DE3024479A1

DE3024479A1 - Verfahren zur energiegewinnung aus festen, fossilen und ballastreichen brennstoffen

Info

Publication number: DE3024479A1
Application number: DE19803024479
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 4030 Ratingen Adrian; Boris Dipl.-Ing. Dankow; Klaus Dipl.-Phys. Dr. Heyn; Hans-Joachim 4300 Essen Pogrzeba
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1980-06-28
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1982-02-04
Also published as: CA1190049A; US4569197A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiegewinnung aus festen, fossilen, ballastreichen Brennstoffen, bei dem der Brennstoff^/erbranntyund die hierbei freiwerdende Wärme in einer Dampfturbine und in einer Gasturbine in elektrische Energie umgesetzt wird, und die Rauchgase von den Schadstoffen vor ihrer Emittierung gereinigt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Im Rahmen der Erfindung handelt es sich insbesondere um die Energiegewinnung aus ballastreicher Steinkohle. Aus den Rauchgasen muß daher vor allem Schwefel entfernt werden; erfindungsgemäß werden aus den Rauchgasen vor deren Emittierung auch noch andere Schadstoffe, wie Cl, HCl, F, HF und NO herausgenommen. Die Entstaubung der Rauchgase erfolgt außerdem mit einem Entstaubungsgrad, der gegebenenfalls noch über den Entstaubungsgraden von E-Filtern liegen kann.

Es sind bereits derartige Anlagen bekannt, welche die Wärme in einem druckgefeuerten Kessel mit Zyklonfeuerung freisetzen, so daß die Rauchgase mit dem Anfangsdruck von ca. 10 bar erzeugt werden, der dem in der Gasturbine nutzbaren Druckgefälle entspricht. Bei der praktischen Verwirklichung solcher Kessel haben sich jedoch so große Schwierigkeiten ergeben, daß derartige Kessel auf absehbare Zeit nicht einsatzfähig sind.

Darüberhinaus ist ein Kessel mit Druckwirbelschichtfeuerung für einen aus Gasturbine und Dampfturbine bestehenden Kombiblock bekannt. Aus der Druckwirbelschichtsfeuerung tritt das heiße Rauchgas mit einer Temperatur aus, die niedriger als 900° C ist und muß dann zunächst zur Entstaubung einer Zyklonanlage und einem Elektrofilter zugeführt werden. Hierbei

- 5 130065/0039

wird praktisch die gesamte Asche aus der Wirbelschichtfeuerung ausgetragen, so daß die nachgeschalteten Filter entsprechend belastet werden. Die Schwierigkeiten bei einem derartigen Verfahren liegen insbesondere in der Rauchgasentstaubung, die bei hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Aschebelastung durch geführt werden muß. Es hat sich auch herausgestellt, daß bei diesem Verfahren mit der nachgeschalteten Zyklonanlage nicht die für eine Gasturbine erforderliche Reinheit des Maschinengases in Bezug auf den Staubgehalt erzielbar ist und daß, bezogen auf den hohen Druckverlust bei möglichst hohem Entstaubung sgrad, eine solche Entstaubungsanlage für den thermischen Gesamtwirkungsgrad zu unwirtschaftlich ist. Ein nachgeschalteter Elektrofilter erfordert ein sehr großes Bauvolumen bei hoher Temperatur und hohem Druck, so daß dieser Elektrofilter für Großanlagen nicht geeignet ist. Auch kann mit einem Elektrofilter nicht die erforderliche Rauchgasreinheit in Bezug auf den Staubgehalt erreicht werden.

Schließlich ist ein Verfahren bekannt (VDI-Berichte Nr. 32?, 1978) , bei dem eine drucklose Wirbelschichtfeuerung mit einer Heißluftturbine und einem Dampfturbinenprozeß gekoppelt ist. Gegenüber dem Kombiblock mit druckgefeuerter Wirbelschichtfeuerung besitzt dieses bekannte Verfahren den Nachteil, daß es insgesamt ein sehr großes Bauvolumen erfordert. Auch hierbei erfolgt die Rauchgasreinigung am Ende der Anlage bei Abgastemperatur, so daß fast die gesamte Asche den Weg der Rauchgasabkühlung mitmachen muß. Dies führt sehr schnell zu erheblichen Verschmutzungen der für den Dampfprozeß erforderlichen Heizflächen und somit insgesamt zu einer Reduzierung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage.

— 6 —

130065/0039

— D —

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stromerzeugung mit hohem technischen Wirkungsgrad unter Umgehung der bei der Gasreinigung bisher auftretenden Schwierigkeiten durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der bei der Verbrennung freiwerdenden und in den Rauchgasen gespeicherten Wärme der für den Dampfturbinenprozeß erforderliche Wasserdampf erzeugt und danach wenigstens ein Teil der Rauchgase weiter mit den von den Schadstoffen gereinigten und für den Gasturbinenprozeß komprimierten, als Maschinengas dienenden Rauchgasen entspannt und abgekühlt werden.

Gemäß der Erfindung erfolgen die Entstaubung bei niedrigen Rauchgastemperaturen und niedrigen (atmosph.) Brücken und die Beseitigung der Schadstoffe bei niedrigen Rauchgastemperaturen und hohen Rauchgasdrücken. Dadurch ist es möglich, bekannte Verfahren und Anlagen für die Schadstoffbeseitigung einzusetzen, die auch den Vorteil haben, daß sie klein bauen und niedrige Investitionskosten erfordern. Gegenüber den konventionellen Anlagen, die zur Energieumwandlung beispielsweise eine Trockenfeuerung oder eine Schmelzfeuerung einsetzen, ergibt sich durch den kombinierten Gas-Dampf-Turbinenprozeß jedoch ein besserer thermischer Wirkungsgrad.

Man kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchführen, daß man das Rauchgas bei der Erzeugung des für den Dampfturbinenprozeß erforderlichen Wasserdampfes z.B. auf 1000° C abkühlt und dann dem Gas-Gas-Wärmeaustausch mit dem entstaubten und gereinigten Gas unterzieht. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß der Rauchgasstrom im Anschluß an die Dampferzeugung in einem der Erzeugung von Hochdruckdampf durch Abhitze dienenden Teilstrom und den abzukühlenden Rauchgasteilstrom unterteilt werden, die Teilströme vor der Entstaubung wieder

130065/0039

vereinigt werden und danach hinter der Entstaubung aus dem Rauchgasstrom ein Teilstrom abgezweigt und rezirkuliert wird.

Dann ergibt sich der Vorteil, daß man über den Abhitzekessel und die beschriebene Rauchgasrezirkulation Regelungsmöglichkeiten erhält, mit denen sich der Dampfprozeß bzw. die Gasturbine

durch Wärmeverlagerung steuern lassen. Außerdem erlaubt diese eine NO -arme Feuerung. Der Abhitzekessel ermöglicht eine optimale Nutzung der in der Rauchgasrezirkulation steckenden nutzbaren Wärme.

Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unter Aufheizung des Maschinengases abgekühlte Rauchgasstrom einer Trimmkühlung vor seiner Entstaubung unterzogen. Diese Trimmkühlung läßt sich auf verschiedene Weise nutzen. Die Wärme kann z.B. dem Dampfkreisprozeß zugeführt werden. Insbesondere kann sie nach Bedarf zur Deckung der FernwärmeVersorgung herangezogen werden, wobei sich der Dampfprozeß verbessert, weil die Entcarnotisierung zum Teil wieder rückgängig gemacht wird.

Bei einer anderen Verfahrensform gemäß der Erfindung wird das abgekühlte und getrimmte Rauchgas nach seiner Entstaubung einer Vorverdichtung und einer anschließenden Kühlung für eine Druckentschwefelung unterzogen, bei der eine Feinentstaubung und die Beseitigung weiterer Schadstoffe vorgenommen werden.

Dann wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das von Schadstoffen gereinigte Rauchgas vor seinem Wärmeaustausch mit dem aus der Dampferzeugung kommenden Rauchgas einer Sprühabscheidung und einer gleichzeitig als Restsprühabscheidung dienenden Nachverdichtung auf den Gasturbinendruck unterzogen.

Durch diese zweistufige Verdichtung des Maschinengases kann

130065/0039

einerseits der notwendige Druck für die Gasturbine optimiert werden. Andererseits kann die Druckerhöhung nahezu isotherm erfolgen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Luftvorwärmung für den Kessel durch die Abgase der Gasturbine vorgenommen. Dann läßt sich die Luftmenge der Last anpassen, weil sie gleichzeitig von der Frischluftregelung des Kessels abhängt.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage anhand der Maschinenstammbäume, die in den Zeichnungen dargestellt sind; es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage anhand eines MaschinenStammbaumes,

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage mit konventionellem Kohlekessel und Rauchgasrezirkulation und

Fig. 3 schematisch unter Fortlassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Einzelheiten einen Kessel für das erfindungsgemäße Verfahren.

Gemäß Fig. 1 wird aus dem Kohlebunker 1 Kohle über eine Aufbereitung, die aus einem Kohlezuteiler 2 und einer Kohlemühle besteht, mit Hilfe von Primärluft aus der Leitung 4 über 5 einem Kessel mit Trockenfeuerung oder Schmelzfeuerung zugeführt und verbrannt. Der Kessel ist mit 6 bezeichnet. Die durch die

- 9 130065/0039

Verbrennung freiwerdende Wärme, die im Rauchgas gespeichert ist, erzeugt den für den Dampfturbinenprozeß erforderlichen Wasserdampf. Demzufolge gelangt der Wasserdampf über eine Leitung 7 in die mit 8 bezeichnete Dampfturbine, die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrfach angezapft ist.

Das Rauchgas kühlt sich bei der Dampferzeugung auf ca. 100Q^rC ab. Es gelangt über die Leitung 9 in einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher 10 und wird dort im Gegenstrom mit gekühltem und gereinigten Rauchgas aus der Leitung 11 gekühlt. Gleichzeitig wird das aus der Leitung 11 kommende Rauchgas auf ca. 900° C in der Leitung 12 aufgeheizt und dient als Maschinengas für eine Gasturbine 13.

Eine weitere Abkühlung des Rauchgases hinter dem Gas-Gas-Wärmeaustauscher 10 erfolgt über einen Trimmkühler 14, in dem das Rauchgas z.B. auf ca. 100° C abgekühlt wird. Die Wärme wird dabei auf einen HD-Eco und ND-Eco übertragen. Das Rauchgas gelangt mit dieser Temperatur in einen als Elektrofilter 15 ausgebildeten Entstauber. Anstelle eines Elektrofilters läßt sich ein Zyklon oder auch ein Tuchfilter verwenden, weil die Rauchgase kalt sind. Im Anschluß daran werden die Rauchgase mit einem Vorverdichter, der auch als Saugzug für den Kessel 6 (mit dem atmosphärischen Druck in der Feuerung) dient, auf ca. 5 atu bei 16 vorverdichtet.

Dem Vorverdichter nachgeschaltet ist ein Kühler 17, in dem das Rauchgas bis in die Nähe des Wassertaupunktes (bei 3,4 bar ca. 80° C) abgekühlt wird. Die Wärme wird dabei auf einen ND-Eco übertragen. Hinter diesem Kühler 17 gelangt das Rauchgas über 18 in einen Druckentschwefler 19. Hierbei handelt es sich um eine Naßentschwefelung, die gleichzeitig als Feinstentstaubung und zur Beseitigung anderer Schadstoffe, wie z.B. Cl, HCl, F, HF und NO dient. Im Anschluß daran gelangt das Rauchgas über

Ji.

- 10 -

130065/0039

einen Sprühabscheider 20 in eine Zuleitung 21 zu einem höhungsnachverdichter 22, der gleichzeitig als Restsprühabscheider dient. Hierbei wird das.Rauchgas auf den für die Gasturbine erforderlichen Enddruck des Maschinengases gebracht. Dem Druckerhöhungsverdichter 22 ist der Gas-Gas-Wärmeaustauscher nachgeschaltet, in dem das Maschinengas auf die Gasturbinentemperatur von 900° C aufgeheizt wird. Hinter der Gasturbine 13 gelangt das entspannte Rauchgas über einen Luvo 24 in den Abgaskanal.

Mit der Gasturbine 13 sitzt auf einer Welle ein Generator 25 sowie der Druckerhöhungsverdichter 22. Im Luvo 24 wird die Verbrennungsluft aufgewärmt, die ein Frischlüfter 26 ansaugt. Die Aufwärmung erfolgt auf ca. 4 00° C.

Der Trimmkühler 14 ist zum Teil als Hodruckvorwärmer und zum Teil wie auch der Kühler 17 hinter dem Vorverdichter als Niederdruckvorwärmer in den Dampfprozeß integriert.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 teilt sich der Rauchgasstrom hinter dem Kessel 6 in einen Teilstrom 27, der zu einem Abhitzekessel 28 geführt wird. Im Abhitzekessel wird Hochdruckdampf erzeugt, der in die Zuleiter 7 zur Gasturbine eingespeist wird. Das Rauchgas kühlt sich dabei auf eine Temperatur ab, die der Rauchgastemperatur hinter dem Trimmkühler 14 entspricht. Der Trimmkühler 14 wird von dem anderen Teilstrom 29 durchströmt, der zuvor durch den Gas-Gas-Wärmeaustauscher 10 geführt worden ist.

Die Rauchgasströme vereinigen sich bei 30 hinter dem Trimmkühler 14 und gelangen auf diese Weise gemeinsam in den Entstauber 15. Hinter dem Entstauber teilen sich die Rauchgasströme bei 31. Ein Teilstrom 33, der über ein Regelorgan 32 gesteuert werden kann, gelangt in ein Rezirkulationsgebläse

- 11 130065/0039

und über eine Leitung 36 zurück in den Kessel 6.

Im übrigen entspricht die Anlage nach Fig. 2 dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 sind in einem Kessel 4 0 der Vorüberhitzer 48, der Zwischenüberhitzer 4 9 und der Endüberhitzer 41 des Dampfprozesses im heißesten Teil angeordnet.

Hinter dem Endüberhitzer durchströmen die heißen Rauchgase ta. 1000 ⁰C) zunächst einen Gaserhitzer 44 und dann einen Gaserhitzer 45. Die beiden Gaserhitzer 4 4 und 4 5 werden im Gegenstrom zu den Rauchgasen durchströmt, so daß die mit ca. 200 ⁰C in den Gaserhitzer 45 eintretenden Gase den Gaserhitzer 44 mit ca. 900 ⁰C verlassen. Dem Gaserhitzer 44 ist ein Bypass 50 mit einem Regelorgan 51 parallel geschaltet (Gastemperaturreg-elung). Den beiden Gaserhitzern sind nachgeschaltet ein HD-Eco 46 bzw. ein ND-Eco 47, wobei es sich um den Trimmkühler 14 und den Kühler 17 handelt.

Ein Vorüberhitzer 48, ein Zwischenüberhitzer 49 sind Strahlungsüberhitzer als Wandfläche, der Endübahitzer 41 ist Strahlungsüberhitzer als Wandfläche oder als Schotten. Handelt es sich um eine Trockenfeuerung, dann ist der Endüberhitzer 41 ein Schottenüberhitzer .

Besonders zweckmäßig ist eine nicht dargestellte Ausführungeform, bei der die Rohre für die Gasrohre des Enderhitzers 44 und/oder des Vorerhitzers 45 mit den Dampfrohren des Endüberhitzers 41 abwechselnd und nebeneinander angeordnet sind. Dann Dann läßt sich die Wärme der Rauchgase mit Hilfe des Regelorgans 51 und der Uberhitzereinspritzung wahlweise auf Dampf und/oder Rauchgas übertragen und der Prozeß einfach steuern.

rjTnre-S7O-o 3 9

•Al-

Leerseite

Claims

Herne 1, 80TJ0 München 40,'

Schaeferslrnne 18 _,. . , _n „ «_u_ Eisenacher Straße 17

PoVr; 1140 l7ipi.-l.Ig- II. Π. Β£ΠΓ Pal.-Anw. Belzler

Pat.-Anw. Herrmann-Trenlepohl Dinl Dhue FrlnnrH RotTlor Fernsprecher 089/36 30 11

Fernsprecher 0 23 23 / 5 10 13 Uipi.-hTiyS. tUQUaTO ΒβϊΖΙΘΓ ₃₆ ^ ^

⁵¹⁰¹⁴ Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl ³⁶³⁰¹³

rilegrammanschrift: Telegrammnnschrift:

Bahrpatente Herne PATENTANWÄLTE Elabetrpat München

Telex 08229853 Telex 5215360

f Bankkonlen

Bayerische Vereinsbank München 952 Dresdner Bank AG Homo 7-520 499 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467

Ref.: A 30 378 X/Wd.

in der Antwort bitte angeben

Zuschrllt bitte nach-

Abholfach

27. Juni 1980 STEAG Aktiengesellschaft, Bisraarckstr. 54, 4300 Essen

"Verfahren zur Energiegewinnung aus festen, fossilen und ballastreichen Brennstoffen"

Patentansprüche

Verfahren zur Energiegewinnung aus festen, fossilen und ballastreichen Brennstoffen, bei dem der Brennstoff verbrannt und die hierbei freiwerdende Wärme in einer Dampfturbine und in einer Gasturbine in elektrische Energie umgesetzt wird, und die Rauchgase von Schadstoffen vor ihrer Emittierung gereinigt werden ,dadurch gekennzeichne t , daß mit der bei der Verbrennung freiwerdenden und in den Rauchgasen gespeicherten Wärme der für den Dampfturbinenprozeß erforderliche Wasserdampf erzeugt und danach wenigstens ein Teil der Rauchgase weiter mit den von Schadstoffen gereinigten und für den Gasturbinenprozeß komprimierten, als Maschinengas dienenden Rauchgasen abgekühlt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgasstrom im Anschluß an die Dampferzeugung in einen der Erzeugung von Hochdruckdampf

130065/0039

ORK3INALJNSPECTED

durch Abhitze dienenden Teilstrom und den abzukühlenden Rauchgasteilstrom unterteilt werden, und daß die Teilströme vor der Schadstoffbeseitigung wieder vereinigt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß hinter der Entstaubung aus dem Rauchgasstrom ein Teilstrom (33) abgezweigt und rezirkuliert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß der unter Aufheizung des Maschinengases abgekühlte Rauchgasstrom einer Trimmkühlung vor seiner Entstaubung unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , daß die abgekühlten und getrimmten Rauchgase nach ihrer Entstaubung einer Vorverdichtung und einer anschließenden Kühlung für eine Druckentschwefelung unterzogen werden, bei der eine Feinentstaubung und die Beseitigung weiterer Schadstoffe vorgenommen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,dadurch gekennzeichnet , daß die von Schadstoffen gereinigten Rauchgase vor dem Wärmeaustausch mit den aus der Dampferzeugung kommenden Rauchgasen einer Sprühabseheidung und einer gleichzeitig als Restsprühabscheidung dienenden Verdichtung auf den Gasturbineneintrittsdruck unterzogen werden.

130065/0039
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
gereinigten und verdichteten Maschinengase nach ihrer Expansion mit Frischluft gekühlt werden, die nach
ihrer Aufheizung als Verbrennungsluft dient.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a durch gekennzeichnet, daß die Luftkühlung der entspannten Maschinengase bis unmittelbar oberhalb des Rauchgastaupunktes erfolgt.
9. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch einen einem konventionellen Kohlenkessel
(6), in dem der Dampfüberhitzer (42) den Erhitzern
für das Maschinengas vorgeschaltetet und regelbar ist.
10. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abgasteil des Kessels (40) hinter dem Endüberhitzer (41) ein Maschinengasenderhitzer (44) und ein diesem vorgeschalteter Maschinengasvorerhitzer (45) nachgeschaltet sind, und daß dampf- und maschinengasführende Rohre nebeneinander und miteinander abwechselnd angeordnet sind.

-A-

130065/0039