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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage
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zur Energiegewinnung aus festen, fossilen und ballastreichen Stoffen,
bei dem die Brennstoffe in einem Druckwirbelschichtreaktor verbrannt, die hierbei
freiwerdende Wärme in einer Gasturbine und einer Dampfturbine in elektrische Energie
umgesetzt wird und die bei der Verbrennung erzeugten Rauchgase vor Einleitung in
die Gasturbine von Schadstoffen gereinigt werden.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Energiegewinnung aus
ballastreicher Steinkohle, so daß aus den bei der Verbrennung erzeugten Rauchgasen
vor allem Schwefel, aber auch weitere Schadstoffe entfernt werden müssen. Ein besonderes
Problem bei Verfahren dieser Art besteht in der Entstaubung der Rauchgase.
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Bei einem bekannten Verfahren wirn das mit Asche beladene heiße Rauchgas
zur Entstaubung einer Zyklonanlage oder einem E-Filter zugeführt. Die der Verbrennung
nachgeschalteten Stufen müssen mit hoher Temperatur gefahren werden. Dies bedeutet
eine wesentliche Belastung der Entstaubungsanlagen, da mit den heißen Rauchgasen
praktisch die gesamte Asche aus der Wirbelschichtfeuerung ausgetragen wird. Ein
entsprechend schlechter Entstaubungsgrad ist die Folge Dieses Verfahren hat sich
als nicht zufriedenstellend herausgestellt, da zum einen die Anlagenelelwnts großvolumig
ausgelegt werden müssen und zum anderen eine vollständige Staubabscheidung nicht
gewährleistet ist und hierdurch auch der Gasturbinebbetrieb ent- prechend belastet
wird.
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Schließlich ist ein Verfahren bekannt (VDI-Berichte Nr. 322, 1978),bei
dem die Wirbelschichtfeuerung drucklos erfolgt.
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Gegenüber der unter Druck ausgeführten Wirbelschichtfeuerung muß dieses
bekannte Verfahren auf entsprechend großvolumigen Anlagenelemente gefahren werden.
Auch hier erfolgt die Rauchgasreinigung am Ende der Anlage bei Abgastemperatur,
so daß nahezu die gesamte, aus der Wirbelschichtfeuerung ausgetragene Asche den
Weg
der Rauchgasabkühlung mitmachen muß. Dies führt zu erheblichen Verschmutzungen der
für den Dampfprozeß erforderlichen Heizflächen, wie auch der nachgeschalteten Gasturbine
und somit insgesamt zu einer Reduzierung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage.
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Diese bei der Schadstoffreinigunq der Rauchgase auftretenden Schwierigkeiten
können dadurch behoben werden, daß die Rauchgase im Druckwirbelschichtreaktor abgekühlt
werden, wobei die in den Rauchgasen gespeicherte Wärme für den Betrieb eines Dampfturbinenprozesses
und des Gasturbinenprozesses verwendbar ist. Die abgekühlten Rauchgase verlassen
den Reaktor bei einer Temperatur von etwa 1300 C, so daß zur Schadstoffreinigung
jede konventionelle Entstaubungs- und Reinigungsanlage eingesetzt werden kann. Um
die Rauchgase auf eine für den Gasturbinenprozeß geeignete Temperatur zu erwärmen,
werden diese nach der Schadstoffreinigung und Nachverdichtung durch Heizflächen
im Druckwirbelschichtreaktor geführt.
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Diese Verfahrensweise ist außerordentlich geeignet für den Vollastbetrieb.
Allerdings hat es sich gezeigt, daß bei insbesondere Teillastbetrieb und bei Spitzenlasten
die Temperaturen vor der Gasturbine und hinter der Gasturbine, sowie im Abhitzekessel
zu hoch sind und damit zu entsprechenden Belastungen der Gasturbine und des Abhitzekessels
führen. Diese hohen Temperaturen können auch im Abhitzekessel zu Verdampfungsinstabilitäten
führen. Die hohen Temperaturen können auch ungünstige Auswirkungen auf die im Bereich
des Wirbelschichtreaktors angeordneten Heizflächen haben und Rohrüberhitzungen mit
sich bringen.
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Demzufolge besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren
zu schaffen, mit dem die bei der Gasreinigung bisher auftretenden
Schwierigkeiten
behoben und temperaturbedingte Instabilitäten, insbesondere bei Teillast und Spitzenlasten
ausgeschaltet werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den nach der
Schadstoffreinigung durch einen Teil der bei der Verbrennung freiwerdenden Wärme
erhitzten Rauchgasen vor Einführung in die Gasturbine ein regelbarer Betrag an verdichteter
Luft zugeführt wird. Gleichzeitig werden die vor der Gasturbine anstehenden hohen
Temperaturen herabgesetzt, so daß ein schcnender Gasturbinenprozeß die Folge ist.
Daraus resultieren auch geringere Temperaturen im RJhitzekesse1, so daß keine zusätzliche
veri )£unq im Abhitzekessel eintritt und somit die dampf seitigen Zustände im Wi
Slschichtreaktor auch bei Teillast qewr?0reiStet werden.
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In besonders zweckmäßiger Weise wird von der zum Wirbelschichtreaktor
geleiteten Verbrennungsluft ein regelbarer Teilstrom dem als Maschinengas dienenden
Rauchgas zugeführt. Zugleich mit der Anpassung des Luftmengenangebotes an die Kessellast
wird hierdurch auch die Einhaltung der gewünschten Temperatur in der Wirbelschicht
begünstigt, da ein zu hoher Luftüberschuß in der Wirbel schicht über den üblicherweise
durch die Gasturbine betriebenen Verdichter verhindert ist.
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In vorteilhafter Weise wird die dem Rauchgas zugeführte Menge an
verdichteter Luft durch die Temperatur der Rauchgase vor der Gasturbine und den
im Abhitzekessel herrschenden Temperaturen gesteuert.
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Zweckmäßig ist es auch, daß die bei der Verbrennung freiwerdende
Wärme zur Erhitzung des Wasserdampfes für den DampfturbinenprozeB
verwendet
wird, wobei der Wasserdampf außerhalb des Wirbelschichtbettes durch die in den Rauchgasen
gespeicherte Wärme vorerhitzt wird. Durch den Vorüberhitzer und einen zweckmäßigerweise
den zum Überhitzer geführten Wasserdampf beaufschlagenden Einspritzkühler wird die
Temperatur des im Teillast- und Spitzenlastbetrieb besonders durch Wärme beanspruchten
Endüberhitzers herabgesetzt, so daß diese Maßnahme in Verbindung mit der Zuführung
von Verbrennungsluft zum Rauchgas vor der Gasturbine zu einer Reduzierung der Wärmebeanspruchung
der Anlagenbauteile beiträgt.
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Dadurch, daß ein regelbarer Teilstrom der Rauchgase nach Schadstoffreinigung
ohne Wärmebeaufschlagung am Wirbelbett vorbeigeführt wird, was durch eine Bypaß-Leitunq
erfolgen kann, ist eine Wärmeverlagerung vom Gas- auf den Dampfkreislauf und umgekehrt
möglich. Maßgeblich kann mit der Bypaß-Leitung die Temperatur der Rauchgase vor
der Gasturbine geregelgt werden.
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Gleichermaßen ist hierdurch auch eine Beeinflussung der Temperatur
im Wirbelbett möglich.
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Eine einfache Realisierung einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird dadurch erreicht, daß zwischen einem zur Versorgung des Wirbelschichtreaktors
mit Verbrennungsluft vorgesehenen Verdichter und der vom Reaktor zur Gasturbine
führenden Rauchgasleitung eine Bypaß-Leitung geschaltet ist.
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Hierdurch wird auch ein zu hoher Luftüberschuß in der Wirbelschicht
durch den üblicherweise von der Gasturbine betriebenen Luftverdichter verhindert,
so daß ungünstige Wärmeverlagerungen in die Nachschaltheizflächen am Druckwirbelschichtreaktor
ausgeschlossen sind.
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Eine in konstruktiver Hinsicht besonders einfache Lösung wird dadurch
erreicht, daß die Bypaß-Leitung in das Rauchgas leitende Innenrohr eines Doppelmantelrohres
mündet, in dessen Außenrohr Verbrennungsluft im Gegenstrom zum Rauchgas zum Reaktor
geführt ist.
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Eine gute Regelmöglichkeit wird dadurch gewährleistet, daß in der
Bypaß-Leitung eine Drosselklappe angeordnet ist. Zweckmäßigerweise spricht die Drosselklappe
auf Temperaturfühler an, die im Bereich des Wirbelbettes, der Gasturbine und/oder
des Abhitzekessels angeordnet sind. Eine Schonung der bei der Verlagerung der Last
vom Gas- auf den Dampfkreislauf besonders beanspruchten Überhitzerflächen wird dadurch
erreicht, daß diese einem Vorerhitzer zugeschaltet ist. Zweckmäßigerweise ist in
der vom Vorerhitzer zum Überhitzer führenden Leitung ein Einspritzkühler angeordnet,
so daß die Temperatur im Endüberhitzer herabgesetzt werden kann.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zur
Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Anlage, Fig. 2 ein Detail der zur
Gasturbine führenden Rauchgasleitung von Fig. 1.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anlage dient zur Verbrennung von festen,
fossilen und ballasthaltigen Brennstoffen, insbesondere Kohle, welche in einer Mischeinrichtung
1 mit Kalk entsprechend der erforderlichen Schwefelabscheidung im Druckwirbelschichtreaktor
gemischt wird. Der Mischeinrichtung ist eine nicht näher dargestellte Schleusenanlage
nachgeschaltet, über welche der Brennstoff dem Druckwirbelschichtreaktor 2 über
eine pneumatische Förderleitung zugeführt wird. Neben der Brennstoffzugabe wird
verdichtete Verbrennungsluft vom Boden des Druckwirbelschichtreaktors her durch
Düsen eingeblasen. Die Verbrennungsluft, welche zweckmäßigerweise eine Temperatur
von etwa 3500 C aufweist, wird durch einen nachfolgend noch näher erläuterten Verdichter
16 erzeugt. Im Wirbelbett des Reaktors 2 findet die Verbrennung des Brennstoffes
statt, wodurch Rauchgase erzeugt werden.
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Der als Doppelmantelkonstruktion ausgebildete Druckwirbelschichtreaktor
umfaßt einen äußeren Druckmantel und einen durch Fluß- und Rohrwände gebildeten
Innenmantel. In den dadurch gebildeten Zwischenhohlraum wird über den Verdichter
16 Verbrennungsluft mit einer Temperatur von etwa 3500 C in einem nachfolgend noch
näher erläuterten Gegenstromverfahren zugeführt. Am Druckwirbelschichtreaktor 2
sind dem Dampfturbinenprozeß
zugehöriqe heizflächen angeordnet,
nämlich im Bereich des Wirbelbettes ein Uberhitzer 4 und außerhalb des Wirbelbettes
übereinander ein Zwischenüberhitzer 7, ein Vorüberhitzer 4a, sowie ein Hochdruck-Eco
9 und ein Niederdruck-Eco 10.
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Weiter sind zwischen dem Ilochdruck-Eco 9 und dem Vorüberhitzer 4a
ein Rauchgasvorerhitzer 8 und im Bereich des Wirbelbettes ein Enderhitzer 5 angeordnet.
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Die Heizflächen für den Wasserdampf führen zur Dampfturbine, wobei
dem Vorüberhitzer 4a der Uberhitzer 4 nachgeschaltet ist und in der Verbindungsleitung
ein Einspritzkühler 4c vorgesehen ist.
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Die bei der Verbrennung freiwerdende Wärme und die in den Rauchgasen
gespeicherte Wärme wird zur ERhitzunq des Wasserdampfes verwendet.
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Die Rauchgase, die am Ausgang des Wirbelschichtreaktors auf eine Temperatur
von etwa 1300 C abgekühlt sind, werden zur Staubabscheidung durch einen Zyklon 11
und schließlich durch einen Druckwäscher 12 geführt, wo sie einer Naßwäsche unterzogen
werden.
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Hierbei kühlt sich das Gas bei gleichzeitiger Absättigung bis auf
etwa 1000 C ab. Dem Druckwäscher 12 sind ein Sprühabscheider 13 und ein Druckverdichter
14 nachgeschaltet, wobe im letzteren die Rauchgase einer Nachverdichtung unterzogen
werden, um die Druckverluste den Verbrennungs- und Reinigungssystemen anzugleichen,
bevor sie schließlich dem Vorerhitzer 8 zugeführt werden.
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Das im Vorerhitzer 8 erwärmte Rauchgas wird dann zum Enderhitzer 5
geführt, wobei das Rauchgas jedoch auch entlang einer Bypaß-Leitung 6 am Enderhitzer
5 vorbeigeführt werden kann. Zur Regelung der im Bypaß am Endüberhitzer vorb-eigeführten
Rauchgasmenge sind in der Bypaß-Leitung ein oder mehrere Regelklappen vorgesehen.
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Im Rahmen dieses Bypasses ist eine Beeinflussung sowohl der Temperatur
im Wirbelbett wie auch der Erhitzerflächen des Enderhitzers, vor allem aber die
Regulierung der Rauchgastemperatur vor der Gasturbine
möglich.
Damit ist praktisch auch eine Wärmeverlagerung vom Dampfturbinenprozeß zum Gasturbinenprozeß
und umgekehrt möglich.
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Schließlich wird das Gas im Innenrohr eines Doppelmanteirohres zur
Gasturbine 15 geführt. Im Gegenstromverfahren wird im Außenrohr des Doppelmantelrohres
Verbrennungsluft vom Verdichter 16 in den Ilohlraum 3 zwischen Druckmantel und der
Außen- oder Rohrwand des Druckwirbelschichtreaktors 2 zugeführt. Zweckmäßigerweise
ist der Druck der im Gegenstrom zum Rauchgasstrom geführten Luft etwas größer als
der der Rauchgase, die bei 14 einer Nachverdichtunq unterzogen sind. Dies ist im
Rahmen der Doppelmantelkonstruktion aus Festigkeitsgründen zweckmäßig. Zugleich
ermöglicht dies eine gute Luftzufuhr über die nachfolgend noch näher beschriebene
Leitung 25 in den Rauchgasstrom vor der Gasturbine.
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Das durch die bei der Verbrennung erzeugte Wärme erhitzte Rauchgas
wird in der Gasturbine entspannt, welche auf einer qemeinsamen Achse den Luftverdichter
16 sowie einen Generatur 17 antreibt. Von der Gasturbine gelangt das abgekühlte
Rauchgas schließlich in einen Abhitzekessel, wo es zur Speisewassererwärmung für
den Dampfprozeß verwendet und dabei auf etwa 1100 C abgekühlt wird.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß vom Verdichter 16 eine Leitung zum
Boden des Druckwirbelschichtreaktors 2 führt, durch welche Brenn stoff-Trägerluft
in den Reaktor eingeblasen wird. Eine weitere Leitung führt vom Verdichter zum Doppelmantelrohr
21, wobei die Verbindungsstelle näher aus Fig. 2 ersichtlich ist. Eine Bypaß-Leitung
25 führt vom Verdichter 16 ebenfalls zum Doppelmantelrohr 21 und mündet in das Innenrohr
23 des Doppelmantelrohres 21 vor der Gasturbine 15. Hierbei ist der über den Verdichter
16 erzeugte Druck etwas größer als der Druck im Rauchgas. Im Außenrohr 24 strömt
verdichtete Verbrennungsluft vom Verdichter 16 in den Doppelmantelzwischenraum des
Reaktors 2 und von hier aus zum Boden des Wirbelbettes und wird hier über Düsen
in die Wirbelschicht eingeblasen.
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In der Bypaß-Leitung 25 ist eine Drosselklappe 26 angeordnet Die Drosselklappe
26 kann durch Temperaturfühler 27 oder 28 qesteuert werden welche im Bereich der
Gasturbine 15 bzw. des Abhitzekessels 18 angeordnet sind.
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über die BypaB-Leitung 25 kann dem erhitzten Rauchgas vor der Einführung
in die Gasturbine 15 verjichtete Verbrennungsluft zugeführt werden so daß die Gasturbine
mit einer regelbaren Gasmenge beaufschlagt und die Temperatur vor der Gasturbine
herabgesetzt werden kann. Gleichzeitzg kann hierüber über die dem Wirbelschichtreaktor
zuqeführte restliche Luftmenge der Verbrennungsprozeß und das Temperaturverhalten
in den ileizflächen am Wirbelschichtreaktor beeinflußt werden.