DE102011015807A1

DE102011015807A1 - Increase the efficiency of heating allothermal reactors

Info

Publication number: DE102011015807A1
Application number: DE102011015807A
Authority: DE
Inventors: Thomas Steer
Original assignee: H S REFORMER GmbH
Current assignee: H S REFORMER GmbH
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-10-04
Also published as: WO2012131051A3; WO2012131051A2

Abstract

Um Festbrennstoffe über den Weg der allothermen Vergasung mit annähernd dem gleichen Wirkungsgrad in elektrische Energie umzusetzen, wie dies bei für Gasturbinen geeignete Brenngase möglich ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, wenigstens einen Teil der im Gasturbinenprozess anfallenden Wärme zum Beheizen der allothermen Vergasung der Festbrennstoffe zu benutzen, und die Wärmeübertragung dazwischen mittels eines kondensierenden Zwischenmediums, welches in einem separatem Raum im Naturumlauf zirkuliert, zu bewerkstelligen.In order to convert solid fuels into electrical energy by means of allothermal gasification with approximately the same efficiency as is possible with fuel gases suitable for gas turbines, it is proposed according to the invention to use at least part of the heat generated in the gas turbine process to heat the allothermal gasification of the solid fuels, and to accomplish the heat transfer therebetween by means of a condensing intermediate medium which circulates in a separate space in natural circulation.

Description

I. AnwendungsgebietI. Field of application

Die Erfindung betrifft Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Beheizung eines allothermen Reaktors durch eine Verbindung mit dem Joule-Prozess und eine spezielle Form der Wärmeübertragung mit Hilfe eines zwischengeschalteten Wärmeträgermediums und einer speziellen Ausbildung des hierfür erforderlichen Wärmetauschers.The invention relates to a method for increasing the efficiency of heating an allothermal reactor by a connection with the Joule process and a special form of heat transfer by means of an intermediate heat transfer medium and a special design of the heat exchanger required for this purpose.

II. Technischer HintergrundII. Technical background

Allotherme Reaktoren 20 sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Aufrechterhaltung der Reaktionen extern beheizt werden müssen. Die im Produktgas enthaltene chemisch gebundene Energie ist größer als die im Brennstoff zugeführte Energie. Die Reaktionen laufen in der Regel bei Temperaturen oberhalb von 600–800°C ab, so dass die Beheizung oberhalb dieser Temperaturen stattfinden muss. Sofern die Beheizung durch die Verbrennung von brennbaren Stoffen erfolgt, haben die Rauchgase am Ende der Verbrennung noch eine Temperatur, die oberhalb der Arbeitstemperatur im zu beheizenden Reaktor liegt. Die Abgase enthalten dann noch einen erheblichen Teil an nutzbarer Energie. Die Effizienz der Beheizung ist daher zunächst durch die hohe Abgastemperatur reduziert.Allothermal reactors 20 are characterized in that they must be externally heated to maintain the reactions. The chemically bound energy contained in the product gas is greater than the energy supplied in the fuel. The reactions usually take place at temperatures above 600-800 ° C, so that the heating must take place above these temperatures. If the heating takes place through the combustion of combustible substances, the flue gases at the end of combustion still have a temperature which is above the working temperature in the reactor to be heated. The exhaust gases then still contain a considerable amount of usable energy. The efficiency of heating is therefore initially reduced by the high exhaust gas temperature.

Eine Erhöhung der Effizienz lässt sich bekanntermaßen erreichen, indem man einen Teil der Abwärme aus dem Abgas nutzt, um über Wärmetauscher die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Dieses Verfahren ist hinlänglich bekannt und bedarf keiner näheren Erläuterung. Probleme treten hier jedoch dann auf, wenn durch die Verbrennungstechnologie (z. B. Pulsbrenner) oder maximal zulässige Werkstoffbelastungen die Vorwärmung der Verbrennungsluft auf eine bestimmte, maximale Temperatur beschränkt ist.An increase in efficiency can be achieved, as is known, by using part of the waste heat from the exhaust gas to preheat the combustion air via heat exchangers. This method is well known and needs no further explanation. Problems arise here, however, if combustion technology (eg pulse burners) or maximum permissible material loads limit the preheating of the combustion air to a specific, maximum temperature.

Die Beheizung allothermer Reaktoren erfolgt – zwangsläufig – mit einem Teil des erzeugten Produktgases. Der Wirkungsgrad eines allothermen Reaktors wird als Kaltgaswirkungsgrad bezeichnet. Er kennzeichnet den Teil des Produktgases, das nicht für interne Beheizungszwecke benötigt wird und bezieht den unteren Heizwert dieses Gasstroms auf den unteren Heizwert des eingesetzten Brennstoffstroms. Der Kaltgaswirkungsgrad eines Reformers liegt unter Berücksichtigung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik stets unter 100%.The heating of allothermal reactors takes place - inevitably - with a portion of the product gas produced. The efficiency of an allothermal reactor is referred to as cold gas efficiency. It identifies the part of the product gas that is not needed for internal heating purposes and refers the lower heating value of this gas flow to the lower calorific value of the fuel flow used. The cold gas efficiency of a reformer is always less than 100% taking into account the 2nd law of thermodynamics.

Nutzt man nun das in einem Reformer erzeugte Produktgas in einer nachgeschalteten Gasturbine oder einem Gasmotor, so ergibt sich der Wirkungsgrad für den Gesamtprozess aus dem Produkt des Teilwirkungsgrades Reformer (Kaltgaswirkungsgrad) und dem Teilwirkungsgrad der Arbeitsmaschine. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems liegt somit stets unterhalb des Wirkungsgrades des Teilsystems Gasturbine oder Gasmotor. Die Effizienz von Prozessen, bei denen Brennstoffe eingesetzt werden, die für eine Nutzung in einer Gasturbine oder einem Gasmotor per se nicht geeignet sind, liegt daher stets unter dem Wirkungsgrad, der sich beim Einsatz von geeigneten Brennstoffen erzielen lässt.If one now uses the product gas produced in a reformer in a downstream gas turbine or a gas engine, then the efficiency for the overall process results from the product of the partial efficiency reformer (cold gas efficiency) and the partial efficiency of the working machine. The efficiency of the overall system is thus always below the efficiency of the subsystem gas turbine or gas engine. The efficiency of processes using fuels that are not suitable for use in a gas turbine or a gas engine per se is therefore always below the efficiency that can be achieved with the use of suitable fuels.

Verwendet man als Wärmequelle die Brennkammer einer Gasturbine, so ergibt sich ein wesentlich niedrigerer Abgasverlust, da für die Gasturbine eine hohe Abgastemperatur am Ende der Beheizung für die Gasturbine hinsichtlich der Energieausbeute vorteilhaft ist.If the combustion chamber of a gas turbine is used as the heat source, the result is a substantially lower exhaust gas loss, since for the gas turbine a high exhaust gas temperature at the end of the heating for the gas turbine is advantageous with regard to the energy yield.

Trotz verschiedener Bemühungen war es bislang nicht möglich, diese vorteilhafte Kopplung zu nutzen, da der notwendige Flächenbedarf der Wärmetauscher stets eine erfolgreiche Umsetzung des Konzepts verhinderte.Despite various efforts, it has not been possible to use this advantageous coupling, since the necessary space requirement of the heat exchanger always prevented a successful implementation of the concept.

Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Hilfe von Wasserdampf:
Die Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wird in aller Regel für Brennstoffe durchgeführt, die aufgrund ihrer chemischen Schadstoffanteile oder sonstiger physikalischer Eigenschaften (z. B. Aschegehalt) zur Nutzung in Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren nicht geeignet sind. Durch die Vergasung werden sie in einen Zustand überführt, in dem sie für diese hocheffizienten Arbeitsmaschinen einsetzbar werden.Gasification of carbonaceous fuels by means of steam:
The gasification of carbonaceous fuels is usually carried out for fuels that are not suitable for use in gas turbines or internal combustion engines due to their chemical pollutant levels or other physical properties (eg. By gasification they are transferred to a state in which they can be used for these highly efficient machines.

Am Markt wird derzeit zur Bereitstellung von Brennstoffen für Gasturbinen nahezu ausschließlich die Flugstromvergasung mit Sauerstoff eingesetzt.At present, almost exclusively gas flow gasification with oxygen is used on the market to supply fuels for gas turbines.

Hierfür ist ein erheblicher Aufwand zur Abtrennung des Sauerstoffs aus der Luft erforderlich. Durch die Vergasung mit Sauerstoff wird weiterhin bereits ein Teil der im Brennstoff enthaltenen, chemisch gebundenen Energie in fühlbare Rauchgaswärme umgesetzt. Reinigt man das Vergasungsprodukt nun im kalten Zustand vor einer Nutzung in der Gasturbine, geht diese fühlbare Wärme zumindest teilweise verloren, anderenfalls besteht ein erheblicher Aufwand zur Reinigung der Gase im heißen Zustand.For this, a considerable effort to separate the oxygen from the air is required. By gasification with oxygen, some of the chemically bound energy contained in the fuel is also converted into sensible flue gas heat. If you clean the gasification product now in the cold state before use in the gas turbine, this sensible heat is at least partially lost, otherwise there is a considerable effort to clean the gases when hot.

Das Wirkungsgradpotential für die Nutzung fester Brennstoffe in der Gasturbine liegt somit – verfahrenstechnisch bedingt – immer maßgeblich unter dem Potential von Erdgas oder anderen, direkt für die Gasturbine geeigneten Brennstoffen. Für das Kraftwerk Puertollano, das mit druckaufgeladener Sauerstoffvergasung arbeitet, ist in der Literatur ein Wirkungsgrad von 51% angegeben, während moderne GuD-Anlagen der gleichen Leistungsklasse rd. 60% erreichen.The efficiency potential for the use of solid fuels in the gas turbine is thus - due to process engineering - always significantly below the potential of natural gas or other, directly suitable for the gas turbine fuels. The Puertollano power station, which uses pressurized oxygen gasification, has reported 51% efficiency in the literature, while the modern one CCGT plants of the same power class approx. Reach 60%.

Die konstruktive Ausführung eines Reaktors zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Wasserdampf ist im Vergleich zu einer Luft- oder Sauerstoffvergasung zunächst sehr aufwendig, da eine erhebliche Wärmemenge in den Reaktor eingebracht werden muss. Diese beträgt in der Regel zwischen 20 und 50% des Heizwertes des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs. Zur Übertragung der Wärme ist eine erhebliche Fläche erforderlich, die im allgemeinen zunächst stark unterschätzt wird.The structural design of a reactor for gasification of carbonaceous fuels with steam is initially very expensive compared to an air or oxygen gasification, since a considerable amount of heat must be introduced into the reactor. This is usually between 20 and 50% of the calorific value of the carbonaceous fuel. To transfer the heat, a considerable area is required, which is generally greatly underestimated in the first place.

Die Fläche wird bestimmt durch

– die zu übertragende Wärmemenge
– die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz und damit auch die Temperaturdifferenz am Ende des Wärmetauschers
– den Wärmedurchgangskoeffizienten von der wärmeabgebenden zur wärmeaufnehmenden Seite.

The area is determined by

- The amount of heat to be transferred
- The mean logarithmic temperature difference and thus the temperature difference at the end of the heat exchanger
The heat transfer coefficient from the heat-emitting to the heat-receiving side.

Nicht wenige Überlegungen zu möglichen Bauformen scheiterten aufgrund der Probleme des Wärmeeintrags bzw. der zu großen Wärmetauschflächen im Vergleich zum Reaktorvolumen.Not a few considerations on possible designs failed due to the problems of heat input or too large heat exchange surfaces compared to the reactor volume.

Viele Überlegungen gehen zur Lösung der Beheizungsfrage auf eine Mischung von allothermer (mit Wasserdampf) und autothermer (mit Luft oder Sauerstoff) Vergasung über. Teilweise sind die Gasströme im Reaktor vereint ( EP 0 202 428 ), teilweise wird über einen Feststoffumlauf der Wärmehaushalt beider Zonen reguliert ( US 4.444.007 , AT 405.937 ).Many considerations go to solving the heating question on a mixture of allothermic (with water vapor) and autothermal (with air or oxygen) gasification over. Some of the gas streams are combined in the reactor ( EP 0 202 428 ), in some cases the heat balance of both zones is regulated via a circulation of solids ( US 4,444,007 . AT 405,937 ).

Die meisten Energieträger bergen mehr als unerhebliche Umweltgefahren in sich, so dass an die Verbrennung erhebliche Auflagen gestellt werden. Sind nun die Vergasungs- und Verbrennungsräume nicht vollständig und gasdicht voneinander getrennt, so ergibt sich, dass sowohl der Verbrennungs- als auch der Vergasungsteil mit einer aufwändigen Gasreinigung zur Fällung aller Schadstoffe ausgestattet werden müssen. Die Verbindung der beiden Reaktionsteile ist daher aus verfahrenstechnischer Sicht problematisch, die Nutzung von Reaktoren mit Feststoffumlauf zwischen Verbrennungs- und Vergasungsteil in der praktischen Anwendung eingeschränkt.Most sources of energy harbor more than insignificant environmental hazards, so incineration is a considerable burden. Now, if the gasification and combustion chambers are not completely and gas-tightly separated, it follows that both the combustion and the gasification must be equipped with a complex gas purification for the precipitation of all pollutants. The connection of the two reaction parts is therefore problematic from a process engineering point of view, the use of reactors with circulation of solids between the combustion and gasification part in practical application limited.

Vorteilhaft ist somit eine Trennung der Reaktionsräume der Verbrennung und der Vergasung und in der Folge die Reinigung eines – kleinen – Produktgasstroms vor der Nutzung im Verbrennungsraum.Thus, it is advantageous to separate the reaction spaces of the combustion and the gasification and, as a consequence, to purify a small product gas stream before it is used in the combustion chamber.

In der Patentschrift DE 199.48.332 wird ein Vergaser für kohlenstoffhaltige Stoffe in der Bauart einer zirkulierenden Wirbelschicht offenbart, der extern beheizt wird. Die beiden Reaktionsräume sind gasdicht voneinander getrennt. Die Beheizung findet im absteigenden Bett über einen gasdichten. Wärmetauscher statt, die Reaktion im aufsteigenden Bett. Das Verfahren ist für einen allothermen Reformer vorteilhaft, da die Baugröße des Beheizungsraums unabhängig vom Reaktionsraum festgelegt werden kann.In the patent DE 199.48.332 discloses a carbonaceous material gasifier in the form of a circulating fluidized bed that is externally heated. The two reaction chambers are gas-tight separated from each other. The heating takes place in the descending bed via a gas-tight. Heat exchangers instead, the reaction in the rising bed. The method is advantageous for an allothermal reformer, since the size of the heating space can be determined independently of the reaction space.

In der Patentschrift US 4,212,652 wird erstmals die Beheizung eines allothermen Vergasers aus der Brennkammer einer Gasturbine beschrieben. Die praktische Umsetzung scheitert jedoch am Flächenbedarf.In the patent US 4,212,652 For the first time, the heating of an allothermal gasifier from the combustion chamber of a gas turbine is described. However, the practical implementation fails due to the space requirement.

Der Reaktor aus DE 199 48 332 soll nun im Folgenden durch die Kopplung mit der Beheizung aus einer Gasturbinenbrennkammer gemäß US 4,212,652 unter Einbeziehung neuartiger Wärmetauscherkonzepte weiter optimiert werden:The reactor off DE 199 48 332 will now be described by the coupling with the heating of a gas turbine combustor according to US 4,212,652 be further optimized with the help of novel heat exchanger concepts:

III. Darstellung der ErfindungIII. Presentation of the invention

a) Technische Aufgabea) Technical task

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, dieses Umsetzungsproblem durch eine intelligente und neuartige Kopplung verschiedener Prozesse und Apparate zu überwinden bzw. zu minimieren.The invention is based on the objective to overcome or minimize this implementation problem by an intelligent and novel coupling of different processes and apparatus.

b) Lösung der Aufgabeb) Solution of the task

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 7, 12 und 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is solved by the features of claims 1, 7, 12 and 17. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Ziel jeder technischen Entwicklung bei der Realisierung allothermer Vergaser ist es, die erforderliche Fläche für die Wärmeübertragung auf eine machbare Größe zu reduzieren. Dies geschieht bislang durch folgende Maßnahmen:

– Die zu übertragende Wärmemenge ist prozesstechnisch bedingt. Es wird jedoch angestrebt, die eintretenden Medien (Luft in die Verbrennung und Dampf in den Reformer) möglichst gut vorzuwärmen.
– Um die Wärmetauschfläche zu begrenzen, nimmt man derzeit hohe Austrittstemperaturen und hohe Temperaturunterschiede in Kauf. Die Wärmetauschfläche je MW Brennstoffeintrag in den Vergaser beträgt unter optimierten Bedingungen ca. 10 m², bei weniger effizienten Verfahren auch bis zu und über 100 m². Zahlreiche Ideen scheiterten daher bei der Umsetzung an der nicht lösbaren Frage, wie die Wärmeübertragungsfläche auf einem begrenzten Raum konstruktiv zufrieden stellend eingebaut werden kann.
– Zur Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten wählt man auf der Reaktorseite stets eine Wirbelschicht, da diese hohe Wärmeübergangszahlen ermöglicht.

The aim of every technical development in the realization of allothermal carburettors is to reduce the required area for heat transfer to a feasible size. So far, this has been done by the following measures:

- The amount of heat to be transferred is process-related. However, it is desirable to preheat the incoming media (air in the combustion and steam in the reformer) as well as possible.
- In order to limit the heat exchange surface, one currently accepts high outlet temperatures and high temperature differences in purchasing. The heat exchange surface per MW of fuel input into the carburetor is under optimized conditions about 10 m ² , in less efficient processes up to and over 100 m ² . Numerous ideas therefore failed in the implementation of the unsolvable question of how the heat transfer surface can be built constructively satisfactorily in a limited space.
- To improve the heat transfer coefficient is always selected on the reactor side a fluidized bed, as this allows high heat transfer coefficients.

Die Erfindung löst die Beheizungsprobleme allothermer Reaktoren, im speziellen von Wasserdampfvergasern für kohlenstoffhaltige Brennstoffe und hier wiederum insbesondere für den unter der Patentschrift DE 199 48 332 beschriebenen, durch eine Kombination verschiedener Verfahren gekennzeichneten Reaktor:
Durch die Erfindung wird einerseits ein Joule-Prozess zur Verfügung gestellt, bei dem aus den erhitzen Rauchgasen Wärme über einen Wärmetauscher entnommen und über einen weiteren Wärmetauscher einem Reaktor zur Beheizung dortiger Prozesse zugeführt wird.The invention solves the heating problems of allothermal reactors, in particular of steam carburetors for carbonaceous fuels and here again in particular for the patent DE 199 48 332 described reactor characterized by a combination of different processes:
By the invention, on the one hand, a Joule process is made available in which heat is removed from the heated flue gases via a heat exchanger and fed via a further heat exchanger to a reactor for heating processes there.

Indem die Wärmeübertragung zwischen den beiden Wärmetauschern über ein Zwischenmedium mit Phasenwechsel erfolgt, können die beiden Wärmetauscher nicht nur getrennt voneinander angeordnet werden, sondern auch nach den jeweils spezifisch vorliegenden Gegebenheiten gestaltet werden.By the heat transfer between the two heat exchangers via an intermediate medium with phase change, the two heat exchangers can not only be arranged separately from each other, but also be designed according to the specific conditions present in each case.

Insbesondere werden dabei die zur Erhitzung des sauerstoffhaltigen Gases benötigte Brenngase ganz oder teilweise in dem Reaktor hergestellt.In particular, the fuel gases required for heating the oxygen-containing gas are wholly or partly produced in the reactor.

Auf diese Art und Weise wird auch ein Verfahren zur indirekten Beheizung eines allothermen Reaktors zur Verfügung gestellt, in dem die Beheizung durch eine exotherme Reaktion mittels eines sauerstoffhaltigen Gases erfolgt, welches insbesondere auch komprimiert wird.In this way, a method for indirect heating of an allothermal reactor is provided, in which the heating takes place by an exothermic reaction by means of an oxygen-containing gas, which is in particular also compressed.

Von der exothermen Reaktion zum allothermen Reaktor erfolgt die Wärmeübertragung wiederum mittels der soeben beschriebenen beiden Wärmetauscher.From the exothermic reaction to the allothermal reactor, the heat transfer takes place again by means of the two heat exchangers just described.

Des Weiteren wird durch die Erfindung somit eine Gasturbinenanlage zur Verfügung gestellt, bei der aus der Brennkammer der Gasturbine mittels eines ersten Wärmetauschers Wärme ausgekoppelt wird, die über einen weiteren, damit gekoppelten zweiten Wärmetauscher in einen Reaktor übertragen wird, wobei die beiden Wärmetauscher über ein Zwischenmedium gekoppelt sind, welches in einem eigenen abgetrennten Raumzirkuliert.Furthermore, the invention thus provides a gas turbine plant in which heat is decoupled from the combustion chamber of the gas turbine by means of a first heat exchanger, which is transferred via a further, coupled thereto second heat exchanger in a reactor, wherein the two heat exchangers via an intermediate medium coupled, which circulates in its own separate space.

Die beiden miteinander gekoppelten Wärmetauscher können dabei auch die beiden Enden von Heatpipes sein.The two coupled heat exchangers can also be the two ends of heat pipes.

Für die Reaktorseite wird – wie üblich – eine Wirbelschicht eingesetzt, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist.For the reactor side - as usual - a fluidized bed is used, although this is not absolutely necessary.

Auf der Beheizungsseite verlässt die Erfindung die bekannten Ideen einer pulsierenden Verbrennung ( US 5,059,404 ) oder einer Wirbelschicht ( DE 199 00 116 , EP 0 329 673 ) und schließt die vorhandene technologische Lücke mit einer neuartigen Verfahrenskopplung, die es ermöglicht, Festbrennstoff über den Weg der allothermen Vergasung mit annähernd dem gleichen Wirkungsgrad in elektrische Energie umzusetzen wie für Gasturbinen geeignete Brennstoffe:

– Auf der Beheizungsseite wird eine Verbrennung von brennbaren Stoffen in einem sauerstoffhaltigen Gas durchgeführt. Wärmetauscher, die in diesem Rauchgasstrom angeordnet sind, besitzen üblicherweise einen verhältnismäßig niedrigen Wärmeübergangskoeffizient. Der Wärmeübergangskoeffizient wird dadurch erhöht, dass die Verbrennung im sauerstoffhaltigen Gas unter Druck erfolgt. Durch die Druckaufladung wird – bei gleicher Gasgeschwindigkeit – der Wärmeübergangskoeffizient erhöht. Zusätzlich kann der Wärmetauscher wahlweise zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung mit Rippen versehen sein.
– Die Abgastemperatur am Ende der Beheizung soll möglichst hoch sein, um die Wärmetauschflächen zu reduzieren. Da die Verbrennung unter Druck erfolgt, erfordert sie vor der Verbrennung eine Verdichtung des sauerstoffhaltigen Gases, ermöglicht jedoch hinterher auch eine Entspannung. Aus diesem Prozess, der als Joule- oder Gasturbinenprozess bekannt ist, lässt sich mechanische Arbeit gewinnen. Er bringt umso höhere Wirkungsgrade, je höher die Eintrittstemperatur der Gase in den Entspannungsteil des Prozesses ist. Die Zielsetzung einer möglichst hohen Abgastemperatur am Ende des Wärmetauschers wird daher durch die Kopplung mit der Druckaufladung in sehr effizienter Weise gelöst.
– Die Beheizung im druckaufgeladenen Zustand, d. h. während der Wärmezufuhr im Joule-Prozess, wurde in US-Patentanmeldung 4,212,652 offenbart.

On the heating side, the invention leaves the known ideas of pulsating combustion ( US 5,059,404 ) or a fluidized bed ( DE 199 00 116 . EP 0 329 673 ) and closes the existing technological gap with a novel process coupling, which makes it possible to convert solid fuel via the path of allothermic gasification with approximately the same efficiency into electrical energy as suitable for gas turbines fuels:

- On the heating side of a combustion of combustible substances is carried out in an oxygen-containing gas. Heat exchangers, which are arranged in this flue gas stream, usually have a relatively low heat transfer coefficient. The heat transfer coefficient is increased by combustion in the oxygen-containing gas under pressure. The pressure charging increases the heat transfer coefficient at the same gas velocity. In addition, the heat exchanger may optionally be provided with ribs for further improvement of heat transfer.
- The exhaust gas temperature at the end of the heating should be as high as possible to reduce the heat exchange surfaces. Since combustion takes place under pressure, it requires compression of the oxygen-containing gas before combustion, but subsequently also allows relaxation. From this process, known as the joule or gas turbine process, mechanical work can be gained. It brings the higher efficiencies, the higher the inlet temperature of the gases in the relaxation part of the process. The objective of the highest possible exhaust gas temperature at the end of the heat exchanger is therefore solved by the coupling with the pressure charging in a very efficient manner.
The pressurized state heating, ie during Joule process heat input, has been disclosed in U.S. Patent Application 4,212,652.

Da die Anmeldung jedoch an eine spezielle Form des Wärmetauschers gebunden war, konnte die Beheizungsfrage nicht zufriedenstellend gelöst werden, sodass keine ausgeführten Anlagen bekannt sind.However, since the application was bound to a special form of heat exchanger, the heating issue could not be solved satisfactorily, so that no running plants are known.

Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren ist aufgrund der thermodynamischen Restriktionen (2. Hauptsatz) nicht in der Lage, den Kaltgaswirkungsgrad auf über oder annähernd 100% zu erhöhen, die Kopplung ermöglicht es jedoch, einen Gasturbinenprozess für kohlenstoffhaltige Festbrennstoffe mit gleicher Effizienz auszuführen wie mit Brennstoffen, die einer direkten Nutzung in der Gasturbine zugänglich sind.

– Der Wärmetauscher könnte theoretisch in allen bekannten Technologien ausgeführt sein. Erfindungsgemäß werden jedoch anstelle der üblichen Rohrbündelwärmetauscher Heat-Pipes für die Wärmeübertragung eingesetzt ( DE 199.00.116 ). Die Ausführung nach dem Funktionsprinzip von Heat-Pipes ist daher auch wesentlicher Bestandteil der Erfindung. Mit dieser Maßnahme lässt sich die Geometrie der Beheizungsseite weitestgehend von der Geometrie der zu wärmeabgebenden Seite entkoppeln.
– Heat-Pipes sind geschlossene Rohre, in denen sich im kalten Zustand ein festes oder flüssiges Medium, insbesondere Metall, unter Vakuum befindet, zumeist Alkali-Metalle wie Kalium oder Natrium. Mit Beheizung der Rohre, meist am unteren Ende, wird das feste Metall flüssig. Im weiteren Verlauf stellt sich zwischen flüssiger und der dampfförmigen Phase ein Druck-Gleichgewicht dergestalt ein, dass die Verdampfung auf der Beheizungsseite und die Kondensation auf der Kühlseite des Rohres stattfindet. Der im Rohr herrschende Druck bestimmt die Verdampfungs- und Kondensationstemperatur und somit den Wärmedurchgang. Verdampfung und Kondensation erlauben hohe Wärmeübertragungsraten, so dass das System als Wärme-Übertrager in einem Zwischenkreislauf geeignet ist. Das Rohr ist hierbei horizontal geneigt oder vertikal einzubauen. Die Kühlseite muss zur Ausbildung der erforderlichen natürlichen Konvektion (Naturumlauf) oberhalb der Beheizungsseite oder maximal auf gleicher Höhe liegen.

Also, this method of the present invention is unable to increase the cold gas efficiency to above or near 100% due to the thermodynamic restrictions (2nd law), but the coupling makes it possible to carry out a gas turbine process for carbonaceous solid fuels with the same efficiency as with fuels which a direct use in the gas turbine are accessible.

The heat exchanger could theoretically be implemented in all known technologies. According to the invention, however, instead of the usual tube bundle heat exchangers, heat pipes are used for the heat transfer ( DE 199.00.116 ). The design according to the functional principle of heat pipes is therefore also an integral part of the invention. With this measure, the geometry of the heating side can largely be decoupled from the geometry of the heat-emitting side.
- Heat pipes are closed pipes in which a solid or liquid medium, in particular metal, under vacuum is in the cold state, mostly alkali metals such as potassium or sodium. With heating of the pipes, usually at the lower end, the solid metal becomes liquid. In the further course, a pressure equilibrium arises between the liquid phase and the vapor phase in such a way that the evaporation takes place on the heating side and the condensation takes place on the cooling side of the tube. The pressure prevailing in the pipe determines the evaporation and condensation temperature and thus the heat transfer. Evaporation and condensation allow high heat transfer rates, so that the system is suitable as a heat exchanger in an intermediate circuit. The pipe should be horizontally inclined or vertically installed. The cooling side must be above the heating side or at the same height to form the required natural convection (natural circulation).

Eine Heatpipe ist typischerweise als Rohr ausgebildet, dessen eines Ende beheizt und dessen anderes Ende gekühlt wird. Diese geometrische Form einer Heatpipe ist daher für den vorliegenden Fall einer Wärmeübertragung aus einer Gasturbinen-Brennkammer, einen Reaktor, insbesondere in eine Wirbelschicht ungeeignet.A heat pipe is typically formed as a tube, one end of which is heated and the other end is cooled. This geometric shape of a heat pipe is therefore unsuitable for the present case of heat transfer from a gas turbine combustor, a reactor, in particular in a fluidized bed.

Erfindungsgemäß wird die Heatpipe nicht als einzelnes Rohr, sondern als komplexes Bauteil ausgebildet, das sowohl Elemente aus einem Naturumlaufdampferzeuger als auch aus der Heatpipe-Technologie enthält.According to the invention, the heat pipe is not formed as a single tube, but as a complex component that contains both elements from a natural circulation steam generator and from the heat pipe technology.

Die wärmeaufnehmende Seite in der Gasturbinen-Brennkammer besteht aus einzelnen, z. B dünnen Rohren, die auch berippt sein können, und die mittels einer Sammelleitung zu einem oder mehreren gemeinsamen Rohren zusammengefasst werden können.The heat receiving side in the gas turbine combustor consists of individual, z. B thin tubes, which can also be ribbed, and which can be combined by means of a manifold to one or more common tubes.

Die Versorgung mit zu verdampfender Flüssigkeit und die Abführung des Dampfes können durch das gleiche Rohr erfolgen, sofern z. B. die Wandung der Rohre auf der Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen ist.The supply of liquid to be evaporated and the removal of the vapor can be carried out through the same tube, if z. B. the wall of the tubes is provided on the inside with a capillary structure.

Die Vor- und Rücklaufsammelleitungen, die bei Vorhandensein einer Kapillarstruktur auch räumlich verbunden sein können, sind mit einem zweiten System von Vor- und Rücklaufsammelleitungen der wärmeabgebenden Seite verbunden, wo wiederum z. B. Rohre angeschlossen sind als Wärmetauscher, jedoch mit einer geometrischen Struktur, die der Wirbelschicht angepasst ist. Die Rohre sind hier zur Erzielung der erforderlichen mechanischen Festigkeit üblicherweise wesentlich massiver ausgebildet und auch wesentlich länger als in der Gasturbinen-Brennkammer.The supply and return manifolds, which may also be spatially connected in the presence of a capillary structure, are connected to a second system of supply and return manifolds of the heat-emitting side, where in turn z. B. pipes are connected as a heat exchanger, but with a geometric structure that is adapted to the fluidized bed. The tubes are usually designed to achieve the required mechanical strength much more massive and also much longer than in the gas turbine combustor.

Verfahrenstechnisch ergeben sich durch diese Erfindung erhebliche Vorteile:

– Bei Gasturbinen wird in der Brennkammer die Gastemperatur im Verhältnis zur möglichen Temperaturerhöhung bei stöchiometrischer Verbrennung nur um einen relativ kleinen Wert angehoben wegen der insbesondere unter stöchiometrischen Verbrennung. Gasturbinen arbeiten somit in der Regel mit sehr hohem Luftüberschuss, in der Regel zwischen 3 und 4. Es ist daher verfahrenstechnisch möglich, in der Brennkammer durch Zugabe zusätzlichen Brennstoffs zusätzliche Wärme freizusetzen, sofern diese vor Eintritt der Gase in den Turbinenteil der Gasturbine aus der Brennkammer abgeführt wird. Unter Vernachlässigung dieses Wärmestroms in die und aus der Brennkammer ergibt sich ein – theoretisch – unveränderter Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses.
– Die Beheizung des Reaktors erfolgt durch den zusätzlich in die Brennkammer der Gasturbine eingebrachten Brennstoff. Da diese zusätzlich eingebrachte Wärme – theoretisch – vollständig zur Beheizung des Reaktors verwendet wird, ergibt sich für die Beheizung ein Wirkungsgrad von nahezu 100%. Der Kaltgaswirkungsgrad lässt sich hiermit deutlich anheben.
– Die Gasturbineneintrittstemperatur liegt in aller Regel deutlich über der Arbeitstemperatur allothermer Vergaser, so dass die Austrittstemperatur des Beheizungsmediums aus dem Wärmetauscher nahezu bedeutungslos wird.
– Unter Einbeziehung von Heat-Pipes zur Wärmeübertragung vom Verbrennungs- in den Reaktorteil wird die Vorrichtung auch praktisch in realistischen Dimensionen umsetzbar.
– Aus der Abwärme der Gasturbine lässt sich, wie bereits jetzt üblich, Dampf erzeugen, der zum einen in einem Dampfprozess, zum anderen als Vergasungsmedium genutzt werden kann.
– Die Erzeugung brennbarer Gase aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen erfolgt durch Kopplung der Prozesse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. An Verlusten verbleiben im Wesentlichen die – relativ kleinen – fühlbaren Wärmemengen aus der Restaufheizung der Medien im Reaktor sowie aus der Abkühlung und Reinigung der erzeugten Brenngase vor der Nutzung.
– Nutzt man die brennbaren Gase in der Gasturbine, so ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad für den Prozess, der nur mehr unwesentlich unter dem Wirkungsgrad liegt, der sich heute bei Einsatz von Brennstoffen ergibt, die per se für den Einsatz in Gasturbinen geeignet sind.
– Die Erfindung erschließt somit feste Brennstoffe für den Gasturbinenbetrieb auch im Rahmen kleiner kompakter Anlagen für die eine zirkulierende Wirbelschicht nicht machbar ist, ohne hierbei erhebliche verfahrenstechnische Aufwendungen oder erhebliche Wirkungsgradeinbußen zu erleiden.

In terms of process technology, this invention provides considerable advantages:

In the case of gas turbines, the gas temperature in the combustion chamber is only increased by a relatively small value in relation to the possible temperature increase with stoichiometric combustion because of the particular stoichiometric combustion. Gas turbines thus operate usually with very high excess air, usually between 3 and 4. It is therefore procedurally possible to release additional heat in the combustion chamber by adding additional fuel, provided that before entering the gases in the turbine part of the gas turbine from the combustion chamber is dissipated. Neglecting this heat flow into and out of the combustion chamber results in a - theoretically - unchanged efficiency of the gas turbine process.
- The heating of the reactor is carried out by the additionally introduced into the combustion chamber of the gas turbine fuel. Since this additionally introduced heat - theoretically - is used completely for heating the reactor, an efficiency of almost 100% results for the heating. The cold gas efficiency can be significantly increased hereby.
- The gas turbine inlet temperature is usually well above the working temperature allothermal carburetor, so that the outlet temperature of the heating medium from the heat exchanger is almost meaningless.
- Including heat pipes for heat transfer from the combustion in the reactor part, the device is also practicable in realistic dimensions.
- From the waste heat of the gas turbine can be, as already common practice, generate steam that can be used on the one hand in a steam process, on the other hand as a gasification medium.
- The production of combustible gases from carbonaceous feedstocks takes place by coupling the processes with a very high efficiency. Losses remain essentially the - relatively small - sensible amounts of heat from the residual heating of the media in the reactor and from the cooling and cleaning of the fuel gases generated before use.
- Utilizing the combustible gases in the gas turbine, so there is an overall efficiency for the process, which is only marginally below the efficiency that results today when using fuels that are suitable per se for use in gas turbines.
The invention thus provides solid fuels for gas turbine operation even in the context of small-scale systems for which a circulating fluidized bed is not feasible without suffering considerable procedural expenses or significant loss of efficiency.

Als Detailvorteile sind folgende zu nennen:
Durch das Zusammenschalten der Wärmetauscherrohre einmal auf Seiten der Beheizung, also in der Brennkammer der Gasturbine, das andere Mal auf der Seite der Wärmeabgabe, also im Reaktor, jeweils über eine Sammelleitung, und das Verbinden der Sammelleitungen über wenigstens eine Verbindungsleitung, ergibt sich der Vorteil, dass auf den beiden Seiten die Rohre unabhängig von der jeweils anderen Seite optimal gestaltet werden können.The following are to be mentioned as detail advantages:
By interconnecting the heat exchanger tubes once on the heating side, ie in the combustion chamber of the gas turbine, the other time on the side of heat dissipation, ie in the reactor, each via a manifold, and connecting the manifolds via at least one connecting line, there is the advantage in that the pipes can be optimally designed on both sides independently of the other side.

Indem der Schritt der Erhitzung des sauerstoffhaltigen komprimierten Gases in Teilschritte aufgespalten werden kann, kann festgelegt werden, welcher Teil des Energieinhaltes aus diesen Rauchgases über Wärmetauscher im ersten Teilschritt der Erhitzung entnommen und dem Reaktor zugeführt und/oder im zweiten Teilschritt der Erhitzung der Entspannung zugeführt wird.By being able to split the step of heating the oxygen-containing compressed gas into substeps, it is possible to determine which part of the energy content is taken from this flue gas via heat exchangers in the first substep of the heating and fed to the reactor and / or in the second step of the heating ,

Indem als Reaktor ein allothermer Reaktor zum Vergasen von kohlestoffhaltigen Brennstoffen verwendet wird, können die dort erzeugten Brenngase ganz oder teilweise zur Erhitzung der sauerstoffhaltigen Gase eingesetzt werden.By using an allothermic reactor for gasifying coal-containing fuels as the reactor, the fuel gases produced there can be used wholly or partly for heating the oxygen-containing gases.

Durch die Verdichtung des sauerstoffhaltigen Gases vor der Verbrennung kann insbesondere der Druck bei der Verbrennung gleich hoch oder höher gesetzt werden als der Druck im allothermen Reaktor.By compressing the oxygen-containing gas prior to combustion, in particular the pressure during combustion can be set to be equal to or higher than the pressure in the allothermal reactor.

Durch die chemische und/oder physikalische Reinigung der im Reaktor erzeugten Brenngase können diese nicht nur zur Verbrennung mit dem sauerstoffhaltigen komprimierten Gas benutzt werden, sondern auch einer Fremdnutzung zugeführt werden.By the chemical and / or physical purification of the fuel gases produced in the reactor, these can not only be used for combustion with the oxygen-containing compressed gas, but also be supplied to a third-party use.

Beim Betrieb des allothermen Reaktors wird bevorzugt. Wasserdampf als Vergasungsmedium eingesetzt, so dass das Brenngas teilweise auch zur Erzeugung dieses Wasserdampfes benutzt werden kann.In operation of the allothermal reactor is preferred. Water vapor used as a gasification medium, so that the fuel gas can be partially used to generate this water vapor.

Der allotherme Reaktor weist im Vergasungsbereich vorzugsweise eine stationäre Wirbelschicht auf, da dies eine besonders kompakte Bauform ermöglicht, und nur bei sehr großen Anlagen eine zirkulierende Wirbelschicht.The allothermal reactor preferably has a stationary fluidized bed in the gasification area, since this allows a particularly compact design, and only in very large plants a circulating fluidized bed.

Dabei wird die Beheizung des allothermen Reaktors vorzugsweise außerhalb des Reaktionsbereiches des Reaktors erfolgen.In this case, the heating of the allothermal reactor is preferably carried out outside the reaction range of the reactor.

Eine der möglichen Fremdnutzungen der Brenngase ist die Herstellung von Wasserstoff oder synthetischen Kohlenwasserstoffpin.One of the possible foreign uses of the fuel gases is the production of hydrogen or synthetic hydrocarbon pin.

c) Ausführungsbeispielec) embodiments

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Bild 1: Den Kreislauf in Gesamtansicht,
Bild 2: das Detail der Heatpipe.An embodiment according to the invention is described in more detail below by way of example. Show it:
Picture 1: The cycle in general view,
Picture 2: the detail of the heatpipe.

Gemäß Bild 1 wird Luft 1 aus der Umgebung 11 angesaugt und in einem Verdichter 2 komprimiert. Die komprimierte Luft 3 wird in eine Brennkammer 4 geleitet und dort mit Brenngas 28 beaufschlagt, so dass zumindest ein Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs mit dem Brenngas 28 unter Abgabe von Wärme reagiert.According to Figure 1, air 1 from the environment 11 sucked in and in a compressor 2 compressed. The compressed air 3 gets into a combustion chamber 4 headed and there with fuel gas 28 so that at least a part of the oxygen contained in the air with the fuel gas 28 reacts with release of heat.

Von der Brennkammer treten die Rauchgase 5 in einen Wärmetauscher 6 ein, der über Verbindungsleitungen 35, 40 mit einem weiteren Wärmetauscher 7 in einem allothermen Reaktor 20 verbunden ist. Brennkammer 4 und Reaktor 20 sind zumindest durch eine gasdichte Wand 21 voneinander getrennt.From the combustion chamber, the flue gases 5 in a heat exchanger 6 one, over connecting lines 35 . 40 with another heat exchanger 7 in an allothermal reactor 20 connected is. combustion chamber 4 and reactor 20 are at least by a gas-tight wall 21 separated from each other.

Die Wärmetauscher 6 und 7 sind wesentliche Bestandteile eines Zwischenkreislaufs, der mit einem im Naturumlauf, also ohne einen mechanischen Antrieb für den Umlauf, zirkulierendes geeignetes Zwischenmedium wie z. B. Flüssigmetall, ausgestattet ist.The heat exchangers 6 and 7 are essential components of an intermediate circuit, with a natural circulation, ie without a mechanical drive for circulation, circulating suitable intermediate medium such. B. liquid metal is equipped.

Bild 2 zeigt die Wärmetauscher 6, 7 im Detail. In dem Beheizungsteil 31, dem Wärmetauscher 6, wird über eine Wärmetauschfläche unter Wärmezufuhr aus der Brennkammer 4 flüssiges Metall 38 verdampft 33. Das verdampfte Metall 33 steigt auf in eine Sammelleitung 34 und über eine Verbindungsleitung 35 in eine zweite Sammelleitung 36, von wo aus es in den Kühlteil 37 gelangt, wo es über eine Wärmetauschfläche unter Wärmeabgabe an den allothermen Reaktor 20 kondensiert zu flüssigem Metall 38 und wieder über eine Sammelleitung 39, die Verbindungsleitung 40 und eine weitere Sammelleitung 41 in den Beheizungsteil 31 zurückfließt Die Sammelleitungen 34 und 41 sowie 36 und 39 können genauso wie die Verbindungsleitung 35 und 40 als räumliche getrennte Systeme oder als einheitliches Leitungssystme aufgebaut sein.Figure 2 shows the heat exchangers 6 . 7 in detail. In the heating section 31 , the heat exchanger 6 , is via a heat exchange surface under heat from the combustion chamber 4 liquid metal 38 evaporated 33 , The evaporated metal 33 climbs up into a manifold 34 and via a connection line 35 in a second manifold 36 from where it is in the refrigerator section 37 where it passes through a heat exchange surface with heat release to the allothermal reactor 20 condenses to liquid metal 38 and again via a manifold 39 , the connection line 40 and another bus 41 in the heating section 31 flows back The manifolds 34 and 41 such as 36 and 39 can as well as the connection line 35 and 40 be constructed as a spatially separate systems or as a uniform line system.

Die Brennkammer kann in mehrere Brennkammern 4, 8 mit zwischengeschalteten Wärmetauschern unterteilt sein. The combustion chamber can be in several combustion chambers 4 . 8th be divided with intermediate heat exchangers.

Der Wärmetauscher 6 überträgt zumindest einen Teil der in der Brennkammer 4 freigesetzten Energie über den Zwischenkreislauf und den Wärmetauscher 7 an den allothermen Reaktor 20.The heat exchanger 6 transmits at least a portion of the in the combustion chamber 4 released energy via the intermediate circuit and the heat exchanger 7 to the allothermal reactor 20 ,

Die Rauchgase 5 können nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 6 in einer weiteren Brennkammer 8 noch einmal durch Zugabe eines weiteren Brenngases 29 aufgeheizt werden 9 und dieses Rauchgas 9 dann in einer Gasturbine 10 entspannt und an die Umgebung abgegeben werden.The flue gases 5 can after exiting the heat exchanger 6 in another combustion chamber 8th again by adding another fuel gas 29 be heated 9 and this flue gas 9 then in a gas turbine 10 relaxed and delivered to the environment.

Die in der Turbine 10 freiwerdende mechanische Energie wird bevorzugt über eine direkte mechanische Kopplung in Form z. B. einer Welle 12 an den Verdichter 2 abgegeben, der verbleibende Überschuss über eine Welle 13 entnommen. Die anfallende mechanische Energie 13 oder eine eventuell mögliche Umwandlung in elektrische Energie mittels eines Generators ist für die Erfindung jedoch ohne Belang.The one in the turbine 10 Released mechanical energy is preferred via a direct mechanical coupling in the form of z. B. a wave 12 to the compressor 2 delivered, the remaining excess over a wave 13 taken. The resulting mechanical energy 13 or a possible possible conversion into electrical energy by means of a generator is irrelevant to the invention, however.

Im allothermen Reaktor 20 wird Brennstoff, in der Regel fester Brennstoff 23, zugegeben, der für eine direkte Nutzung in der Gasturbine 10 nicht geeignet ist, und mit Hilfe eines Vergasungsmittels 22, bevorzugt Wasserdampf, mit Hilfe der über den Wärmetauscher 6, den Zwischenkreislauf und das dort enthaltene Wärmeträgermedium eingetragenen Wärme in ein Brenngas 24 umgewandelt.In the allothermal reactor 20 becomes fuel, usually solid fuel 23 , admittedly, for direct use in the gas turbine 10 is not suitable, and with the help of a gasification agent 22 , prefers water vapor, using the over the heat exchanger 6 , the intermediate circuit and the heat transfer medium contained therein heat into a fuel gas 24 transformed.

Der in der Patentschrift DE 199 48 332 offenbarte Vergaser eignet sich in doppelter Weise für die Kopplung mit der Gasturbine.The in the patent DE 199 48 332 disclosed carburetor is in two ways for the coupling with the gas turbine.

Das Gas kann über eine nicht näher erläuterte Vorrichtung zur Gasreinigung 25 chemisch und physikalisch gereinigt werden. Hierzu können dem Brenngas 25 auch Substanzen dem Strom zugegeben (z. B. Wasserdampf für die Shift-Reaktion) oder abgezogen (z. B. Staub) werden.The gas can via a device not further explained for gas purification 25 be cleaned chemically and physically. For this purpose, the fuel gas 25 Also, substances added to the stream (eg, water vapor for the shift reaction) or stripped off (eg, dust).

Ebenso können in dieser Gasreinigung noch einmal Wärme zugeführt oder entzogen werden oder chemische Reaktionen ablaufen.Likewise, in this gas purification, heat can once again be supplied or withdrawn or chemical reactions take place.

Das gereinigte Brenngas 26 kann dann der oder den Brennkammern 4, 8 der Gasturbine zugeführt 28, 29 oder einer Fremdnutzung 30 zugeführt werden.The purified fuel gas 26 can then be the one or more combustion chambers 4 . 8th fed to the gas turbine 28 . 29 or a foreign user 30 be supplied.

Bevorzugt wird der Reaktor 20 oberhalb des Druckes der Brennkammern 48 der Gasturbine 10 betrieben. Das Brenngas 24, 25 kann jedoch zur Druckerhöhung auf das Druckniveau der Brennkammern der Gasturbine über einen. Verdichter 27 komprimiert werden, sofern der Druck im Vergaser unterhalb. des Drucks der Brennkammern 4, 8 liegt oder die Druckverluste bis zur Brennkammer 4, 8 zu hoch sind.The reactor is preferred 20 above the pressure of the combustion chambers 48 the gas turbine 10 operated. The fuel gas 24 . 25 However, to increase the pressure on the pressure level of the combustion chambers of the gas turbine via a. compressor 27 be compressed, provided the pressure in the carburetor below. the pressure of the combustion chambers 4 . 8th is or the pressure losses up to the combustion chamber 4 . 8th are too high.

Die Erfindung hat also die Kopplung einer Gasturbine 10 mit einem allothermen Reaktor 20 zur Herstellung von Brenngas 24–26 zum Gegenstand.The invention thus has the coupling of a gas turbine 10 with an allothermal reactor 20 for the production of fuel gas 24 - 26 to the subject.

Die zur Beheizung des allothermen Reaktors 20 erforderliche Wärme wird in der Brennkammer 4 der Gasturbine 10 bereitgestellt und über Wärmetauscher 6, 7 übertragen, der mit einem Zwischenkreislauf insbesondere nach dem Funktionsprinzip von Heat-Pipes ausgestattet ist, wobei die geometrische Ausbildung Wärmetauschers im Beheizungsteil 31 auf die geometrischen Anforderungen der Gasturbinen-Brennkammer und im Kühlteil 37 auf die geometrischen Anforderungen einer Wirbelschicht angepasst ist und beide Teile des Wärmetauschers über Sammelleitungen und Verbindungsleitungen verbunden sind.The heating of the allothermal reactor 20 Required heat is in the combustion chamber 4 the gas turbine 10 provided and via heat exchangers 6 . 7 transferred, which is equipped with an intermediate circuit in particular according to the principle of operation of heat pipes, wherein the geometric design of the heat exchanger in the heating part 31 on the geometric requirements of the gas turbine combustion chamber and in the cooling part 37 adapted to the geometric requirements of a fluidized bed and both parts of the heat exchanger via manifolds and connecting lines are connected.

Die Wärme wird im Wärmetauscher insbesondere den Heatpipes, über einen Zwischenkreislauf übertragen, in dem eine verdampfende und kondensierende Substanz wie z. B. ein Alkali-Metall im Naturumlauf als Wärmetransportmedium dient.The heat is transferred in the heat exchanger in particular the heat pipes, via an intermediate circuit in which a vaporizing and condensing substance such. B. an alkali metal in natural circulation serves as a heat transport medium.

Brennkammer 4 und Reaktor 20 sind durch eine feste Wand 21 gasdicht voneinander getrennt.combustion chamber 4 and reactor 20 are through a solid wall 21 gas-tightly separated.

Die im Reaktor erzeugten Brenngase 24 können zumindest teilweise zur Beheizung der Gasturbine 10 genutzt werden.The fuel gases generated in the reactor 24 can at least partially for heating the gas turbine 10 be used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Luftair
22: Verdichtercompressor
33: komprimierte Luftcompressed air
44: Brennkammercombustion chamber
55: Rauchgasflue gas
66: Wärmetauscherheat exchangers
77: Wärmetauscherheat exchangers
88th: Brennkammercombustion chamber
99: Rauchgasflue gas
1010: Gasturbinegas turbine
1111: UmgebungSurroundings
1212: Wellewave
1313: mechanische Energie, Wellemechanical energy, wave
2020: allothermer Reaktorallothermal reactor
2121: (gasdichte) Wand(gas-tight) wall
2222: Vergasungsmittelgasification agent
2323: Brennstofffuel
2424: Brenngasfuel gas
2525: Gasreinigunggas cleaning
2626: gereinigtes Brenngaspurified fuel gas
2727: Verdichtencondense
2828: Brenngasfuel gas
29 29: Brenngasfuel gas
3030: Fremdnutzungunauthorized use
3131: Beheizungsteilheating part
3232
3333: verdampftes Metallvaporized metal
3434: Sammelleitungmanifold
3535: Verbindungsleitungconnecting line
3636: Sammelleitungmanifold
3737: Kühlteil, wärmeabgebender TeilCooling part, heat-emitting part
3838: flüssiges Metallliquid metal
3939: Sammelleitungmanifold
4040: Verbindungsleitungconnecting line
4141: Sammelleitungmanifold

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0202428 [0015] EP 0202428 [0015]
US 4444007 [0015] US 4444007 [0015]
AT 405937 [0015] AT 405937 [0015]
DE 19948332 [0018, 0020, 0024, 0060] DE 19948332 [0018, 0020, 0024, 0060]
US 4212652 [0019, 0020] US 4212652 [0019, 0020]
US 5059404 [0032] US 5059404 [0032]
DE 19900116 [0032, 0034] DE 19900116 [0032, 0034]
EP 0329673 [0032] EP 0329673 [0032]

Claims

Verfahren nach dem Joule-Prozess, mindestens bestehend aus den Prozessschritten: – Verdichtung eines sauerstoffhaltigen Gases, – Erhitzung des sauerstoffhaltigen Gases durch zumindest teilweise Oxidation (exotherme Reaktion) eines Brennstoffes (28), – Entspannung der erhitzten Rauchgase (5), dadurch gekennzeichnet, dass – in der Phase der Erhitzung aus dem Rauchgas (5), über einen Wärmetauscher (6) Wärme entnommen und einem weiteren Wärmetauscher (7) zur Beheizung von Prozessen einem Reaktor (20) zugeführt wird, wobei – zwischen den Wärmetauschern (6) und (7) die Wärme über ein Zwischenmedium mit Phasenwechsel, insbesondere im Naturumlauf, übertragen wird.Process according to the Joule process, at least consisting of the process steps: - compression of an oxygen-containing gas, - heating of the oxygen-containing gas by at least partial oxidation (exothermic reaction) of a fuel ( 28 ), - relaxation of the heated flue gases ( 5 ), characterized in that - in the phase of heating from the flue gas ( 5 ), via a heat exchanger ( 6 ) Heat and another heat exchanger ( 7 ) for heating processes to a reactor ( 20 ), wherein - between the heat exchangers ( 6 ) and ( 7 ) the heat is transferred via an intermediate medium with phase change, in particular in natural circulation.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärmetauscher (6) und (7) über zumindest eine Sammelleitung (34, 36, 39, 41) miteinander verbunden sind, und insbesondere – die Sammelleitungen (34, 36, 39, 41) zumindest mit einer Verbindungsleitung (35, 40) verbunden sind.Method according to claim 1 or 2, characterized in that - the heat exchangers ( 6 ) and ( 7 ) via at least one bus ( 34 . 36 . 39 . 41 ), and in particular - the manifolds ( 34 . 36 . 39 . 41 ) at least with a connecting line ( 35 . 40 ) are connected.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzungsschritt in einen ersten Teil-Schritt zur Bereitstellung der Prozesswärme (4) und in einen zweiten Teil-Schritt zur Einstellung der Eintrittstemperatur zur Entspannung der Rauchgase aufgeteilt ist.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the heating step is divided into a first part step for providing the process heat ( 4 ) and in a second part step for adjusting the inlet temperature for the expansion of the flue gases is divided.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass – die Wärme zur Beheizung eines allothermen Reaktors (20) entnommen wird, und insbesondere – im Reaktor (20) Brenngase (24) aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen (23) erzeugt werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that - the heat for heating an allothermal reactor ( 20 ), and in particular - in the reactor ( 20 ) Fuel gases ( 24 ) of carbonaceous fuels ( 23 ) be generated.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Brenngase (24) ganz oder teilweise zur Erhitzung der sauerstoffhaltigen Gase eingesetzt werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the combustion gases ( 24 ) are used wholly or partly for heating the oxygen-containing gases.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die im Reaktor (20) erzeugten Brenngase (24) ganz oder teilweise in der Beheizungsphase der Gasturbine (28) für die Bereitstellung der Wärme zur Beheizung von Prozessen eingesetzt werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the reactor ( 20 ) produced fuel gases ( 24 ) wholly or partly in the heating phase of the gas turbine ( 28 ) are used for the provision of heat for heating processes.

Verfahren zur indirekten Beheizung eines allothermen Reaktors (20), bei dem die erforderliche Wärme durch eine exotherme Reaktion bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – für die exothermes Reaktion erforderliches sauerstoffhaltige Gas (1) komprimiert wird und – die Wärme über Wärmetauscher (6) und (7) übertragen wird, wobei – zwischen den Wärmetauschern (6) und (7) die Wärme über ein Zwischenmedium mit Phasenwechsel, insbesondere im Naturumlauf, übertragen wird.Process for the indirect heating of an allothermal reactor ( 20 ), in which the required heat is provided by an exothermic reaction, characterized in that - for the exothermic reaction required oxygen-containing gas ( 1 ) is compressed and - the heat through heat exchangers ( 6 ) and ( 7 ), wherein - between the heat exchangers ( 6 ) and ( 7 ) the heat is transferred via an intermediate medium with phase change, in particular in natural circulation.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das zur Verbrennung erforderliche sauerstoffhaltige Gas (1) durch einen Verdichter (2) komprimiert wird und/oder – der Druck bei der Verbrennung niedriger ist als der Druck im allothermen Reaktor (20).A method according to claim 7, characterized in that - the oxygen-containing gas required for combustion ( 1 ) by a compressor ( 2 ) is compressed and / or - the pressure during combustion is lower than the pressure in the allothermal reactor ( 20 ).

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase (5) entspannt werden, insbesondere – die Abgase in einer Gasturbine (10) unter Abgabe mechanischer Arbeit (12, 13) entspannt werden.Method according to at least one of the preceding claims 7 and 8, characterized in that - the flue gases produced during combustion ( 5 ), in particular - the exhaust gases in a gas turbine ( 10 ) under release of mechanical work ( 12 . 13 ) be relaxed.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die im allothermen Reaktor (20) erzeugten Brenngase (24) ganz oder teilweise als Brenngas (28) für die exotherme Reaktion eingesetzt werden, und insbesondere – die Brenngase (24) vor der Nutzung einer chemischen oder physikalischen Reinigung (25) unterzogen worden, und/oder verdichtet werden (27).Method according to at least one of the preceding claims 7 to 9, characterized in that - in the allothermal reactor ( 20 ) produced fuel gases ( 24 ) in whole or in part as fuel gas ( 28 ) are used for the exothermic reaction, and in particular - the fuel gases ( 24 ) before using a chemical or physical cleaning ( 25 ), and / or compressed ( 27 ).

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Reaktor (20) ein Vergaser ist, in dem insbesondere Wasserdampf als Vergasungsmedium eingesetzt wird.Process according to at least one of the preceding claims 7 to 10, characterized in that the allothermal reactor ( 20 ) is a gasifier, in particular water vapor is used as the gasification medium.

Verfahren nach dem Joule-Prozess, mindestens bestehend aus den Prozessschritten – Verdichtung eines sauerstoffhaltigen Gases, – Erhitzung des sauerstoffhaltigen Gases durch zumindest teilweise Oxidation (exotherme Reaktion) eines Brennstoffes (28), – Entspannung der erhitzten Rauchgase (5), dadurch gekennzeichnet, dass – die Erhitzung in einer Brennkammer (4, 8) mit Wärmeauskopplung erfolgt, wobei – die ausgekoppelte Wärme zumindest zum Teil zur Beheizung eines allothermen Reaktors (20) verwendet wird, in dem – die zur Erhitzung der Brennkammer (4, 8) erforderlichen Brenngase (28) teilweise oder ganz im Reaktor (20) hergestellt werden und – die Wärme über ein Zwischenmedium mit Phasenwechsel von der Brennkammer (4) in den Reaktor (20) übertragen wird.Process according to the Joule process, at least consisting of the process steps - compression of an oxygen-containing gas, - heating of the oxygen-containing gas by at least partial oxidation (exothermic reaction) of a fuel ( 28 ), - relaxation of the heated flue gases ( 5 ), characterized in that - the heating in a combustion chamber ( 4 . 8th ) takes place with heat extraction, wherein - the decoupled heat at least partially for heating an allothermal reactor ( 20 ) is used, in which - for heating the combustion chamber ( 4 . 8th ) required fuel gases ( 28 ) partially or completely in the reactor ( 20 ) and The heat via an intermediate medium with phase change from the combustion chamber ( 4 ) in the reactor ( 20 ) is transmitted.

Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Reaktor (20) im Reaktionsteil eine stationäre oder zirkulierende Wirbelschicht aufweist.Process according to claim 12, characterized in that the allothermal reactor ( 20 ) has a stationary or circulating fluidized bed in the reaction part.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des allothermen Reaktors (20) um Wesentlichen im oder außerhalb des Reaktionsbereich erfolgt.Process according to at least one of the preceding claims 12 to 13, characterized in that the heating of the allothermal reactor ( 20 ) takes place substantially in or outside the reaction zone.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der erzeugten Brenngase (24) zur Herstellung von Wasserstoff oder synthetischen Kohlenwasserstoffen verwendet wird.Method according to at least one of the preceding claims 12 to 14, characterized in that a part of the combustion gases ( 24 ) is used for the production of hydrogen or synthetic hydrocarbons.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (23) für den Reaktor (20) feste, flüssige, pastöse oder sonstige für die direkte Beheizung einer Gasturbine 10 nicht geeignete Stoffe, bevorzugt biogener Herkunft, eingesetzt werden.Method according to at least one of the preceding claims 1 to 15, characterized in that as fuel ( 23 ) for the reactor ( 20 ) solid, liquid, pasty or otherwise for the direct heating of a gas turbine 10 unsuitable substances, preferably of biogenic origin, are used.

Gasturbinenanlage mit – einem Verdichter (2), – einer Brennkammer (4) und – einer Gasturbine (10), dadurch gekennzeichnet, dass – die Brennkammer (4) einen Wärmetauscher (6) aufweist, der zur Beheizung eines Reaktors (20) mit diesem verbunden ist, wobei – der Wärmetauscher (6) die Wärme über ein Zwischenmedium mit Phasenwechsel und einen weiteren Wärmetauscher (7) in den Reaktor (20) überträgt, – das Zwischenmedium in einem eigenen, von den anderen Räumen durch feste Wände getrennten Raum, insbesondere im Naturumlauf zirkuliert.Gas turbine plant with - a compressor ( 2 ), - a combustion chamber ( 4 ) and - a gas turbine ( 10 ), characterized in that - the combustion chamber ( 4 ) a heat exchanger ( 6 ), which is used to heat a reactor ( 20 ) is connected to it, wherein - the heat exchanger ( 6 ) the heat via an intermediate medium with phase change and another heat exchanger ( 7 ) in the reactor ( 20 ) transmits, - the intermediate medium circulates in its own, separated from the other rooms by solid walls space, especially in natural circulation.

Gasturbinenanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (20) ein allothermen Vergaser ist, der insbesondere zur Zuführung von Brenngas (28) mit der Brennkammer (4) verbunden ist.Gas turbine plant according to claim 17, characterized in that the reactor ( 20 ) is an allothermal gasifier, in particular for supplying fuel gas ( 28 ) with the combustion chamber ( 4 ) connected is.