DE3447265A1

DE3447265A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von hochgespanntem und ueberhitztem dampf

Info

Publication number: DE3447265A1
Application number: DE19843447265
Authority: DE
Inventors: Rolf Dörling; Ulrich Dipl.-Ing. Premel; Manfred Dipl.-Ing. 5270 Gummersbach Schultze
Original assignee: VEW VEREINIGTE ELEKTRIZITAETSWERKE WESTFALEN AG; WESTFAEL ELEKT WERKE; L&C Steinmueller GmbH; VEW Vereinigte Elektrizitatswerke Westfalen AG
Current assignee: VEW VEREINIGTE ELEKTRIZITAETSWERKE WESTFALEN AG; WESTFAEL ELEKT WERKE; VEW Vereinigte Elektrizitatswerke Westfalen AG; Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1984-12-22
Filing date: 1984-12-22
Publication date: 1986-06-26
Also published as: US4694782A; ZA859389B; DE3447265C2; AU5143185A; AU574035B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von hochgespanntem und überhitztem Dampf

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von hochgespanntem und überhitztem Dampf mit Hilfe heißer Reaktionsgase eines Gaserzeugers, in dem Kohle oder kohlenstoffhaltige Materialien vergast werden.

Nach bisher bekannten Verfahren werden die Reaktionsgase, die nach Ablauf der Vergasungsreaktion von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Materialien in einem ausgemauerten Gaserzeuger anfallen, einem dem Druckbehälter nachgeschalteten Abhitzesystem zugeführt, in dem dann vorzugsweise Sattdampf erzeugt wird. Die Druckstufe dieses bekannten, als Wasser- beziehungsweise Rauchrohrkessel ausgebildeten Abhitzesystems liegt im allgemeinen zwischen 40 und 120 bar. Die Verwertung des auf diese Weise erzeugten Gases erfolgt innerhalb eines größeren Prozesses beziehungsweise innerhalb mehrerer Prozeßabläufe, bei denen die Gaserzeuger und Abhitzesysteme vielfach einer Chemieanlage vorgeschaltet sind, in der das erzeugte Synthesegas weiter verarbeitet wird.

Beim Einsatz von Vergasungsreaktoren und Abhitzesystemen in Verbindung mit Dampferzeugern sind jedoch die Frischdampfzustände, erzeugt durch das Abhitzesystern,wesentlich höher als bei dem vorher erwähnten bekannten Abhitzesystem. Bei diesem Verfahren handelt

es sich um eine Verbindung zwischen einem an sich bekannten Dampfturbinenprozeß und einem Gasturbinenprozeß, wobei der besondere Vorteil in einer wesentlichen Steigerung des Wirkungsgrades liegt. Wird ein Gasgenerator mit einem Abhitzesystem in einen solchen Kombinationsprozeß integriert, so besteht hinsichtlich der Abhitzenutzung zur Dampferzeugung die Forderung, hochgespannten, überhitzten Dampf zu erzeugen, der zusammen mit dem in einem Dampferzeugerblock herkömm-

.jQ licher Bauart erzeugten Dampf der Dampfturbine oder mehreren Dampfturbinen zugeführt werden kann; dies kann in der Zwischen- oder Endstufe erfolgen. Im Laufe der Weiterentwicklung wurden bei der Erzeugung worn hochgespanntem und überhitztem Dampf in den Kraft-

-c werksprozessen die Drucke und Temperaturen der Betriebsmedien ganz erheblich gesteigert. So werden, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, die Kraftwerke in den meisten Fällen mit Frischdampfzuständen von über 530 Grad Celsius und Drücken über 200 bar betrieben.

2Q Der in einem Abhitzesystem einer Kohlevergasungsanlage erzeugte Frischdampf muß daher in diesem Kombinationsprozeß diegleichen Dampfparameter aufweisen.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen und eine Vorrichtung vorzustellen, mittels derer die Erzeugung von hochgespanntem, überhitztem Frischdampf mit Hilfe heißer, staubbeladener Reaktionsgase eines Gaserzeugers bzw. Gasgenerators mit Temperaturen bis zu 550 Grad Celsius und Drücken von unter - bis überkritisch in besonders einfacher und

__n wirtschaftlicher Weise ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erzeugung des hochgespannten, überhitzten Dampfes im Gaserzeuger und in einem Abhitzesystem erfolgt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der hochgespannte, überhitzte Dampf im Gaserzeuger mit Abhitzesystem in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Stufen erzeugt, wobei der Dampf in der ersten Stufe in einem Strahlungsverdampfer sowie in einem Verdampfer, der hinter der Reaktorausmauerung IQ liegt, erzeugt wird und anschließend in einer zweiten Stufe durch einen Strahlungsüberhitzer strömt. In bestimmten Lastfällen wird der Dampf im Verdampfer hinter der Reaktormauerung bereits leicht überhitzt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strahlungsverdampfung mehrstufig erfolgt, vorzugsweise in zwei, Stufen.

Weiterhin wird die Erfindung vorteilhaft dadurch weitergebildet, daß dem Strahlungsüberhitzer im Gaserzeuger eine weitere Überhitzungsstufe, vorzugsweise 2Q eine Konvektionsüberhitzungsstufe als Endstufe nachgeschaltet ist.

Um die im Dampf mitgeführte Flüssigkeit beziehungs-. weise das im Dampf mitgeführte Wasser vom Dampf zu trennen, wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung der aus der ersten Stufe austretende, hochgespannte Dampf über einen Wasserabscheider geführt, bevor er in der zweiten Stufe dem Strahlungsüberhitzer zugeleitet wird. Diese Betriebsweise gilt für den Teillastbereich. Im Lastbereich 50 - 130 % kann der

Dampferzeuger im Abhitzesystem im Zwangsdurchlauf und im Lastbereich < 50 % im Zwangsumlauf betrieben werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Verdampfer und Trenngefäß ein Druckhalteventil dampf- wasserseitig vorgesehen, welches es ermöglicht, den Verdampfer überkritisch zu betreiben. Für die Überhitzerstufen kann somit jeder beliebige Dampfdruck eingehalten werden.

Um die Reaktionsgase des Gasgenerators von Vergasungsrückständen in der Endstufe freizuhalten, werden nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Reaktionsgase des Gasgenerators, vor Durchströmen der als Konvektivüberhitzer ausgebildeten Endstufe, weitgehend von den Feststoffen befreit.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden die Heizflächen einer mechanischen Staub- Abreinigung unterworfen. Die Reinigung der Heizflächen kann hierbei in einfacher Weise mit Hilfe einer an sich bekannten mechanisch oder pneumatisch betriebenen Klopfeinrichtung erfolgen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Verfahrensvarianten.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung eines

Gaserzeugers mit Abhitzesystem und einstufigem Strahlungsverdampfer

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung eines

Gaserzeugers mit Abhitzesystem und zweistufigem Strahlungsverdampfer und Druckhaltevent i 1

Wie aus Figur 1 zu entnehmen, wird Speisewasser über ^q eine Druckleitung 1 zur Dampferzeugung in einem als

Konvektivvorwärmer ausgebildeten Wärmetauscher F, der sich in einem Druckbehälter 2 befindet, vorgewärmt und über eine Druckleitung 3 dem im Gaserzeuger 4 angeordneten Strahlungsverdampfer A zugeführt, wo es mit Hilfe heißer Reaktionsgase, die durch Vergasung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Materialien erzeugt werden, verdampft. Das im Strahlungsverdampfer A unter hohem Druck und hoher Temperatur verdampfte Speisewasser tritt nach Durchströmen des hinter der Ausmauerung des Gasgenerators 4 befindlichen Verdampfers B 'als überhitzter Dampf aus. Dieser überhitzte Dampf wird über eine Druckleitung 5 einem Trenngefäß C zugeführt, in .dem für den Schwachlastbetrieb eine Abscheidung des im Dampf mitgeführten Wassers erfolgt. Nach 2g Durchströmen des als Abscheider wirkenden Trenngefäßes C gelangt der hochgespannte, überhitzte Dampf über eine weitere Druckleitung 6 in den unter dem Strahlungsverdampfer A angeordneten Strahlungsüberhitzer D, der prozeßgasseitig dem Strahlungsverdampfer A nachge-

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schaltet ist. Der Strahlungsüberhitzer D weist mechanische Abreinigungseinrichtungen auf. Eine weitere Druckleitung 7 führt den hochgespannten überhitzten Dampf zu einer zweiten Überhitzungsstufe E. Die Endstufe E ist in dem Behälter 2 als Konvektivheizflache eingerichtet und ist prozeßgasseitig dem Speisewasservorwärmer F vorgeschaltet. Der Konvektivüberhitzer E ist mit in der Schemazeichnung nicht dargestellten pneumatischen Schlageinrichtungen versehen, die eine Abreinigung ermöglichen.

Der im Konvektionsüberhitzer E erzeugte, hochgespannte, überhitzte Dampf wird über eine angeschlossene Druckleitung 8 bei einer Temperatur von etwa 550 Grad Celsius und einem Druck von etwa 185 bar zu seiner Nutzung abgeführt, beispielsweise um damit Dampfturbinen anzutreiben.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden im Gasgenerator 4 mittels Kohle oder kohlenstoffhaltiger Rückstände Reaktionsgase mit einer Temperatur von etwa 1.500 Grad Celsius erzeugt, die nach Durchströmen des Strahlungsverdampfers A und des Strahlungsüberhitzers D noch eine Temperatur von ca. 800 Grad Celsius aufweisen. Zur Beherrschung der hohen Wärmestromdichten am Ausgang des Strahlungsraumes 9, ist es erforderlieh, daß die Reaktionsgase in diesem Bereich mit Hilfe einer weiteren Heizfläche abgekühlt werden. Das den Gasgenerator 4 über die Prozeßgasleitung 10 verlassende Reaktionsgas wird im Druckbehälter 2 vor Durchströmen des Konvektivüberhitzers E einer Gasreinigung 11 unterzogen, bei der es weitgehend von Feststoffen befreit wird, beispielsweise mittels eines

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Zyklonabscheiders.

Wie Figur 2 zeigt, ist es nach der vorliegenden Erfindung auch möglich, im Gaserzeuger 4 nach dem Reaktionsraum den ersten Teil des Strahlungskühlers als Verdampfer G, den zweiten Teil als Überhitzer D auszubilden, über dem dann der Strahlungsverdampfer A angeordnet ist. Der Strahlungsverdampfer kann darüberhinaus beliebig mehrstufig ausgeführt werden. Gemäß Figur 2 ist ferner in der Druckleitung 5 ein Druckhalteventil 12 eingebaut, um den Verdampfer überkritisch und die Überhitzer mit jedem beliebigen Druck betreiben zu können.

Vorteilhaft erfolgt die Ausführung der Heizflächen in gewickelter Form, um eine gleichmäßige Beheizung zu erreichen. Ab einer bestimmten Neigung der Verdampferrohre ist es erforderlich, den Verdampfer mit überkritischem Druck zu betreiben. Auf diese Weise wird im Verdampferbereich dem Entmischungsvorgang und den damit verbundenen unterschiedlichen Wärmeübergängen auf der Rohrinnenseite entgegengewirkt.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung von hochgespanntem und überhitztem Dampf mit Hilfe heißer Reaktionsgase eines Gaserzeugers, in dem Kohle oder kohlenstoffhaltige Materialien vergast werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des hochgespannten, überhitzten Dampfes im Gaserzeuger und in einem Abhitzesystem erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochgespannte, überhitzte Dampf im Gaserzeuger und Abhitzesystem in wenigstens zwei aufeinander folgenden Stufen erzeugt wird, wobei der Dampf in der ersten Stufe in einem Strahlungsverdampfer erzeugt und anschließend in einer zweiten Stufe durch einen Strahlungsüberhitzer hindurchgeführt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der hochgespannte Dampf in der ersten Stufe nach dem Strahlungsverdampfer über einen weiteren Verdampfer geführt wird, der die hinter der Feuerfest- Auskleidung des Gaserzeugers liegende Kühlfläche bildet.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsverdampfung mehrstufig erfolgt, vorzugsweise in zwei Stufen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsüberhitzer im Gaserzeuger eine weitere Überhitzungsstufe, vorzugsweise
eine Konvektionsüberhitzungsstufe als Endstufe nachgeschaltet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Überhitzung des Dampfes in der Endstufe in

einem vom Gaserzeuger getrennten Behälter erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzei chnet, daß die Heizflächen der Verdampfer mit überkritischem Druck betrieben werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der ersten Stufe austretende, hochgespannte Dampf über einen Wasserabscheider geführt wird, bevor er in der zweiten Stufe dem Strahlungsüberhitzer zugeleitet wird.

,9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdampfer und Trenngefäß ein Druckhalteventil dampf- wasserseitig vorgesehen
ist, welches es ermöglicht, den Verdampfer überkritisch zu betreiben.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche

1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase des Gaserzeugers, vor Durchströmen der als Konvektivüberhitzer ausgebildeten Endstufe, weitgehend von den Vergasungsrückständen befreit werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen einer mechanischen Staub- Abreinigung unterworfen
werden.

-Q 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger im Abhitzesystem lastabhängig einmal im Zwangsdurchlauf und einmal im Zwangsumlauf betrieben wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsüberhitzer im Gleichstrom betrieben wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvektivüberhitzer im Gegenstrom betrieben wird.

J.5. Vorrichtung zur Erzeugung von hochgespanntem und

überhitztem Dampf mit Hilfe heißer Reaktionsgase eines Gaserzeugers, in dem Kohle oder kohlenstoffhaltige
Materialien vergast werden, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 14, gekennzeichnet

durch einen Gaserzeuger (4) mit wenigstens zwei integrierten Verdampfern, insbesondere einem Strahlungsverdampfer (A) und einem Strahlungsüberhitzer (D).

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16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsverdampfer (A) im Gaserzeuger (4) ein Verdampfer (B) nachgeschaltet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch

gekennzeichnet, daß zwei Strahlungsverdampfer (A, G) im Gaserzeuger (4) angeordnet sind, zwischen denen sich der Strahlungsüberhitzer (D) befindet.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdampfer

(B) und dem Strahlungsüberhitzer (D) außerhalb des Gaserzeugers (4) ein Wasserabscheider (C) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch einen vom Gaserzeuger (4) separaten Druckbehälter (2) mit einer in dessen unterem Bereich angeordneten Konuektivheizflache (E), der abgasseitig ein als Konvektivvorwärmer ausgebildeter Speisewasservorwärmer (F) nachgeschaltet ist, wobei der Druckbehälter (2) unterhalb des Konvektivüberhitzers (E) eine Gasreinigungseinrichtung (11) aufweist, wobei ferner der Gaserzeuger (4) und der Druckbehälter (2) über Druckleitungen (3, 7) für Speisewasser und Dampf sowie eine Prozeßgasleitung (10) miteinander verbunden sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsüberhitzer (D) und der Konvektionsüberhitzer (E) mit Reinigungseinrichtungen versehen sind, die vorzugsweise mechanisch oder pneumatisch betätigbar sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsverdampfer (A) und der Strahlungsüberhitzer (D) aus gasdichten spiralförmig gewickelten Zylinderheizflächen bestehen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsverdampfer (A) und der Strahlungsüberhitzer (D) aus stranggepressten Cr/Ni- Flossenrohren bestehen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zylinderheizfläche und Druckbehälter eine feuerfeste Stampfmasse angebracht ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mauerwerksabstützung im Bereich des Vergasers aus Kühlelementen besteht, die dampf- wasserseitig in den Zwangsdurchlauf integriert sind.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Reaktorausmauerung eine gasdichte Verdampferheizfläche installiert ist, die es erlaubt, auch nach Ausfall des Mauerwerks den Reaktor sicher zu betreiben und die Reisezeit dadurch zu erhöhen.