DE1021642B - Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen - Google Patents

Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen

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DE1021642B DEG11651A DEG0011651A DE1021642B DE 1021642 B DE1021642 B DE 1021642B DE G11651 A DEG11651 A DE G11651A DE G0011651 A DEG0011651 A DE G0011651A DE 1021642 B DE1021642 B DE 1021642B
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    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02C7/08Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F02C7/10Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C3/26Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension

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Description

  • Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen In Gasturbinen wird bekanntlich die Energie eines unter überdruck stehenden heißen gasförmigen Mediums durch Expansion in mechanische Arbeit umgewandelt. Die Erhitzung des gasförmigen Mediums findet direkt, beispielsweise durch Verbrennung von entsprechenden Brennstoffgemischen, oder indirekt mit Hilfe von Wärmeaustauschern statt, wobei andere Wärmeaustauscher zur Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Abgases dienen. Bei den bekannten Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen arbeiten die Wärmeaustauscher zur Erhitzung des Treibgases und zur Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Abgases mit ziemlich geringem Wirkungsgrad und zumeist mit recht hohen Druckverlusten, was den Gesamtwirkungsgrad des Wärmekraftprozesses herabsetzt.
  • Es ist ferner bisher nicht möglich, den hohen Wärmeinhalt der bei vielen chemisch technologischen Prozessen anfallenden hocherhitzten festen oder feuerflüssigen Stoffe, wie Hochofenschlacke u. dgl., zur Krafterzeugung in Gasturbinen auszunutzen oder aschereiche Brennstoffe einzusetzen.
  • Der Wärmeaustauschprozeß zur Erhitzung des Treibgases erfolgt mit den verschiedensten rekuperar tiven und regenerativen Wärmeaustauschern, beispielsweise auch mittels besonderer im Kreislauf geführter und in Wärmeaustauschern mit dem Treibgas mittelbar in Berührung gebrachter Flüssigkeiten, wie Gemischen aus Woodschem Metall und OOuecksilber. Die Kreislaufführung derartiger Schmelzen mittels Pumpen bereitet Schwierigkeiten und erfordert einen enormen Kraftbedarf. Man hat auch vorgeschlagen. Schmelzen in Wärmeaustauschern zu versprühen, wodurch der Wärmewirkungsgrad der Austauscher praktisch nicht verbessert wurde, da man aus dem Metall nur verhältnismäßig grobe Tröpfchen herstellte, die schnell den Wärmeaustauscher durchfallen, um flüssig abgezogen werden zu können. Es ist außerdem bekannt, zur Wärmeübertragung körnige Substanzen, sogenannte pebbles, zu verwenden, die Kammern ausfüllen oder mittels Kolben und anderen Zuteilvorrichtungen in diese eingeführt oder aus diesen abgezogen werden. Die Erhitzung der körnigen Wärmeträger erfolgt dabei z. B. durch unmittelbaren Wärmeaustausch mit einem Heizmedium. Führt man das Treibgas zur Erhitzung durch ein erhitztes Pebbelbett, so entsteht ein sehr großer Druckverlust, der zu einer weitgehenden Herabsetzung des Wirkungsgrades führt.
  • Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers in Gasturbinenprozessen zu verbessern. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen unter Verwendung von feinkörnigen festen oder feinverteilten feuerflüssigen Wärmeträgern, die ihrerseits durch unmittelbaren Wärmeaustausch mit einem Heizmedium auf die erforderliche Temperatur gebracht werden, zur Erhitzung des unter Überdruck stehenden Treibgases der Turbinen und besteht darin, daß die feinkörnigen, feuerflüssigen Wärmeträger sich iin Wirbelschichtzustand befinden, d. h. so weit feinverteilt oder dispergiert sind, bis sie aerodynamischen Gesetzen gehorchen, d. h. daß sie sich gleichsam wie ein Gas oder eine Flüssigkeit bewegen. Handelt es sich um flüssige Wärmeträger, so empfiehlt es sich, die Kreislaufführung so einzurichten, daß sie während des Kreislaufes abwechselnd die feste und die flüssige Phase durchlaufen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 1-wegen sich die Körner des Wärmeträgers in einem Trägergas bzw. in dein zu behandelnden Gasstrom, der in den Wärmeaustauschkammern auch Trägergas ist. Ihre Bewegung erfolgt selbstverständlich nach den Gesetzen der Mechanik. Infolge der großen Zahl und der Feinkörnigkeit der verwandten Wärmeträger ist es jedoch möglich, deren Bewegung mit den Hilfsmitteln der statistischen Mechanik zu behandeln. Daraus ergeben sich für die Wärmeträger Bewegungsgesetze, wie sie den aerodynamischen Gesetzen entsprechen. Nach der Erfindung gehorchen demnach die Wärmeträger praktisch nicht mit den Fallgesetzen, sondern sie verhalten sich wie ein Gas. Diesen Zustand bezeichnet man bekanntlich als Wirbelschicht.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß es möglich ist, einerseits den Strom der Wärmeträger technisch wesentlich einfacher zu beherrschen und zu fördern sowie andererseits in den Wärmeaustauschkammern praktisch frei von Druckverlusten zu arbeiten. Der Wärmewirkungsgrad des Wärmeaustausches wird dadurch und durch den direkten Kontakt der Wärmeträger mit dem Treibgas, außerdem infolge der durch die außerordentlich feine Verteilung gegebene große Wärmeaustauschfläche wesentlich verbessert.
  • Soweit es sich um feuerflüssige Wärmeträger handelt, erfolgt deren Kreislauf vorzugsweise so, daß die flüssig in die Wärmeaustauschkammer eingesprühten Wärmeträger innerhalb der Kammer erstarren und als feste Körper abgeführt werden. Hierdurch erreicht die Erfindung nicht nur technische Vereinfachungen beim Transport der Wärmeträger, sondern stellt außerdem die Umwandlungswärmen zwischen der festen und flüssigen Phase dem Wärmeaustauschprozeß zur Verfügung.
  • Die Wärmeträger selbst werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch unmittelbaren Wärmeaustausch mit einem Heizmedium auf die erforderlichen Temperaturen gebracht. Zu diesem Zweck wird der Wärmeträger entweder in einem dem Treibgaserhitzer vorgeschalteten Raum durch Verbrennungsgase, heiße Abgase od. dgl. auf möglichst hohe Temperaturen erhitzt. Stehen aber Wärmeträger aus chemisch-technologischen Prozessen. wie Schlacken, zur Verfügung, so lassen sich auch diese verwenden. Die Wärmeträger werden mittels drucksicherer und gasdichter Vorrichtungen in die Treibgaserhitzerkammer geleitet, wo sie ihre Wärme, vorzugsweise im Gegenstrom und in direktem Wärmeaustausch, auf das Treibgas übertragen. Die abgekühlten Wärmeträger werden ebenfalls mit einer drucksicheren und gasdichten Vorrichtung aus der Kammer geschleust und können, wenn notwendig, im Umlauf gehalten werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen, die auch weitere Merkmale der Erfindung enthalten, ausführlich erläutert. Die in den Ansprüchen 3 bis 6, 9 und 11 bis 15 gekennzeichneten Merkmale sind an sich bekannt und stehen für sich allein selbständig nicht unter Schutz. Diese Merkmale genießen Schutz nur in Verbindung mit den Merkmalen der übergeordneten Ansprüche.
  • Es zeigen in schematischen Darstellungen: Fig. 1 eine Gasturbine mit offenem Kreislauf, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, Fig. 2 eine Heißluftturbine mit offenem Kreislauf, Fig.3 eine Heißluftturbine gemäß Fig. 2 mit Alhitzeverwertung, Fig.4 eine Gasturbine mit annähernd isothermer Expansion, Fig.5 eine durch flüssige Schlacke beheizte Gasturbine und Fig. 6 eine mit einer Vergasungsanlage kombinierte Gasturbine.
  • Als erstes Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 1 die Einschaltung des oben beschriebenen W ärmeaustauschers in eine offene Gasturbinenanlage zum Zwecke. die in der Turbinenabluft enthaltene Wärmemenge rückzugewinnen. Die Abluft der Turbine 1 wird z. B. mit einer Temperatur von 380° C in die Kammer 2 geleitet, wo sie die Aufgabe hat, einen fluidisierten @#@'ärtneträger, z. B. Aluminiumkörnchen von 0,5 mm Durchmesser, aufzuheizen. Zu diesem Zwecke werden die Körnchen aus dem Bunker 3 durch eine Schleuse 4 in die Kammer 2 gebracht. Wenn sie unten ankommen, sind sie z. B. auf 370° C erhitzt. Die z. B. auf 150° C abgekühlte Abluft entweicht in einen Kamin 5. Der erhitzte Wärmeträger dagegen wird durch eine drucksichere Austragevorrichtung 6 in eine Kammer 7 geleitet, wo er seine Wärme auf die im Kompressor 8 erzeugte Druckluft überträgt und sie beispielsweise 360 C aufheizt. Beträgt die Temperatur der Druckluft vor der Kammer 7 z. B. 150° C, so verläßt der Wärmeträger diese Kammer z. B. mit 160' C durch die Austragevorrichtung 9 und wird erneut auf den Bunker 3 gefördert. Die erwärmte Druckluft dient dann als Verbrennungsluft für das mit der Pumpe 10 zum @"erbrennungsraum 11 gelieferte Öl, aus dem die heißen Verbrennungsgase von z. B. 700° C Temperatur in die Turbine 1 strömen. Zweckmäßigerweise wird zwischen den beiden Kammern 2 und 7 ein Z-,vischenbunker eingebaut, welcher die Aufgabe hat, die Temperatur der Körnchen zu egalisieren und eine Reserve an aufgeheiztem Wärmeträger zu halten.
  • Die Vorteile dieses einfachsten Schaltschemas sind die folgenden: Erstens betragen die Anschaffungskosten eines solchen Wärtneaustauschers nur einen Bruchteil der bisherigen Wärmetauscher. Zweitens sind die Druckverluste sowohl in der Abluft- wie auch in der Druckluftkatntner von einer Größenordnung von nur einigen zehn min M'S. Schließlich kann ein Rückgewinnungsgrad von mindestens 9511o erreicht werden.
  • Bekanntlich besteht einer der größten Vorteile des geschlossenen Kreislaufes darin. mit absolut staubfreier Luft arbeiten zu können, Mittels des skizzierten Wärmeaustauschers ist es möglich, diesen Vorteil auch bei offenen Kreislaufschaltungen zu erreichen, und zwar auch dann, wenn der Brennstoff eine aschenreiche Kohle ist. Die einfachste Form einer Heißluftturbine ist in dem Schaltschema der Fig.2 wiederegeben.
  • Der Wärmeträger wird auch hier aus dem Bunker3 durch die Schleuse4 in die Kammer2 eingetragen, wo er mittels im Brenner 12 erzeugter Rauchgase z. B. auf 750 bis 800° C aufgeheizt wird. Die erhitzten Körnchen laufen dann durch die Schleuse 6, Zwischenbunker 13 und Schleuse 14 in den Lufterhitzer 7, von wo aus sie durch die Austragevorrichtung 9 entfernt und erneut auf den Bunker 3 aufgegeben werden. Die Druckluft wird durch den Verdichter 8 in den Lufterhitzer 7 und von hier, auf z. B. 700° C erhitzt, in die Turbine 1 gedrückt. Die warme Turbinenabluft von z. B. 380 C dient als Verbrennungsluft. indem sie den aus einem Behälter 15 kommenden Brennstoff, z. B. Kohlenstaub, verbrennt. Aus der Kammer 2 werden die Verbrennungsgase z. B. mit einer Temperatur von 150° C in den Kamin 5 geleitet.
  • Die Vorteile dieser Anordnung sind augenfällig. Obwohl in der Fig.2 ein offener Turbinenkreislauf gezeigt wurde, vereinigt er in sich die Vorteile der geschlossenen Kreislaufschaltung. Erstens wird der Brennstoff unter atmosphärischem Druck verbrannt, somit ergibt sich für die Kammer 2 und den Brenner 12 eine sehr einfache und wohlfeile Konstruktion. Zweitens kann im Brenner auch die aschenreichste Kohle verfeuert werden. Dies um so mehr, da verschiedene Möglichkeiten vorhanden sind, die Kohlenasche aus dem Rauchgas abzuscheiden, bevor dieses mit dem Wärmeträger in Berührung kommt, oder aber den Wärmeaustausch so zu führen, daß die Aschenpartikeln mit den Rauchgasen gemeinsam nach oben fliegen. Eine der wirksamsten Methoden ist, den Brenner z. B. als Zyklonbrenner auszubilden, wobei die Kohlenasche dank der heißen Turbinenabluft praktisch restlos als flüssige Schlacke anfällt. Diese Schlacke kann dann kontinuierlich oder periodisch aus dem Brenner noch vor der Kammer2 entfernt werden. Um die Asche praktisch restlos in flüssige Schlacke hinüberzuführen, wird zweckmäßig nur ein kleinerer Teil der Abluft direkt zu dem Brenner geführt, der größere Teil aber geht unter Umgehung des Brenners direkt in die Kammer 2.
  • Dadurch, daß die beiden Kammern 2 und 7 voneinander völlig getrennt sind und in die Kammern nur körniges Material als Wärmeträger eingeführt wird, bleibt die Druckluft absolut rein. Schließlich ergibt sich ein erhöhter thermischer Wirkungsgrad, da die Wärme der Turbinenabluft unter Ausschaltung eines den Wirkungsgrad verschlechternden Wärmeaustauschers rückgewonnen wird.
  • Bei größeren Anlagen und bei sehr aschenreichen Kohlen kann man auch so arbeiten, daß die flüssige Schlacke vorzugsweise in einem separaten Lufterhitzer die Rolle eines Wärmeträgers übernimmt. In diesem Falle kann auch die Schlackenwärme unter Steigerung des Wirkungsgrades ausgenutzt werden.
  • Ein noch höherer Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die restliche Luftmenge nicht zu den Rauchgasen des Brenners gemischt wird. In diesem Fall herrscht in der Kammer 2 eine sehr hohe Temperatur; somit kann der Wärmeträger auf weit über 1000° C liegende Temperaturen erhitzt oder geschmolzen werden, wobei die im Lufterhitzer abgekühlte Schlacke in Form von Schlackensand gewonnen und wieder, wenn notwendig, ganz oder teilweise zum Einschmelzen gebracht wird. Somit ist es möglich, den Wärmeaustausch ausschließlich durch die eigene Kohlenasche durchzuführen. Die fühlbare Wärme der restlichen Abluftmenge kann in diesem Falle in einem angeschlossenen Wärmeaustauscher zur Erhitzung von weiteren fluidisierten Wärmeträgern ausgenutzt werden. Fig. 3 zeigt eine derartige Anlage im Schema.
  • Der linke Teil entspricht im Prinzip der Schaltung nach Fig. 2, nur daß die Erhitzerkammer des Wärmeträgers als Schlackenschmelzkammer 2a, der Zwischenbunker als Schlackensammler 13a. und die Schleuse zur Erhitzerkammer 7 des Treibgases als Verteilleitung 14a. für die flüssige Schlacke ausgebildet ist. Außerdem ist an die von der Gasturbine 1 zum Brenner 12 führende Abluftleitung bei 16 eine Zweigleitung 17 angeschlossen. Durch diese strömt eine regelbare Teilmenge der noch heißen Turbinenabluft in eine Erhitzerkammer 18, wo ihre Restwärme zum Erwärmen des weiteren fluidisierten, d. h. im Wirbelschichtzustand befindlichen Wärmeträgers ausgenutzt wird. Aus der Kammer 18 entweicht die abgekühlte Luft in einen Kamin 5 a, der gegebenenfalls mit dem Kamin 5 vereinigt werden kann.
  • Der im Kreislauf geführte weitere Wärmeträger gelangt aus einem Bunker 19 durch eine Schleuse 20 in die Kammer 18 und nach Aufheizung in ihr durch eine Schleuse 21 in einen Dampferzeuger 22. Hier kommt der Wärmeträger in unmittelbare und innige Berührung mit Speisewasser, das durch eine Pumpe 23 in den Raum 22 gedrückt und hier verdampft wird. Der erzeugte Wasserdampf von beispielsweise 350° C und 30 atü wird in einer Dampfturbine 25 ausgenutzt und als Abdampf einem Kondensator 26 zugeleitet. Das hier anfallende Kondensat fließt in geschlossenem Kreislauf der Pumpe 23 zu. Der fast bis auf die Temperatur des Speisewassers bzw. Kondensates abgekühlte Wärmeträger wird aus dem Dampferzeuger 22 mittels einer Fördereinrichtung 24 wieder auf den Bunker 19 aufgegeben.
  • Wenn die Temperatur der aus der Kammer 7 zur Gasturbine 1 strömenden Druckluft im Einzelfalle zu hoch sein sollte, kann ihr durch eine absperrbare Zuleitung 27 eine regelbare Teilmenge der vom Kompressor 8 kommenden kälteren Druckluft zugesetzt werden. Die aus der Erhitzerkammer 18 entweichende abgekühlte Luft kann man wieder in den Kompressor 8 einleiten, wodurch ein teilgeschlossener Kreislauf entsteht.
  • Der thermische Wirkungsgrad einer Anlage nach Fig. 3 ist aus folgenden Gründen besonders hoch: Wegen des großen Wärmeinhalts der flüssigen Schlacke, die in Kammer 7 als unmittelbarer Wärmeträger dient, braucht man nur eine verhältnismäßig kleine Schlackenmenge durch diese Kammer zu führen. Dementsprechend sinkt bei gleicher Endtemperatur der restliche Gesamtwärmeinhalt des die Kammer 7 abgekühlt verlassenden Wärmeträgers. Zur Wiederverflüssigung dieser kleinen Schlackenmenge ist nur weniger Wärme erforderlich, d. h., im Brenner 12 wird nur weniger Brennstoff und Verbrennungsluft benötigt. Demzufolge sinkt die Verlustwärme der aus dem Erhitzer 2 a zum Kamin 5 strömenden Rauchgase. Die Turbinenabluft kann in der Kammer 2a in Form von Rauchgas bestenfalls bis auf etwa 200 bis 150° C, in dem Erhitzerraum 18 dagegen bis auf etwa 50° C abgekühlt werden. Die aus der Kammer 18 entweichende Teilmenge der Abluft enthält demnach wesentlich weniger Verlustwärme.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, den aus dein Dampferzeuger 22 austretenden Dampf der aus dem Verdichter8 kommenden Druckluft zuzusetzen, so daß in Kammer 7 beide auf die Betriebstemperatur erhitzt werden.
  • Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine arbeitet man nicht selten mit Vor- bzw. Zwischenkühlung des Treibgases zwischen den einzelnen Kompressorstufen, wobei die abgeführte Wärme verlorengeht. Man kann derartige Zwischenkühler als Dampferzeuger entsprechend dem rechten Anlageteil der Fig.3 ausbilden. Zur Erzeugung von Wasserdampf von 8 bis 10 atü genügt schon ein verhältnismäßig kühles Treibgas von etwa 180 bis 200° C. Die Temperatur und Spannung des erzeugten Wasserdampfes läßt sich gegebenenfalls dadurch erhöhen. daß man ihm mit einem kleinen Teilstrom der flüssigen Schlacke aus Behälter 13a. in unmittelbare Berührung bringt. Dieser Teilstrom kann je nach seiner Endtemperatur noch durch die Kammer 7 geführt oder unmittelbar auf die Fördereinrichtung 9 aufgegeben werden.
  • Seit Erfindung der Gasturbine ist man bestrebt, in ihr mit möglichst isotherrner Expansion des Treibgases arbeiten zu können. Das wird bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Anlage verwirklicht. Es sind einfachheitshalber drei Turbinenstufen angenommen. denen das Treibgas, im vorliegenden Fall Druckluft, mit möglichst gleicher Anfangstemperatur zugeführt werden soll.
  • Zu diesem Zweck gelangt die in der ersten Turbinenstufe teilweise entspannte und abgekühlte Druckluft in einen Aufheizer28, von diesem in die zweite Druckstufe und über einen weiteren Aufheizer 29 zurück in die dritte Druckstufe. Die noch warme Abluft der Turbine strömt ebenso wie bei den Anlagen nach Fig. 2 und 3 dem Brenner 12 zu. Der in der Kammer 2 erhitzte Wärmeträger wird aus der Schleuse 6 in regelbaren Teilmengen in die parallel geschalteten Aufheizer 28 und 29 abgezogen und gelangt aus deren Bodenschleusen 30 über einen Zwischenbunker 31 durch die Schleuse 14 in die Lufterhitzerkammer 7 sowie aus dieser über die Fördereinrichtung 9 zum Bunker 3 zurück. Die im Kompressor 8 verdichtete und in der Kammer 7 erhitzte Luft strömt in eine Brennkammer 32, wo sie unter Brennstoffzufuhr aus einem Behälter 15 a, der zweckmäßig mit dem Behälter 15 vereinigt ist, teilweise verbrannt wird. Das entstehende heiße Rauchgas-Luft-Gemisch dient als Treibgas für die Turbine 1 und wird als Abgas im Brenner 12 bzw. in der Kammer 2 ausgenutzt.
  • Bei vorstehender Schaltung ist angenommen, daß die Restwärme des in Kammer 2 erhitzten und teilweise in den Aufheizern 28 und 29 abgekühlten Wärmeträgers nicht ausreicht, um in der Kammer 7 die als Treibgas der Turbine dienende Druckluft auf die gewünschte Eintrittstemperatur zu erhitzen. Arbeitet man aber in der Kammer 2 mit genügend hohen Temperaturen, so kann die Brennkammer 32 ganz fortfallen und die Druckluft aus der Kammer 7 unmittelbar der Turbine 1 zugeleitet werden. Es ist dann auch möglich, nur eine Teilmenge der Abluft der ersten und zweiten Turbinenstufe durch die Aufheizer 28 bzw. 29 zu schicken und diese auf Übertemperatur gebrachten Teilmengen dem kälteren Rest vor Eintritt in die nächste Turbinenstufe wieder zuzusetzen. Dadurch verringern sich in vorteilhafter Weise die Abmessungen der Aufheizer 28 und 29 und ihrer Verbindungsleitungen zur Gasturbine 1. Sofern die aus der Turbine entweichende Abluft nicht vollständig im Brenner 12 verbraucht wird, kann man ihren Rest in ähnlicher Weise wie im rechten Teil der Anlage nach Fig.3 zur Dampferzeugung ausnutzen. Als bisher ideale Form des Gasturbinenprozesses gilt der in der Literatur als Ericson-Zvklus bekannte Prozeß, wobei sowohl Kompression als auch Expansion durch mehrstufige Zwischenkühlung bzw. Zwischenerhitzung annähernd isotherm geführt werden. Man erreicht eine wesentliche Vereinfachung und Verbesserung des Ericson-Zyklus, in dem nur die Expansion annähernd isotherm gemäß der oben beschriebenen Maßnahmen durchgeführt ist, wogegen die Kompression bis auf geringe Verluste fast rein adiabatisch erfolgt. Dazu wird z. B. in der Fig. 4 an dem Lufterhitzer 7 ein Dampferzeuger im Sinne der Erfindung direkt im Strom der Wärmeträger angeschlossen, in dem die Restwärme des Wärmeträgers zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Der entstehende Dampf wird dein unter Druck stehenden Treibgas zugemischt und mit diesem auf Betriebstemperatur erhitzt.
  • Die Grundlage der folgenden Betrachtungen soll eine Hochofenanlage von 1200 t/Tag Roheisenerzeugung sein, wobei ebenfalls 1200 t/Tag = 50 t/Std. Schlacke anfällt. Die in dieser Schlackenmenge aufgespeicherte Wärmemenge beträgt z. B. bei 1300° C Temperatur rund 18,5 Mio kcal/Std., entsprechend dem Heizwert von 18500m3 Gichtgas von 1000kcal/nm3. Diese gewaltige Wärmemenge ging bisher restlos verloren und konnte zu keinem Zwecke ausgenutzt werden. Wird dagegen die flüssige Schlacke als Wärmeträger für Gaserhitzung verwendet, kann man finit dieser Wärmemenge in einer Gasturbine etwa 6000 kW erzeugen. Man kann zu diesem Zwecke verschiedene Gase wählen, doch bietet Luft verschiedene Vorteile. In diesem Falle werden Schwefel, Phosphor, Eisen, Koksreste usw. aus der Schlacke ausgebrannt und liefern eine nicht unbedeutende zusätzliche Wärineinenge,wodurch die Turbinenleistung auf 78000 kW gesteigert «-erden kann. Die Schlacke wird dann am Ausgang de: Lufterhitzers frei von Schwefel, Phosphor und organischen Verbindungen in Form von absolut trockenem Schlackensand gewonnen. Der Wert dieses Sandes ist viel höher als des bei 1 aßgrantilierung gewonnenen, schon deshalb. weil die teure Schlackensandtrocknung wegfällt. Wird nun ein Teil des Schlackensandes mit der eingesparten Gichtgasnietige von 18500 m3 wieder eingeschmolzen und zu der übrigen flüssigen Schlacke gesetzt, steigt die erzeugbare Strommenge auf 12000 bis 14000 kW.
  • Würde die Wärme des flüssigen Roheisens in einem zweiten Gaserhitzer ebenfalls zur Krafterzeugung ausgenutzt, könnte die Stromnierige bis auf etwa 1.6000 bis 18000 kW gesteigert werden. Die Ausnutzung der Roheisenwärme bringt aber auch andere technische und wirtschaftliche Vorteile, besonders dann, wenn reduzierende Gase, z. B. das Gichtgas selbst, aufgeheizt werden sollen. In diesem Falle werden nämlich die im Roheisen vorhandenen Metalloxyde reduziert, aber auch ein Teil des Kohlenstoffgehaltes zu C O umgewandelt. Das Roheisen wird demnach reiner und bis zu einem gewissen Grade gefrischt. Das Roheisen fällt am Ausgang des Gaserhitzers fein granuliert an. Dieses Granulat hat eine viel größere Oberfläche als die Masseln. Somit wird die Einschmelzgeschwindigkeit z. B. in einem Siemens-Martin-Ofen viel größer. Dies führt zu einer Leistungssteigerung des Martinofens.
  • Die erzeugbare Strommenge ist so groß, daß ausschließlich durch die Ausnutzung der Schlackenwärme der gesamte Strombedarf der Hütte einschließlich Walzwerke usw. in den meisten Fällen gedeckt werden kann.
  • Da sowohl Schlacke wie auch Roheisen periodisch anfallen, dagegen die Gasturbine kontinuierlich arbeiten muß, wird die flüssige Schlacke und gegebenenfalls auch das Roheisen in entsprechend dimensionierten Hochbehältern angesammelt. Besonders der Schlackenbeh=älter ist mit einer Beheizung zu ver-.ehen, auch zum Zwecke, dort weitere Schlacken oder Schlackenbildner einschmelzen zu können. Dieser Behälter erfüllt erfindungsgemäß auch andere technische und wirtschaftliche Ziele. Wie bekannt, enthält die Hnchofenschlacke immer Eiseneinschlüsse, welche bisher nur vereinzelt und nur unvollständig aus der Schlacke rückgewonnen wurden. Der hierdurch bedingte Eisenverlust steigt besonders bei heiß erblasenen Spezialeisensorten manchmal auf 8 bis 100;'o, und zwar zufolge der hoben Viskosität der Schlacke. In dem Behälter kann das spezifisch schwerere Eisen niedersinken und abgestochen, somit praktisch restlos zurückgewonnen werden. Auch kann man hier die Schlackenqualität durch entsprechende Zuschläge verbessern. Wie bekannt, neigen einige Schlacken besonders bei rascher Abkühlung zum Zerfall. wodurch die Turbinenluft während ihrer Erhitzung Staub aufnehmen könnte.
  • Fig. 5 zeigt schematisch die Verwertung der Schlacken- und Eisenwärme zur Krafterzeugung. Aus dem Hochofen 33 wird die flüssige Schlacke in die Pfanne 34 und das ebenfalls flüssige Roheisen in die Pfanne 35 abgestochen. Beide Medien werden mittels nicht gezeichneter Krane auf die Sammelbehälter 36 und 37 transportiert.
  • Aus dem Schlackenbehälter 36 wird das Roheisen durch die Abstichöffnung 36a zeitweise entfernt. Dieser Behälter ist oben mit einem Aufbau 2a entsprechend Fig. 3 versehen. Durch die Schleuse 4 kann hier Schlackensand usw. eingebracht werden, welcher, nach unten fallend, durch die heißen Rauchgase des Brenners 12 erhitzt und eingeschmolzen wird. Die flüssige Schlacke wird durch die Leitung 14a in den Lufterhitzer 7 geleitet und dort z. B. durch komprimierte Luft zerstäubt. Der erkaltete Schlackensand wird aus dem Lufterhitzer durch eine Austragevorrichtung 38 geschleust und z. B. in einer Pfanne 39 gesammelt. Der Schlackensand wird von hier teils abgefahren, teils z. B. mit Kran auf den Bunker 3 des Aufbaues 2a gehoben. Die erhitzte Druckluft aus dem Lufterhitzer 7 wird, gegebenenfalls durch einen kalten Teilstrom der Druckluft auf eine entsprechende Temperatur erniedrigt, in die Gasturbine 1 geleitet. Die Gasturbine 1 treibt durch direkte Kupplung den Verdichter 8 an, aus dem die Druckluft in den Lufterhitzer 7 gelangt. Die entspannte Luft wird zum Teil oder im ganzen den beiden Brennern 12 und 40 als Verbrennungsluft zugeführt.
  • Aus dem beheizten Roheisenbehälter 37 fließt das Roheisen durch eine Leitung 41 in einen Gaserhitzer 42, wo es auf eine beliebige Art in feine Tropfen zerlegt wird. Das Gichtgas gelangt nach vorheriger (nicht gezeichneter) Entstaubung durch eine Leitung 43 zu einem Verdichter 44, der es in den Gaserhitzer 42 drückt. Das hier erhitzte Gas gelangt in eine Gasturbine 45. Auch hier kann die benötigte Temperatur durch Zumischen kalten Gases eingestellt werden. Das entspannte Gas dient dann zum Teil oder im ganzen zur Deckung des Wärmebedarfes der Beheizung der beiden Behälter 36 und 37, indem es den Brennern 12 und 40 zugeführt wird. Das im Gaserhitzer 42 granulierte Roheisen wird durch eine Fördereinrichtung 46 zum Verwendungsort gebracht.
  • Selbstverständlich kann man auch hier die Kombination, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, anwenden, d. h. eine Abhitzedampfkraftanlage anschließen und/oder mit isothermischer Expansion arbeiten. Wird in der Turbine 1 die Expansion z. B. bei 2 atü beendet, kann die Turbinenabluft auch als Hochofenwind verwendet werden, wodurch das Windgebläse eingespart werden kann.
  • Gemäß anderen und noch nicht veröffentlichten Vorschlägen können Brennstoffe mit Wasserdampf derart vergast oder Kohlenwasserstoffe umgeformt werden, claß der Wärmebedarf der endothermen Reaktionen mit Hilfe von fluidisierten oder feuerflüssigen, im Wirbelschichtzustand befindlichen Feststoffen als Wärmeträger gedeckt wird. Diese Verfahren haben den großen Vorteil, daß die Vergasung oder Umformung unter beliebig hohem Druck durchgeführt werden kann. Das erzeugte Gas steht dann unter erhöhtem Druck und bei einer Temperatur von etwa 700 bis 1000° C zur Verfügung. Die Wärmeträgerkörnchen verlassen in diesem Falle den Umwandlungsraum ebenfalls bei etwa denselben Temperaturen. Es besteht demnach die Möglichkeit, die Spannungs- und Wärmeenergie der Gase und die Restwärme des Wärmeträgers gemäß Fig.6 zur Krafterzeugung zu verwerten.
  • Der in der Kammer 2 erhitzte Wärmeträger gelangt in regelbaren Teilmengen teils über eine Schleuse 47 in einen Dampferzeuger 48, der von einer Pumpe 49 aus mit Wasser gespeist wird, teils über eine Schleuse 50 in eine Kammer 51. Diese dient als Vergasungskammer für flüssige Brennstoffe, die aus dem Behälter 15 durch eine Leitung 53 durch einen Zerstäuber 54 zugeführt werden. Als Vergasungsmittel wird der in der Einrichtung 48 erzeugte Wasserdampf durch eine Leitung 52 in dieKammer 51 eingeleitet. Das in dieser Kammer anfallende Gas hat beispielsweise eine Temperatur von etwa 900° C und ist daher zur Krafterzeugung in der Gasturbine 1 zu heiß. Es kann durch Zusatz des im Kompressor 8 erzeugten kälteren Druckgases in einer Mischkammer 55 auf die gewünschte Eintrittstemperatur gebracht werden. Das in der Turbine 1 ausgenutzte Gasgemisch gelangt durch eine Abgasleitung 56, in die ein Wärmeaustauscher 57 eingeschaltet ist, zum weiteren Verwendungsort. Hinter dem Wärmeaustauscher57 kann eine regelbare Menge des abgekühlten Abgases durch eine Leitung 58 dem Kompressor 8 zugeführt werden. Dieser drückt die umlaufende verdichtete Teilmenge entweder in die Erhitzerkammer 7 und aus dieser in die Mischkammer 55 oder durch die Leitung 27a unmittelbar in die Mischkammer. In dieser vereinen sich also drei Gasströme. Durch entsprechende Regelung der Teilströme läßt sich ohne weiteres erreichen, daß das der Turbine 1 zuströmende Treibgas die günstigste Eintrittstemperatur von etwa 700° C besitzt. Der Wärmeaustauscher 57 dient zur Vorwärmung der dein Brenner 12 durch eine Leitung 59 zuströmenden Verbrennungsluft. Aus der Kammer 7, die von der Vergasungskammer 51 durch eine gasdichte Druckschleuse 60 getrennt ist, gelangt der abgekühlte Wärmeträger über die Fördereinrichtung 9, die auch die aus dem Dampferzeuger 48 kommende Teilmenge aufnimmt, wieder in den Bunker 3 zurück.
  • In ähnlicher Weise lassen sich auch andere Spalt-oder Vergasungsgase zum Antrieb der Gasturbine 1 ausnutzen. Selbstverständlich kann man das Schema nach Fig. 6 auch mit den Schemas nach Fig. 3 und/ oder 4 kombinieren. Wird in der Vergasungskammer 51 unter hohem Druck gearbeitet, so kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, den im Kompressor 8 wieder verdichteten und in der Kammer 7 erhitzten Teilstrom in einer besonderen Niederdruckturbine auszunutzen. In diesem Fall müßte der Hauptgasstrom aus der Kammer 51 in anderer Weise, z. B. durch Teilabkühlung zur Vorwärmung des durch die Leitung 53 zufließenden Brennstoffes, auf die erforderliche Temperatur von etwa 700° C vor Eintritt in die Turbine 1 gebracht werden. Auch bei dieser Ausführungsmöglichkeit tritt der Wärmeträger aus der Kammer 51 mit etwa der gleichen Temperatur wie am Ausgang der Kammer 51 in die Kammer 7 über. Es ist daher vorteilhaft, zur Vermeidung von übertemperaturen den im Kompressor 8 verdichteten Gasstrom nur teilweise durch die Kammer 7 zu schicken.
  • Durch die geschilderte Kombination einer einfachen Heißgasturbine mit einem Verdichter unter Ausnutzung der Restwärmemengen des Wärmeträgers kann die Krafterzeugung in sehr weiten Grenzen beliebig geändert werden. Wird weniger Kraft benötigt, kann die Kompressortätigkeit eingeschränkt, sogar vollständig abgeschaltet werden. In diesem Falle arbeitet die Gasturbine nur als eine einfache Expansionsturbine. Die Restwärme des Wärmeträgers wird dann zu anderen Zwecken, aber vorzugsweise innerhalb des Vergasungsprozesses ausgenutzt, Selbstverständlich kann auch in diesem Falle die Hochofenschlacke u. dgl. die Rolle des Wärmeträgers übernehmen, d. h. daß die Schlackenwärme nicht nur zur Krafterzeugung, sondern zugleich auch für die gleichzeitige Erzeugung von Industriegase ausgenutzt wird.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß man auch solche Stoffe für den Antrieb der Gasturbine verwenden kann, welche bisher aus allen Gebieten der Krafterzeugungstechnik ausgeschlossen waren. Es ist nämlich eine ganze Reihe solcher Stoffe vorhanden, welche bei atmosphärischen Bedingungen fest, aber bei 200 bis 400° C, d. h. bei der Endtemperatur, wo sie die Gasturbine verlassen würden, noch immer gasförmig sind. Es werden vorzugsweise solche Stoffe zu diesem Zwecke herangezogen, welche bereits bei verhältnismäßig niedrigeren Temperaturen sublimiert werden können, deren Gase aber bei 700° C herum noch wärmebeständig sind. Solche Stoffe findet man sowohl in der anorganischen wie auch in der organischen Industrie in großer Anzahl. Die Restwärme dieser Stoffe kann in einem Wärmeaustauscher wiederum zur Luftvorwärmung usw. ausgenutzt werden, wobei sie in fester oder flüssiger Form anfallen. Sie werden dann erneut dem Erhitzerraum zugeführt und dort in den gasförmigen Zustand gebracht. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, daß zu dem Betrieb der Gasturbine unter Umständen überhaupt kein Verdichter notwendig ist.
  • Da im Gaserhitzer unter Umständen Gastemperaturen von z. B. 1500° C vorkommen können, wobei das Gas unter sehr hohem Druck stehen kann, wird zweckmäßig der Erhitzer in diesen Fällen doppelwandig und zweckmäßigerweise innen mit feuerfestem oder Isoliermaterial ausgekleidet ausgeführt. In dem Mantel wird vorzugsweise derselbe Druck wie innen aufrechterhalten, z. B. dadurch. daß ein Kaltgasstrom durch den Mantel geführt wird.

Claims (15)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen unter Verwendung von feinkörnigen festen oder flüssigen. feinverteilten Wärmeträgern, die durch unmittelbaren Wärmeaustausch mit einem Heizrliedium auf die erforderliche Temperatur gebracht werden, zur Erhitzung des unter Überdruck stehenden Treibgases der Turbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträger sich im Wirbelschichtzustand befinden, d. h. so weit äußerst fein verteilt oder dispergiert sind, bis sie aerodynamischen Gesetzen unterliegen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß feuerflüssige Wärmeträger während des Kreislaufes abwechselnd eine feste und die flüssige Phase durchlaufen, beispielsweise so, daß sie in flüssiger Phase in Wärmeaustauschkammern eingebracht und in fester Phase aus diesen abgezogen werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teilstrom des Gases durch den Gaserhitzer geleitet wird, wo er auf eine möglichst hohe Temperatur gebracht wird, und die erforderliche niedrigere Eintrittstemperatur in die Turbine durch Zumischen des anderen, kälteren Teilgasstromes eingestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Wärmeträgers in einem von dem Gaserhitzer räumlich getrennten, aber funktionell zusammenhängenden Raum durch Verbrennung eines beliebigen Brennstoffes, beispielsweise eines aschenreichen Kohlenstaubes, mit kalter oder vorgewärmter Luft erfolgt und der Wärmeträger mittels einer drucksicheren Eintragevorrichtung in den Gaserhitzer eingeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger solche Stoffe verwendet werden, welche in einem chemischtechnologischen Prozeß. beispielsweise als Hochofenschlacke oder als Klinker der Zementerzeugung, in hocherhitztem oder flüssigem Zustand anfallen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch anfallenden Stoffe. beispielsweise die Hochofenschlacke oder das Roheisen. in einem vorzugsweise beheizten Behälter gesammelt werden, woraus sie zum Zwecke der Gaserhitzung in beliebig geregeltem Strom kontinuierlich entnommen werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas eines Hochofens zum Teil oder im ganzen zur Einschmelzung weiterer Schlacken oder Gesteine benutzt wird und deren Wärmeinhalt ebenfalls in einem Gasturbinenprozeß ausgenutzt wird. B.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verbesserung der Schlackenqualität zu der in dem Behälter befindlichen Schlacke entsprechende Zuschläge gesetzt werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme- und Spannungsenergie eines Gases, welches mit Hilfe von im Wirbelschichtzustand befindlichen oder feuerflüssigen Stoffen unter erhöhtem Druck erzeugt wurde, in der Weise in einer Gasturbine zur Krafterzeugung ausgenutzt wird, daß das in der Gasturbine entspannte Gas in einem Kompressor wieder auf demselben Anfangsdruck komprimiert und mittels der Restwärme des dem Reaktionsraum verlassenen Wärmeträgers erneut auf hohe Temperatur erhitzt wird, wobei gegebenenfalls ein Teil des Kaltgases zur Temperaturerniedrigung direkt dem Heißgas zugemischt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gaserhitzer solche Stoffe zur Verdampfung bzw. zur Sublimierung gebracht werden, deren Siedepunkt über der Endtemperatur der Gasturbine liegt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Luft als Treibgas der Turbine die Turbinenabluft ohne Abkühlung als Verbrennungsluft für die Verbrennung des Brennstoffes verwendet wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Brenngases als Treibgas der Turbinen ein Teil des Turbinenabgases ohne Abkühlung als Brennstoff zwecks Erhitzung des Wärmeträgers und der Wärmeinhalt des anderen Teiles zur Vorwärmung der Verbrennungsluft verwendet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet. daß bei Verwendung eines inerten Gases als Treibgas der Turbine die Abwärme des entspannten Gases zur Vorwärinung des Brennstoffes und/oder der Verbrennungsluft ausgenutzt wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasabwärme in einer nachgeschalteten Dampfturbine ausgenutzt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger für die nachgeschaltete Dampfturbine mittels im Wirbelschichtzustand befindlicher. vorzugsweise im Kreislauf geführter Wärmeträger beheizt wird.
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