Hochtemperatur-Wärmeübertrager für ein Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk mit Kohlenstaubdruckfeuerung

In der Arbeit wird eine Ausführungsvariante des GuD-Prozesses mit direkter Kohlenstaubdruckfeuerung untersucht. Darin kommt ein Hochtemperatur-Wärmeaustauscher zum Einsatz, der das Rauchgas aus einer druckbeaufschlagten Kohlenstaubfeuerung für eine trockene Gasreinigung abkühlt und nach dieser wieder aufheizt. Der dafür notwendige keramische Wärmeaustauscher wurde in einer Versuchsanlage getestet und simuliert. die Ergebnisse werden bewertet.

Zunächst wird der Stand der Technik von Verfahren mit direkt oder indirekt kohlebefeuerten Gasturbinen aufgeführt. Auf die Schaltung mit Kohlenstaubdruckfeuerung wird näher eingegangen. Neben anderen Verfahren mit Gas-Gas-Hochtemperaturwärmeaustauscher erreichen die beiden Prozeßvarianten mit Flüssigascheabscheidung sowie mit trockener Ascheabscheidung mit mehr als 50% den höchsten Nettowirkungsgrad kohlebefeuerter Kraftwerke, vorausgesetzt, die Aschefließtemperatur ist ausreichend hoch. Die Verfahren werden jedoch für eine Großanlage bislang nicht ausreichend technisch beherrscht. Zu den wichtigsten Fragestellungen im Zusammenhang mit dem neuen Prozeß, nämlich dem Fließ- und Anbackungsverhalten von Kohlenaschen sowie Ausführungen von keramischen Wärmeaustauschern und zu Hochtemperatur-Gasreinigungsverfahren, wird der Stand des Wissens vorgestellt.

Auslegung und Konstruktion der atmosphärisch betriebenen Hochtemperatur-Versuchsanlage werden präsentiert. Sie beinhaltet als Hauptkomponenten eine keramische Brennkammer mit einer Erdgasfeuerung mit 22 kW Maximalleistung und 1350°C maximaler Temperatur, eine Dosiereinheit für Kohlenasche, den im Kreuzgegenstrom geschalteten Rohrbündel-Wärrneaustauscher aus SiSiC-Keramik und einzelnen Rohren aus Quarzglas, SSiC C-SiC und Aluminiumoxid und den Gasreinigungsabschnitt aus hitzebeständigem Stahl bestehend aus einem Gaszyklon und keramischen Filterkerzen.
An der Anlage wurde die Anfälligkeit des Wärmeaustauschers gegen Verschmutzungen, Hochtemperaturkorrosion und Schäden durch thermische Dehnung erprobt und sein Betriebsverhalten im Zusammenspiel mit der Gasreinigung untersucht.
Es wurden drei Versuchsreihen mit zwei verschiedenen Steinkohlenaschen durchgeführt, bei denen die Temperatur am Eintritt in den Wärmeaustauscher schrittweise bis 1265°C und somit in die Nähe des Erweichungspunktes der Aschen gesteigert wurde. Zu den Punkten erreichte Temperaturen, Verschmutzungsverhalten des Wärmeaustauschers und Abscheideverhalten der Gasreinigung werden Meßwerte präsentiert und ausgewertet, für das Rauchgas wird eine Massen- und Energiebilanzienmg vorgenommen. Gegen Verstopfungen durch Asche in den Rohreintritten am heißen Ende des Wärmeaustauschers wurden mit der Zugabe von Sand sowie dem Einbau einer Blaseinrichtung zwei Maßnahmen getestet, mit denen eine merkliche Reduzierung der Verschmutzung erreicht wurde.
Die Versuchsergebnisse zeigen, daß der Wärmeaustauscher in der gewählten Konstruktion sicher betreibbar ist, daß jedoch die Reinigungsmaßnahmen auf der Rohgasseite intensiviert werden müssen, um im stationären Betrieb die angestrebten Temperaturen fahren zu können. Schäden an den keramischen Bauteilen durch Thermoschock oder durch Korrosion wurden nicht festgestellt. Die Gasreinigung erfüllte voll die Erwartungen, da im Reingas keine Partikel nachgewiesen werden konnten.

Für eine wärmetechnische Simulation wurde die Anlage in MATLAB-Simulink abgebildet. Die Berechnung von Bauteiltemperaturen erlaubte eine Überprüfung der Dimensionierung kritischer Elemente des Wärmeaustauschers sowie seiner Aufhängung. Durch Vergleich mit den gemessenen Temperaturen werden die Einflüsse von Undichtigkeiten der Isolierung aufgezeigt.

In der Literatur beschriebene Reinigungsmethoden für Wärmeaustauscher werden auf ihre Anwendbarkeit auf den gewählten Rohrwerkstoff und auf die vorliegenden Temperaturen untersucht. Daraus werden Ansätze für weitere Versuche zur Vermeidung von Verschmutzungen aufgezeigt.

Für eine Großanlage werden abschließend Ausführungsmöglichkeiten der Gasreinigung und eine Aufstellungsplanung vorgestellt. Es werden Wirkungsgrade präsentiert, die mit dem Energiebilanzierungsprogramm ENBIPRO berechnet wurden. Die Wirtschaftlichkeit des Konzepts wird qualitativ mit anderen Kraftwerkstypen verglichen.