DE102004063795B3

DE102004063795B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasaufbereitung für Gasturbinen bei Kraftwerken mit Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen

Info

Publication number: DE102004063795B3
Application number: DE200410063795
Authority: DE
Inventors: Hilarius Drszisga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-12-31
Also published as: DE102004063795B8

Abstract

Die Gasaufbereitung des Rohgases bei Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen findet bekannterweise durch über der Brennkammer nachgeordnete Reinigungseinrichtungen in Form von zwei hintereinander geschalteten, zur Grob- und Feinstaubreinigung vorgesehenen Zyklonen statt. Um trotz der hohen Temperaturen eine verbesserte Aufbereitung des Rohgases hinsichtlich der Abscheidung von Grob- und Feinpartikeln, insbesondere hinsichtlich auftretender Spurenelemente, zu ermöglichen, wird das bei der Verbrennung entstehende Gas zunächst zur Reinigung einem wendelförmigen Abscheiderohr (4) und einem daran anschließenden Zyklon (8) bekannter Bauweise und das über den Zyklon (8) gereinigte Gas als erster Teilstrom dem Energieumwandler (24) zugeführt und ein weiterer, über mindestens im Abscheiderohr (4) angeordnete Feinstaubwirbelkammern (6) und diesen nachgeschaltete Feinstaubfilter (12, 13) gereinigter und mittels eines Injektors (16) abgesaugter zweiter Teilstrom mit sauerstoffarmen, gereinigtem verdichteten und getrocknetem sowie über Wärmetauscher (19, 20a u. b) aufgeheiztem Kamingas vermischt und mittels eines keramischen Wärmetauschers (17) erhitzt wird unter Vermischung mit dem ersten Teilstrom dem Energieumwandler (24) zugeführt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufbereitung des mittels Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen zur Beschickung von Energieumwandlern in Form von Gasturbinen vorgesehenen Gases, wobei Kohlenstaub und Luft über einen Brenner einer Brennkammer und das Rohgas über eine Reinigungseinrichtung dem Energieumwandler zugeführt werden und die Asche in der Reinigungseinrichtung nachgeschalteten Bunkern gesammelt wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3.
Die Gasreinigung innerhalb von Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen für den Betrieb von Gasturbinen bezieht sich sowohl auf gasförmige als auch auf feste und flüssige Schadstoffe. Die geforderten Grenzwerte der Partikelkonzentration soll < 5 mg/m³N und die Staubkorngröße nicht mehr als 5 μm betragen. Derartig hohe Anforderungen lassen sich gegenwärtig nur bei öl- und gasbetriebenen Kombikraftwerken bei entsprechenden Temperaturen erfolgreich realisieren.
Bei den gattungsgemäßen Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen wird der Kohlenstaub in Verbindung mit Förder- und Brennluft dosiert über einen Brenner in eine Brennkammer unter Druck eingeleitet. Das bei hohen Temperaturen durch Verbrennung entstehende Rohgas wird im Anschluss an die Brennkammer vor dem Eintritt in einen Energieumwandler, also eine Gasturbine, in einer Reinigungseinrichtung aufbereitet.
Die derzeit übliche Reinigungsanlage besteht aus einem Doppelzyklon, der zunächst eine Grob- und in dem zweiten Zyklon eine Feinabscheidung bewirkt. Dabei hat sich herausgestellt, dass die so erzielte Reinheit des Gases nicht geeignet ist, eine Gasturbine zu beaufschlagen.
Abgesehen von den geforderten Grenzwerten der Partikelkonzentrationen lassen sich Spurenelemente, wie Alkalion und Schadgase wie SO₂ oder Säuren nicht in ausreichendem Maße beseitigen, ohne Zerstörungen der Gasturbine, insbesondere deren Schaufeln, ausschließen zu können.
Als alternative Lösung für die Gasaufbereitung sind sogenannte Filterkerzenstaubabscheider bekannt, bei welchen das gesamte Rohgas durch überaus große Filterflächen geführt werden muss, um den ansonsten auftretenden Druckabfall reduzieren zu können. Abgesehen von dem erheblichen Druckabfall sind derartige Filter für die bei der Druckkohlenstaubfeuerungsanlage auftretenden Temperaturen nicht geeignet.

Nach der DE 690 00 323 T2 ist ein Apparat für die Vergasung oder Verbrennung von festem, kohlenstoffhaltigem Material in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor bekannt, der aus einer Reaktorkammer mit einer Wirbelschicht aus Partikeln einschließlich eines Gasabzugs besteht. Dieser Apparat weist einen ersten Abscheider zur Abscheidung von zirkulierenden Partikeln aus dem aus der Reaktorkammer abgezogenen Gas auf, wobei besagter Abscheider einen Gasaustritt und einen Partikelaustritt aufweist. Der Abscheider ist mit einem ersten Rückführkanal versehen, der mit besagtem Partikelaustritt zur anschließenden Rückführung von durch den ersten Abscheider abgeschiedenen Partikeln zu besagter Reaktorkammer verbunden ist. Dem ersten Abscheider ist ein zweiter Abscheider zur Abscheidung von Feinstaub aus dem aus dem Gasabzug abgezogenen Gas aus besagtem ersten Abscheider nachgeschaltet, wobei besagter zweiter Abscheider einen Partikelaustritt aufweist. An den zweiten Abscheider schließt sich ein Strömungskanal an, der mit besagtem Partikelaustritt des zweiten Abscheiders verbunden ist. Auch ein derartiger Apparat ist jedoch nicht in der Lage, eine weitestgehende Abscheidung von Spurenelementen zu gewährleisten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Gasaufbereitung, d.h. zur Gasreinigung unter Zugrundelegung der bei der Druckkohlenstaubfeuerungsanlage auftretenden hohen Temperaturen zu schaffen, die ausgehend von den derzeitigen Verfahren eine wirkungsvollere Reinigung des Gases im Hinblick auf die Nutzung des nachgeschalteten Energieumwandlers und eine Erhöhung des Nettowirkungsgrades ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass das bei der Verbrennung entstehende Rohgas zunächst zur Reinigung einem wendelförmigen Abscheiderohr und einem daran anschließenden Zyklon bekannter Bauweise und das über den Zyklon gereinigte Gas als erster Teilstrom dem Energieumwandler zugeführt werden, und dass ein weiterer, über mindestens eine am Abscheiderohr angeordnete Feinstaubwirbelkammer und dieser nachgeschaltete Feinstaubfilter, gereinigter und mittels eines Injektors abgesaugter zweiter Teilstrom mit sauerstoffarmem, gereinigtem, verdichtetem und getrocknetem sowie über Wärmetauscher aufgeheiztem Kamingas vermischt und mittels eines keramischen Wärmetauschers erhitzt und unter Vermischung mit dem ersten Teilstrom dem Energieumwandler zugeführt wird.

Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Nebenanspruchs 3 gelöst.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung sind vornehmlich für hohe Gastemperaturen ausgelegt. Das Verfahren kombiniert unterschiedliche Verfahrensschritte, wodurch grobe Partikel, Feinstaub und insbesondere sogenannte Spurenelemente aus dem Gasstrom ausgeschieden bzw. verdünnt werden. Die miteinander kombinierten Verfahrensschritte reduzieren den ansonsten erheblichen Druckabfall an der Filteranlage, wodurch die durch das Gas zu verrichtende Reinigungsarbeit erheblich verringert wird.

Es erweist sich im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft, dass zunächst für die Grobabscheidung die Kombination eines wendelförmigen Abscheiderohres, wie es in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 10 2004 039 182.3 beschrieben ist, in Verbindung mit einem Zyklon herkömmlicher Bauweise verwendet wird, wobei das Wendelrohr als auch die dem Zyklon nachgeschaltete Reingasleitung mit mindestens einer Feinstaubwirbelkammer zum Abscheiden des Feinstaubs versehen sind.

Des weiteren erweist es sich als besonders vorteilhaft für die gesamte Gasreinigung, dass aufbereitetes Kamingas für einen Injektor genutzt wird, über welchen das noch mit Feinstaub belastete Gas durch Feinstaubfilter abgesaugt und mit dem aufbereitetem Kamingas nach nochmaliger Erhitzung durch einen Keramik-Wärmetauscher soweit gereinigt und verdünnt wird, dass dieser Teilstrom dem durch den Zyklon gereinigten Teilstrom zugeführt und mit diesem vermischt in den Energieumwandler eingeleitet wird.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass der zur Gasaufbereitung abgezweigte Teilstrom des Kamingases über Wärmetauscher aufgeheizt wird, wodurch die hohen Temperaturen der Brennkammer zusätzlich genutzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im nachfolgenden näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch eine in schematisierter Form wiedergegebene Feuerungsanlage als Ausführungsbeispiel mit Gasreinigung und
2 ein Fließbild der in 1 aufgezeigten Kraftwerksanlage:
In 1 sind in schematisierter Form und im Schnitt die wesentlichen Bestandteile einer Druckkohlenstaubverbrennungsanlage dargestellt. Über einen Brenner 1 werden der in einem Druckkessel 2 angeordneten Brennkammer 3 über eine Zellenradschleuse 26 Kohlenstaub aus dem Kohlebunker 25 unter Zuführung von Förderluft 27 und Brennluft 28, wie in dem Fließbild nach 2 angedeutet, unter Druck eingeführt.
Das in der Brennkammer 3 erhitzte Rohgas strömt am unteren Ende der Brennkammer 3 in einen erweiterten Gaseintritt 5 eines nachgeordneten, wendelförmigen Abscheiderohres 4. In dem Abscheiderohr 4 werden mit Hilfe der Zentrifugalkraft die gröberen Partikel aus dem Gasstrom getrennt, lagern sich auf der Innenseite des Abscheiderohres 4 ab und werden, bedingt durch die Strömung und Schwerkraft, dem nachfolgende Zyklon 8 zugeführt. Der Grobstaub aus dem Zyklon 8 wird in einem Aschebunker 9 aufgefangen.
Der Feinstaub wird in einer oder mehreren, entlang des Abscheiderohres 4 an diesem angeordneten Feinstaubwirbelkammern 6 aufgefangen und mittels eines Injektors 16 abgesaugt.
Das von Feinstaub gereinigte Gas gelangt über Leitungen 15 in einen Injektor 16, während der Feinstaub, der über beispielsweise einen Feinstaubfilter 13 vom Gas getrennt worden ist, in einem Aschebehälter 14 aufgefangen wird.
Der von Grobpartikeln gereinigte und in den Zyklon 8 geführte Gasstrom wird zentral am oberen Ende des Zyklons 8 aus diesem herausgeführt und gelangt in eine zum Energieumwandler 24 führende Reingasleitung 10. Innerhalb dieser Reingasleitung 10 ist ebenfalls in dem dargestellten Ausführunsbeispiel mindestens eine Feinstaubwirbelkammer 7 angeordnet, in welcher ein evtl. verbleibendes Rest Feinstaub aufgewirbelt und ebenfalls über eine Leitung 11 mittels des Injektors 16 abgesaugt und einem Feinstaubfilter 12 bzw. über die Leitung 15 dem Injektor 16 zugeführt wird.
Der im Feinstaubfilter 12 aufgefangene Feinstaub wird in einem gemeinsamen oder einem weiteren Aschebehälter 14 gesammelt. Das aus den Feinstaubfiltern 12 abgesaugte Gas wird innerhalb des Injektors 16 mit dem den Injektor 16 antreibenden Gasstrom vermischt.
Der den Injektor 16 antreibende Gasstrom ist ein Teil eines im Feuerungskreislauf gereinigten Kamingases. Ein Teil des Kamingases wird in einem Gasreiniger 30 von Schadstoffen gereinigt, mittels eines Verdichters 21 verdichtet und in einem Trockner 22 getrocknet. Anschließend wird das Gas in einen Wärmetauscher 19 geleitet. Danach strömt das Gas durch weitere Wärmetauscher 20a und 20b zum Injektor 16, wo es sich mit dem Gasstrom aus den Feinstaubfiltern 12 und 13 vermischt.
Es wird durch die Unterbringung des Wärmetauschers 20b in die unmittelbare Nähe der Innenwand des Druckkessels 2 erreicht, dass nur ein geringer Teil der aus der Brennkammer 3 nach außen strömenden Wärme die Wand des Druckkessels 2 erwärmt, was bei diesem Verfahren zu einer guten Wärmeausnutzung und dadurch zu einer Steigerung des gesamten Wirkungsgrades der Feuerungsanlage beiträgt.
Dieses Gasgemisch wiederum wird durch einen keramischen Wärmetauscher 17 auf Betriebstemperatur aufgeheizt und vermischt sich letztlich mit dem aus dem Zyklon 8 strömenden Gas durch Zuführung über die Leitung 18 in die Reingasleitung 10, die zum Energieumwandler führt. Durch die Vermischung der verschiedenen gereinigten und wieder erhitzten Gasströme werden letztlich die noch vorhandenen Spurenelemente weitestgehend verdünnt, so dass ein wirkungsvolles Turbinentreibergas zur Verfügung steht.

1: Brenner
2: Druckkessel
3: Brennkammer
4: Abscheiderohr, wendelförmig
5: Gaseintritt
6: Feinstaubwirbelkammer
7: Feinstaubwirbelkammer
8: Zyklon
9: Aschebunker
10: Reingasleitung
11: Feinstaubleitungen
12: Feinstaubfilter
13: Feinstaubfilter
14: Aschebehälter
15: Leitungen zum Injektor
16: Injektor
17: Keramischer Wärmetauscher
18: Leitung (in die Reingasleitung)
19: Äußerer Wärmetauscher
20: Innerer Wärmetauscher
21: Verdichter
22: Gastrockner
23: Ventil
24: Energieumwandler
25: Kohlenbunker
26: Zellenradschleuse
27: Förderluft
28: Brennluft
29: Kamin
30: Gasreiniger
31: Messtrecke
32: Kamingasleitung

Claims

Verfahren zur Gasaufbereitung des mittels Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen zur Beschickung von Energieumwandlern in Form von Gasturbinen vorgesehenen Gases, wobei Kohlenstaub und Luft über einen Brenner einer Brennkammer und das Rohgas über eine Reinigungseinrichtung dem Energieumwandler zugeführt werden und die Asche in der Reinigungseinrichtung nachgeschalteten Bunkern gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Verbrennung entstehende Rohgas zunächst zur Reinigung einem wendelförmigen Abscheiderohr (4) und einem daran anschließenden Zyklon (8) bekannter Bauweise und das über den Zyklon (8) gereinigte Gas als erster Teilstrom dem Energieumwandler (24) zugeführt werden, und dass ein weiterer, über mindestens eine am Abscheiderohr (4) angeordnete Feinstaubwirbelkammer (6) und dieser nachgeschaltete Feinstaubfilter (12, 13) gereinigter und mittels eines Injektors (16) abgesaugter zweiter Teilstrom mit sauerstoffarmem, gereinigtem, verdichtetem und getrocknetem sowie über Wärmetauscher (19, 20a + b) aufgeheiztem Kamingas vermischt und mittels eines keramischen Wärmetauschers (17) erhitzt unter Vermischung mit dem ersten Teilstrom dem Energieumwandler (24) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des gereinigten Kamingases mittels eines Verdichters (21) angesaugt in einen Trockner (22) geleitet, anschließend einem Wärmetauscher (19) zugeführt und über ein Ventil (23) zum Regeln der Konzentration des Schadstoffs und weiteren Wärmetauschern (20a + b) letztlich dem Injektor (16) zugeführt wird.
Vorrichtung zur Gasaufbereitung des mittels Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen zur Beschickung von Energieumwandlern in Form von Gasturbinen vorgesehenen Gases, die im wesentlichen aus einem eine Brennkammer aufweisenden Druckkessel besteht, wobei das durch Verbrennung entstehende Rohgas über eine Reinigungseinrichtung dem Energieumwandler zugeführt wird und die Asche der Reinigungseinrichtung nachgeschalteten Bunkern gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Brennkammer (3) als Reinigungseinrichtung ein wendelförmiges Abscheiderohr (4) mit daran anschließendem Zyklon (8) bekannter Bauweise zur Abscheidung eines gereinigten ersten Teilstromes des Gases und mindestens am Abscheiderohr (4) Feinstaubwirbelkammern (6) vorgesehen sind, aus welchen mittels eines Injektors (16) und über Feinstaubabscheider (12, 13) gereinigt, ein weiterer zweiter Teilstrom abgesaugt wird, der im Injektor (16) mit über Wärmetauscher (19, 20a + b) aufgeheiztem Kamingas vermischt und mittels eines keramischen Wärmetauschers (17) erhitzt unter Vermischung mit dem ersten Teilstrom zur Zuführung zum Energieumwandler (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im Querschnitt kegelförmige Abscheiderohr (4) einen das Gas aufnehmenden, trichterartig erweiteren Gaseintritt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sich verjüngende Ende des Abscheiderohres (4) tangential in einen nachgeschalteten Zyklon (8) mündet, der zur Aufnahme der groben Aschepartikel mit einem Aschebunker (9) und zum Transport des gereinigten Gases am oberen Ende mit einer Leitung (10) zum Energieumwandler (24) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zum Energieumwandler (24) führenden Leitung (18) mindestens eine Feinstaubwirbelkammer (7) vorsehbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstaubwirbelkammern (6, 7) mit durch einen Injektor (16) beaufschlagten Absaugleitungen (11) versehen und in den Absaugleitungen (11) Feinstaubfilter (12, 13) mit daran angeschlossenen Aschebunkern (14) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Wärmetauscher (17) innerhalb der Brennkammer (3) vorgesehen ist.