Gasturbine

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Energiewandlung bzw. der Kraft- bzw. Wärmeerzeugung. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, dass eine Gasturbine von Brenngasen versorgt und von diesen angetrieben wird. Die so umgesetzte Energie kann beispielsweise als elektrische Energie nutzbar gemacht werden. Die der Gasturbine zugeführten Gase können dabei aus unterschiedlichen Verbrennungsprozessen stammen. Bekannt sind auch Anlagen, bei denen zunächst im Rahmen einer Vergasung, beispielsweise einer Festbrennstoffvergasung, entstehende Gase erzeugt und diese verbrannt und der Gasturbine zugeführt werden. Damit bezieht sich die Erfindung insbesondere auf den Betrieb einer Gasturbine (im Rahmen eines Joule-Zyklus) mit festen Brennstoffen.

Gasturbinen werden heutzutage meist mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben. Diese Brennstoffe erzeugen ein Abgas in einer Form, welche für Gasturbinen und insbesondere Gasturbinenexpander tolerierbare Schadstofffrachten enthält. Allerdings sind flüssige und gasförmige Brennstoffe teuer und, wie auch im Fall von fossilem Erdgas, gehen die globalen Vorräte zur Neige. Festbrennstoffe, wie Kohle oder feste Biomasse, sind günstiger und insbesondere im Fall von Biomasse auch nachhaltig verfügbar. Allerdings erzeugen diese Brennstoffe in der Regel ein Abgas, welches Schadstofffrachten für eine Gasturbine bzw. einen Expander in nicht mehr tolerierbarem Ausmaß enthält. Die Konzentration von Staub muss daher unter einem bestimmten Wert liegen, um Erosion und Ablagerungen an den Bauteilen der Gasturbine bzw. des Expanders zu vermeiden. Die Höhe der Staubkonzentrationen im Abgas hängt auch vom Ascheanteil des Brennstoffes ab sowie auch von dem verwendeten Verbrennungsverfahren.

Daneben können auch gasförmige Schadstoffe, wie Alkalien, Schwefelverbindungen oder Chloride in kondensierter Form mit den Legierungselementen des Expanders reagieren. Dabei können sie zu Abtragungen und/oder dem Versagen der Bauteile führen. Insbesondere tritt ein derartiges Versagen dabei weit vor dem üblichen Lebenszeitende auf. Derartige Schadstoffe in dem Abgas stammen auch aus Spurenelementen im Brennstoff.

Feste Brennstoffe enthalten üblicherweise mehr Verunreinigungen, die zu Staub und Schadstoffen im Abgas führen als flüssige Brennstoffe. Damit ist die Aufbereitung und Entfernung von Verunreinigungen für feste Brennstoffe üblicherweise aufwendiger als für flüssige und gasförmige Brennstoffe. Aus dem Stand der Technik sind viele Verfahren bekannt, die Festbrennstoffe in einem Joule-Zyklus einsetzen. Bislang hat sich jedoch noch keines dieser Verfahren am Markt durchgesetzt.

Bei den bekannten Feststoffverbrennungsverfahren, die beispielsweise bei atmosphärischen Bedingungen zur Erzeugung von Rauchgas eingesetzt werden, werden Staubfilter eingesetzt sowie auch je nach Qualität des Brennstoffes eine Abtrennstufe für die gasförmigen Schadstoffe aus dem heißen Abgas. Aus dem internen Stand der Technik der Anmelderin ist auch die Verwendung von Abtrennverfahren bei niedrigen Temperaturen bekannt, wie beispielsweise Waschverfahren, Elektrofilter oder Membranfilter. Diese verringern allerdings den thermodynamischen Wirkungsgrad des Prozesses und erhöhen auch den Aufwand. Daher werden nach dem internen Stand der Technik der Anmelderin auch zum Teil im heißen Abgasstrang Bauteile eingesetzt, die mit den Staub- und Schadstoffkonzentrationen umgehen können, wie beispielsweise Wärmetauscher bei Dampfprozessen. Die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten erfordert jedoch teilweise den Einsatz von Staubfiltern, die im kalten Ab- gasstrang eingesetzt werden.

Bei Betrieb eines der Feststoffverbrennungsverfahren unter Druck beispielsweise in einem direkt gefeuerten Joule-Zyklus sollten die Schadstoffe vor dem Expander und damit bei möglichst hoher Temperatur entfernt werden, um den thermodynamischen Wirkungsgrad nicht zu verringern. Die bisher vorgeschlagenen Verfahren setzen einen Staubfilter und/oder ein Zyklon ein, um die Staubfrachten aus dem heißen Rauchgas zu entfernen. So wird beispielsweise in der US 10201 10120140 A1 vorgeschlagen, gemahlene Biomasse in einer Zyklonbrennkammer zu verbrennen und die Asche anschließend in einem ebenfalls zyklonartigen Teil der Brennkammer aus den heißen Rauchgasen abzutrennen. Fraglich ist hier jedoch, ob die Staubgehalte für den dauerhaften Betrieb einer Gasturbine geeignet sind. Auch eine entsprechende Heißgasreinigung ist bislang noch nicht bekannt. Eine weitere, bereits im internen Stand der Technik der Anmelderin vorgeschlagene Möglichkeit, eine Gasturbine mit Festbrennstoffen zu betreiben, ist der Einsatz eines Hochtemperaturwärmetauschers zwi- sehen dem heißen Rauchgas und der komprimierten Luft, d.h. eine Art indirekt gefeuerter Joule-Prozess. Der Wärmetauscher wird so ausgelegt, dass er höhere Staub- und Schadstoffkonzentrationen toleriert als die Gasturbine. Die Turbine wird nur mit sauberer Luft beaufschlagt. Allerdings ist der Aufwand für den Wärmetauscher, die Rohrleitungen und die Armaturen hoch, da Gastemperaturen verwendet werden, die über 1000°C liegen und bei hohen Drücken auftreten. Daneben muss der Wärmetauscher einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, um die Gesamteffizienz des Prozesses nicht übermäßig zu verringern.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik auch Verfahren bekannt, welche die festen Brennstoffe, wie beispielsweise Kohle, in einen gasförmigen Zustand umwandeln (Verga- sung) und dieses Gas in einem direkt gefeuerten Joule-Prozess einsetzen. So ist es aus der US 5 272 866A bekannt, dass nach einer Druckvergasung die erzeugten Brenngase in einem Zyklon und einem Staubfilter gereinigt werden, bevor sie in der Brennkammer der Gasturbine verbrannt werden. Diese Verfahren setzen jedoch hohe Investitionskosten voraus. Dabei wäre es möglich, dass die Vergasung unter Druck erfolgt, oder aber bei atmosphärischen Bedingungen. Das erstgenannte Verfahren erfordert mehr Aufwand für die Komprimierung des Produktgases. Für die Komprimierung muss das erzeugte Brenngas abgekühlt werden, was zu einem Wirkungsgradverlust führt und es müsste weitergehend von Teeren befreit werden, um Ablagerungen beispielsweise im Kompressor zu vermeiden.

Die Reinigung von Staub und gasförmigen Schadstoffen erfolgt teilweise im Produktgas. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vergasungsverfahren für den Einsatz im Joule- Zyklus, wie beispielsweise Wirbelschichtverfahren, haben die Eigenschaft, dass das Produktgas mit einer für den Expander zu hohen Konzentration an Staub und gasförmigen Schadstoffen bei hohen Temperaturen entsteht und damit ähnliche Problematiken bei der Reinigung vorhanden sind wie bei dem Verbrennungsverfahren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine und bevor- zugt auch ökonomisch mit festen Brennstoffen, wie beispielsweise Biomasse, zu betreiben und hierbei auch die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionswerte einzuhalten.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine wird mittels einer Vergasereinrichtung ein fließfähiger Brennstoff erzeugt und dieser fließfähige Brennstoff einer Brennkammer zugeführt. Weiterhin werden bei der Verbrennung dieses Brennstoffes entstehende Rauchgase der Gasturbine zugeführt. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Vergasereinrichtung um einen Gegenstromvergaser, wobei wenigstens teilweise feste Brennstoffe zur Vergasung zugeführt werden.

Bei dem fließfähigen Brennstoff handelt es sich bevorzugt um einen flüssigen und/oder gas- förmigen Brennstoff. Auch kann der Brennstoff sowohl flüssige als auch gasförmige Anteile aufweisen.

Es wird also vorgeschlagen, dass zunächst einer Vergasungseinrichtung, welche als Gegenstromvergaser ausgeführt ist, feste Brennstoffe und insbesondere Biomasse zugeführt wer- den. Damit wird hier die Kombination eines Gegenstromvergasers und einer Brennkammer vorgeschlagen. Durch diese Kombination können Staubwerte im Abgas erreicht werden, die auch ohne Staubfilter unter den gesetzlichen Vorgaben liegen. Dieses Ergebnis wird auch durch die geringen Gasgeschwindigkeiten in dem Vergaser und insbesondere dem Kopfraum eines Vergasers erreicht. Daneben kann dieses Ergebnis auch durch einen Wasser- Teer-Nebel im Kopfraum des Vergasers erreicht werden, der an Staubpartikeln kondensiert und damit den Staub am Austritt in die Produktgasleitung d.h. die Brennstoffleitung hindert. Vorteilhaft handelt es sich damit bei dem fließfähigen Brennstoff um einen gasförmigen Brennstoff und insbesondere um das Produktgas eines Vergasungsprozesses. Vorteilhaft wird das Produktgas aus der Vergasungseinrichtung mit einer Temperatur von weniger als 250°C, bevorzugt von weniger als 200°C und besonders bevorzugt von weniger als 170°C ausgeführt. Damit wird hier vorgeschlagen, die Gasturbine direkt mit festen Brennstoffen (genauer mit Produktgas aus einer Vergasung dieser Brennstoffe) zu befeuern, wobei vorteilhaft die Feuerung unter Druck in wenigstens zwei Stufen aufgebaut ist und besonders bevorzugt keine Reinigungsstufe verwendet wird. Durch den Verzicht auf die Reinigungsstufe können einerseits die Kosten für das Verfahren reduziert werden und andererseits auch der Wirkungsgrad erhöht werden.

Bei der ersten Stufe handelt es sich - wie oben erwähnt - insbesondere um einen Gegen- stromvergaser, der die anorganischen Bestandteile des Brennstoffes, wie Asche und Staub, und die gasförmigen Schadstoffe fast vollständig abtrennt. Aus diesem Grunde ist eine Reinigung des aus dem Gegenstromvergaser stammenden Produktgases (d.h. des Brennstoffes) nicht notwendig. Die anschließende Verbrennungsstufe führt zu einem Abgas bzw.

Rauchgas, welches für den Betrieb einer Gasturbine geeignet ist. Bevorzugt erfolgt die Verbrennung in der Brennkammer flammenlos, um insbesondere auch die Bildung von NOx- Verbindungen zu verhindern. Insbesondere eine Brennstoff- oder Luftstufung sowie lange Verweilzeiten sorgen für eine stabile Verbrennung, einen vollständigen Ausbrand und auch Rausgasemissionen, die unter den gesetzlichen Grenzwerten liegen.

Bevorzugt erfolgt eine Verbrennung des brennbaren Gemisches aus Gasen, Flüssigkeiten und Aerosolen.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird in einem Kompressor (beispielsweise im Kompressor der Turbine) Luft mit mechanischer Energie verdichtet. Bevorzugt wird ein Teilstrom dieser verdichteten Luft auch der Vergasereinrichtung zugeführt und wandelt bevorzugt den Festbrennstoff in ein Gemisch aus flüssigen und gasförmigen Stoffen um.

Vorteilhaft wird in der Vergasereinrichtung der Festbrennstoff nach dem Gegenstromverga- sungsverfahren in einem gasförmigen und flüssigen Zustand überführt. Das Produktgas aus dieser Vergasungsstufe wird bevorzugt mit Wasserdampf gesättigt. Mit anderen Worten wird bevorzugt der entstehende fließfähige Brennstoff mit einem Flüssigkeitsdampf gesättigt, bei dem es sich insbesondere um Wasserdampf handelt. Bevorzugt besteht die flüssige Phase aus Pyrolyseteeren und kondensiertem Wasser. Der in der Biomasse enthaltene Staub kann durch die geringen Gasgeschwindigkeiten jedoch nur zu einem Teil aus dem Vergaser ausgetragen werden. Zusätzlich erhöht die stattfindende Kondensation von Wasserdampf an den Staubpartikeln deren Gewicht und erschwert damit den Austritt. Die gasförmigen Schadstoffe aus dem aufsteigenden Produktgas kondensieren vorteilhaft bei den geringen Produktgastemperaturen (welche beispielsweise unter 170°C liegen) und verbleiben zu einem Großteil in der Vergasereinrichtung. Bevorzugt wird damit der fließfähige Brennstoff ungereinigt der Brennkammer zugeführt. Dadurch, dass - wie oben erwähnt - die Schadstoffe überwiegend in der Vergasereinrichtung verbleiben, ist eine weitere Reini- gung des Produktgases nicht erforderlich.

Vorteilhaft werden auch in der Brennkammer entstehende Rauchgase der Gasturbine ungereinigt zugeführt. Dies kann insbesondere als Folge der oben erwähnten flammenlosen Verbrennung erreicht werden.

Vorteilhaft wird in die Vergasereinrichtung Wasserdampf eingeführt. Neben Wasserdampf könnten jedoch auch andere flüssige Medien eingesetzt werden, insbesondere auch Wasser enthaltende Gemische. Vorteilhaft wird der fließfähige Brennstoff mit Wasserdampf gesättigt. Die für die Sättigung des Produktgases mit Wasserdampf notwendige Feuchte kann beispielsweise entweder aus dem Festbrennstoff selbst stammen, aus einer Befeuchtung des Festbrennstoffes mit Wasser oder auch aus einer Einspritzung von Wasser in einen Bereich der Vergasereinrichtung und insbesondere einen Kopfraum des Gegenstromvergasers. Daneben wäre es auch möglich, Wasser bzw. Wasserdampf in die Produktgasleitung einzufüh- ren. Dieser Wasserdampfmassenstrom in dem Produktgas führt auch zu einer Erhöhung der Leistung der Gasturbine. Es wäre dabei auch möglich, die unterschiedlichen Vorgehensweisen zur Zuführung von Wasser bzw. Wasserdampf zu kombinieren und in mehreren der oben genannten Bereiche Wasser zuzuführen, beispielsweise sowohl dem Brennstoff selbst als auch dem Kopfraum der Vergasereinrichtung oder auch sowohl dem Kopfraum der Ver- gasereinrichtung als auch dem austretenden Produktgas. Der Fachmann erkennt, dass die vier oben vorgeschlagenen Möglichkeiten für Zuführung von Wasser in beliebiger Weise kombiniert werden können, damit beispielsweise ein nahezu ausreichender originär in der Biomasse vorhandener Wassergehalt kombiniert werden kann mit einer weiteren noch geringen Wasserdampfzuführung in den Kopfraum der Vergasereinrichtung. Wie oben erwähnt, wird der Vergasereinrichtung vorteilhaft ein Festbrennstoff zugeführt, wobei es sich insbesondere bei diesem Festbrennstoff um Biomasse handelt. Damit kann der Festbrennstoff Komponenten aufweisen, wie beispielsweise Gräser, Stroh, Holz und dergleichen. Daneben können als Biomasse auch in einer Brauerei oder Kelterei entstehende biologische Abfälle wie Treber oder Trester dienen.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die Verbrennung des fließfähigen Brennstoffes in der Brennkammer bei Temperaturen von mehr als 800°C durchgeführt. Die Verbrennungsreaktion ist dabei vorteilhaft derart optimiert, dass die flüssige Phase in dem Produktgas vollständig ausbrennt. Dies wird einerseits durch die hohen Temperaturen von bevorzugt mehr als 800°C erreicht und andererseits durch sehr lange Verweilzeiten in der Brennkammer insbesondere Verweilzeiten von mehr als 1 s. Der Bildung von schädlichen Stickstoffoxiden in dem Rauchgas, insbesondere aus dem in dem Brennstoff enthaltenen Stickstoff (Brennstoff-NOx) wird vorteilhaft mit der oben angesprochenen gestuften Verbrennung begegnet. Vorteilhaft weisen zu diesem Zweck die Brennkammern wenigstens zwei Zonen auf. Besonders bevorzugt wird dabei in einer ersten Zone der Brennkammer bei einer weitgehenden und bevorzugt vollständigen Zugabe des Produktgases und nur einer teilweisen Zugabe des Luftstroms eine unterstöchiometrische Reaktion erzeugt, welche die Bildung von unschädlichem Stickstoff bevorzugt.

Bevorzugt wird in einer weiteren Zone der Brennkammer dann der restliche Luftstrom hinzugegeben und auch der vollständige Ausbrand sichergestellt. Vorteilhaft werden hierbei Lufttemperaturen von mehr als 300°C, bevorzugt von mehr als 400°C und bevorzugt von mehr als 450°C verwendet, um die Anwendung des Konzepts der volumetrischen Verbrennung (welche auch flammenlose Oxidation genannt wird) sinnvoll zu gestalten. Dabei wird bevorzugt keine definierte Flamme erzeugt, sondern die Verbrennungsreaktionen finden aufgrund einer guten Durchmischung in der gesamten Brennkammer statt. Auf diese Weise können Temperaturspitzen in der Flamme verhindert werden und so auch die Bildung von Stickstoffoxiden aufgrund von diesen hohen Temperaturen (thermisches NOx). Bei einem vorteilhaften Verfahren wird der Brennkammer ein zu verbrennender Brennstoff zugeführt. Weiterhin wird der Brennkammer ein weiterer Oxdiator und insbesondere Luft zugeführt. Erfindungsgemäß findet der Eintrag eines ersten Teiles des Oxidators in einen ersten Bereich der Brennkammer statt, so dass in diesem unterstöchiometrische Bedingungen vorliegen wobei dieser erste Teil mit den bei der Verbrennung entstehenden Gasen gemischt wird, und ein zweiter Anteil des Oxidators wird bevorzugt in einem zweiten Bereich der Brennkammer zugeführt.

Bevorzugt wird dieser zweite Teil derart zugeführt, dass der Brennstoff dadurch vollständig abreagiert.

Bei der hier beschriebenen gestuften Verbrennung wird die Verbrennung in mehreren örtlich getrennten Zonen eines Brenners bzw. einer Brennkammer durchgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Eintragung bzw. Eindüsung des Brennstoff und/oder des Oxidators in mindestens zwei zeitlich und/oder örtlich versetzten Schritten bzw. Stufen erfolgt. Dies bedingt eine verzögerte Verbrennung und geringere Verbrennungstemperaturen. Da die NOx- Bildung besonders bei hohen Temperaturen begünstigt ist, führt diese Maßnahme zu gerin- geren NOx-Emissionen. Es sei dabei erwähnt, dass dieses Ziel eine Gemeinsamkeit aller angewandten Prinzipien darstellt.

Es ist dabei möglich, dass der Brennstoff zunächst in einem Primärbrennraum in einem (insbesondere fetten) Gemisch unterstöchiometrisch mit 60% bis 90 % des zur vollständigen Umsetzung notwendigen Sauerstoffs verbrennt. Dies verhindert die Bildung von NOx, da N- haltige Brennstoffe wie z.B. NH3 oder HCN insbesondere bei hohen Sauerstoffüberschusszahlen zu giftigen NOx abreagieren, während dies unterstöchiometrisch stark unterdrückt wird. Erst in einem zweiten, bevorzugt strömungsabwärts gerichteten Brennraum wird die vollständige Verbrennung realisiert. Daneben können jedoch auch drei oder mehrere Ver- brennungsräume vorgesehen sein. In dem zweiten Brennraum wird bevorzugt nicht unter unterstöchiometrischen Bedingungen verbrannt. Bei einem weiteren möglichen Verfahren wird die Brennstoffzufuhr in einen Hauptstrom und mehrere Nebenströme aufgeteilt, so dass sich aufgrund der dann besonderen Flammengeometrie Bereiche ausbilden, in welchen die NOx-Bildung vermindert ist. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird wenigstens ein Anteil des entstehenden Abgases rückgeführt, insbesondere also wieder der Brennkammer zugeführt. Verbrennungssysteme, die mit Abgasrückführung arbeiten, führen einen Teil der verbrannten Gase zurück in die Verbrennungszone. Einerseits bewirkt dies eine Verringerung der Stickstoffkonzentration und andererseits wirken die Rauchgase als Inertgas und verdünnen den Sauerstoff und einhergehend die Verbrennungstemperatur.

Das Abgas kann dabei aus dem Verbrennungsraum entweder strömungstechnisch zurückgesaugt werden (interne Rezirkulation) oder mittels separater Zuführungen von außen zugeführt werden (externe Rezirkulation). Dieses Verfahren ist besonders dann sinnvoll, wenn die Verbrennungsluft, z.B. zur Erhöhung des Wirkungsgrades, vorgewärmt wird. Bevorzugt wird die Abgasrückführung mit der gestuften Verbrennung oder der flammenlosen Oxidation zur Verbesserung der NOx-Minderung kombiniert.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren liegt eine Temperatur der Mischung aus dem ersten Teil und den bei der Verbrennung entstehenden Gasen über der Zündtemperatur des Brennstoffes.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren erfolgt die Reaktion des Brennstoffes in wenigstens einem Teil der Brennkammer flammenlos. Besonders bevorzugt erfolgt die Reaktion des Brennstoffes in der gesamten Brennkammer flammenlos.

Beim Prinzip der flammenlosen Oxidation findet die Verbrennung nicht in einer definierten Reaktionsfront bzw. in einer Flamme sondern bevorzugt homogen im gesamten Brennraum verteilt statt. Dadurch werden die üblichen lokalen Flammentemperaturspitzen im Bereich von 1600°C bis 2000°C vermieden und die thermische NOx-Bildung deutlich vermindert.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Verbrennungsluft, welche besonders bevorzugt noch vorgewärmt wird, und der Brennstoff separat und besonders bevorzugt mit hohen Geschwindigkeiten in den Brenner zugeführt. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die rezirkulierten Rauchgase mit vorgewärmtem Oxidator vermischt, wobei die mittlere Temperatur des vorgewärmten Oxidators und des bei der Verbrennung entstehenden Gases oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoffes ist. Die zugeführten Gase werden sodann mit dem Brennstoff in einer Oxidati- onszone zusammengebracht, in der die Verbrennung bevorzugt im Wesentlichen flammenlos erfolgt.

Zum Zwecke der Energieeinsparung arbeitet der Prozess vorteilhaft zudem mit sehr hohen Abgasrückführraten. Der Oxidator wird dabei bevorzugt derart in den Brennraum eingebracht, dass sich der Oxidator durch die Injektorwirkung mit den aus dem Verbrennungsraum angesaugten Rauchgasen umhüllt und vermischt. Hierbei wird bevorzugt mit Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 20 m/s gearbeitet. Daneben ist es auch möglich, dass aufgrund des speziellen Designs der Oxidator- und

Brennstoffdüsen in der Brennkammer lokale Bereiche mit unterstöchiometrischen Verbrennungsbedingungen entstehen, in welchen der Sickstoff im Brennstoff nicht zu NOx sondern zu unschädlichem N2 reagiert. Vorteilhaft sind die beiden Bereiche der Brennkammer, in welche die Teile des Oxidators zugeführt werden, voneinander beabstandet.

Bevorzugt wird der erste Anteil des Oxidators der Brennkammer gemeinsam mit dem Brennstoff zugeführt. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren unterscheiden sich die Volumenanteile des Oxidators, welche über die beiden Bereiche zugeführt werden, voneinander. So ist es möglich, dass ein geringerer Anteil des Gases dem Brennstoff in einem ersten Bereich der Brennkammer zugemischt wird und ein größerer Anteil des Gases in einem zweiten Bereich der Brennkammer. Dabei kann dieser geringere Anteil zeitlich zuerst zugemischt werden. Auch wäre es möglich, dass dieser geringere Anteil in einem höher liegenden Bereich der Brennkammer zugemischt wird.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wenigstens ein Anteil des Gases mit einer Temperatur zugeführt, welche größer ist als 200°C, bevorzugt größer als 400°C und bevorzugt größer als 600°C.

Vorteilhaft kann dabei in einem ersten Bereich der Brennkammer, insbesondere in einem oberen Bereich der Brennkammer, eine unterstöchiometrische Zone ausgebildet werden. Bevorzugt wird anschließend ein weiterer Teil und bevorzugt ein größerer Teil des Oxidators in einem anderen Bereich der Brennkammer und bevorzugt in einem bezogen auf den ersten Bereich tieferliegenden Bereich der Brennkammer zugemischt. Dies lässt eine erhebliche Reduzierung der Brennstoff-Nox Emissionen erwarten.

Vorteilhaft erfolgt die erste Zuführung (bzw. die Zuführung des ersten Teils) bei Stöchiomet- rien zwischen 0,2 und 0,9, bevorzugt 0,4 und 0,9, besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 0,9 und besonders bevorzugt zwischen 0,7 und 0,8. Bei Stöchiometrien zwischen 0,7 und 0,8 wird kaum NOx gebildet, sondern unschädliches N2. Eine Zone in der Brennkammer mit den genannten Stöchiometrien reduziert die NOx Emissionen deshalb erheblich.

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird wenigstens ein Anteil des bei der Verbrennung entstehenden Rauchgases zunächst aus der Brennkammer abgeführt und bevorzugt wieder der Brennkammer zugeführt.

Bevorzugt wird der Brennstoff der Brennkammer mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird auch die Verbrennungsluft der Brennkammer mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt. Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren werden der Brennkammer der Brennstoff und die Verbrennungsluft separat zugeführt.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird der Brennstoff durch einen Vergasungspro- zess gewonnen. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren erfolgt die Zuführung und/oder Eindüsung von Wasser und/oder Wasserdampf bei einem vorgegebenen Prozessschritt, wobei dieser Prozessschritt aus einer Gruppe von Prozessschritten ausgewählt ist, welche einen Transport des Brennstoffs in die Vergasereinrichtung, einen Transport des fließfähigen Brennstoffes von der Vergasereinrichtung zu der Brennkammer, eine Einspritzung des Brennstoffes in die Brennkammer und/oder einen Transport von der heißen Luft zu der Brennkammer enthalten. Auch könnten an anderen Bereichen des Prozesses Wasser oder Wasserdampf zugeführt werden. So wäre es beispielsweise möglich, die Ansaugluft mit Wasser zu sättigen, um so den Massenstrom und damit die erzeugte Leistung zu erhöhen. Eine Verdampfung von Wassertröpfchen in dem Kompressor der Gasturbine (sogenannte Nassverdichtung bzw. wet compression) erhöht die erzeugte Leistung unter dem elektrischen Wirkungsgrad des Prozesses, da die zur Kompression notwendige mechanische Energie verringert wird. Die beiden Einspritzungen vor dem Kompressor könnten bei einer Umgebungstemperatur von deutlich über O°C verwendet werden, insbesondere um Eisschlag in dem Kompressor zu verhin- dem.

Auch die Einspritzung bzw. Zuführung von Wasser und/oder Wasserdampf in die komprimierte Luft zum Vergaser könnte den Massenstrom erhöhen und auch gleichzeitig zur Kontrolle der Temperatur in der Oxidationszone des Gegenstromvergasers dienen.

Die bereits oben erwähnte Einspritzung von Wasser in den Kopfraum des Vergasers und/oder in eine Leitungseinrichtung, wie etwa eine Rohrleitung zwischen der Vergasereinrichtung und der Brennkammer, sowie auch eine Befeuchtung des Brennstoffes, können als Staubwäscher dienen und zu einer Kondensation der gasförmigen Schadstoffe führen. Da- neben kann auch die Einspritzung den Massenstrom an dem Expander und die damit erzeugte Leistung erhöhen.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird ein Rekuperator bzw. allgemein ein Wärmetauscher verwendet. Die Verwendung eines derartigen Rekuperators hängt von der vorgese- henen Nutzung der Turbinengase ab. Wenn die Turbinengase zur Wärmeerzeugung oder zu einer nachgeschalteten Stromerzeugung beispielsweise in einem Clausius-Rankine-Zyklus verwendet werden sollen, wird bevorzugt kein Rekuperator verwendet. Falls die Energie der Turbinenabgase nicht oder nur zu einem Teil von einem separaten Prozess genutzt werden soll, kann ein Rekuperator eingesetzt werden, um die Effizienz dieses Prozesses zu erhö- hen. Bei Verwendung eines Rekuperators wird bevorzugt ein Turbinendruckverhältnis verwendet, welches unter 15, bevorzugt unter 12 und besonders bevorzugt unter 10 liegt, da ansonsten die Verdichteraustrittstemperaturen zu hoch werden können und auf diese Weise der Rekuperator wenig Energie in den Prozess zurückführen kann. Bevorzugt reagiert in der Brennkammer ein Gemisch aus dem Vergaser (d.h. des Produktgases) und dem Regenerator bzw. Expander (Luft) und erzeugt ein heißes Rauchgas bzw. Verbrennungsgas. Weiterhin ist auch eine Einspritzung von Wasser oder Wasserdampf in die Rohrleitung denkbar, die von dem Expander zu einem Rekuperator führt. Auf diese Wei- se kann der Massenstrom am Expander erhöht werden und damit auch die erzeugte Leistung. Auf diese Weise kann auch der Wirkungsgrad des Prozesses erhöht werden, da der Rekuperationswirkungsgrad erhöht wird.

Eine Einspritzung in die Brenner bzw. die Brennkammer von Wasser und/oder Wasserdampf kann ebenfalls den Massenstrom am Expander erhöhen und damit auch die erzeugte Leistung.

Weiterhin wäre es sowohl denkbar, die Vergasereinrichtung und die Brennkammer als getrennte bzw. separate Apparate auszuführen oder auch als kombinierte Einrichtung. Vorteil- haft ist eine Verbindungsleitung zwischen der Vergasereinrichtung und der Brennkammer derart ausgelegt, dass die flüssige Phase des Produktmediums entweder in die Vergasereinrichtung oder in die Brennkammer laufen kann. Dies kann durch eine entsprechende Neigung dieser Verbindungsleitung erfolgen. Daneben könnten jedoch auch Pumpenelemente vorgesehen sein.

Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasturbine gerichtet. Diese Vorrichtung weist eine Vergasereinrichtung auf, welche geeignet und dazu bestimmt ist, wenigstens einen Festbrennstoff zu einem fließfähigen Brennstoff zu vergasen. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Zuführleitung bzw. Zuführeinrichtung auf, welche den fließfähigen Brennstoff einer Brennkammer zuführt. Weiterhin ist auch eine (Abführ-)Leitung vorgesehen, welche bei der Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer entstehende Verbrennungsgase der Gasturbine zuführt.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Vergasereinrichtung um einen Gegenstromverga- ser. Wie bereits oben erwähnt, bringt die Verwendung eines Gegenstromvergasers den Vorteil, dass eine Vielzahl von Schadstoffen, wie beispielsweise Teere, bereits gar nicht aus dem Vergaser austritt, sondern innerhalb des Vergasers verbleibt. Auf diese Weise kann auch auf dem Vergaser nachgeschaltete Reinigungseinrichtungen verzichtet werden. Bevorzugt werden daher die Verbrennungsgase der Gasturbine ohne Einsatz von Vorrichtungen zum Reinigen der Verbrennungsgase zugeführt. Durch diesen Verzicht auf derartige Reinigungseinrichtungen, wie beispielsweise Staubfilter oder Zyklone, kann insgesamt der Wirkungsgrad eines entsprechenden Prozesses erhöht werden. Weiterhin können auch Kosten gespart werden.

Im Stand der Technik war man bislang davon ausgegangen, dass derartige Reinigungseinrichtungen unverzichtbar sind. Die Anmelderin hat jedoch entdeckt, dass die hier vorgeschlagene Verwendung eines Gegenstromvergasers eine Möglichkeit bietet, auf derartige nachgeschaltete Reinigungseinrichtungen zu verzichten.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens eine Wasser- und/oder Wasserdampfzuführungseinrichtung auf, welche dem fließfähigen Brennstoff Wasser zuführt. Dabei kann diese Wasserzuführung bereits vor der Zuführung des Brennstoffes an die Vergasereinrichtung erfolgen, die Wasserzuführung kann innerhalb des Vergasers erfolgen und auch innerhalb eines Kopfraumes dieser Vergasereinrichtung. Weiterhin kann eine Wasserzuführeinrichtung vorgesehen sein, welche dem in der Vergasereinrichtung erzeugten Brennstoff Wasser und/oder Wassergas zuführt. Auch könnte eine Zuführeinrichtung vorgesehen sein, welche der Brennkammer Wasser und/oder Wasserdampf zuführt.

Daneben kann auch eine Wasserzuführeinrichtung vorgesehen sein, welche der dem Vergaser zugeführten Luft Wasser und/oder Wasserdampf zuführt. Vorteilhaft ist die Brennkammer derart ausgestaltet, dass sie einen zweistufigen Verbrennungsprozess ermöglicht. Daneben können auch mehrere Leitungsverbindungen vorgesehen sein, um der Brennkammer den Brennstoff zuzuführen. So können beispielsweise die flüssigen und gasförmigen Bestandteile des Brennstoffes der Brennkammer in separaten Leitungen zugeführt werden. Hierbei kann zur Unterstützung der Fließfähigkeit der flüssigen Komponente eine Pumpeinrichtung hinzugeschaltet werden.

Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine zweite wenigstens abschnittsweise von der ersten Zuführleitung getrennte Zuführleitung auf, um der Brennkammer in einem weiteren Bereich der Brennkammer einen Oxidator zuzuführen. Vorzugsweise mündet die erste Zuführleitung ein einem ersten Drittel des Brennraums in diesen Brennraum. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mündet die zweite Zuführleitung in einem unteren oder einem mittleren Drittel des Brennraums in diesen Brennraum. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind innerhalb dieses Brennraums Trennelemente vorgesehen, welche denjenigen Bereich, in den die erste Zuführleitung mündet wenigstens teilweise (baulich) von demjenigen Bereich, in den die zweite Zuführleitung mündet abgrenzt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in wenigstens einer der Zuführleitungen eine Ventileinrichtung zur Steuerung der Zuführung des Oxidators vorgesehen.

Bei einem bevorzugten Verfahren unterscheiden sich die Volumenanteile des Oxidators, welches über die beiden Bereiche zugeführt wird. Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung:

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine blockdiagrammartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 1 zeigt eine blockdiagrammartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Kraft/Wärmeerzeugung. Diese Vorrichtung 1 weist dabei eine Vergasereinrichtung 200 auf, bei der es sich um einen Gegenstromvergaser z.B. einen Festbett-Gegenstromvergaser handelt. Durch diese Vergasereinrichtung 200 gewonnenes Produktgas wird über eine Zu- führleitung 302 einer Brennkammer 300 zugeführt. In dieser Brennkammer erfolgt eine bevorzugt flamm(en)lose Verbrennung dieses Produktgases und die dabei entstehenden Rauchgase werden über eine Verbindungsleitung 402 einer Gasturbine bzw. einem Expander 400 zugeführt. Die so gewonnene mechanische Energie kann einerseits auf einen Generator 700 geführt werden und andererseits dazu dienen, mittels eines Kompressors 100 wie- derum Luft zu verdichten.

Das Bezugszeichen 14 kennzeichnet eine Luftzuführung. Dieser Luftansaugstrom kann über eine Wasserzuführungseinrichtung 10 mit Wasser und/oder Wasserdampf beaufschlagt werden. Weiterhin kann die Luft über eine Verbindungsleitung 212 dem oben erwähnten Korn- pressor 100 zugeführt werden. Dabei ist es weiterhin möglich, dass der dem Kompressor zugeführten Luft ebenfalls wieder Flüssigkeit und insbesondere Wasser über eine Zuführeinrichtung 20 zugeführt wird. Das Bezugszeichen 16 kennzeichnet einen Wasservorrat, wobei - wie unten genauer beschrieben - an verschiedenen Stellen der Vorrichtung zugeführt wer- den kann. Dabei kennzeichnen die Bezugszeichen 52 und 54 regelbare Ventile, mit denen jeweils die Menge an Wasser geregelt werden kann, die den Wasserzuführeinrichtungen 10 oder 20 zugeführt werden.

Der von dem Kompressor verdichtete Luftstrom kann über eine Verbindungsleitung 214 und eine weitere Verbindungsleitung 208 der Vergasereinrichtung 200 zugeführt werden. Auch hier ist eine Wasserzuführeinrichtung 120 vorgesehen, wobei die Wasserzufuhr wiederum über ein steuerbares Ventil 56 geregelt werden kann. Wie oben erwähnt, trifft das heiße Gas aus der Brennkammer 300 auf den Expander 400. Das Bezugszeichen 76 kennzeichnet ein weiteres Ventil welches die Luftzuführung an die Vergasereinrichtung 300 steuert.

Dieser Expander erzeugt, wie oben erwähnt, mechanische Energie. Eine Turbinenabluft kann die Wärme teilweise wieder in einem Rekuperator 500 an die Verbrennungsluft abgeben und/oder an einen Wärmetauscher 600, der an einem Heiznetz oder einem nachgeschalteten Dampfturbinenzyklus angeschlossen ist. Das Bezugszeichen 24 kennzeichnet entsprechend einen Rücklauf für ein Wärmenetz und das Bezugszeichen 22 einen Vorlauf für das Wärmenetz. Das Bezugszeichen 26 kennzeichnet eine Rauchgasabführung.

Von einem Brennstoffvorrat 12 kann der Brennstoff direkt an die Vergasereinrichtung 200 zugeführt werden. Auch hier ist an mehreren Stellen wieder eine Zuführung von Wasser und/oder Wasserdampf möglich. So kann über eine Zuführeinrichtung 240 unmittelbar dem Brennstoff Feuchtigkeit bzw. Wasser zugeführt werden. Die Zuführmenge kann dabei über ein regelbares Ventil 66 geregelt werden. Weiterhin kann auch der Vergasereinrichtung bzw. dem Kopfraum der Vergasereinrichtung über eine Wasserzuführeinrichtung 220 Wasser zugeführt werden. Auch hierzu kann wieder ein regelbares Ventil 58 vorgesehen sein. Daneben kann Wasser auch dem Verbrennungsvorgang über eine Verbindungsleitung 260 zugeführt werden. Über ein entsprechendes regelbares Ventil 62 kann auch hier die Wasserversorgung gesteuert werden. Das Bezugszeichen 74 kennzeichnet ein weiteres Ventil, mit dem die Zuführung von komprimierter Luft aus dem Kompressor 100 ebenfalls einem Brennelement zuführbar ist. Daneben kann auch über eine Leitung 304 und ein Ventil 72 die komprimierte Luft in einer weiteren Stufe der Brennkammer zugeführt werden. Wie oben ausgeführt, ist die Brennkammer vorteilhaft zweistufig ausgeführt, d.h. die Luft wird vorteilhaft sowohl über die Leitung 306 für eine unterstöchiometrische Verbrennung als auch über die Leitung 304 für die dann vollständige Verbrennung des Brennstoffes ermöglicht. Damit ist vorteilhaft die Brennkammer 300 wenigstens zweistufig aufgebaut. Weiterhin wäre es möglich, nur eine der Leitungen 304 oder 306 für die Zuführung der Verbrennungsluft zu nutzen. Weiterhin ist die Zuführung der Luft in die Verbrennungseinrichtung 300 nicht alleinig auf die beiden Leitungen 304 und 306 beschränkt. Es kann auch eine weitere dritte Leitung oder noch weitere Leitungen genutzt werden, welche im Sinne einer besseren Übersichtlichkeit nicht in der Fig. 1 dargestellt sind. Zusätzlich können auch Regelein- richtungen vorgesehen sein, welche die Zuführung der Verbrennungsluft regeln.

Daneben besteht allgemein die Möglichkeit, den fließfähigen Brennstoff aus der Vergasungseinrichtung 200 in mehreren Leitungen der Verbrennungseinrichtung 300 zuzuführen um eine örtliche und zeitliche Stufung der Brennstoffzufuhr zu verwirklichen. Dabei wäre es möglich, der Verbrennungseinrichtung den Brennstoff an unterschiedlichen Positionen der Verbrennungseinrichtung zuzuführen.

Diese Stufung erfüllt den Zweck die NO-Emissionen noch weiter zu reduzieren..

Auch das aus dem Kompressor 100 der Brennkammer zugeführte Gas kann mit Wasser über eine Wasserzuführeinrichtung 160 angereichert werden. Das Bezugszeichen 64 kennzeichnet ein entsprechendes regelbares Ventil.

Insgesamt wird damit im Rahmen der Erfindung ein zweistufiger Prozess vorgeschlagen, nämlich eine Vergasung und eine anschließende Verbrennung. Vorteilhaft wird nach der Vergasung ein mit Wasserdampf gesättigtes Produktgas erzeugt. Dabei erfolgt vorteilhaft die Vergasung und/oder die Verbrennung unter Druck, d.h. unter einem Druck von beispielsweise größer 0,5 bar. Wie erwähnt, wird eine gestufte Verbrennung zur Vermeidung von NOx- Emissionen vorgeschlagen. Eintrag der Feuchte in das Produktgas kann einzeln oder in mehreren Stufen erfolgen, beispielsweise über die Zuführung eines feuchten Festbrennstof- fes, über die Anfeuchtung eines trockenen Festbrennstoffes, über die Einspritzung in eine Trocknungsstufe in der Vergasungsstufe und/oder über Einspritzung in eine Produktgasleitung. Insgesamt kann vorteilhaft sowohl auf eine Vorrichtung zum Reinigen und/oder Kühlen des brennbaren Mediums zwischen der Vergasungsstufe und der Brennkammerstufe verzichtet werden als bevorzugt auch auf eine Vorrichtung zur Reinigung des Rauchgases nach der Brennkammer und vor dem Expander. Bevorzugt erfolgt eine Verbrennung eines brennbaren Gemisches aus Gasen, Flüssigkeiten und Aerosolen eventuell auch in einer externen Brenn- kammer. Das Bezugszeichen 18 kennzeichnet einen Aschaustrag aus der Vergasereinrichtung.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

10 Wasserzuführeinrichtung

12 Brennstoffvorrat

14 Luftzuführung

16 Wasservorrat

18 Aschaustrag

20 (Wasser-) zuführeinrichtung

22 Vorlauf (für ein Wärmenetz)

24 Rücklauf (für ein Wärmenetz)

26 Rauchgasabführung

52, 54,58,64 regelbares Ventil

56,62,72,74,76 Ventil

100 Kompressor

120 Wasserzuführeinrichtung

160 Wasserzuführeinrichtung

200 Vergasereinrichtung 212 Verbindungsleitung

220 Wasserzuführeinrichtung

240 Zuführeinrichtung

260 Verbindungsleitung

300 Brennkammer

302 Zuführleitung/Abführleitung

304 Leitung

306 Leitung

400 Gasturbine/Expander

402 Verbindungsleitung

500 Rekuperator

600 Wärmetauscher

700 Generator