CH630702A5

CH630702A5 - Anlage zum erzeugen von druckgas.

Info

Publication number: CH630702A5
Application number: CH449178A
Authority: CH
Inventors: Charles Mandrin
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1982-06-30
Also published as: CH632803A5; FR2424412A1; GB2019942A; DE2819418A1; IT7922047A0; GB2019942B; DE2819418C2; FR2424412B1; NL7902462A; NL179498C; IT1112847B; CA1121606A; US4271665A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Erzeugen von Druckgas gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Druckgas, das hauptsächlich aus Luft und zum anderen Teil aus Verbrennungsprodukten wie CO2 und Wasserdampf besteht, kommt häufig als Rohstoff für die chemische Industrie, z.B. für die Ammoniakherstellung, Vergasung von Brennstoffen, Stahlerzeugung und Druckeinspritzung auf Öl- und Gasfeldern zur Anwendung.

Für die Versorgung der chemischen Industrie mit Druckgas sind Luftkompressionsanlagen bekannt, die aus mehreren, hintereinandergeschalteten Kompressoren bestehen, die die Luft von Atmosphärendruck auf 1000 bis 4000 kpa komprimieren. Zwischenkühler sind meistens vorgesehen, um zu hohe Temperaturen zu vermeiden und damit die Antriebsleistung zu vermindern. Als Antrieb dienen u.a. Elektromotoren, Dampfturbinen und Gasturbinen. Diether-modynamischen Verluste des Antriebes addieren sich zu den thermodynamischen Verlusten der Kompressionsvorgänge.

Es sind auch Kraftwerke bekannt, die auf der Basis des offenen Gas-Turbinenprinzipes arbeiten. Um einen möglichst grossen Wirkungsgrad zu erreichen, wird der Ericson-Prozess angestrebt. Als Annäherungslösung sind sogenannte mehrwellige Gasturbinenanlagen gebaut worden mit mehreren hintereinandergeschalteten Kompressoren mit jeweiliger Zwischenkühlung und Entspannung in mehreren hintereinandergeschalteten Turbinen, wobei jeder Turbine eine Brennkammer vorgeschaltet ist, um die durch die vorangehende Expansion abgekühlten Gase wieder zu erhitzen. Solche Anlagen sind sehr kompliziert und werden nur für Spezialaufgaben gebaut. Ein anderer Weg, den Wirkungsgrad zu erhöhen, basiert auf der Tatsache, dass die drucklosen Abgase noch sehr heiss sind und dass es sich deshalb lohnt, die Wärme als Heizmittel eines Dampferzeugers zu verwenden und mit dem Dampf eine Dampfturbine für zusätzliche Krafterzeugung zu speisen. Diese Wärmerückgewinnung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die drucklosen Abgase eine sehr geringe Dichte haben und Druckverluste verursachen, die die Gasturbinenleistung wesentlich herabsetzen. Ausserdem ist der Wärmeübergang zwischen Abgas und Wärmeaustauscher sehr ungünstig.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Anlage zum Erzeugen von Druckgas zu schaffen, bei der die Wärmerückgewinnung aus den Abgasen unter einem höheren Druck als der atmosphärische stattfindet, so dass die Abmessungen des Wärmeaustauschers wesentlich geringer sind und der negative Einfluss des Druckabfalles auf die Turbinenleistung auch geringer ist. Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfin-dungsgemäss die im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegebenen Gestaltungsmerkmale für die Anlage vorgesehen. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen.

Dabei spielt die Überlegung eine wichtige Rolle, dass ein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart eine kleine, leichte und serienmässig hergestellte, käufliche Einheit ist, die sehr grosse Mengen Druckgas in Form von Abgas erzeugt. Der Druck des Abgases, das hauptsächlich aus Luft besteht beträgt etwa 300 bis 350 kpa bei einer Temperatur von etwa 970 K. Die Schaufelung und die Brennkammern sind für hohe Leistungen und Temperaturen geeignet. Solche Gaserzeuger unterscheiden sich praktisch nur dadurch von Flug-zeug-Strahltriebwerken, dass die Schubdüse fehlt.

In diesem Zusammenhang liegt der Erfindung die weitere Überlegung zugrunde, dass, wenn nun einmal Druckgas erzeugt werden soll, das Abgas des Gaserzeugers nicht entspannt und anschliessend wieder komprimiert werden soll. Der Abgasdruck, der 300 bis 350 kpa beträgt, reicht jedoch für die meisten chemischen Verfahren nicht aus, so dass mindestens eine weitere Kompressionsstufe notwendig ist. Dann treten aber Werkstoffprobleme bei der Kompression auf, da das Abgas eines Gaserzeugers nach Strahltriebwerk-Bauart sehr heiss, nämlich ca. 973 K, ist, und besonders viel heisser ist als das Abgas nach der Nutzturbine einer Gasturbinenanlage, dessen Temperatur etwa 723 bis 773 K beträgt. Das Abgas muss daher gekühlt werden. Es muss auch sonst gekühlt werden um Kompressionsarbeit zu sparen, und zwar auf etwa Umgebungstemperatur. Dies bringt den Vorteil,

dass die Wärmeaustauschflächen bei einer Anlage gemäss der Erfindung klein sein können, besonders im Vergleich zur Abkühlung des Abgases bei Umgebungsdruck. Es liegen somit ideale Verhältnisse vor, um Hochdruckdampf mit einer Temperatur von ca. 823 K zu erzeugen, eine Temperatur, die es bekanntlich erlaubt, einen Dampfkreislauf mit einem Wirkungsgrad von ca. 35% zu realisieren. Mit einem Abgas mit einer Temperatur von nur ca. 723 bis 773 K ist die Temperatur des erzeugten Dampfes viel geringer und der Wirkungsgrad des bekannten, mit Abgas beheizten Dampfkreislaufes ist denn auch auf 20 bis 25% beschränkt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist nachfolgend anhand der Zeichnung, die eine Anlage zum Erzeugen von Druckgas gemäss der Erfindung, zeigt, beschrieben.

Die Anlage besteht im wesentlichen aus einem Gaserzeuger 20 nach Strahltriebwerk-Bauart, einem Dampferzeuger 21, einer Waschkolonne 22, einem weiteren Gaserzeuger 23 nach

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Strahltriebwerk-Bauart, einem weiteren Dampferzeuger 24, einer weiteren Waschkolonne 25, einem Kompressor 26 sowie einer Dampfturbine 41. Der Gaserzeuger 20 weist bekanntlich einen Kompressionsteil 20a, Brennkammern 20b und einen Expansionsteil 20c auf, der den Kompressionsteil antreibt.

Der Gaserzeuger 20 saugt im Überschuss Frischluft vom Atmosphärendruck über eine Leitung 30 an. Der Brennstoff für die Brennkemmern 20b wird über eine Leitung 31 zugeführt. Das Abgas, das den Expansionsteil 20c verlässt, bildet das Heizmedium für den Dampferzeuger 21. Das gekühlte Abgas fliesst von dort über eine Leitung 32 zur Waschkolonne 22, in dem es durch Berieselung mit Wasser, das unter Druck durch eine Pumpe 33 eingespritzt wird, weiter auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das in der Waschkolonne anfallende warme Wasser wird über eine Leitung 34 abgeführt. Das gekühlte Abgas strömt über eine Leitung 35 zum Kompressionsteil 23a des zweiten Gaserzeugers 23. Der Brennstoff erreicht die Brennkammern 23b über eine Leitung 36. Das heisse Abgas, das den Expansionsteil 23c verlässt, strömt über eine Leitung 37 zum zweiten Dampferzeuger 24 und von dort durch die Waschkolonne 25 nach einem Kompressor 26, der das abgekühlte Abgas auf Enddruck komprimiert und über eine Leitung 40 einem (nicht gezeichneten) Verbraucher zuführt. Der Kompressor 26 wird angetrieben durch die Dampfturbine 41, die über eine Leitung 42 mit Dampf vom Dampferzeuger 21 und über eine Leitung 43 mit Dampf vom zweiten Dampferzeuger 24 gespeist wird. Der in der Dampfturbine 41 entspannte Wasserdampf kondensiert in einem über eine Leitung 38 ausgeschlossenen Kondensator 44. Das Kondenswasser wird von einer Pumpe 45 angesaugt und zum Teil über eine Leitung 47 dem Dampferzeuger 24, zum anderen Teil über eine Leitung 46 dem Dampferzeuger 21 als Speisewasser zugeführt.

Zum Beweis, dass in der Anlage gemäss der Erfindung der angebliche hohe Wirkungsgrad tatsächlich erreicht wird,

folgt ein Zahlenbeispiel einer Anlage mit zwei gleichen Gaserzeugern mit folgenden Betriebsdaten.

Gaserzeuger 20:

Frischluft-Ansaugdruck: 100 kPa (atmosphärisch), Luftdurchsatz: 58 kg/s, Ansaugtemperatur: 228 K, Abgasdruck: 315 kPa, Abgastemperatur: 909 K. Brennstoffverbrauch: 35 870 kW, Abgastemperatur nach Waschkolonne 22:300 K. Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes: 35%.

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Gaserzeuger 23:

Abgas-Ansaugdruck: 315 kPa, Ansaugtemperatur: 906 K, Abgasdurchsatz: 58 kg/s, Abgas-Enddruck in Leitung 40: 11610 kPa, Brennstoffverbrauch: 35 870 kW.

Berechnungen ergeben, dass bei dem totalen Brennstoffverbrauch von 2x35 870 kW = 71 047 kW dieser nur 64% beträgt von dem einer Kompressionsanlage bekannter Bauart, die durch eine Gasturbine mit 33% Wirkungsgrad angetrieben ist.

Es ist möglich, den Dampf einer der beiden Dampferzeuger 21 und 24 für einen anderen Zweck zu verwenden als zum Antrieb der Dampfturbine 41.

Da der Ansaugdruck des Gaserzeugers 23 höher ist als der atmosphärische, ist dieser Gaserzeuger aus Festigkeitsgründen vorzugsweise von einem Gehäuse 48 umgeben, das ein Gas enthält, dessen Druck mindestens dem Ansaugdruck des Kompressionsteils 23a entspricht. Dabei kann das Druckgas in dem Gehäuse 48 eingeschlossen sein, oder dann von dem Abgas in der Ansaugleitung 35 des Gaserzeugers 23 über eine Leitung 35a abgezweigtes Gas sein. In jedem Fall ist das Gehäuse mit einer Kühlvorrichtung 49 zu versehen, um Strahlungsverluste abzuführen.

Bei Anlagen kleinerer Leistung, bei der die erforderliche Leistung des zweiten Gaserzeugers 23 so gering ist, dass dafür kein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart im Handel erhältlich ist, kommt statt dessen eine Gasturbine, aber ohne die übliche Nutzturbine, in Betracht.

Es ist möglich, eine dritte oder noch mehrere Kompressionsstufen mit Gaserzeugern zu gestalten. Jedoch wird vorzugsweise die letzte Stufe ein durch eine Dampfturbine angetriebener Kompressor sein, um den erzeugten Dampf auszunützen.

Statt in den Waschkolonnen 22 und 25 kann das Abgas des Gaserzeugers 20 bzw. 23 in einem anderen mit Wasser oder Luft gekühlten Wärmeaustauscher gekühlt werden. Vorzugsweise wird jedoch eine Waschkolonne verwendet, da sie gegenüber anderen mit Luft oder Wasser Gaskühlern den Vorteil des viel besseren Wärmeüberganges zwischen Gas und Wasser aufweist, so dass die Abmessungen kleiner sein können. Weiterhin, da die starke Kühlung des Abgases zur Kondensation des darin enthaltene i Verbrennungswassers führt, hauptsächlich unter hohem Druck, muss der Gaskühler aus verhältnismässig teurem, korrosionsfestem Material gebaut werden, was aber bei der Waschkolonne durch die geringen Abmessungen wenig ins Gewicht fällt.

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1 Blatt Zeichnungen

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630 702 PATENTANSPRÜCHE

1. Anlage zum Erzeugen von Druckgas, mit einem Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart zum Ansaugen von Frischluft, dessen Expansionsteil mit einem Dampferzeuger zum Betrieb einer Dampfturbine verbunden ist, dem das Abgas des Gaserzeugers als Heizmittel dient, wobei der Dampferzeuger über einen Wärmeaustauscher, der das im Dampferzeuger gekühlte Abgas auf nahezu Umgebungstemperatur abkühlt, mit einem Kompressor verbunden ist, der das Abgas auf Enddruck verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Wärmeaustauscher (22) und Kompressor (26) eine Gasturbine (23) und ein weiterer Dampferzeuger (24) befinden, wobei der Wärmeaustauscher (22) mit dem Kompressionsteil (23a) der Gasturbine und der Expansionsteil (23c) der Gasturbine mit dem weiteren Dampferzeuger (24) verbunden ist, welcher Dampferzeuger (24) über einen weiteren Wärmeaustauscher (25), der das Abgas auf etwa Umgebungstemperatur abkühlt, mit dem Kompressor (26) in Verbindung steht, und dass mindestens einer der Dampferzeuger (21,24) Dampfquelle für eine Dampfturbine (41) ist, die den Kompressor (26) antreibt.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (23) von einem Gehäuse (48) umgeben ist, das ein Gas enthält, dessen Druck dem Ansaugdruck des Kompressionsteiles (23a) dieser Gasturbine entspricht.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Gehäuse (48) von dem Abgas in der Ansaugleitung (35) der Gasturbine (23) abgezweigtes Gas ist.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (48) eine Kühlvorrichtung (49) aufweist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (23) ein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmeaustauscher eine Waschkolonne (22,25) ist.