[go: up one dir, main page]

DE2708940A1 - METHOD OF OPERATING A GAS TURBINE AND IMPROVED GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER - Google Patents

METHOD OF OPERATING A GAS TURBINE AND IMPROVED GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER

Info

Publication number
DE2708940A1
DE2708940A1 DE19772708940 DE2708940A DE2708940A1 DE 2708940 A1 DE2708940 A1 DE 2708940A1 DE 19772708940 DE19772708940 DE 19772708940 DE 2708940 A DE2708940 A DE 2708940A DE 2708940 A1 DE2708940 A1 DE 2708940A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel
catalyst
gas turbine
air
combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19772708940
Other languages
German (de)
Inventor
Henry Shaw
Alvin Skopp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ExxonMobil Technology and Engineering Co
Original Assignee
Exxon Research and Engineering Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Exxon Research and Engineering Co filed Critical Exxon Research and Engineering Co
Publication of DE2708940A1 publication Critical patent/DE2708940A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

BEIL, WOLFF & BEILBEIL, WOLFF & BEIL

:iT ΛΜ MAIN 80: iT ΛΜ MAIN 80

ADC!.of . 6230 FR. ADC ! .o f . 6230 FR.

2708940 01. HSrs 1S772708940 01. HSrs 1S77

Unsere Nr. 20 910Our no. 20 910

F/LaF / La

Exxon Research and Engineering Company Linden, N.Y., V.St.A.Exxon Research and Engineering Company Linden, N.Y., V.St.A.

Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine sowie verbesserte Gasturbinen-Verbrennungskammer.Method of operating a gas turbine and improved gas turbine combustion chamber.

709837/0723709837/0723

Das Bedürfnis für Gasturbinen-Verbrennungsverfahren, welche die Vorschriften hinsichtlich der Luftverschmutzung erfüllen und einen optimalen Gebrauch des Treibstoffs gewährleisten , ist von solcher Bedeutung, daß auf diesem Gebiet eine große Versuchsarbeit geleistet wurde. Es ist bekannt, daß ein gesteuertes Einmischen von überschüssiger Luft in der zweiten Stufe eines 2stufigen Verbrennungssystems der Schlüssel für eine Begrenzung der Bildung von Stickoxiden NO ist.The need for gas turbine combustion processes that comply with air pollution regulations and ensuring optimal use of the fuel is of such importance that in this field a great deal Experimental work was done. It is known that a controlled mixing of excess air in the second Stage of a 2-stage combustion system is the key to limiting the formation of nitrogen oxides NO.

In einem Gasturbinen-Triebwerk wird die eintretende Luft kontinuierlich verdichtet, mit Treibstoff vermischt und sodann in einer Verbrennungsvorrichtung verbrannt. Es werden Luftmengen, welche in einem beträchtlichen Überschuß über die stöchiometrisch erforderliche Menge vorliegen, verdichtet und dazu benutzt, die Auskleidung der Verbrennungsvorrichtung zu kühlen und die aus der Verbrennungsvorrichtung austretenden Gase zu verdünnen, um eine Beschädigung der Turbinenschaufeln und -düse zu vermeiden. In der Regel werden Hauptabschnitte der Verbrennungsvorrichtung nahe stöchiometrischen Bedingungen betrieben, was zu Gastemperaturen bis zu annähernd 2.2000C in der Verbrennungsvorrichtung führt. Weiter abwärts wird der Verbrennungsvorrichtung Sekundärluft zugegeben, welche das Verhältnis von Luft zu Treibstoff erhöht und die Gastemperaturen so erniedrigt, daß die die Verbrennungsvorrichtung verlassenden Gase größenordnungsmäßig sich auf einer Temperatur von 1.1000C befinden. Der Treibstoff-Einspritzdruck schwankt; er beträgt bei Vollkraft typisöherweise 42 kg/cm , während er unter Leerlaufbedingungen bei l» bis 7 kg/cm2 liegt.In a gas turbine engine, the incoming air is continuously compressed, mixed with fuel and then burned in a combustion device. Amounts of air which are in considerable excess over the stoichiometrically required amount are compressed and used to cool the liner of the combustion device and to dilute the gases emerging from the combustion device in order to avoid damage to the turbine blades and nozzle. As a rule, main sections of the combustion device are operated near stoichiometric conditions, which leads to gas temperatures of up to approximately 2,200 ° C. in the combustion device. Secondary air is added to the combustion device further down, which increases the ratio of air to fuel and lowers the gas temperatures so that the gases leaving the combustion device are of the order of magnitude of 1,100 ° C. The fuel injection pressure fluctuates; with full power it is typically 42 kg / cm, while under idle conditions it is between 1 and 7 kg / cm 2 .

Es ist bekannt, daß die Bildung von Stickoxiden NO bei hohen Temperaturen thermodynamisch begünstigt ist. Kinetische Studien zeigen, daß die Bildungsgeschwindigkeit von NO eine hohe Aktivierungsenergie (etwa 115 kcal/Mol) hat, so daß dieIt is known that the formation of nitrogen oxides contributes to NO high temperatures is thermodynamically favored. Kinetic studies show that the rate of formation of NO is a has a high activation energy (about 115 kcal / mol), so that the

709837/0723709837/0723

Hauptbildung von NO in der auf hoher Temperatur befindlichen primären Verbrennungszone herkömmlicher Turbinen stattfinden muß. Da die zur Bildung von NO fahrende Reaktion so stark temperaturabhängig ist, stellen abfallende Verbrennungsspitzentemperaturen ein wirksames Mittel zur Erniedrigung von NO -Emissionen aus einer Verbrennungsvorrichtung dar. Einer der einfachsten Wege, niedere Temperaturen und somit geringe NO -Etaissionen zu erreichen, ist die Durchführung der Verbrennung unter sehr mageren Bedingungen (d.h. mit einem hohen Überschuß an Luft). Hierbei stieß man auf die Probleme der Zündung und Verbrennung von sehr mageren Treibstoff -Luftgemischen; sie wurden für viele Steuerungssysteme der Kraftfahrzeugemission und bei industriellen Veraschungssystemen von Lösungsmittel-Abgas auch gelöst. In beiden Fällen werden Katalysatoren zur Begünstigung und Vervollständigung des Verbrennungsverfahrens verwendet. Auf einem ähnlichen Weg können Katalysatoren bei Gasturbinen verwendet werden, um eine wirksame Verbrennung in mageren Systemen herbeizuführen.Major NO formation occurs in the high temperature primary combustion zone of conventional turbines got to. Since the reaction leading to the formation of NO is so strongly temperature-dependent, falling combustion peak temperatures are an effective means of lowering it of NO emissions from a combustion device. One of the easiest ways to lower temperatures and thus To achieve low NO emissions, the combustion is carried out under very lean conditions (i.e. with a high excess of air). Here you came across the Problems with ignition and combustion of very lean fuel-air mixtures; they were used for many control systems motor vehicle emissions and, in industrial incineration systems, from solvent off-gas. In both cases Catalysts are used to aid and complete the combustion process. On a similar one Catalysts can be used in gas turbines to produce efficient combustion in lean systems.

Vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben von Gaeturbinen-Verbrennungseinricbtungen, bei denen die Bildung und der Austritt von Schmutzstoffen, wie z.B. NO »auf ein Minimum herabgesetzt werden. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf die Verwendung einer Reihe von 2 oder mehr Katalysatoren, um eine Treibstoffoxidation bei Temperaturen unterhalb der Flammentemperaturen zu bewirken, wodurch die Bildung von NO auf ein Minimum herabgesetzt wird.The present invention relates to methods of operating Gas turbine combustion equipment in which the formation and the leakage of pollutants such as NO »can be reduced to a minimum. In particular, the Invention to the use of a series of 2 or more catalysts to cause fuel oxidation at temperatures below flame temperatures, thereby minimizing the formation of NO.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine abgestufte katalytische Verbrennungsvorrichtung betrieben, in der unter treibstoffreichen Bedingungen Treibstoff in einerIn another embodiment of the invention, a staged catalytic combustion apparatus is operated, in the fuel in fuel-rich conditions in one

709837/0723709837/0723

nicht-katalytischen Zone verbrannt wird, woran sich eine katalytische Oxidation des partiell verbrannten Treibstoffs in einer 2. Zone anschließt, in der zur Vervollständigung der Treibstoffoxidation und Herabsetzung der Emission von ΝΟχ und anderen Schmutzstoffen ein Katalysator verwendet wird.non-catalytic zone is burned, followed by a catalytic oxidation of the partially burned fuel in a 2nd zone, in which a catalyst is used to complete the fuel oxidation and reduce the emission of ΝΟ χ and other pollutants.

Die Erfindung richtet sich auch auf die Anwendung einer neuen Ausfuhrungsform für die primäre Verbrennungszone, in der Treibstoff mit Luftmengen, welcher unter den stöchiometrischen Mengen liegen, partiell verbrannt wird, und der partiell verbrannte Abstrom aus der primären Zone sodann in den Sekundär luftstrom eingemischt wird, ohne daß die Verbrennung bei hoher Temperatur fortgesetzt wird. Dies führt zu der Wirkung, daß sowohl der heiße partiell verbrannte Abstrom aus der Primärzone abgeschreckt wird, als auch eine ausreichende Vermischung des partiell verbrannten Treibstoffs mit Sekundärluft erreicht wird, so daß eine vollständige Verbrennung unter Bedingungen aufrechterhalten wird, welche die Bildung von Ν0χ nicht begünstigen. Der Betrieb von Gasturbinen-Verbrennungsvorrichtungen gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen führt, zusätzlich zur Verminderung an NO ,zu folgenden Vorteilen: verbesserte Ausnutzung des Treibstoffs sowie Herabsetzung der Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbranntem Kohlenwasserstoff.The invention is also directed to the use of a new embodiment for the primary combustion zone, in which fuel is partially burned with amounts of air which are below the stoichiometric amounts, and the partially burned effluent from the primary zone is then mixed into the secondary airflow, without continuing the high temperature combustion. This has the effect that both the hot partially burned effluent from the primary zone is quenched and sufficient mixing of the partially burned fuel with secondary air is achieved so that complete combustion is maintained under conditions which do not allow the formation of Ν0 χ favor. The operation of gas turbine combustion devices in accordance with the embodiments described above leads, in addition to the reduction in NO, to the following advantages: improved fuel efficiency and reduced emissions of carbon monoxide and unburned hydrocarbons.

Gemäß vorliegender Erfindung werden Gasturbinen-Verbrennungsvorrichtungen unter Anwendung von 2 oder mehreren Katalysatoren in Reihe zur Oxidation des Treibstoffs betrieben, wobei Hochtemperatur-Gasströme für die Turbine zur Verfügung stehen, und die Temperaturen des aufrechterhaltenen Gasstroms geringer als die Flammentemperaturen sind, so daß verhältnismäßig niedere NO -Konzentrationen anfallen. Ein derartiges Katalysatorsystem bat das Vermögen, Kohlenwasserstoffe im Bereich von 177 bis etwa 1.315°C zu oxidieren. Der spezielle Temperaturbereich steht in Beziehung zur Dauerhaftigkeit und denIn accordance with the present invention, gas turbine combustors are operated using two or more catalysts in series to oxidize the fuel, wherein High temperature gas flows for the turbine are available, and the temperatures of the sustained gas flow are lower than the flame temperatures, so that relatively low NO concentrations occur. Such a catalyst system had the ability to produce hydrocarbons in the area to oxidize from 177 to about 1,315 ° C. The specific temperature range is related to durability and the

709837/0723709837/0723

Aktivitätseigenschaften der Katalysatoren und entspricht auch den Betriebsarten von Gasturbinen mit variabler Laufgeschwindigkeit .Activity properties of the catalysts and also corresponds to the operating modes of gas turbines with variable running speed.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung -eines katalyti sehen Hybrid-VerbrennungsVerfahrens und veranschaulicht die verschiedenen Verbrennungszonen;Figure 1 is a schematic representation of a catalytic converter see hybrid combustion process and illustrates the different combustion zones;

Figur 2 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis von Luft zu Treibstoff und für verschiedene, in Figur 1 dargestellte und dort als (1), (2), (3), (1O und (5) bezeichnete Zonen die adiabatischen Flammentemperaturen wiedergibt, welche gegen einen NOx-Enrissionsindex aufgetragen sind, der definiert ist als kg NO (als NO2) pro 1.000 kg Treibstoff;Figure 2 is a graph representing the ratio of air to fuel and for different, shown in Figure 1, where as (1), (2), (3), (1 O and (5) designated zones, the adiabatic flame temperatures, which are plotted against a NO x emission index, which is defined as kg NO (as NO 2 ) per 1,000 kg of fuel;

Figur 3 ist eine schematische Darstellung von 1I Katalysatorsystemen, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren brauchbar sind;FIG. 3 is a schematic representation of 1 L catalyst systems which are useful in the process of the invention;

Figur 4 ist eine schematische Darstellung, die zeigt, wie das katalytische E herabsetzt; undFigure 4 is a schematic diagram showing how that catalytic E belittles; and

katalytische Hybride-System gemäß der Erfindung N0x-Emissionencatalytic hybrid system according to the invention N0 x emissions

Figur 5 veranschaulicht graphisch den Vergleich einer herkömmlichen Gasturbinen-Verbrennungsvorrichtung mit einem katalytischen Hybrid-System und zeigt zugleich die Bedeutung von überschüssigen Luftkonzentrationen.Figure 5 graphically illustrates the comparison of a conventional gas turbine combustor with one catalytic hybrid system and at the same time shows the importance of excess air concentrations.

Wie zuvor bereits angegeben wurde, betrifft vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem Gasturbinen-Verbrennungseinrichtungen unter Verwendung von 2 oder mehreren Katalysatoren in Reihe betrieben werden, welch1letztere den Treibstoff oxidieren und Hochtemperatur-Gasströme zur Turbine liefern,As has been previously stated, present invention relates to a process to be operated at the gas turbine combustors using 2 or more catalysts in series, which latter 1 oxidize the fuel and supply high-temperature gas flows to the turbine,

09837/072309837/0723

wobei die aufrechterhaltenen Temperaturen des Gasstroms geringer als die Flammentemperaturen sind, so daß sich Stickoxide NO nur in geringen Konzentrationen bilden. Dieses katalytische Verfahren verwendet 2 oder mehrere in Reihe angeordnete Katalysatoren. Diese Katalysatoren umfassen einen Platin-Katalysator zur Zündung bei Temperaturen von 177 bis 65O0C, dem sich ein Kupfer-Nickel-Katalysator anschließt, der dazu verhilft, daß die Treibstoff-Luft-Gemische auf etwa 87O0C gebracht werden, wonach zur Oxidation des Treibstoffs auf Temperaturen oberhalb von 8700 bis zu 1.315°C ein Nichrom-Maschenkatalysator verwendet wird. Ein derartiges Katalysatorsystem hat die Fähigkeit, Kohlenwasserstoffe im Bereich von 177 bis etwa 1.315 C zu oxidieren. Der spezielle Temperaturbereich steht in Beziehung zu den Dauerhaftigkeitsund Aktivitätseigenschaften der Katalysatoren und entspricht auch den Betriebsarten von Gasturbinen mit variabler Laufgeschwindigkeit. Beispielsweise verändern sich die verschiedenen Betriebsarten eines Flugzeug-Gasturbinentriebwerks von niederen Temperaturen bei Leerlauf zu hohen Temperaturen bei Vollkraft, um beim Aufsteigen (take-off) Spitzentemperaturen zu erreichen. Bei einer der Betriebsarten wird ein vorgemischter und -erwärmter Strom eines mageren Luft-Treibstoffgemisches über einen Edelmetallkatalysator geleitet, um die Verbrennung des Treibstoffs bei der niederen Temperatur einzuleiten, (sogenanntes "lightoff", d.h. Startpunkt der Verbrennungsreaktion).the maintained temperatures of the gas stream being lower than the flame temperatures, so that nitrogen oxides NO are only formed in low concentrations. This catalytic process uses 2 or more catalysts in series. These catalysts comprise a platinum catalyst for firing at temperatures of 177 to 65O 0 C, a copper-nickel catalyst joins that this helps in that the fuel-air mixtures are brought to about 87O 0 C, after which the oxidation of the fuel to temperatures above 870 0 is up to 1,315 ° C, a nichrome mesh catalyst. Such a catalyst system has the ability to oxidize hydrocarbons in the range of 177 to about 1315C. The specific temperature range is related to the durability and activity properties of the catalysts and also corresponds to the operating modes of gas turbines with variable running speeds. For example, the various operating modes of an aircraft gas turbine engine change from low temperatures at idle to high temperatures at full power in order to reach peak temperatures during take-off. In one of the operating modes, a premixed and heated stream of a lean air-fuel mixture is passed over a noble metal catalyst in order to initiate the combustion of the fuel at the lower temperature (so-called "lightoff", ie starting point of the combustion reaction).

Der Edelmetall-Katalysator ist injjieiner dünnen Zone vor den Nicht-Edelmetall-Katalysatoiyj welche die Verbrennung vervollständigen, angeordnet. Dieses duale Katalysatorsystem profitiert von den höheren Reaktionsgeschwindigkeiten bei den Einlaßtemperaturen in die Verbrennungsvorrichtung, welche durch die Edelmetalle, wie z.B. Platin, begünstigt werden, leidet jedoch nicht unter den bei hohen Temperaturen auf-The noble metal catalyst is present in a thin zone the non-precious metal catalyst which the combustion complete, arranged. This dual catalyst system benefits from the higher reaction rates the inlet temperatures in the combustion device, which are favored by the precious metals such as platinum, does not suffer from the high temperatures

7098377072370983770723

tretenden Desaktivierungsproblernen, welche normalerweise bei Edelmetall-Katalysatoren anzutreffen sind. Um diese Probleme zu verhindern, wird das Volumen des Edelmetall-Katalysators ausreichend klein gehalten, um zu vermeiden » daß er Temperaturen oberhalb von 8l6°C ausgesetzt wird. Die Verwendung von 3 in Reihe angeordneten Katalysatoren ist die bevorzugte Ausführungsform, um nicht die dem Katalysatormaterial durch seine physikalischen Eigenschaften auferlegten Begrenzungen zu überschreiten. Diese in Reihe verwendeten Katalysatoren wurden weiter oben beschrieben; sie umfassen Metalle, welche aus den Gruppen IB, UB, HIB, IVB, VB, VIB, VIIB und VIIIB des Periodensystems ausgewählt werden.occurring deactivation problems, which normally are found in precious metal catalysts. To prevent these problems, the volume of the precious metal catalyst is kept sufficiently small to avoid » that it is exposed to temperatures above 81.6 ° C. The use of 3 catalysts in series is that preferred embodiment, in order not to have those imposed on the catalyst material by its physical properties Exceeding limits. These used in series Catalysts were described above; they include metals from groups IB, UB, HIB, IVB, VB, VIB, VIIB and VIIIB of the periodic table can be selected.

In einer anderen Ausführungsform vorliegender Erfindung wird eine abgestufte katalytische Verbrennungsvorrichtung verwendet, welche gewisse Vorteile '•über einer katalytische Oxidation von an Treibstoff mageren Gemischen bietet. Bei dieser Ausführungsform wird der Brenner unter treibstoffreichen Bedingungen betrieben, wobei der Abstrom mit Luft vermischt, und die Oxidation katalytisch vervollständigt wird. Demgemäß wird das partiell verbrannte Gemisch aus der Primärzone, welches nicht-katalytisch verbrannt wurde, durch eine Sekundärzone geleitet, nachdem der partiell verbrannte Abstrom in den Luftstrom bis zum Erhalt eines gewünschten Endäquivalenz Verhältnisses von etwa 0,3 eingemischt wurde. Der unverbrannte Abstrom aus der Primärzone wird über einen Oxidationskatalysator, wie z.B. einen solchen aus Nickel-Kupfer, Nickeloxid auf Keramik, Oxiden Seltener Erden, oder Nichrom-Sieben geleitet, wobei dieser Katalysator die Treibstoffoxidation bei der gewünschten Turbinen-Einlaßtemperatur von etwa l.O95°C vervollständigt. Diese Ausführungsform kann aber auch betrieben werden, indem man den partiell verbrannten Strom mit Luft über dem Katalysator vermischt, um zu verhüten,In another embodiment of the present invention, employs a staged catalytic combustion device which offers certain advantages over catalytic oxidation of fuel-lean mixtures. At this Embodiment, the burner is operated under fuel-rich conditions, with the effluent mixed with air, and the oxidation is catalytically completed. Accordingly, the partially burned mixture from the primary zone, which was burned non-catalytically, passed through a secondary zone after the partially burned effluent was mixed into the air stream until a desired final equivalency ratio of about 0.3 was obtained. Of the unburned effluent from the primary zone is passed over an oxidation catalyst, such as one made of nickel-copper, Nickel oxide on ceramics, rare earth oxides, or nichrome screens, this catalyst preventing fuel oxidation at the desired turbine inlet temperature of about 1095 ° C completed. This embodiment can but can also be operated by mixing the partially burned stream with air over the catalyst in order to prevent

709837/0723709837/0723

daß die Temperatur übermäßig ansteigt. Eine derartige Alternative liegt ebenfalls im Erfindungsbereich.that the temperature rises excessively. Such an alternative is also within the scope of the invention.

Eine andere Ausführungsform zur Durchführung vorliegender Erfindung besteht in der Anwendung einer neuen Ausbildung derAnother embodiment for carrying out the present Invention consists in the application of a new training

primären Verbrennungszone, wobei die Kammer in der Versvorrichtungprimary combustion zone, with the chamber in the verse device

brennung/unter brennstoffreichen Bedingungen mit einer Luftmenge von 50 bis 70 % der stöchioraetrisch erforderlichen Menge betrieben wird. Der brennstoffreiche, auf hoher Temperatur befindliche Strom aus dieser Kammer wird mit Zusatzluft in der Verbrennungsvorrichtung bis zum gewünschten Endäquivalenzverhältnis zur Vervollständigung der Verbrennung vermischt. Zur Vervollständigung der Verbrennung des partiell oxidierten Treibstoffs wird erforderlichenfalls ein Katalysator angewandt, und ein derartiger Katalysator ist ein schmaleres Katalysatorbett aus einem Nicht-Edelmetall, da sein Zweck ist, die Vervollständigung der letzten 50 % oder weniger der Oxidation zu beschleunigen. Das Hauptmerkmal dieser Aus führungs form ist das Verfahren zum Einmischen des heißen, partiell verbrannten Abströme aus der Primärzone in den Sekundärluftstrom ohne fortgesetzte Verbrennung. Die mechanische Bauart der Ummantelung der Primärzone ist für einen richtigen Betrieb der gemischt-katalytischen Verbrennungsvorrichtung kritisch, und eine derartige Bauart wird weiter unten unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.combustion / is operated under fuel-rich conditions with an air volume of 50 to 70 % of the stoichioraetrically required amount. The fuel-rich, high temperature stream from this chamber is mixed with make-up air in the incinerator to the desired final equivalence ratio to complete the combustion. A catalyst is used to complete the combustion of the partially oxidized fuel, if necessary, and such a catalyst is a narrower bed of non-noble metal catalyst since its purpose is to accelerate the completion of the final 50% or less of the oxidation. The main feature of this embodiment is the method of mixing the hot, partially burned effluent from the primary zone into the secondary air flow without continued combustion. The mechanical design of the jacket of the primary zone is critical to proper operation of the mixed catalytic combustion apparatus and such a design is described below with reference to the drawing.

Die in der Ausbildungsform der katalytischen Verbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung benutzten festen Katalysatoren können verschiedene Formen und Zusammensetzungen aufweisen; sie können von der Art sein, die zur Oxidation von Brennstoffen in Gecenwart von molekularem Sauerstoff verwendet wird oder bekannt ist. Vorzugsweise umfaßt im allgemeinen der Anfangskatalysator (unter Anfangskatalysator wird hierbei derjenige Katalysator verstanden, mit dem derThe solid catalysts used in the embodiment of the catalytic combustion device according to the invention can have various shapes and compositions; they can be of the kind used to oxidize Fuels in the presence of molecular oxygen is used or is known. Preferably im includes generally the initial catalyst (under initial catalyst is understood here that catalyst with which the

709837/0723709837/0723

Treibstoff zuerst in Berührung kommt) Edelmetalle oder Gemische von Edelmetallen als Siebe oder auf keramischen Substraten. Das Zwischenkatalysatorbett umfaßt Stoffe wie Übergangsmetalle, Gemische oder Legierungen als Siebe oder auf keramischen Substraten sowie Oxide Seltener Erden auf keramischen Substraten. Der 3. in Reihe benutzte Katalysator gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfaßt Stoffe, welche sich allgemein als Übergangsmetalle oder Legierungen in Form von Sieben oder auf keramischen Substraten sowie Oxide von Seltenen Erden auf Keramik beschreiben lassen. Letztere werden aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Abbau ihrer physikalischen Eigenschaften bei den hohen Temperaturen der letzten Stufe ausgewählt.Fuel comes into contact first) precious metals or mixtures of precious metals as sieves or on ceramic Substrates. The intermediate catalyst bed comprises substances such as transition metals, mixtures or alloys as sieves or on ceramic substrates and rare earth oxides on ceramic substrates. The 3rd catalyst used in series according to the preferred embodiment includes substances which generally as transition metals or alloys in the form of sieves or on ceramic substrates as well as oxides of Have rare earths described on ceramics. The latter are due to their resilience to a Degradation of their physical properties selected at the high temperatures of the last stage.

In der Regel liegen die Gewichtsverhältnisse von Luft zu Treibstoff bei allen katalytischen Verfahren im Bereich von 500 bis 30, vorzugsweise 150 bis 30. Die Temperatur zum Betrieb des katalytischen Verfahrens liegt im Bereich von 65 bis 1.5^0, vorzugsweise 120 bis 1.205, insbesondere 177 bis l.O93°C. Die zum Betrieb der katalytischen Ausführungsform geeigneten Raumgeschwindigkeiten liegen in der Regel im Bereich von 50.000 bis 50.000.000, insbesondere 500.000 bis 5.OOO.OOO Volumen/Volumen/Stunde.As a rule, the weight ratios of air to fuel in all catalytic processes are in the range of 500 to 30, preferably 150 to 30. The temperature for operating the catalytic process is in the range of 65 to 1.5 ^ 0, preferably 120 to 1.205, in particular 177 to l.O93 ° C. The operation of the catalytic embodiment suitable space velocities are generally in the range from 50,000 to 50,000,000, in particular from 500,000 to 5.OOO.OOO volume / volume / hour.

Beim Betrieb der Ausführungsform mit abgestufter katalytischer Verbrennungsvorrichtung kann der in der zweiten Zone des Zweizonensystems benutzte Katalysator im allgemeinen aus Materialien bestehen, welche als Übergangsmetalle,Gemische oder Legierungen derselben zu bezeichnen sind; der Katalysator liegt in Form von Sieben oder derartigen Materialien auf keramischen Substraten vor; brauchbar sind ferner Seltene Erden auf keramischen Substraten. Die in der Ausführungsform mit abgestufter katalytischer Verbrennungsvorrichtung benutzten Verhältnisse von Luft zu Treibstoff und die ange-When operating the embodiment with graded catalytic Combustion apparatus can generally use the catalyst used in the second zone of the two-zone system Materials exist which are called transition metals, mixtures or alloys of the same are to be designated; the catalyst is in the form of sieves or such materials ceramic substrates; Rare earths on ceramic substrates can also be used. The one in the embodiment air-to-fuel ratios used with the staged catalytic combustion device and the

709837/0723709837/0723

wandten Temperaturen können allgemein beschrieben werden als im Bereich derjenigen liegend, welche bei herkömmlichen stationären und mobilen Gasturbinen, einschließlich Flugzeug-Gasturbinen, angewandt werden.Applied temperatures can generally be described as being in the range of those used in conventional stationary and mobile gas turbines, including aircraft gas turbines.

Die Raumgeschwindigkeiten sind nicht kritisch und können im Bereich von 50.000 bis 50.000.000, vorzugsweise 500.000 bis 5.000.000 Volumen/Volumen/Stunde liegen.The space velocities are not critical and can range from 50,000 to 50,000,000, preferably from 500,000 to 5,000,000 volumes / volumes / hour.

Bei der 3. Ausführungsform werden die neue Primärzonen-Verbrennungskammer und in der Sekundärzone ein Katalysator verwendet. Der Katalysator ist in der Regel einer der Typen, welche für eine katalytische Verbrennung bei Höchsttemperaturen beschrieben wurde.In the 3rd embodiment, the new primary zone combustion chamber and a catalyst is used in the secondary zone. The catalyst is usually one of the types that have been described for catalytic combustion at maximum temperatures.

Die Materialein, aus denen die Primärzonen-Verbrennungskammer konstruiert werden kann, umfassen keramische Werkstoffe oder Hochtemperaturlegierungen, wie z.B. Inconel- und Hastelloy-Legierungen oder andere Materialien, die zur Konstruktion geeignet sind. Die bei dem gemischt-katalytischen Verbrennungsverfahren anzuwendenden Betriebstemperaturen liegen in der Regel im Bereich der Betriebsbedingungen für herkömmliche Gasturbinen, und es ist wichtig, Verhältnisse von Luft zu Treibstoff im Bereich von 7 bis 15» vorzugsweise 10 bis 1*1, anzuwenden. Die bei der Durchführung dieses Verfahrens angewandten Raumgeschwindigkeiten sind nicht kritisch und liegen im allgemeinen im Bereich von 50.000 bis 50.000.000, vorzugsweise 500.000 bis 5.000.000 Volumen/Volumen/Stunde.The materials that make up the primary zone combustion chamber include ceramics or high temperature alloys such as Inconel and Hastelloy alloys or other materials suitable for construction. Those in the mixed catalytic combustion process The operating temperatures to be used are usually in the range of the operating conditions for conventional ones Gas turbines, and it is important to have air to fuel ratios in the range from 7 to 15 »preferably 10 to 1 * 1, apply. The space velocities used in carrying out this process are not critical and lie generally in the range of 50,000 to 50,000,000, preferably 500,000 to 5,000,000 volume / volume / hour.

Der Betrieb der Gasturbinen-Verbrennungsvorrichtung in irgendeiner der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen führt zur Verbrennung von Treibstoff zum Antrieb der Turbine, während gleichzeitig die NO -Konzentrationen unterhalb etwa 10 ppm, vorzugsweise unterhalb etwa 5 ppm, insbe-Operation of the gas turbine combustion apparatus in any of the preferred embodiments previously described results in the combustion of fuel to power the Turbine, while at the same time the NO concentrations below about 10 ppm, preferably below about 5 ppm, in particular

709837/0723709837/0723

sondere unterhalb etwa lppm, gehalten werden.especially below about lppm.

Vorliegende Erfindung und deren Ausführungsformen können unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 leichter verstanden werden. Die Grundlage vorliegender Erfindung kann unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert werden, wo die umkreisten Ziffern sich auf Figur 1 und das dort dargestellte Hybrid-Verbrennungssystem beziehen. Wenn die Primärzonenverbrennung bei etwa 70 % der stöchiometrisch erforderlichen Luft abläuft, ist der Gleichgewichts-NO -Emissionsindex (EINQ ) 2,2 kg pro 1000 kg Treibstoff, während die adiabatische Flammentemperatur 2.12O°C beträgt. Infolgedessen ist in Zone 1 eine angemessen hohe Temperatur erreicht, wobei der Index EThe present invention and its embodiments can be more easily understood with reference to FIGS. The basis of the present invention can be explained with reference to FIG. 2, where the circled numbers relate to FIG. 1 and the hybrid combustion system shown there. When primary zone combustion occurs at about 70 % of the stoichiometrically required air, the equilibrium NO emission index (EI NQ ) is 2.2 kg per 1000 kg of fuel, while the adiabatic flame temperature is 2.120 ° C. As a result, a reasonably high temperature has been reached in zone 1, with the index E klein ist. Die Verdünnungsluft tritt auf der Aussenseite desis small. The dilution air occurs on the outside of the

Primärzonenbehälters bei etwa 51IO0C ein und wird als Zone 2Primary zone container at about 5 1 IO 0 C and is called Zone 2

Gasgas

bezeichnet. Das heiße, partiell verbrannte \gemiscn wird derart in Zone 3 mit dem Sekundärluftstrom verdünnt, daß ein Durchlaufen der stöchiometrischen Verbrennungszone (0 = 1,0) vermieden wird. Die mechanische Bauart der Primärzonenumhüllung ist für einen richtigen Betrieb der Verbrennungsvorrichtung kritisch. Der Primärzonenbehälter kann aus Hochtemperaturlegierungen, wie z.B. Hastelloy X oder aus Keramik bestehen. Er sollte kleine öffnungen oder Kamine für ein schnelles Einblasen des Primärzonengases in den Luftstrom aufweisen und auch eine örtliche Turbulenz schaffen, um die 2 Ströme schnell miteinander zu vermischen. Es zeigte sich, daß keine Flammenfortpflanzung auftritt, wenn der Abschreckunjsdurchmesser (quenching diameter), d.h. die Lochgröße, unterhalb 3*05 mm gehalten wird, oder wenn die Geschwindigkeit der die Zone 1 verlassenden heißen Gase größenordnungsmäßig 30 m/Sek. beträgt. Die Ummantelung der Primärzone kann aber auch aus einem porösen Material, wie z.B. Rigimesh, hergestellt werden, welches durch den äußeren Luftstrom wirksam gekühlt wird, wobei gleichzeitig ein Strömen des Primärgasesdesignated. The hot, partially burned mixture is so diluted in zone 3 with the secondary air flow that a Passing through the stoichiometric combustion zone (0 = 1.0) is avoided. The mechanical design of the primary zone enclosure is critical to proper operation of the incinerator. The primary zone container can be made of high temperature alloys such as Hastelloy X or of ceramic exist. It should have small openings or chimneys for rapid injection of the primary zone gas into the air stream and also create a local turbulence to mix the 2 streams together quickly. It was found, that no flame propagation occurs if the quenching diameter, i.e. the hole size, is kept below 3 * 05 mm, or if the speed the hot gases leaving zone 1 are of the order of 30 m / sec. amounts to. The sheathing of the primary zone can, however can also be made of a porous material such as Rigimesh, which is effective by the external airflow is cooled, at the same time a flow of the primary gas

709837/0723709837/0723

zur Außenseite ermöglicht wird. (Das Handelsprodukt "Rigimesh" ist ein starres Metallsieb, das eine derartige "Abkühlung" ermöglicht und ein "Zurückschlagen" der Flamme verhindert.) Das erhaltene Gemisch in Zone Ί strömt sodann durch das Katalysatorbett. Ansonsten tritt in begrenztem Ausmaß eine homogene Oxidation auf, wobei die gewünschte Einlaßtemperatur für die Turbine erreicht wird. Der austretende Strom weist nach der Zone 5 ein Äquivalenzverhältnis von etwa 0,3 und etwa 93O0C beim angegebenen Druck und bei der angegebenen Vorwärmtemperatur auf. Im Falle einer Kraftfahrzeuggasturbinenverbrennung ist die Vorwärmtemperatur viel höher; infolgedessen nähert sich der aus der Verbrennungsvorrichtung austretende Strom Temperaturen von l.O95°C Das Verfahren zur NO -Bildung ist kinetisch begrenzt, und infolgedessen sollte der tatsächliche Gleichgewichts-NO -Emissions-to the outside is made possible. (The commercial product "Rigimesh" is a rigid metal sieve which enables such "cooling" and prevents the flame from "flashing back".) The mixture obtained in zone Ί then flows through the catalyst bed. Otherwise, homogeneous oxidation occurs to a limited extent, with the desired inlet temperature for the turbine being reached. The exiting stream has to Zone 5 at an equivalence ratio of about 0.3 and about 93O 0 C at the specified pressure and at the specified preheat temperature. In the case of automotive gas turbine combustion, the preheat temperature is much higher; as a result, the stream exiting the incinerator approaches temperatures of 1095 ° C. The process of NO formation is kinetically limited and as a result the actual equilibrium NO emissions should be

JwJw

index EI™ einen viel geringeren Wert als der beim Gleichgewicht vorausgesagte Wert von 15 kg pro 1.000 kg Treibstoff aufweisen. Der Effekt des "prompten NO " ist im Falle einer fetten, d.h. treibstoffreichen, Primärverbrennung höher und kann 10 % des Gleichsgewichtswertes, d.h. 0,22 kg pro 1.000 kg Treibstoff, erreichen. Dieser Wert für promptes NO stelltindex EI ™ will have a value much lower than the equilibrium predicted value of 15 kg per 1,000 kg of fuel. The effect of the "prompt NO" is higher in the case of a rich, ie fuel-rich, primary combustion and can reach 10% of the equilibrium value, ie 0.22 kg per 1,000 kg of fuel. This value represents prompt NO

JvJv

einen bei der hier vorgeschlagenen Verbrennungsart erwarteten Wert dar (etwa 3 ppm).one expected from the type of combustion proposed here Value (approx. 3 ppm).

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläucert Beispiel 1 The invention will now be explained in more detail by means of examples. Example 1

In diesem Beispiel wird die Leistung der verschiedenen im vorliegenden beschriebenen und in Figur 3 erläuterten Katalysatorsysteme: beim Betrieb von Gasturbinen getestet.In this example, the performance of the various catalyst systems described herein and illustrated in Figure 3 are: tested in the operation of gas turbines.

Die Testergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt; sie zeigen einen Vergleich der erfindungsgemäßen Katalysatorsysteme mit einem System mit einem einzigen Katalysator,The test results are summarized in Table I; they show a comparison of the catalyst systems according to the invention with a system with a single catalyst,

709837/0723709837/0723

welches bei der US-Air Force getestet wurde (vgl. Tabelle I). Es wird darauf hingewiesen, daß das System mit eisern einzigen Katalysator bezüglich des Erhaltes 'des Startpunkts der Verbrenf Dei so niedrigen Temperaturen unwirksam war, wie sie zur Untersuchung der erfindungsgemäßen Katalysatorsysteme angewandt wurden. Das System mit einem einzigen Katalysator würde wahrscheinlich zu guten Ergebnissen bei einem Betrieb von Gasturbinen unter Vollkraft führen; es ist jedoch unwirksam zum Betrieb bei niedrigerer Kraft und infolgedessen für Gasturbinen ungeeignet. Das System könnte jedoch als 2. oder 3. Katalysator in den zuvor beschriebenen Systemen verwendet werden.which was tested by the US Air Force (see Table I). It should be noted that the system with an iron single Catalyst was ineffective in maintaining the starting point of the burn at temperatures as low as it is to investigate the catalyst systems according to the invention were applied. The single catalyst system would likely produce good results in one operation run gas turbines under full power; however, it is ineffective to operate at lower force and consequently unsuitable for gas turbines. The system could, however, be used as a 2nd or 3rd catalyst in the systems described above be used.

Beispiel 2Example 2

In diesem Beispiel wurde das erfindungsgemäße Konzept einer Hybrid- Verbrennung gemäß der Erfindung getestet. Das Testverfahren benutzte eine Versuchsanordnung, wo ein Teil der Luft mit Treibstoff in einem kommerziellen Brenner vorgemischt wurde und der Rest der Luft unabhängig vom Brenner eingemischt wurde. Die untersuchten Variablen umfaßten den Prozentsatz an stöchiometrischer Luft in der Brennerzone (Primärzone) sowie verschiedene Arten von physikalischen Schranken zwischen der Primärzone und der Verdünnungsluft. Der Gesamtprozentsatz an stöchiometrischer Luft wurde konstant auf 400 % gehalten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle II zusammengestellt.In this example, the inventive concept of a hybrid combustion was tested according to the invention. The test procedure used an experimental setup where some of the air was premixed with fuel in a commercial burner and the rest of the air was mixed in independently of the burner. The variables examined included the percentage of stoichiometric air in the burner zone (primary zone) and various types of physical barriers between the primary zone and the dilution air. The total percentage of stoichiometric air was kept constant at 400 % . The results of these tests are shown in Table II.

Die erste Versuchsgruppe wurde als Kontrolle durchgeführt, wobei keine physikalische Schranke zwischen der Primärzone und der Verdünnungsluft vorhanden war. Die Testergebnisse zeigen, daß beim treibstoffreichen Betrieb der PrimärzoneThe first experimental group was run as a control, with no physical barrier between the primary zone and the dilution air was present. The test results show that with fuel-rich operation of the primary zone

709837/0723709837/0723

(67 % der stöchiometrisch erforderlichen Luft) eine NO-Konzentration auftrat, welche gegenüber derjenigen, welche bei stöchiometrischer Verbrennung erhalten wurde, erhöht war.(67 % of the stoichiometrically required air) an NO concentration occurred which was higher than that which was obtained with stoichiometric combustion.

Eine zweite Versuchsgruppe wurde unter Verwendung eines offenen Rohres zur Trennung der Primärzone von der Verdümungs· luft durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß bei einer hybridartigen Betriebsweise eine gegenüber einer stöchiometrischen oder "herkömmlichen" Betriebsweise um 30 % verminderte NO -Konzentration gemessen wurde.A second test group was carried out using an open pipe to separate the primary zone from the evaporation air. The results show that in the case of a hybrid-type operating mode, the NO concentration measured was 30% lower than that of a stoichiometric or "conventional" operating mode.

Bei einer dritten Versuchsgruppe wurde ein Hybrid-Brenner verwendet, welcher ähnlich dem in Figur 1 dargestellten war. Der Brenner bestand aus Hastelloy X und war mit kleinen Löchern perforiert. Beim hybridartigen Betrieb dieses Brenners wurde gegenüber einer stöchiometrischen Verbrennung eine um 40 % verminderte NO -Konzentration gemessen.A hybrid burner similar to that shown in FIG. 1 was used in a third test group. The burner was made of Hastelloy X and was perforated with small holes. When this burner was operated in a hybrid manner, a 40 % reduction in NO concentration was measured compared to stoichiometric combustion.

Dieses Konzept wurde in größerem technischen Maßstab in einer röhrenförmigen (cannular) Verbrennungsvorrichtung von 3>O8 cm unter Verwendung einer Dose (can) mit offenem Ende aus perforiertem Hastelloy X veranschaulicht. Die Verbrennungsluft wurde in Primärluft zurtreibstoffreichen Verbrennung und in Sekundärluft zur Kühlung der Hybriddose gespalten, wobei auch die Stöchiometrie des treibstoffreichen Gasgemisches auf die magere Seite vor der Beaufschlagung des Katalysators verändert wurde. Die Ergebnisse eines dieser Versuche sind in Tabelle III zusammengestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Wirksamkeit der Verbrennung, welche besser als 99 % ist, durch die Betriebsweise mit dem Hybrid-Vorbrenner erreicht wurde. Die in das Katalysatorbett führende Mittelpunktslinientemperatur betrug 1.153°K, welche beträchtlich oberhalb der Katalysatortemperatur liegt, bei der Verbrennungsreaktion beginnt Clight-of ^Temperatur).This concept has been illustrated on a larger technical scale in a tubular (cannular) incinerator of 3> O8 cm using an open ended can (can) made of perforated Hastelloy X. The combustion air was split into primary air for fuel-rich combustion and secondary air for cooling the hybrid can, with the stoichiometry of the fuel-rich gas mixture also being changed to the lean side before the catalyst was applied. The results of one of these tests are shown in Table III. It should be noted that a combustion efficiency which is better than 99 % was achieved by operating with the hybrid pre-burner. The center line temperature leading into the catalyst bed was 1.153 ° K, which is considerably above the catalyst temperature, with the combustion reaction beginning the light-of-temperature).

709837/0723709837/0723

Die restlichen Spurenmengen an CO und unverbrannten leichten Kohlenwasserstoffen wurden leicht über dem Katalysator oxidiert, wobei eine Wirksamkeit der Verbrennung von größenordnungsmäßig 99*9 % erreicht wurde'. Die Menge an NO war 2,2 g/kg Treibstoff oder 1,98 g/106 kcal (0,11 lb./10* Btu); sie lag somit unterhalb den Höchstgrenzen der geläufigen Umweltschutzvorschriften.The remaining trace amounts of CO and unburned light hydrocarbons were slightly oxidized over the catalyst, with a combustion efficiency of the order of 99 * 9 % being achieved '. The amount of NO was 2.2 g / kg fuel or 1.98 g / 10 6 kcal (0.11 lb./10* Btu); it was thus below the maximum limits of the current environmental protection regulations.

709837/0723709837/0723

AA. B
201 "
B.
201 "
einer katalytischena catalytic C
201
C.
201
CC. Verbrennungcombustion USAP6 USAP 6
<0,l6<0.16 <0,11<0.11 BB.
?" 201 ■"-■? "201 ■" - ■
cO,lcO, l <0,l<0, l "377"377 <0,22<0.22
Tabelle I Table I. 6,26.2 1,01.0 <O,23 «<O, 23 « 1,31.3 2,02.0 <O,22<O, 22 900900 Experimentelle BewertungExperimental evaluation 550550 700700 5,05.0 750750 900900 900900 5050 . ^. ... _ ' . . A
Temperatur beim Start
punkt d.Verbr£Onung(°C)201
. ^. ... _ '. . A.
Temperature at start
burn point (° C) 201
127127 316316 700700 288288 288288 5050 10661066
0 bei diesem Punkt <0,210 at this point <0.21 113113 927927 CO 1,2CO 1.2 Unverbrannte Kohlen
wasserstoffe 500
Unburned coals
hydrogen 500
Austrittstemperatur(0C)332Exit temperature ( 0 C) 332

282' 201V 282'201 V

co Raumgeschwindigkeit
■-* (bei Standardtemp.
^ u. -druck)2 261000 523000 261000 523000 261000 523000 82OOOO 820000 820000
co space velocity
■ - * (at standard temp.
^ and pressure) 2 261000 523000 261000 523000 261000 523000 82OOOO 820000 820000

-» 0 bei Austritts-- »0 for leaving

£ Spitzentemperatur 0,50 0,50 0,60 0,60 0,60 0,60 0,11£ Peak temperature 0.50 0.50 0.60 0.60 0.60 0.60 0.11

CO 0,6 68 3,O3 3,0 1,34 50 15CO 0.6 68 3, O 3 3.0 1.3 4 50 15

Unverbrannte Kohlen- , ·.Unburned coal, ·.

Wasserstoffe 310 310 100^ lOO ca.0,1 800 0,35Hydrogen 310 310 100 ^ lOO about 0.1 800 0.35

Austrittstemperatur(0C)1201 1201 1201 1093 1260 927 1201 1260 1232Outlet temperature ( 0 C) 1201 1201 1201 1093 1260 927 1201 1260 1232

RaumgeschwindigkeitSpace velocity

(bei Standardtemp.(at standard temp.

und -druck)2 261000 523000 262000 523000 261000 523000 820000 820000 820000 ^and pressure) 2 261000 523000 262000 523000 261000 523000 820000 820000 820000 ^

Die NO -Emissionen waren immer weniger als 1,5 ppm oder 0,22 kg N05/1000 kg Treibstoff. OThe NOx emissions were always less than 1.5 ppm or 0.22 kg N0 5/1000 kg of fuel. O

O r\ O r \ OOOO

Standardtemperatur und -druck von OC bzw. 1 Atmosphäre; Einheiten:Volumen/Volumen/Stunde. cdStandard temperature and pressure of OC and 1 atmosphere, respectively; Units: volume / volume / hour. CD

3 Geschätzt, tatsächliche Daten bei 0 = 0,19 sindiCO = 20 kg/1000 kg Brennstoff, unverbrannte ^ Kohlenwasserstoffe = 250 kg (als CH11)ZlOOO kg Brennstoff, 2. Austrittstemperatur = 1O93°C 3 Estimated, actual data at 0 = 0.19 are iCO = 20 kg / 1000 kg fuel, unburned ^ hydrocarbons = 250 kg (as CH 11 ) 1000 kg fuel, 2nd outlet temperature = 1093 ° C

Geschätzt, tatsächliche Daten bei 0 = 0,55 sind: CO = 25 kg/ 1000 kg Brennstoff, unverbrannte Kohlenwasserstoffe = 10 kg (als CHi,)/1000 kg Brennstoff, 2. Austrittstemperatur = 1O93°C Estimated actual data at 0 = 0.55 are: CO = 25 kg / 1000 kg fuel, unburned hydrocarbons = 10 kg (as CHi,) / 1000 kg fuel, 2nd outlet temperature = 1093 ° C

Katalysatoren A-D sind in Figur 3 beschrieben. ÜS-Air Force.Catalysts A-D are described in FIG. ÜS-Air Force.

Tabelle IITable II Versuche mit einem HybridsystemTry a hybrid system

Grundlage; Propantreibstoff keine Vorwärmung Atmosphärendruck Basis; Propane fuel no preheating atmospheric pressure

derthe
% /stöchiometrisch erfbtderlichenLuft % / stoichiometrically required air
tootoo Ausbildung derTraining the
DoseCan
kg NO/ 1000 kgkg NO / 1000 kg
Treibstofffuel
Primärzone InsgesamtPrimary zone total tootoo keineno 1,31.3 100100 400400 keineno 2,02.0 6767 400400 offenes Endeopen end 2,42.4 100100 400400 offenes Endeopen end 1,61.6 6767 400400 Hybrid-BrennerHybrid burner 1,71.7 100100 Hybrid-BrennerHybrid burner 1,01.0 6767

709837/0723709837/0723

Tabelle IIITable III

Versuchsergebnisse bezüglich der katalytischen Hybrid- brennungsvorrichtung mit offenem Ende Experimental results relating to the open-ended hybrid catalytic combustion device

Druck in Verbrennungsvorrichtung (Atm.) 3»3Combustion device pressure (atm.) 3 »3

Vorwärmtemperatur der Primär- und Sekundärluft(0K)4OO Priinär-Äquivalenzverhältnis 1,5Preheating temperature of the primary and secondary air ( 0 K) 400 primary equivalence ratio 1.5

Gesamt-Äquivalenzverhältnis 0,3Total equivalence ratio 0.3 Bezugsgeschwindigkeit (m/s)(1) 24,4Reference speed (m / s) (1) 24.4 JP-4 Fließgeschwindigkeit (g/sec) 2,718JP-4 flow rate (g / sec) 2.718 Primärluft-Fließgeschwindigkeit (g/s) 26,66Primary air flow rate (g / s) 26.66

Sekundärluft-Fließgeschwindigkeit (g/s) 106,61 Primärinjektor-Geschwindigkeit (m/s) 65,6Secondary air flow rate (g / s) 106.61 Primary injector speed (m / s) 65.6

Sekundärluftgeschwindigkeit um den Vorbrenner(m/s) 70Secondary air speed around the pre-burner (m / s) 70 Sekundärluft-EinblasgeschwindigkeitSecondary air injection speed

beim Verbrenner-Austritt (m/s)X2) 19,5at the combustion outlet (m / s) X2) 19.5

Temperaturprofil beim Katalysatοrbett-Einlaß ( 0K) Temperature profile at catalyst bed inlet ( 0 K)

Thermoelement (C)Thermocouple (C) 924924 beim Katalysatorbett-Einlaßat the catalyst bed inlet CO2 CO 2 55 14,14, )) Ν0χ(ppm)Ν0 χ (ppm) XW+Jppm)XW + Jppm) Thermoelement (D)Thermocouple (D) 10831083 CO (ppm)CO (ppm) 55 44th 3232 5050 Thermoelement (E)Thermocouple (E) 11531153 395395 4,4, 66th 44th 3333 7070 Thermoelement (F)Thermocouple (F) 11431143 345345 22 14,14, 88th 2626th 120120 KonzentrationsprofilConcentration profile 350350 1.1. 66th 2929 4848 365365 Prüfung (C)Exam (C) Prüfung (D)Exam (D) Prüfung (E)Exam (E) Prüfung (F)Exam (F)

(1) Berechnet für eine Luftvorwärmung von 400°K in einer Katalysatorkammer mit 5,08 cm Durchmesser.(1) Calculated for an air preheating of 400 ° K in a catalyst chamber with a diameter of 5.08 cm.

(2) Keine Wärmezuführung mit Ausnahme der Vorwärmung von(2) No heat input with the exception of preheating

4000K. ; 400 0 K .;

709837/0723709837/0723

27089A027089A0

(3) d.h. Fließgeschwindigkeit des im Handel erhältlichen Dflsentreibstoffs "1JP-I" zur Verbrennungsvorrichtung. (3) That is, the flow rate of the commercially available jet fuel " 1 JP-I" to the incinerator.

' = Kohlenwasserstoffe.'= Hydrocarbons.

Für: Exxon Research andFor: Exxon Research and

Engineering Company Linden, N.J., V.St.A.Engineering Company Linden, N.J., V.St.A.

Dr.HjXhi.BeilDr HjXhi.Beil

RechtsanwaltLawyer

709837/0723709837/0723

LeerseiteBlank page

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Treibstoff mit Luft in einem Mengenverhältnis Treibstoff zu Luft von 0,001 bis 0,03 in Gegenwart eines Primärkatalysatorbettes in Berührung bringt, welches als Katalysator Elemente der Gruppen IB, IIB, IHB, IVB, VB, VIB, VIIB oder VIIIB als Gemische oder Legierungen auf Sieben oder keramischen Substraten enthält, um den Treibstoff in einem Ausmaß von weniger als 70 % der vollständigen Oxidation partiell zu verbrennen, den partiell verbrannten primären Austrittsstrom über 1 oder mehrere Sekundärkatalysatorbetten leitet, welche als Katalysatoren Elemente der Gruppen IB, HB, IHB, IVB, VB, VIB, VIIB oder VIIIB des Periodensystems als Gemische oder Legierungen auf Sieben oder keramischen Substraten enthalten, um den partiell verbrannten Teil des Treibstoffs vollständig zu oxidieren, wobei die Bildung von KO auf eine Konzentration unterhalb etwa 10 ppm vermindert wird, diese Oxidation bei einer Temperatur von etwa 65 bis 151IO0C durchführt, und daß man die aus diesen katalytischen Oxidationen austretenden Gase durch eine Gasturbine führt, um diese rotieren zu lassen.Process for operating a gas turbine, characterized in that a propellant is brought into contact with air in a proportion of propellant to air of 0.001 to 0.03 in the presence of a primary catalyst bed which, as a catalyst, contains elements of groups IB, IIB, IHB, IVB, VB , VIB, VIIB or VIIIB as mixtures or alloys on sieves or ceramic substrates, in order to partially burn the fuel to an extent of less than 70% of the complete oxidation, the partially burned primary exit stream passes over 1 or more secondary catalyst beds, which act as catalysts Elements of groups IB, HB, IHB, IVB, VB, VIB, VIIB or VIIIB of the periodic table contain as mixtures or alloys on sieves or ceramic substrates in order to completely oxidize the partially burned part of the fuel, with the formation of KO on a concentration is reduced below about 10 ppm, this oxidation at a temperature of approx a 65 to 15 1 IO 0 C carries out, and that the gases emerging from these catalytic oxidations are passed through a gas turbine in order to make them rotate. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Primärkatalysatorbett verwendet, welches ein Platin, Kupfer-Nickel oder ein Nichromsieb umfaßt.2. The method according to claim 1 ,, characterized in that a primary catalyst bed is used which is a Platinum, copper-nickel or a nichrome screen includes. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Treibstoff mit Luft in Gegenwart von 3 Katalysatoren in Berührung bringt, und zwar mit einem Platin-Katalysator bei einer Temperatur von 117 bis 649°C, einem Kupfer-Nickel-Katalysator bei einer Temperatur von bis zu 8710C und einem Nichrom-Maschenkatalysator bei einer Temperatur oberhalb von 8710C und bis zu 13l6°C.3. The method according to claim 1, characterized in that the fuel is brought into contact with air in the presence of 3 catalysts, namely with a platinum catalyst at a temperature of 117 to 649 ° C, a copper-nickel catalyst at a Temperature of up to 871 0 C and a nichrome mesh catalyst at a temperature above 871 0 C and up to 1316 ° C. Ϋ09837/0723Ϋ09837 / 0723 4. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß man unter treibstoffreichen Bedingungen Treibstoff und Luft in dem nicht-katalytischen Primärteil einer Gasturbine in Berührung bringt und den austretenden partiell verbrannten Gasstrom nach dem Vermischen mit einem Luftstrom auf das gewünschte Äquivalenz-Endverhältnis von etwa 0,3 über einen Oxidationskatalysator leitet, der aus Nickel-Kupfer, Nickeloxid auf , Keramik.. Seltenen Erden-Oxid oder aus einem Nichrom-Sieb besteht, um die Treibstoffoxidation bei einer Temperatur bis zu 1538°C zu vervollständigen.4. A method for operating a gas turbine, characterized in that one under fuel-rich conditions Brings fuel and air into contact in the non-catalytic primary part of a gas turbine and, after mixing with an air stream, passes the exiting partially burned gas stream to the desired final equivalence ratio of about 0.3 over an oxidation catalyst made of nickel-copper and nickel oxide , Ceramic .. Rare earth oxide or composed of a nichrome sieve to complete the fuel oxidation at a temperature up to 1538 ° C. 5. Verbesserte Gasturbinen-Verbrennungskammer zur kontinuierlichen partiellen Oxidation von Treibstoff zum Antrieb der Gasturbine, gekennzeichnet durch eine Ummantelung5. Improved gas turbine combustion chamber for the continuous partial oxidation of fuel for propulsion the gas turbine, characterized by a casing der Primärzone, welche eine ausreichende Anzahl an Offnungen aufweist, durch welche die Primärzonengase schnell in einen Sekundärluftstrom ohne fortgesetzte Verbrennung eingeblasen werden, wobei das Gemisch aus dem aus der Primärzone austretenden Gasstrom und dem Sekundärluftstrom über einem oder mehreren Nicht-Edelmetall-Katalysatoren weiter bis zur Vollständigkeit oxidiert wird, während die Bildung von NO bei einer Konzentration unterhalb etwa 5 ppm gehalten wird.the primary zone, which has a sufficient number of openings through which the primary zone gases quickly be blown into a secondary air stream without continued combustion, the mixture from the from the The gas flow exiting the primary zone and the secondary air flow is further oxidized to completion over one or more non-noble metal catalysts, while the formation of NO is kept at a concentration below about 5 ppm. 709837/0723709837/0723
DE19772708940 1976-03-08 1977-03-02 METHOD OF OPERATING A GAS TURBINE AND IMPROVED GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER Withdrawn DE2708940A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US66462176A 1976-03-08 1976-03-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE2708940A1 true DE2708940A1 (en) 1977-09-15

Family

ID=24666739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19772708940 Withdrawn DE2708940A1 (en) 1976-03-08 1977-03-02 METHOD OF OPERATING A GAS TURBINE AND IMPROVED GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER

Country Status (7)

Country Link
JP (1) JPS52115911A (en)
CA (1) CA1070963A (en)
DE (1) DE2708940A1 (en)
FR (1) FR2353708A1 (en)
GB (1) GB1578665A (en)
IT (1) IT1075813B (en)
NL (1) NL7702494A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1986003821A1 (en) * 1984-12-22 1986-07-03 Christian Koch Method and device for nitric oxide-free steam generation with fossil fuels
EP0264810A3 (en) * 1986-10-23 1988-08-03 Rheinische Braunkohlenwerke Ag. Power station with a gas turbine
DE10062253A1 (en) * 2000-12-14 2002-06-20 Rolls Royce Deutschland Gas turbine for aircraft has mesh of heat-resistant material, e.g. ceramic, in its combustion chamber
WO2017123982A1 (en) * 2016-01-15 2017-07-20 General Electric Company Catalytic ignition system and combustion system comprising it

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0009523B1 (en) * 1978-10-02 1983-05-18 Exxon Research And Engineering Company A method of at least partially burning a hydrocarbon and/or carbonaceous fuel
US4375949A (en) 1978-10-03 1983-03-08 Exxon Research And Engineering Co. Method of at least partially burning a hydrocarbon and/or carbonaceous fuel
DE2908427C2 (en) * 1979-03-05 1983-04-14 L. & C. Steinmüller GmbH, 5270 Gummersbach Method for reducing NO &darr; X &darr; emissions from the combustion of nitrogenous fuels
DE3020145A1 (en) * 1980-05-28 1981-12-10 L. & C. Steinmüller GmbH, 5270 Gummersbach METHOD FOR CLEANING REACTION PRODUCTS
GB8807859D0 (en) * 1988-04-05 1988-05-05 Nordsea Gas Technology Ltd Combination burners

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE768049C (en) * 1940-12-20 1955-06-02 Messerschmitt Boelkow Blohm Gas turbine combustion chamber for constant pressure combustion with combustion muffle
US2632299A (en) * 1949-06-17 1953-03-24 United Aircraft Corp Precombustion chamber
JPS5626761B2 (en) * 1971-12-17 1981-06-20

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1986003821A1 (en) * 1984-12-22 1986-07-03 Christian Koch Method and device for nitric oxide-free steam generation with fossil fuels
EP0264810A3 (en) * 1986-10-23 1988-08-03 Rheinische Braunkohlenwerke Ag. Power station with a gas turbine
DE10062253A1 (en) * 2000-12-14 2002-06-20 Rolls Royce Deutschland Gas turbine for aircraft has mesh of heat-resistant material, e.g. ceramic, in its combustion chamber
WO2017123982A1 (en) * 2016-01-15 2017-07-20 General Electric Company Catalytic ignition system and combustion system comprising it
US10352571B2 (en) 2016-01-15 2019-07-16 General Electric Company Catalytic ignition system

Also Published As

Publication number Publication date
GB1578665A (en) 1980-11-05
JPS52115911A (en) 1977-09-28
IT1075813B (en) 1985-04-22
CA1070963A (en) 1980-02-05
FR2353708A1 (en) 1977-12-30
NL7702494A (en) 1977-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69201563T2 (en) METHOD AND SYSTEM FOR HYDROCARBON COMBUSTION WITH LOW POLLUTANT EMISSIONS.
EP1730441B1 (en) Device and method for stabilizing the flame in a burner
DE69302666T2 (en) Hybrid process for oxidizing combustion
DE69517731T2 (en) Catalytic gas turbine combustor
DE69500474T2 (en) Super non-stoichiometric combustion process
DE69301328T2 (en) Premix burner with high-speed fuel jet and low NOx formation
DE69222777T2 (en) NOx LOW BURNING, CONTROLLED BY NOx LOW PILOT BURNER
DE69416083T2 (en) Process for strongly staged combustion
EP1616131A1 (en) Method and device for operating a burner of a heat engine, especially a gas turbine plant
DE2337283A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR COMBUSTION OF EXHAUST GASES
CH615262A5 (en)
DE2409950B2 (en) Method of burning hydrocarbon fuel
CH615263A5 (en)
DE2232506C2 (en) Method and device for generating a gas mixture to be formed by the catalytic conversion of fuel and a gas serving as an oxygen carrier
EP1861657A1 (en) Method and device for combusting hydrogen in a premix burner
DE69130225T2 (en) MULTI-STAGE PROCESS FOR THE COMBUSTION OF FUEL MIXTURES
EP0832397B1 (en) Catalytic gas turbine burner
DE2708940A1 (en) METHOD OF OPERATING A GAS TURBINE AND IMPROVED GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER
DE69622361T2 (en) Catalytic combustion system with staged fuel injection
DE19521356C2 (en) Gas turbine comprising a compressor part, a burner part and a turbine part
WO2003029725A1 (en) Method of combustion, in particular methods for the production of electrical current and/or heat
CH672366A5 (en)
DE69912369T2 (en) Combustion process with variable stoichiometry
DE2323919C2 (en) Process for burning carbonaceous fuels to produce energy in the form of heat
DE2659225A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR BURNING CARBON FUELS

Legal Events

Date Code Title Description
8130 Withdrawal