DE102008022188B4

DE102008022188B4 - Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine

Info

Publication number: DE102008022188B4
Application number: DE102008022188A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Quicker
Original assignee: Applikations- und Technikzentrum fur Energieverfahrens- Umwelt- und Stromungstechnik (atz-Evus); ATZ EVUS
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-05-06
Also published as: DE102008022188A1; WO2009135573A2; WO2009135573A3

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine (7) mit folgenden Schritten:
a) Erzeugen von Dampf (D) durch Verbrennung von Festbrennstoffen (3) im Kessel (2) eines Dampferzeugers, wobei die Verbrennung so gesteuert wird, dass der Dampf (D) eine Austrittstemperatur von etwa 450°C nicht übersteigt;
b) indirekte oder halbdirekte Übertragung eines Teils der Wärme der bei der Verbrennung erzeugten Abgase (T1) auf ein Reingas (L);
c) Erzeugen von Heißdampf (HD) mit einer Temperatur von mehr als etwa 450°C mittels eines dem Dampferzeuger (1) stromabwärts nachgeschalteten und mit dem erhitzten Reingas (HL) beheizten Wärmetauschers (6); und
d) Verwenden des erzeugten Heißdampfs (HD) zum Antrieb einer dem Wärmetauscher stromabwärts nachgeschalteten Dampfturbine (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine.
Aus der DE 10 2004 050 465 B3 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine bekannt. Dabei werden in einem Kessel fossile Energieträger verbrannt. Die dabei gebildeten mit Staub beladenen Abgase werden zum wechselweisen Aufheizen jeweils eines von mehreren Schüttgutregeneratoren verwendet. Ein mit heißen Abgasen nicht durchströmter aufgeheizter Schüttgutregenerator dient währenddessen zum Aufheizen von Umgebungsluft. Mit der aufgeheizten Umgebungsluft wird in einem stromabwärts nachgeschalteten Dampferzeuger Dampf zum Betrieb einer Dampfturbine erzeugt. Mit dem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren kann eine durch Staubpartikel bedingte Erosion im Dampferzeuger vermieden werden.
Aus der DE 33 23 756 C2 ist ein Verfahren zur Ausnutzung der bei der Abkühlung eines Rauchgasstroms abgeführten Wärme bekannt. Dabei wird einem vorgekühlten SO₂-haltigen Rauchgasstrom vor dessen Eintritt in eine Entschwefelungsanlage Wärme entzogen. Die entzogene Wärme wird zu einem Teil auf einen kalten Luftstrom und zum anderen Teil auf das entschwefelte Rauchgas übertragen. Der erwärmte Luftstrom wird in zwei Teilströme geteilt. Der erste Teilstrom wird als Verbrennungsluft eingesetzt. Der zweite Teilstrom wird zur Erzeugung von Dampf verwendet.
Wegen ständig steigender Preise für fossile Energieträger wird es wirtschaftlich zunehmend interessant, auch nicht-fossile Brennstoffe, wie z. B. Altholz, Müll, Biomasse oder Ersatzbrennstoffe, zur Energieerzeugung zu verwenden. Bei der Verbrennung solcher nicht-fossilen Brennstoffe bilden sich allerdings nachteiligerweise korrosive Abgase, welche Wärme tauscherflächen in Dampferzeugern und/oder Wärmetauschern angreifen. Um dem entgegenzuwirken, versieht man den Kessel mit Schutzschichten, welche beispielsweise durch Auftragsschweißen mit Nickelbasislegierungen hergestellt werden. Die Herstellung solcher Schutzschichten erfordert einen hohen Kostenaufwand. Des Weiteren ist beobachtet worden, dass eine besonders hohe Korrosionsgeschwindigkeit bei hohen Rauchgastemperaturen auftritt. Zur Verminderung der Korrosionsgeschwindigkeit werden herkömmlicherweise Dampferzeuger so betrieben, dass der damit erzeugte Dampf eine Temperatur von 400°C und einen Druck von 40 bar nicht übersteigt. Mit einem solchen Heißdampf kann eine Dampfturbine nicht besonders effizient zur Stromerzeugung betrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine abgegeben werden, welches eine möglichst effiziente Energieausnutzung korrosiv wirkender Abgase ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Erzeugen von Dampf durch Verbrennung von Festbrennstoffen im Kessel eines Dampferzeugers, wobei die Verbrennung so gesteuert wird, dass der Dampf eine Austrittstemperatur von etwa 450°C nicht übersteigt;
b) indirekte oder halbdirekte Übertragung eines Teils der Wärme der bei der Verbrennung erzeugten Abgase auf ein Reingas;
c) Erzeugen von Heißdampf mit einer Temperatur von mehr als etwa 450°C mittels eines dem Dampferzeuger stromabwärts nachgeschalteten und mit dem erhitzten Reingas beheizten Wärmetauschers; und
d) Verwenden des erzeugten Heißdampfs zum Antrieb einer dem Wärmetauscher stromabwärts nachgeschalteten Dampfturbine.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter ”indirekter Wärmeübertragung” eine Wärmeübertragung verstanden, bei der die Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Die Wärmeübertragung kann in diesem Fall beispielsweise durch einen Rekuperator erfolgen.
Unter einer ”halbdirekten Wärmeübertragung” wird eine Wärmeübertragung unter Ausnutzung der Eigenschaften eines Wärmespeichers verstanden. Dabei werden beide Stoffe zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht. Der Wärmespeicher wird abwechselnd durch das heißere Medium erwärmt und danach durch das kältere Medium abgekühlt, um so thermische Energie vom heißeren auf das kältere Medium zu übertragen. Die Wärmeübertragung kann in diesem Fall beispielsweise durch einen Regenerator erfolgen.
Unter ”Reingas” wird ein Gas verstanden, welches im Gegensatz zum heißen Abgas im Wesentlichen frei von Staub und korrosiven Stoffen, wie z. B. Chlor, Kalium, Schwefel und Natrium, ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere eine Nachrüstung bestehender Anlagen zum Betreiben einer Dampfturbine, beispielsweise Müllverbrennungsanlagen. Die dort eingesetzten Dampferzeuger werden wegen der eingangs angesprochenen Korrosionsprobleme so betrieben, dass der damit erzeugte Dampf eine Austrittstemperatur von etwa 450°C, meist jedoch 400°C, nicht übersteigt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein Teil der Wärme der bei der Verbrennung gebildeten korrosiven Abgase indirekt oder halbdirekt auf ein Reingas übertragen wird. Das Reingas wird dabei auf eine Temperatur von mehr als 500°C, vorzugsweise mehr als 600°C, erwärmt. Mit dem erhitzten Reingas wird der aus dem Dampferzeuger austretende Dampf in einem stromabwärts nachgeschalteten Wärmetauscher weiter erhitzt und zwar auf eine Temperatur von mehr als 450°C, vorzugsweise zumindest 500°C. Mit dem derartig erzeugten Heißdampf kann eine dem Wärmetauscher nachgeschaltete Dampfturbine mit verbesserter Effizienz insbesondere zur Stromerzeugung betrieben werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht also eine besonders effiziente Nutzung der in den heißen korrosiven Abgasen enthaltenen Wärme.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur halbdirekten oder indirekten Wärmeübertragung lediglich ein erster Teilstrom des Abgases verwendet wird. Ein zweiter Teilstrom des Abgases kann über einen Kamin abgeführt werden. Indem lediglich ein erster Teilstrom des Abgases zur Wärmeübertragung verwendet wird, können der Aufwand und die Baugröße einer Vorrichtung zur Erzeugung des Heißdampfs gering gehalten werden.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, zum halbdirekten Übertragen von Wärme anstelle des Schritts lit. b) die folgenden Schritte durchzuführen:

b1) wechselweises Aufheizen eines ersten regenerativen Wärmetauschers oder eines zweiten regenerativen Wärmetauschers mittels des bei der Verbrennung erzeugten Abgases; und
b2) umgekehrtes wechselweises Erhitzen von Reingas mit dem zuvor mittels des Abgases aufgeheizten zweiten oder ersten regenerativen Wärmetauscher.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, als ersten und/oder zweiten regenerativen Wärmetauscher einen Schüttgutwärmetauscher, vorzugsweise einen Pebble-Heater, zu verwenden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei der Verwendung eines Pebble-Heaters überraschenderweise sowohl eine Übertragung von Staub als auch korrosiven Medien auf das Reingas im Wesentlichen vermieden werden kann. Mit einem derart erzeugten Reingas können also mit einem Wärmetauscher Dampftemperaturen von mehr als 500°C erzeugt und gleichzeitig eine Korrosion des Wärmetauschers vermieden werden. Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, den Pebble-Heater zum Aufheizen radial zu durchströmen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, zur indirekten Wärmeübertragung einen rekuperativen Wärmeübertrager zu verwenden. In diesem Fall ist allerdings eine die beiden Medien trennende Wand abgasseitig korrosionsbeständig auszuführen.
Als Reingas wird zweckmäßigerweise Umgebungsluft verwendet. In diesem Fall kann die aus dem Wärmetauscher weggeführte Umgebungsluft zur Verbrennung des Festbrennstoffs im Dampferzeuger verwendet werden. Wegen der Verwendung der vorgewärmten Umgebungsluft kann weiter die Effizienz des Verfahrens gesteigert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Dampferzeuger Bestandteil einer herkömmlichen Abfallverbrennungsanlage. Das Verfahren eignet sich also insbesondere zur Erhöhung der Effizienz bereits bestehender Abfallverbrennungsanlagen, welche mit einer Dampfturbine zur Energieerzeugung gekoppelt sind.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt beispielhaft eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage.
Ein herkömmlicher Dampferzeuger 1 weist einen Kessel 2 zur Verbrennung fester Brennstoffe 3, z. B. Müll oder dgl., auf. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein erster und mit dem Bezugszeichen 5 ein zweiter Schüttgutregenerator bezeichnet. Die Schüttgutregeneratoren 4, 5 können wechselweise stromabwärts des Kessels 2 und stromabwärts eines mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Wärmetauschers eingeschaltet werden. Die dafür erforderlichen Rohrverbindungen und Ventile sind hier der Klarheit halber weggelassen worden. Dem Wärmetauscher 6 ist stromabwärts dampfseitig eine Dampfturbine 7 nachgeschaltet.
Die Funktion der Anlage ist Folgende:
Im Kessel 2 des Dampferzeugers 1 werden feste Brennstoffe 3 verbrannt. Bei der Verbrennung werden mit Staub beladene, korrosive Abgase erzeugt. Ein erster Teilstrom T1 heißer korrosiver Abgase wird unmittelbar aus dem Kessel 2 dem ersten Schüttgutregenerator 4 zugeführt. Der erste Schüttgutregenerator 4 wird radial mit den heißen korrosiven Abgasen durchströmt und heizt sich dabei auf. Ein zweiter Teilstrom T2 der heißen Abgase dient zur Erzeugung von Dampf mit einer Temperatur im Bereich von etwa 400°C. Der zweite Teilstrom T2 verlässt den Dampferzeuger 1 mit einer niedrigeren Temperatur als der erste Teilstrom T1. Der im Dampferzeuger 1 erzeugte Dampf D wird dem stromabwärts nachgeschalteten Wärmetauscher 6 zugeführt. Der zweite Schüttgutregenerator 5, welcher sich im aufgeheizten Zustand befindet, wird radial mit Umgebungsluft L durchströmt. Die dabei erzeugte Heißluft HL weist eine Temperatur von mehr als 600°C auf und wird dem stromabwärts nachgeschalteten Wärmetauscher 6 zum weiteren Erhitzen des Dampfs D auf eine Temperatur im Bereich von 500°C zugeführt. Aus dem Wärmetauscher 6 tritt also Heißdampf HD aus und kann zum Betrieb der nachgeschalteten Dampfturbine 7 verwendet werden. Die aus dem Wärmetauscher 6 weiterhin austretende abgekühlte Heißluft AL kann zweckmäßigerweise dem Kessel 2 zur Verbrennung der Brennstoffe 3 zugeführt werden.
Sobald die durch die Wirkung des zweiten Schüttgutregenerators 5 erzeugte Heißluft HL einen bestimmten vorgegebenen Temperaturwert unterschreitet, wird der zweite Schüttgutregenerator 5 anstelle des ersten Schüttgutregenerator 4 zum Wie derbeheizen in den ersten Teilstrom T1 eingeschaltet. Der inzwischen aufgeheizte erste Schüttgutregenerator 4 wird anstelle des zweiten Schüttgutregenerators 5 zum Erzeugen von Heißluft HL stromaufwärts des Wärmetauschers 6 eingeschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente Ausnutzung der bei der Verbrennung nicht-fossiler Festbrennstoffe gewonnenen Wärme. Die bei der Verbrennung insbesondere von Müll, Altholz und dgl. gebildeten korrosiven Abgase können bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne dass dabei eine hohe Korrosion bei Wärmetauschern auftritt.

1: Dampferzeuger
2: Kessel
3: Brennstoff
4: erster Schüttgutregenerator
5: zweiter Schüttgutregenerator
6: Wärmetauscher
7: Dampfturbine
AL: abgekühlte Heißluft
D: Dampf
HD: Heißdampf
HL: Heißluft
L: Luft
T1: erster Teilstrom
T2: zweiter Teilstrom

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine (7) mit folgenden Schritten: a) Erzeugen von Dampf (D) durch Verbrennung von Festbrennstoffen (3) im Kessel (2) eines Dampferzeugers, wobei die Verbrennung so gesteuert wird, dass der Dampf (D) eine Austrittstemperatur von etwa 450°C nicht übersteigt; b) indirekte oder halbdirekte Übertragung eines Teils der Wärme der bei der Verbrennung erzeugten Abgase (T1) auf ein Reingas (L); c) Erzeugen von Heißdampf (HD) mit einer Temperatur von mehr als etwa 450°C mittels eines dem Dampferzeuger (1) stromabwärts nachgeschalteten und mit dem erhitzten Reingas (HL) beheizten Wärmetauschers (6); und d) Verwenden des erzeugten Heißdampfs (HD) zum Antrieb einer dem Wärmetauscher stromabwärts nachgeschalteten Dampfturbine (7).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur halbdirekten oder zur indirekten Wärmeübertragung lediglich ein erster Teilstrom (T1) des Abgases verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Teilstrom (T2) des Abgases über einen Kamin abgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum halbdirekten Übertragen von Wärme anstelle des Schritts lit. b) die folgenden Schritte durchgeführt werden: b1) wechselweises Aufheizen eines ersten regenerativen Wärmetauschers (4) oder eines zweiten regenerativen Wärmetauschers (5) mittels des bei der Verbrennung erzeugten Abgases; und b2) umgekehrtes wechselweises Erhitzen von Reingas (L) mit dem zuvor mittels des Abgases aufgeheizten zweiten (5) oder ersten regenerativen Wärmetauscher (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als erster (4) und/oder zweiter regenerativer Wärmetauscher (5) ein Schüttgutwärmetauscher, vorzugsweise ein Pebble-Heater, verwendet wird.
verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pebble-Heater zum Aufheizen radial durchströmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur indirekten Wärmeübertragung ein rekuperativer Wärmeübertrager verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Reingas Umgebungsluft (L) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die aus dem Wärmetauscher (6) weggeführte Umgebungsluft (AL) zur Verbrennung des Festbrennstoffs (3) im Dampferzeuger (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dampferzeuger (1) Bestandteil einer herkömmlichen Abfallverbrennungsanlage ist.