SO3 contamination in gas turbines

Abstract

Für den Betrieb einer Gasturbine wird Brenngas in der Brennkammer gezündet, welches oft einen erheblichen Anteil an H2S (bis zu 1%) enthält. Sobald Schwefel in fossilen Brennstoffen vorhanden ist, entsteht bei der Verbrennung SO2 und die weitere Oxidation zu SO3 ist unvermeidbar. Es ist bekannt, dass SO3 zu einer schnellen Degradation der Turbinenschaufeln einer Gasturbine, welche aus Nickelsuperlegierung besteht, führen kann. Derzeit gibt es keine zuverlässigen Methoden zur Vorhersage der Menge an SO3, welches unter verschiedenen Bedingungen gebildet wird.Im Rahmen dieser Arbeit wurde das SO2-SO3-Gleichgewicht modelliert, um den Einfluss verschiedener Bedingungen auf die Bildung des SO3 mit Hilfe des Computerprogramms „Chemical Equilibrium with Application“ zu simulieren. Die thermodynamischen Berechnungen zeigen, dass CO2 keinen Einfluss auf die Bildung von SO3 hat und je höher die SO2-Konzentration ist, desto höher ist auch die SO3-Konzentration. Gemäß den Berechnungen wird die Bildung von SO3 bei niedrigen Temperaturen begünstigt. Der Einfluss der Temperatur auf die Bildung von SO3 wurde mit Hilfe der Thermokinetiksoftware Cantera, die mit Python verwendet wird, weiter untersucht. Die Ergebnisse bestätigen, dass das SO2:SO3-Verhältnis bei niedrigen Temperaturen abnimmt. Die thermokinetische Simulation mit Cantera zeigt, dass die SO2-Konzentration bei Temperaturen oberhalb der Gleichgewichtstemperatur rascher abnimmt.Die Messung von SO3 erweist sich als sehr schwierig, da SO3 ein hochreaktives Gas ist und sich nur schwer vom Grundmolekül SO2 unterscheiden lässt. Zur Messung des SO3-Gehalts wurde die Isopropanol-Absorptionsmethode eingesetzt. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen eindeutig, dass die Anwesenheit des Katalysators Al2O3 die Bildung von SO3 begünstigt.Mit einer erfolgreich funktionierenden SO3-Messtechnik könnte man den Einfluss verschiedener Parameter auf die Bildung von SO3 messen und daraus ein Modell erstellen.

To operate a gas turbine, fuel gas, often containing a significant amount of H2S up to 1%, is ignited in the combustion chamber. As soon as sulfur is present in fossil fuels, SO2 is formed during combustion and further oxidation to SO3 cannot be avoided. It is known that SO3 can lead to rapid degradation in the nickel superalloy turbine blades of a gas turbine. Currently there are no reliable methods to predict the amount of SO3 formed under different conditions.In the framework of this thesis the SO2-SO3 equilibrium was modelled to simulate the influence of different conditions on the formation of SO3 using the computer program “Chemical Equilibrium with Application”. Thermodynamic calculations indicate that CO2 has no influence on the formation of SO3 and the higher the SO2 concentration, the higher the SO3 concentration. According to the calculations the formation of SO3 is favoured at low temperatures. The influence of temperature on the formation of SO3 was further investigated with the help of chemical kinetics software Cantera used with Python. The results confirm that the SO2:SO3-ratio decreases at low temperatures. The thermokinetic simulation by Cantera indicates that SO2 concentration decreases much faster at temperatures above the equilibrium temperature.The measurement of SO3 proves to be very difficult since SO3 is a highly reactive gas and not easily differentiated from the parent molecule SO2. The isopropanol absorption method was tested to measure the SO3 content and as a result the experiments clearly show that the presence of the catalyst Al2O3 favours the formation of SO3.A successfully functioning SO3 measurement technique could be used to measure the influence of different parameters on the formation of SO3. From this, one could verify the model and, depending on the environment, design the engine in such a way that corrosion is as low as possible.