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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dampfturbinenkraftwerks
mit einem mit Braunkohle befeuerten Dampferzeuger, bei welchem die
Braunkohle zunächst einer indirekten Trocknung in einem
Wirbelschichttrockner unterzogen wird, wobei der Wirbelschichttrockner
zumindest teilweise mit Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampferzeugers
beheizt wird.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 103 19 477 A1 bekannt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung von
Dampf, umfassend wenigstens einen Trockner zur Vortrocknung grubenfeuchter
Braunkohle, wenigstens einen mit der Braunkohle befeuerten Dampfkessel,
wenigstens eine dem Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine,
wenigstens eine Speisewasserzuführung zu dem Dampferzeuger,
eine Einrichtung zur Speisewasservorwärmung sowie wenigstens
einen Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft.
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Bekanntlich
ist die Verbrennung von Braunkohle insoweit besonders, als dass
die grubenfeuchte Braunkohle bis zu 65% Wasser enthält,
woraus im Vergleich zur Stormerzeugung aus Steinkohle höhere
spezifische CO2-Emissionen bei der Gewinnung von
Strom aus Braunkohle entstehen. Durch entsprechende Trocknung der
Braunkohle vor der Verfeuerung in den Dampferzeuger eines Kraftwerks
kann eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden,
wodurch die spezifische CO2-Emission verringert
wird.
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Die
grubenfeuchte Braunkohle hat etwa einen Wassergehalt von 45 bis
65%, der durch Trocknung auf etwa 10 bis 25% verringert wird. Als
besonders wirkungsvolles Trocknungsverfahren hat sich das sog. WTA-Verfahren
(Wirbelschichttrocknung mit interner Abwärmenutzung) erwiesen.
Mit einem solchen Trocknungsverfahren, welches beispielsweise aus
der
DE 195 18 644
C2 bekannt ist, lässt sich der Wirkungsgrad eines
Braunkohlekraftwerks um etwa 4 bis 5 Prozentpunkte gegenüber
konventioneller Braunkohlenkraftwerkstechnik verbessern. Bei der Wirbelschichttrocknung
wird vorgemahlene Rohbraunkohle in die stationäre Wirbelschicht
eines Trockners eingebracht, welcher bei leichtem Überdruck
arbeitet. In dem Trockner/Reaktor sind Heizschlangen angeordnet,
deren Heizdampf auf einem Temperaturniveau von ca. 130°C
kondensiert. Das bei der Trocknung in der Wirbelschichttrocknungsanlage
aus der Rohbraunkohle ausgetretene Wasser liegt leicht überhitzt
und dampfförmig als separater Stoffstrom vor, der als Brüden
bezeichnet wird. Ein Teil des Brüdens wird über
ein Gebläse in den Trockner zwecks Fluidisierung der Wirbelschicht
zurückgeführt.
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In
der
DE 195 18 644
C2 wird beispielsweise vorgeschlagen, einen Teilstrom des
Brüdens zu verdichten und den Wärmetauscher als
Heizmedium so zuzuführen, dass der Brüden zumindest
teilweise kondensiert, so dass für die gewünschte
Trocknung des Brennstoffs zum Teil die Verdampfungswärme des
Brüdens ausgenutzt werden kann.
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Mit
einer solchen Anordnung bzw. einer solchen Verfahrensweise ist eine
stärkere energetische Nutzung des aus dem Trockner austretenden
Brüdens möglich, so dass insgesamt der Wirkungsgrad des
Kraftwerks gesteigert wird und die Emissionen gesenkt werden.
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Alternativ
ist es möglich, die Energie des Brüdens zur Speisewasservorwärmung
zu nutzen. Diese Verfahrensvariante ist beispielsweise in der
DE 103 19 477 A1 beschrieben.
Nach dem dort beschriebenen Verfahren ist vorgesehen, dass die Energie
des aus der Trocknung der Braunkohle anfallenden Brüdens
zur mehrstufigen Vorwärmung des kalten Speisewassers aus
dem Wasser-Dampf-Kreislauf genutzt wird.
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Die
Vorwärmung des Speisewassers im Wasser-Dampf-Kreislauf
erlaubt allerdings keine vollständige Nutzung der Brüdenwärme,
da das Speisewasser keine ausreichend große Wärmesenke
darstellt. In der
DE
103 19 477 A1 wird vorgeschlagen, einen Teilstrom des Brüdens
zu verdichten und mit dem verdichteten Brüden Speisewasser
auf einem höheren Temperaturniveau vorzuwärmen.
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Auch
bei dieser Variante der energetischen Nutzung des Brüdens
wird ein Teil des Wärmeinhalts des Brüdens nicht
optimal genutzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
eine Einrichtung der eingangs genannten Art bzgl. der energetischen
Nutzung des bei der Trocknung anfallenden Brüdens zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird zunächst gelöst durch ein Verfahren
zum Betrieb eines Dampfturbinenkraftwerks mit einem mit Braunkohle
befeuerten Dampferzeuger, bei welchem die Braunkohle zunächst
einer indirekten Trocknung in einem Wirbelschichttrockner unterzogen
wird, wobei der Wirbelschichttrockner zumindest teilweise mit Dampf
aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampferzeugers beheizt wird,
wobei sich das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch
auszeichnet, dass die Energie des aus der Trocknung der Braunkohle
anfallenden Brüdens zumindest teilweise zur Vorwärmung
der Verbrennungsluft verwendet wird.
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Es
ist grundsätzlich Praxis, die Temperatur der Verbrennungsluft
mit einer regenerativen Luftvorwärmung auf ein höheres
Niveau zu heben, und zwar im Hinblick auf die Carnotisierung des
Kraftwerksprozesses. Es ist jedenfalls sinnvoll und wünschenswert, so
viel Wärme in die Verbrennungsluft einzukoppeln, dass die
Lufttemperatur vor Brennkammereintritt der Rauchgastemperatur hinter
dem Economizer abzüglich Grädigkeit etwa entspricht.
Da jedoch ein klassischer regenerativer Luftvorwärmer – nachstehend der
Einfachheit halber als Luvo bezeichnet – eine große
untere Grädigkeit aufweist und somit große Exergieverluste
erzeugt, ist es sinnvoll und zweckmäßig, die dem
Luvo zugeführte Frischluft mittels eines Wärmetauschers
vorzuwärmen. Wenn im folgenden Text mit Bezug auf die Teile
des Dampfturbinenkraftwerks von „hinter” oder „vor” die
Rede ist, bezieht sich diese Angabe immer auf die Strömungsrichtung
des in dem jeweiligen Verfahrenszweig zu betrachtenden Stoffstoms.
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Für
eine solche Vorwärmung der Verbrennungsluft wird üblicherweise
nach dem Stand der Technik Energie entweder in Form von Niedertemperaturwärme
aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf oder aus dem den Luvo verlassenden
Rauchgasstrom entnommen.
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Die
erfindungsgemäße Verfahrensweise hat den Vorzug,
dass die Wärmemenge, die in die Verbrennungsluft eingekoppelt
wurde, nicht mehr über den Luvo aus dem Rauchgas ausgekoppelt
werden muss. Es wird also eine bestimmte Wärmemenge von
einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau verschoben,
die dann dem Wasser-Dampf-Kreislauf zur Verfügung gestellt
wird. Unter Luvo im Sinne der Erfindung ist nicht notwendigerweise
ein regenerativer Wärmetauscher zu verstehen, vielmehr
kann dies beispielsweise auch ein rauchgasbeheizter Luvo sein.
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Mit
der Erfindung werden daher gleichermaßen zwei Vorteile
erzielt, nämlich einerseits die höhere energetische
Nutzung des Brüdens durch Wärmetausch mit einer
größeren Temperatursenke sowie eine Verschiebung
der im Sinne einer Nutzbarkeit frei werdenden Wärmemenge
auf ein höheres Temperaturniveau, welches letztendlich
im Speisewasservorlauf genutzt werden kann.
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Bei
einer vorteilhaften Variante der Erfindung erfolgt die Einkopplung
der Energie des Brüdens in die Verbrennungsluft mit Hilfe
wenigstens eines Wärmetauschers, der einem mit Rauchgas
beheizten Luvo vorgeschaltet ist. Dies erfolgt insbesondere mittels
eines Kondensationswärmetauschers. Bei einer weiteren Variante
des Verfahrens ist vorgesehen, dass dem Luvo zusätzlich
Wärme aus dem bereits teilweise mittels des Luvo abgekühlten
Rauchgasstroms aufgegeben wird.
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In
diesem Falle kann die Wärme aus dem Rauchgas hinter dem
Luftvorwärmer mittels eines Wärmeträgermediums
ausgekoppelt werden, beispielsweise mittels Wasser.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teilstrom des Brüdens
nach Abzug aus dem Wirbelschichttrockner in einem Brüdenverdichter
verdichtet und wenigstens einem Kondensationswärmetauscher
zugeführt wird. So wird zusätzlich die frei werdende
Kondensationswärme des Brüdens genutzt. Durch
die Verdichtung erhöht sich das Temperaturniveau auf dem
die Brüden kondensieren, somit kann eine höhere
Luftvorwärmung erzielt werden. Dabei können solche
Energiemengen in die Verbrennungsluft eingekoppelt werden, dass
unter Umständen eine Auskopplung von Wärme aus dem
Rauchgas zwecks Verbrennungsluftvorwärmung vollständig
entbehrlich ist.
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Zweckmäßigerweise
wird ein Teilstrom des Rauchgases vor dem Luftvorwärmer
abgezweigt und zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers verwendet,
und zwar unter Überbrückung des Luftvorwärmers.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, dass so viel Rauchgas vor dem Luftvorwärmer
abgezweigt wird, wie dies der aus dem Brüden in die Verbrennungsluft
eingekoppelten Energie entspricht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Einkopplung der Energie des Brüdens
in die Verbrennungsluft mehrstufig erfolgt, wobei eine Teilmenge des
Brüdens in einem Brüdenverdichter verdichtet und
in einem Kondensationswärmetauscher kondensiert wird.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst
durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Dampf, umfassend wenigstens
einen Trockner zur Vortrocknung grubenfeuchter Braunkohle, wenigstens
einen mit der vorgetrockneten Braunkohle befeuerten Dampfkessel,
wenigstens eine dem Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine,
wenigstens eine Speisewasserzuführung zu dem Dampferzeuger,
wenigstens eine Einrichtung zur Speisewasservorwärmung
sowie wenigstens einen Luftvorwärmer für die Verbrennungsluft,
wobei sich die Einrichtung gemäß der Erfindung
dadurch auszeichnet, dass dem Luftvorwärmer in der Frischluftzufuhr
wenigstens ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist, der an
den Brüdenabgang des Trockners angeschlossen ist.
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Zweckmäßigerweise
ist der Trockner als Wirbelschichttrockner ausgebildet.
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Es
ist für den Fachmann ersichtlich, dass der Trockner nicht
notwendigerweise als Wirbelschichttrockner ausgebildet sein muss,
vielmehr kann die Trocknung auch in anderen indirekt beheizten Reaktoren
erfolgen, bei denen energiereicher Brüden/Schwaden anfällt.
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Bei
einer vorteilhaften Variante der Einrichtung nach der Erfindung
ist vorgesehen, dass die zum Luftvorwärmer geführte
Rauchgasleitung mit einer den Luftvorwärmer überbrückenden
Abzweigung versehen ist, die mit der Speisewasservorwärmung verbunden
ist.
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Auf
diese Art und Weise kann die aus dem Trockner in die Verbrennungsluft
eingekoppelte Energie vollständig in die Speisewasservorwärmung „verschoben” werden.
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Hinter
dem Luftvorwärmer kann wenigstens ein weiterer Rauchgaskühler
vorgesehen sein, der mit der Verbrennungsluftzufuhr vor dem Luftvorwärmer
zusammenwirkt.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Brüdenverdichter
vorgesehen ist, der wenigstens einem Kondensationswärmetauscher
in der Verbrennungsluftzufuhr vor dem Luftvorwärmer vorgeschaltet
ist.
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Der
Luftvorwärmer ist zweckmäßigerweise als
regenerativer Luftvorwärmer ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren anhand zweier Verfahrensvarianten erläutert.
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Es
zeigen:
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1 das
Verfahrensschema einer ersten Verschaltungsvariante der Einrichtung
der Erfindung, und
-
2 das
Verfahrensschema einer zweiten Verschaltungsvariante der Einrichtung
der Erfindung.
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In
den Figuren sind Teile eines Dampfturbinenkraftwerks und deren Verschaltung
schematisch dargestellt, wobei aus Vereinfachungsgründen
im Wesentlichen nur die Massenströme Brüden 1,
Verbrennungsluft 2 und Rauchgas 3 dargestellt
sind. Der Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampfturbinenkraftwerks ist
nur teilweise und stark vereinfacht dargestellt.
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Mit
dem Bezugszeichen 4 ist der Dampferzeuger des Dampfturbinenkraftwerks
bezeichnet. Der Dampferzeuger 4 ist als mit Braunkohle
befeuerter Kessel ausgebildet. In diesem wird in bekannter Art und
Weise Wasser verdampft und in einer nachgeschalteten Dampfturbine 5 entspannt.
Die Dampfturbine 5 umfasst einen Hochdruckteil, einen Mitteldruckteil
und einen Niederdruckteil, die im Verfahrensschema nicht genauer
bezeichnet sind. Die Dampfturbine 5 treibt einen Generator 6 an,
der wiederum elektrische Energie in ein Stromnetz einspeist.
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Der
Dampfturbine 5 ist ein Kondensator 7 nachgeschaltet,
in dem der Niederdruckdampf kondensiert wird.
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Mittels
der Kesselspeisewasserpumpe wird das Kondensat wieder dem Dampferzeuger 4 zugeführt.
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Der
Dampferzeuger 4 wird mit Trockenbraunkohle als Brennstoff
beschickt, welche in einem Wirbelschichttrockner 8 einer
indirekten Trocknung unterzogen wurde. Der Wirbelschichttrockner 8 wird mit
Dampf aus dem Niederdruckteil der Dampfturbine 5 beheizt.
Ein Teil des bei der Trocknung der Braunkohle anfallenden Brüdens 1 wird
zunächst in einem Staubabscheider 9 entstaubt
und mit einem Gebläse 10 wieder dem Wirbelschichttrockner 8 als
Fluidisierungsmittel zugeführt. Weitere Teilströme
des Brüdens 1 werden, wie nachstehend noch beschrieben wird,
zur Vorwärmung der Verbrennungsluft 2 genutzt.
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Die
Verbrennungsluft 2 wird in bekannter Art und Weise einem
regenerativen Luftvorwärmer 11 zugeführt,
in welchem die Verbrennungsluft im Gegenstrom mit dem Rauchgas 3 vorgewärmt
wird.
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Wie
dies sowohl bei dem Verfahrensschema gemäß 1 als
auch bei dem Verfahrensschema gemäß 2 vorgesehen
ist, wird ein Teilstrom des Rauchgases 3 über
eine Bypassleitung 12 an dem Luftvorwärmer 11 vorbeigeführt.
Dieses gelangt zunächst über einen ersten Hochdruck-Luftbypass-Economizer 13 (HD-Lubeco)
und sodann über einen Niederdruck-Luftbypass-Economizer 14 (ND-Lubeco),
die in Bezug auf den Rauchgasstrom 3 in Reihe geschaltet
sind. Der Wärmeinhalt des Rauchgases 3 wird über
den HD-Lubeco 13 in den Hochdruckteil des Speisewasserkreislaufs
eingekoppelt, die verbleibende Wärme des Rauchgases wird in
der nächsten Stufe in den Niederdruckteil des Kesselspeisewasserkreislaufs
eingekoppelt.
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In
Strömungsrichtung hinter dem Luftvorwärmer 11 und
den Economizern 13, 14 ist bei der in 1 dargestellten
Verfahrensvariante ein weiterer Rauchgaskühler 15 vorgesehen,
welcher seine Wärmefracht über einen in der Verbrennungsluftzufuhr vorgesehenen
Wasser/Luftvorwärmer 16 abgibt. Der Rauchgaskühler 15 und
der Wasser/Luftvorwärmer 16 kommunizieren miteinander über
Wasser als Wärmeträgermedium in einem geschlossenen
Kreislauf.
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Bei
einer angenommenen Umgebungstemperatur von etwa 10°C gelangt
die Verbrennungsluft 2 bei der Verfahrensvariante 1 gemäß 1 mit
einer Temperatur von etwa 10°C in einen Brüdenluftvorwärmer 17,
wo diese auf etwa 95°C aufgeheizt wird. Der Brüdenluftvorwärmer 17 ist
mit einem Teilstrom des Brüdens 1 aus dem Wirbelschichttrockner 8 beaufschlagt.
Dem Brüdenluftvorwärmer 17 ist in Strömungsrichtung
der Verbrennungsluft 2 betrachtet der Wasser/Luftvorwärmer 16 nachgeschaltet,
in welchem die Verbrennungsluft 2 auf eine Temperatur von
etwa 140°C angehoben werden kann. Die Verbrennungsluft 2 strömt
sodann durch den regenerativen Luftvorwärmer 11,
wo diese im Gegenstrom mit dem etwa 360°C heißen
Rauchgas auf etwa 330°C aufgeheizt wird. Das Rauchgas,
welches mit 360°C in den Luftvorwärmer 11 eintritt,
kann diesen beispielsweise mit etwa 160°C verlassen.
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In
der Praxis wird die Luftvorwärmung mit der Brüdenwärme
voraussichtlich indirekt, d. h. über einen weiteren Wärmetauscher
mit Wasser-Kreislauf (oder anderer Flüssigkeit) erfolgen.
Grund hierfür ist, dass sowohl beim Brüden als
auch bei der Luft hohe Volumenströme auftreten. Da die
Wirbelschichttrocknung entfernt angeordnet ist, müssten
bei direkter Luftvorwärmung über die Entfernung
entsprechende Anlagen für die hohen Volumenströme
vorgesehen werden. Durch die indirekte Vorwärmung können
diese erheblich kleiner ausgelegt werden.
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Bei
der in 2 gezeigten Verfahrensvariante wird ein Teilstrom
des den Staubabscheider 9 des Wirbelschichttrockners 8 verlassenden
Brüdens 1 einem Brüdenverdichter 18 zugeführt,
dem ein zweiter Brüdenluftvorwärmer 19 nachgeschaltet
ist.
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Ein
erster Teilstrom des Brüdens 1 wird dem Brüdenluftvorwärmer 17 zugeführt,
dieser ist in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 2 dem
Kondensationswärmetauscher 19 vorgeschaltet. Auf
diese Art und Weise wird die Energie des Brüdens 1 mehrstufig
in die Verbrennungsluft 2 eingekoppelt, wobei in dem Kondensationswärmetauscher 19 zusätzlich ein
weiterer Teil der freiwerdenden Kondensationswärme des
Brüdens 1 genutzt wird. Dadurch kann die Luft
gegenüber dem Verfahren entsprechend 1 auf
eine höhere Temperatur vorgewärmt werden.
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Bei
der in 2 gezeigten Verfahrensvariante ist es möglich,
den überwiegenden Teil der Energie des Brüdens 1 in
die Verbrennungsluft 2 einzukoppeln, so dass diese gesamte
Wärme mittels des HD-Lubeco 13 und des ND-Lubeco 14 in
das Kesselspeisewasser eingekoppelt werden kann.
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Der
im Rauchgasstrom nachgeschaltete Rauchgaskühler 20 kann
ebenfalls die aus dem Rauchgas ausgekoppelte Wärmemenge
in das Kesselspeisewasser einkoppeln.
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Mit 21 ist
eine Rauchgasentschwefelungsanlage bezeichnet, dieser nachgeschaltet
kann ein Kühlturm 22 sein, der in erster Linie
der Abkühlung des Kondensats aus dem Kondensator 7 dient.
In den Kühlturm 22 kann eine Rauchgaseinleitung
aus der Rauchgasentschwefelungsanlage 21 erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brüden
- 2
- Verbrennungsluft
- 3
- Rauchgas
- 4
- Dampferzeuger
- 5
- Dampfturbine
- 6
- Generator
- 7
- Kondensator
- 8
- Wirbelschichttrockner
- 9
- Staubabscheider
- 10
- Gebläse
- 11
- Luftvorwärmer
(Luvo)
- 12
- Bypassleitung
- 13
- Hochdruck-Luftbypass-Economizer
(HD-Lubeco)
- 14
- Niederdruck-Luftbypass-Economizer
(ND-Lubeco)
- 15
- Rauchgaskühler
- 16
- Wasser/Luftvorwärmer
- 17
- Brüdenluftvorwärmer
- 18
- Brüdenverdichter
- 19
- Brüdenluftvorwärmer
- 20
- Rauchgaskühler
- 21
- Rauchgasentschwefelungsanlage
- 22
- Kühlturm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10319477
A1 [0002, 0008, 0009]
- - DE 19518644 C2 [0005, 0006]
