DE102006056438A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Generators mittels Heißgasdampfturbine - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Generators durch über einen Doppel-Turbinenläufer (doppelflutiger Radialverdichter) geführtes Heißgas, insbesondere vom Vergaser einer Müllverwertungsanlage erhaltenes Heißgas, beschrieben, bei dem der Turbine (3) vorgeschaltet Wasserdampf (Hochdruckheißdampf) (44) eingebracht bzw. erzeugt wird, so dass ein Heißgas-Dampf-Gemisch (45) in höherer Dichte und großer Geschwindigkeit über einen sich verengenden Turbinenzulauf (11) eingebracht wird, eine Vorreaktion im Gemisch veranlassend. Das Heißgas-Dampf-Gemisch (45) wird dann über den Doppel-Turbinenläufer (13) zuerst expandiert und dann wieder verdichtet und erneut expandierend in einen sich erweiternden Diffusorabschnitt (16) des Ablaufrohres (15) eingebracht, wobei im Ablaufrohr (15) ein Unterdruck herrscht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Generators mittels Heißgasdampfturbine zur Verwendung in Energiegewinnungs- und Müllverwertungsanlagen.
  • Es ist bekannt, dass Heißgas- oder Dampfturbinen zum Betreiben von Generatoren verwendet werden. Dabei wird z. B. von einem Rauch- bzw. Heißgas oder Wasserdampf führenden Zulauf das entsprechende Medium über die Turbinenläufer geführt, wodurch der mit der Abtriebswelle der Turbine verbundene Generator in Bewegung gesetzt und so Strom erzeugt wird. Der Wirkungsgrad dieser bekannten Vorrichtungen lässt aber zu wünschen übrig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung o. g. Gattung anzugeben, die sicher arbeiten, einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und zum Einbau bzw. zur Eingliederung in eine Müllverwertungsanlage optimal geeignet sind, bzw. dienen können.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst sowie durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6.
  • Dem gemäß wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Generators durch über einen Doppel-Turbinenläufer geführtes, vorzugsweise vom Vergaser (Schmelzvergaser) einer Müllverwertungsanlage erhaltenes Heißgas, der Turbine vorgeschaltet, also unmittelbar vor dem Turbineneingang Wasserdampf (Hochdruckheißdampf) eingebracht bzw. erzeugt, und zwar so, dass dieser Wasserdampf unmittelbar vor dem Turbineneingang mit hohem Druck, zusammen mit dem Heißgas und gleichzeitig sich mit diesen vermischend, in die Turbine eintritt. Dieses Heißgas-Dampf-Gemisch wird dann mit sehr hoher Dichte und hoher Geschwindigkeit über die sich im Verhältnis zum letzten Abschnitt des Gaszulaufes sich verengenden Turbinenzulauf eingebracht, wonach dieses Gemisch über den Doppelläufer der Turbine zuerst expandiert und danach wieder verdichtet wird, wodurch insgesamt eine Vorreaktion im Gemisch vonstatten geht. Danach tritt das Heißgas-Dampf-Gemisch aus dem einen geringen Durchmesserabschnitt, ähnlich demjenigen beim Eintritt der Gehäuseöffnung, in einen sich erweiternden Diffusionsabschnitt des nachfolgenden Ablaufrohres, wonach das Gemisch erneut expandiert, während im Ablaufrohr ein Unterdruck herrscht.
  • Durch den im Hochdruckbehälter der Vorrichtung (im Weiteren als Heißgas-Dampf-Generator bezeichnet, abgekürzt HGDG), d. h. des Heißdampfgenerators erzeugten Hochdruck-Heißdampf wird somit ein doppelflutiger Radialverdichter (bekannt als Turbineneffekt aus der Triebwerkstechnik) angetrieben, wobei durch den Unterdruck beim Ausgang aus der Turbine ein Sog auftritt und kein Rückströmen möglich ist. Durch diesen Unterdruck in der Ableitung findet auch kein Rückstau im System statt, bis hin zum Vergaser. Dadurch wird gleichzeitig auch der Vergaser im Prozess entlastet und dadurch erfolgt auch kein Ausgasen mit der Folge von Undichtigkeiten der Flanschverbindungen, insbesondere im Turbinenzulauf und dem Turbinengehäuse.
  • Von Vorteil ist auch, dass zur Erzeugung des Hochdruck-Wasserdampfes gereinigtes und somit kalkfreies Brauchwasser in den Turbinenzulauf zentrisch eingebracht wird, das z. B. von der Wasserreinigungseinrichtung der Müllverwertungsanlage zugeleitet wird. Dieses kalkfreie Wasser wird durch das Heißgas zum Verdampfen gebracht, wonach sich Heiß- und Rohgase mit dem Wasserdampf mischen und in Vorreaktion gebracht werden. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, dass das Wasser in einen konzentrisch im ballonartig erweiterten Zulauf befindlichen, birnenförmig zum Turbinenzulauf sich öffnenden Hochdruckbehälter eingebracht wird, der vom Heißgas umspült wird. Dabei tritt der im Behälter entstehende Hochdruck-Dampf unter großer Geschwindigkeit nahe dem Turbineneingang aus, mischt sich mit dem außen an ihm vorbeiströmenden Heißgas und tritt unter hoher Geschwindigkeit in die Turbine ein, in weiterer Vermischung des Heißgases mit dem Wasserdampf und hierdurch stattfindender Vorreaktion.
  • Die durch die Energie des Heißgas-Dampf-Gemisches angetriebene Turbine treibt dann im Weiteren über ihre Antriebswelle den Generator, vorzugsweise einen Permanentmagnet-Generator an. Dieser Generator kann vorzugsweise mehrstufig ausgebildet sein, also für unterschiedliche Drehmomente, entsprechend zuschaltbar bzw. umschaltbar, entsprechend des von der Turbine erhaltenen Drehmoments. Der vom Ge nerator erzeugte Gleichstrom wird vorzugsweise u. a. zur physikalischen Trennung mit elektrolytischen Zerlegung des verunreinigten Wassers (Prozesswasser) einer Müllverwertungsanlage verwendet. Dabei wird der so erzeugte überschüssige Sauerstoff und Wasserstoff zur weiteren Verwendung in der Anlage verwendet, vorzugsweise dem Stützbrenner des Vergasers bzw. einem Verbrennungsmotor zur entsprechenden Energieerzeugung zugeführt (Steigerung der Primärenergie). Selbstverständlich kann ein Teil des Generatorstromes auch zur Versorgung des Systems, z. B. von deren Pumpen dienen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des vorbeschriebenen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Zulauf der Turbine ein ballonförmiges bzw. birnenförmiges Gehäuse vorgeschaltet ist bzw. zwischen Turbineneintritt und Zulaufrohr ein im Vergleich zum Zulaufrohr und dem Turbineneintritt ballonförmig bzw. birnenförmig erweitertes Gehäuse zwischengeschaltet ist. In diesem Gehäuse ist konzentrisch eine im wesentlichen birnenförmiger Hochdruckbehälter so angeordnet, dass er mit seiner verengten Austrittsöffnung zum Turbineneintritt weist und sich in dessen unmittelbarer Nähe befindet. Dabei ist der Hochdruckbehälter mit einem Wasserzulauf verbunden, wobei dieser Wasserzulauf vorzugsweise zentrisch/axial in den Behälter einmündet. Die Hochdruckbehälter außen umspülenden Heißgase heizen den Behälter entsprechend auf, wodurch das in den Behälter eingebrachte Wasser explosionsartig verdampft und dieser Dampf mit entsprechendem Hochdruck aus dem Hochdruckbehälter in die unmittelbar nachfolgende Turbinenöffnung eintritt. Dabei wird das vorbeiströmende Rauchgas vermischt und eingemischt, wobei nachfolgend durch die unterschiedlichen Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse beim Expandieren, Komprimieren und erneutes Expandieren eine optimale Vermischung und Vorreaktion des Gas-Dampf-Gemisches stattfindet.
  • Die Dampfbildung im Hochdruckbehälter wird noch entsprechend optimiert, wenn das zentrisch in den Hochdruckbehälter eingebrachte Wasser so eingedüst bzw. eingebracht wird, dass es im wesentlichen radial gleichmäßig fein-verteilt wird, so dass auch der durch die große Hitzeeinwirkung entstehende Wasserdampf im Verhältnis zum Behälterquerschnitt relativ konstant entsteht und somit auch die Druckbelastung relativ gleichförmig gehalten werden kann.
  • Hierfür kann eine Verteilerscheibe vorgesehen sein, die im Wasserführungsrohr über eine sogenannte Wasserlagerung abgestützt ist und auf die das aus der durch die Wasserlagerung einströmende Wasser axial auftrifft und radial abgeleitet wird. Durch auf der Anströmseite der Verteilerscheibe vorgesehene tangentiale oder spiralförmige Erhebungen als Wasserführungskanten wird die Verteilerscheibe in Rotation versetzt, wodurch das auftreffende Wasser zusätzlich eine Drehbewegung erfährt und tangential ausgeschleudert wird, in Richtung auf die heiße Behälter-Innenwandung. Ist dann auch noch ein Drei-Punkt-Wasserlager vorgesehen, mit zwei Lagern vor und einem hinter der Verteilerscheibe, dann wird die Verteilerscheibe stabil gehalten, so dass ein taumeln nicht möglich ist. Dabei stellt sich die austretende Wassermenge entsprechend dem anstehenden Vordruck der Förderpumpe vor und nach der Scheibe automatisch selber ein. Hierdurch wird in einfacher Weise die in das Heißgas einzumischende Dampfmenge steuerbar.
  • Von Vorteil ist des weiteren, wenn das Ablaufrohr turbinenseitig einen sich in Ablaufrichtung erweiternden Diffusionsabschnitt besitzt, wodurch die positiv auswirkenden Effekte durch aufeinanderfolgende Komprimierungen und Entspannungen des hindurchgeführten Gases noch verstärkt bzw. weitergeführt werden.
  • Dieses Ablaufrohr ist nachfolgend mit einer Gasreinigungsstufe verbunden, durch deren Saug-Gebläse im Ablaufrohr ein Unterdruck ansteht, der sich auf die gesamte Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung auswirkt, insbesondere aber auch dessen andauernde Funktionsfähigkeit optimiert. Dadurch kann nämlich einerseits kein Rückstau im System über die Turbine bis hin zum Vergaser stattfinden, gleichzeitig den Vergasungsprozess entlastend. Andererseits wird ein Ausgasen insbesondere der Gehäusedichtungen und somit Undichtigkeiten der Flanschverbindungen, insbesondere im Turbinenzulauf und Turbinengehäuse, vermieden.
  • Besonders zweckmäßig ist, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Energieproduktions- und Müllverwertungsanlage eingegliedert ist, wobei ihr Zulauf mit dem Müllvergaser (Schmelzvergaser) verbunden ist und das dort erzeugte Roh-/Heißgas führt. Der Ablauf der Vorrichtung bzw. der Turbine der Vorrichtung ist dabei mit einer Gasreinigungsvorrichtung verbunden, deren Gebläse im Zulauf den Unterdruck erzeugt, wie vorbeschrieben. Dabei ist die Abtriebswelle (Königswelle) der Turbine mit einem Generator, vorzugsweise einem Permanentmagnet-Generator verbun den, der vorzugsweise mehrere Stufen zum wahlweisen Betreiben je nach übertragen erhaltenem Drehmoment besitzt, so dass immer eine entsprechend optimale Funktion möglich ist. Der Generator steht seinerseits (elektrisch) in Verbindung mit einer physikalischen Trenneinrichtung für das verunreinigte Wasser, insbesondere das im Müllsilo anfallende Schmutzwasser, wobei der Gleichstrom des Generators zur elektrolytischen Zerlegung des Wassers dient. Der dabei erhaltene überschüssige Sauerstoff und Wasserstoff wird danach jeweils als Primärenergie im System weiter verwendet und zwar einerseits im Stützbrenner des Vergasers (der Sauerstoff O2) und andererseits im Verbrennungsmotor der Anlage (der Wasserstoff H).
  • Schließlich ist auch besonders vorteilhaft, wenn der Wasserzulauf des Druckbehälters des Heißgasdampfgenerators mit einem Wasserbehälter verbunden ist, in dem gereinigtes Brauchwasser vom Wasserspeicher des Wasserreinigungssystems der Anlage sowie das in der Turbine abkondensierte Wasser eingebracht ist. Da das aus der Wasserreinigung des Systems stammende Brauchwasser praktisch von sämtlichen Verunreinigungen und auch von Calcium gesäubert ist, finden keine Ablagerungen im Hochdruckbehälter und auch nachfolgend in der Turbine statt, was zur Erhöhung der Lebensdauer und zur Reduzierung etwa anfallender Wartungsarbeiten beiträgt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Schnittes durch die Vorrichtung, unter gleichzeitiger Darstellung der Anbindungen an einen Brauchwasserbehälter und eine physikalische Trenneinrichtung,
  • 2: einen teilweisen Schnitt durch den Dampferzeuger der Vorrichtung,
  • 3: ein Detail III aus 1, den Wasserverteiler näher darstellend, und
  • 4: eine Ansicht gemäß Pfeil IV aus 3 auf die Verteilerscheibe.
  • Wie aus der Zeichnung erkennbar ist, besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung, also der Heißgasdampfgenerator 1 als prägnante Teile, in Aufeinanderfolge gesehen, einen Dampferzeuger 2, eine Turbine 3 und einen Generator 4. Der Dampferzeuger 2 hat ein ballonartiges Gehäuse 6, das einerseits über seine Zulauföffnung 7 mit einem Rohgas bzw. Heißgas vom Vergaser führenden Zulaufrohr 19 verbunden ist, vorzugsweise über eine Flanschverbindung 9. Andererseits ist das Gehäuse 6 über seine Ablauföffnung 10 mit der Zulauföffnung 11 eines ebenfalls annähernd ballonförmigen, einen Doppel-Turbinenläufer 13 enthaltendes Turbinengehäuse 12 der Turbine 3 verbunden, vorzugsweise ebenfalls über eine Flanschverbindung 9.
  • Das Turbinengehäuse 12 ist auslaufseitig bzw. an seiner Auslauföffnung 14 mit einem Ablaufrohr 15 verbunden und zwar ebenfalls über eine Flanschverbindung 9. Das Ablaufrohr 15 ist an seinem turbinenseitigen Ende mit einem sich erweiternden Diffusor-Abschnitt 16 versehen, wonach das Ablaufrohr 15 weiterführend einen konstanten Querschnitt bzw. Durchmesser aufweist und mit weiteren vorhanden Einrichtungen von z. B. einer Müllverwertungsanlage, sowie unterschiedlichen Gasreinigungsgeräten bzw. -Einrichtungen verbunden ist.
  • Im Ballon-Gehäuse 6 befindet sich konzentrisch angeordnet und im wesentlichen auch ausgebildet ein Hochdruckbehälter 18, der im wesentlichen die Form einer Birne aufweist und mit seinem ausgestülpten bzw. axial ausgezogen Öffnungsende 19 so ausgebildet und insgesamt angeordnet ist, dass es bis nahe seiner Ablauföffnung und damit der Ablauföffnung 10 des Gehäuses 6 und damit der Zulauföffnung 11 der Turbine 3 steht bzw. endet.
  • An dem geschlossenen zulaufseitigen Ende des Hochdruckbehälters 18, also praktisch an dessen Bodenseite, ist ein Verteiler 20 vorgesehen, der im Zusammenhang mit 3 und 4 näher erläutert wird.
  • Der Verteiler 20 öffnet einerseits in das Behälterinnere und ist andererseits über eine Zulaufleitung 21 mit einem Wasserbehälter 22 verbunden, wobei eine Pumpe 23 in der Leitung 21 das im Wasserbehälter befindliche gereinigte Brauchwasser zum Verteiler 20 befördert. Das im Behälter 22 befindliche gereinigte Brauchwasser wird ganz überwiegend über eine Leitung 24 eingebracht, die aus einer Wasserreinigung des Systems bzw. der Anlage stammt bzw. aus dem entsprechenden Wasserspeicher bedarfsweise zugeleitet wird. Zudem wird über eine Leitung 25 auskondendsiertes Wasser aus der Turbine 3 in den Wasserbehälter 22 eingebracht.
  • Im Gehäuse 12 der Turbine 3 ist ein Doppel-Turbinenläufer 13 konzentrisch angeordnet, der im wesentlichen bzw. im weitesten Sinne spiegelbildlich zur Gehäusemitte und zum Läufer selbst ausgebildet ist, im wesentlichen ebenfalls Dimensions- bzw. Durchmessererweiterung und danach entsprechend die Durchmesser- bzw. Dimensionsverringerung besitzt bzw. aufweist. Dabei befindet sich der Läufereingang nahe der Zulauföffnung 11 der Turbine und somit gleichzeitig nahe dem Öffnungsende 19 des Hochdruckbehälters 18. Der axial gegensinnige Austritt 28 des Turbinenläufers 13 befindet sich entsprechend nahe der Ablauföffnung 14 der Turbine bzw. des Turbinengehäuses 12 und so mit dem Eintritt des Diffusorabschnitts 16 des Ablaufrohres 15. Es ist ersichtlich, dass gleichzeitig der maximale Durchmesser des Turbinenläufers in seinem mittigen maximalen Umfang bzw. seiner Krone 27 entsprechend korrespondierend mit der Zone mit größtem Durchmesser des Gehäuses 12 angeordnet ist. Der Turbinenläufer 13 ist dabei über seine Abtriebswelle 29 (Königswelle) mit dem Permanentmagnet-Generator 4 verbunden. Dieser Generator 4 besitzt drei Stufen 31, die je nach Bedarf bzw. je nach anliegendem Drehmoment, entsprechend selbsttätig zugeschaltet werden. Von dem Generator 4 führen zwei Gleichstromleitungen 33 und 34 zu den Elektroden 36 und 37 einer Trenneinrichtung 35. In dieser Einrichtung 35 erfolgt die physikalische Trennung von über eine Leitung 38 angebrachtes Schmutzwasser, z. B. des Schmutzwassers aus dem Müll-Silo einer Müllverwertungsanlage. Durch die elektrolytischen Reaktionen bzw. Aufspaltungen setzen sich die Verunreinigungen als Schlamm am Behälterboden der Einrichtung 35 ab und werden über eine Leitung 39 ausgebracht. Das physikalisch gereinigte Wasser wird über eine Leitung 39 zur Weiterbehandlung abgezogen, während der Überschuss an entstandenem Sauerstoff und Wasserstoff zum Stützbrenner des Vergasers der Müllverwertungsanlage bzw. zu einem Verbrennungsmotor weitergeleitet wird, über die Leitungen 40 bzw. 41.
  • Aus 2 ist zu erkennen, wie am konzentrischen Gehäuse 6 des Dampferzeugers 2 angeordneten Hochdruckbehälter 18 der Verteiler 20 angeordnet ist, dessen Einströmseite durch einen Kegel 47 geschützt ist, der gleichzeitig den in das Gehäuse 6 des Dampferzeugers 2 eintretenden Gasstrom gleichmäßig auf die Mantelfläche des Behälters 18 aufteilt.
  • 3 zeigt im Detail, wie der Verteiler 20 aus einem in das Innere des Behälters 18 ragenden Führungsrohr 28 besteht, der über einen Flansch 49 mit Dichtung 50 am Behälter 18 befestigt ist und an dem außen die Zulaufleitung 21 mit zwischenliegender Dichtung 51 angeschlossen ist.
  • An der Stirnseite des Führungsrohres 48 ist in geringer Beabstandung eine Verteilerscheibe 55 konzentrisch angeordnet, die ein Lagerrohr 54 besitzt, das axial in die Bohrung 53 des Führungsrohres 48 so hineinragt, dass zwischen den beiden Rohren eine ringförmige Wasserführung 56 gebildet wird. Zudem sind in der Bohrung 53 des Führungsrohres 48, jeweils zum Ende des mit dem Lagerrohr 54 korrespondierenden Rohrabschnittes, je eine Ringtasche 57 und 58 vorgesehen, in denen das vorbeiströmende Wasser aufgestaut wird und dadurch die Rolle eines Wasserlagers übernimmt. An der Stirnseite des Führungsrohres 48 ist zudem eine die Bohrung 53 erweiternde Ausschrägung 59 vorgesehen, wodurch der aus der Wasserführung 56 auftretende Wasserstrom verbreitert nach außen abgeleitet wird und breiter gefächert auf die Anstromfläche 30 der Verteilerscheibe 55 trifft.
  • Wie auch aus 4 erkennbar ist, sind auf der Anströmfläche 60 axial abstehende spiralförmige Wasserführungskanten 61 vorgesehen, auf welche der aus der Wasserführung austretende Wasserstrom drückt und dadurch die Verteilerscheibe dreht.
  • Aus 3 ist des weiteren zu erkennen, dass das Lagerrohr 54 eine innere Wasserführung 63 besitzt, in deren Stirnseitiger Erweiterung eine Ringtasche 64 vorhanden ist. In diese ragt ein konischer Lagerkegel 65 geringfügig beanstandet hinein, so dass durch die Wasserführung 63 strömendes Wasser auf den Lagerkegel 65 auftritt und durch Rückstau in der Ringtasche 64 ein Wasserlager bildet. Der Lagerkegel 65 ist dabei über einen Gewindezapfen 66 mit Kontermutter 67 an einem Bügel 68 axial verschiebbar gehalten, der am Flansch 49 befestigt ist. Somit ist ein Drei-Punkt-Wasserlager vorhanden (57, 58, 64), dass die Verteilerscheibe 55 stabil und taumelfrei hält.
  • Es ist somit insgesamt zu erkennen, dass der Verteiler 20 eine in sich kompakte Einheit bildet, die als solche von außen einschiebbar und dadurch leicht auswechselbar über den Flansch 49 am Behälter 18 z. B. über Schrauben befestigbar ist. Bei eventuellen Störungen oder notwendigen Änderungen der Einstellung der axialen Position des Lagerkegels 65 oder gar kompletten Austausch der Verteilereinheit sind somit nur einige Schraubverbindungen zu lösen, um die erforderlichen Arbeiten problemlos durchzuführen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1, also der Heißgasdampfgenerator, arbeitet folgendermaßen:
    Das über das Zulaufrohr 8 z. B. von einem Müllvergaser eingebrachte bzw. einfließende Heißgas 43 tritt mit einer Temperatur von ca. 400°C bis 500°C über die Zulauföffnung 7 in das Gehäuse 6 ein und umspült den Hochdruckbehälter 18. Es ist ersichtlich, dass dabei beim Eintritt zuerst eine wesentliche Querschnittserweiterung stattfindet, wonach in der Zone der Ablauföffnung 10 erneut eine Verengung des Querschnitts erfolgt, wodurch das Strömungsverhalten des Heißgases entsprechenden Änderungen unterworfen ist. Durch das Umströmen des Hochdruckbehälters mit dem Heißgas wird der Behälter entsprechend erhitzt, wodurch das über den Verteiler 20 eingesprühte Wasser sofort bzw. explosionsartig verdampft und in Richtung auf das Öffnungsende 19 des Behälters gedrückt bzw. ausgestoßen wird. Durch die entsprechenden Drucksituationen und auch die entsprechenden Querschnittsverringerungen tritt der Wasserdampf 44 mit unter relativ hohem Druck und hoher Geschwindigkeit aus dem Behälter 18 aus und in die Zulauföffnung 11 der Turbine ein. Dabei tritt gleichzeitig außen konzentrisch auch das Heißgas 43 aus dem Gehäuse 6 aus und in die Zulauföffnung 11 der Turbine ein, wonach der Wasserdampf 44 und das Heißgas 43 sich mischen, insbesondere bei deren Eintritt in die unter Einwirkung von Heißgas und Dampf sich drehenden Turbinenläufers. Es entsteht dabei ein Heißgas-Dampf-Gemisch, das expandierend durch die erste Hälfte des Turbinenläufers zieht und danach komprimierend in dessen zweiten Hälfte geführt wird bzw. strömt, um über eine mit der Zulauföffnung 11 im wesentlichen gleichgroße Auslassöffnung 14 der Turbine auszuströmen. Das Heißgas-Dampf-Gemisch, das nach Kompression, Expansion und erneuter Kompression zusätzlich den Drehbewegungen durch den Turbinenläufer unterworfen war, hat unterschiedliche Druck- und Geschwindigkeitszustände erfahren und ist entsprechend stark vermischt worden, so dass eine Vorreaktion im Gemisch stattgefunden hat. Zudem wird dieses vorreagierte Gemisch bei Eintritt in den Diffusorabschnitt 16 des Ablaufrohres 15 erneut expandieren, wodurch noch ein weiterer Misch- und Reaktionsschritt stattfindet.
  • Dadurch, dass im Ablaufrohr 15 ein Unterdruck vorhanden ist, verursacht z. B. durch das Saug-Gebläse einer nachfolgenden Gasreinigungsstufe, findet der Durchfluss des Heißgases und des Wasserdampfes bzw. des Heißgas-Dampf-Gemisches 45 optimal statt, ohne jeglichen Rückstau, wie dies bei üblichen Turbinen meist der Fall ist und wodurch dort dann bekanntlich die hohen Wirkungsgradverluste herrühren. Durch den Sog bzw. den Unterdruck im Ablaufrohr 15 arbeitet die Turbine 3 unter optimalsten Bedingungen, so dass deren Wirkungsgrad bisher einen bei diesen Dampfturbinen unerreicht hohen Wirkungsgrad erreicht bzw. erreichen kann.
    • 1
    Vorrichtung (HGDG)
    2
    Dampferzeuger
    3
    Turbine
    4
    Generator
    5
    ---
    6
    (Ballon-)Gehäuse
    7
    Zulauföffnung
    8
    Zulaufrohr
    9
    Flanschverbindung
    10
    Ablauföffnung
    11
    (Turbinen-)Zulauföffnung
    12
    (Turbinen-)Gehäuse
    13
    (Doppel-)Turbinenläufer
    14
    Ablauföffnung
    15
    Ablaufrohr
    16
    Diffusor-Abschnitt
    17
    ---
    18
    Hochdruckbehälter
    19
    Öffnungsende
    20
    (Wasser-)Verteiler
    21
    Zulaufleitung
    22
    Wasserbehälter
    23
    Pumpe
    24
    Zuleitung v. Wasserspeicher
    25
    Ableitung v. Turbine
    26
    Eintritt
    27
    Krone
    28
    Austritt
    29
    Abtriebswelle
    30
    ---
    31
    Stufen
    32
    ---
    33
    Stromleitung
    34
    Stromleitung
    35
    (Trenn-)Einrichtung
    36
    Elektrode (Kathode)
    37
    Elektrode (Anode)
    38
    Leitung
    39
    Leitung
    40
    Leitung
    41
    Leitung
    42
    ---
    43
    Heißgas
    44
    Wasserdampf
    45
    Heißgas-Dampf-Gemisch
    46
    ---
    47
    Kegel
    48
    Führungsrohr
    49
    Flansch
    50
    Dichtung
    51
    Dichtung
    52
    ---
    53
    Bohrung
    54
    Lagerrohr
    55
    Verteilerscheibe
    56
    Wasserführung, außen
    57
    Ringtasche
    58
    Ringtasche
    59
    Anschrägung
    60
    Anströmfläche
    61
    Wasserführungskanten
    62
    ---
    63
    Wasserführung, innen
    64
    Ringtasche
    65
    Lagerkegel
    66
    Gewindezapfen
    67
    Kontermutter
    68
    Bügel

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Generators durch über einen Doppel-Turbinenläufer (doppelflutiger Radialverdichter) geführtes Heißgas, insbesondere vom Vergaser einer Müllverwertungsanlage erhaltenes Heißgas, bei dem – der Turbine (3) vorgeschaltet Wasserdampf (Hochdruckheißdampf) (44) eingebracht bzw. erzeugt wird, – so dass ein Heißgas-Dampf-Gemisch (45) in höherer Dichte und großer Geschwindigkeit über einen sich verengenden Turbinenzulauf (11) eingebracht wird, eine Vorreaktion im Gemisch veranlassend, – das Heißgas-Dampf-Gemisch (45) dann über den Doppel-Turbinenläufer (13) zuerst expandiert und dann wieder verdichtet wird, – dieses Gemisch beim Austritt (14) aus dem einen geringeren Durchmesser aufweißenden Turbinenläufer bzw. Turbinengehäuse (12) erneut expandiert in einen sich erweiternden Diffusorabschnitt (16) des Ablaufrohres (15), – und im Ablaufrohr (15) ein Gas-Unterdruck herrscht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Wasserdampfes (44) gereinigtes und somit kalkfreies Brauchwasser in den Turbinenzulauf zentrisch vorgeschaltet eingebracht wird, welches durch das vorbeiströmende Heißgas zum Verdampfen gebracht wird, wonach sich Heiß- bzw. Rohgase mit dem Wasserdampf mischen und in Vorreaktion gebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brauchwasser in einen konzentrisch im ballonartig erweiterten Zulauf oder zwischengeschalteten Gehäuse (6) befindlichen birnenförmig sich zum Turbinenzulauf (11) öffnenden Hochdruckbehälter (18) eingebracht wird, der vom Heißgas (43) umspült wird, wobei der im Behälter (18) entstehende Heißdampf (44) sich mit dem außen vorbeiströmenden Heißgas (43) in unmittelbarer Nähe des Turbineneintrittes (11) mischt und unter hoher Geschwindigkeit in die Turbine (3) eintritt, in weiterer Vermischung von Heißgas und Wasserdampf, ein Heißgas-Dampf-Gemisch bildend.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brauchwasser im Hochdruckbehälter (18) axial in dessen Boden eingebracht und dann radial ausgedüst bzw. feinverströmt wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom von dem durch die Turbine (3) angetriebenen Generator (4) vorzugsweise unter anderem zu einer Einrichtung (35) zur physikalischen Trennung mit elektrolytischer Zerlegung des verunreinigten Wassers (Prozesswasser) z. B. einer Müllverwertungsanlage geleitet wird und der dabei erzeugte überschüssige Sauerstoff und Wasserstoff zur weiteren Verwendung in der Anlage, vorzugsweise in den Stützbrennern des Vergasers und/oder einem Verbrennungsmotor zur entsprechenden Energieerzeugung mit verwendet werden.
  6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, mit: – einem Heiß- bzw. Rohgas führenden Zulaufrohr (8), – einer Gasturbine (3), in deren Doppel-Turbinenläufer (13) das Heißgas (43) eingebracht wird, – einem Ablaufrohr (15) für das der Turbine (3) entströmende Gas, – wobei die Turbine (3) einen Generator (4) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zulauf (11) der Turbine (3) ein ballon- oder birnenförmiges Gehäuse (26) vorgeschaltet ist, in dem konzentrisch ein birnenförmiger Hochdruckbehälter (18) so angeordnet ist, dass er von den Heiß-Rohgasen (43) umspült und aufgeheizt wird und mit seiner verengten Austrittsöffnung (19) zum Turbinenläufer (13) weist, in dessen unmittelbarer Nähe er endet, wobei der Hochdruckbehälter (18) mit einer Wasserzulaufleitung (21) verbunden ist, über den das im Hochdruckbehälter (18) zu verdampfende Wasser eingebracht wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserzulauf (21) gas-zulaufsseitig im Hochdruckbehälter (18) zentrisch/axial einmündet, wobei über einen Verteiler (20) das Reinwasser in dem Hochdruckbehälter (18) gleichmäßig radial fein verteilt eingebracht wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Radialverteilung des axial eingebrachten Wassers koaxial ein Verteiler (20) am Boden des Behälters (6) in diesen hineinragend angeordnet ist, der eine koaxiale Verteilerscheibe (55) besitzt, auf welche das über ein Führungsrohr (48) axial einströmende Wasser trifft und radial fein verteilt wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerscheibe (55) über ihr Lagerrohr (54) im Führungsrohr (48) über Wasserlager (57, 58) konzentrisch gehalten ist und an der Anströmfläche (60) der Verteilerscheibe (55) tangential oder spiralförmig ausgebildete Wasserführungskanten (61) vorgesehen sind, durch die eine Rotation der Scheibe verursacht wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial an der äußeren Stirnseite der Verteilerscheibe (55) ein axial einstellbarer Lagerkegel (65) vorgesehen ist, der in eine innere Wasserführung (63) des Lagerrohres (54) der Verteilerscheiben (55) hineinragt, wobei im erweiterten Ende der Wasserführung (63) eine Ringtasche (64) vorhanden ist, ein Wasserlager bildend.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablaufrohr (15) turbinenseitig einen sich in Ablaufrichtung erweiternden Diffusorabschnitt (16) besitzt und dass im Ablaufrohr (15) Unterdruck herrscht.
  12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer Müllverwertungsanlage ist, wobei ihr Gas-Zulaufrohr (8) mit einem Müll-Schmelzvergaser verbunden ist und das dort erzeugte Roh-Heißgas (43) führt, und dass dem Ablaufrohr (15) mit einer Gasreinigungseinrichtung verbunden ist, deren Gebläse den Unterdruck im Ablaufrohr (15) erzeugt.
  13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasser-Zulaufleitung (21) mit einem Wasserbehälter (22) verbunden ist, in dem gereinigtes Brauchwasser vom Wasserspeicher eines Wasserreinigungssystems der Müllvergasungsanlage eingebracht ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Abtriebswelle (29) (Königswelle) der Turbine (3) angetriebene Generator (4) ein Permanentmagnet-Generator ist, wobei der erzeugte Strom unter anderem zum Betrieb einer Einrichtung (35) zur physikalischen Trennung mit Oxidationsbaugruppe (Elektrolyse) dient.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (4) mehrere Stufen (31), selbsttätig umschaltbar für unterschiedliche Drehmomentabnahmen, aufweist.
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