DE4225858C2 - Dampf-Gasturbinen-Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampf-Gasturbinen-Anlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Bei der Verbrennung des Kohlenstaubes unter Druck werden die Gase, die eine hohe Temperatur aufweisen, zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, da ihr Wärmeinhalt von einer Gasturbine mit sehr gutem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht ist also bei der Kohlenstaubverbrennung die Erzeugung eines Rauchgases anzustreben, das eine möglichst hohe Temperatur aufweist.

Mit der hohen Temperatur des Rauchgases ist jedoch der Nachteil verbunden, daß die anorganischen Bestandteile der Kohle, die als Asche anfallen, nicht in fester, sondern in flüssiger Form anfallen. Vor der Nutzung des heißen Verbrennungsgases in einer Gasturbine muß das Verbrennungsgas also für den Betrieb der Gasturbine konditioniert werden, da die Gasturbine andernfalls durch die sich ablagernden und auf den Leit- und Turbinenschaufeln verfestigenden Aschetröpfchen zerstört werden würde.

Aus der DE 35 06 102 A1 ist eine gattungsgemäße Dampf-Gas- Turbinen-Anlage bekannt, bei der Kohle unter Druck in Kohle- Asche-Schmelzverbrennungsöfen verbrannt wird, die sich tangential zu einem Ofen hin öffnen. Im Inneren des Ofens ist ein Zyklon angeordnet, mit dessen Hilfe Asche im schmelzflüssigen Zustand entfernt wird. Dem aus dem Zyklon austretenden noch mit Staub beladenen Rauchgas wird Sekundärluft zugeführt, so daß die Temperatur des Verbrennungsgases gesenkt wird. Nach einer Feinstaubabscheidung tritt das Rauchgas in die Gasturbine ein. Eine Kühlung mit Dampf ist nicht vorgesehen. Das die Dampf-Gas-Turbine verlassende entspannte Gas wird über einen Abhitzekessel geführt. Der in dem Abhitzekessel erzeugte Dampf wird in einer nachgeschalteten Dampfturbine entspannt.

Aus der DE 35 18 512 A1 ist eine Dampf-Gasturbinen-Anlage bekannt, bei der aus dem Wirbelschichtbett einer Wirbelschichtfeuerung über Tauchheizflächen Wärme entnommen wird und hochgespannter Dampf als Arbeitsmittel für eine Dampfturbine erzeugt wird. In die unter Druck betriebene Wirbelschicht wird über eine Sprühdüsenanordnung Wasser in das Wirbelbett eingeführt. Da die Betriebstemperatur einer Wirbelschichtfeuerung im Bereich von 850°C liegt, können schmelzflüssige Teilchen nicht entstehen. Die Zufuhr des Wassers über die Sprühdüsenanordnung dient zur Erhöhung der Leistung der Wirbelschichtfeuerungsanlage ohne eine Temperaturerhöhung im Wirbelschichtbett selbst.

Mit der DE 37 20 963 C2 ist bereits vorgeschlagen worden, in der Feuerung ein keramisches, poröses, gasdurchlässiges Filterelement anzuordnen, dem die Asche in Form von in dem Rauchgas suspendierten Flüssigkeitspartikeln zugeführt wird. Ein solches keramisches Filterelement verhält sich bei den bei der Schmelzfeuerung vorhandenen Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1700°C inert und verändert seine Porenstruktur auch im Langzeitbetrieb nicht. Es besteht jedoch die Gefahr, daß das keramische Filterelement zugesetzt wird und die flüssige Asche durch das Filterelement hindurch gedrückt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Dampf-Gasturbinen-Anlage zu schaffen, bei der auf einfache Weise das Rauchgas auf einen für den Betrieb der Gasturbine verträglichen Zustand unter einem guten Wirkungsgrad der Gesamtanlage gebracht wird.

Diese Aufgabe wir dadurch gelöst, daß die Dampfturbine mit bei der Kühlung der Feuerung erzeugtem Dampf beaufschlagt wird und als Kühlfluid für das Rauchgas Dampf in eine Quenchstrecke eingebracht wird, der zuvor in einer Dampfturbine zumindest teilentspannt worden ist.

Durch den Betrieb der Dampfturbine mit bei der Kühlung der Feuerung erzeugtem Dampf wird dessen Energieinhalt mit höherem Wirkungsgrad ausgenutzt und zum anderen wird durch die Verwendung von bereits in einer Dampfturbine zumindest teilentspanntem Dampf eine ausreichende Abkühlung erreicht, ohne daß komprimierte Luft zur Temperaturabsenkung herangezogen werden muß.

Vorzugsweise wird das Rauchgas von einem Temperaturbereich von 1300 bis 1700°C auf einen Temperaturbereich von 850 bis 1200°C gekühlt, und zwar in Abhängigkeit vom Erweichungspunkt der bei der Verbrennung anfallenden Asche. Dieser Erweichungspunkt kann mit der Zusammensetzung der zu verbrennenden Kohle variieren.

Um einen etwaigen Verschleiß an der Gasturbine zu verringern bzw. zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn der Quenchstrecke ein Filter nachgeschaltet ist. Hierzu eignen sich Elektrofilter, aber auch die in der DE 37 20 963 C2 angesprochenen keramischen, porösen, gasdurchlässigen Filterelemente.

Da das Abkühlen bis zur Erstarrung für größere Teilchen auch eine größere Kühlfluidmenge erforderlich macht, ist es zweckmäßig, daß der Quenchstrecke ein Grobabscheider vorgeschaltet ist. Hierfür eigenen sich insbesondere Zyklone, aber auch entsprechend in ihrer Porosität eingestellte keramische Filterelemente.

Da das die Gasturbine verlassende Gas noch einen restlichen Wärmeinhalt aufweist, ist es zweckmäßig, daß der Gasturbine gasseitig ein Abhitzekessel nachgeschaltet ist und als Kühlfluid im Abhitzekessel erzeugter Dampf in die Quenchstrecke eingebracht wird.

Da ein Dampferzeuger vorhanden ist, kann es auch sinnvoll sein, daß als Kühlfluid bei der Kühlung des Feuerraums erzeugter Dampf in die Quenchstrecke eingebracht wird.

Die Dampf-Gasturbinen-Anlage kann neben der Dampferzeugung bei der Kühlung der Feuerung und der Dampferzeugung bei Nutzung der Abwärme im Turbinenabgas auch beide Dampferzeugungsarten aufweisen.

Im letzteren Falle ist es zweckmäßig, daß die mit bei der Kühlung der Feuerung erzeugtem Dampf beaufschlagte Dampfturbine zusätzlich mit in dem Abhitzekessel erzeugtem Dampf beaufschlagbar ist.

In Abhängigkeit des aus dem Dampferzeuger bzw. Abhitzekessel abgezweigten Dampfes muß in den oder die zugeordneten Wasser- Dampf-Kreisläufe voll entsalztes Wasser nachgespeist werden.

Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage soll nun anhand der beigefügten Figur näher erläutert werden:
Einer Brennkammer 1 wird über eine Einschleuseinrichtung 2 gemahlene Kohle 3 (Kohlenstaub) zugeführt. Gleichzeitig wird ihr in einem Kompressor 4 verdichtete Verbrennungsluft 5 zugeleitet, so daß der Kohlenstaub in der Brennkammer 1 mit einer hohen Temperatur von 1200 bis 1700°C, vorzugsweise 1300 bis 1700°C verbrennen kann. Wie in der Figur durch die Heizfläche 1a schematisch dargestellt ist, wird die Brennkammer 1 unter Dampferzeugung gekühlt. Der Dampf wird in einer zweistufigen Dampfturbinenanlage 6 mit Generator 6a mit einem Hochdruckteil 7 und einem Niederdruckteil 8 entspannt und in einem Kondensator 9 kondensiert. Das Kondensat wird zur Heizfläche 1a zurückgeführt. Zur Einspeisung von Wasser in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Turbinenanlage 6 ist eine Vollentsalzungsanlage 10 vorgesehen, der Frischwasser zugeführt wird.

Das Rauchgas, in dem Asche in Form von suspendierten Flüssigpartikeln vorhanden ist, wird über einen eine Grobabscheidung von größeren Ascheteilchen bewirkenden Zyklon 11 einer Quenchstrecke 12 zugeführt und in dieser auf eine Temperatur von 850 bis 1200°C, vorzugsweise 1100 bis 1200°C, je nach Erweichungspunkt der Ascheteilchen abgekühlt. In der Quenchstrecke 12 werden die nach der Grobabscheidung verbleibenden kleineren Aschepartikel zum Erstarren gebracht, so daß sie in einem nachgeschalteten filternden Feinabscheider 13 sicher abgeschieden werden können. Hierfür eignen sich E-Filter, Keramikfilter oder dergleichen. Wenn ein gewisser Verschleiß der Turbine hingenommen werden kann, ist unter Umständen kein Feinabscheider erforderlich. Das nunmehr für den optimalen Betrieb einer Gasturbine konditionierte Rauchgas wird in einer Gasturbine 14 entspannt und über einen Abhitzekessel 15 einem Kamin 16 zugeführt. Die Gasturbine 14 treibt den Kompressor 4 und einen Generator 14a an.

Bei der in der Figur gezeigten Ausführungsform wird der in dem Abhitzekessel 15 erzeugten und in dessen Heizfläche 17 überhitzte Dampf auf die Niederdruckstufe 8 der Dampfturbinenanlage 6 geführt.

Aus der Niederdruckstufe 8 wird teilentspannter Anzapfdampf über eine Leitung 18 der Mischstrecke 12 zugeführt, um dort die gewünschte Temperaturerniedrigung herbeizuführen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß keine schmelzflüssigen Ascheteilchen mehr die Gasturbine 14 erreichen.

Entsprechend der über Leitung 18 abgezogenen Dampfmenge muß in die beiden Wasser-Dampf-Kreisläufe der Dampfturbinenanlage 6 aus der Vollentsalzungsanlage 10 Wasser nachgespeist werden.

Wie in der Figur durch die gestrichelte Leitung 19 angedeutet, kann anstelle von Dampf auch Wasser, das keiner Vollentsalzung unterzogen wurde, als Kühlfluid in die Quenchstrecke 12 eingespeist werden. Zur Einstellung der Quenchmenge ist in der Leitung 18 ein Einstellventil 20 vorgesehen. Zur Beaufschlagung der Heizflächen 1a und 17 sind in den zugeordneten Wasser-Dampf-Kreisläufen Speisewasserpumpen 21 bzw. 22 angeordnet. Weitere Einzelheiten der Kreisläufe, wie Speisewassersammelbehälter und dergleichen, sind in der Figur nicht dargestellt. Die in der Brennkammer 1 am Boden des Zyklons 12 und im Feinabscheider 13 anfallende Asche wird abgezogen wie dies in der Figur durch die schraffierten Pfeile dargestellt ist.

Selbstverständlich kann der in den Heizflächen 1a und 17 erzeugte Dampf unter Umständen als Prozeßdampf anderweitig verwendet werden. Auch ist es möglich, der Heizfläche 1a eine Dampfturbinenanlage zuzuordnen, während der Dampf der Heizfläche 17 als Prozeßdampf verwendet wird und umgekehrt. Wesentlich ist der erfindungsgemäße Gedanke, im Rauchgas vorhandene schmelzflüssige Teilchen durch Zufuhr eines Kühlfluids, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe: Dampf, Wasser und Luft, zur Erstarrung zu bringen, so daß sie schadlos durch die der Entspannung des unter Druck stehenden Rauchgases dienende Gasturbine geführt werden können oder in bevorzugter Weise bereits vor der Gasturbine in einer feste Teilchen abscheidende filternden Abscheideeinrichtung aus dem Rauchgas entfernt werden können. Bei Abkühlungstemperaturen unter 1000°C werden auch die Alkalien mit abgeschieden. Durch das Einbringen des Kühlfluids wird der Gasturbinenprozeß nicht behindert.

Claims (7)

1. Dampf-Gasturbinen-Anlage mit einer Feuerung, einer Dampfturbine, einer der Feuerung rauchgasseitig nachgeschalteten Gasturbine, bei der in der Feuerung ein Rauchgas durch eine Verbrennung von Kohlenstaub mit Luft unter Druck erzeugt wird, in das Rauchgas vor dessen Eintritt in die Gasturbine ein Kühlfluid eingeführt wird derart, daß bei Einführung des Kühlfluids im Rauchgas vorhandene schmelzflüssige Teilchen im wesentlichen in den festen Zustand überführt werden, die Teilchen aus dem Rauchgas entfernt werden und danach das Rauchgas in der Gasturbine entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (6; 7, 8) mit bei der Kühlung (1a) der Feuerung (1) erzeugtem Dampf beaufschlagt wird und als Kühlfluid für das Rauchgas Dampf in eine Quenchstrecke (12) eingebracht wird, der zuvor in einer Dampfturbine zumindest teilentspannt worden ist.

2. Dampf-Gasturbinen-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas von einem Temperaturbereich von 1300 bis 1700°C auf einen Temperaturbereich von 850 bis 1200°C abgekühlt wird.

3. Dampf-Gasturbinen-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quenchstrecke (12) ein Filter (13) nachgeschaltet ist.

4. Dampf-Gasturbinen-Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Quenchstrecke (12) ein Grobabscheider (11) vorgeschaltet ist.

5. Dampf-Gasturbinen-Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbine (14) gasseitig ein Abhitzekessel (15) nachgeschaltet ist und als Kühlfluid im Abhitzekessel erzeugter Dampf in die Quenchstrecke (12) eingebracht wird.

6. Dampf-Gasturbinen-Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid bei der Kühlung (1a) des Feuerraums (1) erzeugter Dampf in die Quenchstrecke (12) eingebracht wird.

7. Dampf-Gasturbinen-Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit bei der Kühlung (1a) der Feuerung (1) erzeugtem Dampf beaufschlagte Dampfturbine (6; 7, 8) zusätzlich mit in dem Abhitzekessel (15) erzeugtem Dampf beaufschlagbar ist.