DE2520447C2

DE2520447C2 - Thermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE2520447C2
Application number: DE2520447A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. Baden Pfenninger
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-04-08
Filing date: 1975-05-07
Publication date: 1984-04-12
Also published as: DD124614A5; FR2307134B1; US4095419A; CH584352A5; FR2307134A1; GB1487711A; HU171411B; DE2520447A1; ATA361875A; JPS51123450A; AT352477B; PL107330B1

Description

?L"i Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches

i\ Kraftwerk, bestehend im wesentlichen aus einer

■ir thermischen Kraftmaschine, aus einem Druckgaserzeu-

l'¹' ger 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

ι; einem Trockenabscheider für den Flugstaub, der in den

i' Strömungsweg des Generatorgases vor der Gasturbine

der Aufladegruppe eingeschaltet oder mit dieser Gasturbine integriert ist.

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 t gebundenen Wärme verloren. Zur Vermeidung dieses

Verlustes an fühlbarer Wärme wurde bereits vorgeschlagen (Schweiz. Paterngesuch 18 016/73, deutsche Patentanmeldung P 24 03 928.9), den Flugstaub schon vor der Gasturbine 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.

Aus der DE-AS 12 76 411 :st ferner ein Gasturbinenanlage mit Druckvergaser und Aufladegruppe bekannt,

ίο bei der die Entschwefelung der Generatorgase vor der Gasturbine der Aufladegruppe stattfindet Dafür ist eine an sich bekannte Heißgasentschwefelungseinrichtung vorgesehen. Doch fehlt hier eine Abscheideeinrichtung für die kleineren und größeren staubförmigen Verunreinigungen der G eneratorgase, so daß die Beaufschlagung der Gasturbine der Aufladegruppe erfahrungsgemäß in kurzer Zeit in untragbar starkem Maße erodiert ist

In der DE-AS 11 84 895 ist ein verhältnismäßig aufwendiges Verfahren zur Heißgasentschwefelung mit Calciumoxyd beschrieben, wobei das dabei anfallende Calciumsulfid durch eine spezielle Behandlung in Calciumcarbonat übergeführt und dem Entschwefelungsprozeß wieder zugeführt wird. Auch hier ist keine Maßnahme vorgesehen, durch die das Generatorgas den für eine befriedigende Lebensdauer einer Gasturbinenbeschaufelung erforderlichen Abscheidegrad für die festen Verunreinigung erhält

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem gattungsgemäßen thermischen Kraftwerk mit einem Druckgaserzeuger unter Vermeidung der Nachteile von bekannten Anlagen dieser Art die Abscheidung von Flugstaub und Schwefel, ohne Einbuße an Wirkungsgrad und Kürze der Strömungswege 2u verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine in den

i¹) Strömungsweg des Generatorgases zwischen dem Druckgaserzeuger und dem Trockenabscheider angeordnete Einblasevorrichtung für ein Reaktionsmittel, welches den im Generatorgas enthaltenen Schwefel chemisch abbindet und das im 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 is».

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 (H2S) an. Dieser kann z. B. an Metalloxyde oder an Calciumverbindungen 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 vor und/oder in der Gasturbine der Aufladegruppe wieder abgeschieden wird, wie es aus der oben zitierten Patentanmeldung hervorgeht.

Durch diesen Vorgang können somit der Flugstaub

b) und der Schwefel durch ein einfaches, billiges Mittel entfernt werden.

Für den Fall, daß die Temperatur des aus dem Druckgaserzeuger austretenden Generatorgases zu

hoch wäre, stehen die beiden folgenden Möglichkeiten zur Verfugung, die gemeinsam oder jede für sich allein angewendet werden könnea Nahe der Austrittsstelle des Generatorgases aus dem Gaserzeuger wird ein Wärmetauscher angeordnet Die eine Möglichkeit ϊ besteht nun darin, das Generatorgas im Wärmetauscher zur Überhitzung des im Wassermantel des Gaserzeugers verdampften Wassers zu benützen, bevor dieser Dampf der Vergasungsluft beigemischt wird. Ebenso kann, zi^ätzlich 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. Es ergibt sich somit ein doppelter π 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 :<i endothermer Prozeß stattfindet, der die Temperatur des Generatorgases wieder absenkt

Trotz der tieferen Temperatur des Generatorgases vor der Gasturbine der Aufladegruppe wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nicht verschlechtert, >3 weil die vom Generatorgas abgegebene Warme entweder mit dem Dampf wieder in den Druckgaserzeuger rückgeführt 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. J5

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden anschließend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch ein Kraftwerk mit einem Druckgaserzeuger für die Versorgung einer Gasturbine,

F i g. 2 schematisch einen Teil eines Dampfkraftwerkes mit einem Druckgaserzeuger für die Versorgung eines druckgefeuerten Dampferzeugers,

Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Druckgaserzeuger mit der zugehörigen Kühlwasserführung, F i g. 4 eine Variante zu F i g. 3.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Nach F i g. 1 werden die Luft für die Druckvergasung der Kohle und die Verbrennungsluft für die nachherige Verbrennung des Generatorgases 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 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 500—600⁰C 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 b5 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 1 ongeren-Abscheider, in welchem der Flugstaub sowie der an das Reaktionsmittel gebundene Schwefel abgeschieden werden.

Nach der Gasturbine 6 wild das Generatorgas über die Leitung 11, ebenso wie die Verbrennungsluft aus der Luftleitung 3, in die Brennkammer 13 der Gasturbine 14 geleitet; letztere treibt den 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 16 geschickt wird, kann damit die Drehzahl der Aufladegruppe geregelt und die Luftmenge für den Druckgaserzeuger der jeweiligen Last angepaßt werden.

In F i g. 2 ist ein Teil eines Dampfkraftwerkes gezeigt der, soweit er dargestellt ist, weitgehend der Anlage nach F i g. 1 gleicht. Statt einer Brennkammer ist hier der druckgefeuerte 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 und dem Reaktionsmittel befreit Es handelt sich somit um eine trockene Abscheidung, weiche 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 F i g. 1 und 2 dargestellt ist, als auch integriert mit ihr ausgeführt werden, wie es in der schon genannten Patentanmeldung beschrieben ist.

F i g. 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 den Gaserzeuger eingebrachte Kohle wird im Innenraum 39 vergast; die Luft strömt, wie durch den Pfeil 29 angedeutet, durch das Rohr 30 zum Innenraum. Das entstehende Generatorgas gibt im Wärmetauscher 27 einen Teil seiner Wärme ab, bevor es aus dem Gaserzeuger 7 in die '.eitung 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 eingeblasen wird, was beispielsweise mit Hilfe eines inerten Gases; erfolgen kann. Bei guter Mischung genügt ein verhältnismäßig kurzer Strö-

mungsweg. um den im Generatorgas enthaltenen Schwefel an das Reaktionsmittel chemisch zu binden. In der Gasturbine 6 werden nach der ersten Laufreihe der Flugstaub 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 Fi g. 1 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 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 Dampfgemisches in dei 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 Einblasevorrichtung 12 auf einem für die Reaktion des Schwefels mit dem Reaktionsmittel günstigen Wert konstant zu halten.

ίο Fig.4 zeigt den gleichen Druckgaserzeuger 7 wie F i g. 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 Fig.3 verändert ist. Bei steigender Temperatur wird das Ventil im öffnenden Sinn, 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 Vergasungsprozeß, nicht aber deren Temperatur verändert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.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 der Gasturbine vorgeschalteten Trockenabscheider für den Flugstaub und den Schwefel, wobei im Strömungsweg des heißen Generatorgases zwischen dem Dmckgaserzeuger und dem Abscheider eine •Einölasevorrichtung für ein Reaktionsmittel angeordnet ist, welches den im Generatorgas enthaltenen Schwefel chemisch abbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Gasturbine (6) integrierter weiterer Abscheider (32) nach deren erster Laufschaufelreihe unter Ausnutzung der Zentrifugalwirkung ausgebildet ist
2. Thermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Temperatur des Generatorgases auf eine für die Reaktion des Schwefels mit dem Reaktionsmittel günstige Temperatur der Druckgaserzeuger (7) einen Wärmetauscher (27) aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmt ist, das im Vergasungsprozeß verwertet wird.
3. Thermisches Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmetauscher (27) durchströmende Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von der Temperatur des Generatorgases vor der Einblasevorrichtung (12) regelbar ist.