DE9422216U1 - Anordnung zur Ausnutzung der Abgaswärme bei einem kohlegefeuerten Dampferzeuger - Google Patents

Description

L & C. Steinmüller GmbH 13. November 1998

51641 Gummersbach GM 9803

Ca-Hä-GB 1

Beschreibung Anordnung zur Ausnutzung der Abgaswärme bei einem kohlegefeuerten Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausnutzung der Abgaswärme bei einem kohlegefeuerten Dampferzeuger mit einer nachgeschalteten Dampfturbinenanlage, mindestens einem einerseits von Abgas und andererseits von Luft beaufschlagbaren Abgas-Wärmetauscher und mindestens einer Mahltrocknungsanlage, wobei der Wärmetauscher mindestens für die Erwärmung eines Mühlenluftstroms für die Mahltrocknung und eines Sekundärluftstroms für die Verbrennung ausgebildet ist.

Bei der aus der DE-PS 42 12 336 bekannten Anordnung wird bei der Verteuerung von Braunkohle Luft mit einer der Umgebungsluft entsprechenden Temperatur zunächst in einer Wärmeverschiebungseinheit aufgeheizt und danach in einem Rotationsluftvorwärmer auf eine höhere Temperatur vorerwärmt und dem Dampferzeuger als Verbrennungsluft zugeführt.

Als zusätzliche Wärmesenke für die Ausnutzung der Abgaswärme ist dem Luftvorwärmer rauchgasseitig ein Wärmetauscher parallelgeschaltet. Die von dem Abgas in diesen Wärmetauscher abgegebene Wärme wird auf ein anderes Fluid übertragen, dabei wird der Wärmetauscher vom Speisewasser des Kessels durchströmt oder ist als Dampferzeuger ausgelegt.

Da es sich bei dem Dampferzeuger gemäß der DE-PS 42 12 336 um einen braunkohlegefeuerten Dampferzeuger handelt und in der Figur nichts anderes dargestellt ist, muß davon ausgegangen werden, daß die für den Betrieb des Dampferzeugers erforderliche Mahltrocknungsanlage mit aus dem Feuerraum des Dampferzeugers rückgesaugtem Rauchgas beaufschlagt wird.

Bei kohlegefeuerten Dampferzeugern, insbesondere steinkohlegefeuerten Dampferzeugern, ist es bekannt, das Abgas nach dessen Austritt aus einem Economiser (rauchgasbeheizten Speisevorwärmer) in einen Luftvorwärmer zum Wärmetausch mit der für die Verbrennung benötigten und mit der für die Mahltrocknung eingesetzten Luft zu bringen. Der Massenstrom des Rauchgases ist durch die Verbrennungsprodukte der Kohle und den verdampften Wassergehalt der Kohle deutlich größer als der der Verbrennungsluft. Außerdem ist die differenzielle spezifische Wärmekapazität des Rauchgases höher als die der Luft. Dies muß dazu führen, daß bei vorgegebener zu übertragender Wärmemenge die Temperaturdifferenz zwischen Rauchgaseintritt und Rauchgasaustritt am Luftvorwärmer deutlich niedriger ist als an der Luftseite. Bei vorgegebener Lufteintrittstemperatur und bei vorgegebener Rauchgastemperatur ergibt sich daher über die Wärmebilanz eine Begrenzung der erreichbaren Abgastemperatur. Die Rauchgaseintrittstemperatur in einen Luftvorwärmer ist in aller Regel durch verfahrenstechnische Randbedingungen vorgegeben. Hierzu gehören z. B. die Betriebstemperatur einer bei steinkohlegefeuerten Anlagen dem Dampferzeuger nachgeschalteten Entstickungsanlage und die Grädigkeiten beim rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer im Falle von . braunkohlegefeuerten Anlagen. Hierbei ist zu beachten, daß durch technische und wirtschaftliche Begrenzungen sämtliche Grädigkeiten am heißen Ende des Luftvorwärmers vorgegeben sind, die zu gegenüber der Wärmebilanz deutlich höheren Abgastemperaturen führen. Die entsprechenden Zusammenhänge sind beispielsweise im DE-Buch "Große Dampfkraftwerke" von Karl Schröder, Springer-Verlag 1966, S. 174 und 175 dargestellt. Da die deutlich höheren Abgastemperaturen den Abgasverlust erhöhen und damit über den Kesselwirkungsgrad den Wirkunsgsgrad des Gesamtprozesses reduzieren, ist man bemüht, durch weitere Maßnahmen die Abgastemperatur zu senken. Um dies zu erreichen, ist eine weitere Wärmesenke erforderlich, in der z. B. Wärme auf das Speisewasser des Dampferzeugers übertragen werden kann. Hierzu bietet sich bevorzugt die Vorwärmung von Hochdruckspeisewasser an, da die Nutzung des Kondensats als weitere Wärmesenke eine deutlich größere Verschlechterung des Wärmeverbrands der Turbine ergeben würden.

Die DE-PS 42 12 336 offenbart eine solche Wärmesenke, in der zusätzlich Abgaswärme auf Speisewasser übetragen wird. Diese Variante hat jedoch den Nachteil, daß zur Abkühlung des Rauchgases im Strang der zusätzlichen

Wärmesenke auch Kondensatvorwärmer eingesetzt werden müssen, um vertretbare Abgastemperaturen in diesem Strang zu erreichen.

Eine andere Möglichkeit der zusätzlichen Abfuhr von Abgaswärme besteht in einer rauchgasseitigen Reihenschaltung, wobei die zusätzliche Wärmesenke zwischen zwei Luftvorwärmern angeordnet ist (vergl. DE-Fachbuch Karl Schröder, S. 170, Abb. 159). Diese Schaltungsvariante ist sehr aufwendig, da mindestens zwei Luftvorwärmer benötigt werden.

Es ist aus der DE 41 16 356 A1 bekannt, bei einem Wärmetauscher vom luftseitigen Austritt des Luftvorwärmers einen Teilstrom vorgewärmter Luft zum luftseitigen Eintritt zu rezirkulieren. Diese Luftzirkulation hat die folgenden Nachteile: Das relativ heißstehende Rauchgasrezirkulationsgebläse verursacht einen relativ hohen Leistungsbedarf. Der bei regenerativen Luftvorwärmern nicht zu vermeidende Staubschlupf verursacht einen Verschleiß des Gebläses. Die Lufteintrittstemperatur am Eintritt des Luftvorwärmers ist deutlich höher als zur Vermeidung von Korrosion und Verschmutzung notwendig ist und vergrößert damit unnötig den Luftvorwärmer.

Wenn bei Kohlen mit niedrigem bzw. mäßigem Wassergehalt, wie z. B. Steinkohle, die Mahltrocknung mit vorgewärmter Luft betrieben wird, ist es üblich (vgl. die gattungsgemäße DE 35 19 951 C2), die Temperatur am Austritt der Mühle über eine relativ große Menge an Kaltluft zu regeln, d. h. über Luft die am Hauptluftvorwärmer vorbeigeführt wird. Diese Luft steht im Luftvorwärmer nicht zur Abkühlung der Rauchgase zur Verfügung und verschlechtert daher weiter die oben erwähnte Wärmebilanz des Luftvorwärmers in bezug auf die erreichbare Abgastemperatur.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Anordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art anzugeben, bei der zugleich eine Minimierung der Abgastemperatur und eine Regelung der Mühlenlufttemperatur möglich ist und die vorstehend diskutierten Nachteile weitestgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Abgas-Wärmetauscher und der Mahltrocknungsanlage mühlenluftseitig ein Wärmetauscher angeordnet ist, der zur Abgabe von Nutzwärme in den Wasser-Dampf-Kreislauf eines externen Wärmeverbrauchers eingeschaltet ist.

Unter der Abgabe von Nutzwärme wird in der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen verstanden, daß die vorgewärmte Luft mit Wasser oder Dampf aus dem Dampfturbinenprozeß oder einem Wärmeträger eines externen Wärmeverbrauchers, wje z. B. einem Fernwärmenetz, zum Wärmetausch gebracht wird und Wärme auf das Fluid des Dampfturbinenprozesses oder des anderen Wärmeverbrauchers übertragen wird.

Wegen des zusätzlichen Wärmetauschers kann mehr Luft über den Abgas-Wärmetauscher geführt und damit die Abgastemperatur weiter abgesenkt werden und kann zugleich vor der Mahltrocknungsanlage für die Mahltrocknung nicht erforderliche Wärme der Mühlenluft als Nutzwärme entzogen werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet weiter den Vorteil, daß der für die Vorwärmung der Luft eingesetzte Wärmetauscher gegenüber einer Anordnung mit Luftzirkulation kleiner gebaut werden kann. Weiterhin muß im stationären Betrieb des Dampferzeugers -wenn überhaupt- nur wenig Kaltluft am Luftvorwärmer vorbei zur Regelung der Mühlenaustrittstemperatur der Mühle zugeleitet werden. Die Übertragung von Nutzwärme auf das andere Fluid kann geregelt werden.

Vorzugsweise ist der Wärmetauscher mindestens für die getrennte Ausbildung des Mühlenluftstroms und des Sekundärluftstroms ausgebildet.

Der Wärmetauscher ist vorzugweise ein rotierender Wärmetauscher, da ein solcher bei Dampferzeugern großer Leistung wohl stets zum Einsatz kommt, da rekuperative Luftvorwärmer bei großen Abgasmengen zu großen Baueinheiten führen würden. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung jedoch mit beiden Wärmetauscherarten verwirklicht werden. Bei den rotierenden Luftvorwärmern werden die sektoral gegliederten Wärmetauscher bevorzugt.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren erläutert werden:

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung der

erfinderischen Grundidee, zwischen Luftvorwärmer und Mühle (Mahltrocknungsanlage) einen

Wärmetauscher einzuschalten, wobei gleichzeitig verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Anordnung mit dargestellt sind, und

Fig. 2 und 3 Schaltbilder vergleichbar Fig. 1, wobei jedoch jeweils weitere bevorzugte Ausgestaltungen dargestellt sind.

Es sind nicht alle bevorzugten Ausgestaltungen in einer Figur zusammengefaßt worden, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht zu erschweren. Die bevorzugten Ausgestaltungen können in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt werden.

In der Fig. 1 ist ein vorzugsweise mit Steinkohle gefeuerter Dampferzeuger 1 dargestellt. Dem Dampferzeuger 1 ist ein Wasser-Dampfkreislauf 2 mit Kondensator 3, Kondensatpumpe 4, Niederdruckspeisewasservorwärmer 5, Speisewasserpumpe 6, Hochdruckspeisewasservorwärmer 7, Heizflächensystem 8 und Dampfturbinenanlage 9 mit zugeordnetem Generator 9' zugeordnet. Die Dampfturbinenanlage kann eine oder mehrere Turbinen umfassen.

In dem Dampferzeuger wird in einer Mahltrocknungsanlage bzw. Mühle 10 ermahlene Kohle 11 verbrannt, wobei dem Dampferzeuger neben dem Kohlenstaubluftgemisch (Primärluft) PL mindestens noch Sekundärluft SL' für die Verbrennung zugeführt wird.

Zur Bereitstellung von Luft wird Umgebungsluft über ein Gebläse 12 verdichtet und die verdichtete Gesamtluft GL in einen Sekundärluftstrom SL und einen Mühlenluftstrom ML unterteilt. Der Sekundärluftstrom SL wird ohne weitere Verdichtung und der Mühlenluftstrom ML wird unter Verdichtung durch ein Gebläse 13 einem rotierenden Wärmetauscher 14 zugeleitet. In diesem Wärmetauscher wird aus dem über einen Rauchgaskanal 15 herangeführten Abgas AG (Sektor 14a) Wärme auf die über einen Kanal 16 herangeführte Sekundärluft SL (Sektor 14b) und Wärme auf die über einen Kanal 17 herangeführte Mühlenluft ML (Sektor 14c) übertragen. Nach dem Wärmetauscher durchströmt das Abgas einen Elektrofilter 18, einen Saugzug 19 und einen Wärmetauscher 20. Der Wärmetauscher 20 ist mit einem dem

Gebläse 12 nachgeschalteten Wärmetauscher 21 verbunden. Zwischen den beiden Wärmetauschern 20 und 21 wird unter dem Einfluß einer Pumpe 22 ein Wärmeträger im Kreislauf geführt, so daß ein indirekter Wärmetausch zwischen dem Abgas AG und der vom Gebläse herangeführten Gesamtluft GL stattfindet. Es ist möglich, in diesen Wärmekreislauf einen weiteren Wärmetauscher 23 einzuschalten, der mit Dampf aus dem Wasser-Dampfkreislauf 2 des Turbinenprozesses beaufschlagt wird. Weiterhin kann der Wärmetauscher 21 auch dem Gebläse 12 vorgeschaltet sein.

Zumindest ein Teilstrom der in dem Luftvorwärmersektor 14c erwärmten Mühlenluft wird einem Wärmetauscher 24 zugeführt, in dem Wärme auf Wasser oder Dampf aus dem Wasser-Dampfkreislauf 2 oder auf den Wärmeträger eines externen Wärmeverbrauchers, wie Wasser oder Dampf eines Fernwärmenetzes, übertragen wird. Das den Wärmetauscher 24 durchströmende und wärmeabführende Fluid ist F bezeichnet. Die fluidseitige Einbindung kann an verschiedenen geeigneten Stellen des Wasser-Dampfkreislaufs 2 erfolgen. Der Wärmetausch kann über ein schematisch dargestelltes Ventil 25 geregelt werden. Der im Wärmetauscher 14 vorgewärmte und im Wärmetauscher 24 wärmeabgebende Teilstrom der Mühlenluft wird der Mühle 10 als Hauptmühlenluftstrom HML zugeleitet.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, kann es zweckdienlich sein, einen Teil der vorgewärmten Mühlenluft an dem Wärmetauscher 24 als vorzugsweise geregelter Bypass-Mühlenluftstrom BML vorbeizuführen. Diese Kombination bietet den Vorteil einer besonders schnellen und einfachen Regelung der Mindesttemperatur (Heißluftregelung gegenüber dem abgekühlten HML). Auch ist es möglich, einen Teil der nicht vorgewärmten Mühlenluft an dem Luftvorwärmer 14 als Bypasstrom BBML vorbeizuführen. Gleichzeitig ist es unter Umständen sinnvoll, einen Teil der Mühlenluft sowohl an dem Vorwärmer 14 als auch dem Wärmetauscher 24 als Bypassstrom BBBML (Kaltluft) vorbeizuführen. Die entsprechenden Leitungen sind mit 26, 27 und 28 bezeichnet. Diese Bypasströme können einzeln oder in Kombination ebenfalls zur Regelung der Mühlentemperatur herangezogen werden.

Zur weiteren Optimierung des Wärmetausches kann es sinnvoll sein, daß von dem aus dem Wärmetauscher austretenden vorgewärmten Mühlenluftstrom über Leitung 29 ein Teilstrom abgezweigt wird, der über einen Wärmetauscher 30 und ein Gebläse 31 stromauf des Wärmetauschers 14 der Mühlenluft

zugemischt wird. Der Wärmetauscher 30 kann ebenfalls in den Wasser-Dampfkreislauf 2 eingebunden sein.

Alternativ zu der Anordnung 29, 30, 31 kann es zweckmäßig sein, vorgewärmte Sekundärluft über Leitung 32 abzuzweigen und diese über einen Wärmetauscher 33, ein Gebläse 34 stromauf des Wärmetauschers 14 in die Sekundärluft SL einzumischen. Auch der Wärmetauscher 33 kann in den Wasser-Dampfkreislauf 2 eingebunden sein.

In der Fig. 2 sind die Bezugszeichen von Fig. 1 übernommen worden, soweit dies zweckdienlich ist. In der Fig. 2 sind weitere Möglichkeiten der Verknüpfung der Luftwege von Mühlenluft und Sekundärluft vorhanden. Von der aus dem Luftvorwärmer (Sektor 14c) austretenden vorgewärmten Mühlenluft wird vor deren Eintritt in den Wärmetauscher 24 über eine Leitung 35 ein Teilstrom abgezweigt, der nach einem wärmeabführenden Wärmetausch in einem Wärmetauscher 36 unter Ausnutzung der Druckdifferenz zur Sekundärluftleitung 16 hin in die Sekundärluft SL eingemischt wird. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, hinter dem Wärmetauscher 24 einen Teil über eine Leitung 37 abzuweigen, in einem Wärmetauscher 38 abzukühlen und in die Sekundärluftleitung 16 einzuspeisen. Des weiteren ist in der Fig. 2 die Alternative dargestellt, stromab des Wärmetauschers 24 aus dem Hauptmühlenluftstrom einen Teilstrom über Leitung 39 abzuzweigen und über ein Gebläse 40 in die Mühlenluftleitung 17 stromauf des Luftvorwärmers 14 einzuspeisen. Gegebenenfalls kann hier auch noch zur Wärmeabfuhr ein Wärmetauscher 41 eingeschaltet sein. Die Wärmetauscher 36, 38 und 41 können ebenfalls in den Wasser-Dampfkreislauf eingebunden sein.

Das Schaltbild gemäß Fig. 3 zeigt neben der Grundschaltung mit der mühlenluftseitigen Hintereinanderschaltung des Luftvorwärmers 14 (Sektor 14c) und des Wärmetauschers 24 die Möglichkeit, daß hinter dem Gebläse nach Einschaltung eines weiteren Gebläses 42 ein Hilfsluftstrom HL über eine Leitung 43 abgezweigt wird, der getrennt von dem Mühlenluftstrom ML und dem Sekundärluftstrom SL durch einen Wärmetauscher 14' mit einem zusätzlichen Sektor 14d geführt wird und nach seiner Erwärmung einer Wärmeabgabe in einem Wärmetauscher 43 geführt wird und danach der Sekundärluft stromauf des Wärmetauschers 14' beigemischt wird.

Als weitere Schaltungsvariante ist in der Fig. 3 dargestellt, daß ein Teil des Hauptmühlenluftstroms nach Verlassen des Wärmetauschers 24 über Leitung 37 abgezweigt und ohne Wärmeabgabe in einen Wärmetauscher 38 unter Ausnutzung der Druckdifferenz der Sekundärluft stromauf des Wärmetauschers 14' beigemischt werden kann. Selbstverständlich ist diese Maßnahme auch bei dem Wärmetauscher 14 gemäß Fig. 1 und 2 möglich, der keinen gesonderten Sektor 14d für die getrennte Erwärmung des Hilfsluftstroms HL aufweist.

Schließlich ist in der Fig. 3 noch dargestellt, daß die Gesamtluft GL, die Mühlenluft ML und/oder die Sekundärluft SL noch mit Wärmetauschern 45, 46 bzw. 47 vorerhitzt werden kann, die mit Wärme aus dem Wasser-Dampfkreislauf 2 beheizt werden.

Die in der Fig. 1 mit der Leitung 32, dem Wärmetauscher 33 und dem Gebläse 34 dargestellte Rezirkuiation von Sekundärluft entspricht beispielsweise der in der Beschreibungseinleitung angesprochenen und bereits vorgeschlagenen Luftzirkulation über einen Wärmetauscher von luftseitigem Austritt des Luftvorwärmers zum luftseitigen Eintritt. Bei Beibehaltung dieser Luftzirkulation wird durch Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 24 erreicht, daß die über den Wärmetauscher 33 zu rezirkulierende Heißluftmenge bei in Summe gleicher aus dem Abgas ausgekoppelter Wärmemenge stark, z. B. auf ein Viertel, zurückgeht. Dadurch wird der Leistungsbedarf des bei relativ hoher Lufttemperatur betriebenen Rezirkulationsgebläses entsprechend reduziert. Der Leistungsbedarf durch den zusätzlichen Druckverlust in dem Mühlenluftwärmetauscher 24 wird dadurch mehr als kompensiert. Die erfindungsgemäße Anordnung bietet den Vorteil, daß bei gleicher Abgastemperatur eine Verkleinerung des Luftvorwärmers 14 bzw. 14'erreicht wird bzw. die Heißluftrezirkulation reduziert bzw.gänzlich eliminiert werden kann.

Durch die Anordnung des Wärmetauschers 24 auf der Mühlenluftseite des Wärmetauschers 14 bzw. 14' ergeben sich die verfahrenstechnisch vorteilhaften Möglichkeiten, das Druckgefälle zwischen der Mühlenluft ML und der Sekundärluft SL auf der Eintrittsseite des Luftvorwärmers zu nutzen, um eventuell noch notwendige Luftrezirkulationen ohne oder nach Wärmetausch auch ohne Rezirkulationsgebläse vorzunehmen. Es wird hier auf die Rezirkuiation von Luft über die Leitungen 35 und 37 verwiesen. Schließlich

muß noch darauf aufmerksam gemacht werden, daß die Wärmetauscher 30, 33, 36, 38, 40, 41 und 44 nicht nur zur Abgabe von Wärme in den Wasser-Dampfkreislauf des Dampferzeugers 2 eingebunden sein können, sondern unter Umständen auch Wärme zu einem externen Verbraucher hin abführen können. Weiterhin sind bis auf das Ventil 25 alle Regelklappen, Ventile und dergleichen, die für den Betrieb erforderlich sind, der Einfachheit halber nicht mit dargestellt.

Claims (2)

L & C. Steinmüller GmbH 13. November 1998 51641 Gummersbach GM 9803 Ca-Hä-GB 1 Ansprüche

1. Anordnung zur Ausnutzung der Abgaswärme bei einem kohlegefeuerten Dampferzeuger mit einer nachgeschalteten Dampfturbinenanlage, mindestens einem einerseits von Abgas und andererseits von Luft beaufschlagbaren Abgas-Wärmetauscher und mindestens einer Mahltrocknungsanlage, wobei der Wärmetauscher mindestens für die Erwärmung eines Mühlenluftstroms für die Mahltrocknung und eines Sekundärluftstroms für die Verbrennung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem Abgas-Wärmetauscher (14; 14') und der Mahltrocknungsanlage (10) mühlenluftseitig ein zusätzlicher Wärmetauscher (24) angeordnet ist, der zur Abgabe von Nutzwärme in den Wasser-Dampf-Kreislauf (2) der Dampfturbinenanlage und/oder in den Wärmeträgerkreislauf eines externen Wärmeverbrauchers eingeschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der zusätzliche Wärmetauscher (24) für die getrennte Erwärmung des Mühlenluftstroms und des Sekundärluftstroms ausgebildet ist.