DE68911165T2

DE68911165T2 - System und Methode zur Energieerzeugung mit integrierter Gasturbine.

Info

Publication number: DE68911165T2
Application number: DE89102758T
Authority: DE
Inventors: Folke Engstroem; Juhani Isaksson
Original assignee: Ahlstrom Corp
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-02-18
Also published as: KR910009058B1; EP0329155A1; KR890013312A; JPH01310126A; ES2048774T3; DE68911165D1; DE329155T1; US4827723A; EP0329155B1; JPH0584820B2

Description

Diese Erfindung befaßt sich mit einem integrierten Gasturbinen- Energieerzeugungssystem und -prozeß gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 7. Insbesondere betrifft sie ein integriertes Energieerzeugungssystem, bei dem kohlenstoffhaltiger Brennstoff in einer drucklosen Feuerung mit zirkulierender Wirbelschicht verbrannt wird, um erhitztes Gas für den Gasturbinenkreislauf und Dampf für den Dampfturbinenkreislauf zu erzeugen.
Ein integriertes/r Gasturbinen-Energieerzeugungssystem und -prozeß sind aus GB-A-20 76 062 bekannt. Es zeigt ein zirkulierendes Wirbelschicht-Reaktorsystem mit einem Brennraum, einem Partikelabscheider, der mit einem Austritt für Verbrennungsgase im Brennraum verbunden ist, und einem hauptsächlich vertikalen Kanal zwischen dem unteren Ende des Partikelabscheiders und einem Eintritt zur Rückführung der Feststoffteilchen in den Brennraum. Außerdem ist ein Gasturbinenkreislauf vorgesehen, der einen Gasverdichter, einen Wärmeübertrager zur Aufheizung des verdichteten Gases, und eine mit dem Wärmeübetrager verbundene Gasturbine zur Expansion des verdichteten Gases umfaßt, wobei der Wärmeübertrager im Inneren des Kanals im zirkulierenden Wirbelschichtsystem angeordnete Wärmetauschkanäle aufweist. Eine Ausführungsform zeigt ein Heizbett, das aus einer Wirbelschicht von Partikeln besteht, welches Bett mit dem unteren Ende des Partikelabscheiders im vertikalen Kanal in Verbindung steht. Die abgeschiedenen Partikeln sammeln sich in der Wirbelschicht an, und es sind Wärmetauschrohre sowohl über als in dem Bett zwecks Wärmetausch angeordnet. Bei diesem System werden relativ große Mengen Fluidisierungsluft benötigt, um die Partikeln in fluidisiertem Zustand zu halten. Die Menge der zusätzlichen Fluidisierungsluft richtet sich nach der Menge der rückgeführten Partikeln und kann nicht nach den Bedürfnissen des Verbrennungsprozesses auf die variierenden Belastungen des Kraftwerke angepaßt werden. Es ist jedoch wichtig, daß man auf der Kraftwerksanlage in der Lage ist, sämtliche die Vebrennung beeinflussenden Parameter und insbesondere die Luftzufuhrsysteme zu regeln.
Konventionelle kohlenverfeuerte elektrische Energie erzeugende Kraftwerke können thermische Wirkungsgrade von maximal 37 bis 38 % erreichen, wenn die Stromkosten für reine Rauchgase mitberücksichtigt werden. Bei integrierten kohlenverfeuerten Gasturbinenkraftwerken können höhere thermische Wirkungsgrade erzielt werden. Es sind Prozesse mit Wirkungsgraden von 40 bis 41 % sowie niedrigen NOx- und SO&sub2;-Emissionen bekannt.
Ein typisches integriertes Kraftwerkssystem umfaßt eine druckbeaufschlagte Kohlenfeuerung. Ein Verdichter versorgt die Feuerung mit Druckluft von 6 bis 30 bar. Das in der Feuerung erzeugte Gas wird gereinigt und zum Antrieb einer Gasturbine verwendet. Ein Abhitzekessel kann zur Rückgewinnung von Wärme hinter der Turbine angeordnet werden. Die Feuerung umfaßt einen konventionellen Dampferzeuger, der Dampf zum Antrieb eines Dampfturbosatzes erzeugt.
Die integrierten Kraftwerke mit druckbeaufschlagten Kohlenfeuerungen erfordern eine teure und komplizierte Konstruktion. Der Kohleneintrag ist nicht leicht anzuordnen. Die Benutzung von Gasturbinen ist beschränkt durch die Unfähigkeit der Gasturbinen, Abgase niederwertigerer Brennstoffe zu akzeptieren. Die Hochtemperatur-Abgase erfordern komplizierte Reinigungssysteme, die die Kosten erhöhen. Die Turbinenschaufeln erodieren und werden verschmutzt, weil sie vom Partikelmaterial beaufschlagt werden, das im Reinigungssystem nicht abgetrennt worden ist.
Integrierte Kraftwerke mit hauptsächlich atmosphärischen Kohlenfeuerungen sind ebenfalls bekannt, wie etwa die in den Patentveröffentlichungen US 4,326,373; US 4,406,128 und WO 82/00701 Beschriebenen.
Das US-Patent Nr. 4,326,373 stellt einen atmosphärischen Kohlenfeuerungsprozeß dar, wobei die erzeugte Wärme über in einem hydraulischen Verdichter verdichtete Luft rückgewonnen wird und durch Lufterhitzer (2) im Rauchgaskanal über dem Brennraum und durch Lufterhitzer (4 in Fig. 1, US-Patent Nr. 4,326,373) im Brennraum geleitet wird. Die verdichtete und aufgeheizte Luft wird zur Verrichtung von Arbeit in einer Gasturbine verwendet. Ein Wärmetauscher (4) ist einer extrem starken Korrosion/Erosion ausgesetzt. Ein Wärmetauscher (2) ist wegen des ineffektiven Wärmeübergangs zwischen den Rauchgasen und der vorgewärmten Luft in den Rohren groß und teuer. Die Wärmeübergangszahlen zwischen Suspensionen und in die Suspension hineingesetzten Rohren hängen von der Partikeldichte der Suspension ab. In einer Wirbelschicht kommen beim Wärmetausch auf verschiedenen Höhen in einem Wirbelschicht-Brennraum große Schwankungen vor. Maximaler Wärmetausch kann nur im unteren Teil des Brennraums, in der dichten Bettzone erreicht werden.
Die Luftwärmerückgewinnungsanordnungen der Feuerung können außerdem leicht zu Störungen im Verbrennungsprozeß führen, und der Gesamtprozeß ist schwierig zu kontrollieren. Das Temperaturprofil in der Feuerung wird durch diese im Reaktor angeordneten zusätzlichen Wärmetauschrohre beeinflußt. Und weil im Reaktor bereits Wärmetauschrohre zur Dampferzeugung angeordnet sind, kann es zudem schwierig sein, andere Rohre hineinzubringen.
Das US-Patent Nr. 4,406,128 stellt ein Kombikraftwerk dar, wobei eine Gasturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie benutzt wird. Kohlenstoffhaltiger Brennstoff wird in einer drucklosen Wirbelschichtfeuerung verbrannt, um Enegie für den Antrieb der Gasturbine und Dampf zu erzeugen. Ein externer Wärmetauscher, durch den ein Teil der heißen Feststoffe der Wirbelschicht zirkuliert, wird zur Aufheizung von reiner verdichteter Luft benutzt. Die erhitzte Luft expandiert in einer Gasturbine zwecks Erzeugung von elektrischer Energie in einem damit gekuppelten Generator. Der externe Wärmetauscher umfaßt eine Lufterhitzerkammer mit Parallelrohren. Ein Teil der heißen Feststoffpartikeln aus der Wirbelschicht wird mit etwas Fluidisierungsluft durch diese Rohre befördert. Die reine verdichtete Luft fließt in den Lufterhitzer und an der Aussenseite der Rohre entlang und zieht ihnen Wärme ab. Die Konstruktion mit einem externen Wärmetauscher wird leicht voluminös und teuer. Eine gleichmäßige Verteilung von Feststoffpartikeln durch die Rohre, wie in Fig. 2 dargestellt ist (US-Patent Nr. 4,406,128) ist aufgrund der in Fig. 2 dargestellten geschlossenen Konstruktion, des niedrigen Durchsatzes an Feststoffpartikeln und der für den Wärmetausch erforderlichen großen Anzahl Rohre äußerst schwierig. Desweiteren kühlt die zur Beförderung der Feststoffpartikeln benutzte Luft die Feststoffteilchen ab und setzt den Temperaturgradienten zwischen den Feststoffen und der Luft an der Außenseite der Rohre herab.
Die Verwendung von zusätzlicher Fluidisierungsluft im Lufterhitzer zur Beförderung von Feststoffpartikeln durch die Rohre und zurück in den Brennraum hat wegen der zur Beförderung der Feststoffpartikeln benötigten Energie einen negativen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der Feuerung. Ein Luft- oder Sauerstoffüberschuß wird weder in der Feuerung noch im Lufterhitzer gewünscht. Im Lufterhitzer könnte Luft zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Feststoffpartikeln führen und somit die Temperatur über die Schmelztemperatur eines Teils der Feststoffpartikeln erhöhen und Agglomeration von Partikeln im Luftwärmer mit nachteiligen Auswirkungen auf den Prozeß zur Folge haben. Klebrige Partikeln könnten auch Verstopfung der Rohre hervorrufen.
WO 82/00701 stellt ein Kraftwerk mit einem rezirkulierten Wirbelschichtofen dar, der bei einer Fluidisierungsgeschwindigkeit von 10 m/s arbeitet und Verbrennungsprodukte für einen Abscheiderabschnitt liefert. Die Feststoffpartikeln aus dem Abscheiderabschnitt werden durch eine Uberlaufkammer einer zweiten seichten Wirbelschicht zugeführt. Im zweiten Wirbelschichtraum sind ein Lufterhitzer sowie Rohre zur Dampferzeugung angeordnet, beide Rohre in verschiedenen Teilen des Betts. Das Bett arbeitet mit einer niedrigeren Fluidisierungsgeschwindigkeit als das Bett im Ofen, d.h. mit 0,5 m/s. Die erhitzte verdichtete Luft wird teilweise einer Behandlung zur Entfernug der flüchtigen Bestandteile der Kohle (coal devolatilizer) im Energieerzeugungssystem und teilweise einem Brenner zugeführt, der mit einer Gasturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden ist. Dieses System weist dieselben Nachteile wie das vorhergehende auf, die Konstruktion mit einer zweiten Wirbelschicht ist platzbeanspruchend und teuer. Die zur Fluidisierung der zweiten Wirbelschicht im System benötigte zusätzliche Luft ist ein Nachteil und macht es schwieriger, den Verbrennunsprozeß und somit das ganze System unter Kontrolle zu halten. Die zur Fluidisierung des Betts benötigte verdichtete Luft ist selbstverständlich ein Kostenpunkt an sich.
Die Anwendung einer seichten Wirbelschicht ist nicht vorteilhaft, weil die heißen feinen Aschepartikeln geneigt sind, aufwärts zum oberen Teil der Wirbelschicht zu fließen und die kühleren Partikeln auf dem Boden des Betts zurückbleiben. Folglich verschlechtert sich die Wärmeübertragung im Bett infolge des im Bett entstehenden Temperaturprofils.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes integriertes Gasturbinen-Energieerzeugungssystem vorzusehen, wobei eine drucklose Wirbelschichtfeuerung zur Erhitzung von Reingas zur Gasturbine zum Einsatz kommt, ohne die Nachteile der bereits genannten Energiesysteme. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein integriertes Gasturbinen- Energieerzeugungssystem vorzusehen, das kompakt ist.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierten Gasturbinen-Energieerzeugungsprozeß vorzusehen, der einen verbesserten Wirkungsgrad hat und sich zuverlässig und leicht unter Kontrolle halten läßt.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung der Verbrennungstemperatur im Brennraum eines Wirbelschichtreaktors vorzusehen.
Die obigen Aufgaben werden der vorliegenden Erfindung zufolge durch ein Energieerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 7 gelöst.
Der Erfindung zufolge ist ein integriertes Gasturbinen- Energieerzeugungssystem vorgesehen, das eine Feuerung mit zirkulierender Wirbelschicht zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff bei einem nahezu atmosphärisen Druck sowie Dampf- und Gasturbinenkreisläufe umfaßt. Die Feuerung umfaßt einen Brennkammerabschnitt, einen Abscheider für Feststoffpartikeln und einen vertikalen Rückführkanal zur Beförderung der abgeschiedenen Feststoffpartikeln aus dem Partikelabscheider in den Brennraum. Der vertikale Rückführkanal ist an seinem oberen Ende mit dem unteren Teil des Partikelabscheiders und an seinem unteren Ende mit dem Eintritt für rückgeführte Feststoffpartikeln in den Brennraum verbunden. Der Gasturbinenkreislauf umfaßt einen Gasverdichter zur Verdichtung eines Stroms oxidierenden Gases, einen Wärmeübertrager, der über einen Kanal mit dem Verdichter zur Erhitzung des Stromes verdichteten oxidierenden Gases verbunden ist, eine Gasexpansionsturbine, die über einen zweiten Kanal mit dem Wärmeübertrager zur Energieerzeugung aus dem erhitzten verdichteten oxidierenden Gas verbunden ist, und einen dritten Kanal zur Leitung des expandierten oxidierenden Gases aus der Gasturbine in den unteren Teil des Brennraums. Der Wärmeübertrager zur Erhitzung oxidierenden Gases umfaßt im vertikalen Rückführkanal angeordnete Wärmetauschkanäle oder -rohre zur Leitung verdichteten Gases in den Kanälen oder Rohren in indirektem Kontakt mit einer relativ dichten Suspension abgeschiedener Partikeln, die an der Außenseite der Kanäle oder Rohre vom oberen Teil des Kanals zum unteren Teil desselben gleichmäßig hinabfließen. Ebenfalls ist ein Energieerzeugungsprozeß in solch einem integrierten Energiesystem dargestellt.
Die vorliegende Erfindung bietet eine kompakte zirkulierende Wirbelschichtfeuerung mit einem in den Feststoffkreislauf integrierten Lufterhitzer. Die Wärmetauschkanäle oder -rohre sind im vertikalen Rückführkanal angeordnet, wo die Feststoffdichte und folglich die Wärmeübergangszahl hoch sind. Dank der hohen Wärmeübergangszahlen kann der Wärmetauscher kompakt ausgeführt werden. Der Wärmetausch im vertikalen Kanal ist gleichmäßig. Aufgrund der Leitung des Feststoffes mittels Schwerkraft durch den Kanal wird - im Unterschied zu den fluidisierten Wärmetauschern gemäß dem Stand der Technik - keine zusätzliche Fluidisierungsluft benötigt. Daher bietet die vorliegende Erfindung einen gleichmäßigeren Wärmetauschprozeß durch den gesamten Wärmetauscher hindurch ohne Temperaturprofile wie bei fluidisierten Wärmetauschern. Der Gesamt-Wirkungsgrad wird erhöht, wenn zur Fluidisierung heißer Partikeln kein druckbeauf schlagtes Gas oder keine druckbeaufschlagte Luft benötigt wird. Außer den Produktionskosten kann fluidisierte Luft nachteilige Auswirkungen auf die heißen Partikeln, wie etwa Verbrennung oder Agglomeration der Partikeln zur Folge haben.
Durch die Erfindung wird es ermöglicht, die Brennkammertemperatur durch die Regelung der Temperatur der rückgefühlten heißen Partikeln unter Kontrolle zu halten. Der Wärmeübergang von den heißen Partikeln im vertikalen Kanal auf die verdichtete Luft wird durch Veränderungen im Luftdurchsatz oder -druck bewirkt.
Die wichtigsten Vorteile der Erfindung gegenüber dem konventionellen Verbund-Erzeugungssystem bestehen in einem höheren Wirkungsgrad und der Möglichkeit, die Verbrennungstemperatur durch Entnahme von Energie aus dem Rückführkreislauf zu regulieren, weil die im Gasturbinenprozeß als Arbeitsmittel benutzte Luft auch als Verbrennungsluft im Kessel dient. Der Luftdurchsatz sollte der Kesselbelastung entsprechend, d.h. zwischen 30 und 100 % regelt werden. Die Verwendung von Luft als Arbeitsmittel in der Gasturbine ist einfach und zuverlässig, es ist keine Gasreinigung notwendig.
Weil die Dampferzeugerrohre bereits vollständig im Kessel angeordnet sind, ist es vorteilhaft, daß man das Temperaturprofil des Kessels regeln kann, ohne noch immer zu versuchen, die Zahl der Wärmeübertrager im Kessel selbst zu erhöhen.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Spezifikation, den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Wirbelschichtfeuerung mit Dampf- und Gasturbinenkreisläufen. Der Feststoffabscheider ist ein Vertikalzyklon;
Fig. 2 zeigt eine andere Wirbelschichtfeuerung mit Dampf- und Gasturbinekreisläufen. Der Feststoffabscheider ist ein Horizontalzyklon; und
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen Leistung und Temperatur des Wärmetauschers.

Detaillierte Bescreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird näher auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eingegangen, wofür ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt, wo kohlenstoffhaltigerer Feststoff in einer Feuerung 1 mit zirkulierender Wirbelschicht verbrannt wird. Die Feuerung umfaßt eine Brennkammer 2 mit Einlässen 3, 4 für festen Brennstoff und eventuelle andere Feststoffe wie Kalk oder Dolomit zur Reduktion des in den Rauchgasen enthaltenen SO&sub2;. Die fluidisierende Luft und oxidierende Luft wird durch eine Bodenplatte 5 mit Luftöffnungen in den Brennraum geleitet. Die Luft wird dem Reaktor mit einem nahezu atmosphärischen Druck bei einem Durchsatz zugeführt, der so groß ist, daß das Bett fluidisiert und ein Teil der Feststoffpartikeln mitgerissen wird. Sekundärluft kann durch einen Eintritt 6 oberhalb der Bodenplatte in den Brennraum eingeführt werden.
Der Brennraum hat einen Auslaß 7 für mitgeführte Feststoffpartikeln enthaltende Verbrennungsgase. Die Verbrennungsgase werden einem Zyklonabscheider 8 zugeführt, wo die Feststoffpartikeln aus den Gasen abgeschieden werden. Das gereinigte Gas wird durch ein Austrittsrohr 9 abgezogen, und die Feststoffpartikeln werden durch einen vertikalen Kanal 10 abwärts zurück in den Brennraum geleitet. Der Kanal bildet an seinem unteren Ende vor dem Eintritt 13 in den Brennraum einen Bogen 11.
Ein Dampfturbinenkreislauf 14 ist mit dem Brennraum integriert. Ein erster Wärmeübertrager 15 zur Dampferzeugung ist in dem Brennraum angeordnet. Ein Dampfturbine 16 ist zwecks Energieerzeugung mit den Wärmetauschrohren verbunden. Der Dampf wird in einem Wärrnerückgewinnungskondensator 17 kondensiert und mit einer Hochdruckpumpe zurück in die Wärmetauschrohre im Brennraum befördert.
Ein Gasturbinenkreislauf 18 ist mit dem zirkulierenden Wirbelschichtsystem integriert. Luft wird in einem Verdichter 19 auf rund 5 bis 15 bar verdichtet und durch einen ersten Kanal 20 in einen zweiten Wärmeübertrager 21 im vertikalen Kanal 10 geleitet, wo die Luft auf 500 bis 900 ºC, vorzugsweise auf 650 bis 850 ºC erhitzt wird. Die Feststoffdichte im vertikalen Kanal beträgt zirka 50 bis 1000 kg/m³, was eine sehr gute Wärmeübergangszahl ergibt. Aus dem Wärmetauscher 21 wird die verdichtete und erhitzte Luft über einen Kanal 22 einer Gasturbine 23 zugeführt. Die Luft expandiert und erzeugt elektrische Energie durch einen Generator 24. Ein zusätzlicher Erhitzer 25 kann benutzt werden, die Temperatur des Gases auf 1000 bis 1100 ºC anzuheben. Bei dem Erhitzer kann es sich um einen Öl oder Gas 26 verfeuernden Brenner handeln.
Die expandierte reine Luft wird durch einen dritten Kanal 27 hauptsächlich in eine Luftkammer 28 unter der Bodenplatte 5 im Brennraum geleitet. Die Temperatur der Luft ist rund 300 bis 450 ºC, wenn keine zusätzliche Heizvorrichtung benutzt wird und rund 500 bis 650 ºC, wenn die zusätzliche Heizvorrichtung zur Erhitzung der Luft vor der Turbine benutzt wird. Wenn die Temperatur der expandierten Luft zu hoch ist, kann ein Wärmetauscher 29 mit dem dritten Kanal verbunden werden. Es ist auch möglich, die heiße Luft von der Gasturbine an einer Stelle 30 über der Bodenplatte 30 einzuführen.
Der Wärmetauscher 21 besteht vorzugsweise aus gekrümmten keramischen Rohren 31, die eine gute Wärmeübergangszahl aufweisen und auch bei Hochtemperatur-Anwendungen beständig sind. Es können selbstverständlich ebensogut aus beständigen Metallegierungen hergestellte Rohre verwendet werden. Die Rohre haben vorzugsweise einen Durchmesser von 50 bis 200 mm.
Die Rohre 31 sind im Kanal 10 vorzugsweise horizontal angeordnet und miteinander sowie mit dem ersten und dem zweiten Kanal 20 bzw. 22 über Verbindungsglieder außerhalb des Kanals 10 verbunden. Gerade Rohre können eingesetzt werden, wenn außerhalb der Kanäle Metallkupplungen zur Verbindung der Rohre miteinander benutzt werden. Bei einigen Anwendungen könnten ebensogut vertikal angeordnete Rohre verwendet werden.
Die Luftkanäle im Wärmetauscher 21 sind vorzugsweise Rohre, für den Wärmetausch zwischen Luft und Feststoffpartikeln könnten aber genausogut z.B. Kanäle zwischen keramischen Platten benutzt werden.
Die gereinigten durch das Austrittsrohr 9 abgezogenen Gase werden einem Abhitzekessel 32 zugeführt. Ein Wärmetauscher 33 im Abhitzekessel ist über Kanäle 34 und 35 mit dem Dampfturbinenkreislauf 14 verbunden. Das gereinigte und abgekühlte Gas wird über den Kanal 36 zum Schornstein geleitet.
Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Es sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt worden. Anstelle eines vertikalen Zyklons wird ein horizontaler Zyklon 8 zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus den Verbrennungsgasen benutzt. Dies ermöglicht eine Feuerungskonstruktion, die noch kompakter ist als die in Fig. 1 Gezeigte. Der erste Wärmeübertrager 15 besteht aus Rohrwänden in dem Brennraum, der mit dem Dampfkreislauf verbunden ist.

Beispiel

Es sind Tests durchgeführt worden zur Ermittlung der thermischen Wirkungsgrade bei erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystemen. Polnische Kohle mit einem niedrigen Heizwert von 28,800 kJ/kg/Trockengut wurde in der Feuerung verbrannt. Die Lufteintrittstemperatur lag bei 15 ºC und die Rauchgas-Austrittstemperatur bei 120 ºC. Der Luftdurchsatz belief sich auf 98,2 kg/s. Der polytropische Wirkungsgrad des benutzten Verdichters betrug 0,9 und der der Gasturbine 0,8. Der Druckabfall über den Wärmetauscher war 0,02 bar und über den Brennraum 0,1 bar. 44,06 % der an den Dampf abgegebenen Wärme wurden zu Dampfturbinenenergie umgewandelt. T&sub1; T&sub3; T&sub4; therm.Lstng des Wärmetauschers Leistung Dampfturbine Leistung Gasturbine therm. Wirkungsgrad optim. Druckverh. des Verdichters bar T&sub1; = Temperatur nach dem Verdichter T&sub3; = Temperatur am Eintritt zur Gasturbine T&sub4; = Temperatur nach der Gasturbine
In Fig. 3 ist die Wärmetauscherleistung im Verhältnis zur Temperatur vor der Gasturbine dargestellt. Der Wärmeübergang von den heißen Partikeln auf die Rohre im Vertikalkanal ist rund 400 W/m²/ºK.
Der thermische Wirkungsgrad steigt deutlich an, wenn die Lufttemperatur infolge der indirekten Erhitzung mit den heißen rückgeführten Partikeln im vertikalen Rückführkanal erhöht wird.

Claims

1. Energieerzeugungssystem bestehend aus: - einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktorsystem (1), das einen Brennraum (2), einen mit dem Austritt (7) für Verbrennungsgase in dem Brennraum (2) verbunden Partikelabscheider (8) und einen hauptsächlich vertikalen Kanal (10) umfaßt, der am unteren Ende des Partikelabscheiders (8) angeordnet ist zur Beförderung von abgeschiedenen Feststoffpartikeln durch die Schwerkraft abwärts zurück in der Brennraum (2); und

- einem Gasturbinenkreislauf (18), der sich zusammensetzt aus einem Gasverdichter (19) zur Verdichtung von Gas, einem Wärmeübertrager (2l) mit im genannten hauptsächlich vertikalen Kanal im genannten zirkulierenden Wirbelschichtsystem angeordneten Wärmetauschkanälen (31), um das verdichtete Gas in den Wärmetauschkanälen (31) mit den im genannten vertikalen Kanal (10) abwärts fließenden Feststoffteilchen in indirekten Kontakt zu bringen zur Erhitzung des verdichteten Gases vom Verdichter (19), und einer Gasturbine (23), die zwecks Expansion des verdichteten Gases über einen Kanal (22) mit dem Wärmeübertrager (21) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt des genannten hauptsächlich vertikalen Kanals (10) mit einem Eintritt am unteren Ende des Brennraums (2) verbunden ist, und daß die abgeschiedenen Feststoffpartikeln zwischen dem Partikelabscheider und dem Austritt des hauptsächlich vertikalen Kanals (10) ohne zusätzliche Fluidisierung befördert werden.

2. Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Energieerzeugungssystem ferner einen Dampfturbinenabschnitt (14) aufweist, der eine Dampfturbine (16) und einen im genannten Brennraum (2) angeordneten Wärmeübertrager (15) zur Erzeugung von Dampf umfaßt.

3. Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Gasturbinenkreislauf (18) einen Kanal (27) zur Leitung von expandiertem Gas von der Gasturbine (23) in den unteren Teil des Brennraums (2) aufweist.

4. Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Wärmeübertrager (21) im Gasturbinenkreislauf (18) vertikale Rohre umfaßt.

5. Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Wärmeübertrager (21) im Gasturbinenkreislauf (18) horizontale Rohre umfaßt.

6. Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Gasturbinenkreislauf (18) eine gegenüber der Gasturbine (23) angeordnete zusätzliche Heizvorrichtung (25) zur weiteren Erhitzung des verdichteten Gases aufweist.

7. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems bestehend aus: - Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff in einem Brennraum eines Reaktors mit zirkulierender Wirbelschicht, Abscheidung von Feststoffpartikeln aus den Verbrennungsgasen in einem Partikelabscheider, Beförderung der abgeschiedenen heißen Partikeln mittels Schwerkraft durch einen hauptsächlich vertikalen Kanal abwärts zurück in der Brennraum und - Verdichtung von Luft in einem Gasverdichter in einem Gasturbinenkreislauf, Erhitzung der verdichteten Luft in einem Wärmeübertrager durch Leitung der verdichteten Luft durch Wärmetauschkanäle des im vertikalen Kanal angeordneten Wärmeübertragers, die heiße abgeschiedene Partikeln befördern und die verdichtete und erhitzte Luft zwecks Verrichtung nützlicher Arbeit der Gasturbine zuführen,

dadurch gekennzeichnet die abgeschiedenen Feststoffpartikeln zwischen dem Partikelabscheider und dem Austritt des hauptsächlich vertikalen Kanals (10) ohne zusätzliche Fluidisierung befördert werden.

8. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungstemperatur im Brennraum dadurch geregelt wird, daß die aus den Partikeln im vertikalen Kanal auf die durch die Rohre des im vertikalen Kanal angeordneten Wärmeübertragers geleitete verdichtete Luft übertragene Wärme variiert wird.

9. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungstemperatur im Brennraum geregelt wird, indem die Menge der durch die Rohre geleiteten verdichteten Luft verstellt wird.

10. Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft im Verdichter auf 5 bis 15 bar verdichtet wird und die verdichtete Luft im Wärmeübertrager auf 650 bis 850 ºC erhitzt wird.