DE3875138T2

DE3875138T2 - Kohlebefeuerte gasturbine.

Info

Publication number: DE3875138T2
Application number: DE8888102743T
Authority: DE
Inventors: Takao C O Mitsubishi Ishihara
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2008-02-25
Also published as: EP0281852B1; JPS63223333A; US4909030A; DE3875138D1; EP0281852A3; EP0281852A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kohlebefeuerte Gasturbine mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1; die Erfindung wird auf technischem Gebiet eingesetzt, um die Verwendung festen Brennstoffs, wie Kohle, insbesondere feinpulverisierte Kohle (Kohlenstaub), zu ermöglichen.

Beschreibung des Stands der Technik:

Bisher verwendet eine Gasturbine sauberen Brennstoff, wie LNG, Gasöl und dgl., während fester Brennstoff, wie Kohle und dgl., in einer Gasturbine nicht verwendet werden konnte, weil er einen hohen Aschegehaltanteil aufweist.
Wenn im Stand der Technik Kohle als Treib- oder Brennstoff für eine Gasturbine verwendet werden soll, ist (für diesen Zweck) das sog. Kohlevergasungs-Kombinationskraftwerk, in welchem Kohle in einem Vergasungsofen vergast und der so erzeugte gasförmige Brennstoff einer Gasturbine eingespeist wird, bekannt; bei dieser Methode wurde das System bzw. die Anlage jedoch komplex und sehr kostenaufwendig, und die Techniken der Staubabscheidung bei hoher Temperatur, der Entschwefelung und der Entstickung befanden sich sämtlich noch in der Entwicklungsphase, weshalb diese Methode noch nicht verbreitet in der Praxis angewandt worden ist. Das größte Hindernis für einen Dauerbetrieb einer Gasturbine bestand dabei in dem Problem einer Verschmutzung und Blockierung durch einen Aschegehalt der Kohle.
Bezüglich der Entschwefelung und Entstickung ist die Technik zur Ermöglichung der Verarbeitung auch in einem Niedertemperaturzustand nach dem Entlassen aus einer Gasturbine verbreitet in der Praxis angewandt worden.
Die US-A-2 770 947 beschreibt eine kohlebefeuerte Gasturbine mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Gemäß diesem Stand der Technik sind der Verdichter, der Verschlackungs(ver)brenner, der Staubabscheider, die Gasturbine usw. jeweils als unabhängige oder getrennte Baueinheiten ausgelegt und über Rohre (Rohrleitungen) und Schächte miteinander verbunden. Dies führt zu einer viel Raum einnehmenden Gesamtanordnung der Baueinheiten.
Außerdem verwendet diese herkömmliche Gasturbine einen Staubabscheider des Schlag- oder Prallabscheidertyps. Der Staubabscheider dieses Typs ist jedoch in seiner Staubabscheidefähigkeit oder -leistung beschränkt und normalerweise nicht in der Lage, den im Verbrennungsgas enthaltenen Staub in dem Ausmaß zu beseitigen, daß das Gas der Gasturbine eingespeist werden könnte, weil die darin (im Gas) enthaltenen Teilchen so klein sind, daß eine ausreichende Beseitigungsleistung nicht sichergestellt werden kann.

ABRISS DER ERFINDUNG:

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte kohlebefeuerte Gasturbine zu schaffen, die einen erhöhten Arbeitswirkungsgrad aufweist und deren Herstellungskosten erheblich gesenkt sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt der beschriebene Gegehstand ferner die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil von Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Kohlebrennstoff, wie pulverisierte Kohle (Kohlenstaub), CWM usw., unmittelbar einer Schwerlast-Verbrennung in einem Verschlackungsbrenner (kohlebefeuerten Ofen) unterworfen, wobei 80 - 90% eines Aschegehalts der Kohle in einen geschmolzenen Zustand überführt werden, während weiterhin 10 - 20% des Aschegehalts, die in einem Dunstzustand im Verbrennungsgas enthalten sind, durch einen Rotations-Dunstabscheider, ein Keramikfilter o.dgl. entfernt werden, bevor das Verbrennungsgas in die Gasturbine eintritt, wodurch ein Dauerbetrieb der Gasturbine ermöglicht wird.
Im wesentlichen werden bei einer kohlebefeuerten Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung 80 - 90% eines Aschegehalts der Kohle über eine Schlackeöffnung in einem geschmolzenen Zustand oder Schmelzzustand im Verschlackungsbrenner entfernt, während die restlichen 10 - 20% des in einem Verbrennungsgas vorhandenen Aschegehalts durch den Dunstabscheider entfernt werden, worauf das Verbrennungsgas in den Gasturbinenabschnitt eingeführt wird.
Da zudem zwischen dem Gasturbinenabschnitt und dem Luftverdichter eine Trennwand vorgesehen ist, kann ein aus dem Gasturbinenabschnitt entlassenes Abgas nicht in den Luftverdichter eintreten.
Die kohlebefeuerte Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
a) Da pulverisierte Kohle (Staubkohle bzw. Kohlenstaub), CWM und dgl. als Brennstoff benutzt werden kann, kann eine Gasturbinen-Kombinationsanlage konstruiert werden; im
Gegensatz dazu, daß beim Stand der Technik der Wirkungsgrad 35 - 36% (HHV-(Hochwärmewert-)Referenz) betrug, ist bzw. wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad auf etwa 43% erhöht, so daß demzufolge eine hochwirksame kohlebefeuerte Anlage realisiert werden kann.
b) Durch einheitliche (zusammengefaßte) Ausbildung eines kohlebefeuerten Ofens, der als Verschlackungs(ver)brenner zum Verbrennen von pulverisierter Kohle dient, gemeinsam mit einer Gasturbine kann eine große Kostensenkung für ein kohlebefeuertes Kombinationssystem realisiert werden.
Die genannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht zur Darstellung des Aufbaus einer brennstoffbefeuerten Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3a eine Vorderansicht eines radialen Flügels in einem Dunstabscheider und
Fig. 3b einen Schnitt längs der Linie IIIb-IIIb in Fig. 3a.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM:

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 1, 2, 3a und 3b im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 1, die den allgemeinen Aufbau einer kohlebefeuerten Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wird Verbrennungsluft über eine Luftansaugöffnung 8 eingeführt und durch einen Luftverdichter 9 zum Verdichten auf einen Druck von bis zu 10 - 15 ata geführt, worauf die verdichtete Luft aus einer Druckluftlieferöffnung 10 über ein(e) Hochdruckluft-Speiserohr(leitung) 22 strömt, wobei einige Teile der verdichteten Luft einem Verschlackungs(ver)brenner 1 und einem Auslaß eines Dunstabscheiders über eine verwirbelnde Sekundärlufteinlaßöffnung 13, eine Sekundärlufteinlaßöffnung 14 bzw. eine Tertiärlufteinlaßöffnung 15 zugeführt werden. Die restliche Luft transportiert pulverisierte Kohle bzw. Staubkohle, die über ein Staubkohlesilo 16 und einen Staubkohlezuspeiser 21 zugespeist wird, und wird über einen Staubkohle(ver)brenner 12 einem (dem) Verschlackungsbrenner 1 zugeführt. Obgleich der dargestellte Verschlackungsbrenner von einem Horizontaltyp ist, kann der Verschlackungsbrenner 1 auch als Vertikaltyp ausgebildet sein; im Fall des Vertikaltyps wird eine Auskleidungsstruktur aus Feuerfestmaterial aufbaumäßig einfach. Pulverisierte Kohle bzw. Staubkohle oder Kohlenstaub wird mittels Primärluft in den Brenner transportiert, und die in den Brenner eingeführte Staubkohle verbrennt heftig, wenn sie durch die wirbelnde Sekundärluft verwirbelt wird, die mit hoher Geschwindigkeit von etwa 90 - 100 m/s in Tangentialrichtung des Brenner-Innenzylinders in den Brenner eingeblasen wird, so daß eine Verbrennungsatmosphärentemperatur einen Wert von 1500 - 1600ºC oder mehr erreicht und der Aschegehalt oder -anteil (SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, MgO, CaO, Fe&sub2;O&sub3; usw.) in der Staubkohle in einen Schmelzzustand übergeht und längs einer Wandfläche des Brenners fließt und zu 80 - 90% über eine Schlackeabziehöffnung in ein Schmelzschlackereservoir 17 ausgetragen wird. Der restliche Ascheanteil von 10 - 20% strömt in einem Gaszustand oder Dunstzustand zusammen mit einem Verbrennungsgas aus dem Verschlackungsbrenner 1 heraus; nachdem er sodann wiederverbrannt oder mit Sekundärluft, die über eine Sekundärlufteinführöffnung 14 eingeleitet wird, vermischt worden ist, wird er durch Regelung auf einer angemessenen Temperatur von 1100ºC oder darunter (d.h. auf einer Temperatur von etwa 1100ºC oder darunter, wenn der gesamte Aschegehalt oder -anteil in einen Dunstzustand oder eine Flugasche überführt worden ist) gehalten; während der Periode, während welcher der Ascheanteil zusammen mit dem Verbrennungsgas Dunst/Flugasche-Abscheiderflügel durchströmt, lagert er sich in einem Dunstzustand an den Flügeln ab, passiert sodann in den rotierende Flügel eingestochene Schmelzdunst- Einführrillen 23 (Fig. 3b), um dadurch unter einer Zentrifugal- oder Fliehkraft allmählich zur Außenseite geführt zu werden, und wird schließlich zu einem Dunstschlacke-Austragtrichter 18 ausgetragen.
Der Dunst/Flugascheabscheider 3 besteht aus einer Flügelgruppe aus einer großen Zahl von Flügeln, die radial an einem Rotor 11 angebracht sind, der durch einen Abscheider-Antriebsmotor 4 in Drehung versetzt wird, so daß im Verbrennungsgas enthaltene(r) Aschedunst, Flugasche usw. auf diese Flügel aufprallen und daran anhaften, um mittels des oben beschriebenen Prozesses nahezu perfekt beseitigt zu werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Dunst/Flugascheabscheider aus mehrfach übereinander angeordneten porösen Keramikscheiben, deren Drehzahl etwa 100/min beträgt, geformt sein kann. Am wichtigsten für diesen Prozeß ist, die Verbrennungsgastemperatur auf einer angemessenen Größe von 1100ºC oder darunter zu halten und so zu regeln, daß Aschedunst und Flugasche stets mit einer konstanten Geschwindigkeit unter Zentrifugal- oder Fliehkraftwirkung längs der Flügel zur Außenseite fließen oder strömen; wenn dies nicht einwandfrei erreicht werden kann, werden die Flügel blockiert bzw. zugesetzt, und ein Dauerbetrieb wird unmöglich. Das die Dunst/Flugasche- Abscheiderflügel 3 passierende Verbrennungsgas vermischt sich (dann) mit der über die Tertiärlufteinführöffnung 15 zugeführten Luft und erfährt eine weitere Senkung seiner Temperatur, so daß es den Abscheider-Antriebsmotor 4 und das Gasturbinenlager 5 nicht übermäßig erwärmt, wobei es mit einer vorbestimmten Temperatur in den Gasturbinen- Hauptkörper 6 eingeführt und zu einer Verbrennungsabgasöffnung 7 weitergeleitet wird. Durch eine zwischen der Verbrennungsabgasöffnung des Gasturbinenabschnitts und dem Luftverdichter 9 angeordnete Trennwand 19 wird weiterhin das Verbrennungsabgas vom Gasturbinenabschnitt an einem Eintritt in den Luftverdichter 9 gehindert. Darüber hinaus sind gemäß Fig. 1 der Verschlackungsbrenner 1, der Dunst/Flugascheabscheider 3, der Gasturbinenabschnitt und der Luftverdichter 9 einheitlich konstruiert bzw. zu einer Einheit zusammengefaßt, so daß eine große Kostensenkung für das Gesamtsystem realisierbar ist.

Claims

1. Kohlebefeuerte Gasturbine, umfassend:

einen kohlebefeuerten Ofen, einen Dunstabscheiderabschnitt (3), einen Gasturbinenabschnitt (6) und einen Luftverdichterabschnitt (9) mit einem Auslaß (10), die in der angegebenen Reihenfolge aufeinanderfolgend in der kohlebefeuerten Gasturbine angeordnet sind,

wobei der kohlebefeuerte Ofen ein Verschlackungsbrenner (1) zum Erzeugen einer für das Spalten von Kohle geeigneten thermischen Beschickung ist und der Verschlackungsbrenner (1) einen Einlaß und eine sich am Einlaß und zum Auslaß des Luftverdichterabschnitts (9) öffnende Lufteinführöffnung (13) aufweist,

eine mit dem Verschlackungsbrenner (1) verbundene Schmelzschlacke-Abführeinrichtung (17) zum Abführen von Schlacke aus dem Brenner (1),

wobei der Dunstabscheiderabschnitt (3) einen sich zum Verbrennungsofen öffnenden Einlaß aufweist,

eine sich am Einlaß des Dunstabscheiderabschnitts (3) öffnende Lufteinführöffnung (14), um in den Einlaß Luft einzuführen, welche vom Verschlackungsbrenner (1) zum Dunstabscheiderabschnitt (3) strömendes Verbrennungsgas auf einer vorbestimmten Temperatur hält,

wobei der Luftverdichterabschnitt (9) einen sich zur Lufteinführöffnung (13) öffnenden Auslaß (10) aufweist, einen im Luftverdichterabschnitt (9) angeordneten Luftverdichter (9) zum Verdichten der zum Auslaß des Luftverdichterabschnitts (9) strömenden Luft,

eine sich zwischen dem Hauptkörper der Turbine und dem Luftverdichter (9) erstreckende und damit verbundene gemeinsame Welle (24) sowie

eine zwischen dem Gasturbinenabschnitt (6) und dem Luftverdichterabschnitt (9) angeordnete Trennwand (19) zur Verhinderung eines Kommunizierens des den Hauptkörper der Gasturbine antreibenden Verbrennungsgases mit der durch den Luftverdichter (9) verdichteten Luft,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Dunstabscheiderabschnitt (3) umfaßt:

einen Rotor (11) mit einer Vielzahl von Abscheiderflügeln (3), die im Abscheiderabschnitt (3) radial vom Rotor abstehen und drehbar sind, um Asche von dem die Asche enthaltenden Dunst und aus dem Verschlackungsbrenner (1) in den Dunstabscheiderabschnitt (3) eingeführten Verbrennungsgas zu beseitigen,

eine wirkungsmäßig mit dem Rotor (11) verbundene Antriebseinheit (4) zum Drehen des Rotors (11),

einen im Gasturbinenabschnitt (6) angeordneten Hauptkörper einer Gasturbine, wobei der Gasturbinenabschnitt (6) einen Einlaß und eine Lufteinführöffnung (15) aufweist, die sich zum Einlaß des Gasturbinenabschnitts (6) und zum Auslaß des Luftverdichterabschnitts (9) öffnet.

2. Kohlebefeuerte Gasturbine nach Anspruch 1, bei welcher jeder Abscheiderflügel (3) eine Nut oder Rille (23) aufweist, die an ihm längs einer Richtung verläuft, welche in bezug auf den Rotor (11) radial liegt.

3. Kohlebefeuerte Gasturbine nach Anspruch 1, bei welcher der Dunstabscheider (3) aus rotierenden, porösen Keramikscheiben, die in einer Vielzahl übereinanderliegend angeordnet sind, geformt ist.

4. Kohlebefeuerte Gasturbine nach Anspruch 1, bei welcher der Einlaß des Dunstabscheiderabschnitts (3) materialeinheitlich mit dem kohlebefeuerten Ofen ausgebildet ist und unmittelbar von diesem abgeht, der Gasturbinenabschnitt (6) einen mit dem Dunstabscheiderabschnitt (3) materialeinheitlich ausgebildeten und unmittelbar von diesem abgehenden Einlaß aufweist, ein Verbrennungsgas-Einführabschnitt materialeinheitlich mit dem Dunstabscheiderabschnitt (3) und dem Gasturbinenabschnitt (6) ausgebildet ist und unmittelbar zwischen diesen verläuft und der Luftverdichterabschnitt (9) materialeinheitlich mit dem Gasturbinenabschnitt (6) ausgebildet ist und unmittelbar von diesem abgeht.