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Entstaubungsvorrichtung für Brenn- oder Arbeitsgas
Die Erfindung betrifft
eine Entstaubungsvorrichtung für Brenll- oder Arbeitsgas, insbesondere für Gasturbinenanlagen,
welche mit festen Brennstoffen, z. B. Kohlenstaub, betrieben werden. Bei der Verarbeitung
dieses Brennstoffes in derartigen Anlagen, sei es durch unmittelbare Verbrennung
in der Brennkammer oder durch zweistufige Aufbereitung, d. h. Vergasung und anschließende
Verbrennung des erzeugten Brenngases in den Brennkammern, muß besonderer Wert darauf
gelegt werden, daß die unverbrennlichen Bestandteile möglichst vollständig ausgeschieden
werden, weil sonst im Dauerbetrieb der Anlage durch Verschleiß und Querschnittsverlegungen
an den durchströmten Kanälen und Schaufeln Betriebsstörungen und thermodynamische
Verschlechterungen eintreten. Obwohl bereits Wege vorliegen, einen großen Teil des
Aschegehaltes in hochbelasteten, sehr heißen Feuerraumteilen der Kohlenstauhb ren
okammern oder Gaserzeugungsreakflonsräumen fiüssig einzubinden und abzuziehen, ist
es notwendig, in anschließenden Entstaubungsvorrichtungen den noch vorhandenen unverbrennlichen
Staub bis auf kleinste Teilchen aus dem Treibgas- bzw. Brenngasstrom auszuscheiden.
Es ist an sich bekannt, durch Fliehkraftreiniger, sogenannte Zyklone, eine weitgehende
Abscheidung der staubförmigen Verunreinigungen aus dem Rohgasstrom zu erreichen.
Bei diesen bekannten Lösungen wird das zu reinigende Gas tangential von außen in
eine Schleuderkammer eingeführt.
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Dabei bildet sich eine Wirbelströmung aus, unter deren Einfluß die
spezifisch schwereren Staubteilchen nach außen geschleudert und ausgeschieden werden.
Bei dieser von außen angefachten Drallströmung stellt sich jedoch auch ein verhältnismäßig
träger und gegenüber der Fliehkrafteinwirkung
passiver zentraler
Kern ein, welcher infolgedessen seine Verunreinigungen nicht ausreichend verliert.
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Diese Schwierigkeiten werden bei der Entstaubungsvorrichtung gemäß
der Erfindung dadurch beseitigt, daß das zu entstaubende Rohgas mit einem zentral
angeregten Drall einen geraden Rohrdiffusor durchströmt, dessen Wände durch axial
aneinandergereihte schaufellose scheibenartige Ringräume gebildet werden, außerhalb
deren ein - gemeinsamer Staubausscheideraum angeordnet ist. Neben dem regelbaren
Anteil der Strömung, der mit dem ausgeschleuderten Staub über diese Ringkanäle abgeführt
wird, soll der durch Fliehkraftwirkung weitgehend gereinigte Drallkern durch ein
von der erx eiterten Seite her in die Diffusorachse hineinragendes Rohr aufgenommen
werden. In Weiterausbildung des Erfindungsgedankens entsteht die Wirbelströmung
des Rohgases am Diffusoreingang durch teilweise Entspannung des unter Druck erzeugten
Gases in einer Radialturbine, welche dafür sorgt, daß auch im Kernbereich des Wirbels
die Gesetzmäßigkeiten des Drallsatzes eingestellt werden können. Die Anwendung der
Drallströmung erscheint deshalb sehr vorteilhaft, weil in den am Umfang angeschlossenen
radialen Ringräumen sich der Staub innerhalb der sich verzögernden Umlaufströmung
gut absetzen kann. Die radiale Tiefe und die Höhe dieser schaufellosen Ringräume
können so abgestimmt werden, daß ein allmähliches Verlegen der Strömungswege durch
ausgeschiedenen Staub vermieden wird. Ferner wird durch diese Abführung eines beachtlichen
Anteiles des Rohgasdurchsatzes nach außen die Schleppwirkung auf die zentrale Wirbelströmung
begünstigt und der Reinheitsgrad der mittig abgeführten Gase gesteigert.
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Die Drallerzeugung durch eine Entspannungsturbine hat den Vorteil,
daß mit dem Durchsatz gleichzeitig Drehzahl und Drall zunehmen, in einem Sinne also,
welcher die Ausscheidung der mitgeförderten höheren Staubmengen begünstigt.
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Die in der Entspannungsturbine erzeugte Leistung kann dazu verwendet
werden, einen kleinen Luftverdichter zusätzlich zu den normalen Verbrennungsluftverdichtern
der Anlage anzutreiben oder auch den Kraftbedarf der Kohlenstaubaufbereitungseinrichtungen,
wie z. B. der Staubmühlen, zu decken. Der erwähnte Zusatzverdichter ist besonders
zweckmäßig für die Oberbrückung der zusätzlichen Druckverluste, welche namentlich
bei der üblichen Aufteilung der Verbrennungs- bzw. Vergasungsluft in mehrere nacheinander
zugesetzte Anteile für die schon seit Beginn des Verbrennungs-oder Vergasungsprozesses
teilnehmende Luft anfallen. Es ist auch möglich, den Rest von Verbrennungsluft bei
der unmittelbaren Ii:ohleverbrennung zur Kleinhaltung der Abmessungen des Entstaubers
erst vor der eigentlichen ersten Arbeitsturbine zuzuführen, soweit sie nicht zur
Sühlhaltung der Brennkammereinsätze und der druckfesten Gehäuse unbedingt erforderlich
ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Entstaubungsvorrichtung
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. I einen Axialschnitt durch die
Entstaubungsvorrichtung, Fig. 2 den Einbau einer Entstaubungsvorrichtung innerhalb
einer Gasturbinenanlage in schemafischer Darstellung.
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In der Fig. I ist die gesamte Gasturbinenanlage in ihren grundsätzlichen
Bauelementen schematisch angedeutet. Dler Verdichter 1 wird angetrieben durch die
Hochdruckturbine 2, während die nachgeschaltete Niederdruckturbine 3 Nutzleistung
an den Generator 4 abgibt und das entspannte Abgas im Luftvorwärmber 5 die Verbrennungsluft
vorwärmt. Vor Eintritt in eine Kohlenstaubbrennkammer 6 mit Schlackenabzug 7 wird
der als Primär- und Sekundärluft vorgesehene Anteil im Schleuderverdichter 8 weiterverdichtel,
um mindestens die Druckverluste in der Brennkammer 6 und der Entstaubungsvorrichtung
g decken zu können. Die Hauptmerkmale derselben sind: Axial anschließend an eine
Expansionsturbine lo, welche bei einer Strömung von außen nach innen eine Umlaufströmung
im Austritt erzeugt, ist in der Hauptachse - eines druckfesten Schalengehäuses ein
Rohrdiffusor 11 vorgesehen; seine Iiegelwände sind nicht geschlossen, sondern in
lauter axial übereinanderliegende schaufellose Ringräume I 2a bis 12' aufgelöst,
die sich außen wieder zu einem gemeinsamen Sammelraum 13 vereinigen. Andererseits
ragt von der erweiterten Kegelstirnseite her noch ein Rohr 14 in den Diffusorkern
hinein, mit welchem der Teil des Gases mit verhältnismäßig hoher Reinheit an staubförmigen
Teilen abgezogen werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß der zu entstaublende
Treibgasstrom durch die Entspannungsturbine einen zentral angeregten Drall mit einem
ausreichend hohen Geschwindigkeitsmoment erhält und die Schauflung der Radialturbine
noch besonder den Ausscheidebedingungen der verschiedenen Korngrößen im nachgeschalteten
Diffusor angepaßt wird. Auch durch die Wahl der Förderhöhe des Verdichters 8 sind
wirksame Voraussetzungen dafür gegeben, daß auch im Reinraum des Diffusors noch
das Gesetz der reibungsfreien Draliströmung weitgehend erhalten bleibt. Durch die
Temperaturerhöhung in der Brennkammer und Mengenzunahme ist die Turbine leistungsmäßig
leicht in der Lage, den Kraftbedarf des Verdichters zu decken. Bemerkenswert an
dem dargestellten Beispiel ist ferner, daß sich das Rohr 14 zu einem Ringraum mit
anschliel3endem Spiralgehäuse ausweitet, um die für die Ausscheidung wesentlichen
hohen Umlaufgeschwindigkeiten des Kerustromes abzubauen, wobei gleichzeitig über
ein hineinragendes Siebrohr i 5 noch ungenutzte vorgewärmte Verbrennungsluft zugemischt
wird, um die am Turbinen eintritt erwünschte Treibmitteltemperatur einzustellen.
Durch diese Abspaltung eines Luftanteiles und durch den Betrieb der Staubbrennkammer
mit höheren Temperaturen, als der Eintrittstemperatur in die Turbine entspricht,
kann das Bauvolumen der Einrichtung beschränkt werden, wobei die Grenzen solcher
Maßnahmen weniger durch die mechanische Festigkeit der Bauelemente als durch
die
Schmelzeigenschaften des Staubes bestimmt werden.
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Wegen der erwähnten Wichtigkeit, die der Ausbildung der Drallströmung
mit c, X r const. im Kern für das Erreichen großer Schleuderkräfte auch an den kleinsten
Staubteilchen zukommt, ist gemäß der Erfindung der Raum um den Diffusor herum zusätzlich
mit durchlässigen Wänden ausgestattet, durch welche ein wesentlicher Teil des Durchsatzes
abgezogen wird. Damit wird eine gewisse Schleppwirkung auf den Wirbelkern im Diffusor
ausgeübt und die Ausscheidung kleinster Staubteilchen in diesem Bereich begünstigt.
Wie bereits erwähnt, sind die Kegelwände des Diffusors in nebeneinanderliegende
Ringräume 1 2a bis 1 2 aufgelöst. Durch die Wahl der Diffusorenkegelneigung a, der
Längserstreckung, der Aufteilung der Wände in Ringräume verschiedener Breite, der
Neigung der Leitringwände zur Diffusorachse sowie durch das Querschnitts- und Durchmesserverhältnis
der entstandenen schaufellosen Ringräume hat man es in der Hand, sich durch Versuch
dem Staubgehalt des Rohgases bezüglich seiner spezifischen Körnung weitgehend anzupassen.
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Namentlich kann durch entsprechende Bemessung des Querschnittvedaufes
und der radialen Tiefe der Ringräume eine störende Auswirkung von Druckunterschieden
im Kerndiffusor unterbunden werden und erreicht werden, daß eindeutig ausgerichtete
Staubwege entstehen, auf welchen die Geschwindigkeit des Trägergases so verzögert
wird, daß eine ziemlich vollständige Abscheidung aller Korngrößen mit großer Sicherheit
möglich ist.
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Auch die Form der Ringraumhegrenzung läßt sich in einfacher Weise
für günstige Ausschteidebedingungen des Staubes, der bei 16 abgezogen werden kann,
in der sich verzögernden Strömung zurichten. Die Trennung des gereinigten Gases
vom sich absetzenden Staub erfolgt dadurch, daß es durch eine Siebringwand 17 abströmt,
nötigenfalls über einen nachgeschalteten Prallstaubabscheider 18 nachgereinigt und
schließlich mit dem bei 14 abgezogenen entstaubten Gas gemischt der Turbine zugeführt
wird. Vorher ist in der Leitung ein Ventil 19 vorgesehen, welches zur Steuerung
der beiden Teilströme dient. Es sei noch bemerkt, daß es z. B. nützlich ist, die
Siebwand 17 nicht kreisförmig, sondern wellig längs des Umfanges auszubilden und
die Abzugslöcher in den Tälern so anzuordnen, daß ihre Achse senkrecht zur Spiralenhahn
des Gases ist.
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In der Fig. 2 sind die grundsätzlichen Bauelemente 1 bis 5 der Gasturbinenanlage
durch die beiden Gasbrennkammern 20, 21 vor den Teilturbinen ergänzt, die ihr Brenngas
vom Gaserzeuger 22 mit nachgeschalteter Entstaubungsvorrichtung 23 erhalten. Der
Brennstoff gelangt vom Bunker 24 über die Mahleinrichtung 25 zu den tangential stehenden
Einblasedüsen 26 am Schmelzkammerreaktionsraum 27 des schachtartigen Gaserzeugers,
wobei die erforderliche Vergasungsluft, die an der Verzweigungsstelle 28 vom Luftkreislauf
abgetrennt wird, durch einen Zusatzverdichter 29 weiterverdichtet wird und dadurch
alle Druckverluste bis zur Verbrauchsstelle des Gases gedeckt werden können. Wie
im vorhergehenden Beispiel wird der Verdichter 29 neben der Mahleinrichtung 25 von
der Expansionsradialturhine 30 angetrieben, welche vom erzeugten Brenngas beaufschlagt
wird und den erwünschten Drall für die Entstaubungsvorrichtung 23 liefert.
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PATENTANSPRU-CHE: 1. Entstaubungsvorrichtung für Br,enn- oder Arbeitsgas,
insbesondere für Gasturbinenanlagen, welche mit festen Brennstoffen, z. B.
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Kohlenstaub, betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsraum
für das Rohgas aus einem geraden, senkrecht angeordneten Rohrdiffusor (11) gebildet
wird, dessen schalenförmige Kegelwände in axial übereinanderliegende, schaufellose
Ringräume (1 2a bis 1 2i) unterteilt sind.