0351094A1; JPH0270928A; CA1331696C; DE68914051D1; EP0351094B1; JP2757966B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine und insbesondere eine Gasturbine, bei deren Betrieb als Brennstoff ein leichter, d.h. normalerweise gasförmiger oder niedrigsiedender, Kohlenwasserstoff, wie z.B. Erdgas oder Naphtha, verwendet wird.
Beim Betrieb einer Gasturbine wird ein Treibstoff im gasförmigen Zustand, der nachstehend als Treibas bezeichnet wird, bei überatmosphärischem Druck mit Luft, die ebenfalls überatmosphärischen Druck aufweist, unter Bildung einer Flamme verbrannt. Die entstehenden heißen Gase werden dann von einer Verbrennungskammer durch eine Turbine geführt, welche Antriebsenergie liefert. Dies Turbine treibt normalerweise den Luftkompressor und nötigenfalls auch den Kompressor für das Treibgas und gibt außerdem Antriebsenergie ab, beispielsweise zum Antreiben eines elektrischen Generators.
Im Hinblick auf eine möglichst geringe Verunreinigung der Umgebung durch die Turbinenabgase ist es erwünscht, die Verbrennung mit einem mageren, d.h. luftreichen, Gemisch durchzuführen, so daß die Flammentemperatur so niedrig wie möglich ist, um die Bildung von Stickoxiden gering zu halten. Jedoch diktieren die Brennbarkeitsgrenzen des Gemischs das mögliche Minimum der Verhältnisses von Treibgas zu Luft. Es ist zwar oft möglich, eine Gasturbine bei voller Leistung mit einem Gemisch zu betreiben, das ausreichend mager ist, um gefährliche Stickstoffbildungen zu vermeiden, jedoch verursacht ein Betrieb bei diesem Verhältnis von Treibgas zu Luft unter Teillast eine Instabilität, weshalb dann ein reicheres Gemisch verwendet werden muß.
Aus der FR-A-2577990 ist es bekannt, Methanol einer Dampfreformierung zu unterwerfen, und aus der GB-A-1581334 ist es bekannt, Methanol thermisch zu cracken, um eine Beschickung für eine Gasturbine zu erzeugen.
Aus der DE-A-3440202 ist es auch bekannt, als Beschickung für eine Gasturbine das Produkt zu verwenden, das durch katalytische Dampfreformierung eines flüssigen Treibstoffs erhalten wird, wobei für die Reformierung Wärme verwendet wird, die aus den Turbinenabgasen stammt. Jedoch weist die aus den Turbinenabgasen erhältliche Wärme eine zu niedrige Temperatur auf, als daß eine wesentliche Reformierung von leichten Kohlenwasserstoffbrennstoffen möglich wäre.
Aus der US-A-3784364 ist es bekannt, als Gasturbinentreibstoff das Produkt der nichtkatalytischen Teiloxidation eines flüssigen Kohlenwasserstoffs in Gegenwart von Dampf zu verwenden, dem eine weitere Menge des flüssigen Kohlenwasserstoffs und Dampf zugesetzt worden ist, um die Gase der Teiloxidation zu kühlen.
Aus der GB-A-1498429 ist es bekannt, als Treibgas für eine Gasturbine das Produkt der Teiloxidation eines schweren Treibstofföls in Gegenwart von Dampf zu verwenden, das zu Zeiten einer Spitzenbelastung mit Methanol angereichert wird, welches aus dem Gas synthetisiert wird, das durch die Teiloxidation während der Spitzenbelastungsperioden erzeugt wird.
Es wurde nunmehr festgestellt, daß, wenn der Treibstoff ein gasförmiger oder flüssiger leichter Kohlenwasserstoff ist, wie z.B. Naturgas oder Naphtha, ein reformiertes Produkt erhalten werden kann, das direkt als Beschickung für den Gasturbinenbrenner dienen kann, indem der Treibstoff zumindest während eines Teillastbetriebs einer katalytischen autotherm Dampfreformierung unterworfen wird, wodurch es ermöglicht wird, den Gasturbinenbrenner auch bei einem Teillastbetrieb unter magereren Bedingungen zu betreiben, was niedrigere Flammentemperaturen zur Folge hat.
Die autotherme Dampfreformierung eines leichten Kohlenwasserstoffs bei einem erhöhten Druck und die anschließende Verbrennung des autotherm reformierten Produkts nach einer Expansion desselben ist aus der DE-A-1944307 bekannt. Dort ist angegeben, daß die Verbrennungsprodukte zum Antrieb einer Gasturbine verwendet werden können. Es wird jedoch nicht erwähnt, daß die Luftmenge für die Verbrennung gesteigert werden könnte.
Aus der GB-A-1485834 ist es bekannt, die Bildung von Stickoxiden in einer Innenverbrennungsmaschine dadurch zu verringern, daß man unter mageren Bedingungen arbeitet, wobei als Treibstoff das Produkt aus einem Gasgenerator verwendet wird, in welchem ein flüssiger Kohlenwasserstoff teilweise oxidiert wird, um einen heißen, teilweise verbrannten Gasstrom zu erzeugen, der dann mit Dampf gemischt und einer Dampfreformierung unterworfen wird. Diese Literaturstelle beschreibt auch, daß der Gasgenerator dazu verwendet werden kann, die Beschickung zu einer Gasturbine zu liefern.
Es wurde nunmehr gefunden, daß durch die Verwendung eines leichten Kohlenwasserstoffs als Treibstoff und durch den Zusatz von Dampf zum Treibstoff vor der teilweisen Verbrennung die Temperatur der Teilverbrennung gemäßigt werden kann, wodurch die Bildung von Stickoxiden und auch die Kohlenstoffablagerung auf dem Reformierungskatalysator verringert wird. Mit höheren Kohlenwasserstoffen ist eine solche Mäßigung durch die Zugabe von Dampf vor der Teilverbrennung nicht möglich, weil nämlich das Risiko einer beträchtlichen Kohlenstoffablagerung besteht.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, bei welchem ein verdichtetes Gemisch aus einem gasförmigen Treibstoff und Luft in einem Turbinenbrenner unter Bildung einer Flamme verbrannt wird und die Verbrennungsprodukte durch eine Antriebsenergie liefernde Turbine geführt werden, wobei zumindest während eines Teillastbetriebs der Turbine der gasförmige Treibstoff das Produkt einer katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe einer Leichtkohlenwasserstoffbeschickung mit einem Siedepunkt bei atmosphärischem Druck unter 220ºC dadurch enthält, daß ein Beschickungsgas, welches die Leichtkohlenwasserstoffbeschickung und Dampf enthält, mit einer Menge Luft umgesetzt wird, die für eine vollständige Verbrennung unzureichend ist, und hierauf das resultierende heiße teilweise verbrannte Gemisch über einen Katalysator mit Dampfreformierungsaktivität geführt wird, wobei während des Teillastbetriebs die Menge Luft, bezogen auf die Menge des der katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe zugeführten Kohlenwasserstoffs, die dem Gasturbinenbrenner zugeführt wird und somit die Flammentemperatur bestimmt, größer ist als die maximale Menge Luft, die den Unterhalt einer Flamme im Brenner ermöglicht, wenn diese Menge Kohlenwasserstoff direkt dem Brenner zugeführt wird.
Unter den Ausdruck Luft fallen neben normaler Luft auch mit Sauerstoff angereicherte Luft und an Sauerstoff verarmte Luft.
Die Leichtkohlenwasserstoffbeschickung kann eine niedrigsiedende Kohlenwasserstoffbeschickung sein, d.h., daß sie normalerweise gasförmig ist, also bei atmosphärischem Druck einen Siedepunkt unter Raumtemperatur aufweist, oder daß sie bei atmosphärischem Druck und Raumtemperatur eine Flüssigkeit ist. Sie sollte jedoch bei atmosphärischem Druck einen Siedepunkt (Endsiedepunkt im Falle von Gemischen) unter 220ºC besitzen. Vorzugsweise besteht die Leichtkohlenwasserstoffbeschickung aus Methan oder Naturgas. Kohlenwasserstoffbeschickungen mit einem höheren Siedepunkt können verwendet werden, sofern sie vor der Einspeisung in die katalytische autotherme Reformierungsstufe durch Vorerhitzen, beispielsweise durch Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom, und anschließendes Überleiten zusammen mit Dampf über einen geeigneten Reformierungskatalysator, wie z.B. auf einem Träger befindliches Nickel, in niedrigere Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden. Wie nachstehend beschrieben, kann eine solche Vorerhitzung und katalytische Reformierung auch nützlich sein, wenn die erwähnten leichten Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Wenn die Leichtkohlenwasserstoffbeschickung bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck flüssig ist, dann sollte sie vorerhitzt werden, bevor sie in den katalytischen autothermen Reformer eingeleitet wird, so daß sie sich bei dem Druck, bei dem die katalytische autotherme Reformierung ausgeführt wird, im gasförmigen Zustand befindet. Der Zweckmäßigkeit halber wird das Gas, welches den leichten Kohlenwasserstoff und Dampf enthält und der katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe zugeführt wird, nachstehend als Beschickungsgas bezeichnet.
Wenn ein Gemisch aus dem Beschickungsgas und Luft unter Bildung einer Flamme verbrannt wird, dann gibt es eine maximale Menge Luft, die verwendet werden kann, damit die Flamme noch brennt. Diese wird durch die Brennbarkeitsgrenzen des Gemischs gesetzt. Die Flammentemperatur wird durch das Verhältnis von Beschickungsgas zu Luft bestimmt, vorausgesetzt, daß die Luftmenge für eine vollständige Verbrennung ausreicht. Eine Erhöhung der Luftmenge erniedrigt die Flammentemperatur. Es ist deshalb ersichtlich, daß es eine Mindestflammentemperatur gibt, die durch die Brennbarkeitsgrenzen des Beschickungsgases in Luft gesetzt wird.
Gemäß der Erfindung wird dadurch, daß das Beschickungsgas einer katalytischen autothermen Dampfreformierung vor der Einspeisung in den Gasturbinenbrenner unterworfen wird, ein Teil des Beschickungsgases in Wasserstoff und Kohlenoxid gemäß den folgenden Gleichungen umgewandelt:
CH&sub4; + H&sub2;0 T 3H&sub2; + CO
CH&sub4; + 2H&sub2;0 T 4H&sub2; + CO&sub2;
(unter der vereinfachenden Annahme, daß der leichte Kohlenwasserstoff aus Methan besteht).
Das entstehende reformierte Gas enthält somit neben Methan, das aus einer unvollständigen Reformierung und der Umwandlung höhere Kohlenwasserstoffe in Methan während des Reformierungsverfahrens resultiert, auch Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Wie weiter unten erläutert, wird es im allgemeinen auch etwas Stickstoff enthalten. Auch wird es im allgemeinen Dampf enthalten, der aus der Verwendung eines Überschusses an Dampf gegenüber der Menge resultiert, die bei der Reformierung verbraucht wird. Die Brennbarkeitsgrenzen dieses Gasgemisches unterscheiden sich von denjenigen des Beschickungsgases. Jedoch ergibt sich aufgrund der obigen Gleichungen auch eine Zunahme des Volumens bei der Dampfreformierung. Das Gesamtergebnis besteht darin, daß die Menge Luft, die dem Turbinenbrenner zugeführt werden kann, mit der eine Flamme aufrechterhalten wird, beträchtlich größer ist, als wenn das Beschickungsgas direkt in den Turbinenbrenner eingeführt wird. Als Folge dessen wird die Flammentemperatur verringert und damit auch die Bildung von Stickoxiden.
Wie oben bereits erwähnt, ergeben sich die Schwierigkeiten einer Instabilität im Turbinenbrenner, wenn das Beschickungsgas direkt als Treibstoff verwendet wird und unter mageren Bedingungen gearbeitet wird, insbesondere bei Teillast der Turbine, d.h., wenn eine volle Energieabgabe von der Turbine nicht gefordert wird. Bei Vollast kann es möglich sein, beim Betrieb der Turbine das Beschickungsgas direkt als Treibgas dem Turbinenbrenner unter so mageren Bedingungen zuzuführen, daß die Bildung von Stickoxiden kein wesentliches Problem darstellt. Infolgedessen liegt es innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung einen zumindest teilweisen Bypass des katalytischen autothermen Reformierungsbetriebs vorzusehen, so daß bei Vollast das Treibgas zur Turbinenkammer aus unreformiertem Beschickungsgas besteht, das gegebenenfalls mit etwas reformiertem Beschickungsgas vermischt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß ein solcher Bypass auch während eines Teillastbetriebs durchgeführt werden kann. Jedoch enthält während eines Teillastbetriebs das Treibgas mindestens etwas reformiertes Beschickungsgas.
Bei Teillast ist die verwendete Menge des Beschickungsgases im allgemeinen kleiner als bei Vollast. Infolgedessen kann das Ausmaß des Bypasses in einigen Fällen so reguliert werden, daß bei einer Zunahme der Menge des Beschickungsgases, der Anteil der an der Dampfreformierungsstufe vorbeiläuft, steigt. Wie bereits erwähnt, ergibt der Reformierungsbetrieb Anlaß zu einer Erhöhung des Volumens des Treibgases, das zum Turbinenbrenner geführt wird. So ist es in einigen Fällen möglich, das Ausmaß des Bypasses so zu regulieren, daß die Menge des Treibgases oder die Gesamtmenge aus Treibgas und Luft, welche dem Turbinenbrenner zugeführt wird, innerhalb vorbestimmter Grenzen bleibt. In einigen Fällen kann der Bypass so reguliert werden, daß die Menge des Treibgases oder die Menge des Treibgases und der Luft, die dem Turbinenbrenner zugeführt wird, im wesentlichen konstant bleibt.
Die Dampfreformierungsreaktion ist endotherm. Die im Turbinenabstrom enthaltene Wärme besitzt im allgemeinen eine zu niedrige Temperatur, als daß eine ausreichende Reformierung von Leichtkohlenwasserstoffbeschickungen bewirkt wird, weshalb eine andere Wärmequelle gebraucht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die nötige Wärme dadurch geliefert, daß ein katalytisches autothermes Dampfreformierungsverfahren verwendet wird, bei welchem das Beschickungsgas mit Luft in einer Menge umgesetzt wird, die für eine vollständige Verbrennung unzureichend ist, und das resultierende heiße teilweise verbrannten Gas über einen Katalysator mit Dampfreformierungsaktivität geführt wird. Der Katalysator ist vorzugsweise auch ein Katalysator für die Verbrennung des Beschickungsgases, so daß das Leiten eines Gemischs aus dem Beschickungsgas und Luft über den Katalysator eine teilweise Verbrennung ergibt, worauf dann, während das teilweise verbrannte Gas weiter über den Katalysator strömt, eine Reformierung stattfindet. Wenn, zumindest am Anfang, die teilweise Verbrennung katalytisch erfolgt, dann wird es bevorzugt, daß die Beschickung zur teilweisen Verbrennungsstufe etwas Wasserstoff enthält, da dies die katalytische Verbrennung leichter macht.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Wasserstoff in das Beschickungsgas eingeführt, welches der katalytischen autothermen Reformierungsstufe unterliegt, indem als Beschickungsgas das Produkt einer Niedertemperaturvorreformierung verwendet wird, die nachstehend als CRG-Stufe bezeichnet wird. Bei dieser CRG-Stufe erfolgt eine Vorerhitzung eines Gemischs aus Dampf und mindestens einem Kohlenwasserstoff, beispielsweise durch Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom, typischerweise auf eine Temperatur im Bereich von 450 bis 600ºC, worauf dann das resultierende vorerhitzte Gas durch ein Bett aus einem geeigneten Niedertemperaturdampfreformierungskatalysator geführt wird. Alternativ kann das Gas erhitzt werden, während es der katalytischen Reformierungsreaktion unterliegt, indem der Katalysator in Rohren angeordnet wird, durch welche das Gemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoffbeschickung geleitet wird, wobei die Rohre erhitzt werden, indem ein geeigneter Gasstrom über die äußeren Oberflächen dieser Rohre streichen gelassen wird, wie z.B. der heiße reformierte Gasstrom aus dem autothermen Reformer oder der Turbinenabstrom. Beispiele für geeignete Reaktoren für die Durchführung eines solchen Reformierungsverfahrens sind in EP-A-124226 und EP-A-194067 beschrieben. Geeignete Katalysatoren, üblicherweise Nickelträgerkatalysatoren, werden üblicherweise als CRG-Katalysatoren bezeichnet. Man kann eine Reihe von solchen CRG-Stufen durchführen, wobei das teilweise reformierte Gas aus einem CRG-Katalysatorbett wieder erhitzt wird, bevor es durch ein weiteres CRG-Katalysatorbett geleitet wird. Bei dieser Niedertemperaturreformierungsstufe oder CRG-Stufe, erfolgt eine Dampfreformierung eines Teils des Kohlenwasserstoffs, wodurch ein Gasstrom entsteht, der Wasserstoff enthält. Wie bereits erwähnt, kann eine solche Niedertemperaturreformierungsstufe oder CRG-Stufe eine Umwandlung von höheren Kohlenwasserstoffen in Methan wie auch eine gewissen Reformierung des Methans bewirken, weshalb, wenn eine CRG-Stufe verwendet wird, der Kohlenwasserstoff, der in Mischung mit dem Dampf, der CRG-Stufe zugeführt wird, ein oder mehrere Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt bei atmosphärischen Druck über 220ºC enthalten kann, beispielsweise mit einem Siedepunkt bei atmosphärischem Druck bis zu 240ºC oder mehr.
Wenn eine CRG-Stufe verwendet wird, dann kann sich das CRG- Katalysatorbett im gleichen Behälter befinden, der für die katalytische autotherme Reformierung verwendet wird. Die für die katalytische autotherme Reformierung erforderliche Luft wird dann eingeführt, nachdem das Kohlenwasserstoff/Dampfgemisch durch das CRG-Katalysatorbett hindurchgegangen ist.
Wie bereits erwähnt, wird das reformierte Gas im allgemeinen etwas Stickstoff enthalten. Dieser resultiert aus der für autotherme Reformierung verwendeten Luft und auch aus Stickstoff im Beschickungsgas. Naturgas enthält oftmals eine kleine Menge Stickstoff. Wie oben erwähnt, wird das reformierte Gas im allgemeinen auch Dampf enthalten. Dieser resultiert aus der Verwendung eines Dampfüberschusses im Beschickungsgas gegenüber der Menge, die bei der Reformierungsstufe verbraucht wird, und auch aus Dampf, der während der teilweisen Verbrennung gebildet wird.
Ein besonders geeignetes Verfahren und eine besonders geeignete Vorrichtung für eine katalytische autotherme Reformierung ist in EP-A-254395 und EP-A-287238 beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäß katalytische autotherme Reformierung folgende Stufen:
a) Einführung des Beschickungsgases in eine Mischzone;
b) gesonderte Einführung von Luft und dem Gas aus der Mischzone in den Eintritt einer Verbrennungszone, welche einen Verbrennungskatalysator enthält, der auch Dampfreformierungsaktivität besitzt, wodurch eine teilweise Verbrennung und Reformierung des Gemischs stattfindet und ein heißer reformierter Gasstrom gebildet wird;
c) Rückführung eines Teils des heißen reformierten Gastroms zur Mischzone; und
d) Einführung des Restes des heißen reformierten Gases in den Gasturbinenbrenner als gasförmigen Treibstoff.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine Rückführung eines Teils des reformierten Gases zur Verbrennungszone stattfindet, wodurch Wasserstoff in diese Zone eingeleitet wird, was die katalytische Verbrennung erleichtert. Wenn jedoch das Beschickungsgas bereits Wasserstoff enthält, beispielsweise als Ergebnis einer CRG-Vorstufe, dann ist eine solche Rückführungsanordnung nicht nötig.
Ob nun eine CRG-Vorstufe mit der Wärme durchgeführt wird, die durch Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom und/oder einer katalytischen autothermen Reformierungsstufe unter Rückführung geliefert wird, oder ob keine solche Vorstufe durchgeführt wird, es steht jedenfalls beim Anfahren keine Wärme aus dem Turbinenabstrom zur Verfügung, um die CRG- Vorreformierung zu bewirken, und es besteht auch keine Rückführung im katalytischen autothermen Reformer. Infolgedessen wird es bevorzugt, daß eine andere direkte oder indirekte Quelle für Wasserstoff beim Anfahren verfügbar ist.
Diese kann eine indirekte Wasserstoffquelle sein, beispielseise eine andere Wärmequelle zur Bewirkung der Vorerhitzung für eine CRG-Stufe, oder eine direkte Wasserstoffquelle. Beispielsweise kann Wärme oder ein wasserstoffhaltiges Gas, z.B. Treibgas, von einer ähnlichen benachbarten Gasturbinenanordnung geliefert werden. Alternativ kann ein leicht zersetzliches Kohlenwasserstoff-Derivat, wie z.B. Methanol, dem Beschickungsgas zugesetzt werden, bevor dieses der katalytischen autothermen Reformierungsstufe zugeleitet wird.
Die Menge Luft, die bei der Teilverbrennungsstufe der katalytischen autothermen Reformierung verwendet wird, hängt von dem gewünschten Ausmaß der Reformierung und von der gewünschten Temperatur des reformierten Beschickungsgases ab. Typischerweise ist die Menge der Luft derart, daß die Austrittstemperatur des autothermen Reformers im Bereich von 600 bis 800ºC liegt.
Der Dampf, der für die Dampfreformierung im katalytischen autothermen Reformer und gegebenenfalls in der CRG-Vorstufe erforderlich ist, kann direkt oder indirekt durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom erzeugt werden. Wenn er indirekt erzeugt wird, dann kann ein Wasserstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom erhitzt werden, um einen Strom aus heißem Wasser zu bilden, der dann mit einem Gasstrom kontaktiert wird, der mindestens einen Kohlenwasserstoff enthält, um den Gasstrom zu sättigen, damit ein Dampf/Kohlenwasserstoff-Gemisch gebildet wird, welches als das Beschickungsgas verwendet oder zur Herstellung des Beschickungsgases verwendet wird. Die zugeführte Menge Dampf ist vorzugsweise derart, daß das Beschickungsgas 1 bis 3,5 mol Dampf je Grammatom Kohlenstoff im Kohlenwasserstoff des Beschickungsgases enthält.
Wenn der für katalytische autotherme Reformierungsstufe (und gegebenenfalls CRG-Stufe) erforderliche Dampf durch Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom erhalten wird, dann ist auch hier eine gesonderte Dampfquelle für die Anfahrstufe erforderlich. Auch hier kann es sich um eine benachbarte Turbinenanordnung handeln.
Die katalytische autotherme Reformierungsstufe wird vorzugsweise bei einem solchen Druck ausgeführt, daß der reformierte Gasstrom den gewünschten Druck für den Eintritt in die Gasturbine aufweist. Typischerweise werden die teilweise Oxidation und Reformierung bei einem Druck im Bereich von 5 bis 40 und insbesondere 10 bis 30 bar absolut ausgeführt. Die gegebenenfalls verwendete CRG-Stufe wird gleichfalls bei einem solchen Druck ausgeführt, daß das Produkt den Eintrittsdruck der katalytischen autothermen Reformierungsstufe aufweist.
Es wird bevorzugt, daß die katalytische autotherm Dampfreformierungsstufe unter solchen Bedingungen ausgeführt wird, daß ein reformiertes Beschickungsgas erhalten wird, das über 25 Vol.%, bezogen auf trockener Basis, Wasserstoff enthält.
Ein Ergebnis der Verwendung der Dampfreformierungsstufe besteht darin, daß die Temperatur des Treibgases, welches dem Turbinenbrenner zugeführt wird, wesentlich höher ist als üblich. Wenn dies unerwünscht ist, dann kann das reformierte Gas vor dem Eintritt in den Turbinenbrenner gekühlt werden. Eine solche Kühlung kann aus einem indirekten Wärmeaustausch bestehen, beispielsweise mit Wasser, das zur Entwicklung von Dampf verwendet wird, welcher für die Reformierung gebraucht wird, und/oder mit der Beschickung und/oder Luft vor der Einspeisung in die katalytische autotherm Reformierungsstufe.
Wie bereits angedeutet, kann aus dem Turbinenabstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser Energie gewonnen werden, um Dampf zu erzeugen, der für die Dampfreformierung bei der katalytischen autothermen Reformierung (und gegebenenfalls CRG-Stufe) erforderlich ist. Weiterhin kann ein Wärmeaustausch dazu verwendet werden, Reaktionsteilnehmer zu erhitzen und/oder Wärme nach Außen abzugeben.
Zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform, wobei eine Gasturbine zu sehen ist, die mit einem katalytischen autothermen Reformer gekoppelt ist;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch den autothermen Reformer von Fig. 1;
Fig. 3 eine Vergrößerung des Teils von Fig. 2, der innerhalb der strichpunktierten Linie liegt; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform, wobei eine Gasturbine zu sehen ist, die mit einem katalytischen autothermen Reformer und einer CRG- Vorstufe gekoppelt ist.
Fig. 1 zeigt eine Gasturbine mit einer Verbrennungszone 1, aus welcher heiße Verbrennungsgase über eine Leitung 2 zu einer Turbine 3 geführt werden, die Antriebsenergie für einen Generator 4 und einen Luftkompressor 5 liefert. Luft wird dem Luftkompressor über eine Leitung 6 zugeführt und gelangt vom Kompressor mit einer Temperatur von typischerweise 350 bis 400ºC und einem Druck von typischerweise 7 bis 15 bar absolut über eine Leitung 7 zum Brenner 1.
Treibgas wird dem Brenner 1 über eine Leitung 8 von einem katalytischen autothermen Reformer 9 zugeführt. Ein komprimiertes Beschickungsgas aus leichtem Kohlenwasserstoff, das typischerweise eine Temperatur von Raumtemperatur bis 250ºC und einen Druck von 10 bis 20 bar absolut aufweist, wird dem autothermen Reformer 9 über eine Leitung 10 und ein Regelventil 11 zugeführt. Dampf der typischerweise eine Temperatur von 200 bis 470ºC und einen ähnlichen Druck wie das Kohlenwasserstoffbeschickungsgas aufweist, wird über eine Leitung 12 zugeführt, wodurch das Beschickungsgas erzeugt wird. Dieser Dampf stammt aus einem Boiler 13, der durch den Turbinenabstrom erhitzt wird. Ein Regelventil 14 sorgt dafür, daß in dessen Offenstellung unreformiertes Kohlenwasserstoffbeschickungsgas direkt in die Treibgaszuführleitung 8 des Brenners eingespeist werden kann. Bei einer alternativen Anordnung ist die Dampfzuführleitung 12 stromaufwärts der Ventile 11 und 14 angeordnet, so daß beim Betrieb des Bypasses das dem Brenner zugeführte Treibgas Dampf enthält. Außerdem ist ein Luftregelventil 15 in einer Luftzuführleitung 16 vorgesehen, die von der Leitung 7 abzweigt und zum autothermen Reformer 9 führt, damit die Menge der dem autothermen Reformer 9 zugeführte Luft reguliert werden kann.
Gemäß den Fig. 2 und 3 besteht der autotherme Reformer aus einer äußeren zylindrischen Hülse 17, die so ausgeführt ist, daß sie dem Betriebsdruck standhalten kann. An einem Ende besitzt die Hülse 17 eine Eintrittsöffnung 18 für das Beschickungsgas und eine Austrittsöffnung 19 für den reformierten Gasstrom. Die Austrittsöffnung 19 ist mit der Treibgaszuführleitung 8 des Brenners 1 verbunden. Am anderen Ende 20 der Hülse 17 befindet sich eine Lufteintrittsöffnung 21, die über die Leitung 16 mit dem Ventil 15 verbunden ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Innerhalb der Hülse 17 befindet sich eine Auskleidung 22, welche mit der Hülse 17 an dem Ende verbunden ist, das der Eintrittsöffnung 18 benachbart ist. Die Auskleidung 22 erstreckt sich fast bis zum anderen Ende 20 der Hülse 17 und definiert somit einen ringförmigen Kanal 23 zwischen der Innenoberfläche der Hülse 10 und der Außenoberfläche der Auskleidung 22. Die Eintrittsöffnung 18 ist mit diesem ringförmigen Kanal 23 verbunden. Am Ende 20 der Hülse 17 erstreckt sich die Auskleidung 22 durch das Ende Hülse 17 hindurch und endet in einem zylindrischen Teil 24, der mit Abstand eine Luftzuführleitung 26 umgibt, die sich von der Lufteintrittsöffnung 21 wegerstreckt. Das Ende des zylindrischen Teiles 24, das dem Ende 20 der Hülse 17 abgewandt ist, ist mit einer einwärts gerichteten Verdickung 28, siehe Fig. 3, versehen, so daß zwischen dem Ende des zylindrischen Teils 24 und der Luftzuführleitung 26 eine Verengung besteht, die als Ejektor wirkt.
Die durch die Auskleidung 22, die Wandung der Hülse 17, dem zylindrischen Teil 24 und die äußere Oberfläche der Luftzuführleitung 26 definierte Leitung bildet somit eine Zuführung für die Zufuhr des Beschickungsgases von der Eintrittsöffnung 18. Da der gesamte Aufbau somit von der "Heißwand-Type" ist, wobei das durch den Kanal 23 fließende Gas als Kühlmittel wirkt, kann die Stärke einer feuerfesten Isolierung, die für die Hülse 17 erforderlich ist, verhältnismäßig klein gehalten werden, sofern überhaupt eine solche nötig ist.
Innerhalb der Auskleidung 22 ist ein längliches hohles Teil 30 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet. Dieses hohle Teil besitzt einen Eintrittsbereich 32 mit einem offenen und sich erweiternden Ende 34 in der Nachbarschaft des Ejektors, der das Ende der Beschickungsgaszufuhr bildet; einen Verbrennungsbereich 36 mit einem größeren Querschnitt als der Eintrittsbereich 32, welcher an dem dem Eintrittsbereich 32 abgewandten Ende den Verbrennungskatalysator 38 enthält; und einen konischen Übergangsabschnitt 40, der den Eintrittsbereich 32 mit dem Verbrennungsbereich 36 verbindet. Unterhalb des Verbrennungskatalysators ist das untere Ende 42 des hohlen Teils 30 durch das Ende der Hülse 17 gehalten. Es sind Vorkehrungen getroffen, beispielsweise durch die Anordnung von Löchern 44 in der Wandung des hohlen Teils 30 in der Nachbarschaft des Endes 42, damit Gas, welches den Verbrennungskatalysator 38 verläßt, in einen Raum 46 zwischen der Außenoberfläche des hohlen Teils 30 und der Innenoberfläche der Auskleidung 22 eintreten kann. Somit kann ein Teil des den Katalysator verlassenden Gases in den Raum 46 eintreten, während der Rest die Hülse 17 durch die Austrittsöffnung 19 verläßt.
Der Verbrennungskatalysator 38 besitzt eine Anzahl von wabenförmigen Abschnitten 48, auf deren Oberfläche eine geeignetes Metall, wie z.B. Platin, niedergeschlagen ist, welches Verbrennungs- und Dampfreformierungsaktivität aufweist. Öffnungen 50 sind ebenfalls in der Wandung des hohlen Teils 30 zwischen benachbarten Abschnitten der Waben angeordnet, so daß ein Teil des Gasstroms den Raum 46 betreten kann, ohne daß es durch den ganzen Verbrennungskatalysator 38 strömen muß.
Die Luftzufuhrleitung 26, die von der Eintrittsöffnung 21 ausgeht, erstreckt sich entlang des Innenbereichs 32 des hohlen Teils 30 und endet am Anfang des Verbrennungsbereichs 36 desselben. Am Austritt der Luftzufuhrleitung 26 ist eine Düse 52 vorgesehen.
Beim Betrieb wird das Beschickungsgas unter Druck zur Eintrittsöffnung 18 geführt, während Luft unter Druck zur Eintrittsöffnung 21 geleitet wird. Das Beschickungsgas fließt den Kanal 23 zwischen der Hülse 17 und der Auskleidung 22 hinauf und tritt durch den Ejektor, der durch die einwärts gerichtete Verdickung 28 gebildet wird, aus, wodurch unmittelbar stromabwärts derselben ein Niederdruckbereich gebildet wird. Das Gemisch fließt dann durch den Eintrittsbereich 32 und den konischen Übergangsabschnitt 40 des hohlen Teils 30, wo es mit Luft gemischt wird, die aus der Düse 52 austritt. Das erhaltene Gemisch fließt dann durch den Verbrennungsbereich 36 und den darin befindlichen Verbrennungskatalysator 38. Ein Teil des Gasstroms, der den Verbrennungskatalysator 38 verläßt, fließt durch die Austrittsöffnung 19 ab. Da der Druck im erwähnten Niederdruckbereich unterhalb des Druck des reformierten Produktgases liegt, fließt der Rest des Produktgases durch die Löcher 44 in den Raum 46 zwischen dem hohlen Teil 30 und der Auskleidung 22 und dann aufwärts zum Ende 20 der Hülse 17 und wird dort in den Eintrittsbereich 32 des hohlen Teils 30 gezogen, und zwar aufgrund der Wirkung des Beschickungsgases, das aus dem durch die einwärts gerichtete Verdickung 28 gebildeten Ejektors austritt. Das rückgeführte Gas mischt sich somit mit dem Beschickungsgas und fließt das hohle Teil 30 abwärts.
Beim Anfahren findet zunächst eine gewisse Reaktion statt, wenn der Gasstrom über den Verbrennungskatalysator 38 streicht, wodurch ein heißer Gasstrom entsteht. Der Teil des heißen Gasstroms, der in den Raum 46 über die Löcher 44 eintritt und zum Eintrittsbereich 32 des hohlen Teils 30 zurückgeführt wird, erhitzt das Beschickungsgas, das durch den ringförmigen Kanal 23 fließt, wobei dessen Temperatur erhöht wird, so daß das den Verbrennungskatalysator betretende Gas vorerhitzt ist. Der zurückgeführte Gasstrom erhitzt auch die Luft, während diese durch die Luftzuführleitung 26 fließt, die sich durch den Eintrittsbereich 32 und den konischen Übergangsabschnitt 40 des hohlen Teils 30 erstreckt. Bei fortgesetztem Betrieb steigt die Temperatur des den Verbrennungsbereich 36 betretenden Gases, bis die Selbstzündungstemperatur erreicht ist, worauf eine Flamme an der Düse 52 erzeugt wird. Wegen der Reformierungsaktivität des Verbrennungskatalysators 38 wird der heiße Gasstrom, der den Verbrennungsbereich 36 des hohlen Teils 30 verläßt, und damit auch das rückgeführte heiße Gasgemisch etwas Wasserstoff enthalten, so daß das Gasgemisch, das sich mit der Luft an der Düse 52 mischt, Wasserstoff enthält, wodurch eine raschere Flammenbildung an der Düse 52 erreicht wird.
Es ist klar, daß nach der Entstehung einer Flamme das zurückgeführte heiße Gas, das durch den Teil des Raums 46 zwischen dem Verbrennungsbereich 36 des hohlen Teils 30 und der inneren Oberfläche der Auskleidung 22 fließt, durch Wärmeaustausch durch die Wandung des Verbrennungsbereichs 36 hindurch erhitzt wird und gleichzeitig das Beschickungsgas erhitzt, welches durch den entsprechenden Teil des ringförmigen Kanals 23 zwischen der inneren Oberfläche der Hülse 10 und der äußeren Oberfläche der Auskleidung 22 fließt. Da das rückgeführte heiße Gas durch den Teil des Raums 46 fließt, der sich zwischen der äußeren Oberfläche des konischen Übergangsabschnitts 40 und dem Eintrittsbereich 32 des hohlen Teils 30 sowie der inneren Oberfläche der Auskleidung 22 befindet, wird es nicht nur das Beschickungsgas, das durch den ringförmigen Kanal 23 zwischen der Hülse 17 und der Auskleidung 22 fließt, sondern auch das Gas erhitzen, das durch den Eintrittsbereich 32 und den konischen Übergangsabschnitt 40 des hohlen Teils 30 fließt.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Auskleidung 22 weggelassen und die Hülse 17 auf ihrer inneren Oberfläche mit einer feuerfesten Isolierungsschicht versehen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Beschickungsgaszufuhr durch ein Rohr, das koaxial zum Luftzufuhrrohr 26 angeordnet und an seinem Ende mit einer einwärts gerichteten Verdickung versehen ist, welche der einwärts gerichteten Verdickung 28 in Fig. 3 entspricht, so daß eine Verengung entsteht, welche den Ejektor bildet. Bei dieser Ausführungsform besteht deshalb keine Vorerhitzung des Beschickungsgases durch rückgeführtes heißes Gas, bevor das Beschickungsgas das Beschickungsrohr verläßt, jedoch wird ein erhitztes Gemisch aus dem Beschickungsgas und dem rückgeführten heißen Gas durch einfaches Mischen der beiden Gasströme gebildet, bevor diese mit dem Luftstrom gemischt werden, der das Luftzufuhrrohr 26 verläßt.
Bei beiden Ausführungsformen können geeignete Vorsprünge an der äußeren Oberfläche des hohlen Teils 30 vorgesehen werden, um dieses im gewünschten Abstand zu halten, und zwar bei der Ausführungsform von Fig. 2 von der Auskleidung 22 oder bei der alternativen Ausführungsform von der feuerfesten Isolierungsschicht. Gleichfalls können geeignete Abstandshalter zwischen der inneren Oberfläche des hohlen Teils 30 am Eintrittsbereich 32 desselben und dem Luftzufuhrrohr 26 vorgesehen werden, um diese Bauteile auf dem gewünschten Abstand zu halten.
Die autotherme Reformierung kann zweckmäßig in der Weise angefahren werden, daß das Beschickungsgas mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in die Eintrittsöffnung 18 eingespeist wird und hierauf der Luftstrom durch die Leitung 16 zur Eintrittsöffnung 21 mit einer langsamen Geschwindigkeit begonnen wird, worauf dann der Luftstrom allmählich verstärkt wird. Bei niedrigen Luftfließgeschwindigkeiten findet im wesentlichen die gesamte Verbrennung in den inneren Teilen des Verbrennungskatalysators 38 statt. Infolgedessen ist dasjenige Gas, das durch die Löcher 50 rückgeführt wird (sofern solche Löcher vorgesehen sind), heißer als das Produktgas, das durch den Verbrennungskatalysator 38 hinabströmt (da letzterer infolge von Wärmeaustausch mit kälterem Verbrennungskatalysator und als Folge von endothermer Reformierung sich abkühlt), weshalb des rückgeführte Gas heißer ist, als es der Fall ist, wenn keine Löcher 50 vorhanden sind. Durch Mischen des rückgeführten Gases mit dem hereinkommenden Beschickungsgas und durch Wärmeaustausch durch die Auskleidung 22, wenn eine solche Auskleidung vorhanden ist, wie dies bei der Ausführungsform von Fig. 2 der Fall ist, wird das Beschickungsgas vorerhitzt, bevor es auf den eintretenden Luftstrom trifft. Diese Vorerhitzung ermöglicht es, daß die katalytische Verbrennung in der Katalysatorzone früher erfolgt, was eine raschere Erhöhung der Luftströmungsgeschwindigkeit ermöglicht. Innerhalb einer kurzen Zeit kann die Luftströmungsgeschwindigkeit auf den Wert erhöht werden, bei dem das reformierte Produktgas die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur aufweist. Bei einer gegebenen Apparatur und einer gegebenen Beschickungsgasströmungsgeschwindigkeit und -zusammensetzung wird im allgemeinen gefunden, daß die Austrittstemperatur und Austrittszusammensetzung des reformierten Gases von der Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur Verbrennungszone abhängt. Somit kann das Verfahren leicht gesteuert werden, indem die Luftströmungsgeschwindigkeit mit Hilfe des Ventils 15 eingestellt wird.
Während die Luftströmungsgeschwindigkeit erhöht wird, verringert sich der Anteil der Rückführung innerhalb des autothermen Reformers 9, weil die Zufuhr des Luftstroms die Masse des Gases steigert, die durch das System hindurchgeht, aber die "Treibkraft", welche die Rückführung bewirkt, d.h., das Produkt aus der Masse des Beschickungsgases und dem Unterschied zwischen dem Austrittsdruck des reformierten Gases und dem Druck im erwähnten Bereich mit niedrigerem Druck, bleibt im wesentlichen konstant. Weiterhin nimmt die Wirksamkeit des Ejektors ab, wenn der rückgeführte Gasstrom heißer wird.
Es ist darauf hinzuweisen, daß, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Gases und das Ausmaß der Rückführung ausreicht, daß das Gemisch aus rückgeführtem heißen Gas, Beschickungsgas und Luftstrom die Selbstentzündungstemperatur erreicht, eine Selbstentzündung unter Bildung einer Flamme an der Düse, aus welcher der Luftstrom austritt, stattfindet. Um eine Schädigung des Verbrennungskatalysators durch eine solche Flamme zu vermeiden, wird es bevorzugt, daß die Luftzufuhreinrichtung ein gutes Stück stromaufwärts des Katalysators endet, so daß die Flamme in einem von Katalysator freiem Raumstrom aufwärts des Katalysators sich ausbilden kann.
Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß, weil die Produktgastemperatur durch Kontrolle der Geschwindigkeit des Luftstroms geregelt werden kann, es möglich ist, das Verfahren gegebenenfalls so zu steuern, daß die Selbstzündungstemperatur nicht erreicht wird und die Verbrennung ausschließlich katalytisch erfolgt. Wenn es beabsichtigt ist, daß das Verfahren ohne Selbstzündung betrieben wird, dann besteht keine Notwendigkeit eines von Katalysator freien Raums stromaufwärts des Verbrennungskatalysators.
Jedoch sollte ausreichend Raum vorgesehen werden, damit eine gute Mischung des Beschickungsgases und des Luftstroms und eine gleichmäßige Verteilung des Gemischs erreicht wird, bevor dieses den Verbrennungskatalysator betritt.
Oben wurde das Anfahren unter der Annahme beschrieben, daß die Beschickungströmungsgeschwindigkeit im wesentlich konstant gehalten wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß dies nicht unbedingt der Fall sein muß. Wenn eine Selbstzündung eingetreten ist, dann kann in der Tat die Beschickungsgeschwindigkeit des Beschickungsgases und/oder Luftstroms beträchtlich gesteigert werden, da die Geschwindigkeiten nicht mehr durch die Notwendigkeiten beschränkt sind, eine Verbrennung im Katalysator zu erhalten.
Wie oben bereits festgestellt, muß in einigen Fällen das Beschickungsgas aus leichtem Kohlenwasserstoff nur der Reformierung unterworfen werden, wenn die Turbine unter einer gewissen Teillast betrieben wird. Bei größeren Belastungen kann es möglich sein, zumindest teilweise die Reformierungsstufe wegzulassen, indem das Ventil 15 und gegebenenfalls auch das Ventil 11 geschlossen wird, so daß das Beschickungsgas aus leichtem Kohlenwasserstoff, gegebenenfalls zusammen mit Dampf, direkt über das Ventil 14 in den Turbinenbrenner eingeführt wird. Ein solcher Betrieb kann auch nötig sein, wenn das System angefahren wird, da eine Verbrennung im Brenner 1 erreicht werden muß, bevor Dampf für die Einverleibung in das Beschickungsgas, welches dem autothermen Reformer 9 zugeführt wird, gebildet werden kann. Alternativ kann das System mit äußerer Zufuhr von Dampf oder ohne die Zugabe von Dampf angefahren werden, so daß die Beschickung zum autothermen Reformer 9 aus dem leichten Kohlenwasserstoffbeschickungsgas ohne irgendeinem Dampf besteht.
Das in Fig. 4 gezeigte System ist demjenigen von Fig. 1 ähnlich. Jedoch wird der Wärmeaustauscher 13 nicht zur direkten Erzeugung von Dampf für die Zufuhr über die Leitung 12 verwendet, sondern er wird dazu verwendet, Wasser zu erhitzen, um heißes Wasser zu erzeugen, das über eine Leitung 54 zum oberen Ende eines Sättigungsturms 56 geführt wird, in dessen unteren Teil ein Beschickungsgasstrom, der mindestens eine Kohlenwasserstoff-Komponente enthält, über eine Leitung 58 eingeführt wird. Der erhaltene gesättigte Gasstrom verläßt den Turm 56 über eine Leitung 60 und wird in einem Wärmeaustauscher 62 im Turbinenabstromkanal erhitzt. Das erhitzte Gemisch wird dann durch ein Bett 64 eines CRG- Katalysators geleitet, um eine anfängliche Niedertemperaturreformierung zu bewirken, worauf es dann über die Leitung 11 zum autothermen Reformer 9 fließt. Das überschüssige Wasser vom Boden des Sättigungsturms 56 wird zusammen mit Ergänzungswasser, das über eine Leitung 66 eingeleitet wird, zum Wärmeaustauscher 13 zurückgeführt.
Es ist klar, daß bei dieser Ausführungsform das CRG-Katalysatorbett 64 und gegebenenfalls auch der Sättigungsturm 56 mit einem Bypass versehen werden können, so daß die Kohlenwasserstoffbeschickung direkt zur Verbrennungszone 1 der Gasturbine geführt wird, wenn Vollastbedingungen herrschen.
Beispielsweise wurde berechnet, daß das magerste Gemisch, das verwendet werden kann, wenn reines Methan als Treibgas im Brenner 1 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 kg mol/h verbrannt wird, eine Luftströmungsgeschwindigkeit von 1900 kg mol/h braucht und daß dies zu einer Flammentemperatur von 1536ºC Anlaß gibt.
Dagegen wird gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 Methan dem autothermen Reformer 9 mit einer Geschwindigkeit von 100 kg mol/h zusammen mit 150 kg mol/h Dampf zugeführt, wobei ein Beschickungsgas mit 480ºC und einem Druck von 14 bar absolut erhalten wird. Luft wird dem autothermen Reformer 9 über die Leitung 15 mit einer Geschwindigkeit von 85 kg mol/h mit 450ºC und einem Druck von 14 bar absolut zugeführt. Es läßt sich errechnen, daß dies ein reformiertes Gasgemisch ergibt, welches den Austritt 19 mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 380 kg mol/h verläßt, eine Temperatur von 650ºC aufweist und die folgende annähernde volumenmäßige Zusammensetzung besitzt:
Methan 18 %
Kohlenmonoxid 2 %
Kohlendioxid 6%
Dampf 35 %
Wasserstoff 21 %
Stickstoff 18 %.
Es läßt sich außerdem errechnen, daß, wenn dieses reformierte Gas mit der vorstehend genannten Geschwindigkeit von 380 kg mol/h als Treibgas dem Brenner 1 zugeführt wird, das magerste Gemisch für die Verbrennung eine Luftströmungsgeschwindigkeit zum Brenner von ungefähr 2811 kg mol/h erfordert, was eine Flammentemperatur von 1178ºC ergibt.
Dieses Beispiel zeigt deshalb, daß durch autotherme Reformierung der Beschickung die Menge Luft, die dem Brenner 1 zugeführt werden kann, um nahezu 48 % gesteigert werden kann, was eine Abnahme der Flammentemperatur um nahezu 360ºC ergibt.
Bei einem anderen Beispiel wird unter Verwendung der Ausführungsform von Fig. 4 ein Gemisch aus 100 kg mol/h Methan und 150 kg mol/h Dampf mit einem Druck von 14 bar absolut im Wärmeaustauscher 62 auf 500ºC vorerhitzt und strömt durch das Bett 64, das einen Nickel-CRG-Trägerkatalysator enthält. Das Volumen des Katalysators wird so gewählt, daß eine Austrittstemperatur von 420ºC erhalten wird. Das Gas (260 kg mol/h), das das Bett 84 verläßt, besitzt die folgende annähernde Zusammensetzung:
Methan 36,5 %
Kohlenmonoxid 0,1 %
Kohlendioxid 1,9 %
Dampf 53,8 %
Wasserstoff 7,7 %
Die autotherme Reformierung dieses Gases unter Verwendung von 93 kg mol/h Luft zur Erzielung einer Austrittstemperatur des reformierten Gases von 650ºC in einem autothermen Reformer ergibt ungefähr 396 kg mol/h reformiertes Gas der folgenden annähernden Zusammensetzung:
Methan 16,0 %
Kohlenmonoxid 2,6 %
Kohlendioxid 6,6 %
Dampf 31,8 %
Wasserstoff 24,5 %
Stickstoff 18,5 %.
Da das dem autothermen Reformer 9 zugeführte Gas als Folge der CRG-Stufe Wasserstoff enthält, wird die katalytische Verbrennung des Beschickungsgases im autothermen Reformer leicht gemacht, ohne daß ein Reformer der Rückführungstype verwendet werden muß.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, bei welchem ein verdichtetes Gemisch aus einem gasförmigen Treibstoff und Luft in einem Turbinenbrenner unter Bildung einer Flamme verbrannt wird und die Verbrennungsprodukte durch eine Antriebsenergie liefernde Turbine geführt werden, wobei zumindest während eines Teillastbetriebs der Turbine der gasförmige Treibstoff das Produkt einer katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe einer Leichtkohlenwasserstoffbeschickung mit einem Siedepunkt bei atmosphärischem Druck unter 220ºC dadurch enthält, daß ein Beschickungsgas, welches die Leichtkohlenwasserstoffbeschickung und Dampf enthält, mit einer Menge Luft umgesetzt wird, die für eine vollständige Verbrennung unzureichend ist, und hierauf das resultierende heiße teilweise verbrannte Gemisch über einen Katalysator mit Dampfreformierungs aktivität geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Teillastbetriebs die Menge Luft, bezogen auf die Menge des der katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe zugeführten Kohlenwasserstoffs, die dem Gasturbinenbrenner zugeführt wird und somit die Flammentemperatur bestimmt, größer ist als die maximale Menge Luft, die den Unterhalt einer Flamme im Brenner ermöglicht, wenn diese Menge Kohlenwasserstoff direkt dem Brenner zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die katalytische autotherm Dampfreformierungsstufe die folgenden Schritte umfaßt:

a) Einführung des Beschickungsgases in eine Mischzone;

b) gesonderte Einführung von Luft und dem Gas aus der Mischzone in den Eintritt einer Verbrennungszone, welche einen Verbrennungskatalysator enthält, der auch Dampfreformierungsaktivität besitzt, wodurch eine teilweise Verbrennung und Reformierung des Gemischs stattfindet und ein heißer reformierter Gasstrom gebildet wird;

c) Rückführung eines Teils des heißen reformierten Gasstroms zur Mischzone; und

d) Einführung des Restes des heißen reformierten Gases in den Gasturbinenbrenner als gasförmigen Treibstoff.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das der katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe zugeführte Beschickungsgas Wasserstoff enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das der katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe zugeführte Beschickungsgas das Produkt ist, das erhalten wird durch Überleiten eines erhitzten Gemischs aus Dampf und mindestens einem Kohlenwasserstoff über einen Niedertemperaturdampfreformierungskatalysator, wodurch eine gewisse Vordampfreformierung des erhitzten Gases bewirkt wird, bevor das Beschickungsgas der katalytischen autothermen Dampfreformierungsstufe zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Gemisch aus Dampf und mindestens einem Kohlenwasserstoff durch Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom vorerhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem das Gemisch aus Dampf und mindestens einem Kohlenwasserstoff, das der Vorreformierung unterworfen wird, mindestens einen Kohlenwasserstoff mit einem Siedepunkt bei atmosphärischen Druck über 220ºC enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem Wasser durch Wärmeaustausch mit dem Turbinenabstrom erhitzt wird, um einen Strom aus heißem Wasser zu erzeugen, der dann mit einem Gasstrom kontaktiert wird, welcher mindestens einen Kohlenwasserstoff enthält, um ein Dampf/Kohlenwasserstoff-Gemisch zu bilden, das als das Beschickungsgas oder zur Erzeugung des Beschickungsgases verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Beschickungsgas 1 bis 3,5 mol Dampf für jedes Grammatom Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffs im Beschickungsgas enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Produkt der katalytischen autothermen Dampfreformierung einen Wasserstoffgehalt von mindestens 25 Vol.% auf trockener Basis enthält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem, wenn die Turbine unter Vollastbedingungen betrieben wird, die katalytische autotherme Dampfreformierung zumindest teilweise umgangen wird, so daß der gasförmige Treibstoff zumindest teilweise aus der Leichtkohlenwasserstoffbeschickung besteht.