Verfahren zur Vermeidung von Korrosion an Heizflächen

Abstract

 Beim Verfahren zur Vermeidung von Korrosion an Heizflächen bei der Erhitzung des im Kreisprozeß einer Wärmekraftanlage eingesetzten Arbeitsfluids, welches einen niedrigen Siedepunkt besitzt, erfolgt die Vorerhitzung des Arbeitsfluids, wie zum Beispiel CO₂, in Heizflächen (3,6,7) außerhalb der Brennkammer einer Wirbelschichtanlage (1) und die Erhitzung auf Endtemperatur in den Heizflächen (2) der Brennkammer einer Wirbelschichtanlage (1), wobei in der Brennkammer der Wirbelschichtanlage die auf den Heizflächen sich bildenden Beläge durch die Wirbelschicht abgescheuert werden. Die Vorerhitzung des Arbeitsfluids erfolgt insbesondere in den Konvektionsheizflächen (3) des zweiten Zuges der Wirbelschichtanlage und die Erhitzung des Arbeitsfluids auf Endtemperatur in den Membranwänden (2) der Brennkammer (1) der Wirbelschichtanlage.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Korrosion an Heizflächen bei der Erhitzung des im Kreisprozeß einer Wärmekraftanlage eingesetzten Arbeitsfluids, welches einen niedrigen Siedepunkt besitzt.

[0002] Bei herkömmlichen Rankine-Prozessen mit Verfeuerung von Brennstoffen mit erhöhten Chlorgehalten wie Braunkohlen, Rinden, Klärschlämmen, also typischen Brennstoffen für Wirbelschichtfeuerungen, treten im Bereich der Überhitzung Hochtemperaturkorrosionen auf, die nach neueren Erkenntnissen auf Beläge an der Außenseite der Heizflächenrohre zurückzuführen sind. Die Grenzschicht zwischen Belag, der sich auf Heizflächen von Überhitzem bildet, und Heizfläche bildet den Ausgangspunkt für die Korrosionserscheinungen, die die Rohre angreifen, was zu einer frühzeitigen Zerstörung der Heizfläche führt.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Erhitzung des Arbeitsfluids, das im Kreisprozeß in einer Wärmekraftanlage eingesetzt wird, wobei jedoch die bei hohen Temperaturen an den Heizflächen auftretenden Korrosionen ausgeschaltet werden sollen.

[0004] Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerhitzung des Arbeitsfluids, wie zum Beispiel CO₂, in Heizflächen außerhalb der Brennkammer einer Wirbelschichtanlage erfolgt, daß die Erhitzung auf Endtemperatur in den Heizflachen der Brennkammer einer Wirbelschichtanlage erfolgt und daß in der Brennkammer der Wirbelschichtanlage die auf den Heizflächen sich bildenden Beläge durch die Wirbelschicht abgescheuert werden.

[0005] Dies hat den Vorteil, daß die Außenwände der Heizflächenrohre in der Brennkammer durch die abtragende Wirkung der Wirbelschicht frei von Belägen bleiben und somit die Ursachen für die Hochtemperaturkorrosion beseitigt werden. Bei der Vorerhitzung des Arbeitsfluids außerhalb der Brennkammer ist die Belagbildung im Hinblick auf Hochtemperaturkorrosion nicht störend, da die dort herrschenden Temperaturen für das Auftreten von Hochtemperaturkorrosionen zu niedrig sind.

[0006] Aus der Literatur, wie zum Beispiel Brennstoff-Wärme-Kraft, Band 21, Nr. 7, Juli 1969, Seite 347 bis 394, sind Kreisprozesse für niedrig siedende Flüssigkeiten anhand von Temperatur-Entropie-Diagrammen beschrieben. Ausgehend von den im Diagramm ersichtlichen Eckdaten soll zur Beschreibung der Erfindung eine Anlage, die nach dern Sulzer-Prozeß (Seite 357) arbeitet, herangezogen werden. Diese ist in der angeschlossenen Abbildung schematisch dargestellt. Als Arbeitsfluid wird Kohlendioxid CO₂ verwendet.

[0007] Bei 60 bar und 22°C liegt CO₂ im Bereich des Naßdampfgebietes und wird in einem Kondensator 11 vollständig verflüssigt. Eine Speisepumpe 9 erhöht den Druck auf ca. 270 bar. Wärmetauscher 7, 6 führen dem CO₂ Wärme zu, sodaß der Punkt des Pseudophasenwechsels (flüssig-gasförmig) überschritten und das CO₂ auf ca. 310°C erhitzt wird. In den Heizflächen 3, 2 wird nochmals Wärme vom Rauchgas auf das Arbeitsfluid CO₂ übertragen und dieses dabei auf ca. 550°C erhitzt.

[0008] In einer den heutigen Hochdruck-Dampfturbinenstufen ähnlichen Turbine 4 wird das Arbeitsfluid CO₂ von ca. 250 bar auf 60 bar entspannt und auf unter 400°C abgekühlt. Die bei der Entspannung frei werdende mechanische Arbeit treibt einen Stromgenerator 5 an.

[0009] Das auf 60 bar entspannte CO₂ überträgt seine Wärme über Warmetauscher 6, 7 rekuperativ auf das sogenannte Speise-CO₂ und wird dabei auf ca. 75°C abgekühlt. Im folgenden Gaskühler 10 wird das CO₂ bis zur Taulinie abgekühlt. Zur Erhöhung des Kreislautwirkungsgrades wird entsprechend dem Sulzer-Prozeß ein Teilstrom des Arbeitsfluids abgezweigt und in einem Kompressor oder Verdichter 8 auf 250 bar komprimiert und dem Speise-CO₂ zugeführt. Das restliche CO₂ wird im Kondensator 11 verflüssigt und wieder der Speisepumpe 9 zugeführt, womit der Kreislauf geschlossen wird.

[0010] In einer konventionellen Wirbeischichtanlage, hier dargestellt durch die Brennkammer 1, die als Membranwände ausgebildeten Heizflächen 2 und die Konvektionsheizflächen 3, wird dem CO₂-Kreislauf über dem nach der Brennkammer 1 liegenden Konvektionswärmetauscher 3 Wärme zugeführt und das aus der Brennkammer 1 austretende Rauchgas von ca. 870°C auf ca. 350°C abgekühlt. Das in den Konvektionsheizflächen 3 auf ca. 395°C erhitzte Arbeitsfluid CO₂ wird in den in der Brennkammer 1 der Wirbelschichtanlage liegenden Membranwänden 2 auf die Endtemperatur von ca. 550°C erhitzt. Dabei wird der Brennkammer 1 genau soviel Wärme entzogen, daß die Temperatur der Brenkammer 1 auf die heute üblichen Temperaturen einer solchen Feuerung eingestellt wird (850°C bis 900°C).

[0011] Das aus den Konvektionsheizflächen 3 der Wirbelschichtanlage austretende Rauchgas überträgt in einem konventionellen Luftvorwärmer 12 seine Wärme auf die Verbrennungsluft und erwärmt diese auf ca. 290°C. Das Rauchgas wird dabei auf übliche Abgastemperaturen von ca. 150°C abgekühlt, in einem Filter 13 entstaubt und über einen Kamin 14 in die Atmosphäre geleitet.

[0012] Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung liegt in der Schaltung der Heizflächen. Die Wärmezufuhr an das gasförmige CO₂ erfolgt zunächst über Konvektionsheizflächen 3 des zweiten Zuges der Wirbelschichtanlage. Die dabei auftretenden Rohrwandtemperaturen liegen bei 410°C unterhalb der Temperatur, wo Hochtemperaturkorrosionen auftreten. Die Erhitzung des CO₂ auf die Endtemperatur erfolgt in den Membranwänden 2 der Brennkammer 1 der Wirbelschichtanlage. Das hat den Vorteil, das keine Hochtemperaturkorrosionen auftreten werden, da sich auf Heizflächenrohren in einer Wirbelschicht infolge der scheuernden Bewegung des Wirbelgutes keine Beläge bilden können, deren Grenzfläche zur Rohrwand die Ursache für derartige Korrosionserscheinungen darstellt.

[0013] Die Erfindung ist nicht auf Kohlendioxid CO₂ als Arbeitsfluid beschränkt, sie kann auch bei anderen niedrigsiedenden Fluiden wie Schwefeldioxid SO₂, Ammoniak NH₃ oder Schwefelhexafluorid SF₆ angewendet werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Vermeidung von Korrosion an Heizflächen bei der Erhitzung des im Kreisprozeß einer Wärmekraftanlage eingesetzten Arbeitsfluids, welches einen niedrigen Siedepunkt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerhitzung des Arbeitsfluids, wie zum Beispiel CO₂, in Heizflächen außerhalb der Brennkammer einer Wirbelschichtanlage erfolgt, daß die Erhitzung auf Endtemperatur in den Heizflachen der Brennkammer einer Wirbelschichtanlage erfolgt und daß in der Brennkammer der Wirbelschichtanlage die auf den Heizflächen sich bildenden Beläge durch die Wirbelschicht abgescheuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerhitzung des Arbeitsfluids in den Konvektionsheizflächen des zweiten Zuges der Wirbelschichtanlage und die Erhitzung des Arbeitsfluids auf Endtemperatur in den Membranwänden der Brennkammer der Wirbelschichtanlage erfolgt.

Zeichnung