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Gasturbinenanlage mit Schmeizkammerbetrieb
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, welche für den Betrieb mit allen festen Brenn- stoffen in pulverisierter Form geeignet ist. Die
Brennkammer ist als Schmelzkammer, d. h. für flüssigen Schlackenabzug bei Betrieb mit niedrigem Luftüberschuss und höchster Feuer- raumtemperatur ausgebildet. Die Brennkammer- wände sind mit Rohren ausgekleidet, welche gegen die Feuerseite zu wärmeisoliert sind.
Erfindungsgemäss werden diese Rohre von Luft als Kühlmittel, welche im Gasturbinenprozess gleichzeitig als Arbeitsmittel dient, durchströmt.
Nach Austritt der Rauchgase aus der Brenn- kammer werden diese durch Zusatz von Luft auf die Betriebstemperatur der Gasturbine ab- gekühlt. Dann durchstreichen die Rauchgase noch einen Abscheider, in welchem die Rest- staubabscheidung erfolgt, und werden an- schliessend der Gasturbine zugeführt. Nach
Durchströmen derselben werden die Abgase auf bekannte Weise zum Vorwärmen der vom
Kompressor gelieferten Luft benützt.
Auf diese Weise wird der an und für sich bekannte offene Gasturbinenprozess auch für den Betrieb fester Brennstoffe nutzbar gemacht.
Bisher war der offene Gasturbinenprozess vor- wiegend flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen vorbehalten. Die Verteuerung fester Brenn- stoffe konnte nur über den Umweg des Druck- gasgenerators erfolgen, dessen Brennstoftauswahl jedoch sehr beschränkt ist.
Auch die direkte Verfeuerung fester Brenn- stoffe in Stabform für den offenen Gaturbinen- prozess wurde bereits vorgeschlagen, doch haben diese Verfahren den Nachteil, dass sie soferne sie mit trockenem Schlackenabzug aus der
Brennkammer arbeiten, dort nur eine geringe
Staubabscheidung von einigen Prozenten er- möglichen, während beim Schmelzkammerbetrieb zirka 80"'erzielbar sind. Es könnte auch bei trockenem Schlackenabzug Abscheidung in nach- geschalteten Filtern erfolgen, doch wäre deren
Platzbedarf sehr gross. Verwendung von Luft- kühlung für die Berohrung der Brennkammerwände ist an mid für sich bekannt. Doch ist die
Wärmeaufnahme dieser Berohrung infolge der erforderlichen grossen Brennkammer zu gross, so dass sich zu hohe Lufterhitzungen ergeben.
Es wäre dann nur eine Ausbildung der Brenn- kammerwände als Dampfkessel möglich, was den Gesamtwirkungsgrad verschlechtert und bei Kohlenstaubfeuerung konstruktive Schwierigkeiten bedingt. Das gleiche gilt auch bei flüssigem Schlackenabzug, wenn zur Kühlung verdampfendes Wasser Verwendung finden soll.
Erfindungsgemäss wird bei Schmelzkammerfeuerung zur Wandkühlung mit grossem Vorteil die vom Kompressor selbst gelieferte Luft verwendet, denn die Wärmeaufnahme der nahezu wärmedicht isolierten Rohre eines Schmelzkammerkessels ist nur gering, so dass auch die Aufwärmung der Luft bei Kühlung der Rohrwand nur gering ist. In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Luft je nach der Grösse der Wärmeaufnahme entweder direkt nach Austritt aus dem Kompressor die Kühlrohre der Brennkammer durchströmen oder erst nach Passieren von Abgasrekuperatoren.
Der Erfindungsgegenstand ist in den Fig. I, 2 und 3 in schematischen Beispielen dargestellt.
Gemäss Fig. 1 wird die Kühlluft der Schmelzkammer erst nach Durchströmen des Abgasrekuperators zugeführt.
Nach Fig. 2 ist der Abgasrekuperator zweistufig ausgeführt. Die vom Kompressor geförderte Luft durchströmt zuerst die zweite
Stufe des Rekuperators und wird anschliessend in die Kühlrohre der Brennkammer geführt.
Nach Austritt aus denselben wird sie erst durch die erste Rekuperatorstufe geleitet. Auf diese
Weise ist die Lufttemperatur in den Kühl- rohren der Brennkammer niedriger als bei Aus- führung nach Fig. 1. Bei der Ausführung gemäss Fig. 3 wird die Luft unmittelbar vom
Kompressor in die Kühlrohre der Brennkammer geleitet, dann erst gelangt sie in den Rekuperator.
Um in diesem Falle trotzdem eine niedrige
Abgastemperatur zu erzielen, wird hier noch ein Abhilzkessel zur Dampferzeugung nach- geschaltet.
In Fig. l stellt 1 den. Kompressor des Gas- turbinenprozesses dar. Die komprimierte Luft durchströmt den Rekuperator 2 und wird an- schliessend mittels der Verteilerkammer 3 in die
Kühlrohre 4 der Schmelzkammer 5 eingeführt.
Die Kühlrohre 4 sind so geschaltet, dass jeweils in dem einem die Luft von unten nach oben strömt, im benachbarten dagegen von oben nach
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unten. Die Umlenkung findet in der Umkehrkammer 6 statt. Nach Durchströmung der Kühlrohre gelangt die Luft in die Kammer 7. Diese besitzt konzentrisch zur zylindrischen Brennkammer Düsen 8, durch welche die Luft in den ringförmigen Kanal 9 gelangt, wobei sie sich mit den aus der Brennkammer 5 austretenden Rauchgasen mischt und diese abkühlt. Die Verbrennungsluft für die Brennkammer 5 wird mittels der Leitung 24 dem Kohlenstaubbrenner 10 zugeführt. Die Kühlrohre 4 sind auf bekannte Weise feuerseitig mit einer wärmeisolierenden Masse versehen, um in der Kammer 5 möglichst hohe Betriebstemperaturen zu erzielen.
Die Schlacke läuft an den Wänden der Kammer herab, sammelt sich im Boden 11 derselben und wird durch die Entschlackungsöffnung 12 abgelassen. Nach Austritt aus der Kammer werden die Rauchgase auf die bereits beschriebene Weise mittels der bei 8 zugesetzten Luft auf die eigentliche Betriebstemperatur der Anlage abgekühlt. Die Rauchgase gelangen nunmebr in einen Zyklon 13, wo die Restasche abgeschieden wird, und anschliessend in die Gasturbine 14. Die Abgase werden durch die Leitung 15 dem Wärmeaustauscher 2 zugeführt und treten schliesslich bei 16 ins Freie aus.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist der in Fig. 1 mit 2 bezeichnete Rekuperator zweistufig ausgebildet. Die erste Stufe ist mit 17, die zweite mit 18 bezeichnet. Die vom Kompressor 1 gelieferte Luft durchströmt zuerst 18 und dann anschliessend die Brennkammerrohre 4.
Sodann gelangt die Luft in den ringförmigen Sammelkasten 19 und anschliessend in die zweite Rekuperatorstufe 17. Nun findet die Zumischung der Luft zu den aus der Brennkammer austretenden Rauchgasen mittels der Düsen 8 statt.
Anschliessend gelangen die Rauchgase in den Abscheider 1. ? und die Gasturbine 14. Der Zweck der erfindungsgemässen Anordnung gemäss
Fig. 2 ist, zur Kühlung der Brennkammer Luft niedrigerer Temperatur zu verwenden, ohne die Abkühlung der Abgase in den Rekuperatoren infolge zu hoher Temperaturen der Luft zu behindern.
In noch weitgehenderem Masse ist dies bei der Einrichtung nach Fig. 3 der Fall. Hier wird die Luft, welche der Kompressor 1 liefert unmittelbar über eine Verteilerkammer 20 den
Brennkammerrohren 4 zugeleitet. Die in die
Kammer 21 austretende Luft wird nunmehr durch den Austauscher 22 geleitet und an- schliessend über die Leitung 23 und die Düsen 8 den Gasen aus der Brennkammer beigemischt.
Die Verbrennungsluft wird mittels des Rohres 24 dem Brenner zugeführt.
Nach der Luftzumischung durchströmen die
Rauchgase wieder den Staubabscheider 13 und gelangen schliesslich in die Gasturbine 14. Bei dieser Anordnung haben die Kühlrohre der Brennkammer die niedrigste Lufttemperatur. Dagegen würde der Nachteil bestehen, dass die den Austauscher 22 durchströmende Luft bereits so heiss ist, dass keine ausreichende Abkühlung der Abgase der Gasturbine 14 möglich ist. Es wird daher erfindungsgemäss in diesem Falle im Austauscher 22 nur eine Teilabkühlung und die Restabkühlung der Abgase in einem Dampfkessel 25 durchgeführt. Auf diese Weise wird, falls zur Ausnützung der Turbinenabgase eine Wasserverdampfung notwendig ist, diese nicht in der Brennkammer durchgeführt, sondern in ein Temperaturgebiet verlagert, wo Schwierigkeiten nicht zu erwarten sind.
Mit der vorgeschlagenen Einrichtung wird demnach erreicht, sämtliche Kohlensorten für den Gasturbinenbetrieb nutzbar zu machen, wobei die Verbrennung möglichst vollkommen mit höchsten Temperaturen stattfindet. Es wird als Kühlmedium in der Brennkammer erfindunggemäss die Verbrennungsluft selbst verwendet, was einen Wirkungsgewinn gegenüber Ausführungen mit anderen Kühlmitteln, wie Dampf u. dgl. bedingt. Nur bei der Einrichtung nach Fig. 3 wird noch zusätzlich Dampf erzeugt, allerdings in erheblich geringerem Masse, als wenn dies in der Brennkammer stattgefunden hätte, und auf konstruktiv einfach zu lösende Weise aus den Abgasen bei niedrigem Rauchgas- temperaturciv : su.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasturbinenanlage mit Schmelzkammerbetrieb bestehend aus Schmelzbrennkammer, Staubabscheider, Turbine, Kompressor und Rekuperator, bei der die Brennkammer mit Rohren ausgekleidet ist, welche gegen die Feuerseite mit einer wärmeisolierenden Schichte überzogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel für die Rohre in an sich bekannter Weise Luft benützt wird, welche im Gasturbinenprozess als Arbeitsmittel eingeschaltet ist.