DE69100910T2 - Katalytische Gasturbinenbrennkammer mit Vorbrenner und niedrigem NOX-Ausstoss. - Google Patents
Katalytische Gasturbinenbrennkammer mit Vorbrenner und niedrigem NOX-Ausstoss.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen und Verfahren zum Verringern von NOx Emissionen aus einer Gasturbine und insbesondere auf Einrichtungen und Verfahren zum Verringern von NOx in einem katalytischen Gasverbrennungssystem mit einem Vorbrenner über dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine.
- Wie in der US-A-4 845 952 ausgeführt ist, enthalten die Aufgaben von vielen Herstellern von Gasturbinen den Betrieb bei einem hohen Wirkungsgrad, ohne daß unerwünschte, luftverschmutzende Emissionen erzeugt werden. Übliche Brennstoffe, die normalerweise in Gasturbinen verwendet werden, erzeugen beim Verbrennen typisch Oxide von Stickstoff, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.
- NOx Verbindungen werden durch die Beaktion von Stickstoff in der Luft bei den erhöhten Temperaturen erzeugt, die üblicherweise in Brennkammern von Gasturbinen gefunden werden. Die NOx Bildung kann verkleinert werden durch Senken der maximalen Flammentemperatur in der Brennkammer, beispielsweise durch Einführen von Dampf. Es treten jedoch Nachteile bezüglich des thermodynamischen Wirkungsgrades und erhöhter Kapitalkosten auf. Es ist bekannt, einen Verbrennungs-Katalysator in der Reaktionszone von einem Gasturbinen-Verbrennungssystem zu verwenden, um eine vollständige Verbrennung des mageren Vorgemisches von Brennstoff und Luft zu unterstützen, um das Ausmaß an luftverschmutzenden Emissionen zu minimieren. Eine katalytische Verbrennung tritt bei einer relativ niedrigen Temperatur auf, die nicht ausreicht, um NOx aus Stickstoff- und Sauerstoffreaktionen zu erzeugen, die bei höheren Temperaturen auftreten. Es ist jedoch verständlich, daß, wenn die Brennkammereinlaß-Lufttemperatur und der Temperaturanstieg über dem Verbrennungssystem zu klein sind, um eine katalytische Verbrennung zu unterhalten, ein Diffusionsflammen-Vorbrenner verwendet werden kann, um eine Zündung der katalytischen Umwandlung zu erhalten. Das heißt, eine katalytische Verbrennung allein kann nicht über dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine verwendet werden, weil die Einlaßlufttemperatur und der Temperaturanstieg über dem Verbrennungssystem zu klein sind, um eine vorgemischte katalytische Verbrennung während der Zündung, Beschleunigung und des Betriebs der Gasturbine am unteren Ende des Gasturbinen-Lastbereiches einzuleiten und zu unterhalten.
- Wenn jedoch ein Diffusionsflammen-Vorbrenner verwendet wird, werden wesentliche Mengen an NOx Emissionen erzeugt. Bekannte Konstruktionen von Systemen mit katalytischer Verbrennung enthalten keine Methoden zum Verringern der NOx Emissionen des Vorbrenners. Infolgedessen werden zwar geringe NOx Emissionen über dem mittleren Betriebsbereich des Verbrennungssystems der Gasturbine erhalten, aber die bekannten Konstruktionen von Systemen mit katalytischer Verbrennung enthalten keinerlei Methoden zur Verminderung von NOx Emissionen aus dem Vorbrenner.
- US-A-4 825 658 beschreibt eine Brennstoffdüse zur Lieferung von Brennstoff an den Vorbrennerabschnitt, wobei die Düse eine Zündeinrichtung mit einer Spule aufweist, die mit einem Katalysatormaterial überzogen ist, das eine Zündung/Verbrennung unter Bedingungen kleiner Brennstoff/Wärmeabgabe unterstützt. Dies ist eine relativ komplexe Anordnung für die Behandlung des Niedertemperatur- Betriebsbereiches.
- US-A-2 636 342 beschreibt die Einführung von einer nichtgasförmigen Stickstoffverbindung in die Verbrennungszone von einem Strahltriebwerk, um große Gasvolumen zu ergeben mit einem Blick auf die Stabilisierung der Verbrennung des Brennstoffes. Jedoch beschäftigt sich diese Schrift nicht mit der Verminderung von NOx Emissionen.
- Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein katalytisches Verbrennungssystem und ein Verfahren der Vorbrenner-NOx-Verminderung zu schaffen, so daß das katalytische Verbrennungssystem mit extrem geringen NOx Emissionen über dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine arbeiten kann.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Betreiben eines katalytischen Verbrennungssystems einer Gasturbine mit einem Vorbrennerabschnitt und einem katalytischen Verbrennungsabschnitt zum Minimieren oder Eliminieren von NOx Emissionen, enthaltend die Schritte: Verbrennen eines Brennstoff/Luftgemisches in dem Vorbrennerabschnitt; Reduzieren der NOx, die aus der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Vorbrennerabschnitt entstehen, durch Vereinigen der Verbrennungsprodukte des Vorbrennerabschnitts mit einem chemischen Verbrennungshilfsstoff zum Reduzieren von NOx bei einem Betriebszustand, wo Verbrennungsprodukte des Vorbrennerabscnnitts auf einer für eine katalytische Verbrennung zu niedrigen Temperatur sind; Betreiben des Vorbrennerabschnitts, um eine Zündung der katalytischen Reaktion zu erhalten, und, bei Zündung, Betreiben des katalytischen Verbrennungsabschitts bei einer Verbrennungstemperatur, die für eine Erzeugung von NOx zu niedrig ist, wodurch NOx Emissionen aus dem Gasturbinentriebwerk im wesentlichen minimiert oder eliminiert wreden.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein katalytisches Gasturbinen-Verbrennungssystem mit geringen NOx Emissionen geschaffen, enthaltend: einen Vorverbrennungsabschnitt; eine Einrichtung zum Einführen von Brennstoff und Luft in den Vorbrennerabschnitt; eine Zündeinrichtung in dem Vorbrennerabschnitt zum Verbrennen des Brennstoff/Luft-Gemisches; einen katalytischen Verbrennungsabschnitt mit einem katalytischen Reaktorbett mit einem Katalysator und einer Reaktionszone; eine Einrichtung zum Einführen eines mageren Gemisches von Brennstoff und Luft in das katalytische Verbrennungsbett, wobei eine katalytische Verbrennung wenigstens zunächst auftritt durch eine Zündung durch die Verbrennungsprodukte des Vorbrenners in Gegenwart des Katalysators in dem Bett; und eine Einrichtung zum Mischen von Verdichterausgangsluft und Brennstoff und zum Zuführen des Gemisches in die Reaktionszone des Verbrennungsabschnitts für eine Zündung durch die heißen Verbrennungsprodukte die aus dem katalytischen Reaktorbett austreten; dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorbrennerabschnitt Mittel vorgesehen sind zum Reduzieren der NOx in den Verbrennungsprodukten des Vorbrennerabschnitts, wobei die Reduziermittel eine Injektoreinrichtung zum Einführen eines chemischen Verbrennungshilfsstoffes in die Verbrennungsprodukte des Vorbrennerabschnitts aufweisen und wobei die Einrichtung zum Einführen eines mageren Gemisches von Brennstoff und Luft in das katalytische Verbrennungsbett auch die Injektoreinrichtung enthält.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachfolgend beschrieben wird, wird eine katalytische Brennkammer mit einem Diffusionsflammen-Vorbrenner für ein Gasturbinensystem geschaffen zum Minimieren von NOx Emissionen über dem Bereich der Turbine. Es werden drei verschiedene Betriebsarten für dieses Verbrennungssystem über dem Lastbereich der Gasturbine ausgebildet. Die erste Betriebsart ist ein Niederlast-Betriebszustand der Gasturbine, wo nur eine Vorbrenner-Verbrennung mit einer chemischen/katalytischen NOx Beseitigung, d.h. De-NOx, auftritt. Beispielsweise kann Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu einer Startbrennstoffdüse des Vorbrenners zugeführt werden und Luft kann zu einer Vorbrenner-Verbrennungszone geleitet werden. Eine elektrische zündvorrichtung, wie beispielsweise eine Funken- oder Glühkerze, entzündet das Brennstoff/Luftgemisch in der Verbrennungszone des Vorbrenners, wobei die Flamme durch eine Wirbel-Rezirkulation stabilisiert wird, die durch Verwirbelungsschaufeln in der Startbrennstoffdüse erzeugt wird. Wesentliche Mengen von thermischen NOx werden durch diese Diffusionsflammenreaktion innerhalb der Verbrennungsauskleidung des Vorbrenners erzeugt. Um diese NOx zu modekularem Stickstoff und Wasserdampf zu reduzieren, kann ein chemischer Hilfsstoff, wie beispielsweise Ammoniak, Harnstoff, Isocyansäure oder ahnliches, durch den primären Injektor für den katalytischen Verbrennungsabschnitt (der während der Mittel- und Hochlast-Betriebsbereiche verwendet wird) in die Verbrennungsprodukte des Vorbrenners injiziert wird. Das Mischen kann durch die Infusion von Stickstoff mit dem chemischen Hilfsstoff unterstützt werden. Der chemische Hilfsstoff kann auch Verstärker enthalten, um die Reaktionsgeschwindigkeit mit NOx aus dem Diffusionsflammen- Vorbrenner zu beschleunigen. Die chemische Reaktion kann in der Auskleidung der katalytischen Reaktoranordnung und dem katalytischen Reaktorbett der katalytischen Verbrennungszone einschließlich des Katalysators erfolgen, um die chemischen De-NOx-Reaktionen zu beschleunigen.
- In einer zweiten Betriebsart, die als ein Mittellast-Betriebsbereich für die Gasturbine bezeichnet wird, tritt eine katalytische Verbrennung auf. Um diese zu erreichen, wird Brennstoff durch den primären Injektor zugeführt und mit den Verbrennungsprodukten des Vorbrenners gemischt. Dieses Gemisch tritt in das katalytische Reaktorbett ein, das einen Verbrennungs-Katalysator, beispielsweise Palladium, enthält. Dieses Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsprodukten des Vorbrenners entzündet sich in Gegenwart des Verbrennungskatalysators bei der Vorbrenner-Ausgangstemperatur. Wenn die Verbrennungsreaktion einmal eingeleitet worden ist, kann der Vorbrenner ausgeschaltet werden, wobei die Reaktion bei der Verdichterausgangslufttemperatur beibehalten wird. Durch Einführen eines mageren Brennstoff/Luftgemisches in das katalytische Reaktorbett wird die Verbrennungsreaktionstemperatur zu niedrig gehalten, um thermische NOx zu erzeugen. Die Kohlenwasserstoff- Brennstoffoxidationsreaktionen erfolgen bis zur Vollständigkeit in der Reaktionszone innerhalb der Hauptverbrennungsauskleidung. Somit werden die NOx Emissionen während der Betriebszustände im unteren und mittleren Bereich im wesentlichen eliminiert oder minimiert auf ultra-tiefe Emissionen.
- Bei Hochlast-Betriebszuständen für die Gasturbine wird eine Kombination von katalytischer und vorgemischter Verbrennung erhalten. Der katalytische Reaktor arbeitet in der gleichen Weise, wie es zuvor für den zweiten Betriebsbereich, d.h. die katalytisohe Mittelbereichsverbrennung, beschrieben wurde. Es ist jedoch ein sekundärer Injektor vorgesehen zum Mischen von Kohlenwasserstoffbrennstoff mit Verdichterausgangsluft. Dieses Brennstoff/Luft-Gemisch tritt in die Reaktionszone innerhalb der Hauptverbrennungsauskleidung ein und wird durch die heißen Verbrennungsprodukte gezündet, die aus dem katalytischen Reaktorbett austreten. Weil dieses Brennstoff/Luft-Gemisch mager ist, ist die Verbrennungsreaktionstemperatur in ähnlicher Weise zu niedrig, um thermische NOx zu erzeugen. Auf diese Weise werden über dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine NOx Emissionen im wesentlichen minimiert oder eliminiert.
- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Betreiben eines katalytischen Verbrennungssystems einer Gasturbine mit einem Vorbrennerabschnitt und einem katalytischen Verbrennungsabschnitt zum Minimieren oder Eliminieren von NOx Emissionen, wobei ein Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Vorbrennerabschnitt verbrannt wird, aus der Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Vorbrennerabschnitt entstehende NOx reduziert werden, der Vorbrennerabschnitt betrieben wird, um eine katalytische Reaktionseinleitung zu erhalten und bei einer Zündung der katalytische Verbrennungsabschnitt bei einer Verbrennungstemperatur betrieben wird, die zu niedrig ist, um NOx zu erzeugen, wodurch die NOx Emissionen aus dem Gasturbinenbetrieb im wesentlichen minimiert oder eliminiert werden.
- In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Betreiben eines katalytischen Verbrennungssystems einer Gasturbine bei Tieflast- und Mittellastbereichen des Gasturbinenbetriebes, wobei das Verbrennungssystem einen Vorbrennerabschnitt und einen katalytischen Verbrennungsabschnitt aufweist, wobei im Tieflast-Betrieb ein Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Vorbrennerabschnitt für eine Verbrennung zugeführt wird, die aus der Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Vorbrennerabschnitt entstehenden NOx reduziert werden, der Vorbrennerabschnitt so betrieben wird, daß eine katalytische Reaktorzündung in dem katalytischen Verbrennungsabschnitt erhalten wird, und bei Zündung und im Mittellastbereich der katalytische Verbrennungsabschnitt mit einem mageren Brennstoff/Luft-Gemisch betrieben wird, so daß die Verbrennungsreaktionstemperatur zu niedrig ist, um thermische NOx zu erzeugen, wodurch NOx Emissionen aus dem Gasturbinenbetrieb bei Tief- und Mittellast-Betriebsbereichen im wesentlichen minimiert werden.
- In einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein katalytisches Gasturbinen-Verbrennungssystem mit geringen NOx Emissionen geschaffen, das einen Vorbrennerabschnitt, eine Einrichtung zum Einführen von Brennstoff und Luft in den Vorbrennerabschnitt, eine Zündeinrichtung in dem Vorbrennerabschnitt zum Verbrennen des Brennstoff/Luft-Gemisches und eine Einrichtung enthält zum Reduzieren der NOx in den Verbrennungsprodukten des Vorbrennerabschnitts. Es ist ein katalytischer Verbrennungsabschnitt mit einem katalytischen Reaktorbett vorgesehen, das eine Katalysator- und eine Reaktionszone aufweist. Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum Einführen eines mageren Gemisches von Brennstoff und Luft in das katalytische Verbrennungsbett, wobei eine katalytische Verbrennung wenigstens zunächst auftritt aus einer Zündung durch die Verbrennungsprodukte des Vorbrenners in Gegenwart des Katalysators in dem Bett. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen zum Mischen von Verdichterausgangsluft und Brennstoff und zum Zuführen des Gemisches in die Reaktionszone des Verbrennungsabschnittes für eine Zündung durch die heißen Verbrennungsprodukte, die aus dem katalytischen Reaktorbett austreten.
- In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung von einer katalytischen Brennkammer, die einen Teil von einer Gasturbine bildet und die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist; und
- Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Figur 1.
- Bekanntlich enthält eine Gasturbine einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Der Verdichterabschnitt wird durch den Turbinenabschnitt über eine gemeinsame Wellenverbindung angetrieben. Der Verbrennungsabschnitt enthält typisch eine kreisförmige Anordnung von mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten Brennern (Brennkanmmern). Ein Brennstoff/Luft-Gemisch wird in jedem Brenner verbrannt, um die heiße, energiereiche Gasströmung zu erzeugen, die durch ein Übergangsstück strömt, um das Gas zu den Turbinenschaufeln des Turbinenabschnitts zu leiten. Deshalb ist zu Darstellungszwecken nur ein Brenner (Brennkammer) dargestellt, wobei es klar sein dürfte, daß alle anderen Brenner, die um die Turbine herum angeordnet sind, im wesentlichen den gleichen Aufbau besitzen, wie der dargestellte Brenner.
- In Figur 1 ist allgemein bei 10 ein Brenner für ein Gasturbinentriebwerk dargestellt, der einen Vorbrennerabschnitt 12, eine katalytische Reaktoranordnung 14, eine Hauptverbrennungsanordnung 16 und ein Übergangsstück 18 aufweist zum Leiten von heißen Verbrennungsgasen zu den Turbinenschaufeln, die nicht gezeigt sind. Die Vorbrenneranordnung 12 enthält ein Vorbrennergehäuse 20, eine Endabdeckung 22, eine Start-Brennstoffdüse 24, eine Strömungshülse 26 und eine Vorverbrennungsauskleidung 28 in der Hülse 26. Es ist eine nicht gezeigte Zündvorrichtung vorgesehen, die eine Funken- oder Glühkerze sein kann. Die Verbrennung in der Vorbrenneranordnung 12 erfolgt innerhalb der Verbrennungsauskleidung 28. Die Verbrennungsluft des Vorbrenners, die über die Strömungshülse 26 zugeführt wird, tritt in die Verbrennungsauskleidung 28 durch mehrere Löcher ein, die in der Auskleidung ausgebildet sind. Die Luft tritt in die Auskleidung unter einem Druckunterschied über der Auskleidung ein und mischt sich mit dem Brennstoff aus der Brennstoffdüse 24 innerhalb der Auskleidung. Infolgedessen tritt eine Diffusionsflammen-Verbrennungsreaktion innerhalb der Auskleidung 28 auf, die Warme zum Antreiben der Gasturbine freisetzt.
- Die katalytische Verbrennungszone enthält die Reaktoranordnung 14 und die Verbrennungsanordnung 16. In dieser Zone ist ein Haltering vorgesehen, in den Kohlenwasserstoffbrennstoff über einen Injektor 32 eingeführt wird. Beispielsweise könnte dieser die Form des Vielfach-Venturi- Rohr-Gasbrennstoffinjektors haben, der in der US-A-4 845 952 beschrieben und dargestellt ist, deren Offenbarung durch diese Bezugnahme hier aufgenommen wird. Somit tritt das Gemisch von Kohlenwasserstoffbrennstoff und Verbrennungsprodukten des Vorbrenners in das katalytische Reaktorbett 34 über die Auskleidung 36 der katalytischen Reaktoranordnung ein. Das katalytische Reaktorbett 34 ist im allgemeinen zylinderförmig und kann aus einem keramischen Material oder einem Substrat von Honigwabenzellen gebildet sein, die mit einem Reaktions-Katalysator auf ihren Oberflächen überzogen sind. Der Reaktions-Katalysator kann beispielsweise Palladium aufweisen. Die Struktur des katalytischen Reaktorbettes 34 kann so sein, wie es in der US- A-4 794 753 beschrieben und dargestellt ist, wobei deren Offenbarung durch die Bezugnahme hier auf genommen wird. Somit entzündet sich das Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsprodukten des Vorbrenners in Gegenwart des Verbrennungskatalysators bei der Ausgangstemperatur des Vorbrenners. Das Brennstoff-Luftgemisch, das in das katalytische Reaktorbett 34 eintritt, ist sehr mager und die Kohlenwasserstoff-Brennstoffoxidationsreaktionen verlaufen bis zum Abschluß in der Reaktionszone innerhalb der Hauptverbrennungsanordnung 16.
- Für einen Betrieb bei Hochlastbedingungen für die Gasturbine ist ein sekundärer Brennstoffinjektor 40 vorgesehen, der mehrere Venturi-Rohre aufweist zum Mischen von Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Verdichter-Ausgangsluftströmung aus einer Kammer, die durch das Verdichterausgangsgehäuse 42 und eine Verbrennungsumhüllung 44 gebildet ist. Dieses sekundäre Brennstoff-Luftgemisch tritt in die Reaktionszone 16 ein und wird durch die heißen Verbrennungsprodukte gezündet, die aus dem katalytischen Reaktorbett 34 austreten.
- Im Betrieb der Gasturbine gibt es drei bestimmte Betriebsarten, die von dem Lastbereich der Gasturbine abhängen. Die erste Betriebsart ist bei kleinen Turbinenlasten und während des Startens. In dieser Betriebsart wird der Start- Brennstoffdüse 24 Kohlenwasserbrennstoff zugeführt, und Vorbrenner-Verbrennungsluft wird zur Auskleidung 28 durch die mehreren Auskleidungsöffnungen geliefert zum Mischen mit dem Brennstoff aus der Start-Brennstoffdüse. Eine Diffusionsflammen-Verbrennungsreaktion tritt in der Verbrennungsauskleidung 28 des Vorbrenners auf, die durch eine Funken- oder Glühkerze ausgelöst wird. Um die Erzeugung einer wesentlichen Menge von thermischen NOx in der Vorbrenner-Verbrennungsauskleidung 28 zu reduzieren, ist ein chemischer Hilfsstoff, beispielsweise Ammoniak, Harnstoff oder Isocyansäure, vorgesehen zur Injektion von und durch den primären Injektor 32. Der primäre Injektor 32 mischt den chemischen Hilfsstoff mit den Verbrennungsprodukten des Vorbrenners. Das Mischen wird unterstützt durch Verwendung eines inerten Trägergases, wie beispielsweise Stickstoff, mit dem chemischen Hilfsstoff. Der chemische Hilfsstoff kann auch Verstärker enthalten, um die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion mit den NOx aus der Diffusionsflammen- Vorbrennerandordnung zu beschleunigen. Die chemische De- NOx-Reaktion tritt dann in der Auskleidung der katalytischen Reaktoranordnung und dem katalytischen Reaktorbett 34 auf, das einen Katalysator enthalten kann, um diese Reaktionen zu beschleunigen. Infolgedessen werden wesentlich verminderte NOx Emissionen aus dem Betrieb des Vorbrenners bei Niedriglast-Betriebsbedingungen erhalten.
- Bei Mittelbereichs-Betriebsbedingungen wird Kohlenwasserstoffbrennstoff durch den Injektor 32 zugeführt. Der Injektor 32 mischt den Kohlenwasserstoffbrennstoff mit den Verbrennungsprodukten des Vorbrenners, und dieses Gemisch tritt in das katalytische Reaktorbett 34 über die Auskleidung 36 der katalytischen Reaktoranordnung ein. Das Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsprodukten des Vorbrenners entzündet sich in Gegenwart des Verbrennungs-Katalysators. Sobald die Verbrennungsreaktion eingeleitet worden ist, kann der Vorbrenner abgeschaltet werden, wobei die Reaktion bei Verdichterausgangstemperaturen beibehalten wird. Da das Brennstoff/Luft-Gemisch, das in das katalytische Reaktorbett 34 eintritt, mager ist, ist die Verbrennungsreaktionstemperatur zu niedrig, um thermische NOx zu erzeugen. Die Kohlenwasserstoffbrennstoff-Oxidationsreaktionen verlaufen bis zur Vollständigkeit in der Reaktionszone innerhalb der Auskleidung 16 der Hauptverbrennungsanordnung. Somit ist während der Mittelbereichs-Lastzustände die Temperatur der Verbrennungsreaktion zu niedrig, um NOx zu erzeugen.
- Unter Hochlastbedingungen wird die katalytische Verbrennung ausgeführt, wie es vorstehend beschrieben wurde. Zusätzlich wird dem sekundären Injektor 40 Kohlenwasserstoffbrennstoff zugeführt. Der Injektor 40 mischt den Brennstoff mit der Verdichterausgangsluft, die in der Kammer enthalten ist, die zwischen dem Ausgangsgehäuse 42 und der Verbrennungsumhüllung 44 ausgebildet ist. Dieses Brennstoff/Luft-Gemisch tritt in die Reaktionszone innerhalb der Hauptverbrennungsauskleidung 16 ein und wird durch die heißen Verbrennungsprodukte gezündet, die aus dem katalytischen Reaktorbett 34 austreten. Weil das in die Hauptverbrennungsauskleidung 16 eintretende Brennstoff/Luft-Gemisch mager ist, ist die Verbrennungsreaktionstemperatur in ähnlicher Weise zu niedrig, um thermische NOx zu erzeugen.
- Somit wird deutlich, daß NOx Emissionen wesentlich minimiert oder eliminiert sind über dem gesamten Betriebsbereich der Gasturbine. Dies wird auf einfache und effiziente Weise erreicht und durch eine besondere Kooperation von im wesentlichen bekannten Gasturbinenelementen. Besonders wichtig ist aber, daß die NOx Emissionen an dem unteren Ende des Betriebsbereiches minimiert oder eliminiert worden sind, d.h. wenn nur der Vorbrenner verwendet wird. Weiterhin wurde dies unter Verwendung von Elementen, d.h. dem primären Injektor, erreicht, die in Gasturbinen dieses Typs vorhanden sind.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betreiben eines katalytischen
Verbrennungssystems einer Gasturbine mit einem Vorbrennerabschnitt
(12) und einem katalytischen Verbrennungsabschnitt (34) zum
Minimieren oder Eliminieren von NOx Emissionen,
enthaltend die Schritte:
Verbrennen eines Brennstoff/Luft-Gemisches in dem
Vorbrennerabschnitt (12),
Reduzieren der NOx, die aus der Verbrennung des
Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Vorbrennerabschnitt entstehen,
durch Vereinigen der Verbrennungsprodukte des
Vorbrennerabschnitts mit einem chemischen Verbrennungshilfsstoff zum
Reduzieren von NOx bei einem Betriebszustand, wo
Verbrennungsprodukte des Vorbrennerabschnitts auf einer für eine
katalytische Verbrennung zu niedrigen Temperatur sind,
Betreiben des Vorbrennerabschnitts, um eine Zündung
der katalytischen Reaktion zu erhalten, und
bei Zündung, Betreiben des katalytischen
Verbrennungsabschnitts (34) bei einer Verbrennungstemperatur, die für
eine Erzeugung von NOx zu niedrig ist, wodurch NOx
Emissionen aus dem Gasturbinenbetrieb im wesentlichen
minimiert oder eliminiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorbrennerabschnitt
abgeschaltet wird, wenn die katalytische Verbrennung in der
katalytischen Brennkammer auftritt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine primäre
Brennstoffinjektion (32) vorgesehen ist zum Unterhalten einer
Verbrennung in dem katalytischen Verbrennungsabschnitt, und
der chemische Verbrennungshilfsstoff durch den primären
Brennstoffinjektor in die Verbrennungsprodukte während des
Vorbrennerbetriebs eingeführt wird und anschließend
Brennstoff durch den primären Brennstoffinjektor eingeführt wird
für eine Verbrennung in dem katalytischen
Verbrennungsabschnitt während des katalytischen Verbrennungsvorgangs.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die NOx reduzierende
chemische Reaktion katalytisch beschleunigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Brennstoff/Luft-
Gemisch einer Zone (16) zugeführt wird für eine Zündung
durch die heißen Verbrennungsprodukte aus dem katalytischen
Verbrennungsabschnitt bei einer Verbrennungstemperatur, die
zur Erzeugung von NOx zu niedrig ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Turbine eine
Reaktionszone (14), die einen Teil des katalytischen
Verbrennungsabschnitts bildet, in dem
Brennstoffoxidationsreaktionen abgeschlossen werden, und einen
Verdichter mit einem Luftausgang aufweist, und wobei in dem
Schritt des Zuführens des Brennstoff/Luft-Gemisches Luft
aus dem Verdichterausgang mit Brennstoff (40) gemischt wird
und dieses Brennstoff/Luft-Gemisch in die Reaktionszone des
katalytischen Verbrennungsabschnitts injiziert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein primärer
Brennstoffinjektor (32) zur Unterhaltung einer Verbrennung in
dem katalytischen Verbrennungsabschnitt vorgesehen ist und
ein chemischer Verbrennungshilfsstoff durch den primären
Brennstoffinjektor in die Verbrennungsprodukte des
Vorbrennerabschnitts während des Vorbrennerbetriebs eingeführt
wird und anschließend Brennstoff durch den primaren
Brennstoffinjektor eingeführt wird für eine Verbrennung in
dem katalytischen Verbrennungsabschnitt, wobei in dem
Schritt des Reduzierens von NOx, die aus der Verbrennung
des Brennstoff/Luft-Gemisches in dem Vorbrennerabschnitt
resultieren, die Verbrennungsprodukte des
Vorbrennerabschnitts mit einem chemischen Verbrennungshilfsstoff
gemischt werden, um NOx zu reduzieren.
8. Katalytisches Gasturbinen-Verbrennungssystem mit
geringen NOx Emissionen, enthaltend:
einen Vorbrennerabschnitt (12),
eine Einrichtung zum Einführen von Brennstoff und Luft
(24,28) in den Vorbrennerabschnitt,
eine Zündeinrichtung in dem Vorbrennerabschnitt zum
Verbrennen des Brennstoff/Luft-Gemisches,
einen katalytischen Verbrennungsabschnitt (14) mit
einem katalytischen Reaktorbett (34) mit einem Katalysator
und einer Reaktionszone,
eine Einrichtung (32,36) zum Einführen eines mageren
Gemisches von Brennstoff und Luft in das katalytische
Verbrennungsbett, wobei eine katalytische Verbrennung
wenigstens zunächst auftritt durch eine Zündung durch die
Verbrennungsprodukte des Vorbrenners in Gegenwart des
Katalysators in dem Bett, und
eine Einrichtung zum Mischen von
Verdichterausgangsluft und Brennstoff (36,40) und zum Zuführen des Gemisches
in die Reaktionszone des Verbrennungsabschnitts für eine
Zündung durch die heißen Verbrennungsprodukte, die aus dem
katalytischen Reaktorbett austreten,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorbrennerabschnitt
Mittel vorgesehen sind zum Reduzieren der NOx in den
Verbrennungsprodukten des Vorbrennerabschnitts, wobei die
Reduziermittel eine Injektoreinrichtung (32) zum Einführen
eines chemischen Verbrennungshilfsstoffes in die
Verbrennungsprodukte des Vorbrennerabschnitts aufweisen und
wobei die Einrichtung zum Einführen eines mageren Gemisches
von Brennstoff und Luft in das katalytische
Verbrennungsbett auch die Injektoreinrichtung enthält.
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