DEP0029277DA - Mit Hochofengichtgas betriebene Brennkraftturbinenanlage zur Erzeugung von Hochofenwind und mechanischer Energie - Google Patents

Description

Die Verwendung von Gasturbinen kann unter verschiedenen Gesichtspunkten in Hochofenanlagen interessant sein, wo ja Brenngase aus Gichtaustritt zur Verfügung stehen. Es ist andererseits bekannt, dass man die Hochofengebläse mittels einer Gasturbinenanlage antreiben kann, wobei die Luftkompressoren für die Turbinen mit den Gebläsen für den Hochofen selbst verbunden sein können. Man kann schliesslich die der Hochofengicht entnommenen Restgase verwenden, um mechanische Energie mittels einer gewöhnlichen Gasturbinenkraftanlage zu erzeugen.

Abgesehen davon, dass sie als Kraftmaschinen interessieren, können diese Gasturbinenanlagen bei Hochöfen Verwendung finden, um eine Überladung verschiedener Anlageteile zu erreichen und so entweder eine Leistungssteigerung der vorhandenen Anlagen oder eine Verminderung des Raumbedarfes und des Preises für neu zu errichtende Anlagen zu erreichen.

Man hat schon vorgeschlagen, in diesem Sinne den Winderhitzer unter Druck arbeiten zu lassen, der aber an sich nur ein Element der Anlage bildet, und es liegt deshalb nur ein geringes Interesse vor, den Vorteil dieser Massnahme nur auf einen Anlageteil zu beschränken.

Die Erfindung, die sich auf die Verbindung einer Gasturbine mit ihren Hilfsgeräten mit einer Hochofenanlage bezieht, gestattet den Vorteil der Überladung auch auf andere Teile oder auf die Gesamtheit der Anlage auszudehnen.

Unter diesen Anlageteilen ist von diesem Gesichtspunkte aus der Hochofen selbst der wichtigste. Hierin gehört gleichzeitig, dass die Gasentstaubungsanlage dieses erwähnten Vorteiles teilhaftig wird.

In den anliegenden Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, an Hand deren die Beschreibung die Einzelheiten der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt das einfachste Schema der Anlage nach der Erfindung.

Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform mit Entnahme des Hochofenwindes aus einer Zwischenstufe des Kompressors.

Fig. 3 zeigt die Anordnung eines gemischten Erhitzers für hohe Windtemperaturen.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der teilweisen Wiedergewinnung der Gichtgase während der Schleusungsvorgänge.

Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer getrennten Anordnung zum Antrieb des Kompressors für den Ausgleich der Leitungsverluste des Entstaubungssystems der Gichtgase.

Fig. 6 zeigt verschiedene Arten der Windtemperaturregelung und der Belastung der Gasturbinengruppe.

Fig. 7 ist eine Schemaänderung der Anlage mit zwei Gasturbinengruppen, die für sich getrennt die Erzeugung von Wind und mechanischer Energie sichern.

Fig. 8 ist eine Abänderung nach Fig. 5 mit der Windentnahme aus einer Zwischenstufe des Kompressors.

Fig. 9 betrifft eine Anlage mit zwei Gasturbinengruppen mit eingeschalteter Rücküberhitzung der Gase und Luftkühlung während der Verdichtung.

Fig. 10 zeigt eine Anlage ohne besonderen Winderhitzer, wobei der heisse Wind am Ausgang einer Verbrennungskammer entnommen wird und der Sauerstoffgehalt durch eine entsprechende Gasinjektion gesichert ist.

Fig. 1 zeigt schematisch die einfachste Anlage, die den gewünschten Zweck entspricht. In dieser Figur bedeutet HF den Hochofen, E den Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung der fühlbaren Wärme der Gichtgase, D eine Entstaubungsanlage irgendeines allgemein bekannten Types, C(sub)g einen Hilfsgaskompressor, der die Leitungsverluste des durch den Hochofen, den Wärmeaustauscher und die Entstaubungsanlage strömenden Medium kompensiert. C ist der Kompressor für die Brennluft, T die treibende Gasturbine, R de Wärmeaustauscher zum Rückgewinnen der fühlbaren Wärme der Abgase der Turbine, A etwa ein elektrischer Stromerzeuger, R(sub)v einen metallischen Oberflächenwärmeaustauscher für den Hochofenwind und Ch die Brennkammer des gereinigten Gases. Die Rohrleitungen zur Verbindung der einzelnen Anlagenteile haben Pfeile, die die Richtung der strömenden Medien anzeigen.

Es ist festzustellen, dass in einer Anlage dieser Art die Erzeugung des Gebläsewindes des Hochofens und der mechanischen oder elektrischen Energie durch eine gleiche Maschinengruppe gesichert ist. Der Gebläsewind des Hochofens ist auf den gleichen Druck gebracht wie die Brennluft für die Gasturbine. Diese Bedingung kann infolge der Erhöhung des Druckes des Hochofenwindes erfüllt werden, soweit sie die Folge der Überladung ist; sie ist aber nicht unerlässlich wie das Schema der Fig. 2 zeigt. In diesem wird beispielsweise die

Luft für die Speisung des Hochofens einer Zwischenstufe des Kompressors C entnommen, nachdem sie in einem aus zwei getrennten Teilen bestehenden ersten Wärmeaustauscher R durch die Abgase der Turbine T und dann in dem Winderhitzer R(sub)v mittels Brennkammergas erwärmt wurde.

Als Winderhitzer R(sub)v, Fig. 1 und 2, ist ein Oberflächenerhitzer aus Metall vorausgesetzt, was dann angebracht ist, wenn die Windtemperatur 700 - 800°C nicht übersteigen soll. Hierzu ist zu bemerken, dass es vorteilhaft ist, den Blasdruck des Hochofens bis zu dem Druck am Gasturbineneinlass zu erhöhen. Die heissen Gase aus der Brennkammer Ch, und der Gebläsewind haben dann den gleichen Druck im Winderhitzer R(sub)v, was jede mechanische Belastung der Rohre oder der Austauschflächen des Erhitzers beseitigt.

Ist die Temperatur des Windes höher als die oben angegebene Grenze, muss man Winderhitzer oder Regenerator verwenden, die abwechselnd wie Cowperapparate mit oder ohne feuerbeständigen Fütterungen arbeiten, mit der Fähigkeit, Wärme zu speichern. Diese Winderhitzer werden abwechseln von den Heissen Gasen und dem Wind durchströmt, welcher Wechsel durch eine geeignete Ventilanordnung gesichert ist. Hier erwächst ausserdem aus dem Anwachsen des Winddruckes ein zusätzliches Interesse, das der Winderhitzer während der beiden Phasen mit den Medien arbeitet, die etwa den gleichen Druck haben, was die Verluste beim Bedienen der Ventile vermindert. Man kann auch in Abänderung nach der Erfindung Winderhitzer beider Arten vereinigen, mit anderen Worten, man kann die Aufwärmung des Windes in einem Wärmeaustauscher mit Metalloberflächen beginnen und im Bereich hoher Temperaturen in einem Regenerator mit Speicherung beenden.

Fig. 3 zeigt z.B. eine Einrichtung dieser Art, bei der der Winderhitzer in einen Oberflächenwärmeaustauscher für mässige Temperatur R(sub)sv zur

Sicherung der ersten Phase der Winderhitzung und in einem Erhitzer mit einer wechselnden Arbeitsweise R(sub)av für die zweite Phase der Aufwärmung mit hoher Temperatur unterteilt ist. Die Heizgase und die aufgewärmte Luft strömen vorzugsweise im Gegenstrom, wie durch die Pfeile in der Figur angegeben.

In dem Hauptschema nach Fig. 1 bezeichnet E einen Wärmeaustauscher zur Wiedergewinnung der fühlbaren Wärme der Gichtgase vor deren Entstaubung. An diesem Punkte der Entnahme haben die Gase noch einen wesentlichen Druck von etwa 2 kg/cm(exp)2, wenn der Druck des Gebläsewindes etwa 4 kg/cm(exp)2 beträgt. Der Hilfskompressor C(sub)g braucht dann nur einen mässigen Druck zu erzeugen, der nur die Leistungsverluste in dem Hochofen HF, in dem Austauscher E und in der Entstaubungsanlage D kompensiert.

Da der Hochofen mit Überdruck arbeitet, kann die Beschickung nur durch eine Schleudervorrichtung ausführen lassen, was eine gewisse Komplikation hinsichtlich der üblichen Anordnungen zur Folge hat. Es ist in diesen Fällen wichtig, die Gasverluste zu vermeiden, die aus der Herstellung einer Verbindung der eingeschalteten unter Druck entstehenden Schleusenkammer mit der Atmosphäre entstehen würden. Zu diesem Zweck kann man gemäss der Anordnung nach Fig. 4 den Gasinhalt dieser Kammer S in einer abgedichteten Kammer C(sub)e entspannen, und zwar nach dem Schliessen der unteren Klappe Cl(sub)2 und vor dem Öffnen der oberen Klappe Cl(sub)1, wonach der Gasumlauf durch das Spiel der Ventile V(sub)s1 und V(sub)s2 unterbrochen wird, während durch die Wirkung des Hilfskompressors C(sub)a die so zurückgewonnene Gasmenge auf den normalen Arbeitsdruck am Eintritt in den Austauscher E wieder verdichtet wird.

In Abänderung dieses Schemas kann die Speisung mit aus der Gicht herkommenden Brenngasen durch einen unabhängigen und mit der Gas- turbinengruppe nicht mehr verbundenen Kompressor C(sub)g, Fig. 5, sichergestellt werden. Nach Fig. 5 kann entsprechend der Kompressor C(sub)g von irgendwelchem Type sein und z.B. durch einen Motor M angetrieben werden, der seinen Betriebsstrom von dem Stromerzeuger A oder von irgendeiner anderen Quelle erhalten kann.

Man erhält so auf Kosten eines geringen Leistungsverlustes eine viel grössere Anpassungsfähigkeit für die Steuerung und die Regelung der Gasturbinengruppe.

Es ist natürlich erforderlich, die Regelung der Gasturbine und der Windtemperatur des Winderhitzers zu sichern, wobei letztere Regelung unabhängig erfolgen muss. Diese Regelungen können sehr verschiedenartig je nach den Temperaturen und den entsprechenden Gasmengen der Turbine und des Hochofenwindes ausgeführt werden.

Zu diesem Zweck kann man die Windtemperatur z.B. durch eine Teilumgehung am Winderhitzer R(sub)v hinter dem Kompressor C mit dem Ventil M(sub)v (gestrichelt) regeln oder gegebenenfalls durch Windrückführung mittels eines Ventilators, für Rückführung und Umlauf, V(sub)2 (gestrichelt), wie in Fig. 6 angegeben ist. Die Regelung der Gasturbine kann mit ähnlichen Mitteln durchgeführt werden, z.B. durch eine die Brennluftabteilung sichernde Zweigleitung, die durch das Ventil M beherrscht wird und aus dem Kompressor kommt, wobei das Strömen eines Teiles der Luft durch die Verbrennungskammer und durch den Winderhitzer R(sub)v vermieden wird (Fall eines Temperaturabfalles beim Einlass in die Gasturbine). Man kann aber auch im umgekehrten Falle (Temperaturerhöhung beim Einlass in die Gasturbine) die Regelung mittels einer Rückführung der für die Turbine erforderlichen Brennluft mit Hilfe eines Ventilators V(sub)1 für Rückführung und Umlauf ausführen, wobei nur ein Teil des entsprechenden Gasstromes zurückgeführt wird, und zwar entweder vor dem Erhitzer R(sub)v oder vor dem aus der Brennkammer und dem Winderhitzer (ausgezogene Linien der Fig. 6) bestehenden Ganzen.

In gewissen Fällen kann es angebracht sein, die Winderzeugung von derjenigen des elektrischen Stromes zu trennen. In diesem Falle verwendet man zwei Gasturbinengruppen, wie in Fig. 7 beispielsweise veranschaulicht ist. In dieser Figur treibt die Gasturbinengruppe I den Stromerzeuger A zur Erzeugung elektrischer Energie an, und die Gasturbinengruppe II erzeugt den Blaswind. Schliesslich wird der Gaskompressor C(sub)g unabhängig durch eine ähnliche Einrichtung, wie in Fig. 5, angetrieben.

In der Mehrzahl der angegebenen Beispiele ist ein Winddruck angenommen, der dem des Gasturbinen-Kreislaufes gleich ist. Mit anderen Worten werden Hochofenwind und Brennluft der Gasturbine der Druckluftleitung des Luftkompressors entnommen. In Fig. 2 ist jedoch der Fall angenommen, dass der Winddruck unter dem Einlassdruck der Turbine liegt. Der Druck kann aber auch höher sein, und die Fig. 8 zeigt ein Bespiel dieser Art. Wie gemäss Fig. 2 besitzt auch hier der Wärmeaustauscher R drei verschiedene Gaskanäle, einen für die Anlassgase der Turbine, den zweiten für die Winderhitzung und den dritten für die Erhitzung der Brennluft für die Gasturbine. Man kann weiterhin den Kreislauf der Gasturbine dahin abändern, dass man eine Gruppe von zwei Turbinen T(sub)1, T(sub)2 und zwei Kompressoren C(sub)1, C(sub)2 mit Kühlung Ri und zwischengeschalteter Brennkammer Ch(sub)2 verwendet, wie in Fig. 9. Der Wind wird in diesem Falle einer Stelle zwischen den beiden in Reihe liegenden Kompressoren C(sub)2 und C(sub)1 vor dem Kühler Ri entnommen.

In allen vorher erwähnten Schaltungen bildet der Winderhitzer R(sub)v ein sehr empfindliches Organ, denn es unterliegt hohen Temperaturen. Man kann dieses Organ dadurch beseitigen, dass man direkt als Hochofenwind die am Austritt aus der Brennkammer Ch ent- nommenen Gase verwendet, die noch einen beachtlichen Luftüberschuss wegen der Beschränkung der zulässigen Temperatur für die Gasturbine enthalten. Die Erhöhung der Windtemperatur wird durch innere Verbrennung erreicht. Um jedoch alle Schwierigkeiten im Betrieb des Hochofens zu vermeiden, die etwa aus einer Verminderung des Windsauerstoffgehaltes entstehen können, kann man diesen durch eine bei i, Fig. 10, vorgenommene Sauerstoffzugabe oder durch mit Sauerstoff angereicherte Luft ergänzen, wobei das Gas vorgewärmt sein kann oder nicht. Die Regelung der Einlasstemperatur der Turbinengase wird dann durch ein Umgehungsventil b der Brennkammer Ch ausgeführt.

Die Schaltung nach Fig. 9 kann auch so abgeändert werden, dass der Wind z.B. am Austritt der Brennkammer Ch(sub)2 entnommen wird, und die Regelung der Gastemperatur beim Eintritt in die Turbine T(sub)2 erfolgt durch ein Umgehungsventil für diese Kammer ähnlich dem Ventil b der Fig. 10.

Claims (13)

1. Eine mit Hochofengichtgas betriebene Brennkraftturbinenanlage zur gleichzeitigen Erzeugung von heißem Hochofenwind und von mechanischer oder elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Luftkompressoren (C) der Turbinen-Anlage vor dem Hochofen (HF) zu dessen Speisung angeordnet sind, in dem der Wind einen genügend hohen Druck besitzt, um den Gichtgasdruck höher als Atmosphärendruck zu halten, wobei die Gicht durch eine Ventilschleuse abgeschlossen ist und das gepreßte Gichtgas in der Verbrennungskammer der Gasturbinenanlage zur Erzeugung von Wind und Energie verbraucht wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Abgase der Gasturbine (T) beheizter Wärmeaustauscher (R) hinter dem Luftkompressor (C) angeordnet ist, der sowohl die Brennluft für die Gasturbine (T) als auch den dem Kompressor (C) entnommenen Hochofenwind aufwärmt.

3. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer (Ch) vor der Gasturbine (T) angeordnet ist, die sowohl mit gereinigtem und teilweise verdichtetem Brenngas aus der Hochofengicht als auch mit Luft beliefert wird, und dass Mittel zum Ausgleich der Leitungsverluste im Arbeitskreis des Hochofens und der Entstaubung vorgesehen sind.

4. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberflächen-Wärmeaustauscher (R(sub)v) für eine Windtemperatur von nicht mehr als 7 - 800°C oder wenn die Temperatur stark erhöht werden soll eine Winderhitzer-Batterie (R(sub)av) mit wechselnder Arbeits- weise und feuerbeständiger Füllung oder für eine zweite Aufwärmung zwei in Serie geschaltete Aufwärmer-Typen (R(sub)sv, R(sub)av) angeordnet sind, wobei die erste Aufwärmung durch die Abgase und die zweite Aufwärmung durch die Austrittsgase aus der Verbrennungskammer (Ch) erfolgt.

5. Anlage nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenstufe der Kompressoranlage über den ersten Wärmeaustauscher (R) mit der Brennkammer (Ch) der Turbinenanlage oder mit dem Hochofen verbunden ist, wobei der durch die Turbinenabgase beheizte erste Wärmeaustauscher (R) für erhitzte Gase in Stufen verschiedener Drucke unterteilt ist.

6. Arbeitsverfahren für eine Anlage nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wegfall des Wärmeaustauschers (R(sub)v) der Wind für die Winderhitzung dann unmittelbar dem Auslaß der Verbrennungskammer (Ch) entnommen und durch Einblasen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter, etwa aufgewärmter Luft, sein Sauerstoffgehalt auf dem gewünschten Wert gehalten wird.

7. Anlage nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Temperatur des Hochofenwindes parallel zum windführenden Teil des Wärmeaustauschers (R(sub)v) eine Umgehungsleitung mit Absperrorgan (M(sub)v) oder eine mit einem Hilfsventilator (V(sub)2 versehene Leitung zum Rückführen eines Teiles des Windes in den Wärmeaustauscher (R(sub)v) angeordnet ist.

8. Anlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher zur Erwärmung der aus einer Entstaubungsanlage irgendwelcher Art kommenden gereinigten Gichtgase mittels der rohen Gichtgase angeordnet ist.

9. Anlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß über der Ventilschleuse (C 1(sub)2) des Hochofens eine Gasentnahme-Vorrichtung (S) angeordnet ist, die zur Abgabe des Gasinhaltes der Schleuse an einen zwischengeschalteten Aufnehmer (C) angeschlossen ist, wobei ein Hilfskompressor (C(sub)a) angeordnet ist, der den Gasinhalt in den zu reinigenden Gaskreis drückt.

10. Anlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung von überschüssiger Energie die Gasturbine (T) an eine Kraft-verbrauchende Maschine (A) irgendwelcher Art angeschlossen ist.

11. Anlage nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (C(sub)g) für die am Austritt aus dem Hochofen gereinigten Gase mit einem Antriebsmotor (M) gekuppelt ist, der durch den von der Gasturbinen-Nutzleistungsgruppe (T, A) gelieferten Strom oder durch irgendwelche andere äußere Energiequelle gespeist wird.

12. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte, je mit einem Kompressor versehene Gasturbinen-Gruppen (T(sub)1, C(sub)1 und T(sub)2, C(sub)2) einerseits zur Erzeugung des Heißwindes und andererseits von mechanischer oder elektrischer Energie vorgesehen sind, wobei die Gasturbinen entweder parallel oder in Reihe mit einer Zwischenbrennkammer (Ch(sub)2) und die Kompressoren mit einem zwischengeschalteten Kühler (R(sub)i) in Reihe in der Kompressionsleitung liegen.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsregelung der Gasturbine (T) eine den Wärmeaustauscher (R(sub)v) und die Brennkammer (Ch) oder nur eine von ihnen, umgehende Leitung (M) oder eine mit einem Hilfsventilator (V(sub)1) versehene Leitung, zur Rückführung der heißen Gase in den Speisekreis der Gasturbinen, angeordnet sind.