DE102005035660A1 - Method for operating boiler of coal fired power plant entails electrically charging ash particles in combustion gas before entry into heat exchanger section - Google Patents

Method for operating boiler of coal fired power plant entails electrically charging ash particles in combustion gas before entry into heat exchanger section Download PDF

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Abstract

The method is for operating a boiler (2) of a coal fired power plant in which coal is introduced in a furnace (4) of the boiler and combusted there, wherein ash particles (A1) present in the combustion gas are at least locally electrically charged before their entry into the heat exchanger section (8), and an electrical field is created in at least in the environment of the heat exchanger surfaces (9) adjacent to the furnace. The electrical field exerts on the charged ash particles a force which is directed away from the heat exchanger surfaces. An independent claim is included for a boiler for a coal fired power plant which is operated in accordance with the aforesaid method.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kessels eines Kohlekraftwerkes. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf einen nach diesem Verfahren betreibbaren Kessel.The The invention relates to a method of operating a boiler a coal power plant. Furthermore The invention relates to a operable by this method Boiler.

Der Kessel eines Kohlekraftwerkes besteht aus einem Feuerraum, in dem die Kohle verbrannt wird, an dem sich ein Wärmetauscher anschließt. Dieser enthält in der Regel eine Mehrzahl von Wärmetauscherabschnitten, die jeweils aus einem Rohrbündel mit einer Vielzahl von Einzelrohren bestehen. Bei der Verbrennung von Kohle, insbesondere bei der Verbrennung von Braunkohle, entstehen große Mengen an Flugasche, die im Verbrennungsgasstrom wegen der im Feuerraum herrschenden hohen Temperaturen von über 1000°C im Allgemeinen in Form flüssiger Partikel vorliegen. Diese Flugasche schlägt sich als Schlacke an nachfolgenden Einbauten im Kessel, insbesondere an den Wärmetauscherrohren und damit auf den für den Wärmetausch genutzten Oberflächen (Wärmetauscherflächen), nieder. Dadurch bildet sich dort eine mit der Zeit wachsende Schlackeschicht von bis zu mehreren cm Dicke. Diese Schlackeschicht verschlechtert aufgrund ihrer wärmeisolierenden Eigenschaften den Wärmetausch und damit die Leistung und den Wirkungsgrad des Kessels. Nach einer Betriebsdauer, die von der Art der verbrannten Kohle abhängig ist, ist es deshalb erforderlich, die Wärmetauscherrohre von der Schlackeschicht zu befreien.Of the Boiler of a coal power plant consists of a firebox in which the coal is burned, followed by a heat exchanger. This contains usually a plurality of heat exchanger sections, each from a tube bundle consist of a variety of individual tubes. When burning of coal, in particular during the combustion of lignite large quantities to fly ash, which in the combustion gas stream because of the in the furnace prevailing high temperatures of over 1000 ° C generally in the form of liquid particles available. This fly ash strikes itself as slag on subsequent installations in the boiler, in particular on the heat exchanger tubes and thus on the for the heat exchange used surfaces (Heat exchanger surfaces), down. As a result, a slag layer that grows over time is formed there up to several cm thick. This slag layer deteriorates due to its heat-insulating Features the heat exchange and thus the performance and efficiency of the boiler. After a Operating time, which depends on the type of coal burnt, It is therefore necessary, the heat exchanger tubes from the slag layer to free.

Das Entfernen der glasartigen, hochfesten Schlacke ist jedoch nur manuell mit mechanischen Mitteln bei Stillstand der Kraftwerksanlage und nach Abkühlung des Kessels möglich. Dieser Prozess ist sehr aufwendig und verursacht Stillstandzeiten von typisch mehreren Wochen. Er stellt daher einen erheb lichen Kostenfaktor für den Betreiber dar.The However, removal of the glassy, high-strength slag is only manual by mechanical means at standstill of the power plant and after cooling the boiler possible. This process is very costly and causes downtime of typically several weeks. It therefore represents a substantial cost factor for the Operator dar.

Um die Ablagerung einer glasartigen Schlacke auf den Wärmetauscherflächen zu vermeiden oder zu verringern, ist es im Stand der Technik bekannt, den Brenner des Kessels für bestimmte Kohlesorten derart auszulegen, dass die Temperatur des Verbrennungsgases beim Eintritt (Eintrittstemperatur) in den Wärmetauscherabschnitt knapp unterhalb der Schmelz- oder Erweichungstemperatur der Flugasche gehalten wird. Dann liegen die Aschepartikel bei dem Eintritt in den Wärmetauscherbereich in fester Form vor und weisen eine wesentlich geringere Tendenz zur Anlagerung auf. Die Anlagerungen auf den Wärmetauscherflächen, die durch das Auftreffen fester Partikel entstehen, haben außerdem eine geringere Festigkeit und Haftung, so dass sie beispielsweise durch Dampfstrahlen, durch Thermoschocks, ausgelöst durch eingespritztes Wasser, oder durch Eindüsen von Ruß leicht entfernt werden können.Around the deposition of a glassy slag on the heat exchanger surfaces to avoid or reduce it is known in the art, the burner of the boiler for certain types of coal interpreted in such a way that the temperature of the combustion gas when entering (inlet temperature) in the heat exchanger section just below the melting or softening temperature of the fly ash is held. Then the ash particles are at the entrance in the heat exchanger area in solid form and have a much lower tendency for attachment. The deposits on the heat exchanger surfaces, the caused by the impact of solid particles, also have a lower strength and adhesion, so that they can be used, for example Steam blasting, by thermal shocks triggered by injected water, or by spraying from soot easily can be removed.

Bei einer Umstellung auf andere Kohlesorten, insbesondere bei der Verwendung von Braunkohle geringer Qualität, können sich jedoch Flugaschen bilden, deren Erweichungs- oder Schmelztemperatur niedriger ist als die für den normalen Auslegungsfall festgelegte Eintrittstemperatur. Zur Vermeidung unerwünschter Ablagerungen auf den wärmetauscherflächen ist es daher notwendig, die Auslegung des Brenners zu ändern und die Temperatur des Verbrennungsgases zu reduzieren, so dass die in ihm enthaltenen Aschepartikel bei oder vor ihrem Eintritt in den Wärmetauscherbereich in fester Form vorliegen. Durch diese Maßnahme erniedrigen sich jedoch auch die Kesselleistung und der Kesselwirkungsgrad. Dies führt zu einer Erhöhung der Strom- bzw. Wärmegestehungskosten und damit zu einer verringerten Wirtschaftlichkeit des Kohlekraftwerkes.at a conversion to other types of coal, especially in use low quality lignite, can however, flyashes form whose softening or melting temperature lower than that for the normal design case specified inlet temperature. to Avoid unwanted Deposits on the heat exchanger surfaces is it is therefore necessary to change the design of the burner and to reduce the temperature of the combustion gas so that the in ash particles contained at or before their entry into the heat exchanger area in solid form. However, this measure will degrade also the boiler output and the boiler efficiency. This leads to a increase the electricity or heat production costs and thus to a reduced economic efficiency of the coal-fired power plant.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kessels eines Kohlekraftwerkes anzugeben, mit dem es möglich ist, unter Beibehaltung der thermischen Kesselleistung auch minderwertige Kohlesorten zu verbrennen, ohne dass dies zu einer vermehrten Ablagerung hochfester Schlacke auf den Wärmetauscherflächen führt. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen nach diesem Verfahren betreibbaren Kessel für ein Kohlekraftwerk zu schaffen.Of the The invention is therefore based on the object, a method for operating of a coal-fired power plant boiler with which it is possible to while maintaining the thermal boiler performance also inferior Burning coals without this increasing the deposit of high-strength Slag on the heat exchanger surfaces leads. It also lies the invention is based on the object, one by this method operable boiler for to create a coal-fired power plant.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen werden bei dem Verfahren zum Betreiben eines Kessels eines Kohlekraftwerkes, bei dem Kohle mit einem Brenner in einen Feuerraum des Kessels eingebracht und dort verbrannt wird, und bei dem das dabei entstehende Verbrennungsgas gemeinsam mit darin enthaltenen Aschepartikeln (Flugasche) in einen Wärmetauscherbereich des Kessels strömt und an dort befindlichen Wärmetauscherflächen Wärme abgibt, die im Verbrennungsgas befindlichen Aschepartikel zumindest lokal vor ihrem Eintritt in den Wärmetauscherbereich elektrisch aufgeladen, und es wird zumindest in der Umgebung der dem Feuerraum benachbarten Wärmetauscherflächen ein elektrisches Feld erzeugt, das auf die geladenen Aschepartikel eine von den Wärmetauscherflächen weg gerichtete Kraft ausübt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Aschepartikel zumindest lokal, d.h. in ausgewählten Bereichen im Verbrennungsgasstrom und nicht zwingend notwendig im gesamten Verbrennungsgasstrom im dem Feuerraum benachbarten Wärmetauscherbereich so lange von den Wärmetauscherflächen fernzuhalten, bis die Temperatur des Verbrennungsgases und damit auch die Temperatur der Aschepartikel auf werte unterhalb der Verfestigungs- oder Erweichungstemperatur der Asche gesunken ist. Der Kessel kann somit mit unveränderter Kesselleistung weiterbetrieben werden, ohne dass dabei die eingangs erwähnten hochfesten Ablagerungen auf den Wärmetauscherflächen entstehen, da die Aschepartikel in schmelzflüssigem Zustand nicht mehr in Kontakt mit den Wärmetauscherflächen treten. Da außerdem die Temperatur der in den Wärmetauscherbereich einströmenden Verbrennungsgase nicht beeinflusst wird, bleibt auch der Kesselwirkungsgrad erhalten.With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1. According to these features are introduced in the method for operating a boiler of a coal power plant in which coal is burned with a burner in a furnace chamber of the boiler, and in which the resulting combustion gas together with ash particles contained therein (fly ash) flows into a heat exchanger area of the boiler and gives heat there heat exchanger surfaces, the ash particles located in the combustion gas electrically charged at least locally before their entry into the heat exchanger area, and it is at least in the Surrounding the combustion chamber adjacent the heat exchanger surfaces generates an electric field which exerts on the charged ash particles directed away from the heat exchanger surfaces force. By this measure, it is possible to keep the ash particles at least locally, ie in selected areas in the combustion gas flow and not necessarily in the entire combustion gas flow in the heat exchanger adjacent the heat exchanger area from the heat exchanger surfaces until the temperature of the combustion gas and thus the temperature of the ash particles on values below the Solidification or softening temperature of the ash has fallen. The boiler can thus continue to operate with unchanged boiler output, without causing the aforementioned high-strength deposits on the heat exchanger surfaces, since the ash particles no longer come into contact with the heat exchanger surfaces in the molten state. In addition, since the temperature of the combustion gases flowing into the heat exchanger area is not affected, the boiler efficiency is maintained.

Enthält das elektrische Feld einen zeitlich variierenden Anteil, d. h. wird es entweder an – und ausgeschaltet oder ist der variierende Anteil von einem Gleichfeld überlagert, kann erreicht werden, dass die schmelzflüssigen Aschepartikel nur einen solchen, von den Wärmetauscherflächen weg gerichteten Impuls erhalten, der sie zwar von den Wärmetauscherflächen fernhält, jedoch nicht ausreicht, um sie in schmelzflüssiger Phase zu den zum Erzeugen des elektrischen Feldes notwendigen Elektroden zu treiben. Dadurch wird die Abscheiderate von schmelzflüssiger Schlacke auf den Elektroden stark verringert und deren Abreinigung wesentlich vereinfacht.Contains the electrical Field a time-varying proportion, d. H. it will either on - and switched off or the varying proportion of a DC field is superimposed, can be achieved that the molten ash particles only one such, away from the heat exchanger surfaces directed impulse, although it keeps away from the heat exchanger surfaces, however insufficient to generate them in molten phase to drive the necessary electrodes of the electric field. Thereby becomes the deposition rate of molten slag on the electrodes greatly reduced and their cleaning significantly simplified.

Hinsichtlich des Kessels wird die Aufgabe gemäß der Erfindung mit einem Kessel mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst, dessen Vorteile den zum Verfahrensanspruch 1 angegebenen Vorteilen entsprechen.Regarding the boiler is the object of the invention solved with a boiler with the features of claim 4, whose Advantages correspond to the advantages given for method claim 1.

Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Maßnahmen können mit geringem Aufwand in bestehenden Kraftwerksanlagen nachgerüstet werden und erfordern nur geringe zusätzliche Betriebskosten, die durch die erhebliche Verlängerung der Wartungsintervalle und durch die Verringerung der Wartungskosten unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten kaum ins Gewicht fallen.The according to the invention proposed measures can be retrofitted with little effort in existing power plants and require little additional Operating costs caused by the significant extension of maintenance intervals and by reducing maintenance costs under economic Aspects hardly matter.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:to further explanation The invention is based on the embodiment referred to the drawing. Show it:

1 einen Kessel eines Kohlekraftwerkes mit einer Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, 1 a boiler of a coal power plant with an electrode assembly according to the invention in a schematic schematic diagram,

2 ein Prinzipbild zum Veranschaulichen der Wirkungsweise der Erfindung. 2 a schematic diagram illustrating the operation of the invention.

Gemäß 1 umfasst ein Kessel 2 eines Kohlekraftwerkes einen Feuerraum 4, in den mit einem Brenner in der Regel in staubförmiger Konsistenz vorliegende Kohle gemeinsam mit Luft eingebracht und dort verbrannt wird. Bei der Verbrennung der Kohle im Feuerraum 4 entsteht Verbrennungsgas V, in dem flüs sige Aschepartikel Af (Flugaschen) enthalten sind. Unterhalb des Feuerraumes 4 befindet sich ein Schlackeaustritt 6, aus dem die bei der Verbrennung entstehende Schlacke austritt. Oberhalb des Feuerraumes 4, d.h. in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases V gesehen nach dem Feuerraum 4, befindet sich ein Wärmetauscherbereich 8, der in mehreren Abschnitten 10 jeweils eine Wärmetauscheranordnung mit Wärmetauscherflächen 9, in der Regel jeweils ein aus einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren aufgebautes Rohrbündel, enthält.According to 1 includes a kettle 2 a coal-fired power plant a firebox 4 , is introduced into the coal with a burner usually in a dusty consistency coal together with air and burned there. When burning the coal in the furnace 4 combustion gas V, in which flüs sige ash particles A f (fly ash) are contained. Below the firebox 4 there is a slag outlet 6 from which emerges the slag produced during combustion. Above the firebox 4 , ie seen in the flow direction of the combustion gas V after the furnace 4 , there is a heat exchanger area 8th in several sections 10 in each case a heat exchanger arrangement with heat exchanger surfaces 9 , usually in each case one of a plurality of heat exchanger tubes constructed tube bundle contains.

In Strömungsrichtung des Verbrennungsgases V gesehen befindet sich vor und im Bereich des untersten Abschnittes 10 eine Elektrodenanordnung 20, die an eine Hochspannungsquelle 22 angeschlossen ist und ein elektrisches Feld innerhalb des Kessels 2 erzeugt. Diese Elektrodenanordnung 20 entspricht in ihrer Wirkungsweise einem elektrostatischen Staubfilter und bewirkt ein Aufladen und Ablenken der flüssigen Aschepartikel Af von den Wärmetauscherflächen der zumindest im unteren Teil des Wärmetauscherbereiches 8 befindlichen Abschnitte 10.Seen in the flow direction of the combustion gas V is located in front of and in the region of the lowermost portion 10 an electrode assembly 20 connected to a high voltage source 22 is connected and an electric field inside the boiler 2 generated. This electrode arrangement 20 corresponds in its operation to an electrostatic dust filter and causes a charging and deflecting the liquid ash particles A f of the heat exchanger surfaces of at least the lower part of the heat exchanger region 8th located sections 10 ,

Die Wirkungsweise der Elektrodenanordnung 20 ist anhand 2 veranschaulicht. Gemäß dieser Figur umfasst die Elektrodenanordnung 20 in der Umgebung der Wärmetauscherflächen 9, im dargestellten Ausführungsbeispiel die Oberflächen von Wärmetauscherrohren 16, angeordnete gitter- oder plattenförmige Elektroden 24, an denen eine Hochspannung HV anliegt, so dass zwischen den Elektroden 24 und den Wärmetauscherflächen 9 ein elektrisches Feld entsteht. Die Ionisationseinrichtung 20a wird durch dünne Drähte 26 gebildet, die sich unterhalb des Wärmetauscherbereiches 8, d.h. zwischen Wärmetauscherbereich 8 und Feuerraum 4, befinden ebenso wie die Wärmetauscherflächen 9 auf Massepotential liegen. Zwischen der Elektrode 24 und den als Gegenelektrode dienenden Drähten 26 findet eine Gasentladung statt, die eine negative elektrische Aufladung der nach oben strömenden flüssigen Aschepartikel Af bewirken. Elektroden 24 und Drähte 26 bieten somit eine zwischen dem Feuerraum 3 und dem Wärmetauscherbereich 8 angeordnete Ionisationseinrichtung 20a, dem sich ein durch die Elektroden 24 und die Wärmetauscherflächen 9 festgelegter Ablenkbereich 20b anschließt. Die in der Ionisationseinrichtung 20a negativ aufgeladenen Aschepartikel Af erfahren auf diese Weise im Ablenkbereich 20b eine von den Wärmetauscherflächen 9 weg gerichtete Kraft und werden seitlich abgelenkt, wie dies in der Figur zu erkennen ist. Durch diese seitliche Ablenkung werden sie von den Wärmetauscherflächen 9 ferngehalten.The mode of action of the electrode arrangement 20 is based 2 illustrated. According to this figure, the electrode assembly comprises 20 in the vicinity of the heat exchanger surfaces 9 , In the illustrated embodiment, the surfaces of heat exchanger tubes 16 , arranged grid or plate-shaped electrodes 24 , to which a high voltage HV is applied, so that between the electrodes 24 and the heat exchanger surfaces 9 an electric field arises. The ionization device 20a is made by thin wires 26 formed below the heat exchanger area 8th ie between heat exchanger area 8th and firebox 4 , are located as well as the heat exchanger surfaces 9 are at ground potential. Between the electrode 24 and the wires serving as the counter electrode 26 a gas discharge takes place, causing a negative electrical charge of the upwardly flowing liquid ash particles A f . electrodes 24 and wires 26 thus offer one between the firebox 3 and the heat exchanger area 8th arranged ionization device 20a , one through the electrodes 24 and the heat exchanger surfaces 9 fixed deflection range 20b followed. The in the ionization device 20a negatively charged ash particles A f experience this way in the deflection region 20b one of the heat exchanger surfaces 9 directed away force and are deflected laterally, as can be seen in the figure. By this lateral deflection they are from the heat exchanger surfaces 9 kept away.

Die Stärke des zwischen den Elektroden 24 und den Wärmetauscherflächen 9 herrschenden elektrischen Feldes ist dabei so bemessen, dass die flüssigen Aschepartikel Af die Elektroden 24 erst dann erreichen, wenn die Verfestigungs- oder Erweichungstemperatur unterschritten ist, so dass sie als feste Aschepartikel As auf die Elektroden 24 auftreffen. Dies kann beispielsweise durch ein intermittierendes elektrisches Feld geschehen, das auch von einem Gleichfeld überlagert sein kann.The strength of the between the electrodes 24 and the heat exchanger surfaces 9 ruling electric field is dimensioned so that the liquid ash particles A f the electrodes 24 reach only when the solidification or softening temperature is below, so that they as solid ash particles A s on the electrodes 24 incident. This can for example be done by an intermittent electric field, which may be superimposed by a DC field.

Zum Ablenken der Aschepartikel Af, As sind Feldstärken im Bereich von 1,5 kV/cm bis über 5 kV/cm erforderlich. Die Abstände zwischen der Elektrode 24 und den Wärmetauscherflächen 9 liegen im Bereich von etwa 100 bis 250mm bei Spannungen von einigen 10 bis über 100 kV.For deflecting the ash particles A f , A s field strengths in the range of 1.5 kV / cm to about 5 kV / cm are required. The distances between the electrode 24 and the heat exchanger surfaces 9 are in the range of about 100 to 250mm at voltages of some 10 to over 100 kV.

Claims (4)

Verfahren zum Betreiben eines Kessels (2) eines Kohlekraftwerkes, bei dem Kohle mit einem Brenner in einen Feuerraum (3) des Kessels (2) eingebracht und dort verbrannt wird, und das dabei entstehende Verbrennungsgas (V) gemeinsam mit darin enthaltenen Aschepartikeln (Af) in einen Wärmetauscherbereich (8) des Kessels (2) strömt und an dort befindlichen Wärmetauscherflächen (9) Wärme abgibt, und bei dem die im Verbrennungsgas (V) befindlichen Aschepartikel (Af) zumindest lokal vor ihrem Eintritt in den Wärmetauscherbereich (8) elektrisch aufgeladen werden, und bei dem zumindest in der Umgebung der dem Feuerraum (3) benachbarten Wärmetauscherflächen (9) ein elektrisches Feld (E) erzeugt wird, das auf die geladenen Aschepartikel (Af) eine von den Wärmetauscherflächen (9) weg gerichtete Kraft ausübt.Method for operating a boiler ( 2 ) of a coal-fired power plant in which coal is burned with a burner into a combustion chamber ( 3 ) of the boiler ( 2 ) is introduced and burned there, and the resulting combustion gas (V) together with ash particles contained therein (A f ) in a heat exchanger area ( 8th ) of the boiler ( 2 ) flows and heat exchanger surfaces located there ( 9 ) Gives off heat, and in which the ash particles (A f ) located in the combustion gas (V) at least locally before their entry into the heat exchanger area ( 8th ) are electrically charged, and at least in the vicinity of the firebox ( 3 ) adjacent heat exchanger surfaces ( 9 ) an electric field (E) is generated, which on the charged ash particles (A f ) one of the heat exchanger surfaces ( 9 ) exercises away directed force. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das elektrische Feld (E) einen zeitlich variierenden Anteil enthält.The method of claim 1, wherein the electrical Field (E) contains a time-varying proportion. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zeitlich variierende Anteil einem Gleichfeld überlagert wird.The method of claim 1, wherein the time-varying Share is superimposed on a dc field. Kessel (2) für ein Kohlekraftwerk, mit einem Feuerraum (4), in dem bei der Verbrennung von Kohle Verbrennungsgase (V) entstehen, die in einen an den Feuerraum (4) anschließenden Wärmetauscherbereich (8) strömen, und mit einer zwischen dem Feuerraum (4) und dem Wärmetauscherbereich (8) angeordneten Ionisationseinrichtung (20a) zum Aufladen der im Verbrennungsgas (V) enthaltenen Aschepartikel (Af), sowie mit einer zumindest in der Umgebung der dem Feuerraum (3) benachbarten Wärmetauscherflächen (9) angeordneten Elektrode (24) zum Erzeugen eines elektrisches Feldes (E), das auf die geladenen Aschepartikel (Af –) eine von den Wärmetauscherflächen (9) weg gerichtete Kraft ausübt.Boiler ( 2 ) for a coal-fired power plant, with a combustion chamber ( 4 ), in which, when burning coal, combustion gases (V) are created, which flow into one of the combustion chambers ( 4 ) subsequent heat exchanger area ( 8th ), and with one between the firebox ( 4 ) and the heat exchanger area ( 8th ) arranged ionization device ( 20a ) for charging the ash particles (A f ) contained in the combustion gas (V) and at least in the vicinity of the furnace ( 3 ) adjacent heat exchanger surfaces ( 9 ) arranged electrode ( 24 ) for generating an electric field (E), which on the charged ash particles (A f - ) one of the heat exchanger surfaces ( 9 ) exercises away directed force.
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