PL176719B1

PL176719B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania gazów do napędu turbiny gazowej w kombinowanej siłowni gazowo-parowej

Info

Publication number: PL176719B1
Application number: PL94305429A
Authority: PL
Inventors: Reinhard Leithner
Original assignee: Alstom Energy Syst Gmbh
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1999-07-30
Also published as: HRP940634B1; JPH07166887A; EP0648919A2; EP0648919A3; EP0648919B1; CZ244294A3; HU9402972D0; CA2118178A1; PL305429A1; CZ283962B6; HUT72198A; SK124494A3; HU217014B; ATE175004T1; HRP940634A2; JP3008251B2

Abstract

1 Sposob do wytwarzania gazów do napedu turbiny gazowej w kombi- n o wanej silowni gazowo-parowej, w którym wegiel, od postaci drobnoziar- nistcj do postaci p ylu, pod cisnieniem 1 10 2 kPa oraz w temperaturze wiekszej od 1000° C, ale mniejszej od 4000°C, spala sie prawie calkowicie z powietrzem, albo z powietrzem wzbogaconym w tlen lub z samym czystym tlenem, albo z zawracanymi spalinami, do postaci gazu spalinowego, który sklada sie z CO2 i pary wodnej, a przy zastosowaniu powietrza równiez z azo- tu i który nastepnie oczyszcza sie z pylu, wraz ze zwiazkami metali alkalicz- nych i ewentualnie z SO2 1 NOx i który przeplywa kolejno przez turbine gazowa i wytwornice pary odpadowej, w której wode do napedu turbiny paro- wej podgrzewa sie w jednym lub szeregu stopniach cisnieniowych, odparo- wuje i podgrzewa, znamienny tym, ze z komory paleniskowej odciaga sie popiól, korzystnie w postaci pylu, albo w postaci cieklej, a wyplywajacy z ko- mory paleniskowej gaz spalinowy, po oddaniu ciepla do czystego gazu mie- sza sie korzystnie z zawracanymi spalinami lub z gazem, podobnym do gazu stosowanego do spalania w postaci srodka utleniajacego, ochladza sie do okolo 650-950°C 1 w tej temperaturze oczyszcza sie, korzystnie w cyklonie lub w filtrach ceramicznych, co najmniej z pylu, wraz ze zwiazkami metali al- kalicznych i jako gaz czysty przez pobranie ciepla z gazu surowego ponownie ogrzewa sie do temperatury wlotowej dopuszczalnej dla turbiny gazowej 3 Urzadzenie do wytwarzania gazów do napedu turbiny gazowej w kombinowanej silowni gazowo-parowej, w którym wegiel, od postaci drob- noziarnistej do postaci pylu, pod cisnieniem 1 10 2 kPa oraz w temperaturze 1000°C, jest spalany prawie calkowicie z powietrzem, albo powietrzem wzbogaconym w tlen lub z samym czystym tlenem, albo z zawracanymi spali- nami, w komorze paleniskowej do postaci gazu spalinowego, do której jest przylaczony oczyszczalnik gazu, w którym gaz spalinowy jest oczyszczany co najmniej z pylu, wlaczajac w to zwiazki metali alkalicznych i ewentualnie z SO 2 i NOx, który jest polaczony z turbina gazowa, która jest polaczona z wy- twornica pary odpadowej, znamienne tym, ze komora paleniskowa (33) jest utworzona z pierwszego zbiornika cisnieniowego (1), zawierajacego komore spalania (27), której wylot (12) dla gazu spalinowego za pomoca ........... (12) OPIS PATENTOWY ( 1 9 ) PL (11) 176719 (13) B 1 (21 ) Numer zgloszenia: 305429 ( 2 2 ) Data zgloszenia: 13.10.1994 (51) IntCl6: F02C 3/26 F02C 3/34 F01K 23/10 Urzad Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej ( 5 4 ) Sposób i urzadzenie do wytwarzania gazów do napedu turbiny gazowej w kombinowanej silowni gazowo-parowej FIG 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania gazów do napędu turbiny gazowej w kombinowanej siłowni turbinowej gazowo-parowej.

Urządzenie do wytwarzania gazów do napędu turbiny gazowej w kombinowanej siłowni gazowo-parowej jest znane np. z czasopisma VGB Kraftwerkstechnik (70)1990, zeszyt 5, strony 399-405. W urządzeniu tym węgiel, od postaci drobnoziarnistej do postaci pyłu, pod ciśnieniem > 1 · 10² kPa oraz temperaturze > 1000°C, spala się prawie całkowicie z powietrzem, albo z powietrzem wzbogaconym w tlen lub z samym czystym tlenem, albo z zawracanymi spalinami, do postaci gazu spalinowego, który zasadniczo składa się z CO₂1 pary wodnej, a przy zastosowaniu powietrza także z azotu i który następnie oczyszcza się co najmniej z pyłu, włączając w to związki metali alkalicznych i ewentualnie z SO2 i NO_X i który przepływa kolejno przez turbinę gazową i wytwornicę pary odpadowej, w której wodę podgrzewa się do temperatury pracy turbiny parowej w jednym lub szeregu stopniach, odparowuje i przegrzewa. Gazy spalinowe zawierają szkodliwe substancje, które uszkadzają turbinę gazową, dlatego bezwarunkowo jest wymagane oczyszczanie gazów. Ponieważ skuteczne oczyszczenie takich gorących, obciążonych szkodliwych substancjami gazów jest z trudem przeprowadzane w temperaturach powyżej dopuszczalnych temperatur wlotowych nowoczesnych turbin gazowych, a więc> 1200°C, temperatura tych gazów musi być obniżona do temperatury około 650-950°C, aby móc przeprowadzić ich oczyszczanie znanymi i wypróbowanymi metodami. Ten poziom temperatury jest istotny, zwłaszcza przy sposobie wprowadzania suchych dodatków (odsiarczanie przez wtryskiwanie pyłu wapiennego) i sposobie Selectiv Noncatylic Reduction SNCR (redukcja tlenku azotu za pomocą amoniaku, bez katalizatora). Aby osiągnąć ten poziom temperatury, na ogół ciepło nie jest pobierane z procesu wytwarzania pary lub pracuje się z bardzo wysokim nadmiarem powietrza.

Niedogodnością w znanych sposobach jest nie pobieranie ciepła z procesu wytwarzania pary lub praca z nadmiarem powietrza, a także strata sprawności przez przenoszenie z procesu wytwarzania pary ciepła ze względnie niską temperaturą, względnie przez zmniejszenie temperatury wlotowej do turbiny gazowej przy wysokim nadmiarze ciepła i podwyższenie strat gazów spalinowych.

Niekorzystne jest także połączenie pracy turbiny gazowej i kotła na ciepło odlotowe. Stosowanie do zmian klimatycznych, ochrony środowiska i zasobów naturalnych dość znaczne podwyższenie sprawności, ma w ostatnich latach coraz to większe znaczenie.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu oraz urządzenia, przy których unika się przedstawionych niedogodności i osiąga się zdecydowane polepszenie sprawności przy wytwarzaniu elektrycznego prądu ze spalanego węgla.

Zadanie wynalazku w odniesieniu do sposobu zostało rozwiązane dzięki temu, że z komory paleniskowej odciąga się popiół, korzystnie w postaci pyłu albo w postaci ciekłej, a wypływający z komory paleniskowej gaz spalinowy po oddaniu ciepła do czystego gazu miesza się korzystnie z zawracalnymi spalinami lub z gazem podobnym do gazu stosowanego do spalania w postaci środka utleniającego, ochładza się do około 650-950°C i w tej temperaturze oczyszcza się, korzystnie w cyklonie lub w filtrach ceramicznych, co najmniej z pyłu, wraz ze

176 719 związkami metali alkalicznych i jako gaz czysty przez pobranie ciepła z gazu surowego ponownie podgrzewa się, do temperatury wlotowej, dopuszczalnej dla turbiny gazowej.

Korzystnie gaz spalinowy na wylocie z komory paleniskowej przez domieszkowanie korzystnie zawracanymi spalinami lub gazem, podobnym do gazu stosowanego przy spalaniu jako środek utleniający i schładza się do temperatury poniżej temperatury topnienia popiołu, ale powyżej temperatury wlotowej dopuszczalnej dla turbiny gazowej.

Zadanie wynalazku w odniesieniu do urządzenia zostało rozwiązane dzięki temu, że komora paleniskowa jest utworzona z pierwszego zbiornika ciśnieniowego, zawierającego komorę spalania, której wylot dla gazu spalinowego za pomocą pierwszego przewodu łączącego jest połączony z wlotem do drugiego zbiornika ciśnieniowego, stanowiącego wymiennik ciepła, którego wylot za pomocą drugiego przewodu łączącego jest połączony z wlotem do trzeciego zbiornika ciśnieniowego, stanowiącego oczyszczalnik gazu, którego wylot dla gazu czystego za pomocątrzeciego przewodu łączącego jest połączony z wlotem do drugiego zbiornika ciśnieniowego, z tym, że wewnętrzne strony ścian wszystkich zbiorników ciśnieniowych i wszystkich przewodów łączących są zaopatrzone w izolację cieplną, a wewnątrz izolacji cieplnej w pierwszym zbiorniku ciśnieniowym, w pierwszym przewodzie łączącym i w drugim zbiorniku ciśnieniowym jest umieszczona okładzina, między którą a izolacją cieplną, jest utworzony ciąg połączonych jeden za drugim kanałów dla gazów czystego, przy czym wlot dla gazu czystego do zbiornika ciśnieniowego jest doprowadzony do kanału, który poprzez kanały oraz wylot z pierwszego zbiornika ciśnieniowego jest połączony z turbiną gazową, a następnie z wytwornicąpary, przy czym turbina gazowa jest połączona napędowo ze sprężarką dla środka utleniającego.

Korzystnie trzeci zbiornik ciśnieniowy jest zaopatrzony w filtr, który jest ukształtowany jako filtr tkaninowy lub filtr ceramiczny.

Według wynalazku kanały są utworzone z dwóch równoległych kanałów, a drugi przewód łączący, prowadzący do trzeciego zbiornika ciśnieniowego jest zaopatrzony w zespół do wdmuchiwania dodatków, utworzonych z króćca i elementu odcinającego.

Dzięki wynalazkowi osiąga się wyższe temperatury gazu czystego (1200-1400°C) tak, że turbiny gazowe mogą pracować z wyższymi temperaturami wlotowymi i odpowiednio wyższą sprawnością; dzięki wymianie ciepła gaz spalinowy - gaz czysty są zmniejszone straty ciepła, przez co jest polepszona sprawność całego układu, a turbina gazowa może pracować przez własny komin, niezależnie od kotła na ciepło odlotowe, izolacja wewnętrzna zbiorników ciśnieniowych i przewodów łączących pracuje jednocześnie jako wymiennik ciepła, a przyj ednakowej grubości izolacji zmniejsza się temperatura zbiornika ciśnieniowego i ścian przewodów łączących, dzięki czemu można zrezygnować z oddzielnego wymiennika ciepła.

Urządzenie według wynalazku jest uwidocznione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ kombinowanej turbinowej siłowni gazowo-parowej, a fig. 2 połączenie komory spalania, wymiennika ciepła i oczyszczalnika gazu.

Figura 1 pokazuje kombinowaną siłownię turbinową gazową i parową, która zawiera sprężarkę 31 dla spalin, sprężarkę 32 dla powietrza lub powietrza wzbogaconego w tlen lub czystego tlenu, komorę paleniskową 33, wymiennik ciepła 34, oczyszczalnik gazu 35, turbinę gazową z generatorem 3 6 i wytwornicę pary z ciepła odlotowego wraz z turbinąparową i generator 37.

Zgodnie z fig. 2, węgiel mający postać od drobnoziarnistego do postaci pyłu pod ciśnieniem np. 16 -10² kPa, razem z powietrzem lub powietrzem wzbogaconym w tlen lub z czystym tlenem lub z zawracanymi spalinami jest doprowadzony przez króciec 11 do komory spalania 27 i w niej spalany. Spalanie zachodzi w temperaturze, w której doprowadzany popiół jest w postaci pyłu lub w stanie stopionym. Temperatura spalania jest regulowana przez dobór nadmiaru powietrza i/lub tlenu i/lub zawracanie gazów spalinowych. Komora spalania 27 jest ukształtowana w rodzaju cyklonu, przez co większa część popiołujest usuwana i odciągana przez króciec 14. Jeżeli temperatura spalania w komorze spalania 27 jest wyższa od temperatury topnienia popiołu, to gaz spalania w króćcu wylotowym 12, przez przemieszczanie z zawracanymi gazami spalinowymi lub podobnym gzem, jaki jest stosowany do spalania, doprowadzony przez króciec 26 z zaworem 25, jest schładzany do temperatury poniżej temperatury topnienia popiołu, aby uniknąć

176 719 zażużlenia przewodów i wymiennika ciepła. Następnie gaz spalania w obu przypadkach, to znaczy w przypadku popiołu w postaci pyłu lub w stanie stopionym, przepływa przez pierwszy przewód łączący 2, króciec wlotowy 16 dla gazu spalinowego, do wymiennika ciepła 15, który jest umieszczony w przestrzeni grzewczej 22 wymiennika ciepła, ukształtowanego jako drugi zbiornik ciśnieniowy 3 w wymienniku ciepła 34, służącym do schładzania gazu spalinowego i podgrzewania gazu czystego.

Gaz spalinowy opuszcza drugi zbiornik ciśnieniowy 3 przez wylot 17 i przepływa przez drugi przewód łączący 4, wyposażony w tylko jedną izolację 7 i wylot 18 do trzeciego zbiornika ciśnieniowego 5, stanowiącego oczyszczalnik gazu 35, przy czym gaz spalinowy, już ochłodzony przez oddanie ciepła do gazu czystego jest mieszany z gazami spalinowymi, zawracanymi przez króciec 30 z zaworem 38 lub z podobnym gazem jaki jest stosowany do spalania jako środek utleniający tak, że on ochładza się do temperatury pomiędzy około 650 do 950°C. W tej temperaturze gaz spalinowy, łącznie ze związkami metali alkalicznych, jest znanymi sposobami odpylany w cyklonie w filtrze 24, ukształtowanym jako filtr tkaninowy, filtr ceramiczny, i dalej obrabiany znanymi sposobami, np. sposobem wprowadzania suchych dodatków, to znaczy odsiarczany przez wtryskiwanie pyłu wapniowego, np. przez sposób Selective Noncatylic Reduction SnCr, to znaczy przez wtryskiwanie amoniaku uwalniają się tlenki azotu. Przez wylot 20 z trzeciego zbiornika ciśnieniowego 5 są odciągane popioły lotne i inne materiały resztkowe, np. gips. Doprowadzanie dodatków odbywa się przez zespół, utworzony z króćca 28 z zaworem 29 na przewodzie łączącym 4. Następnie oczyszczony gaz spalinowy = gaz czysty przepływa z powrotem przez wylot 19 i przewód łączący 6, zaopatrzony tylko w izolację 7 i króciec 23 do drugiego zbiornika ciśnieniowego 3, w którym gaz czysty przepływa następnie do wymiennika ciepła 15 i kanałów 10,91 8, ukształtowanych jako wymiennik ciepła, oraz do drugiego przewodu łączącego 2 i komory spalania 27 w pierwszym zbiorniku ciśnieniowym 1, przejmując przy tym ciepło od nieoczyszczonego gazu spalinowego i opuszcza pierwszy zbiornik ciśnieniowy 1 przez króciec 13 z temperaturą, odpowiadającą dopuszczalnej temperaturze wlotowej dla turbiny gazowej. Gaz czysty przepływa do sąsiedniej turbiny gazowej 36 i wytwornicy pary 37 z ciepła odlotowego (fig. 1), w której woda do pracy turbiny, parowej, wjednym lub szeregu stopniach ciśnieniowych, przykładowo na fig. 1 jest przedstawiony układ z trzema stopniami ciśnieniowymi, jest podgrzewana, odparowywana i przegrzewana. Uzyskane ciepło może być także używane do celów grzewczych.

Po kotle na ciepło odlotowe część spalin jest przez sprężarkę 31 (fig. 1), napędzaną przez turbinę gazową, zawracana do wspomnianych powyżej miejsc 11,161 30. Reszta, w razie potrzeby, jest oczyszczana w znany sposób do dopuszczalnych wartości emisji i opuszcza siłownię przez komin. Jeżeli jako środek utleniający stosuje się czysty tlen, to jako spalmy powstaje mieszanina gazowa, która składa się prawie tylko z CO₂1 pary wodnej. Przy odpowiednim dalszym schładzaniu kondensuje się najpierw para wodna, a CO₂, z resztkami śladowymi gazu staje się ciekły, względnie zmrożony w lód. Dzięki temu zostaje utworzona siłownia wolna od spalin, w której przy uzyskaniu z powietrza tlenu jest oddzielany azot. Przez turbinę gazową 36 (fig. 1) jest napędzana sprężarka 32 dla powietrza lub powietrza wzbogaconego w tlen lub dla czystego tlenu.

Komora paleniskowa 33 - zbiornik ciśnieniowy 1, przewód łączący 2 i wymiennik ciepła 34 - zbiornik ciśnieniowy 3 są tak zbudowane, że ściana przyjmująca ciśnienie jest usytuowana po ich zewnętrznej stronie. Inaczej mówiąc, gaz spalinowy przepływa pomiędzy ognioodporną, wykładziną 21 a izolacją cieplną 7.

176 719

169 719

. . V

FIG. 2

176 719

Spaliny

FIG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób do wytwarzania gazów do napędu turbiny gazowej w kombinowanej siłowni gazowo-parowej, w którym węgiel, od postaci drobnoziarnistej do postaci pyłu, pod ciśnieniem > 1-10² kPa oraz w temperaturze większej od 1000°C, ale mniejszej od 4000°C, spala się prawie całkowicie z powietrzem, albo z powietrzem wzbogaconym w tlen lub z samym czystym tlenem, albo z zawracanymi spalinami, do postaci gazu spalinowego, który składa się z CO2 i pary wodnej, a przy zastosowaniu powietrza również z azotu i który następnie oczyszcza się z pyłu, wraz ze związkami metali alkalicznych i ewentualnie z SO2 i NO_X i który przepływa kolejno przez turbinę gazową i wytwornicę pary odpadowej, w której wodę do napędu turbiny parowej podgrzewa się w jednym lub szeregu stopniach ciśnieniowych, odparowuje i podgrzewa, znamienny tym, że z komory paleniskowej odciąga się popiół, korzystnie w postaci pyłu, albo w postaci ciekłej, a wypływający z komory paleniskowej gaz spalinowy, po oddaniu ciepła do czystego gazu miesza się korzystnie z zawracanymi spalinami lub z gazem, podobnym do gazu stosowanego do spalania w postaci środka utleniającego, ochładza się do około 650-950°C i w tej temperaturze oczyszcza się, korzystnie w cyklonie lub w filtrach ceramicznych, co najmniej z pyłu, wraz ze związkami metali alkalicznych i jako gaz czysty przez pobranie ciepła z gazu surowego ponownie ogrzewa się do temperatury wlotowej dopuszczalnej dla turbiny gazowej.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz spalinowy na wylocie z komory paleniskowej, przez domieszkowanie korzystnie zawracanymi spalinami lub gazem, podobnym do gazu stosowanego przy spalaniujako środek utleniający, schładza się do temperatury poniżej temperatury topnienia popiołu, ale powyżej temperatury wlotowej dopuszczalnej dla turbiny gazowej.
3. Urządzenie do wytwarzania gazów do napędu turbiny gazowej w kombinowanej siłowni gazowo-parowej, w którym węgiel, od postaci drobnoziarnistej do postaci pyłu, pod ciśnieniem > 1 · 102 kp_a oraz w temperaturze > 1000°C, jest spalany prawie całkowicie z powietrzem, albo powietrzem wzbogaconym w tlen lub z samym czystym tlenem, albo z zawracanymi spalinami, w komorze paleniskowej do postaci gazu spalinowego, do której jest przyłączony oczyszczalnik gazu, w którym gaz spalinowy jest oczyszczany co najmniej z pyłu, włączając w to związki metali alkalicznych i ewentualnie z SO2 i ΝΟχ, który jest połączony z turbiną gazową, która jest połączona z wytwornicą pary odpadowej, znamienne tym, że komora paleniskowa (33) jest utworzona z pierwszego zbiornika ciśnieniowego (1), zawierającego komorę spalania (27), której wylot (12) dla gazu spalinowego za pomocą pierwszego przewodu łączącego (2) jest połączony z wlotem (16) do drugiego zbiornika ciśnieniowego (3), stanowiącego wymiennik ciepła (34), którego wylot (17) zapomocądrugiego przewodu łączącego (4) jest połączony z wlotem (18) do trzeciego zbiornika ciśnieniowego (5), stanowiącego oczyszczalnik gazu (35), którego wylot (19) dla gazu czystego za pomocą trzeciego przewodu łączącego (6) jest połączony z wlotem (23) do drugiego zbiornika ciśnieniowego (3), z tym, że wewnętrzne strony ścian wszystkich zbiorników ciśnieniowych (1, 3, 5) i wszystkich przewodów łączących (2, 4, 6) są zaopatrzone w izolację cieplną (7), a wewnątrz izolacji cieplnej (7) w pierwszym zbiorniku ciśnieniowym (1), w pierwszym przewodzie łączącym (2) i w drugim zbiorniku ciśnieniowym (3) jest umieszczona okładzina (21), między którąa izolacjącieplną(7), jest utworzony ciąg połączonych jeden za drugim kanałów (8,9,10) dla gazu czystego, przy czym wlot (23) dla gazu czystego do zbiornika ciśnieniowego (3) jest doprowadzony do kanału (10), który poprzez kanały (8, 9) oraz wylot (13) z pierwszego zbiornika ciśnieniowego (1) jest połączony z turbiną gazową (36), a następnie z wytwornicą pary (37), przy czym turbina gazowa (36) jest połączona napędowo ze sprężarką (32) dla środka utleniającego.
4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że trzeci zbiornik ciśnieniowy (5) jest zaopatrzony w filtr (24), który jest ukształtowany jako filtr tkaninowy.
5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że trzeci zbiornik ciśnieniowy (5) jest zaopatrzony w filtr (24), który jest ukształtowany jako filtr ceramiczny.
6. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że kanały (8,9 i 10) sąutworzone z dwóch równoległych kanałów.
7. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że drugi przewód łączący (4) prowadzący do trzeciego zbiornika ciśnieniowego (5), jest zaopatrzony w zespół do wdmuchiwania dodatków·', utworzony z króćca (26) oraz elementu odcinającego (29).