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Gasturbinenanlage mit Druckvergaser Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage,
bei der als Brenngas für die Gasturbine ein in einem Druckvergaser aus festen oder/und
flüssigen Brennstoffen mit Luft als Vergasungsmittel erzeugtes Schwachgas verwendet
wird, bei der der Betriebsdruck des Druckvergasers wesentlich über dem Enddruck
eines mit der Gasturbine gekuppelten Verbrennungsluftverdichters und somit über
dem Druck am Eintritt zur Gasturbinenbrennkammer liegt und bei der das Brenngas
von dem Druck am Druckvergaseraustritt auf den Druck am Gasturbinenbrennkammereintritt
in einer Entspannungsturbine, die einen Zusatzverdichter für die Vergasungsluft
antreibt, entspannt wird.
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Zur Stromerzeugung werden bis jetzt nur selten Gasturbinen verwendet.
Ein wesentlicher Grund hierfür ist der hohe Preis der für Gasturbinen in Frage kommenden
Brennstoffe. In jüngster Zeit finden jedoch Gasturbinen als Spitzen- und Reservekraftwerke
eine stärkere Beachtung. Hier spielen die Brennstoffkosten eine geringere Rolle,
da diese Anlagen nur kurze Zeit im Jahr im Betrieb sind. Für diese Gasturbinen verwendet
man in zunehmendem Maße Flugtriebwerke als Gaserzeuger, die für einen kurzfristigen
Betrieb hervorragend geeignet sind. Die Brennstoffbasis für diese Gaserzeuger ist
allerdings schmal, nämlich Erdöldestillate und Erdgas. Für ein im Dauerbetrieb arbeitendes
Kraftwerk kommen aus Wirtschaftlichkeitsgründen praktisch nur feste Brennstoffe
oder Rückstandsöle in Frage.
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Rückstandsöle scheiden für Gasturbinen im allgemeinen wegen der bekannten
Vanadiumschwierigkeiten aus. Die unmittelbare Verbrennung pulverisierter fester
Brennstoffe in den Brennkammern von Gasturbinen scheitert daran, daß es nicht möglich
ist, die bei der Verbrennung anfallende Asche aus den heißen Verbrennungsgasen so
weit auszuscheiden, daß die Turbinenschaufeln auch im Dauerbetrieb nicht zerstört
werden. Hierbei ist zu beachten, daß aus Wirtschaftlichkeitsgründen im Kraftwerksbetrieb
auch schlackenreiche Kohlen verwendet werden.
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Die Möglichkeit, feste Brennstoffe in Gasturbinen zu verwenden, besteht
praktisch nur auf dem Umweg über die Druckvergasung. Dadurch, daß man bei einer
Druckvergasung in jedem Fall weniger Vergasungsluft benötigt, als man Druckgas erhält,
wird der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert. Bei der Druckvergasung fällt Wärme
in Form von Heißwasser oder Dampf an, die in der Gesamtanlage zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
verwertet werden muß. Es sind Gasturbinen bekannt, bei denen als Brennstoff feste
Brennstoffe verwendet werden, die in einem Druckvergaser vergast werden, dessen
Druck wesentlich über dem Druck am Eintritt in die Gasturbinenbrennkammer liegt.
Bei diesen bekannten Gasturbinen wird das Brenngas von dem Druck am Druckvergaseraustritt
auf den Druck am Gasturbinenbrennkammereintritt in einer Entspannungsturbine entspannt,
die einen Zusatzverdichter für die Vergasungsluft antreibt. Es handelt sich hierbei
um Gasturbinen, bei denen zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades der Turbinenläufer
und die -schaufeln mit Wasser gekühlt werden. Der hier verwendete Druckvergaser
benötigt außer Vergasungsluft auch Wasserdampf, welcher der Läufer- und Schaufelkühlung
entnommen wird. Mit dem verwendeten Druckvergaser ist es nicht möglich, Rückstandsöle
zu vergasen. Auch nimmt die Durchsatzleistung nur mit der Wurzel aus dem Druck zu
(deutsche Patentschrift 841084).
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Bei einer anderen bekannten ähnlichen Gasturbinenanlage wird der den
gekühlten Läufer verlassende Dampf vor dem Eintritt in die Vergasungsluft in einem
Wärmetauscher überhitzt, der von den Abgasen einer mit gekühltem Läufer ausgerüsteten
Niederdruckturbine beaufschlagt wird (deutsche Patentschrift 975151).
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Es ist auch ein Gaserzeuger bekanntgeworden, bei dem nur mit Luft
als Vergasungsmittel ein Schwachgas erzeugt wird. Bei diesem sogenannten Schlackenbadgenerator
(Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik, 7g. 1956, H. 1, S. 25 bis 30) wird der Brennstoff
in Form von staubförmiger oder feinkörniger Kohle durch tangential schräg nach unten
gerichtete Düsen durch Luft in den zylindrischen Reaktionsraum des Druckvergasers
eingeblasen und vergast. Die durch die im Reaktionsraum herrschende sehr hohe Temperatur
verflüssigte Asche des Brennstoffes bildet ein rotierendes Schlackenbad, dessen
überschuß durch einen zentral angeordneten überlauf abgeleitet wird,
so
daß sich eine konstante Höhe des Schlackenbades einstellt. Die spezifische Gaserzeugung
des Schlakkenbadgenerators in Nm3/m2h zählt zu den höchsten von allen Gaserzeugern
mit flüssigem Schlackenaustrag schon bei Atmosphärendruck. Mit zunehmendem Vergaserdruck
nimmt die Gaserzeugung stärker als mit der Wurzel aus dem Druck zu. Durch die Verwendung
eines unter hohem Druck betriebenen Schlackenbadgenerators erhält man daher bei
kleinen Abmessungen eine große Gaserzeugung. Auch die schweren Rückstandsöle, die
preislich sehr günstig liegen, können in einem Schlackenbadgenerator mit Luft als
Vergasungsmittel zu Schwachgas vergast werden. Voraussichtlich wird sich in der
reduzierenden Atmosphäre des Schlackenbadgenerators kein Vanadium-Pentoxyd bilden,
sondern Vanadium-Trioxyd oder Vanadium-Tetroxyd. Diese beiden Oxyde des Vanadiums
haben einen sehr hohen Schmelzpunkt. Sie werden ebenso wie die Ascheteilchen von
festen Brennstoffen im Schlackenbad eingebunden. Die vom Gasstrom etwa noch mitgerissenen
Teilchen können in Abscheidern fast restlos abgeschieden werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu
schaffen, bei der feste und/ oder flüssige Brennstoffe in einem Druckvergaser vergast
und alle bei der Druckvergasung anfallenden Energiearten, also auch die im Kühlmantel
des Druckvergasers anfallende Wärmeenergie, möglichst restlos ausgenutzt werden
und bei der auch der Forderung nach Reinhaltung der Luft Rechnung getragen wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Druckvergaser
ein an sich bekannter Schlackenbadgenerator ist, der einen Kühlmantel aufweist und
dem unmittelbar hinter dem Brenngasaustritt ein Abhitzekessel nachgeschaltet ist,
wobei sowohl im Kühlmantel des Schlackenbadgenerators als auch im Abhitzekessel
Wasserdampf erzeugt wird, der in das heiße Brenngas kurz vor Austritt aus dem Druckvergaser
eingeführt wird, und daß im Strom der heißen Brenngase vor ihrem Eintritt in die
Entspannungsturbine eine an sich bekannte Einrichtung zur Heißgasentschwefelung
angeordnet ist.
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Durch die Einführung von Wasserdampf in das heiße Brenngas wird der
Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht und die Heißgasentschwefelung, die zweckmäßigerweise
bei etwa 1000° C durchgeführt wird, mit tragbaren Mitteln ermöglicht. Bei der bei
Gaserzeugern normalerweise üblichen Naßreinigung des Brenngases müßte dieses erst
abgekühlt werden. In die Entspannungsturbine soll das Brenngas aber mit einer hohen
Temperatur eintreten, damit die Überschußleistung der Entspannungsturbine groß wird.
Man kann dies dadurch erreichen, daß man die Wärme des Rohgases in Wärmetauschern
an das Reingas überträgt. Diese Wärmetauscher sind wegen der hohen Temperatur der
Brenngase allerdings sehr teuer.
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Mit einer Gastemperatur von etwa 1000° C, bei der die Heißgasentschwefelung
und -reinigung durchgeführt wird, kann die Entspannungsturbine nicht beaufschlagt
werden. Als realisierbar gilt heute eine Temperatur von etwa 750 bis 800° C für
Dauerbetrieb. In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird das heiße
Brenngas vor Eintritt in die Entspannungsturbine in einem Wärmetauscher durch das
aus der Entspannungsturbine austretende entspannte und kältere Brenngas abgekühlt.
Die der Temperaturdifferenz von etwa 1000 bis 750-800° C entsprechende Wärmemenge
wird im Wärmetauscher dem zur Brennkammer der Gasturbine strömenden Brenngas und
damit dem Gasturbinenprozeß wieder zugeführt.
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In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist zwischen dem Verdichter
der Gasturbine und dem Zusatzverdichter ein mit Wasser beaufschlagter Kühler angeordnet,
in dem die Vergasungsluft in an sich bekannter Weise zurückgekühlt wird, wobei das
im Kühler erwärmte Kühlwasser ganz oder teilweise in den Kühlmantel des Schlackenbadgenerators
eingespeist wird. Hierdurch wird die Leistungsaufnahme des Zusatzverdichters verringert
und die vom Kühlwasser aufgenommene Wärme dem Gesamtprozeß wieder zugeführt.
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Die Grenzleistung von Gasturbinen ist verhältnismäßig klein. Sie liegt
heute bei etwa 45 MW, kann aber sicher noch bis 100 MW erhöht werden. Für Großkraftwerke
ist aber auch diese Leistung noch zu klein. Es ist bekannt, die Abgase von Gasturbinen
in eine Dampfkesselfeuerung einzuführen. Da die Abgase von Gasturbinen noch sehr
sauerstoffhaltig sind, dienen die Abgase als vorgewärmte Verbrennungsluft für die
Dampfkesselfeuerung. Bei derartig gekoppelten Gas- und Dampfturbinen ist der Leistungsanteil
der Gasturbine sehr klein (etwa 15%). Der Wirkungsgrad der Gesamtanlage wird aber
beachtlich angehoben, da die gesamte Abgaswärme der Gasturbine dem Dampfprozeß zugeführt
wird. Nach einer weiteren Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist die Gasturbine
in an sich bekannter Weise derart mit einem Dampfkraftwerk gekoppelt, daß die ungekühlten
Abgase der Gasturbine in die Feuerung eines Dampfkraftwerkes eingeführt werden,
wobei der Wärmetauscher fortfällt, in dem sonst die Verbrennungsluft für die Gasturbine
durch die heißen Abgase der Gasturbine vorgewärmt wird. Hierdurch wird der Gasturbine
der Eingang in den Großkraftwerksbau ermöglicht. Da der Brennstoff entschwefelt
wird, entfällt die teure und aufwendige Entschwefelung der Abgase (Entfernung des
Schwefeldioxyds). Man kann infolgedessen die Verbrennungsgase im Dampfkraftwerk
bis zu einer tieferen Temperatur ausnützen und dadurch einen weiteren Wirkungsgradgewinn
erzielen.
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In der Abbildung ist eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage mit Druckvergaser
an einem Beispiel erläutert. In dem mit einem Kühlmantel vershenen Schlackenbadgenerator
1 wird Brennstoff unter Druck vergast. Das erzeugte Brenngas strömt über einen Abhitzekessel
2, in dem das Brenngas abgekühlt wird, in eine Reiniger- und Entschwefelungsanlage
3. Das entschwefelte Reingas gelangt über den Wärmetauscher 4 in die Entspannungsturbine
5. Nach der Entspannung strömt das Brenngas über den Wärmetauscher 4, in dem es
durch das heiße Brenngas aufgeheizt wird, in die Brennkammer 6 der Gasturbinenanlage.
Die Luft wird durch den Gasturbinenverdichter 7 aus der Atmosphäre angesaugt, verdichtet
und zum größen Teil über den Wärmetauscher 13 in die Brennkammer 6 geleitet. Ein
kleinerer Teil der verdichteten Luft wird als Vergasungsluft vor dem Wärmetauscher
13 abgezweigt, über den Zwischenkühler 8 in den Zusatzverdichter 9 und von dort
über den Wärmetauscher 14 in den Schlakkenbadgenerator 1 gefördert. In der Brennkammer
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werden die Brenngase mit der Luft verbrannt. Die gebildeten Verbrennungsgase
beaufschlagen die Turbine 11, die nur zum Antrieb des Verdichters 7 dient, und anschließend
die Nutzturbine 10, in der sie auf annähernd den Atmosphärendruck entspannt werden,
und strömen dann über die Wärmetauscher 13 und 14, in denen sie die ihnen noch innewohnende
Wärme an die Verbrennungsluft und an das Brenngas abgeben, in die Atmosphäre. Die
Nutzturbine 10, die Entspannungsturbine 5, der Zusatzverdichter 9 sind zusammen
mit dem elektrischen Stromerzeuger 12 gekoppelt.
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Durch die Druckvergasung des Brennstoffes in einem Schlackenbadgenerator
ist die Möglichkeit gegeben, feste Brennstoffe und/oder Rückstandsöle in einer Gasturbine
mit einem guten Wirkungsgrad zu verwenden. Der im Druckvergaserprozeß anfallende
Wasserdampf wird restlos dem Gasturbinenprozeß zugeführt. Feste Brennstoffe und
Rückstandsöle lassen sich nach dem heutigen Stand der Technik nicht entschwefeln,
dagegen sind die im Schlackenbadgenerator erzeugten Brenngase mit Hilfe der Heißgasentschwefelung
verhältnismäßig leicht entschwefelbar. Damit wird auch der wichtigen Forderung nach
Reinhaltung der Luft genügt.