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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.