CH246788A - Verfahren zum Betrieb von Gaserzeugern unter Druck für feste Brennstoffe in Verbindung mit mehrstufigen Gasturbinenanlagen mit Zwischenerhitzung des Arbeitsmittels sowie Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens. - Google Patents

Description

      Verfahren    zum Betrieb von Gaserzeugern unter Druck für feste Brennstoffe  in Verbindung mit     mehrstufigen        Gasturbinenanlagen    mit     Zwischenerhitzung     des     Arbeitsmittels        sowie    Einrichtung zur Ausübung des     Verfahrens.       Gaserzeuger für feste Brennstoffe sollen  üblicherweise den festen Brennstoff unter       möglichster    Erhaltung seiner chemisch ge  bundenen Energie in ein Brenngas verwan  deln.

   Bauweise und     Betriebsführung    richten  sich in erster Linie nach     Zusammensetzung          und    Ausbeute des herzustellenden     Brenn-          gases.    Der     Prozess-Wirkungsgrad    ist um so  besser, je grösser der in chemischer Form ge  bundene Anteil der ursprünglichen Gesamt  energie im Gas ist und je weniger Ballast  stoffe, wie Kohlendioxyd,     Stickstoff    und  Wasserdampf, dasselbe enthält.  



  Ganz anders liegen die Verhältnisse bei  der Verwendung von     Gaserzeugern,    zum Be  trieb von     Verbrennungsturbinen.    Hier  kommt es vor allem darauf an, den festen  Brennstoff möglichst vollständig und rasch  in ein staubfreies, gasförmiges Produkt über  zuführen. Der Wärmeverlust nach aussen ist  gering zu halten. Es ist jedoch unwesent  lich, ob die     Ursprungsenergie    noch in che  misch     gebundener    Form oder als fühlbare  Wärme erscheint. Einen Verlust bildet nur  die im Wasserdampf enthaltene latente  Wärme.

   Die bei den meisten     Gaserzeugungs-          anlagen    als     unbequem        empfundene    erhöhte  Temperatur des Brenngases ist bei der Gas  erzeuger-Verbrennungsturbine bereits End  zweck. Gerade das Temperaturgebiet unter  halb 600  C, welches für den Gaserzeuger  betrieb nur noch     sc\a:ver        nutzbar    gemacht    werden kann, ist das Hauptarbeitsgebiet  einer Gasturbine.

   In andern Worten, die bei  jeder Vergasung nach     den    Gesetzen des che  mischen Massengleichgewichtes entstehenden       Verbrennungsprodukte        (C0,-H20-SO,    usw.),  alles gasförmige Stoffe, sind bereits das end  gültige Treibmittel für die Arbeitsmaschine.  Es genügt, diese durch blosse Mischung mit  der notwendigen     Arbeitsluftmenge.    auf die  gewünschte Temperatur zu     bringen.    Sie sind  also keineswegs störende     Beiprodukte    wie  bei den bekannten Gaserzeugern.

   Das vom  Gaserzeuger gelieferte Brenngas,     in        der-          Hauptsache    C0,     11"        Kohlenwasserstoffe,    ist.  ein geradezu idealer Brennstoff für jede       Gleichdruckverbrennung.     



  Die Erfindung     betrifft    nun ein Verfah  ren zum Betriebe von Gaserzeugern unter  Druck für feste Brennstoffe, insbesondere  Kohle, in Verbindung mit mehrstufigen       Gasturbinenanlagen    mit Zwischenerhitzung  des Arbeitsmittels, welches bezweckt, Wir  kungsgrad und spezifische     Leistung    der Ge  samtanlage zu verbessern und     insbesondere     den     Vergasungsvorgang,    sein Erzeugnis     und     die     geeignetste    Vergaserbauart organisch     in'     den     Arbeitsprozess    der offenen     Verbrennungs-          turbine    einzugliedern,

   das     heisst    die besonde  ren     Eigenschaften    eines     unter    Druck gebilde  ten gasförmigen Brennstoffes     mit        'bestem     Vorteil im     Gasturbinenprozess    auszunutzen.

    Das Verfahren besteht darin, dass die ganze      für die Erhitzung und     Zwischenerhitzung          notwendige        Brenngasmenge    unter dem höch  sten Druck des     Gasturbinenprozesses    erzeugt       wird,    worauf das     Brenngas    teilweise zur un  mittelbaren     Aufheizung    des Arbeitsmittels  verwendet und teilweise     mindestens        einer          Zwischenheizvorrichtung    für das Arbeits  mittel zugeführt wird.  



  Damit lassen sich Abmessungen und  Platzbedarf der Gaserzeuger beträchtlich  verringern,     und    die Vergasungsprozesse wer  den durch den hohen Betriebsdruck beschleu  nigt. Die     für    die Zwischenerhitzung     ge-          brauchtE    Gasmenge kann vorteilhaft durch       Entspannen    auf einen Zwischendruck in  einer     Brenngasturbine    ebenfalls zur Arbeits  leistung     herbeigezogen    werden.

   Die verschie  denen     Brenngasströme    werden zweckmässig  dem     bezw.    den Gaserzeugern auf verschiede  nen Schachthöhen entnommen, womit Stabili  tät des Brennstoffbettes, Gaszusammen  setzung,     Vergasungs-        und    Entnahmegeschwin  digkeit, Temperatur, Staubgehalt und Teer  gehalt des Gases in weiten Grenzen     beeiu-          flusst    werden kann.

   Die Einrichtung zur  Ausübung     dieses    Verfahrens besitzt minde  stens einen unter dem höchsten Druck des       Gasturbinenprozesses    stehenden Gaserzeuger  zur     Vergasung    fester Brennstoffe, der für  eine     Gasentnahme        in    verschiedenen Zonen       eingerichtet    und mit einer     mehrstufigen    Gas  turbinenanlage mit     Zwischenerhitzungsvor-          richtungen    für das     Arbeitsmittel        verbunden     ist.  



  An Hand der Zeichnung, die Ausfüh  rungsbeispiele der Einrichtung     zur    Durch  führung des Verfahrens darstellt, sei das  Verfahrens beispielsweise erläutert.  



       Fig.    1 zeigt im Längsschnitt einen Gas  erzeuger     für    Kohle als     Brennstoff    mit       Brenngasentnahme    aus der     Reduktionszone     in     Verbindung    mit     einer        Gasturbinenanlage     mit     Zwischenerhitzung    des Arbeitsmittels.  



       Fig.    2 zeigt einen Längsschnitt durch  einen Gaserzeuger mit Gasentnahme aus der  Oxydationszone, ebenfalls in Verbindung mit  einer     Gasturbinenanlage    mit Zwischenerhit  zung .des Arbeitsmittels.         Fig.    3 zeigt als     Einzelheit    eine Brenn  gasentnahme über -dem Kohlenbett, aber un  ter der     Einführungsstelle    für     Verbrennungs-          und    Kühlluft (Mischluft).  



  In     Fig.    1 ist 1 ein Gaserzeuger für feste  Brennstoffe, insbesondere Kohle. Bei 2  strömt die Vergasungsluft unter den Rost  und durchstreicht     _    die Oxydationszone 3,  über welcher sich die Reduktionszone 4 be  findet. 5 deutet den Weg zur Schlacken  schleuse an. Eine erste Gasentnahme erfolgt  aus der eigentlichen Vergasungszone 4 durch  die Öffnungen 6, Ringkanal 7     und    Leitung  8 zur     Zwischenbrennkammer    9.

   Das     Brenn-          gas    wird vorher in     einer    besonderen Brenn  gasturbine 10 entspannt und am Ende der  Expansion auf den Zwischendruck der     Zwi-          schenbrennkammer    zugeführt.

   Es kann aber  auch in der Turbine 10     stufenweise    entspannt  und nach Patent     Nr.    -241749 einer     Isotherm-          turbine        stufenweise        ,zugeführt    werden, das  heisst zwecks     Annäherung    an das ideale Ver  fahren der     isothermischen    Expansion einer  Turbine mit mehrmaliger Wiedererwärmung  des sich     entspannenden    Arbeitsgases.

   Der  Rest     des        Brenngases    zieht durch die ganze  Kohlenschicht ab     und    wird     mit    der bei 11  zugeführten Arbeitsluft restlos verbrannt  und auf die     Arbeitstemperatur    abgekühlt.       Hierbei        kann    diese Zuführung von Verbren  nungs- und     Kühlluft    derart ausgebildet sein,  dass     Kohlenaschen-'und        -schlackenteile        aus     dem     Arbeitsgasstrom    abgeschieden werden.

    Das Abgas strömt bei 12 aus     :und    wird hier  in einer Hochdruckturbine 13 erstmalig aus  genutzt, in der schon erwähnten     Zwischen-          brennkammer    9 -wieder erhitzt     und        in        einer     Mittel- oder     Niederdruckturbine    14 weiter       ausgenutzt    und-so fort. Die Luft-     bezw.    Gas  geschwindigkeiten im Gaserzeuger verrin  gern sich stark von unten nach oben bei glei  chem     Querschnitt    und bewirken so eine Sta  bilisierung des     Brennstoffbettes.     



  Umgekehrt kann man auch nach     Fig.    2  der für die Erhitzung der     Arbeitsluft        in,    der       Hochdruckstufe    13 benötigte     Gasanteil        un-          mittelbar    der tiefer liegenden (Aufwärts-           vergasung)    Oxydationszone 3 bei hoher  Temperatur entnommen werden (Öffnungen  15).

   Bei der Mischung mit der vom (nicht  dargestellten)     Luftvorwärmer    bei 16 ankom  menden Arbeitsluft tritt nur noch eine un  wesentliche     Nachverbrennung    ein, in der  Hauptsache aber eine Abkühlung auf die ge  wünschte Mischtemperatur.     Eine    Mischküh  lung ist bei 17 eingebaut. Diese Gase werden  in der Turbine 13 ausgenutzt. Der Rest der       Verbrennungsgase    verlässt den Gaserzeuger 1  durch die nachgeschaltete Reduktionszone  4 und wird zur Zwischenerhitzung des Ar  beitsmittels in einer     Zwischenbrennkammer     9 unter eventueller vorheriger     Entspannung     in einer     Brenngasturbine    10 verwendet.

   Das  wiedererhitzte Gas strömt dann zu einer       Niederdruckturbine    oder deren     mehrere.     (nicht dargestellt).  



  Beide Varianten gestatten eine wesent  lich höhere     Belastung    des Gaserzeugers, in  dem das untere, hoch belastete     Kohlebett     (hohe     Luftgeschwindigkeit)    durch     ein    dar  über liegendes, schwach     belastetes        Kohlebett     beschwert     und    am Aufwirbeln verhindert  wird. Dieses wirkt sozusagen als ein mecha  nisches Staubfilter, das mit geringer Gas  geschwindigkeit durchströmt wird.

   Auch der  zwischen der     innern        und        äussern    Gehäuse  wand des Gaserzeugers liegende Weg von  der Entnahmestelle des Gases     (Öffnungen     15) bis zum Eintritt in den Ringkanal 7     ist     zur     Staubabscheidung    eingerichtet.  



  Auch wenn nach     Fig.    3 die Entnahme  stelle 6 für das     Brenngas    über das     Kohlebett,     jedoch     unter    den     Mischlufteintritt    11 verlegt  wird, bleibt     eine    starke     Abscheidewirkung     für aufgeworfene     Kohleteildhen    bestehen, da  die Gasgeschwindigkeit auf etwa die Hälfte  zurückgeht.  



  Bei der ersterwähnten Variante wird ein  stärkeres     staubhaltiges    Brenngas entstehen,  das entweder in einer     besonders    ausgebilde  ten Turbine oder dann     unmittelbar        in    einem       Staubabscheider    auf 'den Zwischendruck       bezw.    die Zwischendrücke entspannt wer  den Bann. Die beim     Isothermverfahren    not  wendigen     Stufenentnahmen    können sowohl    in einer     Gasturbine    wie auch in einem     Staub-          abscheider    zur     Staubausbringung    und Ab  _scheidung verwendet werden.  



  Bei der , zweiten Variante wird das  Brenngas     für'die        Zwischenerhitzung    in gut  gereinigtem Zustande anfallen, so dass es  ohne     weiteres    zur Arbeitsleistung in einer  Turbine herangezogen werden kann. Dagegen  wird die     Gasentnahme    aus der Verbren  nungszone einen höheren Staubgehalt aufwei  sen. Hier kann die     gühlluftzuführung    in ge  eigneter Weise zur     Staubabscheidung    nutz  bar gemacht werden.

   Diese Variante hat den  Vorteil, dass, das     Arbeitsmittel    der Hoch  druckstufe den geringsten Druckverlust er  leidet, da es nur die     Verbrennungs-        und    nicht  die     Vergasungszone    durchströmt.  



  Zweckmässig wird die Entnahmezone für  den Gasstrom für die . Zwischenerhitzung  mit Rücksicht auf     eine    gewünschte Eintritts  temperatur für die Gasturbine     gewählt,,    wo-,  bei die     Temperatur    des Gasstromes für die  Zwischenerhitzung durch Mischen mehrerer  Gasströme aus verschiedenen Zonen oder  durch Zuführen einer     gewissenLuftmenge    auf  den gewünschten Wert gebracht werden kann.  



  In allen Fällen werden die' Entnahme  schlitze 6     derart    angeordnet     und'    bemessen,  dass die     Absaugerichtung    ungefähr senkrecht  zur mittleren     Strömungsrichtung    geht und  die     Absaugegeschwindigkeit    so klein bleibt  (Höhe der Schlitze), dass     keine    Kohlenteile       mitgeschleppt    werden. Dadurch kann     eine     hohe     Filterwirkung    des     gohlebettes    auch für  das     abgesaugte    Gas erreicht werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zum Betriebe von Gaserzen- i gern unter Druck für feste Brennstoffe in Verbindung mit mehrstufigen Gasturbinen anlagen mit Zwischenerhitzung des Arbeits mittels, dadurch gekennzeichnet, dass die ganze für die Erhitzung und Zwischenerhit- , zung notwendige Brenngasmenge unter dem höchsten Druck des Gasturbinenprozesses er-.

   zeugt wird, worauf das Brenngas teilweise zur unmittelbaren Aufheizung des Arbeits mittels verwendet und teilweise mindestens einer Zwischenheizvorrichtung für das Ar beitsmittel zugeführt wird.

   II. Einrichtung zur Ausübung des Ver fahrens nach Patentanspruch I, gekennzeich net durch mindestens einen unter dem höch sten Druck des Gasturbinenprozesses stehen den Gaserzeuger für feste Brennstoffe, der für eine Gasentnahme in verschiedenen Zonen eingerichtet und mit einer mehrstufigen Gas turbinenanlage mit ' Zwischenerhitzungsvor- richtungen für das Arbeitsmittel verbunden ist. UNZ'ERANSPRüCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass Gas aus dem Gas erzeuger in verschiedenen Zonen entnommen wird, worauf diese verschiedenen, den Gas erzeuger verlassenden Gasströme unter teil weiser Entspannung zu einer Zwischenheiz- vorrichtung geführt werden und das so wie der erhitzte Gas dann in mindestens einer Turbine weiter ausgenutzt wird. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass aus einer Zwi schenzone des Gaserzeugers derjenige Anteil an Brenngas entnommen wird, der für eine Zwischenerhitzung in der Gasturbinenanlage benötigt wird, während der Rest des Brenn- gases durch die ganze Brennstoffschicht ge führt und mit der zugeführten Arbeitslift zur restlosen Verbrennung gebracht und auf die Arbeitstemperatur abgekühlt wird,

   wor auf die stufenweise Ausnutzung in der Gas turbinenanlage unter Zwischenerhitzung des Arbeitsmittels erfolgt. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet., dass die Gasentnahme für die Zwischenerhitzung des Arbeitsmittels der Gasturbinenanlage aus der Reduktions zone (4) des Gaserzeugers (1) erfolgt. 4.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass das Entnahmegas für die Zwischenerhitzung des Arbeitsmittels der Gasturbinenanlage vorher in einer beson deren Turbine (10) ausgenutzt wird. 5.

   Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Anteil des Brenngases,. der für die erste Erhitzung des Arbeitsmittels ver braucht wird, einer Zwischenzone des Gas erzeugers entnommen wird, während der zur Zwischenerhitzung dienende Rest des.

   Brenn- gases durch die ganze Brennstoffschicht ge führt wird und sich durch Reduktion und Wärmeabgabe an das Brennstoffbett bis auf die Arbeitstemperatur einer Brenngasturbine abkühlt. 6. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch -gekenn zeichnet, dass die Entnahmezone für den Gasstrom für die Zwischenerhitzung mit Rücksicht auf die Eintrittstemperatur der Brenngasturbine gewählt wird. 7.

   Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Temperatur des Gasstromes für die Zwischenerhitzung durch Mischen mehrerer Gasströme aus verschiedenen Zonen auf den gewünschten Wert gebracht wird. B. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gasstromes für die Zwischenerhitzung durch Zuführen einer gewissen Luftmenge auf den gewünschten Wert gebracht wird.

   9. Einrichtung nach Patentanspruch - II, dadurch gekennzeichnet; dass in die Brenn- gasleitung, die von einer Entnahmestelle des Gaserzeugers (1) zu einer Zwischenerhit- zungsstelle (9) führt, eine Turbine (10) ein geschaltet ist.

   10. Einrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass der Weg zwi schen einer innern und einer äussern Gehäuse wand des Gaserzeugers (1) von einer Ent nahmestelle (15) bis zum Sammelringkanal'(7) zur Staubabscheidung eingerichtet ist (fig.-2). 11.

   Einrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet -durch eine derartige Anord nung und Bemessung der Entnahmeschlitze (6), dass die Absaugerichtung annähernd senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung steht und die Absaugegeschwindigkeit, so klein bleibt, dass keine Kohlenteile mitge schleppt werden: -