DE3338107A1 - Kohlegefeuertes kraftwerk mit wirbelschichtfeuerung - Google Patents

Description

• Kohlegefeuertes Kraftwerk mit Wirbelschichtfeuerung
• Die Erfindung bezieht sich auf ein kohlegefeuertes Kraftwerk mit Wirbelschichtfeuerung gemäss Oberbegriff des Pstentanspruchs 1.
• Kraftwerke dieser Art werden beispielsweise verwendet, wenn bei der Verbrennung von minderwertigen Brennstoffen niedrige Umweltbelastung durch S02 und NO im Vordergrund steht.
• 2 Eine emissionsarme Verbrennung in einer Wirbelschichtfeuerung wird erst dann erreicht, wenn nebst Beimischung von Absorber, beispielsweise Kalk oder Dolomit, die Verbrennungstemperatur in der Wirbelschicht in bestimmten Grenzen liegt. Die Wirbelschichttemperatur ist nach unten durch die zur Einbindung des Schwefels nötige Temperatur begrenzt und nach oben durch den Ascheschmelzpunkt. Dementsprechend muss eine Wirbelschicht~ temperatur von ca. 8500C eingehalten werden. In diesem Falle kann ca. 90% des Brennstoffschwefels im Absorber gebunden werden und wegen tiefer Verbrennungstemperatur wird der NO -Anteil im Abgas um ca. 60m reduziert.. Eine relativ niedrige Verbrennungstemperatur wird entweder durch Kühlung der Wirbelsschicht mittels einer Verdampfer- oder Ueberhitzerschlange oder durch einen erhöhten Luftdurchsatz erreicht. Einerseits sind in der Wirbelschicht liegende Rohre durch Hochtemperaturkorrosion stark gefährdet und andererseits ist eine Anlage mit erhöhtem Luftdurchsatz unwirtschaftlich, weil eine beträchtliche Menge unausgenutzter Luft im Abgas einen thermischen Verlust darstellt.
• Kraftwerke der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der Patentschrift EU 80200338.4 bekannt.
• Bei dieser Lösung ist der Dampferzeuger mit nur einer Wirbelschichtfeuerung ausgerüstet. Der erforderliche niedrige Sauerstoffanteil im Abgas wird hier dadurch erreicht, dass das Rauchgas mit der Frischluft in einem solchen Verhältnis gemischt und zirkuliert wird, dass die Wirbelschichttemperatur in Verbindung mit anderen Regelungsmöglichkeiten auf einem optimalen Wert gehalten wird. Da eine Wirbelschichtfeuerung über die Fläche gleichmässig mit Brennstoff, Absorber und Luft versorgt werden muss, werden die Feuerungen in Sektoren unterteilt. Die optimale Fläche eines Sektors 2 beträgt ca. 3 m2 und hat eine thermische Leistung von ca.
• 6 MW. Die Aufteilung an eine grosse Anzahl von Sektoren ist konstruktiv schwierig. Deswegen eignen sich derartige Anlagen mit nur einer Wirbelschichtfeuerung nur für relativ kleinere Kraftwerke.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein kohlegefeuertes Kraftwerk für grössere Leistungen zu schaffen, welches auch für Verbrennung von hoch ballast- und schwefelhaltiger Kohle geeignet ist und bei welchem nebst einer schadstoffarmen Emission möglichst tiefe.Energiegestehungskosten erreicht werden.
• Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass wegen des grossen Luftüberschus- ses in der Wirbelschichtfeuerung des ersten Dampfkessels der im Rauchgas vorhandene grosse Sauerstoffanteil in nach geschalteten Wirbelschichtfeuerungen stufenweise reduziert wird, wodurch nebst einer SO2- und NOx-armer Verbrennung ein günstiger Anlagewirkungsgrad erreicht wird, da das Kaminabgas einen verhältnismässig tiefen Sauerstoffanteil aufweist.
• Wenn mit je einer nachgeschalteten Wirbelschichtfeuerung je ein weiterer Dampfkessel ausgerüstet ist, erreicht man den Vorteil, dass eine bedeutend grössere Dampfmenge im Bezug auf die Durchflussmenge des Luftverdichters erzeugt und dadurch eine grössere Dampfturbinenleistung erreicht wird. Die Vergrösserung der Dampferzeugung ist wirtschaftlich, da den nachgeschalteten Dampfkes.seln als Sauerstoffträger das heisse Rauchgas des ersten Kessels zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass eine Anlage mit mehreren kleineren Dampferzeugern in Bezug auf Lieferzeit und Investitionskosten sehr günstig ist, da die Damperzeuger aus weitgehend vorfabrizierten Elementen zusammengebaut werden können.
• Wenn mit der letzten, gasseitig in Serie nachgeschalteten Wirbelschichtfeuerung eine ungekühlte Gasturbinenbrennkammer ausgerüstet ist, so kann die Turbinen-Gaseintrittstemperatur und dadurch die Gasturbinenleistung angepasst, bzw. je nach Anforderungen erhöht werden.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
• Erfindungswesentliche Elemente wie beispielsweise die vollständige Vorwärmerstrasse, die Dampfturbinenanzapfleitungen, die Beschickungsvorrichtung und die Ascheaustragevorrichtung sind nur angedeutet. Die Strömungsrichtung der diversen Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet.
• Mit 1 ist der Luftansaugkanal eines Luftverdichters 2 bezeichnet. Die verdichtete Luft strömt unter einem Druck von beispielsweise 8 - 10 bar durch eine Druckluftleitung 3 zu -einer nicht näher dargestellten Wirbelschichtfeuerung 4 eines Dampfkessels 5. Der Luftverdichter 2 bildet mit einer von den Rauchgasen des Dampfkessels 5 angetriebenen Niedertemperatur--Gasturbine 10 mit offenem Kreislauf eine autonome Aufladegruppe, wobei die Gasturbine 10 nur den Luftverdichter 2. antreibt. Zum Anfahren der Ladegruppe ist ein Anfahrmotor 11 vorgesehen, der nach Erreichen eines bestimmten Betriebszustandes der Anlage mittels einer Ueber--holkupplung 12 abgekuppelt wird.
• In bekannter Weise wird in der Wirbelschichtfeuerung 4 Kohle verfeuert, wobei ein Absorber wie beispielsweise Kalkstein oder Dolomit zugesetzt wird. Symbolisch. angedeutet sind auf dem Kessel 5 die Einrichtungen zur Kohle- und Absorberzufuhr 29 sowie Ascheabfuhr 35.
• Die Rauchgase durchströmen im Kesselzug der Reihe nach einen Ueberhitzer 17, einen Verdampfer 16 und einen Speisewasservorwärmer 15, wo sie einen Teil ihrer Wärme abgeben und danach schliesslich den Kessel 5 verlassen. Ueberhitzter Dampf gelangt aus dem Kessel 5 über die Frischdampfleitung 31 zur Dampfturbine 19, 20 und expandiert darin unter Energieabgabe. Mit der Dampfturbine 19, 20 ist ein. Dampfturbinengenerator 21 gekuppelt. Der entspannte Dampf wird im Kondensator 22 niedergeschlagen und das Kondensat wird mittels der Kondensatpumpe 25 durch die Vorwärmerstrasse 23 gefördert, in welcher eine mehrstufige Vorwärmung des Speisewassers in den Nieder- und Hochdruckvorwärmern 27, 28 und im Mischvorwärmer-Entg.aser 24 mit Entnahmedampf aus den nicht näher dargestellten Dampfturbinenanzapfungen 14 erfolgt.
• Die Speisepumpe 26 fördert das Kesselspeisewasser über die Speiseleitung 30 zurück zum Speisewasser-Vorwärmer 15.
• Soweit sind die mit einer Wirbelschichtfeuerung ausgerüsteten kohlegefeuerten Kraftwerke bekannt. Zu erwähnen wäre noch, dass die geförderte Luftmenge die eine Wirbelschicht auf einer Temperatur von ca. 8500C halten würde, etwa fünf mal grösser wäre als die Luftmenge, die für eine stöchiometrische Verbrennung ausreichen würde.
• Gemäss der Erfindung wird dem Kessel mindestens noch eine Wirbelschichtfeuerung 4' gasseitig in Serie nachgeschaltet.
• Dies aus der Ueberlegung, dass das Rauchgas des ersten Kessels 5, wegen dejn grossen Luftüberschuss noch über einen verhältnismässig grossen Sauerstoffanteil verfügt.
• Mit einer solchen nachgeschalteten Wirbelschichtfeuerung wird ein zweiter Kessel 5' ausgerüstet. Die Rauchgase strömen in diesem Falle nach dem ersten Kessel durch eine Anfahr-Brennkammer 6, einen Staubabscheider 7 und die Rauchgasleitung 8 zu der Wirbelschichtfeuerung 4'. Auch in dieser Wirbelschichtfeuerung wird Kohle verfeuert, wobei ein Absorber beigemischt wird.
• Im nachgeschalteten Kessel 5' durchströmen die Rauchgaseeinen Zwischenüberhitzer 18 und geben einen Teil ihrer Wärme ab. Nach dem Kessel 5' strömen die Rauchgase durch den Staubabscheider 7' und der Rauchgasleitung 9 und nach der Entspannung in der Gasturbine 10 werden sie durch die Abgasleitung 13 in die Atmosphäre ausgestossen. Der Zwischenüberhitzer 18 ist dampfseitig zwischen dem Hochdruckteil 19 und Niederdruckteil 20 der Dampfturbine auf bekannte Weise über den Leitungen 32 und 33 geschaltet.
• Wenn im Abgas des letzten Kessels immer noch genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, kann mit einer nachgeschalteten Wirbelschichtfeuerung eine ungekühlte Gasturbinen-Brennkammer ausgerüstet werden. In diesem Falle muss nebst einem abkuppelbaren Anfahrmotor noch ein Generator angeschlossen werden, oder die an die Gasturbinenwelle angeschlossene elektrische Maschine kann als ein Motor-Generator ausgeführt werden. In Bezug auf die Konstruktion der Gasturbine hat diese Lösung zwar einen Nachteil, da es sich hier um eine Hpchtemperatur-Gasturbine handelt.
• Die Kesselheizflächen können nach einem Kriterium der wirtschaftlichen Optimierung auf allen gasseitig in Serie nachgeschalteten Kessel verteilt werden. So können beispielsweise bei zwei Kesseln mit gleicher Feuerungstemperatur die Heizflächen entweder als identische, dampfseitig parallel geschaltete Dampferzeuger ausgeführt werden, oder je nach Wärmebedarf, asymmetrisch auf beide Kessel verteilt werden. In der einzigen Figur ist als Beispiel eine Ausführung gezeigt, wie die Speisewasservorwärmer, Verdampfer und Ueberhitzer im ersten Kessel und der Zwischenüberhitzer im zweiten Kessel angeordnet sind.
• Beim Anfahren wird die Verbrennungsluft in der Anfahr-Brennkammer 6 auf ca. 5000C erwärmt. Zusätzlich kann die Wirbelschicht örtlich mit Gasbrennern geheizt werden.
• Dank der begrenzten Wirbelschicht-Temperatur ist es beim Abstellen der Anlage möglich, Brennstoff- und Luftzufuhr zu unterbrechen, ohne dass das Wirbelschichtmaterial zusammenbackt.
• Die Leistungsregelung einer solchen Anlage erfolgt in gewissen Grenzen durch die Aenderung der Luftgeschwindigkeit und der Temperatur der Wirbelschicht. Für die Leistungsregelung im grösseren Bereich können einzelne Sektoren der Wirbelschichtfeuerung ausgeschaltet werden.
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung Gezeigte und das Beschriebene beschränkt. So kann beispielsweise die thermische Schaltung des Dampf-Wasserkreislaufes für vorgegebene Randbedingungen einer Entnahme-oder Gegendruckdampfturbine eines Heizkraftwerkes ausgelegt werden.
• Darüber hinaus kann statt Kohle ein schwefelhaltiges Schwer-oder Rückstandsöl unter Beimischung eines Absorber verfeuert werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche l.)Kohlegefeuertes Kraftwerk, bestehend aus einem mit einer Wirbelschichtfeuerung ausgerüsteten Dampfkessel, einer Dampfturbogruppe inklusive Kondensator und Vorwärmerstrasse, einer Gasturbine mit einem Luftverdichter und einer Staubabscheidergruppe, wobei der Dampfkessel über dem Luftverdichter unter einem Uebe.rdruck gehalten wird und wobei die Kesselheizflächen ausserhalb der Wirbelschicht angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dampfkessel mindestens noch eine Wirbelschichtfeuerung gasseitig in Serie nachgeschaltet ist.
2. 2. Kohlegefeuertes Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit je einer nachgeschaltete.n Wirbelschichtfeuerung je ein weiterer Dampfkessel mit ausserhalb der Wirbelschicht angeordneten Kesselheizflächen ausgerüstet ist.
3. 3.. Kohlegefeuertes Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der letzten in Serie nachgeschalteten Wirbelschichtfeuerung eine ungekühlte Gasturbinen-Brennkammer ausgerüstet ist.