DE4116356C2 - Feuerungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuerungsanlage mit einem Wärmetauscher zur Rückübertragung der Rauchgasabwär­ me. Die Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen mittels eines solchen Wärmetauschers dient üblicherweise da­ zu, die für die Feuerungsanlage benötigte Verbren­ nungsluft und/oder das Kesselspeisewasser eines durch die Feuerungsanlage beheizten Dampferzeugers vorzu­ wärmen. Eine derartige Feuerungsanlage ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 36 36 554 bekannt, bei der das Rauchgas aus einem Dampferzeuger nach Durch­ strömen einer Entstickungsanlage zunächst die heiße Seite eines Wärmetauschers durchströmt, anschließend einen Niederdruck-Speisewasservorwärmer durchläuft, dann einen Elektrofilter und anschließend wieder die kalte Seite des Wärmetauschers.

Derartige Feuerungsanlagen werden nachträglich oder beim Neubau mit katalytischen oder nicht katalyti­ schen Reduktionsstufen für die Stickoxide und einer Rauchgasentschwefelungsanlage ausgestattet. Aus wirt­ schaftlichen Gründen, d. h. wegen geringerer Wirkungs­ gradverluste und wegen deutlich niedrigerer Investi­ tionskosten wird die katalytische oder nicht kataly­ tische Reduktionsstufe für die Stickoxide bevorzugt im Rauchgasstrom stromauf von der Wärmerückgewinnung angeordnet. Diese Reduktionsstufe liegt dann auch stromauf von einem bei mit Kohle beheizten Feuerungs­ anlagen immer erforderlichen Entstauber.

Schwierigkeiten bereiten bei dieser Anordnung die niedrigen Rohrwandtemperaturen eines nach der Reduk­ tionsstufe für die Stickoxide angeordneten Speisewas­ ser- oder Kondensatvorwärmers, da es wegen des nach der Reduktionsstufe bzw. am Ende des Dampferzeugers vorhandenen Ammoniakschlupfes und der Schwefeloxide auf den Heizflächen zu Ablagerungen aus Ammoniumbi­ sulfat und Staub kommt. Diese Ablagerungen sind kor­ rosiv, vermindern den Wärmeübergang und führen zu Verstopfungen. Die Ablagerungen müssen daher durch geeignete Verfahren entfernt werden. Es ist möglich, die Ablagerungen durch Waschen zu entfernen, jedoch müssen die Wärmetauscherflächen konstruktiv entsprechend ausgeführt sein. Dabei ist zum Abwaschen der Ablagerungen ein Kesselstillstand in nicht vorhersehbarer Zeitdauer erforderlich.

Eine andere Möglichkeit, die Wärmetauscherheizflächen von Ablagerungen zu befreien, besteht darin, diese, wenn es sich um Speisewasservorwärmer handelt, zu entleeren und mit heißem Rauchgas bzw. Dampf zu beaufschlagen. Die Rauchgas- bzw. Dampftemperatur muß dabei über der Sublimationstemperatur der Ammoniumsalze liegen. Auch in diesem Fall ist ein Kesselstillstand erforderlich, über deren Häufigkeit und Zeitdauer keine Erfahrungen vorliegen.

Schließlich ist es auch möglich, die Wärmetauscherflächen so groß zu dimensionieren, daß der Wärmeübergang trotz der Ablagerung bis zu einem üblicherweise erforderlichen Kesselstillstand ausreichend ist. In diesem Falle wären so große Nachschaltheizflächen erforderlich, daß eine derartige Auslegung unwirtschaftlich wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feuerungsanlage mit einem Wärmetauscher im Rauchgasstrom zu schaffen, dessen Wärmetauscherflächen eine Temperatur aufweisen, bei der noch keine erhöhte Gefahr von Ablagerungen besteht bzw. die sich leicht von Ablagerungen befreien lassen und die es erlaubt, den Wärmetauscher zur Rückübertragung der Abwärme in den Rauchgasen auf Teilbereiche des Dampferzeugers der Feuerungsanlage bei sehr niedriger Temperatur zu betreiben, ohne daß bei diesen Wärmetauscherflächen die Gefahr von Ablagerungen und Korrosion besteht.

Ausgehend von dieser Aufgabe wird bei einer Feue­ rungsanlage der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, erfindungsgemäß im Rauchgasstrom anschließend an eine beispielsweise katalytische Reduktionsstufe für Stickoxide und vor einem Rauchgasentstauber einen Wärmetauscher anzuordnen, diesen Wärmetauscher mit einem im geschlossenen Kreislauf geführten rauchgas­ freien oder weitgehend rauchgasfreien Wärmeträger zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmetauscher im Rauch­ gasstrom zu beaufschlagen und wenigstens einen Wärme­ tauscher im Wärmeträgerkreislauf zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträger anzuordnen.

Da sich der Wärmeträger von den in den Rauchgasen enthaltenen Bestandteilen, wie Staub, Ammoniumsulfat und Schwefeloxiden freihalten läßt, kann der zweite Wärmetauscher mit sehr niedrigen Rohrwandtemperaturen betrieben werden, ohne daß die Gefahr von Taupunkts­ unterschreitungen und der Bildung von Ammoniumbisul­ fat besteht. Der erste Wärmetauscher im Rauchgasstrom läßt sich auf einfache Weise so gestalten, daß er sich von hier ggf. eintretenden Ablagerungen befreien läßt, was mit den vorher beschriebenen Verfahren, d. h. mit Wasser, mit heißem Rauchgas oder mit Dampf geschehen kann.

Vorzugsweise kann im Wärmeträgerkreislauf Luft als Wärmeträger verwendet werden, da in diesem Fall keine besonderen Vorkehrungen bezüglich der Dichtigkeit des Wärmeträgerkreislaufs getroffen werden müssen. Es ist jedoch auch möglich, andere Fluide, vorzugsweise sol­ che, die auch bei höheren Temperaturen bis über 300°C einen niedrigen Dampfdruck entwickeln, einzusetzen.

Zur Vorwärmung von Speisewasser kann ein im Wärmeträ­ gerkreislauf angeordneter Speisewasservorwärmer die­ nen, da der Wärmetauscher im Rauchgasstrom in einem Temperaturbereich liegt, der hierfür besonders geeignet ist. Stromab vom Speisewasservorwärmer kann im Wärmeträgerkreislauf noch ein Kondensatvorwärmer angeordnet sein, der bei sehr niedrigen Rohrwandtemperaturen betrieben wird. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, Kondensat mit niedriger Eintrittstemperatur vorzuwärmen, wodurch sich Inventitionskostenvorteile wegen kleinerer druckführender Berührungsflächen ergeben.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die erfindungsgemäße Feuerungsanlage mit ihrem Wärmeträgerkreislauf im Rauchgasstrom eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenprozesses angeordnet ist. Der für den Dampfturbinenprozeß benötigte Dampferzeuger kann vorteilhafterweise mit Kohlenstaub nachgefeuert sein, wobei der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff in den Abgasen der mit Luftüberschuß betriebenen Gasturbine enthalten ist. Für die Feuerung des Dampferzeugers wird daher keine oder nur wenig zusätzliche Verbrennungsluft benötigt. Aus diesem Grunde sind bei den üblichen Kombikraftwerken die Nachschaltheizflächen am Kesselende als Berührungsheizflächen, z. B. als Teilstromspeisewasservorwärmer ausgeführt. Aufgrund der niedrigen Rohrwandtemperaturen besteht bei der Anwendung der katalytischen oder nicht katalytischen Reduktion von Stickoxiden in den Rauchgasen wegen des nach dem Katalysator bzw. am Ende des Dampferzeugers vorhandenen Ammoniakschlupfes und des Schwefeltrioxides auf den Heizflächen die Gefahr von Ablagerungen, die im wesentlichen aus Ammoniumsulfat bestehen. Die bisher bekannten Heizflächen lassen sich nicht mit Wasser reinigen. Demgegenüber besteht bei der erfindungsgemäßen Feuerungsanlage mit einem Wärmetauscher im Rauchgasstrom, einem Wärmeträgerkreislauf zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmetauscher im Rauchgasstrom und wenigstens einem Wärmetauscher im Wärmekreislauf zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträger und zur Abgabe an wenigstens einen Teilbereich der Feuerungsanlage z. B. an einen Speisewasservorwärmer und/oder einen Kondensatvorwärmer eine erheblich geringere Ablagerungsgefahr, da die Wärmetauscherflächen im Rauchgasstrom konstruktiv geeigneter und nicht so niedrige Temperaturen erreichen wie die Wärmetauscherflächen von direkt im Rauchgasstrom angeordneten Speisewasservorwärmern oder Kondensatvorwärmern. Des weiteren lassen sich die Wärmetauscherflächen leichter reinigen.

Wird Luft als Wärmeträger im Wärmeträgerkreislauf eingesetzt, besteht noch der Vorteil, daß sich ein Teilstrom der erwärmten Luft abzweigen und einer Kohlenstaubmühle und/oder als zusätzliche Verbrennungsluft einem oder mehreren Brennern des Dampferzeugers zuleiten läßt.

Besonders vorteilhaft ist es für den Wärmetauscher im Rauchgasstrom einen an sich bekannten Regenerativwärmetauscher, z. B. einen rotierenden Ljungström-Wärmetauscher zu verwenden, da die Wärmetauscherflächen ständig umlaufen und sich, ohne Kesselstillstände in Kauf nehmen zu müssen, kontinuierlich mittels auf der Rauchgasseite des Regenerativwärmetauschers angeordneten Staubbläsern reinigen lassen.

Besonders wirkungsvoll läßt sich ein solcher Staubbläser gestalten, wenn eine Luftkammer auf der Rauchgasseite vor einer Radialdichtung angeordnet wird und durch Luft aus dem Wärmeträgerkreislauf beaufschlagt wird. Die Luftkammer kann dabei auf der heißen Seite oder auf der kalten Seite des Regenerativwärmetauschers angeordnet sein. Durch die kontinuierliche Beaufschlagung der Luftkammer, wird das zwischen den Heizflächen befindliche Rauchgasvolumen völlig verdrängt und kann dadurch beim Eintreten der Heizfläche auf die Wärmeträgerseite (z. B. Luftseite) nicht in den Wärmeträgerkreislauf gelangen und dort zu Verschmutzungen oder Ablagerungen führen.

Um weiterhin zu verhindern, daß mit Schadstoffen belastete Rauchgase in den Wärmeträgerkreislauf eingeschleppt werden, kann im Wärmeträgerkreislauf stromauf vom Regenerativwärmetauscher ein Umwälzgebläse angeordnet sein, durch das der Druck auf der Luftseite oberhalb des Druckes auf der Rauchgasseite des Regenerativwärmetauschers gehalten wird. Geringfügige Undichtigkeiten der Radialdichtungen zwischen der Rauchgasseite und der Luftseite des rotierenden Wärmetauschers führen dann allenfalls dazu, daß Luft aus dem Wärmeträgerkreislauf in den Rauchgasstrom gelangt. Des weiteren läßt sich aufgrund des Überdrucks im Wärmeträgerkreislauf auf einfache Weise die Luftkammer mit Luft aus dem Wärmeträgerkreislauf über eine Abzweigleitung beaufschlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kombikraftwerks mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherkreislauf,

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherkreislaufs und

Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Das Kombikraftwerk weist eine Gasturbine 1 auf, die einen Verdichter 2 und einen Generator 3 antreibt. Die vom Verdichter 2 kommende Luft wird über eine Leitung 6 einer Brennkammer 4 zugeführt, in die über eine Brennstoffzufuhr 5 Brenngase oder flüssiger Brennstoff eingespeist wird. Da die Verbrennung in der Brennkammer 4 mit erheblichem Luftüberschuß ablaufen muß, um die Eintrittstemperatur der Gasturbine 1 nicht über das zulässige Maß ansteigen zu lassen, enthalten die Turbinengase in der Abgasleitung 7 noch erhebliche Mengen Restsauerstoff. Die heißen Turbinenabgase können daher direkt der Feuerung eines Dampferzeugers 8 zugeführt werden und dienen als Sauerstoffträger für den dem Brenner des Dampferzeugers 8 zugeführten Brennstoff.

Der im Dampferzeuger 8 erzeugte Dampf gelangt über einen Überhitzer 9 in eine Hochdruckdampfturbine 10 und wird von dort über einen Zwischenerhitzer 11 einer zweiflutigen Niederdruckdampfturbine 12 zugeleitet. Die Turbinen 10, 12 treiben einen weiteren Generator 13 an. Der Abdampf der Niederdruckturbine 12 wird einem Kondensator 14 zugeleitet, dort kondensiert und mittels einer Kondensatpumpe 14 über einen Kondensatvorwärmer 16, einem Kondensattank 17 zugeführt. Von dort gelangt das Kondensat als Kesselspeisewasser über eine Speisewasserpumpe 19 und einen Speisewasservorwärmer 18 wieder in den Dampferzeuger 8.

Die Rauchgase aus dem Dampferzeuger 8 werden über eine Rauchgasleitung 20 durch eine katalytische oder nichtkatalytische Reduktionsstufe 21 für Stickoxide geführt. Dem Rauchgas wird in der Rauchgasleitung 20 Ammoniak aus einem Ammoniaktank 22 zugeführt. Die Rauchgase gelangen dann in einen rotierenden Regenerativwärmetauscher 23 und von dort über eine Rauchgasleitung 36, einen Entstauber 37 und eine Rauchgasentschwefelungsanlage 38 in einen Kamin 39 sowie von dort ins Freie.

Die Luftseite des Wärmetauschers 23 liegt in einem Wärmeträgerkreislauf aus einem Umwälzgebläse 24 und den Luftleitungen 25, 26, 27, 28. Zwischen den Luftleitungen 26, 27 ist der Speisewasservorwärmer 18 und zwischen den Luftleitungen 27, 28 der Kondensatvorwärmer 16 angeordnet. Über eine Abzweigung 29 gelangt Luft in eine Kohlenstaubmühle 30 und von dort ein Kohlenstaub-Luftgemisch über eine Leitung 31 zum Dampferzeuger 8. Die Kohlenstaubmühle 30 ist mit einer Kohlezufuhr 32 verbunden.

Über eine vor dem Wärmetauscher 23 abgehende Entnahmeleitung 33 läßt sich der Luftleitung 29 weniger erwärmte Luft beimischen, so daß sich die Temperatur der der Kohlenstaubmühle 30 zugeführten Luft einstellen läßt. Falls die Menge des über die Turbinenabgase durch die Leitung 7 der Feuerung des Dampferzeugers 8 zugeführten Sauerstoffs nicht zur vollständigen Verbrennung des zugeführten Brennstoffs ausreicht, kann der Feuerung über eine Leitung 34 zusätzliche Verbrennungsluft zugeführt werden. Die der Kohlenstaubmühle 30 und dem Dampferzeuger 8 zugeführte Luft wird über eine Frischluftleitung 35 stromauf vom Umwälzgebläse 24 ersetzt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist der Regenerativwärmetauscher 23 Radialdichtungen 40 auf, die die Rauchgasseite 32 von der Luftseite 34 des Wärmetauschers 23 trennen. Diese Radialdichtungen 40 brauchen nicht vollständig dicht zu sein, was den Bauaufwand herabsetzt, da im Wärmeträgerkreislauf 24, 25, 26, 27, 28 Überdruck gegenüber der Rauchgasseite 42 herrscht und sich somit eine geringfügige Luftströmung durch die Radialdichtungen 40 hindurch von der Luftseite 44 zur Rauchgasseite 42 ergibt.

Die Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers 23 lassen sich kontinuierlich durch einen Staubbläser in Form einer Luftkammer 43 von Ablagerungen befreien. Diese Luftkammer ist in Drehrichtung der Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers 23 unmittelbar vor einer der Radialdichtungen 40 auf der Rauchgasseite 42 angeordnet und wird über eine Spülluftleitung 45 mit Luft aus dem Wärmeträgerkreislauf 24 bis 28 beaufschlagt. Mittels dieser Spülluft werden Ablagerungen von den Wärmetauscherflächen abgeblasen. Die Spülluftleitung 45 mündet auf der heißen Seite des Wärmetauschers 23, jedoch läßt sich die Luftkammer auch auf der kalten Seite des Wärmetauschers 23 anordnen und mittels einer gestrichelt dargestellten Spülluftleitung 41 beaufschlagen. Die Spülluft läßt sich sowohl aus der Luftleitung 25 stromauf vom Wärmetauscher 23 als auch aus der Luftleitung 26 stromab vom Wärmetauscher 23 entnehmen.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil auch bei einem üblichen Kohlekraftwerk mit einer katalytischen oder nichtkatalytischen Reduktionsstufe in Anschluß an den Dampferzeuger bzw. allgemein immer dann, wenn die Gefahr von Ablagerungen und Korrosion besteht, einsetzen. Des weiteren ist es möglich, andere Fluide als Luft im Wärmekreislauf umzuwälzen, insbesondere solche, die auch bei höheren Temperaturen bis über 300°C einen niedrigen Dampfdruck aufweisen.

Claims (15)

1. Feuerungsanlage mit

• - einem im Rauchgasstrom (20, 36) im Anschluß an eine Reduktionsstufe (21) für Stickoxide und vor einem Rauchgasentstauber (37) angeordneten Wärme­ tauscher (23),
• - einem geschlossenen, einen rauchgasfreien bzw. weitgehend rauchgasfreien Wärmeträger enthalten­ den Wärmeträgerkreislauf (24 bis 28) zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmetauscher im Rauchgasstrom und
• - wenigstens einem Wärmetauscher (16, 18) im Wärme­ trägerkreislauf zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmeträger.

2. Feuerungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmeträgerkreislauf (24 bis 28) mit Luft als Wärmeträger.

3. Feuerungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeträgerkreislauf (24 bis 28) ein Speisewasservorerwärmer (18) angeordnet ist.

4. Feuerungsanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeträgerkreislauf (24 bis 28) ein Kondensatvorwärmer (16) angeordnet ist.

5. Feuerungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (24 bis 28) im Rauchgasstrom (20, 36) eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenprozesses (1, 2, 4; 8 bis 13) angeordnet ist.

6. Feuerungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (24 bis 28) im Rauchgasstrom (20, 36) eines mit Kohlenstaub nachgefeuerten Dampferzeugers (8) angeordnet ist.

7. Feuerungsanlage nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom (29) der erwärmten Luft abgezweigt und einer Kohlenstaubmühle zugeleitet wird.

8. Feuerungsanlage nach Anspruch 2, 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom (34) der erwärmten Luft abgezweigt und als zusätzliche Verbrennungsluft einem oder mehreren Brennern des Dampferzeugers (8) zugeleitet wird.

9. Feuerungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Regenerativwärmetauscher (23) im Rauchgasstrom (20, 36).

10. Feuerungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Regenerativwärmetauscher (23) mit rotierender Heizfläche oder rotierenden Rauchgashauben.

11. Feuerungsanlage nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch auf der Rauchgasseite (42) des Regenerativwärmetauschers (23) angeordnete Staubbläser (43).

12. Feuerungsanlage nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine auf der Rauchgasseite (42) vor einer Radialdichtung (40) angeordnete, durch Luft aus dem Wärmeträgerkreislauf (24, 28) beaufschlagte Luftkammer (43) als Staubbläser.

13. Feuerungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkammer (43) auf der heißen Seite (43) des Regenerativwärmetauschers (23) angeordnet ist.

14. Feuerungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkammer (43) auf der kalten Seite des Regenerativwärmetauschers (23) angeordnet ist.

15. Feuerungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeträgerkreislauf (24-28) stromauf vom Regenerativwärmetauscher (28) ein Umwälzgebläse (24) angeordnet ist und der Druck auf der Luftseite (44) oberhalb des Drucks auf der Rauchgasseite (42) des Regenerativwärmetauschers (23) gehalten wird.