DE956552C

DE956552C - Verfahren zum Verbundbetrieb von thermischen Entgasungsvorrichtungen mit offenen Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE956552C
Application number: DEE8419A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz Gerbert; Dipl-Ing Guenther Keysselitz
Original assignee: ESCHWEILER BERGWERKSVEREIN
Current assignee: ESCHWEILER BERGWERKSVEREIN
Priority date: 1954-01-14
Filing date: 1954-01-14
Publication date: 1957-01-17

Description

Verfahren zum Verbundbetrieb von thermischen Entgasungsvorrichtungen mit offenen Gasturbinenanlagen Es ist bekannt, Gasturbinenanlagen mit Zweitprozessen zu verbinden, derart, daB durch Austausch der Wärme die Wärmeverluste des gesamten, Vorganges vermindert werden. So wurde unter anderem auch bereits vorgeschlagen, Wärmekraftanlagen mit Gaserzeugungsanlag-en zu koppeln, Beim Gegenstand der Erfindung handelt es sich um eine Kopplung der Beheizung einer thermischen Entgasungsvorri.chtung mit einer Gasturbine. Eine thermische Entgasungsvorrichtung, beispielsweise ein moderner Koksofen, arbeitet bekanntlich nach dem in Ab'a. i schematisch dargestellten Prinzip. Die Verbrennungsluft wird aus der Atmosphäre angesaugt, im Regenerator 2 durch Abgase des Koksofens i vorgewärmt und mit dem Unterfeuerungsgas zur Verbrennung in die Heizzüge des Koksofens eingeführt. Die Verbrennungsprodukte verlassen als Abgas den Heizzug und geben, bevor sie durch den Schornstein abgeführt werden, einen Teil ihres Wärmeinhaltes im Regenerator an die Verbrennungsluft ab. Die vom Regenerator angesaugte Frischluft hat dabei eine Temperatur von etwa 2o° C und wird im Regenerator auf etwa 750° C erhitzt. Die Abgase verlassen den Koksofen mit einer Temperatur von etwa l030° C und entweichen, nachdem sie im Regenerator einen Teil ihrer Wärme abgegeben haben, mit einer Temperatur von etwa 2q.3° C in den Schornstein.
In Abb. 4 ist der Wärrnefluß, bezogen auf i kg Luft, dargestellt unter Zugrundelegung eines Unterfeuerungsaufwandes von 521 Wärmeeinheiten pro kg nasse Kohle, entsprechend 619 Wärmeeinheiten pro kg erforderliche Verbrennungsluft. Die Verluste des Prozesses betragen bei einem thermischen Wirkungsgrad von 8o% =- 124,5 WE/kg Luft.
Die Arbeitsweise des bekannten offenen Heißluftturbinenprozesses ist in Abb.2 schematisch dargestellt. Ein Verdichter 6 komprimiert unter mehrmaliger Zwischenkühlung die aus der Atmosphäre angesaugte Luft und drückt diese durch den Lufterhitzer 3, in dem sie durch die von der Turbine 5 kommende Abluft vorgewärmt wird. Die Erwärmung der Luft , auf Turbineneintrittstemperatur erfolgt in einem weiteren Lufterhitzer 4 oder in einer offenen Brennkammer. Dann strömt die Luft mit 65o° C der Turbine 5 zu und entspannt sich in dieser unter Arbeitsleistung. Die austretende Abluft wird dem Lufterhitzer 3 wieder zugeführt und gibt dort einen Teil ihres Wärmeinhaltes an die vom Verdichter 6 kommende Frischluft ab. Die vom Verdichter angesaugte Luft hat wieder eine Temperatur von etwa 2o° C, die den Verdichter verlassende Luft eine Temperatur von etwa 123° C. In dem -ersten Lufterhitzer wird die Temperatur auf 243° C und im zweiten Lufterhitzer oder der Brennkammer auf 65o° C erhöht. Die die Turbine verlassende Abluft hat eine Temperatur von etwa 270° C, von der sie im Lufterhitzer 3 einen Teil abgibt, so daß sie mit einer Temperatur von etwa 163° C durch den Schornstein abzieht. Der Wärmefluß, bezogen auf i kg Luft, ist in Abb. 5 dargestellt. Die Verluste des Prozesses betragen bei einem thermischen Wirkungsgrad.von 28,7% 9o,9 WE/kg Luft. Die Verluste beider Prozesse zusammen betragen also 215,4 WE/kg Luft.
Beim Verbundbetrieb von thermischen Entgasungsvorrichtungen mit offenen Gasturbinenanlagen, bei dem die fühlbare Wärme der Abgase des Entgasungsprozesses zur Vorwärmung der verdichteten Frischluft für die Gasturbine und die Abluft der Gasturbine als Verbrennungsluft für den thermischen Entgasungsprozeß dient und die Erhitzung der verdichteten Frischluft für die Gasturbine in zwei Stufen erfolgt, kann gemäß der Erfindung ein besonders günstiger Nutzeffekt dadurch erzielt werden, daß die fühlbare Wärme der Abgase des Entgasungsprozesses zu einem Teil zur Frischlufterhitzung in der ersten Stufe und zum anderen Teil zur Erhitzung der Abluft der Gasturbine auf die für den thermischen Entgasungsprozeß erforderliche Temperatur benutzt wird. Zweckmäßig geben dabei die Abgase aus dem thermischen Entgasungsprozeß in einer ersten Stufe Abwärme an die Abluft der Gasturbine und in ein-er zweiten Stufe die restliche Abwärme an die Frischluft ab. Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung, aus dem weitere Merkmale ersichtlich sind, ist schematisch in Abb. 3 dargestellt, wobei die einzelnen Vorrichtungen mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind wie in Abb. i und 2.
Der Verdichter 6 der Heißluftturbine saugt so viel atmosphärische Luft an, wie zur Verbrennung des Unterfeuerungsgases der thermischen Entgasung und des Brennkammergases der Heißluftturbine notwendig ist. Der Verdichter komprimiert die Luft unter mehrmaliger Zwischenkühlung und drückt sie durch den Lufterhitzer 3. Dieser Lufterhitzer 3 wird aber in diesem Fall nicht durch die Abluft der Turbine, sondern durch die Abgase aus dem thermischen Entgasungsprozeß beheizt, die infolge ihrer höheren Temperatur an die verdichtete Luft so viel Wärme abgeben, daß sie auf etwa 6o0/& der Turbineneintrittstemperatur vorgewärmt wird. Die restliche Erwärmung der Luft erfolgt in einem weiteren Lufterhitzer 4, der auch als Brennkammer ausgebildet sein kann, durch direkte oder indirekte Wärmeübertragung. Gegebenenfalls können hier brennbare Gase aus dem thermischen Entgasungsprozeß verwendet werden. Zur Verbrennung dieser Brennstoffe aus dem thermischen Entgasungsprozeß oder anderer Brennstoffe kann diesen ein Teil der Abluft aus dem Gasturbinenprozeß zugeführt werden. Die hocherhitzte verdichtete Luft tritt dann in die Turbine 5 ein und entspannt sich unter Arbeitsleistung. Die aus der Turbine austretende heiße Abluft wird dem Regenerator des Koksofens zugeführt und wird dort über die Abgase des Koksofens auf 95o° C vorgewärmt. Diese Abgase des Koksofens geben einen großen Teil ihres Wärmeinhaltes in den Regenerator 2 als Hochtemperaturstufe und dem Lufterhitzer 3 als Niedertemperaturstufe ab und werden dann erst dem Schornstein zugeführt. Die im Regenerator 2 hocherhitzte Abluft aus dem Turbinenprozeß wird dem Koksofen i zugeführt. In diesem Falle saugt wieder der Verdichter 6 Frischluft von 2o° C an, die den Verdichter mit 123° C verläßt. Im Lufterhitzer 3 wird diese Luft auf 39o° C vorgewärmt und im Lufterhitzer 4 auf die erforderliche Temperatur von 65o° C gebracht. Die die Turbine 5 mit einer Temperatur von 27o° C verlassende Abluft wird im Regenerator 2 auf 95o° C erhitzt und dem Koksofen zugeführt. Die Abgase aus dem Koksofen haben eine Temperatur von i 19o° C und kühlen sich im Regenerator 2 auf 418° C ab und im Lufterhitzer 3 weiter auf 2o3° C. Mit dieser Temperatur werden sie durch den Schornstein abgeführt.
Abb. 6 stellt wieder den Wärmefluß, bezogen auf i kg Luft, für den Verbundprozeß dar und bezieht sich auf Ofensysteme, die mit höheren Luftvorwärmungen arbeiten können, entsprechend einer Steigerung der Luftvorwärmung um 2oo° C gegenüber dem in Abb. i dargestellten Beispiel.

Die Wärmeverluste des Verbundprozesses betragen 163,5 WE/kg Luft gegenüber den, wie vorher erwähnt, 215,4 WE/kg Luft bei Einzeldurchführung der beiden Prozesse. Gegenüberstellung der Wärmebilanz der Einzelschaltung und der Verbundschaltung:

Einzelschaltung Verbundschaltung Differenz

Wärmeaufwand pro kg Luft . .. . ...... 749,0 WE 6q4,1 WE - 104,9 WE

Nutzleistung ........................ 34,6 - 34,6 - -

Verkokungswärme ........... . - ...... 4990 - 446,o - - 53,0 -

Verluste ............................ 215,4 - 163,5 - - 51,9 -

Für die Stromerzeugung werden benötigt: bei Einzelschaltung: i25,5 WE/kg Luft, entsprechend 3120 WE/kWh, bei Verbundschaltung: 125,5 bis i04,9 = 2o,6 WE/kg Luft, entsprechend 514 WE/kWh.

Bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit der Verbundschaltung ist absichtlich mit einer verhältnismäßig niedrigen Abgastemperatur von 243° C am Austritt des Regenerators des- Koksofens und einem noch verbesserungsfähigen thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine gerechnet worden. Schon bei Annahme dieser Bedingungen ergibt sich eine sehr bedeutende Verminderung der Verluste, so daß die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens außer Zweifel steht. Es besteht aber durchaus die Möglichkeit, je nach thermischer Auslegung der Entgasung und der Gasturbinenanlage die restlichen 2o,6 WE/kg Luft noch einzusparen, so daß der Wärmeaufwand für den Stromanteil durch die Nutzbarmachung verschiedener Einzelverluste gedeckt wird. Die Grenze dafür, wie weit dies zweckmäßig ist, wird durch die Gesamtwirtschaftlichkeit gegeben, die abhängig ist von dem Wärmepreis des Brennstoffes und dem Preis für die Apparate. Dabei können sich im einzelnen Änderungen gegenüber der beschriebenen Anordnung ergeben. Maßgebend bleibt dabei immer das Grundprinzip, die Abwärme des einen Prozesses, die in diesem Prozeß nicht voll ausgenutzt werden kann, wenigstens teilweise dem anderen Prozeß zur Ausnutzung zuzuführen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Verbundbetrieb von thermischen Entgasungsvorrchtungen mit offenen Gasturbinenanlagen, bei dem die fühlbare Wärme der Abgase des Entgasungsprozesses zur Vorwärmung der verdichteten Frischluft für die Gasturbine und die Abluft der Gasturbine als Verbrennungsluft für den thermischen Entgasungsprozeß dient und die Erhitzung der verdichteten Frischluft für die Gasturbine in zwei Stufen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die fühlbare Wärme der Abgase des Entgasungsprozesses zu einem Teil zur Frischlufterhitzung in der ersten Stufe und zum anderen Teil zur Erhitzung der Abluft der Gasturbine auf die für den thermischen Entgasungsprozeß erforderliche Temperatur benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase aus dem thermischen Entgasungsprozeß in einer ersten Stufe Abwärme an die Abluft der Gasturbine und in einer zweiten Stufe die restliche Abwärme an die Frischluft abgeben.
3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Abwärme der Abgase aus dem Entgasungsprozeß in der ersten Stufe vorgewärmten Frischluft für den Gasturbinenprozeß in einer Brennkammer brennbare Gase aus dem thermischen Entgasungsprozeß oder andere Brennstoffe beigemischt werden und dadurch die Luft in einer zweiten Stufe auf die erforderliche Turbineneintrittstemperatur erwärmt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 862 983, 847 381, 832 522, 804 983; schweizerische Patentschrift Nr. 288 843; Braunkohle, Wärme und Energie, Bd. 5, 1953, Nr. 9/i0, S. 203 bis 2i0; Brennstoff, Wärme, Kraft, Bd. 3, 1951, Nr. io, S. 341 bis 343; Technische Mitteilungen, Bd. 44, 1951, Nr. 6, S.203 bis 217; Schweizerische Bauzeitung, Bd. 127, 1946, Nr. 8/9, S. 89 bis 93, 105 bis 107; L. M u s i 1, Gasturbinenkraftw erke, Wien 1947, S.57.