ГОРЕЛКА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F23R3/40 F02C3/20 

Изобретение относится к горелке, в частности для газовой турбины, с каталитической камерой сгорания. В качестве топлива при этом предусмотрен углеводород и/или водородсодержащий энергоноситель как в жидком, так и в газообразном виде. Подобным топливом является, например, природный газ, нефть или метан. Такая горелка может предпочтительно использоваться в газовой турбине.

Газовая турбина обычно состоит из компрессорной части, горелочной части и турбинной части. Компрессорная часть и турбинная часть обычно расположены на одном общем валу, который одновременно приводит в действие генератор для производства электроэнергии. В компрессорной части подогретый свежий воздух сжимают до необходимого в горелочной части давления. В горелочной части сжатый и подогретый воздух сжигают с топливом названного вида. Горячие отходящий газ горелки подводят к турбинной части и там расширяют.

Детальную информацию о конструкции и применении газовой турбины дает фирменное описание "Gasturbines and Gasturbine Power Plants" Сименс АГ, май 1994, номер заказа A 96001-U 124-V 1-7600.

При сжигании топлива названного вида в качестве особенно нежелательных продуктов сгорания возникают также окислы азота NO_x. Эти окислы азота наряду с двуокисью серы считаются главной причиной кислых дождей, представляющих собой проблему для окружающей среды. Поэтому, а также в связи со строгими, предусмотренными законом граничными значениями для выброса NO_x стремятся поддерживать выброс NO_x газовой турбины особенно малым, не оказывая при этом существенного влияния на мощность газовой турбины.

Так, например, снижение температуры пламени в горелке действует в сторону уменьшения содержания окислов азота. При этом к топливу или к сжатому и подогретому свежему воздуху добавляют водяной пар или впрыскивают воду в камеру сгорания. Такие мероприятия, которые сами по себе уменьшают выброс окислов азота, обозначают как первичные мероприятия для уменьшения содержания окислов азота.

Соответственно в качестве вторичных мероприятий обозначают все мероприятия, при которых за счет дополнительных мероприятий уменьшается содержание окислов азота в отходящем газе, например, газовой турбины или также в принципе процесса сжигания.

Для этого во всем мире получил распространение способ селективного каталитического восстановления (СКВ), при котором окислы азота вместе с восстановителем, в большинстве случаев аммиаком, приводят в контакт на катализаторе и образуют при этом азот и воду. С использованием этой технологии поэтому неизбежно связан расход восстановителя. Расположенные в канале отходящего газа катализаторы для уменьшения содержания окислов азота естественно вызывают падение давления, которое при использовании горелки в газовой турбине влечет за собой уменьшение мощности турбины. Уже падение мощности в несколько промилле при мощности газовой турбины, например, 150 МВт и продажной цене тока примерно 0,15 нем марки/киловатт-час оказывает существенное влияние на достигаемый таким устройством результат.

В качестве первичного мероприятия по уменьшению окислов азота предусмотрена известная из GB 2268694 A каталитическая камера сгорания, причем температура воспламенения топлива снижается за счет частично каталитического окисления. Предусмотренные для этого катализаторы встроены поперечно относительно направления течения топлива и простираются по всему поперечному сечению потока. Тем самым имеет место высокое сопротивление потока. Известна из P 61053425 горелка, в частности для газовой турбины, содержащая каталитическую камеру сгорания, причем камера сгорания в направлении течения топлива имеет в основном цилиндрическую протяженность и причем обращенная к топливу стенка камеры сгорания содержит каталитически активное покрытие для окисления топлива.

В случае описанных выше горелок поэтому существует в принципе проблема, что каждое предусмотренное там уменьшение содержания окислов азота, первичного или вторичного вида, имеет следствием потери мощности или потери в общем коэффициенте полезного действия газотурбинной установки.

В основе изобретения поэтому лежит задача указания горелки, в частности для газовой турбины, которая отличается особенно низкой эмиссией окислов азота и одновременно особенно высоким коэффициентом полезного действия.

Эта задача решается согласно изобретению горелкой, в которой предусмотрена каталитическая камера сгорания, причем камера сгорания в направлении течения топлива имеет в основном цилиндрическую протяженность и обращенная к топливу стенка содержит каталитически активное покрытие для окисления топлива. Таким образом, за счет каталитически индуцированного сгорания топлива достигается особенно низкое содержание окислов азота в отходящем газе горелки. Одновременно с покрытием стенки камеры сгорания не связано никакое повышение сопротивления потока так, что с подобной каталитической камерой сгорания являются достижимыми особенно высокие коэффициенты полезного действия в газовой турбине. В основном цилиндрическая форма каталитической камеры сгорания и каталитически активное покрытие стенки способствуют тому, что топливо воспламеняется исходя от стенки и является возможным распространение фронта пламени от каталитически активного покрытия в свободный поток топлива. В частности, цилиндрическая форма при этом способствует в основном концентричному и тем самым однородному распределению фронта пламени, за счет чего достигается в результате полное и равномерное сгорание топлива.

Для достижения особенно хорошо осесимметрично выраженного фронта пламени является предпочтительным, если предусмотрено множество концентричных относительно продольной оси цилиндра камеры сгорания, снабженных каталитически активным покрытием колец.

Процесс образования в основном осесимметричного фронта пламени в камере сгорания поддерживается далее тем, что кольцо или кольца расположены исключительно во внешней области камеры сгорания, имеющей в основном круглое поперечное сечение.

Для снижения каталитической температуры воспламенения топлива в камере сгорания является особенно предпочтительным, если к камере сгорания может подводиться топливо, содержащее главный поток топлива, предварительно сформированный частичный поток топлива и воздух. При этом главный поток топлива состоит в основном из природного газа, и/или каменноугольного газа, и/или водорода. Предварительно сформированный частичный поток топлива является частичным потоком, который отделяют от главного потока топлива и направляют через ступень предварительного формирования. В этой работающей на основе катализатора ступени предварительного формирования, например, из природного газа образуются вещества, каталитически воспламеняющиеся легче, чем природный газ, как например спирты, альдегиды и водород. Смешанный с таким предварительно сформированным частичным потоком топлива горючий газ имеет поэтому отличную каталитическую воспламеняемость.

Особенно предпочтительная форма выполнения относительно воспламеняемости введенного в каталитическую камеру сгорания топлива может предусматривать, чтобы предварительно сформированный частичный поток топлива, при необходимости предварительно смешанный с воздухом, поступал в камеру сгорания через отверстия в стенке. Таким образом, сравнительно легко воспламеняющаяся газовая смесь предварительно сформированного частичного потока топлива непосредственно приводится в соприкосновение с каталитически активным покрытием и спонтанно воспламеняется так, что в каталитической камере сгорания образуется надежное в эксплуатации пространственно неподвижное воспламенение в виде полого цилиндра.

Для защиты каталитически активного покрытия, которое находится на обращенной к газообразному топливу стенке каталитической камеры сгорания, может быть предусмотрено охлаждение стенки. При этом стенка, например, может охлаждаться воздухом, причем одновременно достигается подогрев воздуха. Этот подогретый воздух может, например, в последующем сжиматься в компрессорной части до входного давления камеры сгорания.

Каталитическое действие каталитически активного покрытия наступает особенно предпочтительно тогда, когда каталитически активное покрытие содержит диоксид титана, предпочтительно нанесенный газопламенным или плазменным напылением, и составляющую благородного металла, выбранную из платины, родия, палладия, иридия, рения, и/или составляющую оксида металла, выбранную из одного или нескольких оксидов переходных металлов. В качестве оксидов переходных металлов могут использоваться такие оксиды, которые имеют сильно окислительное каталитическое действие, например оксид меди, оксид хрома, оксид железа, оксид молибдена, оксид вольфрама, оксид ванадия, оксид марганца, оксид церия, а также другие оксиды лантаноидов.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей. При этом на чертежах показано:
фиг. 1 - в схематическом представлении горелка газовой турбины с каталитической камерой сгорания;
фиг. 2 - в схематическом представлении горелка газовой турбины согласно фигуре 1 с несколько измененной по сравнению с фигурой 1 каталитической камерой сгорания; и
фиг. 3 - каталитическая камера сгорания в поперечном сечении.

На фигурах 1 - 3 одинаковые части имеют одинаковые ссылочные позиции.

В схематическом представлении согласно фигуры 1 видна газовая турбина 2, которая содержит компрессорную часть 4, горелочную часть 6 и турбинную часть 7. Горелочная часть 6 содержит каталитическую камеру сгорания 8, стенка 10 которой имеет каталитически активное покрытие 12.

Каталитическая камера сгорания 8 имеет в примере выполнения круглое поперечное сечение. В каталитическую камеру сгорания 8 втекает в качестве топлива 14 горючий газ, который в примере выполнения состоит из сжатого в компрессорной части 4 воздуха 16, главного потока топлива 18 и предварительно сформированного частичного потока 20. Этот предварительно сформированный частичный поток 20 отделяется от первоначального потока топлива 22 и направляется через ступень предварительного формирования 24. Поток топлива 22 состоит в примере выполнения из природного газа, из которого в ступени предварительного формирования 24 образуются вещества, каталитически воспламеняющиеся легче, чем природный газ, например спирты, альдегиды и водород. Ступень предварительного формирования 24 содержит для осуществления своей функции не представленный более подробно керамический сотовый катализатор на основе диоксида титана, который дополнительно содержит составляющую благородного металла, состоящую из поверхностно нанесенных на сотовый катализатор платины и палладия.

Каталитически активное покрытие 12 на стенке 10 каталитическое камеры сгорания 8 состоит из нанесенного газопламенным напылением слоя диоксида титана с толщиной порядка 500 мкм, на который нанесены дополнительно частицы благородного металла платины, родия и палладия, а также частицы оксидов переходных металлов, как оксид церия, оксид ванадия и оксид хрома. Альтернативно к нанесенному газопламенным напылением диоксиду титана может быть предусмотрен слой, полученный плазменным напылением. Оба слоя отличаются своей очень высокой прочностью на состоящей в основном из аустенитной стали стенке 10 каталитической камеры сгорания 8.

При эксплуатации газовой турбины 2 топливо 14 втекает в каталитическую камеру сгорания 8 и воспламеняется на каталитически активном покрытии 12 стенки 10. Образованный таким образом расположенный против течения фронт пламени 26 так же, как и расположенный по течению фронт пламени 28, является в основном осесимметричным, так что распределение температуры в каталитической камере сгорания 8 вдоль главного направления течения относительно поперечного сечения имеет примерно круговые изотермы. Это является преимуществом для равномерного и бедного вредными веществами сгорания топлива 14.

Каталитически сожженное таким образом топливо 14 с температурой порядка 1100^oC поступает в турбинную часть 7 газовой турбины 2 и там расширяется. Переданная в турбинной части тепловая энергия используется для привода не показанного здесь более подробно генератора для производства электроэнергии. Этот генератор расположен на том же самом, не показанном здесь валу, что и газовая турбина 2. Покидающий турбинную часть 7 отходящий газ горелки 30 является вследствие каталитического сжигания особенно бедным окислами азота и имеет содержание окислов азота около 70 ч./млн. Отходящий газ горелки 30 может использоваться в не представленном здесь более подробно парогенераторе на отходящем тепле для производства пара.

Фигура 2 показывает в схематическом представлении несколько измененную по сравнению с фигурой 1 газовую турбину 2'. При этом изменения ограничиваются выполнением каталитической камеры сгорания 8. Имеющаяся на фигуре 2 каталитическая камера сгорания 8' отличается от фигуры 1 за счет того, что в стенке 10 предусмотрены отверстия 32, через которые в камеру сгорания 8' поступают предварительно сформированный частичный поток топлива 20 и воздух 16.

Это мероприятие по сравнению с выполнением согласно фигуры 1 имеет два преимущества. Первое преимущество заключается в том, что смесь топлива с самой низкой каталитической температурой воспламенения поступает в камеру сгорания 8' непосредственно на каталитически активном покрытии и поэтому воспламеняется сравнительно спонтанно. Это мероприятие поэтому совершенно особенно способствует стабилизации расположенного против течения фронта пламени 26. Второе преимущество заключается в том, что стенки 10 охлаждаются текущей вдоль них смесью из предварительно сформированного частичного потока топлива 20 и воздуха 16. За счет этого охлаждения снижается также термическая нагрузка каталитически активного покрытия 12, что благоприятно сказывается на стойкости этого покрытия 12. Охлаждение стенки 10 альтернативно может достигаться также не представленным здесь образом за счет течения воздуха 16, который поступает в компрессорную часть 4.

Фиг. 3 показывает в схематическом представлении поперечное сечение измененной по сравнению с фиг. 1 и 2 каталитической камеры сгорания 34. Можно видеть снова стенку 10 и каталитически активное покрытие 12 для окисления топлива 14. Под окислением топлива само собой разумеется понимается то, что топливо 14, 22 окисляется и введенный с воздухом 16 и необходимый для сжигания кислород восстанавливается. Под каталитически активным покрытием 12 для окисления горючего газа 14 поэтому понимается покрытие, которое индуцирует процесс сгорания в целом с окисленными и восстановленными продуктами сгорания.

Камера сгорания 34 содержит три концентрически расположенных кольца 36. Эти концентрические кольца 36 являются тонкими жестяными полосками, состоящими из материала стенки 10. Кольца 36 располагают тем же самым каталитически активным покрытием 12, которым покрыта также камера сгорания 34. По причинам наглядности каталитически активное покрытие 12 показано только в выбранных квадрантах. Удерживающие кольца 36 перемычки 38 также обладают каталитически активным покрытием 12. Кольца 36 расположены исключительно во внешней области, имеющей в основном круглое поперечное сечение камеры сгорания 34, чтобы ограничить начальное воспламенение топлива 14 внешней областью поперечного сечения камеры сгорания 34. Распространение фронта пламени в свободное течение горючего газа 14 тогда происходит самостоятельно. Кольца 36 с каталитически активным покрытием 12 таким образом способствуют стабилизации фронта пламени и надежности полного и поэтому особенно бедного вредными веществами сгорания.

Горелка, в частности для газовой турбины, содержит каталитическую камеру сгорания. Камера сгорания имеет в направлении течения топлива в основном цилиндрическую протяженность и содержит на обращенной к топливу стенке каталитически активное покрытие для окисления топлива. Камера сгорания выполнена с возможностью подведения топлива, содержащего главный поток топлива, предварительно сформированный частичный поток топлива и воздуха. Для предварительного формирования предусмотрена обтекаемая частичным потоком топлива каталитическая ступень предварительного формирования, разлагающая топливо, по крайней мере частично, на легко воспламеняющиеся вещества, в частности на спирты, альдегиды или водород. Для ввода предварительно сформированного, частичного потока топлива, смешанного при необходимости с воздухом, в стенке камеры сгорания предусмотрены отверстия. За счет каталитически индуцированного сжигания топлива достигается особенно низкое содержание окислов азота в отходящем газе горелки. Одновременно за счет покрытия стенок сопротивление потоку в горелке в отличие от первичных мероприятий для уменьшения окислов азота не повышается. При использовании горелки в газовой турбине поэтому может быть достигнут особенно высокий коэффициент полезного действия при одновременно низкой эмиссии окислов азота. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Горелка, в частности для газовой турбины, содержащая каталитическую камеру сгорания, причем камера сгорания в направлении течения топлива имеет в основном цилиндрическую протяженность и, причем, обращенная к топливу стенка камеры сгорания содержит каталитически активное покрытие для окисления топлива, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена с возможностью подведения топлива, содержащего главный поток топлива, предварительно сформированный частичный поток топлива и воздух, причем для предварительного формирования предусмотрена обтекаемая частичным потоком топлива каталитическая ступень предварительного формирования, разлагающая топливо, по крайней мере частично, на легко воспламеняющиеся вещества, в частности, на спирты, альдегиды или водород, причем для ввода предварительно сформированного частичного потока топлива, смешанного при необходимости с воздухом, в стенке камеры сгорания предусмотрены отверстия. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрено множество колец, расположенных концентрично относительно продольной оси цилиндра камеры сгорания и снабженных каталитически активным покрытием. 3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что кольцо или кольца расположены исключительно во внешней области в основном круглого поперечного сечения камеры сгорания. 4. Горелка по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что стенка является охлаждаемой. 5. Горелка по любому из пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что каталитически активное покрытие содержит диоксид титана, предпочтительно нанесенный газопламенным или плазменным напылением, и составляющую благородного металла, выбранную из одного или множества благородных металлов - платина, родий, палладий, иридий, рений, и/или составляющую оксида металла, выбранную из одного или нескольких оксидов переходных металлов.