DE2845505A1

DE2845505A1 - Verfahren zur wiedergewinnung von energie aus hochofen-abgas und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2845505A1
Application number: DE19782845505
Authority: DE
Inventors: Takeshi Shirato
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-06-07
Also published as: CS229652B2; FR2410676B1; GB2010968B; IT1106938B; BR7806448A; ATA755178A; HU182534B; ES474086A1; RO85226B; GB2010968A; PL210574A1; PL117479B1; NL7809694A; MX146893A; ES480760A1; US4270343A; FR2410676A1; JPS5478368A; RO85226A; BE871909A

Description

Mitsui Engineering and Shipbuilding Co., Ltd. 6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie aus Hochofen-Abgas und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie, die in einem Hochofen-Abgas enthalten ist, und zwar mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung einer Axialturbine bzw. Axial-Strömungsturbine und bezieht sich auch auf eine Axialturbine, welche zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird.

Beim Betreiben eines Hochofens wird eine große Menge Abgas erzeugt. Die Temperatur desselben ist erheblich groß, und das Gas hat einen beachtenswerten Druck. Das Hochofen-Abgas enthält nämlich thermische und mechanische Energien. Wenn diese Energien zusammen mit dem Hochofengas in die freie Atmosphäre entweichen gelassen werden, handelt es sich um verschwenderische Verluste, und es ist erwünscht, diese Energien in wirksamer Weise wiederzugewinnen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Wiedergewinnung der Energie

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aus Hochofen-Abgas unter Vervrendung einer Axialturbine, wobei die Energie mit hohem Wirkungsgrad wiedergewonnen werden kann, während das Anhaften vom Staub oder Schmutz oder das Verstopfen von Teilen mit Staub oder Schmutz verhindert ist.

Bislang sind verschiedene Versuche unternommen worden, um die Energie aus Hochofen-Abcras wiederzugewinnen. Ein solches Verfahren ist z. B. in der US-Patentschrift 3 818 707 beschrieben.

Diese herkömmlichen Verfahren zur Wiedergewinnung von Druckenergie aus einem Hochofen-Abgas werden in zwei Typen aufgeteilt; bei einer Art wird eine Zentrifugalturbine verwendet, und bei der anderen Art wird eine Axialturbine verwendet.

Einer der beobachteten Nachteile, wenn ein Hochofen-Abgas als Betriebsfixeßmittel für eine Turbine verwendet wird, besteht darin, daß durch den Gehalt an großen Mengen Staub im Abgas, wenn dieses direkt in die Turbine hineingeführt wird, der Staub an den Düsen hängen bleibt und Schwierigkeiten bereitet, wie z. B. Verstopfen, so daß der Betriebswirkungsgrad vermindert vird. Deshalb wird das Hochofen-Abgas einer Turbine zugeführt, nachdem der Staub aus dem Gas entfernt worden ist.

Im Falle desjenigen Verfahrens, bei dem eine Zentrifugalturbine verwendet wird, wird das Abgas zunächst einer Naßreinigung unterzogen, um den Staub aus dem Gas zu entfernen, und

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das Gas wird mit Wasserdampf gesättigt und zu der Zentrifugalturbine für deren Antrieb geführt. Da in der Zentrifugalturbine die Turbinenschaufeln fester als in einer Axialturbine befestigt sind und Düsenschaufeln im allgemeinen nicht vorgesehen sind, hat die Zentrifugalturbine den Vorteil, daß der Staub nicht erheblich haften bleibt. Das Zentrifugalturbinensystem hat aber große Abmessungen, und auch der Geräteaufwand ist sehr groß. .Außerdem ist der betriebliche Wirkungsgrad ziemlich gering, und es ist sehr schwierig, Energie mit einem hohen Wiedergewinnungsverhältnis zurückζugewinnen.

Das Verfahren mit Verxvendung einer Axialturbine ist gegenüber der Methode mit Verwendung einer Zentrifugalturbine insofern wesentlich vorteilhafter, als die Turbine kleiner ist und der betriebliche Wirkungsgrad hoch liegt. Dieses Verfahren mit der Axialturbine hat jedoch auch noch verschiedene Nachteile. Z. B. bleibt der Staub an den Düsen (stationäre Schaufeln)und an den sich bewegenden Schaufeln hängen und verringert die betriebliche Wirksamkeit. Er ruft auch Probleme oder Schwierigkeiten hervor, wie z. B. das Verstopfen der Düsen mit Staub. Außerdem kann beim Anhaften des Staubs an den sich bewegenden Schaufeln kein gutes Gleichgewicht in den sich bewegenden Schaufeln aufrechterhalten werden, und es entstehen Schwierigkeiten, wie z. B. Vibrationen oder Schwingungen, unter Umständen trennen sich Staubmassen, die an den Düsen oder den sich bewegenden Schaufeln anhaften, von diesen ab und schlagen gegen sich bewegende Schaufeln oder andere Teile,die abstromig davon ange-

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ordnet sind, um diese Teile zu beschädigen oder zu zerstören, und es besteht durchaus das Risiko, daß ein ernsthafter Unfall passiert.

Bsi dem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung einer Axialturbine, um das Anhaften von Staub zu vermeiden, läßt man das Hochofen-Abgas durch einen Naßreiniger streichen, das Gas wird zum Trocknen des Staubs erwärmt, und in diesem Zustand wird das Gas in die Turbine eingeführt. Infolgedessen i^t es notwendig, eine Vorrichtung zur Teilverbrennung eines Hochofen-Abgases oder einen Wärmetauscher anzuordnen und die Ausrüstung wird kompliziert, und der thermische wirkungsgrad entsprechend verringert.

Der Zustand des Anhaftens von Staub an Düsen oder anderen Turbinenteilen verändert sich entsprechend solchen Faktoren, wie z. B. der Staubmenge, der Staubzusanunensetzung, der Wassermenge und der Pließgeschwindigkeit des Gases. Selbst nach der Behandlung eines Hochofen-Abgases mit beispielsweise einem Staubnaß-

3 reiniger (Venturi-Reiniger) enthält das Gas noch etwa 100 mg/Nm an Staub und 3 bis 5 g/Nm Wasser. In diesem Zustand ist es sehr wahrscheinlich, daß der Staub innen an der Turbine hängen bleibt. Auf der anderen Seite ist der Staub im trockenen Zustand erosiver gegenüber Düsen und sich bewegenden Schaufeln als Staub, der von Wasser umgeben ist, und der Grad des Abriebes ist höher. Deshalb ist in diesem Falle jegliche spezielle Einrichtung vorgesehen, um die Erosion zu verhindern.

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Daher ist es Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wie der gewinn un er von Druckenergie mit hohem Wirkungsgrad aus Staub enthaltenden Gasen vorzusehen, insbesondere Hochofen-Abgasen, und zwar unter Verwendung einer Axialturbine mit einer wesentlich höheren Leistung als einer Zentrifugalturbine und einer Axialturbine, die zur Durchführung des Verfahrens vorteilhaft verwendet wird.

Nach einem Merkmal der Erfindung zur Schaffung eines Verfahrens zur Wiedergewinnung von Energie aus Staub enthaltenden Gasen durch Verwendung siner Axialturbine und Verwendung dieser Gase als Betriebs f ließini ttel wird das Anhaften oder Ansammeln von Staub auf Düsen und sich bewegenden Schaufeln der Turbine in wirksamer Weise verhindert, und die Leistung der Axialturbine kann über lange Zeit ohne Auftreten von Erosion der Düsen, sich bewegenden Schaufeln und dergleichen hinreichend stabil gehalten werden, um dadurch wesentliche Vorteile der Axialturbine auszunutzen, und zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine. Axialturbine in vorteilhafter Weise verwendet.

Ein weiteres Merkmal gemäß der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beseitigen von Staub und Nebel, welche in einem Betriebsmittel enthalten sind, und zwar in wirksamer Weise im Inneren einer Turbine, insbesondere in ihren vorderen Stufen.

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Ein anderes Merkmal richtet sich auf die Vorrichtung zum sofortigen Einfangen von Staub und Nebel, die aus einem Betriebsmittel abgetrennt werden, und zum Abgeben derselben nach außen.

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Wiedergewinnen von Energie aus einem Hochofen-Abgas, derartige Betriebsbedingungen vorgesehen werden, daß in dem Abgas enthaltener Staub kaum an Düsen oder sich bewegenden Schaufeln hängenbleibt. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgas durch einen Naßreiniger streichen gelassen wird und Wasser, das auf einer Temperatur, die kleiner ist als die des Gases, gehalten wird, zu dem gereinigten Abgas in dem gesättigten Zustand derart zugeführt wird, daß der in dem Gas enthaltene Staub durch eine Wasserschicht umgeben wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Staub enthaltendes Gas mit Wasserdampf gesättigt, dann wird Wasser (Kühlwasser), welches bei einer Temperatur gehalten wird, dis kleiner als die des Gases ist, fortlaufend dem gesättigten Gas in einer Menge zugegeben, die 0,5 bis 5 Gew.-% d^s Durchsatzes des gesättigten Gases entspricht, und das Gas wird dann in eine Axialturbine eingeführt.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Axialturbine vorgesehen, die einen solchen Aufbau hat, daß Staub und Nebel, die in dem vorgenannten gesättigten Abgas enthalten sind und in die Turbine eingeführt sind, leicht aus dieser abgetrennt werden und nach außen herausasführt werden können.

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Dar Stand oder die Bedingung des Anhaftens des Staubss an dsn Düsen (stationäre Schaufeln) und den sich beilegenden Schaufeln ein=r Turbine verändert sich gemäß Faktoren,wie z.B. der Menge des Staubes, Zusammensetzung das Staubes, Menge des Wassers und der Geschwindigkeit des Gases, welches durch das Innere der Turbine streicht. Beispielsweise enthält in demjenigen Falle, wenn ein Betriebsfixeßmittel ein Hochofen-Abgas ist, selbst nach dem Herauskommen des Gases aus einem Maßstaubreiniger (Venturi-Naßreiniger) das Gas doch noch ungefShr 100 mg/Nm Staub und 3 bis 5 g/Nm Wasser. Wenn die Energie aus dem Gas in diesem Zustand wiedergewonnen wird, wird der Staub imtsr solchen Zuständen oder Bedingungen gehalten, daß er sehr leicht an der Turbine anhaften kann, und in diesem Falle ist das Anhaften des Staubes an den Düsen der ersten Stufe extrem.

Wenn der Staub aus dem Abgas unter Verwen d ung eines Staubnaßreinigers wie z. B. eines Venturi-Reinigers, entfernt wird, wird thermische Energie, die in dem Abgas enthalten ist, für das Anheben der Wassertemperatur verloren, und es ist deshalb wichtig, diesen Energieverlust auf ein Minimum zu verringern.

Es wurden Untersuchungen angestellt von Einflüssen der Menge und der Temperatur des Wassers, welches einem Abgas zuzugeben ist, auf das Anhaften von Staub an einer Turbine, und als Ergebnis fand man, daß bei Zugabe von Wasser zum Abgas derart, daß der Wassergehalt innerhalb eines gewissen Bereiches gehalten wurde, das Anhaften des Staubes verhindert werden konnte.

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Wenn insbesondere vor dem Einführen eines Staub enthaltenden Gases, das mit Wasserdampf gesättigt ist, und zwar in eine Turbine hinein, das Wasser auf einer Temperatur gehalten wird, die kleiner als die des Gases ist, und in großer Menge in das Gas gesprüht wird, nämlich entsprechend 0,5 bis 5 Gew.-% des Durchsatzes des Gases, dann ein hervorragender Effekt erhalten werden kann, das Anhaften von Staub zu verhindern.

Eine bevorzugte Menge Wasser, die auf das Wasserdampf gesättigte Gas aufzusprühen ist, ändert sich je nach der Menge des Staubes, der Zusammensetzung des Staubes, des Durchsatzes oder der Fließgeschwindigkeit des Gases, der Temperatur des Gases und des Sättigungsgrades des Gases. Staub hängt besonders leicht an Düsen der ersten Stufe an, weil die Temperaturverringerung unzureichend ist und nicht genug Zeit für die Kondensation des Wasserdampfs zu Nebel bleibt. Im Hinblick auf diese Tatsache ist es wichtig, daß das Wasser in einer Menge entsprechend 0,5 bis 5 Gew.-% des Durchsatzes bzw. Fließgeschwindigkeit des mit Wasserdampf gesättigten Gases versprüht werden sollte. Falls die Menge des versprühten Wassers kleiner als 0,5 Gew.-% des Durchsatzes des Gases ist, verringert sich die Wirkung, das Anhaften des Staubes zu verhindern, und falls die Menge des versprühten Wassers größer als 5 Gew.-% des Gasdurchsatzes ist, wird die Nebelmenge, die in der Turbine erzeugt wird, erhöht, und das Problem der Erosion wird ernsthaft.

Auch die Temperatur des auf das gesättigte Gas versprühten Wassers ist wichtig. Wenn die Wassertemperatur höher ist als

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die Gastemperatur, wenn nämlich warmes Wasser versprüht wird, selbst wenn die Wassermenge in dem vorgenannten Bereich gehalten wird, nimmt der Effekt zur Verhinderung der Staubanhaftung ab.

Praktisch ist es schwierig zu prüfen, wie das Anhaften des Staubes an Düsen oder sich bewegenden Schaufeln einer Turbine durch das sogenannte Versprühen von Ttfasser verhindert werden kann. Aus Versuchsergebnissen, die unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt wurden, kann man jedoch schliessen, daß in dem Falle, wo zugegebenes Wasser vollständig zu Dampf umgewandelt wird und es im Gas schwimmt, die Wirkung der Staubentfernung niedrig ist, und gute Ergebnisse werden normalerweise erhalten, wenn das Wasser den Staub wie Kerne zur Bildung von Nebel einhüllt.

Wie vorstehend ausgeführt ist, haftet Staub als solcher kaum innen an der Turbine in vielen Fällen an, wenn aber Wasserdampf im Gas zugegen ist, wird das Haften oder Hängenbleiben gefördert. Wenn andererseits die Wassermenge weiter vergrössertvird, wird das Anhaften des Staubes unwahrscheinlich.

Bei dem in der vorgenannten US-Patentschrift 3 818 707 beschriebenen herkömmlichen Verfahren tritt selbst dann, wenn der Sättigungsgrad in dem mit Wasserdampf gesättigten Gas erhöht wird, kaum eine Erscheinung auf, daß Staub durch dünne Wasserfilme umgeben wird, und deshalb ist die Funktion der Verhinderung des Anhaftens von Staub innen durch diese Wasser-

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filme bei dsm herkömmlichen Verfahren nicht bedeutsam.

Das am meisten kennzeichnende Merkmal der Erfindung besteht darin, daß solche Bedingunaen erzeugt werden, daß Staubteilchen wie Kerne durch dünne Wasserfilme umgeben werden. Wenn Staub im Inneren einer Turbine in Form von Mikrokugeln bzw. sehr kleinen Kugeln mit einem Doppelaufbau zugeführt werden mit einem Staubteilchen-Kern, der mit einer dünnen Wasserschicht bedeckt ist, übt der Wasserfilm eine Art Kisseneffekt oder Dämpfungstätigkeit aus, und es wird verhindert, daß das Staubteilchen auf die innere Wandfläche der Turbine auftrifft und haften bleibt, und das Staubteilchen wird im Zustand des Klebens in der Wasserschicht gehalten. Da ferner die träge Masse feinen Mebels, welcher durch die vorstehend beschriebenen Verfahren gebildet wird, sehr klein ist, strömt sie in den Schaufelreihen im wesentlichen in der gleichen Weise wie das Gas strömt. Der feine Nebel strömt nämlich ziemlich exakt längs konkaven und konvexen Flächen der Düsen,und infolgedessen wird das Anhaften des Nebels an den Düsen und dergleichen in wirksamer Weise verhindert.

Zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, diese von Wasserfilmen umgebenden Staubteilchen und Nebel baldmöglichst nach außerhalb des Turbinengehäuses auszutragen. Wenn der Staub und der Nebel weiter zusammen mit dem Gas strömen dürfen, wenn die Wiedergewinnung der Energie fortschreitet (das Gas strömt zur letzteren Stufe in der Turbine) , wird die Nebelmenge erhöht, um die unerwünschte Erschei-

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nung, wie ζ. B. Erosion, Schwingungen und Verminderung der Wirksamkeit bei der Energiewiedergewinnung, hervorzurufen.

Aufgrund der vorstehenden Ausführungen muß die zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens verwendete Turbine die folgenden Eigenschaften haben: nasser Staub darf nämlich nicht an der Turbineninnenwand anhaften oder sich ansammeln, Erosion oder dergleichen wird nicht durch zugegebene Wassertropfen hervorgerufen, und unnötiger Nebel kann leicht eingefangen werden, und Staub und Nebel kann sogleich aus der Turbine herausgeführt werden. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, ist es notwendig, eine Axialturbine mit einem besonderen Aufbau zu verwenden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Axialturbine wird die Geschwindigkeit des auf einer ersten Düse strömenden Gases auf unter 200 m/sec eingestellt, insbesondere im Bereich von 140 bis 180 m/sec, wobei die Erosion in wi iksamer Weise verhindert wird und Staubteilchen enthaltender Nebel darin gleichmäßig bzw. sehr sanft strömen kann. Ferner werden Wirbelströme an der Turbinenachse als Zentrum in dem Gas erzeugt, wodurch eine Zentrifugalkraft in dem Gas hervorgerufen wird, und durch diese Zentrifugalkraft wird Staub, der von Wasserschichten umgeben ist, und unnötiger Nebel mit großem Maß nach vorn zur inneren Wandfläche des Gehäuses gestoßen und durch Entleerungsnuten-oder schlitze nach außen geführt, die in der Innenwandfläche gebildet sind. Somit werden Staub und Nebel sogleich aus dem

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Inneren dar Turbine entleert, und das Anhaften des Staubes an Düsen und sich bewegenden Schaufeln in der ersten Stufe kann besonders wirksam verhindert werden.

Bei einer gewöhnlichen Axialturbine ist die Geschwindigkeit des aus einer ersten Düse ausgestoßenen Gases höher als 200 m/sec. Erfindungsgemäß ist diese Geschwindigkeit entsprechend der obigen Darlegungen in wirksamer Weise verringert, und es ist auch wichtig, daß der Äusströmungswinkel des Gases aus der ersten Düse auf 50 bis 60 eingestellt sein sollte.

Die Axialturbine gemäß der Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß in den Düsen und sich bewegenden Schaufeln, insbesondere der ersten Düse und sich bewegenden Schaufel, das Verhältnis der Höhe zur Sehnenlänge auf 0,7 bis 1,5 gesteuert bzw. eingestellt ist, nämlich Düsen und sich bewegende Schaufeln mit großen Maßen verwendet werden. Bei dieser Anordnung wird die Dicke der Unterkante der Düse und der sich bewegenden Schaufeln 6 bis 12 mm eingestellt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist bei dsr Axialturbine die Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes der sich bewegenden Schaufel geringer eingestellt als bei einer gewöhnlichen Axialturbine, und insbesondere ist die Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes der ersten sich bewegenden Schaufel auf 150 bis 230 m/sec eingestellt oder gesteuert.

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Ein weiteres Merkmal des Aufbaues der erfindungsgemäßen Axialturbine besteht darin, daß eine Nut oder ein Schlitz die Turbinenachse im wesentlichen unter einem rechten Winkel kreuzt und auf dem Umfang eines Gasdurchgangs gebildet ist, und Staub und Nebel in wirksamer Weise von dieser Nut oder diesem Schlitz eingefangen werden.

Eine gewöhnliche Axialturbine ist so ausgestaltet, daß die Ausstromungsrichtung des Gases am Düsenauslaß anders als die Ausstromungsrichtung des Gases an dem Auslaß der sich bewegenden Schaufel, d. h. der Düse der nächsten Stufe, gemacht ist, um eine maximale Strömungsleistung zu erhalten. Bei der gewöhnlichen Axialturbine werden daher keine Wirbelströme, erzeugt, die sich in derselben Richtung im Gas drehen, welches durch die Turbine geht. Erfindungsgemäß werden Wirbelströme, die sich in derselben Richtung drehen, in wirksamer Weise im Gas erzeugt, um eine Zentrifugalkraft in dem Gas hervorzurufen, und durch die Verwendung dieser Zentrifugalkraft können Staub und Nebel in wirksamer Weise aus dem Gas getrennt werden.

Wie vorstehend dargelegt ist, liegt ein sehr wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß nach dem Sättigen eines aus einem Hochofen herausgeführten, Staub enthaltenden Gases mit Wasserdampf vor dem Einführen des gesättigten Gases in eine Axialturbine das Wasser auf einer Temperatur gehalten wird, die kleiner ist als die des gesättigten Gases, und das Wasser fortlaufend in einer Menge in das gesättigte Gas eingesprüht wird, die 0,5 bis 5 Gew.-% des Durchsatzes des gesättigten Gases ent-

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spricht, wobei nicht nur wegen der Waschtätigkeit sondern auch wegen des Kühlens das Hebels des so versprühten Wassers der übersättigte Wasserdampf im Gas vor dem Eintritt in die Axialturbine kondensiert wird und Wasser den Staub umhüllen gelassen wird. Wenn eine solche spezifische, grosse Wassermenge also in das gesättigte Gas aufstromig von der Axialturbine versprüht wird, können das Anhaften und die Ansammlung von Staub an der Turbine in wirksamer Weise verhindert werden. Außerdem sind verschiedene, die Erosion verhindernde Einrichtungen an den Düsen und Schaufeln derart angeordnet, daß schlechte Einflüsse nicht durch den Nebel hervorgebracht v/erden, der durch Sprühen einer großen Wassermenge erzeugt ist, und die Düsen und Schaufeln können ihre Funktionen in zufriedenstellender Weise beider Gegenwart einer großen Menge Nebel ohne Verkürzung ihrer Standzeiten ausüben. Mit anderen Worten ausgedrückt, obwohl man gedacht hat, daß es, weil bei siner herkömmlichen Axialturbine ein Minimum an Wassermenge, x^elches notwendig ist für das Verhindern des Anhaftens und Ansammeins von Staub, größer ist als eine maximal zulässige Wassermenge, die Erosion nicht hervorruft, unmöglich ist, die herkömmliche Axialturbine praktisch dafür einzusetzen, Energie aus einem Hochofen-Abgas wiederzugewinnen, können erfindungsgemäß die beider herkömmlichen Technik bestehenden Schwierigkeiten vollständig beseitigt werden, und es ist möglich, Energie aus einem Hochofen-Abgas in wirksamer Weise unter Verwendung bzw. Ausnutzung einer Axialturbine wiederzugewinnen.

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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeitan der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine systematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wiedergewinnung von Energie aus einem Hochofen-Abgas,

Fig. 2 eine Darstellung des Zustandes der Anhaftung von Staub an einer Düse,

Fig. 3 ein Diagramm unter Darstellung von Verhältnissen der Menge versprühten Kühlwassers zur Menge anhaftenden Staubes mit der Menge des Abriebs der Düse,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Menge anhaftenden Staubes und der Leistung oder dem Wirkungsgrad einer Turbine,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases aus einer ersten Düse und der Menge anhaftenden Staubes,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer ersten Düse einer Axialturbine der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer ersten Düse einer herkömmlichen Axialturbine,

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Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses zwischen (S/C) der Düsensteigung (S) zur Schaufelsehnenmenge (C) und der Zeit (Stunden) des fortlaufenden Betriebes der Turbine,

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Schaufelsehnenlänge und der Menge des Staubes, die an der Düssnschaufel anhaftet,

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Ausströmungswinkel ex der sich bewegenden Schaufel und der relativen Geschwindigkeit v_ des Gases am Auslaß der sich bewegenden Schaufel,

Fig.10 eine Schnittansicht unter Darstellung des Hauptteils der Axialturbine gemäß der Erfindung^

Fig.11 schematische Darstellungen der AusStrömungsgeschwindigkeiten des Gases aus der Düse und der sich bewegenden Schaufel,

Fig.12 schematische Darstellungen von Vektoren der in Figur 11 gezeigten Ausströmungsgasgeschwindigkeiten und

Fig.13 eine Ansicht unter Darstellung des Zustandes, wenn Wirbelströme in dem Gas erzeugt werden, welches in der Axialturbine gemäß der Erfindung strömt.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfinduna im einzelnen beschrieben. Figur 1 ist eine systematische Ansicht unter Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Wiedergewinnung von Energie aus einem Hochofen-Pbgas, wobei ein Abgas aus einem Ofen 1 abgegeben wird, in einen Staubfänger 3 durch eine Leitung 2 eingeführt wird und dann in einen Venturi-Naßreiniger eingeführt wird, d.h. einen Naß-Staubabscheider 5, und zwar durch eine Leitung 4.

In dem Naßstaubabscheider 5 wird das Hochofengas zunächst mit Wasserdampf gesättigt. Wenn das Hochofengas z.B. gewöhnlich eine Temperatur von etwa 150 c und einen Druck von etwa 2 atm (Normalmaß) hat, wird das Gas durch Verdampfung des Wassers in dem Naßstaubreiniger 5 gekühlt und zu einem Gas a₁ umgewandelt, das an Wasserdampf gesättigt ist mit einer Temperatur von etwa 60 C.

Das gesättigte Gas a.. strömt durch eine Leitung 6, ein Einlaßblindventil 7, eine Leitung 8, ein Not-Einlaß-Abschaltventil 9, eine Leitung 10, ein Reglerventil 11 und eine Leitung 12 und fließt in eine Axialturbine 13. Diese Turbine 13 ist mit einer angetriebenen Einrichtung 14 verbunden und wirkt als Kraftquelle für den Antrieb der Einrichtung 14. Während erfindungsgemäß das gesättigte Gas a.. durch die Leitungen 10 und 12 streicht, wird Wasser, das bei einer Temperatur, die kleiner als die Temperatur des GaR=¹S a.. ist, gehalten wird, fortlaufend zum Has a₁ nsspi"5M , um ^s zu «ίη«ΐν 'ibsrsältiaten Gas a„ umzuwandeln. Das aiii '¹T ^T-^Vi η 11 urbin? Ή nunn'-st.rüiri ε G-τ; ä-, wird 'Tn roh fine T,<ai-

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tung 15, ein Auslaßblindventil 16,eine Leitung 17, ein Auslaßabs chaltventil 18 und eine Leitung 19 geführt und dann durch eine Leituna 20 nach außen entleert.

In der vorstehend erahnten Strönunasanlage des Hochofengases wird erfindungsgein'iß, bevor das Gas a.., das in dem Naßstaubabscheider 5 gesättigt ist, in die Axialturbine 13 eintritt, aine bestimmte Wassermenge fortlaufend in das Gas a.. gesprüht. Zu diesem Zweck ist eine Pumpe 23 in dem Fließsystem angeordnet. Um nämlich versprühte wasserströme b zu dem gesättigten Gas a. aufstromig von der Axialturbine 13 zuzuführen, ist die Pumpe 23 mit der Leitung 10 über eine Leitung 24 und mit der Leituncr 12 über eine Leitung 25 verbunden. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform werden zum Waschen des Reglerventils 11 versprühte Wasserströme b zur Leitung 10 aufstromig von dem Befehls- bzw. *ieglerventil 11 gebracht. Das Aufbringen der versprühten Wasserströme b auf die Leitung 10 kann entfallen, und die Ströme b können zur Leitung 25 allein oder an irgendeinen anderen Teil aufstromig von der Axialturbine 13 hinzuaefücrt werden.

Durch die Kühltätigkeit des Nebels der versprühten Wasserströme b wird erfindungsgemäß die Kondensation des Wasserdampfs in dem gesättigten Gas a.. aufzutreten veranlaßt,und Staubteilchen als Kerne werden von dünnen Wasserschichten umgeben, welche durch die Kondensation des Wasserdampfes gebildet werden.

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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird derjenige Zustand, bei welchem das Anhaften von Staub an der Düse oder der sich bewegenden Schaufel der Turbine verhindert wird, nun beschrieben.

(1) In einer Axialturbine sammeln sich und haften Staubteilchen mit einer kleinen Teilchengröße (kleiner als 1 Ax) nämlich Dampf oder Rauch von Metalloxiden und -sulfiden, die durch Verdampfung und Kondensation im Hochofen gebildet sind, nicht nur in konkaven Seiten der Düsen an, sondern auch in konvexen Seitenflächen anderer Düsen (den Rückseiten der Schaufeln) . Man hat klargestellt, daß ein solches Anhaften und sich Ansammeln durch ein Auftreffen von Metallteilchen hoher Geschwindigkeit und sogenannter OH-Bindungen hervorgerufen werden.

Da die Teilchengröße des nur beim Versprühen des Wassers erzeugten Nebels relativ groß ist, können sie kaum ihre Reinigungstatigkeit auf die konvexen Flächen (hinteren Flächen der Schaufeln) der Düsen ausüben, und zwar wegen des Trenneffektes infolge der tragen Masse. Also schreiten das Anhaften und Ansammeln von Staub in diesen Bereichen sogleich fort, oft mit dem Ergebnis des Verstopfens der Düsen mit dem Staub. Es wurden Untersuchungen bei dieser unerwünschten Erscheinung angestellt, und es wurde herausgefunden, daß zum Ausüben der Reinigungstatigkeit sogar dieser Bereiche es notwendig ist, die Teilchengröße des Nebels zu verkleinern. Man hat nämlich gefunden, daß

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eine Größe des Wassernebels, v/elcher durch eine gewöhnliche Wasserversprüheinrichtung gebildet wird, zu groß ist, und um dia vorstehende Aufgabe zu erreichen, ist die Gegenwart feinen Nebels mit kleiner Teilchengröße (etwa 1 Λι) , welcher durch Kondensation des Wasserdamnfs in dem übersättigten Gas gebildet wird, hervorgerufen durch das Kühlen des Gases durch Versprühen von Wasser, das bei einer Temperatur gehalten wird, die kleiner ist als die Gastemperatur, unerläßlich.

Als Ergebnis von durchgeführten Versuchen wurde bestätigt, daß an einem konvexen Flächenteil einer Schaufel 27 einer Düse 26, wie in Figur 2 gezeigt ist, anhaftender Staub etwa 1 ,u groß oder kleiner war. Um Nebel des Kühlwassers zu veranlassen, am Staub d anzukommen, ist es notwendig, den Nebel längs einer Bahn ähnlich derjenigen Bahn zu führen, entlang welcher der Staub gefördert worden ist. Zu diesem Zweck sollte die Größe des Nebels in der Größenordnung von 1 ,u liegen. Die relative Feuchtigkeit des Gases, welches in dem Naßstaubabscheider behandelt wird, beträgt etwa 100 %. Wenn dieses Gas also nur schwach gekühlt wird, ist es möglich, Nebel mit einer solch geringen Teilchengröße zu erzeugen.

Erfindungsgemäßwi rd Nebel mit einer kleinen Teilchengröße somit geformt, und er strömt entlang einer Linie b.., die nicht vollständig dieselbe ist wie die Strömungslinie des Gases, (^urch die ausgezogene Linie g in Figur 2 dargestellt, aber sehr ähnlich zu dieser. Somit w'iseht der Nebel nicht nur 'Staub d₁ ab, der an der 'conkaven Γ] "iche dar Schaufel 27 an-

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haftet, sondern auch Staub d_, der an der konvaxen Fläche der Düse 27 anhaftet.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird klar, daß wenn der versnrühte Wasserstrom b. des Nebels mit kleiner Teilchen-

größe veranlaßt wird, längs einer Bahn zu strömen, die ähnlich der Flugbahn des Staubes d ist, das Anhaften und Ansammeln von Staub d an der konvexen Fläche der Schaufel 27, welche die Düse 26 bildet, verhindert werden kann.

(2)Wenn das Kühlwasser in das mit Wasserdampf gesättigte Gas versprüht wird, erfolgt die Kondensation des Wasserdampfes, und an dieser Stelle werden Wasserstropfen mit Staubteilchen geformt, die eine kleine Größe haben, wobei die Staubteilchen wie die Kerne sind. Mit anderen Worten werden die Staubteilchen von Wasserfilmen umgeben. Infolgedessen werden die oben erwähnten OH-Bindungen unwirksam, und die Wasserfilme wirken als Pufferteile und vermindern die Stöße bei Aufschlagen des Staubes mit hoher Geschwindigkeit auf die Düse und dergleichen. Deshalb kann das Anhaften des Staubes an der konvexen Fläche der Düse verhindert werden.

Die zum Entfernen des an der Düsenschaufel anhaftenden Staubes versprühte Wassermenge wird so bestimmt, daß die untere Grenze einen wesentlichen Anhaftungsverhinderungseffekt zeigt und die obere Grenze eine solche ist, bei welcher keine Erosion hervorgerufen wird.

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In Figur 3 zeigt die Ordinate den jährlichen Abrieb (mm) der Düse und die Menge des anhaftenden Staubes, td/c /_(Staubdicke)/ (SchaufelsehnenlängeJ_7, und die Abszisse zeigt die Menge versprühten Wassers (Gew.-%, auf dem Gas basierend).

Wenn man im Hinblick auf die wirklichen Betriebsergebnisse der herkömmlichen Axialturbine annimmt, daß der jährliche Abrieb der Düse 2 mm beträgt, dann beträgt die obere Grenze der versprühten Wassermenge 5 %. Wenn die Menge (td/c) des anhaftenden Staubes auf 5 % besteuert wird, um eine gute Betriebsleistung aufrechtzuerhalten, ist die untere Grenze der versprühten Wassermenge 0,5 bis 0,7 %.

In Figur 3 zeigt die Linie L₁ den kritischen Wert der Erosion, die Linie L₂ zeigt die Menge der Erosion und die Kurve L, zeigt die kritische Größe der Menge td/c des anhaftenden Staubes.

Die Menge des an der Düse anhaftenden Staubes hat eine enge Beziehung zur Verminderung der Betrieb swirksainkeit, und es ist notwendig, den Betrieb durchzuführen, während die Menge des anhaftenden Staubes bei einem solchen Bereich eingestellt ist, daß nicht eine erhebliche Verringerung der Betriebswirksamkeit hervorgerufen wird.

Figur 4 veranschaulicht die Einflüsse der Menge des anhaftenden Staubes auf die Verminderung der Wirksamkeit bzw. des Wirkungsgrades. Aus Figur 4 sieht man, daß wenn man versucht, die Verminderung der Wirksamkeit innerhalb 1O % der anfäng-

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lichen Wirksamkeit zu steuern, es notwendig ist, die Haftungsdicke des Staubas bzw. Adhäsionsdicke des Staubes (td/c) unter 5 % zu vermindern.

Figur 5 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des Staubes und der Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases an der Düse der ersten Stufe. Die Menge (td) anhaftenden Staubes ist am größten und beträgt 1,5 mm an der Stelle M, wenn die Fließgeschwindigkeit 120 m/sec beträgt und die Schaufelsehnenlänge (c) 120 mm beträgt. Wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit 200 m/sec beträgt und die Schaufelsehnenlänge (c) 200 mm beträgt, ist die Menge (td) des anhaftenden Staubes am größten und beträgt 15 mm an der Stelle N. Die Stelle O zeigt an, wo die Menge des anhaftenden Staubes Null oder im wesentlichen Null ist. Aus den in Figur 4 gezeigten Daten ist ersichtlich, daß es notwendig ist, die Adhäsionsdicke des Staubes unter 5 % zu halten. Wenn es beabsichtigt ist, die Anhaftungs- bzw. Adhäsionsdicke des Staubes unter 5 % einzusteuern, sieht man aus Figur 5, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases an der ersten Düse kleiner als 180 m/sec sein sollte, um die Betriebswirksamkeit der Turbine zu erhöhen, ist es notwendig, die Fließgeschwindigkeit des aus der ersten Düse ausgestoßenen Gases zu erhöhen. Vorausgesetzt, daß eine zulässige Menge anhaftenden Staubes zwischen 2 bis 5 % liegt, dann ist die Fließgeschwindigkeit des aus der ersten Düse ausgestoßenen Gases 180 bis 120 m/sec, vorzugsweise 180 bis 140 m/sec. In diesem Falle beträgt der zulässige Ausströmuncrswinkel 46 bis 60 °, vorzugsweise 48 bis 60 °.

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Figur 6 veranschaulicht eine Düsenschaufel 27 der Axialturbine gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer Düsenschaufel 27' einer herkömmlichen Axialturbine. Die Grösse oder das Ausmaß der Schaufel 27 gemäß der Erfindung ist viel größer als die bzw. das der herkömmlichen Turbine. Derart große Schaufeln wurden speziell geformt und erfindungsgemäß geformt. Figur 7 zeigt Ergebnisse von Versuchen, die zur Bestimmung dar Schaufelgestaltung, wie sie in Figur 6 gezeigt sind, gemacht wurden. In Figur 7 zeigt die Abszisse das Verhältnis S/C der Steigung S (der Abstand zwischen den Mitten zweier benachbarter Schaufeln) zu der Schaufelsehnenlänge C, und die Ordinate zeigt die Zeit des fortlaufenden Betriebes der Turbine (Wasser wird nicht versprüht) . Es wird eine Beziehung einer geraden Linie zwischen den zwei Faktoren erreicht. Die Stelle R in Figur 7 zeigt denjenigen Wert, den man erhält, w?nn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases am Düsenauslaß 136 m/sec beträgt und die Steigung 6 mm ist. Aus Figur 7 sieht man, daß mit Zunahme des Wertes S/C die Betriebszeit verlängert wird. Mit anderen Worten wird mit zunehmender Schaufelsteigung das Verstopfen der Düse verlangsamt. Figur 8 ist ein Diagramm unter Darstellung der Beziehung zwischen der Anhaftungs- bzw. Adhäsionsdicke des Staubes (die Ordinate) und der Schaufelsehnenlänge (die Abszisse), die beobachtet wird, wenn das Verhältnis S/C bei etwa 1,5 gehalten wird. Aus Figur 8 sieht man, daß mit zunehmender Größe der Schaufel die Staubdicke, d.h. die Menge des anhaftenden Staubes, ziemlich vermindert wird. In Figur zeigt der Punkt P denjenigen Wert, den man erhält, wenn die

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Sehnenlänge C 35 nun beträgt und die Ausfliaßgeschwindigksit V des Gases 136 m/sec beträgt, und der Punkt Q zeigt die Größe, die man erhält, wenn die Sehnenlänge 120 mm beträgt und die Ausströmungsgeschwindigkeit 120 m/sec beträgt.

Aus den vorstehend erwähnten experimentellen Ergebnissen sieht man, daß wenn die Größe der Schaufel zunimmt. Staub längs der Schaufel strömen kann und hinreichend zur Rückseite der Schaufel überführt wird. Also erhält man ein Abwaschen des an der Schaufel anhaftenden Staubes, und sogar bei einem kontinuierlichen Langzeitbetrieb kann das Verstopfen der Düse mit Staub verhindert werden.

Figur 9 ist ein Diagramm unter Darstellung der Beziehung zwisehen dem Ausströmungswinkel ©<_ (relativer Winkel) der sich bewegenden Schaufel (die Abszisse) und der relativen Geschwindigkeit V₂ des Gases am Auslaß der sich bewegenden Schaufel (die Ordinate). Wenn der Strömungsgeschwindigkeitskoeffizient ^innerhalb eines Bereiches von 0,4 bis 0,7 liegt und die Strömungsgeschwindigkeit von 120 bis 180 m/sec oder 140 bis 180 m/sec liegt, aus den in Figur 5 dargestellten Ergebnissen bestimmt, und dies auf der Ordinate aufgetragen wird und mit der Linie des Fließgeschwindigkeitskoeffizienten von 0,4 bis 0,7 verbunden wird, sieht man, daß näherungsweise ein Ausströmungswinkel öU im Bereich von etwa 50 bis 60 ° liegt.

Wie oben veranschaulicht ist, ist die Axialturbine gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Sehnenlänge in Düsen

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sich bewegender Schaufeln vergrößert wird, insbesondere solchen der ersten Stufe (das Verhältnis der Höhe zur Sehnenlänge beträgt 0,7 bis 1,5), die Dicke des Hinterkantenteils der Schaufel wird auf 6 bis 12 mm erhöht, und der Ausströmungsdüsenwinkel, die Ausströmungsgeschwindigkeit und die Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes der sich bewegenden Schaufel werden kleiner gemacht als bei der gewöhnlichen Axialturbine. In Anbetracht dieses charakteristischen Merkmales wird erfindungsgemäß das Versprühen von Wasser in äußerst wirksamer Weise verwendet, um das Anhaften und Ansammeln von Staub an Düsen zu verhindern, insbesondere solchen der ersten Stufe, und der Einfluß der Erosion, der wahrscheinlich durch das Versprühen von Wasser hervorgerufen wird, kann auf ein praktisch vernachlässigbares Niveau gesteuert bzw. eingestellt werden.

Außerdem ist in der Axialturbine der vorliegenden Erfindung die Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases, insbesondere an der Düse der ersten Stufe (die stationäre Schaufel der ersten Stufe), kleiner gemacht als bei einer gewöhnlichen Axialturbine und auf i.20 bis 180 m/sec, vorzugsweise 140 bis 180 m/sec eingestellt, und der Gasausströmungswinkel wird auf 46 bis 60 gesteuert, und die Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes der sich bewegender. Schaufel wird a\if 150 bis 230 m/sec eingestellt. Infolge dieses charakteristischen Merkmales v/erden erfindungsgemäß die absolute Geschwindigkeit des aus der Düse ausgestoßenen Gases und die absolute Geschwindigkeit des durch das Innere der sich bewegenden Schaufel gehenden und aus dieser kommenden Gases so eincrestellt, da.3 Wirbelströme erzeugt werden, welche

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sich in derselben Richtung um die Turbinenachse drehen.

Insbesondere ruft das im Inneren der Turbine strömende Gas eine Wirbelbeweaung um die Turbinenachse hervor, und wenn somit das Gas längs des Turbinengehäuses wirbelt, wird eina Zentrifugalkraft in dem Gas erzeugt, und durch diese Zentrifugalkraft werden Staub und Nebel aus dem Gas getrennt und nach vorn zur Innenwandfläche des Gasgehäuses gestoßen.

Wenn also erfindungsgemäß eine Staubentlesrungseinrichtung auf der inneren Wandfläche des Turbinengehäuses angeordnet ist, kann der Staub in wirksamer Weise eingefangsn und nach außen abgeführt werden. Als eine solche Staubabführeinrichtung wird eine Nut, ein Schlitz oder eine öffnung an der Innenwandfläche des Turbinengehäuses gemäß der Erfindung geformt.

Nunmehr wird dsr Aufbau einer Axialturbine, die für die Durchführung des erfinduncrsgemäßen Verfahrens geeignet ausgestaltet ist, unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Figur 10 ist eine Schnittansicht unter Darstellung der vorderen Stufe der Axialturbine in Teilansicht, einschließlich der Turbinenwelle. Figur 11 ist eine Schnittansicht unter Darstellung der Gestaltung der Schaufel, und Figur 12 ist eine Dreieckskoordinate der Geschwindigkeit.

Ein Rotorvorsprung 31 ist auf dem Mittelteil eines Turbinengehäuses 30 drehbar gelagert, und eine Gaszuführöffnung 32

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ist im Gehäuse 30 gebildet. Eine Düse 34 der ersten Stufe (stationäre Schaufel) und eine Düse 35 der zv/eiten Stufe sind auf der Innenseite des Teils 33 des Gehäuses angeordnet und umgeben den oben erwähnten Rotorvorsprung. Eine sich bewegende Schaufel 36 der ersten Stufe und eine sich bewegende Schaufel 37 der zweiten Stufe sind nachfolgend auf der Umfangsobsrflache des Rotorvorsprunges 31 angeordnet.

Die Strömungsbahn des Gases wird nun beschrieben. Unter Bezugnahme auf die Figuren 11 und 12 bezeichnen v_o1 und V₂ die absoluten Geschwindigkeiten des aus der Düse 34 der ersten Stufe ausgestoßenen Gases bzw. des aus der Düse 35 der zv/eiten Stufe ausgestoßenen Gases, und V₁₁ und V₁₂ bezeichnen seine relativen Einströmungsgeschwindigkeiten zu der sich bewegenden Schaufel 36 bzw. 37. V₃₄ und V₃₅ stellen die absoluten Geschwindigkeiten des aus der sich bewegenden Schaufel 36 der ersten Stufe bzw. der sich bewegenden Schaufel 37 der zweiten Stufe herausströmenden Gases dar, und V und V_„ bezeichnen die relativen Ausströmungsgeschwindigkeiten der Gase zu der sich bewegenden Schaufel 36 bzw. 37.

Figur 12 zeigt eine Dreieckskoordinatendarstellung der Geschwindigkeit und veranschaulicht die jeweiligen Geschwindigkeitskomponenten des Gases in Figur 11. Wie man aus Figur 12 sieht, sind die Geschwindigkeitskomponenten V_.,', V ', V, ' und V₃₅ ¹ der absoluten Geschwindigkeiten V_n1 und V₀₃ des aus den Düsen 34 und 35 der ersten und zweiten Stufe ausströmenden Gases und die ab-

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soluten GeschwindigkeitmV . und V__g des aus den sich bewegenden Schaufeln 34 und 35 der ersten und zweiten Stufe ausströmenden Gases in derselben Richtung bezüglich der Turbinenachse angeordnet. Insbesondere sind erfindungsgemäß die absolute Geschwindigkeit des aus der Düse ausströmenenden Gases und die absolute Geschwindigkeit des aus der sich bewegenden Schaufel ausströmenden Gases, welches die absolute Geschwindigkeit des aus der Düse ausströmenden Gases aufnimmt, so angeordnet, daß sie Geschwindigkeitskomponenten in derselben Richtung bezüglich der Turbinenachse haben. Bei dieser Anordnung kann das in der Turbine strömende Gas Wirbelkomponenten haben, die sich in derselben Richtung mit der Turbinenachsa als Zentrum drehen. Mehr begrifflich ausgedrückt wirbelt das Gas spiralförmig an der Turbinenachse als Zentrum, und in diesem Wirbelzustand bewegt sich 'das Gas zur Entleerungsöffnung vor.

Figur 13 veranschaulicht die Anordnung der Düsen und der sich bewegenden Schaufeln und die Strömungen des Gases aus diesen Düsen und sich bewegenden Schaufeln. Soxvohl die absoluten Geschwindigkeiten V-. ₁ und V_n- des Gases aus den Düsen mit einem Ausströmungswinkel©<_ als auch die absoluten Geschwindigkeiten

V_« und V__r des Gases aus den sich bewegenden Schaufeln mit einem 34 35

Ausströmungswinkel ex sind in derselben Rihtung angeordnet. Bei dieser Anordnung werden Wirbelströme, die sich in einer Richtung drehen, in dem Gas mit dem Ergebnis erzeugt, daß eine Zentrifugalktaft in dem Gas hervorgerufen wird und Staub oder Nebel in wirksamer Weise aus dem Gas durch diese Zentrifugalkraft getrennt werden.

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Wie in Figur 10 gezeigt ist, sind sich in derselben Richtung erstreckende Nuten 38 im Gehäuse 33 gebildet. Die Nut 38 ist zwischen jeder benachbarten Düse und sich bewagenden Schaufel oder zwischen jeder benachbarten sich bewegenden Schaufel und Düse angeordnet. Vorzugsweise ist die Nut 38 an solchen Stellen angeordnet, daß Eigenschaften der Turbine durch das Vorhandensein der Nut 38 nicht nachteilig beeinflußt werden. Eine Entlaerungsöffnung 39 öffnet sich zum Boden der Nut 38, und die Entleerungsöffnung 39 steht mit einer Trennkammer 41 in Verbindung, welche durch das Gehäuse 33 und einen Deckel 40 gebildet ist, der den Umfang des Gehäuses 33 umgibt. Ein Schlitz mit den Funktionen dar Nut 38 und der Entleerungsöffnung 39 kann anstelle der Nut 38 angeordnet sein.

Die Trennkammer 41 steht mit einem Ablaufrohr oder dergleichen (nicht gezeigt) in Verbindung, und in den Nuten 38 eingefangener Staub wird in die Trennkammer 41 durch die Entleerungsöffnungen 39 eingeführt, und der Staub ist in durch Kondensation gebildeten Wassertropfen eingeschlossen. Somit wird der Staub in dem unteren Teil der Trennkammer 41 gesammelt, aus einer Dränageöffnung 42 herausgeführt und zu dem Entleerungsrohr durch die Dränageöffnung 42 geleitet.

Bei der vorstehend erwähnten besonderen Anordnung und Einrichtung sind die Schaufeln wichtig, und es ist erfindungsgemäß bedeutsam, daß die Düse der ersten Stufe und die nachfolgende sich bewegende Schaufel der ersten Stufe in der vorstehend beschriebenen Weise ausgestaltet sein sollte.

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Das erste zu lösende Problem beim Betrieb einer Axialturbine unter Verwendung eines Hochofengases besteht darin, wie das Anhaften von Staub an einer Düse oder einer sich bewegenden Schaufel der Turbine, wie oben beschrieben ist, verhindert wird. Das zweite Problem besteht darin, wie die Erosion verhindert oder verringert v/ird, welche durch das Versprühen von Wasser hervorgerufen wird. Erfindungsgemäß werden die folgenden Vorteile und Merkmale im Zusammenhang mit der Axialturbine geschaffen:

(1) die Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes der sich bewegenden Schaufel der ersten Stufe der Axialturbine wird auf ein Niveau gesteuert, welches niedriger liegt als bei einer gewöhnlichen Axialturbine, und wird auf 250 bis 150 m/sec eingestellt. Im allgemeinen ist eine gewöhnliche Axialturbine so ausgestaltet, daß die obige Umfangsgeschv/indigkeit 300 m/sec oder höher liegt.

Dieser bevorzugte Bereich der Umfangsgeschwindigkeit wurde auf Ergebnissen von Versuchen basierend bestimmt, die bei der Beziehung aischen der Umfangsgeschwindigkeit und dem Grad des Auftretens von Erosion gemacht wurden.

Die Verminderung der Umfangsgeschv/indigkeit führt zur Verminderung der Relativgeschwindigkeit der sich bewegenden Schaufel zum Gas und auch zur Verminderung der Auftreffgeschwindigkeit des Nebel auf die sich bewegende Schaufel. Wenn die Umfangsgeschwindigkeit in sich bewegen-

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den Schaufeln der Vorderstufen vermindert wird, einschließlich der ersten Stufe, und die Gasausströmungsgeschwindigkeit der Düsen der Vorderstufen einschließlich der ersten Stufe verringert wird, wird die Arbeit jeder Stufe verringert. Erfindungsgemäß hingeaen wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die gesamte Anzahl der Stufen erhöht wird, und die Verminderung der Betriebswirksamkeit wird effektiv verhindert.

(2) Die Ausgestaltung der Schaufel wird geändert. In der Axialturbine der vorliegenden Erfindung sind Größe und Dicke der Schaufel größer gemacht als bei der in Figur 6 gezeigten herkömmlichen Turbine.

Aus dem Vergleich der Schnittgestalt einer Schaufel 27' der Vorderstufe in der herkömmlichen Axialturbine mit der Schnittgestalt einer entsprechenden Schaufel 27 in der Axialturbine gemäß der Erfindung wird ersichtlich, daß die Größe dar Schaufel 27 der Axialturbine gemäß der Erfindung viel größer ist, und durch diese Anordnung kann das Verstopfen durch Anhaften von Staub verhindert werden, und der Einfluß der Erosion ist in wirksamer Weise ausgeschaltet. Insbesondere ist erfindungsgemäß das Veihältnis der Schaufelhöhe zur Schaufelsehnenlänge auf 0,7 bis 1,5 eingestellt. Der Wert bzw. die Größe dieses Verhältnisses bei der herkömmlichen Axialturbine beträgt gewöhnlich etwa 2 bis etwa 3. Erfindungsgemäß ist die Größe dieses Verhältnisses extrem niedrig. Mit kurzen Worten wird eine untersetzte Schaufel mit großem Maß erfindungsgemäß verwendet. Bei der herkömmlichen Axialturbine ist die rückwärtige Kante

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der Schaufel dünn und beträgt gewöhnlich etwa 1 bis etwa 2 im. Da erfindunqsgemäß eine Schaufel mit einer langen Sehnenlänge verwendet wird, wird sogar eine Hinterkante gebildet, die eine Dicke von etwa 6 bis etwa 12 mm hat. Durch diese Anordnung kann die Erosion erfindungsgemäß in wirksamer Weise ausgeschaltet werden.

(3) Die Geschwindigkeit des aus der Düse ausgestoßenen Gases ist reduziert. Um das Anhaften von Staub zu verhindern, wird die Geschwindigkeit des aus der ersten Düse ausgestoßenen Gases auf 120 bis 180 m/sec verringert, vorzugsweise auf 140 bis 180m/sec, und bei dieser Verminderung der Gasgeschwindigkeit wird gleichzeitig die Relativgeschwindigkeit des Gases zu der sich bewegenden Schaufel verringert. Somit kann nicht nur der

Effekt zum Verhindern der Adhäsion von Staub sondern auch die Wirkung der Verringerung der Erosion erfindungsgemäß erhalten werden.

(4) Die Nebel werden sogleich abgeführt. Beim Sprühen von Wasser und ArbeLtaninder ersten Stufe wird die Temperatur in dem Gas gesenkt, und das Wasser in dem Gas wird folglich kondensiert. Wie schon dargelegt ist, hat dieses in Kondensation befindliche Wasser die Punktion des Einfangens des Staubes, aber das Auftreten der Erosion wird mit zunehmender Menge Wassernebel gefördert.

Als Einrichtung zur Überwindung dieses Nachteils ist eine Nut oder ein Schlitz gemäß Figur 9 in dem Turbinengehäuse gebildet,

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um den Nabel und den Staub einzufangen und sie nach außerhalb der Turbine abzuführen. Da ferner Wirbaibewegungen dem Gas mitgeteilt werden, wie in den Figuren 11-13 gezeigt ist, wird der Nebel, der beim Absenken der Gastemperatur erzeugt wird, in wirksamer Weis== aus dem Gas separiert und aus dem Inneren der Turbine herausgeführt, und deshalb kann das Auftreten der Erosion in wirksamer Weise verhindert werden.

Im allgemeinen wird Staub im Gas in den vorderen Stufen der Turbine entfernt, aber in einem bestimmten Falle tritt Staub sogar in ein Labyrinth ein, welches zur Leckageverhinderung des Gases angeordnet ist. Wenn Staub in das labyrinthförmige Teil eintritt und haften bleibt und sich in diesem Teil ansammelt, wird der Dichteffekt verschlechtert. Es ist daher notwendig, das Eintreten von Staub in den labyrinthformigen Teil zu verhindern. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, ein Verfahren vorzusehen, bei welchem ein inertes Gas oder Wasserdampf, der bei einem Druck gehalten wird, der etwas höher ist als der Druck des Gas^es, in den labyrinthformigen Teil eingeführt wird. Somit kann das Eintreten des den Staub enthaltenden Gases in den labyrinthformigen Teil in wirksamer Weise verhindert werden.

Bei der vorliegenden Erfindung kann infolge der vorstehend erwähnten Anordnung und des Aufbaus Staub im Abgas in wirksamer Weise entfernt werden, und das Auftreten von Erosion kann verhindert werden, wodurch die Axialturbine in wirksamer Weise daran gehindert werden kann, daß sie durch Abrieb oder anderweitig .bö^kädig-t.wArd. Die charakteristischen

Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben worden sind, werden nun zusammengefaßt.

Das erste kennzeichnende Merkmal besteht in der Wiedergewinnung von Energie aus einem Hochofen-Abgas unter Verwendung einer Axialturbine, und das Hochofen-Abgas wird zuerst in einem Staubnaßabscheider behandelt, um das Gas zu einem gesättigten Gas umzuwandeln. Vor dem Einführen des gesättigten Gases in die Axialturbine wird Kühlx^asser, das auf einer Temneratur gehalten wird, die kleiner als die Temperatur des Gases ist, in das gesättigte Gas in einer Menge eingesprüht, die 0,5 bis 5 Gew.-% des Durchsatzes des Gases entspricht.

Die versprühte Wassermenge wird in einem solchen Bereich eingestellt, daß das Anhaften von Staub an Düsen, insbesondere den Düsen der ersten Stufe, verhindert ist, und das Auftreten von Erosion der Düsen und der sich bewegenden Schaufeln auf ein Niveau gesteuert eingestellt wird, bei welchem ein sicherer Betrieb sichergestellt ist.

Durch Versprühen von Kühlwasser wird der Staub von dünnen Wasserfilroen umgeben, die eine Dämpfungs- bzw. Kissentätigkeit haben, um zu verhindern, daß der Staub an den Düsen und dergleichen haften bleibt. Ferner ist die Größe des erzeugten Nebels so klein wie die Teilchengröße des Staubes, und deshalb strömt der Nebel längs einer Bahn, die der Plugbahn des Staubes recht ähnlich ist, und strömt entlang der Schaufelfläche, wodurch der an den Düsen anhaftende Staub in wirk-

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sanier Weise durch diesen Nebel entfernt werden kann.

Das zweite .Merkmal gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine Axialturbine verwendet werden soll für die Wiedergewinnung von Energie aus Hochofen-Abgas und einen bestimmten Aufbau bekommen soll. Ferner werden die Maße der Düsen und der sich bewegenden Schaufeln der vorderen Stufen, insbesondere die der ersten Stufe, derart erhöht bzw. vergrößert, daß das Anhaften von Staub im wesentlichen nicht hervorgerufen ist und sogar dann, wenn Erosion auftritt, ein sicherar Betrieb garantiert werden kann.

Spezielle Aufbaumerkmale der Axialturbine gemäß der Erfindung v/erden nachfolgend zusammengefaßt.

(A) In Düsen, insbesondere der Düse der ersten Stufe, ist die Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases eingestellt auf bis 180 m/sec, und der Ausströmungswinkel (Drehwinkel) ist auf 50 bis 60 ° eingestellt. Wie man aus Figur 5 sieht, ist die Menge des anhaftenden Staubes erhöht, wenn die Ausströmungsgeschwindigkeit in einem Bereich wie bei einer herkömmlichen Axialturbine liegt (200 m/sec oder höher). Erfindungsgemäß ist die Ausströmungsgeschwindigkeit auf das oben erwähnte Niveau reduziert, und das Anhaften von Staub kann in wirksamer Weise verhindert werden.

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(B) Zumindest die Düse und die sich bewegende Schaufel der ersten Stuf? sind so geformt, daß sie eine Gestalt haben, bei welcher das Verhältnis der Schaufelhöhe zur Schaufelsehnenlänge auf 0,7 bis 1,5 eingestellt ist.

Wie man aus Figur 7 sieht, kann bei Erhöhung des Verhältnisses von Schaufelsteigung/Sehnenlnnge (S/C) die fortlaufende Betriebszeit der .Axialturbine verlängert werden. Außerdem kann man aus Figur 8 sehen, daß bei erhöhter Schaufelsehnenlänge (C) die Menge des anhaftenden Staubes drastisch verringert ist. Basierend auf diesen experimentellen Ergebnissen, wie sie in Figur 8 gezeigt sind, wird die Axialturbine so ausgestaltet und angeordnet, daß das Anhaften von Staub im wesentlichen nicht hervorgerufen wird.

Gleichzeitig mit einem derartigen Anstieg der Maße der Schaufeln wird die Dicke dsr Hinterkante auf 6 bis 12 mm in mindestens der Düse und sich bewegenden Schaufel der ersten Stufe erhöht, durch diese Anordnung kann der Widerstand der Düse und der Schaufel gegenüber Erosion bemerkenswert verbessert werden.

(C) Die Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes der sich bewegenden Schaufel ist auf 150 bis 180 m/sec in der ersten Stufe der Axialturbine vermindert. Im Falle einer gewöhnlichen Axialturbine beträgt die Umfangsgeschwindigkeit

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das oberen Endes der sich bewegenden Schaufel der ersten Stufe 300 m/sec oder xnehr. In der vorliegenden Erfindung kann durch die Reduzierung dieser Umfangsgeschwindigkeit auf das oben erwähnte Niveau die Betriebsleistung sogar dann bsi einen hohen Niveau gehalten werden, wenn die Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases von der Düse verringert wird.

Obwohl im übrigen die Geschwindigkeit des aus den Düsen strömenden Gases niedriger ist als bei einer gewöhnlichen Axialturbine, wird die Verminderung der Betriebsleistung bzw. des Wirkungsgrades durch Erhöhung der Anzahl der Stufen verhindert.

(D) Ein Schlitz oder eine Nut, welche dia Turbinenachsa unter einem rechten Winkel kreuzt oder schneidet, ist in der Innenwand des Umfangs des Gasdurchgangs der Axialturbine gebildet, wodurch Wirbelstrom^ in dem Gas erzeugt werden und die Trennung von Staub und Nebel aus dem Gas bemerkenswert begünstigt wird. Der somit getrennte Staub und Nebel wird durch diesen Schlitz oder diese Nut ausgetragen .

Wenn Wasser mit niedriger Temperatur zu dem mit Wasserdampf gesättigten Gas gesnrüht wird, wird Wasserdampf kondensiert, und Nebel wird erzeugt, da die Energie aus dem Gas verloren ist. Erfindungsgemäß wird der so erzeugte Nebel am Umfang des Gasdurchganges durch die Zentri-

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fugalkraft gesammelt, welche durch, die Wirbelungsbewegung des Gases erzeugt ist, und deshalb wird der Nebel in wirksamer Weise eingefangen und nach außen ausgetragen. Als Ergebnis kann die Erosion in wirksamer Weiss verhindert werden, und die Kapazität oder Leistung der Turbine ist stabilisiert und verbessert, und die Standzeit der Turbine ist erheblich verlängert.

(E) Wie aus der vorstehenden Darstellung ersichtlich wird, ist erfindungsgemäß die Axialturbine, die zur Wiedergewinnung von Energie aus Hochofen-Abgas verwendet wird, so aufgebaut, daß das Anhaften von .Staub nicht erheblich hervorgerufen ist und Nebel und Staub in wirksamer Weise sogleich ausgetragen werden. Infolgedessen können die vorstehend erwähnten verschiedenen Wirkungen und Vorteile erreicht werden. Außerdem kann die Betriebsleistung um mindestens 10 % gegenüber einer Zentrifugalturbine verbessert werden, und die Einrichtungskosten können erheblich vermindert werden. Auch ist das Verhältnis der Energiewiedergewinnung hoch. Deshalb ist die vorliegende Erfinduna aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr vorteilhaft.

Zusätzlich können die folgendenVorteile erfindungsgsmäß erhalten werden.

Beim Vergleich mit ein^ar gewöhnlichen Axialturbine liegt der Vorteil bei der Axialturbine gemäß der" Erfindung darin,

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daß infolge des vollständigen Entfernens von Staub aus einem Hochofen-Abaas und weil das Erwärmen des Abgases nicht vor Einführung des Rases in die Turbine durchgeführt werden muß, deshalb die Vorrichtungskostenin bemerkenswerter Weise eingespart i^erden.

Wenn Wasser zum fortlaufenden Versprühen auf das gesättigte Gas aus demselben System zugeführt wird wie das für die Zuführung von Wasser zu dem Staubnaßabscheider, kann der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht v/erden.

Di= vorliegende Erfindung ist auch insofern vorteilhaft, als das aus einem Auslafi eines Staubnaßabs^heiders ausgetragene Gas, der gewöhnlich für einen Hochofen verwendet wird, direkt so wie es ist benutzt werden kann.

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Claims

Mitsui Engineering and Shipbuilding Co., Ltd, 6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie aus Hochofen-Abgas und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Priorität; 5. Dezember 19 77 in Japan, Anmelda-Nr. 52-145188

Patentansprüche

Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie aus Hochofen-Abgas mit hohem Druck, welches Staub enthält, unter Verwendung einer Axialturbine, dadurch gekenn zeichnet, daß das unter hohem Druck stehende Abgas mit dem Staub mit Wasserdampf gesättigt v/ird, fortlaufend Wasser, welches bei einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur des gesättigten Gases gehalten wird,

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ORiQJNAL INSPECTED

zu dam gesättigten Gas in einer Menge entsprechend 0,5 bis 5 Gew.-% des Durchsatzes des gesättigten Gases aufstromig von der Axialturbine derart versprüht wird, daß das gesättigte Gas gekühlt wird und eine ausreichende Menge Nebel im Gas durch Kondensation des Wasserdampfes gebildet wird, und das Gas der Axialturbine zugeführt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Naßstaubabscheider (5) zum Entfernen des Staubes bzw. Schmutzes aus dem Abgas von einem Hochofen (1) und Sättigen des Gases mit Wasserdampf, eine Vorrichtung zum fortlaufenden Einsprühen von Wasser in das gesättigte Gas, eins Axialturbine (13), die von dem eingestellten Abgas antreibbar ist, und durch eine Energie wiedergewinnende Maschine (14), die von der Axialturbine (13) antreibbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch crekennzeichnet, daß in der Axialturbine (13) die Geschwindigkeit des aus einer Düse (34) strömenden Gases auf 140 bis 180 m/Sek. und der Drehwinkel des aus der Düse ausströmenden Gases auf 50 bis 60 eingestellt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Düsen und den sich bewegenden Schaufeln (36, 37) der Axialturbine (13) das Verhältnis der Höhe zur Sehnenläncre auf 0,7 bis 1,5 eingestellt ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Düsen (34) und den sich bewegenden Schaufeln (36, 37) der Axialturbine (13) die Dicke der Hinterkante auf
6 bis 12 ran eingestellt ist.
6. Vorrichtuna nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die. Umfangsgeschwindigkeit des oberen Endes einer sich
bewegenden Schaufel (34) der ersten Stufe in der Axialturbine (13) auf 150 bis 230 m/Sek. eingestellt ist.
7. Vorrichtuna nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sin Schlitz am Umfang eines Gasdurchganges der Axialturbine (13) derart aebildet ist, daß er sich in eine Ebene erstreckt, welche die Achse der Turbine unter einem rechten Winkel kreuzt und Nebel im Gas durch diesen Schlitz
separiert und entfernt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

in der Axialturbine (13) die Gasausströmungsgeschwindigkeit am Düsenauslaß in Übereinstimmung gebracht ist mit der Gasaus strömungsgeschwindigkeit am Auslaß der sich bewegenden Schaufel derart, daß Wirbelströme, die sich in derselben Richtung drehen, ständig im Gas erzeugt werden.

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