DE4227984A1 - Kessel vom vollbefeuerten abgas-abhitze-typ und verfahren zur abgaswaermerueckgewinnung unter verwendung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgas-Abhitzekessel mit einem ein­ fachen Aufbau und geringer Größe, der sich durch ein geringes Bauvolumen auszeichnet und einen erweiterten Bereich eines Wärme-zu-Elektrizitäts-Verhältnisses besitzt, welches einen großen Bereich von Anwendungsmöglichkeiten bietet, indem es drei Funktionen zur Verfügung stellt, nämlich eine Wärmerück­ gewinnung, eine Vollbefeuerung von Abgas und eine neue Art der Verbrennung gleichzeitig oder unabhängig mit einem wärme­ absorbierenden Wasserrohrkessel mit integrierter Brennkammer (nachfolgend als Rohrbündelbrennkammer bezeichnet). Diese Einrichtung wird auf eine Abwärmerückgewinnungsausrüstung wie etwa ein System zur gleichzeitigen Erzeugung zweier Energie­ arten (kombinierte Wärme- und Stromerzeugung) oder ein kombiniertes Kreislaufsystem (kombinierte Stromerzeugung) eingesetzt. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Abwärme­ rückgewinnung unter Einsatz des vorerwähnten Kessels.

Bislang wurde bei dem System zur gleichzeitigen Erzeugung nutz­ barer Energiearten oder einem kombinierten Kreislaufsystem unter Verwendung einer Wärmekraftmaschine stets der Einsatz eines Ab­ wärmerückgewinnungskessels erforderlich, um die Abwärme hieraus zurückzugewinnen. Es gab dabei zwei verschiedene Arten, um den Kessel in dem System zu installieren.

Die erste Art ist diejenige, daß lediglich ein Abwärmerückge­ winnungskessel installiert wird, um eine möglichst große Wärme­ rückgewinnung von dem Abgas des Motors oder der Gasturbine im vorderen Teil zurückzugewinnen.

Bei dieser ersten Art ist die rückzugewinnende Abwärmemenge oder die Dampferzeugung begrenzt relativ zur Menge des zu erzeugenden (oder abzugebenden) elektrischen Stromes aufgrund des sogenannten Pinch-Punkt-Konzeptes, das nämlich Abgastemperatur nicht unter die Sättigungstemperatur des Kessels abgesenkt werden kann. Dementsprechend ist das Verhältnis der erzeugten Wärmemenge zum elektrischen Strom, d. h. das sogenannte Wärme-zu-Elektrizitäts- Verhältnis fixiert.

Aufgrund dieser Tatsache ergab sich ein Problem, daß der Einsatz dieses Systems eingeschränkt ist in Abhängigkeit von der Art der Abnehmer oder Verwender, wobei zu unterscheiden ist zwischen Hotels oder Erdölraffinerien u. a., bei welchen das Wärme-zu- Elektrizitäts-Verhältnis hoch ist und Büros oder Zementindustrien u. a., bei welchen dieses niedrig ist. Um somit den Einsatz- oder Anwendungsbereich zu erhöhen, ergab sich das Bedürfnis, daß das Wärme-zu-Elektrizitäts-Verhältnis in seinem Bereich auszudehnen ist bei der gleichzeitigen Erzeugung zweier nutzbarer Energie­ arten oder kombinierten Kreislaufsystemen.

Andererseits wird bei der zweiten Art der Wärmeteil des Wärme- zu-Elektrizitäts-Verhältnisses willkürlich geändert durch ein erneutes Aufladen und eine Kraftstoffverbrennung im vorderen Teil des Abwärmekessels bei der zuvor erwähnten ersten Art. Diese Art wird erfolgreich in der Praxis eingesetzt.

Bei der Verbesserung des Wärme-zu-Elektrizitäts-Verhältnisses bei dem System zur gleichzeitigen Erzeugung zweier nutzbarer Energiearten oder bei dem kombinierten Kreislaufsystem wie zuvor beschrieben beschränkt sich dessen elektrischer Bereich in starkem Maße darauf, den Wirkungsgrad eines Motors oder eines Stromgenerators zu verbessern. Wenn dieser Teil ansteigt, nimmt der Wärmeteil relativ hierzu ab und bewirkt, daß das Wärme-zu- Elektrizitäts-Verhältnis abnimmt bis auf einen begrenzten konstanten Wert.

Um diese Problematik zu lösen wurde in Betracht gezogen, den Wärmeteil zu erhöhen. Bei einem Verfahren, welches man häufig für diesen Zweck einsetzt, ist ein Rohrbrenner (CD) entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Ablaufplan im vorderen Teil des vorerwähnten Wärmerückgewinnungskessels installiert und die er­ forderliche Menge an Brennstoff wird in den Rohrbrenner CD ein­ geführt und dann durch das Abgas verbrannt.

Hierbei enthält das Abgas von einer normalen Gasturbine etwa 15 bis 16% Sauerstoff. Durch Beschickung der erforderlichen Brennstoffmenge in den Rohrbrenner CD kann der Wärmeanteil um das 1- bis 5fache desjenigen erhöht werden, das durch die Abgas­ wärmerückgewinnung allein zu erhalten wäre.

Tatsächlich muß jedoch der Rohrbrenner dieses Typs zwischen dem Ausgang eines Motors, d. h. einer Gasturbine (GT) und dem Ab­ wärmekessel (B) am rückwärtigen Teil installiert werden.

Dieser Brenner ist typischerweise groß und da der prozentuale Sauerstoffgehalt im Abgas niedriger ist als in der normalen Luft, erstreckt sich die Flamme über eine längere Strecke. Nach einer herkömmlichen Regulierung besteht jedoch das Erfor­ dernis, daß diese Flamme nicht die Wärmeübergangsfläche des Abwärmekessels (B) erreichen sollte. Dementsprechend war ein erheblich größerer Raum erforderlich durch die Hinzufügung des Rohrbrenners (CD).

Unter den anderen Erfordernissen, um den Bereich des Wärme-zu- Elektrizitäts-Verhältnisses zu erhöhen, ist häufig die Erzeugung von Dampf erforderlich, auch wenn kein Strombedarf besteht. Tatsächlich liegt eine zwingende Charakteristik des Abwärme­ kessels dieser Art darin, daß drei unterschiedliche Arten von Funktionen erforderlich sind einschließlich der Dampferzeugung nur durch normalen Brennstoff wie auch der Abwärmeerzeugung und der Vollbefeuerung des Abgases.

Mit den herkömmlichen Abwärmekesseln dieser Art war es jedoch unmöglich, die vorgenannten Erfordernisse zu erfüllen.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich wesentlich zu erweitern durch die Erfüllung der vorerwähnten drei Funktionen. Dies wird möglich, indem man in den Abwärmekessel gemäß der Erfindung die Grundtechnik eines Kessels einführt mit einer Brennkammer, in welche ein wärme­ absorbierender Wasserrohrkessel integriert ist wie auch eine bemerkenswerte Miniaturisierung des Kessels selbst verglichen mit herkömmlichen. Verwiesen wird diesbezüglich auf die Merkmale der Ansprüche.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merk­ male ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Kessel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer herkömmlichen Gasturbine innerhalb eines Systems zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer nutzbarer Energiearten,

Fig. 3 einen in die Einrichtung gemäß Fig. 2 eingesetzten Kessel und

Fig. 4 einen Abgaskessel mit herkömmlicher Abgaswärmerückge­ winnung und Vollbefeuerung sowie Verbrennung neuerer Art.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abwärmerück­ gewinnung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß bei dem Ab­ gaswärmerückgewinnungsverfahren in einem System zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Energiearten oder einem kombinierten Kreislauf­ system, bei welchem Wärme in Form von Dampf und Strom erzeugt werden, die Wärmerückgewinnung und die Vollbefeuerung des Abgases sowie eine neue Art von Verbrennung gleichzeitig oder unabhängig voneinander ermöglicht werden durch die Installation einer Brenn­ kammer mit integriertem wärmeabsorbierendem Wasserrohrkessel. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Abwärmekessel, der für dieses Abwärmerückgewinnungsverfahren eingesetzt wird.

Bei dem Kessel von vollbefeuertem Abgastyp, der die vorerwähnten drei Funktionen erfüllt, ist ein Rohrbrenner erforderlich als sogenannte Brennkammer zum Verbrennen des Brennstoffes neben dem Kessel B (entsprechend der Darstellung in Fig. 2). Dement­ sprechend war ein Raum mit der Bezeichnung Brennkammer stets er­ forderlich, um die vorerwähnten drei Funktionen zu erfüllen. Es wurde jedoch möglich, die vorerwähnten drei Funktionen mit einem Kessel einfachen Aufbaues zu erfüllen, wobei die Verbrennung er­ möglicht wird, während die Notwendigkeit umgangen wird, einen üblichen Raum mit der Bezeichnung Brennkammer zu umgehen, indem man gemäß der Erfindung eine Technik einsetzt unter Installation einer Brennkammer mit integriertem wärmeabsorbierenden Wasser­ rohrkessel entsprechend der Offenbarung in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 2-27 220 und 2-1 78 502, die auf einen der vorliegenden Anmelder zurückgeht. Als Folge wurde es möglich, die Größe des Kessels selbst auf 1/3 bis 1/5 zu reduzieren verglichen mit herkömmlichen Kesseln.

Gemäß der Erfindung wird als Brennkammer für einen Kessel kein so großer Raum, wie üblicherweise eingesetzt wird, vorgesehen, jedoch eine Brennkammer mit integriertem wärmeabsorbierendem Wasserrohrkessel, in welchem der Brennstoff verbrannt wird, mit einer Gruppe von Wasserrohren, die in einer herkömmlichen Brennkammer angeordnet sind bzw. einer sogenannten Rohrbündel­ brennkammer, wodurch nicht nur der Kessel selbst merklich minituarisiert wird, verglichen mit herkömmlichen Boilern vom vollbefeuerten Abgastyp, sondern die Verbrennung des Kessels wird auch auf einer gleichförmig konstanten Temperatur gehalten aufgrund der Wärmefreigabe oder -Absorption durch die Wasserrohre. Dementsprechend wird es möglich, die Verbrennung durchzuführen, während man die Erzeugung von NO_x merklich reduziert und die Bildung von CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) sowie Wärmeabsorption unterdrückt. Somit kann gemäß der Erfin­ dung das Gesamt-Wärme-zu-Elektrizitäts-Verhältnis wesentlich verbessert werden, während man die vorerwähnten drei Funktionen der Wärmerückgewinnung, der Vollbefeuerung des Abgases und eine Verbrennung neuen Typs durchzuführen erfüllt.

(Beispiel)

Nachfolgend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen näher beschrieben werden:

Die Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines herkömmlichen Gasturbinen­ systems mit gleichzeitiger Erzeugung zweier nutzbarer Energie­ arten unter Darstellung eines Kompressors CP, eine Combustors CB, einer Gasturbine GT, einem Rohrbrenner CD, einem Rohr D, einem Kessel B sowie eines Denitrators D NO_x. Bei dem Kessel B der in Fig. 2 wiedergegeben ist, handelt es sich beispiels­ weise um einen Wasserrohrtyp-Abhitzekessel B, wie er in Fig. 3 wiedergegeben ist, und der als einfacher Abhitzkessel eingesetzt wird.

In Fig. 3 identifiziert die Bezugsziffer 1 wassergekühlte Wandrohre und die Bezugsziffer 2 Wasserrohre.

Das herkömmliche Gasturbinensystem zur gleichzeitigen Erzeugung zweier nutzbarer Energiearten gemäß Fig. 2 ist so ausgelegt, daß der Brennstoff, der am Rohrbrenner CD zugeführt wird, voll­ ständig ausgebrannt wird innerhalb des Rohres D. Dementsprechend kann der Abwärmekessel B einen herkömmlichen einfachen Kesselauf­ bau besitzen. Wenn jedoch Dampf zu erzeugen ist durch die Zufüh­ rung von Brennstoff, auch wenn kein Abgas existiert, müssen zur Verbesserung des Wärme-zu-Elektrizitäts-Verhältnisses beispiels­ weise bei dem herkömmlichen System gemäß Fig. 2 eine neue Brennkammer, Brenner und Brennstoff für die Verbrennung sowie eine Einrichtung zur Zufuhr von Verbrennungsluft getrennt vor­ gesehen sein, da normalerweise der in Fig. 2 wiedergegebene Rohrbrenner nicht mit irgendeiner Einrichtung zur Beschickung von Verbrennungsluft vorgesehen ist. Dementsprechend muß schließ­ lich der Brenner die Ausgestaltung gemäß Fig. 4 besitzen.

In Fig. 4 identifiziert die Bezugsziffer 3 eine Brennkammer und die Bezugsziffer 4 Brenner für die neue Art der Verbrennung. Wenn bei diesem System der herkömmliche Kessel vom vollbefeuerten Abgastyp ersetzt wird durch eine Brennkammer mit integriertem wärmeabsorbierenden Wasserrohrkessel oder die sogenannte Rohr­ bündelbrennkammer gemäß der Erfindung, kann beispielsweise ein Aufbau, wie er in Fig. 1 wiedergegeben ist, eingesetzt werden, wodurch es möglich wird, den Kessel so stark zu vereinfachen und klein auszubilden, daß er nur ein geringes Bauvolumen besitzt.

Ein Vergleich des Kessels gemäß Fig. 1 nach der Erfindung mit dem herkömmlichen Kessel gemäß der Fig. 4 zeigt die enormen Unterschiede, wobei nach dem System gemäß Fig. 1 der Rohr­ brenner CD und der Brenner 4 gemäß Fig. 4 integriert sind, so daß das lange Rohr D und die Brennkammer 3 gemäß Fig. 4 eliminiert werden.

Für den Umbau des Kessels vom vollbefeuerten Abgastyp in den vereinfachen Aufbau gemäß der Erfindung, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, sollte man Bezug nehmen auf die Grundtechniken der vorerwähnten japanischen Patentveröffentlichungen Nr. Hei 2-2 72 207 und 2-1 78 502. Dabei handelt es sich natürlich um eine Modifikation der letzteren.

Der Effekt der Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Durch den Einsatz des Boilers gemäß der Erfindung wird es möglich, die drei Funktionen der Wärmerückgewinnung zu erfüllen mit voller Befeuerung des Abgases und einer neuen Verbrennungsart in dem Abwärmekessel, der bei einem herkömmlichen System mit gleichzeitiger Erzeugung mehrerer nutzbarer Energiearten oder einem kombinierten Kreislaufsystem eingesetzt wird bei verein­ fachten und miniaturisiertem Aufbau, so daß ein kleines Ein­ bauvolumen erforderlich wird. Dementsprechend läßt sich der Einsatzbereich durch den reduzierten Preis einhergehend mit einer großen Ausdehnung des durch die Erfindung erreichten Wärme-zu-Elektrizitäts-Verhältnisses in starkem Maße erweitern von Hotels oder Erdölraffinerien bis zu Büros, Zementfabriken u. a.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angegeben wer­ den, daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine solche beispielshaften Charakters handelt und daß ver­ schiedene Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Abgaswärmerückgewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmerückgewinnung, die volle Befeuerung des Abgases und eine Verbrennung neuer Art gleichzeitig oder unabhängig er­ möglicht durch die Installation einer Brennkammer mit integriertem wärmeabsorbierenden Wasserrohrkessel in ein Abwärmerückgewinnungs­ system, wie einem System gleichzeitiger Erzeugung mehrerer nutz­ barer Energiearten oder einem kombinierten Kreislaufsystem, bei welchem sowohl Strom, als auch Dampfwärme erzeugt werden.

2. Kessel vom vollbefeuerten Abgastyp, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer mit integriertem wärmeabsorbierenden Wasser­ rohrkessel vorgesehen ist unter Integration eines Rohrbrenners (CD) und eines Brenners (4) ohne Rohr (D) und eine Brennkammer (3).