DE3801886A1 - Kombiniertes gas- und dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener wirbelschichtfeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Betreiben eines kombinierten Gas- und Dampf­ turbinenkraftwerks mit zirkulierender, druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit einer aufgeladenen Wirbel­ schichtfeuerung zu betreiben. Dabei wird aufbereitete Kohle zusammen mit einem Absorbenten in einem Wirbelbett ver­ brannt, wobei ein schwefeldioxyd- und stickoxydarmes Abgas entsteht, das die Umwelt kaum belastet. Die Brennluft wird bei druckaufgeladenen Wirbelschichtfeuerungen über Luft­ verdichter auf ca. 8 bis 16 bar verdichtet, das heiße Rauchgas wird in einer Gasturbine unter Energieabgabe ent­ spannt, wobei die Gasturbine den Luftverdichter und gege­ benfalls zusätzlich einen Generator antreibt. Die Verbren­ nungswärme der aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung wird größerenteils dazu genutzt, um Hochdruckdampf zu erzeugen, der einer Dampfturbine zugeführt wird.

Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades wird dabei eine Turbineneintrittstemperatur von über 800°C angestrebt. Das Hauptproblem bei der Realisierung der vorgeschlagenen Konzepte ist eine wirksame Entstaubung der ca. 800°C heißen Rauchgase, um einen sicheren Betrieb der nachgeschalteten Gasturbine zu gewährleisten und um die Umweltvorschriften für die Schadstoffemissionen einzuhalten.

Probleme im Bereich der Gasturbine ergeben sich dabei durch die Gefahr der Erosion der Schaufeln infolge der Staubteil­ chen im Rauchgas, die Gefahr einer starken Verschmutzung infolge Niederschlags fester und flüssiger Ascheteilchen und durch die Gefahr einer Hochtemperaturkorrosion infolge korrosionsauslösender Verbindungen wie Alkalidämpfe.

Das Problem der Heißgasentstaubung konnte bisher nicht befriedigend gelöst werden. Die Entstaubung mit Zyklonab­ scheidern ist voraussichtlich nicht ausreichend um einen sicheren Betrieb der nachgeschalteten Gasturbine zu gewähr­ leisten. Wirksam, zuverlässig und wirtschaftlich arbeitende Elektro- oder Gewebefilter stehen für Arbeitstemperaturen um 800°C bisher nicht zur Verfügung. Eine hochwirksame Entstaubung mit bewährten Elektro- oder Gewebefiltern ist bisher nur bei Temperaturen unter 600°C möglich.

Zur Lösung des Problems der Entstaubung wurde bei einigen Konzepten vorgeschlagen, das Rauchgas abzukühlen, bei einer Temperatur von ca. 400°C mit verfügbaren Filtern wirksam zu entstauben und danach direkt in einer Gasturbine zu ent­ spannen. Aufgrund der geringen Turbineneintrittstemperatur ergibt sich jedoch dabei ein vergleichsweise ungünstiger Wirkungsgrad.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wurde daher vorgeschla­ gen, das bei tieferen Temperaturen gereinigte Rauchgas in einem Rauchgas-Rekuperativwärmetauscher oder einem Wärme­ tauscher, der als Eintauchheizfläche von der Wirbelschicht­ feuerung beheizt wird, wieder auf über 800°C aufzuheizen. Konzepte dieser Art sind z.B. aus den Offenlegungsschriften EP 00 35 783, DE 30 24 474 A1 oder DE 31 27 733 A1 bekannt.

Ein weiteres Problem bei verschiedenen Konzepten mit aufge­ ladener Wirbelschichtfeuerung ist die Einstellung der rich­ tigen Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit von der jewei­ ligen Feuerungsleistung bzw. der Brennstoffzufuhr, insbe­ sondere bei Teillastbetrieb und beim An- und Abfahren des Kraftwerks. Bei einer starr gekoppelten Verdichter-Gastur­ binen-Generator-Einheit, die üblicherweise mit konstanter Drehzahl betrieben wird, ist keine oder nur eine geringe Veränderung des Verdichterluftstromes, z.B. zwischen 80 bis 100% durch Verstellen von Verdichtervorleitreihen, möglich. Eine weitere Absenkung des Verdichterluftstromes auf bis zu ca. 50% ist über eine Reduzierung der Drehzahl der Gasturbineneinheit möglich. Jedoch ist ein solches Verfahren aufgrund der Gefahr, daß die Verdichterpumpgrenze überschritten wird und aufgrund des relativ hohen Aufwandes für den erforderlichen Frequenzumformer problematisch und aufwendig.

Ein konstanter Verbrennungsluftstrom führt insbesondere beim An- und Abfahren und bei Teillastbetrieb zu verbren­ nungstechnischen Problemen aufgrund eines zu hohen Luft­ überschusses oder einer zu starken Fluidisierung und Kühlung der Wirbelschichtfeuerung.

Eine Möglichkeit die Verbrennungsluft für die Wirbelschicht­ feuerung einzustellen besteht darin, ein Teil der Verdich­ terluft aus der Gasturbine mittels eines Bypaßsystems an der Wirbelschichtfeuerung vorbeizuführen und die Verbrennungs­ luft mittels Drosselklappen im Bypaßluft- oder Verbren­ nungsluftstrom einzustellen. Dabei kommt es jedoch bei Teillastbetrieb zu einem deutlichem Abfall der Temperatur des Rauchgas-Bypaßluft-Gemisches durch die Mischung der relativ kalten Bypaßluft mit dem Rauchgas vor dem Gastur­ bineneintritt, was einen deutlichen Abfall des Wirkungs­ grades zur Folge hat.

Bei einer Einstellung der Verbrennungsluft mittels Drossel­ armaturen im Bypaßluftstrom kommt es zudem zu Drosselver­ lusten die den Wirkungsgrad zusätzlich verringern. Da eine Wirbelschichtfeuerung im Bereich des Wirbelbettes zu Schwin­ gungen und Pulsationen neigt, besteht zudem die Gefahr, daß sich diese Schwingungen und Pulsationen auf den Verbren­ nungsluft- und Rauchgasstrom und die Drosselarmaturen mit zugehörigen Regeleinrichtungen übertragen, so daß die Ein­ stellung eines bestimmten Verbrennungsluftstromes problema­ tisch sein kann.

Zudem kann es, je nach Auslegung des Kraftwerks, sinnvoll sein, deutlich mehr verdichtete Luft durch die Gasturbine durchzusetzen und in einem Wärmetauscher der Wirbelschicht­ feuerung aufzuheizen, als für die Wirbelschichtfeuerung als Verbrennungsluft benötigt wird, um z.B. einen Zusatzbrenn­ stoff in einer der Gasturbine vorgeschalteten Brennkammer zur weiteren Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur ver­ feuern zu können.

Aus der Offenlegungsschrift DE 31 23 391 A1 ist ein Verfah­ ren bekannt, bei dem die im Teillastbetrieb nicht benötigte Verbrennungsluftmenge in einer zusätzlichen Luftturbine zum Leistungsrückgewinn entspannt wird und bei dem das Rauchgas mittels einer zusätzlichen Brennkammer, die mit einem Zu­ satzbrennstoff befeuert wird, bei Teillastbetrieb nacher­ hitzt wird, um auch bei Teillast eine hohe Turbinenein­ trittstemperatur zu erzielen. Wesentliche Nachteile bei diesem Konzept sind der erhöhte Aufwand für den Gasturbo­ satz aufgrund der zusätzlichen Entspannungsturbine, der Einsatz eines teuren Zusatzbrennstoffes für die Stützfeuer­ ung und das ungelöste Problem einer wirksamen Heißgasent­ staubung.

Aus der Offenlegungsschrift DE 31 27 733 A1 ist ein Verfah­ ren bekannt, bei dem die Bypaßluft aus dem Verdichter einer Gasturbine in einem separaten Wärmetauscher aufgeheizt und anschließend mit dem in einem Rekuperativwärmetauscher wiederaufgeheizten Rauchgas gemischt und dann in einer Gasturbine entspannt wird. Der Wärmetauscher für die Bypaß­ luft ist dabei als Eintauchheizfläche innerhalb einer Wirbelschichtfeuerung angeordnet. Wesentliche Nachteile sind hierbei der hohe Aufwand für den Rekuperativwärmetau­ scher, der aufgrund der relativ niedrigen Grädigkeit für eine hohe Heizfläche auszulegen ist und der zusätzliche Aufwand für den Wärmetauscher zur Aufheizung der Bypaßluft. Ein weiterer Nachteil dabei ist, daß bei Teillastbetrieb und einer damit verbundenen Reduzierung des Verbrennungs­ luft- und Rauchgasstromes und bei Einsatz einer üblichen Gasturbine mit annähernd konstantem Luftdurchsatz der Bypaßluftsrom bei Teillast entsprechend zunimmt. Dadurch muß der Bypaßluft-Wärmetauscher aufgrund des bei Teillast­ betrieb zunehmenden Bypaßluftstromes für einen erhöhten Luftstrom gegenüber Vollastbetrieb ausgelegt werden, wodurch dieser Wärmetauscher deutlich verteuert wird.

Zudem kommt es bei Teillastbetrieb aufgrund der Zunahme der Bypaßluft und einer Zurücknahme der Feuerraumleistung zu einem Abfall der Temperatur der Bypaßluft. Auch die Rauch­ gastemperatur geht bei Teillastbetrieb und bei Einsatz einer üblichen stationären Wirbelschichtfeuerung stark zurück, weil bei einer, zur Leistungsreduzierung notwendi­ gen Betthöhenabsenkung, das Rauchgas durch die dann freige­ legten Eintauchheizflächen abgekühlt wird. Dies führt bei diesem Konzept bei Teillastbetrieb zu einem deutlichen Abfall der Mischtemperatur vor der Gasturbine und somit zu einem unzureichenden Wirkungsgrad bei Teillastbetrieb.

Ein weiteres Problem stellt die verfahrenstechnische Ausle­ gung der Wirbelschichtfeuerung und die Anordnung der Wärme­ tauscher im Bereich der Wirbelschichtfeuerung dar. Bei nahe­ zu allen bekannten Konzepten für aufgeladene Wirbelschicht­ feuerungen ist eine stationäre Wirbelschichtfeuerung als Feuerungssystem vorgesehen. Dabei wird bei einem Druck von z.B. 12 bar der zugeführte Brennstoff, i.a. Kohle, in einer Wirbelschichtbrennkammer verfeuert. Die Wärmeübertragung auf die Wärmetauscher erfolgt bei diesen Konzepten vorwiegend mittels Eintauchheizflächen, die innerhalb der ca. 4-6 m hohen fluidisierten Wirbelschicht angeordnet werden. Wesentliche Probleme bestehen bei diesen Systemen in der erhöhten Erosionsgefahr für die Eintauchheizflächen, in der Gefahr einer zu ungleichmäßigen Temperaturverteilung inner­ halb der Wirbelschicht infolge einer ungleichmäßig freige­ setzten Verbrennungswärme oder einer zu schlechten Durchmi­ schung der Wirbelschicht und in der Gefahr eines schlechten Verbrennungswirkungsgrades bei Teillastbetrieb infolge eines erhöhten Austrags unverbrannten Kohlenstoffs. Weitere Pro­ bleme bestehen im Bereich der Leistungsregelung zu der eine Einrichtung zur Betthöhenabsenkung erforderlich ist.

Aus dem Bereich der bei atmosphärischem Druck betriebenen Wirbelschichtfeuerungen sind verschiedene Verfahren be­ kannt, die nach dem Prinzip der zirkulierenden Wirbel­ schichtfeuerung arbeiten. Bei einer zirkulierenden Wirbel­ schichtfeuerung wird durch eine erhöhte Rauchgasgeschwin­ digkeit verstärkt Asche aus der Wirbelbrennkammer ausgetra­ gen und anschließend mit Hilfe von Zyklonabscheidern vom Rauchgas getrennt und in die Wirbelbrennkammer, zur Kühlung dieser, zurückgeführt. Die Wärmeübertragung erfolgt bei diesen Konzepten vorwiegend über Flossenrohr-Wandheizflä­ chen der Wirbelbrennkammer, über externe Fließbettkühler, in denen die aus der Wirbelbrennkammer ausgetragene Flug­ asche abgekühlt wird und bei einigen Systemen auch über zusätzliche Konvektionsheizflächen, die im Rauchgas-Flug­ aschestrom oberhalb der Wirbelbrennkammer angeordnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftwerks­ konzept mit einer aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung zu entwickeln, bei dem die beschriebenen Probleme anderer Konzepte vermieden werden und das möglichst auf bekannten und verfügbaren Komponenten aufgebaut werden kann.

Das Kraftwerksverfahren sollte so beschaffen sein, daß es den Anforderungen eines Energieversorgungsunternehmens an ein leistungsfähiges Mittellastkraftwerk genügt, wie die Forderungen nach geringen Kosten, geringer Schadstoffemis­ sion, breitem einsetzbarem Brennstoffband, Möglichkeit des relativ schnellen An- und Abfahrens, großem Lastbereich (ca. 25-100%) und gutem Wirkungsgrad, insbesondere auch bei Teillastbetrieb.

Dabei ist es wichtig, ein geeignetes und wirtschaftliches Verfahren für die Aufheizung des Rauchgases und der Bypaß­ luft zu finden, mit dem auch bei Teillastbetrieb eine hohe Turbineneintrittstemperatur erreicht wird und das eine kostengünstige Konstruktion der dazu notwendigen Wärmetau­ scher zulässt. Das Feuerungssystem sollte so aufgebaut sein, daß die Wärmeleistung gut regelbar ist, eine geringe Schad­ stoffemission bei hohem Ausbrand erzielt wird und die Ero­ sionsgefahr für die Wärmetauscher im Bereich der Wirbel­ schichtfeuerung gemindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den Patent­ ansprüchen gelöst.

Um die Probleme bei stationärer druckaufgeladener Wirbel­ schichtfeuerung zu vermeiden, wird als Feuerungssystem eine expandierte, zirkulierende Wirbelschichtfeuerung eingesetzt. Die Heizflächen für die Aufheizung des gereinigten Rauchga­ ses werden vorzugsweise als Konvektionsheizflächen direkt oberhalb einer Wirbelbrennkammer angeordnet. Die Wärmeüber­ tragung der in der Wirbelbrennkammer freigesetzten Verbren­ nungswärme zu diesen Heizflächen erfolgt über das, diese Heizflächen durchströmende, ca. 850°C heiße Rauchgas-Flug­ asche-Gemisch, das dabei auf eine Temperatur von 350 bis 800°C, vorzugsweise 600 bis 700°C abgekühlt wird. Anschließend wird die Flugasche größtenteils in Zyklonen abgeschieden und in die Wirbelbrennkammer, zur Kühlung die­ ser, zurückgeführt. Der zirkulierende Flugaschemassenstrom ist dabei, je nach gewählter Temperaturspanne, ca. 5 bis 15 mal so groß wie der Rauchgasmassenstrom, so daß die Wärmeü­ bertragung vorwiegend über die zirkulierende Flugasche als Wärmeträger erfolgt.

Da die Flugaschepartikel mit einem Partikeldurchmesser unter 0,05 mm von den Rückführzyklonen nur unzureichend abgeschieden werden, muß die Rauchgas- bzw. Fluidisations­ geschwindigkeit im Bereich der Wirbelbrennkammer so groß gewählt werden, daß genügend Flugasche mit einem Partikel­ durchmesser von ca. 0,1 bis 0,5 mm aus der Wirbelbrennkam­ mer ausgetragen wird, die dann von den Rückführzyklonen abgeschieden und rezirkuliert werden kann. Dabei ist zu beachten, daß die Erosionsgefahr für die Konvektionsheiz­ flächen oberhalb der Wirbelbrennkammer mit zunehmender Rauchgasgeschwindigkeit und zunehmendem Durchmesser der Flugaschepartikel stark zunimmt und daher zu begrenzen ist. Bei einer, bei atmosphärischem Druck betriebenen, zirkulie­ renden Wirbelschichtfeuerung hat sich eine Rauchgasleer­ raumgeschwindigkeit innerhalb der Wirbelbrennkammer von 5 bis 6 m/s als zweckmäßig herausgestellt. Bei einem druck­ aufgeladenen zirkulierenden System muß jedoch die Leerraum­ geschwindigkeit je nach Aufladedruck erheblich reduziert werden, um eine verstärkte Erosion der Konvektionsheizflä­ chen zu vermeiden. Für eine auf ca. 8 bis 16 bar, vorzugs­ weise 10 bis 12 bar, druckaufgeladene Wirbelschichtfeuerung wird daher die Rauchgasgeschwindigkeit (gerechnet als Leer­ raumgeschwindigkeit), bezogen auf Vollastbetrieb und für den mittleren und oberen Bereich der Wirbelbrennkammer, erfindungsgemäß auf nur 1,2 bis 2,5 m/s, vorzugsweise 1,5 bis 2,0 m/s festgelegt.

Damit die kleineren Kohlepartikel, die von den Rückführzy­ klonen nur unzureichend abgeschieden werden, vollständig ausbrennen, ist eine Verweilzeit des Rauchgases in der Wirbelbrennkammer von etwa 3 bis 5 Sekunden erforderlich. Aus dieser Forderung ergibt sich eine Höhe der Wirbelbrenn­ kammer von ca. 5 bis 8 m (gerechnet vom Düsenboden bis Unterkante Wärmetauscher). Die Verbrennungsluft kann zur Verminderung der Stickoxydemissionen und Verbesserung der Verbrennungsvorgänge in Primär- und Sekundärluft aufgeteilt der Wirbelbrennkammer zugeführt werden. Dabei wird die Primärluft über den Düsenboden und die Sekundärluft über seitlich, in 3 bis 5 m Höhe in einer oder mehreren Höhen­ stufen angebrachte Düsen der Wirbelbrennkammer zugeführt.

Zur Lösung des Problems der Einstellung der richtigen Verbrennungsluftmenge in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Wirbelschichtfeuerung, wird die Verdichterluft aus der Gasturbine zunächst über eine Bypaßleitung an der Wirbel­ schichtfeuerung vorbei und direkt einem Wärmetauscher für die gemeinsame Aufheizung der Bypaßluft und des Rauchgases zugeführt. Die Verbrennungsluft wird dann von dieser Bypaß­ leitung abgezweigt und der Wirbelschichtfeuerung über re­ gelbare Zusatzverdichter zugeführt, so daß die Verbren­ nungsluftmenge relativ schnell und in einem weitem Bereich, entsprechend der jeweiligen Feuerungsleistung und zur Temperaturregelung der Wirbelbrennkammer, eingestellt werden kann. Sinnvoll ist gegebenfalls, anstelle der Zusatzverdich­ ter vor der Wirbelschichtfeuerung oder ergänzend dazu, einen Verdichter im Rauchgasstrom, vorzugsweise hinter dem Fein­ filter, vorzusehen, um z.B. den Überdruck auf die Flossen­ rohrwände der Wirbelschichtfeuerung zu reduzieren. Gegeben­ falls kann die Einstellung der Verbrennungsluft auch über Drosselklappen erfolgen, die im Bypaß- und Verbrennungs­ luftstrom angeordnet werden.

Da eine wirksame und wirtschaftliche Entstaubung des Rauch­ gases bei Temperaturen über 600°C beim Stand der Technik nicht möglich ist, erfolgt die Feinentstaubung bei einer Temperatur von 250 bis 550°C, vorzugsweise bei ca. 250 bis 300°C. Bei einer Rauchgastemperatur unter 300°C ist der Einsatz bewährter und hochwirksamer Elektro- oder Gewebe­ filter möglich, mit denen Reststaubgehalte von weniger als 5 ppm (ca. 6,5 mg/Nm³) zu erreichen sind. Dazu wird das Rauchgas-Flugasche-Gemisch zunächst durch die Heizflächen im Bereich der Wirbelschichtfeuerung auf ca. 450 bis 800°C abgekühlt und mittels Zyklonabscheidern vorentstaubt. Nach der Vorentstaubung wird das Rauchgas durch Wärmetauscher des Dampferzeugersystems auf ca. 400°C, durch einen Rohgas- Reingas-Rekuperativwärmetauscher auf ca. 300°C und durch einen Speisewasservorwärmer oder einen Verdampfer auf die Entstaubungstemperatur von ca. 250°C abgekühlt. Nach der Feinentstaubung wird das Rauchgas in dem Rekuperativwärme­ tauscher wieder auf ca. 350°C aufgeheizt. Bei einer Anhe­ bung der Entstaubungstemperatur auf 350 bis 500°C können der Rekuperativwärmetauscher und der Speisewasservorwärmer oder Verdampfer entfallen.

Das gereinigte Rauchgas wird nach der Feinentstaubung er­ findungsgemäß mit der Bypaßluft gemischt und anschließend zusammen mit dieser in einem Wärmetauscher, der von der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung beheizt wird, auf mehr als 700°C aufgeheizt. Der Wärmetauscher zur Aufheizung des Rauchgasgemisches wird dazu, ebenfalls wie Wärmetauscher des Dampferzeugersystems, oberhalb einer Wirbelbrennkammer an­ geordnet und über das durchströmende Rauchgas-Flugasche- Gemisch beheizt. Dabei erfolgt die Wärmeübertragung vorwie­ gend über die mit dem Rauchgas ausgetragene und anschlie­ ßend rezirkulierte Flugasche als Wärmeträger, so daß es sich bei diesem Wärmetauscher von der Betriebsweise her nicht um einen Rekuperator handelt. Anschließend wird das aufgeheizte Rauchgas-Bypaßluft-Gemisch einer Gasturbine zugeführt und in dieser unter Energieabgabe entspannt.

Die Aufheizung des Rauchgases und der Bypaßluft in einem gemeinsamen Wärmetauscher führt gegenüber anderen Konzep­ ten, bei denen die Bypaßluft in einem separaten Wärmetau­ scher aufgeheizt wird, sowohl zu einer konstruktiven Ver­ einfachung als auch zu einer verfahrenstechnischen Verbes­ serung, da die Temperatur des Rauchgas-Bypaßluft-Gemisches besser einstellbar ist und somit bei Teillastbetrieb eine höhere Turbineneintrittstemperatur und damit ein höherer Teillastwirkungsgrad erzielbar ist.

Eine in der Patentschrift EP 00 35 783 vorgeschlagene Mischung des Rauchgases mit der Bypaßluft vor dem Feinfil­ ter zum Zwecke der Abkühlung des Rauchgases, ist wenig sinnvoll, weil eine Abkühlung des Rauchgases auf eine Ent­ staubungstemperatur von 250 bis 550°C durch Beimischung von Bypaßluft eine hohe Bypaßluftmenge bei Vollastbetrieb voraussetzt und der Feinfilter durch die dann notwendige Auslegung auf einen höheren Rauchgasstrom deutlich ver­ teuert wird.

Bei einer Anordnung der Heizflächen zur Dampferzeugung und des Wärmetauschers zur Aufheizung des Rauchgas-Bypaßluft- Gemisches in einem gemeinsamen Bereich der Wirbelschicht­ feuerung ergeben sich regelungstechnische Probleme beim Teillastbetrieb, insbesondere wenn die Dampferzeugerleis­ tung zur Erzielung eines guten Teillastwirkungsgrades deut­ lich stärker zurückgenommen werden soll als die Wärmeleis­ tung, die zur Aufheizung des Rauchgas-Bypaßluft-Gemisches notwendig ist. Dies gilt umsomehr, wenn der Luftdurchsatz durch die Gasturbine nicht oder nur geringfügig abgesenkt werden kann und die Temperatur des Gasgemisches, zur Erzie­ lung eines guten Teillastwirkungsgrades, konstant gehalten werden soll.

Um die Wärmeübertragung zu den Dampferzeugerheizflächen und dem Wärmetauscher zur Aufheizung des Rauchgasgemisches unabhängig voneinander einstellen zu können, wird deshalb vorgesehen, die Dampferzeugung und die Aufheizung des Rauchgasgemisches regelungstechnisch zu entkoppeln und auf zwei getrennte, separat regelbare Wirbelschichtfeuerungs- Module aufzuteilen. Diese Aufteilung ist insbesondere bei größeren Anlagen sinnvoll, bei kleineren Anlagen kann der Gaserhitzer zur Vereinfachung der Anlage unterhalb der Dampferzeuger-Heizflächen angeordnet werden, so daß die Temperatur des Gasgemisches bei Teillast nicht so stark abfällt.

Der Aufwand für die Wirbelschichtfeuerungsanlage bei einer Aufteilung in 2 separate Module kann gegebenfalls verein­ facht werden, wenn die Wärmetauscher zur Dampferzeugung und der Wärmetauscher zur Aufheizung des Rauchgasgemisches oberhalb einer gemeinsamen Wirbelbrennkammer angeordnet und zwischen den Wärmetauscher-Bereichen eine Trennwand ange­ bracht wird. Die Wärmeübertragung zu den Wärmetauscher- Bereichen kann dann dadurch eingestellt werden, daß in den zunächst getrennt geführten Rauchgasströmen verstellbare Drosselklappen oder Saugzuglüfter angeordnet werden.

Der Rauchgas-Flugaschestrom durch die Wärmetauscher-Berei­ che und damit die Wärmeübertragung zu diesen Wärmetauschern kann dann über diese Drosseleinrichtungen in Verbindung mit den Einrichtungen zur Regelung der Feuerungsleistung der Wirbelbrennkammer entsprechend den Betriebsanforderungen eingestellt werden.

Bei Teillastbetrieb des Kombikraftwerks wird entsprechend die Brennstoffzufuhr und der Verbrennungsluftstrom redu­ ziert, wobei sich dann der Bypaßluftstrom entsprechend erhöht. Bei der Reduzierung der Dampfleistung wird zunächst nur der Speisewasserstrom im Bereich der regenerativen Speisewasservorwärmung reduziert. Die Aufheiztemperatur des Rauchgasgemisches wird bei Teillastbetrieb möglichst kon­ stant gehalten. Der Wirkungsgrad fällt bei einer solchen Betriebsweise bei Teillastbetrieb deutlich weniger stark ab als bei anderen Kraftwerkskonzepten mit aufgeladener Wirbel­ schichtfeuerung. Das Kraftwerk eignet sich daher besonders gut für den Einsatz im Mittel- und Spitzenlastbereich. Zudem kann das Kraftwerk voraussichtlich relativ schnell an- und abgefahren werden.

Die Größe der Bypaßluft bei Vollastbetrieb ist abhängig von der Auslegung der Gesamtanlage und insbesondere von dem gewählten Verhältnis der Gasturbinenleistung zur Dampftur­ binenleistung.

Ein Vorteil des Konzeptes ist, daß aufgrund des niedrigen Staubgehaltes im gereinigten Rauchgas von weniger als 5 ppm, geringfügig modifizierte Seriengasturbinen, die für die Ver­ brennung von Öl oder Gas ausgelegt wurden, einsetzbar sind. Um den Wirkungsgrad des Kraftwerks weiter zu verbessern, kann das Rauchgasgemisch, zusätzlich zu der Vorheizung in einem Wärmetauscher auf ca. 750°C, in einer Gasturbinen­ brennkammer durch Verfeuerung eines Zusatzbrennstoffes wie Öl oder Gas weiter auf die maximal zulässige Turbinenein­ trittstemperatur einer Hochtemperaturgasturbine von z.B. 1100°C angehoben werden. Ein Vorteil der Vorheizung in einem Wärmetauscher besteht dabei darin, daß dann zu der weiteren Aufheizung nur eine relativ geringe Menge eines teuren Zusatzbrennstoffes wie Erdgas oder Heizöl benötigt wird.

Alternativ zu der vorgeschlagenen Auslegung der Wirbel­ schichtfeuerung mit einer Anordnung des Wärmetauschers zur Aufheizung des Rauchgasgemisches und der Wärmetauscher des Dampferzeugers direkt oberhalb einer Wirbelbrennkammer, können diese Wärmetauscher auch in externen Fließbettküh­ lern angeordnet werden. Die Wärmezufuhr zu den Fließbett­ kühlern erfolgt dann über heiße Asche, die als Flugasche aus der Wirbelbrennkammer ausgetragen, in Rückführzyklonen abgeschieden und dann mit einer Temperatur von ca. 850°C in die Fließbettkühler geleitet wird, wo diese unter Energie­ abgabe auf ca. 500°C abgekühlt wird. Anschließend wird die Asche wieder in den unteren Bereich der Wirbelbrennkammer zurückgeführt, um diese zu kühlen. Die Wärmezufuhr zu den einzelnen Fließbettkühlern kann über die Regelung der Aschezufuhr mittels Drosselschiebern eingestellt werden. Ein Nachteil einer solchen Auslegung ist jedoch ein vor­ aussichtlich höherer anlagentechnischer Aufwand gegenüber einer Auslegung mit Anordnung der Wärmetauscher direkt oberhalb einer Wirbelbrennkammer.

Ein technisches und wirtschaftliches Problem für das Gesamt­ konzept stellt die Konstruktion des Wärmetauschers zur Auf­ heizung des Rauchgas-Bypaßluft-Gemisches (Gaserhitzer) dar, da dieser Wärmetauscher für einen hohen Volumenstrom und eine hohe Betriebstemperatur bei möglichst kompakter Bau­ weise auszulegen ist. Bei kleineren Anlagen ist es möglich diesen Wärmetauscher ähnlich zu konstruieren wie Konvekti­ onsheizflächen in konventionellen Kraftwerken, nähmlich als vorwiegend horizontal angeordnete Heizrohrpakete, wobei die einzelnen Heizrohre durch die Kesselwände aus verschweißten Flossenrohrwänden geführt und außerhalb in Sammlern zusam­ mengefaßt werden.

Bei größeren Anlagen stößt dieses Konstruktionsprinzip jedoch auf Probleme, da die Anzahl der parallel zu schal­ tenden Heizrohre aufgrund des hohen Volumenstromes des Rauchgases relativ groß ist, so daß es problematisch wäre die vielen Heizrohre durch die Kesselwände hindurchzuführen und außerhalb zu sammeln. Weitere Probleme ergeben sich durch die hohe Temperaturdifferenz zwischen Heizrohr und Flossenrohrwand im Bereich der Durchführungen, die Tragkon­ struktion und die Kompensation der Wärmedehnungen der Heizrohre.

Diese Konstruktionsprobleme können dadurch gelöst werden, daß die relativ vielen, parallel zu schaltenden Heizrohre des Gaserhitzers vorwiegend in vertikaler Richtung im Kes­ sel, direkt oberhalb der Wirbelbrennkammer, angeordnet werden. Die vorwiegend vertikal verlaufenden Heizrohre münden dabei in ober- und unterhalb der Heizrohre verlau­ fende Verteiler- und Sammlerrohre, die horizontal angeord­ net sind und durch die seitlichen Kesselwände geführt und außerhalb zusammengefaßt werden.

Damit die Strömung des kesselseitigen Rauchgas-Flugasche- Gemisches nicht zu stark gestört wird, ist es notwendig den Durchmesser der horizontal verlaufenden Verteiler- und Sammlerrohre auf ca. 100 bis 300 mm zu beschränken. Um den Strömungsquerschnitt des Kessels durch die dann relativ hohe Anzahl von Verteiler- und Sammlerrohren nicht zu stark einzuschränken, werden erfindungsgemäß jeweils mehrere Verteiler- und Sammlerrohre untereinander angeordnet und dann, in Rohrgruppen zusammengefaßt, durch die seitlichen Kesselwandungen geführt. Möglich ist gegebenfalls auch anstelle der untereinander angeordneten Verteiler- und Sammlerrohre, Verteiler und Sammler mit z.B. elliptischem oder rechteckförmigem Querschnitt zu verwenden.

Bei der Konstruktion dieses Wärmetauschers ist zu beachten, daß sich für jedes Heizrohr eine etwa gleiche Länge ergibt, damit die Austrittstemperatur der einzelnen Heizrohre mög­ lichst gleich ist. Ferner ist darauf zu achten, daß sich die Heizrohre, in ausreichendem Maße, unabhängig voneinan­ der dehnen können, da sonst eine unterschiedliche Wärmedeh­ nung der einzelnen Heizrohre, infolge einer unterschiedli­ chen Temperatur, zu mechanischen Problemen als Folge einer behinderten Wärmedehnung führen kann.

Eine ausreichend unabhängige Wärmedehnungsmöglichkeit der einzelnen Heizrohre kann dadurch erreicht werden, daß die jeweiligen Verteiler- und Sammlerrohrgruppen nicht direkt untereinander, sondern so versetzt zueinander angeordnet werden, daß sich für jedes Heizrohr eine etwa gleiche Länge und mindestens ein Rohrbogen ergibt, in den hinein sich das Heizrohr dehnen kann.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs können die Heizrohre gegebenfalls mit Innen- und eventuell auch Außenflossen versehen werden. Ein wesentlicher Vorteil der Konstruktion ist, daß der Gaserhitzer in Module aufgeteilt und in Werk­ stätten wirtschaftlich vorgefertigt werden kann und zudem die Konstruktion selbsttragend ist, so daß auf eine aufwen­ dige Tragkonstruktion für Heiz-, Verteiler- und Sammlerrohre verzichtet werden kann.

Die durch die Erfindung des Kraftwerks mit aufgeladener, zirkulierender Wirbelschichtfeuerung mit Gaserhitzer für Rauchgas und Bypaßluft erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß durch das vorgeschlagene Verfahren

• - ein Kraftwerk mit weitgehend bekannten und verfügbaren Komponenten erstellt werden kann,
• - ein hoher Anlagenwirkungsgrad, insbesondere auch bei Teillastbetrieb, erreichbar ist,
• - ein breites Brennstoffband einsetzbar ist,
• - mit relativ geringem Aufwand die Forderungen des Umwelt­ schutzes nach geringer Schwefeldioxyd- und Stickoxydemis­ sion zu erfüllen sind und
• - eine kompakte und wirtschaftliche Ausführung der Anlage möglich ist.

In den Zeichnungen sind ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung und mehrere Varianten dazu dargestellt. Elemente, die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erfor­ derlich sind, wurden weggelassen.

Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines Kohle-Kombikraftwerks mit auf­ geladener Wirbelschichtfeuerung,

Fig. 2 eine Variante, bei der einer gemeinsamen Wirbelbrenn­ kammer zwei separat regelbare Wärmetauscher-Bereiche zugeordnet sind,

Fig. 3 eine Variante, bei der die Wärmeübertragung vorwie­ gend über externe Asche-Fließbettkühler erfolgt,

Fig. 4 einen Wärmetauscher zur Aufheizung eines Rauchgas- Bypaßluft-Gemisches (Vorder- und Seitenansicht).

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Das Kombikraftwerk in Fig. 1 besteht im wesent­ lichen aus einer aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung 8 bis 23, einer Gasturbinengruppe 1 bis 3 und einem Dampftur­ binenprozeß 30 bis 41.

Mit Hilfe eines Verdichters 1, der mit einer Gasturbine 2 und einem Synchrongenerator 3 über eine Welle gekoppelt ist, wird angesaugte Luft auf 12 bar verdichtet und einer aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung 11 zugeführt. Die Gas­ turbine 1, 2 ist eine modifizierte Seriengasturbine mit einer Turbineneintrittstemperatur von ca. 800°C und einer Leistung von 70 Mw. Die vom Verdichter angesaugte Luftmenge beträgt ca. 500 kg/s, der Abgasmassenstrom beträgt ca. 540 kg/s. Die Gasturbine wird über Rohrleitungen 4, 7 mit einem Druckbehälter 45 der aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung verbunden, wobei diese Rohrleitungen vorzugsweise zu einer koaxialen Doppelrohrleitung zusammengefaßt werden. Der Druckbehälter 45 ist ein Kugel- oder Zylinderdruckbehälter und umfaßt die Wirbelschichtfeuerung 11 und zugehörige Komponenten wie Verbindungsrohrleitungen 5, 7, 24, Ab­ scheidezyklone 18 und Wärmetauscher 20, 21, 22. Der Druck­ behälter 45 ist über einen Druckausgleichskanal 46 mit der Bypaßleitung 5 verbunden.

Die Verbrennungsluft für die Wirbelschichtfeuerung wird von der Bypaßleitung 5 abgezweigt, in regelbaren Zusatzverdich­ tern 8 um ca. 0,5 bar nachverdichtet und dann den Modulen 12, 13 der Wirbelschichtfeuerung zugeführt. Dabei ist das Kraftwerk in diesem Beispiel so ausgelegt, daß im Vollast­ bereich die gesamte Verdichterluft der Wirbelschichtfeuer­ ung als Verbrennungsluft zugeführt wird. Die Wirbelschicht­ feuerung wird mit gemahlener Kohle 9 und zur Einbindung des Schwefeldioxyds mit Kalkstein 10 beschickt.

Die aufgeladene Wirbelschichtfeuerung ist ausgelegt als expandierte, zirkulierende Wirbelschichtfeuerung. Die Ver­ brennungstemperatur innerhalb der Wirbelbrennkammern beträgt 800 bis 900°C. Der Wärmetauscher 15 zur Aufheizung des Rauchgas-Bypaßluft-gemisches und die Wärmetauscher 16, 17 des Dampferzeugersystems werden als Konvektionswärmetau­ scher direkt oberhalb der Wirbelbrennkammern 14 der Wirbel­ schichtfeuerungs-Module 12, 13 angeordnet und über das durchströmende Rauchgas-Flugasche-Gemisch beheizt, wobei das Rauchgas-Flugasche-Gemisch auf ca. 400 bis 800°C, vor­ zugsweise 600 bis 700°C, abgekühlt wird. In Zyklonabscheidern 18 wird die Flugasche größtenteils vom Rauchgas getrennt und über Asche-Rückführeinrichtungen 19 in die Wirbelbrenn­ kammern, zur Kühlung dieser, zurückgeführt. Die Wärmeüber­ tragung von den Wirbelbrennkammern 14 der Module 12, 13 zu den oberhalb der Wirbelbrennkammern angeordneten Wärmetau­ schern 15, 16, 17 erfolgt vorwiegend über die mit dem Rauchgas ausgetragene und anschließend rezirkulierte Flug­ asche als Wärmeträger, wobei der Flugaschemassenstrom ca. 10 bis 15 mal so groß ist wie der Rauchgasmassenstrom.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases beträgt inner­ halb der Wirbelbrennkammern bei Vollastbetrieb 1,2 bis 2,0 m/s, vorzugsweise ca. 1,7 m/s (gerechnet als Leerraumge­ schwindigkeit). Die Höhe der Wirbelbrennkammern beträgt etwa 7 m. Die Verbrennungsluft wird in nicht näher darge­ stellter Weise zur Verminderung der Stickoxydemissionen in Primär- und Sekundärluft aufgeteilt, wobei die Primärluft über den unteren Düsenboden und die Sekundärluft über seit­ lich, in 3 bis 4 m oberhalb des Düsenbodens angeordneten Sekundärluft-Düsen, den Wirbelbrennkammern zugeführt wird.

Die Wandungen der Wirbelschichtfeuerung 11 bestehen aus gekühlten Flossenrohrwänden, die in nicht näher dargestell­ ter Weise in die Dampferzeugerschaltung integriert werden und zur Vorwärmung oder Verdampfung von Speisewasser dienen. Das vorentstaubte Rauchgas wird in einem Speisewasservor­ wärmer und Vorverdampfer 20 auf 400°C, in einem Rohgas- Reingas-Rekuperativwärmetauscher 21 auf 300°C und in einem Teilstrom-Speisewasservorwärmer 22 auf 250°C abgekühlt. Nach einer hochwirksamen Entstaubung des Rauchgases in einer Schlauchfilteranlage 23 auf einen Reststaubgehalt von weniger als 5 ppm wird das gereinigte Rauchgas in dem Rekuperativwärmetauscher 21 wieder auf 350°C aufgeheizt und anschließend mit der Bypaßluft 5 gemischt.

Das Rauchgas-Bypaßluft-Gemisch 6 wird einem Wärmetauscher 15 zugeführt, dort auf 750 bis 800°C erhitzt und über eine Heißgasleitung 7 der Gasturbine 2 zugeführt. ln der Gastur­ bine 2 wird das Rauchgasgemisch unter Energieabgabe ent­ spannt und mit einer Temperatur von ca. 350°C den Abhitze­ kesseln 35, 34, 31 zugeführt, dort auf 80 bis 100°C abge­ kühlt und über einen Kamin, der in einen Kühlturm 43 inte­ griert ist, an die Atmosphäre abgegeben.

Das Kondensatwasser wird mittels einer Kondensatpumpe 30 einem Abhitzekessel 31 und einer mehrstufigen, regenerati­ ven Speisewasservorwärmung 36 zugeführt, dort jeweils auf 150°C vorgewärmt und danach einem Speisewasserbehälter und Entgaser 32 zugeleitet. Mit Speisewassserpumpen 33 wird das Speisewasser auf 280 bar verdichtet und, aufgeteilt in Teilströme, einem Abhitzekessel 34, einer mehrstufigen, regenerativen Hochdruck-Speisewasservorwärmung 37 und einem Rauchgaswärmetauscher 22 zugeführt, dort jeweils auf 250°C vorgewärmt und anschließend in einem Vollstrom-Abhitzekes­ sel 35 weiter auf ca. 290°C vorgewärmt.

Danach wird das Speisewasser in einem Speisewasservorwärmer und Vorverdampfer 20 weiter vorgewärmt und gegebenfalls teilverdampft und anschließend in einem Verdampfer und Überhitzer 16 vollständig verdampft und überhitzt. Der Frischdampf wird mit einer Temperatur von 540°C und einem Druck von 250 bar einer Hochdruckturbine zugeführt und dort unter Energieabgabe auf 40 bar entspannt. Der Zwischendampf wird in einem Zwischenüberhitzer 17 wieder auf 540°C er­ hitzt, in einer Niederdruckturbine auf 0,05 bar entspannt und in einem Kondensator 41 kondensiert. Die Kondensatwärme wird über einen Kühlkreislauf 42 und einen Kühlturm 43 an die Umgebung abgeführt. Die Dampfturbine 39 hat eine Leistung von 450 MW und treibt einen Generator 40 an.

Bei Teillastbetrieb wird zunächst nur die Dampfleistung reduziert und dabei der Speisewasserstrom im Bereich der regenerativen Speisewasservorwärmung 36, 37 reduziert, während die Eintrittstemperatur der Gasturbine konstant gehalten wird. Dadurch bleibt der Wirkungsgrad bis zu einer Teillast von etwa 50% nahezu konstant.

Die thermische Leistung des Kombikraftwerkes beträgt 1160 MW (zugeführter Brennstoffstrom, Hu), die abgegebene elektri­ sche Leistung beträgt 490 MW. Der Wirkungsgrad des Kraft­ werks beträgt ca. 42% (netto).

Der Wirkungsgrad kann weiter auf über 45% gesteigert werden, wenn in der Gasturbinenbrennkammer 25 ein sauberer Zusatzbrennstoff 26 wie Öl, Erdgas oder gereinigtes Kohle­ gas verfeuert wird und so die Turbineneintrittstemperatur weiter angehoben wird.

In Fig. 2 ist eine Variante dargestellt, bei der einer gemeinsamen Wirbelbrennkammer 14 zwei Wärmetauscher-Bereiche zugeordnet sind, wobei ein Bereich für die Aufheizung des Rauchgasgemisches und ein zweiter Bereich für Wärmetauscher des Dampferzeugersystems vorgesehen ist. Das Rauchgas wird zunächst mittels einer Trennwandung 51, die zwischen den Wärmetauscher-Bereichen 15 bzw. 16, 17 angebracht ist und durch separate Zyklonabscheider 18 und separate Rauchgaslei­ tungen bis zum Eintritt in den Nachschalt-Wärmetauscher 20 getrennt geführt. In den Rauchgasleitungen zwischen den Zyklonabscheidern 18 und dem Nachschalt-Wärmetauscher 20 befinden sich Drosselklappen 50, mit denen der Rauchgasstrom in diesen Rohrleitungen und damit auch die Aufteilung des Rauchgas-Flugasche-Stromes auf die beiden Wärmetauscher- Bereiche 15 bzw. 16, 17 eingestellt werden kann. Mit Hilfe der einstellbaren Drosselklappen 50 und den sonstigen Ein­ richtungen zur Regelung der Feuerung, kann dann die Wärme­ übertragung zu den einzelnen Wärmetauscher-Bereichen separat eingestellt werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Variante dargestellt, bei der die Wärmetauscher 15, 16, 17 in externen Asche-Fließbett­ kühlern angeordnet und über diese beheizt werden. Dazu wird ca. 850°C heiße Flugasche mit dem Rauchgas aus der Wirbel­ brennkammer ausgetragen, in Rückführzyklonen 18 abgeschie­ den und den Fließbettkühlern als Wärmeträger zugeführt. Die Einstellung der Wärmeleistung erfolgt über Drosselschieber 58 in den Asche-Zufuhrleitungen 57. Nach einer Abkühlung der Asche auf ca. 500°C wird diese in den unteren Bereich der Wirbelbrennkammer, zur Kühlung dieser, zurückgeführt. Das aus der Wirbelbrennkammer mit einer Temperatur von ca. 850°C austretende Rauchgas wird in Nachschalt-Wärmetau­ schern 20, 21, 22 auf ca. 250°C abgekühlt und dann wirksam entstaubt.

In Fig. 4 ist die Ausführungsform eines Wärmetauschers 15 dargestellt, der zur Aufheizung von gereinigtem Rauchgas oder einem Gemisch aus Rauchgas und Bypaßluft dient und direkt oberhalb der Wirbelbrennkammer einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung angeordnet wird. Der Wärmetauscher 15 in Fig. 4 besteht aus vorwiegend vertikal angeordneten, ca. 6 bis 10 m langen Heizrohren 62 mit einem Durchmesser von ca. 30 bis 50 mm.

Die vertikal angeordneten Heizrohre 62 münden in ober- und unterhalb der Heizrohre verlaufende, horizontal angeordnete Verteilerrohre 60 und Sammlerrohre 63 mit einem Durchmesser von ca. 150 bis 250 mm. Die Verteilerrohre 60 sind ein­ gangsseitig mit der Rohrleitung 6 für das Rauchgasgemisch verbunden. Die Sammlerrohre 63 sind ausgangsseitig mit der Heißgasleitung 7, die zur Gasturbine führt, verbunden.

Um den Strömungsquerschnitt des Kessels nicht zu sehr einzu­ engen sind jeweils 2 bis 4 Verteilerrohre 61 und 4 bis 8 Sammlerrohre 63 untereinander zu Rohrgruppen 61, 64 ange­ ordnet. Dabei sind, in diesem Ausführungsbeispiel, jeweils einer Verteilerrohrgruppe 61 zwei Sammlerrohrgruppen 64 zugeordnet. Die Verteiler- und Sammlerrohrgruppen sind dabei nicht direkt übereinander sondern so versetzt zueinander angeordnet, daß sich für jedes Heizrohr etwa eine gleiche Länge und mindestens ein Rohrbogen ergibt.

Für einen Wärmetauscher 15 der angegebenen Bauart sind bei einem Kraftwerk mit der im Beispiel angegebenen Leistung von ca. 500 MW etwa 6000 vertikal angeordnete Heizrohre 62 mit einer Länge von etwa 8 m erforderlich, wobei der gesam­ te Wärmetauscher aus Transport- und Fertigungsgründen in ca. 10 einzelne, nebeneinander angeordnete Wärmetauschermo­ dule 65 unterteilt wird. Die einzelnen Wärmetauschermodule 65 werden über Halterungen 66, die mit den Verteilerrohr­ gruppen 61 verbunden sind, als selbsttragende Konstruktion im Kessel aufgehängt.

Die Erfindung ist nicht auf das Beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte beschränkt. Die gewählten Schal­ tungen lassen eine vielfache Variation und Weiterentwick­ lung zu. Die Entstaubung des Rauchgases kann gegeben­ falls bei höheren Temperaturen erfolgen, was zu einer Vereinfachung bei den Wärmetauschern führen würde, die Module der Wirbelschichtfeuerung können eventuell, insbe­ sondere bei kleineren Anlagen, zusammengefaßt werden.

Das Verfahren zur Aufheizung des Rauchgases und der Bypaß­ luft in einem gemeinsamen, von der Wirbelschichtfeuerung beheizten Wärmetauscher, ist auch für andere aufgeladene Feuerungssysteme geeignet, z.B. für Systeme mit stationärer Wirbelschichtfeuerung.

• Bezugszeichenliste:  1 Verdichter
   2 Gasturbine
   3 Generator
   4 Leitung für Verdichterluft
   5 Bypaßleitung für Verdichterluft
   6 Leitung für Rauchgas-Bypaßluft-Gemisch
   7 Heißgasleitung
   8 Zusatzverdichter
   9 Brennstoffzufuhr
  10 Absorptionsmittelzufuhr
  11 druckaufgeladene Wirbelschichtfeuerung
  12 Wirbelschichtfeuerungs-Modul für Gaserhitzer
  13 Wirbelschichtfeuerungs-Modul für Dampferzeugung
  14 Wirbelbrennkammer
  15 Wärmetauscher für Rauchgasgemisch (Gaserhitzer)
  16 Dampferzeuger und Überhitzer
  17 Zwischenüberhitzer
  18 Abscheidezyklon
  19 Flugasche-Rückführung
  20 Speisewasservorwärmer und Vorverdampfer
  21 Rekuperativ-Wärmetauscher
  22 Teilstrom-Speisewasservorwärmer
  23 Feinentstaubung
  24 Leitung für gereinigtes Rauchgas
  25 Gasturbinenbrennkammer
  26 Leitung für Zusatzbrennstoff
  30 Kondensatpumpe
  31 Niederdruck-Teilstrom-Abhitzekessel
  32 Speisewasserbehälter und Entgaser
  33 Speisewasserpumpen
  34 Teilstrom-Abhitzekessel
  35 Vollstrom-Abhitzekessel
  36 regenerative Niederdruck-Speisewasser­ vorwärmung
  37 regenerative Hochdruck-Speisewasser­ vorwärmung
  38 Dampfzuleitung von Entnahmedampf
  39 Dampfturbine
  40 Generator
  41 Kondensator
  42 Kühlkreislauf
  43 Kühlturm mit integriertem Kamin
  45 Druckbehälter
  46 Druckausgleichsleitung
  50 Drosselklappe
  51 Trennwandung
  55 Asche-Fließbettwärmetauscher für Gaserhitzer
  56 Asche-Fließbettwärmetauscher für Dampferzeuger
  57 Aschezuleitung
  58 Drosselschieber
  60 Verteilerrohr
  61 Verteilerrohrgruppe
  62 Heizrohr
  63 Sammlerrohr
  64 Sammlerrohrgruppe
  65 Wärmetauscher-Modul
  66 Halterung

Claims (21)

1. Kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit aufgela­ dener Wirbelschichtfeuerung,

• - mit einer Gasturbinengruppe (1 bis 3) zur Aufladung der Wirbelschichtfeuerung,
• - mit einem Dampferzeugersystem zum Betreiben einer Dampfturbine (39),
• - mit einem hochwirksamen Entstaubungssystem (23) im Rauch­ gasstrom nach der Wirbelschichtfeuerung (11) und vor Eintritt des Rauchgases in die Gasturbine (2),
• - mit einem Abhitzekessel (31, 34, 35) hinter dem Gasturbinen­ austritt zur Nutzung der Restwärme im Rauchgas zur Vorwär­ mung und gegebenfalls Verdampfung von Speisewasser,

dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas (24) aus der aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung nach einer Feinentstaubung (23) mit der Bypaßluft (5) aus dem Verdichter (1) einer Gasturbine gemischt und das Rauchgasge­ misch (6) anschließend in einem Wärmetauscher (15) aufge­ heizt wird, wobei der Wärmetauscher (15) zur Aufheizung des Rauchgasgemisches oberhalb einer Wirbelbrennkammer (14) der Wirbelschichtfeuerung angeordnet und über ein, diesen Wärme­ tauscher durchströmendes, Rauchgas-Flugasche-Gemisch beheizt wird und wobei der Wärmetransport aus der Wirbelbrennkammer (14) zu diesem Wärmetauscher (15) größerenteils über die, mit dem Rauchgas ausgetragene, Flugasche erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauscher (16, 17) des Dampferzeugersystems oberhalb einer Wirbelbrennkammer (14) der Wirbelschichtfeuerung ange­ ordnet und über ein, diese Wärmetauscher durchströmendes, Rauchgas-Flugasche-Gemisch beheizt werden, wobei der Wärme­ transport zu diesen Wärmetauschern (16, 17) größerenteils über die, mit dem Rauchgas ausgetragene, Flugasche erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugasche im Anschluß an die Durchströmung der, direkt oberhalb einer Wirbelbrennkammer (14) angeordneten Wärmetauscher (15, 16, 17), in Abscheidern (18) größtenteils vom Rauchgas getrennt und in die Wirbelbrennkammer (14), zur Kühlung dieser, zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschichtfeuerung auf einen Druck von 8 bis 16 bar aufgeladen wird und die Strömungsgeschwindigkeit des in vertikaler Richtung strömenden Rauchgases im Bereich der Wirbelbrennkammer (14) 1,0 bis 2,5 m/s, vorzugsweise 1,0 bis 2,0 m/s beträgt (gerechnet als mittlere Leerraumgeschwindig­ keit).

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeladene Wirbelschichtfeuerung (11) in mehrere, separat regelbare Module (12, 13) aufgeteilt wird, die der Aufheizung des Rauchgas-Bypaßluft-Gemisches (15) und der Dampferzeugung (16, 17) dienen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft für die aufgeladene Wirbelschicht­ feuerung (11) von der Bypaßleitung (5) abgezweigt und den Modulen (12, 13) der Wirbelschichtfeuerung über regelbare Verdichter (8) zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Rauchgaspfad hinter dem Flugasche-Abscheider (18) Wärmetauscher des Dampferzeugersystems (20, 22) angeordnet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Rauchgaspfad zwischen dem Flugasche-Abscheider (18) und einem Wärmetauscher (22) des Dampferzeugersystems ein Rohgas-Reingas-Rekuperativwärmetauscher (21) zwischenge­ schaltet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer gemeinsamen Wirbelbrennkammer (14) mehrere Wärme­ tauscher-Bereiche (15 bzw. 16, 17) zugeordnet sind und in den separaten Rauchgasströmen Einrichtungen wie z.B. Drossel­ klappen (50) angeordnet sind, mit denen der Rauchgasmassen­ strom beeinflußt oder eingestellt werden kann (Fig. 2).

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur innerhalb der Wirbelbrennkammer 700 bis 1100°C, vorzugsweise 800 bis 900°C, die Temperatur des Rauchgas-Flugasche-Gemisches vor Eintritt in die Abscheider (18) 400 bis 800°C, vorzugsweise 600 bis 700°C und die Temperatur des Rauchgases vor der Feinentstaubung (23) 250 bis 450°C beträgt.

11. Kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener Wirbelschichtfeuerung (Fig. 3),

• - mit einer Gasturbinengruppe (1 bis 3) zur Aufladung der Wirbelschichtfeuerung,
• - mit einem Dampferzeugersystem zum Betreiben einer Dampfturbine (39),
• - mit einem hochwirksamen Entstaubungssystem (23) im Rauch­ gasstrom nach der Wirbelschichtfeuerung und vor Eintritt des Rauchgases in die Gasturbine (2),
• - mit einem Abhitzekessel (31, 34, 35) hinter dem Gasturbinen­ austritt zur Nutzung der Restwärme im Rauchgas zur Vorwär­ mung und gegebenfalls Verdampfung von Speisewasser,

dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas (24) aus der aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung nach einer Feinentstaubung (23) mit Bypaßluft (5) aus dem Verdichter (1) einer Gasturbine gemischt und das Rauchgasge­ misch (6) anschließend gemeinsam in einem Wärmetauscher (15) aufgeheizt wird, wobei der Wärmetauscher (15) zur Aufheizung des Rauchgasgemisches in einem Fließbettwärmetauscher (55) angeordnet, und über die aus der Wirbelbrennkammer (14) aus­ getragene und dem Fließbettwärmetauscher zugeführte heiße Flugasche beheizt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauscher (16, 17) des Dampferzeugersystems in einem Asche-Fließbettwärmetauscher (56) angeordnet und über die, aus der Wirbelbrennkammer (14) ausgetragene und dem Fließ­ bettwärmetauscher zugeführte heiße Flugasche als Wärmeträger beheizt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bypaßluft (5) im Bereich des Vollastbetriebes des Kraftwerks gegen Null zurückgeht.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas-Bypaßluft-Gemisch (7) in einer Brennkammer (25) vor dem Gasturbineneintritt durch Verbrennen eines Zusatzbrennstoffes (26) weiter aufgeheizt wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, zur Aufheizung eines Rauchgas-Bypaßluft-Gemisches oder eines sonstigen gasförmi­ gem Mediums in einer aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung, bestehend aus vorwiegend vertikal angeordneten, parallel geschalteten Heizrohren (62), die in ober- und unterhalb der Heizrohre angeordnete, horizontal verlaufende Verteiler- und Sammlerrohre (60, 63) münden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Verteiler- und, oder Sammlerrohre (60, 63) übereinander zu Rohrgruppen (61, 64) angeordnet werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Verteiler- und Sammlerrohr­ gruppen (61, 64) so versetzt zueinander angeordnet werden, daß sich für jedes dazwischen angeordnete Heizrohr eine etwa gleiche Länge und mindestens ein Rohrbogen ergibt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vertikal angeordneten Heizrohre längs­ seitig mit Innen- und, oder Außenflossen versehen werden.

18. Kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit aufgeladener Wirbelschichtfeuerung,

• - mit einer Gasturbinengruppe (1 bis 3) mit der die Wirbel­ schichtfeuerung auf einen Druck von 8 bis 16 bar aufgeladen wird,
• - mit einem Dampferzeugersystem zum Betreiben einer Dampfturbine (39),
• - mit einem Abhitzekessel (31, 34, 35) hinter dem Gasturbinen­ austritt zur Nutzung der Restwärme im Rauchgas zur Vorwär­ mung und gegebenfalls Verdampfung von Speisewasser,

dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb einer Wirbelbrennkammer (14) der aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung Konvektionswärmetauscher (15, 16, 17) angeordnet und über das, diese Wärmetauscher durchströmende, Rauchgas-Flugasche-Gemisch beheizt werden, wobei der Wärme­ transport aus der Wirbelbrennkammer zu diesen Wärmetauschern größerenteils über die mit dem Rauchgas ausgetragene Flug­ asche als Wärmeträger erfolgt und wobei die Strömungsge­ schwindigkeit des in vertikaler Richtung in der Wirbelbrenn­ kammer (14) strömenden Rauchgases (gerechnet als mittlere Leerraumgeschwindigkeit) auf 1,0 bis 2,0 m/s beschränkt wird und die Flugasche im Anschluß an die Durchströmung der Wärmetauscher (15, 16, 17) in Abscheidern (18) größtenteils vom Rauchgas getrennt und in die Wirbelbrennkammer zurückgeführt wird.