DE60107618T2

DE60107618T2 - Verfahren zum Erzeugen von Dampf mittels einer Müllverbrennungsanlage

Info

Publication number: DE60107618T2
Application number: DE60107618T
Authority: DE
Inventors: Marcellus Antonius Jozef Van Berlo
Original assignee: AMSTERDAM GEM DIENST AFVALVERW; Gemeente Amsterdam Gemeentelijke Dienst Afvalverwerking
Current assignee: AMSTERDAM GEM DIENST AFVALVERW; Gemeente Amsterdam Gemeentelijke Dienst Afvalverwerking
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: ATE284507T1; PT1164330E; EP1164330A1; ES2234765T3; NL1015438C2; DK1164330T3; EP1164330B1; DE60107618D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Dampf mit einer hohen Energieeffizienz mit Hilfe von Dampf aus einer Müllverbrennungsanlage, wie dies im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erläutert ist. Ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-A-195 31 027 bekannt. Der erzeugte Dampf wird in einer Turbine zur Erzeugung von Elektrizität verwendet.
In der Technik sind Müllverbrennungsanlagen allgemein bekannt. Bei Müllverbrennungsanlagen ist es übliche Praxis, dass die heißen Abgase, die bei der Verbrennung des Mülls frei gesetzt werden, zur Erzeugung von Dampf dienen. Zu diesem Zweck ist die Verbrennungsanlage mit einem Wärmetauscher ausgerüstet, welcher Rohrbündel umfasst, durch welche der Dampf geleitet wird. Der Dampf, welcher durch die Wärme der Verbrennungsgase entsteht, wird dem Wärmetauscher zwecks Überhitzung über eine Dampftrommel zugeführt, was eine bekannte Technologie darstellt. Während der Dampf im Allgemeinen auf eine Temperatur von etwa 400 °C, maximal 450 °C und einen Druck von etwa 40 Bar überhitzt wird, wenden eine Anzahl von Anlagen höhere Temperaturen und Drücke an.
Obwohl die Fachwelt bisher versucht hat, die höchste Effizienz bei der Erzeugung von Elektrizität mit diesen bekannten Anlagen zu verbessern, wobei die Effizienz bei großen modernen Anlagen bei etwa 25 % Brutto und 22 % Netto liegt, wurde dies bisher nicht erreicht. Als wesentlicher Grund dafür wurde die Tatsache ermittelt, dass der „Brennstoff“ mit niedrigem Energiegehalt, der Müll, zu Korrosionen an jenen Teilen der Anlage führt, die in Kontakt mit den Abgasen gelangen. Die Maßnahmen, welche zur Bekämpfung dieser Korrosion ergriffen wurden (niedrige Temperaturen sowohl an der Oberfläche des Wärmetauschers als auch der Abgase, die mit ihm in Berührung kommen) gehen zu Lasten der Gesamteffizienz der Anlage.
Kürzlich wurde ein sogenannter Wirbelschichtkessel bzw. eine Wirbelschichtvergasung als Alternative für die bekannten und allgemein verwendeten direkt befeuerten Kessel (welche einen Kesselrost verwenden) in Betrieb genommen. Diese können jedoch nicht für alle Arten von Müll verwendet werden. Außerdem wurden korrosionsfestere Materialien, z. B. Nickel-Chromlegierungen verwendet.
Die Erfindung hat das Ziel, die bekannten Technologien der direkt befeuerten Kessel zu verbessern, in denen eine höhere Effizienz der Hochleistungs-Elektroenergieerzeugung mit Hilfe von generiertem Dampf erreicht wird. Ein spezielles Ziel besteht außerdem darin, dass die Anlage ein Minimum an Wartung erfordert.
Eine erste Verbesserung im Zustand des Standes der Technik im Sinne der hier beschriebenen Ziele wird durch Anwendung eines Verfahrens erreicht, welches im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben und durch die Maßnahmen im kennzeichnenden Teil charakterisiert ist. Dieses Prinzip ist in der Thermodynamik allgemein bekannt, aber bei der Müllverbrennung ergibt sich das Problem, dass bei der Überhitzung der Abgase unter Verwendung eines Rohrbündels dieselben Korrosionsprobleme auftreten wie im ähnlichen Überhitzer. Weiterhin muss bei der Gestaltung der Kessel so dimensioniert werden, dass die Abgase genügend Wärmeinhalt haben, um sowohl die Überhitzung als auch eine Nacherhitzung zu ermöglichen. Im Falle der Müllverbrennung ist dies mit praktischen Nachteilen verbunden, weil es zu hohen Abgastemperaturen in den Überhitzern und Nacherhitzern führt. Deshalb wird diese Lösung, welche in kohlen- und gasbefeuerten Kraftwerken üblich ist, bei der Müllverbrennung nicht angewendet.
Es gibt viele Beispiele für Wege, um dieses Problem zu lösen. In dem EP 0 325 083 wird die Verwendung eines separaten Kessels beschrieben, in welchen die Überhit zung und Nacherhitzung des erzeugten Dampfes bei der Müllverbrennung unter Verwendung eines besseren Brennstoffes (Gas, Öl, Kohle) erfolgt.
Es wurden auch viele spezielle Konstruktionen geschaffen, um praktische Lösungen zur Ermöglichung der Überhitzung mit Abgasen zu finden. EP 0 981 015 bietet in dieser Hinsicht eine Struktur, in welcher der Überhitzer sich in dem Teil des Kessels befindet, welcher die Wärme ausstrahlt und der gegen die Korrosionswirkungen durch eine separate Wand geschützt ist. WO 95/00804 schlägt einen indirekten Wärmetransport mittels feiner Aschen vor, welche in dem Abgas erhitzt werden und ihre Wärme zu einem Überhitzer in einer getrennten Wirbelschicht transportieren.
In Kernkraftwerken besteht z. B. oft das Problem, den Dampf ausreichend zu überhitzen, und das gegenwärtige Verfahren besteht darin, eine Nacherhitzung mit Dampf (oft sogar mehrmals zwischen den verschiedenen Turbinenstufen) vorzunehmen, welcher am Turbineneinlass gesammelt wird (Beispiel: Stanisa, B; Erozion Rotorblades, The VIIIth Conference Steam Turbines of Large Output, Karlovy Vary 30.10. – 02.11.1984; Sammelwerk; Seiten 409/419).
Eine ähnliche Lösung zur Müllverbrennung wurde durch KEMA Nederland entwickelt und während der Powergen conference in Bangkok, Thailand vom 20. bis 22. September 2000 vorgestellt.
In dem Artikel „Valuable Energy From Waste" in der ABB Review, Zürich, CH, Nr. 1, 1989, Seiten 15 – 22, XP000186057, ISSN 1013-3119 wird eine ähnliche Lösung beschrieben, in welcher die Nacherhitzung durchgeführt wird, indem Dampf vor dem Turbineneinlass gesammelt und in Rohren zum Nacherhitzungswärmetauscher geleitet wird. Somit wird in den letzten beiden Fällen eine indirekte Nacherhitzung mit Dampf als Medium verwendet. Das Verfahren besteht jedoch darin, dass die Wärme, welche für die Nacherhitzung benötigt wird, zum großen Teil aus den Abgasen durch die Überhitzer extrahiert wird. Das bedeutet, dass diese Anlage wegen der korrosionsgefährdeten Teile größer dimensioniert werden muss als ohne die Nacherhitzung. Weiterhin müssen die Abgase eine Temperatur aufweisen, die hoch genug ist, um diese Wärme zuführen zu können, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der Korrosion erhöht.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem der erforderlichen hohen Abgastemperaturen, indem sie die Nacherhitzung des Dampfes von der ersten Turbine mit Hilfe von Dampf ausführt, welcher direkt von einer Dampftrommel kommt. Dies unterscheidet sich von den letzten drei erwähnten Verfahren, in welchen die Wärme von den Abgasen zum Nacherhitzer über Dampf transportiert wurde, welcher auch durch die Überhitzer geleitet wurde.
In dieser Weise wird die für die Nacherhitzung erforderliche Wärme aus den Membranwänden im ersten Teil des Kessels abgeleitet, und es sind keine hohen Gastemperaturen für die Überhitzer notwendig. In der Kesselkonstruktion ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad vorhanden, weil der Druck der Turbinenstufe, in welcher die Nacherhitzung stattfindet, gewählt werden kann. In dieser Weise kann die thermische Belastung für die Nacherhitzung (über die Membranwände) und die thermische Belastung für die Überhitzung ausgeglichen werden. Bei dem hohen Druck im Kessel ist es besonders vorteilhaft, eine Menge Wärme von den Membranwänden abzuleiten, weil bei Drücken über 80 Bar die Verdampfungswärme für die Dampfbildung in den Membranwänden abnimmt. Die Erfindung beschreibt hierzu, dass sich dadurch neue Möglichkeiten für die gegenseitige Anpassung der Kessel- und Turbinenkonstruktion ergeben. Dies trägt zu einer Erhöhung der Effizienz bei, wenn der Druck mehr als 70 Bar, vorzugsweise mehr als 100 Bar und besonders bevorzugt etwa 125 Bar beträgt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Müllverbrennung so gestaltet, dass der vertikale Abgasaustritt, der hauptsächlich oberhalb des Brennerrostes erfolgt (der sogenannte erste Abzug), mindestens 15 m, vorzugsweise zwischen 20 und 25 m hoch ist und einen solchen Durchmesser aufweist, dass die Geschwindigkeit des Gases geringer oder gleich 8 m/s ist, vorzugsweise zwischen 3 m/s und 5 m/s liegt, wobei die Temperatur des Abgases am Ende des ersten Abzuges geringer als 900 °C, vorzugsweise geringer als 850 °C und besonders bevorzugt geringer als 800 °C ist, und die Abgase in einem zweiten Abzug mit einer Höhe von mindestens 8 m nach unten geleitet und dann vorzugsweise an einem dritten Abzug angeschlossen werden, in welchem die Temperatur der Abgase am Ende des dritten Abzuges geringer als 720 °C, vorzugsweise geringer als 660 °C und besonders bevorzugt geringer als 630 °C ist, und in welchem die Geschwindigkeit der Abgase am Ende des dritten Abzuges zwischen 3 m/s und 4 m/s liegt. Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der dritte Abzug in einem Winkel α von 45° bis 60° angeordnet.
In einer ähnlichen Anlage zur Müllverbrennung wird ein Abfall der Temperatur der Abgase in einer Weise erreicht, die mit der vergleichbar ist, welche normalerweise am Ende des ersten Abzuges erreicht wird. Das bedeutet, dass geringere Niederschläge von Flugasche an den Wänden in dem zweiten Abzug auftreten. Weiterhin wird auf Grund einer gleichmäßigen Temperaturabnahme die Menge an Kohlenmonoxid verringert. Außerdem wird durch Anpassung der zweiten und dritten Abzüge, z. B. durch Erhöhung und Erweiterung von diesen erreicht, dass die höhere Geschwindigkeit auf eine Geschwindigkeit von weniger als 5 m/s, vorzugsweise zwischen 3 m/s und 4 m/s begrenzt wird (mit Ausnahme der U-förmigen Umlenkung von dem zweiten Abzug zum dritten Abzug, in welchem höhere Geschwindigkeiten mit Sicherheit in Verbindung mit der Flugaschenablagerung erreicht werden), und es ergibt sich erstens, dass die Abgase mehr Zeit zur Abkühlung haben und außerdem wird der Vorteil erreicht, dass die Aschen, welche in den Abgasen enthalten sind, einfacher abgeschieden werden können.
Es ist bevorzugt, dass der Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben wird. Dafür ist Voraussetzung, dass die ersten nach oben führenden Rohre in dem Wärmetauscher, in Richtung der Bewegung des Abgases gesehen, Verdampfungsrohre sind, weil diese Rohre den Abgasen mit den höchsten Temperaturen ausgesetzt werden. Infolge der relativ hohen Temperatur der Abgase am Eintrittspunkt in den Wärmetauscher ist es bevorzugt, mindestens zwei Reihen von Verdampfungsrohren anzuordnen, wobei diese Reihen parallel zueinander und quer zur Strömungsrichtung des Abgases angeordnet werden, und die Rohre in den einzelnen Reihen sind auf jeden Fall zum größten Teil in der Strömungsbahn des Abgases angeordnet. Es ist bevorzugt, die einzelnen Rohre in den unterschiedlichen Reihen parallel zueinander anzuordnen.
Die Temperaturen, welche in dieser Beschreibung erwähnt werden, betreffen alle Temperaturen, für welche ein Kessel im normalen Einsatz und bei normaler Kontaminationsmenge konstruiert ist. Ein neuer Kessel oder ein Kessel, welcher gerade gereinigt wurde bzw. ein sehr verschmutzter Kessel, welcher gereinigt werden muss, kann mit anderen Temperaturen als den hier erwähnten arbeiten.
Die folgenden Abschnitte beschreiben Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Müllverbrennungsanlage, in welcher die Abgase von einem Verbrennungsbett durch einen ersten, zweiten und dritten Abzug geleitet werden, und danach werden die Abgase durch einen Wärmetauscher zum Auslass gelenkt.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Anlage nach 1 in Draufsicht.
3 zeigt ein schematisches Flussschaltbild zur Herstellung von Elektrizität mit Hilfe von Dampf.
1 ist eine schematische Ansicht einer Müllverbrennungsanlage. Die Abgase werden zu einem ersten Abzug 1 geleitet, wo sie vertikal aufsteigen und dann zu einem zweiten Abzug 2 geleitet werden, in welchem die Abgase nach unten und zu einem dritten Abzug 3 geleitet werden. Der erste Abzug ist neben anderen Dingen aus einer bekannten Membranwand (nicht dargestellt) gebildet. Im höchsten Teil des ersten Abzuges 1 besitzen die Abgase eine Temperatur von weniger als 900 °C, vorzugsweise weniger als 850 °C. Außerdem muss die Geschwindigkeit der Abgase in dem ersten Abzug geringer sein als 8 m/s, vorzugsweise zwischen 3 m/s und 4 m/s. In dieser Weise wird ein gleichmäßiger Temperaturabfall erreicht, wodurch die Menge des Kohlenmonoxides verringert werden kann. Dadurch ist es auch möglich, für eine Verringerung von Stickoxid unter Anwendung einer Ammoniuminjektion zu sorgen. Die Verringerung der Maximaltemperatur im oberen Teil des ersten Abzuges kann erreicht werden, indem der erste Abzug 1 höher gebaut oder sein Durchmesser vergrößert wird. In jedem Fall muss der erste Abzug 1 mindestens 15 m hoch und vorzugsweise 20 bis 25 m hoch sein. Dies verhindert, dass die Abgase eine Menge von Teilchen an den Wänden ablagern, weil in diesem Fall die Möglichkeit der Ablagerung gering sind. Vom strömungstechnischen Standpunkt führt dies nicht zu irgendwelchen Problemen, vorausgesetzt, dass Vorkehrungen zu einer geeigneten Vermischung der Abgase getroffen werden. Neben anderen Möglichkeiten kann dies durch bekannte technische Verfahren der Zuführung eines zweiten und eines dritten Gases erreicht werden. Wegen der geringen Geschwindigkeiten der Gase in dem gesamten ersten Abzug, somit auch in dem Teil direkt oberhalb der Flammenfront, wird deutlich weniger Kesselasche und Flugasche gebildet.
Die Abgase, welche den dritten Abzug 3 verlassen, werden dann durch einen Wärmetauscher 4 in Form eines Dampfüberhitzers (SSH) 5 geleitet. In der dargestellten Form umfasst dieser SSH vier getrennte Serien von Wärmetauscherrohren 15, 16, 17, 18. Im Vergleich mit bekannten Müllverbrennungsanlagen ist die Temperatur der Abgase, die in den SSH eintreten, relativ gering, nämlich im Bereich von etwa 600 °C bis 670 °C und sie wird vorzugsweise auf etwa 630 °C begrenzt. Eine sogenannte Verdampfungswand 6 ist am Anfang des Wärmetauschers 4 angeordnet. Diese Verdampfungswand 6 hat die Funktion, die Strömung der Abgase zu dem Wärmetauscher 5 zu vergleichmäßigen. Dazu ist es von Vorteil, dass die Verdampfungswand 6 zwei Reihen von Verdampfungsrohren umfasst, wie dies in 2 dargestellt ist. Nach diesen beiden Reihen von Verdampfungsrohren ist es bevorzugt, einen kleinen Zwischenraum 7 zu bilden, und auf der anderen Seite von diesem ist eine folgende Reihe von Verdampfungsrohren 8 angeordnet, nach denen die erste Reihe von Wärmetauscherrohren 8 in Reihe mit den Rohren der letzten Reihe von Verdampfungsrohren angeordnet ist, wie dies aus 2 erkennbar ist. Der schmale offene Zwischenraum 7 muss vorzugsweise lang genug sein, so dass die Abgasgeschwindigkeit über den gesamten Durchmesser in diesem offenen Zwischenraum 7 ausgeglichen werden kann, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Gase tatsächlich an allen Stellen dieselbe ist.
Die Verdampfungswand 6 ist technologisch gesehen ein Sammelpunkt für Flugasche, und eine rasche Abkühlung der Abgase übt einen Verzögerungseffekt auf die Kernteile der Flugasche aus, welche sich in den Abgasen befinden, wodurch diese auf einer Temperatur von mehr als 850 °C und somit noch in der sogenannten „Haftphase" bleiben. Dies bedeutet, dass die Teile der Flugasche, wenn sie in Kontakt mit den der Verdampfungswand nachfolgenden Rohren gelangen, an deren Oberfläche haften. Diese Teile von Flugasche werden auch in großem Ausmaß an den Wärmetauscherrohren haften. Deshalb, weil bekannt ist, dass die Haftphase bei Temperaturen von 850 °C und höher erreicht wird, ist es bevorzugt, die Temperatur der Abgase in dem zweiten und dritten Abzug von 850 °C auf 630 °C abzusenken. Dies kann z. B. erreicht werden, indem die Geschwindigkeit der Abgase in dem zweiten und dritten Abzug verringert wird. Weiterhin führt diese Verringerung der Geschwindigkeit der Abgase dazu, dass die Kesselascheabtrennung 10 verbessert wird. Dies führt auch dazu, dass das Anwachsen der Verschmutzung der Wärmetauscherrohre verringert wird. Dieses Anwachsen der Asche kann von den Rohren unter Verwendung eines technisch bekannten Verfahrens entfernt werden. Durch Trennung der Kesselaschen 10, 11, 12, 13, 14, die dadurch als grobe 10, 11 und feine 12, 13, 14 Aschen entfernt werden, ist die Weiterverwendung dieser Kesselaschen sehr gut möglich. Die grobe Kesselasche 10 enthält vor allem wenig Schwermetalle und Salze und weiterhin kein Dioxin (die Abgastemperaturen oberhalb von 450 °C geben kein Dioxin ab). Die Kesselasche 11, welche unter dem ersten Teil des Wärmetauschers gesammelt wird, erfüllt ebenfalls dieses Erfordernis. Die feine Kesselasche 12, 13, 14 ist neben anderen Dingen mit Dioxin kontaminiert.
Die Asche 12, 13, 14, welche an den nächsten Teilen des Wärmetauschers herausgeführt wird, enthält größere Mengen von kontaminiertem Material. Weil die in der Weise entstehenden Aschen getrennt gesammelt werden, wird die Gesamtmenge der kontaminierten Flugasche beträchtlich verringert.
Abfallmaterial, welches nicht brennbar ist (Schlacke) wird bei 9 herausgeführt.
Der Übergang von dem vertikal nach unten gerichteten zweiten Abzug zu dem nach oben gerichteten schräg verlaufenden dritten Abzug kann, was die Strömungstechniken betrifft, optimiert werden, indem der dritte Abzug in einem Winkel α von 30° bis 70°, vorzugsweise von 50° bis 65° angeordnet wird, wie dies in 1A dargestellt ist. Die Verwendung eines solchen Winkels führt dazu, dass die Gase zum Wärmetauscher ohne großen Verlust ihrer kinetischen Energie zugeführt werden, wodurch noch eine verbesserte Trennung von Flugasche erreicht wird. Die Wahl eines Winkels α von nicht weniger als 45° führt dazu, dass die noch etwas klebrige Flugasche in den Abgasen leicht über die Wand transportiert und als Kesselasche 10 gesammelt wird. Die Abgase, welche dem Wärmetauscher 4 zugeführt werden, haben eine Temperatur von etwa 600 °C bis 700 °C. Im Falle, dass die Temperatur des Abgases sich im untersten Teil dieses Bereiches befindet, ist es nicht notwendig, eine Verdampfungswand zum Zwecke der Senkung der Abgastemperatur zu verwenden. Wenn die Abgase eine höhere Temperatur besitzen, ist es nützlich, eine Verdampfungswand zu verwenden, um die Temperatur abzusenken. Die Abnahme der Temperatur als Ergebnis dieser Verdampfungswand muss jedoch auf weniger als 30 °C begrenzt werden, so dass sie die Effizienz des Kessels nicht negativ beeinflusst. Wie in diesem Dokument zuvor erwähnt, dient die Verdampfungswand dazu, den Gasstrom zu egalisieren, und sie ist deshalb vorzugsweise in der Anlage immer vorhanden.
Die Effizienz des Wärmetauschers, welcher aus den Dampfüberhitzern 15, 16, 17, 18 besteht, die allgemein mit SSH bezeichnet sind, kann durch Anordnung dieser Überhitzer in einem Gegenstromsystem erhöht werden. Der erste Dampfüberhitzer 15, in Richtung der Gasströmung gesehen, muss in diesem Fall für eine hohe Dampfgeschwindigkeit in dem Rohr und eine niedrige Abgasgeschwindigkeit ausgelegt sein, um zu sichern, dass die Oberflächentemperatur der Rohre niedrig bleibt. Weil das erste SSH-Bündel den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist, sowohl auf der Dampfseite als auch auf der Abgasseite, ist dieser erste SSH derjenige mit der höchsten Belastung. Es ist deshalb bevorzugt, die Rohre des ersten SSH aus einer Nickel-Chrom-Legierung anzufertigen. Die Temperatur der Abgase muss hierbei unterhalb von 720 °C vorzugsweise 670 °C, z. B. zwischen 600 °C und 670 °C bleiben, wodurch die Oberflächentemperatur der Nickel-Chrom-Legierung nicht über 600 °C ansteigt. In der Praxis bedeutet dies, dass es bevorzugt ist, dass die Verdampfungswand 6 die Strömung vergleichmäßigt, so dass örtlich hohe Strömungsgeschwindigkeiten vermieden werden. Die Geschwindigkeit der Abgase beträgt vorzugsweise 3 m/s bis 4 m/s, wodurch die Oberflächentemperatur der Rohre geringer bleibt als die Temperatur der Abgase. Deshalb ist es bevorzugt, dass ein Verdampfungsbündel 6 über die gesamte Breite der Gasströmung am Wärmetauscher 4 installiert ist. Es ist jedoch möglich, die Gesamtzahl der Rohre in dem Verdampfungsbündel 6 zu reduzieren, wobei der Abstand zwischen jedem der Rohre 20 bis 50 cm beträgt. Wenn mehrere Reihen von Verdampfungswänden 6 verwendet werden, ist es bevorzugt, dass die Rohre in jeder Reihe in dem Wärmetauscher in einer gestuften Anordnung platziert werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Rohre parallel zueinander angeordnet werden. In dieser Weise wird eine gleichmäßige Strömung der Abgase über die Höhe und Breite erreicht, bevor diese in den Überhitzer 15 eintreten. Wenn die erste Reihe von Rohren in dem ersten Überhitzer 15 eine freie Strömung empfängt, ist es bevorzugt, dass diese als Verdampfungsrohre 8 konstruiert sind. Die anderen Rohre des ersten SSH 15 sind nahe zueinander hinter den Verdampfungsrohren 8 befestigt. Der Schutz der SSH-Rohre durch die Verdampfungsrohre wird besonders erhöht, wenn die Verdampfungsrohre einen Durchmesser aufweisen, der etwas größer als der der SSH-Rohre ist, welche hinter ihnen liegen (in Richtung der Strömung der Abgase gesehen). In einer anderen bevorzugten Abwandlung sind die Überhitzerrohre mit einer etwas ovalen Form versehen, wobei der kleinste Durchmesser quer zur Strömungsrichtung der Abgase verläuft. In dieser Weise wird die Abnutzung an den Rohren infolge der Erosion durch die Flugasche in den Abgasen vermindert. Das bekannte technische Verfahren, bei welchem das Anwachsen der Flugasche an den SSH-Rohren kontinuierlich entfernt wird, indem die SSH-Rohre vibrieren (z. B. durch Schlagen der Kopfteile, in welchen die Rohre mit ihren aneinanderstoßenden Enden installiert sind, mit einem mechanischen oder pneumatischen Hammer), kann beträchtlich verbessert werden, indem die SSH-Rohre so gestaltet sind, dass diese natürliche Frequenzen besitzen, welche sich in den jeweiligen Querschnittsrichtungen unterscheiden, als Ergebnis der Differenzen in der Steifigkeit, was aus der Tatsache resultiert, dass die Rohre nicht exakt rund sind, unterschiedlich sind. Indem nun die Kopfteile mit diesen natürlichen Frequenzen vibrieren, kann man die Entfernung der anwachsenden Flugaschenablagerungen beherrschen. Indem jede der natürlichen Frequenzen der Rohre gut aufeinander abgestimmt ist (alle gleich), wird eine begrenzte Energiemenge benötigt, um ein maximales Resultat zu erzielen. Wenn dies schwierig ist, weil die anhaftenden Massen von Flugaschenansammlungen sich zu sehr unterscheiden, ist es auch möglich, jedem der SSH-Rohre seine eigene natürliche Frequenz zu geben (und diese wird auch für die verschiedenen Vibrationsrichtungen unterschiedlich sein), so dass es möglich wird, die Rohre einzeln in Resonanz zu bringen. Deshalb wird ein System bevorzugt, in welchem jedes der ovalen Rohre seine eigene speziell gewählte natürliche Frequenz besitzt, und welches verwendet werden kann, um die Rohre durch ein gut gewähltes (abstimmbares) Erregungssystem in Resonanz zu bringen.
An dem zweiten Bündel 16 des Wärmetauschers oder dem zweiten SSH 16 ist der Abgasstrom bereits gleichmäßig verteilt, und eine beträchtliche Menge von Staub ist bereits abgetrennt, und weiterhin ist die Temperatur der Abgase abgesenkt. Nach diesem ersten SSH kann die Geschwindigkeit der Abgase erhöht werden, entweder indem der Kessel schmaler gestaltet wird, was in Stufen oder allmählich erfolgen kann, oder durch Erhöhung der Anzahl der Rohre für jede Flächeneinheit. Zusätzlich ist es möglich, beide Konstruktionsformen zu kombinieren. In Abhängigkeit von der Anzahl der SSH-Überhitzer 15, 16, 17,18, welche in dem Wärmetauscher 4 hintereinander angeordnet sind, werden diese so gestaltet, dass die Abgasgeschwindigkeit steigt, wenn die Gase weiter durch die Wärmetauscher strömen. Von den SSH-Überhitzern strömen die verbleibenden Abgase, welche noch eine hohe Temperatur von etwa 400 °C aufweisen, zu einem oder mehreren Vorwärmern 19, 20, 21. Diese dienen z. B. zum Vorwärmen des kondensierten Dampfes. Die Strö mungsgeschwindigkeit beträgt hier etwa zwischen 5 m/s und 15 m/s, vorzugsweise 10 m/s, um die Bildung von Dioxin in den Abgasen zu verhindern.
Wie zuvor festgestellt, wird in dem Fall, in welchem vier SSH-Überhitzer 15, 16, 17, 18 in dem Wärmetauscher verfügbar sind, der zu erhitzende Dampf zum vierten SSH 18 zugeführt, danach zum dritten Überhitzer 17, dann zum zweiten SSH 16 und dann zum ersten SSH 15, von welchem der Dampf als überhitzter Dampf mit einer Temperatur von etwa 510 °C und mit einem erhöhten Druck von etwa 125 Bar ausgelassen wird. Es ist möglich, einen Injektionskühler 24 an den Seitenbahnen zwischen jeden der SSH-Überhitzer zu installieren, durch welchen die Temperatur des Dampfes geregelt werden kann. Durch Installation eines solchen Injektionskühlers 22, 23, 24 an jeder der Seitenbahnen von einem Überhitzer zum anderen kann eine gute Regelung in einem weiten Temperaturbereich garantiert werden. Weiterhin ist es dadurch möglich, die Dampftemperatur im Falle von ungleichen Ablagerungen in den verschiedenen SSH-Bündeln genau zu regeln.
Es ist auch möglich, die Effizienz der Anlage durch Absenkung der End-Austrittstemperatur der Abgase aus dem Kessel-Abgasvorwärmerbereich zu erhöhen. Dies kann jedoch das Problem aufwerfen, dass eine SO₃-Kondensation an den kalten Stellen erfolgt und eine Korrosion durch Schwefelsäure auftreten kann. Dies ist besonders der Fall bei kontaminiertem Brennstoff, welcher in Müllverbrennungsanlagen verwendet wird. Es wird deshalb bevorzugt, die Abgase aus der Anlage mit einer Temperatur von 190 °C bis 230 °C auszulassen, wobei diese Temperaturen jeweils für einen sauberen Kessel und einen verschmutzten Kessel gelten.
Diese relativ hohe Auslasstemperatur für die Abgase ist ein Vorteil bei der Verwendung eines Baghouse-Filters direkt nach dem Kessel (nicht dargestellt). In diesem Fall wird durch die Verwendung des Filters weniger Korrosion auftreten, und es ist möglich, einen Denox-Katalysator und einen PCDD/F-Oxidationskatalysator zu installieren, falls dies erforderlich ist. Nach dem Passieren dieses Baghouse-Filters sind die Abgase im Großen und Ganzen frei von Asche, wobei es zweckmäßig ist, die Abgase zu einem zusätzlichen Vorwärmer (nicht dargestellt) zu leiten, welcher z. B. zur Vorwärmung von kondensiertem Dampf verwendet werden kann. Dieser zusätzliche Vorwärmer ist außerordentlich effizient, weil er nicht länger dem Staubproblem ausgesetzt ist. Die Oberflächen der Rohre dieses Vorwärmers bleiben deshalb sehr viel sauberer.
In diesem zusätzlichen (zweiten) Vorwärmer kann die Temperatur der Abgase auf etwa 100 °C herabgesetzt werden. Unterhalb der Temperatur von 160 °C tritt im Allgemeinen die Kondensation von Säure auf. Weil der kondensierte Dampf, welcher erhitzt werden muss, eine relativ niedrige Temperatur aufweist, kann im gesamten zweiten Vorwärmer eine Kondensation auftreten. Aus diesem Grund muss dieser zweite Vorwärmer aus nichtmetallischem und insbesondere nichtoxidierendem Material hergestellt werden. Zu bevorzugen sind Materialien wie z. B. Graphit, Teflon und Emaille.
Es ist auch möglich, einen dritten Vorwärmer zu verwenden, der nach der Abgasreinigung angeordnet wird, um die Temperatur der Abgase auf etwa 50 °C herabzusetzen. Weil der zu erhitzende kondensierte Dampf vorzugsweise direkt von dem Turbinenkondensor verwendet wird, und weil es eine Temperatur betrifft, die wesentlich unter der Taupunkttemperatur der Abgase liegt, kommt die Wärme, welche gewonnen wird, tatsächlich vollständig aus der Kondensationswärme der Feuchtigkeit in den Abgasen. Weil viel niedrigere Konzentrationen von chemisch aggressiven Materialien am Ende der Abgasreinigung vorhanden sind, und weil diese durch die übermäßige Kondensation gelöst werden, sind die Materialanforderungen an diesen dritten Vorwärmer nicht so extrem wie die an den zweiten Vorwärmer. Das Kühlen der Abgase und die Kondensation der Feuchtigkeit führt zu einer zusätzlichen Abtrennung hinsichtlich Staub, Quecksilber und Dioxinen.
In 3 ist der schematische Ablauf einer bevorzugten Anlage zur Elektroenergieerzeugung mittels Dampf dargestellt. Der Dampf A wird von einer Dampftrommel 25 zum Wärmetauscher 5 zugeführt, welcher aus SSH-Uberhitzern 15, 16, 17, 18 mit einem Druck von 135 Bar und einer Temperatur von 337 °C besteht. Durch Erhitzen des Dampfes A mit Hilfe der heißen Abgase im Gegenstrom wird Dampf B aus den Wärmetauschern 5 mit einer Temperatur von 510 °C und einem Druck von 125 Bar ausgelassen. Dieser Dampf B wird dann zur ersten Turbinenstufe geleitet, wo er als Dampf C mit einem Druck von etwa 8 Bar und einer Temperatur von etwa 180 °C austritt. Dann erfolgt die Erhitzung des Dampfes C mit Hilfe von Dampf A', welcher direkt von der Dampftrommel 25 genommen wird. In dieser zusätzlichen Wärmetauscherstufe 27 wird der Dampf C in den Dampf D mit einer Temperatur von etwa 320 °C und einem Druck, der nur geringfügig kleiner ist als nach dem Verlassen der ersten Stufe 26, d. h. etwa 7,5 Bar umgewandelt. Nach der zweiten Turbinenstufe 28 hat der Dampf E eine Temperatur von 30 °C bis 60 °C und einen Druck von etwa 0,05 bis 0,1 Bar. Zur Erzeugung des Dampfes A ist es bevorzugt, die Temperatur des Dampfes A zu erhöhen, um die Effizienz zu steigern. Hierfür ist die Wahl sorgfältig zu treffen, weil die Erhöhung der Temperatur des Dampfes A auch die Temperatur der Rohrwand in dem Dampfüberhitzer bestimmt. Indem die Rohre des Überhitzers vollständig aus einer Nickel-Chrom-Legierung hergestellt oder diese mit Nickel-Chrom beschichtet sind, ist es möglich, die Temperaturgrenze, welche gewöhnlich im Bereich von 400 °C bis 430 °C liegt, zu erhöhen. Hierfür ist selbstverständlich eine präzise Festlegung zur Einhaltung einer sehr homogenen Abgastemperatur am Eintrittspunkt in den Dampfüberhitzer zu treffen.
Die logische Konsequenz aus einer höheren Dampftemperatur besteht darin, dass auch ein höherer Dampfdruck vorhanden ist, um eine maximale Effizienz in der Turbine 26, 28 zu erlangen. Dies ist auch notwendig, um einen beherrschbaren Feuchtigkeitsgehalt aufrecht zu erhalten. Das bedeutet, dass die Dicken der Rohrseiten und der Kesselteile ansteigen. Die Turbine muss ebenfalls für diese höheren Temperaturen und Drücke geeignet sein. Durch Verwendung von Nickel-Chrom für die Überhitzer und die Kesselwände sind diese höheren Temperaturen und Drücke jedoch tatsächlich anwendbar. Um die Verwendung des Dampfes zu optimieren, ist die Nacherhitzung des Dampfes C nach dem Hochdruckbereich in der Turbine erforderlich. Dies hilft zu verhindern, dass der Dampf C, D zu einem Feuchtigkeitsgehalt kondensiert, welcher während der folgenden Expansionsstufe nicht länger beherrschbar ist. Die Nacherhitzung des Dampfes C nach der ersten Turbinenstufe 26 erfolgt unter Verwendung von Dampf A', welcher der Dampftrommel 25 ent nommen wird. Im Wesentlichen hat der Dampf A' dieselbe Temperatur und denselben Druck wie der Dampf A, und es ist erkennbar, dass dieser entsprechend der dargestellten Ausführung von derselben Dampftrommel stammt. Wie in Technikerkreisen allgemein bekannt ist, dient die Dampftrommel dazu, dass Gemisch von Wasser und Dampf, welches von dem Wärmetauscher 29 kommt, zu trennen. Durch Verwendung dieses Dampfes A' zur direkten Nacherhitzung des Dampfes C von der ersten Turbinenstufe kann ein großes Maß an Freiheit für die Konstruktion des Kessels erreicht werden. Die thermische Belastung der Membranwände 29 (der Verdampfer in dem Strahlungsbereich) kann besonders vergrößert werden, ohne dass dies von den Überhitzern (Dampfüberhitzer im Konvektionsbereich) abhängig wäre. Dies bedeutet, dass auf der Seite, an welcher sich das Abgas befindet, die Veränderung der Temperatur optimal gewählt werden kann. Die zusätzliche Kapazität, welche insbesondere von der Membranwand 29 durch die Nacherhitzung erlangt wird, vermindert die thermische Kapazität, welche durch den Überhitzer zugeführt wird. Die Temperatur des Abgases für den Dampfüberhitzer kann bei Anwendung dieser Maßnahmen relativ gering festgesetzt werden, nämlich auf eine Abgastemperatur, die niedriger ist als 750 °C, vorzugsweise niedriger als 720 °C und besonders bevorzugt zwischen 600 °C bis 680 °C liegt, nämlich zwischen 600 °C und 650 °C. Die hohen Abgastemperaturen, die für eine hohe thermische Kapazität in dem Überhitzer notwendig sind, führen allgemein zu Problemen, weil sie die Korrosion und das Entstehen von Flugasche erhöhen. Die Anwendung dieser genannten Maßnahmen bedeutet deshalb, dass diese Nachteile nicht länger vorhanden sind.
Andere Vorteile dieser Anlage bestehen darin, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes, der in 3 mit den Zeichen x1 und x2 jeweils für die erste und zweite Turbinenstufe 26, 28 dargestellt ist, frei gewählt werden kann. Die durchschnittliche Prozesstemperatur des Wasser-Dampf-Zyklus und damit die Effizienz der Turbine, ist dadurch bei jeder gewählten maximalen Dampftemperatur so hoch wie möglich.
Es ist nunmehr möglich, die maximale Dampftemperatur auf einen niedrigeren Wert zu regeln, ohne dass x2 extrem hoch wird. Der umgekehrte Weg ist ebenfalls möglich.
Weiterhin sinkt infolge des niedrigeren Feuchtigkeitsgehaltes die Wahrscheinlichkeit einer Erosion der Turbinenblätter beträchtlich.
Weil die Widerstandsfähigkeit von Nickel-Chrom-Legierungen gegen Korrosion bei Temperaturen von 650 °C bis 700 °C und mehr beträchtlich niedriger ist, ist es bevorzugt, die Temperatur der Rohre und der anderen Teile der Anlage, welche in Kontakt mit höheren Temperaturen kommen, nicht auf mehr als 600 °C bis 650 °C ansteigen zu lassen.
Die zuvor beschriebenen Maßnahmen sind besonders zur Erhöhung der Effizienz einer Müllverbrennungsanlage in Verbindung mit der Herstellung von Elektroenergie geeignet. Die höchste Bevorzugung erfährt die Kombination einer Dampferhitzung auf eine Temperatur von mindestens 450 °C bei einem Druck von 70 Bar, oder besser auf eine Temperatur von mindestens 480 °C bei einem Druck von mindestens 100 Bar, und noch besser auf eine Temperatur von etwa 500 °C bei einem Druck von mindestens 120 Bar, sowie einer Verringerung der Abgasströmung, welche im Abzug eine Geschwindigkeit von weniger als 5 m/s, vorzugsweise zwischen 3 m/s bis 4 m/s aufweist, und eine Abgasströmung durch den Wärmetauscher am Eingang von weniger oder gleich 5 m/s und am Ausgang von 5 m/s bis 12 m/s unter Anwendung eines Gegenstromes in dem Wärmetauscher besitzt, bei welchem die Abgase eine Temperatur von weniger als 750 °C und vorzugsweise weniger als 690 °C an dem Punkt, an welchem sie in den Wärmetauscher eintreten, aufweisen.
Erfindungsgemäß wird eine höhere Effizienz erreicht. Hierdurch ist es denkbar, eine mögliche Effizienz in der Dampferzeugung von mindestens 29 % Brutto/26 % Netto oder sogar besser von mindestens 33 % Brutto/30 % Netto oder sogar 36 % Brutto/33 % Netto zu erreichen, wenn ein Verfahren, das erfindungsgemäß hier beschrieben wurde, mit einem Verfahren kombiniert wird, das in Patentanmeldungen desselben Erfinders beschrieben ist, die gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung hinterlegt wurden.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Dampf mittels einer Müllverbrennungsanlage, bei welchem ein erster Dampf (A) aus Wasser in einem ersten Wärmetauscher (29) durch Erhitzen desselben mit Verbrennungsgasen aus der Müllverbrennungsanlage gebildet und danach einer Dampftrommel (25) zugeführt wird, die die Verbrennungsgase in einem zweiten Wärmetauscher (5) entlang von Rohrbündeln führt, durch welche der erste Dampf (A) von der Dampftrommel (25) geleitet wird, um einen zweiten Dampf (B) mit einer Temperatur von mindestens 450 °C und einem Druck von mindestens 70 bar zu bilden, und bei welchem der zweite Dampf (B) einer ersten Turbinenstufe (26) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Dampf (C), welcher die erste Turbinenstufe (26) verlässt, in einem dritten Wärmetauscher (27) mit Hilfe eines vierten Dampfes (A') nacherhitzt wird, welcher von der Dampftrommel (25) kommt, so dass ein fünfter Dampf (D) gebildet wird, der mindestens einer nachfolgenden Turbinenstufe (28) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der fünfte Dampf (D) auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise zwischen 280 °C und 320 °C nacherhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dampf (B) vor der (vor Eintritt in die) Turbine auf eine Temperatur zwischen 480 °C und 520 °C erhitzt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zweiten Dampfes (B) von 90 bis 180 bar beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (5) im Gegenstrom betrieben wird.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase durch den zweiten Wärmetauscher (5) ≤ 7 m/sec, vorzugsweise ≤ 5 m/sec beim Eintritt in den zweiten Wärmetauscher und zwischen 5 m/sec bis 12 m/sec am Ausgang des zweiten Wärmetauschers beträgt.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Wärmetauscher (6), welcher Verdampfungsrohre (6) aufweist, stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers (5), in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen, angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Wärmetauscher (6) mindestens zwei Reihen von Verdampfungsrohren (6) aufweist, wobei die Reihen parallel zueinander und quer zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordnet sind, und in welchem die Rohre der separaten Reihen, zumindest meistens, in der Strömungsbahn des Verbrennungsgases angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein offener Zwischenraum (7) vorhanden ist, der den Verdampfungsrohren (6) folgt, um die Strömung der Verbrennungsgase zu egalisieren, wobei dieser offene Zwischenraum größer ist als die Entfernung zwischen jeder der Reihen von Rohren in dem vierten Wärmetauscher.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe von Verdampfungsrohren (8) vor den Reihen von Rohren des zweiten Wärmetauschers (5) und nach dem offenen Zwischenraum (7) angeordnet ist.
Verfahren nach den Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsrohre (6, 8) in einem Abstand von mindestens 20 cm voneinander und vorzugsweise in einem Abstand von 35 cm bis 45 cm voneinander angeordnet sind.
Verfahren nach den Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsrohre (8) einen größeren Durchmesser aufweisen als die Überhitzungsrohre, welche stromabwärts in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases angeordnet sind.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (5) verschiedene Abschnitte (15, 16, 17) enthält, von denen jeder Überhitzungsrohre umfasst, die nicht exakt rund sind, und die ihren größten Durchmesser in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases haben.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Resonanzfrequenzen der nicht runden Überhitzungsrohre in verschiedenen Richtungen quer zur Längsrichtung der Rohre so gewählt ist, dass durch Aktivierung des Rohrstutzens die Rohre veranlasst werden können, mit unterschiedlichen Frequenzen in Resonanz zu treten.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dampf (A) bei einer Temperatur von 337 °C und einem Druck von 135 bar in dem zweiten Wärmetauscher (5) so erhitzt wird, dass er einen zweiten Dampf (B) bei einer Temperatur von 510 °C und einem Druck von 125 bar bildet.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dampf (B) sich in der Turbine der ersten Stufe (26) entspannt, indem er den dritten Dampf (C) mit einer Temperatur von 180 °C und einem Druck von 8 bar bildet; der im Folgenden erhitzt wird, um einen fünften Dampf (D) mit einer Temperatur von 320 °C und einem Druck von 7,5 bar zu bilden; und danach sich in einer folgenden Turbinenstufe (28) so entspannt, dass er einen sechsten Dampf (E) mit einer Temperatur von 30 °C und einem Druck von 0,05 bar bildet.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flugasche in zwei Strömen entnommen wird, wobei der erste Strom aus dem Verbrennungsgas bei einer Temperatur entnommen wird, die höher als 400 °C, vorzugsweise höher als 450 °C ist, und der zweite Strom aus dem Verbrennungsgas bei einer Temperatur entnommen wird, die niedriger oder gleich 500 °C und vorzugsweise niedriger oder gleich 450 °C ist.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat in einem, in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen, zweiten Economiser durch Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen, welche von der Müllverbrennungsanlage kommen, erhitzt wird, nachdem dieselben in einem Staubfilter von Staubpartikeln im Wesentlichen gereinigt sind, und bei einer solchen Temperatur und einem solchen Druck, dass die Kondensation von den gesättigten Verbrennungsgasen in dem zweiten Economiser erfolgt.
Verfahren nach einem jeden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat von der letzten Turbinenstufe in einem, in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen, dritten Economiser durch Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen nahe dem Ausgang der Verbrennungsgasreinigung erhitzt wird, wobei die Kondensation von den gesättigten Verbrennungsgasen in dem dritten Economiser erfolgt.