DE1228856B - Internal combustion engine with continuous combustion, in particular a gas turbine system - Google Patents
Internal combustion engine with continuous combustion, in particular a gas turbine systemInfo
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Description
Brennkraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung, insbesondere Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung, insbe-#ondere Gasturbinenanlage, mit Rückgewinnung der in ihr anfallenden Verlustwärme durch eine außerhalb der Brennkammer stattfindende endotherme Reaktion zwischen dem Ausgangskraftstoff und Wasser, wobei die Reaktionswärme derart aus der motorischen Abwärme bezogen wird, daß in flüssiger oder gasförmiger Phase befindliche Kohlenwasserstoffkraftstoffe ausschließlich mit in flüssiger oder dampfförmiger Phase befindlichein Wasser in einem rein endothermen Prozeß in Kohlenoxyd und Wasserstoff kontinuierlich umgewandelt werden und das entstandene Gas in dieser Form dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wobei ein zur Durchführung der Reaktion verwendeter Katalysator durch die motorische Abwärme beheizt wird, indem er als Wärmetauscher im Abgasstrom der Turbine angeordnet ist.Internal combustion engine with continuous combustion, in particular Gas turbine system The invention relates to an internal combustion engine with continuous Combustion, especially gas turbine plant, with recovery of the accumulated in it Heat loss due to an endothermic reaction taking place outside the combustion chamber between the starting fuel and water, the heat of reaction being so out the engine waste heat is related to that located in the liquid or gaseous phase Hydrocarbon fuels only in liquid or vapor form Phase located in water in a purely endothermic process in carbon oxide and hydrogen are continuously converted and the resulting gas in this form is transferred to the combustion chamber is fed to the internal combustion engine, a used to carry out the reaction Catalyst is heated by the engine waste heat, acting as a heat exchanger is arranged in the exhaust gas flow of the turbine.
Es ist eine Brennkraftmaschine mit kontinuierlicher Verbirennung, beispielsweise Gasturbine und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine bekannt, wobei zur Rückgewinnung der in der Brennkraftmaschine anfallenden Verlustwärme außerhalb der Brennkammer eine endotherme Reaktion zwischen dem Ausgangskraftstoff und Wasser stattfindet und wobei für die Durchführung der Reaktion gegebenenfalls ein hierfür geeigneter Katalysator vorgesehen ist. Unter Ausschluß von Luft bzw. Sauerstoff wird eine unmittelbare besonders stark endotherme Reaktion zwischen Wasser- und Kohlenwasserstoff durchgeführt. Diese Reaktion bedarf also der Zufuhr von Wärme. Es wird dabei von einem beispielsweise auch von der Wasserstoff-Herstellungstechnik her bekannten Verfahren ausgegangen, das sich auf die chemische Umsetzung von gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen , mit Wasser zu einem Kohlenoxyd-Wasserstoff-Gemiscb bezieht.An internal combustion engine with continuous combustion, for example a gas turbine, and a method for operating such an internal combustion engine are known a suitable catalyst is provided for this. With the exclusion of air or oxygen, an immediate, particularly strong endothermic reaction between water and hydrocarbons is carried out. This reaction therefore requires the supply of heat. It is in this case assumed to be known, for example, also in the hydrogen production technology forth process which refers to the chemical reaction of gaseous or liquid hydrocarbons, with water to form a carbon monoxide-hydrogen Gemiscb.
Zur Lösung der Aufgabe, die endotherme Reaktion bei einer mit kontinuierlicher Verbrennung arbeitenden Brennkraftmaschine, beispielsweise bei einer Gasturbine so anzuwenden, daß diese Reaktion als ein Mittel zu einer besonders umfassenden Wärmeregeneration und Verbreiterung der Kraftstoffbasis, insbesondere für Kohlenwasserstoffe unterschiedlichster Siedelage und Zündwilligkeit# ausgenutzt werden kann, ist bei, dem vorbekannten Verfahren vorgesehen, die . gerade nur für die genannte Umsetzung geeigneten Reaktionsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck, Verweilzeit, Anwesenheit geeigneterKatalysaforen sowie hinsichtlich der Ausgestaltung des Reaktionsraumes und schließlich hinsichtlich des Gewichtsverhältnisses der Reaktionspartner Kohlenwasserstoff und Wasser herbeizuführen.To solve the problem of using the endothermic reaction in an internal combustion engine operating with continuous combustion, for example in a gas turbine, in such a way that this reaction can be used as a means for a particularly comprehensive heat regeneration and broadening of the fuel base, in particular for hydrocarbons of various boiling positions and ignitability , is provided in, the previously known method, the . just to bring about reaction conditions suitable only for the mentioned reaction with regard to temperature, pressure, residence time, presence of suitable catalysis as well as with regard to the design of the reaction space and finally with regard to the weight ratio of the reactants hydrocarbon and water.
Hierzu wird die z. B. für 1 Grammol eingesetzten Kohlenwasserstoffes erforderliche Reaktionswärme (Reaktionsenthalpie AIu) ausschließlich aus der motorischen Abwärme bezogen, derart, daß in flüssiger oder gasförmiger Phase befindliche Kohlenwasserstoffkraftstoffe ausschließlich mit in flüssiger oder dampfförmiger Phase befindlichein Wasser in einem dementsprechend rein endothermen Prozeß in Kohlenoxyd und Wasserstoff kontinuierlich umgewandelt werden, und das entstandene Gas in dieser Form dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wobei der gegebenenfalls verwendete Katalysator ausschließlich durch die motorische Ab- wärme beheizt wird. Hierdurch ist also eine innere Beheizung des Reaktionsraumes einschließlich des Kätalysators für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasser durch eine teilweise Oxydation des eingesetzten Kohlenwasserstoffes ausgeschlossen. Es findet vielmehr eine direkte Umsetzung des Kohlenwasserstoffkraftstoffes mit Wasser gemäß der Gleichung statt, wobei als Folge des stark endotherrnen Char.3kters dieser Reaktion ein besonders energiereiches Kohlenoxyd-Wasserstoff-Brennga'sgemisch entsteht, das praktisch frei von dem inerten Gas CO, ist.For this purpose, the z. B. for 1 gramol of hydrocarbon used reaction heat (enthalpy of reaction AIu) exclusively from the engine waste heat, such that hydrocarbon fuels in the liquid or gaseous phase exclusively with water in the liquid or vapor phase in a correspondingly purely endothermic process in carbon oxide and hydrogen continuously are converted, and the resulting gas is fed in this form to the combustion chamber of the internal combustion engine, the catalyst that may be used being heated exclusively by the exhaust heat from the engine. This means that internal heating of the reaction space including the catalyst for the conversion of hydrocarbons with water through partial oxidation of the hydrocarbon used is excluded. Rather, there is a direct conversion of the hydrocarbon fuel with water according to the equation instead, whereby as a consequence of the strongly endothermic character of this reaction, a particularly high-energy carbon oxide-hydrogen fuel gas mixture is formed, which is practically free of the inert gas CO 2.
Weiter ist bei der voibekannten Lösung vorgesehen, daß die aufzubringende Reaktionswärme für die i 'in Reaktionsgefäß. stattfindende endotherme Umsetzung zwischen Kohlenwasserstoffen und Wasser a us der -fühlbaren Wärme der abziehenden motorischen Verbrennungsga§e. gedeckt wird. Dabei ist das Reaktionsgefäß na#h#'Äit eines Wärm>e-ta"usc>"hers unmittelbar im Abgasstrom der Turbine angeordnet. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, daß die zum Wärmetauscher fühsegd.r,#Abgasle#itjing relativ kurz gehalten werden kann, so., daß dann auch sehr wenig Abgasw'a:rm#I.ie *verlore-n'ge'ht. ue kann für diesen Zweck ein liätidelsüblibhes #R-daktionsgefäß, verwendet werden. Andererseits kann'dj p,Anor - - dn ung den Nachteil haben, daß zur vollständig-en kea-ktion zwischen Ausgangskraftstoff und Wasser die Abgase eine relativ hohe Temperatur haben müssen, was nur bei einem relativ schlechten thermodynan-lischen Wirkungsg--raid des Kreisprozesses der Fall ist.'Die-Anlage kann mit relativ niedriger Abgastemperatur gefahren 'eer«den, -wenn gemäß einer Ausführungsform.,der,vorbekannten Lösung die.für die7.Reaktion erforderliche Wärme allenfalls zu einem Teil dem Abgasstrom entnommen wird und das Reaktions# gefäß die Brennkammer mantelartig umgibt, um die erforderliche Reaktionswärme ganz oder zum:iindest zum wesentlichen Teil der Brennkammerwandung zu entnehmen, Die#c: Lösung kommt aber einer Senkung der Brennkammertemperatur gleich, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nicht verbessert werden kann.It is also provided in the previously known solution that the heat of reaction to be applied for the i 'in the reaction vessel. Endothermic conversion between hydrocarbons and water taking place from the sensible heat of the exhausting engine combustion gases. is covered. In this case, the reaction vessel is arranged directly in the exhaust gas flow of the turbine with a warmth. Such a design has the advantage that the exhaust pipe leading to the heat exchanger can be kept relatively short so that very little exhaust gas is then lost . A liätidelsüblibhes # R-daktionsgefäß can be used for this purpose. On the other hand, the dj p, Anor - - dnung can have the disadvantage that the exhaust gases have to be at a relatively high temperature in order to fully react between the starting fuel and water, which is only possible with a relatively poor thermodynamic efficiency Cyclic process is the case. The system can run with a relatively low exhaust gas temperature, if, according to one embodiment, the previously known solution, the heat required for the 7th reaction is at most partially removed from the exhaust gas flow and the reaction # Vessel surrounds the combustion chamber like a jacket in order to take all or at least a substantial part of the required heat of reaction from the combustion chamber wall.
Aufgab'd'der vorliegenden Erfindung ist es nun, die ältere Lösung so auszugestalten, daß lediglich eine Teilreaktion des Endreaktionsprozesses mit Hilfe der aus den Abgasen.gewonnenen Wärme bewirkt wird und die Wärme für die zur Endreaktion erforderliche hohe Temperatur ohne Nachteil für den Betrieb der Gesamtanlage anderweitig bereitgestellt wird.The task of the present invention is now the older solution designed so that only a partial reaction of the final reaction process with Help the heat won from the exhaust gases. Is effected and the heat for the Final reaction required high temperature without any disadvantage for the operation of the overall system is otherwise provided.
Zur. Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß nur ein Teil der Reaktionswärme aus der motorischen Abwärme bezogen wird, der Rest aus dem Arbeitsgas der Turbine nach einer gewissen Teilentspannung desselben, und zwar zwischen zwei Turbinenstufen bei einem Temperaturniveau ' das möglichst niedrig, aber gerade noch so hoch ist, daß mit ihm die Endphase der endothermen Kraftstoffreaktion durchzuführen ist.To the. Solution of the problem the invention proposes that only a part of the heat of reaction is obtained from the motor heat, the rest of the working gas of the turbine after a certain partial expansion thereof, between two turbine stages at a temperature level 'the as low as possible, but still just is so high that the end phase of the endothermic fuel reaction must be carried out with it.
Bei einer Anlage nach der Erfindung wird die in dem Abgas enthaltene Wärme aus dem thermodynamischen Arbeitsprozeß für eine Teilphase der endothermen Kraftstoffreaktion entnommen, für die nur ein relativ niedriges Temperaturniveau benötigt wird, so daß das Abgas niedrige Temperatur und der Kreisprozeß demzufolge einen günstigen thermodynamischen Wirkungsgrad haben kann.In a system according to the invention, the heat contained in the exhaust gas is taken from the thermodynamic work process for a partial phase of the endothermic fuel reaction , for which only a relatively low temperature level is required, so that the exhaust gas has a low temperature and the cycle process consequently has a favorable thermodynamic efficiency can.
Die fiji die Endphase der Reaktion erforderliche Wärme kann mit Hilfe des zwischen zwei Turbinenstufen entnommenen Arbeitsgases oder eines Teiles davon bereitgestellt werden. Im Bereich der Entnahme hat das Arbeitsgas im Rahmen des gesamten Kreisprozesses bereits eine Teilarbeit geleistet, so daß nur noch der Wirkungsgrad des nachfolgenden Teilprozesses eine Verminderung erfährt. Nach dem Wärmeaustausch zur Durchführung der endothermen Kraftstoffreaktion wird das Arbeitsgas wieder der Turbine zugeführt.The heat required for the final phase of the reaction can be provided with the aid of the working gas withdrawn between two turbine stages or a part thereof. In the area of extraction, the working gas has already done part of the work in the entire cycle, so that only the efficiency of the subsequent part process is reduced. After the heat exchange to carry out the endothermic fuel reaction, the working gas is fed back to the turbine.
Als besondere bauliche Maßnahme wird noch vorgeschlagen, daß die Entnahme von Reaktionswärme aus dem Arbeitsgas zwischen beiden Turbinenstufen mit einem Leitschaufelkranz mit hohlen Leitschaufelnerfolgt. Durch diese werden die Reaktionsgase hindurchgeleitet oder ein Wärmeträger, der die vöni -Arbeitsgas' der Tyrbine ibzug#b#nde Wärmeenergie aufnimmt, einem zusätzlichen Wärmetauscher zur Unterstützung der endothermen Kraftstoffreaktion.- zur- - Verfügung: .,zu- stellen. P er lWärmeträger kann ein flüsg&es..ode#,ggsförmiges Ströffiungsmittel sein.As a special structural measure, it is also proposed that the heat of reaction be removed from the working gas between the two turbine stages using a guide vane ring with hollow guide vanes. By this, the reaction gases are passed or a heat transfer medium, which receives the vöni -Arbeitsgas' of Tyrbine ibzug # b # nde heat energy, an additional heat exchanger to support the endothermic Kraftstoffreaktion.- zur- - available:, ask supply.. P he heat transfer medium can be a liquid or ggs-shaped disruptive agent.
. In der Zeichnung ist die Erfindung für eine Gasturbine.nanlage * an einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, Wobei das Wärmeschaltbild der Gasturbinenanlage mit einem abgasbeheizten Reaktionsgefäß zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffkraftstoffen mit Wasser in ein Kohlenoxyd-Wasserstoff-Brenngasgemisch gezeigt ist. . In the drawing, the invention for a gas turbine system * is shown schematically in an exemplary embodiment, the thermal circuit diagram of the gas turbine system with an exhaust gas-heated reaction vessel for converting hydrocarbon fuels with water into a carbon oxide-hydrogen fuel gas mixture is shown.
Bei- der' Gasturbinenählage gelangen die beiden Reaktionspartner in Form einer Kohlenwasserstoff-Wasser-Emulsion bzw. -Lösung-aus einem. Vorratsgefäß 1 über eine Leitun 2 und.ein Absperporga4 9 zur Pumpe 8. Die KohlenWasser-stöff-Was§er-Emul-' sion bzw. .-Lösung wird dann-*düi.ch die. Pumpe.8 Über die. Druckleit'u#ng 4 in ein abgasbeheiztes Reaktionsgefäß 9 gefördert und -dort entsprechend den vom Druck, von der Temperae, von dem Mischungsverhältnis und von der Art'der Katalysatoren abhängigen Gleichgewichtsbedingungen in Kohlenoxyd und Wasserstoff umgesetzt. Das mit W.asserdampf und Kraftstoffdampf und -gegebenenfalls mit noch kleinen Beimengungen an Nebenreaktionsprodukten mehr. oder weniger beladene Kohlenoxyd-Wasserstoff-Gemisch gelangt dann in_ die Brennkaminer 10, woselbst ein der gasförmigen Phase -a ' ngepaßter Bren.ner 11 die Voraussetzung für eine gute Verbrennung mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxyd und Wasserdampf schafft. Die Verbrennungsgase strömen danach zu einer als Hodhdruckstufe geschalteten Verdichterturbine 12, die durch die Arbeitsgasleitung 13, also nicht mechanisch, mit der Nutzturbine 14 verbunden ist. Diese Nutzturbine 14 stellt die Niederdruckstufe der Anlage dar. Sie ist mit einer Arbeitsmaschine, beispielsweise einem Generator 15, mechanisch gekuppelt. Die Abgase der Nutzturbine 14 werden zum Beheizen des Reaktionsgefäßes 9 verwendet. Zu diesem Zweck ist die Abgasleitung 16 dieser Nutzturbine über einen Heizungsregulierschalter 17 an die Heizvorrichtung für das Reaktionsgefäß 9 angeschlossen.Both reactants arrive in the form of a hydrocarbon-water emulsion or solution from one in the gas turbine system. Storage vessel 1 via a line 2 and a shut-off device 9 to the pump 8. The carbon-water-fuel-water emulsion or solution is then the. Pump. 8 Via the. Druckleit'u # ng 4 conveyed into an exhaust gas-heated reaction vessel 9 and converted there into carbon oxide and hydrogen in accordance with the equilibrium conditions which are dependent on the pressure, the temperature, the mixing ratio and the type of catalysts. That with water vapor and fuel vapor and, if necessary, with even more small admixtures of side reaction products. or less laden carbon monoxide-hydrogen mixture is then passed in_ the focal Kaminer 10, a gaseous phase -a 'ngepaßter Bren.ner 11 woselbst creates the conditions for good combustion with atmospheric oxygen to carbon dioxide and water vapor. The combustion gases then flow to a compressor turbine 12 which is connected as a high pressure stage and which is connected to the power turbine 14 through the working gas line 13, that is to say not mechanically. This power turbine 14 represents the low-pressure stage of the system. It is mechanically coupled to a working machine, for example a generator 15. The exhaust gases from the power turbine 14 are used to heat the reaction vessel 9. For this purpose, the exhaust line 16 of this power turbine is connected to the heating device for the reaction vessel 9 via a heating control switch 17 .
Wie ersichtlich, kann dabei der Heizungsregulierschalter 17 beispielsweise als eine Abgasregelklappe ausgebildet sein, die in an sich bekannter Weise entweder in Abhängigkeit von der mittels des Wärmefühlers 18 erfaßbaren Temperatur des Brenngasgemisches am Reaktionsgefäßaustritt oder aber in Abhängigkeit von der mittels des Wärmefühlers 19 feststellbaren Temperatur der Reaktionsgefäßwandung bzw. der Temperatur im Reaktionsgefäß die Abgasbeheizung des Reaktionsgefäßes 9 regelt.As can be seen, the heating control switch 17 can be designed, for example, as an exhaust gas control flap which, in a known manner, is either dependent on the temperature of the fuel gas mixture at the reaction vessel outlet, which can be detected by means of the heat sensor 18, or depending on the temperature of the reaction vessel wall, which can be determined by means of the heat sensor 19 or the temperature in the reaction vessel regulates the exhaust gas heating of the reaction vessel 9.
Die Abgasregelklappe 17 ermöglicht außerdem, den Abgasstrom zum Reaktionsgefäß 9 völlig abzusperren, so daß die gesamten Abgase über die Umelchungsleitung 20 direkt in die zum Wärmetauscher 22 führende Abgasleitung 21 geleitet werden können. Dadurch ist es möglich, auf normalen Einspritzbetrieb mit einem flüssigen, nicht umgewandelten# kaltem Kraftstoff umzustellen, so daß z. B. Inspektions- und Wartungsarbeiten am Reaktionsgefäß 9 vorgenommen werden können, ohne daß die Anlage außer Betrieb gesetzt werden muß.The exhaust gas control flap 17 also enables the exhaust gas flow to the reaction vessel 9 to be shut off completely, so that all of the exhaust gases can be passed via the bypass line 20 directly into the exhaust gas line 21 leading to the heat exchanger 22. This makes it possible to switch to normal injection operation with a liquid, unconverted # cold fuel, so that, for. B. inspection and maintenance work on the reaction vessel 9 can be carried out without the system having to be taken out of service.
Die aus der Heizvorrichtung für das Reaktions gefäß 9 ausströmenden Abgase werden über die Leitung 21 dem Wärmetauscher 22 zugeführt. Dort wird durch Abgase, und zwar in bekannter Weise unter Erhöhung des Wärmerückgewinnes die vom Verdichter23 über die Druckleitung24 zur Brennkammer 10 geförderte Luft vorgewärmt. Die Abgase des Wärmetauschers werden über die Leitung 25 beispielsweise ins Freie abgeleitet. Der Verdichter 23 wird von der Hochdruckturbine 12 angetrieben.The exhaust gases flowing out of the heating device for the reaction vessel 9 are fed to the heat exchanger 22 via line 21. There, the air conveyed from the compressor 23 via the pressure line 24 to the combustion chamber 10 is preheated by exhaust gases in a known manner while increasing the heat recovery. The exhaust gases from the heat exchanger are discharged into the open via line 25, for example. The compressor 23 is driven by the high pressure turbine 12.
Zum Anfahren bzw. zum Wechselbetrieb ist eine Umschaltvorrichtung 26 vorgesehen, durch welche die Einspritzeinrichtung in der Brennkammer 10 über die Leitung 27 beispielsweise unter Abschaltung der Leitung 2 und durch Öffnen des in der Leitung 6 befindlichen Absperrorgans 7 dann vom Kraftstoffbehälter 5 her mit reinem, nicht umgewandeltem (flüssigem) Kraftstoff versorgt und somit die Gasturbinenanlage in der herkömmlichen Art betrieben werden kann.For start-up or alternating operation, a switching device 26 is provided, through which the injection device in the combustion chamber 10 via the line 27, for example by switching off the line 2 and by opening the shut-off element 7 located in the line 6, then from the fuel tank 5 with pure, not converted (liquid) fuel and thus the gas turbine system can be operated in the conventional manner.
Um nun den Betrieb und die vollständige Endthermokraftstoffreaktion bei niedrigen Abgastemperaturen und demzufolge einem günstigen therrnodynamischen Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu ermöglichen, wird bei der insoweit mit der älteren Erfindung übereinstimmenden Anlage die für die vollständige Kraftstoffreaktion erforderliche Wärme mit Arbeitsgas bereitgestellt, das zwischen zwei Stufen der Verdichterturbine 12 oder der Leistungsturbine 14 entnommen, über eine Leitung 29 dem Wärmetauscher 48 zugeführt und über eine Rückströmleitung 30 erneut der Turbine 12 bzw. 14 zugeführt wird. Ein Regelorgan 31 regelt die Zwischenentnahme der Turbine.In order to enable the operation and the complete final thermal fuel reaction at low exhaust gas temperatures and consequently a favorable thermodynamic efficiency of the cycle, the system, which corresponds to the older invention, provides the heat required for the complete fuel reaction with working gas, which between two stages of the compressor turbine 12 or taken from the power turbine 14, fed to the heat exchanger 48 via a line 29 and fed again to the turbine 12 or 14 via a return line 30. A regulating element 31 regulates the intermediate extraction of the turbine.
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