NO882338L - Luftturbinanlegg uten forbrenningskammer. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et luftturbinanlegg hvor dette benyttes som forbrenningskammer, og oppfinnelsen angår særlig en varmegenererende prosess hvor en luftturbin inngår.

Anvendelse av varmgassgeneratorer som gir korroderende eller slipende forbrenningsprodukter har utelukket bruken av gassturbiner i en direkte strømningsbane for forbrenningsproduktene. I en tidligere kjent varmegenereringssyklus ble en dampgenerator for varmegjenvinning anvendt i kombinasjon med en dampturbin og en elektrisk generator for å få gjenvunnet varme som ellers ville gått til spille. En luftturbin kombinert med gassinntak for gjenvinning av luftvarmen i en varmeveksler ville da kunne tjene til gjenvinning av avgasstrømmens varme som ellers ville blitt tapt.

I den amerikanske patentsøknad nr. 7 847 552 (juni 1985) for et termodynamisk varmegjenvinningssysbem med luft-syklus (også Genereal Electric Company) beskrives fullt ut virkningen av en såkalt luftbunnsyklus (ABC). Kort gjengitt omfatter dette patentskrift en luftturbin som driver en kjede kompressorer med mellomliggende kjølere (intercoolers) slik at utløpet fra hvert kompressortrinn kjøles ned til tilnærmet omgivelsestemperaturen før fortsettelse til det neste trinn. Mellomkjøleprosessen mellom de enkelte kompressorer senker effektbehovet for hver kompressor for å etablere den nødvendige trykkøkning. Dessuten vil den komprimerte luft som forlater den siste kompressor ha en lavere temperatur slik at varmegjenvinningen fra gassturbinens utstrømmende eksosgass, og som luften inngår i varmeveksling med, vil være større.

Samme oppfinnere står også bak en annen parallell amerikansk patentsøknad som angår et kullforgassingsanlegg hvor eksosgassen fra en gassturbin overfører varme til en ABC-luftturbin. Denne driver på sin side en rekke kompressorer for å gi luft til luftturbinen og til et oksygenanlegg som tilfører oksygen til en kullforgassingsinnretning. Fra denne innretning føres så brennstoff til gassturbinen.

I enkelte prosesser, slik som i de som benyttes til fremstilling av svovelsyre, må varmgassproduktene fra en svovelbrenner kjøles ned, men visse gasser kan ikke utvides direk te i en gassturbin på grunn av gassens korrosjonsevne. Imidlertid krever fremstillingsprosessen for svoveldioksydgass tilførsel av komprimert luft, og følgelig villedet være ønskelig å kunne anordne en gassturbin/kompressorinnretning som delvis kunne utnytte den varme som ble generert i svovelbrenneren. Innenfor teknikkens stand finnes prosesser som omfatter varme-generering fra en gjenvinningsdampgenerator som opptar varme fra svovelbrennerens varmgasstrøm og genererer damp til en dampturbin. Denne driver så en elektrisk generator hvis strøm delvis benyttes for drift av en elektrisk motor, og den reste-rende elektriske energi kan overføres til forbrukere. Den elektriske motor driver på sin side en kompressor for tilførsel av komprimert luft til svovelbrenneren.

I samsvar med det som er nevnt ovenfor ville det. være ønskelig å fremskaffe en luftturbin som kan benyttes med og som kan effektivisere enkelte av disse prosesser.

Det er således et formål med den foreliggende oppfinnelse å skaffe til veie et kretsløp med høy virkningsgrad for enkelte prosssser uten anvendelse av damp eller vann.

Det er likeledes et formål med oppfinnelsen å frembringe et prosesskretsløp hvor forbrenningsproduktene aldri tillates å komme inn i turbomaskineriet, men hvor varmen fra disse forbrenningsprodukter benyttes til turbindriften.

Det er nok et formål med oppfinnelsen å kunne ta ut en optimal varmemengde fra forbrenningsgassene på en slik måte at det sikres høy virkningsgrad.

Endelig er det et formål med oppfinnelsen å forbedre kretsløpets virkningsgrad ved å tilveiebringe en oppvarmet lufttilførsel til forbrenningsprosessen for generering av en varm eksosgasstrøm.

I samsvar med dette er det skaffet til veie et luftturbinanlegg uten forbrenningskammer av den type som fremgår av det etterfølgende krav 1. Ytterligere karakteristiske trekk fremgår av de underordnede krav. Således innebærer oppfinnelsen anvendelse av en luftsyklusturbin som får varmluft fra en varmeveksler fra varmen i en prosess. Prosessen kan innebære generering av et anvendelig produkt eller kun være tilgjengelig for det eneste formål å fremskaffe en varm eksosgasstrøm. Luftturbinen kan drive en kjede kompressorer med mellomliggende kjølere for det formål å generere komprimert luft for luftturbinen. I tillegg kan det være behov for en viss mengde eller tilstand av utløpsluft fra en kompressor for forbrenningsformål, slik at en etterbrenner eller ytterligere kompressor kan til-føyes til kompressorkjeden for å gi den ønskelige utløpsluft for forbrenningsprosessen. I enkelte anvendelser kan det være ønskelig å omfatte forvarming av luften for tilførselen til forbrenningen for å kunne redusere brennstoffbehovet i et forbrenningskammer. Endelig kan det omfattes gjenvinnende varmeveksling for å varme opp turbinluften på forhånd i varmeveks-lingsforhold med turbinens eksosgass før varmevekslingen finner sted ved prosessen eller forbrenningsluften.

Oppfinnelsen skal nå gjennomgås med støtte i de led-sagende tegninger, hvor fig. 1 skjematisk viser et kombinert kretsløp som omfatter et kretsløp for varmgassgenerering og et kretsløp for damp, i samsvar med teknikkens stand, fig. 2 viser skjematisk en annen kjent prosess som benytter en gass i en varmevekslingsprosess for oppvarming av inntaksluft til en luftturbin, og fig. 3 viser skjematisk et luftturbinkretsløp uten forbrenningskammer i samsvar med oppfinnelsens anlegg.

Fig. 1 viser skjematisk fremstillingen av svovelsyre

i et prosesskretsløp 10. Svovel 12 føres i dette kretsløp inn i en brenner 14 hvor forbrenning foregår slik at det dannes en produktgass i form av svoveldioksyd SC^. Forbrenningsprosessen i brenneren krever luft fra en kompressor 16 som drives av en elektrisk motor 18 over en forbindelsesaksel 20. Luftinntaket til kompressoren 16 er indikert med en pil 22, og en lufttørker 24 kan være innskutt mellom prosessorens utløpsrør 26 og svovelbrennerens 14 inntaksrør 28.

Utløpsrøret 30 fra brenneren 14 fører varm SO^-gass som ifølge prosesskravene må reduseres i temperatur for katalytisk å kunne omdannes til SO^og deretter eventuelt videre prosesseres ved kondensering til svovelsyre H^SO^. Den varmereduserende prosess kan utføres med større virkningsgrad dersom det benyttes et såkalt "Rankin-kretsløp" som omfatter en varmegjenvinnende dampgenerator 32, en dampturbin med kondensator 34 og en elektrisk generator 36. En del av den elektriske kraft fra utgangen av generatoren kan anvendes til drift av den elektriske motor 18 som driver luftkompressoren 16. Overskytende elektrisk kraft kan selges eller erstatte kjøpt elektrisk kraft et annet sted. Kondensat fra dampturbinen føres til den varmegjenvinnende generator 32 over et rør 38, mens damp føres ut fra dampgeneratoren over et rør 40 til dampturbinen 34 eller denne damp kan benyttes et annet sted i prosessen. Varmevekslingsprosessen i den varmegjenvinnende dampgenerator reduserer således temperaturen av den varme gasstrørn i samsvar med prosesskravene, mens dampgeneratorens damputtak er tilgjengelig. I tillegg til dette kan det også finnes varme-gjenvinningsenheter 42 og 44 i en kondenseringssløyfe 45 for ytterligere kjøling av produktgassen og for frembringelse av prosessdamp. Den avkjølte produktgass SO2føres ut fra varmeveksleren 32 og prosesseres videre i katalysatorer 52 og 54 på en måte som er kjent innenfor teknikken, og hvor detaljene følge-lig ikke tas med i denne beskrivelse, med unntak av at det skal omtales at reaksjonen foregår endotermisk.

Det har blitt foreslått at damputstyret kunne utelates ved å benytte en gassturbin direkte forbundet med utgangen av en svovelbrenner slik at svovelets forbrenningsprodukter kunne ekspanderes direkte gjennom gassturbinen. Imidlertid bør en slik løsning unngås på grunn av den korroderende virkning av produktgassen.

Under søkingen etter en løsning som kunne benytte en gassturbin, men hvor man likevel kunne unngå innføring av korro-drende gass i en turbin, ble det kretsløp som er vist på fig. 2 funnet innenfor den kjente teknikk. Denne figur viser et krets-løp med en luftturbin og kretsløpet omfatter en luftkompressor 60 som drives av en luftturbin 64 med en forbindende aksel 66. Luftturbinen 64 kan også drive en elektrisk generator eller en annen belastning 68 ved hjelp av en aksel 70. En brenner 72 tilføres brennstoff 74 slik at forbrenningen finner sted i brenneren og genererer en varm utløpsgass- eller produktgass-strøm i et rør 76. Denne varme gasstrørn føres til en varmeveksler 80 hvor gassen gir varmeveksling med utløpsluften fra kompressoren via et rør 82, hvorved varm luft genereres i et rør 84 til innløpet av luftturbinen. Den varme luft ekspan deres i luftturbinen og driver en bladutrustet rotor (ikke vist) som på sin side driver kompressoren og den elektriske generator. Turbinutløpet skjer i et rør 86 tilkoplet inngangen av brenneren 72 og tilfører således oppvarmet luft til forbrenningen. Teknikkens stand omfatter følgelig en luftturbin 64 med et innløps-og

rør 84 og et eksosrør 86,'minst én hovedkompresssor for luft-tilførsel til luftturbinen, og dette kjente kretsløp har direkte drivforbindelse mellom luftturbinen og hovedkompressoren ved hjelp av akselen 66. Organene for generering av en varm eksos-strøm omfatter en brenner 72, og en varmeveksler 80 fører den komprimerte luft fra røret 82 i varmeveksling med de varme eksosgasser i røret 76 fra brenneren 72 slik at lufttilførselen til luftturbinens innløpsrør 84 blir oppvarmet, og organene for generering av en forhåndsoppvarmet lufttilførsel til de organer som genererer den varme gass omfatter turbinens eksosrør 86 forbundet med brenneren 72. Produktgassutløpet fra varmeveksleren skjer ved hjelp av et rør 90 som så kan føre gassen til videre prosessering slik at svovelsyre dannes.

Fordelene med dette kretsløp er åpenbare. Turbomaskineriet benytter kun ren luft og kan utføres med konvensjonelle materialer. Organene for generering av en varm gass-strøm kan også være konvensjonelle. Varmeveksleren isolerer forbrenningsproduktene fra turbomaskineriet og kan likeledes benytte materialer som er i samsvar med vanlig praksis for statisk utstyr som er i stand til å motstå slike forbrenningsprodukter. Denne prosess er beskrevet i US-PS 4 492 085 (også samme oppfinner). Imidlertid er denne prosess noe uheldig når det gjelder utløpsstrømmens temmelig høye temperatur. I tillegg er det ikke sikkert at trykk og mengde av turbinutløps-luft passer til brennerens 72 støkiometri.

Det henvises nå til fig. 3, hvor det vises et luft-turbinkretsløp 100 i samsvar med oppfinnelsen, og dette omfatter en luftturbin 101 som er forbundet drivmessig til en første hovedkompressor 102 med en aksel 104. Luftturbinen er videre forbundet drivmessig med en elektrisk generator eller belastning 106 ved hjelp av en drivaksel 108. Organer for generering av en varm eksosgasstrøm omfatter en brenner 110

med et brennstoffinntak 112. I et prosessanlegg kan det brenn-

stoff som tilføres brenneren være svovel for generering av en varm utløpsgasstrøm av SC^ • I en kraftstasjon som benytter kull som brennstoff via inntaket 112 kan brenneren 110 være en kullbrenner av AFB-typen (atmosfærisk fluidisert bed).

Brenneren 110 gir en varm utgående gasstrørn 114 til en første varmeveksler 116. En andre motstrøm som går inn til den første varmeveksler består av luft fra hovedkompressoren 102 i et utløpsrør 118. De varme gasser varmer opp denne luft fra kompressoren før den føres inn i en luftturbin via et inn-taksrør 120, og en andre hovedkompressor 124 er forbundet med den første 102 via en aksel 126 og drives av luftturbinen ved hjelp av akselen 104 som driver den første hovedkompressor.

En første mellomkjøler 128 forbinder utløpssiden av den andre hovedkompressor 124 med inntakssiden av den første 102, mens en tredje hovedkompressor 130 kan være forbundet med den andre 124 via en mellomkjøler 132 og kan da drives fra en aksel 134 som på sin side drives av luftturbinen 101. To eller flere kompressorer omfatter en rekke kompressorer. Fordelen med et større antall kompressorer og som er sammenkoplet med mellom-kjølere er å redusere det arbeid som skal til for å danne den komprimerte luft, og likeledes er hensikten å senke temperaturen av den første hovedkompressors utløpsluft slik at luft-temperaturen fra luftkompressoren kan senkes slik at det oppnås maksimal varmegjenvinning.

Varmegjenvinningen fra utløpsgassen fra luftturbinen skjer i en andre varmeveksler 140 ved oppvarming av utløps-luften fra kompressoren. Utløpsluften fra luftturbinen i det dertil anordnede rør 142 føres til denne andre varmeveksler 140 for forhåndsoppvarming av utløpsluften fra kompressoren 102 før denne luft føres inn i den første varmeveksler 116 og før luften går inn i røret 120 til luftturbinen 101. Fordelen med å varme opp utløpsluften fra kompressoren er at det øker krets-løpets virkningsgrad og muliggjør varmegjenvinning av ellers tapt energi i utløpsgassen fra luftturbinen. Utløpsrøret 148 fra den andre varmeveksler 140 kan føres til skorstenen for å slippes ut som spillgass. Imidlertid skal det påpekes at denne "skorstensgass" i alt vesentlig er luft og således ikke behøver ytterligere behandling for å kunne slippes ut til om- givelsene. Gassen kunne imdilertid også stå til rådighet for prosessbehov for samtidige anvendelser.

Luftinntaket til brenneren 110 eller frembringelsen av en varm utløpsgasstrøm skjer fra en overladningskompressor 160 som er sammenkoplet med hovedkompressorene med en aksel 160 og som på sin side drives av luftturbinen 101. Overladningskompressoren 160 benyttes for å gi bedre tilpassing til anleg-gets støkiometri og brennerens 110 trykkforhold. Den utstrøm-mende luft fra kompressoren 160 føres via en tredje varmeveksler 170 til den del av anlegget som leverer den varme utløps-gasstrøm. Den varme inngang av varmeveksleren er forbundet med et rør 172 som fører denne varme utløpsgasstrøm fra den første varmeveksler 116, mens den kalde inngangsside av varmeveksleren 170 er tilkoplet et tilførselsrør 166 som fører utløpsluft fra kompressoren 160. Dersom den prosess som dette luftturbinkrets-løp anvendes for tilsvarer den prosess som fremstiller svoveldioksyd hvor prosesstrømmen må ha høy temperatur, behøver den tredje varmeveksler 170 ikke være med, og gasstrømmen går ut til prosessen slik som indikert med stiplet linje til høyre på fig. 3. Hvis prosesstrømmen må ha lav temperatur kan den tredje varmevekslerprosess benyttes til å redusere produkt-gassens temperatur, eller dersom prosessen benyttes til fremstilling av energi fra brennstoff såsom kull eller tilsvarende, kan den tredje varmeveksler benyttes til gjenvinning av avgass-varme fra brenneren ved å varme opp overladningsluften fra kompressoren slik at det kreves mindre energi for å frembringe den varme avgasstrøm.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse benyttes således en luftturbin 101 med et lufttilførselsrør 120 og et avgassrør 142. Hovedkompressorene 102, 124 og 130 er forbundet i kaskade og drives av denne luftturbin 101. Hvert par hovedkompressorer har en mellomliggende luftladekjøler, her kalt mellomkjøler 128, 132, og de organer som frembringer en varm avgasstrøm er i dette anlegg en brenner 110 som kan benyttes for forbrenning av et kjemikalie for prosessformål eller kull for det eneste formål å generere varme. Den første varmeveksler 116 benyttes for varmeveksling mellom utløpsluften fra kompressoren 102 og den varme avgasstrøm i røret 114 fra bren neren 110 slik at kompressorens utløpsluft varmes opp. Den andre varmeveksler 14 0 benyttes for forvarming av kompressor-utløpsluften før denne føres inn til den første varmeveksler, hvilket gir fordelen av øket virkningsgrad under gjenvinningen av varme fra utløpsluften fra luftturbinen. Overladningskompressoren 160 tilfører luft til de organer, i dette tilfelle brenneren 110, som genererer en varm avgasstrøm, mens den tredje varmeveksler 170 gir varmeveksling mellom utløpsluften fra overladningskompressoren 160 og avgasstrømmen etter at denne har passert den første varmeveksler 116.

Fordelene i dette kretsløp som oppfinnelsens anlegg er basert på omfatter at det oppnås en høy kretsløpvirknings-grad uten anvendelse av vann eller damp. Forbrenningsproduktene vil aldri komme i kontakt med luftturbinen, og således kan materialet i denne velges fritt uten at man behøver å finne kompromissløsninger som følge av korrosjonsfaren. Kritisk materialvalg gjenstår derfor kun i forbindelse med føringen av de varme avgasser og den første og tredje, varmeveksler i avgasstrømmen'. Forbrenningen foregår med spesifisert støkio-metri og i tilfellet kull som brennes i en ovn eller brenner med minimalt med tilført luft utføres den eventuelt senere renseprosess i avgassutløpet (skorstenen) med et minimum gass-volum. I tilfellet kjemisk brenning for å oppnå en ønsket produktsammensetning letter oppfinnelsen dette ved at det benyttes en andre varmeveksler for gjenvinning av varme fra turbinavgassene, og en tredje varmeveksler tilkoplet utløps-luften fra overladningskompressoren og den varme avløpsgass slik at avgassene til skorstenen blir kaldest mulige, idet dette sikrer maksimal varmegjenvinning i kretsløpet. Kombi-nasjonen av varmetilførsel ved relativt høye temperaturer og varmeuttrekk ved lave temperaturer sikrer en høy virkningsgrad. For andre anvendelser finnes til rådighet tre varmluftstrømmer med ren varmluft omfattende turbinutløpsluften, og to mellom-kjølere.

I beskrivelsen er nå gjennomgått en foretrukket ut-førelsesform av oppfinnelsen, men modifikasjoner av denne vil kjunne tenkes for fagmannen, og oppfinnelsen som sådan vil kun være begrenset av de etterfølgende krav.

Claims (3)

1. Luftturbinanlegg, karakterisert ved : en luftturbin (101) med et inntaksrør (120) og et utløpsrør (142), minst én hovedkompressor (102) for levering av luft til luftturbinens inntaksrør (120), idet turbinen drivmessig er koplet til hovedkompressoren (102), organer (110) for generering av en varm avgasstrøm, en første varmeveksler (116) for oppvarming av luft-tilførselen til luftturbinen (101), idet den første varmeveksler (116) er forbundet med organene (110) for generering av en varm avgasstrøm og lufttilførselen slik at varm luft tilføres luftturbinen (101), en andre varmeveksler (140) for forvarming av den tilførte luft til luftturbinen (101) og forbundet med dennes utløpsrør (142) for varmeveksling mellom varm utløpsluft og den tilførte luft, og en tredje varmeveksler (170) for forvarming av en andre lufttilførsel til organene (110) for generering av en varm avgasstrøm, idet denne tredje varmeveksler (170) er forbundet med den andre varmevekslers (116) varmgassutløp.

2. Luftturbinanlegg, karakterisert ved : en luftturbin (101) med et inntaksrør (120) og et utløpsrør (142), minst to hovedkompressorer (102, 124, 130) for til-førsel av luft til luftturbinen (101), idet denne er drivmessig og i kaskade forbundet med hovedkompressorene, en mellomkjøler (128, 132) forbundet mellom to og to av de minst to hovedkompressorer (102, 124, 130), organer (110) for generering av en varm avgasstrøm, en første varmeveksler (116) for oppvarming av luft-tilførselen til luftturbinen (101), idet den første varmeveksler (116) er forbundet med organene (110) for generering av en varm avgasstrøm og lufttilførselen slik at varm luft tilføres luftturbinen (101), en andre varmeveksler (140) for forvarming av den tilførte luft til luftturbinen (101) og forbundet med dennes utløpsrør (142) for varmeveksling mellom varm utløpsluft og den tilførte luft, og en tredje varmeveksler (170) for forvarming av en andre lufttilførsel til organene (110) for generering av en varm avgasstrøm, idet denne tredje varmeveksler (170) er forbundet med den andre varmevekslers (116) varmgassutløp.

3. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved en overladningskompressor (160) for tilførsel av den andre luftstrøm til organene (110) for generering av en varm avgasstrøm, idet luftturbinen (101) drivmessig er forbundet både med overladningskompressoren (160) og hovedkompressorene.