DE3616095A1 - Dampferzeuger mit katalytischer rauchgasbehandlung und verfahren beim betrieb des dampferzeugers - Google Patents

Description

• Dampferzeuger mit katalytischer Rauchgasbehandlung und
• Verfahren beim Betrieb des Dampferzeugers.
• Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger nach dem Oberbegriff vom Anspruch 1, bei dem-eine im Rauchgaskanal hinter dem Economiser vorgesehene Katalysatoreinheit der Umwandlung bzw. Bescheidigung von Schadstoffen, insbesonders Stickstoffoxyden, im Rauchgas dient.
• Katalytisch wirkende Vorrichtungen dieser Art -- die als DENOX-Einheiten bekannt sind - haben sich u.a.
• in grossen, mit Kohle oder Öl gefeuerten Dampferzeugern von Kraftwerken oder Kraft-Wärmewerken zur Herabsetzung der NOx-Emission gut bewährt. Sie können jedoch nur bei Rauchtemperaturen innerhalb eines gewissen Intervalls, typisch zwischen etwa 3200C und etwa 4000C, einwandfrei funktionieren. Dies kann ein Problem verursachen, wenn der Dampferzeuger bei Teillast, bei dem die Rauchtemperatur niedriger ist als bei Volllast, gefahren wird.
• Man kann nämlich nicht die bei Teillast auftretende Temperatursenkung durch eine generelle Temperaturerhöhung an der betreffende Stelle kompensieren, weil dann bei Vollast die Temperatur, sowohl für den Katalysator als auch für einen normalerweise danach folgenden Luftvorwärmer zu hoch sein würde.
• Bei einem aus der DE-C1-33 44 712 bekannten Dampferzeuger nach dem Gattungsbegriff ist eine Lösung des Problems in der Weise versucht worden, dass ein Teil der gesamten Speisewassermenge über die Bypass-Leitung direkt aus einer Speisewasserpumpe in die Verdampferrohre des Dampferzeugers, d.h. unter Umgehung des Economisers, gefördert wird. Die Herabsetzung der bei Teillast durch den Economiser strömenden Wassermenge vermin- dert die Wärmeaufnahme aus den Rauchgasen und bewirkt dadurch eine höhere Rauchgastemperatur im Bereich der Katalysatoreinheit. Nach ~den vorligenden Informationen hat die in der Patentschrift vorgeschlagene Anordnung sich in der Praxis nicht bewährt.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative und in konstruktiver Hinsicht einfachere Lösung des Problems, wie man bei allen Lastzuständen eine passend hohe Rauchgastemperatur hinter dem Economiser aufrechterhalten kann, anzugeben. Ein Dampferzeuger nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einlass- und der Auslassleitung des Economisers eine zweite Bypass-Leitung vorgesehen ist, und dass diese zusätzliche Bypass-Leitung eine Umwälzpumpe enthält, deren Saugseite und Druckseite an die Auslassleitung bzw. die Einlassleitung näher am Economiser angeschlossen sind als die erstgenannte Bypass-Leitung.
• Im Gegensatz zu dem aus der DE Patentschrift bekannten Dampferzeuger, bei dem die erforderliche Reduktion der im Economiser von den Rauchgasen abgegebenen Wärmemenge durch eine lastabhängige Reduktion der pro Zeiteinheit durch den Economiser strömenden Wassermenge erreicht wird, ist es mit der Erfindung möglich geworden einen konstanten oder im grossen und ganzen konstanten Wasserdurchfluss im gesamten aktuellen Lastbereicht aufrechtzuerhalten. Wenn die Pumpe im Gang ist, erfolgt durch die zweite bzw. zusätzliche Bypass-Leitung eine Strömung von Wasser, das bereits im Economiser aufgeheizt wurde, zurück zum Economiser und dadurch wird die Wassertemperatur beim Einströmen in die Economiserheizflächen höher als die Speisewassertemperatur in der Einlassleitung. Die verminderte Temperaturdifferenz zwischen dem Rauch und dem Wasser bewirkt eine geringere Kühlung des Rauchs und damit die gewünschte Erhöhung der Arbeitstemperatur der Katalysatoreinheit.
• Wenn der Economiser auch bei niederiger Last mit hohem Wasserdurchsatz betrieben wird, vermeidet man das Risiko einer Dampfbildung im Economiser. Dieses beim bekannten Dampferzeuger auftretende Risiko zwingt dazu, in die Auslassleitung des Economisers einen Dampfseparator einzubauen, um den anfallenden Dampf unter Umgehung der Siederohre des Dampferzeugers direkt in einen Überhitzer zu leiten. In der Leitung vom Dampfseparator zum Überhitzer ist es dann erforderlich, ein gesteuertes Ventil einzubauen um vorzubeugen dass Speisewasser durch die Leitung in den Überhitzer gelangt. Es ist ersichtlich, dass die bekannte Lösung komplizierter ist als die Anordnung nach der Erfindung.
• Wenn das Absperrventil in der ersten Bypass-Leitung - wie an sich bekannt - ein modulierendes Ventil ist, kann die Pumpe in der zweiten Bypass-Leitung mit einer über den ganzen Lastbereich, in welchem das Ventil offen und die Pumpe im Gang ist, konstanten oder im wesentlichen konstanten Fördermenge gefahren werden. Die Anpassung des Verhältnisses zwischen dem unter Umgehung des Economisers durch das Ventil strömenden Teilstrom vom "kalten" Speisewasser und dem Teilstrom, der nach Mischung mit dem "vorgewärmten" Umlaufstrom in den Economiser hineinströmt, erfolgt dann ausschliesslich durch Einstellung des vom Rauchgastemperatur hinter dem Economiser, direkte oder indirekt, gesteuerten Öffnungsgrads bzw. Durchflussquerschnitts des Ventils. Insbesondere bei Verwendung einer Kreiselpumpe als Umwälzpumpe kann die Steuerung der Pumpe dann so einfach wie nur möglich ausgelegt werden, denn die Pumpe soll bloss gestartet bzw. abgestellt werden, wenn die Rauchgastemperatur einen vorbestimmten Wert unterschreitet bzw.
• überschreitet.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt ganz schematisch und sehr vereinfacht einen als Zwangsdurchlaufkessel konstruierten Dampferzeuger nach der Erfindung, Fig. 2 zeigt entsprechend und ganz schematisch den Economiser mit zugeordneten Bypass-Leitungen, Fig. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Relation zwischen Rauchtemperatur und Kessellast in einer konkreten Ausbildung der Anordnung nach Fig. 2, Fig. 4 ist ein Schema entsprechend Fig. 2 mit eingefügten Betriebsdaten bei etwa 70% Last, und Fig. 5 ist ein entsprechendes Schema mit Daten entsprechend etwa 40% Last.
• Ein in Fig. 1 schematisch gezeigter Benson-Kessel 1 weist einen lotrechten Strahlungsfeuerraum 2 auf, dessen Wände mit Verdampfer- oder Siederohren ausgekleidet sind. Der in den, in Fig. 1 nur durch eine einzelne schraubengewickelte Rohrschlange angedeuteten, Verdampferrohren 3 entwickelte und normalerweise auch überhitzte Dampf wird durch eine Vorlaufleitung 4 aus dem Kessel an einen nicht gezeigten Verbraucher, beispielsweise eine Turbine, geliefert. Nachdem das Arbeitsmedium Energie abgegeben hat und kondensiert worden ist, strömt es als Wasser durch eine Rücklaufleitung 5 zurück in einen Economiser 6, in dem das Speisewasser durch Aufnahme von Wärmeenergie aus den durch einen nach dem Feuerraum 2 folgenden Konvektionszug 7, in dem der Economiser eingebaut ist, strömenden Rauchgasen vorgewärmt wird. Aus dem Economiser 6 strömt das Speisewasser durch eine Leitung 8 zu den Verdampferrohren 3. Die Zirkulationsströmung des Arbeitsmediums wird durch eine in der Leitung 5 eingeschaltete Pumpe 9 unterstützt.
• Im Konvektionszug 7 ist nach dem Economiser 6 eine Katalysatoreinheit 10 eingebaut. In der Katalysatoreinheit erfolgt eine Umwandlung von unerwünschten Bestandteilen des Rauchgases, insbesondere eine Reduktion von Stickstoffoxyden, bevor das Rauchgas in die Atmosphäre abgelassen wird. Normalerweise ist im Strömungsweg der Rauchgase nach der Katalysatoreinheit 10 auch ein Luftvorwärmer eingebaut, aber da ein solcher Vorwärmer keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, ist er in der Zeichnung nicht gezeigt.
• In Fig. 2 ist der Economiser 6, dessen innere Aufbau zur Erfindung nicht gehört, rein schematisch gezeigt, wie in Fig. 1, und die Durchströmrichtung der Rauchgase ist mit offenen Pfeilen 11 angedeutet. Die Strömungsrichtungen des Speisewassers in der Leitung 5, die in Bezug auf den Economiser die Einlassleitung bildet, und in der Auslassleitung 8 aus der Economiser in die Verdampferrohre 3 sowie in den beiden gezeigten Bypass-Leitungen 12 und 14 zwischen den Leitungen 5 und 8 sind mit schwarzen Pfeilen angegeben.
• Die erste Bypass-Leitung 12 enthält ein Ventil 13, welches vorzugsweise modulierend ist, d.h. es weist einen stufenlos veränderliches Durchströmquerschnitt auf. Die zweite Bypass-Leitung 14, die zwischen der ersten Bypass-Leitung 12 und dem Economiser an die beiden Leitungen 5 und 8 angeschlossen ist, enthält eine Pumpe 15, vorzugsweise eine Kreiselpumpe, die Wasser aus der Leitung 8 in die Leitung 5 fördert, wenn sie im Gang ist.
• Fig. 3 enthält drei Kurven I, II und III, von denen die Kurve I die Abhängigkeit zwischen der Kessellast (als Abszisse) und der Temperatur der Rauchgase im Gaskanal 7 stromaufwärts vom Economiser 6 (als Ordinate). Die Kurve II zeigt in entsprechender Weise den lastabhängigen Verlauf der Rauchgastemperatur stromabwärts vom Economiser mit der Anordnung nach Fig. 2 ausser Betrieb, d.h. mit geschlossenem Ventil 13 und stillstehender Pumpe 15. Schliesslich zeigt die Kurve III den Verlauf der Rauchgastemperatur hinter dem Econo- miser im Lastbereich zwischen 40% und 70%, wenn die Pumpe 15 im Gang und das Ventil 13 offen ist.
• Unter den konstruktiven og betriebsmässigen Bedingungen, welche die Grundlage der Kurven in Fig. 3 bilden, nimmt die Rauchgastemperatur vor dem Economiser 6 von etwa 4250C bei Volllast bis etwa 3650C bei 40% Last ab. Entsprechend würde die Rauchgastemperatur nach dem Economiser in einer konventionellen Anordnung, d.h.
• ohne die in Fig. 2 gezeigten Leitungen 12 und 14, von gut 3600C bis etwas über 2900C sinken. Im Lastbereich herunter bis etwa 70% wäre dieser Temperaturverlauf annehmbar, denn die Rauchtemperatur beim Eintritt in die Einheit 10 wäre dann immer noch mindestens etwa 3300C.
• Im Lastintervall von 100% bis 70% kann man daher den Kessel in traditioneller Weise fahren, d.h. mit geschlossenem Ventil 13 und stillstehender Pumpe 15.
• Wenn ein an einer passenden Stelle im Konvektionszug 7 angeordneter Temperaturfühler meldet, dass die Rauchtemperatur bis in die Nähe der unteren Grenze für die Funktionstauglichkeit der Einheit 10 gesunken ist, wird anfänglich die Pumpe 15 angelassen, während das Ventil 13 vorläufig geschlossen bleibt. Die Pumpe fördert dadurch einen Teil des aus dem Economiser in die Leitung 8 ausströmenden Wassers zurück zum Economisereinlass, wodurch die Temperatur an dieser Stelle allmählich steigt, und dementsprechend wird im Economiser weniger Wärme aus dem Rauchgas entnommen und die Austritttemperatur des Rauchs steigt. Nach Ablauf eines durch die im übrigen nicht näher beschriebene Steuerung bestimmten Zeitraums beginnt das Ventil 13 zu öffnen, wodurch ein Teil des vom Verbraucher durch die Leitung 5 rückströmenden Speisewassers unter Umgehung des Economisers von der Leitung 12 zur Leitung 8 und von dort weiter zu den Siederohren des Dampferzeugers strömt.
• Die Steuerung kann derart ausgelegt sein, dass der von der Pumpe 15 umgewälzte Mengenstrom konstant oder fast konstant ist, unabhängig vom prozentuellen Last, und einen relativ hohen Anteil des totalen Mengenstroms durch den Economiser 6 ausmacht. Im Gegensatz hierzu variert der Mengenstrom durch die Bypass-Leitung 12 stark mit dem Kessellast. In einem konkreten, in Fig. 4 und 5 veranschaulichten Beispiel mit bezug auf die Kurven in Fig. 3 änderte sich der Mengenstrom in den Leitungen 5 und 8 zwischen etwa 215 kg/s bei 70% Last und etwa 120 kg/s bei 40% Last. In beiden Lastzuständen war die Fördermenge der Pumpe 15 gleich 150 kg/s und der Mengenstrom durch den Economiser war etwa 165 kg/s. Entsprechend hierzu strömte pro Sekunde etwa 200 kg durch das Ventil 13 bei 70% und etwa 105 kg bei 40% Last. Wie ersichtlich aus der Kurve III in Fig. 3 und den Zahlenwerten in Fig. 4 und 5 erzielte man hierdurch zwischen dem Economiser und der Katalysatoreinheit eine Rauchtemperatur von etwa 3700C bei 70% Last (vgl. mit nur etwa 3300C in einem traditionellen System) und knapp 3300C bei 40% Last, also immer noch in angemessenem Abstand von der unteren Grenze für den Funktionsbereich des Katalysators.

Claims (5)

1. Dampferzeuger mit katalytischer Rauchgasbehandlung und Verfahren beim Betrieb des Dampferzeugers.

   PATENTANS PRUECHE i Dampferzeuger mit einer in einem aus dem Feuerraum (2) des Dampferzeugers führenden Rauchkanal (7) stromabwärts von einem Economiser (6) eingebauten Vorrichtung (10) zur katalytischen Umwandlung von Schadstoffen, insbesondere Stickstoffoxyden, im Rauchgas, und mit einer durch ein Ventil (13) absperrbaren Bypass-Leitung (12) welche die Einlassleitung(5) und die Auslassleitung (8) des Economisers (6) verbindet, gekennzeichnet durch eine zwischen der Einlass- und der Auslassleitung (5, 8) des Economisers (6) vorgesehene, zweite Bypass-Leitung (14) mit einer Umwälzpumpe (15), deren Saugseite und Druckseite an die Auslassleitung (8) bzw. die Einlassleitung (5) näher am Economiser (6) angeschlossen sind als die erstgenannte Bypass-Leitung (12).
2. 2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (13) ein modulierendes Ventil ist.
3. 3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (15) eine Kreiselpumpe ist.
4. 4. Verfahren beim Betrieb eines Dampferzeugers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (15) gestartet und das Absperrventil (13) geöffnet wird, wenn die Rauchgastemperatur am Austritt aus dem Economiser (6) unter einen vorbestimmten Wert sinkt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die wpifP Rwrh zeitung (14) rückströmende Wassermenge in dem Lastbereich, wo die Umwälzpumpe (15) im Gang ist, konstant oder im wesentlichen konstant gehalten wird.