DE4030332A1

DE4030332A1 - Verfahren zur nutzung der energie des von einem hochofen stammenden gichtgases, sowie hochofenanlage zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE4030332A1
Application number: DE4030332A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr Ing Paessler
Original assignee: Zimmermann and Jansen GmbH
Current assignee: Zimmermann and Jansen GmbH
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-09-25
Publication date: 1992-01-09
Also published as: JPH04231408A; FR2663685A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Energie des von einem Hochofen stammenden Gichtgases, wobei das Gicht gas zu diesem Zweck nach einer Fein- und/oder Grobentstaubung in einer mit einem Stromerzeugungs-Generator koppelbaren Gicht gas-Entspannungsturbine entspannt wird, um dann zur weiteren Verwendung in ein Gichtgasnetz eingeleitet zu werden, sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das bekannte Verfahren der genannten Art besteht im wesent lichen darin, die im Gichtgas enthaltene Druckenergie sowie thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, und zwar unter Verwendung einer mit einen Stromerzeugungs-Genera tor koppelbaren Druck-Entspannungsturbine. In der Regel wird jedem Hochofen eine derartige Entspannungsturbine zugeordnet. Ende 1989 hat die Anmelderin erstmals auch eine sogenannte Dual-Anlage geliefert, bei der zwei Hochöfen auf eine gemein same Entspannungsturbine arbeiten. Die Nennleistungen der be kannten Anlagen liegen zwischen 7000 kW und 14 000 kW. In allen Fällen wurden Turbinen axialer Bauart mit einer Drehzahl von 1500 min^-1 eingesetzt. Die Betriebsergebnisse sind durchaus beachtenswert, wobei eine generelle Aussage zu der Wirtschaft lichkeit nur bedingt möglich ist, da dies von der jeweiligen Anlagengröße sowie von den in Einzelfall anzusetzenden Strom kosten abhängt. Zur Orientierung können jedoch beispielsweise für eine in Europa gebaute Anlage der genannten Art mit einer Nennleistung von 14 000 kW folgende Werte genannt werden:

- Rückgewinnung des investierten Kapitals in weniger als zwei Jahren;
- Kostenreduzierung pro Tonne Roheisen bis zu DM 3,50;
- Rückgewinnung von bis zu 30% der für die Windverdichtung des Hochofens aufgewandten Energie als elektrische Energie;
- niedrige Betriebs- und Wartungskosten von nur etwa 2-3% des durch die Turbinenanlage erwirtschafteten Nettoüber schusses;
- keine Beeinträchtigung oder negative Auswirkung auf den Heizwert des Gichtgases;
- keine Beeinträchtigung oder negative Auswirkung auf die Ofenkopf-Druckregelung.

Druckschriftlich wird der genannte Stand der Technik z. B. repräsentiert durch die DE-C-12 19 054 oder auch DE-C-34 35 275.

Zum besseren Verständnis des Standes der Technik soll anhand von Fig. 1 dieser nachstehend nochmals näher erläutert wer den:
Dementsprechend wird bei einer Anlage der bekannten Art das von einem Hochofen 1′ stammende Gichtgas über eine Leitung 2′ zum Zwecke der Grob- und Feinentstaubung durch einen Staub sack 3′ und anschließend durch einen Ringspaltwascher 4′ hin durch entweder direkt (Bypassleitung 5′) oder über eine mit einen Generator 7′ gekoppelte Druckentspannungsturbine 6′ in ein nicht näher dargestelltes werkseigenes Gichtgasnetz 8′ ge leitet. Ein Teil des entspannten Gichtgases wird über eine Zweigleitung 9′ vom Gichtgasnetz 8′ abgezweigt und zur Ver brennung in sogenannte Cowper bzw. Winderhitzer eingeleitet. Die Verbrennung in den Cowpern bzw. Winderhitzern 10′ erfolgt unter Beimischung verdichteter Umgebungsluft (Brennluft-Ver dichter 11′). Den Cowpern bzw. Winderhitzern 10′ wird mittels eines Kaltwindgebläses 12′ Kaltluft zugeführt. Diese wird in den Cowpern bzw. Winderhitzern 10′ zu sogenanntem Heißwind er wärmt, der dann in die Düsenstücke 13′ des Hochofens 1′ ein führbar ist. Die Cowper-Rauchgase werden über Rauchgasleitun gen 14′ und einen Kamin 15′ in die Atmosphäre geblasen.

Die dem Hochofen nachgeordneten Gießereieinrichtungen, wie Konverter, Gießpfanne oder die Einrichtungen für Strangguß oder Blockguß sind allgemein bekannt, so daß sich eine nähere Beschreibung dieser Einrichtungen hier erübrigt.

Der Vollständigkeit halber sei jedoch noch erwähnt, daß der Gasdruck im Hochofen mittels des Ringspaltwaschers 4′ gere gelt wird. Diese Gasdruckregelung stellt einen erwünschten Nebeneffekt des Ringspaltwaschers 4′ dar.

In der beschriebenen Weise wird in der Praxis seit ca. 1980 erfolgreich elektrische Energie durch Entspannung der Gicht gase in einer Entspannungsturbine bzw. einer sogenannten "stop pressure recovery-Turbine" (TRT) gewonnen. Aufgrund des niedrigen Gichtgasdruckes von ca. 2,8 bis 3,0 bar und der niedrigen Gichtgastemperatur von ca. 55°C wird dabei nur eine geringe spezifische Leistung frei. Wegen hoher Mengenströme von ca. 500 000 m³N/h können aber dennoch etwa 10-12 MW elektrische Leistung wiedergewonnen werden. Das entspannte Gichtgas wird zum größten Teil - wie oben anhand von Fig. 1 bereits beschrieben - zur Cowperbeheizung verwendet; der Rest wird in das werkseigene Gichtgasnetz eingespeist.

Eine Leistungserhöhung der sogenannten TRT tritt bei einer Erhöhung der Eintrittstemperatur ein. Dies könnte durch eine Trockenentstaubung anstelle der bisher verwendeten Naßent staubung erfolgen, wodurch die Temperatur auf ca. 90 bis 110°C angehoben werden könnte. Dies würde die Leistungsausbeute um etwa 15 bis 20% anheben. Die Trockenentstaubung ist allerdings noch kein anerkanntes Verfahren; es hat in der Praxis noch keinen nennenswerten Eingang gefunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die dem Gichtgas immanente Energie noch besser auszunutzen, und zwar mit möglichst einfachen Mitteln, insbesondere Stan dardlösungen.

Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch dadurch gelöst, daß ein Teil des entstaubten Gichtgases vor der Entspannung in der Gichtgas-Entspannungsturbine bzw. TRT abgezweigt, ggfs. ver dichtet und - ggfs. unter Beimischung von Erdgas Koksgas oder dgl. hochkalorigen Brennstoffen - verbrannt wird wobei die Ab gase in einer nit dem der Gichtgas-Entspannungsturbine zuge ordneten oder nit einem eigenen Stromerzeugungs-Generator koppelbaren Heißgasturbine (HT) entspannt werden.

Die entsprechende Hochofenanlage ist dadurch gekennzeichnet, daß vor der Gichtgas-Entspannungsturbine eine Abzweigung zu einer einen Gichtgas-Verdichter, eine Brennkammer und eine Heißgasturbine umfassenden Heißgasturbinen-Anordnung führt, wobei die Heißgasturbine mit dem der Gichtgas-Entspannungs turbine zugeordneten oder einem eigenen Stromerzeugungs-Gene rator koppelbar ist. Es hat sich herausgestellt, daß durch diese Maßnahme bei einer Verbrennung von nur etwa 3% des vom Hochofen gelieferten Gichtgases bereits ca. 50% mehr elektri sche Energie erzeugt wird.

Zusätzlich kann die Leistungsausbeute dadurch erhöht werden, daß in Wärmeaustausch mit den in der Heißgasturbine entspann ten Abgasen die Temperatur des nichtabgezweigten Teils des entstaubten Gichtgases vor dessen Einleitung in die Gichtgas- Entspannungsturbine angehoben wird. Versuche haben gezeigt, daß die dann erreichte zusätzliche Leistungsausbeute etwa 94% beträgt, wenn 5% des Gichtgases abgezweigt und der Heißgas turbine zugeführt werden. Die Heißgasturbine trägt zwar den Hauptteil der Leistungserzeugung. Die Gichtgas-Entspannungs turbine liefert bei der vorgenannten Konstellation nur ca. 5% mehr Strom als eine vergleichbare Entspannungsturbine im Gicht gaskreis gemäß Stand der Technik. Es darf jedoch nicht außer acht gelassen werden, daß die Entspannungsturbine bei der er findungsgemäßen Konstellation mit einem geringe ren Massenstrom gefahren wird, so daß die zusätzliche Lei stungsausbeute durchaus bemerkenswert ist.

Alternativ kann durch Wärmeaustausch mit den in der Heißgas turbine entspannten Abgasen die Temperatur des bereits ent spannten Gichtgases vor dessen Einleitung in einen oder meh rere Cowper angehoben werden. Diese Ausführungsform ist also dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgasturbine in das Ver fahrensfließbild des Hochofens eingegliedert ist. Das noch heiße Turbinenabgas, welches eine Temperatur von etwa 500°C aufweist, wird zur Vorwärmung des Gichtgases genutzt, das im Cowper zur Winderhitzung verbrannt wird. Der Vorteil dieser Schaltung ist die Verbindung der Stromerzeugung mit einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur im Cowper und damit einer höheren Windtemperatur. Entsprechend dem Grundkonzept der hier vorliegenden Erfindung wird ein Teil des Gichtgases vor der Gichtgas-Entspannungturbine abgezweigt und nach Verdich tung auf den Betriebsdruck der Heißgasturbine in deren Brenn kammer verbrannt. Das in der Heißgasturbine entspannte Abgas dient dann zur Vorwärmung des bereits in der Gichtgas-Entspan nungsturbine bzw. TRT entspannten Gichtgasstromes zum Cowper.

Die vorgenannte Variante kann mit der erstgenannten Variante durchaus kombiniert werden dergestalt, daß hinter der Heißgas turbine eine Abzweigung zu einem der Gichtgas-Entspannungstur bine vorgeordneten Wärmetauscher vorgesehen ist über den die Temperatur des Gichtgases vor der Entspannung in der Gichtgas- Entspannungsturbine anhebbar ist, wobei die Abzweigung über ein Schaltventil wahlweise mehr oder weniger weit öffen- bzw. schließbar ist.

Vorzugsweise wird die zur Verbrennung des abgezweigten Gicht gases erforderliche Luft unter Überdruck bzw. vorverdichtet zugeführt. Zu diesem Zweck dient ein gesonderter oder im Heiß gasturbinenpackage integrierter Luftverdichter. Zusätzlich oder auch alternativ kann dafür auch der üblicherweise vorhandene Windverdichter bzw. das Kaltwindgebläse dienen.

Nachstehend werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie entsprechend gestaltete Hochofenanlagen an hand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Leitungsschema einer herkömmlichen Hochofenanlage;

Fig. 2 ein vereinfachtes Leitungsschema für eine erste Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Hochofenanlage;

Fig. 3 Darstellung der zusätzlich erzeugten Leistung Δ P in be zug auf die Leistung PtrtB einer reinen TRT-Anlage, und der Druckstufe Pht (bar) der Heißgas turbine als Funkton der Anzahl der Verdichter stufen für das Gichtgas bei Verdichtungsverhältnissen von π = 1,4, wobei zugrundegelegt ist, daß 5% des Gichtgases der Heißgasturbine zugeführt werden;

Fig. 4 Darstellung der Leistung Pht der Heißgasturbine, der Zu satzleistung ΔPtrt der TRT-Anlage bzw. Gichtgas-Ent spannungsturbine und der Netto-Zusatzleistung ΔP der Heißgasturbine und der Gichtgas-Entspannungsturbine, bezogen auf die Leistung einer reinen TRT-Anlage (100% Gichtgas in der TRT) als Funktion der Gichtgasmenge, die der Heißgasturbine zugeführt wird, wobei ein Ein trittsdruck pht von 7,6 bar in die Heißgasturbine zu grundegelegt ist;

Fig. 5 Darstellung der Temperaturen des Gichtgases am Ein- und Austritt der Gichtgas-Entspannungsturbine (TRT) als Funktion der Gichtgasmenge, die der Heißgasturbine zugeführt wird, wobei eine Heißgasturbine mit einem Druckniveau von 7,6 bar zugrundegelegt ist;

Fig. 6 Darstellung der Zusatzleistung ΔP und ΔP bezogen auf die Leistung einer TRT-Referenzanlage (ΔP/PtrtB) bei Verbrennung von 5% eines Gichtgasstromes von 500 m³N/h als Funktion des Gichtgasheizwertes;

Fig. 7 Darstellung der Leistungen der bei der Ausführungsform nach Fig. 2 eingesetzten Turbinen und Verdichter bei Verbrennung von 5% eines 500 000 m³N/h Gichtgasstromes sowie der Referenzleistung einer alleinigen TRT bzw. Gichtgas-Entspannungsturbine;

Fig. 8 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform, die insbesondere bei sogenanntem "Überschuß-Wind" von Vorteil ist;

Fig. 9 Darstellung der Leistungen der bei der Ausführungs form nach Fig. 8 eingesetzten Turbinen und Verdich ter bei Verbrennung von 5% eines 500 000 m³N/h Gicht gasstromes sowie der Referenzleistung einer alleinigen TRT bzw. Gichtgas-Entspannungsturbine;

Fig. 10 das Leitungsschema für eine Alternativlösung, bei der eine Heißgasturbine in das Fließbild einer Hochofenan lage integriert ist;

Fig. 11 Darstellung der Änderung der Ausbeute der elektrischen Energie aus der Heißgasturbine (Pht/PtrtB) , der Gicht gas-Entspannungsturbine bzw. TRT (Ptrt/PtrtB) und des Mehrertrages an elektrischer Leistung (ΔP/PtrtB) in bezug auf die Leistung einer alleinigen TRT-Anlage (PtrtB) als Funktion der Gichtgasmenge, die der Heiß gasturbine zugeführt wird, und zwar bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 10; und

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochofenanlage mit einer der Hochofen-Gicht nachgeordneten Einrichtung 10 zur Gichtgas-Entstaubung, der eine mit einem Stromerzeugungs-Generator 11 koppelbare Gichtgas-Entspannungs turbine 12 nachgeordnet ist, wobei der Auslaß derselben mit einem Gichtgasnetz 13 und/oder einem oder mehreren Cowpern 14 verbunden bzw. verbindbar ist (siehe dazu auch Fig. 10) bzw. auch die Zweigleitung 9′ zu den Cowpern 10′ in Fig. 1). Der Hochofen selbst ist in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet.

Vor der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 führt eine Abzwei gung 15 zu einer einen Gichtgas-Verdichter 16, eine Brenn kammer 17 und eine Heißgasturbine 18 umfassenden Heißgastur binen-Anordnung 20, die in Fig. 2 durch ein gepunktetes Feld angedeutet ist. Die Heißgasturbine 18 ist entweder mit dem der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 zugeordneten Stromerzeu gungs-Generator 11 oder einem eigenen Stromerzeugungs-Generator 19 koppelbar. Im erstgenannten Fall handelt es sich vorzugs weise um eine sogenannte Einwellen-Anordnung.

In die der Heißgasturbine 18 vorgeordnete Brennkammer 17 mün det eine Leitung 22 zur Zufuhr von hochkalorigem Brenngas, insbesondere Erd- oder Koksgas. Dieses dient vornehmlich zum Zünden des abgezweigten Gichtgases. Bei zu niedrigem Heizwert des Gichtgases dient das über die Leitung 22 zugeführte Brenn gas auch zur Aufrechterhaltung der Verbrennung in der Brenn kammer 17.

Der Brennkammer 17 ist auch noch ein Luftverdichter 23 vorge ordnet, so daß vorverdichtete Luft in die Brennkammer 17 ein leitbar ist. Sowohl dem Gichtgas-Verdichter 16 als auch dem Luftverdichter 23 können jeweils noch Kühlaggregate "Qk" zu geordnet sein.

Die in der Heißgasturbine 18 entspannten Abgase stehen über einen der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 vorgeordneten Wärme tauscher 24 im Wärmeaustausch mit dem der Gichtgas-Entspan nungsturbine 12 zugeführten Gichtgas, und zwar unter Anhebung der Gichtgastemperatur.

Entsprechend Fig. 2 ist es denkbar, die Gichtgas-Entspannungs turbine 12 und die Heißgasturbine 18 über eine Kupplung 26 miteinander zu verbinden, so daß die beiden Turbinen entweder getrennt voneinander oder gemeinsam auf einen Stromerzeugungs generator schaltbar sind.

In der Abzweigung 15 zur Heißgasturbinen-Anordnung 20 sind dem Gichtgas-Verdichter 16 gegebenenfalls noch ein Tropfenabschei der 27 und ein Feinstaubfilter 28, insbesondere Schlauchfil ter, vorgeordnet. Bei Bedarf ist auch vor der Abzweigung 15 noch ein Tropfenabscheider 27 angeordnet und wirksam.

Entsprechend der beschriebenen Anlage wird also ein Teil des Gichtgases vor der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 abgezweigt und nach Verdichtung in dem Gichtgas-Verdichter 16 auf den er forderlichen Betriebsdruck der Heißgasturbine 18 in deren Brennkammer 17 verbrannt. Das in der Heißgasturbine entspann te Abgas dient dann zur Aufwärmung des verbleibenden Gichtgas stromes. In der Gichtgas-Entspannungsturbine wird aufgrund der höheren Eintrittstemperatur des Gichtgases eine höhere spezifische Leistung erzeugt. Durch die genannten Maßnahmen wird eine erhebliche Leistungssteigerung erzielt, wie die nachstehende Parameterstudie deutlich erkennen läßt: Vergleichsbasis der Untersuchung ist eine herkömmliche TRT- Anlage. Die Vergleichswerte beziehen sich also immer auf eine vollständige Nutzung des Gichtgases in einer TRT bzw. Gicht gasentspannungsturbine. Als Referenzleistung PtrtB einer sol chen TRT-Anlage wird bei 500 000 m³N/h Gichtgasstrom 10 mW zugrundegelegt. Die zusätzliche Leistungsausbeute ist definiert durch:

P=Pht-Pgv+Ptrt-PtrtB,

wobei

Pht
die Leistung der Heißgasturbine (inclusive Luftverdichter)
Pgv	die Leistung des Gichtgas-Verdichters,
Ptrt	die Leistung der TRT bzw. Gichtgas-Entspannungsturbine, und
PtrtB	die Referenzleistung einer alleinigen TRT bzw. Gichtgas-Entspannungsturbine

bedeuten.

Wie Fig. 3 zeigt, liegt das Maximum der zusätzlichen Leistungs ausbeute bei einem Heißgasturbinen-Druckniveau von ca. 7 bis 10 bar, welches durch einen Gichtgas-Verdichter mit drei bis vier Stufen erreicht wird. In diesem Druckbereich werden mo derne Gasturbinen angeboten. Die zusätzliche Leistungsaus beute P beträgt dabei ca. 94%, wenn 5% des Gichtgases der Heißgasturbine zugeführt werden. Bei einer Verbrennung von 35% werden bereits ca. 55% (entsprechend 6 MW) mehr elektri sche Energie erzeugt, wie Fig. 4 veranschaulicht. Dabei trägt die Heißgasturbine den Hauptteil der Leistungserzeugung. Die TRT bzw. Gichtgas-Entspannungsturbine 12 liefert nur ca. 5% mehr Strom als die Basis-TRT. Dabei darf allerdings nicht außer acht gelassen werden, daß die TRT bzw. Gichtgas-Entspannungs turbine 12 mit einem um 3% geringeren Massenstrom gefahren wird als die Basis-Anlage.

Die Eintrittstemperaturen in die Gichtgas-Entspannungsturbine werden durch den Gegenstromwärmetauscher 24 mit den heißen Abgasen der Heißgasturbine angehoben (Fig. 5). Wegen des kon stanten Druckgefälles in der Gichtgas-Entspannungsturbine steigt dementsprechend auch die Temperatur des Gichtgases am Austritt der Gichtgas-Entspannungsturbine. Bei einer Verbren nung von 5% des Gichtgases in einer Heißgasturbine (ca. 94% höhere Leistung) beträgt die Eintrittstemperatur ca. 130°C, und liegt somit um 10 bis 30°C höher als bei einer Umstellung von Naßentstaubung auf eine Trockenentstaubung. Dadurch steigt zwar die Temperatur des in das Netz einzuspeisenden Gichtgases auf ca. 60°C an, was jedoch zulässig ist; gegebenenfalls könn te diese Temperatur durch Wassereindüsung wieder auf die übli che Gichtgas-Temperatur abgesenkt werden.

Die Auswirkung einer Heizwertverminderung des Gichtgases zeigt Fig. 6. Bei einer Absenkung von den hier zugrundegeleg ten 4000 kJ/m²N auf 3500 kJ/m³N beträgt die Zusatzleistung durch die Heißgasturbine immer noch 83% entsprechend einer Leistung von 8,3 MW bei Verbrennung von 5% eines 500 000 m³N/h Gichtgasstromes.

Fig. 7 zeigt ein Leistungsdiagramm einer Anlage gemäß Fig. 2. Bei diesem Beispiel wird von einer Gichtgasmenge aus dem Hoch ofen von 500 000 m³N/h bei 2,8 bar und 55°C ausgegangen. Bei Verbrennung von 5% dieses Gichtgasstromes in einer Heißgas turbine werden dann in der Gesamtanlage Ptrht = 19 5 MW elek trische Leistung erzeugt (ca. 95% mehr als bei alleinigem Einsatz einer Gichtgas-Entspannungsturbine). Davon werden in der Gichtgas-Entspannungsturbine ca. ptrt = 11,8 MW und in der Heißgasturbine (Luftverdichter und Gasturbine) Pht = 8,9 MW erzeugt, wobei im Gichtgas-Verdichter Pgv = 1,2 MW intern wieder aufgebraucht werden.

Der zugrundegelegte Gichtgas-Verdichter 16 soll dreistufig mit einem Verdichtungsverhältnis von 1,4 arbeiten. In einer zweifachen Zwischenkühlung "Qk" können noch 0,8 MW an Wärme abgeführt werden, wobei das verdichtete Gichtgas dabei von 95°C auf 60°C abgekühlt wird.

Die Turbinenbrennkammerbedingungen wurden für das dargestellte Beispiel mit 1050°C und 7,6 bar festgelegt. Für die Verbren nung sind dann 63 000 m³N/h Luft notwendig, was einem Lambda von 3,2 entspricht. Das Abgas hat bei dem beschriebe nen Beispiel hinter der Brennkammer noch 577°C und wird im Wärmetauscher 24 auf 150°C abgekühlt. Im Gegenstrom zum Ab gas wird das Gichtgas von 55°C auf 130°C aufgewärmt. Bei der Entspannung in der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 auf einen Druck von etwa 1,2 bar kühlt das Gichtgas auf die bereits er wähnten 60°C ab.

Zu der vorerwähnten Kupplung 26 sei noch erwähnt, daß diese vorzugsweise auch zum Starten der Heißgasturbine mittels der Gichtgas-Entspannungsturbine dient. Zu diesem Zweck wird die Kupplung geschlossen, um sie dann nach dem Starten der Heißgasturbine wieder zu lösen.

Die Brenngaszufuhr über die Leitung 22 erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Abgastemperatur der Heißgasturbine und/oder dem Sauerstoffgehalt der Heißgasturbinen-Abgase.

Mit der Bezugsziffer 25 ist in Fig. 2 noch der Kamin gekenn zeichnet, durch den die im Wärmetauscher 24 abgekühlten Ab gase der Heißgasturbine ins Freie entweichen können.

Dem Luftverdichter 23 ist noch ein Staubfilter 36 vorgeordnet.

Zu Fig. 5 sei noch erwähnt, daß mit T# 8°C die Gichtgastem peratur am Eintritt der Gichtgas-Entspannungsturbine und mit T# 9°C die Temperatur des Gichtgases am Austritt der Gicht gas-Entspannungsturbine bezeichnet ist.

Die Nachrüstung einer bestehenden TRT-Anlage, d. h. einer An lage nur mit Gichtgas-Entspannungsturbine, mit einer Heißgas turbine bietet sich an, wenn der Hochofen nicht mehr auf vol ler Leistung gefahren wird. Da hierbei die Gichtgasmenge zu rückgeht, nimmt die Leistung der TRT bzw. Gichtgas-Entspan nungsturbine im entsprechenden Maße ab. Das Schluckvermögen der Gichtgas-Entspannungsturbine ist dann größer als das Gichtgasangebot. Durch die Vorwärmung des Gichtgases kann ein dem Schluckvermögen angepaßter Betriebsvolumenstrom zur Ver fügung gestellt werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 8 kann interessant sein, wenn die ohnehin vorhandenen Windverdichter des Hochofens mehr Wind liefern können als vom Hochofen benötigt wird. Dies kann in einer Überdimensionierung der Windverdichter 29 aus Si cherheitsüberlegungen oder durch eine Reduzierung der Hoch ofen-Leistung begründet sein. Hierbei wird der z. B. bereits auf 3,5 bar verdichtete Wind über eine Sammelleitung 37 zum der Heißgasturbine 18 zugeordneten Luftverdichter 23 geführt. Die dadurch erreichte Einsparung an Verdichterleistung führt zu einer Erhöhung der Heißgasturbinen-Leistung um ca. 27%. Bei Verbrennung von 5% des vom Hochofen 21 gelieferten Gicht gases liefert die Heißgasturbine dann ca. 2,5 MW mehr Strom, d. h. ca. 12 MW Klemmenleistung der Heißgasturbine. In der Gesamtanlage (Heißgasturbine + Gichtgas-Entspannungsturbine) würden somit ca. 120% mehr Strom erzeugt als in einer Ver gleichsanlage nur mit Gichtgas-Entspannungsturbine.

Die entsprechende Leistungsbilanz ist in Fig. 9 graphisch dargestellt.

In der Druckluft-Sammelleitung kann sich noch ein Zwischen kühler 30 befinden, um eine zu starke Erwärmung der verdich teten Luft zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ kann auch noch eine gesonderte Luftzufuhr 38 zum Luftverdichter 23 vor gesehen sein. Im übrigen ist die Anlage gemäß Fig. 8 mit der jenigen nach Fig. 2 vergleichbar. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugsziffern versehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind die Heißgasturbi ne 18 und die Gichtgas-Entspannungsturbine 12 nicht miteinan der gekoppelt. Vielmehr wird die Heißgasturbine 18 in das Verfahrensfließbild des Hochofens eingegliedert. Dabei soll das noch heiße Turbinengas, welches eine Temperatur von 500 bis 700°C aufweist, zur Vorwärmung des Gichtgases genutzt werden, das im Cowper 14 zur Winderhitzung verbrannt wird. Der Vorteil dieser Schaltung ist die Verbindung der Stromer zeugung mit einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur im Cowper und damit einer höheren Windtemperatur. Dazu wird ein Teil des Gichtgases vor der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 ähnlich wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen abge zweigt und nach Verdichtung im Gichtgas-Verdichter 16 auf den Betriebsdruck der Heißgasturbine 18 in deren Brennkammer 17 verbrannt. Das in der Heißgasturbine entspannte Abgas dient dann zur Vorwärmung des bereits in der Gichtgas-Entspannungs turbine entspannten Gichtgasstromes zum Cowper 14. Konkret stehen die in der Heißgasturbine 18 entspannten Abgase über einen dem bzw. den Cowpern 14 vorgeordneten Wärmetauscher 31 im Wärmeaustausch mit dem dem bzw. den Cowpern 14 zugeführten Gichtgas und zwar unter entsprechender Anhebung der Gicht gastemperatur.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel steht auch die für die Verbrennung des auf höhere Temperatur erwärmten Gichtgases erforderliche Luft über einen Wärmetauscher 32 mit den Cowper- Rauchgasen (Rauchgasleitung 39) sowie ggfs. auch noch - wie dargestellt - über einen Wärmetauscher 41 mit den Abgasen der Heißgasturbine im Wärmeaustausch, und zwar unter entsprechen der Anhebung der Brennlufttemperatur. Auch eine Erwärmung al ternativ durch Wärmetauscher 32 und Wärmetauscher 41 ist denk bar. Dadurch läßt sich der Gesamtwirkungsgrad zusätzlich er höhen.

Hinter der Heißgasturbine 18 kann noch eine Abzweigung 33 zu einem der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 vorgeordneten Wärmetauscher 34 angeordnet sein, über den die Temperatur des Gichtgases vor der Entspannung in der Gichtgas-Entspannungs turbine 12 anhebbar ist, wobei die Abzweigung 33 über ein Schaltventil 35 wahlweise mehr oder weniger weit öffen- bzw. schließbar ist und zwar je nach gewünschter Temperaturanhe bung des noch nicht entspannten und/oder entspannten Gichtga ses vor der Gichtgas-Entspannungsturbine 12 bzw. vor den Cowpern 14.

Die Vorteilhaftigkeit der Anlage gemäß Fig. 10 ergibt sich aus der nachstehenden Parameterstudie:

Vergleichsbasis der Untersuchung ist wieder eine TRT-Anlage. Die Vergleichswerte beziehen sich also immer auf eine voll ständige Nutzung des Gichtgases in einer TRT bzw. Gichtgas- Entspannungsturbine. Die Leistung einer solchen Gichtgas- Entspannungsturbine beträgt bei 500 m³N/h Gichtgasstrom PtrtB = 10 MW. Die zusätzliche Leistungsausbeute ist definiert durch:
P-Pht-Pgv+Ptrt-PtrtB.

Die Änderung dieser Leistungsausbeute zeigt Fig. 11. Die Lei stung der Gichtgas-Entspannungsturbine geht bei der Verbren nung von Gichtgas in der Heißgasturbine wegen der Abnahme des Massenstroms zur Gichtgas-Entspannungsturbine zurück. Insgesamt gesehen wird dies durch die Erzeugung von elek trischer Energie in der Heißgasturbine aufgewogen, so daß bei der Verbrennung von 5% des Gichtgases in einer Heißgastur bine ca. 65 bis 70% mehr Strom erzeugt wird. Damit verbunden ist eine Erhöhung der adiabaten Verbrennungstemperatur im Cowper.

Wird z. B. von einer Gichtgasmenge aus dem Hochofen 21 von 500 m³N/h bei 2,8 bar und 55°C ausgegangen, werden bei Ver brennung von 5% dieses Gichtgasstromes in einer Heißgastur bine in der Gesamtanlage PtrhT = 17 MW elektrische Leistung erzeugt. Davon werden in der Gichtgas-Entspannungsturbine ca. Ptrt = 9,3 MW und in der Heißgasturbine (Luftverdichter und Gasturbine) Pht = 8,9 MW erzeugt, wobei im Gichtgas-Verdich ter 16 Pgv = 1,2 MW intern wieder aufgebraucht werden. Der Gichtgas-Verdichter 16 soll auch bei diesem Beispiel dreistu fig mit einem Verdichtungsverhältnis von 1,4 arbeiten. In einer zweifachen Zwischenkühlung können noch 0,8 MW an Wärme abgeführt werden, wobei das verdichtete Gichtgas von 95°C auf 60°C abgekühlt wird. Die Turbinenbrennkammerbedingungen sind für dieses Beispiel mit 1050°C und 7,6 bar festgelegt. Für die Verbrennung sind demnach 63 000 m³N/h Luft notwendig, was einem Lambda von 3,2 entspricht. Das Abgas hat hinter der Brennkammer 17 eine Temperatur von 57°C und wird im Wärmetau scher 31 auf 150°C abgekühlt. Im Gegenstrom zum Abgas wird das entspannte Gichtgas von 25°C auf 124°C aufgewärmt. Dabei wird davon ausgegangen, daß 85% des Gichtgases für die Cowpererhitzung benötigt werden. Dadurch wird die adiabate Verbrennungstemperatur um etwa 65°C angehoben, was auch zu einer Erhöhung der Windtemperatur in erster Näherung um eben falls 65°C führt. Die Heißwindleitung ist in Fig. 10 noch mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet. Im übrigen sind alle Tei le der Hochofenanlage gemäß Fig. 10, die bereits im Zusammen hang mit der Anlage gemäß Fig. 2 beschrieben sind, mit den selben Bezugsziffern versehen, so daß sich diesbezüglich eine nähere Beschreibung erübrigt.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 8 beträgt die Temperaturanhebung des Gichtgases vor der Gichtgas-Entspan nungsturbine etwa 50 bis 100°C, insbesondere etwa 60 bis 80°C. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 beträgt die Temperatur anhebung des entspannten Gichtgases vor der Einleitung in den oder die Cowper 14 zwischen etwa 80 bis 120°C, insbesondere etwa 90 bis 110°C.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims

1. Verfahren zur Nutzung der Energie des von einem Hochofen (21) stammenden Gichtgases, wobei das Gichtgas zu diesem Zweck nach einer Fein- und/oder Grobentstaubung (10) in einer mit einem Stromerzeugungs-Generator (11) koppelbaren Gichtgas-Entspannungsturbine (12) entspannt wird, um dann zur weiteren Verwendung in ein Gichtgasnetz (13) eingelei tet zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des entstaubten Gichtgases vor der Entspannung in der Gichtgas-Entspannungsturbine (12) abgezweigt, ggfs. verdichtet und - ggfs. unter Beimischung von Erdgas, Koks gas oder dgl. hochkalorigen Brennstoffen - verbrannt wird, wobei die Abgase in einer mit dem der Gichtgas-Entspannungs turbine zugeordneten oder mit einem eigenen Stromerzeugungs- Generator (19) koppelbaren Heißgasturbine (18) entspannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeaustausch mit den in der Heißgasturbine (18) entspannten Abgasen die Temperatur der nichtabgezweigten Menge des entstaubten Gichtgases vor dessen Einleitung in die Gichtgas-Entspannungsturbine (12) angehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 3 bis 15% insbesondere etwa 5% des vom Hochofen (21) stammenden Gichtgases zur Heißgasturbine (18) abgezweigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wärmeaustausch mit den in der Heißgasturbine (18) entspannten Abgasen die Tempera tur des bereits entspannten Gichtgases vor dessen Einlei tung in einen oder mehrere Cowper (14) angehoben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturanhebung des Gichtgases vor der Gichtgas-Entspannungsturbine (12) zwi schen etwa 50°C bis 100°C, insbesondere etwa 60°C bis 80°C, beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet. daß die Temperaturanhebung des ent spannten Gichtgases vor Einleitung in den oder die Cowper (14) zwischen etwa 80°C bis etwa 120°C, insbesondere etwa 90°C bis 110°C, beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbrennung des abgezweigten Gichtgases erforderliche Luft unter Überdruck bzw. vorverdichtet zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbrennung des Gichtgases im Cowper (14) er forderliche Luft vorgewärmt wird, insbesondere durch Wär meaustausch mit den Cowper-Rauchgasen und/oder durch Wärme austausch (Wärmetauscher 41) mit den Gasen aus der Heißgas turbine.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 6 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der in der Heißgas turbine (18) entspannten Abgase zur Temperaturanhebung des Gichtgases vor Einleitung in die Gichtgas-Entspannungs turbine (12) abgezweigt wird.

10. Hochofenanlage mit einer der Hochofen-Gicht nachgeordneten Einrichtung (10) zur Gichtgas-Entstaubung, der eine mit einem Stromerzeugungs-Generator (11) koppelbare Gichtgas- Entspannungsturbine (12) nachgeordnet ist, wobei der Auslaß derselben mit einem Gichtgasnetz (13) und/oder einem oder mehreren Cowpern (14) verbunden bzw. verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet. daß vor der Gichtgas-Entspannungsturbine (12) eine Abzweigung (15) zu einer einen Gichtgas-Verdichter (ggfs.) (16), eine Brenn kammer (17) und eine Heißgasturbine (18) umfassenden Heiß gasturbine-Anordnung (20) führt, wobei die Heißgasturbine (18) mit dem der Gichtgas-Entspannungsturbine (12) zugeord neten oder einem eigenen Stromerzeugungs-Generator (19) koppelbar ist.

11. Hochofenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die der Heißgasturbine (18) vorgeordnete Brennkammer (17) eine Leitung (22) zur Zufuhr von hochkalorigem Brennstoff, insbesondere Erd- oder Koksgas, mündet.

12. Hochofenanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgasturbinen-Anordnung (20) einen der Brennkammer (17) vorgeordneten Luftverdich ter (23) umfaßt, so daß vorverdichtete Luft in die Brenn kammer (17) der Heißgasturbine (18) einleitbar ist.

13. Hochofenanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Heißgasturbine (18) entspannten Abgase über einen der Gichtgas-Entspannungstur bine (12) vorgeordneten Wärmetauscher (24) im Wärmeaus tausch mit dem der Gichtgas-Entspannungsturbine (12) zu geführten Gichtgas stehen, und zwar unter Anhebung der Gichtgastemperatur.

14. Hochofenanlage nach einem der Anlage 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gichtgas-Entspannungstur bine (12) und die Heißgasturbine (18) über eine Kupplung (26) miteinander verbindbar und entweder getrennt voneinan der oder gemeinsam auf einen Stromerzeugungs-Generator schaltbar sind.

15. Hochofenanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abzweigung (15) zur Heißgasturbinen-Anordnung (20) dem Gichtgas-Verdichter (16) ggfs. ein Tropfenabscheider (27) und Feinstaubfilter (28), insbesondere Staubfilter, vorgeordnet sind.

16. Hochofenanlage mit einem Windverdichter (29), nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der der Heißgasturbinen-Anord nung (20) zugeordnete Luftverdichter (23) mit dem Auslaß des Windverdichters (29) verbindbar ist, insbesondere un ter Zwischenschaltung eines Kühlers (30).

17. Hochofenanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Heißgasturbine (18) entspannten Abgase über einen dem bzw. den Cowpern (14) vorgeordneten Wärmetauscher (31) im Wärmeaustausch mit dem dem bzw. den Cowpern (14) zugeführten Gichtgas stehen, und zwar unter entsprechender Anhebung der Gichtgastempera tur.

18. Hochofenanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Verbrennung des auf höhere Temperatur erwärmten Gichtgases erforderliche Luft über einen Wärmetauscher (32) mit den Cowper-Rauchga sen und/oder einen Wärmetauscher (41) mit den Gasen aus der Heißgasturbine (20) im Wärmeaustausch steht, und zwar unter entsprechender Anhebung der Brennlufttemperatur.

19. Hochofenanlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Heißgasturbine (18) eine Abzweigung (33) zu einem der Gichtgas-Entspannungs turbine (12) vorgeordneten Wärmetauscher (34) angeordnet ist, über dem die Temperatur des Gichtgases vor der Ent spannung in der Gichtgas-Entspannungsturbine (12) anheb bar ist, wobei die Abzweigung (33) über ein Schaltventil (35) wahlweise mehr oder weniger weit öffen- bzw. schließ bar ist.

20. Hochofenanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem Luftverdichter (23) der Heißgasturbinen-Anordnung (20) ein Staubfilter (36) vorge ordnet ist.