Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausnutzung der
Abgaswärme bei einem kohlegefeuerten Dampferzeuger mit
nachgeschalteter Dampfturbinenanlage, bei dem Luft durch
Wärmetausch mit dem Abgas vorgewärmt, die Kohle mit warmem
Gas mahlgetrocknet und die gemahlene Kohle mit vorgewärmter
Luft verbrannt wird und bei dem zusätzlich Abgaswärme durch
Wärmetausch auf ein anderes Fluid übertragen wird.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 42 12 336 bekannt.
Bei der dortigen Verfahrensführung wird bei der Verfeuerung
von Braunkohle Luft mit einer der Umgebungsluft
entsprechenden Temperatur zunächst in einer
Wärmeverschiebungseinheit aufgeheizt und danach in einem
Rotationsluftvorwärmer auf eine höhere Temperatur
vorerwärmt und dem Dampferzeuger als Verbrennungsluft
zugeführt.
Als zusätzliche Wärmesenke für die Ausnutzung der
Abgaswärme ist dem Luftvorwärmer rauchgasseitig ein
Wärmetauscher parallelgeschaltet. Die von dem Abgas in
diesen Wärmetauscher abgegebene Wärme wird auf ein anderes
Fluid übertragen, dabei wird der Wärmetauscher vom
Speisewasser des Kessels durchströmt oder ist als
Dampferzeuger ausgelegt.
Da es sich bei dem Dampferzeuger gemäß der DE-PS 42 12 336
um einen braunkohlegefeuerten Dampferzeuger handelt und in
der Figur nichts anderes dargestellt ist, muß davon
ausgegangen werden, daß die für den Betrieb des
Dampferzeugers erforderliche Mahltrocknungsanlage mit aus
dem Feuerraum des Dampferzeugers rückgesaugtem Rauchgas
beaufschlagt wird.
Bei kohlegefeuerten Dampferzeugern, insbesondere
steinkohlegefeuerten Dampferzeugern, ist es bekannt, das
Abgas nach dessen Austritt aus einem Economiser
(rauchgasbeheizten Speisevorwärmer) in einen Luftvorwärmer
zum Wärmetausch mit der für die Verbrennung benötigten und
mit der für die Mahltrocknung eingesetzten Luft zu bringen.
Der Massenstrom des Rauchgases ist durch die
Verbrennungsprodukte der Kohle und den verdampften
Wassergehalt der Kohle deutlich größer als der der
Verbrennungsluft. Außerdem ist die differenzielle
spezifische Wärmekapazität des Rauchgases höher als die der
Luft. Dies muß dazu führen, daß bei vorgegebener zu
übertragender Wärmemenge die Temperaturdifferenz zwischen
Rauchgaseintritt und Rauchgasaustritt am Luftvorwärmer
deutlich niedriger ist als an der Luftseite. Bei
vorgegebener Lufteintrittstemperatur und bei vorgegebener
Rauchgastemperatur ergibt sich daher über die Wärmebilanz
eine Begrenzung der erreichbaren Abgastemperatur. Die
Rauchgaseintrittstemperatur in einen Luftvorwärmer ist in
aller Regel durch verfahrenstechnische Randbedingungen
vorgegeben. Hierzu gehören z. B. die Betriebstemperatur
einer bei steinkohlegefeuerten Anlagen dem Dampferzeuger
nachgeschalteten Entstickungsanlage und die Grädigkeiten
beim rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer im Falle von
braunkohlegefeuerten Anlagen. Hierbei ist zu beachten, daß
durch technische und wirtschaftliche Begrenzungen sämtliche
Grädigkeiten am heißen Ende des Luftvorwärmers vorgegeben
sind, die zu gegenüber der Wärmebilanz deutlich höheren
Abgastemperaturen führen. Die entsprechenden Zusammenhänge
sind beispielsweise im DE-Buch "Große Dampfkraftwerke" von
Karl Schröder-Springer-Verlag 1966, S. 174 und 175
dargestellt. Da die deutlich höheren Abgastemperaturen den
Abgasverlust erhöhen und damit über den Kesselwirkungsgrad
den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses reduzieren, ist man
bemüht, durch weitere Maßnahmen die Abgastemperatur zu
senken. Um dies zu erreichen, ist eine weitere Wärmesenke
erforderlich, in der z. B. Wärme auf das Speisewasser des
Dampferzeugers übertragen werden kann. Hierzu bietet sich
bevorzugt die Vorwärmung von Hochdruckspeisewasser an, da
die Nutzung des Kondensats als weitere Wärmesenke eine
deutlich größere Verschlechterung des Wärmeverbrands der
Turbine ergeben würden.
Die als Ausgangspunkt der Erfindung genannte DE-PS
42 12 336 offenbart eine solche Wärmesenke, in der
zusätzlich Abgaswärme auf Speisewasser übetragen wird.
Diese Variante hat jedoch den Nachteil, daß zur Abkühlung
des Rauchgases im Strang der zusätzlichen Wärmesenke auch
Kondensatvorwärmer eingesetzt werden müssen, um vertretbare
Abgastemperaturen in -diesem Strang zu erreichen.
Eine andere Möglichkeit der zusätzlichen Abfuhr von
Abgaswärme besteht in einer rauchgasseitigen
Reihenschaltung, wobei die zusätzliche Wärmesenke zwischen
zwei Luftvorwärmern angeordnet ist (vergl. DE-Fachbuch Karl
Schröder, S. 170, Abb. 159). Diese Schaltungsvariante ist
sehr aufwendig, da mindestens zwei Luftvorwärmer benötigt
werden.
Schließlich ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem
Wärmetauscher vom luftseitigen Austritt des Luftvorwärmers
einen Teilstrom vorgewärmter Luft zum luftseitigen Eintritt
zu rezirkulieren. Diese Luftrezirkulation hat die folgenden
Nachteile: Das relativ heißstehende
Rauchgasrezirkulationsgebläse verursacht einen relativ
hohen Leistungsbedarf. Der bei regenerativen Luftvorwärmern
nicht zu vermeidende Staubschlupf verursacht einen
Verschleiß des Gebläses. Die Lufteintrittstemperatur am
Eintritt des Luftvorwärmers ist deutlich höher als zur
Vermeidung von Korrosion und Verschmutzung notwendig ist
und vergrößert damit unnötig den Luftvorwärmer.
Wenn bei Kohlen mit niedrigem bzw. mäßigem Wassergehalt,
wie z. B. Steinkohle, die Mahltrocknung mit vorgewärmter
Luft betrieben wird, ist es üblich die Temperatur am
Austritt der Mühle über Kaltluft zu regeln, d. h. über Luft
die am Hauptluftvorwärmer vorbeigeführt wird. Diese Luft
steht im Luftvorwärmer nicht zur Abkühlung der Rauchgase
zur Verfügung und verschlechtert daher weiter die oben
erwähnte Wärmebilanz des Luftvorwärmers in bezug auf die
erreichbare Abgastemperatur.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art
anzugeben, bei dem eine Minimierung der Abgastemperatur
erreicht wird, jedoch bei den vorstehend diskutierten
Verfahren existierende Nachteile weitestgehend vermieden
werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein
Teilstrom vorgewärmter Luft einem Wärmetausch mit einem
anderen Fluid unterzogen wird und der Mahltrocknung als
Hauptmühlenluftstrom zugeführt wird und mindestens ein
anderer Teilstrom der vorgewärmter Luft dem Dampferzeuger
als Sekundärluft für die Verbrennung zugeführt wird.
Unter dem Wärmetausch mit einem anderen Fluid wird in der
nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen
verstanden, daß die vorgewärmte Luft mit Wasser oder Dampf
aus dem Dampfturbinenprozeß oder einem Wärmeträger eines
externen Wärmeverbrauchers, wie z. B. einem Fernwärmenetz,
zum Wärmetausch gebracht wird und Wärme auf das andere
Fluid übertragen wird.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung bietet insbesondere
den Vorteil, daß der für die Vorwärmung der Luft
eingesetzte Wärmetauscher kleiner gebaut werden kann.
Weiterhin muß im stationären Betrieb des Dampferzeugers -
wenn überhaupt - nur wenig Kaltluft am Luftvorwärmer vorbei
zur Regelung der Mühlenaustrittstemperatur der Mühle
zugeleitet werden. Die Übertragung von Wärme auf das andere
Fluid kann geregelt werden.
Die Unteransprüche 2-14 betreffen vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung richtet sich auch auf eine Anordnung gemäß
Oberbegriff des Anspruches 15, die erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Wärmetauscher mindestens für
die getrennte Erwärmung eines Mühlenluftstroms und eines
Sekundärluftstroms ausgebildet ist und zwischen dem
Wärmetauscher und der Mahltrocknungsanlage mühlenluftseitig
der zusätzliche Wärmetauscher angeordnet ist, der in den
Wasser-Dampfkreislauf der Dampfturbinenanlage und/oder in
den Wärmeträgerkreislauf eines externen Wärmeverbrauchs
eingeschaltet ist.
Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein rotierender
Wärmetauscher, da ein solcher bei Dampferzeugern großer
Leistung wohl stets zum Einsatz kommt, da rekuperative
Luftvorwärmer bei großen Abgasmengen zu großen Baueinheiten
führen würden. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße
Verfahren jedoch mit beiden Wärmetauscherarten
durchführbar. Bei den rotierenden Luftvorwärmern werden die
sektoral gegliederten Wärmetauscher bevorzugt.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren
erläutert werden:
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung der
erfinderischen Grundidee, zwischen Luftvorwärmer
und Mühle (Mahltrocknungsanlage) einen
Wärmetauscher einzuschalten, wobei gleichzeitig
verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglich
keiten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
dargestellt sind, und
Fig. 2 und 3 Schaltbilder vergleichbar Fig. 1, wobei jedoch
jeweils weitere bevorzugte Ausgestaltungen
dargestellt sind.
Es sind nicht alle bevorzugten Ausgestaltungen in einer
Figur zusammengefaßt worden, um das Verständnis der
vorliegenden Erfindung nicht zu erschweren. Die bevorzugten
Ausgestaltungen können in unterschiedlichen Kombinationen
eingesetzt werden.
In der Fig. 1 ist ein vorzugsweise mit Steinkohle
gefeuerter Dampferzeuger 1 dargestellt. Dem Dampferzeuger 1
ist ein Wasser-Dampfkreislauf 2 mit Kondensator 3,
Kondensatpumpe 4, Niederdruckspeisewasservorwärmer 5,
Speisewasserpumpe 6, Hochdruckspeisewasservorwärmer 7,
Heizflächensystem 8 und Dampfturbinenanlage 9 mit
zugeordnetem Generator 9′ zugeordnet. Die
Dampfturbinenanlage kann eine oder mehrere Turbinen
umfassen.
In dem Dampferzeuger wird in einer Mahltrocknungsanlage
bzw. Mühle 10 ermahlene Kohle 11 verbrannt, wobei dem
Dampferzeuger neben dem Kohlenstaubluftgemisch (Primärluft)
PL mindestens noch Sekundärluft SL′ für die Verbrennung
zugeführt wird.
Zur Bereitstellung von Luft wird Umgebungsluft über ein
Gebläse 12 verdichtet und die verdichtete Gesamtluft GL in
einen Sekundärluftstrom SL und einen Mühlenluftstrom ML
unterteilt. Der Sekundärluftstrom SL wird ohne weitere
Verdichtung und der Mühlenluftstrom ML wird unter
Verdichtung durch ein Gebläse 13 einem rotierenden
Wärmetauscher 14 zugeleitet. In diesem Wärmetauscher wird
aus dem über einen Rauchgaskanal 15 herangeführten Abgas AG
(Sektor 14a) Wärme auf die über einen Kanal 16
herangeführte Sekundärluft SL (Sektor 14b) und Wärme auf
die über einen Kanal 17 herangeführte Mühlenluft ML (Sektor
14c) übertragen. Nach dem Wärmetauscher durchströmt das
Abgas einen Elektrofilter 18, einen Saugzug 19 und einen
Wärmetauscher 20. Der Wärmetauscher 20 ist mit einem dem
Gebläse 12 nachgeschalteten Wärmetauscher 21 verbunden.
Zwischen den beiden Wärmetauschern 20 und 21 wird unter dem
Einfluß einer Pumpe 22 ein Wärmeträger im Kreislauf
geführt, so daß ein indirekter Wärmetausch zwischen dem
Abgas AG und der vom Gebläse herangeführten Gesamtluft GL
stattfindet. Es ist möglich, in diesen Wärmekreislauf einen
weiteren Wärmetauscher 23 einzuschalten, der mit Dampf aus
dem Wasser-Dampfkreislauf 2 des Turbinenprozesses
beaufschlagt wird. Weiterhin kann der Wärmetauscher 21 auch
dem Gebläse 12 vorgeschaltet sein.
Zumindest ein Teilstrom der in dem Luftvorwärmersektor 14c
erwärmten Mühlenluft wird einem Wärmetauscher 24 zugeführt,
in dem Wärme auf Wasser oder Dampf aus dem Wasser-
Dampfkreislauf 2 oder auf den Wärmeträger eines externen
Wärmeverbrauchers, wie Wasser oder Dampf eines
Fernwärmenetzes, übertragen wird. Das den Wärmetauscher 24
durchströmende und wärmeabführende Fluid ist F bezeichnet.
Die fluidseitige Einbindung kann an verschiedenen
geeigneten Stellen des Wasser-Dampfkreislaufs 2 erfolgen.
Der Wärmetausch kann über ein schematisch dargestelltes
Ventil 25 geregelt werden. Der im Wärmetauscher 14
vorgewärmte und im Wärmetauscher 24 wärmeabgebende
Teilstrom der Mühlenluft wird der Mühle 10 als
Hauptmühlenluftstrom HML zugeleitet.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, kann es zweckdienlich
sein, einen Teil der vorgewärmten Mühlenluft an dem
Wärmetauscher 24 als vorzugsweise geregelter Bypass-
Mühlenluftstrom BML vorbeizuführen. Diese Kombination
bietet den Vorteil einer besonders schnellen und einfachen
Regelung der Mindesttemperatur (Heißluftregelung gegenüber
dem abgekühlten HML). Auch ist es möglich, einen Teil der
nicht vorgewärmten Mühlenluft an dem Luftvorwärmer 14 als
Bypasstrom BBML vorbeizuführen. Gleichzeitig ist es unter
Umständen sinnvoll, einen Teil der Mühlenluft sowohl an dem
Vorwärmer 14 als auch dem Wärmetauscher 24 als Bypassstrom
BBBML (Kaltluft) vorbeizuführen. Die entsprechenden
Leitungen sind mit 26, 27 und 28 bezeichnet. Diese
Bypasströme können einzeln oder in Kombination ebenfalls
zur Regelung der Mühlentemperatur herangezogen werden.
Zur weiteren Optimierung des Wärmetausches kann es sinnvoll
sein, daß von dem aus dem Wärmetauscher austretenden
vorgewärmten Mühlenluftstrom über Leitung 29 ein Teilstrom
abgezweigt wird, der über einen Wärmetauscher 30 und ein
Gebläse 31 stromauf des Wärmetauschers 14 der Mühlenluft
zugemischt wird. Der Wärmetauscher 30 kann ebenfalls in den
Wasser-Dampfkreislauf 2 eingebunden sein.
Alternativ zu der Anordnung 29, 30, 31 kann es zweckmäßig
sein, vorgewärmte Sekundärluft über Leitung 32 abzuzweigen
und diese über einen Wärmetauscher 33, ein Gebläse 34
stromauf des Wärmetauschers 14 in die Sekundärluft SL
einzumischen. Auch der Wärmetauscher 33 kann in den Wasser-
Dampfkreislauf 2 eingebunden sein.
In der Fig. 2 sind die Bezugszeichen von Fig. 1 übernommen
worden, soweit dies zweckdienlich ist. In der Fig. 2 sind
weitere Möglichkeiten der Verknüpfung der Luftwege von
Mühlenluft und Sekundärluft vorhanden. Von der aus dem
Luftvorwärmer (Sektor 14c) austretenden vorgewärmten
Mühlenluft wird vor deren Eintritt in den Wärmetauscher 24
über eine Leitung 35 ein Teilstrom abgezweigt, der nach
einem wärmeabführenden Wärmetausch in einem Wärmetauscher
36 unter Ausnutzung der Druckdifferenz zur
Sekundärluftleitung 16 hin in die Sekundärluft SL
eingemischt wird. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, hinter
dem Wärmetauscher 24 einen Teil über eine Leitung 37
abzuzweigen, in einem Wärmetauscher 38 abzukühlen und in die
Sekundärluftleitung 16 einzuspeisen. Des weiteren ist in
der Fig. 2 die Alternative dargestellt, stromab des
Wärmetauschers 24 aus dem Hauptmühlenluftstrom einen
Teilstrom über Leitung 39 abzuzweigen und über ein Gebläse
40 in die Mühlenluftleitung 17 stromauf des Luftvorwärmers
14 einzuspeisen. Gegebenenfalls kann hier auch noch zur
Wärmeabfuhr ein Wärmetauscher 41 eingeschaltet sein. Die
Wärmetauscher 36, 38 und 41 können ebenfalls in den Wasser-
Dampfkreislauf eingebunden sein.
Das Schaltbild gemäß Fig. 3 zeigt neben der Grundschaltung
mit der mühlenluftseitigen Hintereinanderschaltung des
Luftvorwärmers 14 (Sektor 14c) und des Wärmetauschers 24
die Möglichkeit, daß hinter dem Gebläse 12 nach
Einschaltung eines weiteren Gebläses 42 ein Hilfsluftstrom
HL über eine Leitung 43 abgezweigt wird, der getrennt von
dem Mühlenluftstrom ML und dem Sekundärluftstrom SL durch
einen Wärmetauscher 14′ mit einem zusätzlichen Sektor 14d
geführt wird und nach seiner Erwärmung einer Wärmeabgabe in
einem Wärmetauscher 43 geführt wird und danach der
Sekundärluft stromauf des Wärmetauschers 14′ beigemischt
wird.
Als weitere Schaltungsvariante ist in der Fig. 3
dargestellt, daß ein Teil des Hauptmühlenluftstroms nach
Verlassen des Wärmetauschers 24 über Leitung 37 abgezweigt
und ohne Wärmeabgabe in einen Wärmetauscher 38 unter
Ausnutzung der Druckdifferenz der Sekundärluft stromauf des
Wärmetauschers 14′ beigemischt werden kann.
Selbstverständlich ist diese Maßnahme auch bei dem
Wärmetauscher 14 gemäß Fig. 1 und 2 möglich, der keinen
gesonderten Sektor 14d für die getrennte Erwärmung des
Hilfsluftstroms HL aufweist.
Schließlich ist in der Fig. 3 noch dargestellt, daß die
Gesamtluft GL, die Mühlenluft ML und/oder die Sekundärluft
SL noch mit Wärmetauschern 45, 46 bzw. 47 vorerhitzt werden
kann, die mit Wärme aus dem Wasser-Dampfkreislauf 2 beheizt
werden.
Die in der Fig. 1 mit der Leitung 32, dem Wärmetauscher 33
und dem Gebläse 34 dargestellte Rezirkulation von
Sekundärluft entspricht beispielsweise der in der
Beschreibungseinleitung angesprochenen und bereits
vorgeschlagenen Luftrezirkulation über einen Wärmetauscher
von luftseitigem Austritt des Luftvorwärmers zum
luftseitigen Eintritt. Bei Beibehaltung dieser
Luftrezirkulation wird durch Einsatz des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers 24 erreicht, daß die über den Wärmetauscher
33 zu rezirkulierende Heißluftmenge bei in Summe gleicher
aus dem Abgas ausgekoppelter Wärmemenge stark, z. B. auf
ein Viertel, zurückgeht. Dadurch wird der Leistungsbedarf
des bei relativ hoher Lufttemperatur betriebenen
Rezirkulationsgebläses entsprechend reduziert. Der
Leistungsbedarf durch den zusätzlichen Druckverlust in dem
Mühlenluftwärmetauscher 24 wird dadurch mehr als
kompensiert. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung bietet
den Vorteil, daß bei gleicher Abgastemperatur eine
Verkleinerung des Luftvorwärmers 14 bzw. 14′ erreicht wird
bzw. die Heißluftrezirkulation reduziert bzw. gänzlich
eliminiert werden kann.
Durch die Anordnung des Wärmetauschers 24 auf der
Mühlenluftseite des Wärmetauschers 14 bzw. 14′ ergeben sich
die verfahrenstechnisch vorteilhaften Möglichkeiten, das
Druckgefälle zwischen der Mühlenluft ML und der
Sekundärluft SL auf der Eintrittsseite des Luftvorwärmers
zu nutzen, um eventuell noch notwendige Luftrezirkulationen
ohne oder nach Wärmetausch auch ohne Rezirkulationsgebläse
vorzunehmen. Es wird hier auf die Rezirkulation von Luft
über die Leitungen 35 und 37 verwiesen. Schließlich muß
noch darauf aufmerksam gemacht werden, daß die
Wärmetauscher 30, 33, 36, 38, 40, 41 und 44 nicht nur zur
Abgabe von Wärme in den Wasser-Dampfkreislauf des
Dampferzeugers 2 eingebunden sein können, sondern unter
Umständen auch Wärme zu einem externen Verbraucher hin
abführen können. Weiterhin sind bis auf das Ventil 25 alle
Regelklappen, Ventile und dergleichen, die für den Betrieb
erforderlich sind, der Einfachheit halber nicht mit
dargestellt.