WO2012107185A2 - Dampferzeuger - Google Patents

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    • F22—STEAM GENERATION
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    • F22B37/04—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler and characterised by material, e.g. use of special steel alloy

Definitions

  • the invention relates to a steam generator having a first passage formed by one or more pipes, through which a medium can be passed in liquid and / or vapor form, and a second passage through which a heating gas flows along the first passage
  • Steam generators of the generic type have been state of the art for many years and are used for example as so-called.
  • a water-tube boiler has a reaction space which is traversed or delimited by water- or steam-carrying pipes, the so-called water pipes.
  • a carbonaceous fuel is burned in the reaction space at low negative pressure.
  • the heat released during combustion is largely absorbed by the media flowing through the water pipes and used to generate and overheat water vapor.
  • the superheated steam thus produced is then expanded in a steam turbine connected to a generator at different pressure stages, whereby electric current is generated.
  • the electrical efficiency of the process described above increases with the temperature and pressure of the vapor introduced into the steam turbine.
  • the object of the present invention is therefore to provide a steam generator of the type described above, which can be made from currently available materials on the market, and yet allows it to generate steam at higher temperatures and pressures than in the prior art is possible.
  • Passage forming tubes is surrounded by a pressure-resistant jacket 'having on its inside a heat-insulating coating, and by the
  • a pressure-resistant jacket is to be understood as an envelope construction which is designed and dimensioned such that, under operating conditions, it is capable of withstanding an internal pressure which exceeds the external pressure by at least 1 bar.
  • the pressure-resistant jacket Due to the pressure-resistant jacket, it is possible to lead a heating gas with a relation to the atmospheric pressure increased pressure through the second passage. Since the pressure of the heating gas acts on the outer sides of the tubes forming the first passage, the pressure of the media guided inside the tubes can be compensated in whole or in part, thus at least reducing the mechanical loading of the tubes. For this reason, it is possible to reduce the wall thickness of the tubes compared to the prior art and / or to operate the tubes with higher internal pressure and / or at higher temperatures. Furthermore, the heat transfer to the pipes forming the first passage is improved by the increased pressure of the heating gas, which makes it possible to lower the heating gas temperature with the same heating power.
  • Embodiments of the steam generator according to the invention provide exactly one pressure-resistant jacket or several pressure-resistant jackets, wherein each jacket surrounds exactly one tube or several tubes of the first passage.
  • a pressure-resistant jacket made of steel, particularly preferably made of a steel used in the prior art for the construction of steam generators.
  • the steel may be a high temperature steel. Due to the heat-insulating coating, it is possible, the thermal
  • Sheath temperature can be limited during operation of the steam generator to less than 70 ° C, the use of fiber composite material is conceivable.
  • a fiber composite material is to be understood as meaning a material which is usually a
  • Plastic matrix which is reinforced by embedded fibers, such as glass or carbon fibers.
  • a pressure-resistant jacket is conceivable, consisting of a combination of steel and / or aluminum and / or a
  • Fiber composite material exists.
  • a variant of the invention provides that a pressure-resistant jacket is designed as a tube.
  • the tube cross section may have any shape, but preferably it has a circular shape.
  • a further variant of the invention provides that a pressure-resistant jacket is formed from flat or profiled sheets.
  • the first passage of a steam generator according to the invention may consist of arbitrarily shaped tubes.
  • the first passage includes at least one straight or one wound tube.
  • a pressure-resistant jacket of the steam generator according to the invention to a
  • the heat-insulating coating consists of a material which is chemically and physically resistant to those in the operation of the invention
  • the heat-insulating coating preferably consists of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) and / or silicon oxide (SiO 2 ) and / or silicon carbide (SiC).
  • the evaporator according to the invention can be used to evaporate any liquid and / or to overheat their vapor. Preferably, however, it is suitable for the evaporation of water and / or the overheating of water vapor.
  • FIG. 1 shows the sectional view of a steam generator according to the invention, the first passage of which is formed by a plurality of tubes, which are jointly surrounded by a pressure-resistant jacket.
  • the first passage is formed by a plurality of tubes, each of which is surrounded by a pressure-resistant jacket.
  • the steam generator D1 shown in FIG. 1 has tubes R1, which form a first passage through which, for example, water and / or water vapor can be conducted at a pressure of up to 350 bar (a) and at a temperature of up to 700.degree.
  • the tubes R1 are surrounded by a pressure-resistant jacket M1 made of heat-resistant steel, which is designed as a tube with a round cross-section.
  • a heat-insulating coating W1 is arranged on its inside.
  • the free space F1 within the pressure-resistant jacket M1 forms a second passage through which heating gas can be passed under increased pressure along the outer sides of the tubes R1.
  • the steam generator D2 shown in FIG. 2 has tubes R2 which form a first passage through which, for example, water and / or water vapor can be conducted at a pressure of up to 350 bar (a) and at a temperature of up to 700.degree.
  • Each of the tubes R2 is surrounded by a pressure-resistant jacket M2 of heat-resistant steel, which is constructed of profiled sheets.
  • a heat-insulating coating W2 is arranged on its inside.
  • the free spaces F2 inside the pressure-resistant jackets M1 form a second passage, can be passed through the heating gas with increased pressure along the outer sides of the tubes R2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger (D1, D2) mit einer durch ein oder mehrere Rohre (R1, R2) gebildeten ersten Passage, durch die ein Medium flüssig und/oder dampfförmig geleitet werden kann, sowie einer zweiten Passage (F1, F2), durch die ein Heizgas entlang der Außenseite jedes der die erste Passage bildenden Rohre (R1, R2) führbar ist. Jedes der die erste Passage bildenden Rohre (R1, R2) des Dampferzeugers (D1, D2) ist von einem druckfesten Mantel (M1, M2) umgeben, der an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung (W1, W2) aufweist, und durch dessen Innenraum die zweite Passage (F1, F2) verläuft.

Description

Beschreibung
Dampferzeuger
Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger mit einer durch ein oder mehrere Rohre gebildeten ersten Passage, durch die ein Medium flüssig und/oder dampfförmig geleitet werden kann, sowie einer zweiten Passage, durch die ein Heizgas entlang der
Außenseite jedes der die erste Passage bildenden Rohre führbar ist.
Dampferzeuger der gattungsgemäßen Art sind seit vielen Jahren Stand der Technik und werden beispielsweise als sog. Wasserrohrkessel zur Dampferzeugung in thermischen Kraftwerken eingesetzt. Ein Wasserrohrkessel weist einen Reaktionsraum auf, der von wasser- bzw. wasserdampfführenden Rohren - den sog. Wasserrohreh - durchzogen bzw. begrenzt wird. Gewöhnlich wird im Reaktionsraum bei geringem Unterdruck ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff verbrannt. Die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme wird weitgehend von den durch die Wasserrohre strömenden Medien aufgenommen und zur Erzeugung und Überhitzung von Wasserdampf genutzt. Der so erzeugte überhitzte Dampf wird anschließend in einer mit einem Generator verbundenen Dampfturbine auf verschiedenen Druckstufen entspannt, wobei elektrischer Strom erzeugt wird. Der elektrische Wirkungsgrad des oben beschriebenen Prozesses erhöht sich mit der Temperatur und dem Druck des in die Dampfturbine eingeleiteten Dampfes. Aus diesem Grund wird angestrebt, Dampf mit möglichst hohem Druck und möglichst hoher Temperatur zu erzeugen und der Dampfturbine zuzuführen. Nach dem Stand der Technik ist es möglich, mit Hilfe eines Wasserrohrkessels Hochdruckdampf mit maximal 600°C und 280bar(a) sowie Mitteldruckdampf mit maximal 620°C und
60bar(a) zu erzeugen. Um den elektrischen Wirkungsgrad weiter zu steigern, wird angestrebt, diese Werte deutlich zu erhöhen, und Hochdruckdampf mit 700°C und 350bar(a) sowie Mitteldruckdampf mit 720°C und 60 bis 120bar(a) bereitzustellen. Die. Hauptschwierigkeit, die es hierbei zu überwinden gilt, besteht darin, geeignete
Materialien zu entwickeln, aus denen Wasserrohre zu vertretbaren Kosten gefertigt werden können, die unter derart extremen Bedingungen eine ausreichend hohe Standzeit aufweisen. Nach Ansicht von Experten kann dies noch bis ins nächste Jahrzehnt dauern. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Dampferzeuger der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der aus gegenwärtig auf dem Markt erhältlichen Materialien gefertigt werden kann, und der es dennoch ermöglicht, Dampf mit höheren Temperaturen und Drücken zu erzeugen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jedes der die erste
Passage bildenden Rohre von einem druckfesten Mantel' umgeben ist, der an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung aufweist, und durch dessen
Innenraum die zweite Passage verläuft.
Unter einem druckfesten Mantel ist eine Hüllkonstruktion zu verstehen, die so gestaltet und dimensioniert ist, dass sie unter Betriebsbedingungen in der Lage ist, einen Innendruck zu ertragen, der den Außendruck um wenigstens 1 bar übersteigt.
Aufgrund des druckfesten Mantels ist es möglich, ein Heizgas mit einem gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhten Druck durch die zweite Passage zu führen. Da der Druck des Heizgases auf die Außenseiten der die erste Passage bildenden Rohre wirkt, kann der Druck der im Inneren der Rohre geführten Medien ganz oder teilweise kompensiert und so die mechanische Belastung der Rohre zumindest verringert werden. Aus diesem Grund ist es möglich, die Wandstärke der Rohre im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzieren und/oder die Rohre mit höherem Innendruck und/oder bei höheren Temperaturen zu betreiben. Weiterhin verbessert sich durch den erhöhten Druck des Heizgases die Wärmeübertragung auf die die erste Passage bildenden Rohre, wodurch es möglich ist, bei gleicher Heizleistung die Heizgastemperatur zu erniedrigen.
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Dampferzeugers sehen genau einen druckfesten Mantel oder mehrere druckfeste Mäntel vor, wobei jeder Mantel genau ein Rohr oder mehrere Rohre der ersten Passage umgibt.
Vorzugsweise besteht ein druckfester Mantel aus Stahl, besonders bevorzugt aus einem Stahl der nach dem Stand der Technik für den Bau von Dampferzeugern eingesetzt wird. Bei dem Stahl kann es sich um einen hochwarmfesten Stahl handeln. Durch die wärmeisolierende Beschichtung ist es möglich, die thermische
Beanspruchung des druckfesten Mantels soweit zu reduzieren, dass auch nicht- hochwarmfester Stahl sinnvoll einsetzbar ist. Insbesondere dann, wenn die
Manteltemperatur im Betrieb des Dampferzeugers auf weniger als 70°C begrenzt werden kann, ist auch der Einsatz von Faserverbundmaterial denkbar. Dabei ist unter einem Faserverbundmaterial ein Material zu verstehen, das üblicherweise eine
Kunststoffmatrix umfasst, die durch eingelagerte Fasern, wie beispielsweise Glas- oder Kohlenstofffasern, verstärkt ist. Weiterhin ist auch ein druckfester Mantel vorstellbar, der aus einer Kombination von Stahl und/oder Aluminium und/oder einem
Faserverbundmaterial besteht.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass ein druckfester Mantel als Rohr ausgeführt ist. Dabei kann der Rohrquerschnitt beliebige Form aufweisen, wobei er vorzugsweise jedoch Kreisform besitzt.
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass ein druckfester Mantel aus ebenen oder profilierten Blechen gebildet ist.
Die erste Passage eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers kann aus beliebig geformten Rohren bestehen. Bevorzugt Umfasst die erste Passage jedoch wenigstens ein gerades oder ein gewickeltes Rohr.
Ein druckfester Mantel des Dampferzeugers wird erfindungsgemäß auf einen
Betriebsdruck zwischen 2 und 100 bar(a) und eine Betriebstemperatur zwischen 60 und 350°C ausgelegt.
Die wärmeisolierende Beschichtung besteht aus einem Material, das chemisch und physikalisch beständig ist gegenüber den im Betrieb des erfindungsgemäßen
Dampferzeugers eingesetzten Heizgasen, bei denen es sich in erster Linie um Gase handelt, die durch Verbrennung oder Vergasung kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe erzeugt werden. Vorzugsweise besteht die wärmeisolierende Beschichtung aus Aluminiumoxid (Al203) und/oder Zirkoniumoxid (Zr02) und/oder Siliziumoxid (Si02) und/oder Siliziumkarbid (SiC). Der erfindungsgemäße Verdampfer kann zur Verdampfung einer beliebigen Flüssigkeit und/oder zur Überhitzung deren Dampfes eingesetzt werden. Vorzugsweise ist sie jedoch zur Verdampfung von Wasser und/oder der Überhitzung von Wasserdampf geeignet.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand zweier in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt die Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers, dessen erste Passage von mehreren Rohren gebildet wird, die gemeinsam von einem druckfesten Mantel umgeben sind.
Die Figur 2 zeigt die Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers, dessen erste Passage von mehreren Rohren gebildet wird, von denen jedes einzelne von einem druckfesten Mantel umgeben ist.
Der in Figur 1 dargestellte Dampferzeuger D1 weist Rohre R1 auf, die eine erste Passage bilden, durch die beispielsweise Wasser und/oder Wasserdampf mit einem Druck von bis zu 350bar(a) und mit einer Temperatur von bis zu 700°C geleitet werden können. Die Rohre R1 sind von einem druckfesten Mantel M1 aus warmfestem Stahl umgeben, der als Rohr mit rundem Querschnitt ausgeführt ist. Um den druckfesten Mantel M1 im Betrieb des Dampferzeugers D1 vor übermäßiger thermischer Belastung zu schützen, ist an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung W1 angeordnet. Der freie Raum F1 innerhalb des druckfesten Mantels M1 bildet eine zweite Passage, durch die Heizgas mit erhöhtem Druck entlang der Außenseiten der Rohre R1 geführt werden kann.
Der in Figur 2 dargestellte Dampferzeuger D2 weist Rohre R2 auf, die eine erste Passage bilden, durch die beispielsweise Wasser und/oder Wasserdampf mit einem Druck von bis zu 350bar(a) und mit einer Temperatur von bis zu 700°C geleitet werden können. Jedes der Rohre R2 ist von einem druckfesten Mantel M2 aus warmfestem Stahl umgeben, der aus Profilblechen aufgebaut ist. Um den druckfesten Mantel M2 im Betrieb des Dampferzeugers D2 vor übermäßiger thermischer Belastung zu schützen, ist an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung W2 angeordnet. Die freien Räume F2 innerhalb der druckfesten Mäntel M1 bilden eine zweite Passage, durch die Heizgas mit erhöhtem Druck entlang der Außenseiten der Rohre R2 geführt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Dampferzeuger mit einer durch ein oder mehrere Rohre gebildeten ersten
Passage, durch die ein Medium flüssig und/oder dampfförmig geleitet werden kann, sowie einer zweiten Passage, durch die ein Heizgas entlang der Außenseite jedes der die erste Passage bildenden Rohre führbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass jedes der die erste Passage bildenden Rohre von einem druckfesten Mantel umgeben ist, der an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung aufweist, und durch dessen Innenraum die zweite Passage verläuft.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er genau einen druckfesten Mantel oder mehrere druckfeste Mäntel umfasst, wobei ein druckfester
Mantel zumindest ein Rohr der ersten Passage umgibt.
3. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckfester Mantel aus Stahl und/oder Aluminium und/oder einem
Faserverbundmaterial besteht.
4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckfester Mantel als Rohr ausgeführt oder aus ebenen oder profilierten Blechen gebildet ist.
5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Passage mit einem oder mehreren geraden Rohren ausgeführt ist.
6. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Passage mit einem oder mehreren gewickelten Rohren ausgeführt ist.
7. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckfester Mantel auf einen Betriebsdruck zwischen 2 und 100 bar(a) und einer Betriebstemperatur zwischen 60 und 350°C ausgelegt ist.
8. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Beschichtung aus Aluminiumoxid (Al203) und/oder
Zirkoniumoxid (Zr02) und/oder Siliziumoxid (Si02) und/oder Siliziumkarbid (SiC) besteht.
9. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Verdampfung von Wasser und/oder der Überhitzung von Wasserdampf geeignet ist.
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