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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Gasturbinenanlagen mit Druckvergasung
der Brennstoffe Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Kraft und hat eine
verbesserte Kraftanlage und ein verbessertes Verfahren zur Kraftgewinnung zum Gegenstand.
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Die Vorteile. die bei der Verwendung minderwertiger Brennstoffe, wie
Kohlen, Koks, Grus, Kohlenstaub, Torf, Restölen, minderwertiger flüssiger und verschiedenartiger
gasförmiger Brennstoffe, für die Krafterzeugung unter Benutzung von Gas- oder Ölturbinen
erreicht werden können, sind beträchtlich. Die Nachteile bestehen darin, daß man
die Brennstoffe vergasen muß, was zu Verlusten führt, und die Gase säubern und reinigen
muß, wodurch die Kosten der so gewonnenen Kraft erhöht werden.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist es, Verfahren und Anlagen zu schaffen,
in denen die Verluste bei der Vergasung und die Kosten der Säuberung und Reinigung
der Gase oder Brennstoffe auf einem Minimum gehalten werden und damit minderwertige
Brennstoffe wirtschaftlich und vorteilhaft verwendet werden können; gleichzeitig
kann der
Kapitalaufwand für die Anlage im Vergleich zu bekannten
Verfahren für Krafterzeugung beträchtlich herabgesetzt werden. ' Nach einem Verfahren
der Erfindung für Krafterzeugung wird Luft, Sauerstoff - oder anderes sauerstoffhaltiges
Gas, die im folgenden alle miteinander als Luft bezeichnet werden, komprimiert,
ein Teil der - komprimierten Luft .in einem ersten Wärmeaustauscher erhitzt und
die so vorgeheizte Luft in zwei Ströme geteilt, deren einer zu einem Generator geführt
wird, wo er zusammen .mit Dampf zur Umsetzung mit einem Brennstoff benutzt wird;
die gasförmigen Produkte aus dem Generator werden in einem zweiten Wärmeaustauscher
gekühlt, von wo sie zu einem Kühl- und Reinigungssystem gelangen. Dann werden sie
in dem erwähnten zweiten Würmeaustauscher erhitzt und in einer Verbrennungskammer
'mit Luft aus dem zweiten Strom der vorerhitzten komprimierten Luft aus dem Kompressor
verbrannt. Die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer werden in zwei Ströme
geteilt, von denen der erste einen dritten Wärmeaustauscher und-einen vierten Wärmeaustauscher,
in denen er gekühlt wird, und dann eine Turbine passiert. Die die Turbine verlassenden
Gase werden in einem fünften Wärmeaustauscher erhitzt und gelangen von dort durch
eine zweite Turbine. Der zweite Gasstrom aus der Verbrennungskammer wird in dem
fünften Wärmeaustauscher gekühlt und gelangt dann zusammen- mit dem ersten Strom
aus der Verbrennungskammer in die erste Turbine, ein weiterer Luftstrom aus dem
Kompressor wird in dem vierten Wärmeaustauscher erhitzt, passiert eine dritte Turbine,
wird dann in dem dritten Wärmeaustauscher erhitzt, passiert eine vierte Turbine
und wird dann in dem ersten Wärmeaustauscher gekühlt.
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Das die zweite -Turbine verlassende Gas kann zum Erhitzen eines weiteren
Wärmeaustauschers oder Boilers verwendet oder seine Wärme in jeder anderen gewünschten
Weise gebraucht werden.
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Die Erfindung umfallt auch Apparate für die Ausführung des oben geschilderten-
Verfahrens. Diese enthalten einen mit einem. Wärmeaustauscher verbundenen Kompressor,
eine Leitung von diesem Wärmeaustauscher zu einem Generator, eine Abzugsleitung
von diesem Generator in Verbindung zu einem zweiten Wärmeaustauscher, der mit einem
Kühl- und Reinigungsapparat verbunden ist. Dieser steht in Verbindung mit dem zweiten
Wärmeaustauscher und von da durch eine Leitung mit einer Verbrennungskammer, welche
durch eine Luftleitung mit dem ersten Wärmeaustauscher verbunden ist. Eine Abzugsleitung
aus der Verbrennungskammer ist hintereinander verbunden mit einem dritten und einem
vierten Wärmeaustauscher; eine Turbine ist durch eine Leitung mit dem vierten yVärmeaustauscher
und auch mit einem fünftem Wärmeaustauscher verbunden, der seinerseits in Verbindung
mit einer zweiten Turbine steht. Eine zweite Abzugsleitung aus der Verbrennungskammer
führt zum fünften Wärmeaüstauscher; eine Leitung aus dem fünften Wärmeäustaüscher
steht in Verbindung mit der Leitung zwischen dem vierten Wärmeaustauscher und der
ersten Turbine; eine Leitung führt von dem Kompressor zu dem vierten Wärmeaustauscher,
der seinerseits nacheinander mit einer dritten Turbine, dem dritten Wärmeaustauscher,
einer vierten Turbine und dem ersten Wärmeaustauscher verbunden ist.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Krafterzeugung
wird Luft komprimiert, dann in einem Wärmeaustauscher erhitzt, die vorgeheizte Luft
wird in zwei Ströme geteilt, von denen der erste in einem zweiten Wärmeaustauscher
weitererhitzt, dann durch eine Turbine geleitet, in dem ersten Wärmaustauscher gekühlt,
in einem Kühler und in einem dritten Wärmeaustauscher weiter gekühlt, dann durch
eine zweite Turbine geleitet, hierauf in einem vierten Wärmeaustauscher gekühlt,
in dem dritten Wärmeaustauscher. erhitzt und zu dem Kompressor zurückgeleitet wird;
ein zweiter Strom vorgeheizter Luft aus dem ersten Wärmeaustauscher wird in einem
Generator zur Umsetzung mit einem Brennstoff mit Hilfe von Dampf benutzt, die gasförmigen
Produkte aus dem Generator werden einem Kühl-und Reinigungssystem und dann einer
Verbrennungskammer zugeleitet, wo sie mit weiterer vorgeheizter Luft aus dem ersten
Wärmeaustauscher verbrannt werden; die Verbrennungsgase werden in dem zweiten Wärmeaustauscher
gekühlt, von welchem aus sie eine dritte Turbine passieren, dann werden sie in dem
zweiten Wärmeaustauscher erhitzt und gelangen zu einer vierten Turbine.
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Die aus der vierten Turbine austretenden Gase können zur Erhitzung
eines weiteren Wärmeaustauschers öder Boilers verwendet oder ihre Wärme kann in
jeder anderen gewünschten Weise ausgenutzt werden.
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Die Erfindung umfallt auch Apparate zur Ausführung des modifizierten
Verfahrens. Diese enthalten einen Kompressor, zwei mit diesem in Reihe verbundene
Wärmeaustauscher, eine mit dem zweiten Wärmeaustauscher verbundene Turbine, wobei-
die Turbine mit dem ersten Wärmeaustauscher und von da mit einem Kühler verbunden
ist; dann ist ein dritter Wärmeaustauscher, eine zweite Turbine und ein weiterer
Wärmeaustauscher vorhanden; dieser steht in Verbindung mit dem dritten Wärmeaustauscher,
der seinerseits eine Rückleitung zu dem Kompressor hat; ferner Leitungen aus dem
ersten Wärmeaustauscher zu einem Generator und einer Verbrennungskammer, ein Kühl-
und Reinigungssystem, das an eine Abzugsleitung des Generators und eine Zuleitung
der Verbrennungskammer angeschlossen ist, eine mit dem zweiten Wärmeaustauscher
verbundene Ableitung aus der Verbrennungskammer, eine Leitung von dem zweiten Wärmeaustauscher
zu einer dritten Turbine, eine Leitung von der dritten Turbine zu dem zweiten Wärmeaustauscher
und von da zu einer vierten Turbine.
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Die- Erfindung wird nun in Form eines Beispiels unter Bezug auf die
schematischen Zeichnungen noch näher erläutert.
Fig. i zeigt in
Form eines Strömungsschemas eine Vorrichtung, die zur Ausführung einer Form des
Verfahrens der Erfindung geeignet ist, und Fig. 2 stellt in Form eines Strömungsschemas
eine Vorrichtung dar, die sich für die Durchführung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.
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Gemäß Fig. i der Zeichnung wird Luft durch Rohr i in einen Kompressor
2 geschickt. Die komprimierte Luft entweicht durch ein Abzugsrohr 3. Ein Teil der
komprimierten Luft zieht durch das Abzweigungsrohr 4 und der Rest aus Rohr 3 wird
in dem Wärmeaustauscher 5 erhitzt. Ein Teil der so vorgeheizten Luft wird durch
Rohr 6 einem Generator 7 zugeleitet, in dem sich Brennstoff befindet; dieser wird
durch die vorgeheizte Luft und Dampf, den man durch Rohr 8 einleitet, verbrannt.
Die gasförmigen Produkte verlassen den Generator durch das Abzugsrohr 9 und gelangen,
nachdem sie in dem Wärmeaustauscher 1o gekühlt wurden, zu einer Bühl-, Fäll- und
Reinigungsvorrichtung i i. Sie verlassen diese durch Rohr 12, werden in dem Wärmeaustauscher
io erhitzt und gelangen dann durch Rohr 13 in eine Verbrennungskammer 14, wo sie
durch vorgeheizte Luft aus Rohr 3 verbrannt werden. Die Verbrennungsprodukte ziehen
durch Rohr 15 ab und ein Teil der Verbrennutigsprodulzte gelangt nacheinander durch
einen Wärmeaustauscher 16, ein Rohr 17 und einen Wärineaustausc.her iS, die beide
Kühlung bewirken. Die :den Wärmeaustauscher 18 verlassenden Gase ziehen durch Rohr
i9 zu einer Turbine 2o, die ein Abzugsrohr 21 hat. Durch dieses kommen die Abgase
zu einem Wärmeaustauscher 22, in dem sie erhitzt werden, worauf sie zu einer Turbine
23 gelangen. Ein Teil der Abgase aus Turbine 23 passiert über ein Rohr 24 einen
Wärmeaustauscher 25. Dieser Wärmeaustauscher dient dazu, den Abgasen die in ihnen
noch enthalten"- Wärme zu entziehen und für irgendwelche Zwecke zu verwenden. Beispielsweise
kann der Wärmeaustauscher 25 aus einem Kessel oder aus einem sonstigen Wassererhitzer
bestehen. Der Rest der Abgase kann zur weiteren Verwendung durch ein Rohr 26 abgeführt
werden. Der L?berschuß der aus der Verbrennungskammer i4 abziehenden Gase wird durch
ein Abzweigungsrohr 27 dein Wärmeaustauscher 22 zugeführt, in welchem diese Gase
gekühlt werden, worauf dieselben durch ein Rohr 28 zu der Turbine 2o zurückgeführt
werden. Dadurch wird den aus der Verbrennungskammer 14 kommenden Gasen ein Teil
ihrer Wärme entzogen, bevor sie in die Turbine 20 eintreten. Dadurch wird erreicht,
daß das Gas nicht mit einer zu hohen Temperatur in die Turbine -lo gelangt. Wenn
das Gas zu heiß wäre, könnte es Schäden in der Turbine verursachen. Die dem Gas
entzogene Wärme ist aber nicht verloren, sondern wird von dein Wärmeaustauscher
22 aufgenommen und erhitzt die Gase, welche die Turbine 2o durch die Leitung 21
verlassen.
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Die das Rohr 4 passierende komprimierte Luft wird in dem.Wärmeaustauscher
1S erhitzt, gelangt zu der Turbine 29 und dann durch Rohr 30 über den Wärmeaustauscher
16 zur Turbine 31, aus der sie durch Rohr 32 zur Kühlung in den Wärmeaustauscher
5 zurückgeschickt wird. Nachdem das Gas auf diese Weise gekühlt wurde, wird es durch
Rohr 33 abgelassen.
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Nach Fig. 2 der Zeichnungen wird Luft durch Rohr 34 zugeführt und
in einem Kompressor 35 komprimiert. Die komprimierte Luft zieht durch ein Rohr 36
ab und wird in einem Wärmeaustauscher 37 erhitzt. Ein Teil der vorgeheizten Luft
strömt durch ein Abzweigungsrohr 38; der Rest wird in einem Wärmeaustauscher39 erhitzt,
gelangt dann in eine Turbine 4o, von dieser durch Rohr 41 zu einemWärmeaustauscher
37, wo er gekühlt wird, durch Rohr .:1.2 zu einem Kühler 43, dann über Rohr 44 durch
einen Wärmeaustauscher 45, in welchem er weiter gekühlt wird, und von da in Turbine
_1.6. Durch die Kühlung des Gases in dem Ii.fliler 43 wird bezweckt, die in die
Turbine 46 eintretenden Gase so kühl wie möglich zu halten, da sie anschließend
dem Kompressor 35 zugeführt werden. Die Turbine 46 dient in diesem Fall vor allem
dazu, die Gase durch Expansion abzukühlen. Das Gas verläßt die Turbine 46 durch
das Rohr 47, wird dann in dem Wärmeaustauscher 48 gekühlt, verläßt diesen durch
Rohr 49, wird dann in Wärmeaustauscher 45 erhitzt und durch Rohr 34 zum Kompressor
zurückgeschickt; dabei wird die dein geschlossenen Kreislauf durch die Leitung 38
entzogene Luft durch eine entsprechende Menge Luft ersetzt, «-elche dem Kompressor
35 durch die Leitung 34u zugeführt wird. -Der durch Rohr 38 ziehende Strom
von vorgeheizter Luft wird einem Generator 5o zugeführt, in dem Brennstoff mit Hilfe
von Dampf, den man durch Rohr 51 einleitet, verbrannt wird. Die den Generator durch
Rohr 52 verlassenden Gase werden in einer Kühl-, Reinigungs- und Fällvorrichtung
53 behandelt, die gereinigten Gase ziehen durch Rohr 54 zu Verbrennungskammer 55,
in der sie durch vorgeheizte komprimierte Luft, die durch Rohr 56 zugelassen wird,
verbrannt werden. Die Verbrennungsgase ziehen durch Rolir57 ab und werden in dein
Wärmeaustauscher 39 gekühlt, von welchem aus sie durch Rohr 58 zur Turbine 59 gelangen.
Die Abgase derselben passieren Rohr 6o, werden in dem Wärmeaustauscher 39 erhitzt
und gehen dann zur Turbine 61.
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In dem Generator kann Kohlendioxyd zusätzlich zu Dampf verwendet werden
und der Dampf kann, wenn anstattLuft Sauerstoff angewendet wird, vollkommen durch
Kohlendioxyd ersetzt werden.
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Selbstverständlich «-erden die Gase zur Krafterzeugung in jeder Turbine
expandiert.
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Der Generator kann ein solcher für feste Brennstoffe sein, der beliebige
feste Brennstoffe unter hohem oder niedrigem Druck vergast. Wenn flüssige Brennstoffe,
wie Öle oder Teere, oder solche festen . Brennstoffe, wie Peche, gepulverte Peche
oder gepulverte Kohlen, verwendet werden, muß der Gasgenerator aus einem heiße Gase
erzeugenden Brenner bestehen und die fühlbare Hitze dieser Gase oder Dämpfe wird.
dazu benutzt, die obenerwälinten
Brennstoffe zu spalten, zu verdampfen
oder zu vergasen, indem sie in die erzeugten Gase eingespritzt werden.
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Auf anderem Wege hergestellte Gase können in der Kraftanlage ebenfalls
verwendet werden. Geeignete Änderungen können bei Anwendung des Verfahrens in der
chemischen Industrie, der Eisenindustrie, in verwandten und anderen Industrien angebracht
werden, wo Luft oder Gase unter Druck und bei erhöhter Temperatur erforderlich oder
als Restgase verfügbar sind.
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Die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzten Drücke können
zweckmäßig z. B. zwischen 2 und 5o Atmosphären liegen.
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Die Temperatur der durch die Turbinen ziehenden Gase kann z. B. 40o
bis iooo° sein, wobei die obere Grenze von dem Material abhängt, aus dem die Turbinen
hergestellt sind. Die in den Wärmeaustauschern zu kühlenden Gase können z. B. eine
Temperatur zwischen 60o und 120o° haben, wobei die obere Grenze wieder von den Materialien
abhängt, aus denen, die Wärmeaustauscher hergestellt sind.
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Die benutzten Kühler können vom direkten oder indirekten Typ sein,
z. B. unter Verwendung von Wasser oder Luft oder anderen Gasen als Kühlmittel, und
die Fällungsvorrichtungen können elektrostatische Abscheider und/oder Zyklone sein.
DieReiniger können von jeder üblichenBauart sein.