DE2403928A1

DE2403928A1 - Thermisches kraftwerk mit einem druckgaserzeuger

Info

Publication number: DE2403928A1
Application number: DE2403928A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Pfenninger
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-12-22
Filing date: 1974-01-28
Publication date: 1975-06-26
Also published as: PL97330B1; CH565942A5; HU170383B; SE394688B; FR2255477A1; SE7415949L; GB1451741A; DK661874A; DK136873C; JPS5095610A; DK136873B; FR2255477B1; NL7416541A

Description

141/73 DrV

BBG Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Thermisches Kraftwerk mit einem Druckgaserzeuger

Die Erfindung betrifft ein thermisches Kraftwerk, bestehend im wesentlichen aus einer thermischen Kraftmaschine, aus einem Druckgaserzeuger zur Erzeugung von Generatorgas aus Kohle, welches nach der Abscheidung von Flugstaub und Schwefel als Brennstoff für das Kraftwerk dient, sowie aus einer Aufladegruppe, deren Verdichter die für den Druckgaserzeuger notwendige Luft verdichtet und deren Gasturbine mit dem unverbrannten Generatorgas aus dem Druckgaserzeuger betrieben wird.

Bei der Erzeugung von Generatorgas aus Kohle unter Druck betragen die Abmessungen des Gaserzeugers nur den Bruchteil eines solchen, der bei Atmosphärendruck arbeitet. Die Druckvergasung wird aber vor allem dann vorteilhaft, wenn im Zusammenhang damit als thermische Kraftmaschine eine Gasturbine oder eine Dampfturbine verwendet wird, deren Dampferzeuger aufgeladen ist.

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Zur Beschaffung der für die Druckvergasung benötigten Druckluft wird üblicherweise eine Aufladegruppe verwendet, deren Gasturbine derart geregelt ist, dass sie gerade die Leistung für den Verdichter aufbringt. Gelegentlich wird auch die Aufladegruppe als Kraftmaschine verwendet, indem eine Ueberschussleistung erzeugt und damit ein elektrischer Generator betrieben wird. Das Generatorgas enthält zwar keine Schlacke mehr, doch einen wesentlichen Staubanteil in Form von Flugasche und etwas Flugkoks, im weiteren.kurz Flugstaub genannt, der bei allen dem Druckgaserzeuger nachgeschalteten Gasturbinen zu schweren, untragbaren Erosionen führen würde. Um solche zu vermeiden, muss der Flugstaub vor der Gasturbine aus dem Generatorgas entfernt werden. Dies geschieht normalerweise im selben Waschkühler, welcher für die Entschwefelung des Generatorgases vorgesehen ist, so dass die Abscheidung beider Verunreinigungen in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen kann.

Aus jüngster Zeit ist ein derartiger, vor der Gasturbine der Aufladegruppe angeordneter Waschkühler vom Kraftwerk Kellermann in Lünen bekannt (Zeitschrift "Brennstoff - Wärme - Kraft" 23(1971)6, Seiten 258...262). Von Nachteil ist bei dieser Konzeption, dass mit dem Auswaschen eine bedeutende Abkühlung des Generatorgases verbunden ist, wobei der Verlust an fühlbarer Wärme ca. 10 ?S der durch die Kohle zugeführten Wärme

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ausmacht. Es steht dann nicht mehr genügend Energie für die Luftverdichtung zur Verfügung und das Generatorgas muss vor der Gasturbine wieder aufgeheizt werden, damit sie die notwendige Leistung für den Betrieb des Verdichters aufbringen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem thermischen Kraftwerk, das einen Druckgaserzeuger umfasst, die Wärmeverluste herabzusetzen, die bei der Abscheidung des Flugstaubes und des Schwefels entstehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine voneinander getrennte Abscheidung des Plugstaubes und des Schwefels gelöst, indem ein trockenabscheider für den Flugstaub in den Strömungsweg des ungekühlten Generatorgases vor der Gasturbine der Aufladegruppe eingeschaltet oder mit der Gasturbine integriert ist, und eine Entschwefelungseinr.ichtung im Strömungsweg des in der Gasturbine entspannten Generatorgases angeordnet ist.

Durch die Trockenabscheidung des Flugstaubes wird der Energieinhalt des Generatorgases nicht beeinträchtigt und die Aufladegruppe ist ohne weiteres in der Lage, die für den Druckgaserzeuger benötigte Luft auf den vorgesehenen Druck zu verdichten. Die Entschwefelungseinrichtung ist erst nach der Gasturbine der Aufladegruppe in den Prozess eingeordnet, so dass bei der Durchströmung dieser Einrichtung nur mehr eine

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verhältnismässig geringe Wärmemenge dem Generatorgas entzogen wird. Es ist auch keine zusätzliche Aufheizung des Generatorgases nach der Entschwefelung wie bisher notwendig, weil es anschliessend in eine Brennkammer oder in einen Dampferzeuger geleitet wird. Durch diese doppelte Wärmeeinsparung wird der Gesamtprozess wirtschaftlicher.

Jeder Trockenabscheider, wofür vorzugsweise ein Zentrifugalabscheider in Frage kommt, bedeutet einen gewissen Druckverlust. Dieser kann vermieden werden, wenn der Abscheider mit der Gasturbine der Aufladegruppe integriert ist. An einer Stelle, an der die Strömung eine Umfangskomponente aufweist, kann durch einen Spalt in der äusseren -Begrenzungswand des Strömungskanals der Flugstaub zusammen mit etwas Schleppgas entnommen werden, was besonders wirksam nach der ersten Laufreihe der Gasturbine ist, wenn nicht nur der Umfangsdrall der Strömung, sondern auch die Auszentrifugierung des Flugstaubes durch die Beschaufelung des Läufers ausgenützt werden kann. Die durch Erosion gefährdeten Teile können besonders geschützt werden. Nach der Reinigung vom Flugstaub kann das Schleppgas wieder dem Prozess zugeführt werden, so dass praktisch kein Generatorgas verloren geht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Ss zeigen:

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Pig.l ein Kraftwerk mit einer Gasturbine als Kraftmaschine, Fig.2 einen Teil eines Dampfkraftwerkes mit aufgeladenem

Dampferzeuger,
Pig.3 eine Gasturbine einer Aufladegruppe im Axialschnitt.

Nach Fig.l werden die Luft für die Druckvergasung der Kohle und die Verbrennungsluft gemeinsam vom Verdichter 1 auf z.B. 10 bar verdichtet. Im Punkt 2 der Luftleitung 3 wird eine kleine Teilmenge der Luft abgezapft und über die Leitung 4 zu der aus dem Verdichter 5 und der Gasturbine 6 bestehenden

V Aufladegruppe des Druckgaserzeugers(geführt. Im Verdichter wird diese Luftmenge noch höher·verdichtet und zum Druckgaserzeuger 7 weitergeleitet, wo sie zum Vergasen der Kohle dient, die über die Schleuse 8 eingebracht wird. Das aus dem Druckgaserzeuger 7 in . die Leitung 9 austretende Generatorgas hat eine Temperatur von 400 - 600 C und einen Druck von etwa 20 bar und wird der Gasturbine 6 zugeleitet.

Um in der Gasturbine der Aufladegruppe schwere Erosionen durch den vom Generatorgas mitgerissenen Flugstaub zu vermeiden, ist in die Leitung 9 der Zentrifugalabscheider 10 eingebaut, z.B. ein van Tongeren-Abscheider, in welchem das Generatorgas von Plugstaub gereinigt wird. Eine Abkühlung des Gases und nachherige Wiederaufheizung, wie es bisher notwendig war, ist dabei vermieden. - Der Abscheider soll einen Abscheidegrad von mindestens 90 $> haben.

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Nach der Gasturbine 6 wird das Generatorgas über die leitung 11 der Entschwefelungseinrichtung 12 zugeführt, wo es vom Schwefel befreit wird, um anschliessend, ebenso wie die Verbrennungsluft aus der luftleitung 3f in die Brennkammer 13 der Gasturbine 14 geleitet zu werden, welch letztere den Verdichter 1 und den elektrischen Generator 15 antreibt.

Da das Generatorgas auch nach dem Zentrifugalabscheider 10 noch eine relativ hohe Temperatur hat,, könnte die Gasturbine 6 nicht nur den Verdichter 5 der Aufladegruppe antreiben, sondern noch Energie nach aussen abgeben. Es kann aber auch auf die überschüssige Energie verzichtet werden und ein grosser Druckabfall im Druckgaserzeuger 7 und in der Entschwefelungseinrichtung 12 zugelassen werden.

Eine w eitere Möglichkeit ist in der Zeichnung dargestellt. Zwischen den leitungen 9 und 11 ist der Bypass 16 um die Gasturbine 6 angeordnet, der vom Ventil 17 kontrolliert wird. Indem eine regelbare Menge des Generatorgases über diesen Bypass 16 geschickt wird, kann damit die Drehzahl der Aufladegruppe geregelt und die luftmenge für den Druckgaserzeuger der jeweiligen last angepasst werden.

In Fig.2 ist ein Teil eines Dampfkraftwerkes gezeigt, der, soweit er dargestellt ist, weitgehend der Anlage nach Fig.l gleicht, wie aus den einander entsprechenden Bezugszeichen

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hervorgeht. Statt einer Brennkammer ist hier der aufgeladene Dampferzeuger 18 vorgesehen, in welchem das Generatorgas verbrannt und mit den Heizgasen der Dampf für die (nicht dargestellte) Kraftmaschine erzeugt wird. Der Verdichter 1, welcher auch hier die Luft für die Druckvergasung der Kohle und die Verbrennungsluft liefert, bildet zusammen mit der Gasturbine 14 die Aufladegruppe für den Dampferzeuger, zu der noch der Startmotor 19 und die Kupplung 20 gehören.

In beiden beschriebenen Kraftanlagen wird das Generatorgas, ohne vorher abgekühlt zu werden, durch einen Zentrifugalabscheider vom Flugstaub befreit. Es handelt sich somit um eine trockene Abscheidung, welche sehr wirksam und einfach ist und praktisch ohne WärmeVerluste arbeitet.

Das rohe Generatorgas enthält bis zu 6 gr Staub pro kg Gas (= 6000 ppm). Schon ein Bruchteil dieser Staubmenge würde genügen, um die Gasturbine der Aufladegruppe des Druckgaserzeugers in kurzer. Zeit zu zerstören.

Der Abscheider für den Plugstaub kann sowohl getrennt von der Gasturbine, wie es in den Fig.l und 2 dargestellt ist, als auch integriert mit ihr ausgeführt werden. Eine sehr einfache, aber wirksame und praktisch verlustfreie Lösung zeigt Pig.3. Der Eintrittsstutzen 21, welcher an seiner Innenseite mindestens teilweise einen.>Belag aus einem erosionsfesten Material aufweist, ist als Spirale ausgebildet, welche

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der Strömung einen Drall erteilt, wodurch ein erstes Leitrad überflüssig wird. Vor Erreichung des ersten Laufrades 22 wird der durch den Drall der äusseren Begrenzungswand entlang fliessende Plugstaub, welcher vom Generatorgas mitgerissen wird, zusammen mit etwas Schleppgas durch den umfangsspalt 23 in den Ringraum 24 weggeführt. Zu diesem Zwecke steht die in Strömungsrichtung hintere Kante des Spaltes 23 in die Strömung vor. Um Erosionen am Eintritt in den Spalt zu vermeiden, sind die den Spalt begrenzenden Teile 25 und 26 aus Hartmetall hergestellt und sicherheitshalber auch auswechselbar. Der abgesonderte Flugstaub kann in einem engmaschigen Sieb abgeschieden und das gereinigte Schleppgas nach der Gasturbine wieder mit dem Generatorgas vereinigt werden; der Staub kann aber auch direkt ins Preie geführt werden.

Der Umfangsspalt für die Abscheidung des Plugstaubes kann auch nach dem ersten Laufrad angeordnet sein. In Pig.3 ist diese Möglichkeit ebenfalls eingezeichnet. Ist keine Eintrittsspirale, sondern ein erstes Leitrad vorhanden, so ist vor demselben der Plugstaub noch gleichmässig im Generatorgas verteilt, so dass die Erosionswirkung klein ist. Im ersten Laufrad wird er ausgeschleudert und würde die nachfolgenden Leitschaufeln am Pusse erodieren, was zu einer Schaufelhavarie führte, würde der Staub nicht vorher abgeschieden werden. Der ausgeschleuderte Plugstaub wird durch den umfangsspalt 27 abgeführt und gelangt in den Ringraum 28. Auch hier ist der

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Bauteil 29 mit der in Strömungsrichtung hinteren, in die Strömung vorstehenden Kante des Spaltes 27 aus Hartmetall gefertigt und auswechselbar. Die der hinteren Kante gegenüberliegende Flache des Bauteils 30, welche den Einlauf zum Spalt 27 bildet, ist mit einem erosionsfesten Material überzogen.

Es ist naheliegend, dass die eine oder die andere A_nordnung des Umfangsspaltes gewählt werden kann, es können aber auch beide Möglichkeiten nebeneinander angewendet werden, was vor allem dann in Frage kommt, wenn ein besonders sauberes Generatorgas verlangt wird. Im ersten Spalt wird dann der durch den Drall in der Eintrittsspirale nach aussen geschleuderte Plugstaub aufgefangen, im zweiten Spalt der eventuell noch verbliebene Reststaub. Ferner können an allen durch Erosion durch den Flugstaub gefährdeten Stellen Hartmetallteile eingesetzt sein, die, wenn notwendig, auch auswechselbar sein können, oder es ist an diesen Stellen ein Belag aus einem erosionsfesten Material aufgebracht, z.B. eine Kobaltlegierung mit Zusätzen aus Wolfram, Chrom und Kohlenstoff, wie sie unter dem Namen Stellit bekannt ist. Die Aufbringung kann beispielsweise durch Flamm- oder Plasmaspritzen erfolgen.

Es ist vorteilhaft, die Umfangsspalte mit geringer Breite auszuführen und in den anschliessenden Ringräumen einen kleineren Druck als im Strömungskanal aufrechtzuhalten, so dass in den Spalten eine Saugwirkung entsteht, wodurch der Abscheidegrad erhöht wird.

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Claims

141/73 D Patentansprüche

1.) Thermisches Kraftwerk, bestehend im wesentlichen aus einer thermischen Kraftmaschine, aus einem Druckgaserzeuger zur Erzeugung von Generatorgas aus Kohle, welches nach der Abscheidung von Flugstaub und Schwefel als Brennstoff für das Kraftwerk dient, sowie aus einer Aufladegruppe, deren Verdichter die für den Druckgaserzeuger notwendige Luft verdichtet und deren Gasturbine mit dem unverbrannten Generatorgas aus dem Druckgaserzeuger betrieben wird, gekennzeichnet durch eine voneinander getrennte Abscheidung des Plugstaubes und des Schwefels, indem ein Trockenabscheider (10) für den Flugstaub in den Strömungsweg des ungekühlten Generatorgases vor der Gasturbine (6) der Aufladegruppe eingeschaltet oder mit der Gasturbine integriert ist, und eine Entschwefelungseinrichtung (12) im Strömungsweg des in der Gasturbine (6) entspannten Generatorgases angeordnet ist.

2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (6) der Aufladegruppe in der äusseren Begrenzungswand des Strömungskanals einen ümfangsspalt (23, 27) aufweist, wobei die in Strömungsrichtung hintere Kante des Spaltes (23, 27) in die Strömung vorsteht und so den auszentrifu-

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gierten Flugstaub zusammen mit einer kleinen Menge Schleppgas in den Spalt (23, 27) leitet.

3. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsspalt (27) nach dem ersten Laufrad (22) der Gasturbine (6) angeordnet ist.

4. Kraftwerk nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Umfangsspalt (23, 27) geringer Breite und durch einen wesentlich tieferen Druck im Schleppgas nach dem Spalt (23, 27) als im Strömungskanal.

5. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,.dass an den durch Erosion durch den Plugstaub gefährdeten Stellen auswechselbare Hartmetallteile (25*26,29) eingesetzt sind.

6. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die durch Erosion durch den Flugstaub gefährdeten Stellen ein Belag aus einem erosionsfesten Material aufgebracht ist.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri &.Cie.

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