DE2213063C3 - Winderzeugungsanlage zur Lieferung von Heißluft, insbesondere für Hochofenanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Winderzeugungsanlage zur Lieferung von Heißluft insbesondere für Hochofenanlagen, mit einer Reihenschaltung aus einem Verdichter und einer den Verdichter antreibenden Gasturbine sowie einem mehrstufigen Speicherteilchen-Wärmetauscher, in dessen wärmeaufnehmender Primärstufe die Speicherteilchen durch in einer Brennkammer erhitzte Brenngase aufgeheizt werden und dessen wärmeabgebende Sekundarstufe zwei in Reihe geschaltete Teilapparate umfaßt deren einer als Hochtemperaturteil vor den Windverbrauchern und deren zweiter als Niedertemperaturteil zwischen Verdichter und Gasturbine eingeschaltet ist

Derartige Winderzeugungsanlagen sind beispielsweise aus der DT-AS 13 03487 bekannt Bei einer derartigen Amage wird die von einem Verdichter angesaugte und hochkomprimierte Luft in einem Wärmetauscher durch umlaufende warme Keramikspeicherteilchen auf Turbineneintrittstemperatur gebracht, in einer nachgeschalteten Turbine bis zum Hochofendruck entspannt und in einem weiteren Wärmetauscher durch denselben Speicherteilchenstrom, jedoch auf höherem Temperaturniveau, enderhitzt Gichtgas aus dem Hochofen wird in einer Brennkammer zusammen mit Verbrennungsluft aus einem Niederdruckgebläse verbrannt Das heiße Rauchgas erhitzt dann in einem Primärwärmetauscher die Speicherteilchen, die im Kreislauf die einzelnen Wärmetauscher im Gegenstrom zu den gasFörmigen Medien durchwandern.

Eine derartige Anlage, bei der als Treibmittel für die Turbine der vorgewärmte Hochofenwind selbst verwendet wird, so daß sich damit ein einfach aufgebautes Einkreisverfahren ergibt eignet sich in dieser Form jedoch nur für verhältnismäßig niedrige Winddrücke, da innerhalb des Gasturbinenkreislaufs der Druck vor dem Nutzturbinenteil im allgemeinen zwei bis drei ata nicht übersteigt Diese Druckhöhe ist für moderne Hochöfen mit größeren Durchströmungsstrecken und höheren Verarbeitungsdrücken jedoch nicht ausreichend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

Winderzeugungsanlage zu schaffen, die ebenfalls vom Einkreisprinzip ausgeht, jedoch höhere Winddrücke für die Hochofenanlage ermöglicht und gleichzeitig die Versorgung der Brennkammern mit vorgewärmter Verbrennungsluft sicherstellt

Die Erfindung besteht dabei daria, daß die Heißluftturbine für eine Verdichterleistung zur Verdichtung sowohl von Heißluft für die Windverb.-aucher als auch von Verbrennungsluft für die Primärstufe des Speicherteilchen-Wärmetauschers ausgelegt ist und in der Endstufe der Heißluftturbine die Luft angenähert bis auf Atmosphärendruck für die Brennkammern entspannbar ist. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Heißluftturbine zweistufig ausgebildet ist und nach der ersten Stufe eine Entnahme für Warmluft unter erhöhtem Druck für die Windverbraucher aufweist und die Warmluft nach der zweiten, angenähert auf Atmosphärendruck entspannenden Stufe der Brennkammer zugeführt ist

Es ist aber auch möglich, daß hinter dem Niederterrtperaturteil zwischen Verdichter und Heißluftturbine ein Teilstrom der verdichteten Luft für die Windverbraucher abgezweigt und direkt dem Hochtemperaturteil der Wärmetauscher zugeführt ist und daß der Reststrom der Heißiuftturbine zur Entspannung auf Verbrennungsgasdruck zugeleitet wird.

Zur Optimierung der Anlage ist es ferner zweckmäßig, wenn zwischen der ersten und der zweiten Turbinenstufe eine Zwischenüberhitzung für die Heißluft vorgesehen ist Dabei kann die Zwischenüberhitzung in einem zum Niedertemperatur-Wärmetauscher parallelgeschalteten Speicherteilchen-Wärmetauscher erfolgen. Es ist aber auch möglich, diese Zwischenerhitzung in einer von einem Gichtgasteilstrom der Hochofenanlage gespeisten Brennkammer vorzunehmen. In letzterem Falle ist es zweckmäßig, den Gichtgasteilstrom in einem Wärmetauscher vorzuwärmen, der primärseitig von den Abgasen aus der Primärwärmetauscherstufe beheizt ist

In Erweiterung der Anlage kann die Aufheizung der Speicherteilchen in zwei parallelgeschalteten Primär-Wärmetauschern erfolgen, die jeweils an eine Speicherteilchen-Rückförderung von den beiden parallelgeschalteten Niedertemperatur-Wärmetauschern angeschlossen sind und die mit Verbrennungsgasen aus zwei parallelgeschalteten Brennkammern beheizt werden. Dabei sind die beiden Brennkammern mit jeweils zwei parallelen Teilströmen von Verbrennungsluft aus der Heißluftturbinenendstufe und Gichtgas aus der Hochofenanlage beaufschlagt Bei allen Anlagenvarianten ist es zweckmäßig, wenn das Gichtgas in einem vom Abgas der Primär-Wärmetauscherstufe beheizten Wärmetauscher vorgewärmt wird. Ferner ist es möglich, daß die Abgase des parallelgeschalteten Primär-V/ärmetauschers zu den Verbrennungsgasen des ersten Primär-Wärmetauschers zurückgeführt werden.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 eine Winderhitzungsaiilage mit einer zweistufigen Heißluftturbine,

F i g. 2 eine Anlage nach F i g. 1 mit Zusatzluft für die Brennkammer,

F i g. 3 eine Anordnung mit Abzweig der Heißluft für die Windverbraucher hinter dem Niedertemperatur-Wärmetauscher,

Fig.4 eine Anlage mit Zwischenüberhitzung der Heißluft vor der zweiten Turbinenstufe durch einen

Speicherteilchen- Wärmetauscher,

Fig.5 eine Zwischenüberhitzung durch eine mit Gichtgas beheizte Brennkammer und

F i g. 6 die Aufteilung der Primär-Wärmetauscher in zwei Wärmetauscherkammern, die getrennt beheizt sind.

In dem Schaltungsschema der Anlage nach F i g. 1 sind an den einzelnen Punkten zusätzlich Temperatur, Druck und Massenstrom eingetragen, um die Wirkungs weise der Anlage deutlicher darzustellen. Von dem Verdichter 1 wird Außenluft angesaugt deren Menge dem erforderlichen Heißwind für den Hochofen sowie dem Luftbedarf der Teilturbine 7 entspricht Die auf etwa 8,8 ata verdichtete Luft wird im Niedertemperatur teil 2 der Speicherteilchen-Wärmetauscher-Sekundar stufe beispielsweise auf 820° C erhitzt und dann über die Leitung 3 der ersten Teilturbine 5 der Heißluftturbinenanlage 6 zugeführt in der die Heißluft auf Hochofendruck von etwa 4 ata entspannt wird. Am Austritt aus der ersten Teilturbine 5 wird ein Teilstrom der Heißluft abgezweigt und über die Leitung 8 dem Hochtemperaturteil 9 der Wärmetauscher-Sekundärstufe zugeführt, in dem die Heißluft auf die erforderliche Heißwindtemperatur von etwa 1290⁰C erhitzt wird und dann zum eigentlichen Kochofen 10 strömt Der verbleibende Teilstrom strömt von der ersten Teilturbine 5 über die Leitung 11 in die zweite Teilturbine 7 und wird hier auf Atmosphärendruck entspannt Diese Heißluft die noch immer eine Temperatur von etwa 400⁰C aufweist strömt über die Leitung 12 in die Brennkammer 13, in der ein vom Hochofen über die Leitung 14 und 15 zugeführter Gichtgasteilstrom verbrannt wird. Die aus der Brennkammer 13 austretenden heißen Rauchgase werden dann über die Leitung 16 der Primärstufe 17 des Speicherteilchen-Wärmetauschers zugeführt und erwärmen hier die über die Rückführleitung 18 aus dem Niedertemperaturteil 2 zurückgeführten Keramikteilchen auf die erforderliche Temperatur von etwa 1330° C. Die Abgase aus der Primärstufe 17 strömen dann über eine Leitung 19 zunächst durch einen Wärmetauscher 30, in dem der Gichtgasteilstrom für die Brennkammer 13 aufgewärmt werden kann, wobei die Abgase schließlich mit einer Temperatur von etwa 164° C die Anlage verlassen.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, werden die Keramikspeicherteilchen im kontinuierlichen Kreislauf durch die Wärmetauscher geführt wobei die Teilchen in der Primärstufe 17 des Speicherteilchen-Wärmetauschers von den heißen Rauchgasen aus der Brennkam-

so mer 13 aufgeheizt werden, wandern anschließend durch eine Druckschleuse 20 in den Hochtemperaturteil 9 der Sekundärstufe 9, in dem sie bei Hochofendruck einen Teil ihrer Wärme an den Heißwind abgeben und fließen anschließend durch eine weitere Druckschleuse 21 in

SS den Niedertemperaturteil 2, wo sie ihre Restwärme bei Gasturbinendruck an das Turbinentreibmittel Luft übertragen. Über eine pneumatische Hochdruckförderung 18, die gleichzeitig als Abdichtorgan dient werden die Speicherteilchen wieder an ihren Ausgangspunkt, nämlich die Primärstufe 17, transportiert

Die in der Figur angegebenen Zahlen werte geben nur die Ergebnisse eines Rechenbeispiels wieder, bei dem mit möglichst kleinem Maschinenaufwand ausgekommen werden soll. Bei anderen verlangten Endgrößen

6s sind selbstverständlich auch andere Zwischenwerte möglich.

Besonders interessant ist hierbei jedoch, daß durch die hohe Verbrennunesluft-TemDeratiir hinter der

zweiten Teilturbine 7 eine Feuerung ausschließlich mit Gichtgas ohne zusätzliche Hilfsbrennstoffe möglich ist.

Soll beispielsweise die Windtemperatur ohne zusätzliche Fremdbrennstoffe noch über die in diesem Beispiel angegebenen Werte hinaus erhöht werden, so kann das mit einer Variante erfolgen, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Über ein zusätzliches Gebläse 22 kann weitere Verbrennungsluft zugeführt werden, die zweckmäßigerweise in einem Wärmetauscher 23 von einem Abgasteilstrom 24 aus der Primärstufe 17 vorgewärmt wird. Diese zusätzliche Brennluft dient zur Vergrößerung des Rauchgasmengenstromes, wodurch über eine Vergrö- " ßerung des Speicherteilchenmengenstromes die im Kreislauf zusätzlich zugeführte Wärmemenge im Sinne einer Erhöhung der Windtemperatur ausgenutzt werden kann.

Es ist aber auch möglich, die Turbine nur einstufig auszubilden und die Heißluft für den Hochofen direkt hinter dem Niedertemperaturteil 2 der Sekundärstufe des Wärmetauschers abzuzweigen. Eine derartige Schaltung ist in Fig.3 gezeigt Dabei strömt die gesamte vom Verdichter 1 verdichtete Luft — wie bisher gezeigt — durch den Niedertemperaturteil 2 und wird hier auf Turbineneintrittstemperatur erwärmt. Hinter diesem Wärmetauscher 2 wird am Punkt 25 der Teilstrom der Heißluft, der dem Hochofen 10 zugeführt werden soll, direkt abgezweigt und über die Leitung 26 dem Hochtemperaturteil 9 zugeführt in dem die vorgewärmte Luft auf die erforderliche Endtemperatur aufgewärmt wird. Der übrige Teilstrom der Luft wird über die Leitung 27 der hierbei einstufig ausgebildeten Turbine 6 zugeführt und in dieser etwa auf Atmosphärendruck entspannt, um dann über die Leitung 12 der Brennkammer 13 zugeführt zu werden. Die Turbine 6 muß dabei so ausgelegt und der durch die Turbine geführte Luftteilstrom so bemessen sein, daß eine ausreichende Antriebsleistung für den Kompressor 1 gewährleistet ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung der Anlage besteht darin, für die durch die zweite Teilturbine strömende Heißluft eine Zwischenüberhitzung vorzusehen. Diese kann, wie in F i g. 4 dargestellt ist beispielsweise durch einen zusätzlichen Speicherteilchen-Wärmetauscher 31 erfolgen, der dem ersten Niedertemperaturteil 2 parallel geschaltet ist und über eine Leitung 32 zum Hochtemperaturteil 9 mit Teilchen versorgt wird. Der hinter der ersten Teilturbine 5 abgezweigte Teilstrom zur zweiten Teilturbine 7 wird dabei über eine Leitung 33 in den Speicherteilchen-Wärmetauscher 31 und von dort über eine weitere Leitung 34 der zweiten Teilturbine 7 zugeführt In dieser Teilturbine 7 wird die Heißluft — wie bereits eingangs beschrieben — angenähert auf Atmosphärendruck entspannt und über die Leitung 12 der Brennkammer 13 zugeführt Von dem Wärmetauscher 31 werden die ss Speicherteilchen über eine gesonderte Rückführleitung in die Primärstufe 17 zurückgefordert, wo sie erneut durch die Rauchgase aus der Brennkammer 13 aufgeheizt werden.

Eine weitere Möglichkeit für die Zwischenüberhitzung ist in Fig.5 dargestellt Dabei wird der der zweiten Teilturbine 7 zuzuführende Teilstrom des Heißgases in einer Brennkammer 36 zwischenüberhitzt, die über die Leitungen 37 und 38 mit einem Teilstrom des aus dem Hochofen 10 abströmenden Gichtgases versorgt wird. Dieses Gichtgas kann dabei in einem Wärmetauscher 39 durch einen Teilstrom 40 der Abgase aus der Primärstufe 17 des Wärmetauschers vorgewärmt und durch einen Kompressor 41 auf den erforderlichen Druck gebracht werden.

Bei den beiden zuletzt dargestellten Ausführungsbeispielen mit Zwischenüberhitzung nach Fig.4 und 5 können dabei die Heißluftturbinen zusätzlich noch einen Generator 42 antreiben, so daß mit einer derartigen Anlage zusätzlich noch Strom erzeugt werden kann. Dabei können die beiden Teilturbinen 5 und 7 zusammen mit dem Verdichter 1 und dem Generator 42 auf derselben Welle sitzen; es ist aber auch möglich, daß die Teilturbine 5 allein den Kompressor 1 und die Teilturbine 7 allein den Generator 42 antreibt.

Bei einer Zwischenüberhitzung mit einem Speicherteilchen-Wärmetauscher kann es zweckmäßig sein, auch die Primärstufe zur Aufheizung der Speicherteilchen in zwei parallele Behälter aufzuteilen, wie das in Fig.6 dargestellt ist Dabei ist parallel zum ersten Primärteil 17 ein weiterer Primärteil 43 angeordnet, der über eine Förderleitung 44 mit den aus dem Oberhitzungs-Wärmetauscher 31 ablaufenden Speicherteilchen versorgt wird. Für die Aufheizung der Speicherteilchen in diesen beiden Primärteilen 17 und 43 ist es dabei auch zweckmäßig, wenn zwei getrennte Brennkammern vorgesehen sind. Dazu ist parallel zur Brennkammer 13 für den Primärteil 17 eine weitere Brennkammer 45 vorgesehen, die über eine Leitung 46 mit einem Teilstrom der aus der zweiten Teilturbine 7 abströmenden Heißluft und über eine von der Gichtgasleitung 14 abzweigenden Parallelleitung 47 mit Gichtgas versorgt wird. Die Rauchgase aus der Brennkammer 45 strömen dann über die Leitung 48 in den parallelgeschalteten Primärteil 43 und heizen dort die Speicherteilchen auf. Dabei ist es möglich, die aus dem Primärteil 43 abströmenden, noch hinreichend Sauerstoff enthaltenden Abgase über eine Leitung 49¹ und einen evtl. zwischengeschalteten Verdichter 50 vor der Brennkammer 13 in die Heißluft für den Primär-Wärmetauscher 17 einzuspeisen, da im allgemeinen bei der Beheizung des Wärmetauschers 43 mit einem höheren Luftüberschuß gefahren werden kann, da die Teilchen in diesem Wärmetauscher wegen einer geringeren Abkühlung im Zwischenüberhitzer 31 nicht über eine so hohe Spanne wie die Teilchen im Wärmetauscher 17 aufgeheizt werden müssen. Zum Druckausgleich bei der Rückspeisung der Abgase aus dem Wärmetauscher 43 kann an Stelle eines Verdichters 50 auch eine Drossel 51 in der Leitung 12 vor der Einspeisestelle der Leitung 49 vorgesehen sein.

Mit der beschriebenen Winderzeugungsanlage ist es also mit einfachen Mitteln möglich, Heißwind für einen Hochofen von höherem Druck er erhalten, wobei gleichzeitig die Verbrennungsluft für die Brennkammern zur Aufheizung der Speicherteilchen direkt zur Leistungserzeugung für den Verdichter oder bei Zwischenüberhitzung zn einer zusätzlichen Stromerzeugung herangezogen werden kann.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Winderzeugungsanlage zur Lieferung von Heißluft!, insbesondere für Hochofenanlagen, mit s einer Reihenschaltung aus einem Verdichter und einer den Verdichter antreibenden Heißluftturbine sowie einem mehrstufigen Speicherteilchen-Wärmetauscher, in dessen wärmeaufnehmender Primärstufe die Speicherteilchen durch in einer Brennkam- mer erhitzte Brenngase aufgeheizt werden und dessen wärmeabgebende Sekundärstufe zwei in Reihe geschaltete Teilapparate umfaßt, deren einer als Hochtemperaturteil vor den Windverbrauchern und deren zweiter als Niedertemperaturteil zwisehen Verdichter und Heißluftturbine eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißluftturbine (6) für eine Verdichterleistung zur Verdichtung sowohl von Heißluft für die Windverbraucher (10) als auch von Verbrennungsluft für die Primärstufe (17) des Speicherteilchen-Wärmetauschers ausgelegt ist und in der Endstufe (7) der Heißluft turbine (6) die Luft bis auf Atmosphärendruck für die Brennkammern (13, 45) entspannbar ist

2. Winderzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißluftturbine (6) zweistufig ausgebildet ist und nach der ersten Stufe (5) eine Entnahme (8) für Heißluft unter erhöhtem Druck für die Windverbraucher (10) aufweist und die Heißluft nach der zweiten, angenähert auf Atmosphärendruck entspannenden Stufe (7) der Brennkammer (13) zugeführt ist

3. Winderzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Niedertem- peraturteil (2) der Sekundärstufe des Wärmetauschers zwischen Verdichter-(l) und Gasturbine (6) ein Teilstrom (26) der verdichteten Luft für die Windverbraucher (10) abgezweigt und direkt dem Hochtemperaturteil (9) zugeführt ist und der Reststrom (27) der Gasturbine (6) zum Antrieb des Verdichters unter Entspannung auf Verbrennungsdruck zugeleitet ist

4. Wiinderzeugungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Turbinenstufe (5,7) eine Zwischenüberhitzung (31,36) vorgesehen ist

5. Winderzeugungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenüberhitzung in einem zum Niedertemperaturteil (2) parallelgeschalteten Speicherteilchen-Wärmetauscher (31) erfolgt

6. Winderzeugungsanlage nach Anspruch-*, dadurch gekennzeichnet daß die Zwischenüberhitzung in einer von einem Gichtgasteilstrom (38) der Hochofenanlage (10) gespeisten Brennkammer (36) erfolgt

7. Winderzeugungsanlage nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gichtgasteilstrom (37) in einem Wärmetauscher (39) vorgewärmt ist der primärseitig von den Abgasen (40) der Primär-Wärmetauscherstufe (17) beheizt ist

8. Winderzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung der Speicherteilchen in zwei parallelgeschalteten Teilapparaten (17, 43) der Primärstufe erfolgt, die jeweils an eine gesonderte Speicherteilchen-Rückförderung (18,44) von den beiden parallelgeschalte ten Niedertemperaturteilen (2, 31) angeschlossen sind und die mit Verbrennungsgasen aus zwei parallelgeschalteten Brennkammern (13,45) beheizt sind.

9. Winderzeugungsanlage nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brennkammern (13,45) mit jeweils zwei parallelen Teilströmen (52,46) von Verbrennungsluft aus der Turbinenendsüife (7) und Gichtgasteilströmen (15, 47) aus der Hochofenanlage (10) beaufschlagt sind.

10. Winderzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß das Gichtgas in einem vom Abgas (19) der Primär-Wärmetauscherstufe (17) beheizten Wärmetauscher (30) vorgewärmt ist

11. Winderzeugungsanlage nach Anspruch 8 und 9, gekennzeichnet durch eine Rückführung (49) der Abgase des parallelgeschalteten Primärteiles (43) zu der Verbrennungsluft (52) der Brennkammer (13) des ersten Primärteiles (17).

12. Winderzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß zumindest an die zweite Teilturbine (7) ein Generator (42) zur Stromerzeugung angekuppelt ist