DE4244969A1 - Anordnung zur Nutzung der im Abgas eines kohlegefeuerten Kessels enthaltenden Wärme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nutzung der im Abgas eines Bestandteils eines Kraftwerks bildenden kohlegefeuerten Kessels enthaltenen Wärme für die Vorwär­ mung von Kesselspeisewasser und von Primärluft.

Eine derartige Anordnung zählt durch den Prospekt der GEA Luftkühler GmbH, Dorstener Straße 18-29, 4690 Herne 2 "Kraftwerk: Rauchgaswärme für die Vorheizung von Luft und Kondensat" zum Stand der Technik. Bei dieser Anordnung wird das im geschlossenen Kreislauf strömende Wärmeträ­ germedium der Wärmeverschiebungseinheit über einen von der entsprechend der Umgebungsluft temperierten Primär­ luft beaufschlagten Wärmeaustauscher sowie über einen Wärmeaustauscher geführt, der von einem weiteren, eben­ falls im geschlossenen Kreislauf strömenden Wärmeträger­ medium beaufschlagt wird, das von dem aus der Wärmeüber­ tragungsanlage tretenden Abgas temperiert wird. Dieses weitere Wärmeträgermedium strömt außerdem über einen Wär­ meaustauscher, welcher andererseits von dem Kesselspeise­ wasser beaufschlagt wird.

Obwohl das aus einem mit Braunkohle befeuerten Kessel tretende Abgas eine Temperatur von etwa 290°C hat, steht durch den Wärmeaistausch in der rotierenden Wärmeübertra­ gungsanlage an der Wärmeverschiebungseinheit ein Abgas mit einer Temperatur von nur noch etwa 180°C zur Verfü­ gung. Mithin kann unter Berücksichtigung der Wärmever­ luste einerseits in der Wärmeverschiebungseinheit und an­ dererseits in dem Kreislauf des Wärmeträgermediums zwi­ schen der Wärmeverschiebungseinheit und dem Kesselspeise­ wasser dieses maximal bis auf etwa 160°C temperiert wer­ den. Demzufolge muß im Kessel eine erhebliche Brenn­ stoffmenge verfeuert werden, um das auf etwa 160°C tem­ perierte Kesselspeisewasser weiter zu erhitzen, dann zu verdampfen und den Dampf anschließend einer Turbine zur Umwandlung in elektrische Energie zuzuführen.

Darüber hinaus zählt im Umfang der DE-AS 11 18 389 eine Luftvorwärmer-Speisewasservorwärmer-Anordnung in Dampfer­ zeugungsanlagen zum Stand der Technik, bei der dem Spei­ sewasservorwärmer ein Regenerativluftvorwärmer nachge­ schaltet ist. Der Rotor des Regenerativluftvorwärmers ist durch eine ringzylindrische Trennwand in eine äußere und eine innere Zone unterteilt. Vor dem Speisewasservorwär­ mer zweigt eine absperrbare Rauchgasleitung vom Rauchgas­ abzug ab, durch die der äußeren Rotorzone des Regenera­ tivluftvorwärmers ein Rauchgasteilstrom zugeleitet werden kann. Die Ableitung der Rauchgase aus der äußeren Rotor­ zone erfolgt über eine absperrbare Rauchgasleitung, durch die der Rauchgasteilstrom in den Rauchgaszug noch vor dem Speisewasservorwärmer zurückgeführt werden kann. An­ schließend strömt der aus der Vereinigung von Rauchgas­ hauptstrom und Rauchgasteilstrom gebildete Rauchgasstrom durch die innere Rotorzone des Regenerativluftvorwärmers.

Die vorzuwärmende Luft wird sowohl durch die aufgeheizte innere als auch durch die äußere Rotorzone des Regenera­ tivluftvorwärmers geblasen.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Nutzung der im Abgas eines Bestandteils enthaltenen Wärme eines Kraftwerks bildenden kohlegefeuerten Kessels unter deutlicher Stei­ gerung des Kraftwerkswirkungsgrads wirtschaftlicher aus­ gestalten zu können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Die Erfindung basiert unter anderem auf dem technisch be­ dingten Sachverhalt, daß einem mit insbesondere Braun­ kohle befeuerten Kessel üblicherweise nur etwa 75% der für die Verbrennung der Braunkohle erforderlichen Ver­ brennungsluft über die Wärmeübertragungsanlage zugeführt wird. Die restlichen 25% der Verbrennungsluft gelangen über andere Wege, zum größten Teil durch Leckagen in den Kessel. Auf der anderen Seite wird jedoch bislang der ge­ samte Massenstrom des den Kessel verlassenden Abgases über die Wärmeübertragungsanlage geführt.

Die Erfindung ist allerdings nicht auf Braunkohlenanlagen beschränkt. Auch andere Brennstoffe zur Befeuerung des Kessels sind denkbar.

Erfindungsgemäß wird jetzt nicht mehr der gesamte Abgas­ strom über die Wärmeübertragungsanlage geleitet, sondern nur noch diejenige Abgasmenge, die bei einer Temperatur­ senkung des Abgases von nunmehr etwa 320°C auf etwa 170°C für die Erwärmung der Verbrennungsluft in der Wär­ meverschiebungseinheit von etwa 120°C auf etwa 310°C erforderlich ist. Hierbei handelt es sich um etwa zwei Drittel der gesamten Abgasmenge. Die restliche Abgas­ menge, im praktischen Fall also etwa ein Drittel des ge­ samten Abgasstroms, wird nunmehr im Bypass um die Wärme­ übertragungsanlage sowie über einen in den Bypass inte­ grierten Wärmeaustauscher und/oder über einen im Bypass vorgesehenen Dampferzeuger geführt und hierbei ebenfalls auf etwa 170°C gekühlt.

Das in dem Wärmeaustauscher strömende Kesselspeisewasser wird dabei von etwa 160°C auf ca. 240°C erhitzt. Demzu­ folge kann jetzt dem Kessel ein sehr hoch temperiertes Kesselspeisewasser zur Verfügung gestellt werden.

Wird statt des Wärmeaustauschers oder parallel zum Wärme­ austauscher ein Dampferzeuger in den Bypass eingeglie­ dert, so kann die im Abgas enthaltene Wärme zur Gewinnung von Dampf und damit zur Umwandlung in elektrischen Strom genutzt werden.

Die Erfindung schafft mithin eine optimale Ausbeutung der über den Bypass und den darin integrierten Wärmeaustau­ scher zusätzlich ausgekoppelten Wärme. Die so an das Kes­ selspeisewasser abgegebene Wärme läßt sich mit einem hö­ heren Nutzungsgrad als bei den bisherigen Kesselspeise­ wassertemperaturen in elektrischen Strom umwandeln.

Wird die Abwärme zur Dampferzeugung genutzt und über eine zusätzliche Dampfturbine dieser Dampf in elektrischen Strom umgewandelt, so kann die Menge an elektrischem Strom deutlich über die in der Hauptturbine gewonnene Menge an elektrischem Strom gesteigert werden.

Auf diese Weise wird direkt die der Temperaturerhöhung bzw. die der Dampferzeugung entsprechende Wärmemenge bzw. die entsprechende Brennstoffmenge eingespart. Der Kraft­ werkswirkungsgrad kann folglich deutlich gesteigert wer­ den.

Dadurch, daß jetzt das Wärmeträgermedium im geschlosse­ nen Kreislauf der Wärmeverschiebungseinheit gezielt kom­ plett über beide Wärmeaustauscher oder nur teilweise über den von der Primärluft beaufschlagten Wärmeaustauscher geführt werden kann, ist es möglich, die Temperatur des in den vom Abgas beaufschlagten Wärmeaustauscher treten­ den Wärmeträgermediums kontrolliert so hoch zu halten, daß auch wechselnden Taupunkt-Temperaturen des vom Abgas beaufschlagten Wärmeaustauschers stets Rechnung getragen werden kann. Demzufolge wird sichergestellt, daß die Temperatur der Materialien dieses vom Abgas beaufschlag­ ten Wärmeaustauschers nie unter den jeweiligen Taupunkt der Schwefelsäure fällt und immer einige Grade über dem jeweiligen Taupunkt liegt. Es können dadurch nicht korro­ sionsbeständige Materialien eingesetzt werden. Als nicht korrosionsbeständiges Material für die diversen Einzel­ teile der Wärmeverschiebungseinheit kann jetzt z. B. ein herkömmlicher Stahl, wie insbesondere St 37, verwendet werden.

Mithin kann die Wärmeverschiebungseinheit im Vergleich zu einer aus korrosionsbeständigen Materialien deutlich kostengünstiger hergestellt und bereitgestellt werden, ohne daß Korrosionsprobleme zu befürchten sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Figur ist eine Anordnung zur Nutzung der im Abgas eines kohlegefeuerten Kessels 1 enthaltenen Wärme für die Vorwärmung von Kesselspeisewasser KSW und von Primärluft PL dargestellt.

Mit 1 ist ein mit Braunkohle befeuerter Kessel als Be­ standteil eines elektrische Energie bereitstellenden, an­ sonsten nicht näher veranschaulichten Kraftwerks bezeich­ net.

Das durch die Verfeuerung von Braunkohle entstehende Ab­ gas AG wird über eine Leitung 2 einer rotierenden Wärme­ übertragungsanlage 3, und zwar einem sogenannten Ljungström-Wärmeaustauscher, kurz LUVO genannt, zuge­ führt. Das aus dem Kessel 1 tretende Abgas AG hat eine Temperatur von etwa 320°C.

Im LUVO 3 wird dem Abgas AG Wärme entzogen, so daß das den LUVO 3 über eine Leitung 4 verlassende Abgas AG1 eine Temperatur von etwa 150°C aufweist.

Anschließend wird das Abgas AG1 über einen Bestandteil einer aus herkömmlichem Stahl bestehenden Wärmeverschie­ bungseinheit 5 bildenden Wärmeaustauscher 6 geführt, in welchem das Abgas AG1 weitere Wärme abgibt, so daß das den Wärmeaustauscher 6 über eine Leitung 7 verlassende Abgas AG2 eine Temperatur von etwa 115°C besitzt. Mit dieser Temperatur kann das Abgas AG2 beispielsweise einer Rauchgasentschwefelungsanlage zugeführt werden.

Die im Wärmeaustauscher 6 der Wärmeverschiebungseinheit 5 dem Abgas AG1 entzogene Wärme wird mittels eines in der Wärmeverschiebungseinheit 5 im geschlossenen Kreislauf strömenden Wärmeträgermediums einem Wärmeaustauscher 8 zugeführt, der in eine Leitung 9 eingegliedert ist, in welcher Primärluft PL mit einer der Umgebungsluft ent­ sprechenden Temperatur von etwa 20°C ansteht. Das Wärme­ trägermedium in der Wärmeverschiebungseinheit 5 wird durch eine Pumpe 10 im Kreislauf gehalten.

Die zum LUVO 3 führende Leitung 2 und die Leitung 4 zwi­ schen dem LUVO 3 und der Wärmeverschiebungseinheit 5 sind durch einen regelbaren Bypass 11 verbunden. In den Bypass 11 ist ein Wärmeaustauscher 12 integriert, der von Kes­ selspeisewasser KSW durchströmt ist.

Von der aus dem Kessel 1 tretenden Abgasmenge werden etwa zwei Drittel über den LUVO 3 und etwa ein Drittel über den Bypass 11 geführt. Die von dem Abgas AG an den Wärme­ austauscher 12 im Bypass 11 abgegebene Wärme wird von dem Kesselspeisewasser KSW aufgenommen und dieses von etwa 160°C auf etwa 240°C gebracht.

Das den Wärmeaustauscher 12 verlassende Kesselspeisewas­ ser KSW wird anschließend in bekannter und nicht näher dargestellter Weise temperaturmäßig noch höher gespannt und letztlich einem Rohrschlangensystem im Kessel 1 zuge­ leitet. In diesem verdampft das Kesselspeisewasser KSW. Der Dampf D wird dann zu einer nicht näher dargestellten Turbine zwecks Umwandlung in elektrische Energie gelei­ tet.

Das den Wärmeaustauscher 12 im Bypass 11 verlassende Ab­ gas AG3 hat eine Temperatur von etwa 170°C. Es wird über einen Leitungsabschnitt 13 des Bypasses 11 in die Leitung 4 zwischen dem LUVO 3 und der Wärmeverschiebungseinheit 5 gefördert und hier mit dem den LUVO 3 verlassenden Abgas AG1 vermischt. Das Abgas AG1, AG3 hat dann eine mittlere Temperatur von etwa 160°C.

Durch die dem Abgas AG1, AG3 entzogene und über die Wär­ meverschiebungseinheit 5 an den Wärmeaustauscher 8 abge­ gebene Wärme wird die Primärluft PL auf eine Temperatur von etwa 120°C erhitzt. Die derart vorgewärmte Verbren­ nungsluft VVL wird anschließend über den LUVO 3 geführt. Dadurch ist der LUVO 3 vor Korrosionen geschützt. Im LUVO 3 erlangt die vorgewärmte Verbrennungsluft VVL eine wei­ tere Temperaturerhöhung mittels der dem Abgas AG im LUVO 3 entzogenen Wärme.

Dem Kessel 1 wird dann über eine Leitung 14 Verbrennungs­ luft VL mit einer Temperatur von etwa 310°C zugeführt.

Die im Abgas AG enthaltene Wärme kann auch derart genutzt werden, daß statt des Wärmeaustauschers 12 ein Dampfer­ zeuger in den Bypass 11 eingegliedert ist. Der Dampfer­ zeuger steht dann über eine Dampfleitung mit einer Dampf­ turbine in Verbindung. Die Dampfturbine dient der Umwand­ lung des Dampfs in elektrischen Strom. Dazu ist sie mit einem Generator gekoppelt. Aus der Dampfturbine tritt niedergespannter Dampf in einen wasser- und/oder luftge­ kühlten Kondensator ein. Im Kondensator wird der nieder­ gespannte Dampf kondensiert und tritt über eine Leitung in den Dampferzeuger ein. Zwischen dem Kondensator und dem Dampferzeuger ist eine Druckerhöhungspumpe vorgese­ hen.

In die Leitung 15 zwischen dem Wärmeaustauscher 6 und dem Wärmeaustauscher 8 ist ein Dreiwegeventil 16 integriert. Das Dreiwegeventil 16 ist temperaturgesteuert. Dazu ist in die Leitung 17 zwischen dem Wärmeaustauscher 8 und dem Wärmeaustauscher 6 ein Temperaturfühler 18 eingegliedert.

Das Dreiwegeventil 16 steht über eine Stegleitung 19 mit der Leitung 17 in Verbindung.

Um die Temperaturen im Wärmeaustauscher 6 stets über dem jeweiligen Taupunkt der Schwefelsäure zu halten, z. B. einige Grade über 100°C, wird über den Temperaturfühler 18 und das Dreiwegeventil 16 der Umlauf des Wärmeträger­ mediums in der Wärmeverschiebungseinheit 5 so gesteuert, daß das Wärmeträgermedium entweder vollständig über beide Wärmeaustauscher 6, 8 strömt oder nur zum Teil über den Wärmeaustauscher 8 und zum Teil über die Stegleitung 19.

Bezugszeichenliste

1 Kessel
2 Leitung zw. 1 u. 3
3 Wärmeübertragungsanlage
4 Leitung zw. 3 u. 6
5 Wärmeverschiebungseinheit
6 Wärmeaustauscher
7 Leitung hinter 6
8 Wärmeaustauscher
9 Leitung zw. 8 u. 3
10 Pumpe in 15
11 Bypass
12 Wärmeaustauscher
13 Leitungsabschnitt v. 11
14 Leitung zw. 3 u. 1
15 Leitung zw. 6 u. 8
16 Dreiwegeventil in 15
17 Leitung zw. 8 u. 6
18 Temperaturfühler in 17
19 Stegleitung zw. 16 u. 17
AG Abgas
AG1 Abgas
AG2 Abgas
AG3 Abgas
D Dampf
KSW Kesselspeisewasser
PL Primärluft
VL Verbrennungsluft
VVL vorgewärmte Verbrennungsluft

Claims (1)

1. Anordnung zur Nutzung der im Abgas (AG) eines Bestandteil eines Kraftwerks bildenden kohlegefeuerten Kessels (1) enthaltenen Wärme für die Vorwärmung von Kesselspeisewas­ ser (KSW) und von Primärluft (PL), welche eine einerseits von dem den Kessel (1) verlassenden Abgas (AG) und ande­ rerseits von der vorgewärmten Verbrennungsluft (VVL) be­ aufschlagbare rotierende Wärmeübertragungsanlage (3) so­ wie in Parallelschaltung eine einerseits von der Primär­ luft (PL) und andererseits von dem aus der Wärmeübertra­ gungsanlage (3) tretenden gekühlten Abgas (AG1) beauf­ schlagbare Wärmeverschiebungseinheit (5) aufweist, wobei die zur Wärmeübertragungsanlage (3) führende Abgasleitung (2) und die Abgasleitung (4) zwischen der Wärmeübertra­ gungsanlage (3) und der Wärmeverschiebungseinheit (5) durch einen die Wärmeübertragungsanlage (3) überbrücken­ den Bypass (11) verbunden sind, in den Bypass (11) ein von dem Kesselspeisewasser (KSW) durchströmter Wärmeaus­ tauscher (12) und/oder ein Dampferzeuger eingegliedert sind, in die Leitung (15) zwischen einem von dem Abgas (AG) beaufschlagten Wärmeaustauscher (6) der Wärmever­ schiebungseinheit (5) und einem von der Primärluft (PL) beaufschlagten Wärmeaustauscher (8) der Wärmeverschie­ bungseinheit (5) ein Dreiwegeventil (16) eingegliedert ist, das durch eine Stegleitung (19) mit der Leitung (17) zwischen dem von der Primärluft (PL) beaufschlagten Wär­ metauscher (8) und dem vom Abgas (AG) beaufschlagten Wär­ meaustauscher (6) verbunden sowie durch die Temperatur des Wärmeträgermediums in der Leitung (17) zwischen dem von der Primärluft (PL) beaufschlagten Wärmeaustauscher (8) und dem vom Abgas (AG) beaufschlagten Wärmeaustau­ scher (6) steuerbar ist, und die Wärmeverschiebungsein­ heit (5) aus nicht korrosionsbeständigen Materialien be­ steht.