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Gasturbinenanlage mit einer Druckbrennkammer für festen Brennstoff
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einer Druckbrennkammer für festen
Brennstoff, bei der die unter Druck stehenden heißen Verbrennungsprodukte nach dem
Brennen abgekühlt und dann entstaubt und von festen Ascheteilen gereinigt werden,
worauf sie wieder erwärmt und der Gasturbine zugeführt werden.
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Das Bestreben, festen Brennstoff für den Betrieb von Gasturbinen zu
verwenden, ist nicht neu. Es ist eine Gasturbinenanlage bekannt, welche für den
Betrieb mit allen festen Brennstoffen in pulverisierter Form geeignet ist. Die Brennkammer
ist als Schmelzkammer, d. h. für flüssigen Schlackenabzug bei Betrieb mit niedrigem
Luftüberschuß und höchster Feuerraumtemperatur ausgebildet. Die Brennkammerwände
sind mit Rohren ausgekleidet, welche gegen die Feuerseite zu wärmeisoliert sind.
Diese Rohre werden von Luft als Kühlmittel, welche im Gasturbinenprozeß gleichzeitig
als Arbeitsmittel dient, durchströmt. Nach Austritt der Rauchgase aus der Brennkammer
werden diese durch Zusatz von Luft auf die Betriebstemperatur der Gasturbine abgekühlt.
Dann durchstreichen die Rauchgase noch einen Abscheider, in welchem die Reststaubabscheidung
erfolgt, und werden anschließend der Gasturbine zugeführt. Nach Durchströmen derselben
werden die Abgase auf bekannte Weise zum Vorwärmen der vom Kompressor gelieferten
Luft benutzt.
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Es sind auch in Hochofenanlagen betriebene Gasturbinenanlagen bekannt,
bei denen das Hochofengas in einer Brennkammer verbrannt, sodann entstaubt, anschließend
in einem Wärmetauscher gekühlt und schließlich einer Gasturbine zugeführt wird,
worauf das entspannte Gas in einem Wärmetauscher der Vorwärmung der verdichteten
Luft dient.
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Eine wesentliche Schwierigkeit, die bisher nicht erfolgreich überwunden
werden konnte, ist das Absondern der festen Reste aus den Verbrennungsprodukten,
die eine Erosion der Turbinenschaufeln verursachen und gegebenenfalls auch Niederschläge
in der Turbine bilden.
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Daher konnte das entstaubte Gas auch nicht einer Gasturbine direkt
zugeführt werden, sondern mußte zuvor in einem Wärmetauscher stark gekühlt werden,
damit keine aus der Entstaubungsanlage mitgerissenen heißen Staubteilchen unter
allzu hohem Druck in die Turbine eintreten und dort deren Zerstörung bewirken.
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Es ist eine Gasturbinenanlage bekanntgeworden, bei der aus festem
Brennstoff brennbares Gas erzeugt wird, welches in einer Brennkammer verbrannt wird
und dessen Verbrennungsprodukt zum Antrieb der Turbine benutzt wird. In dieser Anlage
wird das zu verbrennende Gas vorher gereinigt. Dazu dient ein Naßabscheider. Vor
dem Eintritt in den Naßabscheider wird der gasförmige Brennstoff in zwei Wärmetauschern
gekühlt. Der eine Wärmetauscher, der dem Druckgaserzeuger nachgeschaltet ist und
zuerst den gasförmigen Brennstoff kühlt, wobei dieser Wärmetauscher bei der höheren
Temperatur arbeitet, erwärmt die der Brennkammer zugeführte Luft. Der andere Wämetauscher,
der dem ersten Wärmetauscher nachgeschaltet ist und daher bei der niedrigeren Temperatur
arbeitet, dient einer Wiederaufwärmung des gasförmigen Brennstoffes. Diese Anlage
arbeitet zwar mit festem Brennstoff, sie braucht aber eine Anlage zur Umwandlung
des festen Brennstoffes in einen gasförmigen Brennstoff. Die Schwierigkeiten bei
der Staubabscheidung sind hier nicht so groß, da ja nur das zu verbrennende Gas
zu reinigen ist. Dieses wird jedoch durch die Schwierigkeit der Gaserzeugung erkauft,
die sich in den meisten Fällen nicht mit der Wirtschaftlichkeit durchführen läßt,
die man sich bei der Verwendung fester Brennstoffe erhofft.
Schwierigkeiten
der Staubabscheidung treten nicht nur bei der Verbrennung fester Brennstoffe auf,
sondern auch bei der Verbrennung von unraffinierten Schwerölen, in denen Schwermetalloxyde
als unverbrennbare, die Korrosion stark erhöhende Bestandteile im Gasstrom auftreten.
Eine bekanntgewordene Anlage scheidet diese Ascheteile dadurch ab, daß in einer
Vorbrennkammer eine unvollständige Verbrennung durchgeführt wird, so daß ein erheblicher
Teil des Öles die Vorbrennkammer als Brennbares Gas, ein weiterer Teil als Ruß und
nur ein weniger großer Teil als verbranntes Gas verläßt. Der Vorbrennkammer ist
ein Staubabscheider nachgeschaltet, in dem die Metalloxydasche mit Hilfe der Rußteile
niedergeschlagen wird, wobei Wasserdampf zur Verbesserung der Staubabscheidung zugefügt
wird. Die den Staubabscheider verlassenden Gase werden der Hauptbrennkammer zugeführt,
deren Abgase die Gasturbine antreiben. Bei derartigen Anlagen ist die Verwendung
von Naßabscheidern bekannt.
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In einer anderen bekanntgewordenen Anlage, in der feste Brennstoffe
unter Druck vergast werden und in der die Gase in einer zum Antrieb eines Luftverdichters
dienenden Hilfsturbine entspannt, danach in einer Brennkammer verbrannt und dann
der Hauptturbine zugeführt werden, werden die bereits in einem Wärmetauscher gekühlten
Abgase der Hauptturbine einem weiteren Wärmetauscher zugeführt, der der Erwärmung
der in die Hilfsturbine unter Druck eintretenden Gase dient. Eine Entstaubung wird
in dieser Anlage nicht vorgenommen.
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Für die Inbetriebnahme derartiger Gasturbinenanlagen ist es bekannt,
Hilfsbrennkammern zu benutzen, in denen zusätzlich Erdgas verbrannt wird, um beim
Anlaufen der Anlage die noch kalten Wärmetauscher anzuheizen und somit die Voraussetzungen
für die Inbetriebnahme zu schaffen.
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Eine andere Anlage arbeitet mit der Erwärmung von komprimierter reiner
Luft vor der Turbine in einem Wärmetauscher für hohe Temperaturen, der durch Kohlenverbrennungsgase
bei praktisch atmosphärischem Druck beheizt wird. Als Verbrennungsluft dient hier
heiße Luft, die nach der Expansion aus der Gasturbine entweicht. Ein Nachteil dieser
Lösung ist die Notwendigkeit eines großen und teuren Wärmetauschers aus legiertem
Material.
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Ein weiterer bereits in Erwägung gezogener Weg ist das Vergasen von
Kohle unter Druck und Reinigen des Gases und Verbrennen in der Brennkammer der Gasturbinenanlage.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch der komplizierte Aufbau, ein schlechterer
Wirkungsgrad, namentlich des Gasgenerators, und die verhältnismäßig kleine Einheitsleistung.
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Die erwähnten Nachteile sind der Grund dafür, daß feste Brennstoffe
für den Betrieb von Gasturbinen lediglich in Einzelfällen verwendet werden. Dasselbe
gilt für Dampf-Gas-Turbinenanlagen.
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Bekanntlich ist es möglich, bei Dampf-Gas-Zyklen einen höheren thermischen
Wirkungsgrad zu erzielen und außerdem namentlich bei Zyklen mit einem unter Druck
stehenden beheizten Dampfgenerator auch eine beträchtliche Herabsetzung der Abmessungen
und des Gewichtes des Dampfgenerators zu erreichen. Bei erhöhtem Druck der Verbrennungsgase
erhöht sich nämlich beträchtlich der Wärmeübertragungskoeffizient aus den Verbrennungsgasen
in die Wand und es verkleinert sich somit die erforderliche Wärmeübertragungsfläche.
Die heißen Verbrennungsgase strömen nach dem Austritt aus der Brennkammer des Dampfgenerators
in die Gasturbine. Nachteilig sind jedoch in diesem Fall die oben erwähnten Schwierigkeiten
mit der Absonderung der festen Reste aus den Verbrennungsprodukten.
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Die Erfindung schafft nun eine Gasturbinenanlage, in der die verbrannten
Gase fester Brennstoffe besonders gut gereinigt werden, so daß die mit hohem Druck
arbeitende Anlage eine besonders gute Leitung bei hoher Lebensdauer aufweist.
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Die Erfindung geht dabei von der an sich bekannten Erkenntnis aus,
daß sich Gase um so leichter entstauben lassen, je kühler sie sind. Jedoch ist es
andererseits für wirtschaftlichen Betrieb und gute Brennstoffausnutzung unbedingt
erforderlich, die verbrannten Gase mit möglichst hoher Temperatur in die Gasturbine
eintreten zu lassen.
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Die Erfindung vermeidet die genannten Nachteile und erfüllt die beiden
genannten Forderungen, und zwar bei einer Anlage, bei der die vollständig verbrannten
und daher nicht mehr brennbaren Verbrennungsgase der festen Brennstoffe erst gekühlt,
daran entstaubt und anschließend wieder aufgeheizt werden. Der vorliegenden Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenanlage die in der Brennkammer erzeugten
Brenngase so zu reinigen, daß die mit hohem Druck arbeitende Anlage eine besonders
gute Leistung bei hoher Lebensdauer aufweist. Durch die vorliegende Erfindung ist
es also erreicht, feste Brennstoffe ohne Umwandlung in andere Brennstoffe für Turbinenanlagen
zu verwenden, die eine hohe Lebensdauer aufweisen müssen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Abkühlung der unter Druck stehenden
heißen, nicht gereinigten Verbrennungsprodukte vor der Entstaubung in einem mit
der Zuführung für verdichtete Luft in die Druckbrennkammer gekoppelten ersten Wärmetauscher
erfolgt, und daß die verdichteten Treibgase nach der Entstaubung in einem mit der
Ausgangsleitung für die heißen, nicht gereinigten Verbrennungsprodukte der Druckbrennkammer
gekoppelten, unmittelbar hinter der Brennkammer angeordneten zweiten Wärmetauscher
wieder aufgeheizt werden.
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Auf diese Weise wird eine wirksame Abkühlung der Gase vor der Entstaubung
und anschließend ein wirksames Wiederaufheizen erreicht. Dadurch wird nicht nur
eine gute Entstaubung erzielt, sondern es wird erreicht, daß die Entstaubungsanlage
nur für niedrigere Temperaturen gebaut sein muß. Das hat den Vorteil, daß die Entstaubungsanlage
aus nicht so hochhitzebeständigem Material gebaut zu sein braucht und daher in ihrer
Anschaffung billiger und dabei gleichzeitig von längerer Lebensdauer sein kann.
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Diese Anlage läßt sich dadurch besonders wirtschaftlich ausgestalten,
daß das Abkühlen der aus der Druckbrennkammer austretenden heißen, nicht gereinigten
Verbrennungsprodukte auf die in dem Entstauber zulässige Temperatur mit einem System
von mehr als zwei unter Druck stehenden Wärmetauschern vorgenommen wird, die in
der Leitung der nicht gereinigten, heißen und unter Druck stehenden Verbrennungsprodukte
angeordnet sind, von welchen nur der unmittelbar hinter der Druckbrennkammer eingereihte
zweite Wärmetauscher zur Wiedererwärmung der Treibgase, also der gereinigten Verbrennungsprodukte
auf die zulässige Eintrittstemperarur
vor der Gasturbine dient,
während der im Strom der ungereinigten Verbrennungsprodukte nachfolgend eingereihte
erste Wärmetauscher zum Vorwärmen der verdichteten Verbrennungsluft und der ebenfalls
im Strom der ungereinigten Verbrennungsprodukte dem zweiten Wärmetauscher nachgeschaltete
dritte Wärmetauscher zum Vorwärmen des Speisewassers oder Kondensats eines Dampfgenerators,
oder als Kühler für andere technologische Zwecke der Gasturbinenanlage dient.
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Eine noch wirkungsvollere Kühlung der heißen Brenngase läßt sich gemäß
der Erfindung dadurch erzielen, daß die heißen, nicht gereinigten Verbrennungsprodukte
zusätzlich zu dem System von Wärmetauschern durch Einspritzen von Wasser in den
Strom der heißen, nicht gereinigten Verbrennungsprodukte auf eine für die Abscheidung
von festen Resten geeignete Temperatur abgekühlt werden.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, daß nach dem Abkühlen der nicht gereinigten
Verbrennungsprodukte durch die Wärmetauscher die Entstaubung in bekannter Weise
in einem Naßabscheider vorgenommen wird.
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In manchen Fällen kann es von Vorteil sein, daß die Treibgase, also
die abgekühlten und gereinigten Verbrennungsprodukte durch Einspritzen von Wasser
in die Leitung der Treibgase hinter dem Entstauber noch weiter abgekühlt und mit
Wasser gesättigt werden.
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Bei der Inbetriebnahme und bei starker Belastungsänderung ist es zweckmäßig,
daß das Anfahren der Anlage und die Regulierung der Eintrittstemperatur der verdichteten
Treibgase in die Gasturbine in bekannter Weise mittels einer Hilfsbrennkammer für
flüssigen oder gasförmigen Brennstoff erfolgt, die vor der Gasturbine angeordnet
ist, und in welche Verbrennungsdruckluft über eine Abzweigung des Austritts des
Verdichters zugeführt wird, und deren Verbrennungsprodukte den zur Gasturbine strömenden
verdichteten Treibgasen beigemengt werden.
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In manchen Fällen kann es bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten
Gasturbinenanlage von Vorteil sein, daß sie in Verbindung mit einem an sich bekannten
Kreis für die Aufbereitung, also Trocknen des festen Brennstoffes, ausgeführt ist,
wobei der Druck des Trocknungsmediums mehr als 1,5 atü beträgt, und das Trocknungsmedium
aus diesem Kreis (Brüden) nach Entstauben und Wiedererwärmen zusammen mit den anderen
Treibgasen der Gasturbine zugeführt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch
für eine Dampf-Gas-Turbinenanlage in der beiliegenden Zeichnung dargestellt.
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Ein Verdichter 1 saugt Luft aus der Atmosphäre an, verdichtet sie
und liefert sie über einen ersten Wärmetauscher 4 in die Druckbrennkammer 2 eines
Dampfgenerators. der gleichzeitig fester Brennstoff zugeführt wird.
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Die Druckbrennkammer 2 für festen Brennstoff ist in diesem Fall also
ein Teil eines Dampfgenerators, aus welchem der durch die Verbrennungswärme erzeugte
Dampf einem Dampfkreis üblicher Anordnung zugeführt wird, der in der Zeichnung nicht
dargestellt ist. Die Verbrennungsprodukte aus der Druckbrennkammer 2, die feste
Verbrennungsreste enthalten, werden in einem zweiten Wärmetauscher 3 zum Erfitzen
der verdichteten Treibgase, in dem ersten Wärmetauscher 4 zum Erhitzen der verdichteten
Verbrennungsluft, und, falls vorhanden, auch noch in einem dritten Wärmetauscher
7, der als Hilfseconomiser zum Vorwärmen des Speisewassers oder des Kondensats für
den Dampfgenerator dient, abgekühlt.
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Im Strömungskreis der nicht gereinigten Verbrennungsprodukte können
noch weitere Wärmetauscher angeordnet werden, die für andere Zwecke des Umlaufes
dienen, wie z. B. für die Regeneration der Lösung zum Auswaschen von Schwefelverbindungen
od. dgl.
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Im dargestellten Beispiel wird eine weitere Abkühlung der nicht gereinigten
Verbrennungsprodukte durch Einspritzen von Wasser in einem Kühler 9 erzielt. Die
abgekühlten Verbrennungsprodukte strömen dann durch die Entstaubungsvorriehtung
5, wo sie bei herabgesetzter Temperatur leichter von den festen Resten befreit werden
können. Zu diesem Zweck kann auch vorteilhaft ein Naßabscheider verwendet werden.
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Im dargestellten Beispiel ist hinter der Entstaubungsvorrichtung 5
noch ein weiterer Kühler 12 angeordnet, in welchem die entstaubten Verbrennungsprodukte
durch Einspritzen von Wasser noch weiter abgekühlt und mit Wasser gesättigt werden.
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Die entstaubten und abgekühlten Verbrennungsprodukte, also die verdichteten
Treibgase, werden dann in einem vierten Wärmetauscher 8 durch die Wärme der aus
der Gasturbine 6 austretenden expandierten Treibgase erwärmt, worauf sie über den
schon erwähnten zweiten Wärmetauscher 3 geführt werden, in welchem sie durch die
heißen, nicht gereinigten Verbrennungsprodukte auf die zulässige Eintrittstemperatur
vor der Gasturbine erhitzt werden. Die Gasturbine 6 treibt den Verdichter 1 und
einen elektrischen Generator 11 an.
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Der schon erwähnte erste Wärmetauscher 4, in welchem die verdichtete
Verbrennungsluft durch die heißen, nicht gereinigten Verbrennungsprodukte erwärmt
wird, kann vorteilhaft als Regenerationstyp ausgeführt sein.
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über eine Abzweigung aus dem Austritt des Verdichters 1 wird Druckluft
in eine Hilfsbrennkammer 10 für flüssigen oder festen Brennstoff geführt. Die Verbrennungsprodukte
aus dieser Hilfsbrennkammer 10 werden mit den verdichteten Treibgasen vermengt und
gemeinschaftlich der Gasturbine 6 zugeführt.
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Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens für den Betrieb eines Dampf-Gas-Umlaufs
bzw. Gasumlaufs gemäß vorliegender Erfindung ist, daß das Reinigen der Verbrennungsprodukte
bei niedriger Temperatur vor sich geht, wobei der Entstaubungsgrad der Verbrennungsprodukte,
der für die Gasturbine erforderlich ist, leichter als bei hoher Temperatur erzielt
werden kann. Der erste Wärmetauscher 4 für das Erwärmen der verdichteten Luft durch
die Verbrennungsprodukte hat einen guten Wirkungsgrad, da bei dem verhältnismäßig
hohen spezifischen Gewicht der Gase ein günstiger Wärmeübertragungskoeffizient vorhanden
ist. Besonders vorteilhaft ist ein Regenerationswärmetauscher wegen seiner niedrigen
Anschaffungs- und Betriebskosten. Der bekannte Nachteil eines Regenerationswärmetauschers.
nämlich seine Undichtheit, ist in diesem Fall bedeutungslos, da zwar ein Eindringen
von verdichteter Luft in die Verbrennungsprodukte den Luftüberschuß erhöht; dadurch
steigt
jedoch die Leistung des Dampf-Gas-Umlaufs, was vorteilhaft ist. Eine allfällige
Verunreinigung der verdichteten Luft durch nicht gereinigte Verbrennungsprodukte
ist gleichfalls nicht nachteilig, da die verdichtete Luft in die Druckbrennkammer
2 geführt wird, in der ein sowieso Asche enthaltender Brennstoff verbrannt wird.
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Das Kühlen der Verbrennungsprodukte durch Wassereinspritzen führt
zu einer Leistungserhöhung der Gasturbine und in gewisser Hinsicht trägt es auch
zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der ganzen Anlage bei.
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Die gereinigten Verbrennungsprodukte, also die verdichteten Treibgase,
werden vorteilhaft in Rekuperationswärmetauschern erwärmt, damit es zu keiner neuen
Verunreinigung kommt, und zwar wird ihr Erwärmen, wie schon beschrieben, in dem
vierten Wärmetauscher 8 durch expandierte Treibgase aus der Gasturbine 6 ausgeführt,
um den Wärmeverlust in den expandierten Treibgasen herabzusetzen und ferner durch
unter Druck stehende nicht gereinigte Verbrennungsprodukte hoher Temperatur. Dieser
zweite Wärmetauscher 3 muß aus einem für hohe Temperaturen geeigneten Material hergestellt
werden, das teuer ist. Es ist deshalb vorteilhaft, daß dabei sowohl das sich erwärmende
als auch das sich abkühlende Medium unter hohem Druck steht, weil dadurch der Wärmeübertragungskoeffizient
erhöht wird und die erforderlichen Abmessungen dieses zweiten Wärmetauschers 3 verringert
werden.
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Die Hilfsbrennkammer 10 für flüssigen oder festen Brennstoff
ermöglicht elastisches Anfahren und Regeln. Es ist erforderlich, Druckluft in die
Hilfsbrennkammer 10 direkt aus dem Verdichter 1 zuzuführen und die Verbrennungsprodukte
aus der Hilfsbrennkammer 10 mit den gereinigten und wieder erwärmten Verbrennungsprodukten,
also den verdichteten Treibgasen zu vermengen, die durch die Druckbrennkammer 2
geliefert werden. Damit kann die Temperatur der verdichteten Treibgase vor der Gasturbine
6 geregelt werden.
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Bei großen Anlagen ist die erforderliche Brennstoffmenge sehr hoch,
was nicht nur zur Anwendung großer Mühlen führt, sondern auch zu großen Querschnitten
aller Leitungen und anderer Vorrichtungen des Mühlenkreises. Somit ist es vorteilhaft,
einen hohen Druck im Mühlenkreis zu wählen, um die Durchflußquerschnitte verkleinern
zu können.
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Bei der Ausnutzung von Verbrennungsprodukten, die als Trocknungsmedium
im Mühlenkreis (Brüden) verwendet werden, ist es erforderlich, sie vollkommen zu
entstauben, bevor sie zusammen mit den anderen Verbrennungsprodukten der Gasturbine
zugeführt werden können.