DE2303586B2

DE2303586B2 - Gasturbinenanlage mit vollstaendiger kontinuierlicher verbrennung des ihr zugefuehrten brennstoffs

Info

Publication number: DE2303586B2
Application number: DE19732303586
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Koch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-01-25
Filing date: 1973-01-25
Publication date: 1976-10-21
Also published as: JPS49104015A; GB1442367A; FR2215536B1; FR2215536A1; US3895488A; DE2303586A1

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Gasturbinenanlage mit vollständiger konlinuicrlicher Verbrennung des ihr zugeführten flüssigen Brennstoffs, mit einer Brennstoffzuführung zu einem Gasgenerator, in dem vorerhitzter, flüssige Kohlenwasserstoffe enthaltender Brennstoff mit einem Sauerstoffträger katalytisch bei erhöhter Temperatur in ein Brenngasgemisch umgesetzt wird, einer mit dem Brenngasauslaß des Gasgenerators verbundenen Brennkammer, einer einen Verdichter enthaltenden Luftzuführung zur Brennkammer, einer der Brennkammer nachgeschalteten Turbine und zwei in der Abgasleitung der Turbine angeordneten Wärmetauschern zum Erwärmen des dem Gasgenerator zuzuführenden Brennstoffs bzw. der der Brennkammer zuzuführenden verdichteten Luft.

Die zunehmende Verunreinigung der Luft führt, besonders in den Ballungsgebieten, zu einer ständig steigenden gesundheitlichen Gefährdung der Bevölkerung. Nicht nur Abgase von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen, sondern auch von stationär angeordneten Gasturbinen sind darin in erheblichem Umfang beteiligt. Infolge ungleichmäßiger Verdampfung und Durchmischung der Kohlenwasserstoffe n.it der Verbrennungsluft kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung. Die Folgen davon sind unverbrannte bzw. teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, kondensierte Produkte, Benzpyrene, Teer, Ruß und Aldehyde im Abgas, die an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Die schädlichen Nebeneffekte durch die Abgase lassen sich nun durch die Verwendung eines sogenannten Spaltgasgenerators ganz erheblich vermindern, wie er in den deutschen Patentanmeldungen P 21 03 008.0, P 21 35 650.3 und P 22 32 506.0 beschrieben ist. Dabei wird der flüssige Kohlenwasserstoffe enthaltende Brennstoff zunächst verdampft, vergast oder versprüht und der auf diese Weise erhaltene gas- oder dampfförmige Brennstoff wird zur Umwandlung in ein Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Gas. sogenanntes Spaltgas, unter Zusatz von zur rußfreien Umwandlung erforderlichen Gasen, die sich aus Teilmengen von rückgeführtem Abgas der Brennkraftmaschine und/oder anderen als Sauerstoffträger dienenden Gase, wie Luft, zusammensetzen, über einen Katalysator geleitet. Als katalysatorträger werden dabei vorzugsweise Sinterlochsteine verwendet.

Die in einem Spaltgasgencrator verwendeten Sinterlochsteine sind hochporöse Sintersteine, die eine Vielzahl von eng benachbarten Durchtrittsöffnungen aufweisen. Enthält der Sinterlochstein noch einen Katalysator, so erhält man eine katalytische Umwandlung der Kohlenwasserstoffe, wie es z. B. in der DT-OS 19 39 535 näher beschrieben ist.

Eine Gasturbinenanlage besteht üblicherweise aus einem Verdichter für die /ur Verbrennung erforderliche Luft, einer Brennkammer, sowie einer Turbine. Die für die Verbrennung in der Gasturbinenanlage notwendige Luftmenge (einschließlich des für die Einhaltung tier maximalen Verbrennungstemperatur notwendigen Luftüberschusses) wird dabei im Verdichter komprimiert. Die Abgase derartiger konventioneller Gasturbinenanlagen enthalten jedoch noch eine erhebliche Schadstoffkonzentration.

Eine Anlage mit einem katalytischen Gasgenerator und einer Turbine ist bereits aus der GB-PS 9 23 316 bekannt. Als Gasgenerator dient dabei ein Reformierungsreaktor, dem ein vorerhitz.es, aber unverdampftcs Gemisch aus Wasser und flüssigem, kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff zugeführt wird. In dem Reformierungsreaktor wird das Gemisch anschließend in ein aus CO und H₂ bestehendes Brenngas katalytisch bei erhöhter Temperatur umgesetzt. Der Reformierungsreaktor ist mit einer Brennkammer verbunden, in die ferner eine einen Verdichter enthaltende Luftzuführungsleitung mündet. Die Abgase aus der Brennkammer werden in die Turbine eingeleitet. Die zur Reformicrung von Kohlenwasserstoffen mit Wasser nötige Wärme wird dem Reformierungsreaktor dadurch zugeführt, daß er entweder durch Wärmetausch mit den Abgasen der Turbine von außen beheizt wird oder in Form eines Mantels um die heiße Brennkammer herum angeordnet ist. Ferner ist vorgesehen, die aus dem Verdichter kommende Verbrennungsluft in einem in der Abgasleitung der Turbine angeordneten Wärmetauscher vorzuwärmen. Auch das Brennstoff/Wasser-Gemisch kann in einem weiteren, in der Abgasleitung der Turbine angeordneten Wärmetauscher bis zu einer Temperatur

erhitzt werden, bei der keine der im Gemisch enthaltenen Komponenten siedet.

Eine Möglichkeit, die Schadstoffemission von Gasturbinenanlagen erheblich zu vermindern, besteht nun darin, die Turbine mit einem Spaltgasgenerator zu kombinieren. Wird der Brennkammer ein katalytischer Spaltgasgenerator vorgeschaltet, so kann das erzeugte Brenngas mit verdichteter Frischluft der Brennkammer zur Erzielung einer vollständigen gleichmäßigen Verbrennungzugeführt werden.

Eine mit derartigen Brenngasen betriebene Turbine kann mit wesentlich höheren Brennkammertemperaturen gefahren werden, als die konventionellen Turbinen. Dadurch haben auch die aus der Brennkammer kommenden, der Turbine zugeleiteten und dort austretenden Abgase eine höhere Temperatur. Das führt zu einer erhöhten Abgaswärme -nd daher zu Energreverlusien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten An so auszugestalten, daß deren Wirkungsgrad gesteigert und gleichzeitig die Schadstoffemission der Anlage möglichst gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird crfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher zum Erwärmen des Brennstof Is als Brennstoffverdampfer ausgebildet ist und daß dem Gasgenerator als Sauerstoffträger ein Teil der in der Brennkammer entstehenden Abgase über eine Abgasleitung zuführbar ist.

Der Gasgenerator ist demnach als katalytischer Spaltgasgenerator ausgebildet. Als saucrstoffhaltiges Gas für die Spaltung des Brenngases dient erfindungsgeniitß das aus der Brennkammer kommende Abgas, das den Sauerstoff in gebundender Form enthält.

Eine derartige Anordnung weist den Vorteil auf, daß die katalytische Erzeugung des Brenngases in einer endothermen Reaktion erfolgt, welche die Umwandlung eines Teils der Abgasenergie in chemische Energie des Brenngases ermöglicht. Die Brenngaserzeugung läuft bei Temperaturen unterhalb der Abgastemperatur ab. die Abgase führen dem Gasgenerator die nötige Reaktionswärme zu. Gleichzeitig wird die Abgasenergie besser ausgenutzt.

Das entstehende Brenngas ist gut mischbar mit der verdichteten, vorerwärmten Verbrennungsluft und kann in der Brennkammer so vollständig verbrannt werden, daß der Gehalt an gesundheitsgcfährdenden und korrosionsfördcrnden Schadstoffen im Abgas niedrig gehalten werden kann. Die Betriebstemperaturen der Gasturbine werden dann im wesentlichen nar noch durch die Wärmebeständigkeit des verwendeten Materials bestimmt und können über den Betriebstemperaturen konventioneller Gasturbinen liegen, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine führt. Die als Treibmittel für die Turbine dienenden Abgase der Brennkammer weisen dabei hohe Temperaturen auf. da ihnen nur die zur endothermen Umsetzung des bereits verdampften Brennstoffes nötige Reaktionswärme, aber nicht die zur Verdampfung nötige Verdampfungswärme entzogen wird. Die Verdampfungswärme des flüssigen Brennstoffes wird nämlich den aus der Turbine abzuleitenden Abgasen entzogen, so daß deren Abfallwärme besser ausgenutzt wird. Dadurch kann der Wirkungsgrad der gesamten Anlage noch weiter gesteigert werden. Durch die Verwendung eines bereits <>s verdampften Brennstoffes vereinfacht sich ferner auch die Reaktionsführung im Gasgenerator.

Zwischen dem Gasgenerator und der Turbine ist vorieilhafterweise eine Mischkammer angeordnet, in der die aus der Brennkammer stammenden Abgase mit einem Teil der verdichteten und in einem der Wärmetauscher erwärmten Luft vermischt und gekühlt werden, um die Eintrittstemperatur des Abgases in die Turbine zu begrenzen.

Besonders günstig ist es. wenn der Gasgenerator mehrere aufeinanderfolgende, mit Wärmetauschern versehene Reaktionskammern und weitere zwischen den Reaktionskammern angeordnete Wärmetauscher enthält und die Wärmetauscher von den zur Turbine bzw. der Mischkammer geleiteten Abgasen der Brennkammer durchströmbar sind.

Bei einem anderen Ausführuntsbeispiel kann vorteilhaft das dem Gasgenerator zuzuführende Abgas teilweise durch Wasserdampf ersetzbar sein. Da mit steigendem Wasseranteil die Umsetzung des Brennstoffes zunehmend endotherm verlauft, kann dadurch die Temperatur des Gasgencratu. ■, geregelt werden. So kann beispielsweise ein Ansteigen der Temperatur im Gasgenerator über die Betriebstemperatur hinaus vermieden werden, in dem das Abgas in größerem Maße durch Wasserdampf ersetzt wird.

Durch die Kombination der Abgaswarmeausnüi/ung und der höheren Vorbrennungsiemperaturen in der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine besonders hohe Wirkungsgradsteigerung erreicht, so daß ein Gesamtwirkungsgrad von über 40% erreicht werden kann.

Im folgenden wird die Erlindung anhand der Figur näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage zeigt.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit I ein Verdichter bezeichnet, der die /ur Verbrennung erforderliche Luft verdichtet und diese über eine Leitung 8 der Brennkammer 3 der Turbine 4 zuführt. Mit 2 ist eine mehrstufiger Gasgenerator bezeichnet, dem über die Leitung 9 Brennstoff zugeführt wird, sowie über die Leitung 22 ein Teil der von der Brennkammer 3 stammenden Abgase. Das in ihm erzeugte Brenngasgemisch wird über eine Leitung 10 der Brennkammer 3 zugeführt, in der eine vollständige kontinuierliche Verbrennung mit schadstoffarmer Emission erfolgt. Der dem Gasgenerator 2 zuzuführende Brennstoff wird zunächst in einem Wärmetauscher 5 verdampft, der der Turbine 4 nachgesehallet ist und durch die heißen, aus der Turbine ausseienden Abgase durchsetzt wird. Des weiteren wird die von dem Verdichter 1 stammende, über die Leitung 8 der Brennkammer 3 /ugeführtc LuIt in einem zweiten, der Turbine nachgeschalteten Wärmetauscher 6 erhitzt.

Der Gasgenerator 2 kann mehrstufig ausgeführt sein und besteht dann aus mit Wärmetauschern 14, 15, 16 versehenen Reaktionskammern 19, 20, 21 sowie zwischen den Reaktionskammern angeordneten Wärmetauschern 17 und 18.

Die in der Brennkammer 3 erzeugten Abgase werden teilweise im Gasgenerator 2, dem sie über die Leitung 22 zugeführt werden, zur Erzeugung des Brenngusgemisches verbraucht. Der nicht zu diesem Zweck verbrauchte Anteil der Abgase der Brennkammer 3 durchsetzt die Wärmetauscher 14, 15, 16, 17. 18 des Gasgenerators 2, wobei er einen Teil seiner Energie in den Wärmetauschern an das den Gasgenerator durchströmende Gasgemisch bzw. an die Reaktionskammern abgibt, und wird dann über eine Leitung 23 einer Mischkammer 7 zugeführt. Der Mischkammer 7 wird außerdem ein Teil der durch die Leitung 8

strömenden und im Wärmetauscher 6 bereits vorerwarmten Luft derart zugeführt, daß die von der Brennkammer 3 stammenden Abgase so weit abgekühlt werden, daß sie über die Leitung 11 der Turbine 4 zugeführt und über die Abgasleitung 12 nach Durchsetzen der beiden Wärmetauscher 5 und 6 an die Umwelt abgegeben werden können.

Anstelle von Abgas kann dem Gasgenerator zur Reaktion mit dem Brennstoff auch teilweise Wasserdampf zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist zwischen den Wärmetauschern 5 und 6 ein (gestrichelt gezeichneter) Wasserdampferzeuger 24 vorgesehen, der mit dem Gasgenerator über die (ebenfalls gestrichelt gezeichnete) Leitung 25 verbunden ist.

Mit der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ist es also möglich, einen Teil der Abgasenergie in chemische F.nergie des im Gasgenerators 2 erzeugten ßrcnngasgcmisches durch eine endotherme Reaktion umzuwandeln, wobei ein Gesamtwirkungsgrad von über 40"/« erreicht werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage mit vollständiger kontinuierlicher Verbrennung des ihr zugeführten Brenn-Stoffs mit einer Brennstoffzuführung zu einem Gasgenerator, in dem vorerhitzter, flüssige, Kohlenwasserstoffe enthaltender Brennstoff mit einem Sauerstoffträger katalytisch bei erhöhter Temperatur in ein Brenngasgemisch umgesetzt wird, einer mit den? Brenngasauslaß des Gasgenerators verbundenen Brennkammer, einer einen Verdichter enthaltenden Luftzuführung zur Brennkammer, einer der Brennkammer nachgeschalteten Turbine und zwei in der Abgasleitung der Turbine angeordneien Warmetauschern zum Erwärmen des dein Gasgenerator zuzuführenden Brennstoffs bzw. der der Brennkammer zuzuführenden verdichteten Luft, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) zum Erwärmen des Brennstoffs als Brennstoffverdämpfer ausgebildet ist und daß dem Gasgenerator

(2) als Sauerstoffträger ein Teil der in der Brennkammer (3) entstehenden Abgase über eine Abgasleitung (22) zuführbar ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gasgenerator (2) und der Turbine (4) eine Mischkammer (7) zum Mischen von aus der Brennkammer (3) stammenden Abgasen mit einem Teil der verdichteten und in einem (6) der Wärmetauscher erwärmten Luft angeordnet ist.

3. Gasturbinenanlage nach Ansprüchen 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (2) mehrere aufeinanderfolgende, mit Wärmetauschern (14,15,16) versehene Reaktionskammern (19,20, 21) und weitere zwischen den Reaktionskammern angeordnete Wärmetauscher (17, 18) enthält und die Wärmetauscher von den zur Turbine (4) bzw. Mischkammer (7) geleiteten Abgasen der Brennkammer (3) durchströmbar sind.

4. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Gasgenerator (2) zuzuführende Abgas teilweise durch Wasserdampf ersetzbar ist.

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