DE2520447A1 - Thermisches kraftwerk - Google Patents

Thermisches kraftwerk

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Description

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Dr. W
BBO Aktiengesellschaft-Brown, Boveri & Cie., Baden "(Schweiz)
Thermisches Kraftwerk
Die vorliegende 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, ferner aus einer Aufladegruppe, deren Verdichter die für den Druckgaserzeuger notwendige Luft verdichtet und deren Gasturbine mit dem unverbrannten Generatorgas aus dem Druckgaserzeuger betrieben wird, sowie aus einem Trockenabscheider für den Flugstaub, der in den Strömungsweg des Generatorgases vor der Gasturbine der Aufladegruppe eingeschaltet oder mit dieser Gasturbine integriert ist.
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Zur Entfernung der Flugasche und des Flugkokses, im folgenden kurz Flugstaub genannt, sowie des Schwefels aus dem Generatorgas wird meistens ein Waschkühler verwendet. Durch die damit verbundene Abkühlung gehen ca. 10 $> der zugeführten, im Brennstoff chemisch gebundenen Wärme verloren. Zur Vermeidung dieses Verlustes an fühlbarer Wärme wurde bereits vorgeschlagen (Schweiz.Patentgesuch 18016/73, deutsche Patentanmeldung P 24 03 928.9), den Flugstaub schon vor der Grasturbine der Aufladegruppe abzuscheiden, während der Schwefel erst nach der Gasturbine entfernt wird. Dies deswegen, weil die Temperatur vor der Gasturbine zu hoch ist und erst durch die Entspannung der Generatorgase in dieser Turbine auf ein Mass gesenkt wird, welches die Ausscheidung des Schwefels ohne Verlust hochwertiger Wärme erlaubt. Dieses Konzept ergibt eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Gesamtanlage, die getrennte Abscheidung des Flugstaubes und des Schwefels bringt jedoch gewisse Nachteile mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem thermischen Kraftwerk mit einem Druckgaserzeuger die Abscheidung des Flugstaubes und des Schwefels zusammen vorzunehmen, ohne den Wirkungsgrad der Gesamtanlage abzusenken, wie es bei einem Waschkühler der Fall ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine in den Strömungsweg
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des Generatorgases zwischen dem Druckgaserzeuger und dem Trockenabscheider angeordnete Einblasevorrichtung für ein Reaktionsmittel, welches den im Generatorgas enthaltenen Schwefel chemisch abbindet unäxlm Trockenabscheider gemeinsam mit dem Flugstaub aus dem Generatorgas abgeschieden wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens besteht darin, dass zur Herabsetzung der. Temperatur des Generatorgases auf eine für die Reaktion des Schwefels mit dem Reaktionsmittel günstige Temperatur der Druckgaserzeuger einen Wärmetauscher aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmt ist.
Hierbei ist es zweckmässig, wenn die den Wärmetauscher durchströmende Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von der Temperatur des Generatorgases vor der Einblasevorrichtung regelbar ist.
Bekanntlich fällt der* Schwefel als Schwefelwasserstoff (H?S) an. Dieser kann z.B. an Metalloxyde oder an Cäsiumverbindungen gebunden werden. Dies geschieht erfindungsgemäss derart, dass am Austritt aus dem Gaserzeuger eines der genannten Bindemittel beispielsweise in Form von Pulver dem Generatorgas beigemischt und nach der Reaktion mit dem Schwefel gemeinsam mit dem Flugstaub
und/
vor /oder in der Gasturbine der Aufladegruppe wieder abgeschieden
wird, wie es aus der oben zitierten Patentanmeldung hervorgeht.
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Durch diesen Vorgang können somit der Flugstaub und der Schwefel durch ein einfaches, billiges Mittel entfernt werden.
Für den Fall, dass die Temperatur des aus dem Druckgaeerzeuger austretenden Generatorgases zuhoch wäre, stehen, die beiden folgenden Möglichkeiten zur Verfügung, die gemeinsam oder jede für sich allein angewendet werden können. Nahe der Austrittsstelle des Generatorgases aus dem Gaserzeuger wird ein Wärmetauscher angeordnet. Die eine Möglichkeit besteht nun darin, das Generatorgas im Wärmetauscher zur Ueberhitzung des im Wassermantel des Gaserzeugers verdampften Wassers zu benützen, bevor dieser Dampf der Vergasungsluft beigemischt wird. Ebenso kann, zusätzlich zur Dampferzeugung im Wassermantel, auch im Wärmetauscher Wasser verdampft werden, um eine grössere Dampfmenge der Vergasungsluft beimischen zu können, wodurch die Temperatur des Generatorgases schon vor dem Wärmetauscher etwas abgesenkt wird. Bs ergibt sich somit ein doppelter Effekt, denn bekanntlich tritt im unteren Teil des Gaserzeugers ein exothermer Prozess auf, weil die Kohle zu Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd verbrannt bzw. vergast wird, während im oberen Teil des Gaserzeugers durch Zersetzung von Wasserdampf ein endothermer Prozess stattfindet, der die Temperatur des Generatorgases wieder absenkt.
Trotz der tieferen Temperatur des Generatorgases vor der Gastur-
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.. 5 - H
bine der Aufladegruppe wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nicht verschlechtert, weil die vom Generatorgas abgegebene Wärme entweder mit dem Dampf wieder in den Druckgaserzeuger riickgeführt oder bei der nachfolgenden Verbrennung des Generatorgases wieder gewonnen wird.
Nach beiden der dargelegten Ausführungsmöglichkeiten hat man es in der Hand, durch Regelung der den Wärmetauscher durchströmenden Kühlmittelmenge die Temperatur des Generatorgases auf einem für die Reaktion des Schwefels mit dem Reaktionsmittel günstigen Wert konstant zu halten.
In der beigefügten Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden anschliessend näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l schematisch ein Kraftwerk mit einem Druckgaserzeuger für die Versorgung einer Gasturbine,
Fig.2 schematisch einen ^eil eines Dampfkraftwerkes mit einem
( druckgefeuerten; Druckgaserzeuger für die Versorgung eines ^Dampferzeugers,
Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Druckgaserzeuger mit der zugehörigen Kühlwasserführung,
Fig.4 eine Variante zu Fig.3.
In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. 609843/026S
Nach. Fig.l werden die Luft für die Druck vergasung der Kohle und die Verbrennungsluft für die nachherige Verbrennung des Generatorgases gemeinsam vom Verdichter 1 auf z.B. IO 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 Aufladegruppe des Druckgaserzeugers 7 geführt. Im.Verdichter 5 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 5OO - 600 C und einen Druck von etwa 20 bar und wird der Gasturbine 6 zugeleitet.
In die Leitung 9 ist die Einblasevorrichtung 12 eingeschaltet, die aus dem Behälter 21 mit einem Reaktionsmittel versorgt wird, das zur Bindung des im Generatorgas enthaltenen Schwefels dient. Die Reaktion erfolgt auf dem Strömungswege bis zum Zentrifugalabscheider 10, z.B. einem van Tongeren-Abscheider, in welchem der Flugstaub sowie der an das Reaktionsmittel gebundene Schwefel abgeschieden werden.
Nach der Gasturbine 6 wird das Generatorgas über die Leitung 11,
r/
ebenso wie die Vebrennungsluft aus der Luftleitung 3» in die Brennkammer 13 der Gasturbine 14 geleitet; letztere treibt den
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Verdichter 1 und den elektrischen Generator 15 an.
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 zugelassen werden.
Eine weitere Möglichkeit ist ebenfalls 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 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.
vdruckgefeuerte; Statt einer Brennkammer ist hier der^ »Dampferzeuger 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,
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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 und dem Reaktionsmittel 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 Flugstaub 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 Flugstaub und das Reaktionsmittel kann sowohl getrennt von der Gasturbine 6, wie es in den Fig.l und 2 dargestellt ist, als auch integriert mit ihr ausgeführt werden, wie es in der schon genannten Patentanmeldung beschrieben ist.
Fig.3 zeigt den Druckgaserzeuger 7 mit den für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Einzelheiten, ferner die Gasturbine 6 der Aufladegruppe, welche den (hier nicht gezeichneten) Verdichter antreibt. Die bei 31 in die Schleuse 8 und durch dieselbe in
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den Gaserzeuger eingebrachte Kohle wird im Innenraum 39 vergastj die Luft strömt, wie durch den Pfeil 29 angedeutet, durch das Rohr 50 zum Innenraum. Das entstehende Generatorgas gibt im Wärmetauscher 27 einen Teil seiner Wärme ab, bevor es aus dem Gaserzeuger 7 in die Leitung 9 eintritt, die zur Gasturbine 6 führt. Die flüssige Schlacke wird durch die Rohre 34 abgeführt.
In die Leitung 9 ist die Einblasevorrichtung 12 eingebaut, mit welcher ein Reaktionspulver in das Generatorgas eingeblsen wird, was beispielsweise mit Hilfe eines inerten Gases erfolgen kann. Bei guter Mischung genügt ein verhaltnismässig kurzer Strömungsweg, um den im Generatorgas enthaltenen Schwefel an das Reaktionsmittel chemisch zu binden. In der Gasturbine 6 werden nach der ersten Laufreihe der Plugstaub und das Reaktionspulver durch Zentrifugalwirkung ausgeschieden und im Behälter 32 oder in einem Filter zur Weiterverarbeitung aufgefangen. Das gereinigte, schwefelfreie Generatorgas tritt in der Richtung des Pfeiles 33 aus der Gasturbine 6 aus, um gemäss den Fig.l oder 2 weiter verwendet zu werden.
Der Innenraum 39 ist durch den Wassermantel 22 gekühlt. Er steht mit dem Speisewasserbehälter 23 in Verbindung, welcher gleichzeitig als Dampf-Wasser-Abscheider dient. Nassdampf strömt vom Wassermantel 22 durch die Leitung 24 zum Behälter 23 und Wasser vom
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Behälter 23 durch die Leitung 25 zum Wassermantel 22. Der abgeschiedene Dampf wird durch die Leitung 26 zum Wärmetauscher 27 geführt, wo er durch das heisse Generatorgas überhitzt wird, worauf er durch die Leitung 28 zum Rohr 30 geführt wird, um der Luft für den Gaserzeuger beigemischt zu werden.
Von der Leitung 26 zweigt die Bypassleitung 35 ab, die unter Umgehung des Wärmetauschers 27 direkt in die Leitung 28 einmündet. Vor der Einblasevorrichtung 12, in Strömungsrichtung des Generatorgases gesehen, ist der Temperaturfühler 36 in die Leitung 9 eingebaut, von dem die Wirkleitung 38 zum Drosselventil 37 führt, welches die Leitung 35 kontrolliert. Temperaturfühler 36 und Drosselventil 37 sind derart miteinander gekoppelt, dass das Ventil 37 bei steigender Temperatur des Generatorgases im schliessenden Sinn, bei sinkender Temperatur im öffnenden Sinn betätigt wird. Die Wirkung ist offensichtlich: Drosselt das Ventil 37 stärker, so strömt weniger Dampf durch die Bypassleitung 35 und mehr Dampf durch den Wärmetauscher 27, wodurch die Temperatur des Dampf gemisches in der Leitung 28 ansteigt, das Generatorgas stärker abgekühlt wird,und die vom Fühler 36 gemessene Temperatur sinkt. Bei öffnendem Ventil 37 tritt der umgekehrte Vorgang ein. Durch diese Regelung ist es möglich, die Temperatur vor der Einblas.evorrichtung 12 auf einem für die Reaktion des Schwefels mit dem Reäktionsmittel günstigen Wert konstant zu halten.
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Pig.4 zeigt den gleichen Druckgaserzeuger 7 wie Pig.3» jedoch mit anderer Dampf- und Wasserführung. Der im Speisewasserbehälter 23 abgeschiedene Dampf tritt direkt in die Leitung 28 ein, von der er zum Luftrohr 30 geführt wird. Von der Leitung 25 zweigt die Leitung 40 ab, die zum Wärmetauscher 27 führt, dessen Ableitung 41 in die Leitung 24 einmündet.. Zum Kreislauf Behälter 23 - Leitung 25 - Wassermantel 22 - Leitung 24 - Behälter 23 ist somit der Parallelkreis Behälter 23 - Leitung 25 - Leitung 40 - Wärmetauscher 27 - Ableitung 41 - Leitung 24 - Behälter 23 geschaffen. Das Drosselventil 37» das vom Temperaturfühler 36 über die Wirkleitung 38 beeinflusst wird, ist in die Leitung 40 eingebaut, wodurch auch das Zusammenspiel mit dem Temperaturfühler gegenüber der Ausführung nach Pig.3 verändert ist. Bei steigender Temperatur wird das Ventil im öffnenden ^inn, bei sinkender Temperatur im schliessenden Sinn betätigt. Bei dieser Schaltung wird unter Konstanthaltung der Temperatur vor der Einblasevorrichtung-12 nur die zum Luftrohr 30 strömende Dampfmenge für den ^ergasungsprozess, nicht aber deren temperatur verändert.
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Claims (3)

- 12 - 4 Patentansprüche
1. Thermisches Kraftwerk, bestehend irn 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, ferner aus einer Aufladegruppe, deren Verdichter die für den Druckgaserzeuger notwendige Luft verdichtet und deren Gasturbine mit dem unverbrannten Generatorgas aus dem Druckgaserzeuger betrieben wird, sowie aus einem Trockenabscheider für den Plugstaub, der in den Strömungsweg des Generatorgases vor der Gasturbine der Aufladegruppe eingeschaltet oder mit dieser Gasturbine integriert ist, gekennzeichnet durch eine in den Strömungsweg des Generatorgases zwischen dem Druckgaserzeuger (7) und dem. Trockenabscheider (10, 32) angeordnete Einblasevorrichtung (12) für ein Reaktionsmittel, welches den im Generator enthaltenen Schwefel chemisch abbindet und das im Trockenabscheider (10, 32) gemeinsam mit dem Flugstaub aus dem Generatorgas abgeschieden wird.
2. Thermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herabsetzung der Temperatur des Generatorgases
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auf eine für die Reaktion des Schwefels mit dem Reaktionsmittel günstige Temperatur der Druckgaserzeuger (7) einen Wärmetauscher (27) aufweist, der von einem Kühlmittel durch: strömt ist.
3. Thermisches Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wärmetauscher (27) durchströmende Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von der Temeperatur des Generatorgases vor der Einblasevorrichtung (12) regelbar ist.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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