ГОРЕЛКА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, С КАТАЛИТИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННЫМ СЖИГАНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК F23R3/40 

Изобретение относится к горелке, в частности для газовой турбины, при которой для стабилизации основной горелки предусмотрена каталитическая опорная горелка. В качестве топлива предусмотрен, в частности природный газ, каменноугольный газ или другая газообразная углеводородо- и/или водородосодержащая смесь. Точно также подходящей является такая смесь или ископаемое топливо в жидком виде.

При сжигании названного топлива в качестве особенно нежелательных продуктов сгорания возникают окислы азота NO_x. Эти окислы азота наряду с двуокисью серы служат в качестве главной причины 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 горелки в газовой турбине особенно малым, не оказывая при этом существенного влияния на мощность горелки или газовой турбины.

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

Соответственно в качестве вторичных мероприятий обозначают все мероприятия, при которых дополнительно уменьшается содержание окислов азота в отходящем газе 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, приходят 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 в канале отходящего газа. Такое падение давления, однако, при использовании горелки в газовой турбине приводит к заметному уменьшению мощности турбины. Уже падение давления 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.

Более новые рассуждения относительно выполнения горелки идут в том направлении, что обычно применяемая в газовой турбине диффузионная горелка или стабилизированная относительно завихрений горелка с предварительным смешиванием заменяется каталитической камерой сгорания. С каталитической камерой сгорания достигаются более низкие эмиссии окислов азота, чем это является возможным с вышеназванными типами горелок. Таким образом могут быть преодолены известные недостатки способа СКВ (высокие объемы катализатора, расход восстановителя, высокая потеря давления).

Обычно для стабилизации горелки (диффузионная горелка, стабилизированная относительно завихрений горелка с предварительным смешиванием, каталитическая горелка) предусмотрено использование пилотного (контрольного) пламени. Это пилотное пламя применяется, чтобы установить определенную стартовую точку для сжигания собственно основного потока горючего газа. Горелка для создания такого пилотного пламени обычно является диффузионной горелкой, которая представляет собой не незначительный источник окислов азота. Поэтому ввиду вызываемых окислами азота проблем окружающей среды и вследствие строгих законодательных обязательных условий для выбросов окислов азота стремятся избегать каждого даже еще такого малого источника окислов азота или, по крайней мере, уменьшать их выброс окислов азота.

Наиболее близкой к предложенному изобретению является горелка для сжигания топлива, в которой в направлении течения топлива в проточном канале перед выпуском топлива основной горелки предусмотрен выпуск топлива каталитической опорной горелки для стабилизации основной горелки при каталитическом сжигании потока пилотного топлива (см. ЕП 0491481 A1, кл. F 23 C 11/00,1992 г.).

Недостатком известной горелки является повышенное содержание окислов азота.

В основе изобретения поэтому лежит задача указания горелки, в частности для газовой турбины, при которой устройство для создания пилотного пламени работает с особенно малым содержанием окислов азота.

Эта задача решается согласно изобретения за счет того, что предусмотрена горелка для сжигания топлива, при которой в направлении течения топлива в проточном канале перед выпуском топлива основной горелки предусмотрен выпуск топлива каталитической опорной горелки для стабилизации основной горелки при каталитическом сжигании потока пилотного топлива.

Горелка использует при этом каталитическое сжигание потока пилотного топлива для стабилизации или поддержки основной горелки.

Таким образом, необходимое для стабилизации основной горелки или основных горелок пилотное пламя создается за счет особенно бедного окислами азота каталитического сжигания.

В предпочтительной форме выполнения изобретения может быть предусмотрено, что относительно поперечного сечения проточного канала для топлива каталитическая опорная горелка расположена центрально, а основная горелка расположена коронарно. Это является, в частности, выгодным для однородного распределения пилотного пламени по радиальному направлению так, что также сжигание основного потока топлива может происходить на едином фронте.

Для образования пилотного пламени является особенно предпочтительным, чтобы поток пилотного топлива направлялся к каталитической опорной горелке через предварительный формирующий каскад. Таким образом достигается снижение температуры каталитического зажигания потока пилотного топлива, поскольку в предварительном формирующем каскаде топливо разлагают на легко воспламеняющиеся соединения. В случае природного газа в предварительном формирующем каскаде образуют, например, спирты, как метанол, альдегиды и водород.

При этом может быть далее предусмотрено, что происходит предварительное смешивание потока пилотного топлива с окружающим воздухом и/или воздухом компрессора. Таким образом через регулирование соотношений объемов топливо/предварительно сформированное топливо к окружающему воздуху и/или воздуху компрессора можно далее уменьшать выброс NO_x пилотной горелки.

Для стабилизации основного пламени в основной горелке и для надежного исключения обратного удара основного пламени является особенно предпочтительным, чтобы выпуск топлива каталитической опорной горелки был расположен на расстоянии между 0,5 и 5 м перед выпуском топлива основной горелки, причем это расстояние может предпочтительно составлять порядка 0,75 до 2 м.

В дальнейшей предпочтительной форме выполнения изобретения может быть предусмотрено, что основная горелка выполнена в виде каталитической основной горелки. Такая горелка, также как и каталитическая опорная горелка, отличается сравнительно низкими эмиссиями окислов азота.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей. При этом на фигурах показано:
фиг. 1 и 3 - в схематическом представлении соответственно продольное сечение через горелочную часть газовой турбины; и
фиг. 2 и 4 - соответственно вид сверху на поперечное сечение через проточный канал в горелочной части согласно фиг.1 или 3.

На фигурах одинаковые части имеют одинаковые ссылочные позиции.

Пример выполнения согласно фиг. 1 и 2 совпадает за исключением одного признака с примером выполнения согласно фиг.3 и 4. Последующие пояснения поэтому по смыслу являются справедливыми для фиг.3 и 4.

Фиг. 1 показывает в схематическом представлении горелочную часть 2 не представленной здесь более подробно газовой турбины. Горелочная часть 2 в примере выполнения содержит проточный канал 4, в который встроены каталитическая опорная горелка 6 и каталитическая основная горелка 8. Каталитическая опорная горелка 6 и каталитическая основная горелка 8 расположены вращательно-симметрично относительно оси симметрии 10 проточного канала 4.

За счет центрального расположения каталитической опорной горелки 6 в проточном канале 4 возникает внешнее кольцевое пространство 12 и внутреннее центральное пространство 14. В кольцевом пространстве 12 течет сжатая посредством компрессорной части не представленной здесь более подробно газовой турбины топливная смесь 16, состоящая из горючего газа, здесь природного газа 18, и воздуха 20. Втекающий в кольцевое пространство 12 поток пилотного топлива 22 первоначально состоит из той же самой газовой смеси природный газ/воздух 18, 20, которая однако предварительно формируется в предварительном формирующем каскаде 24. Втекающий в опорную горелку 6 предварительно сформированный поток пилотного топлива 22 может обозначаться так же, как легковоспламеняемый поток пилотного топлива. Предварительное формирование смеси природный газ/воздух 18, 20 происходит на содержащем благородный металл катализаторе, который имеет, например, сотовую форму, и содержит в качестве основной составляющей двуокись титана, а в качестве каталитически активной компоненты - платину и родий. Здесь катализатор, не показанный более подробным образом, встроен в предварительном формирующем каскаде 24. По выбору перед катализатором в предварительном формирующем каскаде 24 может быть еще включен теплообменник, чтобы нагревать поступающую в предварительный формирующий каскад 24 смесь природный газ/воздух 18, 20 и увеличивать таким образом эффективность катализатора в предварительном формирующем каскаде 24. При предварительном формировании из природного газа 18 образуются каталитически сравнительно легко воспламеняющиеся вещества, как метанол, альдегид и водород.

В примере выполнения выпуск топлива каталитической опорной горелки 6 расположен в направлении течения горючего газа 16 на расстоянии d примерно 1 м перед выпуском топлива каталитической основной горелки 8. Каталитическая опорная горелка 6 содержит в примере выполнения сотовый катализатор, который в качестве основной составляющей содержит, по крайней мере, одно из веществ двуокись титана, двуокись кремния и окись циркония. В качестве каталитически активной компоненты пригодными являются в принципе все благородные металлы и окислы металлов, которые имеют сильное окислительное действие на названные виды топлива. Ими, например, являются такие благородные металлы, как платина, родий, рений, иридий и окислы металлов, как, например, окислы переходных металлов окись ванадия, окись вольфрама, окись молибдена, окись хрома, окись меди, окись марганца и окиси лантаноидов, как например, окись церия. Точно также могут быть использованы металлоионнообменные цеолиты и окислы металлов шпинельной формы.

Поступающий в каталитическую опорную горелку 6 поток пилотного топлива 22 вследствие каталитически активных веществ окисляется и сжигается с пилотным пламенем 26. Поскольку выпуск топлива каталитической опорной горелки 6 расположен в направлении потока горючего газа 16 на расстоянии d перед выпуском топлива основной горелки 8, надежно гарантируется, что основное пламя 28 не может давать обратного удара в каталитическую основную горелку 8 или даже в области перед каталитическими горелками 6, 8. В выбранном примере выполнения расстояние d составляет порядка 1 м.

Катализаторный материал в основной горелке 8 не отличается от катализаторного материала опорной горелки 6. В качестве каталитически особенно активного вещества относительно окисления содержащихся в топливе 16 углеводородов предусмотрены соответственно 1 мас.% платины и родия, а также 2 мас.% окиси ванадия, окиси хрома и окиси вольфрама.

Выходящий из горелочной части 2 отходящий газ горелок имеет особенно низкое содержание окислов азота, поскольку топливо 16 в основной горелке 8 сжигают каталитически и пилотное пламя 26 также создают путем каталитического сжигания потока пилотного топлива 22 в опорной горелке 6. В качестве изменения к каталитической основной горелке 8 как основная горелка могут применяться также известные из уровня техники диффузионные горелки или стабилизированные относительно завихрений горелки с предварительным смешиванием.

Фиг.2 показывает вид сверху на проточный канал 4, в котором в схематическом представлении можно видеть устройство основной горелки 8 в виде каталитически активного сотового катализатора. Такие сотовые катализаторы имеют обычно количество ячеек от 4 до 100 ячеек на дюйм² и имеют толщину стенки перемычки от 0,5 до 5 мм. Альтернативно к использованным в примере выполнения сотовым катализаторам возможно также использование металлических пластинчатых катализаторов или вообще пластинчатых катализаторов. Каталитическая опорная горелка 6, расположенная в виде сверху согласно фиг.2 центрально, является относительно своей геометрии каналов в основном идентичной с геометрией каталитической основной горелки 8.

Фиг. 3 и 4 показывают пример выполнения изобретения, в котором видная из фиг. 1 и 2 каталитическая основная горелка 8 заменена на некаталитическую основную горелку, которая в качестве существенных отличительных признаков содержит направляющие лопатки 31. Эти направляющие лопатки 31 придают протекающей топливовоздушной смеси завихрение, которое стабилизирует возникающее в этой смеси горение. Heкаталитическая основная горелка отличается особенно низкой рабочей потерей давления и особенной простотой конструкции, что особенно рекомендует эту основную горелку для использования в газовой турбине. За счет того, что основная горелка обуславливает сжигание с предварительным смешиванием, гарантируется также сравнительно малый выброс NO_x. Так как пилотная горелка 6 также в примере выполнения согласно фиг.3 и 4 выпонена в виде каталитической опорной горелки 6, она также не представляет собой значительного источника для окислов азота; соответственно горелка согласно фиг.3 и 4 также квалифицирована как горелка с особенно низким выбросом NO_x.

Горелка, в частности для газовой турбины, с каталитически индуцированным сжиганием имеет в направлении течения топлива в проточном канале перед выпуском топлива основной горелки выпуск топлива каталитической опорной горелки для стабилизации основной горелки при каталитическом сжигании потока пилотного топлива. Каталитическая опорная горелка расположена относительно поперечного сечения проточного канала для топлива центрально, а основная горелка - коронально. Поток пилотного топлива направлен через предварительный формирующий каскад к каталитической опорной горелке. Такое выполнение горелки приводит к сгоранию топлива с малым содержанием окислов азота. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Горелка для сжигания топлива (16), в которой в направлении течения топлива (16) в проточном канале (4) перед выпуском топлива основной горелки (8) предусмотрен выпуск топлива каталитической опорной горелки (6) для стабилизации основной горелки (8) при каталитическом сжигании потока пилотного топлива (22), отличающаяся тем, что относительно поперечного сечения проточного канала (4) для топлива (16) каталитическая опорная горелка (6) расположена центрально, а основная горелка (8) расположена коронально, причем поток пилотного топлива (22) направлен через предварительный формирующий каскад (24) к каталитической опорной горелке (6). 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрено предварительное смешивание потока пилотного топлива (22) с окружающим воздухом и/или воздухом компрессора (20). 3. Горелка по любому из пп.1 - 2, отличающаяся тем, что выпуск топлива каталитической опорной горелки (6) расположен на расстоянии между 0,5 и 5 м перед выпуском топлива основной горелки (8). 4. Горелка по п.3, отличающаяся тем, что выпуск топлива каталитической опорной горелки (6) расположен на расстоянии между 0,75 и 2 м перед выпуском топлива основной горелки (8). 5. Горелка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что предусмотрена каталитическая основная горелка (8). 6. Газовая турбина, содержащая горелку по любому из пп.1 - 5.