DE3012600C2

DE3012600C2 - Verfahren zum Betreiben eines mit einer Wirbelschichtfeuerung versehenen Dampfkraftwerks

Info

Publication number: DE3012600C2
Application number: DE19803012600
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 6840 Lampertheim Schüller; Peter Dr. 6800 Mannheim Wengefeld
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1980-04-01
Filing date: 1980-04-01
Publication date: 1982-12-23
Also published as: CH653410A5; ATA147281A; DE3012600A1; AT383652B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben ·"> eines mit einer Wirbelschichtfeuerung versehenen Dampfkraftwerks, bei dem die Verbrennung in der Wirbelschicht unter Druck erfolgt, und ein Verdampfer, Dampfüberhitzer und Economiser vorgesehen sind, wobei die als Trägermedium für die Wirbelschicht ^ dienende Verbrennungsluft vor der Einführung in die Wirbelschichtfeuerung des Dampferzeugers verdichtet und die abgekühlten Rauchgase nach der Durchströmung eines Zyklonabscheiders in einer Abgasturbine auf Umgebungsdruck entspannt werden, wobei Verdichter und Abgasturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und beide Strömungsmaschinen miteinander im Leistungsgleichgewicht stehen.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (GB-PS 10 973) wird die Verbrennungsluft auf einen Druck von etwa 8 bis 10 bar verdichtet und die Rauchgase durch den im Feuerraum angeordneten Verdampfer, Dampfüberhitzer und Economiser auf eine Temperatur im Zyklonabscheider v>n 400° Celsius eingestellt. Durch den hohen Druck der Rauchgase und die verhältnismä-Big hohe Temperatur bei der Reinigung der Rauchgase sind der Entstaubungsmöglichkeit der Rauchgase Grenzen gesetzt. Eine weitgehende Staubfreiheit ist für einen störungsfreien Turbinenbetrieb notwendig, andererseits jedoch sind hohe Rauchgastemperaturen und -drücke für eine möglichst große Turbinenleistung wünschenswert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart auszugestalten, daß es mit einfachen und somit kostengünstigen Komponenten bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderungen des Betriebs, -vie weitgehende Entstaubung der Rauchgase, Regelbarkeit sowie Umweltfreundlichkeit, wirtschaftlich durchgeführt werden kann und insbesondere für Heizkraftwerke zur gekoppelten Stromerzeugung und Fernwärmeversorgung geeignet ist

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß die Rauchgase durch die zumindest teilweise Anordnung des Damipfüberhitzers in der Wirbelschicht und/oder durch eine entsprechende Auslegung des Economisers auf eine Temperatur von 280° Celsius bis 380° Celsius, vorzugsweise 330° Celsius, beim Austritt aus dem Dampferzeuger abgekühlt werden, daß die Rauchgase nach dem Zyklonabscheider durch ein Elektrofilter oder Gewebefilter der Abgasturbine zugeführt werden, daß als Abgasturbine und Verdichter mindestens ein serienmäßig hergestellter Turbolader des Verbrennungsmiotorenbaus zur Verdichtung der Verbrennungsluft auf einen Druck von 3 bis 'S bar, vorzugsweise 4 bis 4,5 bar eingesetzt wird und daß die Rauchgase nach der Entspannung im Turbolader in einem an einen Heizkreislauf angeschlossenen Abhitzekessel gekühlt werden.

Durch die Abkühlung der Rauchgase auf den angegebenen Temperaturbereich ist die Anzahl der für eine Entstaubung in Frage kommenden Vorrichtungen wesentlich erhöht. Denn gerade bei hohen Betriebstemperaturen bringt oft eine nur geringfügige Absenkung von z. B. 20° Celsius, die Möglichkeit, weitere und oft einfachere Vorrichtungen einzusetzen. Im vorliegenden Fall können daher an sich bekannte Elektrofilter oder Gewebefilter für eine weitgehende Entstaubung benutzt werden, so daß staubbedingte Probleme des Abgasturbinenbetriebs sowie bezüglich des Umweltschutzes zumindest kleingehalten sind.

Die Entspannung der Rauchgase und die Verdichtung der Verbrennungsluft in einem serienmäßig hergestellten Turbolader trägt zu einem kostengünstigem Aufbau der Anlage bei. Turbolader sind in ihrer Konstruktion gegenüber Gasturbinen einfacher und robuster und erlauben einen Betrieb auch mit weniger reinen Rauchgas. Darüber hinaus sind Turbolader in äußerst weiten Bereichen regelbar. Turbolader bestehen aus einem einstufigen Verdichter und einer einstufigen Abgasturbine, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Beide Strömungsmaschinen befinden sich im Leistungs-Gleichgewicht, es wird also an der Welle des Turboladers weder Leistung nach außen abgegeben noch von außen eingeleitet. Diese drehzahlfreie, das heißt mit beliebiger Drehzahl arbeitende Ladeeinrichtung erlaubt eine verlustarme Regelung der Gesamtanlage, wobei ein Selbstregeleffekt bei von der Auslegung abweichenden Belastungsverhältnissen ausgenutzt werden kann. Bei z. B. zurückgehender Belastung wird entsprechend weniger Brennstoff der Feuerung zugeführt. Damit sinkt die Temperatur der Rauchgase vor der Abgasturbine und als Folge der Verdichtungsdruck und somit die angesaugte Luftmenge. Im Trend entspricht diese selbständige Änderung des Luftstromes bei von der Auslegung abweichenden Belastungsverhältnissen den Forderungen der Regelung der Verbrennungslufttemperatur im Dampferzeuger. Der mit Teilbelastung zurückgehende Druck der Verbrennungsluft nach dem Turbolader kommt der

Forderung möglichst gleichbleibender Luftgeschwindigkeit in den Lufteinlaßdüsen der Wirbelschichtfeuerung in idealer Weise entgegen. Es ist eine Auslegung realisierbar, bei der mehrere Turbolader auf einen Dampferzeuger mit Wirbelschichtfeuerung geschaltet werden. Sieht man z. B. drei Turbolader mit einer Kapazität von jeweils 50% der erforderlichen Gesamtleistung vor, so kann die Verfügbarkeit der Einlage wesentlich verbessert werden. Ein weiterer Vorteil der Turbolader besteht darin, daß diese auch mit e^;ner Staubentfernungseinrichtung ausgestattet sein können, so daß bei f-cdarf der von den Rauchgasen abgeschiedene Staub aus dem Turbolader entfernt werden kann. Darüber hinaus ergibt die mäßige Verdichtung der Verbrennungsluft im Turbolader einen entsprechend geringen Druck der Rauchgase in den Filtern, so daß deren Einsatz und sicherer Betrieb gewährleistet ist Dieser geringe Druck der Rauchgase und deren niedrige Temperatur ist vollkommen ausreichend, um einen Turbolader noch wirtschaftlich betreiben zu können.

In der Zeitschrift »VGB-Kraftwerksteci.nik«, August 1976, Seiten 509 bis 511, sind insbesondere in BiJd 2 der Seite 510 viele Möglichkeiten angedeutet, wie bei einer Wirbelschichtfeuerung Verdampfer, Überhitzer, Zentrifugalabscheider sowie Endgasreinigungen im Rauchgasstrom vorgesehen sein können. Auch ist dort zu entnehmen, daß solche Wirbelschichtfeuerungen für einen Betriebsdruck von 1 bis 25 bar vorgesehen sind. Spezielle Ausgestaltungen, wie sie das Verfahren gemäß der Erfindung lehrt, sind aus dieser Literaturstelle jedoch nicht abzuleiten.

Um schließlich eine Verringerung des Prozeß'virkungsgrades durch die geringe Temperatur sowie den geringen Druck des Rauchgases beim Eintritt in den Turbolader mit Sicherheit auszuschließen, werden die im Turbolader entspannten Rauchgase in einem Abhitzekessel weiter gekühlt, der die aufgenommene Wärme an einen Heizkreislauf abgibt.

Aus der Zeitschrift »Energie« Juli 1977, Seite 194, linke Spalte, ist es zwar bekannt, bei einer Wirbelschichtfeuerung der Abgasturbine einen Wärmetauscher nachzuschalten, jedoch sind dort keine Verfahrensschritte gemäß der Erfindung beschrieben.

Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, daß durch die Auswahl bzw. Ausgestaltung der einzelnen Merkmale unserer Erfindung aus einer Vielzahl von zum Teil an sich bekannten Möglichkeiten sowie durch deren Kombination die Erfindungsaufgabe gelöst wird.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der schematischen Zeichnung hervor, die eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage zeigt.

Der Dampferzeuger 1 des Dampfkraftweikss ist mit einer Wirbelschichtfeuerung versehen, in deren Wirbelschicht 2 Kohle in bekannter Weise verfeuert wird. Der Verdampfer 3 und der Dampfüberhitzer 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel innerhalb der Wirbelschicht 2 angeordnet. Das in den Verdampfer 3 eingeleitete Speisewasser wird im rauchgasbeheizten Economiser 6 vorgewärmt. Die Zuführung des Speisewassers vom Economisers 6 zum Verdampfer 3 erfolgt über die Leitung 5. Der Economiser 6 selbst liegt im Rauchgasbereich des Dampferzeugers 1.

Die Anordnung bzw. Ausbildung des Dampfüberhitzers 4 und des Economisers 6 er/olgt nun so, daß die Rauchgase am Austritt aus dem Dampferzeuger 1 eine Temperatur von 330° Celsius haben. Die Rauchgase werden dann vom Dampferzeuger 1 über einen Kanal 7 zu einem Zyklonabscheider 57 und von dort zum Elektrofilter 8 bzw. zu einem Gewebefilter geleitet und weitgehend vom mitgerissenen Staub befreit Durch die Leitung 9 werden die Rauchgase anschließend zur ίο Abgasturbine 10 des Turboladers 22 geführt Ihre Eintrittstemperatur am Turbolader beträgt 325° Celsius, die Austrittstemperatur liegt im Normalbetrieb bei etwa 199° Celsius.
Zur weiteren Ausnutzung dieser noch beträchtlichen

π Wärmeenergie der Rauchgase, werden diese über die Leitung 11 in den Abhitzekessel 12 geführt und dort bis auf eine Temperatur von ca. 90° Celsius abgekühlt Anschließend gelangen die Rauchgase über die Leitung 13 in ein nicht dargestelltes Kamin.

-'" Die Abgasturbine 10 des Turboladers ist über die Welle 14 mit dem zugeordneten Verdichter 16 verbunden, der zur Verdichtung der Verbrennungsluft für die Wirbelschicht 2 dient. Diese Verbrennungsluft wird über den Kanal 15 angesaugt und über die Leitung

^ 17 der Wirbelschicht zugeführt. Hierbei wird die Wirbelschichtfeuerung als Fließbettfeuerung betrieben. Der Brennstoff in Form von Kohle sowie ein Absorbent werden kontinuierlich über eine entsprechende Fördereinrichtung 19 über den Anströmboden 18 verteilt. Die

JO Anlage wird entweder mit Druckluft oder mit einem nicht dargestellten motorgetriebenen Hilfsgebläse angefahren.

Der erzeugte Dampf wird über eine Leitung 20 zum Antrieb eines elektrischen Generators 23 zur Gegen-

s^r> druck-Heizturbine 21 geleitet Über die beiden Anzapfstellen 24 und 25 der Heizturbine 21 wird über die Leitungen 28,29 entspannter Dampf zu den Wärmetauschern 32 und 33 geführt. Diese Wärmetauscher sind Bestandteil eines Heizkreislaufs mit den Anschlußleitungen 51 und 56. Für die Einschaltung des Abhitzekessels 12 in den Heizkreislauf sind die Anschlußleitungen 51, 56 bis zu diesem weitergeführt. Der Heizkreislauf dient vorzugsweise zur Fernversorgung von Verbrauchern. Das in der Zeichnung dargestellte Dampfkraftwerk dient somit zur gekoppelten Stromerzeugung von Fernwärmeversorgung.

Ferner sind in der Zeichnung noch die üblichen Bestandteile eines Dampfkraftwerkes zu erkennen wie z. B. ein dampfbeheizter Vorwärmer 40, ein Entgaser-Mischvorwärmer 47 sowie die Speisewasserleitung 50. Bei der Auslegung der Anlage wird Leistungsgleichgewicht zwischen der Abgasturbine 10 und dem Verdichter 16 des Turboladers vorausgesetzt, das heißt, daß bei entsprechender Berücksichtigung der auftretenden Druckverluste der Verbrennungsluft vom Verdichter bis zur Abgasturbine eine Temperatur der Rauchgase beim Eintritt in die Abgasturbine zu wählen ist, bei der dieses Leistungsgleichgewicht eintritt. Bei einem Druck der Verbrennungsluft am Verdichter von 4 bis 4,5 bar entsteht bis zur Abgasturbine 10 des Turboladers 22 ein Druckverlust von etwa 10%. Die entsprechende Temperatur der Rauchgase beim Eintritt in den Turbolader beträgt dann etwa 320 bis 330° Celsius. Die gesamte Energie der Abgasturbine wird

f>5 dann zum Antrieb des Verdichters benutzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

in j t

Verfahren zum Betreiben eines mit einer Wirbelschichtfeuerung versehenen Dampfkraftwerks, bei dem die Verbrennung in der Wirbelschicht unter ν Druck erfolgt, und ein Verdampfer, Dampfüberhitzer und Economiser vorgesehen sind, wobei die als Trägermedium für die Wirbelschicht dienende Verbrennungsluft vor der Einführung in die Wirbelschichtfeuerung des Dampferzeugers verdichtet und "> die abgekühlten Rauchgase nach der Durchströmung eines Zyklonabscheiders in eintr Abgasturbine auf Umgebungsdruck entspannt werden, wobei Verdichter und Abgasturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und beide Strömungs- i¹» maschinen miteinander im Leistungsgleichgewicht stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase durch die zumindest teilweise Anordnung des Dampfüberhitzers (4) in der Wirbelschicht (2) und/oder durch eine entsprechende Auslegung des Economise« (6) auf eine Temperatur von 280° Celsius bis 380° Celsius, vorzugsweise 330° Celsius, beim Austritt aus dem Dampferzeuger (1) abgekühlt werden, daß die Rauchgase nach dem Zyklonabscheider (57) durch ein Elektrofilter (8) oder Gewebefilier der Abgasturbine (10) zugeführt werden, daß als Abgasturbine (10) und Verdichter (16) mindestens ein serienmäßig hergestellter Turbolader (22) des Verbrennungsmotorenbaus zur Verdichtung der Verbrennungsluft auf einen Druck von 3 bis 5 bar, vorzugsweise 4 bis 4,5 bar, eingesetzt wird, und daß die Rauchgase nach der Entspannung im Turbolader (22) in einem an einen Heizkreislauf (51, 56) angeschlossenen Abhitzekessel (12) gekühlt werden.