DE102011113623A1 - gas turbine - Google Patents

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Abstract

Für eine Koppelung des Gasturbinenprozesses mit der allothermen Vergasung, insbesondere mittels Wasserdampf, von Festbrennstoffen wird zur Vermeidung von Heatpipes (26), die mit gefährlichen flüssigen Alkali-Metallen betrieben werden müssen, eine zweite Brennkammer (25) außer der Brennkammer (6) der Dampfturbine vorgesehen, deren Wärme auf einem niedrigeren Temperaturenniveau und damit mit ungefährlichen Mitteln den übrigen Prozessen zur Verfügung gestellt werden kann.For a coupling of the gas turbine process with the allothermal gasification, in particular by means of water vapor, solid fuels is to avoid heat pipes (26), which must be operated with hazardous liquid alkali metals, a second combustion chamber (25) except the combustion chamber (6) of the steam turbine provided, the heat can be provided at a lower temperature level and thus with non-hazardous means the other processes.

Description

I. AnwendungsgebietI. Field of application

Die Erfindung betrifft eine feststoffbefeuerte Gasturbine.The invention relates to a solids-fired gas turbine.

II. Technischer HintergrundII. Technical background

In der Thermodynamik sind zahlreiche Prozesse zur Wandlung von chemisch gebundener Energie in mechanische oder elektrische Energie bekannt. Man unterscheidet hierbei Prozesse, bei denen jeder Brennstoff eingesetzt werden kann, von solchen, die nur einigen wenigen (edleren) Brennstoffen vorbehalten sind. Die Prozesse, die nur wenigen Brennstoffen vorbehalten sind, haben zumeist einen deutlich höheren Prozesswirkungsgrad, so dass immer das Bestreben besteht, diese Prozesse auch unedleren Brennstoffen zugänglich zu machen.In thermodynamics, numerous processes for the conversion of chemically bound energy into mechanical or electrical energy are known. One differentiates thereby processes, with which each fuel can be used, of those, which are reserved for only a few (nobler) fuels. The processes, which are reserved for only a few fuels, usually have a significantly higher process efficiency, so that there is always a desire to make these processes accessible even to less noble fuels.

So gehört zum Beispiel der Clausius-Rankine-Prozess (Dampf-Kraft-Prozess) zu der Kategorie, bei dem mittels Verbrennung in einem Dampferzeuger jeder Brennstoff eingesetzt werden kann, während ein Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess) nur flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen vorbehalten ist. Gasturbinen sind Arbeitsmaschinen, bei denen kalte Luft in einem Verdichter komprimiert, danach in einer Brennkammer durch Verbrennung brennbarer Stoffe erhitzt und letztlich in einer Turbine entspannt wird. Da die Entspannung des Gases auf deutlich höherer Temperatur erfolgt als die Kompression, wird bei diesem Prozess mechanische Arbeit frei. Die Nutzung von festen Brennstoffen scheitert stets an der Problematik, dass die Verbrennung von Feststoff stets auch Aschepartikel erzeugt, die im Rauchgas vorhanden sind. Gasturbinen vertragen keine staubförmigen Partikel. Es gibt daher zahlreiche Ansätze, die Staubpartikel vor dem Eintritt in die Gasturbine zu entfernen. Letztlich führen aber all diese Verfahren zu einem deutlichen Verlust an Wirkungsgrad des Joule-Prozesses.For example, the Clausius-Rankine process (steam-power process) belongs to the category where combustion in a steam generator can use any fuel, while a joule process (gas turbine process) only uses liquid or gaseous fuels is. Gas turbines are work machines in which cold air is compressed in a compressor, then heated in a combustion chamber by combustion of combustibles and finally expanded in a turbine. Since the relaxation of the gas takes place at a much higher temperature than the compression, mechanical work is released in this process. The use of solid fuels always fails due to the problem that the combustion of solid always produces ash particles, which are present in the flue gas. Gas turbines do not tolerate dust-like particles. There are therefore numerous attempts to remove the dust particles before entering the gas turbine. Ultimately, however, all these methods lead to a significant loss of efficiency of the Joule process.

In der Patentschrift US 4.212.652 gelingt es erstmalig, mit Hilfe einer allothermen Vergasung kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe mit Wasserdampf einen Joule-Prozess darzustellen, der mit festen (unedlen) Brennstoffen die gleich Größenordnung von Wirkungsgrad erreicht wie mit gasförmigen (edlen) Brennstoffen. Das Verfahren fand jedoch bislang keinen Einzug in kommerzielle Nutzungen, was wohl auf Probleme zurückzuführen ist, die für die Wärmeübertragung erforderlichen Flächen oder Temperaturdifferenzen bereitzustellen.In the patent US 4,212,652 For the first time, it is possible to use Joule process with the help of an allothermal gasification of carbonaceous feedstocks with steam, which achieves the same order of magnitude of efficiency with solid (non-noble) fuels as with gaseous (noble) fuels. However, the process has so far not found commercial uses, which is probably due to problems in providing the surfaces or temperature differences required for heat transfer.

Eine Weiterentwicklung stellt die Anmeldung DE 10 2004 033 348 A1 dar, bei der der Wärmeeintrag über Heatpipes erfolgen soll.A further development is the registration DE 10 2004 033 348 A1 in which the heat input is to take place via heat pipes.

Hierbei wird die für die allotherme Vergasung erforderliche Wärme aus der Brennkammer einer Gasturbine ausgekoppelt und mittels Heatpipe-Systemen in eine allotherme Vergasungskammer eingekoppelt. Das im allothermen Vergaser produzierte Synthesegas wird nach einer Gasreinigung der Brennkammer der Gasturbine zugeführt. Die für die Beheizung der Vergasungskammer erforderliche Wärme ist gemäß des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik als zusätzliche Wärme im Synthesegas enthalten und wird somit in einem kurzen Kreislauf wieder zum Vergaser geführt. Der zweite Teil der im Synthesegas enthaltenen Wärme entspricht der chemisch gebundenen Energie des Brennstoffs und ist im Synthesegas überwiegend als chemisch gebundene Wärme vorhanden, zum kleinen Teil auch als latente oder fühlbare Wärme. Diese Wärme wird in der Gasturbine vollständig zur Beheizung der verdichteten Luft genutzt, so dass der Prozess mit gleichem Wirkungsgrad abläuft wie beim Einsatz von Edelenergieträgern wie zum Beispiel Erdgas.Here, the heat required for the allothermal gasification is decoupled from the combustion chamber of a gas turbine and coupled by means of heat pipe systems in an allothermic gasification chamber. The synthesis gas produced in the allothermal gasifier is fed to the gas turbine after gas purification of the combustion chamber. The heat required for the heating of the gasification chamber is contained according to the 1st law of thermodynamics as additional heat in the synthesis gas and is thus performed in a short cycle back to the gasifier. The second part of the heat contained in the synthesis gas corresponds to the chemically bound energy of the fuel and is present in the synthesis gas predominantly as chemically bound heat, to a lesser extent as latent or sensible heat. This heat is used in the gas turbine completely for heating the compressed air, so that the process proceeds with the same efficiency as the use of precious energy sources such as natural gas.

Der Prozess ist jedoch aufgrund der Auskopplung von Wärme aus der Brennkammer der Gasturbine und der Einkopplung in einen allothermen Vergaser sehr aufwändig gestaltet. Der Wärmetransport von der Brennkammer in den Vergaser erfolgt mittels Heatpipes, in denen beim erforderlichen Temperaturbereich flüssige Alkali-Metalle in metallischer Form als Wärmeträger erforderlich sind. Diese Medien bringen stets eine latente Gefahr des Austretens mit sich, was zur stark exothermen Reaktionen mit der Bildung von stark ätzenden Alkali-Oxiden oder Alkali-Hydroxiden führt.However, the process is designed very complex due to the extraction of heat from the combustion chamber of the gas turbine and the coupling in an allothermal carburetor. The heat transfer from the combustion chamber into the carburettor takes place by means of heat pipes, in which liquid alkali metals in metallic form as heat transfer medium are required at the required temperature range. These media always carry a latent risk of leakage, leading to highly exothermic reactions with the formation of highly corrosive alkali oxides or alkali hydroxides.

III. Darstellung der ErfindungIII. Presentation of the invention

a) Technische Aufgabea) Technical task

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, die Wirkungsgradpotentiale des neuartigen Verfahrens beizubehalten und gleichzeitig die Gefahren der Alkali-Metalle zu minimieren bzw. komplett zu vermeiden.It is therefore the object of the invention to maintain the efficiency potentials of the novel process and at the same time to minimize or completely avoid the dangers of the alkali metals.

b) Lösung der Aufgabeb) Solution of the task

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is solved by the features of claims 1 and 9. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Indem in einer zweiten, von der Brennkammer der Gasturbine getrennten, Brennkammer verdichtete Frischluft sowie ein Brennstoff miteinander verbrannt, in aller Regel unter Überdruck verbrannt, werden, und die Wärme aus dieser Verbrennung der zweiten Brennkammer dem allothermen Vergasungsprozess zur Fügung gestellt wird, ist wegen des niedrigeren Temperaturenniveaus der Verbrennung in der zweiten Brennkammer gegenüber des Temperaturenniveaus in der Brennkammer der Gasturbine auch bei Verwendung von Heatpipes die Gefahr des Austretens flüssiger Alkali-Metalle nicht gegeben, da diese wegen des niedrigeren Temperaturenniveaus nicht benötigt werden sondern andere, ungefährlichere Wärmeträger hierfür verwendet werden können.By in a second, separate from the combustion chamber of the gas turbine combustion chamber compressed fresh air and a fuel burned together, usually burned under pressure, and the heat from this combustion of the second combustion chamber is provided to the allothermal gasification process is due to the lower temperature levels of combustion in the second combustion chamber compared to Temperature levels in the combustion chamber of the gas turbine, even with the use of heat pipes, the risk of leakage of liquid alkali metals not given because they are not needed because of the lower temperature levels but other, safer heat transfer medium can be used for this purpose.

Dabei kann die Frischluft für diese zweite Brennkammer separat aufbereitet, also verdichtet, und auch separat danach wieder entspannt werden. Als Brennstoff wird dabei vorzugsweise ein Teil des in der Vergasungskammer erzeugten Produktgases verwendet, es kann jedoch auch jeder andere Brennstoff verwendet werden.In this case, the fresh air for this second combustion chamber can be treated separately, so compressed, and also be relaxed again afterwards. The fuel used is preferably part of the product gas generated in the gasification chamber, but any other fuel may be used.

Vorzugsweise wird jedoch in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung ein erster Teilstrom der für den Gasturbinen-Prozess verdichteten Frischluft vor der Brennkammer der Gasturbine (unter bestimmten Umständen auch erst nach dieser Brennkammer) abgezogen und der zweiten Brennkammer zugeführt. Dies spart den Aufwand einer separaten Aufbereitung.Preferably, however, in a first embodiment according to the invention, a first partial flow of compressed for the gas turbine process fresh air before the combustion chamber of the gas turbine (under certain circumstances, only after this combustion chamber) withdrawn and fed to the second combustion chamber. This saves the effort of a separate preparation.

Dieser Teilstrom der verdichteten Frischluft kann zusätzlich vor Einbringen in die zweite Brennkammer noch nachverdichtet werden, um Druckverluste auszugleichen, was vorzugsweise mittelst einer Strahl-Pumpe geschieht, die beispielsweise mittels eines Teiles des Dampfes betrieben werden kann, der ohnehin zum Einbringen der benötigten Wärme und/oder Fluidisieren der Wirbelschicht in der Vergasungskammer für den Festbrennstoff benötigt wird.This partial flow of the compressed fresh air can be additionally recompressed prior to introduction into the second combustion chamber to compensate for pressure losses, which is preferably done by means of a jet pump, which can be operated for example by means of a portion of the steam, anyway for introducing the required heat and / or fluidizing the fluidized bed in the gasification chamber is required for the solid fuel.

Die in der zweiten Brennkammer entstehende Verbrennungs-Wärme kann für den Prozess auf unterschiedliche Weise genutzt werden:
Die eine Lösung besteht darin, dass diese zweite Brennkammer eine separate Brennkammer ist, die also ausschließlich für die Verbrennung der dort eingeleiteten Luft mit dem dort eingeleiteten Brennstoff benutzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Prozesse in dieser separaten Brennkammer unabhängig von anderen Prozessen sehr genau geregelt werden können.
The combustion heat generated in the second combustion chamber can be used for the process in different ways:
The one solution is that this second combustion chamber is a separate combustion chamber, which is thus used exclusively for the combustion of the air introduced there with the fuel introduced there. This has the advantage that the processes in this separate combustion chamber can be controlled very accurately independently of other processes.

Aus dieser zweiten, separaten Brennkammer kann nun einerseits Wärme ausgekoppelt und der Vergasungskammer zugeführt werden mithilfe von Heatpipes, wofür vorzugsweise die zweite Brennkammer nicht allzu weit entfernt von der Vergasungskammer angeordnet werden sollte, sondern möglichst nahe daran.From this second, separate combustion chamber on the one hand heat can now be coupled and fed to the gasification chamber using heat pipes, for which preferably the second combustion chamber should not be located too far away from the gasification chamber, but as close as possible.

Des Weiteren enthalten die dieser zweiten Brennkammer entweichenden Brenngase sehr viel Wärme. Diese Brenngase werden daher dem Gasturbinenprozess wieder zugeführt, indem sie vorzugsweise wie die Brenngase aus der Brennkammer der Gasturbine in deren Expander eingeleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Brenngase aus der zweiten Brennkammer zunächst mit einem Teil des Produktgas des zu vermischen und der ersten Brennkammer des Gasturbinenprozesses zuzuführen. Auch eine Zuführung in die Vergasungskammer als Fluidisierungsmittel – oder gemischt mit Produktgas als Brennstoff – ist denkbar.Furthermore, the combustion gases escaping from this second combustion chamber contain a great deal of heat. These fuel gases are therefore returned to the gas turbine process by being preferably introduced from the combustion chamber of the gas turbine in the expander as the fuel gases. Another possibility is to first mix the combustion gases from the second combustion chamber with a portion of the product gas and to supply them to the first combustion chamber of the gas turbine process. Also, a supply in the gasification chamber as a fluidizing agent - or mixed with product gas as a fuel - is conceivable.

Eine andere Lösung besteht darin, dass als zweite Brennkammer die Vergasungskammer selbst benutzt wird.Another solution is that the gasification chamber itself is used as the second combustion chamber.

Dann wird die verdichtete Frischluft für die zweite Brennkammer, also beispielsweise der von der verdichteten Frischluft für den Gasturbinenprozess abgezweigte Teilstrom, der Vergasungskammer, insbesondere der dortigen Wirbelschicht, zugeführt und dort mit einem Teil des dort eingebrachten Festbrennstoffes und/oder mit einem Teil des in die Vergasungskammer rezirkulierten Produktgases verbrannt.Then, the compressed fresh air for the second combustion chamber, so for example, the branched off from the compressed fresh air for the gas turbine process substream, the gasification chamber, in particular the local fluidized bed, fed and there with a part of the introduced there solid fuel and / or with a part of the in the Gasification chamber recirculated product gas burned.

Der Vorteil besteht darin, dass der bauliche Aufwand verringert wird, weil keine separate Brennkammer benötigt wird. Der weitere Vorteil besteht darin, dass die bei der Verbrennung entstehende Wärme sich bereits in der Vergasungskammer befindet, und nicht erst dorthin transportiert werden muss.The advantage is that the structural complexity is reduced because no separate combustion chamber is needed. The further advantage is that the heat produced during the combustion is already in the gasification chamber, and does not have to be transported there first.

Der Nachteil besteht darin, dass diese Verbrennung innerhalb der Vergasungskammer abläuft und nicht getrennt von dieser gesteuert und geregelt werden kann.The disadvantage is that this combustion takes place within the gasification chamber and can not be controlled and regulated separately from it.

Ein Wärmetransport ist nur noch innerhalb der Vergasungskammer notwendig, wird dort jedoch in der Regel durch die vorhandene Wirbelschicht als Wärmeträger erfüllt:
So kann die zirkulierende Wirbelschicht in einem Bereich, in dem primär eine Verbrennung stattfindet, exotherm sein, und in einem anderen Bereich, in dem primär die Vergasung des Festbrennstoffes stattfindet, endotherm. Einen Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Bereichen ist jedoch durch die Zirkulation der Wirbelschicht quasi selbsttätig gegeben.
A heat transfer is only necessary within the gasification chamber, but is there usually fulfilled by the existing fluidized bed as a heat transfer medium:
Thus, the circulating fluidized bed may be exothermic in an area where combustion primarily occurs, and endothermic in another area where primarily the solid fuel gasification takes place. However, a heat exchange between these two areas is quasi automatically given by the circulation of the fluidized bed.

Auch die Aufbereitung des für die Vergasungskammer als Hybridisierungsmittel benötigten Dampfes kann in den Gesamt-Prozess sinnvoll eingebunden werden:
Die dem Expander, etwa der Turbine, des Gasturbinenprozesses entweichenden Abgase enthalten immer noch sehr viel Wärme, die genutzt werden kann. Zum einen kann damit ein Aufheizen der verdichteten Luft für den Gasturbinen-Prozess durchgeführt werden, was dessen Effizienz steigert. Zum anderen kann damit das Verdampfen des Wassers und/oder Aufheizen des bereits erzeugten Dampfes für den Vergasungsprozess bewirkt werden.
The treatment of the vapor required for the gasification chamber as a hybridization agent can also be usefully integrated into the overall process:
The exhaust gases escaping the expander, such as the turbine, of the gas turbine process still contain a lot of heat, which can be used. On the one hand, this can be used to heat the compressed air for the gas turbine process, which increases its efficiency. On the other hand, this can cause the vaporization of the water and / or heating of the already generated steam for the gasification process.

Da diese beiden Aufheiz-Vorgänge auf unterschiedlichen Temperaturenniveaus ablaufen, ist es sinnvoll, die Abgase aus dem Expander zunächst zum Aufheizen der verdichteten Luft und erst anschließend auf dem dann wieder etwas niedrigeren Temperaturniveau zum Verdampfen des Wassers oder Aufheizen des bereits erzeugten Dampfes zu benutzen. Since these two heating processes occur at different temperature levels, it makes sense to use the exhaust gases from the expander first for heating the compressed air and only then at the then slightly lower temperature level for evaporating the water or heating the already generated steam.

Zur Durchführung des Verfahrens wird also eine Vorrichtung benötigt, die neben einer Gasturbine mit Verdichter, Brennkammer und Expander eine Vergasungskammer zum Vergasen eines Festbrennstoffes umfasst, wobei letztere vorzugsweise mittels einer Wirbelschicht betrieben wird, und das dort erzeugte Rohgas vorzugsweise über einem Gaswäscher geeinigt wird. Ferner wird außer der Brennkammer der Gasturbine eine zweite Brennkammer benötigt, die separat vorhanden sein kann oder für die die Vergasungskammer benutzt werden kann.To carry out the method, therefore, a device is needed which comprises, in addition to a gas turbine with compressor, combustion chamber and expander, a gasification chamber for gasifying a solid fuel, the latter preferably being operated by means of a fluidized bed, and the raw gas produced there being preferably combined via a gas scrubber. Further, in addition to the combustion chamber of the gas turbine, a second combustion chamber is needed, which may be present separately or for which the gasification chamber can be used.

Im ersteren Fall ist eine Wärme-leitende Verbindung vorzugsweise in Form von Heatpipes zwischen dieser separaten zweiten Brennkammer und der Vergasungskammer notwendig.In the former case, a heat-conductive connection is preferably necessary in the form of heat pipes between this separate second combustion chamber and the gasification chamber.

Vorzugsweise ist weiterhin ein Wärmetauscher zum Aufheizen der verdichteten Frischluft für die Gasturbine vorhanden sowie ein Wärmetauscher zum Verdampfen von Wasser zwecks Erzeugung des Fluidisierungs-Dampfes, die vorzugsweise beide mit den Abgasen des Expanders aus der Gasturbine betrieben werden.Preferably, a heat exchanger is also provided for heating the compressed fresh air for the gas turbine, and a heat exchanger for evaporating water for generating the fluidizing steam, which are preferably both operated with the exhaust gases of the expander from the gas turbine.

c) Ausführungsbeispielec) embodiments

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments according to the invention are described in more detail below by way of example. Show it:

1: eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung, und 1 a first embodiment according to the invention, and

2: eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung. 2 A second embodiment according to the invention.

In der 1 ist rechts oben die Vergasungskammer 27 dargestellt, in deren unteren Bereich sich eine zirkulierende Wirbelschicht 43 befindet, die durch von unten zugeführten Wasserdampf 21 fluidisiert wird. Der über die Brennstoff-Zufuhr 28 in die Vergasungskammer 27 zugeführte Festbrennstoff wird in der Vergasungskammer 27 – in aller Regel unter Überdruck – großenteils vergast, gegebenenfalls zu einem Teil auch verbrannt, wobei dann die entstehende Verbrennungswärme dem Vergasen des übrigen Festbrennstoffes zugutekommt, und damit der Erzeugung des Rohgases 29, welches nach Reinigung in einem Gaswäscher 30 als Produktgas 31 zur Verfügung steht.In the 1 is the gasification chamber on the top right 27 represented in the lower region is a circulating fluidized bed 43 located by water vapor supplied from below 21 is fluidized. The one about the fuel supply 28 in the gasification chamber 27 fed solid fuel is in the gasification chamber 27 - As a rule, under pressure - largely gasified, possibly also burned to a part, in which case the resulting heat of combustion benefits the gasification of the other solid fuel, and thus the generation of the raw gas 29 which after cleaning in a gas scrubber 30 as a product gas 31 is available.

Da dieser Vergasungsprozess allotherm abläuft, muss außer dem Festbrennstoff, selbst wenn dieser teilweise in der Vergasungskammer 27 verbrennt, noch weiter Wärme zugeführt werden, was über den fluidisierenden Dampf 21 erfolgt und zum Teil über Heatpipes 26.Since this gasification process is allothermic, except for the solid fuel, even if this partially in the gasification chamber 27 Burns even more heat are supplied, resulting in the fluidizing steam 21 done and partly via heatpipes 26 ,

Im mittleren Bereich der 1 ist die aus der ersten Brennkammer 6 und der als Expander wirkenden Turbine 10 bestehende Gasturbine dargestellt.In the middle area of the 1 is the one from the first combustion chamber 6 and the turbine acting as an expander 10 existing gas turbine shown.

In der Brennkammer 6 der Gasturbine wird ein abgezweigter Teilstrom 7 des Produktgases 31 zusammen mit in einem Verdichter 1 verdichtete Luft 2, die zusätzlich in einem Wärmetauscher 12 aufgeheizt wird, verbrannt. Die Brenngase 8 der zweiten Brennkammer 25 werden der Turbine 9 zugeführt.In the combustion chamber 6 the gas turbine becomes a diverted partial flow 7 of the product gas 31 together with in a compressor 1 compressed air 2 additionally in a heat exchanger 12 is heated, burned. The fuel gases 8th the second combustion chamber 25 become the turbine 9 fed.

Ein Teilstrom 4 der verdichteten und aufgewärmten Frischluft 3 wird in einer Stahlpumpe 23 nachverdichtet und diese nachverdichtete Frischluft 24 einer zweiten separaten Brennkammer 25 zugeführt, in der ein Teilstrom 32 des Produktgas des 31 zusammen mit dieser nachverdichteten Frischluft 24 verbrannt wird. Der Überschuss 34 des Produktgases 31 steht dann zur weiteren Nutzung zur Verfügung. Die dabei entstehende Verbrennungswärme wird zum Teil über die Heatpipes 26 der Wirbelschicht 43 in der Vergasungskammer 27 zugeführt, und zum Teil in Form der aus der separaten zweiten Brennkammer 25 abgeführten Brenngase 35 der Turbine 10 zugeführt.A partial flow 4 the compressed and warmed up fresh air 3 is in a steel pump 23 recompressed and this recompressed fresh air 24 a second separate combustion chamber 25 fed, in which a partial flow 32 of the product gas of the 31 together with this recompressed fresh air 24 is burned. The surplus 34 of the product gas 31 is then available for further use. The resulting heat of combustion is partly on the heatpipes 26 the fluidized bed 43 in the gasification chamber 27 fed, and partly in the form of the separate second combustion chamber 25 discharged fuel gases 35 the turbine 10 fed.

Der für das Fluidisieren der Wirbelschicht 43 in der Vergasungskammer 27 benötigte Dampf 21 wird durch Verdampfen von Wasser im Wärmetauscher 13 erzeugt, und in einem Teilstrom 21 direkt der Wirbelschicht 43 zugeführt, in einem anderen Teilstrom 22 zunächst zum Betreiben der Stahlpumpe 23 verwendet.The fluidizing the fluidized bed 43 in the gasification chamber 27 needed steam 21 is by evaporation of water in the heat exchanger 13 generated, and in a partial flow 21 directly to the fluidized bed 43 fed in another sub-stream 22 initially to operate the steel pump 23 used.

Die vom Verdichter 1 verdichtete Luft 2 wird in einem Wärmetauscher 12 weiter aufgewärmt, wobei sowohl der Wärmetauscher 12 als auch der Wärmetauscher 13 mittels der Wärme aus den Abgasen der Turbine 10 betrieben werden, die vom Ausgang 11 der Turbine 10 zunächst zum Wärmetauscher 12 und danach durch den Wärmetauscher 13 geführt werden, bevor sie in die Umgebung entlassen werden.The from the compressor 1 compressed air 2 is in a heat exchanger 12 further warmed up, with both the heat exchanger 12 as well as the heat exchanger 13 by means of heat from exhaust gases of the turbine 10 to be operated by the exit 11 the turbine 10 first to the heat exchanger 12 and then through the heat exchanger 13 be guided before they are released into the area.

Die Lösung gemäß der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 dadurch, dass es hier keine separate zweite Brennkammer 25 vorhanden ist, sondern der vor der Brennkammer 6 der Gasturbine abgezweigte Teilstrom 4 der verdichteten und erwärmte Luft 3 – wiederum nachverdichtet zum Ausgleich von Druckverlusten mittels der Strahlpumpe 23 – der Wirbelschicht 43 in der Vergasungskammer 27 zugeführt wird, die in diesem Fall als zweite Brennkammer fungiert.The solution according to the 2 is different from the one of 1 in that there is no separate second combustion chamber here 25 is present, but the front of the combustion chamber 6 the gas turbine branched partial flow 4 the compressed and heated air 3 - Re-compressed to compensate for pressure losses by means of the jet pump 23 - the fluidized bed 43 in the gasification chamber 27 is supplied, which acts in this case as a second combustion chamber.

Die verdichtete Luft 24 reagiert dort mit dem Festbrennstoff und erzeugt hierdurch Wärme, die den Vergasungsprozess in der Vergasungskammer 27 beschleunigt, und/oder sie reagiert mit in die Wirbelschicht 43 der Vergasungskammer 27 rezirkuliertem Produktgas 41 oder Rohgas 29, falls eine solche Rezirkulation an der Vergasungskammer 27 vorgesehen ist. The compressed air 24 reacts there with the solid fuel and thereby generates heat, the gasification process in the gasification chamber 27 accelerates and / or reacts with the fluidized bed 43 the gasification chamber 27 recirculated product gas 41 or raw gas 29 if such a recirculation at the gasification chamber 27 is provided.

Dies bewirkt eine erhöhte Ausbeute an Produktgas 31, welches wie bei der ersten Ausführungsform in einem Teilstrom 7 der ersten Brennkammer 6 der Gasturbine zugeführt wird und der Rest – gegebenenfalls nach Abzweigen des rezirkulierten Produktgases 41 – als Überschuss 34 zur Verfügung steht für die weitere Nutzung.This causes an increased yield of product gas 31 which, as in the first embodiment in a partial flow 7 the first combustion chamber 6 the gas turbine is supplied and the rest - optionally after branching of the recirculated product gas 41 - as surplus 34 is available for further use.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verdichtercompressor
22
verdichtete Frischluftcompressed fresh air
33
aufgewärmte verdichtete Frischluftwarmed up compressed fresh air
44
Teilstrom FrischluftPartial flow fresh air
55
Teilstrom FrischluftPartial flow fresh air
66
erste Brennkammerfirst combustion chamber
77
Teilstrom ProduktgasPartial stream product gas
88th
Brenngasfuel gas
99
Zuführung TurbineFeeder turbine
1010
Turbineturbine
1111
Ausgangturbineoutput turbine
1212
Wärmetauscherheat exchangers
1313
Wärmetauscherheat exchangers
2121
Teilstrom DampfPartial steam
2222
Teilstrom DampfPartial steam
2323
Stahlpumpesteel pump
2424
nachverdichtete Frischluftrecompressed fresh air
2525
zweite Brennkammersecond combustion chamber
2626
HeatpipeHeatpipe
2727
Vergasungskammergasification chamber
2828
Brennstoff-ZufuhrFuel supply
2929
Rohgasraw gas
3030
Gaswäschergas scrubber
3131
Produktgasproduct gas
3434
Überschuss-ProduktgasSurplus-product gas
3535
Brenngasfuel gas
4141
rezirkuliertes Produktgasrecirculated product gas
4242
Dampfsteam
4343
Wirbelschichtfluidized bed

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102004033348 A1 [0005] DE 102004033348 A1 [0005]

Claims (14)

Verfahren zur Umwandlung von in einem Festbrennstoff chemisch gebundener Energie in eine leichter verwertbare Energieform, mit – einem Joule-Prozess oder Gasturbinen-Prozess, bei dem Frischluft in einem Verdichter (1) komprimiert, danach in einer ersten Brennkammer (6) mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff verbrannt wird und die Brenngase (8) in einem Expander, insbesondere einer Turbine (10), entspannt werden und mechanische Energie liefern, – einem allothermen Vergasungs-Prozess für einen Festbrennstoff, bei dem in einer Vergasungskammer (27) einen brennbares Produktgas (31) erzeugt wird, – wobei zumindest ein Teilstrom (7) des bei der Vergasung erzeugten Produktgases (31) als Brennstoff für die Verbrennung in der ersten Brennkammer (6) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – verdichtete Frischluft (24) einer zweiten Brennkammer zugeführt und mit einem Brennstoff verbrannt wird, – die Wärme aus der Verbrennung in der zweiten Brennkammer dem allothermen Vergasungsprozess zur Verfügung gestellt wird.Method of converting energy chemically bound in a solid fuel into a more easily usable form of energy, comprising - a joule process or gas turbine process, in which fresh air in a compressor ( 1 ), then in a first combustion chamber ( 6 ) is burned with a liquid or gaseous fuel and the fuel gases ( 8th ) in an expander, in particular a turbine ( 10 ), and provide mechanical energy, - an allothermal gasification process for a solid fuel, in which in a gasification chamber ( 27 ) a combustible product gas ( 31 ) is generated, - wherein at least a partial flow ( 7 ) of the product gas produced during the gasification ( 31 ) as fuel for combustion in the first combustion chamber ( 6 ) is used, characterized in that - compressed fresh air ( 24 ) is supplied to a second combustion chamber and is burned with a fuel, - the heat from the combustion in the second combustion chamber is made available to the allothermal gasification process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (4) der verdichteten Frischluft (2, 3) für den Gasturbinen-Prozess vor oder nach der ersten Brennkammer (6) abgezogen und der zweiten Brennkammer zugeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that a partial flow ( 4 ) of the compressed fresh air ( 2 . 3 ) for the gas turbine process before or after the first combustion chamber ( 6 ) and fed to the second combustion chamber. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (4) der verdichteten Frischluft nachverdichtet wird, insbesondere mittels einer Stahlpumpe (23), die insbesondere mit einem Teilstrom (22) des der Vergasungskammer (27) zugeführten Wasserdampfes betrieben wird. (Separate zweite Brennkammer)Method according to claim 2, characterized in that the partial flow ( 4 ) of the compressed fresh air is recompressed, in particular by means of a steel pump ( 23 ), in particular with a partial flow ( 22 ) of the gasification chamber ( 27 ) operated water vapor is operated. (Separate second combustion chamber) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Teilstrom (4) der verdichteten Frischluft in der zweiten, separaten Brennkammer (25) mit einem Teilstrom (7) des Produktgases (31) verbrannt wird, – die Brenngase (35) aus der zweiten Brennkammer (25) dem Gasturbinen-Prozess vor dem Expander zugeführt werden, oder – die Brenngase (35) aus der zweiten Brennkammer (25) vermischt mit zumindest einem Teil des Produktgases (31) der ersten Brennkammer (6) des Gasturbinen-Prozesses zugeführt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the partial flow ( 4 ) of the compressed fresh air in the second, separate combustion chamber ( 25 ) with a partial flow ( 7 ) of the product gas ( 31 ) is burned, - the fuel gases ( 35 ) from the second combustion chamber ( 25 ) are supplied to the gas turbine process before the expander, or - the fuel gases ( 35 ) from the second combustion chamber ( 25 ) mixed with at least a portion of the product gas ( 31 ) of the first combustion chamber ( 6 ) of the gas turbine process. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus der Verbrennung in der zweiten, separaten Brennkammer (25) über Heatpipes (26) oder Heatpipe-Wärmetauschersysteme dem allothermen Vergasungsprozess zugeführt wird. (Zweite Brennkammer = Vergasungskammer)Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat from the combustion in the second, separate combustion chamber ( 25 ) via heatpipes ( 26 ) or heat pipe heat exchanger systems is fed to the allothermal gasification process. (Second combustion chamber = gasification chamber) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Teilstrom (4) der verdichteten Frischluft der Vergasungskammer (27) als zweiten Brennkammer zugeführt wird und dort mit einem Teil des Festbrennstoffes und/oder des in die Vergasungskammer (27) rezirkulierten Produktgases (41) verbrannt wird, – die bei der Verbrennung entstehende Wärme zum Fördern der Vergasung des übrigen Festbrennstoffes benutzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the partial flow ( 4 ) of the compressed fresh air of the gasification chamber ( 27 ) is supplied as a second combustion chamber and there with a part of the solid fuel and / or in the gasification chamber ( 27 ) recirculated product gas ( 41 ) is burned, - the heat produced during combustion is used to promote the gasification of the remaining solid fuel. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Vergasungskammer (27) der Festbrennstoff in einer Wirbelschicht (43) geführt ist, und – das Bettmaterial der Wirbelschicht (43) als Wärmeträger von einem exothermen Verbrennungsbereich in einen endothermen Vergasungsbereich innerhalb der Wirbelschicht fungiert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - in the gasification chamber ( 27 ) the solid fuel in a fluidized bed ( 43 ), and - the bed material of the fluidized bed ( 43 ) acts as a heat transfer medium from an exothermic combustion zone into an endothermic gasification zone within the fluidized bed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aus dem Expander, insbesondere aus der Turbine (10), zum Aufheizen der verdichteten Luft (2) in einem Wärmetauscher (12) und/oder zum Verdampfen des Wassers in einem Wärmetauscher (13) des für die Vergasungskammer (27) benötigten Dampfes (21) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas from the expander, in particular from the turbine ( 10 ), for heating the compressed air ( 2 ) in a heat exchanger ( 12 ) and / or for vaporizing the water in a heat exchanger ( 13 ) of the gasification chamber ( 27 ) required steam ( 21 ) is used. Vorrichtung zur Umwandlung von in einem Festbrennstoff chemisch gebundener Energie in eine leichter verwertbare Energieform, mit – einer Gasturbine, in der Frischluft in einem Verdichter (1) komprimiert, danach in einer ersten Brennkammer (6) mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff verbrannt wird und die Brenngase (8) in einem Expander, insbesondere einer Turbine (10), entspannt werden und mechanische Energie liefern, – einer Vergasungskammer (27), in der ein Festbrennstoff unter Zuführung von Wärme vergast wird zum Erzeugen eines Produktgases (31), – wobei ein Teilstrom (7) des bei der Vergasung erzeugten Produktgases (31) als Brennstoff für die Verbrennung der ersten Brennkammer (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zweite Brennkammer vorhanden ist, in der verdichtete Frischluft mit einem Brennstoff verbrannt wird, – die zweite Brennkammer über Heatpipes (26) mit der Vergasungskammer (27) und/oder einer Leitung für die Brenngase (35) aus der zweiten Brennkammer mit der Gasturbine verbunden ist.Apparatus for converting chemically bonded energy in a solid fuel into a more easily usable form of energy, comprising - a gas turbine, in the fresh air in a compressor ( 1 ), then in a first combustion chamber ( 6 ) is burned with a liquid or gaseous fuel and the fuel gases ( 8th ) in an expander, in particular a turbine ( 10 ), and provide mechanical energy, - a gasification chamber ( 27 ) in which a solid fuel is gasified with the application of heat to produce a product gas ( 31 ), - where a partial flow ( 7 ) of the product gas produced during the gasification ( 31 ) as fuel for the combustion of the first combustion chamber ( 6 ) is supplied, characterized in that - a second combustion chamber is present, is burned in the compressed fresh air with a fuel, - the second combustion chamber via heat pipes ( 26 ) with the gasification chamber ( 27 ) and / or a line for the fuel gases ( 35 ) is connected from the second combustion chamber with the gas turbine. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennkammer eine separate Brennkammer (25) ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the second combustion chamber, a separate combustion chamber ( 25 ). Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennkammer die Vergasungskammer (27) ist.Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that the second combustion chamber, the gasification chamber ( 27 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergasungskammer (27) eine Wirbelschicht (43) vorhanden ist.Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that in the gasification chamber ( 27 ) a fluidized bed ( 43 ) is available. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die insbesondere zirkulierende Wirbelschicht (43) einen exothermen Verbrennungsbereich und einen endothermen Vergasungsbereich umfasst und insbesondere im Zyklon der Wirbelschicht (43) die beiden Bereiche ineinander übergehen oder aneinander anschließen.Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the particular circulating fluidized bed ( 43 ) comprises an exothermic combustion zone and an endothermic gasification zone and in particular in the cyclone of the fluidized bed ( 43 ) merge the two areas into each other or connect to each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (12) zum Aufheizen der verdichteten Frischluft (2) und/oder ein Wärmetauscher (13) zum Verdampfen von Wasser vorhanden sind und in dieser Reihenfolge nacheinander von den Abgasen der Turbine (10) durchströmt werden.Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that a heat exchanger ( 12 ) for heating the compressed fresh air ( 2 ) and / or a heat exchanger ( 13 ) are present for the evaporation of water and in succession from the exhaust gases of the turbine ( 10 ) are flowed through.
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