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.
Process for operating gas generators under pressure for solid fuels in connection with multi-stage gas turbine systems with intermediate heating of the working medium as well as a device for carrying out the process. Gas generators for solid fuels should usually transform the solid fuel into a fuel gas while preserving its chemically bound energy as much as possible.
The construction and operational management are primarily based on the composition and yield of the fuel gas to be produced. The process efficiency is all the better, the greater the proportion of the original total energy bound in chemical form in the gas and the less roughage it contains, such as carbon dioxide, nitrogen and water vapor.
The situation is quite different when using gas generators to operate combustion turbines. The main thing here is to convert the solid fuel into a dust-free, gaseous product as quickly and completely as possible. The heat loss to the outside must be kept low. However, it is irrelevant whether the original energy still appears in chemically bound form or as sensible heat. Only the latent heat contained in the water vapor forms a loss.
The increased temperature of the fuel gas, which is perceived as uncomfortable in most gas generation plants, is already end use in the gas generator combustion turbine. The temperature range below half 600 C, which can only be made usable for the gas generator operation, is the main area of work for a gas turbine.
In other words, the combustion products (C0, -H20-SO, etc.), all gaseous substances, that arise with every gasification according to the laws of chemical mass equilibrium, are already the final propellant for the machine. It is sufficient to do this by simply mixing it with the necessary amount of working air. bring to the desired temperature. So they are by no means annoying by-products as with the known gas generators.
The fuel gas supplied by the gas generator, mainly C0.11 "hydrocarbons, is an ideal fuel for every constant pressure combustion.
The invention now relates to a procedural Ren for operating gas generators under pressure for solid fuels, especially coal, in conjunction with multi-stage gas turbine systems with reheating of the working fluid, which aims to improve the efficiency and specific performance of the entire system and in particular the gasification process, its product and to integrate the most suitable type of gasifier organically into the work process of the open combustion turbine,
This means that the special properties of a gaseous fuel formed under pressure can be used to the greatest advantage in the gas turbine process.
The method consists in that the entire amount of fuel gas required for heating and intermediate heating is generated under the highest pressure of the gas turbine process, whereupon the fuel gas is partly used for direct heating of the working medium and partly supplied to at least one intermediate heating device for the working medium.
This allows the dimensions and space requirements of the gas generator to be considerably reduced, and the gasification processes are accelerated by the high operating pressure. The amount of gas required for the intermediate heating can advantageously also be used for the work by releasing it to an intermediate pressure in a combustion gas turbine.
The various fuel gas flows are appropriate to the BEZW. taken from the gas generators at various shaft heights, which means that the stability of the fuel bed, gas composition, gasification and extraction speed, temperature, dust content and tar content of the gas can be influenced within wide limits.
The device for performing this process has at least one gas generator for gasification of solid fuels which is under the highest pressure of the gas turbine process, which is set up for gas extraction in different zones and connected to a multi-stage gas turbine system with reheating devices for the working medium.
With reference to the drawing, the Ausfüh approximately examples of the device for implementing the method, the method is explained, for example.
Fig. 1 shows a longitudinal section of a gas generator for coal as fuel with fuel gas extraction from the reduction zone in connection with a gas turbine system with intermediate heating of the working medium.
Fig. 2 shows a longitudinal section through a gas generator with gas extraction from the oxidation zone, also in connection with a gas turbine system with intermediate heating of the working medium. Fig. 3 shows a detail of a combustion gas extraction over -dem coal bed, but under the introduction point for combustion and cooling air (mixed air).
In Fig. 1, 1 is a gas generator for solid fuels, particularly coal. At 2, the gasification air flows under the grate and passes through the oxidation zone 3, above which the reduction zone 4 is located. 5 indicates the way to the slag sluice. A first gas withdrawal takes place from the actual gasification zone 4 through the openings 6, annular channel 7 and line 8 to the intermediate combustion chamber 9.
The combustion gas is previously expanded in a special combustion gas turbine 10 and, at the end of the expansion, is fed to the intermediate pressure of the intermediate combustion chamber.
However, it can also be gradually expanded in the turbine 10 and fed to an isothermal turbine in steps according to patent no. -241749, that is, to approximate the ideal process of isothermal expansion of a turbine with repeated reheating of the expanding working gas.
The rest of the fuel gas is drawn off through the entire layer of coal and is completely burned with the working air supplied at 11 and cooled to the working temperature. Here, this supply of combustion and cooling air can be designed in such a way that coal ash and slag parts are separated from the working gas flow.
The exhaust gas flows out at 12: and is used here for the first time in a high pressure turbine 13, reheated in the already mentioned intermediate combustion chamber 9 and further used in a medium or low pressure turbine 14 and so on. The air resp. Gas velocities in the gas generator decrease sharply from bottom to top with the same chemical cross-section and thus stabilize the fuel bed.
Conversely, according to FIG. 2, the proportion of gas required for heating the working air in the high pressure stage 13 can be taken directly from the lower (upward gasification) oxidation zone 3 at a high temperature (openings 15).
When mixing with the air preheater (not shown) arriving at 16 working air, only an insignificant afterburning occurs, but mainly a cooling to the ge desired mixing temperature. A mixed cooling system is installed at 17. These gases are used in the turbine 13. The rest of the combustion gases leave the gas generator 1 through the downstream reduction zone 4 and are used to reheat the working medium in an intermediate combustion chamber 9 with possible prior expansion in a combustion gas turbine 10.
The reheated gas then flows to one or more of the low pressure turbines. (not shown).
Both variants allow a significantly higher load on the gas generator, in which the lower, heavily loaded coal bed (high air speed) is weighed down by an overlying, slightly loaded coal bed and prevented from being whirled up. This acts as a mechanical dust filter, so to speak, through which the gas flows at a low speed.
The path between the inner and outer housing wall of the gas generator from the gas extraction point (openings 15) to the entry into the annular channel 7 is also designed for dust separation.
Even if, according to Fig. 3, the extraction point 6 for the fuel gas is moved over the coal bed, but under the mixed air inlet 11, there remains a strong separation effect for thrown coal parts, since the gas speed is reduced to about half.
In the first-mentioned variant, a stronger dust-containing fuel gas will arise, which either in a specially trained turbine or then directly in a dust separator to 'the intermediate pressure or. the intermediate pressures who relax the spell. The step withdrawals required in the isothermal process can be used both in a gas turbine and in a dust separator for dust extraction and separation.
In the second variant, the fuel gas for intermediate heating will be obtained in a well-cleaned state, so that it can be readily used for work in a turbine. In contrast, the gas extraction from the combustion zone will have a higher dust content. Here the cooling air supply can be made usable in a suitable manner for separating dust.
This variant has the advantage that the working fluid of the high pressure stage suffers from the lowest pressure loss, since it only flows through the combustion zone and not the gasification zone.
The removal zone for the gas stream is expedient for the. Intermediate heating selected with a view to a desired inlet temperature for the gas turbine, whereby the temperature of the gas flow for the intermediate heating can be brought to the desired value by mixing several gas flows from different zones or by supplying a certain amount of air.
In all cases, the 'removal slots 6 are arranged and' dimensioned in such a way that the suction direction is approximately perpendicular to the central flow direction and the suction speed remains so low (height of the slots) that no coal particles are dragged along. As a result, a high filter effect of the gohlebette can also be achieved for the extracted gas.