DE1104264B

DE1104264B - Verfahren zum Verwerten fester Brennstoffe in Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE1104264B
Application number: DEP16809A
Authority: DE
Original assignee: Prvni Brnenska Strojirna Zavody Klementa Gottwalda Narodni Podnik
Current assignee: Prvni Brnenska Strojirna Zavody Klementa Gottwalda Narodni Podnik
Priority date: 1955-08-24
Filing date: 1956-08-09
Publication date: 1961-04-06
Also published as: GB952814A; GB836714A; CH346399A; FR1191510A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren, bei denen zuerst der feste Brennstoff unter Druck zu Rohgas vergast wird und bei denen der dadurch entstehende gasförmige Treibstoff, nämlich das Rohgas, auf nassem Weg entstaubt wird, bevor in der Brennkammer einer Gasturbine die Verbrennung erfolgt.

Der Hauptvorteil aller dieser Verfahren besteht darin, daß die nasse Entstaubung einen sehr verläßlichen Schutz gegen mechanische Einwirkungen des sonst in den Kohleverbrennungsprodukten vorhandenen Staubgehaltes auf die Gasturbinenschaufeln bietet. Eine nasse Entstaubung kann nur bei niedrigen Gastemperaturen erfolgen, also nicht bei Kohlerauchgasen mit einer Temperatur von etwa 600 bis 700^tO C, die in direkter Kohleverbrennung vor dem Eintritt in die Gasturbine entsteht. Der VerbrennungsVorgang muß daher in zwei Stufen aufgeteilt werden. Die erste Stufe (Vergasung fester Kohle) liefert das Rohgas von entsprechend niedriger Temperatur. Die zweite Stufe (Verbrennung des staubfreien Rohgases in der Brennkammer) stellt die endgültige vollkommene Verbrennung dar.

Den bekannten Verfahren liegen folgende Arbeitsbedingungen zugrunde:

a) Es muß Wasserdampf als unerläßlicher Zusatz zur Vergasungsluft in einem besonderen Mitteldruckdampfkessel (Wärmeaustauscher) erzeugt und erwärmt werden; eine solche Anlage benötigt erhebliche Wassermengen., die zudem noch aufbereitet werden müssen.

b) Bei der nassen Entstaubung des Rohgases wird es zwangläufig abgekühlt; ein wesentlicher Teil der fühlbaren Wärme des Gases wird im Sinne des zweiten Wärmehauptsatzes entwertet und durch Reinigungswasser abgeführt, so daß der Gesamtwirkungsgrad des zweistufigen Verbrennungsvorganges durch den Zahlenwert des thermischen Wirkungsgrades der Druckvergasung begrenzt ist.

c) Die zur Vergasung kommende Kohle muß vor- <io getrocknet werden, damit der thermische Vergasungswirkungsgrad so hoch wie nur möglich gehalten wird.

d) Das phenolhaltige Reinigungswasser muß vor dem Eintritt in den Staubabscheider gekühlt werden, wofür ein Kühlsystem, unter Umständen ein Kühlturm, benötigt und weiter Wasser verbraucht wird.

Eine Gasturbinenkraftzentrale ist nun nur dann technisch und wirtschaftlich gerechtfertigt, wenn ihre Anschaffungs- und Betriebskosten günstiger liegen als die Kosten für die üblichen Dampfkraftzentralen und wenn sie mit einem bedeutend geringeren Wasserverbrauch arbeitet. Sonst werden die er-Verfahren

zum Verwerten fester Brennstoffe
in Gasturbinenanlagen

Anmelder:

Prvni brnenskä strojirna,
zävody Klementa Gottwalda,

narodni podnik,
Brunn (Tschechoslowakei)

Vertreter: Dr.-Ing. L. Hirmer, Patentanwalt,
Berlin-Halensee, Katharinenstr. 21

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 24. August 1955

höhten Werkstoffansprüche der Gasturbine und ihre geringere Betriebssicherheit nicht aufgewogen. Die unter α bis d erwähnten Arbeitsbedingungen sind nachteilig. Sie lassen weder eine Vereinfachung der Anlage zu, noch versprechen sie einen besseren Wirkungsgrad und einen geringeren Wasserverbrauch im Vergleich zur üblichen Dampfkraftzentrale.

Durch die Erfindung wird das Verfahren vereinfacht. Der Gesamtwirkungsgrad wird weitgehend erhöht. Der Wasserverbrauch wird in einem hohen Maß begrenzt, und die erläuterten Vorteile werden beibehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verwerten fester Brennstoffe in Gasturbinenanlagen, bei dem der feste, nicht vorgetrocknete Brennstoff zuerst unter Druck zu Rohgas vergast wird und bei dem der dadurch entstehende gasförmige Treibstoff, nämlich das Rohgas, auf nassem Weg entstaubt wird, bevor in der Brennkammer die Verbrennung erfolgt, ist dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Druckvergaser austretende Rohgas mit Wasserdampf gesättigt ist und daß vor dem Eintritt des Rohgases in die Naßwäsche Temperaturgleichheit zwischen dem Rohgas und dem Waschwasser der Naßwäsche besteht.

Als Vergasungsmittel (Generatorwind) werden Rauchgase einer konstanten, von der Vergaserbelastung unabhängigen Zusammensetzung verwendet, die durch Verbrennung einer Teilmenge des im Druckvergaser erzeugten und danach entstaubten Rohgases

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mit einer entsprechenden Teilmenge der Druckluft aufbereitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entstammt der Wasserdampfgehalt im Vergasungsmittel (Generatorwind) der Feuchtigkeit und dem Wasserstoffgehalt des festen Brennstoffes.

Ferner wird ein weiterer Anteil an Wasserdampf im Vergasungsmittel (Generatorwind) durch innere Verdampfung von regenerativ erwärmtem Zusatzwasser in der für das Vergasungsmittel erforderliehen Luft gewonnen, wobei als zurückzugewinnende Wärme der Wärmeinhalt der Abgase und das kalorische Äquivalent der Verdichtungsarbeit auzusehen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend mit den bekannten Verfahren verglichen.

a) Beim erfindungsgemäßen Verfahren dienen als Vergasungsmittel Verbrennungsprodukte, die durch die Verbrennung eines Teiles des Generatorgases aufbereitet werden. Die Menge des hierfür aufgewendeten Rohgases ist ungefähr die gleiche, die zur Heißdampferzeugung nach dem üblichen Verfahren nötig ist. Das Vergasungs mittel enthält außer Stickstoff und Sauerstoff auch Kohlendioxyd und Wasserdampf. Er entstammt der natürlichen Kohlefeuchtigkeit und dem Wasserstoffgehalt. Der Kohlendioxydanteil vertritt gewissermaßen den Wasserdampf. Beide Stoffe, zusammen mit dem Sauerstoff, sichern in richtiger Konzentration einen stabilen Vergasungsbetrieb. Es erübrigt sich die gesonderte Heiß dampferzeugung.

b) Die Temperatur und die Zusammensetzung des Vergasungsmittels sollen derart sein, daß das Rohgas den Generator im Zustand eines gesättigten Wasserdampf-Gas-Gemisches verläßt. Die Anreicherung mit Wasserdampf erfolgt durch die Trocknung der Kohle in der obersten Schicht des Generatorschachtes. Das umlaufende Reinigungswasser und das Rohgas sollen gleiche Tempera- türen haben. Hierbei fehlen die Bedingungen für den Wärmeaustausch zwischen dem Rohgas und dem Wasser. Es bleibt die ganze fühlbare Wärme des Rohgases erhalten, und sie wird der Brennkammer zugeführt. Der Gesamtwirkungsgrad der zweistufigen Verbrennung wird, bezogen auf den oberen Heizwert der Kohle, nahezu 100%. Er wird lediglich durch die Strahlungs- und die Ascheverluste vermindert. Die Wärmedifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Heizwert der Kohle wird dem Arbeitsprozeß zugeführt. Sie leistet eine positive Expansionsarbeit in der Gasturbine, während sich die negative Verdichtungsarbeit lediglich auf die trockene Luft bezieht. Der Wärmeträger ist in diesem Fall die verdampfte Kohlefeuchtigkeit, so daß mit Recht ein solcher Kreisprozeß als gemischter Zweistoffprozeß bezeichnet werden kann. Handelt es sich um die Verarbeitung von sehr feuchter Kohle, ist dieser Umstand von großer Bedeutung, zumal die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Heizwert wesentlich höher liegen kann als die direkten Wärmeverluste nach außen. So können beispielsweise bei Ligniten sich die beiden Heizwerte um 15 bis 20% voneinander unterscheiden, während die Wärmeverluste nur etwa 10% ausmachen können, so daß der Gesamtwirkungsgrad der zweistufigen Verbrennung, bezogen auf den unteren Heizwert der Kohle, mehr als 100% betragen kann.

c) Eine Vortrocknung der Kohle verliert nach den vorhergehenden Ausführungen jeden Sinn.

d) Da bei der Staubabscheidung kein Wärmeaustausch erfolgt, kann das umlaufende Reinigungswasser keine Temperaturerhöhung erfahren. Es erübrigt sich eine Kühlung. Vielmehr ist es erforderlich, den Kreislauf des Reinigungswassers so gut wie möglich zu isolieren, damit seine Temperatur unverändert bleibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beiden Figuren gezeigt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Zusatzwasser-Einspritzung.

Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung mit Zusatzwasser-Einspritzung.

In beiden Fällen besteht die Anordnung für den Arbeit leistenden Kreisprozeß aus einem Luftverdichter A', aus einer Gasturbine T, aus einem Drehstromerzeuger^i, aus einem Oberflächenregenerator V₁ und aus einer Brennkammer SK. Die Gas erzeugende Anlage besteht aus einem Turbogebläse TD in fester Verbindung mit einer kleinen, durch Rauchgas angetriebenen Gasturbine, deren Ausführung den Aufladekompressoren für Dieselmotoren entspricht, aus einer Hilfsbrennkammer PSK, aus einem Druckvergaser G, aus einem Staubabscheider C, wie er z. B. bei Lurgi-Generatoren verwendet wird, aus einer Umlaufpumpe C₁ für das Reinigungswasser, aus einem Sättiger S₁, aus zwei kleinen Wärmeaustauschern V₂ und V₃ und aus drei Reglerventilen R₁, R₂, R_ä.

Die Anlage der Fig. 2 hat zusätzlich noch zwei Zwischenkühler CZi₁ und CiT₂, einen Zusatzwasservorwärmer V_t, einen Sättiger S₂ und eine Zusatzpumpe C₃.

Die Anlage gemäß der Fig. 1 arbeitet wie folgt: Im Turbokompressor K wird atmosphärische Luft auf den Arbeitsdruck verdichtet. Durch das Turbogebläse TD wird die Vergasungsluft in die Hilfsbrennkammer PSK angesaugt. Vom Sättiger S₁ wird ihr durch das von einem Thermostaten beeinflußbare Reglerventil R₁ die erforderliche Menge entstaubten Generatorgases zugeführt. In der Hilfsbrennkammer PSK erfolgt die Verbrennung mit einer konstanten Endtemperatur. Das entsprechende Vergasungsmittel mit einer konstanten Zusammensetzung strömt zum Wärmeaustauscher V_s und wird auf die für den Vergaser gewünschte Anfangstemperatur abgekühlt. Das mit Wasserdampf gesättigte und noch staubhaltige Rohgas gelangt aus dem Vergaser G in den Staubabscheider C und wird durch die Einspritzung von Umlaufwasser gleicher Temperatur entstaubt. Im Sättiger S₁ setzt sich bei einer geringen Strömungsgeschwindigkeit die durch das Gas mitgerissene, unverdampfte Feuchtigkeit ab. Dem Sättiger S₁ wird ein Teil des Gases für das Vergasungsmittel entnommen. Der restliche Großteil des Gases wird in den Wärmeaustauschern V₂, V₃ regenerativ erwärmt und strömt durch das Reglerventil R₂ in die Brennkammer SK.

Der Großteil der Druckluft hinter dem Verdichter wird im Wärmeaustauscher V₁ regenerativ erhitzt und strömt der Brennkammer SK zu. Aus der Brennkammer SK gelangen die Rauchgase in die mehrstufige Gasturbine T. Ein Teil der Rauchgase wird den letzten Turbinenstufen entnommen und strömt durch das Reglerventil R_s in die kleine Antriebsturbine des Turbogebläses TD, und dieser Teil der Rauchgase expandiert auf den Zustand des Rauchgas-Hauptstromes nach dem Verlassen der Turbine T. Beide Abgasströme werden in den Wärmeaustauschern V₁, V₂

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gemeinsam auf die Kamintemperatur abgekühlt. Die Reglerventile R₂, R_n werden gleichzeitig vom Geschwindigkeitsregler der Turbine gesteuert.

Die Anlage der Fig. 2 arbeitet ganz ähnlich. Es ist aber zusätzlich eine zweistufige Zwischenkühlung für die verdichtete Luft mittels der Kühler CiT₁ und CH₂ vorhanden, und das erwärmte Kühlwasser wird nach dem Austritt aus diesen Kühlern in dem als Zusatzwasservorwärmer dienenden Wärmeaustauscher V^ regenerativ weiter erwärmt und in den Sättiger S₂ eingespritzt. Auf diese Weise erfolgt eine Anreicherung der Vergasungsluft mit Wasserdampf. Beide Sättiger S₁ und S₂ sind mit Raschigringen oder ähnlichen Körpern gefüllt, um die Berührungsfläche zwischen dem Wasser und der Luft zu vergrößern. Das unverdampfte Wasser, das den Sättiger S₂ verläßt, wird mittels der Zusatzwasserpumpe C₃ mit Frischwasser aus einem Behälter N ergänzt und wieder in die Luftkühler HC₁ und HC₂ gefördert.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verwerten fester Brennstoffe in Gasturbinenanlagen, bei dem der feste, nicht vorgetrocknete Brennstoff zuerst unter Druck zu Rohgas vergast wird und bei dem der dadurch entstehende gasförmige Treibstoff, nämlich das Rohgas, auf nassem Weg entstaubt wird, bevor in der Brennkammer die Verbrennung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Druckvergaser austretende Rohgas mit Wasserdampf gesättigt ist und daß vor dem Eintreten des Rohgases in die

Naßwäsche Temperaturgleichheit zwischen dem Rohgas und dem Waschwasser der Naßwäsche besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsmittel (Generatorwind) Rauchgase einer konstanten, von der Vergaserbelastung unabhängigen Zusammensetzung verwendet werden, die durch Verbrennung einer Teilmenge des im Druckvergaser erzeugten und danach entstaubten Rohgases mit einer entsprechenden Teilmenge der Druckluft aufbereitet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfgehalt im Vergasungsmittel (Generatorwind) der Feuchtigkeit und dem Wasserstoffgehalt des festen Brennstoffes entstammt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Anteil an Wasserdampf im Vergasungsmittel (Generatorwind) durch innere Verdampfung von regenerativ erwärmtem Zusatzwasser in der für das Vergasungsmittel erforderlichen Luft gewonnen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 761 854, 803 621,
522, 847 526, 848 878, 904 367;

deutsche Patentanmeldung V2107Ia/46f (bekanntgemacht am 14.8. 1952);

französische Patentschriften Nr. 907 355, 1 003 516;

Buch »Gasturbinenkraftwerke« von L. Muril, Springer-Verlag, Wien, 1947, S. 67 und 73.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen